КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ И СЕПАРАТОР ЧАСТИЦ
CATALYTIC CHEMICAL REACTOR FOR SEPARATION OF PARTICLES AND SEPARATOR OF PARTICLES

Область техники
Это изобретение относится к каталитическому химическому реактору с отделением частиц. В частности, изобретение относится к реактору с сепаратором, в котором применяют кинетическое отделение частиц. Дополнительно изобретение относится к кинетическому сепаратору частиц. Реактор может представлять собой каталитический реактор с нисходящим потоком, который включает вертикально совмещенные уплотненные слои зернистого каталитического материала. Этот тип реактора применяют на предприятиях по переработке нефти и химической переработке для проведения различных каталитических реакций, таких как конверсия серы и азота (HDS/HDN); гидрирование: олефинов (HYD) и ароматических соединений (гидродеароматизация - HDA), удаление металлов (гидродеметаллизация - HDM), конверсия кислорода (гидродеоксигенизация - HDO) и гидрокрекинг (НС). Альтернативно реактор представляет собой радиальный конвертор, в котором элементы ярусов должны быть прикреплены к реактору. Этот реактор имеет радиальный поток, пересекающий уплотненный слой каталитического материала, и его обычно применяют на предприятиях по переработке нефти и химической переработке для проведения каталитических реакций, таких как каталитический реформинг и синтез аммиака.
Уровень техники
Отделение и классификация частиц являются хорошо изученной потребностью химической, фармацевтической, горнодобывающей и пищевой промышленности. В то время как классификация частиц в промышленных процессах может быть востребована для улучшения качества определенного продукта, отделение частиц может быть необходимо для очистки флюидного потока или преодоления проблем с технологическим оборудованием.
Иногда частицы преднамеренно присутствуют в технологическом потоке. Это происходит, например, в случае процессов горения на основе измельченного топлива или производства фармацевтических или специализированных химикатов с применением порошковой технологии. В других случаях присутствие частиц является непреднамеренным. Это происходит, например, в случае некоторых очистных потоков, вытекающих из псевдоожиженного слоя, потоков продуктов из реакторов Фишера-Тропша. Частицы могут иметь различное происхождение: они могут быть частью потоков исходного сырья и других реагентов или они могут генерироваться и собираться от технологического оборудования, например, в виде продуктов эрозии. Частицы могут быть твердыми или жидкими, могут иметь органическую природу, подобно углю, коксу и смолам, или неорганическую природу, подобно солям, мусору или коррозии и эрозии в виде компонентов железа, или обломкам каталитических частиц. Они могут быть жидкими как некоторые водные пыли, и содержащими живые примеси, такие как бактерии. Форма и размер могут также широко варьироваться - от сфер до хлопьев, от миллиметров до нескольких микрон или менее. Если частицы нежелательны в процессах с нисходящим потоком, часто фильтр или другая подходящая технология отделения частиц, известная в технике, удаляет большую часть этих частиц до чувствительного оборудования. Однако в определенных процессах может возникнуть проблема или стать более серьезной с течением времени, например, когда включены эрозия и коррозия. Иногда монтаж удаляющего частицы оборудования в качестве независимого типового процесса до чувствительного оборудования не возможен на практике.
Один конкретный пример проблем, связанных с частицами, можно видеть на гидроочистке лигроина. Загрузка в реактор для гидроочистки иногда содержит большое количество частиц. Когда загрузку с большим количеством частиц вводят в реактор для гидроочистки, частицы имеют тенденцию быстро накапливаться на уклонах или катализаторе.
Таким образом, реакторы могут требовать частого удаления поврежденных слоев корпуса, чтобы не допустить усиления падения давления в реакторе. Частота удаления шлака каждые 5-6 месяцев или даже каждые 2-3 месяца является обычной.
Редко доступно определение характеристик частиц, влияющих на гидроочистку лигроина. Фактически, частицы зависят от сырья для лигроина или проблем, связанных с процессом (ржавчина, соли, смолы и т.д.). Обычно не доступен сбор частиц в процессе работы. Таким образом, определение характеристик частиц зависит от анализа после окончания работы, на который влияет большое число неопределенных факторов из-за агломерации и окисления частиц.
Подобным образом, технологический газ в результате генерирования катализатора FCC (каталитический крекинг флюида) часто заполнен частицами катализатора и остатками катализатора. Подобный газ можно транспортировать к установке извлечения серы, наиболее часто установке по производству серы, для извлечения в виде элементарной серы, или установке WSA, для извлечения серы в виде концентрированной серной кислоты. Они представляют собой каталитические реакторы с неподвижным слоем, которые подвержены закупориванию при воздействии сырья с частицами. Частицы, обычно присутствующие на выходе из FCC регенератора, как правило, имеют фракционный состав от 2 микрон до 20 микрон или ниже.
