УСТРОЙСТВО, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ВРЕМЕННОЕ ХРАНЕНИЕ И ВОЗОБНОВЛЕНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ ОПРЕДЕЛЕННОГО КОЛИЧЕСТВА КАТАЛИЗАТОРА В УСТАНОВКАХ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА
DEVICE PROVIDING TEMPORARY STORAGE AND RESTORATION OF CIRCULATION OF CERTAIN AMOUNT OF CATALYST IN CATALYTIC REFORMING PLANTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области каталитического риформинга и, в частности, к области реакторов с движущимся слоем, которые позволяют применять упомянутый процесс.
Каталитические реакторы с движущимся слоем, то есть со слоем, который медленно перемещается за счет силы тяжести и через который проходит сырье, хорошо известны специалисту в данной области. Вместе с тем, промышленные установки каталитического риформинга, в которых применяют несколько расположенных в ряд реакторов этого типа с промежуточным нагревам сырья внутри каждого реактора ряда, постоянно подвергаются усовершенствованиям, в частности, что касается влияния явлений теплового расширения внутри реактора.
Действительно, процесс каталитического риформинга требует рабочих температур около 500°С. Эти высокие температуры вызывают расширение стальных стенок реактора, что приводит к поступлению более или менее значительного количества шариков катализатора.
Особенностью регенеративных реакторов является именно то, что каталитический слой, состоящий из мелких шариков пористого глинозема, непрерывно циркулирует внутри реакторов при подвижном состоянии слоя медленным гравитационным потоком.
Резкая остановка установки останавливает циркуляцию катализатора, и его скапливание внутри приводит к появлению сильных напряжений на стенках реактора в фазе охлаждения. Катализатор может стать причиной повреждений реактора и, следовательно, значительных затрат.
Наиболее близкий аналог представлен в документе FR 3 017 806, где описана зона временного хранения катализатора, которая может принять некоторое количество катализатора при контролируемой или неконтролируемой остановке циркуляции. Чтобы эта зона временного хранения работала нормально, при повтором запуске реактора она должна опорожняться и переходить в слой, который опять начинает циркулировать. Настоящее изобретение призвано предложить технологическое решение для повторного введения шариков в каталитический слой после более или менее длительной остановки циркуляции катализатора, независимо от того, является эта остановка контролируемой или нет.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны многие решения в области реакторов с потоком типа движущегося слоя, в частности, в области каталитического риформинга бензинов.
Мы ограничимся ссылками на документы, в которых описаны типичные конфигурации реакторов с движущимся слоем. В патентах US 3,864,240, US 4,040,794, FR 2 160 269 и FR 2 946 660 описаны различные типы реакторов с движущимся слоем, которые можно использовать, в частности, в процессе каталитического риформинга бензинов. В таком процессе катализатор циркулирует между различными реакторами реакционной секции, чаще всего между 4 реакторами, затем проходит в регенератор. Регенерированный катализатор после этого опять направляют в реакционную секцию.
Согласно другим вариантам, описанным в документе US 3,706,536, различные каталитические зоны расположены друг над другом (в этом случае говорят о ʺstacked reactorʺ в англо-саксонской терминологии) и образуют один реактор, содержащий различные реакционные секции, между которыми за счет силы тяжести циркулирует катализатор.
В документе FR 3 017 806 описано устройство, позволяющее решить проблему прерывания циркуляции катализатора в реакторе с движущимся слоем и с противотоком сырья относительно катализатора.
Описанное в этом документе устройство представляет собой лотки, установленные в нижней части корзин, в которых заключен каталитический объем, причем эти лотки могут перемещаться вдоль вертикальной оси, чтобы высвобождать пространство для хранения после прерывания циркуляции катализатора и затем обеспечивать возвращение хранящегося катализатора в циркуляцию.
