УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ Российский патент 1999 года по МПК C10G11/18 B01J8/24 

Изобретение относится к циклонному сепараторному устройству, непосредственно присоединяемому к реактору с восходящим потоком для каталитического крекинга во флюидизированном (псевдоожиженном) слое (ККФ).

В литературе [1] описано устройство для быстрого отделения катализатора от получаемого при крекинге газообразного углеводорода в реакторе ККФ, а также способ удаления десорбированного газа из камеры реактора ККФ. Выходное отверстие для отвода получающегося в результате реакции и десорбирующего газов расположено в кольцеобразной полости, образуемой между выходной трубой вертикального циклона и его крышкой. Выходное отверстие обуславливает стабильность давления в непосредственно присоединяемой циклонной системе.

Способ ККФ включает смешивание горячего регенерированного катализатора с углеводородным сырьем в транспортировочной линии реактора с восходящим потоком при поддержании условий протекания реакции каталитического крекинга. Сырье подвергается крекингу для извлечения кипящих углеводородов бензинового ряда, а также продуктов разложения, таких как кокс, который осаждается на катализаторе, вызывая снижение каталитической активности. Углеводородный пар и покрытый коксом катализатор направляют с верхней части вертикального реактора в закрытую камеру, содержащую циклонный сепаратор, в котором происходит отделение катализатора от углеводорода. Поэтому сепараторную камеру называют также реакторной или разделительной камерой. Отделенный катализатор подают в десорбер, также представляющий собой закрытую камеру, и подвергают контактированию с десорбирующим газом для удаления легколетучего углеводорода. Затем, после очистки десорбцией, катализатор поступает в отдельную камеру регенерации, где с катализатора удаляют кокс путем окисления с контролируемой скоростью. Катализатор, в значительной степени освобожденный от кокса, собирается в вертикально расположенной напорной трубе регенерированного катализатора. Регенерированный катализатор подается из напорной трубы в вертикальный реактор для повторного циклического использования в процессе.

Обычно применяемое для ККФ сырье включает все известные фракции углеводородов, которые используют для получения кипящей фракции ряда жидкого топлива. Такое сырье содержит легкие и тяжелые газойли, дизельное топливо, остатки атмосферной и вакуумной перегонки нефти, нафту, в частности, остаточные фракции нафты, газолин, получающийся при коксовании угля, бензиновую фракцию легкого крекинга и другие аналогичные фракции парофазного крекинга.

Разработка катализаторов позволила усовершенствовать процесс ККФ. Новые кристаллические цеолитные катализаторы для крекинга обладают высокой активностью, избирательностью и чувствительностью к сырью. Такие высокоактивные катализаторы используют для повышения выхода более ценных продуктов.

Для каталитической конверсии углеводородов методом ККФ предпочтительно использовать высокоактивный кристаллический цеолитный катализатор с размерами частиц, обеспечивающими его псевдоожижение. Такой катализатор в виде суспензии или дисперсии в углеводородном сырье подают вверх через одну или несколько расположенных в восходящем потоке зон превращения, причем время нахождения углеводорода в каждой зоне составляет от 0,5 до 10 с, обычно менее 8 с. Для высокотемпературной конверсии углеводородов, которая происходит при температуре от 900^o F (482^oC) до 1450^o F (788^oC), желательно давление от 0,13 МПа (5 избыточных фунтов/дюйм²) до 0,41 МПа (45 избыточных фунтов/дюйм²) и время нахождения углеводородного катализатора в реакторе от 0,5 до 4 секунд. Продукт парофазного превращения углеводородов быстро отделяют от катализатора.

В современных реакторах ККФ температуру крекинга увеличивают для получения высокой степени конверсии исходного кипящего материала в легкие продукты. Температура крекинга в современных реакторах ККФ лежит в пределах от 980^o F (526^oC) до 1050^o F (565^oC) и более. При таких высоких температурах термическое разложение жидких продуктов крекинга может оказаться весьма значительным, в результате чего происходит образование дополнительных газообразных продуктов и потеря ценных жидких продуктов. Во многих случаях производительность реактора ККФ и жесткость его эксплуатационного режима ограничены возможностью сжатия и извлечения легких газообразных продуктов.

