СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ВИХРЕВОГО ТИПА ДЛЯ РЕАКТОРА ГИДРООЧИСТКИ С НИСХОДЯЩИМ ПОТОКОМ
VORTEX TYPE MIXING DEVICE FOR DOWN-FLOW HYDROTREATING REACTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к смесительному устройству вихревого типа для реактора гидроочистки с нисходящим потоком. Реакторы гидроочистки с нисходящим потоком применяют в нефтяной и химической промышленности для проведения каталитических реакций очистки углеводородного сырья в присутствии водорода в условиях высоких температур и повышенного давления. Примерами таких реакционных процессов являются гидроочистка, каталитическая сероочистка в присутствии водорода, гидрокрекинг и гидродепарафинизация.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В реакторах гидроочистки с неподвижным слоем катализатора газ и жидкие реагенты (например, водород и углеводородное сырье) проходят нисходящим потоком через один или более слоев твердого катализатора (смотри, например, US4597854 для Penick).
[0003] Проходя нисходящим потоком через слои катализатора в реакторе, реагенты контактируют с катализатором и происходит реакция с образованием необходимых продуктов. Газообразные реагенты, такие как водород, расходуются и в результате каталитических реакций выделяется тепло. Для обеспечения наилучшего качества и максимального выхода целевого(вых) продукта(ов) важно контролировать температуру проходящего по реактору сырья.
[0004] С целью подавления повышения температуры и восполнения недостатка вступившего в реакцию водорода между слоями катализатора вводят обогащенный водородом газообразный хладоагент. Для поддержания общей производительности реактора на необходимом уровне температура жидкой среды в реакторе должна быть как можно более равномерной и для максимизации производительности жидкости и газы должны быть хорошо перемешаны. Плохо смешанная с газом жидкость между слоями катализатора может ограничить работу реактора различными способами. Когда различия в радиальных температурах между слоями катализатора невозможно устранить с помощью смешивания, то при прохождении технологических жидкостей вниз по реактору эти различия сохраняются или возрастают. Горячие точки в любом слое катализатора могут привести к его быстрой дезактивации, в результате чего в такой зоне сокращается общая продолжительность жизни катализатора. Как правило, при высоких температурах селективность реакции падает. Например, горячие точки могут вызвать изменение цвета, вязкости и других качеств готовой продукции, приводя к ее несоответствию техническим требованиям. Кроме того, если температура в любой точке превышает определенное значение (как правило, от 800 до 850°F), экзотермические реакции могут стать самоускоряющимися и могут привести к неконтролируемому результату, при котором возможно повреждение катализатора, колонны или установленного ниже оборудования.
[0005] В связи с этими опасностями нефтепереработчики, применяющие базовый набор внутреннего оборудования реактора, должны пожертвовать выходом продукта и/или пропускной способностью, чтобы избежать разрушительных последствий плохого перемешивания жидкости между слоями катализатора. Неравномерное распределение температур в реакторе и определенное количество горячих точек может быть сведено к минимуму благодаря смешиванию и равновесному распределению реагентов между слоями катализатора, что приводит к выравниванию температур и равномерному распределению потока, а также сводит к минимуму перепады давления. Смешивание жидкостей между слоями катализатора возможно при применении распределительных узлов и смесительных камер. На сегодняшний день экономика нефтеперерабатывающих заводов диктует необходимость работы установок гидроочистки с периодичностью загрузки, значительно превышающей возможности их конструктивного исполнения, при этом оптимальное перемешивание жидкости между слоями катализатора может быть достигнуто с помощью недорогой, но очень ценной реконструкции.
[0006] Распределительные системы могут применять для сбора, смешивания и распределения газожидкостного потока между слоями катализатора в реакторах с несколькими слоями катализатора. Распределительные узлы, в общем, содержат желоб для сбора и смешивания жидкости и газа, стекающих с верхнего слоя катализатора, и перемешивающее устройство или камеру, расположенную в центре желоба и принимающую из него жидкость для дальнейшего смешивания жидкости и газа.
