УСТРОЙСТВО ВВОДА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫРЬЯ В РЕАКТОР Российский патент 2009 года по МПК B01J19/00 F27D3/00 

Изобретение относится к устройствам для ввода и распределения потока газожидкостной углеводородной смеси и может быть использовано в нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, а именно в конструкциях реакторов, реализующих в заводских технологиях процессы гидрокрекинга.

Для гидрокрекинга используют реакторы, рассчитанные на высокое давление. Реакторы представляют собой массивные цилиндрические аппараты, имеющие полусферические днища и патрубки для ввода сырья и вывода продуктов реакции. В ряде реакторов осуществляют защиту внутренней поверхности торкрет - бетоном, который со временем подвергается разрушению, при этом частицы бетона заполняют поры слоя катализатора и нарушают как гидравлический режим работы реактора, так и его каталитические характеристики. Этот процесс происходит вследствие того, что в свободной верхней зоне реактора, куда подается высокотемпературное сырье со скоростями потоков на входе до 30 м/с и более, как правило, формируются интенсивные вихревые струйные течения, напрямую воздействующие на стенки реактора и приводящие к разрушению торкретбетона. Данный процесс является следствием плохой организации ввода сырья.

Решению задач, связанных с улучшением организации ввода сырья, посвящены ряд изобретений США (патенты №3218249, 6613219) и России (патенты №2213610, 2233123). Эту же цель преследует устройство узла для ввода сырья в виде улиты (И.И.Поникаров, О.А.Перелыгин, В.Н.Доронин, М.Г.Гайнуллин «Машины и аппараты химических производств». - М.: Машиностроение, 1989, стр.71-72, рис.2.4), а также устройство узла ввода сырья, описанное в книге Е.В.Смидовича «Технология переработки нефти и газа. Ч.2-я. Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных газов. 3-е изд., пер. и доп.» - М.: Химия, 1980 г., стр.265-268, рис.98.

Наиболее близким к заявляемому устройству ввода и распределения сырья в реактор является устройство, описанное в авторском свидетельстве SU 963474 A3 (кл. С21В 7/18, 30.09.1982 г.).

Прототип содержит установленную во входной штуцер реактора цилиндрическую вставку с коническим распределителем сырья, выполненным в виде юбки.

Однако недостатки вышеуказанных аналогов характерны и для прототипа. При высоких скоростях подачи сырья в реактор, высоких давлениях и температурах распределительные элементы указанных устройств не обеспечивают выполнения требования равномерности поля скоростей по площади поперечного сечения реактора на входе в распределительную тарелку реактора. Кроме того, они не позволяют ликвидировать высоконапорное струйное воздействие на стенки реактора.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве ввода сырья в реактор, содержащее установленную во входной штуцер реактора цилиндрическую вставку с коническим распределителем потока сырья в виде юбки, конический распределитель выполнен в виде нескольких, преимущественно 3-х или 4-х соосно установленных с радиальным зазором одна в другой конических юбок, при этом меньшие основания конических юбок снабжены входными цилиндрическими обечайками соответствующих диаметров одинаковой высоты, центральный полуугол α наружной конической юбки выбирается по следующей зависимости:

где R - внутренний радиус цилиндрической части реактора;

r₀ - радиус проходного сечения канала цилиндрической вставки;

h - высота размещения плоскости меньших оснований конических юбок над распределительной тарелкой,

полуугол раскрытия центрального конуса, задается в диапазоне 8...9°, а радиусы меньших оснований и углы раскрытия смежных конусов конических юбок определяются из условия равенства отношений их площадей на входе к площади проходного сечения канала цилиндрической вставки и отношений их кольцевых площадей, условно вырезаемых из распределительной тарелки продолжением конусов юбок до их пересечения с плоскостью ее установки к площади поперечного сечения внутренней цилиндрической части реактора.

Кроме того, цилиндрическая вставка снабжена успокоителем потока - хонейкомбом, установленным перед коническим распределителем сырья и выполненным в виде продольных взаимно параллельных каналов, преимущественно прямоугольного сечения со стороной 30...50 мм.

