РЕАКТОР ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ДЕГИДРИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2004 года по МПК B01J8/02 

Изобретение относится к устройствам для каталитического дегидрирования углеводородов и может быть использовано в нефтехимической промышленности, например в области производства винилароматических углеводородов, таких как стирол, альфаметил-стирол, винилтолуод, дивинилбензод, а также изопрена, бутадиена и др.

Известен реактор аксиального типа для производства стирола, представляющий собой цилиндрический корпус с неподвижным слоем катализатора (Н.Н. Лебедев. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Химия, 1975, стр. 575).

Недостатком известного реактора является большая высота слоя катализатора и соответственно большой перепад давления на слое, что снижает показатели дегидрирования. Для аксиальных реакторов характерны также трудности при создании производств большой единичной мощности.

Наиболее близким к предлагаемому реактору и лишенным указанных недостатков является реактор для проведения каталитических процессов радиального типа, содержащий цилиндрический корпус и коаксиально установленную корзину с катализатором, состоящую из внешней и внутренней перфорированных обечаек цилиндрической формы, выполненных из профилированных металлических элементов и скрепляющих колец (Пат. РФ № 2116825. Бюл. № 22, 10.08.98).

Однако для этого реактора, применительно к использованию его для каталитического дегидрирования углеводородов, характерны:

- трудоемкость изготовления скрепляющих колец, а также сборки, разборки и ремонта внутри реактора перфорированных обечаек, выполненных из множества профилированных элементов;

- недостаточно эффективное распределение газовых потоков по слою катализатора;

- узкий диапазон изменения нагрузки по сырью;

- высокая металлоемкость и энергоемкость при необходимости компоновать реакторную систему из двух или трех реакторов с адиабатическим тепловым режимом и промежуточным подогревом реакционной смеси в специальных теплообменниках, устанавливаемых между реакторами;

- большой перепад температуры по слою катализатора, а также большой перепад давления на реакторной системе, состоящей из целого ряда последовательно расположенных аппаратов, что снижает эффективность процессов дегидрирования;

- расположение профилированных элементов, имеющих в поперечном сечении форму полусферы, полуэллипса, треугольника или усеченного треугольника, на входе газовых потоков в слой катализатора плоским основанием в сторону катализаторного слоя, что приводит к эрозии и разрушению частиц катализатора под воздействием газовых струй.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы реактора, снижение трудоемкости изготовления, сборки, разборки и ремонта перфорированных обечаек и уменьшение металлоемкости реактора.

Предлагается реактор для каталитического дегидрирования углеводородов, содержащий цилиндрический корпус и коаксиально установленную корзину с катализатором, состоящую из внешней и внутренней перфорированных обечаек, выполненных из профилированных металлических элементов, в котором внешняя и/или внутренняя обечайка имеет форму многогранника, составленного из соединенных между собой плоских решеток одинаковой ширины, состоящих из продольных, расположенных соосно корпусу реактора профилированных элементов и поперечных скрепляющих стержней. При этом площадь сечения профилированного элемента составляет не более 1,2 площади сечения стержня, а расстояние между стержнями - не менее пяти диаметров частицы катализатора, и ширина решеток определяется по зависимости

при условии, что

b_p≤_{Rо и bр≤0,5 Нр,}

где b_р - ширина решетки соответствующей обечайки, мм;

d_к - диаметр частицы катализатора, мм;

R_о - радиус окружности, на которой лежат вершины многогранника соответствующей обечайки, мм;

Н_р - высота решетки соответствующей обечайки, мм;

k - коэффициент, величина которого лежит в области 0,5-15.

Катализаторная корзина реактора может быть разделена на ячейки плоскими или имеющими в поперечном сечении форму спирали сплошными и/или перфорированными перегородками, прикрепленными к обечайкам в вершинах многогранников.

Между внешней и внутренней обечайками может быть установлена одна или несколько дополнительных перфорированных обечаек.

Сплошные перегородки могут быть выполнены полыми, при этом внутренняя полость перегородок может иметь в поперечном сечении форму овала, эллипса, полуовала, полуэллипса, прямоугольника, треугольника, усеченного треугольника или спирали и сообщена с патрубками для подвода и отвода теплоносителя.

Полые перегородки, имеющие сечение треугольника, усеченного треугольника или спирали, могут быть установлены таким образом, что их большее основание располагается на внешней обечайке.

Боковые стенки перегородок могут иметь гофры прямой или зигзагообразной формы, расположенные поперек или под углом к направлению потока реакционной смеси.

Перегородки могут быть выполнены из труб, расположенных соосно корпусу реактора и соединенных с патрубками для подвода и отвода теплоносителя.

