МНОГОСЛОЙНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР СО СМЕСИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
MULTILAYER CATALYTIC REACTOR WITH MIXING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к реактору, содержащему смесительное устройство, в частности, к реактору многослойной гидрообработки. В частности, смесительное устройство предназначено для применения в каталитических реакторах с нисходящим потоком, которые содержат вертикально перекрывающиеся насадочные слои зернистого каталитического материала, причем жидкость, смесь жидкости и газа или пар подвергают обработке в процессе протекания вниз через насадочные слои. Реактор этого типа используют в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности для осуществления разнообразных каталитических реакций, таких как гидродесульфуризация и гидроденитрификация (HDS/HDN); гидрирование олефинов (HYD) и ароматических соединений (гидродеароматизация, HDA), удаление металлов (гидродеметаллизация, HDM), удаление кислорода (гидродеоксигенация, HDO) и гидрокрекинг (HC).
Уровень техники
Гидрокрекинг представляет собой процесс превращения тяжелых фракций нефти в легкие фракции нефти. Гидрообработка происходит в каталитическом реакторе гидрообработки, который представляет собой основной элемент установки гидрообработки. Каталитические реакторы гидрообработки могут содержать один или множество каталитических слоев. Выбор конкретного варианта реактора зависит от количества катализатора, требуемого для превращения исходного материала в продукт, имеющий желательные свойства. Большинство реакций гидрообработки являются экзотермическими, и в процессе прохождения исходного материала через каталитический слой выделяется тепло. Чтобы на катализатор не воздействовали более высокие температуры, чем это необходимо, и, следовательно, чтобы не ускорять дезактивацию катализатора, требуемый объем катализатора делят на ряд слоев с охлаждающими зонами (закалочными секциями), установленными между слоями. Охлаждение осуществляют посредством введения холодного газообразного водорода через «закалочную трубу». Помимо охлаждения, закалочная зона должна обеспечивать пространственную однородность состава/температуры жидкой фазы, выходящей из секции в нижний слой. Для этой цели в секции установлена смесительная камера.
После стадии охлаждения и смешивания текучая среда должна быть распределена равномерно на катализаторе нижележащего слоя. Для этой цели распределительные тарелки установлены ниже смесительной камеры и выше катализатора нижнего слоя. Для достижения наиболее высокого качества распределения необходимо обеспечить эксплуатацию распределительных тарелок в собственных пределах чувствительности. Распределительные тарелки можно эксплуатировать по мере необходимости при том условии, что глубина жидкости на тарелке изменяется не более чем на 10 мм от одного края тарелки до другого. Таким образом, параметры потока текучей среды, выходящей из смесительной камеры, часто изменяют различными средствами и доводят до значений, требуемых для наилучших эксплуатационных характеристик распределительной тарелки.
Как можно видеть из приведенного выше описания, в настоящее время конструкцию закалочной секции составляют: закалочная труба, смесительная камера, пластинчатый разбрызгиватель, предварительная отсекающая тарелка (необязательная) и распределительная тарелка. Согласно некоторым подходам в качестве частей закалочной секции рассматривают опорную решетку катализатора, поддерживающую верхний слой катализатора, а также опорные балки решетки катализатора.
Указанные элементы занимают значительную часть пространства реактора своим собственным объемом, а также свободным объемом между элементами, который требуется для обеспечения доступа к каждому из элементов в целях установки, демонтажа, обслуживания и очистки элементов.
Высота закалочной секции представляет собой расстояние от катализатора нижнего слоя до катализатора вышележащего слоя. Объем, занимаемый закалочной секцией, представляет собой «неактивный» объем реактора, и уменьшение этого объема имеет большое значение, если должно быть достигнуто увеличение активного объема реактора. Пространство, сэкономленное посредством уменьшения высоты закалочной секции, может быть использовано для загрузки дополнительного катализатора (реконструкция) или уменьшения полной высоты реактора (новые реакторы).
Известные в технике смесители предлагают решение проблемы эффективного перемешивания и необходимого пространства для смесителя. В патенте США № 8017095 раскрыты средства обеспечения перемешивания газа и текучих сред в ограниченном по высоте межслойном пространстве каталитического реактора без увеличения перепада давления. В частности, устройство улучшает эффективность существующего смесительного пространства при перемешивании газовой фазы и жидкой фазы двухфазных систем. Согласно патенту США № 8017095, смесительное устройство способствует созданию значительно изогнутого потока поступающих исходных материалов и высокой степени перемешивания внутри ограниченного межслоевого пространства каталитического реактора.
