Распределительное устройство для газожидкостного потока в неподвижном слое катализатора
DISTRIBUTING DEVICE FOR GAS-LIQUID FLOW IN A FIXED CATALYST BED

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической  технологии и  может быть использовано для гидрокаталитических процессов переработки углеводородного  сырья.
При проведении гидрокаталитических процессов в нефтегазопереработке наиболее распространенным типом оборудования являются адиабатические реактора с неподвижным слоем твердых частиц катализатора. В таком реакторе как правило жидкое сырье смешивают с газовой фазой и полученную смесь нисходящим потоком пропускают через слои катализаторов. При прохождении через неподвижные слои катализаторов может происходить расслоение газожидкостной смеси на отдельные фазы, образование устойчивых пузырей газа, что затрудняет одновременный доступ газа и жидкой фазы к поверхности катализатора, приводит к неполной смачиваемости катализатора и неоднородной скорости потока в области таких пузырей, сказывающиеся на сроке службы катализатора, на превращении и селективности, а также на однородное распределение температуры. Это связано с возникающим пристеночным эффектом, приводящим к радиальной неравномерности скорости потока реакционной смеси, а также влиянием внешней диффузии, обусловленным неравномерным распределением гранул катализатора в реакторе.
Известна конструкция распределительного диска, предназначенная для равномерного распределения газа и жидкости в каталитических реакторах с неподвижными слоями, с конструктивными элементами распределения, малочувствительными к погрешностям горизонтальности. Конструктивный элемент распределения состоит из двух по существу коаксиальных цилиндров, называемых внутренним цилиндром и внешним цилиндром; причем нижняя горизонтальная поверхность, разделяющая два цилиндра, закрыта. Распределительный диск адаптирован к спутным нисходящим потокам газа и жидкости, в частности в так называемом «струящемся» режиме. Изобретение также относится к применению распределительного диска, к способам очищения методом гидрогенизации или насыщения водородом различных нефтяных погонов. Недостатком данной конструкции является отсутствие информации об однородности потока после диска далее по ходу движения потока в слое катализатора (Патент РФ 2606618, B01J 8/02).
Известна конструкция распределительной тарелки для реакторов с отверстиями, на которых расположены статические смесители таким образом, что реакционная смесь, попадая с одной стороны распределительной тарелки на другую сторону распределительной тарелки, должна пройти по крайней мере через один статический смеситель. В качестве статических смесителей могут быть использованы, например, смесители фирмы Kenics, Koch или Sulzer. Эти устройства ограничивают высоту каталитического слоя вследствие использования пространства внутри реактора смесительными каналами распределительной тарелки, при этом в описании к изобретению приводится пример с двумя расположенными по ходу потока и разделенными слоями катализаторов распределительными тарелками. Ограничение высоты каталитического слоя уменьшает каталитическую активность реактора и, как следствие, конверсию (Патент РФ 2381828, B01J 8/02).
Известна конструкция смесительного устройства, содержащая верхнюю горизонтальную тарелку с внутренней поверхностью, опорную тарелку, параллельно расположенную к верхней тарелке, с внутренней поверхностью и отверстием опорной тарелки, множество изогнутых внутрь лопастей, проходящих вертикально между внутренними поверхностями верхней и опорной тарелок.  Лопасти тарелок направляют жидкость и газ по касательной, при этом поток приобретает дугообразный или круговой характер.  Жидкость переливается через кольцо затвора в сливное отверстие и смешивается с газом, далее, как правило, газожидкостной поток попадает на тарелку со множеством отверстий, в сливные стаканы или насадки, а затем на нижний слой катализатора. Изобретение позволяет создать дугообразный поток для входящей в него газожидкостной смеси и обеспечить перемешивание реагентов в зоне перед слоями катализаторов, однако после слоя катализатора необходимо вновь придавать потоку дугообразный характер движения (Патент РФ 2640070, B01J 8/02).
Задачей заявляемого изобретения является устранение неоднородности скоростей потока в неподвижных слоях катализаторов рабочей камеры аксиального реактора и улучшение поверхностного взаимодействия сырьевой смеси с катализатором.
Решение поставленной задачи достигается посредством использования в реакторе распределительного устройства геликоидального типа. Распределительное устройство представлено в виде стержня из металлической трубы с навитыми вокруг него двумя лопастями, расположенными симметрично относительно оси стержня. Распределительное устройство расположено непосредственно в слое катализатора, соосно реактору и вдоль всей длины слоя. При этом реактор дополнительно содержит верхнее распределительное устройство по типу «стакан в стакане», распределительную тарелку колпачково-барботажного типа, а также слой керамического инертного материала и опорный стол. При этом лопасти распределительного устройства могут иметь перфорацию в виде круглых отверстий, распределенных по всей площади лопасти, и отверстие для ввода термопары в слой катализатора.
