Способ загрузки материалов защитного слоя в реакторы гидроочистки углеводородного сырья
METHOD OF LOADING PROTECTIVE LAYER MATERIALS INTO HYDROTREATER OF HYDROCARBON RAW MATERIAL REACTORS

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности, в частности к способам загрузки материалов защитного слоя в реакторы гидроочистки углеводородного сырья.
В промышленности наиболее распространена технология гидроочистки в неподвижном катализаторном слое ввиду высокой надежности и низкой стоимости по сравнению с технологиями в движущемся или кипящем слое.
Накопление примесей в верхнем «лобовом» контактном слое неподвижной каталитической системой (один или более катализаторов основного действия с моно- или поликомпонентным защитным слоем) с входящим технологическим потоком приводит к засорению межзеренного и внутризеренного пространства и, как следствие, к росту гидродинамического сопротивления по реактору. Длительность работы реактора без необходимости перегрузки катализаторной системы или защитного слоя вследствие увеличения гидродинамического сопротивления до критического значения определяется емкостью защитного «лобового» слоя по примесям при прочих равных условиях (количество очищаемого сырья, количество примесей в сырье). Критическое гидродинамическое сопротивление связано с критической толщиной засоренного примесями граничного слоя катализатора. Как правило, это несколько сантиметров так называемой «корки».
Известен способ гидрообработки тяжелого углеводородного сырья, в котором используется система взаимозаменяемых защитных зон с неподвижными слоями, причем каждая зона содержит по меньшей мере два каталитических слоя RU 2570948, опубл. 20.12.2015. Если каталитический слой, который находился в контакте с сырьем, дезактивируется и/или забивается, точку ввода сырья смещают ниже по потоку.
Способ обеспечивает увеличение срока работы каталитической системы за счет конструкционной особенности реакторов гидроочистки.
Недостатки указанного способа: сложность конструкции реакторов; использование большого числа клапанов, дополнительных байпасных линий; неэффективное использование объема реактора, занятого дезактивированным катализатором (защитным материалом); сложность и высокая опасность (в ряде случаев невозможность) выгрузки дезактивированного слоя/его части в условиях работающих реакторов гидроочистки, незначительное увеличение срока эксплуатации каталитической системы (на ~18%).
Известен способ получения малосернистых нефтяных фракций, при котором высокосернистые среднедистиллятные фракции подвергают гидроочистке в присутствии пакета алюмооксидных катализаторов, включая защитный слой предварительно активированных серосодержащим агентом при условии, что в состав каталитического пакета входит 2-10% масс, катализатора защитного слоя RU 2140964, опубл. 10.11.1999. Способ обеспечивает увеличение межрегенерационного периода каталитических систем за счет использования слоя защитного материала.
Недостатком этого способа является небольшой срок эксплуатации каталитической системы, обусловленный малой площадью контактной поверхности катализатора и сырьевого потока.
Задачей изобретения является увеличение срока эксплуатации каталитической системы реакторов гидроочистки за счет увеличения площади контактной поверхности катализаторного слоя с сырьевым потоком при определенном способе загрузки защитного слоя катализатора в сетчатые корзины.
Поставленная задача решается способом загрузки материалов защитного слоя в реакторы гидроочистки углеводородного сырья, который заключается в засыпке материалов защитного слоя над слоем катализатора гидроочистки, материалы защитного слоя дополнительно размещаются в сетчатых корзинах, расположенных одновременно в слое защитных материалов и слое катализатора гидроочистки, в качестве материалов защитного слоя используют материалы активной фильтрации и каталитически-активные материалы, геометрические размеры гранул/пеллет которых составляют не более 5 см;
- количество корзин составляет 1-12;
- длина корзин составляет 0,2-0,4 высоты части реактора, загруженной катализатором гидроочистки и материалами защитного слоя;
- глубина погружения корзин составляет 0,1-0,4 высоты части реактора, загруженной катализатором гидроочистки и материалами защитного слоя;
- расстояние между корзинами или до стенки реактора составляет не менее 0,45 диаметра корзины.
Причем, верхнюю часть сетчатых корзин располагают над материалами защитного слоя или заглубляют в слое материалов защитного слоя.
Под материалами защитного слоя понимают материалы активной фильтрации и каталитически-активные защитные материалы.
Преимуществом настоящего способа является то, что материалы защитного слоя размещают не только над слоем основного катализатора, но и в погружаемых в слой катализатора сетчатых корзинах. Предлагаемый способ загрузки может быть реализован в промышленных реакторах гидроочистки разных геометрических размеров для любой марки катализатора основного слоя и для любых марок защитных материалов. Единственным ограничением являются чрезмерно большие геометрические размеры гранул/пеллет защитных материалов (не более 5 см). Большие размеры гранул не обеспечивают плотную укладку при загрузке в корзины, вследствие чего эффективность и надежность защитного слоя снижается.
