РЕАКТОР С ДВИЖУЩИМСЯ СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА Российский патент 1996 года по МПК B01J8/08 

Изобретение относится к аппаратам с движущимся слоем катализатора, в частности к многоступенчатому реактору с радиальным потоком реагентов, который может быть использован в нефтехимической промышленности для проведения процессов каталитической конверсии углеводородов в паровой фазе, таких как риформинг, ароматизация низших парафинов и др.

Известны аппараты, в которых вся масса катализатора периодически или непрерывно перемещается под действием силы тяжести, в частности реакторы, содержащие несколько секций и снабженные устройствами, обеспечивающими равномерную перегрузку катализатора из одной секции в другую [1, 2]
Эти реакторы содержат устройства для перегрузки катализатора из секции в секцию, выполненные в виде разгрузочных труб, верхние концы которых расположены геометрически равномерно в днище секции, а нижние размещены на одной общей высоте под крышкой каждой нижерасположенной секции [2] Такие устройства позволяют добиться равномерного движения частиц твердого сыпучего катализатора по всему поперечному сечению его слоя, но не исключают возможности образования в этом слое локальных застойных зон, особенно вблизи места ввода катализатора из секции.

Указанный недостаток устранен в другой известной конструкции многосекционного реактора с движущимся слоем катализатора, наиболее близкой к изобретению и принятой в качестве прототипа [3]
Известная конструкция включает цилиндрический корпус с патрубками для ввода реагентов и несколько расположенных внутри корпуса одна под другой кольцевых секций с катализатором, образованных коаксиально установленными центральной и периферийной перфорированными обечайками, между которыми расположены устройства для перегрузки катализатора из секции в секцию, выполненные в виде закрепленных в нижней части реакторных секций распределительных патрубков с заглушками, в которых верхними концами закреплены разгрузочные трубы. Каждая центральная обечайка снабжена патрубком для вывода реагентов, установленным на конце обечайки, и поперечной перегородкой, установленной на противоположном конце обечайки, размещенной в распределительном патрубке с образованием кольцевого зазора для прохода катализатора. Наличие распределительного патрубка, образующего с центральной обечайкой кольцевой зазор, устраняет возможность образования застойных зон вблизи места вывода катализатора из секции.

Все реакторные секции установлены внутри корпуса отдельно друг от друга на некотором расстоянии, что необходимо для размещения между ними патрубком для вывода реагентов из центральных обечаек, а также устройств с разгрузочными трубами для перегрузки катализатора из секции в секцию. Такая компоновка не позволяет уменьшить расстояние между секциями и высоту корпуса реактора.

Сборка и разборка внутренних устройств многосекционного реактора при указанной их компоновке затрудняется тем, что эти операции должны выполняться для каждой секции, начиная с верхней.

Техническая задача, стоящая перед авторами настоящего изобретения, заключается в упрощении конструкции реактора, уменьшении его габаритов и массы, улучшении технологичности сборки, разборки и обслуживания его внутренних устройств, повышение надежности работы.

Указанная задача решается тем, что в реакторе, включающем цилиндрический корпус с патрубками для ввода реагентов и несколько расположенных внутри корпуса одна под другой кольцевых секций с катализатором, образованных коаксиально установленными центральной и периферийной перфорированными обечайками, между которыми расположены устройства для перегрузки катализатора из секции в секцию, выполненные в виде закрепленных в нижней части реакторных секций распределительных патрубков, в которых размещены концы центральных обечаек с образованием кольцевого зазора для прохода катализатора, а каждая центральная обечайка снабжена патрубком для вывода реагентов, установленным на конце обечайки, и поперечной перегородкой, установленной на противоположном конце обечайки, реакторные секции сгруппированны попарно так, что центральные обечайки секций каждой пары соединены друг с другом в месте расположения поперечной перегородки, а распределительный патрубок, установленный между секциями каждой пары, присоединен своей открытой нижней частью непосредственно к верхней части нижерасположенной секции.

Изобретение отличается от прототипа тем, что реакторные секции сгруппированы попарно так, что центральные обечайки секций каждой пары соединены друг с другом в месте расположения поперечной перегородки, а распределительный патрубок, установленный между секциями каждой пары, присоединен своей открытой нижней частью непосредственно к верхней части нижерасположенной секции.

Следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в том, что описанное выше попарное расположение реакторных секций позволяет отказаться от применения разгрузочных труб в составе устройств для перегрузки катализатора из вышерасположенной секции в нижерасположенную в пределах указанной пары секций. Тем самым достигается уменьшение расстояния между попарно расположенными секциями и улучшение условий перегрузки катализатора. Благодаря уменьшению расстояния между секциями уменьшается общая высота, а следовательно, и масса реактора в целом, а улучшение условий перегрузки катализатора равнозначно повышению надежности работы аппарата. Устранение разгрузочных труб упрощает конструкцию устройств для перегрузки катализатора, а также сборку, разборку и техническое обслуживание всего комплекса внутренних устройств реактора. Последнему улучшению способствует также соединение центральных обечаек каждой пары секций.

