РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОСЛОЙНОГО РЕАКТОРА С НИСХОДЯЩИМ ПОТОКОМ Российский патент 2017 года по МПК B01J8/04 C10G49/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к распределительному устройству для многослойного реактора с нисходящим потоком, многослойному реактору с нисходящим потоком, содержащему такое распределительное устройство, к использованию таких распределительного устройства и реактора, соответственно, при обработке углеводородов и к способу распределения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим потоком.

Уровень техники

Многослойные реакторы с нисходящим потоком, содержащие ряд расположенных один над другим реакционных слоев, используются в химической и нефтеперерабатывающей промышленностях для проведения различных технологических процессов, таких как депарафинизация, гидроочистка и гидрокрекинг. В этих процессах жидкую фазу обычно смешивают с газовой фазой, и полученные текучие среды пропускают через катализатор в виде твердых частиц, содержащийся в реакционных слоях. При прохождении текучих сред одновременно и в прямотоке через реакционный слой распределение жидкости и газа по реакционному слою имеет тенденцию к неравномерному распределению с негативными последствиями для протекания реакции, а также для распределения температуры. Для достижения равномерного распределения жидкости и газа и температуры в текучих средах, поступающих в следующий нижерасположенный реакционный слой, между соседними реакционными слоями обычно размещают устройство для распределения текучей среды из числа различных типов распределительных устройств.

Подобное распределительное устройство известно из патентного документа ЕР-А-716881. Описанное в этом документе устройство для распределения текучей среды предназначено для использования между реакционными слоями многослойного реактора с нисходящим потоком. Известное устройство содержит: по существу горизонтальную сборную тарелку, имеющую центральное проходное отверстия для газа и проходные отверстия для жидкости, расположенные вокруг центрального проходного отверстия для газа; завихритель, размещенный над сборной тарелкой вокруг центрального проходного отверстия для газа и снабженный лопатками, устанавливающими направление завихрения (закручивания) потока и расположенными с возможностью придания вихревого движения газу, проходящему через центральное проходное отверстие, в результате чего этот газ выходит из центрального проходного отверстия в виде вихря, закручивающего поток в указанном направлении завихрения вокруг вертикальной оси завихрения (закручивания) потока; одно или большее количество сопел, установленных над сборной тарелкой и предназначенных для эжекции, в направлении эжекции, струи охлаждающей текучей среды в газовый поток перед входом газа в завихритель.

При нормальной работе реактора жидкость, стекающая вниз из верхнего реакционного слоя, накапливается на сборной тарелке с образованием слоя жидкости, покрывающего проходные отверстия для жидкости так, что прохождение газа через эти отверстия исключается. Поток газа проходит в нижнюю часть реактора через завихритель, установленный на сборной тарелке выше и вокруг центрального проходного отверстия для газа, и затем через указанное центральное отверстие. На входе в завихритель лопатки придают вращательное движение газу, который может перемещаться только вниз через центральное проходное отверстие для газа в смесительную камеру, находящуюся ниже сборной тарелки. Направление закручивания газа устанавливается лопатками завихрителя, и это направление проходит в целом вокруг вертикальной оси завихрителя. Вихревое движение газа способствует взаимодействию газ-газ и, следовательно, равновесному состоянию газовой фазы.

Жидкость, накопленная на сборной тарелке, протекает через проходные отверстия для жидкости в направляющие каналы. Направляющие каналы снабжены инжекционными соплами, инжектирующими жидкость в вихрь газа, исходящий из центрального проходного отверстия для газа. Жидкость, инжектируемая в вихрь газа, вытекает из инжекционных сопел в направлении инжекции.

Для достижения равномерного распределения жидкости и газа и равномерного распределения температуры в текучих средах, поступающих в следующий нижерасположенный реакционный слой, устройство для распределения текучей среды, подобное устройству, описанному в патентном документе ЕР-А-716881, во многих случаях обеспечивают одним или большим числом эжекционных сопел для эжектирования охлаждающей текучей среды в газ перед вводом этого газа в завихритель. Для этой цели в одном из воплощений, описанных в ЕР-А-716881, предусмотрен охлаждающий кольцевой элемент, размещенный над сборным коллектором. Внутренняя сторона этого кольцевого элемента снабжена множеством эжекционных сопел. При использовании устройства охлаждающая текучая среда эжектируется в поток газа, проходящий от вышерасположенного слоя к завихрителю. В документе ЕР-А-716881 отсутствуют сведения относительно направления ввода текучей среды из эжекционных сопел. Это можно видеть только на чертеже, на котором показанные эжекционные сопла, расположенные с внутренней стороны охлаждающих кольцевых элементов и обращенные во внутреннюю сторону от охлаждающих кольцевых элементов. Однако из практики известно, что для ограничения перепада давления и, следовательно, потерь энергии эти эжекционные сопла ориентируют в горизонтальной плоскости таким образом, что эжекция осуществляется под углом по отношению к радиальному направлению, проходящему между эжекционным соплом и центром реактора, так, что направление эжекции частично совпадает с направлением вращения вихря, созданного завихрителем.

