КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С НИСХОДЯЩИМ ПОТОКОМ
CATALYTIC REACTOR WITH DOWNFLOW

Это изобретение относится к каталитическим реакторам, более конкретно к каталитическому реактору с нисходящим потоком, используемому, например, для гидроочистки и гидрокрекинга в операциях переработки нефти.
В каталитических реакторах с нисходящим потоком необходимо, чтобы газ и жидкость были соответствующим образом смешаны через горизонтальное сечение реактора перед входом в слои катализатора. Множество слоев катализатора расположены внутри реактора, и система распределения для тщательного смешивания газа и жидкостей расположена в области между двумя последовательными слоями катализатора. Эту область обычно снабжают линией нагнетания газа ниже слоя катализатора, при этом инжектируют дополнительный газ, чтобы компенсировать газ, уже использованный в предыдущем слое катализатора, или в качестве охлаждающего газа, например инжекцией водорода. Жидкости, падающей вниз от расположенного выше слоя катализатора, позволяют накапливаться посредством множества сливов, расположенных в собирающем поддоне и расположенных ниже или выше уровня линии нагнетания газа. После достижения определенного уровня жидкость проходит сквозь сливы в камеру смешения, где обеспечивается вихреобразное перемещение жидкости. Это способствует хорошему смешиванию жидкости и при этом однородным температурным условиям в жидкости. Жидкость из камер смешения падает вниз на
дефлектор или отбойник, посредством чего поток переправляют на первый распределительный поддон, имеющий большое количество отверстий вниз для прохождения жидкости. В этом поддоне осуществляют грубое распределение газа и жидкости через реактор. Слой жидкости аккумулируется в этом поддоне и закрывает отверстия так, что препятствует прохождению газа. Прохождению газа от указанного первого распределительного поддона способствует наличие ряда трубок. Эти две фазы затем смешивают ниже по ходу потока на втором или конечном распределительном поддоне, имеющем ряд трубчатых сливов для течения газа и жидкости. Этот поддон предназначен для перераспределения газа и жидкости, по существу, симметрично через горизонтальное сечение реактора над верхней частью следующего слоя катализатора.
Чтобы улучшить однородность распределения и смешивания пара и жидкости через реактор, патент США №4,836,989 описывает распределительную систему в области между слоями катализатора, как описано выше, в которой выходы сливов приспособлены для придания вихревого движения жидкости, когда она входит в камеру смешения. Каждая из трубок для прохождения вниз пара, присоединенная к первому распределительному поддону, представляет собой трубку с открытым верхом, продолжающуюся над указанным первым распределительным поддоном, и включает пластину с отверстиями в ее нижнем конце. Высокая скорость и вихревое движение, преобладающее в камере смешения, само усиливается в нисходящих трубках, и в результате поток, покидающий трубку, будет приобретать более высокую скорость по направлению к стенке реактора, чем к центру реактора. Соответственно, нисходящий поток из трубок неравномерно распределяется во втором (конечном) распределительном поддоне, с сопутствующим эффектом, так что газ и жидкость не смешиваются оптимально через горизонтальное сечение реактора при контакте с нижележащим слоем катализатора.
Поэтому задача изобретения состоит в обеспечении улучшенной однородности в горизонтальном сечении реактора в потоке, спускающемся от трубок, и улучшенное смешивание газа и жидкости, входящей во второй распределительный поддон перед контактом со следующим слоем катализатора, и обеспечении такой улучшенной однородности в потоке и смешивания газа и жидкости при сохранении, в то же самое время, нетронутого вихревого движения, вызываемого в камере смешения выше трубок.