Вследствие требований установки, демонтажа и обслуживания, а также для очистки всех элементов закалочной секции решающее значение имеет обеспечение достаточного пространства для полного доступа к любому из элементов. Чтобы сократить до минимума сложность работы в реакторе, необходимо обеспечить удобное и быстрое открытие/закрытие всех смотровых люков всех элементов секции.
В патенте США № 2015328610 раскрыто смесительное устройство, установленное между двумя каталитическими слоями в многослойном каталитическом реакторе цилиндрической формы. Смесительное устройство имеет кольцевой наружный обод, который соответствует внутренней стенке реактора, и содержит коллекторную секцию для сбора текучей среды из расположенного выше по потоку каталитического слоя, смесительную секцию для смешивания собранной текучей среды и сливную секцию для слива смешанной текучей среды в расположенный ниже по потоку каталитический слой. Коллекторная секция, смесительная секция и сливная секция расположены вне центральной части кольцевого поперечного сечения реактора.
Однако существует потребность в еще более эффективном смесительном устройстве, в частности, в тех ситуациях, где текучая среда одновременно содержит жидкую и газовую фазы, что усложняет перемешивание вследствие воздействия центробежной и гравитационной сил.
Таким образом, существует потребность в обеспечении улучшенного эффективного смесителя, который при этом занимает меньше реакторного пространства, в частности, в вертикальном направлении, чем известные смесители, и который осуществляет эффективное перемешивание при ограниченном перепаде давления.
Сущность настоящего изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает высокоэффективное смешивание и перераспределение при занятии минимального объема реактора и создании ограниченной потери давления, а также выполняет все остальные из перечисленных выше требований в отношении установки, обслуживания и очистки.
Новый многослойный реактор цилиндрической формы по п. 1 формулы настоящего изобретения содержит смесительное устройство для смешивания текучих сред, причем смесительное устройство установлено между двумя каталитическими слоями в многослойном каталитическом реакторе. Смесительное устройство имеет кольцевой наружный обод, который соответствует внутренней стенке реактора. Наружный обод смесительного устройства может представлять собой интегрированную часть стенки реактора таким образом, что стенка реактора составляет наружную стенку смесителя, или она может представлять собой независимую от реактора стенку, присоединенную к реактору или расположенную вблизи внутренней стороны стенки реактора. Смесительное устройство содержит: собирающие приспособления, расположенные в коллекторной секции, для сбора текучей среды из расположенного выше по потоку каталитического слоя, смешивающие приспособления, расположенные в смесительной секции, для смешивания собранной текучей среды, и смешивающие приспособления, расположенные в сливной секции, для слива смешанной текучей среды в расположенный ниже по потоку каталитический слой. В частности, коллекторная секция, смесительная секция и сливная секция расположены вне центральной части кольцевого поперечного сечения реактора. Таким образом, центральная часть смесителя представляет собой свободное пространство, которое может быть использовано для обслуживания и ремонта внутренней части реактора и самого смесителя, но даже в этом случае обеспечивается большая область и расстояние для эффективного перемешивания, поскольку наибольшую область и окружное расстояние поперечного сечения реактора обеспечивает область вне центральной части площади поперечного сечения (кольца) реактора и, таким образом, смесителя. Следовательно, смесительное устройство имеет тороидальную форму, и коллекторная секция, смесительная секция и сливная секция расположены в наружной части, представляющей собой кольцо тора, в то время как центральная часть представляет собой свободное пространство. Кроме того, смешивающие приспособления включают не только выступающий канал для смешивания текучих сред, но также направляющие лопатки и направляющие скаты. Направляющие лопатки, а также направляющие скаты в каждом случае имеют первый и второй конец и установлены по меньшей мере внутри смесительной секции для тщательного и более эффективного смешивания текучих сред, в частности, для смешивания жидкой текучей среды с газообразной текучей средой. Без направляющих скатов и направляющих лопаток может оказаться затруднительным получение однородной смеси жидких и газообразных текучих сред вследствие центробежных сил, которые своим действием вытесняют наиболее тяжелые жидкие текучие среды в радиальную наружную часть смесительной секции, имеющей форму круглой дуги. Направляющие лопатки и скаты заставляют жидкую текучую среду перемещаться внутрь и вверх в смесительной секции против действия центробежных и гравитационных сил.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения пол смесительной секции, т. е. стенка смесительной секции, которая в вертикальном направлении представляет собой нижнюю часть смесительной секции, содержит направляющие лопатки.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, радиально наружная стенка смесительной секции содержит направляющие скаты.
