ПРОТИВОТОЧНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2002 года по МПК B01J8/04 

Настоящая патентная заявка является частичным продолжением заявки USSN 08/702.334 с датой регистрации 23 августа 1996 г.

Данное изобретение относится к реактору для переработки жидких нефтяных или химических потоков, в котором указанный поток протекает противотоком по отношению к обрабатывающему газу, в частности к водородсодержащему газу, по меньшей мере в одной зоне взаимодействия. Реактор содержит обводные магистрали для перепускания пара и возможно жидкости в обход одного или нескольких уплотненных слоев, предпочтительно - слоев катализатора. Это обеспечивает более стабильную и эффективную работу реактора.

В нефтеперерабатывающей и химической промышленности существует постоянная потребность в совершенствовании катализаторов и технологических процессов. В одном из таких процессов, а именно в гидропереработке, имеется растущая потребность в усовершенствованной очистке от гетероатомов, насыщении ароматических соединений и снижении точки кипения. Для удовлетворения этой потребности требуются более активные катализаторы и реакторы усовершенствованной конструкции. Противоточные реакторы имеют потенциал для удовлетворения таких потребностей, поскольку они обладают определенными преимуществами по сравнению с реакторами, в которых потоки протекают в попутном направлении. Противоточная гидрообработка хорошо известна, однако имеет весьма ограниченное промышленное применение. Противоточный процесс изложен в патенте США 3147210, где описывается двухстадийный способ гидропереработки и гидрогенизации ароматических углеводородов с высокой температурой кипения. Сначала сырье подвергают каталитической гидропереработке, предпочтительно в попутном потоке водорода. Затем его подвергают гидрогенизации путем пропускания через катализатор гидрирования из благородного металла, чувствительного к сере, в противотоке с газом, обогащенным водородом. Патенты США 3767562 и 3775291 описывают аналогичный способ получения реактивного топлива, за исключением того, что реактивное топливо сначала подвергают гидродесульфуризации, а затем - двухстадийной гидрогенизации. Патент США 5183556 описывает также двухстадийный прямоточно-противоточный способ гидроочистки - гидрогенизации ароматических соединений в потоке дизельного топлива.

В патенте США 5449501 описано устройство, предназначенное для каталитической дистилляции. Дистиллятор, представляющий собой резервуар, содержит паропроводы, которые обеспечивают сообщение пара между дистилляционными секциями, расположенными выше и ниже слоев катализатора. Практически весь пар из резервуара поднимается по паропроводам, при этом желаемое контактирование между паром и жидкостью происходит только в дистилляционных секциях.

Схема противоточной гидропереработки известна в течение некоторого времени, однако противоточные реакторы обычно не используют в нефтяной промышленности, в основном из-за того, что обычные реакторы с неподвижным слоем катализатора имеют тенденцию к затоплению слоя катализатора при эксплуатации в противоточном режиме. При этом относительно высокая скорость восходящего потока обрабатывающего газа препятствует прохождению нисходящего потока жидкости. В результате жидкость не может проходить через слой катализатора. Хотя затопление является нежелательным, по мере приближения слоя к состоянию затопления происходит улучшение контактирования катализатора с реакционной жидкостью. Однако эксплуатация в режиме, близком к точке начала затопления, делает процесс уязвимым для флуктуаций давления, температуры или скоростей потоков жидкости или газа. Это может приводить к достаточно большим нарушениям, которые вызывают затопление и остановку оборудования для восстановления стабильной работы. Такие перебои являются крайне нежелательными для непрерывного производственного процесса.

Одно из решений проблем затопления, связанных с противоточными реакторами, описано несколькими авторами в патентной заявке США 08/702334. В предлагаемом реакторе одну или несколько перепускных труб располагают в слоях катализатора, что позволяет обрабатывающему газу обходить зону реакции. Обход газом зоны реакции поддерживает перепад давления в зоне реакции на уровне, предотвращающем затопление. Данное изобретение обеспечивает эффективность и производительность реактора, однако оно не предлагает простого и эффективного средства регулирования количества газа, обходящего зону реакции. В идеальном случае газ следует отводить только во время, непосредственно предшествующее заранее определенному состоянию затопления, и только в том количестве, которое необходимо для поддержания жидкости на уровне, предшествующем затоплению.

В связи с изложенным сохраняется потребность в усовершенствованной конструкции противоточного реактора, который не будет легко подвергаться затоплению, который можно проще восстанавливать без остановки в случае затопления, и который можно эксплуатировать в условиях, предшествующих состоянию затопления.

В этой связи задачей настоящего изобретения является противоточный реактор, который сводит к минимуму возникновение затопления.

Задачей настоящего изобретения также является противоточный реактор, который легче восстанавливается из состояния затопления и не требует остановки технологического процесса.

Задачей настоящего изобретения также является противоточный реактор, включающий возможность перепускания газа с автоматическим регулированием времени действия и количества перепускаемого газа.

И, наконец, задачей настоящего изобретения является противоточный реактор с устройством для перепускания газа, которое отличается простотой и требует минимального технического обслуживания.

Задача и достоинства настоящего изобретения несомненно станут очевидными для специалистов в данной области после прочтения следующего описания предпочтительного и альтернативных вариантов исполнения, которые содержатся в описании и иллюстрируются рядом фигур чертежей.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается реактор, обеспечивающий проведение реакции между жидкостью и обрабатывающим газом в присутствии катализатора. Указанный реактор содержит сплошную стенку, окружающую первую зону реакции, включающую слой катализаторов, обеспечивающих прохождение желаемой реакции между жидкостью и обрабатывающим газом, средства подачи жидкости над первой зоной реакции, обеспечивающие вход непрореагировавшей части жидкости в реактор, средства подачи газа под первой зоной реакции, обеспечивающие вход непрореагировавшей части обрабатывающего газа в реактор, средства выпуска жидкости под первой зоной реакции для выпуска прореагировавшей части жидкости из реактора, средства выпуска газа над первой зоной реакции, обеспечивающие выход части обрабатывающего газа из реактора, и средства перепускания газа в первой зоне реакции, позволяющие произвести перепускание части обрабатывающего газа в обход части первой зоны реакции, при этом средства перепускания газа включают средства управления перепусканием газа для регулирования количества обрабатывающего газа, которое обходит часть первой зоны реакции. Указанная выше система обеспечивает противоток жидкости и обрабатывающего газа в слое катализатора в зоне реакции.

