3
5
Реактор (варианты) и способ диагностики неисправностей и оптимизации конструкции реактора дегидрирования парафиновых углеводородов С-С
REACTOR (VARIANTS) AND METHOD OF FAULT DIAGNOSTICS OF OPTIMISATION OF PARAFFIN HYDROCARBONS C3-C5 DEHYDRATION REACTOR STRUCTURE

3
5
Настоящее изобретение относится к области нефтехимии, в частности к реакторам с кипящим слоем, в том числе к реакторам получения олефиновых углеводородов С-С дегидрированием соответствующих парафиновых углеводородов, используемых в дальнейшем для получения основных мономеров СК, а также при производстве полипропилена, метилтретичнобутилового эфира и пр.
Известен реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, распределитель паров сырья в нижней части корпуса, решетки, разделяющие зону кипящего слоя на секции («Промышленность синтетического каучука», Москва, ЦНИИТЭНефтехим, 1968, №2, стр. 8, Р.К. Михайлов, А.Н. Бушин «Совместное дегидрирование бутана и изопентана в кипящем слое мелкозернистого катализатора»).
Однако указанный реактор имеет секционирующие решетки с одинаковым свободным сечением. При этом формируется не оптимальный профиль распределения температуры и катализатора по высоте реактора, что определяет низкие показатели дегидрирования парафиновых углеводородов - выходов олефинов на пропущенное и разложенное сырье в известном реакторе.
3
5
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является реактор дегидрирования парафиновых углеводородов C-C с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, распределитель паров сырья в нижней части корпуса реактора, решетки с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие кипящий слой катализатора на секции, и циклоны очистки контактного газа от катализаторной пыли в верхней части корпуса, с пылеспускными стояками, снабженными клапанами для возврата уловленного катализатора в кипящий слой (патент RU 2156161, МПК B01J 8/04, C07C 5/333, опубл. 20.09.2000).
Однако указанный реактор характеризуется прямопропорциональной зависимостью изменения свободного сечения решеток по высоте кипящего слоя. Профиль изменения свободного сечения решеток выбирается без учета важнейших параметров осуществления процессов дегидрирования - распределения количества катализатора и температуры по секциям кипящего слоя. Все это определяет относительно невысокие показатели дегидрирования парафиновых углеводородов в известном реакторе (выходы олефинов на пропущенное и разложенное сырье).
Диагностика неисправностей реактора дегидрирования во время его работы путем измерения перепада температуры по высоте кипящего слоя (патент SU 952832, МПК C07C 5/32, G05D 27/00, опубл. 23.08.1982) неэффективна для использования при оптимизации конструкции реактора путем реконструкции решеток.
Предложенная («Теоретические основы химической технологии» Том XVII, №6, 1983, стр. 808, Комаров С.М., Коробов В.И., Цайлингольд А.Л. «Модель расширения псевдоожиженного слоя») система контроля работы реакторов с кипящим слоем путем измерений перепадов давления и, соответственно, распределения катализатора по высоте кипящего слоя не позволяет получить необходимые данные для диагностики неисправностей и оптимизации конструкции реакторов с кипящим слоем, в том числе реакторов дегидрирования.
3
5
3
5
Задачей настоящего изобретения является увеличение выходов олефинов за счет более эффективной организации работы реактора дегидрирования парафиновых углеводородов C-C, а так же снижение выноса катализатора из реактора и разработка реакторов с кипящим слоем для дегидрирования парафиновых углеводородов C-C и других химических процессов.