Кроме того, если в указанном реакторе патрубки для ввода реагентов расположены по касательной к окружности корпуса, то тем самым достигается улучшение распределения потока реагентов по слою катализатора. Этот эффект проявляется тем заметнее, чем меньше объем свободного пространства внутри корпуса реактора для распределения потока реагентов перед входом его в слой катализатора.

Предложенная конструкция устройства для перегрузки катализатора из секции в секцию проста и обеспечивает улучшение условий перегрузки, заключающееся в том, что
уменьшается вероятность застревания катализаторного потока в результате динамического сводообразования в сыпучей среде в канале перегрузочного устройства,
повышается равномерность выгрузки по всему поперечному сечению слоя катализатора.

Первое улучшение достигается за счет действия ряда новых факторов: равнодоступности входного сечения канала для всех расположенных в его плоскости частиц катализатора, уменьшения высоты и извилистости канала, увеличения его эквивалентного диаметра. В предложенном техническом решении указанный канал представляет собой открытый с обеих сторон кольцевой зазор между распределительным патрубком и частью центральной обечайки.

Традиционным путем обеспечивается более равномерной по всему поперечному сечению слоя выгрузки катализатора является увеличение числа разгрузочных труб в каждом из устройств для перегрузки катализатора из секции в секцию при одновременном уменьшении их диаметра с тем, чтобы величина суммарного проходного сечения труб не превышала расчетного значения, обусловленного допустимой величиной нежелательного перетока реагентов между секциями. Однако уменьшение диаметра труб возможно лишь до определенного предела, обусловленного, в свою очередь, сыпучими свойствами применяемого катализатора. В трубах малого диаметра (обычно не превышающего 20-30-кратного характерного размера катализаторных частиц) возможно застревание катализатора из-за образования сводов, нарастания отложений на внутренней поверхности стенок труб, ухудшения сыпучести катализатора в результате его закоксования и по ряду других причин. Кроме того, монтаж большого количества разгрузочных труб внутри реактора (как и демонтаж их) представляет известную трудность. Поэтому традиционный подход не позволяет повысить надежность работы реактора и одновременно улучшить технологичность конструкции.

Как следует из всего сказанного выше, введение в изобретение новых, отличных от прототипа признаков, позволяет получить технический результат, не обусловленный известным из уровня техники влиянием такого введения, а следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется фигурами графического изображения, на которых изображен пятиступенчатый реактор с движущимся слоем катализатора для процесса ароматизации низших парафинов. На фиг. 1 показан продольный разрез верхней части реактора, на фиг. 2 продольный разрез нижней части реактора, на фиг. 3 фрагмент А фиг. 1, на фиг. 4 поперечное сечение Б-Б на фиг. 2.

Реактор (см. фиг. 1 и 2) содержит цилиндрический корпус 1 с закрепленными на его стенках патрубками 2 6 для ввода реагентов. На верхнем конце корпуса имеется патрубок 7 для ввода катализатора, а на нижнем патрубок 8 для вывода его. Патрубок 7 связан с входной камерой 9 для катализатора. Входная камера 9 связана множеством загрузочных труб 10 с верхней частью первой кольцевой реакторной секции 11, образованной коаксиально установленными центральной 12 и периферийной 13 перфорированными обечайками, а также крышкой 14 и днищем 15. Между стенкой корпуса 1 и окружностью периферийной обечайки 13 образована кольцевая распределительная зона 16 для входного потока реагента, поступающего в первую реакторную секцию 11 и через патрубок 2. Центральная обечайка 12 снабжена патрубком 17 для вывода реагентов, установленным на верхнем конце обечайки, а на противоположном, нижнем ее конце установлена поперечная перегородка 18.

Последующие четыре реакторные секции 19 22 расположены ниже и сгруппированы попарно. В верхнюю пару входят секции 19 и 20, а в нижнюю 21 и 22. Каждая из этих секций образована соответственно центральными перфорированными обечайками 23 26 и установленными коаксиально периферийными перфорированными обечайками 27 30, а также крышками 31 34 и днищами 35 - 38. Центральные обечайки указанных секций снабжены патрубками 39 42 для вывода реагентов, установленными на концах обечаек, а противоположные концы последних снабжены поперечными перегородками 43 и 44. Концы обечаек 23 и 24 соединены друг с другом в месте расположения поперечной перегородки 43, являющейся общей для указанной пары обечаек. Аналогичным образом соединены друг с другом в месте расположения поперечной перегородки 44 центральные обечайки 25 и 26 нижней пары реакторных секций 21 и 22,
Секции 11, 19, 20 и 21 снабжены расположенными между их пеpфорированными обечайками устройствами для перегрузки катализатора из секции в секцию, выполненными в виде закрепленных в нижней части секций распределительных патрубков 45 48, в которых размещены концы центральных обечаек 12, 23, 24, 25 и 26 с образованием кольцевого зазора для прохода катализатора. Последняя секция 22 также снабжена в нижней части патрубком 49, в котором размещен конец центральной обечайки 26 с образованием кольцевого зазора для прохода катализатора в пространство 50 нижней части корпуса 1, откуда осуществляется вывод катализатора из реактора через патрубок 8.