US 2009177023 раскрывает фильтрационную тарелку для реактора с неподвижным слоем с совместным нисходящим потоком газа и жидкости.
Устройство может захватывать закупоривающие частицы, содержащиеся в жидкой загрузке, поставляемой в реактор, функционирующий с совместным нисходящим потоком газа и жидкости, с применением конкретной распределительной тарелки, содержащей фильтрующую среду. Устройство особенно применимо для селективного гидрирования сырья, содержащего ацетиленовые и диеновые соединения.
ЕР 0358923 раскрывает способ и аппаратуру для очистки сырого газа, имеющего происхождение от газификации твердых веществ. В процессе и аппаратуре для очистки сырого газа от газификации твердых веществ, содержащего гранулированные и порошкообразные частицы твердого вещества, необходимо найти решение, посредством которого частицы твердого вещества любого размера в большей степени удаляются из сырого газа до ввода в нижележащие охлаждающие устройства. Это достигается, когда сырой газ пропускают в первой стадии очистки из зоны газификации прямолинейно в направлении содержащего газ пространства, в соответствии с чем гранулированные частицы твердого вещества осаждаются на дне содержащего газ пространства и затем на второй стадии очистки частично очищенный сырой газ латерально отклоняется от содержащего газ пространства и подвергается изменению скорости, уменьшенной на коэффициент, равный по меньшей мере 3, и после дополнительного отклонения газа проходит по существу в вертикальном направлении через фильтр для твердых веществ, где порошкообразные частицы твердого вещества удаляются из сырого газа.
Несмотря на упомянутый выше известный уровень техники, существует необходимость в реакторе с сепаратором частиц для обеспечения продолжительного эффективного функционирования реактора, несмотря на любые загрязнения частицами во входном потоке флюида в реактор.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение описывает современный каталитический химический реактор, содержащий систему отделения частиц, кинетический сепаратор частиц. С незначительной модификацией настоящее изобретение можно применять для избирательного отделения частиц определенных аэродинамических диаметров, процесс, иначе известный как классификация частиц или порошков. Классификация порошков необходима для улучшения характеристик процессов получения в химической, горнодобывающей, фармацевтической или пищевой промышленности, где размер частиц является существенным. Также в технике известно применение классификации порошков для исследовательских целей.
Согласно изобретению частицы отделяются от быстро текущего флюидного потока посредством их улавливания в области квазистатического течения. Улавливание частиц получают посредством приложения принудительной тяги на различных стадиях и режимах, которые требуются при рассмотрении инерциальных свойств частиц, чтобы отклонить инерцию движения частиц от областей высокой к областям низкой, квазистатической, скорости газа.
В промышленно функционирующем устройстве принцип улавливания частиц посредством отклонения инерции движения можно комбинировать или не комбинировать с другими принципами, применяемыми в технике.
Отличительные признаки изобретения
1. Каталитический реактор для отделения частиц для химических реакций, включающий кинетический сепаратор частиц для отделения частиц от входящего флюидного потока в реактор, где указанный кинетический сепаратор частиц включает по меньшей мере один ускорительный канал, участок разделения потока, участок торможения частиц, сборную камеру и канал для выхода газа.
2. Каталитический реактор для отделения частиц по п. 1, в котором отделяющий частицы реактор дополнительно включает по меньшей мере один участок осаждения частиц для первичного отделения частиц от входного потока флюида, причем участок осаждения частиц располагается выше по потоку от кинетического сепаратора частиц.
3. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором участок осаждения частиц включает перфорированный входной диффузор.
4. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный участок осаждения включает первоначальный кинетический сепаратор частиц, расположенный после флюидного впуска реактора и до кинетического сепаратора частиц.
5. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный участок осаждения включает по меньшей мере одну трубу для перемещения флюидного потока от участка осаждения к кинетическому сепаратору частиц.
6. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанная по меньшей мере одна труба для перемещения имеет дугообразную форму.
7. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный кинетический сепаратор частиц включает множество устройств сепаратора частиц, скомпонованных в группу.
8. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный кинетический сепаратор частиц дополнительно включает по меньшей мере одну многослойную структуру, расположенную между ускорительным каналом и участком торможения.
9. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанная камера торможения имеет стенку для падения частиц, расположенную под углом, для направления отделенных частиц от камеры торможения к сборной камере.
10. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанная ускорительная камера включает соединения для флюидов типа ковша от ускорительного канала к сборной камере, обеспечивая таким образом более низкое давление в сборной камере относительно ускорительного канала для направления потока частиц от участка торможения к сборной камере.
11. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный ускорительный канал имеет переменную площадь поперечного сечения.
12. Каталитический реактор для отделения частиц по п. 11, в котором переменная площадь поперечного сечения обеспечивается закрыванием части поперечного сечения направляющим устройством.
13. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором кинетический сепаратор частиц содержит обычный доступный для обслуживания выход по меньшей мере от одного сборного участка для удаления собранных частиц во время эксплуатации.
14. Каталитический реактор для отделения частиц по любому из предшествующих пунктов, в котором основой реактора является цилиндр, сформированный на участке между верхней и нижней частями реактора и по меньшей мере один, предпочтительно два участка группы кинетических сепараторов частиц располагаются в линию рядом с диаметром реактора.
15. Кинетический сепаратор частиц для отделения частиц от потока флюида, в котором указанный кинетический сепаратор частиц включает по меньшей мере один ускорительный канал, участок разделения потока, участок торможения частиц, сборную камеру и канал для выхода газа.
16. Кинетический сепаратор частиц по признаку 15, в котором указанный кинетический сепаратор частиц включает множество устройств сепаратора частиц, расположенных в группу.
17. Кинетический сепаратор частиц по любому из п.п. 15-16, в котором указанный кинетический сепаратор частиц дополнительно включает по меньшей мере одну многослойную структуру, расположенную между ускорительным каналом и участком торможения.
18. Кинетический сепаратор частиц по любому из п.п. 15-17, в котором указанная камера торможения имеет по меньшей мере одну стенку для падения частиц, расположенную под углом, для направления отделенных частиц от камеры торможения к сборной камере.
19. Кинетический сепаратор частиц по любому из пп. 15-18, в котором указанный ускорительный канал содержит соединения для флюидов типа ковша от ускорительного канала до сборной камеры, обеспечивая таким образом более низкое давление в сборной камере относительно ускорительного канала для направления потока частиц от камеры торможения к сборной камере.
20. Кинетический сепаратор частиц по любому из пп. 15-19, в котором указанный ускорительный канал имеет переменную площадь поперечного сечения.
21. Кинетический сепаратор частиц по п. 20, в котором переменная площадь поперечного сечения обеспечивается закрыванием части поперечного сечения направляющим устройством.
22. Кинетический сепаратор частиц по любому из пп. 15-21, в котором кинетический сепаратор частиц содержит обычный доступный для обслуживания выход по меньшей мере от одного сборного участка для удаления собранных частиц во время эксплуатации.
23. Применение отделяющего частицы каталитического реактора, содержащего кинетический сепаратор частиц по любому из предшествующих пунктов для гидроочистки.
Краткое описание чертежей
Изобретение дополнительно иллюстрируется прилагаемыми чертежами, показывающими примеры вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 1 показывает изометрическую проекцию кинетического сепаратора частиц для каталитического химического реактора (не показан) согласно одному из вариантов выполнения изобретения.
Фиг. 2 показывает изометрическую проекцию детали кинетического сепаратора частиц для каталитического химического реактора (не показан) согласно одному из вариантов выполнения изобретения.
Фиг. 3 показывает вид сверху детали кинетического сепаратора частиц для каталитического химического реактора (не показан) согласно одному из вариантов выполнения изобретения.
Фиг. 4 показывает изометрическую проекцию детали кинетического сепаратора частиц для каталитического химического реактора (не показан) согласно одному из вариантов выполнения изобретения.
Фиг. 5 показывает изометрическую проекцию детали кинетического сепаратора частиц для каталитического химического реактора (не показан) согласно одному из вариантов выполнения изобретения.
Фиг. 6 показывает изометрическую проекцию детали кинетического сепаратора частиц для каталитического химического реактора (не показан) согласно одному из вариантов выполнения изобретения.
Номера позиций
01. Кинетический сепаратор частиц
02. Участок осаждения частиц
03. Ускорительный канал.
04. Участок разделения потока.
05. Участок торможения частиц
06. Сборная камера
07. Перфорированный входной диффузор.
08. Первоначальный кинетический сепаратор частиц.
09. Труба для перемещения.
10. Просеивающая поверхность (например, многослойная структура).
11. Стенка для падения частиц, расположенная под углом I.
12. Соединения для флюидов типа ковша.
13. Канал выхода.