В предпочтительном варианте реализации реактор включает несколько зон реакции, при этом над каждой зоной реакции устанавливают тарелку для распределения жидкости. Средства перепускания газа содержат трубопровод, который имеет нижнюю часть и верхнюю часть, при этом верхняя часть может образовывать гидростатический затвор с жидкостью, которая накапливается в тарелке распределения жидкости, а нижняя часть располагается в первой зоне реакции или ниже этой зоны.

Факультативно реактор может включать также по меньшей мере одну зону реакции, расположенную над первой зоной реакции, и вторые средства подачи газа, расположенные над дополнительной зоной реакции, для того, чтобы обеспечить протекание обрабатывающего газа практически в том же самом направлении, что и поток жидкости, т.е. в "нисходящем" направлении. Альтернативно или дополнительно жидкое сырье можно вводить под дополнительной зоной реакции, но над первой зоной реакции, с подачей дополнительного обрабатывающего газа на том же самом уровне, таким образом, что паровая фаза сырья может взаимодействовать в попутном потоке с дополнительным обрабатывающим газом, то есть в "восходящем" направлении.

Фиг.1 представляет собой вид поперечного сечения предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения, на котором показано три зоны реакции, каждая из которых включает средства перепускания газа, расположенные в рабочем положении относительно тарелок для распределения жидкости.

Фиг.2 - альтернативный вариант реализации средств перепускания газа фиг. 1.

Фиг. 3 - другой альтернативный вариант реализации средств перепускания газа фиг.2, исключающий необходимость углубления в тарелках, распределяющих жидкость.

Реакторы согласно настоящему изобретению пригодны для использования в любом нефтехимическом процессе, в котором предпочтительным является пропускание газа, в частности водородсодержащего обрабатывающего газа, противотоком к потоку жидкого сырья. Неограничивающие примеры процессов очистки, в которых могут применяться такие реакторы, включают гидроконверсию тяжелого нефтяного сырья в продукты с более низкой температурой кипения, гидрокрекинг сырья, кипящего в пределах температур кипения дистиллята, гидрообработку различного нефтяного сырья с целью удаления гетероатомов, в частности серы, азота и кислорода, гидрогенизацию ароматических соединений, а также гидроизомеризацию и/или каталитическое депарафинирование парафинов, в частности парафинов Фишера-Тропша. Предпочтительно, чтобы реакторы согласно настоящему изобретению представляли собой реакторы, в которых углеводородное сырье подвергается гидроочистке и гидрированию, более конкретно - удалению гетероатомов и гидрированию по меньшей мере части ароматической фракции сырья.

Краткое описание проблем, часто встречающихся в обычных противоточных реакторах, поможет понять преимущества, которыми обладает настоящее изобретение. В противоточной системе вертикально восходящий поток газа препятствует нисходящему движению жидкости. При низких скоростях жидкости и газа препятствие, оказываемое медленно перемещающимся газом, является недостаточным, чтобы вызвать затопление, и жидкость в реакторе может протекать через слой катализатора в зоне реакции. Однако при слишком высокой скорости восходящего потока газа или нисходящего потока жидкости последняя не может проходить через слой катализатора. Такое явление известно как "затопление". Задержка жидкости в слое возрастает, и жидкость может начать накапливаться над верхней поверхностью слоя катализатора. Скорость восходящего потока газа, при которой происходит затопление в данном слое катализатора, зависит от таких факторов, как скорость и физические свойства нисходящего потока жидкости, а также размер и форма частиц катализатора. Аналогичным образом скорость нисходящего потока жидкости, при которой происходит затопление в данном слое катализатора, тоже зависит от скорости и свойств восходящего потока газа, а также от размера и формы частиц катализатора.

Ниже будет подробно показано, что реакторы согласно настоящему изобретению в меньшей степени подвержены затоплению, чем обычные противоточные реакторы, благодаря каналам, или средствам перепускания газа, которые осуществляют селективное перепускание части восходящего потока обрабатывающего газа через один или несколько слоев катализатора. Следует понимать, что используемые здесь термины "обрабатывающий газ" и "перепускание газа" могут включать также любую испарившуюся жидкость, которая смешалась с обрабатывающим газом во время протекания реакций. Если перепад давления возрастает до заранее установленного порогового значения, соответствующего режиму, близкому к затоплению, часть восходящего потока обрабатывающего газа перепускают в обход одного или более слоев катализатора. Когда газ обходит слой катализатора, перепад давления в слое катализатора уменьшается и пропускает нисходящий поток жидкости. Когда перепад давления становится ниже заранее установленного порогового значения, перепускание газа автоматически прекращается. Таким образом, средства перепускания газа обеспечивают автоматическое регулирование количества восходящего потока обрабатывающего газа, увеличивая при этом гидродинамическое рабочее окно реактора. Дополнительное расширение этого диапазона можно обеспечить путем включения одного или более внешних средств перепускания газа, оснащенных устройствами управления потоком. Такая система обеспечивает средства, позволяющие дополнительно регулировать падение давления в слое катализатора, и следовательно, эффективность контактирования катализатора. Можно также использовать наружное перепускание газа для содействия средствам внутреннего перепускания газа в поддержании работы у реактора в желаемой степени близости к режиму затопления. Обрабатывающий газ, который не обходит один или более определенных слоев катализатора, пропускают через другой слой/слои катализатора, чтобы обеспечить его участие в желаемых реакциях гидропереработки, в уносе легких или испарившихся продуктов реакции, отгонки каталитических ядов, в частности сероводорода, воды и/или аммиака и т.д.

Таким образом, средства перепускания газа согласно настоящему изобретению обеспечивают расширение рабочего диапазона и создают возможность работы реактора вблизи точки затопления. Этим обеспечивается более стабильный и эффективный режим эксплуатации реактора. Кроме того, реактор может надежно и непрерывно работать в условиях нормальных технологических флуктуации скорости и температуры жидкого и парообразного потоков. При этом расширяется допустимый диапазон суммарных скоростей потоков. Работа вблизи точки затопления обеспечивает очень эффективное контактирование, поскольку частицы катализатора отлично орошаются нисходящим потоком жидкости. При отсутствии средств перепускания газа обычный противоточный реактор пришлось бы эксплуатировать с более низкой эффективностью, чтобы сохранить его работоспособность.