Направление эжекции в ЕР-А-716881, как и направление эжекции в настоящем изобретении, может быть математически изображено стрелкой, называемой вектором эжекции. В свою очередь, вектор эжекции в ЕР-А-716881, как и вектор эжекции в настоящем изобретении, может быть представлен в виде ортогональной системы из трех составляющих вектора, включающей радиальный вектор эжекции, проходящий перпендикулярно оси вихря, осевой вектор эжекции, проходящий параллельно оси вихря, и тангенциальный вектор эжекции, проходящий тангенциально по отношению к оси вихря. С учетом такого представления вектора направление эжекции в ЕР-А-716881, как известно из практики и как описано в предшествующем абзаце, может быть охарактеризовано следующем образом: осевой вектор эжекции имеет нулевую длину (это означает, что этот вектор отсутствует), как и эжекция в горизонтальном направлении; радиальный вектор инжекции, если смотреть от эжекционного сопла, направлен к центру реактора (который соответствует оси вихря); а тангенциальный вектор эжекции, если смотреть от эжекционного сопла, имеет направление, совпадающее с направлением вращения вихря.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в усовершенствовании распределительного устройства, соответствующего ограничительной части пункта 1 формулы.

Указанная задача в соответствии с первым аспектом изобретения решается за счет обеспечения распределительного устройства, предназначенного для распределения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим потоком; при этом распределительное устройство содержит:

по существу горизонтально расположенную сборную тарелку, в которой выполнены центральное проходное отверстие для газа и проходные отверстия для жидкости, расположенные вокруг указанного центрального проходного отверстия для газа;

завихритель, который размещен над сборной тарелкой вокруг центрального проходного отверстии для газа и содержит лопатки, устанавливающие направление закручивания потока и расположенные с возможностью придания вращательного движения газу, проходящему через центральное проходное отверстие для газа, в результате чего газ выходит из центрального проходного отверстия в виде вихря, закрученного в указанном направлении завихрения вокруг вертикальной оси завихрения (оси вихря);

одно или большее число эжекционных сопел, расположенных выше сборной тарелки и предназначенных для эжекции, в направлении эжекции, охлаждающей текучей среды в газ перед вводом указанного газа в завихритель;

при этом направление эжекции образует ортогональную систему из трех векторов эжекции, включающую радиальный вектор эжекции, проходящий перпендикулярно оси завихрения, осевой вектор эжекции, проходящий параллельно оси завихрения, и тангенциальный вектор эжекции, направленный тангенциально по отношению к оси завихрения; эжекционное сопло ориентировано таким образом, что тангенциальный вектор эжекции эжектируемой охлаждающей текучей среды имеет направление противоположное направлению завихрения. Поскольку тангенциальный вектор эжекции ориентирован в определенном направлении, он представлен стрелкой, имеющей длину больше нуля (т.е. тангенциальный вектор эжекции больше нуля).

Тангенциальный вектор эжекции направлен противоположно направлению завихрения. Это означает, что направление эжекции, если смотреть в горизонтальной плоскости, по меньшей мере, частично, находится в противотоке с направлением завихрения потока.

Вследствие того, что направление эжекции частично противоположно направлению завихрения, будут иметь место перепад давления и потери энергии. Ожидаемым результатом, таким образом, могло быть снижение производительности реактора, в котором используется распределительное устройство в соответствии с изобретением. Однако эксперименты показали противоположные результаты.

Производительность первого реактора, оборудованного первым распределительным устройством, соответствующим патентному документу ЕР-А-716881 (в котором, как известно из его практического применения, эжекция осуществляется в горизонтальной плоскости под таким углом по отношению к радиальному направлению, что радиальный вектор эжекции направлен к центру реактора, а тангенциальный вектор эжекции имеет направление, совпадающее с направлением завихрения), была сравнимой с производительностью такого же первого реактора, но снабженного вторым распределительным устройством, которое, за исключением направления эжекционных сопел, было выполнено таким же, как и первое распределительное устройство. В качестве охлаждающей текучей среды в обоих случаях был использован газообразный водород, имеющий температуру ниже температуры текучей среды, в которую он эжектировался. Сравнительные исследования, проведенные с помощью расчетной модели, показали, что на (горизонтальном) уровне, на котором текучую среду вводят в слой, расположенный ниже распределительного устройства, применение изобретения приводит к наблюдаемому в горизонтальной плоскости уменьшению на 50% среднеквадратичного отклонения температуры текучей среды по всему поперечному сечению слоя катализатора. Указанное среднеквадратичное отклонение в настоящей заявке именуется как «выходное среднеквадратичное отклонение». Уменьшение среднеквадратичного отклонения уменьшает дезактивацию катализатора и позволяет реактору работать в течение более продолжительного периода времени. Принимая во внимание, что увеличение продолжительности работы реактора на один день может быть эквивалентно увеличению доходов приблизительно на один миллион евро, указанное уменьшение среднеквадратичного отклонения температуры имеет очень важное значение.

В отношении эжекционного сопла следует отметить, что при нормальной работе реактора поток текучей среды, выходящий из эжекционного сопла, в соответствии с изобретением, будет, вообще, газовым потоком, но согласно изобретению не исключается, что поток представляет собой смесь жидкости и газа. В области, относящейся к обработке углеводородов, охлаждающей текучей средой обычно служит газообразный водород, содержащий, по усмотрению, в качестве добавки легкие углеродные соединения. Кроме того, в отношении эжекционного сопла следует отметить, что поток, вытекающий из сопла в указанном направлении эжекции, может иметь форму струи, веерообразную форму, конусообразную форму и так далее. При этом направление эжекции будет главным направлением.

