РЕАКТОРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ КАТАЛИЗАТОРА
REACTOR SYSTEM FOR CHEMICAL PROCESSES IN THE FLUIDIZED BED OF THE CATALYST

3
5
Настоящее изобретение относится к областям нефтехимии и органического синтеза и предназначено для осуществления химических процессов в кипящем слое катализатора, в частности для получения олефиновых углеводородов С-С дегидрированием соответствующих парафиновых углеводородов, синтеза бутадиена из этанола, синтеза ацетона из этанола.
3
5
Известен реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов С-С в кипящем слое катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, патрубки ввода сырья и вывода контактного газа, ввода и вывода циркулирующего катализатора, отпарную секцию, распределитель сырья над ней и решетки, разделяющие кипящий слой катализатора на секции. В качестве распределителя сырья используется трубчатый распределитель, например, коллекторного типа, снабженный патрубками, направленными вниз, и имеющий в центре свободное сечение. Над этим распределителем сырья может быть установлен дополнительный трубчатый распределитель, также снабженный патрубками, направленными вниз, и перекрывающий все сечение аппарата. (Пат РФ 2156161 от 31.03.1999, опубликован 20.09.2000, Бюл. №26).
Данный реактор является недостаточно эффективным в части распределения газовых потоков по сечению аппарата и вывода циркулирующего катализатора, поскольку одна часть сечения аппарата перекрыта двукратно, а другая - однократно (центральная). Это приводит к недостаточной эффективности процесса дегидрирования парафинов. Кроме того, происходит дополнительное коксование и спекание катализатора, что также негативно отражается на эффективности процесса.
3
5
Наиболее близкой к заявляемому решению является система дегидрирования парафиновых углеводородов С-С в кипящем слое мелкозернистого катализатора, включающая реактор и регенератор с установленными по высоте кипящего слоя секционирующими решетками, ниже которых расположены трубчатые распределители соответственно паров сырья и воздуха, состоящие из патрубков, соединенных с ними коллекторов и соединенных с коллекторами попарно расположенных соосных лучей, снабженных соплами для вытекания газа в кипящий слой катализатора. Соосные лучи состоят из трубы, центральная часть которой, имеющая в боковой поверхности одно или несколько отверстий для затекания газа из коллектора в лучи, располагается в полости коллектора, а в полости трубы установлена диафрагма с центральным отверстием, разделяющая трубу и отверстия для затекания газа на две равные части. (Пат РФ 2617397 от 14.12.2015, опубликован 24.04.2017, Бюл. №12).
Данная система недостаточно эффективна, поскольку имеются существенные по объему застойные зоны под распределителем, которые приводят к коксованию катализатора в реакторе и недостаточной регенерации в регенераторе, налипанию катализатора на стенки аппаратов и ухудшению гидродинамики.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности химических процессов, осуществляемых в кипящем слое мелкозернистого катализатора, за счет:
- более эффективного распределения газовых потоков в реакторе и регенераторе
- более эффективного контакта катализатора и газовых потоков, сведения к минимуму застойных зон движения газов и налипания катализатора на элементы конструкции реактора и регенератора.
Для решения поставленной задачи предлагается реакторная система для осуществления химических процессов в кипящем слое катализатора, включающая реактор и регенератор с установленными в них по высоте секционирующими решетками, ниже которых установлены трубчатые распределители паров сырья или воздуха, включающие входные патрубки, соединенные с коллекторами, и отходящие от коллекторов попарно расположенные соосные лучи, имеющие одно или несколько отверстий для затекания газа из коллектора и сопла для вытекания газа. При соединении с патрубком каждый коллектор разделен на две части, установленные по высоте патрубка на расстоянии друг от друга равном 1-6 диаметров коллектора.
Предпочтительно, чтобы в предлагаемой реакторной системе площади свободного сечения входного патрубка, коллектора, соосного луча и сопла находились в соотношении 1:0,0900÷0,8100:0,0100÷0,3600:0,0001÷0,0036.
Реактор и/или регенератор могут иметь конические днища с углом между образующими конуса 30÷90°.
Лучи в распределителе реакторной системы могут иметь диаметрально расположенную стержневую вставку напротив отверстия для затекания газа, разделяющую лучи и отверстие на две равные части, при этом площадь сечения стержня составляет 0.05÷0,2 площади сечения луча.
Образующиеся две части коллектора с соединенными с ними лучами находятся в параллельных плоскостях. Лучи располагаются на концентрических окружностях относительно оси аппарата. На каждой части коллектора может быть различное количество лучей.
Предпочтительно, чтобы часть коллектора с лучами, ближними к центру аппарата, располагалась снизу по патрубку. Часть коллектора с лучами, ближними к стенке аппарата, будет верхней по патрубку.
Соосные лучи могут отходить не только от коллектора, но и от патрубка ввода газа. При этом соосные лучи, отходящие от коллектора и от патрубка не должны перекрывать друг друга. Сопла для вытекания газа могут находиться на коллекторах и на соосных лучах.
Распределители сырья и воздуха могут иметь несколько секций, каждая из которых включает патрубок, разделенный на две части коллектор, соосные лучи и сопла для вытекания газа в аппарат.
Предпочтительно, чтобы сопла были направленны вниз под углом до 80° (предпочтительно под углом от 20° до 60°) от вертикальной оси, однако они могут быть направлены и вверх, также под углом до 80° (предпочтительно под углом от 20° до 60°) от вертикальной оси, или часть сопел вверх и часть вниз. Возможно парное расположение сопел в одном сечении распределяющего элемента - один вправо, другой влево от вертикальной оси. Сопла могут иметь входные отверстия с меньшим диаметром, чем выходные. Ось входного отверстия сопла может быть расположена под углом до 45° от основной оси сопла для более полного гашения газовой струи на выходе.