Применение более высокой скорости газового потока в реакторах согласно настоящему изобретению обеспечивает гибкость при использовании более высоких скоростей охлаждающего и/или обрабатывающего газа, что позволяет расширить область применения изобретения для реакций, связанных с высоким уровнем потребления водорода и выделения тепла, таких как насыщение ароматических соединений. Кроме того, возможность работы с большим количеством газа позволяет применять противоточную технологию для реакций, при которых происходит выделение продуктов в паровой фазе и которые в противном случае приводили бы к затоплению вследствие чрезмерного количества паров, образующихся в процессе реакции, например гидрокрекинга.

Если затопление все-таки происходит, реакторы согласно настоящему изобретению легче восстанавливаются и возвращаются к нормальному функционированию. В процессе затопления задержка жидкости в слое увеличивается, и жидкость может начать накапливаться над верхней поверхностью слоя катализатора. Этот избыток жидкости следует слить, чтобы устранить затопление. При затоплении или активировании средства перепускания газа снижают скорость потока газа через слой катализатора, облегчая протекание жидкости через слой катализатора.

Если не указано иного, то термины "нисходящий" и "восходящий" используются относительно потока жидкости, который предпочтительно протекает вниз. Кроме того, реакторы согласно настоящему изобретению не ограничены химическими реакциями в присутствии катализаторов, но могут также использоваться в башнях для контактирования газа и жидкости, в частности, в таких, которые применяются для дистилляции, экстракции или отгонки легких фракций. В этих случаях необязательно происходит какая-либо химическая реакция, и восходящий газ контактирует с нисходящей жидкостью обычно для того, чтобы обеспечить массоперенос между двумя потоками.

На фиг. 1 показан вариант исполнения реактора 1 согласно настоящему изобретению, включающего в общем случае сплошную стенку 2, которая окружает по меньшей мере одну зону R1 реакции, содержащую слой 4 катализатора, пригодного для проведения желаемой реакции между жидкостью 5 и обрабатывающим газом 6. Различные внутренние компоненты реактора, в частности термопары, устройства теплопередачи и т.п., не содержащие признаков новизны, для упрощения чертежей не показаны. Хотя на фиг.1 показаны три расположенных последовательно зоны R1, R2 и R3 реакции, однако, как будет описано ниже, количество зон реакции в каждом конкретном реакторе зависит от конкретных требований протекания реакции. Непосредственно перед каждой зоной реакции и после нее расположены нереакционные зоны NR1, NR2, NR3, NR4, которые могут представлять собой пустые или свободные секции реактора 1. Средства 7 ввода жидкости расположены в верхней части реактора 1 и обеспечивают подачу в реактор 1 части исходной жидкости 5, в частности сырья, подлежащего обработке. Средства 8 ввода газа расположены в нижней части реактора 1 и обеспечивают подачу в реактор 1 исходного обрабатывающего газа 6. Средства 9 вывода жидкости расположены в нижней части реактора 1 и обеспечивают выход из реактора 1 прореагировавшей части жидкости в виде продукта реакции. Аналогично средства 10 вывода газа расположены в верхней части реактора 1 и обеспечивают выход части газа из реактора 1.

Средства распределения жидкости, предпочтительно в форме распределительной тарелки 11, предпочтительно располагают непосредственно над каждой зоной реакции для равномерного распределения нисходящего потока 5 жидкости в зонах R1, R2 и R3 реакции. В предпочтительном варианте реализации каждая тарелка 11 включает нижнюю поверхность 12, которая способна удерживать накапливающуюся жидкость и периферия которой имеет герметичный контакт со стенкой 2 реактора. В тарелке 11 смонтирован ряд коротких труб 13, верхний конец каждой из которых возвышается над нижней поверхностью 12, и которые позволяют распределять жидкость в зоне реакции, расположенной непосредственно под тарелкой. Описанная конструкция обеспечивает накопление жидкости на нижней поверхности 12 тарелки 11 до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет высоты труб 13. Только после того, как уровень накопленной жидкости превысит высоту труб 13, начнется равномерное распределение жидкости в зоне реакции, расположенной непосредственно под тарелкой 11. Тарелка 11 включает также ряд более длинных труб 14, которые ограничивают уровень жидкости и обеспечивают сток жидкости, накапливающейся в тарелке 11 и превышающей дренажную пропускную способность более коротких труб 13. В тарелке 11 выполнено также одно или более газовых вентиляционных отверстий 15, которые обеспечивают прохождение восходящего потока обрабатывающего газа. Газовое вентиляционное отверстие 15 снабжено крышкой или отражателем 16, который препятствует перепусканию жидкости из верхних зон реакции в обход распределительной тарелки 11 и поступлению в расположенную внизу зону реакции. Однако газовое вентиляционное отверстие 15 может служить также в качестве дублирующих средств слива жидкости в случае появления условий тяжелого затопления. Для специалистов в данной области очевидно, что описанная выше тарелка 11 представляет собой один из множества конструктивных вариантов, которые могут быть использованы для обеспечения равномерного распределения жидкости в слое катализатора.

Как показано на фиг.1, средства 17 перепускания газа расположены в каждой зоне реакции для осуществления перепускания части обрабатывающего газа в обход по меньшей мере части зоны реакции. В предпочтительном варианте средства 17 перепускания газа содержат одну или несколько труб 18 перепускания газа, каждая из которых имеет верхнюю часть 19 и нижнюю часть 20. Каждая труба 18 перепускания газа обеспечивает сообщение обрабатывающего газа между двумя отдельными нереакционными зонами. Так, для самой верхней зоны R1 реакции на фиг.1 нижняя часть 20 каждой трубы 18 перепускания газа заканчивается в нереакционной зоне NR2, в то время как верхняя часть 19 каждой трубы в форме перевернутой "U" имеет входной конец 21, который находится в углублении 22, выполненном на тарелке 11 распределения жидкости и заполняемом жидкостью. Во время работы реактора 1 жидкость, которая накапливается в тарелке 11, заполняет углубление 22 и создает гидростатический затвор с входным концом 21 трубы 18 перепускания газа. Наличие гидростатического затвора предотвращает поступление обрабатывающего газа в нереакционную зону NR1 до тех пор, пока перепад давления в зоне R1 реакции не превысит давление напора Н1 гидростатического затвора. Более конкретно, как показано на фиг.1, перепад давления в зоне R1 реакции должна превышать суммарное давление напора по меньшей мере в одной трубе 18 перепускания газа в зоне R1 реакции, чтобы обеспечить перепускание газа.