В соответствии с другим воплощением распределительного устройства, соответствующего первому аспекту изобретения, эжекционное сопло ориентировано так, что радиальный вектор эжекции направлен к оси завихрения. Поскольку радиальный вектор эжекции в этом воплощении имеет определенное направление, он показан стрелкой, длина которой больше нуля (т.е. радиальный вектор эжекции больше нуля). То, что радиальный вектор эжекции направлен в сторону оси завихрения, означает, что направление эжекции, видимое в горизонтальной плоскости, не полностью, а частично находится в противотоке с направлением завихрения. Это повышает однородность температуры по всему вихрю, предположительно потому, что эжектируемая охлаждающая текучая среда обладает большей способностью достигать центра вихря.

Моделирующие расчеты показывают, что уменьшение так называемого «выходного среднеквадратичного отклонения» достигается всегда, если направление эжекции и соответствующий радиальный вектор эжекции указанного эжекционного сопла образуют между собой угол более 2,5°, например, по меньшей мере, 5°, и показывают также, что это уменьшение становится значительным, если указанный угол составляет, по меньшей мере, 7,5°, например, по меньшей мере, 10°. Моделирующие расчеты показывают также, что эффект уменьшения упомянутого «выходного среднеквадратичного отклонения», оказывается, исчезает, если этот угол становится больше 35°, и заметное уменьшение указанного «выходного среднеквадратичного отклонения» ослабевает, если этот угол становится больше 30°.

В соответствии со следующим воплощением распределительного устройства согласно первому аспекту изобретения направление эжекции и соответствующий радиальный вектор эжекции указанного эжекционного сопла соответственно образуют угол, находящийся в интервале [5°, 35°], например, в интервале [7,5°, 30°] или в интервале от [7,5°, 25°], например, в интервале [15°, 25°]. Здесь следует отметить, что везде в настоящей заявке знаки «[» и «]» означают, что соответствующая величина заключена в пределах указанного интервала, а знак «,» означает «вплоть до».

В отношении углов между направлением эжекции и соответствующим радиальным вектором эжекции следует отметить, что они выражены в градусах, при этом угол равный 360° соответствует одному обороту.

Согласно другому воплощению распределительного устройства в соответствии с первым аспектом изобретения распределительное устройство дополнительно содержит смесительную камеру, образованную между сборной тарелкой и распределительной тарелкой.

В соответствии со следующим воплощением распределительного устройства согласно первому аспекту изобретения центральное проходное отверстие для газа окружено перегородкой. Эта перегородка предотвращает поступление жидкости в проходное отверстие для газа.

Согласно другому воплощению распределительного устройства в соответствии с первым аспектом изобретения распределительное устройство дополнительно содержит крышку, размещенную над центральным проходным отверстием для газа и полностью покрывающую центральное проходное отверстие для газа. Эта крышка предотвращает прохождение текучей среды через центральное проходное отверстие в вертикальном направлении вниз.

В соответствии с еще одним воплощением распределительного устройства в соответствии с первым аспектом изобретения распределительное устройство содержит один или большее число направляющих каналов, расположенных ниже сборной тарелки, при этом направляющие каналы содержат первые концы, сообщающиеся с проходными каналами для жидкости сборной тарелки и служащие для приема жидкости; и вторые концы, снабженные инжекционными соплами, выполненными с возможностью инжектировать в вихрь, в направлении инжекции, жидкость, которая поступает в первые концы каналов. Подобно рассмотренному выше направлению эжекции эжекционных сопел, направление инжекции для инжекционных сопел также может быть представлено в виде ортогональной системы из трех векторов инжекции, включающей радиальный вектор инжекции, проходящий перпендикулярно оси завихрения, осевой вектор инжекции, проходящий параллельно оси завихрения, и тангенциальный вектор инжекции, проходящий тангенциально по отношению к оси завихрения.

В отношении используемых в настоящем описании терминов «инжекция» и «эжекция» следует отметить, что здесь не предполагается, что они имеют различное значение физического смысла терминов. Эти различные термины используются для того, чтобы обозначить различие между тем, что связано с вихрем (термин «инжекция»), и тем, что связано с охлаждением (термин «эжекция»). В отношении инжекционного сопла следует также отметить, что поток, вытекающий из сопла в указанном направлении инжекции, может иметь форму струи, веерообразную форму, конусообразную и тому подобную форму. Направление инжекции будет главным направлением.

В соответствии с другим воплощением распределительного устройства согласно первому аспекту изобретения распределительное устройство дополнительно содержит по существу горизонтальную тарелку предварительного распределения, размещенную ниже центрального проходного отверстия для газа, выше распределительной тарелки и (в случае ее размещения) ниже установленных по усмотрению инжекционных сопел одного или большего числа направляющих каналов, при этом указанная тарелка предварительного распределения по внешнему периметру снабжена переливной перегородкой и множеством отверстий вблизи внешнего периметра.

Согласно следующему воплощению распределительного устройства в соответствии с первым аспектом изобретения один или большее число направляющих каналов включают, по меньшей мере, восемь направляющих каналов, распределенных вокруг центрального проходного отверстия для газа.

В соответствии со следующим воплощением распределительного устройства согласно первому аспекту изобретения инжекционные сопла одного или большего числа направляющих каналов расположены так, что они находятся в одной и той же горизонтальной плоскости.

В соответствии с другим воплощением распределительного устройства согласно первому аспекту изобретения одно или большее число эжекционных сопел представляет собой множество сопел, расположенных вокруг оси завихрения и находящихся в одной и той же горизонтальной плоскости.

В соответствии с другим воплощением распределительного устройства согласно первому аспекту изобретения распределительное устройство дополнительно содержит по существу горизонтальную распределительную тарелку, размещенную ниже сборной тарелки, при этом распределительная тарелка снабжена большим количеством сливных элементов для нисходящего потока жидкости и газа; при этом каждый сливной элемент, в качестве варианта, представляет собой вертикальную трубку с открытыми концами, содержащую на боковой поверхности отверстие для входа жидкости в трубку.

