РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к области химического аппаратостроения, в частности к реакторам для проведения многофазных гетерогенных процессов в стационарном слое гранулированной каталитической насадки, и может быть использована в процессах гидрогенизационной переработки углеводного сырья в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Известен радиальный реактор, включающий цилиндрический корпус, соосный с ним перфорированный стакан и центральную сетчатую трубу, соединенную со штуцером вывода продукта, при этом пространство между указанным стаканом и трубой заполнено гранулированной каталитической насадкой (В.В.Средин, П.М.Тарасенков. Оборудование и трубопроводы установок каталитического риформинга. Л.: Гостоптехиздат, 1963 г.).
Известный реактор реализует принцип радиального движения реагирующей смеси и в отличие от реакторов с аксиальным движением двухфазного потока обеспечивает уменьшение энергетических потерь в гетерогенных системах за счет того, что реагирующую смесь пропускают через стационарный слой катализатора, имеющий большую входную поверхность и малую высоту.
Однако применение указанного реактора для процессов, где реакция протекает в двухфазном потоке, ограничивается возможностью расслоения потока на входе в слой катализатора на газовую и жидкую фазы, что влияет на степень конверсии сырья и, следовательно, на качество гидрогенизата.
Кроме того, при проведении многофазных процессов при наличии в сырье значительного количества жидкой фазы, последняя скапливается в зазоре между корпусом и стаканом и выводится из реактора, проходя через сравнительно небольшой объем катализатора, что приводит к невысокой суммарной глубине процесса и ухудшению качества получаемых продуктов.
В соответствии с изложенным реакторы такой конструкции целесообразно использовать для проведения однофазных процессов.
Известен реактор аксиально-радиального типа для проведения многофазного каталитического процесса в стационарном слое каталитической насадки, а именно гидрокаталитической депарафинизации жидкого нефтяного сырья, содержащий цилиндрический вертикальный корпус с расположенным внутри перфорированным цилиндрическим стаканом, заполненным каталитической насадкой, установленным коаксиально и с зазором по отношению к корпусу и снабженным центральным перфорированным коллектором, причем в нижней части коллектора установлена перегородка, перекрывающая его сечение и препятствующая проскоку газа через коллектор, при этом в верхней части корпуса размещены штуцеры для подачи исходных газа и жидкости, а в нижней части корпуса расположен штуцер вывода продуктов (US 4568524).
При проведении процесса жидкую фазу сырья направляют нисходящим потоком через слой катализатора и выводят из аппарата, а газофазный поток, поступающий в центральный перфорированный коллектор, движется в радиальном направлении по отношению к потоку жидкости.
Недостатком известного реактора является существенное ограничение диапазона нагрузок по газу и жидкости, что приводит к его сравнительно низкой производительности, что обусловлено нижеследующим.
При увеличении скорости подачи исходных потоков жидкого сырья и газа происходит значительное отклонение потока жидкости от вертикального положения к периферийной зоне и, как следствие, захват и вынос части жидкой фазы в зону между корпусом и стаканом. При этом значительная часть технологически необходимого объема катализатора не участвует в процессе, что приводит к невысокой его эффективности.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является реактор для проведения многофазных процессов, содержащий цилиндрический вертикальный корпус с расположенным внутри цилиндрическим перфорированным стаканом, заполненным каталитической насадкой, установленным коаксиально и с зазором по отношению к корпусу и снабженным центральным перфорированным коллектором, установленная в нижней части перфорированного коллектора перегородка, перекрывающая сечение коллектора, приспособление для подачи исходных жидкой и газовой фаз, расположенное в верхней части корпуса, патрубок для вывода продукта, установленный в нижней части корпуса, глухую кольцевую горизонтальную перегородку, установленную в зазоре между корпусом и перфорированным стаканом, вертикально ориентированную трубу с диаметром меньшим, чем диаметр коллектора, и установленную коаксиально внутри центрального перфорированного коллектора над глухой кольцевой перегородкой (RU 2213613).
