Реактор (варианты) и способ диагностики неисправностей и оптимизации конструкции реактора дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5 Российский патент 2017 года по МПК B01J8/04 

Настоящее изобретение относится к области нефтехимии, в частности к реакторам с кипящим слоем, в том числе к реакторам получения олефиновых углеводородов С₃-С₅ дегидрированием соответствующих парафиновых углеводородов, используемых в дальнейшем для получения основных мономеров СК, а также при производстве полипропилена, метилтретичнобутилового эфира и пр.

Известен реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, распределитель паров сырья в нижней части корпуса, решетки, разделяющие зону кипящего слоя на секции («Промышленность синтетического каучука», Москва, ЦНИИТЭНефтехим, 1968, №2, стр. 8, Р.К. Михайлов, А.Н. Бушин «Совместное дегидрирование бутана и изопентана в кипящем слое мелкозернистого катализатора»).

Однако указанный реактор имеет секционирующие решетки с одинаковым свободным сечением. При этом формируется не оптимальный профиль распределения температуры и катализатора по высоте реактора, что определяет низкие показатели дегидрирования парафиновых углеводородов - выходов олефинов на пропущенное и разложенное сырье в известном реакторе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является реактор дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, распределитель паров сырья в нижней части корпуса реактора, решетки с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие кипящий слой катализатора на секции, и циклоны очистки контактного газа от катализаторной пыли в верхней части корпуса, с пылеспускными стояками, снабженными клапанами для возврата уловленного катализатора в кипящий слой (патент RU 2156161, МПК B01J 8/04, C07C 5/333, опубл. 20.09.2000).

Однако указанный реактор характеризуется прямо пропорциональной зависимостью изменения свободного сечения решеток по высоте кипящего слоя. Профиль изменения свободного сечения решеток выбирается без учета важнейших параметров осуществления процессов дегидрирования - распределения количества катализатора и температуры по секциям кипящего слоя. Все это определяет относительно невысокие показатели дегидрирования парафиновых углеводородов в известном реакторе (выходы олефинов на пропущенное и разложенное сырье).

Диагностика неисправностей реактора дегидрирования во время его работы путем измерения перепада температуры по высоте кипящего слоя (патент SU 952832, МПК C07C 5/32, G05D 27/00, опубл. 23.08.1982) неэффективна для использования при оптимизации конструкции реактора путем реконструкции решеток.

Предложенная («Теоретические основы химической технологии» Том XVII, №6, 1983, стр. 808, Комаров С.М., Коробов В.И., Цайлингольд А.Л. «Модель расширения псевдоожиженного слоя») система контроля работы реакторов с кипящим слоем путем измерений перепадов давления и, соответственно, распределения катализатора по высоте кипящего слоя не позволяет получить необходимые данные для диагностики неисправностей и оптимизации конструкции реакторов с кипящим слоем, в том числе реакторов дегидрирования.

Задачей настоящего изобретения является увеличение выходов олефинов за счет более эффективной организации работы реактора дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅, а также снижение выноса катализатора из реактора и разработка реакторов с кипящим слоем для дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅ и других химических процессов.

Для решения поставленной задачи предлагается реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, включающий вертикальный цилиндрический корпус 1, патрубки ввода 11 и вывода 10 циркулирующего катализатора, трубопроводы ввода сырья 8 и патрубок вывода контактного газа 16, распределитель паров сырья 2 в нижней части корпуса 1, решетки 3 с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие зону кипящего слоя на секции 4 и циклоны очистки контактного газа 5 от катализаторной пыли в верхней части корпуса 1 с пылеспускными стояками 13, оборудованными клапанами 14 для возврата уловленного катализатора в кипящий слой, а также по высоте корпуса 1 установлены патрубки 7, 6, соединенные с приборами для измерения соответственно температуры и перепадов давления, патрубки 7, 6 установлены группами, с расположением патрубков 7, 6 в горизонтальной плоскости, причем группы установлены по высоте корпуса 1 таким образом, что группа нижних патрубков 7, 6 расположена на уровне или выше распределителя паров сырья 2, а группа верхних патрубков 7, 6 - на уровне или ниже входа контактного газа в циклоны 5, одновременно в кипящем слое катализатора группы патрубков 7, 6 установлены над верхней и под нижней решетками 3, а между этими решетками установлена одна или несколько групп патрубков 7, 6, причем между этими группами патрубков 7, 6 расположена одна или несколько решеток 3, при этом свободное сечение решеток 3 определяют по зависимости:

где ϕ_i - свободное сечение i-ой решетки, %;

ϕ₁ - свободное сечение нижней решетки, %;

h_i - расстояние от распределителя паров сырья до i-ой решетки, м;

ехр - показательная функция;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

i - индекс принадлежности решетки.

Поставленная задача решается с помощью другого варианта реактора для дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, включающего вертикальный цилиндрический корпус 1, патрубки ввода 11 и вывода 10 циркулирующего катализатора, трубопроводы ввода сырья 8 и патрубок вывода контактного газа 16, распределитель паров сырья 2 в нижней части корпуса 1, решетки 3, установленные пакетами по 2-7 решеток с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие зону кипящего слоя на секции 4 и циклоны очистки контактного газа 5 от катализаторной пыли в верхней части корпуса 1 с пылеспускными стояками 13, оборудованными клапанами 14 для возврата уловленного катализатора в кипящий слой, а также по высоте корпуса 1 установлены патрубки 7, 6, соединенные с приборами для измерения соответственно температуры и перепадов давления, патрубки 7, 6 установлены группами, с расположением патрубков 7, 6 в горизонтальной плоскости, причем группы установлены по высоте корпуса 1 таким образом, что группа нижних патрубков 7, 6 расположена на уровне или выше распределителя паров сырья 2, а группа верхних патрубков 7, 6 - на уровне или ниже входа контактного газа в циклоны 5, одновременно в кипящем слое катализатора группы патрубков 7, 6 установлены над верхним и под нижним пакетами решеток 3, а между этими пакетами решеток установлена одна или несколько групп патрубков 7, 6, причем между этими группами патрубков 7, 6 расположены один или несколько пакетов решеток 3, при этом решетки в каждом пакете имеют одинаковое свободное сечение и свободное сечение решеток 3 в пакетах определяют по зависимости:

где ϕ_ξ - свободное сечение решеток ξ-ого пакета, %;

ϕ₁ - свободное сечение решеток нижнего пакета, %;

ехр - показательная функция;

h_ξ - расстояние от распределителя паров сырья до ξ-ого пакета, м;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

ξ - индекс принадлежности пакета решеток.

Соотношение свободных сечений верхней и нижней решеток 3 может составлять 1,2-3,0.

Высота кипящего слоя в секциях 4 может составлять 20-80% от высоты секции 4.

Отношение общей высоты кипящего слоя в реакторе к диаметру корпуса 1 составляет 1,0-4,0.

Число решеток 3 в кипящем слое реактора может составлять 6,0-14,0.

Решетки 3 могут устанавливаться с одинаковым расстоянием между ними.

Секции 4, на которые разделен кипящий слой решетками, могут иметь одну или более групп патрубков 7, 6.

Группы патрубков 7, 6 могут содержать два или более патрубков 7, 6, соединенных с приборами для измерения температуры и перепада давления.

В нижней, верхней и, возможно, в средней частях стояков циклонов 5 могут быть установлены патрубки 6, соединенные с приборами для измерения перепадов давления в стояках циклонов 5.

При этом патрубки 7, 6 в группе для измерения температуры и перепада давления могут быть расположены равномерно по сечению реактора.

Распределитель паров сырья 2 также может быть изготовлен из труб и содержать 2-6 секторов, состоящих из коллекторов 28 и соединенных с ними лучей 29, снабженных соплами 34, направленными вверх и/или вниз для вытекания паров сырья в кипящий слой, при этом каждый коллектор 28 может иметь подводящий пары сырья трубопровод 30, снабженный устройствами 31 для измерения и регулирования давления и/или расхода паров сырья в коллекторе 28.

Предлагаемый реактор может использоваться для проведения различных реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.

Для решения поставленной задачи предлагается также способ диагностики неисправностей реактора для дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора путем регулирования температурного режима в реакторе, заключающийся в том, что в секциях 4 кипящего слоя катализатора между группами патрубков 7, 6, расположенных по высоте кипящего слоя, измеряют температуру и/или перепады давления, при этом определяют количество катализатора в указанных секциях по формуле:

где Q_i - количество катализатора в секциях кипящего слоя между группами патрубков, кг;

ΔP_i - измеряемый перепад давления в секциях между группами патрубков, кг/м²;

F_i - площадь поперечного сечения корпуса реактора в секциях между группами патрубков, м²;

i - принадлежность секции;

и, далее, полученный практический профиль изменения температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя сопоставляют с оптимальным профилем изменения температуры и количества катализатора процесса дегидрирования и диагностируют неисправности реактора.

При этом оптимальным является равномерное распределение температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя.

Предлагается также способ диагностики и устранения неисправностей реактора, при котором в каждом коллекторе 28 распределителя паров сырья 2 измеряют и регулируют давление и/или расход паров сырья для достижения равномерности распределения паров сырья и температуры по поперечному сечению реактора.

Предлагается также способ диагностики и устранения неисправностей работы циклонов 5, при котором измеряют перепады давления в стояках 13 циклонов 5 и, соответственно, количество уловленного и накопленного в стояках 13 этих циклонов катализатора, которое определяют по формуле:

где Q_ст - количество катализатора в стояке циклона, кг;

ΔР_ст - измеряемый перепад давления по высоте стояка циклона, кг/м²;

F_ст - площадь поперечного сечения стояка циклона, м²;

и далее определяют стояки (13) циклонов (5), переполненные катализатором, и продувают их газовым потоком.

Предлагаемый способ может использоваться для проведения различных реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.

Для решения поставленной задачи предлагается также способ оптимизации конструкции реактора, при котором производят последовательные реконструкции решеток 3 с приближением их свободного сечения к величинам, обеспечивающим равномерное распределение температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя, при этом свободные сечения решеток 3 определяют по зависимости:

ϕ_i=ϕ₁+A⋅expB⋅(h_i/H_общ),

где ϕ_i - свободное сечение i-ой решетки, %;

ϕ₁ - свободное сечение нижней решетки, %;

ехр - показательная функция;

h_i - расстояние от распределителя паров сырья до i-ой решетки, м;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

i - индекс принадлежности решетки,

или свободные сечения решеток ξ-того пакета определяют по зависимости:

ϕ_ξ=ϕ₁+А⋅ехрВ⋅(h_ξ/Н_общ),

где ϕ_ξ - свободное сечение решеток ξ-ого пакета, %;

ϕ₁ - свободное сечение решеток нижнего пакета, %;

ехр - показательная функция;

h_ξ - расстояние от распределителя паров сырья до ξ-ого пакета, м;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

ξ - индекс принадлежности пакета решеток.

Предлагаемый способ может использоваться для проведения различных реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.