При этом количество защитного материала увеличивается до 2 раз, а площадь контакта входящего технологического потока с неподвижным катализатором основного процесса увеличивается в 2-15 раз. Длительность возрастания гидродинамического сопротивления до критического значения, т.е. использования каталитической системы без необходимости перегрузки возрастает в тоже число раз, что и увеличение площади контакта (в 2-15 раз) при прочих равных условиях (количество очищаемого сырья, количество примесей в сырье, толщине «корки»). При обычной кольцевидной загрузке защитного слоя поверх основного катализатора длительность пробега реакторов гидроочистки углеводородного сырья без перегрузки составляет от нескольких месяцев до 2 лет в зависимости от состава и степени загрязненности очищаемого сырьевого потока. Предлагаемый способ загрузки материалов активной фильтрации и каталитически-активных материалов с использованием корзин позволяет увеличить безостановочный пробег до 2-10 лет.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Во всех примерах геометрические размеры гранул/пеллет материалов защитного слоя составляют не более 5 см;
Пример 1 (сравнительный).
Загрузка материала защитного слоя над слоем основного катализатора гидроочистки без использования корзин (фиг. 1).
Геометрические параметры реактора гидроочистки:
диаметр - 2,4 м
высота загрузки реактора - 4,73 м число корзин - нет
высота основного слоя катализатора (L) - 3,98 м
высота слоя защитного материала  - 0,75 м
к
3
объем катализатора (V) - 18,00 м
з
3
объем слоя защитного материала (V) - 3,39 м
2
Площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором равна площади сечения реактора - 4,5 м.
Примеры 2-4.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых расположена над материалами защитного слоя (фиг. 2). Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 2,4 м
высота загрузки реактора - 4,73 м
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин  диаметр корзин (d), высота основного слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (без учета корзин)  объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 1.
Пример 5 (сравнительный).
Загрузка защитного материала над слоем основного катализатора гидроочистки без использования корзин (фиг. 1).
Геометрические параметры реактора гидроочистки:
диаметр - 0,6 м
высота загрузки реактора - 3,65 м число корзин - нет
высота основного слоя катализатора (L) - 3,29 м
3
высота слоя защитного материала (l) - 0,36 м
к
з
3
3
объем катализатора (V) - 0,93 мобъем слоя защитного материала (V) - 0,10 м
2
Площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором равна площади сечения реактора - 0,3 м.
Примеры 6-7.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых расположена над материалами защитного слоя (фиг. 2). Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 0,6 м
высота загрузки реактора - 3,65 м
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин  диаметр корзин (d), высота основного слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (без учета корзин) объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 1.
Пример 8 (сравнительный).
Загрузка защитного материала над слоем основного катализатора гидроочистки без использования корзин (фиг. 1).
Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 3,5 м
высота загрузки реактора - 4,0 м
число корзин - нет.
высота основного слоя катализатора (L) - 3,3 м
высота слоя защитного материала  - 0,7 м
к
3
объем катализатора (V) - 31,75 м
з
3
объем слоя защитного материала (V) - 6,73 м
2
Площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором равна площади сечения реактора - 9,6 м.
Пример 9.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых расположена над материалами защитного слоя (фиг. 2). Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 3,5 м
высота загрузки реактора - 4,0 м
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин  диаметр корзин (d), высота основного слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (без учета корзин)  объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 1.
Примеры 10-12 (сравнительные, заявленные параметры ниже нижней границы по длине корзин, глубине погружения корзины в основной слой)
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых заглублена в слое защитных материалов (фиг. 2). Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 2,4 м
высота загрузки реактора - 4,73 м
к
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин (1), диаметр корзин (d), высота слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (b), объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 1. Увеличение срока эксплуатации каталитической системы менее чем в 2 раза по сравнению с примерами без корзин.
Примеры 13-15.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых заглублена в слое защитных материалов (фиг. 3).
Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 2,4 м
высота загрузки реактора - 4,73 м
к
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин (l), диаметр корзин (d), высота слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (b), объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 2.
Примеры 16-17.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых заглублена в слое защитных материалов (фиг. 3). Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 0,6 м
высота загрузки реактора - 3,65 м
к
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин (1 ), диаметр корзин (d), высота слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (b), объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 2.
