ФИЛЬТРУЮЩАЯ ТАРЕЛКА ДЛЯ РЕАКТОРА С ФИКСИРОВАННЫМ СЛОЕМ И СОВМЕСТНО НИСХОДЯЩИМИ ПОТОКАМИ ГАЗА И ЖИДКОСТИ
FILTER DISK FOR REACTOR WITH FIXED LAYER AND WITH SIMULTANEOUS DESCENDING FLOWS OF GAS AND FLUID

Область техники
Изобретение относится к области тарелок распределительных устройств, предназначенных для питания газом и жидкостью химических реакторов, функционирующих с использованием совместных нисходящих потоков газа и жидкости.
Такие реакторы встречаются в области рафинирования и, более конкретно, в области реакций селективной гидрогенизации различных фракций перегонки нефти и, в более общем случае, при осуществлении процессов гидрообработки, которые требуют использования потоков водорода под высоким давлением и работают с тяжелыми жидкими загрузками, которые могут содержать загрязняющие включения, образованные твердыми загрязняющими частицами.
Действительно, в некоторых случаях жидкая загрузка содержит загрязняющие включения, которые могут осаждаться на каталитическом слое и постепенно уменьшать промежуточный объем этого каталитического слоя.
Среди этих закупоривающих загрузок можно упомянуть смеси углеводородов, имеющих от 3 до 50 атомов углерода, и предпочтительным образом от 5 до 30 атомов углерода, и могущих иметь в своем составе достаточно большую долю ненасыщенных или полиненасыщенных ацетиленовых или диеновых химических соединений, или сочетание этих различных химических соединений, причем общая доля этих ненасыщенных химических соединений может доходить до 90% по весу от общей загрузки. В качестве иллюстративного примера загрузок, относящихся к предлагаемому изобретению, можно упомянуть пиролизный бензин, причем пиролизом здесь обозначен способ термического крекинга, хорошо известный специалисту в данной области техники. Описание способов этого типа и соответствующих продуктов можно найти в работе "Raffinage et Genie chimique", автором которой является Р.Wuithier и которая издана издательством Technip, (стр.708).
Предлагаемое изобретение позволяет ограничить осаждение закупоривающих частиц в недрах каталитического слоя.
Таким образом, это изобретение способствует поддержанию однородности используемого каталитического слоя с точки зрения пустой фракции, то есть с точки зрения качества потока, и это изобретение позволяет также ограничить увеличение потери напора.
Действительно, в том случае, когда происходит закупоривание в недрах каталитического слоя, очень быстро обнаруживается подъем потери напора потока, проходящего через данный реактор.
Такая потеря напора может достигать таких величин, что оператору приходится останавливать реактор и заменять, частично или полностью, используемый катализатор, что влечет за собой существенное сокращение продолжительности циклов производственного процесса.
Закупоривание части каталитического слоя может возникать вследствие действия нескольких различных процессов.
Непосредственным образом наличие твердых частиц в потоке загрузки может повлечь за собой закупоривание в результате осаждения упомянутых частиц в недрах каталитического слоя, причем это осаждение может иметь следствием уменьшение пустой фракции.
Косвенным образом формирование слоя продукта, образующегося в результате химических реакций, обычно кокса, но в некоторых случаях и других твердых продуктов, являющихся производными загрязнений, присутствующих в загрузке, то есть продуктов, которые осаждаются на поверхности зерен катализатора, также может способствовать уменьшению пустой фракции каталитического слоя.
Кроме того, поскольку осаждение закупоривающих частиц может происходить в недрах каталитического слоя более или менее случайным образом, следствием этого может быть появление определенной неоднородности в распределении пустой фракции этого слоя, что выражается в формировании предпочтительных путей.
Эти предпочтительные пути являются предельно неблагоприятными с точки зрения гидродинамики, поскольку они в большей или меньшей степени существенно нарушают однородность течения фаз в недрах каталитического слоя и могут привести к неоднородностям на уровне продвижения химической реакции, а также оказываются неблагоприятными с точки зрения термического состояния.
Предшествующий уровень техники
В патенте US-3 702 238 предлагается система каналов, снабженных тарированными дисками прерывания, функция которых состоит в том, чтобы отводить часть потока реактивов в том случае, когда каталитический слой закупоривается. Повышение давления приводит к разрушению диска прерывания и к возможности течения загрузки через эти каналы.