Предлагаемый реактор с кипящим слоем с секционирующими решетками или способ диагностики неисправностей реактора и их устранения и/или оптимизации конструкции реактора можно использовать для осуществления ряда других реакторных процессов, например, окислительное хлорирование этилена до дихлорэтана, окислительный аммонолиз пропилена с получением акрилонитрила, синтез винилацетата взаимодействием уксусной кислоты с ацетиленом, окисление нафталина во фталевый ангидрид и других, а также таких процессов, как регенерация катализатора в циркуляционных системах реактор-регенератор дегидрирования, крекинга, риформинга, классификация дисперсных частиц, нагревание и охлаждение, адсорбция, сушка, водная дегазация полимеров, коксование, восстановление металлов из оксидов и др.

Предлагаемый реактор может быть применен в известных установках дегидрирования парафиновых углеводородов с использованием циркуляции катализатора между реактором и регенератором (патент RU 2129111, патент RU 2224735).

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение показателей дегидрирования (увеличение выходов олефинов на пропущенное и разложенное сырье), а также снижение выноса катализатора из реактора и разработаны варианты реакторов для дегидрирования парафиновых углеводородов и других процессов в кипящем слое.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого реактора. Реактор имеет корпус 1, распределитель паров сырья 2 камерного типа (в виде плиты с отверстиями), распределитель катализатора 24. Кипящий слой катализатора (уровень кипящего слоя 26) в реакторе разделен решетками 3 или пакетами решеток на секции 4. Реактор имеет циклоны 5 с уровнем входа контактного газа 27 в циклоны, расположенные в сепарационной зоне 25 реактора, с пылеспускными стояками 13, оборудованными клапанами 14. Корпус реактора 1 оборудован патрубками 6 для измерения давления P или, соответственно, перепадов давления ΔP, а также парубками 7 для измерения температуры. Патрубки 6 и 7 располагаются на корпусе реактора группами на нескольких уровнях по высоте корпуса. Реактор имеет также трубопроводы 8 для подачи паров сырья в реактор под распределитель паров сырья 2, а также патрубки 9 для подачи азота в отпарную секцию реактора 12, патрубки 10 и 11 для выхода и входа циркулирующего катализатора из регенератора. В стояках 13 циклонов 5 накапливается слой катализатора 15. Корпус реактора оборудован патрубком 16 для вывода контактного газа.

На фиг. 2 изображена над верхней решеткой группа патрубков 6, 7. Указанные на фиг. 2 точки измерения температуры и давления расположены в горизонтальной плоскости с равномерным (для измерения температуры) и с симметричным (для измерения давления) расположением в сечении реактора. Пылеспускные стояки 13 оборудованы патрубками 6 для измерения давления в верхней, нижней и средней части стояков и, соответственно, перепадов давления между этими частями стояков.

На фиг. 3 представлен возможный вариант расположения трех групп патрубков в трех уровнях в зоне одной из секций кипящего слоя.

На фиг. 4 представлено распределение катализатора по секциям кипящего слоя (кривая 1), а распределение температуры - на фиг. 5 (кривая 1).

На фиг. 6 представлен вид сверху возможного варианта конструкции трубчатого распределителя паров сырья 2 из 4-х секторов, каждый из которых имеет коллектор 28, лучи 29, снабженные соплами 34, направленными вверх, и трубопровод 30 для подачи паров сырья 2 в коллектор 28, при этом каждый трубопровод 30 снабжен устройствами для измерения давления 31, расхода паров сырья 32 и для регулирования давления и/или расхода паров сырья 33.

Реактор работает следующим образом.

Испаренные парафиновые углеводороды (сырье) подаются в реактор (фиг. 1) по трубопроводам 8 через распределитель паров сырья 2. В отпарную секцию 12 по патрубкам 9 подается инертный газ на отпарку отходящего из реактора катализатора от углеводородов. В нижней секции реактора (между распределителем паров сырья 2 и нижней решеткой пары сырья перемешиваются с поднимающимися из отпарной секции 12 газами отпарки и далее поднимаются по кипящему слою катализатора, проходя последовательно секционирующие решетки 3 или пакеты решеток, попадая затем в надслоевое пространство реактора в его сепарационную зону 25.

Эндотермическая реакция дегидрирования парафиновых углеводородов требует подвода тепла. Подвод тепла обеспечивается циркулирующим через регенератор катализатором. Отрегенерированный и подогретый в регенераторе катализатор поступает из регенератора по патрубку 11 в надслоевое пространство реактора через распределитель 24 и далее проходит секции реактора с кипящим слоем катализатора противоточно поднимающимся парам сырья, постепенно охлаждаясь в ходе осуществления эндотермической реакции дегидрирования и через отпарную секцию 12 по патрубку 10 в зауглероженном и восстановленном виде возвращается в регенератор на выжиг кокса, окисление, подогрев и восстановление.

Полученный контактный газ после обеспыливания в установленных в надслоевом пространстве циклонах 5 через патрубок 16 направляется на охлаждение и переработку - извлечение полученных олефиновых углеводородов. Уловленный в циклонах 5 катализатор возвращается по спускным стоякам 13 через клапаны 14 в кипящий слой катализатора. В стояках 13 циклонов 5 над клапанами 14 накапливается слой уловленного катализатора 15, высота которого определяется характеристиками выпускного клапана 14.

Пары сырья поступают в каждый сектор распределителя паров сырья 2 (фиг.6) по отдельным трубопроводам 30. При этом измеряется давление и расход паров сырья соответственно устройствами 31 и 32, величины которых регулируются устройством 33. Пройдя через коллекторы 28 и лучи 29 пары сырья поступают через сопла 34 в кипящий слой катализатора.

Общая высота кипящего слоя в реакторе определяется по формуле:

где Н_общ - общая высота кипящего слоя в реакторе, м, на котором измеряется общий перепад давления ΔP_общ, кг/м²;

H_кс - высота нижнего участка кипящего слоя, м, на котором измеряется перепад давления ΔР_кс, кг/м².