Вследствие центробежных и гравитационных сил, нижняя и наружная части смесительной секции, имеющей форму круглой дуги, представляют собой то место, в которое стремятся относительно тяжелые жидкие текучие среды. Следовательно, направляющие лопатки и направляющие скаты будут обеспечивать наибольший эффект перемешивания текучей среды в смесительном устройстве, когда они расположены вблизи пола и наружной стенки смесительной секции.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения потолок, т. е. вертикально верхняя стенка смесительной камеры содержит направляющие лопатки.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения направляющие лопатки имеют продвижение внутрь при наблюдении в направлении потока от коллекторной секции до сливной секции. Соответственно, когда текучая среда протекает в круговом движении из коллекторной секции, через смесительную секцию в сливную секцию, направляющие лопатки будут направлять часть, особенно относительно тяжелую жидкую часть текучей среды в спиральное движение внутрь к центру реактора и в результате этого препятствовать стремлению жидкости к движению в направлении внешнего периметра кольцевого смесителя. Соответственно, согласно варианту осуществления настоящего изобретения направляющие скаты имеют продвижение вверх при наблюдении в направлении потока от коллекторной секции до сливной секции, что направляет, в частности, относительно тяжелую жидкую часть текучей среды в спиральное движение вверх в смесительном устройстве, противодействуя гравитационным силам и вызывая турбулентность и интенсивное перемешивание. Это интенсивное перемешивание представляет собой компромисс, который уравновешивает увеличение перепада давления в смесительном устройстве. Чтобы предотвратить чрезмерно большой перепад давления, вышеупомянутое продвижение внутрь и вверх по отношению к длине направляющих лопаток составляет менее чем 1:2. Это означает, что когда направляющая лопатка или скат составляет, например, 2 м в длину, соответствующее продвижение внутрь или вверх будет составлять менее чем 1 м. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, потерю давление также учитывают, когда высота направляющих лопаток составляет менее чем одна треть высоты поперечного сечения смесительной секции, и высота направляющих скатов составляет менее чем одна треть ширины поперечного сечения смесительной секции.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, массу и стоимость материала учитывают и сопоставляют со структурной прочностью смесительного устройства, поскольку направляющие лопатки и направляющие скаты изготовлены из пластинчатого материала, и толщина пластины составляет от 0,25 мм до 4 мм. Кроме того, учитывают слегка изогнутую форму лопаток и скатов, которые являются более прочными и более жесткими по сравнению с лопатками и скатами, имеющими прямолинейную форму. Для усиления смесительной функции направляющих лопаток их первый конец при наблюдении в направлении потока текучей среды может быть расположен вблизи или в контакте с наружной стенкой смесительной секции, в то время как второй конец направляющих лопаток может быть расположен вблизи или в контакте с внутренней стенкой смесительной секции. Аналогичным образом, первый конец направляющих скатов может быть расположен вблизи пола смесительной секции, в то время как второй конец направляющих лопаток может быть расположен вблизи потолка смесительной секции. Число направляющих лопаток и направляющих скатов может составлять от 2 до 200, что обеспечивает баланс стоимости изготовления и материалов и потери давления с интенсивным перемешиванием. Если рассматривать технологические параметры и состав текучей среды, как правило, увеличение числа лопаток обеспечивает более эффективное перемешивание, но увеличивает перепад давления.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения коллекторная секция, смесительная секция и сливная секция расположены вне центральной  одной трети площади кольцевого поперечного сечения реактора, предпочтительно вне центральной половины площади кольцевого поперечного сечения реактора. Соответственно, под смеситель отводится большая площадь и большое расстояние относительно его высоты, а также большое свободное центральное пространство для обслуживания и ремонта.