Быстрое отделение катализатора от углеводородного продукта в особенности желательно для того, чтобы ограничить время конверсии углеводорода временем его нахождения в зоне превращения, расположенной в восходящем потоке. В процессе конверсии углеводородов кокс накапливается на частицах катализатора и захватывает пары углеводородов. Контактирование между захваченным таким образом углеводородом и катализатором продолжается и после удаления их из зоны конверсии углеводорода до тех пор, пока углеводород не будет отделен от катализатора. Если время протекания каталитической реакции превышает оптимальное время контактирования, это может привести к разложению жидких продуктов на менее ценные газообразные продукты и кокс.

Катализатор отделяют от углеводорода с помощью циклонных сепараторов, а затем осуществляют десорбцию десорбирующим газом для удаления легколетучего углеводорода. Продукты превращения углеводорода и десорбированный углеводород соединяют и подают в систему ректификации и извлечения. Эта система содержит ректификационную колонну, испарительные холодильники и компрессор для увлажненного газа, работающий при давлении всасывания от 0,13 МПа (0,5 избыточных фунтов/дюйм²) до 0,17 МПа (10 избыточных фунтов/дюйм²). После десорбции катализатор, содержащий в дезактивирующих количествах кокс, подается в зону регенерации.

Для быстрого и эффективного отделения полученного в процессе крекинга углеводорода от частиц катализатора на выходе из реактора используют один или несколько циклонных сепараторов. В таких циклонных сепараторах, обычно называемых rise our rough-cut циклонами, завершаются каталитические реакции, происходящие в реакторе. Вертикальные циклоны могут быть расположены вне или, что более употребительно, внутри реакторной или разделительной камеры. Отделенный пар из циклона обычно направляют в верхнюю часть реакторной камеры и пропускают через один или несколько вторичных циклонов для удаления частиц катализатора, прежде чем пар поступит в систему фракционирования и рекуперации паров. В реакторах ККФ, работающих при температурах крекинга выше примерно 980^o F (526^oC), может иметь место значительное термическое разложение продуктов крекинга, если пары попадают в реакторную или разделительную камеру. Для уменьшения термического разложения продуктов крекинга используют непосредственно присоединяемые или закрытые циклонные системы, аналогичные описанным в [1]. В непосредственно присоединяемых циклонах отделенный пар из вертикальных циклонов поступает прямо на выход вторичных циклонов. Непосредственно присоединяемые циклоны снижают термическое разложение продуктов крекинга за счет сокращения времени нахождения пара в высокотемпературной зоне.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для быстрого разделения суспензии катализатор - углеводород. Другая задача состоит в том, чтобы создать постоянный градиент давления между камерой циклона и реакторной камерой для облегчения отвода десорбированного газа из реакторной камеры. И еще одна задача изобретения - обеспечить применение непосредственно присоединяемой циклонной системы с вертикальными циклонами, размещаемыми вне реакторной или разделительной камеры.

В литературе [2], [3] описывается присоединяемая система закрытых циклонных сепараторов, размещаемая в реакторной камере устройства для проведения ККФ. Устройство предусматривает смешивание десорбированного газа с углеводородом крекинга при его поступлении в непосредственно присоединенный вертикальный циклонный сепаратор.

В литературе [4] описывается способ отделения катализатора в закрытом циклоне при проведении ККФ, а также устройство для реализации указанного способа. В закрытом циклоне углеводородный продукт и катализатор подаются непосредственно в циклонный сепаратор, не попадая в атмосферу реакторной камеры. Отсутствие контакта с атмосферой реакторной камеры уменьшает как избыточный каталитический, так и высокотемпературный термический крекинг.

В литературе [5] описывается многоступенчатая система циклонных сепараторов с газосборником, содержащим трубопровод и систему крепления.

Представляется целесообразным использовать достоинства способа, описанного в литературе [1], в существующих реакторных камерах для ККФ, где ограниченность свободного объема лимитирует модернизацию в части использования непосредственно присоединяемого вертикального циклона.