Мгновенный эффект отведения части течения через упомянутые каналы состоит в значительном снижении потери напора. Вход этих каналов располагается перед или после по потоку по отношению к тарелке распределительного устройства, но не предусматривается использование каких бы то ни было систем, предназначенных для контролируемого или независимого отклонения потока жидкости и потока газа.
Также в этом случае не предусматривается никаких устройств перераспределения, предназначенных для гомогенизации течения на выходе из этих каналов. Кроме того, недостатком этого устройства является его чувствительность к резким изменениям давления.
В патентах US-3 607 000 и FR 7513027 предлагаются системы, образованные фильтрующими корзинами, размещенными по потоку перед каталитическим слоем или в головной части этого слоя и предназначенными для сбора загрязнений, переносимых потоком реактивов. В этом некоторый, существенный, объем каталитического слоя занимается упомянутыми корзинами, которые, однако, не препятствуют загрязнению тех частей каталитического слоя, которые располагаются между этими корзинами. С другой стороны, в случае применения данной системы к газожидкостным потокам, эта система не позволяет контролировать гомогенное распределение газожидкостного потока между упомянутыми корзинами и по потоку после этих корзин.
В статье Т.Н.Lindstrоm и др., опубликованной в сборнике Нуdrосаrbоn Рrосеssing в феврале 2003 года (стр.49-51), описана внешняя система фильтров, но эта система не решает всех проблем, связанных с любыми типами закупоривания, и стоимость такого технического решения является весьма высокой.
В патентах US-4 313 908 или ЕР-0 050 505-А2 описаны устройства, которые позволяют уменьшить повышение потери напора в каталитическом слое, отводя часть течения через трубки. Совокупность трубок, образующих короткий обходной контур, проходит сквозь каталитический слой. Вход этих трубок располагается по потоку позади тарелки распределительного устройства, и выход этих трубок открывается над входом в каталитический слой на различных уровнях. Таким образом, данная система позволяет независимым образом отклонить потоки газа и жидкости в условиях, когда уровень жидкости устанавливается по потоку перед каталитическим слоем. Устройство, описанное в упомянутых выше патентах, не позволяет контролировать соотношение между расходами жидкости и газа, отводимыми в трубки, образующие упомянутую систему. Действительно, газ будет отводиться с самого начала функционирования реактора, а жидкость будет отводиться только в том случае, когда достаточный уровень этой жидкости установится над каталитическим слоем вследствие его загрязнения.
Кроме того, на выходе из устройств, описанных в двух упомянутых выше патентах, отсутствует какой-либо эффект распределения жидкостей, что требует размещения, по потоку позади этого устройства, распределительного диска или эквивалентной системы. В случае предлагаемого изобретения функция распределения включается в систему фильтрации для формирования единого устройства.
В более позднем патенте WО 03/000401 А1 описано устройство, в котором используются трубки, образующие короткий обходной путь и связанные с камерами, также образующими короткий обходной путь и служащими для захвата возможных загрязнений, содержащихся в загрузке. Это устройство не содержит эффективной системы перераспределения газожидкостных эффлюентов на выходе из упомянутых камер в том случае, когда данная система используется в газожидкостном течении.
В патенте US 3 958 952 тарелка, являющаяся объектом изобретения, образована совокупностью блоков фильтрации, каждый из которых образован чередованием концентрических камер, одни из которых являются пустыми, а другие заняты "фильтрующими телами", особенности которых не уточняются.
В такой системе функция фильтрации полностью отделена от функции смешивания и распределения, тогда как в устройстве, являющемся объектом предлагаемого изобретения, имеет место настоящая синергия между слоем фильтрации и путями смешивания, как об этом более подробно будет сказано в последующем изложении.
Действительно, фильтрующий слой, непосредственно интегрированный в тарелку, выполняет вторичную функцию стабилизации поверхности раздела между газом и жидкостью, располагающейся над этой тарелкой, и способствует, таким образом, однородному питанию жидкостью путей смешивания и распределения, которые составляют неотъемлемую часть упомянутой тарелки.
В патенте US 4 229 418 описана система тарелки, содержащая элементы фильтрации, но в контексте этого изобретения термин "фильтрация" означает проницаемость по отношению к текучим средам, используемым в данном процессе, и непроницаемость по отношению к частицам катализатора, тогда как в отношении предлагаемого изобретения термин "фильтрация" означает способность удерживать загрязняющие частицы, содержащиеся в загрузке.