Указанная задача достигается предложенным каталитическим реактором с нисходящим потоком, имеющим множество слоев катализатора, в которые проходит смесь газа и жидкости, причем область между последовательными слоями катализатора снабжена распределительной системой для распределения и смешивания газа и жидкости перед контактом со следующим слоем катализатора, указанная распределительная система содержит:
(a) линию нагнетания газа, расположенную ниже поддона для поддержания катализатора,
(b) собирающий поддон, расположенный ниже указанной линии нагнетания газа и приспособленный для приема газа и жидкости,
(c) коллекторы слива, продолжающиеся над уровнем указанного собирающего поддона и снабженные выходными отверстиями для прохождения газа и жидкости, причем указанные выходные отверстия приспособлены для придания вихревого движения выходящим газу и жидкости,
(d) камеру смешения, приспособленную для приема и поддержания вихревого движения газу и жидкости, спускающимся от указанных коллекторов слива,
(e) отбойник ниже указанной камеры смешения, приспособленный для направления потока в радиальном направлении от указанной камеры смешения,
(f) первый распределительный поддон, расположенный ниже указанного отбойника, имеющий ряд отверстий на всем протяжении, чтобы позволять прохождение вниз жидкости, и ряд трубок, чтобы позволять прохождение вниз газа, и
(g) второй распределительный поддон, расположенный ниже указанного первого распределительного поддона, причем указанный второй распределительный поддон имеет множество удлиненных трубок, в котором указанные удлиненные трубки обеспечивают перераспределение газа и жидкости перед контактом со следующим слоем катализатора,
причем отличительный признак реактора состоит в том, что, по меньшей мере, одна трубка обеспечена устройством распределения, которое способно разделять камеру трубки на по меньшей мере две камеры.
Таким образом, простым способом вращательное движение жидкости внутри трубки прерывают, при этом выравнивают профиль скорости нисходящего потока из трубок, и поток равномерно распределяют через горизонтальное сечение реактора.
Предпочтительно, распределительное устройство образовано с помощью пластины так, чтобы разделить камеру трубки на по меньшей мере две, по существу, равных камеры. Более предпочтительно, распределительное устройство формируют с помощью двух пластин, пересекающих друг друга так, чтобы разделить камеру трубки на четыре, по существу, равных камеры. Распределительное устройство является простым и таким образом легким в изготовлении и установке внутри трубок. При разделении трубки на четыре отдельных камеры лучше осуществляется разрушение вихревого движения. Очевидно также возможны и другие конфигурации, например, камеры могут отличаться по размеру, и распределительное устройство может быть сформировано, чтобы разделять камеру трубки на шесть или даже более отдельных камер. Из-за недостатка в отношении падения давления, когда число отдельных камер увеличивают, предпочтительно, чтобы трубку разделяли на четыре камеры. Предпочтительно, камеры имеют, по существу, равный размер. Пластины предпочтительно представляют собой твердые металлические пластины, которые также могут быть снабжены отверстиями или апертурами, чтобы способствовать обмену текучих сред между камерами и снижать падение давления.
Распределительное устройство продолжается вверх от основания трубки до выше 25% длины трубки, предпочтительно до 50% длины трубки. Уровень нижней части по меньшей мере одной трубки может соответствовать уровню первого распределительного поддона, обеспечивая грубое распределение газа и жидкости, но трубки также могут продолжаться ниже уровня первого распределительного поддона.
В каталитическом реакторе с нисходящим потоком по изобретению по меньшей мере, одна трубка, а предпочтительно все трубки снабжены закрытой верхней частью с отдельными боковыми отверстиями для отдельного входа жидкости и газа, при этом отверстия для потока газа обращены от выходного отверстия камеры смешения. Это позволяет исключить байпасирование жидкости, падающей из камеры смешения, непосредственно на конечный или второй поддон выше следующего слоя катализатора вследствие прямого всасывания через трубки. Байпасирование жидкости из камеры смешения может приводить к очень низкому уровню жидкости на первом распределительном поддоне, тем самым повышая риск перехода градиента давления от указанного выше первого распределительного поддона на второй распределительный поддон ниже по ходу потока.