[0007] Смесительное устройство является ключевым компонентом многих распределительных устройств, поскольку оно обеспечивает эффективное и тщательное смешивание жидкостей и газов и помогает предотвратить возникновение горячих точек и неравномерное распределение температуры.
[0008] Смесительное устройство содержит по меньшей мере одно впускное отверстие для приема жидкости из желоба и по меньшей мере одно выпускное отверстие, из которого поток направляется в установленный ниже слой катализатора. Конструкции смесительных устройств различаются, в их число входят конструкции смесителей с отбойными перегородками, такие как ленточно-винтовые мешалки и дисково-кольцевые мешалки, обеспечивающие смешивание путем изменения направления жидкости и газов.
[0009] Смеситель другого вида имеет центробежный или вихревой тип конструкции. Данный вид смесителя собирает нисходящие по реактору потоки жидкости и газа и направляет их в кольцевую камеру, в которой они несколько раз оборачиваются перед тем, как будут направлены вниз по расположенному в центре отверстию.
[0010] Если смесительное устройство установлено, то оно, как правило, находится в пространстве реактора между слоями катализатора. Пространство между слоями катализатора во многих реакторах ограничено из-за наличия опорных балок, труб и других препятствий, занимающих его. В связи с такими пространственными ограничениями для осуществления эффективного двухфазного смешивания в ограниченном объеме такое специальное комплектующее оборудование, как смесительное устройство, необходимо свести к определенному масштабу в соответствии с доступным пространством. Кроме того, распределительные устройства небольшой высоты помогают увеличить объем загрузки катализатора в том же самом реакторе, таким образом увеличивая полезный объем реактора.
[0011] Установка усовершенствованных смесительных устройств необходима из-за важности хорошего перемешивания газожидкостного потока между слоями катализатора для хорошей износостойкости катализатора, высокой пропускной способности реактора, увеличения продолжительности технологического цикла и общей производительности реактора. Также заслуживают особого внимания смесительные устройства с нижней вертикальной подошвой, которые могут быть модернизированы и установлены в существующих реакторах, имеющих ограниченное пространство между слоями катализатора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Представленное изобретение относится к смесительному устройству вихревого типа для реактора гидроочистки с нисходящим потоком. Смесительное устройство обеспечивает более эффективное перемешивание газожидкостного потока в пространстве между слоями катализатора в реакторе с несколькими слоями катализатора. В частности, изобретение относится к смесительному устройству, повышающему эффективность существующей смесительной камеры для двухфазных систем, в которой происходит смешивание газовой и жидкостной фаз. Устройство хорошо подходит для задач модернизации благодаря относительно небольшому размеру, а также может быть сведено к необходимому масштабу для новых конструкций реакторов с целью достижения эффективного перемешивания газожидкостного потока в пространстве между слоями катализатора в реакторе с несколькими слоями катализатора.
[0013] Смесительное устройство содержит верхнюю горизонтальную тарелку с внутренней поверхностью и параллельно к ней расположенную опорную тарелку. Опорная тарелка имеет внутреннюю поверхность и отверстие.
[0014] Вертикально между внутренними поверхностями верхней и опорной тарелок проходит множество изогнутых внутрь лопастей. Кольцо затвора сливного отверстия проходит вертикально от внутренней поверхности опорной тарелки вблизи круглого отверстия. Кольцо затвора сливного отверстия имеет верхний край и диаметр. Пузырьковый колпачок отходит вниз от внутренней поверхности крышки смесителя в зону смешения. Пузырьковый колпачок имеет диаметр и нижний край, при этом диаметр пузырькового колпачка меньше, чем диаметр кольца затвора сливного отверстия, и нижний край пузырькового колпачка находится ниже верхнего края кольца затвора сливного отверстия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0015] Фиг. 1 иллюстрирует схему смесительного устройства, расположенного в реакторе с несколькими слоями катализатора, в соответствии с одним из вариантов, приведенных в данном описании изобретения.
[0016] Фиг. 2 иллюстрирует схему смесительного устройства в поперечном сечении, приведенного в данном описании изобретения.
[0017] Фиг. 3 иллюстрирует изометрический вид половины смесительного устройства 26.