3
5
Для решения поставленной задачи предлагается реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов C-C с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, включающий вертикальный цилиндрический корпус 1, патрубки ввода 11 и вывода 10 циркулирующего катализатора, трубопроводы ввода сырья 8 и патрубок вывода контактного газа 16, распределитель паров сырья 2 в нижней части корпуса 1, решетки 3 с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие зону кипящего слоя на секции 4 и циклоны очистки контактного газа 5 от катализаторной пыли в верхней части корпуса 1 с пылеспускными стояками 13, оборудованными клапанами 14 для возврата уловленного катализатора в кипящий слой, а так же по высоте корпуса 1 установлены патрубки 7, 6, соединенные с приборами для измерения соответственно температуры и перепадов давления, патрубки 7, 6 установлены группами, с расположением патрубков 7, 6 в горизонтальной плоскости, причем группы установлены по высоте корпуса 1 таким образом, что группа нижних патрубков 7, 6 расположена на уровне или выше распределителя паров сырья 2, а группа верхних патрубков 7, 6 - на уровне или ниже входа контактного газа в циклоны 5, одновременно в кипящем слое катализатора группы патрубков 7, 6 установлены над верхней и под нижней решетками 3, а между этими решетками установлена одна или несколько групп патрубков 7, 6, причем между этими группами патрубков 7, 6 расположена одна или несколько решеток 3, при этом свободное сечение решеток 3 определяют по зависимости:
i
где ϕ - свободное сечение i-ой решетки, %;
1
ϕ - свободное сечение нижней решетки, %;
i
h - расстояние от распределителя паров сырья до i-ой решетки, м;
ехр - показательная функция;
общ
Н - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;
А - коэффициент, равный (0,5-15);
В - коэффициент, равный (0,5-1,0);
i - индекс принадлежности решетки.
3
5
Поставленная задача решается с помощью другого варианта реактора для дегидрирования парафиновых углеводородов C-C с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, включающего вертикальный цилиндрический корпус 1, патрубки ввода 11 и вывода 10 циркулирующего катализатора, трубопроводы ввода сырья 8 и патрубок вывода контактного газа 16, распределитель паров сырья 2 в нижней части корпуса 1, решетки 3, установленные пакетами по 2-7 решеток с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие зону кипящего слоя на секции 4 и циклоны очистки контактного газа 5 от катализаторной пыли в верхней части корпуса 1 с пылеспускными стояками 13, оборудованными клапанами 14 для возврата уловленного катализатора в кипящий слой, а так же по высоте корпуса 1 установлены патрубки 7, 6, соединенные с приборами для измерения соответственно температуры и перепадов давления, патрубки 7, 6 установлены группами, с расположением патрубков 7, 6 в горизонтальной плоскости, причем группы установлены по высоте корпуса 1 таким образом, что группа нижних патрубков 7, 6 расположена на уровне или выше распределителя паров сырья 2, а группа верхних патрубков 7, 6 - на уровне или ниже входа контактного газа в циклоны 5, одновременно в кипящем слое катализатора группы патрубков 7, 6 установлены над верхним и под нижним пакетами решеток 3, а между этими пакетами решеток установлена одна или несколько групп патрубков 7, 6, причем между этими группами патрубков 7, 6 расположены один или несколько пакетов решеток 3, при этом решетки в каждом пакете имеют одинаковое свободное сечение и свободное сечение решеток 3 в пакетах определяют по зависимости:
ξ
где ϕ - свободное сечение решеток ξ-ого пакета, %;
1
ϕ - свободное сечение решеток нижнего пакета, %;
ехр - показательная функция;
ξ
h - расстояние от распределителя паров сырья до ξ-ого пакета, м;
общ
Н - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;
А - коэффициент, равный (0,5-15);
В - коэффициент, равный (0,5-1,0);
ξ - индекс принадлежности пакета решеток.
Соотношение свободных сечений верхней и нижней решеток 3 может составлять 1,2-3,0.
Высота кипящего слоя в секциях 4 может составлять 20-80% от высоты секции 4.
Отношение общей высоты кипящего слоя в реакторе к диаметру корпуса 1 составляет 1,0-4,0.
Число решеток 3 в кипящем слое реактора может составлять 6,0-14,0.
Решетки 3 могут устанавливаться с одинаковым расстоянием между ними.
Секции 4, на которые разделен кипящий слой решетками, могут иметь одну или более групп патрубков 7, 6.
Группы патрубков 7, 6 могут содержать два или более патрубков 7, 6, соединенных с приборами для измерения температуры и перепада давления.
В нижней, верхней и, возможно, в средней частях стояков циклонов 5 могут быть установлены патрубки 6, соединенные с приборами для измерения перепадов давления в стояках циклонов 5.
При этом патрубки 7, 6 в группе для измерения температуры и перепада давления могут быть расположены равномерно по сечению реактора.