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, описанного выше, смесительное устройство имеет такую конструкцию, в которой собирающие приспособления, смешивающие приспособления и смешивающие приспособления содержат каналы, содержащие разделительные стенки в форме дуги окружности, горизонтально отделяющие одну секцию от другой секции или отделяющие одну секцию от центральной части кольцевого поперечного сечения реактора. Основной корпус смесителя имеет тороидальную форму, и его разделяют разделительные стенки в форме дуги окружности, которые практически образуют спираль (закрученную внутрь), разделяя смеситель на три соединенные секции: коллекторную, смесительную и сливную секции. Газовый и жидкий потоки из каталитического слоя над смесителем принимают в верхней части смесителя и направляют в коллекторный канал, имеющий максимальный диаметр реактора/смесителя. Принятые жидкость и газ направляют в отверстие, которое соединяет коллекторную и смесительную камеру. После того, как газ и жидкость поступают в смесительный канал, они перемещаются/вращаются в смесителе в движении по дуге окружности, прежде чем они поступают в сливной канал. Жидкость и газ выпускают из смесителя через отверстие, предназначенное для этой цели. Выпуск газовой и жидкой фазы осуществляют в направлении центральной части реактора. Равномерный профиль давления над распределительной тарелкой, обеспечиваемый посредством регулируемой формы выходящего потока газа и жидкости из смесителя, способствует равномерной подвижности жидкости на распределительной тарелке, вследствие чего возникает равномерное распределение газа и жидкости в каталитическом слое под тарелкой.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, собирающие приспособления смесительного устройства имеют один впуск для сбора текучей среды из расположенного выше по потоку каталитического слоя. Кроме того, согласно следующему варианту осуществления смесительное устройство дополнительно содержит закалочный впуск для введения закалочной текучей среды в собранную текучую среду, причем указанный закалочный впуск расположен в коллекторной секции. Согласно варианту осуществления закалочный впуск может представлять собой газовую трубу, которая расположена приблизительно под углом 180° относительно отверстия коллекторного канала. Закалочная газовая труба может быть вставлена в коллекторный канал, и, например, холодный газообразный водород может быть введен непосредственно в смеситель. Закалочное кольцо не требуется.
Согласно следующему варианту осуществления этого первого аспекта настоящего изобретения коллекторная секция расположена в наружной преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора по отношению к смесительной секции, и смесительная секция расположена в наружной преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора по отношению к сливной секции. Как описано выше, активная область смесителя, включая прием, смешивание и выпуск, находится в наружной части круглой области, где окружное расстояние является наибольшим, обеспечивая длинный путь потока, поэтому становится возможным эффективное перемешивание и даже выпуск даже при низкой потере давления, при этом центральная часть смесителя остается свободной для работ по обследованию и обслуживанию, и все это представляет собой основную задачу и преимущество настоящего изобретения.
Согласно конкретному варианту осуществления настоящего изобретения каждая из коллекторной секции, смесительной секции и сливной секции расположена по меньшей мере в секторе 120° преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора. Наличие по меньшей мере 120° обеспечивает, что каждый из трех процессов эффективно осуществляется на продолжительном пути. Три пути не должны обязательно иметь равную длину, в частности, смесительная секция может быть преимущественно расположена в секторе, составляющем более чем 120°, чтобы обеспечивать эффективное перемешивание при малой величине потери давления, и сливная секция может быть преимущественно расположенный в секторе, составляющем приблизительно 360°, чтобы обеспечивать равномерный слив текучей среды по всему кругу смесителя.
Текучая среда реактора и смесителя может содержать одновременно газовую фазу, жидкую фазу и паровую фазу. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения равномерное перемешивание дополнительно улучшает такая конструкция смесителя, в котором смешивающие приспособления содержат внутреннюю разделительную стенку в форме круглой дуги, которая обеспечивает край слива для жидкой фазы текучей среды. В результате этого газовая фаза и жидкая фаза одновременно распределяются равномерно по всему кругу смесителя и по всей площади поперечного сечения реактора. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения вместо этого может присутствовать наружный край слива, или согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения могут одновременно присутствовать внутренний и наружный края слива для равномерного распределения жидкой фазы текучей среды.