Лопасти и стержень распределительного устройства выполнены в виде отдельных секций, позволяющие проводить монтаж и демонтаж устройства в реакторе через люки. Крепление секций к балкам, опорным кольцам и между собой осуществляется крепежными фиксаторами. Лопасти навиваются вокруг стержня с соотношением шага (h) к внутреннему диаметру рабочей камеры реактора (d): h/d = 0,65-0,95 - для d > 1 м и h/d = 0,95-1,45 для d ≤ϕ 1 м.
Предлагаемое распределительное устройство в комбинации с традиционными аппаратами (распределительной тарелкой, входного диффузора) обеспечивает однородность скоростей потока в слое неподвижного катализатора, улучшает поверхностное взаимодействие потока и частиц катализатора, увеличивает степень конверсии в гидрокаталитических процессах и продолжительность срока службы катализатора.
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1), на котором показан общий вид реактора аксиального типа с применением предлагаемого распределительного устройства.
В реакторе для проведения гидрокаталитических процессов имеется входной штуцер (диффузор) 1, распределительная тарелка колпачково-барботажного типа 2, предлагаемое распределительное устройство геликоидального типа 4, расположенное в слое твердых частиц катализатора 3, опорное кольцо 5, а также слой керамического инертного материала 6.
Распределительное устройство газожидкостной смеси в гидрокаталитических процессах с неподвижным слоем катализатора работает следующим образом.
Сырьевая смесь газа и жидкости поступает в реактор через входной штуцер 1 и разбрызгивается на распределительную тарелку 2. Далее поток проходит через колпачки тарелки и равномерно распределяется на верхний слой катализатора 3. Образовавшаяся однородная сырьевая смесь перемещается вниз через свободный объем между частицами катализатора и одновременно попадает в винтовой канал, образованный между корпусом реактора и лопастями распределительного устройства 4, опирающегося на опорное кольцо 5. Проходя через слой катализатора и распределительное устройство, поток приобретает общую вращательно-поступательную траекторию движения смеси, в результате которой уменьшается образование застойных зон, улучшается поверхностное взаимодействие катализатора и реагентов и обеспечивается равномерное распределение скоростей потока в слое катализатора. Далее прореагировавшая газопродуктовая смесь выводится из реактора, попутно проходя через слой керамического инертного материала 6, расположенного на дне реактора, и выходной штуцер реактора.
Эффективность изобретения иллюстрируется ниже на нескольких примерах его осуществления в процессе гидрообессеривания на проточной лабораторной установке гидрокаталитических процессов.
Пример 1 (без использования предлагаемого изобретения).
3
2
-1
3
3
Реактор был заполнен двумя слоями катализаторов алюмоникельмолибденового и алюмокобальтмолибденового типа. В качестве сырья использовали газоконденсатный мазут плотностью при 15°С - 923,7 кг/м, кинематической вязкостью при 50°С составляет 16 мм/сек, содержание общей серы – 2,87% масс. Процесс обессеривания проводился в среде водорода с давлением 6,0 МПа при температуре 350°С, объемной скорости подачи сырья в реактор – 1,0 ч и соотношением водород / сырье равным 200 нм/м.
В результате процесса получен гидрогенизат с содержанием общей серы 0,38 % масс. Для оценки гидродинамического сопротивления в реакторе был определен перепад давления относительно входа и выхода с реактора, который составил 81 кПа.
Пример 2.
В реактор предварительно было установлено распределительное устройство с соотношением h/d = 1,3 (для d ≤ 1 м) и затем плотно загружены два слоя катализатора. Технологические условия процесса и качество исходного сырья были аналогичны примеру 1.
В результате процесса получен гидрогенизат с содержанием общей серы 0,29% масс. При этом перепад давления в реакторе составил 93 кПа.
Исходя из представленных примеров, использование в реакторе распределительного устройства позволило увеличить степень удаления сернистых соединений в исходном сырье на 3,1%, но с незначительным повышением перепада давления. Улучшение качества получаемого гидрогенизата позволяет оптимизировать режимные параметры процессы (расход, давление, температуры) и тем самым увеличить продолжительность срока службы катализатора.
Таким образом, использование в реакторе распределительного устройства, состоящего из двух навитых вокруг круглой трубы лопастей и расположенного в слое твердых частиц катализатора, позволяет создать однородный газожидкостной поток, улучшить поверхностное взаимодействие реагентов и частиц катализатора, увеличить степень конверсии в гидрокаталитических процессах и продолжительность срока службы катализатора.