Так, например, для данного размера слоя катализатора можно ожидать затопления, если перепад давления превысит 1,0-1,5 дюйма (2,54-3,81 см) жидкости на один фут (30,48 см) высоты слоя. Если высота слоя катализатора составляет 20 футов (609,6 см), углубление 22 и верхняя часть 19 труб 18 перепускания газа должны быть выполнены таким образом, чтобы обеспечить получение суммарного гидростатического напора, равного примерно 20 дюймам (50,8 см). С учетом известных условий затопления ряд физических параметров будет оказывать влияние на выбор конкретной конструкции, в частности, внутреннего диаметра труб 18 перепускания газа, степени погружения входного конца 21 в углубление 22 с жидкостью, высоты жидкости, накапливающейся в тарелке 11, и количество труб 18 перепускания газа, которые используются в конкретной зоне реакции.

Описанная выше конструкция обеспечивает большую гибкость для получения оптимальных условий эксплуатации. Так, например, если какая-либо труба 18 перепускания газа создает меньшее давление напора, то газ будет обходить зону R1 реакции только по этой конкретной трубе 18 перепускания газа. Данный эффект можно получить путем укорачивания входного конца 21, чтобы вытеснять газом меньшее количество жидкости, или путем перфорирования входного конца 21, чтобы обеспечить выход газа через перфорационные отверстия, расположенные на большей высоте. Таким образом, очевидно, что ряд труб 18 перепускания газа можно произвольно располагать в любой данной зоне реакции, при этом одни трубы 18 перепускания газа будут создавать больший или меньший перепад давления, чем другие, что позволяет производить поэтапный отвод обрабатывающего газа. Иными словами, если количество газа, перепускаемого через такие трубы 18 перепускания газа, которые создают меньшее напорное давление, является достаточным для предотвращения затопления, то газ не будет отводиться по другим трубам 18 перепускания газа, создающим большее напорное давление. Следовательно, максимальное количество обрабатывающего газа при начальном уровне затопления будет пропускаться через зону 4 реакции. Такое расположение позволяет производить точную настройку пропускания газа через ряд перепадов давления и эксплуатировать реактор 1 с большой эффективностью при условиях, непосредственно предшествующих затоплению. Дополнительным достоинством настоящего изобретения является возможность продолжения работы реактора с практически максимальной эффективностью, в то время как падение давления увеличивается со временем вследствие оседания и/или засорения слоя катализатора.

Важно, чтобы верхний конец U-образной верхней части 19 был расположен выше максимального уровня жидкости, которая может накапливаться в тарелке 11. В случае внезапного затопления, когда уровень жидкости резко поднимается над трубами 14, ограничивающими уровень жидкости, отверстие 14 для выпуска газа может служить в качестве дополнительного средства для слива жидкости, чтобы отвести жидкость в зону реакции, расположенную непосредственно ниже. Таким образом, трубы 18 перепускания газа никогда не действуют в качестве сифона для отвода непрореагировавшей жидкости в следующую нереакционную зону.

На фиг. 2 показан альтернативный вариант реализации изобретения, в котором верхние части 19 в форме перевернутой "U" средств 17 перепускания газа заменены прямыми трубами 25 перепускания газа, верхние концы 26 которых покрыты перевернутыми контейнерами 27. В таком варианте реализации напорное давление Н каждой трубы 25 отвода газа создается жидкостью, которая находится между верхним концом 26 и контейнером 27. Высота отверстия 28 контейнера 27 по отношению к уровню 30 жидкости, которая накапливается в тарелке 11, определяет прочность гидростатического затвора, которую необходимо преодолеть для выпуска перепускаемого газа.

Аналогично этому на фиг.3 показан другой альтернативный вариант реализации изобретения, в котором используют не углубления 22, заполняемые жидкостью, а более высокий уровень накопления жидкости в тарелке 11. Как видно на фигуре, в данном случае для создания более высокого уровня жидкости, который требуется для получения заранее заданного напорного давления Н, необходимы более высокие трубы 14, ограничивающие уровень жидкости. Однако независимо от различных показанных вариантов реализации, используемых отдельно или в сочетании одного с другим, каждый из них работает с одинаковой эффективностью и надежностью, благодаря простоте их исполнения.

Хотя в предпочтительном варианте реализации средства 17 перепускания газа используется гидростатический затвор, однако возможно применение множества альтернативных устройств, которые обеспечат получение такого же или аналогичного результата. Так, например, любое чувствительное к давлению устройство, которое управляет открыванием и закрыванием клапана в трубах перепускания газа, также способно обеспечить пропускание обрабатывающего газа в соответствующие моменты времени. Одно из таких альтернативных устройств может содержать один или несколько пружинных клапанов, расположенных в вертикальных трубах перепускания газа.

Следует отметить, что нижние концы 20 любых труб 18, 25 перепускания газа необязательно должны находиться в нереакционной зоне. Как показано на фиг.1, нижние концы 20 труб 18 перепускания газа находятся фактически в слое катализатора в зоне R2 реакции. Вследствие этого напорное давление Н для этих конкретных труб 18 перепускания газа может быть выбрано соответственно меньшим, чем в том случае, когда концы 20 располагаются только ниже зоны R2 реакции. Поэтому реактор 1 может содержать ряд труб 18 перепускания газа, отличающуюся тем, что нижний конец 20 каждой трубы 18 перепускания газа находится на различной высоте в зоне реакции, в обход которой перепускают газ. Кроме того, по длине труб 18 может быть выполнена перфорация с различной степенью плотности. Таким способом частично прореагировавший газ также можно отводить в расположенную выше нереакционную зону, например NR2, если возникают условия неизбежного затопления.