И наконец, устройство, описанное в предлагаемом изобретении, представляет исключительную компактность по сравнению с аналогичными устройствами, известными из существующего уровня техники, и позволяет, таким образом, использовать большее количество катализатора в реакторе заданного объема, что дает возможность повысить его эффективность.
Краткое описание фигур
Фиг.1 представляет собой схему построения фильтрующей тарелки распределительного устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, причем упомянутая тарелка размещена по потоку перед каталитическим слоем, запитываемым загрузкой, содержащей некоторую часть газа и некоторую часть жидкости;
фиг.2 представляет кривые, демонстрирующие изменение в функции времени количества осаждающихся загрязнений (кривая А), потери напора по одну и по другую стороны от каталитического слоя без использования фильтрующего слоя (кривая В) и потери напора по одну и по другую стороны от каталитического слоя с использованием тарелки в соответствии с предлагаемым изобретением, то есть тарелки, снабженной фильтрующим слоем.
Раскрытие изобретения
Устройство, в соответствии с предлагаемым изобретением, позволяет отфильтровать загрязняющие частицы, содержащиеся в потоке жидкости, образующем часть загрузки реактора, функционирующего в режиме совместно движущихся нисходящих потоков газа и жидкости, посредством специфической тарелки распределительного устройства, содержащей фильтрующую среду.
Предлагаемое изобретение относится к устройству, позволяющему одновременно распределять газовую фазу и жидкую фазу, питающие реактор с неподвижным каталитическим слоем, функционирующим в режиме совместно движущихся нисходящих потоков упомянутых фаз, при обеспечении функции фильтрации по отношению к загрязнениям, содержащимся в жидкой фазе, образующей часть подлежащей обработке загрузки.
Более конкретно, устройство, в соответствии с предлагаемым изобретением, представляет собой устройство фильтрации и распределения газообразной фазы и жидкой фазы, представляющих собой загрузку, питающую реактор, содержащий по меньшей мере один неподвижный слой катализатора и функционирующий в режиме совместного нисходящего течения газа и жидкости, причем жидкая фаза обычно содержит загрязняющие частицы, и предлагаемое устройство содержит тарелку, располагающуюся по потоку перед каталитическим слоем, причем упомянутая тарелка образована, по существу, горизонтальной плоскостью основания, жестко связанной со стенками реактора, в которой закреплены по существу вертикальные каналы, открытые на их верхнем конце для принятия газа и открытые на своем нижнем конце для удаления смеси газа с жидкостью, предназначенной для питания каталитического слоя, располагающегося по потоку позади упомянутой тарелки, причем упомянутые каналы содержат, на некоторой части их высоты, сплошную боковую щель или боковые отверстия, предназначенные для подвода жидкости, причем упомянутая тарелка удерживает фильтрующий слой, охватывающий упомянутые каналы, и этот фильтрующий слой образован по меньшей мере одним слоем частиц, имеющих размеры, меньшие или равные размерам частиц каталитического слоя.
Поскольку упомянутый фильтрующий слой представляет собой часть тарелки распределительного устройства, он обычно состоит из множества частиц различных размеров.
Частицы, образующие различные слои упомянутого фильтрующего слоя, обычно представляют собой частицы инертного материала, чаще всего представляющего собой двуокись кремния или двуокись алюминия, или любую другую субстанцию керамического характера. Однако в некоторых случаях может оказаться полезным, чтобы по меньшей мере один слой частиц фильтрующего слоя был образован частицами, активными в смысле химической реакции, имеющей место на каталитическом слое, располагающемся по потоку позади фильтрующей тарелки распределительного устройства. В этом случае активные частицы предпочтительным образом представляют собой частицы идентичного катализатора или катализатора, принадлежащего к тому же семейству, что и катализатор используемого в данном случае каталитического слоя.
В другом варианте реализации устройства, в соответствии с предлагаемым изобретением, фильтрующий слой состоит из структурированной набивки, пористость которой изменяется в диапазоне от 35% до 50% (или от 0,35 до 0,50).
Для того чтобы исключить закупоривание боковых отверстий каналов или боковой щели, каждый канал обычно отделяется от фильтрующего слоя, который его окружает, по меньшей мере одной сеткой с достаточно мелкими ячейками, то есть с ячейками, размеры которых меньше размеров частиц данного фильтрующего слоя. В этом случае расстояние, отделяющее канал от фильтрующего слоя, обычно имеет величину в диапазоне от 5 мм до 20 мм.