Отличительной особенностью аксиально-радиальных реакторов от реакторов аксиального типа является нисходящее гравитационное движение жидкой фазы в слое катализатора и радиальное по отношению потока жидкости напорное движение газовой фазы. Работа реактора в режиме регенерации катализатора, при котором радиальное движение газовоздушного (паровоздушного) потока образует однородную структуру температурных полей, обеспечивает высокую эффективность регенерации катализатора.
К недостаткам описанной конструкции аксиально-радиального реактора относятся следующие:
- обеспечение перекрестного движения указанных потоков в небольшом объеме каталитической насадки вследствие отсутствия четкого разделения газовой и жидкой фаз на самостоятельные потоки.
- наличие «мертвых» зон в объеме каталитической насадки вследствие проскока газовой фазы, что приводит к снижению конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и общему снижению показателей эффективности работы многофазного реактора. Указанные проскоки газовой фазы имеют место через слой каталитической насадки в области глухой кольцевой горизонтальной перегородки при движении газовой фазы через пространство между корпусом и цилиндрическим стаканом с перфорированными стенками в пространство под глухой кольцевой горизонтальной перегородкой, а также в нижней части перфорированного коллектора в области перегородки напрямую в патрубок вывода продуктов.
- неравномерное распределение и неполное участие газовой фазы в целевых реакциях, и, соответственно, снижение конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и эффективности работы многофазного реактора, что обусловлено образованием канальных проскоков в объеме каталитической насадки в областях проскока газа и преимущественному движению газовой фазы через канал.
- неравномерное распределение жидкой фазы по объему каталитической насадки и, соответственно, снижение конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и эффективности работы многофазного реактора, что обусловлено возможностью выноса жидкой фазы в перфорированный центральный коллектор, а также возможностью попадания ее в пространство между корпусом и перфорированным стаканом при увеличении расхода жидкой фазы и, как следствие, байпасирование объема каталитической насадки жидкой фазой.
- снижение избытка компонентов газовой фазы по отношению к химическому потреблению этих компонентов жидкой фазой
- возможность выноса жидкой фазы в патрубок вывода продуктов, что приводит к снижению конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и общему снижению показателей эффективности работы многофазного реактора.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание реактора для проведения многофазных процессов, обеспечивающего повышение конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт за счет оптимизации перекрестного движения нисходящего потока жидкой фазы и радиального движения газовой фазы, обусловливающей увеличение равномерности распределения потоков газовой и жидкой фаз по всему объему каталитической насадки, уменьшение скорости движения газовой фазы через объем каталитической насадки и исключение образования зон нереагирующей каталитической насадки.
Поставленная задача достигается тем, что реактор для проведения многофазных процессов содержит вертикальный цилиндрический корпус с установленным коаксиально в нем стаканом, полость которого заполнена каталитической насадкой, установленную по оси стакана вертикальную трубу для сбора газовой фазы, патрубки для ввода сырьевой газожидкостной смеси и вывода продукта, расположенные, соответственно, на верхнем и нижнем торцах корпуса, две газожидкостные сепарационные тарелки, размещенные, соответственно, в верхней части корпуса и в нижней части корпуса под слоем каталитической насадки, и, по меньшей мере, одну газожидкостную сепарационную тарелку, установленную в центральной части корпуса, при этом стенки стакана и/или вертикальная труба для сбора газовой фазы выполнены перфорированными на участках между зонами расположения газожидкостных сепарационных тарелок, причем коэффициент перфорации уменьшается сверху-вниз по высоте корпуса, нижний конец вертикальной трубы для сбора газовой фазы, расположенный под нижней газожидкостной сепарационной тарелкой, выполнен со сквозными отверстиями для вывода жидкости, а в нижней части корпуса в зазоре, образованном стенками корпуса и стакана, на уровне нижней газожидкостной сепарационной тарелки размещена глухая кольцевая горизонтальная перегородка.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлен общий вид реактора.
Реактор содержит цилиндрический корпус 1, верхний 2 и нижний 3 патрубки, соответственно, для ввода сырьевой газожидкостной смеси и вывода продуктовой газожидкостной смеси, сборный стакан 4 и вертикальную трубу 5 для сбора газовой фазы. Сборный стакан 4 заполнен стационарным слоем твердофазной каталитической насадки 6.