Кроме того, цилиндрическая вставка дополнительно снабжена установленным на входе в хонейкомб устройством выравнивания поля скоростей, выполненным в виде равномерно перфорированной по всей площади поперечного сечения решетки, степень перфорации которой составляет 48...65%.

В основу конструкции устройства ввода положена гидродинамическая структура течения затопленной струи, истекающей из какого-либо отверстия или щели, точнее геометрические параметры ее начального участка (Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М., 1960; Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М.О.Штейнберга / 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан фрагмент реактора, в котором установлено устройство ввода, на фиг.2 - вид А на фиг.1, на фиг.3 - вид Б на фиг.1, на фиг.4 - сечение В - В на фиг.1.

Устройство 1 ввода сырья включает в себя цилиндрическую вставку 2, в состав которой входят расположенные по направлению движения потока сырья: устройство выравнивания поля скоростей, выполненное в виде равномерно перфорированной по всей площади поперечного сечения решетки 3, успокоитель потока - хонейкомб 4, цилиндрический канал 5 и конический распределитель 6 сырья. Устройство 1 ввода установлено в реакторе 7 на подводящем патрубке 8, снабженном теплозащитным кожухом 9, который, в свою очередь, установлен во входном штуцере 10 реактора.

Решетка 3 перфорирована отверстиями 11, которые могут иметь произвольную форму, степень перфорации составляет 48...65%. Следует отметить, что решетка 3 устанавливается на устройствах ввода реакторов, входной штуцер которых расположен вертикально, а подводящий трубопровод перед входом в реактор делает поворот на 90° и более. Прямолинейный участок трубопровода на входе в реактор составляет, как правило, 3...5 диаметров трубопровода. Такая конструкция подводящей магистрали турбулизирует поток и приводит к существенной неравномерности поля скоростей в поперечном сечении трубы на этом участке. В реакторах, имеющих другую схему подвода сырья, решетка 3 может не устанавливаться.

Хонейкомб 4 выполнен в виде взаимно параллельных каналов 12, преимущественно прямоугольного сечения со стороной 30...50 мм. Длина хонейкомба 4 составляет от 0,9 до 1,1 величины внутреннего диаметра цилиндрической вставки 2.

Конический распределитель 6 сырья выполнен в виде нескольких соосно установленных с радиальным зазором одна в другой конических юбок 13. Центральный полуугол α наружной конической юбки 14 связан с габаритами реактора, а именно с внутренним радиусом цилиндрической части реактора R и с высотой h размещения плоскости меньших оснований 15 конических юбок 13 над ближайшей распределительной тарелкой 16 (или верхней поверхностью слоя катализатора) зависимостью (1):

Полуугол раскрытия центрального конуса задается в диапазоне 8...9°. Требование выравнивания поля скоростей на входе потока в распределительную тарелку 16 приводит к необходимости выполнения условий равенства отношений долей площадей на входе в кольцевые зоны 17 конусных юбок и на входе 19 в распределительную тарелку 16:

где S _вхi - входные площади кольцевых зон смежных конусов;

S₀ - площадь проходного сечения цилиндрического канала 2;

S_выхi - кольцевая площадь, условно вырезаемая из тарелки 16 продолжением конусов до их пересечения с данной поверхностью, т.е. на входе 19 в тарелку 16;

S_k - внутренняя площадь поперечного сечения реактора 7.

Для обеспечения устойчивости оболочки конусных юбок снабжены ребрами (на чертеже не указаны).

На практике чаще всего реализуются 3-4 конусных юбки.

Меньшие (верхние) основания конических юбок 13 снабжены входными кольцевыми обечайками 18 соответствующих диаметров одинаковой высоты, равной (0,2...0,5) r₀. Диаметры больших (нижних) оснований конических юбок 13 выбраны из условия возможности установки устройства 1 ввода в реактор 7 через входной штуцер 10.

Предлагаемая конструкция устройства ввода имеет две ступени выравнивания поля скоростей. Опишем их по направлению движения потока.

Первая ступень. Решетка 3 со степенью перфорации 48...65% дает значение коэффициента гидравлического сопротивления ξ=2,5...5. По имеющимся экспериментальным данным эта решетка обеспечивает достаточное выравнивание осевой составляющей поля скоростей.

Вторая ступень. Пульсации скоростей в радиальном направлении гасятся хонейкомбом 4.

