ДИСК РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ С КОНСТРУКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, МАЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ К ПОГРЕШНОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНОСТИ
GAS-LIQUID MIXTURE DISTRIBUTION DISC WITH STRUCTURAL DISTRIBUTION ELEMENTS, LOW SENSITIVE TO LEVELING ERROR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области распределения газа и жидкости в каталитических реакторах типа неподвижных слоев, функционирующих в спутном нисходящем газожидкостном потоке. Основное применение - это гидрогенизация газойля или других нефтяных погонов и в целом все способы, использующие один или множество реакторов, функционирующих в нисходящем газожидкостном потоке.
Подавляющее большинство существующих распределительных устройств состоят из диска с элементами распределения, описание которых приведено, например, в статье «Gas-liquid distributors for Trickle Bed Reactors: A Review», R.N. Maiti & K.D.P. Nigam, Ind. Eng. Chem. Res, 2007, 46, 6464-6182.
Эти трубы могут быть различных типов и располагаться согласно различным конфигурациям на диске, как описано в патентах US 2002/0127160 A1, US 6093373, US 2004/0197245 A1, US 2007/0241467 A1, GB 721247, US 658738, US 2007145610, US 5942162.
Цель распределительного диска, размещенного перед катализаторным слоем в реакторе, функционирующем в спутном ниспадающем потоке газа и жидкости, - распределять максимально как возможно более гомогенным образом двухфазную смесь газа и жидкости на катализаторном слое, расположенном на выходе. На выходе из труб диска поток двухфазной смеси образует, как правило, сконцентрированную струю.
Работа распределительных дисков известного уровня техники, оснащенных перфорированными трубами, базируется на понятии течения самотеком. Распределение жидкости осуществляется путем прохождения жидкости в отверстия, расположенные в целом вдоль боковых стенок труб, а распределение газа осуществляется через отверстие в верхней части трубы. Итак, погрешность горизонтальности в таком диске может появиться в результате прогиба диска под тяжестью собственного веса или смещения упомянутого диска относительно горизонтальной плоскости во время его установки.
В случае наличия погрешности горизонтальности диска высота жидкостной защиты более не является одинаковой на распределительном диске, что влечет за собой нарушения в сбалансированности в распределении жидкости на заднем катализаторном слое, в частности, когда уровень жидкости находится близко с рядом отверстий.
Распределительные диски известного уровня техники, оснащенные так называемыми трубами «с колпаком», также чувствительны к погрешности горизонтальности диска. Труба с колпаком состоит из центрального цилиндра с возвышающимся над ним колпаком, в котором содержится множество щелей. Прохождение газа и жидкости осуществляется посредством щелей и через низ колпака, также в пространство между колпаком и основным цилиндром. Существуют другие варианты трубы с колпаком, такие как так называемые «паролифтные трубы» (патент US 2007145610, US 5942162), принцип функционирования которых остается вместе с тем таким же.
Функционирование так называемых труб с колпаками основывается на приведении в движение жидкости газом через пространство между колпаком и цилиндром. Итак, в случае наличия погрешности горизонтальности диска высота жидкостной защиты на распределительном диске далее не является одинаковой. Расстояние между поверхностями, открытыми для газа между двумя смещенными трубами, становится, таким образом, относительно высоким, и приведение в движение жидкости более не осуществляется равномерно между трубами, что приводит к очень плохому распределению жидкости. Основными факторами, усугубляющими данное явление, являются отверстие снизу колпака и большое количество щелей.
Данное плохое распределение, если оно не контролируется, может по существу ухудшить рабочие характеристики реактора.
Фиг. 1a и 1b представляют собой схематический вид распределительного диска согласно изобретению, изображающий внешний цилиндр (2) и внутренний цилиндр (1), которые образуют конструктивный элемент распределения, в котором внешний цилиндр (2) приподнят на высоту (h3) относительно плоскости основания распределительного диска.
sL
Фиг. 2 изображает график изменения показателя дисбаланса жидкости (раскрыт далее в описании) в зависимости от поверхностной скорости жидкости (V), позволяющий сравнить диск согласно изобретению с устройством с трубами на основе известного уровня техники.
sL
Фиг. 3 изображает график изменения показателя дисбаланса жидкости (раскрыт далее в описании) в зависимости от поверхностной скорости жидкости (V), позволяющий сравнить диск согласно изобретению с устройством на основе известного уровня техники, обычно называемым «трубами с колпаками».
