РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Полезная модель относится к области процессов и аппаратов химической технологии и может быть использована для осуществления каталитического гетерогенного процесса, в частности, каталитической риформинга нефтепродуктов в движущемся слое катализатора.
Каталитический риформинг нефтепродуктов является одним из основных процессов нефтепереработки и предназначен для получения высокооктановых компонент моторного топлива. Современные процессы каталитического риформинга используют технологию непрерывной регенерации катализатора. С этой целью применяются различные конструкции реакторов с движущимся под воздействием гравитации слоем катализатора и радиальным ходом реакционного потока. Частицы свежего катализатора поступают в верхнюю часть реакционной зоны, проходят ее, дезактивируясь, затем выводятся из реакционной зоны, регенерируются и, далее, опять поступают в верхнюю часть работающего слоя катализатора.
Известен ряд конструкций каталитических реакторов с движущимся слоем катализатора и радиальным ходом реакционного потока (US 3706536, B01J 9/12, 19.12.1972; US 3854887, B01J 9/12, 17.12.1974; US 4040794, B01J 8/12, 09.08.1977; US 4135886, B01J 8/12, 23.01.1979; US 4167553, B01J 8/12, 11.09.1979; US 4411869, B01J 8/12, 25.10.1983; US 4411870, B01J 8/12, 25.10.1983; US 4567023, B01J 8/12, 28.01.1986; US 4869808, C10G 23/00, 26.09.1989). В этих конструкциях один или несколько слоев катализатора выполнены в форме кольца, вытянутого в вертикальном направлении. Боковая поверхность слоя ограничена перфорированными цилиндрическими стенками. Верх слоя закрыт плоской крышкой, через которую по питающим трубкам свежий катализатор под воздействием гравитации поступает в слой. Такой выбор формы верха слоя определяет общий недостаток указанных реакторов. При вводе свежего катализатора на поверхности слоя формируются холмы из частиц, расположенные под питающими трубками. Соответственно в пространстве между трубками над слоем образуются пустоты, свободные от частиц катализатора. Это создает возможность проскока непрореагировавшей реакционной смеси в этих местах слоя, что может привести к ухудшению технико-экономических характеристик процесса. Для компенсации этого эффекта в некоторых из указанных конструкций реакторов боковые перфорированные стенки, ограничивающие слой, не имеют перфорации на определенном участке вверху слоя, что позволяет создать «затворный» неработающий слой катализатора, препятствующий своим гидравлическим сопротивлением байпасированию потока в верхней части слоя.
В известной конструкции реактора с движущимся слоем (US 4277444, B01J 8/00, 07.07.1981) крышка, ограничивающая верхнюю часть слоя, выполнена из наклонных стенок, причем одна из них имеет перфорацию для прохода реакционного потока. Такое исполнение движущегося слоя также имеет недостаток, аналогичный для приведенных выше конструкций. При вводе катализатора конечным количеством питающих трубок в верхней части слоя будут возникать пустоты, через которые будет байпасироваться поток. Исполнение с перфорацией одной из наклонных стенок крышки будет усиливать этот отрицательный эффект.
Известна конструкция реактора (US 5130106, B01J 8/12, 14.07.1992) с радиальным слоем движущегося катализатора, в которой сочленение питающих трубок с верхней крышкой выполнено в форме расширяющихся конусов, выбранная в качестве прототипа. Это позволяет устранить возможность образования пустот в верхней части слоя и уменьшить байпасирование реакционного потока. В то же время, указанная конструкция не лишена других недостатков. Так, реакционный поток вводится в реактор через боковой фланец в корпусе реактора в свободное пространство над слоем катализатора, а смесь сырья и продуктов каталитической реакции из слоя катализатора выводится из реактора через криволинейный патрубок, проходящий через указанное свободное пространство. Так как при реализации в такой конструкции реактора процесса каталитического риформинга разница температуры входного и выходного потока может достигать 100°C, то наличие в указанном пространстве «холодного» патрубка приведет к возникновению локальных температурных неоднородностей во входном потоке и на входе в слой катализатора. Это также может ухудшить управление каталитическим процессом, осуществляемое по показаниям температуры в определенных точках на входе/выходе из реактора.