В состав устройств для перегрузки катализатора из секции 11 в секцию 19 и из секции 20 в секцию 21 входят также пучки разгрузочных труб соответственно 51 и 52, закрепленных геометрически равномерно верхними концами в заглушках 53 (фиг. 3) и 54, закрывающих нижние части распределительных патрубков 45 и 47. Нижние концы каждого пучка разгрузочных труб размещены на одной общей высоте под крышками 31 и 33 секций 19 и 21.

Распределительные патрубки 46 и 48, установленные между секциями 19 и 20, а также секциями 21 и 22, присоединены своими открытыми нижними частями непосредственно к верхним частям секций 20 и 22, т.е. нижние торцы патрубков не закрыты заглушками и размещены под крышками 32 и 34 указанных нижерасположенных секций.

Длина и ширина кольцевых зазоров, образованных патрубком 46 и обечайками 23, 24, а также патрубком 48 и обечайками 25, 26, рассчитана таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственную перегрузку катализатора и, в то же время, максимально ограничить переток реагентов из секции в секцию.

Для компенсации тепловых деформаций центральных обечаек реакторных секций относительно корпуса, возникающих при разогреве и охлаждении реактора, патрубки 39 и 41 для вывода реагентов присоединены к концам соответствующих центральных обечаек 23 и 25 через компенсаторы 55 и 56.

Патрубок 6 для ввода потока реагентов, подводимого к секции 22, расположен по касательной к окружности корпуса 1 (см. фиг. 4), чем достигается улучшение распределения потока по слою катализатора. В месте присоединения патрубка 6 часть объема пространства 50 (фиг. 2) внутри корпуса реактора занята катализатором, поэтому мал объем пространства для распределения потока реагентов перед входом его в кольцевую распределительную зону 57, образованную корпусом 1 реактора и наружной перфорированной обечайкой 30, удерживающей слой катализатора в секции 22. В этих условиях указанное расположение патрубка 6 дает заметный дополнительный эффект выравнивания потока.

Римскими цифрами на фиг. 1 и 2 обозначены следующие потоки.

I свежий (регенерированный) катализатор;
II отработанный катализатор;
III сырье первой ступени;
IV продукт первой ступени;
V сырье второй ступени;
VI продукт второй ступени;
VII сырье третьей ступени;
VIII продукт третьей ступени;
IX сырье четвертой ступени;
Х продукт четвертой ступени;
XI сырье пятой ступени;
XII продукт пятой ступени.

Стрелками обозначены направления потоков.

Реактор работает следующим образом.

Внутрь корпуса 1 реактора через патрубок 2 подается нагретое до температуры 480-550^oС парообразное сырье смесь алканов С₃-С₄. Процесс каталитической конверсии сырья осуществляется при контактировании его со сферическими частицами цеолитного катализатора, вводимыми в верхнюю часть пятисекционного вертикального реактора через патрубок 7 во входную камеру 9. При этом в патрубок 7 подается свежий или прошедший регенерацию катализатор. Из камеры 9 катализатор, двигаясь под действием силы тяжести, опускается по загрузочным трубам 10 в кольцевое пространство 11 первой секции. Проходя по трубам 10, катализатор нагревается до рабочей температуры потоком сырья, обтекающим эти трубы после ввода в корпус реактора через патрубок 2. Поток сырья попадает затем в распределительную зону 16, откуда, проходя в радиальном направлении через перфорированную стенку периферийной обечайки 13, слой катализатора в кольцевом пространстве 11 и перфорированную стенку центральной обечайки 12, поступает внутрь последней и удаляется из реактора через патрубок 17.

Поскольку каталитический процесс ароматизации углеводородов является эндотермическим, то продукт первой ступени контактирования, покидающий первую реакторную секцию, проходит подогрев вне реактора, прежде чем вернуться в него для дальнейшей каталитической обработки в качестве сырья второй ступени контактирования во второй реакторной секции.