Цель настоящего изобретения - улучшить качество распределения распределительных дисков известного уровня техники путем их оснащения элементами распределения, обладающими меньшей чувствительностью к погрешностям горизонтальности, чем перфорированные трубы и трубы с колпаками известного уровня техники, а также лучшей функциональной приспособляемостью.
Распределительный диск согласно настоящему изобретению состоит из множества элементов распределения, которые равномерно размещены на упомянутом диске с интервалом прямоугольной, квадратной или треугольной формы.
Элемент распределения распределительного диска согласно настоящему изобретению состоит из двух цилиндрических труб, по существу концентрических и вертикальных, причем внешняя цилиндрическая труба содержит одно или множество щелей, позволяющих обеспечить прохождение газа и жидкости.
Цель двух концентрических труб - определить кольцевую зону смешения для газа и жидкости и позволить осуществлять максимально возможно гомогенно повторную подачу образованной газожидкостной смеси в различных точках сечения реактора.
Внешняя цилиндрическая труба приподнята относительно плоскости диска, что позволяет отделить высоту (h3), образуя защиту щели или щелей впуска жидкости от возможных засорений примесями, которые могут содержаться в количестве жидкости в системе, особенно когда она является тяжелой углеводородной примесью. Приподнятое положение внешнего цилиндра также позволяет уменьшить габаритные размеры в плане диска, способствуя лучшему распределению жидкости на распределительном диске.
В отличие от функционирования дисков известного уровня техники работа конструктивных элементов распределения по изобретению базируется преимущественно на приведении в движение жидкости в восходящей части кольцевого пространства, разделяющего два коаксиальных цилиндра, под действием потока газовой фазы. Прохождение потока в кольцевом пространстве осуществляется исключительно по поверхности, расположенной на боковой стенке, что обеспечивает лучший контроль сухой щели (часть, открытая для газового потока) и обеспечивает, таким образом, меньшую чувствительность диска согласно изобретению к погрешности горизонтальности.
Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что высота сухой щели всегда остается достаточной для того, чтобы позволить обеспечить равномерный впуск газа в кольцевую зону и, в конечном итоге, позволить обеспечить приведение в движение сбалансированной жидкости между трубами.
На практике применение этого нового конструктивного элемента распределения позволяет уменьшить в среднем, при большой совокупности жидкости, чувствительность к погрешности горизонтальности диска.
Если быть более точным, то настоящее изобретение может быть определено как диск распределения спутного нисходящего потока газа и жидкости, расположенный на различных уровнях реактора, способного иметь множество катализаторных слоев, для обеспечения равномерного распределения газожидкостной смеси, образованной на катализаторном слое, расположенном сзади упомянутого диска; причем упомянутый диск содержит конструктивные элементы распределения, равномерно рассредоточенные на поверхности диска с квадратным или треугольным интервалом.
Конструктивный элемент распределения образован двумя по существу коаксиальными цилиндрами, которые называются внутренним цилиндром (1) с диаметром (d1) и высотой (h1) и внешним цилиндром (2) с диаметром (d2) и высотой (h2), причем нижняя горизонтальная поверхность (5), разделяющая два цилиндра, является закрытой.
Боковая стенка внешнего цилиндра (2) содержит по меньшей мере одну по существу вертикальную щель (4), позволяющую осуществлять впуск газа и жидкости в кольцевую зону (3). Газожидкостная смесь перемещается в кольцевую зону (3) восходящим потоком, затем переходит во внутренний цилиндр (1) через верхнее отверстие (6) последнего, вновь опускается внутрь внутреннего цилиндра (1), затем удаляется через отверстие (7), расположенное на нижнем конце внутреннего цилиндра (1).