Трубки обычно расположены по кругу вокруг центра реактора, в котором расстояние от центра реактора соответствует, приблизительно, половине радиуса реактора. Основная задача расположения трубок по кругу или по кольцу вокруг центра реактора состоит в том, чтобы гарантировать, что любой градиент давления, возникающий на первом распределительном поддоне, не перемещается ко второму распределительному поддону. Предпочтительно, трубки расположены вокруг центра реактора, в котором расстояние от центра реактора до любой из трубок соответствует от около 25% до 75%, 85% или 90% радиуса реактора. Радиус реактора, как используется здесь, соответствует расстоянию от центра реактора, грубо заданного положением отверстия в камере смешения для выхода текучей среды, до внутренней стенки реактора.
Распределительная система в области между последовательными слоями катализатора может также включать перфорированную пластину, расположенную ниже первого распределительного поддона, которая покрывает, по существу, все поперечное сечение второго распределительного поддона, расположенного ниже. Это способствует дальнейшему распределению нисходящего потока от трубок и первого распределительного поддона до входа во второй и конечный поддон и в то же самое время создает спокойную поверхность жидкости во втором (конечном) распределительном поддоне. Предпочтительно, указанная перфорированная пластина в области пластины непосредственно ниже по меньшей мере одной трубки не имеет каких-либо отверстий. Это способствует улучшенному распределению жидкости, спускающейся из трубок на второй распределительный поддон, и не позволяет прямого всасывания газа и жидкости в удлиненные трубки второго поддона.
В другом варианте осуществления изобретения горизонтальная пластина, по существу, того же диаметра, как и наружный диаметр по меньшей мере одной трубки, расположена ниже указанной трубки и выше перфорированной пластины, покрывающей второй распределительный поддон.
В еще одном варианте осуществления перфорированная пластина отсутствует, и горизонтальная пластина, по существу, того же диаметра, как и наружный диаметр по меньшей мере одной трубки расположена ниже указанной трубки и выше второго распределительного поддона.
Указанная, по существу, горизонтальная пластина может поддерживаться на смежных удлиненных трубках второго распределительного поддона, например эта горизонтальная пластина может поддерживаться вертикальными кронштейнами, выступающими вниз на верхнюю часть смежных удлиненных трубок второго распределительного поддона. Это также способствует улучшенному распределению жидкости, спускающейся от трубок на второй распределительный поддон, и препятствует прямому всасыванию жидкости из трубок в удлиненные трубки непосредственно ниже во втором распределительном поддоне. Предпочтительно горизонтальная пластина может иметь другие формы, которые также являются пригодными для улучшения смешивания, эта пластина может, например, быть изогнутой вниз на ее концах.
Сопутствующее преимущество изобретения состоит в том, что теперь можно уменьшить расстояние между уровнем нижней части трубок и вторым (конечным) поддоном, тем самым позволяя обеспечение более компактного дизайна реактора.
Изобретение также подходит для ремонта или переоснащения существующих секций охлаждения в реакторах с нисходящим потоком, при этом трубки распределительной системы могут быть подходящим образом снабжены распределительным устройством путем простой вставки и фиксации устройства по изобретению в по меньшей мере одну трубку. Это может быть сделано быстро и эффективно, тем самым снижая дорогостоящее время простоя при работе реактора.
Область между последовательными слоями катализатора в ином случае относится в этой спецификации к секции закалки. Термин текучая среда охватывает газ или жидкость или их смесь. Термины газ и пар используют попеременно, также в качестве терминов линии нагнетания газа и цикла закалки. Удлиненные трубки во втором (конечном) поддоне, как используют в этой спецификации, также относятся и к трубкам, поднимающим пар.
Изобретение далее описано со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых Фиг.1 - вид в вертикальном сечении секции охлаждения реактора с нисходящим потоком по изобретению, а Фиг.2 - схематический конкретный вариант осуществления распределительного устройства по изобретению.