В ускорительном канале 03, насыщенный частицами флюид (например, газ) ускоряется по направлению к просеивающей поверхности, многослойной структуре 10, за которой располагается участок торможения частиц 05, см. фиг. 3 и 4. На выходе из ускорительного канала флюид и частицы проталкиваются по направлению к многослойной структуре. За многослойной структурой газ все еще находится на участке торможения частиц. В то время как частицы по инерции продолжают свое перемещение через просеивающую поверхность на участок торможения частиц, струи газа вынуждают резко изменить направление и следовать открытым проходом в камеру в форме лабиринта (участок разделения потока 04). Поток газа подвергают воздействию многочисленных изменений в направлении.
Частицы, несомые газом, обладают более высокой инерцией, чем газ. Частицы, более мелкие, чем определенный предельный аэродинамический диаметр, обладают слишком незначительной инерцией и будут следовать за струями газа. Система кинетического сепаратора частиц 01 будет неэффективной по отношению к таким частицам. Частицы, более крупные, чем предельный аэродинамический диаметр, будут продолжать свое движение и поступят на просеивающую поверхность.
Из участка торможения за просеивающей стенкой частицы перемещаются в сборную камеру 06. Перемещение осуществляется посредством силы тяжести и газовой тяги. Газовая тяга необходима для гарантии быстрого отвода небольших частиц из участка торможения для того, чтобы избежать риска, что частицы будут повторно улавливаться газом и проходить из камеры торможения и обратно в камеру отделения течения.
Частицы в сборной камере или их агломераты падают под действием силы тяжести на дно камеры.
Газовую тягу можно создать многими способами. В одном варианте выполнения газовая тяга создается снабжением сборной камеры отверстиями, соединениями 12 флюида типа ковша, соединяющими сборную камеру с ускорительным участком. Газ, текущий с высокой скоростью в ускорительном канале, создает у стенок пониженное давление. Посредством отсасывания газ из сборной камеры движется в ускорительную камеру, создавая тягу в сборной камере и в камере торможения частиц.
На всех участках присутствуют важные конструкционные детали в определении эффективности отделения устройства.
- Конструкция участка ускорения определяет скорость частиц у просеивающей стенки. В общих чертах, аэродинамический диаметр частиц, которые можно отделить, обратно пропорционален скорости частиц у просеивающей стенки.
- Конструкция лабиринта определяет скорость газа у просеивающей стенки. В общих чертах, аэродинамический диаметр частиц, которые могут повторно улавливаться в газе, прямо пропорционален величине вектора скорости газа в этой области.
- Просеивающая стенка предназначена для отделения лабиринта от камеры торможения. Просеивающая стенка позволяет частицам проходить в камеру торможения, но сводит к минимуму образование завихрений или рассеивания потоков, которые могут повторно улавливать частицы и нести их обратно в лабиринт. Кроме динамических свойств флюида, конструкция просеивающей стенки должна принимать во внимание физические свойства частиц, например, клейкость, которые могут вызывать затруднения при функционировании системы.
Камера торможения имеет такие размеры, чтобы частицы не ударялись о стенки камеры. Здесь, движение частиц под действием инерционных сил замедляется и отклоняется газовым потоком и силой тяжести до того, как частицы ударятся о стенку. В случае, когда частицы действительно ударяются о заднюю стенку камеры торможения, она может быть под углом 11, чтобы частицы падали вниз к сборной камере.
Объем сборной камеры имеет размеры относительно ожидаемого количества улавливаемых частиц. Важными признаками сборной камеры являются:
(a) Создание тяги для гарантии быстрого отвода частиц из камеры торможения.
(b) Присутствие устройств, которые препятствуют движению частиц к любым отверстиям, которые соединяют сборную камеру с ускорительной камерой или лабиринтом.
(c) Открытый проход для предоставления возможности свободного удаления накопленных частиц (не показан).
Конструирование участков и профилей скоростей газа осуществляют, обращая внимание на вязкость газа и плотность газа, которые вносят вклад в определение аэродинамического диаметра частиц, которые могут быть отделены (предельный диаметр). Предельный диаметр можно не давать в абсолютных величинах, а скорее в вероятностных величинах.
Размер частиц, которые можно удалять кинетическим сепаратором частиц, зависит от скорости газа на участке отделения течения: чем выше скорость, тем мельче частицы. Однако высокую скорость через ускорительную камеру можно не получить без увеличения падения давления через устройство.
Для определенных применений, как, например, обогащенное частицами сырье для лигроина к гидроочистительному устройству, размер и природа частиц, которые следует улавливать, заранее не известны. Таким образом, конструирование устройства для улавливания очень мелких частиц дает неуместное падение давления через устройство. Теоретически, конструкцию следует делать так, чтобы собирать достаточное количество частиц, чтобы позволить реактору функционировать полный цикл, однако без неуместного усиления падения давления.