Для повышения эффективности разделения газовой и жидкой фаз, равномеризации распределения потока жидкой фазы по объему каталитической насадки 6 и для организации перекрестного движения нисходящего потока жидкой фазы и радиального движения газовой фазы в верхней части корпуса 1 и в его нижней части под слоем каталитической насадки 6 установлены две газожидкостные сепарационные тарелки 7 и 8, и, по меньшей мере, одна газожидкостная сепарационная тарелка 9 размещена в центральной части корпуса 1.
Стенки стакана 4 и/или вертикальная труба 5 для сбора газовой фазы на участках между зонами расположения газожидкостных сепарационных тарелок 7, 8, 9 выполнены перфорированными с переменным коэффициентом перфорации.
Коэффициент перфорации - это отношение площади свободного (сквозного) сечения к единице площади перфорированной поверхности (ед. измерения %) и его значение уменьшается сверху-вниз по высоте корпуса. При движении газовой фазы сверху-вниз между корпусом 1 реактора и стаканом 4 происходит изменении скорости и давления потока на перфорированный стакан 4, и как следствие изменение расхода газовой фазы через слой катализатора 6. Причем расход газовой фазы через слой катализатора 6 при постоянном коэффициенте перфорации у стакана 4 и центральной вертикальной трубы 5, будет увеличиваться к низу реактора (стакана 4). По данной причине необходимо производить неравномерную перфорацию стакана 4 и трубы 5, значение которой уменьшается сверху-вниз по высоте корпуса 1.
В случае параметров процесса, при которых расход газовой фазы составляет до 10 объемов кратных объему реактора в час, целесообразно выполнение с переменным коэффициентом перфорации только вертикальной трубы 5, значение которой позволит равномерно распределить поток газовой фазы по высоте реактора через слой катализатора.
В случае параметров процесса, при которых расход газовой фазы составляет от 10 до 20 объемов кратных объему реактора в час, целесообразно выполнение с переменным коэффициентом перфорации только стакана 4, значение которой позволит равномерно распределить поток газовой фазы по высоте реактора через слой катализатора.
В случае параметров процесса, при которых расход газовой фазы составляет свыше 20 объемов кратных объему реактора в час, целесообразно выполнять и стакан 4 и трубу 5 с переменным коэффициентом перфорации, так как только в этом случае можно достичь равномерного распределения потока газовой фазы через слой катализатора.
Верхняя газожидкостная сепарационная тарелка 7, средняя газожидкостная сепарационная тарелка 9 и нижняя газожидкостная сепарационная тарелка 8 состоят из перфорированной пластины 10 для гашения инерционной энергии потока и колпачка гидрозатвора 11. Центральная перфорированная труба для сбора газовой фазы 5 содержит глухие участки 12 и 13 у средней 9 и нижней 8 газожидкостных сепарационных тарелок для предотвращения перетекания жидкой фазы и поддержания уровня жидкости на тарелках. Сквозные отверстия 14 в центральной перфорированной трубе 5 обеспечивают вывод жидкой фазы и смешение с газовой фазой. Вывод продуктовой газожидкостной смеси производится через нижний штуцер 3. На верхней, средней и нижней газожидкостных сепарационных тарелках 7, 9 и 8 соответственно, образуется динамически существующий уровень жидкости 15. Между цилиндрическим корпусом 1 реактора и сборным перфорированным стаканом 4 размещена сплошная кольцевая перегородка 16 для предотвращения проскока газовой фазы в сквозные отверстия 14.
Реактор работает следующим образом.