Обозначения в формуле (5) показаны на фиг. 1.

На фиг. 3 изображен фрагмент кипящего слоя с i-ой решеткой, которая с вышерасположенной решеткой 3, обозначенной во фрагменте позицией 20, имеющей свободное подрешеточное пространство 19, в котором расположена точка 23 для измерения давления и имеющей номер (i+1), образует секцию j, а с нижерасположенной решеткой, имеющей номер (i-1), - образует секцию j-1. В указанных обозначениях i - это индекс принадлежности решетки, a j - это индекс принадлежности секции 4 кипящего слоя 17 реактора. Каждая секция 4 реактора (на фиг.3 для примера представлена секция j) может быть оборудована прибором для измерения перепада давления ΔР₂ между точкой 21 (или 21*), расположенной на уровне решетки i, и точкой 22 (или 22*) для измерения давления в кипящем слое секции, расположенной на уровне решетки i+1 (выше уровня кипящего слоя катализатора в секции j), а также прибором для измерения перепада давления ΔP₁ между точкой 21 (или 21*), расположенной на уровне решетки i, и точкой 22, расположенной ниже уровня кипящего слоя 18 катализатора в секции j. Точки 21 и 21* располагаются на минимально-возможном расстоянии от решетки i.

Высота кипящего слоя в j-й секции 4 определяется по формулам:

где H_кс, H*_кс - высота кипящего слоя в секции, м;

H₁, H*₁ - высота нижней части кипящего слоя секции, м, на которой измеряется перепад давления ΔP₁ и ΔР*₁, кг/м²;

ΔP₂, ΔР*₂ - перепад давления на всей высоте секции, кг/м².

Обозначения в формулах (6) представлены на фиг. 3.

Величины высоты кипящего слоя в секции j, определяемые по формуле (5), практически совпадают в связи с незначительным гидравлическим сопротивлением решеток. Это позволяет пользоваться для определения высоты кипящего слоя в секции j любой из представленных на фиг. 3 схем измерений.

Концентрация катализатора в кипящем слое секции j может быть определена по формуле:

где ρ - концентрация катализатора в кипящем слое секции, кг/м³;

ΔP₁ - перепад давления на нижней части кипящего слоя секции, кг/м²;

H₁ - высота нижней части кипящего слоя секции, м.

Высота подрешеточных пространств с невысокой концентрацией катализатора - так называемых «газовых подушек» - может быть определена по формуле:

H_г.п.=H_секц-H_сл,

где H_секц - высота секции кипящего слоя.

При наличии трех патрубков по высоте стояков циклонов 5 для измерения перепадов давления, высота слоя катализатора в стояках 13 циклонов и концентрация катализатора в слое может определяться по зависимостям, аналогичным представленным в формулах (6) и (7) и на фиг. 3.

Особенностью реакторов дегидрирования парафиновых углеводородов является значительное изменение скорости газового потока вдоль кипящего слоя в связи с тем, что реакции дегидрирования идут с увеличением объема, по высоте реактора меняется температура и давление, которое меняется в зависимости от количества катализатора в секциях, в зоне кипящего слоя может меняться также и площадь сечения корпуса реактора:

ω_i+1=ω_i⋅(P_i/P_i+1)⋅(T_i+1/T_i)⋅(M_i/M_i+1)⋅(F_i/F_i+1),

где ω_i - скорость газового потока в сечении реактора на уровне расположения i-ой решетки, м/с;

P_i - давление на уровне расположения i-ой решетки, ата;

T_i - температура на уровне расположения i-ой решетки, град;

M_i - молекулярный вес контактного газа на уровне расположения i-ой решетки, г/моль;

F_i - площадь сечения корпуса реактора на уровне расположения i-ой решетки, м².

Основным отличием в конструкции предлагаемого реактора от известных решений является изменение по высоте реактора свободного сечения последовательно расположенных в кипящем слое решеток в соответствии с представленной математической зависимостью (1), (2) которое обеспечивает максимальное приближение каждой решетки реактора к наиболее оптимальному режиму работы с равномерным распределением температуры и катализатора по высоте кипящего слоя.

В условиях противоточного движения циркулирующего катализатора и газа в отверстиях решеток реактора дегидрирования парафиновых углеводородов отклонение величины свободного сечения каждой решетки 3 или решеток 3 в i-ом пакете от определяемой по математической зависимости (1) или (2) при установке решеток пакетами, в большую сторону приводит к уменьшению уровня кипящего слоя на этой решетке. Завышенная величина свободного сечения решеток 3 приводит к скапливанию катализатора на нижних решетках (снижению уровня кипящего слоя в реакторе) и, соответственно, к оголению верхних решеток, которые оказываются выключенными из работы. Кроме того, на поверхностях оголенных решеток из-за их высокой температуры идут не селективные превращения парафиновых углеводородов, а также разложение образовавшихся в нижних секциях реактора олефинов. Отклонение же свободного сечения решетки 3 в меньшую сторону от величины, определяемой по математической зависимости (1) или (2) приводит к возрастанию уровня кипящего слоя на этой решетке. В связи с поступлением циркулирующего катализатора на верхнюю решетку 3 при заниженном свободном сечении решеток происходит накопление катализатора на верхних решетках 3 и соответствующее опустошение нижних решеток 3. Это также приводит к снижению выходов олефинов на пропущенное и разложенное сырье.

Аналогичная ситуация возникает и при уменьшении отношения свободных сечений верхней и нижней решеток 3 ниже величины 1,2, и, соответственно, выше величины равной 3,0.