Настоящее изобретение можно рассматривать как усовершенствование устройства, описанного в вышеуказанном документе. Для облегчения опорожнения зоны (11) временного хранения две системы, описанные в документе FR 3 017 806, были изменены путем включения в них отражателя, который позволяет улучшить опорожнение зоны хранения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг. 1а, 1b и 1с представлено заявленное устройство в своей базовой версии.
Вдоль окружности на лотке (7) выполнены окна (14), как правило, прямоугольной формы, предназначенные для обеспечения заполнения зоны (11).
Предпочтительно эти окна (14) могут иметь прямоугольную форму и выполнены в нижней части лотка (7).
Фиг. 1а соответствует нормальной работе. Некоторое количество катализатора находится за пределами вертикальной плоскости, образованной корзинами (5).
Фиг. 1b соответствует ситуации остановки циркуляции катализатора. Во время остановки реактор охлаждается, и циркуляция катализатора прерывается. Охлаждение реактора приводит к подъему корзины (5) и, следовательно, окон (14) лотка (7). Это позволяет катализатору заполнять большее пространство в зоне (11) хранения.
Фиг. 1с соответствует возобновлению нормальной работы, то есть с циркуляцией катализатора в нижних стойках (15), при этом реактор нагревается, и катализатор опять начинает циркулировать. Зона (11) хранения опорожняется и возвращается в свое первоначальное состояние, благодаря присутствию отражателя (15) внизу лотка (7). Отражатель (15) представляет собой наклонную плоскость или изогнутую стенку, приваренную или соединенную при помощи любого способа, известного специалисту в данной области, с лотком по всей окружности или на ее части. Он может быть также подвижным вокруг оси соединения.
Упрощенная версия этой системы может представлять собой лоток (7) без окна, при этом катализатор может заполнять преобладающую часть зоны (11) хранения во время охлаждения через ажурную часть под отражателем.
На фиг. 2а, 2b и 2с представлено заявленное устройство в его версии, в которой лотки (7) перемещаются в неподвижных кожухах (12).
На этих фигурах по существу вертикальный кожух (12) либо удерживается при помощи средства крепления (сварной шов, болты и т.д.) на опорах (4), либо просто опирается на дно реактора (1).
На уровне между нижним концом корзин (5) и верхней частью кожуха (12) выполнены отверстия (16).
Кроме того, окна (16), например, прямоугольной формы, выполнены в верхней части кожуха (12) на части или на всей окружности.
Отражатель (15) закреплен посредством сварки или соединен любым способом, известным специалисту в данном области, с нижней частью кожуха (12). Он может иметь форму наклонной плоскости или изогнутой стенки на всей окружности кожуха (12) или только на ее части.
Во время остановки циркуляции, показанной на фиг. 2b, кожухи (12) поднимаются, и окна (14) оказываются совмещенными с окнами (16), что обеспечивает прохождение некоторого количества катализатора в зону (11) хранения.
Фиг. 2с соответствует возобновлению циркуляции и опорожнению зоны (11) хранения.
Отражатель (15) обеспечивает прохождение катализатора из зоны (11) хранения во время повторного запуска реактора. Во время этого повторного запуска реактор возвращается к своей рабочей температуре, и катализатор опять циркулирует. Постепенно корзина (5) опять опускается, закрывая доступ к окнам (16), при этом зона (11) хранения постепенно полностью опорожняется, и эта операция облегчается за счет присутствия отражателя (15).
На фиг. 3 представлено заявленное устройство, где показан лоток (7), концевая часть которого наклонена относительно вертикали, при этом лоток заканчивается отражателем (16), имеющим по существу такой же наклон, что и концевая часть лотка (7).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основном изобретение состоит в изменении нижней части реакторов с движущимся слоем посредством добавления к подвижной корзине (5), содержащей катализатор, подвижного в вертикальном направлении лоткового устройства, которое находится в продолжении вертикальных стенок корзины (5) и оснащено в своей нижней части отражателем (15), образующим определенный угол с вертикалью таким образом, чтобы:
1) обеспечивать перемещение определенной части катализатора в зону (11) временного хранения, находящуюся на периферии реактора в нижней зоне, прилегающей к стенкам,
2) опять направлять в слой часть катализатора, переместившуюся в упомянутую зону хранения во время подъема корзины (5).