Дополнительные обечайки могут быть выполнены из труб, расположенных на расстоянии друг от друга соосно корпусу реактора и соединенных с патрубками для подвода и отвода теплоносителя.

Профилированные элементы, имеющие сечение полукруга, полуэллипса, треугольника, или усеченного треугольника, могут быть расположены плоским основанием навстречу потоку реакционной смеси, при этом расстояние между профилированными элементами составляет не более 0,9 диаметра частицы катализатора, а ширина перфорированного элемента не более чем в 1,8 раза превышает длину частицы катализатора.

Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен реактор по первому варианту; на фиг.2 - реактор по второму варианту; на фиг.3-10 изображены разрезы в горизонтальной плоскости различных вариантов катализаторных корзин, устанавливаемых в реакторе; на фиг.11-16 изображены варианты сборки решеток из различных профилированных элементов и скрепляющих стержней (на фиг.11, 12, 13 - разрезы решеток в вертикальной плоскости и соответственно на фиг 14, 15, 16 - разрезы решеток в горизонтальной плоскости); на фиг 17 изображен вариант сборки обечайки (разрез обечайки в горизонтальной плоскости); на фиг.18 изображены сечения в горизонтальной плоскости различных вариантов полых перегородок, на фиг.19-21 изображены виды сбоку на перегородки, имеющие гофры различной формы, а на фиг.22-25 - поперечные сечения этих перегородок.

Представленные на фиг.1 и 2 реакторы состоят из цилиндрического корпуса 1, внутри которого расположены внешняя 2 и внутренняя 3 перфорированные обечайки, между которыми расположен слой катализатора 4. Корпус имеет патрубки для входа паросырьевой смеси 5, выхода реакционной смеси 6, подвода теплоносителя 7 и отвода теплоносителя 8. В слое катализатора соосно корпусу реактора расположены теплообменные трубы 9, соединенные с патрубками для подвода и отвода теплоносителя. Теплообменные трубы в реакторе на фиг.1 представляют собой трубчатые элементы из двух труб - труба в трубе, в котором внутренняя труба 10 соединена с патрубком для подвода теплоносителя, а кольцевое пространство теплообменной трубы 9 - с патрубком для отвода теплоносителя.

В реакторе на фиг.2 цилиндрическая перегородка 11 делит теплообменные трубы на двухходовую систему, в которой внешний ряд труб соединен с патрубком для подвода теплоносителя, а внутренний ряд труб соединен с патрубком для отвода теплоносителя.

Реактор на фиг.1 и 2 имеет раздающий коллектор 12 и собирающий коллектор 13, а также собирающую камеру 14, 16 и раздающую камеру 15.

На фиг.3 представлены поперечные разрезы катализаторной корзины для различных вариантов исполнения реактора.

На фиг.3-5 и 7 внутренние и внешние обечайки имеют форму многогранника; на фиг.6 и 8 внешние обечайки имеют форму многогранника, а внутренние - форму цилиндров; на фиг.9 и 10 внутренние обечайки имеют форму многогранника, а внешние - форму цилиндра,

Фиг.3 демонстрирует вариант катализаторной корзины, перфорированные обечайки которой 2 и 3 собраны из плоских решеток шириной b_р, состоящих из профилированных элементов шириной b_э, имеющих в сечении форму треугольника, плоское основание которого направлено навстречу потоку реакционной смеси, входящей в катализаторный слой из центрального раздающего коллектора 12.

На фиг.4 показан вариант катализаторной корзины, разделенной на ячейки плоскими 17 и перфорированными 18 перегородками, прикрепленными к обечайкам в вершинах многогранников, а также дополнительной перфорированной обечайкой 19.

На фиг.5 представлен вариант использования плоских полых перегородок, имеющих в сечении форму прямоугольника 20, а на фиг.6 - вариант полых перегородок в форме спирали 21.

Фиг.7 демонстрирует деление катализаторной корзины дополнительной обечайкой 22 из труб, например, для варианта реактора на фиг.1, а фиг.8 - корзина с двумя обечайками 23 и 24 из труб, например, для варианта реактора на фиг.2.

На фиг.9 показано деление катализаторной корзины на ячейки и секции плоскими перегородками 25 и дополнительной обечайкой 26, изготовленных из труб.

На фиг.10 показано деление корзины на ячейки спиралевидными перегородками 27 из труб.