В соответствии с еще одним воплощением распределительного устройства согласно первому аспекту изобретения эжекционные сопла расположены так, что они находятся в одной горизонтальной плоскости. Указанная одна горизонтальная плоскость может в соответствии с дополнительным воплощением находиться, если смотреть в вертикальном направлении, на том же уровне, что и лопатки.

В соответствии со вторым аспектом изобретение, кроме того, относится к многослойному реактору с нисходящим потоком, содержащим разделенные промежутками в вертикальном направлении слои твердого контактного материала, например, катализатора, и распределительное устройство, установленное между соседними слоями, при этом указанное распределительное устройство выполнено в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.

В соответствии с третьим аспектом изобретение относится к использованию распределительного устройства, соответствующего первому аспекту изобретения, при обработке углеводородов, например, в процессе гидроочистки и/или гидрокрекинга.

В соответствии с четвертым аспектом изобретение относится к использованию реактора с нисходящим потоком, соответствующего второму аспекту, при обработке углеводородов, например, в процессе гидроочистки и/или гидрокрекинга.

В соответствии с пятым аспектом изобретение относится к способу распределения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим потоком, в частности, в реакторе для обработки углеводородов, например, реакторе гидрокрекинга; при этом в реакторе используется распределительное устройство, содержащее по существу горизонтальную сборную тарелку, в которой имеется центральное проходное отверстие для газа; газ, проходящий в направлении вниз через указанное центральное проходное отверстие для газа, вовлекается в вихревое движение, при котором этот газ закручивается вокруг вертикальной оси завихрения так, что покидает центральное проходное отверстие для газа в виде вихря; жидкость накапливается на сборной тарелке, причем в определенном месте над сборной тарелкой и перед входом газа в завихритель в указанный газ эжектируется охлаждающая текучая среда, например, газообразная текучая среда, в направлении эжекции, которое, если смотреть в горизонтальной плоскости, по меньшей мере, частично противоположно направлению завихрения.

В соответствии с другим воплощением пятого аспекта изобретения направление эжекции образует ортогональную систему из трех векторов эжекции, включающих радиальный вектор эжекции, ориентированный перпендикулярно оси завихрения, осевой вектор эжекции, направленный параллельно оси завихрения, и тангенциальный вектор эжекции, проходящий тангенциально по отношению к оси завихрения, при этом тангенциальный вектор эжекции направлен противоположено направлению завихрения. В данном воплощении радиальный вектор эжекции может быть направлен к оси завихрения.

Согласно еще одному воплощению пятого аспекта направление эжекции и соответствующий радиальный вектор эжекции образуют угол в интервале [5°, 35°], в частности, в интервале [7,5°, 30°], например, в интервале [7,5°, 25°] или в интервале [15°, 25°].

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее будет описано с помощью примера и со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1 - схематическое изображение вертикального разреза части многослойного реактора с нисходящим потоком, содержащего распределительное устройство в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 - схематическое трехмерное представление вектора, образующего систему из трех ортогональных составляющих вектора.

Фиг. 3 - изображение сборной тарелки 20 согласно стрелкам III на фиг. 1.

На указанных фигурах одинаковые элементы конструкции обозначены одинаковыми ссылочными номерами позиций.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 на виде в разрезе представлена часть многослойного реактора с нисходящим потоком, содержащего распределительное устройство, размещенное между вышерасположенным слоем 15 и нижерасположенным слоем 115. Участок между вышерасположенным слоем 15 и нижерасположенным слоем 115 оборудован распределительным устройством 2. Общая конфигурация реактора будет традиционной и детали конструкции, например, опорные элементы для распределительной тарелки в целях ясности не показаны.

В рассматриваемом воплощении стенка 5 реактора 1 и опорная решетка 10 поддерживают вышерасположенный реакционный слой 15 твердого контактного материала, например, катализатора в виде твердых частиц, через который проходят химические реагенты и, по меньшей мере, частично превращаются в продукт. В опорной решетке 10, которая может быть решеткой известного типа, имеются проходные каналы (не показаны). Катализатор может быть размещен непосредственно на опорной решетке 10, или катализатор может быть уложен на слой поддерживающих шариков (не показаны), которые позволяют жидкости и газу проходить вниз из вышерасположенного слоя 15 и через опорную решетку 10, которая поддерживает шарики, уложенные на опорную решетку 10.

Распределительное устройство 2 содержит по существу горизонтальную сборную тарелку 20, которая опирается на опорный кольцевой элемент 25, выполнена с центральным проходным отверстием 30, окруженным снаружи перегородкой 35, и имеет проходные отверстия 40 для жидкости, выполненные вблизи перегородки 35. Ниже сборной тарелки 20 установлена по существу горизонтальная распределительная тарелка 45. Распределительная тарелка 45 снабжена большим количеством трубчатых сливных элементов 50 для формирования опускного течения жидкости и газа. Над центральным проходным отверстием 30 сборной тарелки размещена крышка 55, которая закрывает все центральное проходное отверстие так, что предотвращается перемещение газа, поступающего из верхнего слоя 15, в осевом направлении к центральному проходному отверстию для газа. Между сборной тарелкой 20 и распределительной тарелкой 45 образована смесительная камера 60. Ниже сборной тарелки 20 расположены направляющие каналы 65, содержащие первые концы 70 и вторые концы 75. Первые концы 70 направляющих каналов 65 сообщаются с проходными отверстиями 40 для жидкости в сборной тарелке 20, служащими для приема жидкости, накопленной на сборной тарелке 20. Каждый из вторых концов 76 каналов выполнен с инжекционным соплом 75, проходящим в смесительную камеру 60.