Кроме того, в рассматриваемой конструкции реактора нижняя граница слоя формируется плоским днищем, через отверстия в котором дезактивированные частицы катализатора удаляются из слоя. Это приводит к возникновению застойных зон в нижней части движущегося слоя, в которых дезактивированные частицы катализатора могут находиться длительное время, формируя конгломераты закоксованных частиц.
В описаниях всех рассмотренных выше конструкций реакторов также не было отмечено влияния условий подвода/вывода реакционного потока из слоя, формируемых геометрией аксиального и кольцевого каналов, образованных радиальным слоем катализатора и корпусом реактора. Известно, что эти параметры могут оказывать существенное влияние на распределение реакционного потока в слое (Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. M. Машиностроение, 1983, стр. 293-308) и на характеристики каталитического процесса в целом.
Полезная модель решает задачу разработки конструкции реактора с движущимся слоем частиц катализатора и радиальным ходом реакционного потока, позволяющей обеспечить максимально возможное равномерное распределение реакционного потока в слое катализатора, устранить вероятность байпасирования потока через возможные пустоты в слое и обеспечить условия вывода всех частиц катализатора из движущегося слоя на регенерацию.
Задача достигается тем, что предложена конструкция реактора для проведения гетерогенного каталитического процесса в движущемся слое катализатора, состоящая из вертикального цилиндрического корпуса со штуцерами для ввода и вывода реакционного потока, крышки и днища с размещенными на них штуцерами для ввода и вывода частиц катализатора в реактор, бункера в верхней части реактора с запасом свежего катализатора и накопительного бункера для отработанного катализатора в нижней части реактора, одного или нескольких, расположенных друг над другом, слоев катализатора, ограниченных кольцеобразной катализаторной корзиной, состоящей сбоку из проницаемых перегородок, а сверху и снизу из непроницаемых перегородок, вертикально расположенных трубок для подачи катализатора под влиянием силы гравитации между бункерами и/или слоями катализатора. Указанные непроницаемые перегородки катализаторной корзины, ограничивающие сверху и снизу слой катализатора, состоят каждая из двух пластин, образующих в вертикальном сечении коническую форму под углом α=60÷100°. Преимущественное значение α=60°, при этом значении угла раскрытия конуса гарантированно отсутствуют пустоты в верхней и нижней частях катализаторной корзины и застойные зоны в движущемся слое. Для обеспечения равномерного распределения реакционного потока в слое соотношение высоты слоя катализатора к диаметру центрального осевого канала катализаторной корзины не должно превышать значения h/d≤10, а соотношение указанной высоты слоя к поперечному расстоянию кольцевого канала между стенкой реактора и катализаторной корзиной не должно превышать величины h/L≤40.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что выбранная конструкция реактора, в частности конструкция верхней и нижней крышек катализаторной корзины в форме конуса с заявленным углом раскрытия а, позволяет устранить образование пустот в верхней и нижней частях движущегося слоя и предотвратить байпасирование реакционного потока в слое, кроме того это обеспечивает условия вывода всех частиц катализатора из движущегося слоя. Ограничения соотношения высоты слоя катализатора к диаметру центрального осевого канала катализаторной корзины h/d≤10 и соотношения указанной высоты к поперечному расстоянию кольцевого канала между стенкой реактора и катализаторной корзины h/L≤40 позволяют обеспечить равномерное распределение реакционного потока в слое катализатора. В совокупности эти новые свойства полезной модели дают возможность проводить каталитический процесс при оптимальных параметрах, достигая максимально возможных показателей для получения целевого продукта. Кроме того они позволяют улучшить эксплуатационные свойства за счет обеспечения циркуляции всех частиц катализатора через реактор.
Сущность полезной модели иллюстрируется Фиг., на которой показан в разрезе реактор с движущимся слоем катализатора для проведения гетерогенного каталитического процесса.