Эту зону (11) временного хранения необходимо располагать таким образом, чтобы место возобновления циркуляции катализатора находилось вблизи циркуляционных стоек (2) реактора.
В частности, настоящее изобретение можно представить как каталитический реактор с применением катализатора в движущемся слое кольцевой формы, ограниченный на своей внешней периферии вертикальными стенками, образующими цилиндрическую корзину (5), и на своей внутренней периферии тоже вертикальным центральным коллектором (3), при этом катализатор медленно перемещается за счет силы тяжести в пространстве, заключенном между корзиной (5) и центральным коллектором (3) и проходит вниз по циркуляционным стойкам (2), установленным на по существу полусферическом дне упомянутого реактора.
Корзина (5) перемещается вдоль по существу вертикальной оси на расстояние в несколько сантиметров, которое может достигать 10 см, при этом корзина (5) оснащена по существу вертикальными лотками (7), установленными в нижней части корзины (5), в продолжении вертикальной стенки упомянутой корзины (5).
Во время работы реактора может произойти прерывание циркуляции катализатора, что приводит к понижению температуры реакционной камеры и к сжатию катализатора, которое может создать очень большие механические напряжения на стенках и на различных внутренних элементах.
Настоящим изобретением предусмотрено оборудование реактора средствами, позволяющими некоторому количеству катализатора перемещаться в зону (11) временного хранения, чтобы снизить уровень этих механических напряжений, и обеспечивающими затем опорожнение зоны хранения для возобновления циркуляции временно хранившегося катализатора.
Таким образом, настоящее изобретение можно определить как каталитический реактор с применением катализатора в движущемся слое кольцевой формы, ограниченный на своей внешней периферии вертикальными стенками, образующими цилиндрическую корзину (5), и на своей внутренней периферии тоже вертикальным центральным коллектором (3), при этом катализатор медленно перемещается за счет силы тяжести в пространстве, заключенном между корзиной (5) и центральным коллектором (3) и проходит вниз по циркуляционным стойкам (2), установленным на по существу полусферическом дне упомянутого реактора, при этом упомянутые корзины могут перемещаться вдоль по существу вертикальной оси на расстояние в несколько сантиметров, которое может достигать 10см, при этом корзина (5) оснащена по существу вертикальными лотками (7), установленными в нижней части корзины (5), в продолжении стенки упомянутой корзины (5).
Реактор в соответствии с настоящим изобретением может иметь фазу остановки циркуляции катализатора, которая может быть как намеренной, так и случайной.
Во время прерывания циркуляции катализатора пространство или зона (11) хранения катализатора, находящаяся в нижней части реактора смежно со стенкой и вблизи нижних стоек (2), высвобождается, и корзина (5) и неподвижно соединенные с ней лотки (7) опять поднимаются вверх.
Зона (11) хранения катализатора находится в нижней части реактора, смежной со стенкой и вблизи нижних стоек (2). Эта зона хранения высвобождается при подъеме вверх корзины (5) и неподвижно соединенных с ней лотков (7), при этом лоток (7) оснащен отражателем (15), который жестко или свободно с ним соединен и который образует с вертикалью угол альфа, составляющий от 30 до 60°, предпочтительно от 45 до 55°.
Можно также предусмотреть подвижность вокруг оси соединения, что может обеспечивать угол от 0° до 60° относительно вертикали.
В предпочтительном варианте изобретения отражатель (15) жестко соединен с лотком (7), и лоток (7) имеет концевой участок, выполненный с наклоном относительно вертикали. Предпочтительно угол наклона концевого участка лотка (7) и связанного с ним отражателя (15) является одинаковым. Этот вариант показан на фиг. 3.