Как указано выше, реактор 1 работает при подаче жидкого сырья 5, подлежащего обработке, в средства 7 ввода жидкости. Пригодный обрабатывающий газ 6, в частности водородсодержащий газ, подают в реактор 1 через средства 8 ввода газа противотоком к нисходящему потоку жидкого сырья 5. При этом следует понимать, что обрабатывающий газ необязательно вводить только через средства 8 ввода газа, расположенные в нижней части реактора, но можно также вводить в одну или более нереакционных зон NR1, NR2, NR3 и NR4. Обрабатывающий газ можно также вдувать в один или более слоев катализатора в реакционных зонах R1, R2 и R3. Достоинство введения обрабатывающего газа через различные точки реактора заключается в возможности регулировать температуру в реакторе. Так, например, холодный обрабатывающий газ можно вводить в различные точки реактора для снижения теплоты экзотермической реакции. Данное изобретение предусматривает также возможность дополнительной подачи обрабатывающего газа через любую из указанных выше точек. Аналогичным образом жидкость также можно подавать через различные точки и при соответствующих температурах с целью регулирования температуры. В случае применения такой технологии регулирования температуры возникают флуктуации скорости протекания охлаждающего потока (газа или жидкости), которые вызывают флуктуации падения давления в зоне 4 реакции. Таким образом, трубы 18 перепускания газа обеспечивают гибкость регулирования, сглаживая указанные флуктуации и сводя к минимуму риск затопления, которое могло бы произойти в противном случае.

Реакторы, используемые при реализации настоящего изобретения, работают при температурах и давлениях, обеспечивающих протекание желаемой реакции. Так, например, типичный диапазон температур для гидропереработки составляет примерно от 40^oС до примерно 450^oС при избыточном давлении примерно от 50 фунтов на квадратный дюйм (3,5 кг/см², 0,415 МПа) до примерно 3000 фунтов на квадратный дюйм (210,9 кг/см², 21,2 МПа), предпочтительно - от 50 фунтов на квадратный дюйм (3,5 кг/см², 0,415 МПа) до примерно 2500 фунтов на квадратный дюйм (175,8 кг/см², 17,7 МПа). Жидкое сырье вначале проходит вниз через слой катализатора реакционной зоны R1 и взаимодействует там с обрабатывающим газом на поверхности катализатора. Все парофазные продукты, которые получаются в результате реакции, уносятся вверх восходящим потоком обрабатывающего газа. Такие парофазные продукты реакции могут включать углеводороды с относительно низкой температурой кипения и гетероатомные компоненты, в частности H₂S и NН₃. Все непрореагировавшее сырье, а также жидкий продукт реакции проходят вниз через каждый последующий слой катализатора каждой последующей реакционной зоны R2 и R3. При условиях неизбежного затопления трубы 18 автоматического перепускания газа обеспечивают селективное перепускание паров, образующихся в зоне R2 реакции, к средствам 10 вывода газа из реактора, в то время как водородсодержащий обрабатывающий газ с более высокой степенью чистоты подается в зону R1 реакции путем селективного перепускания водородсодержащего обрабатывающего газа с более высокой степенью чистоты из нереакционной зоны NR3 в нижнюю часть зоны R1 реакции. Поток прореагировавшей жидкости выходит из реактора через средства 9 вывода жидкости, в то время как поток газа выходит через средства 10 вывода газа. Во время работы реактора перепускают только часть газа, поэтому количество газа, протекающего вверх через слои катализатора, является достаточным для удовлетворения потребности этих слоев в обрабатывающем газе (водороде) при относительно высокой кинетической эффективности.

Трубы 18 перепускания газа могут быть изготовлены из любого материала, который способен выдерживать условия эксплуатации реактора. Пригодные материалы включают металлы, в частности нержавеющие и углеродистые стали, керамические материалы, а также композитные материалы с высокими характеристиками, в частности материалы из углеродного волокна. Предпочтительными являются трубопроводы с круглым поперечным сечением. Трубы необязательно должны быть абсолютно вертикальными. Это означает, что они могут иметь наклон или изгиб или даже форму спирали. Следует понимать, что трубы могут иметь любой пригодный размер в зависимости от количества и скорости газа, который желательно перепускать из одной нереакционной зоны в другую. Кроме того, некоторые трубы перепускания газа могут обеспечивать перепускание через более чем одну реакционную зону. Несколько труб перепускания газа могут проходить через все вышележащие зоны реакции таким образом, чтобы выводить из реактора часть газа без дальнейшего контакта с катализатором или с нисходящим потоком жидкости. При использовании нескольких труб перепускания газа предпочтительным является их концентрическое расположение вокруг вертикальной оси реактора. Одна или более труб перепускания газа могут также проходить вне зоны реакции. Так, например, трубчатую систему можно использовать с наружной стороны реактора, чтобы обеспечить сообщение текучей среды одной или более нереакционных зон с одной или более другими нереакционными зонами. Как указано выше, трубы перепускания газа, наружные или внутренние, могут содержать устройство управления потоком, которое обеспечивает регулирование части газа, проходящее из одной нереакционной зоны в другую нереакционную зону. Такие устройства управления потоком могут использоваться либо как альтернатива гидростатическому затвору, который создают трубы перепускания газа, либо в сочетании с ним. Если трубы перепускания газа расположены снаружи от реактора, то предпочтительным устройством управления потоком является простой клапан регулирования потока, обычно применяемый в промышленности и известный специалистам в данной области.

Следует отметить, что трубы перепускания газа не обязательно должны быть полыми конструкциями, в частности цельнотянутыми трубами, но могут также содержать уплотнительный материал, например инертные элементы, частицы катализатора или то и другое вместе. Неограничивающие примеры инертных элементов, которые можно использовать в качестве уплотнительного материала, включают известные элементы, в частности шарики, кольца Рашига, седла Intalox, кольца Палла, седла Берла, циклические спиральные кольца, кольца Лессинга, кольца с поперечными перегородками и т.п. Если частицы катализатора составляют по меньшей мере часть уплотнительного материала в трубах перепускания газа, то их можно использовать в качестве дополнительных реагентов для паровой фазы. Уплотнительный материал и/или частицы катализатора в перепускных трубах могут иметь размеры, отличные от размера частиц катализатора в слоях катализатора реакционных зон. Такое уплотнение может способствовать улучшению перепускных характеристик перепускных труб. Трубы перепускания газа могут также иметь перфорацию, чтобы обеспечивать распределение пара на различных уровнях слоя катализатора.