Снижение высоты кипящего слоя катализатора в секциях 4 реактора до величины менее 20% от высоты секции за счет уменьшения свободного сечения решеток 3 и, соответственно, увеличения скорости газового потока в отверстиях решеток 3, приводит к усложнению конструкции реактора и увеличению его металлоемкости в связи с необходимостью увеличения количества решеток и высоты реактора. При этом возникает неустойчивый режим работы решеток, близкий к режиму захлебывания. Ситуация же, связанная с увеличением высоты кипящего слоя более 80% от высоты секций за счет увеличения свободного сечения решеток и, соответственно, уменьшения скорости газового потока в отверстиях решеток, приводит к неэффективной работе решеток в связи с увеличением обратного перемешивания катализатора и газа, а также уменьшением массообмена на этих решетках.

При отношении высоты кипящего слоя к диаметру корпуса реактора менее величины равной 1,0, происходит существенное уменьшение скорости газового потока в реакторе, сопровождаемое ухудшением равномерности распределения катализатора и газа по сечению реактора, сокращением интенсивности массообмена. При увеличении указанного отношения свыше величины равной 4,0 существенно снижается производительность реактора.

Число решеток в реакторе менее 6-и не обеспечивает требований обеспечения оптимального режима работы реактора в целом (приближения к режиму вытеснения при движении катализатора и газа). В то же время увеличение числа решеток свыше 14-и усложняет конструкцию реактора.

Число секторов в распределителе паров сырья 2 свыше 6-и нецелесообразно в связи с чрезмерным усложнением конструкции распределителя. При направлении сопел 34 распределителя вверх требуется более высокий перепад давления, чем в распределителе с соплами, направленными вниз, что в некоторых случаях следует учитывать при выборе источника давления. Количество сопел 34, которые устанавливаются в направлении вниз, ограничено, так как возникающее истирание частиц катализатора при струйном воздействии потока газа выше по сравнению с истиранием частиц при соплах 34, установленных вверх.

Предлагаемая схема установки патрубков 7, 6, соединенных с приборами для измерения температуры и/или перепадов давления позволяет контролировать распределение температуры и количества катализатора по всему объему кипящего слоя (как по высоте, так и по поперечному сечению реактора), а также наполнение стояков 13 циклонов 5 катализатором и при этом осуществлять диагностику неисправностей работающего реактора с дальнейшим устранением этих неисправностей.

Неисправности возникают, например, при дефектах изготовления или монтажа решеток 3, распределителей паров сырья 2, распределителей катализатора 24, поступающего в реактор из регенератора, и/или циклонных систем, а также при их разрушении в ходе эксплуатации, в том числе при образовании коксовых отложений на элементах конструкции. При использовании предлагаемой системы диагностики неисправностей реактора открывается возможность устранения этих неисправностей путем, например, измерения давления и/или расхода паров сырья в коллекторах 28 секторов трубчатых распределителей и последующего регулирования этих параметров, обеспечивая равномерность распределения паров сырья по сечению реактора. Или, например, путем продувки стояков 13 неисправных циклонов 5 газовым потоком (например, через импульсные трубки, соединяющие патрубки стояков с приборами измерения перепадов давления), выжига кокса в реакторе (при кратковременной остановке процесса дегидрирования с последующей продувкой реактора воздухом), адресного выполнения ремонтно-восстановительных работ на дефектных узлах реактора.

К неисправностям можно также отнести существенные отклонения рабочих профилей изменения температуры и количества катализатора от их оптимального (равномерного) распределения по высоте кипящего слоя. Оптимизация конструкции реактора путем уточнения (корректировки) профиля изменения свободного сечения решеток 3 по высоте реактора с использованием предлагаемых методов диагностики неисправностей реактора и математической зависимости (1) или (2) при установке решеток 3 пакетами позволяет получить равномерное распределение температуры и катализатора по высоте кипящего слоя.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами при проведении процесса дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅.

Приведенные ниже примеры представлены для более подробного описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, которые включены в объем настоящего изобретения. Примеры приведены только для иллюстрации настоящего изобретения и не ограничивают его объем.

Пример 1

Дегидрирование изобутана в изобутилен осуществляют на алюмохромовом катализаторе АОК-73-24, полученном пропиткой микросферического оксида алюминия, содержащем Cr₂O₃ - 15 мас. %. Схема реактора представлена на фиг. 1. Катализатор в реактор вводят по патрубку 11 из регенератора (на фиг. 1 не показано). Схема распределителя паров сырья представлена на фиг.6 (без устройств для измерения и регулирования давления и/или расхода паров сырья в коллекторах распределителя). Число решеток - 12 шт. Решетки имеют одинаковое свободное сечение - 31% (в соответствии с аналогом). Процесс проводят при температуре над верхней решеткой реактора 570-575°C и при давлении в зоне расположения циклонов (зоне сепарации) - 35 кПа.

Распределение катализатора по секциям кипящего слоя представлено на фиг. 4 (кривая 1), а температуры - на фиг. 5 (кривая 1). Данные для распределений получают усреднением указанных параметров в пределах каждой группы измерений. Указанные распределения демонстрируют значительное отклонения этих распределений от их оптимальных значений, что говорит о неудовлетворительной работе решеток.

Установлено, что в верхней части кипящего слоя - в горизонтальном сечении реактора над верхней решеткой (фиг. 2) наблюдается тепловая неравномерность с перепадом температуры 5°C, что говорит о неисправности распределителя катализатора 24 (фиг. 2).

Установлено, что под нижней решеткой 3 в поперечном сечении реактора наблюдается тепловая неравномерность с перепадом температуры до 15°C, что говорит о неравномерном распределении паров сырья в поперечном сечении реактора и наличии застойных зон в нижней части кипящего слоя катализатора.