Пример 18.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых заглублена в слое защитных материалов (фиг. 3). Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 3,5 м
высота загрузки реактора - 4,0 м
к
K
к
з
Число корзин (N), длина корзин (1 ), диаметр корзин (d), высота слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (b), объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 2.
Пример 19 (сравнительный, заявленные параметры выше верхней границы по длине корзин, глубине погружения корзины в основной слой)
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых заглублена в слое защитных материалов (фиг. 3). Геометрические параметры реактора гидроочистки: диаметр - 2,4 м
высота загрузки реактора - 4,73 м
к
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин (l), диаметр корзин (d), высота слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (b), объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 2.
В этом случае при увеличении контактной поверхности в ~3 раза объем защитного материала превышает 20% и соответственно объем загрузки катализатора сокращается более, чем на 20%, что нежелательно.
Следующие примеры 20-22 демонстрируют результаты экспериментальной загрузки предлагаемым способом пилотного реактора.
При загрузке применялись: катализатор гидроочистки АКГД-400 марки АН, материал защитного слоя ФОР-2 марки К-3. В качестве сырья использовался метан с искусственно внесенными примесями, представляющими собой смесь:
- карбид кремния SiC 5 мкм (25%),
- карбид кремния SiC 50 мкм (25%),
2
3
- оксид железа FeO 10 мкм (25%),
- графит С (25%).
Время пропускания сырья составляло 20 часов.
-1
Объемная скорость пропускания сырья через катализаторный слой 6000 ч
-3%
Концентрация примесей в сырье (1,0÷1,5)×10 масс.
Температура процесса 350°С.
Пример 20 (сравнительный).
Загрузка защитного материала над слоем основного катализатора гидроочистки без использования корзин (фиг. 1).
Геометрические параметры пилотного реактора гидроочистки:
диаметр - 0,055 м;
высота загрузки реактора -1,10 м;
число корзин - нет;
высота основного слоя катализатора (L) - 0,85 м;
высота слоя защитного материала  - 0,25 м
к
3
объем катализатора (V) - 0,002 м;
з
3
объем слоя защитного материала (V) - 0,0006 м.
2
Площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором равна площади сечения реактора - 0,0024 м.
Сопротивление катализаторного слоя вместе с защитным материалом за время эксперимента возросло в ~30 раз.
Пример 21.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых расположена над материалами защитного слоя (фиг. 2). Геометрические параметры пилотного реактора гидроочистки:
диаметр - 0,055 м;
высота загрузки реактора - 1,10 м.
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин  диаметр корзин (d), высота основного слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (без учета корзин)  объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 3.
Сопротивление катализаторного слоя вместе с защитным материалом за время эксперимента возросло в ~3 раза.
Пример 22.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых заглублена в слое защитных материалов (фиг. 3).
Геометрические параметры пилотного реактора гидроочистки:
диаметр - 0,055 м;
высота загрузки реактора - 1,10 м.
к
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин (l), диаметр корзин (d), высота слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (b), объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 3.
Сопротивление катализаторного слоя вместе с защитным материалом за время эксперимента возросло в ~3 раза.
Пример 23.
Загрузка защитного материала над слоем катализатора и в корзины, верхняя часть которых расположена над материалами защитного слоя (фиг. 2).
Геометрические параметры пилотного реактора гидроочистки:
диаметр - 0,055 м;
высота загрузки реактора - 1,10 м.
к
к
к
з
Число корзин (N), длина корзин (l), диаметр корзин (d), высота слоя катализатора (L), объем катализатора (V), высота слоя защитного материала (b), объем защитного слоя (V) и площадь контактной поверхности сырьевого потока с основным катализатором приведены в таблице 3.
Расстояние между корзиной и стенкой реактора 0,4 диаметра корзины.
За время эксперимента сопротивление катализаторного слоя вместе с защитным материалом возросло в ~7 раз, что больше, чем в примерах 21, 22. При одинаковой площади контактной поверхности такой результат поясняется негативным влиянием пристеночных вихрей. После испытания и вскрытия реактора обнаружено смещение гранул защитного материала (2 «горки» по периметру зазора между стенкой реактора и стенкой корзины) и не равномерное распределение уловленных примесных частиц по сечению реактора, чего не наблюдалось после испытаний, описанных в примерах 20-22.
Таким образом, приведенные примеры показывают, что предлагаемый способ позволяет значительно продлить срок эксплуатации каталитической системы реакторов гидроочистки за счет увеличения площади контактной поверхности катализаторного слоя с сырьевым потоком, обеспечивающего снижение скорости возрастания сопротивления каталитической системы (перепада давления в реакторе гидроочистки).