Настоящее изобретение описывает устройство для ККФ углеводородного сырья в вертикальном реакторе, непосредственно соединенном с циклонной системой. Существенным элементом системы является закрытый циклон, расположенный вне камеры реактора.

Устройство содержит вертикально удлиненную реакторную камеру, состоящую из верхней части, нижней части и боковой стенки. В верхней части размещен газосборник для отвода газов. В нижней части находится десорбер, где производится обработка катализатора в противотоке десорбирующего газа и его последующее удаление.

Вертикально удлиненный реактор с восходящим потоком содержит нижнюю, входную и верхнюю, выходную части. Выходная часть присоединяется непосредственно к вертикальному циклону. Вертикальный циклон содержит: (I) вертикально удлиненный барабан, расположенный вне реакторной камеры, (II) наклонный трубопровод, проходящий через боковую стенку реакторной камеры и обеспечивающий соединение потока с десорбером катализатора, (III) выходной паропровод, проходящий через боковую стенку реакторной камеры и соединенный с газосборником, и (IV) газопровод для десорбируемого газа, проходящий через боковую стенку реакторной камеры и обеспечивающий сообщение между десорбером катализатора и цилиндрическим барабаном.

Ниже приводится описание изобретения со ссылками на фиг. 1 и фиг. 2, на которых представлено устройство, обеспечивающее взаимодействие углеводородного сырья с измельченным псевдоожиженным катализатором.

На фиг. 2 показано вертикальное сечение части непосредственно присоединяемой циклонной системы, относящейся к изобретению.

Фиг.2 представляет собой детализированный вид части фиг. 1.

Вертикальный реактор 10 с восходящим потоком содержит нижнюю, входную часть 10a и верхнюю, выходную часть 10b. Смесь углеводородных паров, получаемую в процессе крекинга, и измельченный катализатор выводят из реактора 10 через непосредственно присоединенный трубопровод 15 в вертикальный циклонный сепаратор 20.

Вертикальный циклонный сепаратор 20 соединен закрытым трубопроводом (непосредственно соединен) с вертикальным реактором 10. Непосредственно соединяющий их трубопровод 15, как показано на фигуре, выполнен таким образом, чтобы оградить и полностью отделить углеводородный пар крекинга и измельченный катализатор, проходящие по нему, от окружающей атмосферы.

Термином "реакторная камера" или "реактор" в каталитическом крекинге во флюидизированном слое в общем случае называют закрытую камеру, в которую поступает реакционная смесь из вертикального реактора ККФ. Для данного изобретения является существенным тот фактор, что вертикальный циклонный сепаратор 20 расположен вне реакторной камеры 50. Такое конструктивное решение может быть использовано для модернизации вертикального циклона, замкнуто- присоединяемого к вертикальному реактору, существующая реакторная камера которого имеет ограниченный свободный объем.

Реакторная камера 50 содержит верхнюю часть 50a, боковую стенку 50b и нижнюю часть 50c. В верхней части 50a расположен газосборник 40, предназначенный для отвода углеводородных паров через трубопровод 70. Внутренний объем нижней части 50c занимает десорбер 51 катализатора, содержащий ряд перегородок 52, способствующих взаимодействию при встречном движении десорбирующего газа и катализатора.

Вертикальный циклон 20 содержит барабан 22, наклонный трубопровод 24, выходной паропровод 26 и трубопровод для десорбированного газа 28. Барабан 22 предназначен для отделения углеводородных пасов крекинга, поступающих из трубопровода 15, от тонкодисперсного катализатора. Наклонный трубопровод 24 проходит сквозь боковую стенку 50b и подает катализатор из барабана 22 в десорбер 51. Отделенный катализатор под действием силы тяжести падает из барабана 22 по трубопроводу 24. Запирающее устройство 25, которое может быть присоединено к нижней части трубопровода 24, оказывает сопротивление потоку. В качестве запирающего устройства 25 обычно используют струйный, капельный или, как показано на фигуре, откидной клапан. Запирающее устройство 25 препятствует попаданию потока десорбированного газа в трубопровод 24, в то же время с небольшим сопротивлением пропуская поток катализатора в десорбер 51, с таким расчетом, чтобы некоторое количество катализатора оставалось в трубопроводе.