Распределитель паров сырья 2 так же может быть изготовлен из труб и содержать 2-6 секторов, состоящих из коллекторов 28 и соединенных с ними лучей 29, снабженных соплами 34, направленными вверх и/или вниз для вытекания паров сырья в кипящий слой, при этом каждый коллектор 28 может иметь подводящий пары сырья трубопровод 30, снабженный устройствами 31 для измерения и регулирования давления и/или расхода паров сырья в коллекторе 28.
Предлагаемый реактор может использоваться для проведения различных реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.
3
5
Для решения поставленной задачи предлагается также способ диагностики неисправностей реактора для дегидрирования парафиновых углеводородов C-C с кипящим слоем мелкозернистого катализатора путем регулирования температурного режима в реакторе, заключающийся в том, что в секциях 4 кипящего слоя катализатора между группами патрубков 7, 6, расположенных по высоте кипящего слоя, измеряют температуру и/или перепады давления, при этом определяют количество катализатора в указанных секциях по формуле:
i
где Q - количество катализатора в секциях кипящего слоя между группами патрубков, кг;
i
2
ΔP - измеряемый перепад давления в секциях между группами патрубков, кг/м;
i
2
F - площадь поперечного сечения корпуса реактора в секциях между группами патрубков, м;
i - принадлежность секции;
и, далее, полученный практический профиль изменения температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя, сопоставляют с оптимальным профилем изменения температуры и количества катализатора процесса дегидрирования и диагностируют неисправности реактора.
При этом оптимальным является равномерное распределение температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя.
Предлагается так же способ диагностики и устранения неисправностей реактора, при котором в каждом коллекторе 28 распределителя паров сырья 2 измеряют и регулируют давление и/или расход паров сырья для достижения равномерности распределения паров сырья и температуры по поперечному сечению реактора.
Предлагается так же способ диагностики и устранения неисправностей работы циклонов 5, при котором измеряют перепады давления в стояках 13 циклонов 5 и, соответственно, количество уловленного и накопленного в стояках 13 этих циклонов катализатора, которое определяют по формуле:
ст
где Q - количество катализатора в стояке циклона, кг;
ст
2
ΔР - измеряемый перепад давления по высоте стояка циклона, кг/м;
ст
2
F - площадь поперечного сечения стояка циклона, м;
и далее определяют стояки (13) циклонов (5), переполненные катализатором и продувают их газовым потоком.
Предлагаемый способ может использоваться для проведения различных реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.
Для решения поставленной задачи предлагается также способ оптимизации конструкции реактора, при котором производят последовательные реконструкции решеток 3 с приближением их свободного сечения к величинам, обеспечивающим равномерное распределение температуры и количества катализатора по высоте кипящего слоя, при этом свободные сечения решеток 3 определяют по зависимости:
i
1
i
общ
ϕ=ϕ+A⋅expB⋅(h/H),
i
где ϕ - свободное сечение i-ой решетки, %;
1
ϕ - свободное сечение нижней решетки, %;
ехр - показательная функция;
i
h - расстояние от распределителя паров сырья до i-ой решетки, м;
общ
Н - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;
А - коэффициент, равный (0,5-15);
В - коэффициент, равный (0,5-1,0);
i - индекс принадлежности решетки,
или свободные сечения решеток ξ-того пакета определяют по зависимости:
ξ
1
ξ
общ
ϕ=ϕ+А⋅ехрВ⋅(h/Н),
ξ
где ϕ - свободное сечение решеток ξ-ого пакета, %;
1
ϕ - свободное сечение решеток нижнего пакета, %;
ехр - показательная функция;
ξ
h - расстояние от распределителя паров сырья до ξ-ого пакета, м;
общ
Н - общая высота кипящего слоя катализатора в реакторе над распределителем паров сырья, м;
А - коэффициент, равный (0,5-15);
В - коэффициент, равный (0,5-1,0);
ξ - индекс принадлежности пакета решеток.
Предлагаемый способ может использоваться для проведения различных реакций в кипящем слое, для регенерации катализаторов в циркуляционных системах.