Соосные лучи, выходящие из коллектора, могут представлять собой единое изделие, симметрично расположенное по отношению к коллектору, а могут быть и отдельными изделиями, предпочтительно симметрично расположенными относительно коллектора. Коллекторы и лучи могут быть круглого или другого по форме сечения.
Предпочтительно, чтобы расстояние между верхней частью распределителя газа и нижними секционирующими решетками составляло 0,7-3,5 высоты нижней секции кипящего слоя катализатора (расстояния между нижней решеткой и следующей по высоте).
На фигурах 1÷6 представлены возможные варианты предлагаемой реакторной системы для осуществления химических процессов в кипящем слое катализатора.
Система включает реактор 1, регенератор 13, транспортные трубы 9 для циркуляции катализатора между ними, имеющие в верхней части распределители катализатора 10. Реактор и регенератор имеют патрубки ввода сырья или воздуха 2, коллекторы 3, соосные лучи 4 и сопла для вытекания газа 6. Соосные лучи имеют окна 5 для затекания газа в лучи из коллектора и диаметрально расположенную стержневую вставку 7. По высоте кипящего слоя в реакторе и регенераторе расположены секционирующие решетки 8. Над кипящим слоем катализатора в реакторе установлен теплообменник 11 для охлаждения реакционной массы с целью снижения термического разложения компонентов реакционной массы и рекуперации тепла. В верхней части реактора и регенератора, перед выходом газов из аппарата установлены циклоны 12 для улавливания и возвращения в аппараты унесенного катализатора. Реактор и регенератор имеют также отпарные секции (десорберы) 14
Реакторная система для осуществления химических процессов в кипящем слое катализатора работает следующим образом.
Пары сырья в реактор 1 (или воздуха в регенератор 13, фиг. 1) поступают через патрубки 2, из которых направляются в коллекторы 3 и далее в лучи 4 (фиг. 2-4) из которых вытекают в кипящий слой катализатора через сопла 6 (фиг. 5 и 6).
Вышедший из распределителя газ, равномерно распределенный по сечению аппарата, проходит кипящий слой катализатора, секционированный решетками 8. Катализатор в аппараты поступает по транспортным трубам 9 и распределитель катализатора 10. После кипящего слоя катализатора в реакторе реакционная масса охлаждается на поверхности теплообменника-рекуператора 11 (для снижения термического разложения продуктов), очищается от катализаторной пыли в циклонах 12 и выводится из реактора на дальнейшую переработку. Воздух после кипящего слоя в регенераторе 13 также очищается в циклонах 12. Катализатор, выходящий из реактора и регенератора отдувается в отпарных секциях 14 азотом от унесенных углеводородов и кислорода.
Благодаря тому, что от каждого патрубка отходит две части коллектора, установленные по высоте на расстоянии друг от друга, осуществляется эффективное перемешивание катализатора и газовых потоков в большем объеме в зоне под нижней секционирующей решеткой аппаратов, что обеспечивает уменьшение отложений катализатора на стенках в самой проблемной зоне аппарата из-за низких скоростей газа и, соответственно, снижение коксования, агломерации катализатора и улучшение гидродинамики потоков.
В случае, если часть коллектора с лучами, ближними к центру аппарата, располагается снизу по патрубку, распределитель возможно располагать практически в днище, что приводит к уменьшению габаритов аппаратов и уменьшению застойных зон, уменьшению налипания катализатора на днище, и соответственно увеличению показателей процесса. Увеличение расстояния между коллекторами более 6 диаметров коллектора приводит к увеличению габаритов распределителя и снижает эффект данного технического решения; уменьшение расстояния между коллекторами менее 1 диаметра коллектора приближает конструкцию к варианту с одной плоскостью (прототип) и снижает преимущества предлагаемого технического решения.
Увеличение сопротивления элементов распределителя от входного патрубка до выпускных сопел, которое достигается обеспечением соотношения площадей свободного сечения входного патрубка, коллектора, соосного луча и сопла 1:0,0900÷0,8100:0,0100÷0,3600:0,0001÷0,0036, позволяет исключить наличие узких мест по ходу потока, обеспечить оптимальное сопротивление распределителя, подобрать оптимальную скорость истечения газов из сопел, равномерное распределение газов и организовать равномерный восходящий поток газов.
Использование аппаратов с коническим днищем с углом между образующими конуса 30-90° позволяет дополнительно минимизировать застойные зоны и отложение катализатора на стенках днища при выводе катализатора из аппарата.
Использование диаметрально расположенной стержневой вставки 7 (фиг 5) напротив отверстия для затекания газа из коллектора, разделяющей лучи и отверстие для затекания газа на две равные части способствует укреплению механической прочности луча, ослабленной вырезанным отверстием, при этом оптимальная площадь сечения стержня составляет 0,05 - 0,2 площади сечения луча.
Таким образом, использование предлагаемых технических решений позволяет организовать равномерное распределение газов по сечению аппаратов, равномерное вытекание газов из сопел соосных лучей, обеспечивая равномерный восходящий поток газов, эффективный контакт газов с движущимся противотоком катализатором, уменьшает застойные зоны и, в итоге, обеспечивает повышение показателей химических процессов, осуществляемых в кипящем слое катализатора.