Для вариантов на фиг.6 и 10 могут использоваться различные типы спиралей, такие как архимедовы, гиперболические, логарифмические и др. Предпочтительной является развертка (эвольвента) окружности внутренней перфорированной обечайки катализаторной корзины. При этом ячейки, в которых размещается катализатор, представляют собой спиралеобразные каналы, сечение которых в направлении движения реакционной смеси может быть, например, как одинаковым, так и увеличивающимся с учетом увеличения объема реакционной смеси в ходе процесса дегидрирования и сохранения линейной скорости газового потока вдоль канала постоянной.

На фиг.11-16 приведены некоторые из возможных вариантов сборки плоских решеток шириной b_р, состоящих из продольных профилированных элементов 28 шириной b_э с расстоянием между ними а и поперечных скрепляющих стержней 29 с расстоянием между ними b_с. На фиг.17 приведен вариант сборки обечайки из решеток шириной b_р.

Поперечное сечение полых перегородок может иметь форму овала, эллипса, полуовала, полуэллипса, прямоугольника, треугольника, спирали и др. Некоторые из них показаны на фиг.18. Боковые стенки перегородок имеют гофры прямой или зигзагообразной формы, которые могут быть получены, например, методами штамповки (см. фиг.19-21). Возможные профили гофр (поперечное сечение перегородок) приведены на фиг.22-25.

В качестве теплоносителя могут быть использованы газообразные или жидкие высокотемпературные теплоносители, при этом предпочтительно использование перегретого водяного пара.

Газообразное сырье (паросырьевая смесь) поступает в реактор через патрубок 5 и далее через раздающий коллектор 12 и внутреннюю перфорированную обечайку 3 равномерно распределяется в горизонтальном направлении по всему объему катализаторного слоя 4.

Реакционная смесь (контактный газ) через наружную перфорированную обечайку 2 покидает катализаторный слой и через собирающий коллектор 13 и патрубок 6 выходит из реактора.

В возможном варианте осуществления процесса в реакторе на фиг.1 перегретый водяной пар подается через штуцер 7 и внутренние трубы 10 в теплообменные трубы 9, образующие кольцеобразную, проницаемую для контактного газа дополнительную перегородку 22 (см. фиг.7), которая делит катализаторный слой на две ступени. Пройдя через теплообменные трубы, где перегретый водяной пар передает тепло проходящей через катализаторный слой реакционной смеси, водяной пар через сборную камеру 14 и патрубок 8 покидает реактор. Таким образом, в данном реакторе осуществляется двухступенчатое дегидрирование углеводородов с промежуточным подогревом реакционной смеси перегретым водяным паром через глухую стенку теплообменных труб.

При осуществлении процесса в реакторе на фиг.2 и соответственно на фиг.8 перегретый водяной пар подается через патрубок 7 и раздающую камеру 15 в теплообменные трубы наружной дополнительной перегородки 23 и далее, пройдя теплообменные трубы внутренней дополнительной перегородки 24, через собирающую камеру 16 и патрубок 8 покидает реактор. В этом реакторе осуществляется трехступенчатое контактирование сырья с катализатором при промежуточном между ступенями подогреве реакционной смеси. При этом осуществляется наиболее эффективный режим противотока теплоносителя и реакционной смеси.

Использование собранных, в том числе машинным способом, за пределами реактора плоских решеток из продольных профилированных элементов и поперечных скрепляющих стержней значительно сокращает трудоемкость изготовления, сборки, разборки и восстановительных ремонтов перфорированных обечаек в форме многогранников по сравнению с прототипом.

При одинаковой ширине плоских решеток (ширине граней многогранника) достигается симметрия конструкции, необходимая для равномерного распределения реакционной смеси по катализаторному слою.

Расположение профилированных элементов в решетке соосно корпусу реактора (вертикально) способствует сохранению однородности катализаторного слоя при его усадке во время загрузки катализатора и эксплуатации реактора.

Заявляемое соотношение площадей сечения профилированного элемента и скрепляющего стержня, а также расстояние между стержнями соответствует достижению необходимой прочности обечайки при обеспечении ее допустимого гидравлического сопротивления.

Предложенная зависимость для определения ширины решеток (граней многогранника) представляет собой модифицированную формулу для расчета длины хорды окружности соответствующей обечайки при высоте сегмента, отсекаемого хордой, равной диаметру частицы используемого катализатора с учетом указанных ограничений.

Толщина катализаторного слоя в вершинах многогранника превышает минимальную толщину слоя на величину (h_o2-h_o1) - см. фиг.3. Возможная при этом неравномерность течения газовых потоков устраняется путем установки в катализаторной корзине перегородок, прикрепленных к обечайке в вершинах многогранников, с учетом повышенной проницаемости катализаторного слоя вдоль поверхности перегородок.