Устройство фильтрации и распределения, в соответствии с предлагаемым изобретением, представляет собой, таким образом, фильтрующую тарелку распределительного устройства, плоскость основания которой, удерживающая упомянутые каналы и фильтрующий слой, предпочтительным образом снабжена отверстиями, причем плотность расположения этих отверстий превышает 100 отверстий на квадратный метр поперечного сечения реактора.
Устройство фильтрации и распределения, в соответствии с предлагаемым изобретением, позволяет обеспечить существенное продление цикла действия катализатора. Обычно периодическая замена фильтрующего слоя осуществляется с периодичностью, составляющей по меньшей мере 6 месяцев.
Устройство фильтрации и распределения, в соответствии с предлагаемым изобретением, оказывается особенно актуальным для использования в реакторах, предназначенных для гидрообработки, селективной гидрогенизации или в реакторах преобразования остатков или углеводородных фракций, исходная точка кипения которых имеет температуру, превышающую 250°С.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
Устройство, которое является объектом предлагаемого изобретения, состоит из тарелки распределительного устройства, содержащей по существу горизонтальную плоскость основания, жестко связанную со стенками реактора, на которой закреплена совокупность по существу вертикальных каналов, снабженных верхним отверстием и нижним отверстием и содержащих боковые отверстия, распределенные по всей длине их вертикальной стенки.
Часть газа, питающего реактор, проникает внутрь каналов главным образом через верхнее отверстие, и часть жидкости, питающей реактор, проникает внутрь каналов главным образом через боковые отверстия. Здесь выражение "главным образом" означает, что по меньшей мере 50% и предпочтительно по меньшей мере 80% газа и жидкости проникает во внутреннюю полость каналов соответственно через верхнее отверстие и через боковые отверстия.
Смешивание газа и жидкости осуществляется внутри упомянутых каналов, и полученная таким образом смесь выходит из этих каналов через их нижние отверстия.
Упомянутые боковые отверстия могут формировать сплошную щель, проходящую на преобладающей части высоты каналов. В последующем изложении речь по-прежнему будет идти о боковых отверстиях, хотя под этим определением будет также подразумеваться и случай использования сплошной боковой щели.
Тарелка распределительного устройства удерживает фильтрующий слой, образованный по меньшей мере одним гранулированным твердым телом, выполняющим функцию фильтра, причем это гранулированное твердое тело охватывает каждый из каналов на некоторой части их высоты.
Эти каналы обычно возвышаются над уровнем фильтрующего слоя на некоторую высоту (Н′), составляющую по меньшей мере 30 мм и предпочтительно превышающую 35 мм, и даже 40 мм.
Фильтрующий слой может содержать несколько слоев, образованных частицами произвольной формы.
Размеры этих частиц, образующих каждый слой упомянутого фильтрующего слоя, уменьшаются в направлении сверху вниз по толщине этого фильтрующего слоя.
При этом частицы нижнего слоя (или самого нижнего слоя) обладают средними размерами, предпочтительным образом меньшими, чем размеры частиц катализатора, образующих каталитический слой, располагающийся по потоку позади тарелки распределительного устройства.
В общем случае размеры частиц каждого слоя изменяются в диапазоне от 1 мм до 30 мм, предпочтительным образом в диапазоне от 1 мм до 20 мм.
В варианте реализации устройства фильтрации и распределения, в соответствии с предлагаемым изобретением, фильтрующий слой образован по меньшей мере двумя слоями твердых частиц, причем размеры частиц одного данного слоя меньше, чем размеры частиц, образующих слой, располагающийся непосредственно над этим слоем.
В варианте реализации устройства фильтрации и распределения, в соответствии с предлагаемым изобретением, размеры частиц верхнего слоя частиц фильтрующего слоя имеют величину в диапазоне от 5 мм до 30 мм, и размеры частиц нижнего слоя частиц имеют величину в диапазоне от 2 мм до 10 мм.
В качестве исключительно иллюстративного примера, не представляющего каких-либо ограничений, фильтрующий слой, используемый в устройстве в соответствии с предлагаемым изобретением, может быть образован:
- верхним слоем частиц, представляющим 25% от общей высоты фильтрующего слоя и образованным частицами, размеры которых превышают (предпочтительным образом по меньшей мере на 10%) размеры зерен катализатора;
- промежуточным слоем частиц, представляющим 25% от общей высоты фильтрующего слоя и образованным частицами, размеры которых приблизительно равны размерам зерен катализатора;
- нижним слоем частиц, представляющим 50% от общей высоты фильтрующего слоя и образованным частицами, размеры которых меньше (предпочтительным образом по меньшей мере на 10%), чем размеры зерен катализатора.