Распределительное устройство 2, кроме того, содержит по существу горизонтальную тарелку предварительного распределения 80, расположенную между направляющими каналами 65 и распределительной тарелкой 45, при этом указанная тарелка 80 предварительного распределения снабжена переливной перегородкой 85, установленной по внешнему периметру тарелки, и содержит вблизи внешнего периметра большое количество отверстий 90.

Во время нормальной работы реактора жидкость из верхнего реакционного слоя 15 стекает на сборную тарелку 20, где она накапливается с образованием слоя жидкости, который покрывает проходные отверстия 40 для жидкости, что предотвращает прохождение через эти отверстия газа. Поток газа поступает в нижнюю часть реактора 1 с прохождением через завихритель 100, закрытый сверху крышкой 55. Завихритель содержит вертикальные лопатки 95 и горизонтальные проходные каналы 105 для газа, образованные между указанными лопатками 95. Поток газа, движущегося вниз из верхнего реакционного слоя 15, отклоняется крышкой 55 и проходит сначала радиально в направлении наружу, а затем радиально по направлению внутрь к горизонтальным каналам 105 для газа, образованным в завихрителе 100. На входе в горизонтальные проходные каналы для газа лопатки 95, установленные вдоль боковых сторон горизонтальных проходных каналов 105, придают газу вращательное движение, в результате чего газ может перемещаться только вниз через центральное проходное отверстие 30 для газа в расположенную ниже смесительную камеру 60. Приданное газу вращательное движение приводит к тому, что газ выходит из центрального проходного отверстия 30 с нижней стороны сборной тарелки 20 в виде вихря 108, закрученного в направлении 107 вокруг оси 106 завихрения. Направление 107 закручивания (завихрения) устанавливается лопатками 95, и завихрение может происходить так, как показано на фиг. 1, в направлении 107 или в противоположном направлении. Вихревое движение газа способствует взаимодействию газ-газ и, таким образом, равновесию в газовой фазе.

Жидкость, находящаяся на сборной тарелке 20, поступает через отверстия 40 для жидкости в направляющие каналы 65 и протекает через эти каналы. Для большей ясности на фиг. 1 показаны только два направляющих канала 65 и два соответствующих проходных отверстия 40 для жидкости. Инжекционные сопла 75 на вторых концах 76 направляющих каналов 65 расположены так, что во время нормального функционирования реактора потоки жидкости, вытекающие из инжекционных сопел 75, инжектируются в точке, находящейся ниже сборной тарелки 20, в вихрь 108 газа, выходящего из центрального проходного отверстия 30.

Жидкость из направляющих каналов 65 накапливается на тарелке 80 предварительного распределения, из которой она стекает вниз на распределительную тарелку 45 через отверстия 90 или, в некоторых случаях, за счет перетекания через переливную перегородку 85. Расстояние (X) по вертикали между сборной тарелкой 20 и тарелкой 80 предварительного распределения и расстояние (Υ) по вертикали между тарелкой 80 предварительного распределения и распределительной тарелкой 45 предпочтительно соотносятся между собой так, что отношение Χ/Υ находится в интервале от 1 до 3. Газ отклоняется тарелкой 80 предварительного распределения и проходит к распределительной тарелке 45.

Распределительная тарелка 45 выполняет две функции. Во-первых, она равномерно распределяет жидкость и газ перед их входом в нижерасположенный реакционный слой 115, и, во-вторых, обеспечивает необходимый контакт между жидкостью и газом для взаимодействия газ-жидкость.

Распределительная тарелка 45 представляет собой по существу горизонтальную плиту 110, снабженную большим количеством трубчатых сливных элементов 50 для обеспечения большого числа точек распределения жидкости и газа по нижерасположенному реакционному слою 115. Каждый сливной элемент 50 представляет собой вертикальную (по существу вертикальную) трубку с открытыми концами, которая проходит через сквозное отверстие в плите 110. В каждой трубке на ее боковой поверхности имеется отверстие 120 (или отверстия) для входа жидкости в трубку, при этом указанное отверстие 120 расположено ниже поверхности слоя жидкости, который образуется на плите 110 во время нормальной работы реактора. Общее количество и размеры отверстий 120 будут выбраны в соответствии с желаемым расходом жидкости. Газ поступает в верхний торец сливного элемента 50 и проходит через сливной элемент вниз к нижерасположенному реакционному слою 115. В сливном элементе 50 происходит непосредственное смешивание газовой и жидкой фаз.

Распределительное устройство, помимо того, содержит средства распределения охлаждающей текучей среды. Эти средства включают кольцевой охлаждающий элемент 125, содержащий эжекционные сопла 130. Указанный кольцевой охлаждающий элемент 125 размещен между опорной решеткой 10 и сборной тарелкой 20.

При нормальной работе реактора охлаждающая текучая среда через эжекционные сопла 130 в охлаждающем кольцевом элементе 125 может поступать в реактор, где она вступает в контакт с жидкостью и газом, которые перемещаются вниз из вышерасположенного реакционного слоя 15. Охлаждающей текучей средой может служить реагент (например, газообразный водород в процессе гидроочистки или гидрокрекинга), продукт технологического процесса или инертное вещество.