Исходная сырьевая газожидкостная смесь подается в реактор через верхний патрубок 2. Газожидкостная смесь частично под действием гравитационных сил разделяется на газовую и жидкую часть, причем жидкая часть скапливается на верхней газожидкостной сепарационной тарелке 7. Для снижения энергии инерции потока жидкости в верхней части газожидкостной сепарационной тарелки 7 установлена перфорированная пластина 10. Жидкая фаза накапливается и создает динамически существующий уровень жидкости 15, который в свою очередь препятствует проскоку газа через тарелку. Жидкая фаза выливается через колпачок гидрозатвора 11 и поступает в объем каталитической насадки 6. Динамически существующий уровень жидкости 15 можно регулировать посредством изменения высоты колпачка гидрозатвора 11. Равномерное распределение жидкой фазы по сечению каталитической насадки регулируется числом и относительным взаимным расположением колпачков гидрозатвора 11 на тарелке. Жидкая фаза направляется нисходящим потоком по высоте каталитической насадки 6. Газовая фаза направляется в пространство между цилиндрическим корпусом реактора 1 и сборным перфорированным стаканом 4. Далее газовая фаза движется радиально и перекрестно с потоком жидкой фазы в центральную перфорированную трубу 5, проходя весь объем каталитической насадки 6. Для равномерного распределения газовой фазы по всему объему каталитической насадки 6 сборный перфорированный стакан 4 и центральная перфорированная труба 5 имеют переменное значение свободного сечения (перфорации) по высоте. Нисходящая жидкая фаза, частично обработанная в верхней зоне каталитической насадки 6, поступает на среднюю газожидкостную сепарационную тарелку 9 для повторного равномерного распределения по сечению каталитической насадки. Средняя газожидкостная сепарационная тарелка 9 также выполняет функцию разделения газовой и жидкой фаз, способствуя организации перекрестного движения потоков. Далее жидкая фаза проходит нижнюю часть каталитической насадки 6 и выводится из зоны реакции через нижнюю газожидкостную сепарационную тарелку 8, откуда через сквозные отверстия 14 попадает в нижний патрубок 3 для вывода газожидкостной продуктовой смеси. Газовая фаза собирается в центральной перфорированной трубе 5 и также выводится через нижний патрубок 3.
При движении газовой фазы между корпусом реактора 1 и перфорированным сборным стаканом 4 происходит неравномерное распределение потока по всей высоте слоя твердофазной каталитической насадки 6, причем закономерность увеличения расхода газовой фазы через перфорированный стакан 4 имеет квадратичную зависимость от расхода газовой фазы в реактор и увеличивается от верхней газожидкостной сепарационной тарелки 7 до нижней газожидкостной сепарационной тарелки 8. То есть происходит неравнозначное перераспределение газовой фазы по высоте слоя каталитической насадки, что в свою очередь приводит к неравномерному характеру работы объема каталитической насадки. Использование переменного коэффициента перфорации по высоте сборного стакана 4 и центральной трубы 8, позволяет устранить описанный эффект. Характер изменения перфорации сборного стакана 4 и центральной трубы 5 для сбора газовой фазы имеет квадратичную зависимость от диапазона расхода газовой фазы в реактор, причем коэффициент перфорации изменяется от верхней газожидкостной сепарационной тарелки 5 до нижней газожидкостной сепарационной тарелки 7 в интервале от 80 до 2% в сторону уменьшения значения.
Использование метода регулирования переменного коэффициента перфорации сборного стакана 4 и центральной трубы 5 позволит равномерно распределить поток газовой фазы по объему каталитической насадки и обеспечит равнозначные условия для протекания целевых химических реакций, что в свою очередь повысит эффективность работы многофазного реактора в целом.
Таким образом, предлагаемая конструкция реактора обеспечивает:
- Высокоэффективное разделение газовой и жидкой фаз;
- Равномеризацию распределения потока газовой и жидкой фаз по объему каталитической насадки;
- Четкую организацию перекрестного движения нисходящего потока жидкой фазы и радиального движения газовой фазы;
- Уменьшение скорости движения газовой фазы через объем каталитической насадки для достижения максимальной конверсии компонентов сырья в целевые продукты;
- Ликвидацию проскоков газовой фазы и образования канальных проскоков;
- Устранение образования зон не реагирующей каталитической насадки.
- Максимальное вовлечение всего объема каталитической насадки в целевые реакции.
- Отсутствие градиента накопления продуктов реакций по ходу движения жидкой фазы.
- Вывод газообразных продуктов реакций с газовой фазой из реакционного объема каталитической насадки.