Подготовленные таким образом сырье второй ступени вводится в реактор через патрубок 3. Контактирование сырьевого потока второй ступени в секции 19 с находящимся в ней катализатором происходит так же, как и в первой ступени в секции 11, при радиальном движении этого потока от периферийной обечайки 27 к центральной обечайке 23, а из внутреннего пространства центральной обечайки 23 поток продуктов реакции удаляется через патрубок 39 для подогрева перед контактированием с катализатором в следующей степени в реакторной секции 20. Аналогичным образом поток реагентов проходит четвертую и пятую ступени контактирования и в качестве конического продукта удаляется из реактора через патрубок 42.

При входе в корпус реактора через патрубок 6 сырьевой поток последней ступени закручивается вследствие тангенциального расположения указанного патрубка. Благодаря этому, улучшается распределение потока сырья по слою катализатора, находящегося в кольцевом пространстве секции 22.

Катализатор, медленно двигаясь под действием силы тяжести в кольцевом пространстве 11 первой реакторной секции, опускается в кольцевой зазор, образованный распределительным патрубком 45 и центральной обечайкой 12, откуда попадает в разгрузочные трубы 51 и, проходя по ним, перегружается в кольцевое пространство 19 нижерасположенной секции. Из секции 19 в секцию 20 катализатор перегружается без посредства разгрузочных труб, проходя из нижней части секции 19 через кольцевой зазор, образованный распределительным патрубком 46 и обечайками 23 и 24, непосредственно в кольцевое пространство 20 нижерасположенной секции.

Перегрузка катализатора из секции 20 в секцию 21 осуществляется по разгрузочным трубам 52 аналогично тому, как это происходит при перегрузке из секции 11 в секцию 19 по трубам 51, а процесс перегрузки катализатора из секции 21 в секцию 22 аналогичен вышеописанному процессу перегрузки из секции 19 в секцию 20 без использования разгрузочных труб.

Из последней секции 22 отработанный катализатор выгружается через кольцевой зазор, образованный патрубок 49 и обечайкой 26 в пространство 50 нижней части корпуса реактора, откуда покидает реактор через патрубок 8 и направляется на регенерацию.

Монтаж и демонтаж внутренних устройств реактора осуществляется в осевом направлении через люки, имеющиеся и снизу корпуса. Выполнение этих операций облегчается тем, что центральные обечайки 23 и 24 могут устанавливаться и сниматься совместно, так как они соединены друг с другом. Сказанное справедливо и в отношении центральных обечаек 25 и 26. В отличие от прототипа в предложенном реакторе уменьшено число мест монтажа разгрузочных труб, так как они устанавливаются не в каждом промежутке между реакторными секциями, благодаря чему уменьшается расстояние между последними, а следовательно, общая высота и масса реактора. Исключение разгрузочных труб упрощает конструкцию перегрузочного устройства и улучшает условия непосредственной перегрузки катализатора из секции в секцию через открытые в нижней части распределительные патрубки, устраняя опасность остановки или неравномерного движения катализатора, что, в свою очередь, повышает надежность работы реактора. Этому же способствует применение тангенциального ввода сырьевого потока в корпус реактора.

Реактор включает несколько кольцевых секций с катализатором, образованных коаксиально установленными перфорированными обечайками: центральной (ЦО) и периферийной, между которыми расположены устройства для перегрузки катализатора из секции в секцию, выполненные в виде закрепленных в нижней части секций распределительных патрубков, в которых размещены концы ЦО с образованием кольцевого зазора для прохода катализатора, а каждая ЦО снабжена патрубком для вывода реагентов и поперечной перегородкой, установленной на противоположном конце, причем секции сгруппированы попарно так, что ЦО секций каждой пары соединены друг с другом в месте расположения поперечной перегородки, а распределительный патрубок, установленный между секциями каждой пары, присоединен своей открытой нижней частью непосредственно к верхней части нижерасположенной секции. 4 ил.

1. Реактор с движущимся слоем катализатора, включающий цилиндрический корпус с патрубками для ввода реагентов и несколько расположенных внутри корпуса одна над другой кольцевых секций с катализатором, образованных коаксиально установленными центральной и периферийной перфорированными обечайками, между которыми расположены устройства для перегрузки катализатора из секции в секцию, выполненные в виде закрепленных в нижней части реакторных секций распределительных патрубков, в которых размещены концы центральных обечаек с образованием кольцевого зазора для прохода катализатора, а каждая центральная обечайка снабжена патрубком для вывода реагентов, установленным на конце обечайки, и поперечной перегородкой, установленной на противоположном конце обечайки, отличающийся тем, что реакторные секции сгруппированы попарно так, что центральные обечайки секций каждой пары соединены друг с другом в месте расположения поперечной перегородки, а распределительный патрубок, установленный между секциями каждой пары, присоединен своей открытой нижней частью непосредственно к верхней части нижерасположенной секции. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что патрубки для ввода реагентов расположены по касательной к окружности корпуса.