Ссылаясь на Фиг.1, реактор 1 с нисходящим потоком содержит секцию охлаждения ниже поддона 2 катализатора, имеющую охлаждающее кольцо 3 для инжекции охлаждающего газа, обычно водорода, поддон 4 коллектора, расположенный ниже указанного кольца закалки, сливы 5, вихревую камеру 6 смешения, отбойник 7, первый распределительный поддон 8, перфорированную пластину 9 и второй или конечный поддон 10 в форме поддона перераспределения трубок для подъема пара (ТПП).
Некоторый объем жидкости аккумулируется в собирающем поддоне 4 и перемещается к сливам 5, снабженным выпускными отверстиями, которые придают вращательное движение выходящей жидкости. Вихревая камера смешения 6 смешивает текучие реагенты в отделении, где текучие среды вместе образуют завихрение. Текучие среды покидают камеру 6 смешения при переполнении и проходят через центральное отверстие в нижней части. Текучие среды затем стекают на отбойник 7, который переправляет поток радиально ниже камеры 6 смешения.
Отбойник 7 расположен на расстоянии выше первого распределительного поддона, чтобы обеспечить свободное течение жидкости вниз.
Эти текучие среды затем падают на первый распределительный поддон 8, который служит в качестве грубого распределителя для разделения текучей среды на газ и жидкость. Этот первый распределительный поддон 8 снабжен большим количеством отверстий для распределения жидкости по сечению поддона ТПП 10 ниже. Первый распределительный поддон 8 имеет множество трубок 11, расположенных по кругу вокруг центра реактора. Каждая трубка включает закрытый верх 12 с боковым отверстием 13 для отдельного входа жидкости и газа. Боковые отверстия 13 могут быть отверстиями, градуированными по размеру с самыми большими отверстиями для переполнения жидкости, расположенными на той же самой высоте, что и отбойник 7. Отверстия 13 в трубках 11 для потока газа разработаны, чтобы они были обращены от отверстия смешения для выхода текучей среды, чтобы удалять байпасированную жидкость непосредственно на поддон 10 подъема пара.
Предназначенное распределительное устройство 14, расположенное внутри каждой трубки, действует в качестве разрушителя вихря. Распределительное устройство продолжается вверх от нижней части трубки до около 25% длины трубки, предпочтительно до 50% длины трубки. Уровень нижней части по меньшей мере одной трубки соответствует уровню первого распределительного поддона, предназначенного для грубого распределения газа и жидкости, но трубки могут также продолжаться ниже уровня первого распределительного поддона. Поток текучей среды от трубок 11 и первого распределительного поддона 8 падает сквозь перфорированную пластину 9, покрывающую большую часть поддона ТПП 10. Перфорированная пластина 9 может быть предпочтительно не перфорированной (с отсутствием каких-то отверстий) в области поддона 9 непосредственно ниже трубок 11. Эта область соответствует, по существу, площади поперечного сечения трубки. Альтернативно, по существу, горизонтальные пластины 15 могут быть расположены между трубками 11 и поддоном ТПП 10, чтобы далее распределять текучую среду и препятствовать прямому всасыванию в удлиненные трубки 16 поддона 10 подъема пара. Поддон 10 ТПП представляет собой поддон типа, способствующего прохождению пара, содержащий большое количество парожидкостных спускных трубок в форме таких удлиненных трубок 16, которые перераспределяют жидкость и пар над верхней частью следующего слоя катализатора (не показан).
Ссылаясь теперь на Фиг.2 в этом конкретном варианте осуществления изобретения, распределительное устройство 14 сформировано двумя пластинами 141, 142, пересекающими друг друга так, чтобы разделить камеру трубки на четыре, по существу, равные камеры. Эти пластины предпочтительно представляют собой твердые металлические пластины, которые также могут быть снабжены отверстиями, чтобы способствовать обмену текучих сред между камерами и снижать падение давления.