Частицы, образующие фильтрующий слой, могут иметь произвольную форму, например, сферическую или цилиндрическую, с наличием или без наличия пустого объема внутри них. Эти частицы обычно являются инертными, но могут, в случае необходимости, представлять собой каталитические частицы. В этом последнем случае активные частицы фильтрующего слоя обычно образованы катализатором из того же семейства, что и катализатор, используемый в каталитическом слое, располагающемся по потоку позади этого фильтрующего слоя.
Этот фильтрующий слой также может быть образован элементами набивки, обеспечивающими значительную поверхность захвата загрязняющих включений, освобождая при этом значительную долю пустого объема.
В качестве примера реализации таких элементов набивки можно упомянуть инертные частицы, образованные титаном и гидроокисью алюминия и имеющие цилиндрическую форму диаметром порядка 20 мм, внутри которой выполнены цилиндрические каналы.
В качестве примера таких активных частиц можно упомянуть шарики, имеющие диметр 10 мм и содержащие никель-молибден или кобальт-молибден, а также гидроокись алюминия.
Пример композиции, представляющей фильтрующий слой, образованный путем использования нескольких различных слоев частиц, будет приведен ниже.
Полная высота фильтрующего слоя, в соответствии с предлагаемым изобретением, обычно имеет величину, заключенную, для большей части промышленных реакторов, о которых идет речь в данном случае, в диапазоне от 200 мм до 1500 мм, и предпочтительным образом имеет величину в диапазоне от 300 мм до 600 мм.
Упомянутые боковые отверстия проходят на преобладающей части высоты упомянутых каналов, но самые нижние из этих отверстий предпочтительным образом должны быть расположены на некоторой минимальной высоте (h) по отношению к плоскости основания упомянутой тарелки, предпочтительным образом составляющей 50 мм над плоскостью основания этой тарелки, и даже составляющей 60 мм. В данном случае плоскостью основания тарелки называют плоскость, жестко связанную со стенками реактора и удерживающую фильтрующий слой.
Упомянутые боковые отверстия предпочтительно располагаются ступенями по всей высоте упомянутого канала вплоть до его максимальной высоты (h′), которая предпочтительно составляет 20 мм по отношению к верхней поверхности фильтрующего слоя, и даже составляет 15 мм.
Упомянутые минимальная и максимальная высоты ступенчатого расположения боковых отверстий могут применяться также в том случае, когда используется сплошная щель.
Внутренний диаметр упомянутых каналов обычно имеет величину в диапазоне от 10 мм до 150 мм и предпочтительно имеет величину в диапазоне от 25 мм до 80 мм.
В соответствии с предпочтительным способом осуществления предлагаемого изобретения зона разделения, охватывающая каждый канал, исключает непосредственный контакт фильтрующего слоя с этими каналами таким образом, чтобы воспрепятствовать всякому перекрытию боковых отверстий или боковой щели этих каналов твердыми частицам или элементами набивки, образующими фильтрующий слой.
В этом случае расстояние, отделяющее канал от фильтрующего слоя, обычно имеет величину в диапазоне от 5 мм до 20 мм.
Этот фильтрующий слой закупоривается постепенно с течением времени, начиная с его нижних слоев, и при этом создается по существу поверхность раздела между нижним загрязненным участком и верхним не загрязненным участком фильтрующего слоя.
Жидкость проходит сквозь фильтрующий слой на верхнем, не загрязненном участке, и проникает в упомянутые каналы при помощи боковых отверстий.
Газообразная фаза преобладающим образом вводится внутрь каналов через их верхнее отверстие.
Более или менее значительная часть газа также вводится через боковые отверстия каналов или через их боковую щель.
Верхнее отверстие каналов обычно располагается на высоте Н′ над фильтрующим слоем и обычно защищено при помощи колпака или любого другого эквивалентного устройства, функция которого состоит в том, чтобы воспрепятствовать непосредственному введению жидкости через это верхнее отверстие каналов.
При этом жидкость, вводимая через боковые отверстия или через боковую щель, смешивается с газообразной фазой внутри данного канала, и полученная таким образом смесь удаляется из этого канала через его нижнее отверстие, после чего подается в направлении каталитического слоя, располагающегося по потоку позади тарелки распределительного устройства.
В дальнейшем системой будет называться устройство, образованное распределительной тарелкой, каналами и фильтрующим слоем, удерживаемым упомянутой распределительной тарелкой, то есть фильтрующей тарелкой распределительного устройства.