Прежде чем приступить к более подробному рассмотрению особенностей настоящего изобретения, сначала для пояснения некоторых основных математических основ, используемых для описания особенностей изобретения, следует обратиться к фиг. 2.

Физические характеристики, в частности, силы, перемещения, скорости, направления и т.д., могут быть в пространственной (трехмерной) среде представлены в виде вектора, в частности, вектора D направления, изображенного на фиг. 2. Трехмерный вектор можно разложить на составляющие, при этом для каждой координаты направления в пространственной среде используется одна составляющая вектора. В результате вектор D имеет три составляющие и представляет собой сумму этих трех составляющих вектора. Пространственная среда может быть представлена как таковая различными способами. Часто используемым представлением является трехмерная среда, образованная ортогональной системой из трех составляющих вектора. В такой ортогональной системе из трех составляющих вектора каждая составляющая проходит перпендикулярно по отношению к двум другим составляющим вектора. Используя такой подход в отношении вектора D направления, изображенного на фиг. 2, этот вектор D можно разложить на первую составляющую R вектора, вторую составляющую А перпендикулярную составляющей R вектора, и третью составляющую Τ вектора, перпендикулярную обеим составляющим R и А вектора.

При характеристике особенностей настоящего изобретения составляющие R, А и Τ вектора относятся к вихревому движению газа в смесительной камере 60.

Этими составляющими являются:

радиальная составляющая R вектора, именуемая в пункте 1 формулы изобретения радиальным вектором эжекции, проходящая от начала вектора D к оси 106 завихрения и перпендикулярно оси 106 завихрения;

осевая составляющая А вектора, именуемая в пункте 1 формулы изобретения осевым вектором эжекции, проходящая параллельно оси 106 завихрения и перпендикулярно радиальной составляющей R вектора;

тангенциальная составляющая Τ вектора, именуемая в пункте 1 формулы изобретения тангенциальным вектором эжекции, проходящая в тангенциальном направлении относительно вихря и перпендикулярно как радиальной составляющей R вектора, так и осевой составляющей А вектора.

Кроме того, в отношении фиг. 2 и пункта 1 формулы следует отметить, что окружность 200 весьма схематически представляет площадь отверстия сопла (от этой площади отверстия проходит нормальный вектор, перпендикулярный указанной площади, совпадающий со стрелкой D), а стрелка D указывает направление выходящего из сопла 200 потока текучей среды, именуемое в пункте 1 формулы направлением эжекции. На фиг. 2, кроме того, показано направление 107 завихрения в виде круговой стрелки, проведенной вокруг оси 106 вихря. Как можно видеть на фиг. 2, тангенциальный вектор эжекции имеет направление противоположное направлению 107 вихря. Направление D эжекции, таким образом, частично противоположно направлению завихрения потока и, не принимая во внимание осевое перемещение и центробежные эффекты в вихре, тангенциальный вектор эжекции направлен противоположно направлению вихря. Если смотреть со стороны сопла 200, этот тангенциальный вектор эжекции Τ находится, можно сказать, в противотоке вихрю в месте расположения сопла 200.

На фиг. 3 представлена сборная тарелка 20 на виде в направлении стрелок III-III, изображенных на фиг. 1. На этой фигуре показаны охлаждающий элемент в виде кругового кольца 125, эжекционные сопла 130, завихритель 100 с лопатками 95, определяющими направление 107 завихрения, направление 150 потоков, выходящих из эжекционных сопел 130 (указанное направление здесь именуется как «направление эжекции» 150, сходное также со стрелкой - вектором D на фиг. 2), радиальная составляющая 151 направления эжекции (радиальная составляющая, именуемая «радиальным вектором эжекции» 151, сходным также со стрелкой (составляющей вектора) R на фиг. 2), тангенциальная составляющая 152 направления эжекции (тангенциальная составляющая именуется как «тангенциальный вектор эжекции» 152, сходный также со стрелкой Τ на фиг. 2), показан также видимый в горизонтальной плоскости угол α между направлением эжекции 150 и радиальным вектором эжекции 151. Принимая во внимание, что в воплощении, представленном на фиг. 1 и 3, направление 150 эжекции находится фактически в горизонтальной плоскости, угол α является таким же, как и угол между радиальным вектором 151 эжекции и фактическим направлением 150 эжекции. Следует отметить, что так называемый осевой вектор эжекции, соответствующий стрелке А на фиг. 2, в данном случае отсутствует, поскольку его величина равна нулю благодаря тому, что направление эжекции находится в горизонтальной плоскости (которая является плоскостью, образованной радиальным и тангенциальным векторами эжекции 150, 151, R, Т).

Как было отмечено выше, заявителем было обнаружено, что придание направлению эжекции 150 эжекционных сопел 130, по меньшей мере, частично, противоположного направлению завихрения, обеспечивает:

наблюдаемую в горизонтальной плоскости большую однородность температуры по всему вихрю;

уменьшение среднеквадратичного отклонения температуры текучей среды по сечению реактора на горизонтальном уровне относительно горизонтальной распределительной тарелки 45, на котором текучая среда поступает в слой 115, расположенный ниже распределительного устройства 2 (упомянутое среднеквадратичное отклонение может быть названо «выходным среднеквадратичным отклонением»).