Возможно располагать одну или более попутных зон реакции выше по движению потока относительно одной или нескольких противоточных зон реакции. Например, жидкое сырье можно вводить между двумя зонами реакции так, чтобы жидкая фаза сырья протекала в расположенную ниже зону реакции, а паровая фаза протекала вверх через расположенную выше зону реакции. В сочетании с восходящим потоком парофазного сырья можно вводить дополнительный обрабатывающий газ на том же уровне, что и сырье, чтобы обрабатывающий газ протекал попутно с паровой фазой сырья в расположенную выше зону реакции. В результате жидкое сырье будет реагировать в нижних зонах реакции с обрабатывающим газом, который противотоком вводят ниже реакционных зон. Зоны независимо от направления потока могут быть либо в раздельных резервуарах, либо две или более зон могут находиться в одном резервуаре. Однако предпочтительно, чтобы все противоточные зоны были размещены в одном резервуаре.

Настоящее изобретение может применяться для всех жидкостно-паровых противоточных процессов химической и нефтехимической переработки. Сырье, пригодное для таких систем, включает соединения с температурой кипения в пределах кипения нафты, а также более тяжелое сырье, в частности средние дистилляты, газойли и различные остатки. Обычно диапазон температур кипения составляет примерно от 40^oС до примерно 1000^oС. Неограничивающие примеры такого сырья, которое может быть использовано при реализации настоящего изобретения, включают вакуумный остаток, атмосферный остаток, вакуумный газойль (VGO), атмосферный газойль (AGO), тяжелый атмосферный газойль (HAGO), паровой крекинг-газойль (SCGO), деасфальтированное масло (DAO) и легкое масло каталитического крекинга (LCCO).

Некоторые виды сырья, перерабатываемого согласно настоящему изобретению, могут иметь высокое содержание гетероатомов, в частности серы и азота. В таких случаях может оказаться предпочтительным, чтобы в первой зоне реакции поток жидкого сырья протекал вниз в одном направлении с потоком водородсодержащего обрабатывающего газа через неподвижный слой соответствующего катализатора гидрообработки. Термин "гидрообработка", используемый здесь, относится к процессам, в которых водородосодержащий газ используют в присутствии катализатора, главным образом активно способствующего удалению гетероатомов, в частности серы и азота, и некоторой гидрогенизации ароматических соединений. Термин "гидропереработка" включает гидрообработку, а также процессы, которые в первую очередь активны в отношении гидрогенизации, гидрокрекинга и гидроизомеризации. Раскрытие кольца, в особенности для нафтеновых колец, в рамках настоящего изобретения также может быть включено в термин "гидропереработка". К катализаторам, пригодным для гидрообработки согласно настоящему изобретению, относятся все обычные катализаторы гидрообработки, включая те, которые содержат по меньшей мере один металл группы VIII, предпочтительно Fe, Co и Ni, более предпочтительно - Со и/или Ni, и по меньшей мере один металл группы VI, предпочтительно Мо или W, более предпочтительно - Мо, на подложке из материала с высокой площадью поверхности, предпочтительно - из оксида алюминия. Другая группа подходящих катализаторов гидрообработки включает цеолитные катализаторы, а также катализаторы из благородных металлов, при этом благородный металл выбирают из Pd и Pt. Настоящее изобретение включает возможность применения более одного типа катализаторов гидрообработки в одном и том же реакторе. Металл группы VIII обычно присутствует в количестве примерно от 2 до 20 мас.%, предпочтительно - от 4 до 12 мас.%. Металл группы VI обычно присутствует в количестве примерно от 5 до 50 мас. %, предпочтительно - от 10 до 40 мас.% и более предпочтительно - от 20 до 30 мас. %. Все проценты по массе металлов указаны на подложку. Под термином "на подложку" мы понимаем, что проценты относятся к массе подложки. Так, например, если масса подложки равна 100 г, то 20% по массе металла группы VIII означает содержание на подложке 20 г металла группы VIII. Обычный диапазон температур гидрообработки составляет примерно от 100^oС до примерно 430^oС при избыточном давлении примерно от 50 фунтов на квадратный дюйм (3,5 кг/см², 0,415 МПа) до примерно 3000 фунтов на квадратный дюйм (210,9 кг/см², 21,2 МПа), предпочтительно - от 50 фунтов на квадратный дюйм (3,5 кг/см²) до примерно 2500 фунтов на квадратный дюйм (175,8 кг/см², 17,7 МПа). Если сырье имеет относительно низкое содержание гетероатомов, то операцию гидрообработки можно опустить и подавать сырье непосредственно в реакционную зону для насыщения ароматических соединений, гидрокрекинга и/или раскрытия кольца.

В отношении гидропереработки термин "водородосодержащий обрабатывающий газ" означает поток обрабатывающего газа, который содержит по меньшей мере достаточное количество водорода для предполагаемой реакции. Поток обрабатывающего газа, вводимого в реактор, должен иметь содержание водорода предпочтительно по меньшей мере 50% по объему, более предпочтительно - по меньшей мере 75% по объему. Предпочтительно, чтобы водородосодержащий обрабатывающий газ представлял собой свежий, обогащенный водородом газ, предпочтительно - водород.