Предлагаемый реактор с кипящим слоем с секционирующими решетками или способ диагностики неисправностей реактора и их устранения и/или оптимизации конструкции реактора можно использовать для осуществления ряда других реакторных процессов, например, окислительное хлорирование этилена до дихлорэтана, окислительный аммонолиз пропилена с получением акрилонитрила, синтез винилацетата взаимодействием уксусной кислоты с ацетиленом, окисление нафталина во фталевый ангидрид и других, а так же таких процессов, как регенерация катализатора в циркуляционных системах реактор-регенератор дегидрирования, крекинга, риформинга, классификация дисперсных частиц, нагревание и охлаждение, адсорбция, сушка, водная дегазация полимеров, коксование, восстановление металлов из оксидов и др.
Предлагаемый реактор может быть применен в известных установках дегидрирования парафиновых углеводородов с использованием циркуляции катализатора между реактором и регенератором (патент RU 2129111, патент RU 2224735).
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение показателей дегидрирования (увеличение выходов олефинов на пропущенное и разложенное сырье), а также снижение выноса катализатора из реактора и разработаны варианты реакторов для дегидрирования парафиновых углеводородов и других процессов в кипящем слое.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого реактора. Реактор имеет корпус 1, распределитель паров сырья 2 камерного типа (в виде плиты с отверстиями), распределитель катализатора 24. Кипящий слой катализатора (уровень кипящего слоя 26) в реакторе разделен решетками 3 или пакетами решеток на секции 4. Реактор имеет циклоны 5 с уровнем входа контактного газа 27 в циклоны, расположенные в сепарационной зоне 25 реактора, с пылеспускными стояками 13, оборудованными клапанами 14. Корпус реактора 1 оборудован патрубками 6 для измерения давления P или, соответственно, перепадов давления ΔP, а так же парубками 7 для измерения температуры. Патрубки 6 и 7 располагаются на корпусе реактора группами на нескольких уровнях по высоте корпуса. Реактор имеет так же трубопроводы 8 для подачи паров сырья в реактор под распределитель паров сырья 2, а так же патрубки 9 для подачи азота в отпарную секцию реактора 12, патрубки 10 и 11 для выхода и входа циркулирующего катализатора из регенератора. В стояках 13 циклонов 5 накапливается слой катализатора 15. Корпус реактора оборудован патрубком 16 для вывода контактного газа.
На фиг. 2 изображена над верхней решеткой группа патрубков 6, 7. Указанные на фиг. 2 точки измерения температуры и давления расположены в горизонтальной плоскости с равномерным (для измерения температуры) и с симметричным (для измерения давления) расположением в сечении реактора. Пылеспускные стояки 13 оборудованы патрубками 6 для измерения давления в верхней, нижней и средней части стояков и, соответственно, перепадов давления между этими частями стояков.
На фиг. 3 представлен возможный вариант расположения трех групп патрубков в трех уровнях в зоне одной из секций кипящего слоя.
На фиг. 4 представлено распределение катализатора по секциям кипящего слоя (кривая 1), а распределение температуры - на фиг. 5 (кривая 1).
На фиг. 6 представлен вид сверху возможного варианта конструкции трубчатого распределителя паров сырья 2 из 4-х секторов, каждый из которых имеет коллектор 28, лучи 29, снабженные соплами 34, направленными вверх, и трубопровод 30 для подачи паров сырья 2 в коллектор 28, при этом каждый трубопровод 30 снабжен устройствами для измерения давления 31, расхода паров сырья 32 и для регулирования давления и/или расхода паров сырья 33.
Реактор работает следующим образом.
Испаренные парафиновые углеводороды (сырье) подаются в реактор (фиг. 1) по трубопроводам 8 через распределитель паров сырья 2. В отпарную секцию 12 по патрубкам 9 подается инертный газ на отпарку отходящего из реактора катализатора от углеводородов. В нижней секции реактора (между распределителем паров сырья 2 и нижней решеткой пары сырья перемешиваются с поднимающимися из отпарной секции 12 газами отпарки и далее поднимаются по кипящему слою катализатора, проходя последовательно секционирующие решетки 3 или пакеты решеток, попадая затем в надслоевое пространство реактора в его сепарационную зону 25.