[0018] Фиг. 4 иллюстрирует вид сверху смесительного устройства.
[0019] Фиг. 5 иллюстрирует вид сверху расположения лопастей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] Было установлено, что смесительное устройство вихревого типа, представленное в данном описании изобретения, обеспечивает преимущества по сравнению с известными в данной области техники смесительными устройствами вихревого типа. Такими преимуществами являются: уменьшение вертикальной подошвы в реакторе (уменьшение объема в реакторе между слоями катализатора, занимаемого распределительными устройствами), высокая пропускная способность, улучшение смешивания, снижение перепада давления и повышение эффективности работы реактора. Далее в подробном описании изобретения представлены конкретные варианты реализации изобретения. Однако следует учитывать, что подробное описание и конкретные примеры, раскрывающие отдельные предпочтительные варианты реализации данного изобретения, приведены только в иллюстративных целях и не предназначены для ограничения объема данного изобретения.
[0021] Представленное изобретение относится к смесительному устройству вихревого типа для реактора гидроочистки с несколькими слоями катализатора. Фиг. 1 иллюстрирует схему в поперечном сечении части реактора 10 с несколькими слоями катализатора и нисходящим потоком. Реактор 10 содержит корпус колонны 12, верхний и нижний слои катализатора (14 и 16 соответственно), заполненные экструдатами катализатора. Каждый слой катализатора 14, 16 поддерживается на хорошо известном в данной области техники комплекте промежуточных решеток 18 (проиллюстрирован только для слоя катализатора 14), который содержит опорную решетку, поглощающее вещество, которое устанавливают отдельно при необходимости, и решетку. Комплект промежуточных решеток расположен на параллельных опорных балках 20, установленных горизонтально на внутренней стенке реакционной колонны 22 и направленных вверх в слой катализатора 14.
[0022] Межслойная распределительная система 24 вертикально расположена между слоями катализатора 14, 16. Межслойная распределительная система 24 содержит смесительное устройство вихревого типа 26, представленное в данном описании изобретения. Смесительное устройство 26, представленное в данном описании изобретения, устанавливают под слоем катализатора 14 и герметично соединяют с тарелкой приема 28, выполненной с возможностью принимать и смешивать нисходящий поток жидкости и газа. Впускной патрубок охлаждающего газа 30 распределяет охлаждающий газ (например, водород) в зоне выше смесительного устройства 26.
[0023] Фиг. 2 иллюстрирует схему смесительного устройства 26 в поперечном сечении, Фиг. 3 иллюстрирует половину смесительного устройства 26 в изометрии, а Фиг. 4 иллюстрирует вид сверху смесительного устройства 26.
[0024] Смесительное устройство содержит опорную тарелку 32 с внутренней поверхностью 32a, герметично соединенную с тарелкой приема 28 (Фиг. 1) и крышкой смесителя 34, имеющей внутреннюю поверхность крышки смесителя 34a, которая, по существу, расположена горизонтально к опорной тарелке 32. Кольцевая тарелка приема 28 собирает газожидкостной поток, стекающий с расположенного выше слоя катализатора.
[0025] Множество изогнутых внутрь и расположенных в шахматном порядке лопастей 36 жестко прикреплено вертикально между внутренними поверхностями опорной тарелки и крышки смесителя 32а и 34а соответственно. В одном варианте реализации изобретения лопасти 36 герметично соединены с внутренними поверхностями опорной тарелки и крышки смесителя 32а и 34а соответственно.
[0026] Как проиллюстрировано на Фиг. 4, каждая лопасть имеет наружный край лопасти 38, прикрепленный близко к внешнему краю верхней тарелки 34, и внутренний край 40, расположенный вблизи области смешения смесительного устройства 26 (описанного ниже в данном документе). Открытое пространство между лопастями 36 создает ряд областей впуска смесительного устройства 42, при этом каждая область впуска 42 является пространством, ограниченным соседними лопастями 36 и их соответствующими краями 38, 40.