В том случае, когда первая реакционная зона является попутной реакционной зоной гидрообработки, поток жидкости, вытекающий из указанной реакционной зоны гидрообработки, проходит по меньшей мере через одну лежащую ниже реакционную зону, где жидкость пропускают через слой катализатора противотоком к восходящему потоку водородосодержащего обрабатывающего газа. В зависимости от природы сырья и желаемой степени обогащения может потребоваться более одной реакционной зоны. Наиболее желательными продуктами реакции, получающимися в результате гидропереработки, предпочтительно при использовании в качестве сырья газойлей, являются продукты, которые имеют пониженное содержание серы и азота. Потоки продуктов, содержащие парафины, в особенности линейные парафины, часто являются предпочтительными по сравнению с нафтенами, которые в свою очередь часто предпочтительны по сравнению с ароматическими соединениями. Для обеспечения этого по меньшей мере один катализатор, располагаемый на пути нисходящего потока, выбирают из группы, включающей катализаторы гидрообработки, катализаторы гидрокрекинга, катализаторы насыщения ароматических соединений и катализаторы раскрытия кольца. Если получение потока продукта с высоким содержанием парафинов является экономически целесообразным, то зоны, располагаемые на пути нисходящего потока, предпочтительно включают зону насыщения ароматических соединений и зону раскрытия кольца.

Если одна из реакционных зон, расположенных на пути нисходящего потока, является зоной гидрокрекинга, то в качестве катализатора можно использовать любой известный катализатор гидрокрекинга. Типичные катализаторы гидрокрекинга описаны в патенте США 4921595, UOP, который приведен здесь путем ссылки. Такие катализаторы обычно содержат гидрирующий компонент на основе металла группы VIII на цеолитном крекинг-основании. Цеолитные крекинг-основания, которые иногда называют молекулярными ситами, обычно состоят из диоксида кремния, оксида алюминия и одного или нескольких катионов, способных к обмену, в частности натрия, магния, кальция, редкоземельных металлов и т.п. Кроме того, они отличаются внутрикристаллическими порами с относительно однородным диаметром примерно от 4 до 12 ангстрем. Предпочтительно применять цеолиты, имеющие относительно высокое молярное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия - больше примерно 3, предпочтительно - больше примерно 6. Пригодные цеолиты, встречающиеся в природе, включают морденит, клиноптилолит, феррьерит, дакиардит, шабазит, эрионит и фожазит. Пригодные синтетические цеолиты включают кристаллы типа бета, X, Y и L, например, синтетический фожазит, морденит, ZSM-5, МСМ-22 и разновидности серий ZSM и МСМ с более крупными порами. Особенно предпочтительным цеолитом является любой член семейства фожазитов, см. Tracy et al., Proc. of the Royal Soc., 1996, Vol. 452, р. 813. Следует понимать, что эти цеолиты могут включать деметаллированные цеолиты, которые содержат значительные объемы пор в диапазоне мезопор, т.е. от 20 до 500 ангстрем. Неограничивающие примеры металлов VIII группы, которые можно использовать в катализаторах для гидрокрекинга, включают железо, кобальт, никель, рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платину. Предпочтительными являются платина и палладий, более предпочтительна платина. Количество металла группы VIII изменяется в пределах примерно от 0,05 до 30 мас. % в расчете на общую массу катализатора. Если металл является благородным металлом группы VIII, предпочтительно применять примерно от 0,05 до примерно 2 мас.%. Если металл группы VIII не является благородным металлом, то предпочтительный состав должен также включать металл группы VI в соотношении, аналогичном указанному выше для катализаторов гидрообработки. Условия гидрокрекинга включают температуру примерно от 200 до 425^oС, предпочтительно - примерно от 220 до 330^oС, более предпочтительно - примерно от 245 до 315^oС, при избыточном давлении примерно от 200 фунтов на квадратный дюйм (14,06 кг/см², 1,48 МПа) до примерно 3000 фунтов на квадратный дюйм (210,9 кг/см²) и часовой объемной скорости жидкости примерно от 0,5 до 10 объем/объем/час, предпочтительно - примерно от 1 до 5 объем/объем/час.

Неограничивающие примеры катализаторов гидрогенизации ароматических соединений включают никель, кобальт-молибден, никель-молибден и никель-вольфрам. Неограничивающие примеры катализаторов из благородного металла включают катализаторы на основе платины и/или палладия, предпочтительно - на подложке из соответствующего материала, обычно представляющего собой огнеупорный оксид, в частности оксид алюминия, диоксид кремния, оксид алюминия-диоксид кремния, кизельгур, диатомовую землю, оксид магния и оксид циркония. Можно также использовать подложки из цеолита. Такие катализаторы обычно чувствительны к отравлению серой и азотом. Зона насыщения ароматических соединений обычно имеет рабочую температуру примерно от 40 до примерно 400^oС, более предпочтительно - примерно от 260^oС до примерно 350^oС, при избыточном давлении примерно от 100 фунтов на квадратный дюйм (7,03 кг/см²) до примерно 3000 фунтов на квадратный дюйм (210,9 кг/см²), предпочтительно - примерно от 200 фунтов на квадратный дюйм (14,06 кг/см²) до примерно 1200 фунтов на квадратный дюйм (84,4 кг/см²), и часовой объемной скорости жидкости (LHSV) примерно от 0,3 объем/объем/час до примерно 2,0 объем/объем/час.

Жидкая фаза в реакторах, используемых согласно настоящему изобретению, обычно представляет собой компоненты сырья с более высокой точкой кипения. Паровая фаза обычно является смесью водородосодержащего обрабатывающего газа, гетероатомных примесей и испарившихся компонентов свежего сырья с более низкой температурой кипения, а также легких продуктов реакций гидропереработки. Паровая фаза в слое катализатора противоточной зоны реакции уносится вверх восходящим потоком водородосодержащего обрабатывающего газа и может быть собрана, разделена на фракции или подана на последующую обработку. Поток паровой фазы может быть удален из любой нереакционной зоны. Если поток паровой фазы все же требует последующей гидропереработки, его можно подать в зону парофазной реакции, где имеется дополнительный катализатор гидропереработки и поддерживаются соответствующие условия для гидропереработки с целью проведения еще одной реакции. Следует понимать, что все зоны реакции могут быть либо отделены нереакционными зонами в одном резервуаре, либо размещаться в отдельных резервуарах. В последнем случае нереакционные зоны обычно включают соединительные линии, соединяющие один резервуар с другим.

Если выполняется операция попутной предварительной переработки, то пар и жидкость можно разделить и направить поток жидкости в верхнюю часть противоточного реактора. Пар с операции предварительной обработки можно обрабатывать отдельно или совместно с парофазным продуктом из реактора согласно настоящему изобретению. После этого один или более парофазных продуктов можно подвергнуть дополнительной парофазной гидропереработке, если требуется дальнейшее снижение содержания гетероатомов и ароматических соединений, или направлять непосредственно в систему выделения.