Согласно изобретению, закрытая горизонтальная поверхность (5) конструктивного элемента распределения расположена выше основания распределительного диска на высоту (h3), составляющую от 10 до 100 мм, предпочтительно, от 20 до 60 мм.
Количество вертикальных щелей (4), имеющих высоту h4, предпочтительно, составляет 1-3 единицы, а еще более предпочтительно, от 1 до 2.
Интервал между конструктивными элементами распределения, предпочтительно, представляющий собой интервал квадратной или треугольной формы, составляет от 100 до 300 мм и, более предпочтительно, от 100 до 200 мм.
Общая высота конструктивных элементов распределения, рассчитываемая от основания распределительного диска, составляет от 100 до 500 мм, предпочтительно, от 200 до 400 мм.
Основные размеры конструктивных элементов распределения записаны следующим образом:
высота внешнего цилиндра (h2);
диаметр внешнего цилиндра (d2);
высота внутреннего цилиндра (h1);
диаметр внутреннего цилиндра (d1);
высота щели впуска газожидкостной смеси (h4);
ширина щели впуска газожидкостной смеси (ef);
высота внешнего цилиндра относительно плоскости основания диска (h3).
Величины этих основных размеров находятся в следующих пределах:
(h2) - от 100 до 500 мм, предпочтительно, от 200 до 400 мм;
(d2) - от 15 до 300 мм, предпочтительно, от 50 до 200 мм;
(h1) - от 100 до 500 мм, предпочтительно, от 200 до 400 мм;
(d1) - от 10 до 100 мм, предпочтительно, от 25 до 75 мм;
(h4) - от 10 до 500 мм, предпочтительно, от 100 до 300 мм;
(ef) - от 1 до 5 мм, предпочтительно, от 1 до 3 мм;
(h3) - от 10 до 100 мм, предпочтительно, от 20 до 60 мм.
Щели впуска газа и жидкости могут иметь достаточно различные формы, причем самой простой и предпочтительной является прямоугольная (h4, ef) или треугольная форма, также характеризуемая размерами h4 и ef; причем вершина треугольника направлена вверх или вниз.
Распределительный диск согласно настоящему изобретению в некоторых случаях может иметь определенное смещение между осями двух образующих его внутреннего и внешнего цилиндров. Выражение «по существу» или «приблизительно» коаксиальные должно пониматься в широком смысле, расстояние между их осями может составлять от 0 до (d2-d1)/4.
Распределительный диск согласно настоящему изобретению может быть дополнен комплектом конических дефлекторов; причем каждый дефлектор размещен под конструктивным элементом распределения; причем расширенная часть конуса направлена вниз.
В целом любой тип известных специалистам дефлекторов применим в рамках настоящего изобретения.
Распределительный диск согласно настоящему изобретению также может быть дополнен комплектом элементов решетки, размещенных сзади диска на расстоянии от 20 мм до 300 мм, предпочтительно, 50-150 мм от упомянутого диска; причем различные элементы решетки, кроме того, размещены на различных плоскостях. При их наличии данные дефлекторы или элементы решетки образуют неотъемлемую часть диска согласно изобретению.
Распределительный диск согласно настоящему изобретению находит свое применение, преимущественно, в реакторах, осуществляющих реакции очищения нефти методом гидрогенизации, насыщения водородом или окисления нефтяных погонов с количеством атомов углерода от 4 до 30, предпочтительно, от 8 до 20.
В более широком смысле распределительный диск согласно настоящему изобретению находит свое применение в реакторах, использующих спутный нисходящий поток газа и жидкости, в так называемом «струящемся» режиме, т.е. с поверхностной скоростью жидкости от 0,1 до 1,5 см/сек.
Подробное описание изобретения
Изобретение может быть определено как распределительный диск, адаптированный к спутным нисходящим двухфазным потокам газа и жидкости. Такой диск предназначен для установки в реакторах, использующих данный тип двухфазного потока, в частности в так называемом «струящемся» режиме, который определен как поток, в котором непрерывная фаза является газовой фазой, а прерывная фаза - жидкой фазой; причем жидкость представлена в виде более или менее однообразных струек с поверхностной скоростью жидкости от 0,1 до 1,5 см/сек.