Чтобы оптимизировать конструкцию реактора и одного или более смесителей, находящихся в нем, одно или более смесительных устройств могут образовывать интегрированную часть опоры каталитического слоя реактора. Преимущество этого заключается в том, что строительная высота всей конструкции может быть уменьшена по сравнению с отдельными конструкциями смесителя и опор. Кроме того, может быть уменьшена стоимость материала конструкции. Соответственно, согласно варианту осуществления настоящего изобретения смесительное устройство имеет высоту, составляющую менее чем 1 м, предпочтительно менее чем 0,5 м по отношению к аксиальному направлению реактора.
Следующий вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой способ смешивания текучей среды, протекающей внутри каталитического реактора между верхним каталитическим слоем и нижним каталитическим слоем реактора. На первой стадии процесса площадь поперечного сечения потока текучей среды из верхнего каталитического слоя ограничена коллекторной секцией, расположенной в площади поперечного сечения реактора в радиально наружной трети сектора от 120° до 360° преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора для сбора текучей среды. Это осуществляют, предотвращая попадание текучей среды в центральную часть площади поперечного сечения, например, посредством пластины, помещенной в центральную часть площади поперечного сечения.
Собранную текучую среду затем направляют посредством смесительного устройства в поток в тангенциальном направлении в наружной части кольцевого смесителя в смесительной секции. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения текучая среда может быть направлена в поток в двух тангенциальных направлениях, и текучая среда может начинать поток в одном или двух тангенциальных направлениях из одного впуска смесителя или из множества впусков смесителя.
Текучая среда протекает в круговом движении в смесительной секции, и при этом текучая среда перемешивается, превращаясь в однородную текучую среду в отношении состава, содержания пара, температуры и скорости. Эффективное перемешивание достигается, поскольку текучая среда протекает в наружной части кольцевого поперечного сечения смесителя, где является наибольшим окружное расстояние перемешивания. Кроме того, перемешивание усиливают направляющие лопатки или направляющие скаты, или направляющие лопатки и направляющие скаты одновременно присутствуют в смесительном устройстве, как описано выше. Перемешивание отсутствует в центральной части смесительного устройства, т. е. происходит вне центральной части кольцевого поперечного сечения реактора, который остается открытым в качестве свободного пространства.
После перемешивания текучей среды она далее протекает в сливную секцию смесительного устройства, где ее выпускают в нижний каталитический слой, и при этом по меньшей мере часть ее протекает по меньшей мере в одном тангенциальном направлении. Кроме того, сливная секция расположена вне центральной части кольцевого поперечного сечения реактора, и поэтому выпуск может также происходить равномерно в режиме поршневого потока, поскольку он осуществляется на большом окружном расстоянии.
Хотя выходящий поток текучей среды перемещается тангенциально в круговом движении, он также движется радиально внутрь, радиально наружу, или внутрь и наружу в радиальном направлении при вытекании из сливной секции в нижележащий каталитический слой. Сливная секция может содержать по меньшей мере один край слива, представляющий собой край, через который может перетекать/выливаться жидкая фаза, образуя капли, которые смешиваются с газовой фазой, выходящей из смесительного устройства и образующей поршневой поток. Край слива способствует обеспечению однородного выпуска жидкой фазы из смесительного устройства.
Согласно описанному выше способу перемешивания текучей среды, протекающей внутри каталитического реактора, текучая среда может содержать газовую фазу, жидкую фазу и, возможно, паровую фазу.
Согласно варианту осуществления способа перемешивания текучей среды, протекающей внутри каталитического реактора, текучая среда движется вниз в аксиальном направлении относительно реактора, когда она протекает из коллекторной секции в сливную секцию. Следовательно, текучая среда осуществляет движение по спирали вниз, когда он протекает из коллекторной секции в смесительную секцию и далее в сливную секцию.
Согласно другому варианту осуществления способа перемешивания текучей среды, протекающей внутри каталитического реактора, текучая среда движется внутрь в радиальном направлении относительно реактора, когда он протекает из коллекторной секции в сливную секцию. Следовательно, текучая среда осуществляет спиральное движение по кругу внутрь, когда он течет из коллекторной секции в смесительную секцию и далее в сливную секцию.