На втором этапе возобновляют циркуляцию катализатора за счет силы тяжести сразу после восстановления циркуляции, при этом зона (11) хранения постепенно освобождается от катализатора при помощи отражателя (15).
При обычном выполнении каталитических реакторов с движущимся слоем в соответствии с настоящим изобретением катализатор заключен в корзинах (5) кольцевой формы, стенки которых образованы сетками, пропускающими сырье снаружи внутрь корзины (5), затем жидкие реакционные отходы изнутри корзины (5) в центральный коллектор (3). Таким образом, сырье циркулирует противотоком относительно катализатора, медленно перемещающегося за счет силы тяжести со скоростью примерно несколько метров в час.
В варианте настоящего изобретения лотки (7) перемещаются скольжением в неподвижных вертикальных кожухах (12), которые установлены в продолжении вертикальных стенок корзины (5) и имеют окна (14), перекрытые кожухами (12) при нормальной циркуляции, при этом упомянутые окна (14) освобождаются во время подъема корзины (5) после прерывания циркуляции катализатора.
Определенное количество катализатора, которое можно определить в процентом выражении от 0,2 до 5%, проходит через упомянутые окна (14) в зону (11) хранения, находящуюся в нижней части реактора между кожухом (12) и стенкой полусферического дна реактора и на расстоянии d, превышающем 30 см, от упомянутой стенки. В случае, когда высота между дном реактора (1) и опорами (4) является недостаточной, эту часть реактора можно изменить, чтобы увеличить высоту, которая может достигать 1 метра.
Как правило, окна (14) имеют прямоугольную форму, обеспечивающую равномерное прохождение катализатора в зону (11) хранения. Они могут также иметь треугольную форму с направленной вверх вершиной треугольника, чтобы обеспечивать равномерное прохождение катализатора в зону (11) хранения. Изобретение не привязано к форме окон (14), форму которых специалист в данной области может определять в зависимости от особенностей рассматриваемого реактора.
Объектом изобретения является также способ рафинирования или нефтехимической переработки с использованием реактора в соответствии с любым из предыдущих признаков. В частности, реактор в соответствии с изобретением можно использовать в рамках способа каталитического риформинга бензинов или способа гидрообработки остатков.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этой части будет более детально рассмотрена ситуация остановки циркуляции катализатора, перемещения определенного количества этого катализатора в зону временного хранения и возобновления циркуляции этого количества катализатора.
При нормальной работе, то есть примерно около 500°С и при низком давлении, стальные стенки реактора регенеративного риформинга расширяются. В сочетании с непрерывной циркуляцией катализатора это расширение приводит к поступлению большего количества катализатора в реактор по сравнению с количеством в так называемом состоянии покоя. В случае прерывания циркуляции катализатора, поскольку реактор останавливают, стенки охлаждаются и сжимаются, что приводит к значительному сжатию катализатора стенками реактора при остановке.
Усилия, действующие на уровне стенок реактора, заставляют верхнюю часть реактора приподниматься, что может привести к разрушению некоторых внутренних элементов, к деформациям сетки Джонсона, крепежных болтов, а также к разрушению частиц катализатора и образованию мелких частиц, приводящему к дополнительным потерям напора.
Настоящее изобретение относится к каталитическому реактору с движущимся слоем, позволяющему осуществлять на первом этапе хранение части катализатора в зоне временного хранения, затем на втором этапе - возвращать в циркуляцию хранившийся катализатор.
Изобретение основано на наличии подвижной корзины (5), которая может подниматься вертикально на расстояние от нескольких см и до 10 см во время остановки циркуляции катализатора, и на присутствии отражателя (15), связанного со стенками (12) и образующего определенный угол с вертикалью для облегчения опорожнения зоны хранения во время восстановления циркуляции катализатора.