Устройство, представляющее собой объект предлагаемого изобретения, состоит, таким образом, из фильтрующей тарелки распределительного устройства, закрепленной на внутренней цилиндрической стенке реактора и располагающейся над каталитическим слоем.
В том случае, когда реактор содержит несколько различных каталитических слоев, каждый из этих каталитических слоев может быть запитан при помощи фильтрующей тарелки распределительного устройства в соответствии с предлагаемым изобретением.
В этом случае газообразная фаза и жидкая фаза, питающие данную фильтрующую тарелку распределительного устройства, представляют собой эффлюенты каталитического слоя, располагающегося непосредственно над этой тарелкой, к которым добавляется, в случае необходимости, текучая среда, вводимая между двумя каталитическими слоями, которая чаще всего будет представлять собой, в случае реакторов, предназначенных для гидрогенизации или гидрообработки, охлаждающую текучую среду.
Фильтрующая тарелка распределительного устройства может, кроме того, содержать сквозные отверстия произвольной формы, проходящие сквозь ее горизонтальную плоскость основания таким образом, чтобы общая пористость, связанная с этими отверстиями, была способна обеспечивать минимальную высоту уровня жидкости на данной тарелке, называемую предохранителем жидкости. Тем не менее фильтрующая тарелка распределительного устройства без наличия отверстия, проходящего сквозь его плоскость основания, также является функциональной и не выходит за рамки предлагаемого изобретения.
Фильтрующая тарелка распределительного устройства удерживает также каналы, которые используются для смешивания газа и жидкости и для продвижения полученной таким образом смеси в направлении каталитического слоя, располагающегося в зоне, находящейся по потоку позади упомянутой тарелки.
Плотность этих каналов имеет величину, заключенную в диапазоне от 10 до 150 на квадратный метр поперечного сечения каталитического слоя, и предпочтительно заключенную в диапазоне от 30 до 100 на квадратный метр поперечного сечения каталитического слоя.
Все эти каналы снабжены боковыми отверстиями, располагающимися на различных уровнях и распределенными по всей длине вертикальной стенки каналов, или снабжены сплошной продольной щелью, позволяющей обеспечить прохождение жидкой фазы внутрь упомянутых каналов при любом уровне загрязнения фильтрующего слоя.
Форма этих боковых отверстий или боковой щели выбирается таким образом, чтобы приспособиться к изменению расхода жидкости в процессе осуществления цикла функционирования, как об этом более подробно будет сказано в последующем изложении.
В случае использования боковой щели форма этой щели может быть прямоугольной или треугольной с вершиной треугольника, ориентированной в направлении вниз или в направлении вверх.
Произвольная форма щели возможна с того момента, когда оказываются соблюденными условия по высоте щели, которая предпочтительным образом должна начинаться на высоте (h′), составляющей по меньшей мере 50 мм над плоскостью основания тарелки, и предпочтительным образом проходит вплоть до высоты (h), составляющей по меньшей мере 20 мм над верхним уровнем фильтрующего слоя.
Функция распределения течения потоков газа и жидкости поддерживается по мере засорения, поскольку совокупность трубок используется всегда, и расход жидкости остается приблизительно идентичным между различными каналами, причем этот расход обусловлен, главным образом, уровнем жидкости, установившимся на тарелке. Таким образом, становится понятной важность установления и поддержания определенного уровня жидкости поверх плоскости основания этой фильтрующей тарелки.
Кроме того, существование фильтрующего слоя способствует стабилизации этого уровня жидкости, амортизируя флюктуации поверхности раздела между газом и жидкостью.
Таким образом, распределение жидкости остается контролируемым на протяжении всего срока службы используемого фильтрующего слоя и постепенное использование боковых отверстий или боковых щелей, распределенных по всей длине упомянутых каналов, позволяет использовать данный фильтрующий слой вплоть до его полного насыщения без увеличения градиента давления, которое заставило бы остановить функционирование данной установки.
Подробное описание устройства, в соответствии с предлагаемым изобретением, приводится со ссылками на фиг.1, которая относится к варианту реализации изобретения, в соответствии с которым фильтрующая тарелка распределительного устройства образована плоскостью основания (11), удерживающей гранулированный фильтрующий слой (2), содержащий три слоя частиц в том варианте реализации, который схематически представлен на фиг.1.
Следует напомнить, что возможно использование и большего количества слоев частиц, не выходя за рамки предлагаемого изобретения.