Согласно следующему варианту осуществления описанного способа текучая среда может протекать, осуществляя в комбинации движения двух описанных типов, т. е. спиральное движение по кругу внутрь и вниз, когда он протекает из коллекторной секции в смесительную секцию и далее в сливную секцию смесительного устройства.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения многослойный каталитический реактор, имеющий цилиндрическую форму и включающий смесительное устройство согласно любому из вариантов осуществления, которые описаны выше, используют для гидродесульфуризации и гидроденитрификации (HDS/HDN); гидрирования олефинов и ароматических соединений, удаления металлов, конверсии кислорода и гидрокрекинга.
Признаки настоящего изобретения
1. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, установленное между двумя каталитическими слоями в вышеупомянутом реакторе, причем вышеупомянутое смесительное устройство имеет кольцевой наружный обод, предназначенный для соответствия внутренней стенке реактора, и смесительное устройство содержит:
собирающие приспособления, расположенные в коллекторной секции для сбора текучей среды из расположенного выше по потоку каталитического слоя,
смешивающие приспособления, расположенные в смесительной секции, имеющей пол, потолок, внутренние и наружные стенки, для смешивания собранной текучей среды, и
сливающие приспособления, расположенные в сливной секции для слива текучей смеси в расположенный ниже по потоку каталитический слой;
причем смесительное устройство имеет тороидальную форму и коллекторная секция, смесительная секция и сливная секция расположены вне центральной части кольцевого поперечного сечения реактора, и при этом указанные смешивающие приспособления включают направляющие лопатки с первым и вторым концом, направляющие скаты с первым и вторым концом или включают указанные направляющие лопатки и указанные направляющие скаты.
2. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно признаку 1, в котором пол указанной смесительной секции содержит направляющие лопатки.
3. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором наружная стенка указанной смесительной секции содержит направляющие скаты.
4. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором потолок указанной смесительной секции содержит направляющие лопатки.
5. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором указанные направляющие лопатки имеют продвижение внутрь при наблюдении в направлении потока от коллекторной секции до сливной секции, и продвижение внутрь по отношению к длине направляющих лопаток составляет менее чем 1:2.
6. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором указанные направляющие скаты имеют продвижение вверх при наблюдении в направлении потока от коллекторной секции до сливной секции, и продвижение вверх по отношению к длине направляющих лопаток составляет менее чем 1:2.
7. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором указанные направляющие лопатки имеют высоту, которая составляет менее чем одна треть ширины поперечного сечения указанной смесительной секции.
8. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором указанные направляющие скаты имеют высоту, которая составляет менее чем одна треть высоты поперечного сечения указанной смесительной секции.
9. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором направляющие лопатки и направляющие скаты изготовлены из пластины, имеющей толщину от 0,25 до 4 мм.
10. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором первый конец каждой направляющей лопатки расположен вблизи наружной стенки указанной смесительной секции, и второй конец каждой направляющей лопатки расположен вблизи внутренней стенки указанной смесительной секции.
11. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором первый конец каждого направляющего ската расположен вблизи пола указанной смесительной секции, и второй конец каждого направляющего ската расположен вблизи потолка указанной смесительной секции.
12. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором число направляющих лопаток составляет от 2 до 200.
13. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором число направляющих скатов составляет от 2 до 200.
14. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором наружный обод указанного смесительного устройства представляет собой интегрированную часть стенки реактора.
15. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно признаку 1, в котором коллекторная секция, смесительная секция и сливная секция расположены вне центральной одной трети площади кольцевого поперечного сечения реактора, предпочтительно вне центальной половины площади кольцевого поперечного сечения реактора.
16. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором собирающие приспособления, смешивающие приспособления и сливающие приспособления содержат каналы, содержащие разделительные стенки в виде дуги окружности, горизонтально отделяющие одну секцию от другой секции или отделяющие одну секцию от центральной части кольцевого поперечного сечения реактора.
17. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором смесительное устройство дополнительно содержит закалочный впуск для введения закалочной текучей среды в собранную текучую среду, причем указанный закалочный впуск расположен в коллекторной секции.
18. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором коллекторная секция расположена на уровне реактора выше по потоку в аксиальном направлении относительно сливной секции.
19. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из признаков 1-17, в котором коллекторная секция расположена в наружной преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора по отношению к смесительной секции, и смесительная секция расположена в наружной преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора по отношению к сливной секции.
20. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором каждая из коллекторной секции, смесительной секции и сливной секции расположена по меньшей мере в секторе 120° преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора.
21. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором сливающие приспособления содержат внутренние разделительные стенки в форме дуги окружности, обеспечивающие край слива для жидкой фазы текучей среды.
22. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором смесительное устройство образует интегрированную часть опоры каталитического слоя реактора.
23. Многослойный каталитический реактор цилиндрической формы, включающий смесительное устройство, согласно любому из предшествующих признаков, в котором смесительное устройство имеет высоту, составляющую менее чем 1 м, предпочтительно менее чем 0,5 м по отношению к аксиальному направлению реактора.
24. Способ перемешивания текучей среды, содержащей газовую фазу, жидкую фазу и возможно паровую фазу и протекающей внутри многослойного каталитического реактора цилиндрической формы между его верхним каталитическим слоем и нижним каталитическим слоем, причем указанный способ осуществляют в тороидальном смесительном устройстве внутри реактора, которое имеет кольцевой наружный обод, предназначенный для соответствия внутренней стенке указанного реактора, причем способ включает следующие стадии:
• ограничение площади поперечного сечения потока текучей среды из верхнего каталитического слоя коллекторной секцией, находящейся в площади поперечного сечения реактора, расположенной в радиально наружной трети сектора 120°-360° преимущественно кольцевой области поперечного сечения реактора для сбора текучей среды,
• протекание принятой текучей среды по меньшей мере в одном тангенциальном направлении,
• перемешивание текучей среды в процессе ее протекания по меньшей мере в одном тангенциальном направлении в смесительной секции, расположенной вне центральной части кольцевого поперечного сечения реактора смесительным средством, причем смешивающие приспособления содержат направляющие лопатки, направляющие скаты или содержит направляющие лопатки и направляющие скаты, и
• слив текучей среды в нижний каталитический слой в процессе ее протекания по меньшей мере в одном тангенциальном направлении в сливной секции, расположенной вне центральной части кольцевого поперечного сечения реактора.
25. Применение многослойного каталитического реактора цилиндрической формы, содержащего смесительное устройство, согласно любому из признаков 1-23 для гидродесульфуризации и гидроденитрификации (HDS/HDN); гидрирования олефинов и ароматических соединений, удаления металлов, конверсии кислорода и гидрокрекинга.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение дополнительно проиллюстрировано сопровождающими фигурами, представляющими примеры вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 1 представлен изометрический вид сверху смесительного устройства в многослойном каталитическом реакторе (не проиллюстрирован) согласно варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 2 представлен диаметральный вид в разрезе части смесительного устройства в многослойном каталитическом реакторе (не проиллюстрирован) согласно варианту осуществления настоящего изобретения, и
на фиг. 3 представлен диаметральный открытый сверху изометрический вид в разрезе смесительного устройства в многослойном каталитическом реакторе (не проиллюстрирован) согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Условные обозначения
01. Смесительное устройство.
02. Кольцевой наружный обод.
03. Смесительная секция.
04. Сливная секция.
05. Центральная часть кольцевого поперечного сечения реактора.
06. Каналы.
07. Разделительные стенки в форме дуги окружности.
08. Край слива.
09. Направляющие лопатки.
10. Направляющие скаты.
Описание изобретения
Далее представлено подробное разъяснение ряда вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 представлено изометрическое изображение, иллюстрирующее вид сверху/сбоку смесительного устройства 01, находящегося между каталитическими слоями в многослойном каталитическом реакторе (не проиллюстрирован). Смесительное устройство имеет округлую форму, которая отвечает внутренней округлой стенке цилиндрического реактора, в котором должно быть установлено смесительное устройство. В частности, наружный обод 02 смесительного устройства является круглым. Наружный обод соответствует внутренней стенке реактора. Стенка реактора может образовывать наружную стенку смесительного устройства, или согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 1, смесительное устройство само составляет наружную стенку. Небольшой промежуток между наружным ободом и стенкой реактора может быть герметизирован, например, посредством сварки. Коллекторная секция образована между наружной стенкой смесительного устройства и разделительной стенкой 07 в форме круглой дуги. Эта секция принимает текучую среду, вытекающую из вышележащего каталитического слоя (не проиллюстрирован). Текучая среда может протекать только в следующий нижележащий каталитический слой через впуск и далее в коллекторную секцию, поскольку остальную площадь поперечного сечения блокирует, например, центральная пластина (не проиллюстрирована). Согласно варианту осуществления настоящего изобретения закалочный впуск (не проиллюстрирован) может находиться в коллекторной секции для введения охлаждающей закалочной текучей среды в поток текучей среды.