Конструктивные элементы распределения равномерно рассредоточены по распределительному диску с интервалом, который может быть прямоугольным, квадратным или треугольным.
Конструктивный элемент распределения образован двумя приблизительно коаксиальными цилиндрами - внутренним цилиндром с диаметром d1 и внешним цилиндром с диаметром d2.
Эти два по существу коаксиальных цилиндра ограничивают кольцевую зону (3), через которую восходящим потоком циркулируют газ и жидкость. Действительно, газ и жидкость поступают в кольцевую зону (3) посредством одного или множества продольных щелей (4), прорезанных вдоль стенки внешнего цилиндра (2).
В нижнюю часть щели, как правило, поступает жидкость, а в верхнюю часть щели, как правило, поступает газ. Таким образом, важно, чтобы данная верхняя часть щели, которая называется «сухой» щелью, была достаточной для приема газа требуемого объема. Именно одним из преимуществ конструктивных элементов распределения согласно настоящему изобретению является малая чувствительность к возможной погрешности горизонтальности ввиду высоты сухой щели, которая всегда является достаточной для того, чтобы позволить осуществлять впуск газа в кольцевую зону (3).
Внешний цилиндр (2) не опускается до основания диска и останавливается на высоте h3 последнего. Продольная щель (4) начинается от упомянутой высоты h3 над диском и вытянута до высоты h3+h4.
Горизонтальная поверхность (5), разделяющая внешний цилиндр (2) и внутренний цилиндр (1), закрыта.
Количество продольных щелей (4) ограничено 2 или 3 на конструктивный элемент распределения.
Эти отличительные особенности позволяют по существу улучшить работу конструктивных элементов распределения, в частности в случае погрешности горизонтальности. Действительно, уменьшение количества щелей и закрытие низа конструктивного элемента распределения позволяет лучше контролировать высоту жидкостной защиты для обеспечения высоты сухой щели, достаточной для того, чтобы в случае погрешности горизонтальности расстояние между поверхностями, открытыми для газа, между двумя конструктивными элементами распределения, имеющими определенное между собой отклонение, было небольшим.
В отличие от патентов US 2007145610, US 5942162 система не нуждается в удерживании двухфазного потока в части, расположенной между двумя концентрическими трубами, где поток относится к газлифтному типу, поскольку при контакте газа и жидкости на уровне щели образуется двухфазный эмульсионный слой, который заполняет все кольцевое пространство, ограниченное по существу коаксиальными цилиндрами.
Примеры
Два нижеследующих сравнительных примера позволяют продемонстрировать преимущества системы распределения согласно настоящему изобретению по сравнению с двумя устройствами на основе известного уровня техники.
В примере 1 сравнивается эффективность распределения распределительного устройства согласно изобретению и стандартного распределительного диска, оснащенного трубами.
Когда диск (на основе известного уровня техники или согласно изобретению) подвержен воздействию погрешности горизонтальности ΔH=1 см, чувствительность к погрешности горизонтальности диска квантифицируется путем определения показателя дисбаланса жидкости по следующей формуле:
где
L,
che
min
1,2
ée
Q-объемный расход жидкости, выходящей из двух труб диска, которые обозначены цифровыми позициями 1 и 2, расположенных с разницей высоты, соответствующей погрешности горизонтальности ΔH=1 см.
qL
Небольшая величина показателя дисбаланса жидкости указывает на слабую чувствительность к погрешности горизонтальности. И наоборот, большая величина I указывает на сильный дисбаланс распределения.
Стандартный диск снабжен трубами с перфорированными отверстиями для обеспечения прохождения жидкости, которые размещены в несколько рядов.
Основными характеристиками данных стандартных труб являются следующие:
- интервал треугольной формы в 200 мм между трубами;
- ряды отверстий высотой 50/100/150 мм от основания диска;
- высота трубы: 250 мм;
- диаметр трубы: 50 мм;
- количество и размер отверстий в ряду: 3 отверстия по 7 мм.
Конфигурация отверстий трубы определена для диапазона скоростей жидкости от 0,2 до 1,3 см/сек и скорости газа 15 см/сек.