Фильтрующая тарелка распределительного устройства располагается в верхней части реактора, питаемого совместным нисходящим течением потоков газа (G) и жидкости (L).
Фильтрующая тарелка распределительного устройства располагается по потоку перед каталитическим слоем (10), в котором осуществляется каталитическая реакция, в которой оказываются задействованными газообразная фаза (G) и жидкая фаза (L), вводимые в головную часть реактора.
Фильтрующая тарелка распределительного устройства образована плоскостью основания (11), на которой закрепляются каналы (3), снабженные боковыми отверстиями (4).
Боковые отверстия (4) образованы, в варианте реализации, представленном на фиг.1, продольными щелями прямоугольной формы, но также могут быть образованы щелями, имеющими форму, отличную от прямоугольной, например, имеющими треугольную форму, или могут быть образованы совокупностью отверстий произвольной формы, распределенных на различных уровнях вдоль всей высоты этих каналов (3).
Плотность размещения этих каналов (3) имеет величину в диапазоне от 10 штук до 150 на квадратный метр, и предпочтительным образом имеет величину в диапазоне от 30 до 100 на квадратный метр. Распределение каналов (3) на плоскости основания (11) является равномерным и может осуществляться в соответствии с квадратным шагом или с треугольным шагом.
Форма частиц, образующих фильтрующий слой (2), определяется таким образом, чтобы развертывать значительную поверхность, облегчая осаждение загрязнений и поддерживая пористый объем, достаточный для того, чтобы захватывать максимальное количество загрязнений и увеличивать продолжительность функционирования фильтра.
В начале цикла уровень жидкости устанавливается выше плоскости (11) основания, и течение жидкости распределяется по всему поперечному сечению реактора через отверстия (12), располагающиеся на плоскости (11) основания тарелки.
Следует отметить, что плоскость основания, не содержащая отверстий, также возможна и также остается в рамках предлагаемого изобретения, но предпочтительно, чтобы эта плоскость основания была снабжена отверстиями, и в этом случае плотность отверстий, располагающихся на этой плоскости (11) основания тарелки, обычно составляет по меньшей мере 100 отверстий на один квадратный метр.
По мере того как фильтрующий слой (2) загрязняется, уровень жидкости, располагающейся над тарелкой (11), повышается и часть жидкости начинает выливаться через прямоугольную щель (4) каналов (3).
По мере того как происходит загрязнение, уровень жидкости поднимается выше плоскости (11) основания тарелки.
В том случае, когда фильтрующий слой оказывается полностью загрязненным или закупоренным, жидкость вытекает через боковую щель (4) в своей части, располагающейся выше верхнего уровня фильтрующего слоя (2).
В любом случае газ вытекает через каналы (3), попадая туда, главным образом, через верхние отверстия (6), снабженные, в случае необходимости, колпаками (7), предназначенными для того, чтобы воспрепятствовать введению жидкости через эти верхние отверстия (6).
Круглая сетка (8) окружает каналы (3) таким образом, чтобы оставить незаполненным объем между каналами (3) и фильтрующим слоем (2) так, чтобы частицы, образующие этот фильтрующий слой (2), не перекрывали боковую щель (4), располагающуюся вдоль каналов (3).
Размеры ячеек этой сетки (8) будут, таким образом, меньше минимального диаметра частиц фильтрующего слоя (2) тарелки распределительного устройства.
Пример
Описанный ниже пример получен посредством моделирования с использованием кинетического уравнения для осаждения частиц, которое соответствует линейному осаждению в функции времени.
Здесь реактор имеет диаметр 1 м и общую высоту 5 м, включая тарелку распределительного устройства и каталитический слой. Этот каталитический слой образован частицами традиционного катализатора, предназначенного для осуществления селективной гидрогенизации. В данном случае речь идет о катализаторе, содержащем никель (Ni), осажденный на подложку, изготовленную из двуокиси алюминия.
Размеры частиц катализатора, образующих каталитический слой, располагающийся по потоку позади тарелки распределительного устройства, составляют 2,5 мм.
Питание реактора состоит из жидкой части и газообразной части.
Жидкость представляет собой пиролизный бензин из интервала точки кипения в диапазоне от 50°С до 280°С со средней точкой кипения, составляющей 120°С в стандартных условиях. Газообразная фаза на 90% молярных состоит из водорода, причем остальная часть этой фазы представляет собой главным образом метан.