При противоточном контактировании жидкости из верхней зоны реакции с восходящим потоком обрабатывающего газа происходит удаление из потока жидкости растворенных примесей H₂S и NН₃, что улучшает как парциальное давление водорода, так и свойства катализатора. В результате конечный жидкий продукт будет иметь значительно более низкое содержание гетероатомов и значительно более высокое содержание водорода по сравнению с исходным сырьем. Такой поток жидкого продукта можно направлять на последующие операции гидропереработки или конверсии.

Настоящее изобретение описано применительно к конкретным вариантам реализации, однако предполагается, что его видоизменения и модификации несомненно являются очевидными для специалистов в данной области. Поэтому приведенную ниже формулу изобретения следует интерпретировать таким образом, что она охватывает все указанные видоизменения и модификации в пределах замысла и объема притязаний настоящего изобретения.

Предложен реактор, обеспечивающий взаимодействие жидкости с обрабатывающим газом в присутствии катализатора, при этом реактор содержит сплошную стенку, которая окружает первую зону реакции, где первая зона реакции содержит катализатор для проведения желаемой реакции между жидкостью и обрабатывающим газом, средства ввода жидкости, расположенные выше первой зоны реакции, для обеспечения подачи в реактор части жидкости, средства ввода газа, расположенные ниже первой зоны реакции, для обеспечения подачи в реактор части обрабатывающего газа, средства вывода жидкости, расположенные ниже первой зоны реакции, для обеспечения выхода из реактора прореагировавшей части жидкости, средства вывода газа, расположенные выше первой зоны реакции, для обеспечения выхода из реактора части обрабатывающего газа, средства перепускания газа в первой зоне реакции для обеспечения перепускания части обрабатывающего газа в обход части первой зоны реакции, при этом средства перепускания газа включают средства регулирования перепускания газа для регулирования количества обрабатывающего газа, которое перепускают в обход части первой зоны реакции. В предпочтительном варианте реализации используют несколько зон реакции, а над каждой зоной размещают тарелку распределения жидкости. Средство перепускания газа создает гидростатический затвор с жидкостью, накапливающейся в распределительной тарелке, таким образом происходит автоматическое регулирование времени и степени перепускания газа на основании заранее определенных условий затопления, что обеспечивает стабильную и эффективную работу реактора. 11 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Реактор для проведения реакции жидкости с обрабатывающим газом в присутствии катализатора, включающий: а) сплошную стенку, которая окружает первую зону реакции, причем указанная первая зона реакции содержит катализатор для проведения желаемой реакции между указанной жидкостью и указанным обрабатывающим газом, б) средства ввода жидкости, расположенные выше указанной первой зоны реакции, для обеспечения подачи в указанный реактор части указанной жидкости, в) средства ввода газа, расположенные ниже указанной первой зоны реакции, для обеспечения подачи в указанный реактор части указанного обрабатывающего газа, г) средства вывода жидкости, расположенные ниже указанной первой зоны реакции, для обеспечения выхода из указанного реактора прореагировавшей части указанной жидкости, д) средства вывода газа, расположенные выше указанной первой зоны реакции, для обеспечения выхода из указанного реактора части указанного обрабатывающего газа, а также е) средства перепускания газа в указанной первой зоне реакции для обеспечения перепускания части указанного обрабатывающего газа в обход части указанной первой зоны реакции, причем указанные средства перепускания газа включают средства регулирования перепускания газа для регулирования количества указанного обрабатывающего газа, которое перепускают в обход указанной части указанной первой зоны реакции. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что указанный обрабатывающий газ пропускают через указанную первую зону реакции в направлении, по существу, противоположном направлению потока указанной жидкости в указанной первой зоне реакции. 3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что указанный реактор содержит несколько указанных зон реакции. 4. Реактор по п. 3, отличающийся тем, что каждая из указанных зон реакции включает указанные средства перепускания газа. 5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит: а) вторую зону реакции, расположенную выше указанной первой зоны реакции, и б) вторые средства ввода газа, расположенные над указанной второй зоной реакции, для обеспечения протекания указанного обрабатывающего газа, по существу, в том же направлении, что и протекание указанной жидкости. 6. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что указанные средства перепускания газа обеспечивают полное перепускание указанной части указанного реакционного газа в обход указанной первой зоны реакции. 7. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что включает тарелку распределения жидкости, расположенную над указанной первой зоной реакции, указанные средства перепускания газа включают трубопровод, имеющий нижнюю часть и верхнюю часть, при этом: а) указанная верхняя часть способна образовывать гидростатический затвор с указанной жидкостью, накапливающейся в указанной тарелке распределения жидкости, и б) указанная нижняя часть проходит ниже указанной первой зоны реакции. 8. Реактор по п. 7, отличающийся тем, что указанная верхняя часть имеет форму перевернутой "U", входной конец которой расположен в углублении, выполненном в указанной тарелке распределения жидкости и заполняемом жидкостью. 9. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает тарелку распределения жидкости, расположенную над указанной первой зоной реакции, указанные средства перепускания газа включают трубопровод, имеющий нижнюю часть и верхнюю часть, при этом: а) указанная верхняя часть способна образовывать гидростатический затвор с указанной жидкостью, накапливающейся в указанной тарелке распределения жидкости, и б) указанная нижняя часть расположена внутри указанной первой зоны реакции. 10. Реактор по п. 9, отличающийся тем, что указанная верхняя часть имеет форму перевернутой "U", входной конец которой расположен в углублении, выполненном в указанной тарелке распределения жидкости и заполняемом жидкостью. 11. Реактор по п. 3, отличающийся тем, что указанные средства перепускания газа обеспечивают перепускание указанного обрабатывающего газа в обход двух или более последовательных зон реакции. 12. Реактор по п. 7, отличающийся тем, что указанная верхняя часть дополнительно включает перевернутый контейнер, покрывающий входной конец указанной верхней части, при этом указанный перевернутый контейнер включает отверстие, которое находится в контакте с указанной жидкостью в указанной тарелке распределения жидкости.