При нахождении горизонтального направления эжекции 150 под углом α=-20° (т.е., по меньшей мере, частично в том же направлении, что и направление завихрения) и α=20° по отношению к радиальному вектору 151 эжекции (т.е., по меньшей мере, частично противоположно направлению завихрения), моделирующие расчеты, проведенные на действующем реакторе гидрокрекинга, на котором подвод жидкой фазы был отключен, показали, что так называемое «выходное среднеквадратичное отклонение» при α=20° составляет приблизительно на 50% меньше, чем при α=-20°, если в качестве охлаждающей текучей среды используют газ. Кроме того, моделирующие расчеты показали, что в случае α=-10° и α=10° «выходное среднеквадратичное отклонение» составляет при α=10° примерно на 50% меньше, чем при α=-10°, если в качестве охлаждающей текучей среды используют газ.

В результате продолжительность использования реактора увеличивается (приблизительно на 1 месяц), прежде чем становится необходимым проведение технического обслуживания с целью замены использованного катализатора новым. Как оказалось, так называемое «выходное среднеквадратичное отклонение» уменьшается, если α≥5° и α≤35° (т.е. α=[5°, 35°]), например, если величина α находится в интервале [5°, 25°]. Объяснение такого уменьшения «выходного среднеквадратичного отклонения» в случае, когда направление эжекции, по меньшей мере, частично является противоположным направлению завихрения, вероятно, может заключаться в том, что благодаря противоположному направлению эжекции охлаждающего газа, поступающего в завихритель 100, улучшается взаимодействие между горячими газами технологического процесса и холодными охлаждающими газами.

Принимая во внимание, что ось 106 завихрения в практическом воплощении совпадает с вертикальной центральной осью центрального проходного отверстия 30 для газа, термин «ось завихрения», используемый во всем настоящем описании, в практических воплощениях можно толковать как «вертикальная центральная ось центрального проходного отверстия для газа».

Изобретение относится к распределительному устройству для распределения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим потоком, реактору, содержащему такое распределительное устройство, к использованию таких распределительного устройства и реактора при обработке углеводородов и к способу распределения жидкости и газа в многослойном реакторе. Распределительное устройство содержит по существу горизонтально расположенную сборную тарелку, содержащую центральное проходное отверстие для газа и проходные отверстия для жидкости, расположенные вокруг центрального отверстия, завихритель, размещенный над сборной тарелкой вокруг центрального отверстия и содержащий лопатки, задающие направление завихрения потока и расположенные с возможностью придания вращательного движения газу, проходящему через центральное отверстие так, что газ выходит из центрального отверстия в виде вихря, закрученного в направлении завихрения вокруг вертикальной оси завихрения, одно или большее число эжекционных сопел, расположенных выше сборной тарелки и предназначенных для эжекции, в направлении эжекции, охлаждающей текучей среды в газ перед вводом газа в завихритель, при этом направление эжекции представлено в ортогональной системе из трех векторов эжекции, включающей радиальный вектор эжекции, проходящий перпендикулярно оси завихрения, осевой вектор эжекции, проходящий параллельно оси завихрения, и тангенциальный вектор эжекции, проходящий тангенциально по отношению к оси завихрения, причем эжекционное сопло ориентировано так, что тангенциальный вектор эжекции направления эжекции эжектируемой охлаждающей текучей среды направлен противоположно направлению завихрения. Изобретение обеспечивает эффективное равномерное распределение жидкости и газа в реакторе. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Распределительное устройство для распределения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим течением, содержащее

по существу горизонтально расположенную сборную тарелку (20), содержащую центральное проходное отверстие (30) для газа и проходные отверстия (40) для жидкости, расположенные вокруг указанного центрального проходного отверстия для газа;

завихритель (100), который размещен над сборной тарелкой (20) вокруг центрального проходного отверстия (30) для газа и содержит лопатки (95), задающие направление (107) завихрения потока и расположенные с возможностью придания вращательного движения газу, проходящему через центральное проходное отверстие (30) так, что газ выходит из центрального проходного отверстия (30) в виде вихря (108), закрученного в указанном направлении (107) завихрения вокруг вертикальной оси (106) завихрения;

одно или большее число эжекционных сопел (130), расположенных выше сборной тарелки и предназначенных для эжекции, в направлении эжекции, охлаждающей текучей среды в газ перед вводом указанного газа в завихритель (100);

при этом направление (D, 150) эжекции представлено в ортогональной системе из трех векторов эжекции, включающей радиальный вектор (151, R) эжекции, проходящий перпендикулярно оси (106) завихрения, осевой вектор (А) эжекции, проходящий параллельно оси (106) завихрения, и тангенциальный вектор (152, Т) эжекции, проходящий тангенциально по отношению к оси (106) завихрения;

отличающееся тем, что эжекционное сопло ориентировано так, что тангенциальный вектор (152, Т) эжекции направления эжекции эжектируемой охлаждающей текучей среды направлен противоположно направлению (107) завихрения.

2. Распределительное устройство по п. 1, в котором эжекционное сопло ориентировано так, что радиальный вектор (151, R) эжекции направления эжекции охлаждающей текучей среды направлен к оси (106) завихрения.

3. Распределительное устройство по любому из п. 1 или 2, в котором направление (150, D) эжекции и соответствующий радиальный вектор (151, R) эжекции указанного эжекционного сопла (130) образуют угол более 5°, например, составляющий по меньшей мере 7,5°.

4. Распределительное устройство по п. 1 или 2, в котором направление (150, D) эжекции и соответствующий радиальный вектор (151, R) эжекции указанного эжекционного сопла (130) образуют угол, составляющий по меньшей мере 10°.

5. Распределительное устройство по п. 1 или 2, в котором направление (150, D) эжекции и соответствующий радиальный вектор (151, R) эжекции указанного эжекционного сопла (130) образуют угол, составляющий не более чем 35°.