Фильтрующая тарелка распределительного устройства содержит 20 каналов, имеющих диаметр 50 мм и высоту 650 мм, причем каждый канал снабжен продольной щелью прямоугольной формы с размерами 400 мм (высота щели) на 5 мм (ширина щели).
Плотность расположения каналов: 25 на квадратный метр поперечного сечения реактора.
Нижний конец щели находится на высоте h=50 мм над плоскостью основания тарелки.
Верхний конец щели расположен на верхнем уровне фильтрующего слоя h'=0.
Каталитический слой имеет высоту 400 мм.
Фильтрующий слой имеет высоту 200 мм.
Фильтрующая тарелка включает в себя 100 просверленных отверстий для прохода жидкости.
Расстояние, разделяющее каждый канал от окружающего его фильтрующего слоя, равно 7 мм.
Фильтрующий слой состоит из 4 слоев одинаковой толщины 50 мм, обозначенных позициями 1, 2, 3, 4 в направлении снизу вверх.
Упомянутые частицы представляют собой инертные частицы двуокиси алюминия, распространяемые на рынке фирмой AXENS.
Характеристики размеров частиц и пористости каждого слоя указаны в таблице 1.
Слои пронумерованы снизу вверх, первый слой является нижним слоем, а четвертый слой - верхним слоем.
Таблица 1
Свойства частиц
Тип частиц
Диаметр (мм)
Исходная пористость слоя
1-й слой фильтрующей тарелки
2,0
0,39
2-й слой фильтрующей тарелки
3,0
0,41
3-й слой фильтрующей тарелки
4,0
0,41
4-й слой фильтрующей тарелки
5,0
0,43
Слой катализатора
2,5
0,41
Свойства газа и жидкости в эксплуатационных условиях реактора указаны в таблице 2.
Таблица 2
Свойства текучих сред
Удельная масса жидкости (кг/м<sup>3</sup>)
710
Удельная масса газа (кг/м<sup>3</sup>)
15
Динамическая вязкость жидкости (Па·с)
0,00085
Динамическая вязкость газа (Па·с)
0,00002
Поверхностная скорость жидкости (м/с)
0,0062
Поверхностная скорость газа (м/с)
0,1000
Поверхностное натяжение (Н/м)
0, 01
На фиг.2 представлены графики изменения во времени:
- количества загрязнений, осажденных на фильтрующем слое, представленного кривой (А). Эта кривая получена с использованием кинетического уравнения осаждения;
- потери напора, измеренной с одной и с другой стороны от каталитического слоя в отсутствие фильтрующего слоя, представленной кривой (В);
- потери напора, измеренной с одной и с другой стороны от каталитического слоя при наличии фильтрующего слоя в соответствии с предлагаемым изобретением, представленной кривой (С).
Кривая (В) и кривая (С) проходят приблизительно параллельно, но со смещением во времени.
Это смещение во времени соответствует постепенному закупориванию фильтрующего слоя.
Продолжительность закупоривания распространяется от момента времени t0 до момента времени tf, что соответствует времени насыщения фильтрующего слоя, обозначенного площадкой кривой (А).
В момент времени tf, когда кривая (А) достигает своей площадки, и далее, после этого момента времени tf, загрязнения, содержащиеся в жидкой загрузке, больше не удерживаются фильтрующим слоем.
При использовании тарелки без фильтрующего слоя (в соответствии с существующим уровнем техники) потеря напора по одну и по другую стороны от каталитического слоя резко возрастает, начиная с момента времени tb, вплоть до достижения предельной величины потери напора, допустимой в данном реакторе.
При использовании фильтрующей тарелки, обладающей фильтрующим слоем в соответствии с предлагаемым изобретением, потеря напора по одну и по другую стороны от каталитического слоя резко возрастает, начиная с момента времени tc, смещенного на определенную величину по отношению к моменту времени tb. Именно этот промежуток времени tc-tb количественно определяет усовершенствование, вносимое фильтрующей тарелкой в соответствии с предлагаемым изобретением, поскольку на протяжении всего этого времени, соответствующего величине tc-tb, потеря напора по одну и по другую стороны от каталитического слоя практически не изменяется и остается равной величине, имевшей место в начале цикла в момент времени t0.
Таким образом, фильтрующая тарелка, в соответствии с предлагаемым изобретением, позволяет увеличить продолжительность цикла на величину, эквивалентную промежутку времени tc-tb.
В представленном здесь случае это удлинение цикла составляет 80% по отношению к продолжительности цикла в случае использования тарелки распределительного устройства без фильтрующего слоя.