Установка между внешней и внутренней обечайками дополнительных перфорированных обечаек, разделяющих объем катализаторной корзины на секции, улучшает распределение газовых потоков по всему объему катализатора за счет эффекта секционирования и перераспределения газового потока на дополнительных перфорированных обечайках. При этом секции по ходу реакционной смеси могут быть загружены катализатором, обладающим различной активностью, гранулометрическим составом, свежим, отработанным катализатором, инертной насадкой, а на выходе из катализаторной корзины также и оставаться незаполненными, что повышает технологичность реактора в действующих производствах, позволяет также при необходимости осуществлять процессы при пониженной нагрузке по сырью.

Осуществление эндотермических процессов каталитического дегидрирования углеводородов в реакторах с размещением внутри слоя катализатора теплоподводящих элементов - полых перегородок, в том числе из труб, (фиг.5-10), позволяет приблизиться к более эффективным режимам с изотермическим и даже повышающимся профилем изменения температуры в слое катализатора по ходу реакционной смеси по сравнению с прототипом, имеющим понижающийся температурный профиль.

Расположение полых перегородок, имеющих сечение треугольника, усеченного треугольника или спирали, большим основанием на внешней обечайке позволяет увеличить линейную скорость газового потока по ходу в слое катализатора, особенно во второй половине слоя, и улучшить распределение газа по слою.

Гофрированные боковые стенки полых перегородок увеличивают прочность перегородок и улучшают теплообмен между теплоносителем и реакционной смесью, а расположение гофр вертикально или под углом к вертикали способствует свободной усадке катализатора при его загрузке в реактор и в ходе его эксплуатации.

Расположение профилированных элементов плоским основанием навстречу потоку реакционной смеси при указанных условиях приводит к гашению газовых струй на расширяющемся участке канала между элементами и уменьшению эрозии и разрушения частиц катализатора на входе газа в слой.

Многоступенчатое контактирование сырья в предложенном реакторе с промежуточным между ступенями подогревом реакционной смеси перегретым водяным паром через глухую стенку теплообменных труб значительно снижает перепад температуры на слоях катализатора при осуществлении эндотермических процессов дегидрирования углеводородов, что позволяет повысить среднеинтегральную температуру по слою катализатора, приводит к снижению расхода водяного пара, направляемого на разбавление исходного сырья, увеличению конверсии и селективности процессов дегидрирования, а также снижает металлоемкость реакторной системы по сравнению с прототипом.

Реактор относится к нефтехимической промышленности для производства, например, винилароматических углеводородов. Содержит цилиндрический корпус и коаксиально установленную корзину с катализатором, состоящую из внешней и внутренней перфорированных обечаек, выполненных из профилированных металлических элементов. Внешняя и/или внутренняя обечайка имеет форму многогранника, составленного из соединенных между собой плоских решеток одинаковой ширины, состоящих из продольных, расположенных соосно корпусу реактора профилированных элементов и поперечных скрепляющих стержней. Площадь сечения профилированного элемента составляет не более 1,2 площади сечения стержня, а расстояние между стержнями - не менее пяти диаметров частицы катализатора, и ширина решеток определяется по зависимости при условии, что b_р≤_{Rо и bр≤0,5 Нр, где bр - ширина решетки соответствующей обечайки, мм; dк - диаметр частицы катализатора, мм; Rо - радиус окружности, на которой лежат вершины многогранника соответствующей обечайки, мм; Нр - высота решетки соответствующей обечайки, мм; k - коэффициент, величина которого лежит в области 0,5-15. Данная конструкция реактора позволяет повысить эффективность его работы. 15 з.п. ф-лы, 25 ил.}

1. Реактор для каталитического дегидрирования углеводородов, содержащий цилиндрический корпус и коаксиально установленную корзину с катализатором, состоящую из внешней и внутренней перфорированных обечаек, выполненных из профилированных металлических элементов, отличающийся тем, что внешняя и/или внутренняя обечайка имеет форму многогранника, составленного из соединенных между собой плоских решеток одинаковой ширины, состоящих из продольных, расположенных соосно корпусу реактора профилированных элементов и поперечных скрепляющих стержней, при этом площадь сечения профилированного элемента составляет не более 1,2 площади сечения стержня, а расстояние между стержнями - не менее пяти диаметров частицы катализатора и ширина решеток определяется по зависимости:

при условии, что b_p≤_{Rо и bр≤0,5 Нр,}

где b_p - ширина решетки соответствующей обечайки, мм;

d_к - диаметр частицы катализатора, мм;

R_о - радиус окружности, на которой лежат вершины многогранника соответствующей обечайки, мм;

Н_р - высота решетки соответствующей обечайки, мм;

k - коэффициент, величина которого лежит в области 0,5-15.