Смесительная секция 03 образована на том же горизонтальном уровне и на протяжении коллекторной секции. Следовательно, текучая среда протекает непосредственно из коллекторной секции и далее в смесительную секцию в том же круглом канале 06. Перемешивание газа и, возможно, жидкости и пара происходит в смесительном канале по мере течения по круглой дуге, почти соответствующей максимальному диаметру смесительного устройства, перед поступлением в сливную секцию 04 через щелевые отверстия в стенке. Как проиллюстрировано, смешивание в смесительной секции усиливают направляющие лопатки 09 и направляющие скаты 10. Указанные лопатки являются особенно эффективными, чтобы поднимать и направлять относительно тяжелую жидкую фракцию текучей среды против действия гравитационных и центробежных сил, которые препятствуют равномерному перемешиванию. В сливной секции перемешанный газ и, возможно, жидкость и пар выходят из смесителя, образуя равномерный поток. Край слива 08 поддерживает равный уровень жидкости в сливной секции посредством подъемной силы пара; газ поднимает капли жидкости и выносит их из коллекторной секции в открытое пространство центральной части (которая также представляет собой центральную часть кольцевого поперечного сечения реактора 05) смесительного устройства и далее в нижележащий каталитический слой (не проиллюстрирован). Сливная секция может также быть выполнена с возможностью слива текучей среды к наружному диаметру смесительного устройства (не проиллюстрирован). Чтобы сделать еще более равномерным распределение текучей среды в нижележащем каталитическом слое, известные в технике распределительные тарелки (не проиллюстрированы) могут быть установлены под смесительным устройством и над расположенным ниже по потоку каталитическим слоем.
На фиг. 2 и фиг. 3 представлено более подробное изображение направляющих лопаток и направляющих скатов. Как видно, они изготовлены из относительно тонкого пластинчатого материала. Толщина пластины должна быть тонкой, насколько это возможно, с учетом необходимой структурной прочности. Слегка изогнутая форма лопаток обеспечивает дополнительную структурную прочность. Направляющие лопатки имеют продвижение внутрь, поскольку первый конец направляющих лопаток расположен вблизи наружной стенки смесительной секции, в то время как второй конец направляющих лопаток продвинут внутрь. Это продвижение внутрь направляющих лопаток противодействует стремлению, в частности, относительно тяжелой жидкой фракции технологической текучей среды к периферии кольцевого смесительного устройства. Аналогичным образом, направляющие скаты продвинуты вверх, поскольку первый конец направляющих скатов расположен вблизи пола смесительного устройства, в то время как второй конец направляющих скатов продвинут вверх по направлению к потолку смесительного устройства, обеспечивая, в частности, движение вверх относительно тяжелой жидкой фракции текучей среды и противодействуя гравитационным силам в целях усиления равномерного перемешивания текучей среды. Как можно видеть, скаты и лопатки всегда составляют лишь небольшую долю поперечного сечения смесительного канала, производя лишь незначительное воздействие на потерю давления в канале.
Пример
В смесительном устройстве для многослойного каталитического реактора спирали (направляющие лопатки и направляющие скаты) расположены вдоль внутренней поверхности наружной стенки и пола смесительной секции смесительного устройства. В смесительном устройстве расположены 24 направляющих ската вдоль наружной стенки и 12 направляющих лопаток вдоль пола, причем все имеют высоту 25 мм.
Наблюдения:
• На входе в канал смесительной секции наблюдают дисперсию жидкой фазы текучей среды вследствие «беспорядочного» входящего потока.
• Далее в смесительной секции вскоре начинается одновременное распределение жидкости вблизи потолка и вблизи пола смесительной секции.
• К концу смесительной секции, приблизительно на 220° по кругу смесительной секции, значительная доля жидкой фазы снова распределяется по всей площади поперечного сечения смесительной секции, показывая хорошую дисперсию.
• Результат: доля захватываемой жидкости при концентрации от 90 до 100% уменьшается от 35,8% в смесителе без направляющих лопаток и направляющих скатов до 6,8% в настоящем случае с 24 направляющими скатами и 12 направляющими лопатками.