[0027] На Фиг. 2 проиллюстрировано кольцо затвора сливного отверстия 44, расположенное вертикально на опорной тарелке 32 вблизи круглого отверстия в центре опорной тарелки, ограниченного краем 46. В одном варианте реализации изобретения вертикальная высота кольца затвора сливного отверстия 44 составляет половину от вертикальной высоты лопастей 36. Горизонтальная тарелка кольца затвора сливного отверстия 48 отходит наружу от верхнего края кольца затвора сливного отверстия 50. Горизонтальная тарелка кольца затвора сливного отверстия 48 предпочтительно перфорирована.
[0028] Круглый пузырьковый колпачок 52 прикреплен, предпочтительно герметично, к внутренней поверхности крышки смесителя 34а и отходит от крышки смесителя 34 вниз в центр зоны смешения смесительного устройства 26 (зона смешения определяется как зона между тарелками 32, 34 за исключением областей впуска 42 или, другими словами, это зона, определенная пространством между противоположными внутренними краями лопастей 40). Пузырьковый колпачок может быть закреплен в соответствии со схемами, проиллюстрированными на Фиг. 2 и 3.
[0029] Нижний край 54 пузырькового колпачка 52 имеет ширину 52а и расположен ниже верхнего края кольца затвора сливного отверстия 50. В одном варианте реализации изобретения, отличающемся тем, что нижний край пузырькового колпачка 54 закреплен, верхние края 58, образующие клинообразные отверстия, расположены ниже верхнего края кольца затвора сливного отверстия 50.
[0030] Тарелка приема 28 содержит круглое отверстие с краем 60 и восходящую трубу 62, расположенную вблизи круглого отверстия тарелки приема 60 и направленную вертикально вверх от тарелки приема 28 до пузырькового колпачка 52. Верхний край 64 восходящей трубы 62 расположен на уровне или выше клинообразных отверстий верхнего края пузырькового колпачка 58.
[0031] Как проиллюстрировано на Фиг. 2, кольцо затвора сливного отверстия 44, пузырьковый колпачок 52 и отверстие тарелки приема 60 имеют диаметры 44a, 52a и 60a соответственно, причем сопоставление значений диаметров имеет следующее соотношение: 60a<52a<44a.
[0032] Во время технологического процесса жидкое углеводородное сырье, пройдя слой катализатора 14, стекает через комплект промежуточных решеток 18 и попадает на кольцевую тарелку приема 28. Как правило, жидкость на ней собирается и накапливается приблизительно до уровня высоты горизонтальной тарелки кольца затвора сливного отверстия 48. Газ из верхнего слоя катализатора 14 смешивается с охлаждающим газом (например, водородом), подающимся через впускной патрубок охлаждающего газа 30, заполняя пустоту между собранной жидкостью на кольцевой тарелке приема 28 и слоем катализатора 14.
[0033] Жидкость и газ попадают в смесительное устройство 26 через области впуска смесительного устройства 42, в которых лопасти 36 направляют жидкость и газ в поток по касательной, при этом поток приобретает дугообразный или круговой характер при вхождении жидкости и газа в зону смешения смесительного устройства 26. Жидкость поднимается и переливается через кольцо затвора сливного отверстия 44 (и через горизонтальную тарелку затвора сливного отверстия 48, если она перфорирована) и смешивается с газом, затем газожидкостной поток попадает в пузырьковый колпачок 52, проходя под его нижним краем 54 через клинообразные отверстия, и через верхний край восходящей трубы 64 - в восходящую трубу 62. Смешанные газ и жидкость направляются вниз через восходящую трубу 62, как правило, на тарелку со множеством отверстий, в сливные стаканы или насадки, а затем на нижний слой катализатора 16. На внутренней поверхности восходящей трубы 62 установлены перфорированные спиральные пластины для улучшения дальнейшего перемешивания газа с жидкостью при протекании потока вниз по восходящей трубе 62.
[0034] Специалисты в данной области техники могут оценить смесительное устройство 26, приведенное в данном описании, предназначенное для применения в большом реакторе гидроочистки, сконструированном для переработки тысяч или десятков тысяч баррелей сырья в день (1 баррель = 43 галлона; 164 л). Соответственно, смесительное устройство 26, приведенное в данном описании и выполненное из такого материала, как, например, ¼"-½" толстолистовая сталь, в готовом виде может достигать нескольких футов в диаметре и веса в несколько сотен фунтов (.lbs).