Конструктивные элементы распределения согласно изобретению имеют характеристики, которые приведены в таблице 1.
Цифровая позиция 1 относится к внутреннему цилиндру, а цифровая позиция 2 - к внешнему цилиндру.
Таблица 1
H<sub>4 </sub>(мм)
150
H<sub>5</sub> (мм)
25
Н<sub>2</sub> (мм)
320
H<sub>3</sub> (мм)
40
d<sub>1</sub> (мм)
50
d<sub>2</sub> (мм)
110
e<sub>f</sub> (мм)
2
Количество щелей
1
qL
SL
На фиг. 2 изображено изменение показателя дисбаланса жидкости I (ось ординат) в зависимости от поверхностной скорости V (ось абсцисс) для диска на основе известного уровня техники (кривая, изображенная сплошной линией) и диска согласно изобретению (кривая, изображенная пунктирной линией).
SL
sl
Для диска на основе известного уровня техники показатель дисбаланса колеблется от 5% до 40% во всем рассматриваемом диапазоне V (от 0,1 до 1,3 см/сек) с пиковыми величинами, соответствующими V, которые приводят к расширению или разрушению отверстия.
Таким образом, имеет место отрицательное воздействие пиковых величин, которое связано с нарушением непрерывности прохождения отверстий для газа и жидкости.
qL
sl
Напротив, диск согласно изобретению имеет устойчивые рабочие характеристики с показателем дисбаланса жидкости I≈l3% для всего рабочего диапазона при V.
Данный пример показывает, что устройство согласно изобретению позволяет добиться значительного выигрыша в функциональной приспособляемости и эффективности распределения в случае наличия погрешности горизонтальности диска.
В примере 2 сравнивается эффективность распределения диска согласно изобретению и диска, оснащенного трубой с колпаками, на основе известного уровня техники для погрешности горизонтальности ΔH=1см.
qL
Эффективность распределения опять квантифицируется показателем дисбаланса жидкости I. Поверхностная скорость колеблется от 0,1 до 1,3 см/сек.
Характеристики диска с трубой типа трубы с колпаками приведены в таблице 2.
Таблица 2
Высота купола (мм)
150
Высота купола относительно плоскости основания диска (мм)
40
Высота щели впуска газожидкостной смеси (мм)
65
Диаметр внутреннего цилиндра (мм)
50
Диаметр купола (мм)
100
Ширина щели впуска газожидкостной смеси (мм)
22
Количество щелей
3
Характеристики диска, оснащенного конструктивными элементами распределения согласно изобретению, приведены в таблице 3.
Цифровая позиция 1 по-прежнему относится к внутреннему цилиндру, а цифровая позиция 2 - к внешнему цилиндру.
Таблица 3
H<sub>4 </sub>(мм)
150
H<sub>5</sub> (мм)
25
Н<sub>2</sub> (мм)
320
H<sub>3</sub> (мм)
40
d<sub>1</sub> (мм)
50
d<sub>2</sub> (мм)
110
e<sub>f</sub> (мм)
2
Количество щелей
1
L
SL
Изменение показателя дисбаланса жидкости Iq в зависимости от поверхностной скорости V для двух дисков показано на фиг.3.
Результаты указывают на сильную чувствительность к погрешности горизонтальности диска с так называемыми «трубами с колпаками» (кривая, изображенная сплошной линией).
sl
Действительно, показатель плохого распределения превышает 100% во всем диапазоне работы при V.
SL
И, наоборот, диск согласно изобретению менее чувствителен к возникающей погрешности горизонтальности, показатель дисбаланса во всем диапазоне V является практически постоянным и находится в районе 13% (кривая, изображенная пунктирной линией).
Эти два примера наглядно показывают интерес, который представляет диск согласно настоящему изобретению; причем последний позволяет сильно ослабить воздействие погрешности горизонтальности при установке распределительного диска, причем при диапазоне поверхностной скорости жидкости от 0,1 до 1,3 см/сек, т.е. соответствующем так называемому струящемуся режиму, для которого диск согласно изобретению особенно хорошо адаптирован.