ФИЛЬТРУЮЩАЯ ТАРЕЛКА ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
FILTERING PLATE FOR CATALYTIC CHEMICAL REACTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к химическому реактору с фильтрующей тарелкой. Реактор может представлять собой каталитический реактор с нисходящими потоками газа и жидкости, который содержит вертикально расположенные один над другим уплотненные слои каталитического материала в виде частиц. Этот тип реактора используется в нефтеперерабатывающей и химической промышленности для проведения различных каталитических реакций, таких как конверсия серы и азота (HDS/HDN - гидрообессеривание и гидродеазотирование), гидрирование олефинов (HYD) и ароматических углеводородов (гидродеароматизация - HDA), удаление металлов (гидродеметаллизация - HDM), конверсия кислорода (гидродезоксигенирование - HDO) и гидрокрекинг (НС). Альтернативно, реактор представляет собой радиальный конвертер, в котором элементы полок должны крепиться к реактору. В этом реакторе используется радиальный поток, который проходит через уплотненный слой каталитического материала, и он, как правило, используется в нефтеперерабатывающей и химической промышленности для проведения каталитических реакций, таких как каталитический риформинг и синтез аммиака.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Отделение и классификация частиц являются хорошо изученными потребностями в химической, фармацевтической, добывающей и пищевой промышленности. Поскольку классификация частиц в промышленных процессах может потребоваться для улучшения качества определенного продукта, отделение частиц может быть необходимо для очистки потока текучей среды или недопущения возникновения проблем с технологическим оборудованием.
Иногда частицы намеренно присутствуют в технологическом потоке. Это, например, касается гетерогенного катализа в жидкой фазе. В других случаях присутствие частиц является непреднамеренным. Это, например, касается некоторых потоков на нефтеперерабатывающих заводах, таких как неочищенные потоки сланцевой нефти, различные промежуточные потоки процесса или отходящие потоки из реакторов с псевдоожиженным (суспензионным) слоем. Частицы могут иметь различное происхождение: они могут быть частью исходного сырья и других потоков реагентов, или они могут быть получены и собраны на технологическом оборудовании, например, в виде продуктов эрозии и коррозии. Частицы могут иметь органическую природу, например, уголь, кокс и смолы, или неорганическую природу, например, соли, обломки, коррозия и эрозия в виде компонентов железа или обломки частиц катализатора. Кроме того, они могут содержать живые примеси, такие как бактерии. Форма и размер также могут сильно различаться - от сферы до чешуек, от миллиметров до нескольких микрон или менее. Если частицы нежелательны в последующем процессе, фильтр или другая подходящая технология отделения частиц, известная в данной области техники, удаляет значительную часть этих частиц перед чувствительным оборудованием. Однако в некоторых процессах проблема может проявиться или стать более серьезной с течением времени, например, в случае эрозии и коррозии. Иногда установка оборудования для удаления частиц в качестве отдельной независимой операции перед чувствительным оборудованием на практике невозможна.
Один конкретный пример проблем, вызванных присутствием частиц, можно рассмотреть для гидропроцессинга. Загружаемая смесь реактора гидропроцессинга иногда бывает насыщенна частицами. Когда загружаемая смесь вводится в реактор, большинство частиц накапливаются в слое инертного материала и/или уплотненных слоях катализатора, тем самым закупоривая слой катализатора. Следствием быстрого увеличения перепада давления является повышенная потребность в потребляемой энергии для сжатия. Когда перепад давления в реакторе превышает максимальное давление, которое может обеспечить система, реакторы требуют выполнения скимминга (снятия засоренных верхних слоев) уплотненного слоя для продолжения эксплуатации установок. Проведение скимминга с периодичностью раз в 5-6 месяцев не является чем-то необычным. Скимминг с частотой превышающей график регулярного технического обслуживания может быть источником существенной потери рентабельности для установки и нефтеперерабатывающего завода.