Работа устройства ввода.

При подаче сырья в реактор 7 через патрубок 8 оно попадает в устройство 1, а именно на решетку 3 и через отверстия 11 сырье попадает в каналы 12 хонейкомба 4 и далее по этим каналам поступает в конический распределитель 6. Равномерно разделяясь по кольцевым зонам 17, сырье попадает на распределительную тарелку 16.

Таким образом, заявляемая конструкция устройства ввода и распределения сырья обеспечивает получение равномерного поля скоростей на входе в распределительную тарелку 16 и позволяет ликвидировать воздействие высокотемпературного и высокоскоростного потока сырья на внутренние стенки 20 реактора 7, в том числе находящиеся над распределительной тарелкой 16, что, в целом, повышает стойкость и производительность реактора.

Научно - производственной фирмой «Рифинг» разработана техническая документация устройства ввода и распределения сырья в реактор 7, внутренний радиус цилиндрической части которого R равен 1150 мм, а высота размещения распределительной тарелки 16 h равна 1160 мм от плоскости 15 меньших оснований конических юбок 13. При этом устройство ввода выполнено в виде цилиндрической вставки диаметром 251 мм, имеет хонейкомб 4 длиной 240 мм, выполненный в виде взаимно параллельных каналов 12, квадратного сечения со стороной 30 мм и три конических юбки, диаметры меньших оснований которых, начиная с центральной, соответственно равны 41,3 мм; 131,5 мм и 251 мм. На входе в хонейкомб установлена равномерно перфорированная по всей площади поперечного сечения решетка, площадь перфорации которой равна 317 см², при степени перфорации - 50,32%, что обеспечивает выравнивание поля скоростей на входе в хонейкомб. Для обеспечения выполнения требования выравнивания поля скоростей на входе потока в распределительную тарелку 16 выполнено условие (2) равенства отношений долей площадей на входе в соответствующие кольцевые зоны 17 конусных юбок и на входе в распределительную тарелку 16. Полуугол раскрытия центрального конуса составляет 8,33°, а полуугол α наружного конуса составляет ˜ 42°.

В настоящее время проводятся работы по реализации данного предложения на одном из нефтеперерабатывающих заводов Российской Федерации.

Изобретение может быть использовано в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в реакторах гидрокрекинга. Через патрубок 8 подают сырье в устройство ввода сырья 1, где оно поступает на решетку 3 и через отверстия 11 попадает в каналы 12 хонейкомба 4 и далее по этим каналам поступает в конический распределитель 6. Равномерно разделяясь по кольцевым зонам, сырье попадает на распределительную тарелку 16. Конический распределитель 6 выполнен в виде нескольких, преимущественно 3-х или 4-х соосно установленных с радиальным зазором одна в другой конических юбок. Изобретение позволяет получить равномерное поле скоростей на входе в распределительную тарелку 16 и ликвидировать воздействие высокотемпературного и высокоскоростного потока сырья на внутренние стенки 20 реактора, что позволяет повысить стойкость и производительность реактора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство ввода и распределения сырья в реактор, содержащее установленную во входной штуцер реактора цилиндрическую вставку с коническим распределителем потока сырья в виде юбки, отличающееся тем, что конический распределитель выполнен в виде нескольких, преимущественно 3-х или 4-х, соосно установленных с радиальным зазором одна в другой конических юбок, при этом меньшие основания конических юбок снабжены входными цилиндрическими обечайками соответствующих диаметров одинаковой высоты, центральный полуугол α наружной конической юбки выбирается по следующей зависимости:

где R - внутренний радиус цилиндрической части реактора;

r₀ - радиус проходного сечения канала цилиндрической вставки;

h - высота размещения плоскости меньших оснований конических юбок над распределительной тарелкой,

полуугол раскрытия центрального конуса задается в диапазоне 8...9°, а радиусы меньших оснований и углы раскрытия смежных конусов конических юбок определяются из условия равенства отношений их площадей на входе к площади проходного сечения канала цилиндрической вставки и отношений их кольцевых площадей, условно вырезаемых из распределительной тарелки продолжением конусов юбок до их пересечения с плоскостью ее установки к площади поперечного сечения внутренней цилиндрической части реактора.