[0035] Смесительное устройство 26 изобретения можно установить в существующий реактор с помощью сварки или иным образом скрепить вместе отдельные детали для выполнения установки окончательного устройства 26. Тем не менее следует иметь в виду, что установка устройства 26 на месте таким способом может длиться несколько дней, задерживая работу реактора. Кроме того, во время установки устройства 26 в существующий используемый реактор для обновления или модернизации его конструкции желательно уменьшить количество деталей, занимающих место в реакционной колонне (из соображений безопасности, например, для предотвращения воспламенения оставшихся в реакторе углеводородов).
[0036] Для сокращения времени, необходимого для установки нового реактора или модернизации существующего, предпочтительно, чтобы части смесительного устройства 26 были предварительно собраны в компоновочные узлы, которые затем можно вставить в реактор и соединить, завершив таким образом сборку смесительного устройства 26.
[0037] В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 2, 3 и 4, смесительное устройство 26 состоит из двух компоновочных узлов 26a, 26b, каждый из которых является половиной смесительного устройства 26. Каждый компоновочный узел 26a, 26b снабжен одной или более монтажными петлями 66 и 68 соответственно. Монтажные петли 66, 68 предназначены для крепления каждого компоновочного узла 66, 68 к подъемнику, крану или другому механизму, опускающему компоновочный узел в реактор и направляющему его в назначенное место.
[0038] Каждый компоновочный узел 26a, 26b снабжен ответными фланцами 70 и 72 соответственно, содержащими множество отверстий, через которые вставляются подходящие гайка и болт (или другие необходимые детали крепления), удерживающие на месте компоновочные узлы 26а, 26b во время работы и в дальнейшем позволяющие разбирать компоновочные узлы 26а, 26b во время технического обслуживания между операционными периодами, обеспечивая доступ в области выше и ниже смесительного устройства 26.
[0039] На Фиг. 5 проиллюстрировано горизонтальное размещение лопастей 36. Проиллюстрированы окружность R1, представляющая внешний диаметр смесительного устройства 26 и вычисленная с помощью гидравлических расчетов, применяемых специалистами в данной области техники, вместе с окружностью R3, представляющей внутренний диаметр области впуска смесительного устройства 42, также вычисленной с помощью гидравлических расчетов. Окружность R2 расположена на половине расстояния по радиусу между R1 и R3.
[0040] Угол “А” на Фиг. 5 представляет угловое смещение каждой соответствующей лопасти 36, которое приводит к радиальному перекрытию внутреннего края лопасти 40 большей частью наружного края 38 соседней лопасти. В одном варианте реализации изобретения A=15° для структуры из 4 лопастей, 10° для структуры из 6 лопастей и 8° для структуры из 8 лопастей. Угол “B” представляет расстояние по радиусу, которое лопасть 36 занимает в области между R1 и R3. В одном варианте реализации изобретения B=360°/(количество лопастей). Под углом “A” внутренняя поверхность лопасти 36 пересекается с окружностью R1. Под углом, образованным суммой углов “А” и “В” (А+В), внутренняя поверхность лопасти 36 пересекается с окружностью R3. Внутренняя поверхность лопасти 36 пересекается с окружностью R2 под углом, равным А+B/2.
[0041] Лопасти 36 радиально перекрываются под углом “A”. Во время технологического процесса жидкость и газ попадают в смесительное устройство 26 через области впуска смесительного устройства 42, в которых лопасти 36 направляют жидкость и газ в поток по касательной, при этом поток приобретает дугообразный или круговой характер при вхождении жидкости и газа в зону смешения смесительного устройства 26.
[0042] Очевидно, что описанный выше предпочтительный вариант реализации данного изобретения приведен, в основном, для иллюстрации и может быть исполнен в различных вариациях, которые, однако, должны находиться в пределах сущности изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения определяется следующей формулой изобретения.