Характеристика частиц, влияющих на реакционную систему, может быть недоступна. В реакторе гидропроцессинга, тип частиц зависит от конкретного сырого нефтепродукта и/или аспектов, связанных с процессом (ржавчина, соли, смолы и т.д.). Поточный сбор частиц, как правило, недоступен. Таким образом, определение характеристик опирается на анализ после завершения переработки. Часто на результаты такого анализа влияют значительные неопределенности вследствие агломерации и окисления частиц.
Патент US 2009177023 описывает фильтрующую тарелку для реактора с неподвижным слоем и параллельными нисходящими потоками газа и жидкости.
Устройство может улавливать закупоривающие частицы, содержащиеся в жидкой загружаемой смеси, подаваемой в реактор, работающий в режиме параллельных нисходящих потоков газа и жидкости, с использованием специальной распределительной тарелки, содержащей фильтрующую среду. Устройство особенно применимо к селективному гидрированию загружаемых смесей, содержащих ацетиленовые и диеновые соединения.
Патент US 20090177023 описывает устройство, которое может улавливать закупоривающие частицы, содержащиеся в жидкой загружаемой смеси, подаваемой в реактор, работающий в режиме параллельных нисходящих потоков газа и жидкости, с использованием специальной распределительной тарелки, содержащей фильтрующую среду. Устройство особенно применимо к селективному гидрированию загружаемых смесей, содержащих ацетиленовые и диеновые соединения.
Патент ЕР 0358923 описывает способ и устройство для очистки сырого газа, который получают после газификации твердого топлива. В способе и устройстве для очистки сырого газа, полученного после газификации твердого топлива, содержащего частицы гранулированного и пылевидного твердого топлива, предлагается решение, посредством которого частицы твердого топлива любого размера в значительной степени удаляются из сырого газа перед впуском в расположенные ниже по потоку охлаждающие устройства. Это достигается посредством прохождения сырого газа, на первой стадии очистки, из зоны газификации по прямой линии в направлении газосодержащего пространства, где частицы гранулированного твердого топлива осаждаются на дне газосодержащего пространства, а затем, на второй стадии очистки, частично очищенный сырой газ отклоняется в боковом направлении из газосодержащего пространства и претерпевает изменение скорости, уменьшенной по меньшей мере в 3 раза, и после дальнейшего отклонения, газ проходит по существу в вертикальном направлении через фильтр твердых частиц, где пылевые частицы твердого топлива удаляются из сырого газа.
Несмотря на упомянутый выше известный уровень техники, существует потребность в реакторе с сепаратором частиц, чтобы обеспечить длительную эффективную работу реактора, несмотря на присутствие любых примесей частиц в потоке жидкости на входе в реактор.
ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение описывает новую систему отделения частиц, которая сочетает в себе осаждение с фильтрацией. В частности, система включает в себя различные фильтрующие секции с переливными системами для максимального захвата частиц, при этом сохраняя постоянным перепад давления и ограничивая нагрузку по жидкости по всей системе. С некоторыми модификациями, настоящее изобретение может быть использовано для селективного отделения частиц определенной формы.
Фильтрующая тарелка согласно настоящему изобретению обеспечивает протекание газа от точки входа, через щели, вниз по потоку фильтрующей секции, по существу, беспрепятственно со стороны фильтров.
Согласно изобретению, фильтрующая тарелка содержит ряд резервуаров для сбора жидкости. Некоторые резервуары взаимосвязаны. Одна, несколько или все стенки резервуаров выполнены из фильтрующего материала. Фильтрующая среда может быть композитной. Когда жидкость поступает в один резервуар, первоначально жидкость будет проникать через свежую фильтрующую среду. Жидкость может проникать непосредственно вниз по потоку фильтрующей тарелки, или в новый фильтрующий резервуар. По мере того, как фильтрующая среда в любом из резервуаров постепенно закупоривается вследствие накопления частиц, уровень жидкости повышается, и свежие секции фильтрующей среды подвергаются воздействию потоком жидкости.
Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что стенки резервуаров функционируют как переливные перегородки. Когда фильтрующая стенка резервуаров, содержащих жидкость, постепенно закупоривается, уровень жидкости повышается. В конце концов, уровень жидкости достигает высоты переливной перегородки и жидкость беспрепятственно перетекает в новый резервуар. Открытый канал, связанный с переливными перегородками (щелями), сконструирован таким образом, чтобы создать определенный перепад давления, который является максимальным перепадом давления по всей тарелке. Он должен быть выше, чем сумма перепадов давления во всех свежих фильтрующих секциях, таким образом, чтобы жидкость распространялась вниз по потоку фильтрующей тарелки.
Первоначально, жидкость протекает через одну или несколько фильтрующих стенок, и она поступает вниз по потоку фильтрующей тарелки без накопления в каком-либо резервуаре. Одновременно с постепенным закупориванием фильтрующей среды, уровень жидкости в засоренном резервуаре повышается до тех пор, пока жидкость не поднимется выше переливной перегородки и не начнет переливаться в соседний резервуар. Процесс продолжается до тех пор, пока последний резервуар не будет заполнен и жидкость не будет переливаться через последнюю перегородку вниз по потоку от фильтрующей тарелки. Таким образом, максимальный перепад давления по всей фильтрующей тарелке имеет предел.
Использование переливных перегородок с целью обеспечения новых фильтрующих секций для процесса позволяет ограничить общую высоту столба жидкости на тарелке. Эта особенность важна, поскольку высокий столб жидкости в такой системе имеет несколько недостатков:
а) Он имеет большую массу. Проектирование тарелки для выдерживания большой массы усложняет конструкцию и увеличивает расход материалов. Следовательно, стоимость тарелки возрастает;
б) Высокий столб жидкости занимает большую часть пространства реактора. Обычно для проведения реакций требуется максимально возможное пространство реактора и оно занято катализатором. Сокращение пространства, доступного для катализатора, как правило, подразумевает более короткую продолжительность цикла при определенном качестве продукта.
Газ протекает непосредственно от точки входа до последней щели и выходит из фильтрующей тарелки вместе с жидкостью. Последняя щель модифицирована с помощью технологии диспергирования жидкости и газа по всей поверхности катализатора / отбора фракций.
Способ по данному изобретению включает в себя, по меньшей мере, один резервуар для осаждения крупных и тяжелых частиц, образующих отложения, перед фильтрующими резервуарами.
Перед осаждением необходимо не допускать быстрого засорения фильтров образующими отложения частицами, имеющими большую площадь поверхности.
В зависимости от характеристик частиц, образующих отложения, фильтрующие среды могут быть композитными. Один способ получения фильтрующей среды, например, предусматривает изготовление контейнера по меньшей мере с двумя стенками выполненными из материала сетчатого типа, такого как проволочная сетка, штампованная решетка или других материалов, и его заполнение катализатором или частицами инертного материала. Использование каталитического материала представляет интерес в некоторых вариантах осуществления изобретения, в которых фильтрующая тарелка может быть использована для содействия в проведении определенных химических реакций. Материал сетки должен иметь достаточно мелкие ячейки, чтобы предотвратить высыпание катализатора или инертного материала из контейнера, но при этом достаточно крупные, чтобы обеспечить прохождение жидкости через него. В простейшем способе получения фильтрующей тарелки, две сетки обращены друг к другу и перпендикулярны потоку. Существуют, тем не менее, варианты осуществления, в которых геометрические формы расположены по-другому и имеют углы в направлении потока жидкости, или варианты, в которых сетки не обращены друг к другу. Поскольку катализатор или инертный материал следует менять после каждого цикла, контейнеры имеют, по меньшей мере, одну съемную сторону. В одном варианте осуществления съемная сторона является перпендикулярной потоку. По этому способу инертный материал и/или материал катализатора, которым заполнен контейнер, может располагаться слоями различных типов. В некоторых системах эта особенность полезна для повышения эффективности отделения без чрезмерного увеличения перепада давления. Съемная сторона контейнера может легко фиксироваться и крепиться к контейнеру с помощью быстроразъемных соединений, представляющих собой системы для фиксации и крепления, которые могут быть открыты и закрыты в течение нескольких минут без использования инструментов.