Эндотермическая реакция дегидрирования парафиновых углеводородов требует подвода тепла. Подвод тепла обеспечивается циркулирующим через регенератор катализатором. Отрегенерированный и подогретый в регенераторе катализатор поступает из регенератора по патрубку 11 в надслоевое пространство реактора через распределитель 24 и далее проходит секции реактора с кипящим слоем катализатора противоточно поднимающимся парам сырья, постепенно охлаждаясь в ходе осуществления эндотермической реакции дегидрирования и через отпарную секцию 12 по патрубку 10 в зауглероженном и восстановленном виде возвращается в регенератор на выжиг кокса, окисление, подогрев и восстановление.
Полученный контактный газ после обеспыливания в установленных в надслоевом пространстве циклонах 5 через патрубок 16 направляется на охлаждение и переработку - извлечение полученных олефиновых углеводородов. Уловленный в циклонах 5 катализатор возвращается по спускным стоякам 13 через клапаны 14 в кипящий слой катализатора. В стояках 13 циклонов 5 над клапанами 14 накапливается слой уловленного катализатора 15, высота которого определяется характеристиками выпускного клапана 14.
Пары сырья поступают в каждый сектор распределителя паров сырья 2 (фиг.6) по отдельным трубопроводам 30. При этом измеряется давление и расход паров сырья соответственно устройствами 31 и 32, величины которых регулируются устройством 33. Пройдя через коллекторы 28 и лучи 29 пары сырья поступают через сопла 34 в кипящий слой катализатора.
Общая высота кипящего слоя в реакторе определяется по формуле:
общ
общ
2
где Н - общая высота кипящего слоя в реакторе, м, на котором измеряется общий перепад давления ΔP, кг/м;
кс
кс
2
H - высота нижнего участка кипящего слоя, м, на котором измеряется перепад давления ΔР, кг/м.
Обозначения в формуле (5) показаны на фиг. 1.
2
1
На фиг. 3 изображен фрагмент кипящего слоя с i-ой решеткой, которая с вышерасположенной решеткой 3, обозначенной во фрагменте позицией 20, имеющей свободное подрешеточное пространство 19, в котором расположена точка 23 для измерения давления и имеющей номер (i+1), образует секцию j, а с нижерасположенной решеткой, имеющей номер (i-1), - образует секцию j-1. В указанных обозначениях i - это индекс принадлежности решетки, a j - это индекс принадлежности секции 4 кипящего слоя 17 реактора. Каждая секция 4 реактора (на фиг.3 для примера представлена секция j) может быть оборудована прибором для измерения перепада давления ΔР между точкой 21 (или 21*), расположенной на уровне решетки i, и точкой 22 (или 22*) для измерения давления в кипящем слое секции, расположенной на уровне решетки i+1 (выше уровня кипящего слоя катализатора в секции j), а также прибором для измерения перепада давления ΔP между точкой 21 (или 21*), расположенной на уровне решетки i, и точкой 22, расположенной ниже уровня кипящего слоя 18 катализатора в секции j. Точки 21 и 21* располагаются на минимально-возможном расстоянии от решетки i.
Высота кипящего слоя в j-й секции 4 определяется по формулам:
кс
кс
где H, H* - высота кипящего слоя в секции, м;
1
1
1
1
2
H, H* - высота нижней части кипящего слоя секции, м, на которой измеряется перепад давления ΔP и ΔР*, кг/м;
2
2
2
ΔP, ΔР* - перепад давления на всей высоте секции, кг/м.
Обозначения в формулах (6) представлены на фиг. 3.
Величины высоты кипящего слоя в секции j, определяемые по формуле (5), практически совпадают в связи с незначительным гидравлическим сопротивлением решеток. Это позволяет пользоваться для определения высоты кипящего слоя в секции j любой из представленных на фиг. 3 схем измерений.
Концентрация катализатора в кипящем слое секции j может быть определена по формуле:
3
где ρ - концентрация катализатора в кипящем слое секции, кг/м;
1
2
ΔP - перепад давления на нижней части кипящего слоя секции, кг/м;
1
H - высота нижней части кипящего слоя секции, м.
Высота подрешеточных пространств с невысокой концентрацией катализатора - так называемых «газовых подушек» - может быть определена по формуле:
г.п.
секц
сл
H=H-H,
секц
где H - высота секции кипящего слоя.
При наличии трех патрубков по высоте стояков циклонов 5 для измерения перепадов давления, высота слоя катализатора в стояках 13 циклонов и концентрация катализатора в слое может определяться по зависимостям, аналогичным представленным в формулах (6) и (7) и на фиг. 3.