6. Распределительное устройство по п. 1 или 2, в котором направление (150, D) эжекции и соответствующий радиальный вектор (151, R) эжекции указанного эжекционного сопла (130) образуют угол, составляющий не более чем 30°.

7. Распределительное устройство по п. 1 или 2, в котором направление (150, D) эжекции и соответствующий радиальный вектор (151, R) эжекции указанного эжекционного сопла (130) образуют угол в интервале [5°, 35°], например, в интервале [7,5°, 30°] или в интервале [7,5°, 25°], в частности, в интервале [15°, 25°].

8. Распределительное устройство по п. 1 или 2, которое дополнительно содержит смесительную камеру (60), образованную между сборной тарелкой (20) и распределительной тарелкой (45);

и/или центральное проходное отверстие (30) для газа окружено переливной перегородкой (35);

распределительное устройство дополнительно содержит крышку (55), размещенную над центральным проходным отверстием для газа и закрывающую все центральное проходное отверстие для газа;

и/или

распределительное устройство дополнительно содержит по существу горизонтальную тарелку (80) предварительного распределения, размещенную ниже центрального проходного отверстия (30) для газа, выше распределительной тарелки (45) и, в случае их наличия, ниже используемых по усмотрению инжекционных сопел (75) одного или большего числа используемых по усмотрению направляющих каналов (65), при этом указанная тарелка (80) предварительного распределения снабжена переливной перегородкой (85), установленной по периметру окружности тарелки, и множество отверстий (90) вблизи указанного периметра;

и/или

один или большее число направляющих каналов (65), расположенных ниже сборной тарелки (20), при этом указанные направляющие каналы содержат первые концы (70), сообщающиеся с проходными отверстиями (40) для жидкости сборной тарелки (20) и служащие для приема жидкости; и вторые концы (76), снабженные инжекционными соплами (75), предназначенными для инжекции в указанный вихрь (108), в направлении инжекции, жидкости, поступающей в первые концы (70);

при этом, по усмотрению, указанные один или большее число направляющих каналов (65) представляют собой по меньшей мере восемь направляющих каналов (65), распределенных вокруг центрального проходного отверстия (30);

и/или инжекционные сопла (75) одного или большего числа направляющих каналов расположены так, что они находятся в одной и той же горизонтальной плоскости;

и/или распределительное устройство дополнительно содержит по существу горизонтальную распределительную тарелку (45), установленную ниже сборной тарелки (20), при этом указанная распределительная тарелка (45) снабжена множеством сливных элементов (50) для создания нисходящего течения жидкости и газа; причем каждый сливной элемент по усмотрению представляет собой вертикальную трубку с открытыми концами, выполненную с отверстием на боковой поверхности для входа жидкости в трубку;

и/или одно или большее число эжекционных сопел представляет собой множество эжекционных сопел, размещенных вокруг оси завихрения так, что они находятся в одной и той же горизонтальной плоскости.

9. Многослойный реактор с нисходящим потоком, содержащий размещенные по вертикали и отделенные друг от друга промежутками слои твердого контактного материала и разделительное устройство, установленное между соседними слоями, при этом распределительное устройство выполнено по любому из пп. 1-8.

10. Применение распределительного устройства по любому из пп. 1-8 при обработке углеводородов, например, в процессе гидроочистки и/или гидрокрекинга.

11. Применение реактора с нисходящим потоком по п. 9 при обработке углеводородов, например, при проведении гидрокрекинга, например, в процессе гидроочистки и/или гидрокрекинга.

12. Способ распределения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим потоком, в частности, в реакторе для обработки углеводородов, например, в реакторе гидрокрекинга, включающий использование распределительного устройства (2), содержащего по существу горизонтальную сборную тарелку (20), выполненную с центральным проходным отверстием (30) для газа; при этом газ, проходящий в нисходящем направлении через указанное центральное проходное отверстие (30), вовлекается в вихревое движение, имеющее направление (107) завихрения вокруг вертикальной оси (106) завихрения, в результате чего газ выходит из центрального проходного отверстия в виде вихря (108);

жидкость накапливается на сборной тарелке (20), при этом в точке выше сборной тарелки (20) и перед входом газа в завихритель (100), в указанный газ эжектируется охлаждающая текучая среда, например, газообразная охлаждающая текучая среда, в направлении (150, D) эжекции, которое, если смотреть в горизонтальной плоскости, по меньшей мере частично противоположно направлению (107) завихрения.

13. Способ распределения по п. 12, в котором направление (150, D) эжекции образовано ортогональной системой из трех векторов эжекции, включающей радиальный вектор (151, R) эжекции, проходящий перпендикулярно оси (106) завихрения, осевой вектор (А) эжекции, проходящий параллельно оси (106) завихрения, и тангенциальный вектор (152, Т) эжекции, проходящий тангенциально по отношению к оси (106) завихрения; при этом эжекционное сопло направлено так, что тангенциальный вектор (152, Т) эжекции направлен противоположно направлению (107) завихрения.

14. Способ распределения по п. 13, в котором радиальный вектор (151, R) эжекции направлен к оси (106) завихрения.

15. Способ распределения по п. 13 или 14, в котором направление (150, D) эжекции и соответствующий радиальный вектор (151, D) эжекции образуют, если смотреть в горизонтальной плоскости, угол (α) в интервале [5°, 35°], например, в интервале [7,5°, 30°], в частности, в интервале [7,5°, 25°] или [15°, 25°].