Реактор для проведения гетерогенного каталитического процесса состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, крышки 2 и днища 3, штуцеров для ввода исходной газовой смеси 4 и вывода конечных продуктов 5, штуцеров для ввода свежего катализатора 6 и вывода отработанного катализатора 7, бункера 8 с запасом свежего катализатора, ограниченного снизу днищем 9 конической формы, трубок 10 для подачи катализатора под влиянием силы гравитации, одного или нескольких, расположенных друг над другом, слоев катализатора 11, ограниченных кольцеобразной катализаторной корзиной, состоящей из проницаемых боковых перегородок 12, а сверху и снизу - из непроницаемых перегородок 13 и 14, имеющих коническую форму, непроницаемой перегородки 15, соединяющей указанную корзину с корпусом реактора, непроницаемой перегородки 16, трубок 17 для подачи катализатора под влиянием силы гравитации из слоя катализатора в выходной бункер 18.
Реактор работает следующим образом.
Свежий катализатор через штуцер 6 поступает в бункер 8 реактора, где равномерно распределяется по трубкам 10. Двигаясь под действием силы тяжести по трубкам 10, частицы катализатора поступают в слой катализатора 11, проходят катализаторную корзину сверху вниз и через трубки 17 поступают в выходной бункер 18 и далее через патрубок 7 выводятся из реактора на регенерацию. Реакционный поток поступает в реактор через патрубок 4, проходит в центр катализаторной корзины и через проницаемую перегородку 12 поступает в слой катализатора 11, двигаясь в радиальном направлении от центра к стенкам реактора. Далее смесь продуктов каталитических реакций и сырья через проницаемую перегородку 12 поступает в кольцевое пространство, образованное стенкой реактора 1 и катализаторной корзиной, и через патрубок 5 выводится из реактора.
Такая конструкция реактора, в частности, выполнение катализаторной корзины с конусообразными в вертикальном сечении крышкой и днищем, обеспечивает при движении частиц катализатора ее равномерное заполнение во всем объеме без образования пустот, влияющих на распределение реакционного потока. Это также обеспечивает условия вывода всех частиц катализатора из катализаторной корзины и их циркуляцию через реактор. Эти условия гарантированно выполняются при величине угла раскрытия конусообразной крышки и днища α=60° и также выполняются в диапазоне α=6÷100°. При значении α<60° высота катализаторной корзины становится сравнительно большой, что приводит к нерациональному использованию реакторного объема, работающего, как правило, под большим избыточным давлением, и необоснованному увеличению стоимости реактора. При значении α>100° при движении частиц катализатора в верхней части катализаторной корзины могут возникать с большой вероятностью пустоты, через которые происходит проскок (байпасировние) непрореагировавшего сырья.
Равномерное распределение реакционного потока в слое движущегося катализатора достигается за счет подбора геометрических размеров входного и выходного каналов, образованных боковыми стенками катализаторной корзины и корпусом реактора. Входной канал, расположенный по вертикальной оси реактора, образован внутренней проницаемой стенкой катализаторной корзины, имеет форму цилиндра, открытого сверху и заглушенного внизу горизонтальной непроницаемой перегородкой. Диаметр входного канала d совпадает с внутренним диаметром катализаторной корзины, а высота h совпадает с высотой цилиндрической части указанной корзины. Выходной канал образован корпусом реактора и внешней проницаемой стенкой катализаторной корзины, имеет форму кольца, заглушенного сверху горизонтальной непроницаемой перегородкой и открытого снизу. Высота выходного канала h совпадает с высотой цилиндрической части катализаторной корзины, а поперечное расстояние L канала определяется диаметрами корпуса реактора и катализаторной корзины. Условие равномерного распределения потока в слое катализатора достигается при одновременном выполнении условий для входного и выходного каналов и выполняется при соотношении высоты входного канала к диаметру h/d≤10 и соотношении высоты выходного канала к поперечному расстоянию h/L≤40. При значениях h/d≥10 и h/L≥40 получаются вытянутые сравнительно тонкие каналы, распределение давления в которых имеет неравномерный по длине характер, что обусловливает неравномерность распределения реакционного потока в слое катализатора.