Установлено также, что четыре стояка циклонов второй ступени пылеулавливания переполнены катализатором (высота слоя катализатора в стояках больше высоты стояка). Уловленный в этих циклонах катализатор не возвращается в кипящий слой, а подвергается вторичному уносу. Запыленность контактного газа катализатором в трубопроводе после реактора при этом составляет 7,5 г/м³. После продувки стояков потоком азота через импульсные трубки приборов измерения перепадов давления запыленность контактного газа составила 3,6 г/м³.

Выход изобутилена на пропущенный изобутан составил 36,0 мас. %. Выход изобутилена на разложенный изобутан - 79,0 мас. %.

Пример 2

Дегидрирование изобутана осуществляют в условиях примера 1, но с использованием решеток с равномерным распределением их свободного сечения по высоте кипящего слоя в соответствии с прототипом (свободное сечение изменяется от 23% до 42%).

Распределение катализатора по секциям кипящего слоя представлено на фиг. 4 (кривая 2), а температуры - на фиг. 5 (кривая 2). Указанные распределения демонстрируют существенные отклонения этих распределений от их оптимальных значений, что говорит о неудовлетворительной работе решеток.

Установлено, что под нижней решеткой в поперечном сечении реактора наблюдается тепловая неравномерность с перепадом температуры до 10°C, что говорит о неравномерном распределении паров сырья в поперечном сечении реактора и наличии застойных зон в нижней части кипящего слоя катализатора.

Установлено, что 3 стояка циклонов первой ступени пылеулавливания не содержат катализатора (измеряемые перепады давления в стояках отсутствуют). При этом указанные циклоны выключены из работы (запыленный контактный газ проходит циклоны через стояки не подвергаясь очистке). Указанная ситуация возникла в результате неисправности выпускных клапанов на стояках этих циклонов. Запыленность контактного газа катализатором в трубопроводе после реактора при этом составляет 6,2 г/м³.

Выход изобутилена на пропущенный изобутан составил 39,0 мас. %.

Выход изобутилена на разложенный изобутан - 83,0 мас. %.

Пример 3

Дегидрирование изобутана осуществляют в предлагаемом реакторе в условиях примера 2, после восстановительного ремонта по результатам диагностики неисправностей реактора в предыдущем пробеге. Выполнен ремонт распределителя катализатора 24, неисправных клапанов на стояках циклонов. Выполнена реконструкция решеток с приближением их свободных сечений к оптимальным величинам для осуществления процесса дегидрирования изобутана. Свободные сечения установленных решеток 3 соответствуют рассчитанным по зависимости (1) и скорректированы по результатам измерений профилей изменения температуры и перепадов давлений в предыдущем пробеге реактора (свободное сечение решеток изменялось по высоте реактора от 23% до 42%).

Распределитель паров сырья 2 в реакторе выполнен в соответствии с предлагаемой конструкцией, изображенной на фиг. 6.

Распределение катализатора по секциям кипящего слоя представлено на фиг.4 (кривая 3), а температуры - на фиг. 5 (кривая 3). Указанные распределения демонстрируют оптимальные профили, достигнутые в этом примере (равномерное распределение катализатора и температуры по высоте кипящего слоя).

Путем выполнения измерений давления и расхода паров сырья в коллекторах 28 распределителя, а также регулирования их величин, достигнуто равенство давлений и расходов паров сырья в коллекторах, что обеспечило равномерность распределения паров сырья в поперечном сечении реактора. Перепад температуры в поперечном сечении нижней части кипящего слоя не превышал 4°C.

Достигнутое при этом одновременное равенство давления и расхода паров сырья в коллекторах 28 показало на возможность использования измерений давления и/или расхода паров сырья для достижения равномерности распределения паров сырья в реакторе путем регулирования указанных параметров.

Измерениями установлено, что все стояки 13 циклонов 5 пылеулавливания содержат слой катализатора. Это говорит о том, что система циклонного пылеулавливания работает исправно. При этом выпускной клапан 14 каждого стояка циклонов обеспечивают необходимый подпор, при котором количество поступающего в стояк уловленного катализатора равно количеству катализатора, выпускаемого через клапан. Наличие слоя катализатора в стояке, играющего роль запорного элемента, предотвращает шунтовой проскок запыленного контактного газа через стояк циклона.

Запыленность контактного газа катализатором в трубопроводе после реактора при этом составляет 2,3 г/м³.

Выход изобутилена на пропущенный изобутан составил 46,3 мас. %.

Выход изобутилена на разложенный изобутан - 88,0 мас. %.

Предлагаемые способы измерений, расчетов, диагностики неисправностей и оптимизации решеток 3 могут быть использованы для регенератора системы дегидрирования парафиновых углеводородов, зон стриппинга, восстановления и системы циркуляции катализатора и в реакторах с кипящим слоем с секционирующими решетками.

Таким образом, предлагаемый реактор дегидрирования парафиновых углеводородов C₃-C₅, способ диагностики неисправностей реактора и их устранения, а также способ оптимизации конструкции реактора позволяют повысить показатели процессов дегидрирования (выход олефинов на пропущенное и разложенное сырье). При этом, предлагаемая система измерений количества катализатора в стояках циклонов позволяет выполнять диагностику неисправностей при работе циклонов и устранять эти неисправности, что позволяет снизить вынос катализатора из системы дегидрирования.