Кинетический сепаратор частиц согласно варианту выполнения настоящего изобретения включает механические конструкции, которые предоставляют широкие возможности в поперечном сечении потока в ускорительной камере. Для достижения этой цели существует несколько способов. В одном варианте выполнения ускорительную камеру можно создать блоком более мелких ускорительных камер. Общее ускорительное поперечное сечение можно регулировать открыванием определенной фракции ускорительных камер (не показано). Таким образом, можно изменять скорость газа в лабиринте. С помощью этой технологии характеристики оборудования можно отрабатывать на месте для гарантии оптимального баланса между характеристиками улавливания накипи и падением давления через оборудование.
В зависимости от конструкции просеивающей стенки и камеры торможения у этих элементов могут ухудшаться эксплуатационные характеристики, если частицы, поступающие в кинетический сепаратор, являются слишком крупными. Эти частицы можно удобно собирать вверх по потоку от кинетического сепаратора способами, известными в технике.
В одном варианте выполнения, как показано на фиг. 1, отделение крупных частиц можно осуществить посредством осаждения в первоначальном кинетическом сепараторе частиц 08. В этом варианте выполнения газ вводят через перфорированный входной диффузор 07. Входной диффузор разрабатывают специальным образом так, чтобы газ тек потоками в параллельном направлении по отношению к кинетическому сепаратору частиц в форме тарелки. Также газ течет с низкой скоростью, чтобы дать возможность крупным частицам осаждаться в пространстве для хранения под осаждающим частицы участком 02. Газ течет к кинетическому сепаратору частиц через проводники, перемещающие дымоходы 09. Их можно сформировать как дымоходы, традиционно применяемые в технике, или в виде полумесяцев, как в этом варианте выполнения. Форма проводников определяется динамическими факторами флюида или другими условиями. Например, если существующий реактор модифицирован сепаратором частиц согласно этому изобретению, общая высота pf тарелки может быть ограниченной.
Входной диффузор, применяемый для цели, описанной в данном документе, особенно конструируют относительно динамических факторов флюида так, чтобы гарантировались правильные профили скорости. Кроме того, конструкция требует рассмотрения присутствия частиц и вероятности осаждения и накопления частиц внутри самого входного диффузора.
3
3
Согласно современному уровню знаний частицы, влияющие на дополнительную переработку, имеют размер ниже 1 микрона и вплоть до 1000 микрон, плотность от 700 кг/м до 4000 кг/м и формы от сферы до хлопьев и иголок.
На фиг. 2 и 6 показан кинетический сепаратор частиц, изготовленный как два блока, причем относы содержат множество единичных участков, причем каждый содержит ускорительные каналы, многослойную структуру, участок разделения потока, участок торможения частиц, сборную камеру и каналы для выхода газа 13. Более подробный вид одного из этих блоков/относов показан на фиг. 5.
Пример
3
3
1) В первом примере изобретение осуществляют как кинетический сепаратор частиц в реакторе для гидроочистки лигроина. Целевой аэродинамический предельный диаметр, равный 5 микрон, и плотность, равная 2000 кг/м, с максимальным падением давления по шкале ограничителя, равным 2000 Па. Регулируемое количество ускорительных камер позволяет смягчить эти требования до аэродинамического предельного диаметра, равного 30 микрон, и плотности, равной 2000 кг/м. Кинетический сепаратор частиц смонтирован в форме тарелки на опорных балках или на несущей конструкции, сводя таким образом к минимуму расстояние, требуемое для обеспечения механической прочности, к преимуществу объема, применяемого для сбора частиц, и он установлен внутри реактора посредством опорного кольца.
2) Во втором примере изобретение также осуществлено на реакторе для гидроочистки с похожими характеристиками процесса, как в первом примере. Однако изобретение включено во впускной распределитель и является подвешенным к крышке.
3) В третьем примере изобретение осуществлено посредством присоединения компонента равновесной скорости отделения и импульсного столкновения. Этот вариант выполнения представляет особый интерес, когда частицы, направленные в реактор, имеют крупные компоненты, размеров, сравнимых с каналами лабиринта, которые могли бы препятствовать прохождению газа через лабиринт.
3
3
4) В четвертом примере изобретение осуществлено или как тарелка или как входной распределитель, на реакторе для окисления серы в оксиды серы, например, как используемый ниже по потоку генератор катализатора в процессе Псевдоожиженного Каталитического Крекинга. Целевой аэродинамический предельный диаметр, равный 0,5 микрон, и плотность, равная 700 кг/м. Перемещающиеся перекрытия позволяют смягчить эти требования до аэродинамического предельного диаметра, равного 2 микрон, и плотности, равной 1300 кг/м.