Изобретение может быть осуществлено с фильтрующими средами различного типа и природы. Например, они могут быть выполнены из пористых монолитных структур, которые могут быть композитными.
Щель, которая пропускает газ и жидкость вниз по потоку, модифицируется с помощью дисперсионной системы, которая позволяет смеси равномерно распределяться по расположенному ниже по потоку уплотненному слою без необходимости в использовании дополнительной распределительной тарелки.
ОСОБЕННОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Система отделения частиц для каталитического химического реактора, в котором система отделения частиц содержит множество фильтрующих секций, содержащих переливные системы, тем самым обеспечивая захват частиц при сохранении постоянного перепада давления в системе отделения и ограничивая нагрузку по жидкости по всей системе, в котором система отделения частиц содержит, по меньшей мере, одну фильтрующую тарелку, содержащую ряд резервуаров со стенками резервуара для сбора жидкости, таким образом, сочетая в себе осаждение и фильтрацию.
2. Система отделения частиц по признаку 1, в которой множество резервуаров являются соединенными между собой последовательно расположенными выше по потоку и расположенными ниже по потоку резервуарами.
3. Система отделения частиц по любому из предшествующих признаков, в которой, по меньшей мере, одна из указанных стенок резервуара содержит фильтрующую среду.
4. Система отделения частиц по признаку 3, в которой, указанная фильтрующая среда содержит композит.
5. Система отделения частиц по любому из признаков 3-4, в которой расположенный выше по потоку резервуар обеспечивает возможность проникновения жидкости через фильтрующую среду либо ниже по потоку фильтрующей тарелки, либо к расположенному ниже по потоку резервуару, до тех пор, пока указанная фильтрующая среда не закупорится вследствие накопления частиц.
6. Система отделения частиц по любому из признаков 3-5, в которой уровень жидкости расположенного выше по потоку резервуара повышается, когда фильтрующая среда указанной тарелки постепенно закупоривается, тем самым подвергая расположенные ниже по потоку резервуары воздействию потоком жидкости, в результате чего стенки резервуара функционируют в качестве переливных перегородок.
7. Система отделения частиц по признаку 6, в которой открытый канал ниже по потоку переливной перегородки выполнен с возможностью обеспечения перепада давления, который является выше, чем сумма перепадов давления всех последовательно соединенных между собой резервуаров с незакупоренной фильтрующей средой в фильтрующей тарелке.
8. Система отделения частиц по любому из предшествующих признаков, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один резервуар для начального осаждения выше по потоку тарелок для крупных и тяжелых частиц, образующих отложения.
9. Система отделения частиц по любому из предшествующих признаков, в которой тарелки выполнены в виде контейнеров, содержащих, по меньшей мере, две стенки, выполненные из материала сетчатого типа.
10. Система отделения частиц по признаку 9, в которой материал сетчатого типа содержит катализатор или инертный материал, или катализатор и инертный материал.
11. Система отделения частиц по признаку 10, в которой материал сетчатого типа выполнен с возможностью пропускания жидкости, одновременно предотвращая прохождение через него катализатора или инертного материала.
12. Система отделения частиц по любому из признаков 9-11, в которой две сетки обращены друг к другу и ориентированы перпендикулярно к потоку текучей среды.
13. Система отделения частиц по любому из признаков 9-12, в которой контейнеры имеют, по меньшей мере, одну съемную сторону для обслуживания.
14. Система отделения частиц по признаку 13, в которой съемная сторона закреплена с помощью быстроразъемных соединений.