Изобретение относится к области нефтехимии, в частности к реакторам с кипящим слоем, в том числе к реакторам получения олефиновых углеводородов C₃-C₅ дегидрированием соответствующих парафиновых углеводородов, используемых в дальнейшем для получения основных мономеров синтетического каучука, а также при производстве полипропилена, метилтретичнобутилового эфира и пр. Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус (1), патрубки ввода (11) и вывода (10) циркулирующего катализатора, трубопроводы ввода сырья (8) и патрубок вывода контактного газа (16), распределитель паров сырья (2) в нижней части корпуса (1), решетки (3) с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие зону кипящего слоя на секции (4) и циклоны очистки контактного газа (5) от катализаторной пыли в верхней части корпуса (1) с пылеспускными стояками (13), оборудованными клапанами (14) для возврата уловленного катализатора в кипящий слой. При этом по высоте корпуса (1) установлены патрубки (7), (6), соединенные с приборами для измерения соответственно температуры и перепадов давления, патрубки (7), (6) установлены группами с расположением патрубков (7), (6) в горизонтальной плоскости. Причем группы установлены по высоте корпуса (1) таким образом, что группа нижних патрубков (7), (6) расположена на уровне или выше распределителя паров сырья (2), а группа верхних патрубков (7), (6) - на уровне или ниже входа контактного газа в циклоны (5). Одновременно в кипящем слое катализатора группы патрубков (7), (6) установлены над верхней и под нижней решетками (3), а между этими решетками установлена одна или несколько групп патрубков (7), (6), причем между этими группами патрубков (7), (6) расположена одна или несколько решеток (3). Также предложен способ диагностики неисправностей реактора, при осуществлении которого в секциях (4) кипящего слоя катализатора между группами патрубков (7), (6) измеряют температуру и перепады давления и определяют количество катализатора в секциях. Изобретение обеспечивает увеличение показателей дегидрирования, а также снижение выноса катализатора из реактора. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, включающий вертикальный цилиндрический корпус (1), патрубки ввода (11) и вывода (10) циркулирующего катализатора, трубопроводы ввода сырья (8) и патрубок вывода контактного газа (16), распределитель паров сырья (2) в нижней части корпуса (1), решетки (3) с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие зону кипящего слоя на секции (4) и циклоны очистки контактного газа (5) от катализаторной пыли в верхней части корпуса (1) с пылеспускными стояками (13), оборудованными клапанами (14) для возврата уловленного катализатора в кипящий слой, отличающийся тем, что по высоте корпуса (1) установлены патрубки (7), (6), соединенные с приборами для измерения соответственно температуры и перепадов давления, патрубки (7), (6) установлены группами с расположением патрубков (7), (6) в горизонтальной плоскости, причем группы установлены по высоте корпуса (1) таким образом, что группа нижних патрубков (7), (6) расположена на уровне или выше распределителя паров сырья (2), а группа верхних патрубков (7), (6) - на уровне или ниже входа контактного газа в циклоны (5), одновременно в кипящем слое катализатора группы патрубков (7), (6) установлены над верхней и под нижней решетками (3), а между этими решетками установлена одна или несколько групп патрубков (7), (6), причем между этими группами патрубков (7), (6) расположена одна или несколько решеток (3), при этом свободное сечение решеток (3) определяют по зависимости:

ϕ_i=ϕ₁+А⋅ехрВ⋅(h_i/Н_общ),

где ϕ_i - свободное сечение i-ой решетки, %;

ϕ₁ - свободное сечение нижней решетки, %;

h_i - расстояние от распределителя паров сырья до i-ой решетки, м;

ехр - показательная функция;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

i - индекс принадлежности решетки.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что соотношение свободных сечений верхней и нижней решеток (3) составляет 1,2-3,0.

3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что высота кипящего слоя в секциях (4) составляет 20-80% от высоты секции (4).

4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что отношение общей высоты кипящего слоя в реакторе к диаметру корпуса (1) составляет 1,0-4,0.

5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что число решеток (3) составляет 6,0-14,0.

6. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что решетки (3) устанавливают с одинаковым расстоянием между ними.

7. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что секции (4) имеют одну или более групп патрубков (7), (6).

8. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что группы патрубков (7), (6) содержат два или более патрубков (7), (6), соединенных с приборами для измерения температуры и перепада давления.

9. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что в нижней, верхней и, возможно, в средней частях стояков циклонов (5) установлены патрубки (6), соединенные с приборами для измерения перепадов давления в стояках циклонов (5).

10. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что патрубки (7), (6) в группе для измерения температуры и перепада давления расположены равномерно по сечению реактора.

11. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что распределитель паров сырья (2) изготовлен из труб и содержит 2-6 секторов, состоящих из коллекторов (28) и соединенных с ними лучей (29), снабженных соплами (34), направленными вверх и/или вниз для вытекания паров сырья в кипящий слой, при этом каждый коллектор (28) имеет подводящий пары сырья трубопровод (30), снабженный устройствами 31 для измерения и регулирования давления и/или расхода паров сырья в коллекторе 28.

12. Реактор по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что он используется для проведения реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.

13. Реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, включающий вертикальный цилиндрический корпус (1), патрубки ввода (11) и вывода (10) циркулирующего катализатора, трубопроводы ввода сырья (8) и патрубок вывода контактного газа (16), распределитель паров сырья (2) в нижней части корпуса (1), решетки (3), установленные пакетами по 2-7 решеток с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие зону кипящего слоя на секции (4) и циклоны очистки контактного газа (5) от катализаторной пыли в верхней части корпуса (1) с пылеспускными стояками (13), оборудованными клапанами (14) для возврата уловленного катализатора в кипящий слой, отличающийся тем, что по высоте корпуса (1) установлены патрубки (7), (6), соединенные с приборами для измерения соответственно температуры и перепадов давления, патрубки (7), (6) установлены группами с расположением патрубков (7), (6) в горизонтальной плоскости, причем группы установлены по высоте корпуса (1) таким образом, что группа нижних патрубков (7), (6) расположена на уровне или выше распределителя паров сырья (2), а группа верхних патрубков (7), (6) - на уровне или ниже входа контактного газа в циклоны (5), одновременно в кипящем слое катализатора группы патрубков (7), (6) установлены над верхним и под нижним пакетами решеток (3), а между этими пакетами решеток установлена одна или несколько групп патрубков (7), (6), причем между этими группами патрубков (7), (6) расположены один или несколько пакетов решеток (3), решетки в каждом пакете имеют одинаковое свободное сечение, при этом свободное сечение решеток (3) пакетов определяют по зависимости:

ϕ_ξ=ϕ₁+A⋅expB⋅(h_ξ/H_общ),

где ϕ_ξ - свободное сечение решеток ξ-ого пакета, %;

ϕ₁ - свободное сечение решеток нижнего пакета, %;

ехр - показательная функция;

h_ξ - расстояние от распределителя паров сырья до ξ-ого пакета, м;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

ξ - индекс принадлежности пакета решеток.

14. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что соотношение свободных сечений верхней и нижней решеток (3) составляет 1,2-3,0.

15. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что высота кипящего слоя в секциях (4) составляет 20-80% от высоты секции (4).

16. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что отношение общей высоты кипящего слоя в реакторе к диаметру корпуса (1) составляет 1,0-4,0.

17. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что число решеток (3) составляет 6,0-14,0.

18. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что решетки (3) устанавливают с одинаковым расстоянием между ними.

19. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что секции (4) имеют одну или более групп патрубков (7), (6).

20. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что группы патрубков (7), (6) содержат два или более патрубков (7), (6), соединенных с приборами для измерения температуры и перепада давления.

21. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что в нижней, верхней и, возможно, в средней частях стояков циклонов (5) установлены патрубки (6), соединенные с приборами для измерения перепадов давления в стояках циклонов (5).

22. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что патрубки (7), (6) в группе для измерения температуры и перепада давления расположены равномерно по сечению реактора.

23. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что распределитель паров сырья (2) изготовлен из труб и содержит 2-6 секторов, состоящих из коллекторов (28) и соединенных с ними лучей (29), снабженных соплами (34), направленными вверх и/или вниз для вытекания паров сырья в кипящий слой, при этом каждый коллектор (28) имеет подводящий пары сырья трубопровод (30), снабженный устройствами 31 для измерения и регулирования давления и/или расхода паров сырья в коллекторе 28.

24. Реактор по любому из пп. 13-23, отличающийся тем, что он используется для проведения реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.

25. Способ диагностики неисправностей реактора для дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора путем регулирования температурного режима в реакторе, отличающийся тем, что в секциях (4) кипящего слоя катализатора между группами патрубков (7), (6), расположенных по высоте кипящего слоя, измеряют соответственно температуру и/или перепады давления, при этом определяют количество катализатора в указанных секциях по формуле:

Q_i=ΔP_i⋅F_i,

где Q_i - количество катализатора в секциях кипящего слоя между группами патрубков, кг;

ΔP_i - измеряемый перепад давления в секциях между группами патрубков, кг/м²;

F_i - площадь поперечного сечения корпуса реактора в секциях между группами патрубков, м²;

i - принадлежность секции;

и, далее, полученный практический профиль изменения температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя сопоставляют с оптимальным профилем изменения температуры и количества катализатора процесса дегидрирования и диагностируют неисправности реактора.

26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что для проведения процесса дегидрирования оптимальным является равномерное распределение температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя.

27. Способ по п. 25, отличающийся тем, что в каждом коллекторе (28) распределителя паров сырья (2) измеряют и регулируют давление и/или расход паров сырья для достижения равномерности распределения паров сырья и температуры по поперечному сечению реактора.

28. Способ по п. 25, отличающийся тем, что измеряют перепады давления в стояках (13) циклонов (5) и, соответственно, количество уловленного и накопленного в стояках (13) этих циклонов катализатора, которое определяют по формуле:

Q_ст=ΔР_ст⋅F_ст,

где Q_ст - количество катализатора в стояке циклона, кг;

ΔР_ст - измеряемый перепад давления по высоте стояка циклона, кг/м²;

F_ст - площадь поперечного сечения стояка циклона, м²;

и далее определяют стояки (13) циклонов (5), переполненные катализатором и продувают их газовым потоком.

29. Способ по любому из пп. 25-28, отличающийся тем, что он используется для проведения реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.

30. Способ оптимизации конструкции реактора для дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅, включающий последовательную реконструкцию решеток (3) с приближением их свободного сечения к величинам, обеспечивающим равномерное распределение температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя, при этом свободные сечения решеток (3) определяют по зависимости:

ϕ_i=ϕ₁+A⋅expB⋅(h_i/H_общ),

где ϕ_i - свободное сечение i-ой решетки, %;

ϕ₁ - свободное сечение нижней решетки, %;

ехр - показательная функция;

h_i - расстояние от распределителя паров сырья до i-ой решетки, м;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

i - индекс принадлежности решетки,

или свободные сечения решеток ξ-того пакета определяют по зависимости:

ϕ_ξ=ϕ₁+А⋅ехрВ⋅(h_ξ/Н_общ),

где ϕ_ξ - свободное сечение решеток ξ-ого пакета, %;

ϕ₁ - свободное сечение решеток нижнего пакета, %;

ехр - показательная функция;

h_ξ - расстояние от распределителя паров сырья до ξ-ого пакета, м;

Н_общ - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;

А - коэффициент, равный (0,5-15);

В - коэффициент, равный (0,5-1,0);

ξ - индекс принадлежности пакета решеток.

31. Способ по п. 30, отличающийся тем, что он используется для проведения реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.