Пары крекинга отводят из барабана 22 по выходному паропроводу 26, проходящему через боковую стенку 50b реакторной камеры, в нижний газосборник 41. Трубопровод 28 и реакторная камера 50 обеспечивают подачу десорбированного газа из десорбера 51 в барабан 22. Этот десорбированный газ вместе с парами крекинга отводят через выходной паропровод 26.

Расположение выходного паропровода 26 и газопровода 28 более детально показаны на фиг. 2. Газопровод 28 проходит через боковую стенку 50b реакторной камеры и прикреплен к ней. Выходной паропровод 26 расположен концентрично относительно газопровода 28. Паропровод 26 также проходит сквозь боковую стенку 50b реакторной камеры, но не прикрепляется к ней, поскольку он расположен внутри газопровода 28. Таким образом, между выходным паропроводом 26 и газопроводом 28 образуется некоторое пространство для протекания потока.

Относительные размеры циклонных сепараторов известны. В литературе [6] приведены конструктивные параметры циклонных сепараторов, используемых для удаления твердых частиц из паров. В литературе [7] описаны общие конструктивные параметры циклонных сепараторов, используемых для отделения твердых частиц от газов.

Практически требуемые размеры циклонных сепараторов определяются в зависимости от необходимого для удаления определенного объема пара размера трубопровода. На фиг. 2 показан выходной паропровод 26, имеющий диаметр D. В производственной практике данный диаметр обычно находится в диапазоне от 12 дюймов (30,5 см) до 60 дюймов (152,4 см). Площадь поперечного сечения потока, равная 0,08 D², определяется разностью внешнего диаметра выходного паропровода 26 и внутреннего диметра входного трубопровода 28 десорбированного газа.

Давление в реакторной камере при проведении ККФ находится в пределах от 0,13 МПа (0,5 избыточных фунтов/дюйм²) до 0,4 МПа (45 избыточных (фунтов/дюйм²) из современной практике обычно составляет 0,25 МПа (25 избыточных фунтов/дюйм²). Давление в открытом вертикальном циклоне, т.е. в циклоне, который выпускает отделенные пары непосредственно в реакторную камеру, является более высоким, чем в реакторной камере. В противоположность этому была установлена предпочтительность создания в вертикальном циклоне непосредственно присоединяемой циклонной системы более низкого давления, чем в реакторной камере. Оптимальное давление внутри циклона с восходящим потоком непосредственно присоединяемой циклонной системы обычно на 6,9•10^-4 МПа - 0,01 МПа (0,01 - 2 избыточных фунта/дюйм²) ниже, чем в реакторной камере. Градиент давления обусловлен более низким давлением в системе рекуперации пара (не показана) при прохождении потока через выходной трубопровод 70. Эта разность давлений является движущей силой, под действием которой десорбированный газ подается в первый вертикальный циклон. Обычно десорбированный газ проходит две стадии циклонной сепарации, как это показано на фиг.1, когда он удаляется из реакторной камеры.

Указанную разность давлений создают правильным выбором площади поперечного сечения потока между выходным газопроводом 26 и выходным трубопроводом 28 десорбированного газа.

Практически установлено, что площадь поперечного сечения между выходным газопроводом 26 и входным газопроводом 28 десорбированного газа, равная от 0,02 D² до 0,09 D², обеспечивает прохождение требуемого потока десорбированного газа. В зависимости от этого соотношения определяется выбор размера трубопроводов. Альтернативным решением является прокладка 30 с ограничительным отверстием, прикрепляемая к боковой стенке 50b реакторной камеры для создания площади поперечного сечения в кольцеобразном зазоре 30' в пределах от 0,02 D² до 0,09 D².