15. Использование системы отделения частиц по любому из предыдущих признаков для гидропроцессинга.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение далее иллюстрируется с помощью прилагаемых чертежей, показывающих примеры вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 1 иллюстрирует схематический чертеж установки.
Фиг. 2 иллюстрирует путь прохождения газа по всей длине цикла фильтрующей тарелки. По существу весь газ отделяется от смеси и, проходя от щели 1 (11) и щели 2 (12), достигает расположенного ниже по потоку выпускного канала (13). Щель 1 и щель 2 имеют такие размеры, чтобы обеспечить определенный перепад давления в фильтрующих резервуарах. Расчетный перепад давления зависит от физических свойств жидкости; механических свойства фильтрующей среды 1 (07) и 2 (08) (в том числе пористости и толщины); размера и других характеристик образующих отложения частиц, которые должны быть отделены, высоты переливной перегородки 1 (09) и переливной перегородки 2 (10).
Фиг. 3 иллюстрирует путь жидкости в момент времени 0. По существу вся жидкость отделяется от смеси при заливке в резервуар для осаждения 1 (01). Крупные частицы, образующие отложения, остаются в резервуаре для осаждения, тогда как жидкость, содержащая мелкие частицы, переливается через переливную перегородку (02) в фильтрующий резервуар 1 (05). Жидкость проникает через фильтрующую среду 1 (07), в которой отделяются мелкие частицы, и протекает в фильтрующий резервуар 2 (06). Жидкость протекает через фильтрующую среду 2 (08), в которой в данном случае не выполняются какие-либо существенные действия, поскольку большинство частиц были отделены в фильтрующей среде 1. Жидкость протекает через выпускной канал ниже по потоку.
Фиг. 4 иллюстрирует путь жидкости, когда емкость по сбору частиц фильтрующей среды 1 (07) исчерпана. Уровень жидкости повышается выше переливной перегородки 1 (09) и жидкость поступает через щель 1 (11). Жидкость наливается в фильтрующий резервуар 2 (06) и проникает через фильтрующую среду 2 (08). Жидкость протекает через выпускной канал ниже по потоку.
Фиг. 5 иллюстрирует путь жидкости, когда емкость по сбору частиц как фильтрующей среды 1 (07), так и фильтрующей среды 2 (08), исчерпана, и продолжительность цикла фильтрующей тарелки завершена. Уровень жидкости повышается выше переливной перегородки 2 (09) и жидкость поступает через щель 2 (12). Затем, она протекает через выпускной канал ниже по потоку. Частицы теперь все еще переносятся вместе с жидкостью. Фиг. 5 иллюстрирует изометрическое изображение резервуара для осаждения 1 и переливной перегородки резервуара для осаждения 1 в одном из вариантов осуществления.
Фиг. 6 иллюстрирует тот же вид, что Фиг. 5, с жидкостью в резервуаре для осаждения.
Фиг. 7 иллюстрирует изометрическое изображение фильтрующей секции, демонстрирующее один вариант осуществления резервуара для осаждения 2 (03), переливной перегородки резервуара для осаждения 2 (04), фильтрующего резервуара 1 (05) и фильтрующего резервуара 2 (06).
Фиг. 8 иллюстрирует другое изометрическое изображение фильтрующей секции, и
Фиг. 9 иллюстрирует другой вариант осуществления фильтрующей среды. В этом варианте осуществления фильтрующая среда присутствует на всех стенках фильтрующих резервуаров.
Номера позиций
01 Резервуар для осаждения 1
02 Переливная перегородка резервуара для осаждения 1
03 Резервуар для осаждения 2
04 Переливная перегородка резервуара для осаждения 2
05 Фильтрующий резервуар 1
06 Фильтрующий резервуар 2
07 Фильтрующая среда 1
08 Фильтрующая среда 2
09 Переливная перегородка 1
10 Переливная перегородка 2
11 Щель1
12 Щель 2
13 Выпускной канал