Для облегчения упомянутого восстановления циркуляции катализатора отражатель (15) расположен на нижнем конце кожуха (12) или лотка (7) и вблизи циркуляционных стоек (2) реактора. Под понятием «вблизи» следует понимать положение, смещенное к вертикальным стенкам реактора (1) относительно вертикальной оси нижних стоек (2) менее чем на 10 см, и расстояние ʺdʺ между упомянутым отражателем и точкой, ближайшей к стенке реактора, которое превышает или равно 10 см, чтобы избегать любой задержки катализатора во время опорожнения.
Длина отражателя (15) должна быть достаточной, чтобы отклонять катализатор, опускающийся в корзину (5), но не слишком большой, чтобы не перекрывать окно.
Например, длина, составляющая от 10 диаметров частиц и до половины отверстия, может быть нормальной, чтобы не слишком уменьшать выпускное окно. Угол отражателя должен быть достаточно большим, чтобы отклонять катализатор, но не слишком большим, чтобы его не задерживать.
Значение угла от 30 до 60° с вертикалью должно обеспечивать опорожнение зоны хранения. Отражатель (15) можно расположить в продолжении стенки кожуха (12) или лотка (7) или сместить на одну из двух сторон стенки для облегчения его крепления.
Толщина отражателя должна быть достаточной, чтобы выдерживать вес катализатора и чтобы не слишком деформироваться во время тепловых колебаний. Толщина, эквивалентная или превышающая толщину стенки корзины, является нормальной, но не должна превышать двойную толщину стенки корзины (5).
Наконец, отражатель, расположенный на верхнем краю выпускного окна, должен быть приблизительно над циркуляционной стойкой (2) реактора.
В случае, когда наружная корзина (5) находится далеко от циркуляционной стойки (2), которая находится вблизи центрального коллектора (3), следует изменить форму зоны (11) хранения, чтобы правильно расположить выпускное окно. Для этого форму нижней части лотка (7) или кожуха (12) можно изменить таким образом, чтобы продолжить лоток (7) (или кожух (12) из решения 2), соблюдая форму нижней части реактора (1). Эта часть (17) может быть либо закреплена на лотке (7) и следовать его движениям, либо может быть подвижной относительно вертикальной части лотка (7) или кожуха (12). В этом случае нижнюю часть (17) необходимо закрепить на дне реактора. Пример этого продолжения представлен на фиг. 3 для решения 1.
ПРИМЕР ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующий пример дает представление о размерах зоны хранения и отражателя в случае промышленного реактора риформинга высотой 14 м и с наружным диаметром 2,7 метра. Циркуляционные стойки (2) имеют диаметр 7 см, и центральный коллектор имеет диаметр 1,2 м.
В результате прерывания циркуляции, приводящего к резкому охлаждению катализатора, количество катализатора, удаляемого в зону временного хранения, оценивают в 600 кг, то есть около 2% от общего количества. Было проведено испытание на секции реактора из ПММА (полиметилметакрилата) при реальном размере реактора.
Было проведено экспериментальное исследование на секции реактора из ПММА, толщина которой соответствует реальному размеру реактора, и дополнено моделированием типа DEM (Discrete Element Method) при помощи программного обеспечения GRAINS, разработанного заявителем.
Эти тесты определили длину отражателя (15) в 7 см при высоте окна (14) в 200 мм.
Угол наклона отражателя (15) относительно вертикали равен 53°.
Отражатель с такими размерами обеспечивает:
1) Поступление определенного количества катализатора в зону временного хранения.
2) Удаление катализатора из зоны хранения при скорости циркуляции катализатора в корзине (5), эквивалентной скорости в промышленном процессе, то есть 0,1 мм/с.
3) Прохождение катализатора, содержащегося в зоне (11) хранения, по стрелке (9), происходит со скоростью того же порядка величины, что и прохождение катализатора в кольцевом пространстве между центральным коллектором (3) и корзиной (5), что позволяет опять равномерно вводить его в каталитический слой. Таким образом, время опорожнения зависит от высоты заполнения зоны (11), и, как правило, остается меньше одного часа.