Как уже упоминалось выше, изобретение в особенности относится к модернизации вертикального циклона, непосредственно присоединяемого к ранее применявшейся реакторной камере. Вторичный циклонный сепаратор 60 показан на фиг. 1 как отдельный циклонный сепаратор. Вторичный циклонный сепаратор 60 представляет ряд циклонных сепараторов, обычно состоящий из 2, 4, 6 или 8 единиц, которые размещают в реакторной камере 50. Такой ряд показан, например, в [5]. Циклонные сепараторы могут быть размещены в таком ряду параллельно или последовательно. Таким образом, каждый циклон является вторичным по отношению к вертикальному циклонному сепаратору 20. В другом случае некоторые циклоны будут вторичными относительно вертикального циклонного сепаратора 20, а некоторые - третичными. Например, в ряду из 8 циклонных сепараторов, размещенных в реакторной камере 50, 4 циклонных сепаратора являются вторичными относительно вертикального циклонного сепаратора 20 и 4 - третичными.

Вторичный циклонный сепаратор 60 втягивает углеводородные пары и частицы катализатора из первичного газосборника 41 по трубопроводу 59. Частицы катализатора отводят по наклонному трубопроводу 62 через запирающее устройство 63 в десорбер 51. Запирающее устройство 63 аналогично устройству 25. Отделенный пар по трубопроводу 64 поступает во вторичный газосборник 42, а из него - по трубопроводу 70 в систему извлечения паров (не показана).

Источники информации
1. Патент США US-A-5248411.

2. Патент США US-A-4623446.

3. Патент США US-A-4737346.

4. Патент США US-A-4502947.

5. Патент США US-A-5221301.

6. Perry's Chemical Engineers' Handbook, 4th ed., pp. 20-68 to 20-71.

7. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd ed., Vol.1, pp. 667 to 672.

Изобретение может быть использовано в аппаратах с псевдоожиженным слоем. Сущность изобретения: циклонный сепаратор с восходящим потоком расположен вне реакторной камеры. Из циклонного сепаратора с восходящим потоком отделенный катализатор поступает в десорбер, а отделенный пар - в газосборник, причем десорбер и газосборник расположены внутри реакторной камеры. Устройство снабжено средствами для отвода десорбированного газа из десорбера катализатора и подачи его через циклонный сепаратор с восходящим потоком в газосборник. В циклонном сепараторе с восходящим потоком поддерживается постоянное давление относительно реакторной камеры. Изобретение позволяет быстро разделять суспензию катализатор-углеводород и в особенности полезно для модернизации циклонного сепаратора с восходящим потоком, непосредственно присоединяемого к имеющейся камере реактора с ограниченным объемом. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для каталитического крекинга углеводородного сырья в псевдоожиженном слое, содержащее вертикально удлиненную реакторную камеру, вертикально удлиненный реактор с восходящим потоком, непосредственно присоединенный к закрытому циклону, и вертикально удлиненный цилиндрический барабан, отличающееся тем, что в верхней части реакторной камеры расположен газосборник для отвода газов, а в нижней части - десорбер катализатора и средства удаления катализатора, вертикально удлиненный цилиндрический барабан расположен вне реакторной камеры и дополнительно содержит удлиненный наклонный трубопровод, проходящий через боковую стенку реакторной камеры и сообщающийся с десорбером катализатора, выходной паропровод, проходящий через боковую стенку реакторной камеры и присоединенный к газосборнику, а также трубопровод для десорбированного газа, проходящий через боковую стенку реакторной камеры и осуществляющий сообщение потока между десорбером катализатора и цилиндрическим барабаном. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикально проходящий трубопровод выходного паропровода для отводимого газа расположен на одной оси с барабаном и осуществляет сообщение потока между газосборником и закрытым циклоном. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что к нижней части наклонного трубопровода присоединены запирающие средства. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что запирающие средства представляют собой откидной клапан. 5. Устройство по пп.2 - 4, отличающееся тем, что входной трубопровод десорбированного газа расположен концентрично относительно выходного паропровода для отвода газов. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что выходной паропровод для отвода газов имеет форму цилиндра диаметра D, а входной трубопровод десорбированного газа расположен концентрично снаружи паропровода для отвода газов с образованием между ними пространства для протекания потока с площадью поперечного сечения 0,02 - 0,09 D². 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что выходной паропровод для отвода газов имеет форму цилиндра диаметра D, входной трубопровод десорбированного газа расположен концентрично снаружи паропровода для отвода газов, а ограничительное отверстие обеспечивает образование между ними пространства для протекания потока с площадью поперечного сечения 0,02 - 0,09 D².