Особенностью реакторов дегидрирования парафиновых углеводородов является значительное изменение скорости газового потока вдоль кипящего слоя в связи с тем, что реакции дегидрирования идут с увеличением объема, по высоте реактора меняется температура и давление, которое меняется в зависимости от количества катализатора в секциях, в зоне кипящего слоя может меняться также и площадь сечения корпуса реактора:
i+1
i
i
i+1
i+1
i
i
i+1
i
i+1
ω=ω⋅(P/P)⋅(T/T)⋅(M/M)⋅(F/F),
i
где ω - скорость газового потока в сечении реактора на уровне расположения i-ой решетки, м/с;
i
P - давление на уровне расположения i-ой решетки, ата;
i
T - температура на уровне расположения i-ой решетки, град;
i
M - молекулярный вес контактного газа на уровне расположения i-ой решетки, г/моль;
i
2
F - площадь сечения корпуса реактора на уровне расположения i-ой решетки, м.
Основным отличием в конструкции предлагаемого реактора от известных решений является изменение по высоте реактора свободного сечения последовательно расположенных в кипящем слое решеток в соответствии с представленной математической зависимостью (1), (2) которое обеспечивает максимальное приближение каждой решетки реактора к наиболее оптимальному режиму работы с равномерным распределением температуры и катализатора по высоте кипящего слоя.
В условиях противоточного движения циркулирующего катализатора и газа в отверстиях решеток реактора дегидрирования парафиновых углеводородов отклонение величины свободного сечения каждой решетки 3 или решеток 3 в i-том пакете от определяемой по математической зависимости (1) или (2) при установке решеток пакетами, в большую сторону приводит к уменьшению уровня кипящего слоя на этой решетке. Завышенная величина свободного сечения решеток 3 приводит к скапливанию катализатора на нижних решетках (снижению уровня кипящего слоя в реакторе) и, соответственно, к оголению верхних решеток, которые оказываются выключенными из работы. Кроме того, на поверхностях оголенных решеток из-за их высокой температуры идут не селективные превращения парафиновых углеводородов, а также разложение образовавшихся в нижних секциях реактора олефинов. Отклонение же свободного сечения решетки 3 в меньшую сторону от величины, определяемой по математической зависимости (1) или (2) приводит к возрастанию уровня кипящего слоя на этой решетке. В связи с поступлением циркулирующего катализатора на верхнюю решетку 3 при заниженном свободном сечении решеток происходит накопление катализатора на верхних решетках 3 и соответствующее опустошение нижних решеток 3. Это также приводит к снижению выходов олефинов на пропущенное и разложенное сырье.
Аналогичная ситуация возникает и при уменьшении отношения свободных сечений верхней и нижней решеток 3 ниже величины 1,2, и, соответственно, выше величины равной 3,0.
Снижение высоты кипящего слоя катализатора в секциях 4 реактора до величины менее 20% от высоты секции за счет уменьшения свободного сечения решеток 3 и, соответственно, увеличения скорости газового потока в отверстиях решеток 3, приводит к усложнению конструкции реактора и увеличению его металлоемкости в связи с необходимостью увеличения количества решеток и высоты реактора. При этом возникает неустойчивый режим работы решеток, близкий к режиму захлебывания. Ситуация же, связанная с увеличением высоты кипящего слоя более 80% от высоты секций за счет увеличения свободного сечения решеток и, соответственно, уменьшения скорости газового потока в отверстиях решеток, приводит к неэффективной работе решеток в связи с увеличением обратного перемешивания катализатора и газа, а также уменьшением массообмена на этих решетках.
При отношении высоты кипящего слоя к диаметру корпуса реактора менее величины равной 1,0, происходит существенное уменьшение скорости газового потока в реакторе, сопровождаемое ухудшением равномерности распределения катализатора и газа по сечению реактора, сокращением интенсивности массообмена. При увеличении указанного отношения свыше величины равной 4,0 существенно снижается производительность реактора.
Число решеток в реакторе менее 6-и не обеспечивает требований обеспечения оптимального режима работы реактора в целом (приближения к режиму вытеснения при движении катализатора и газа). В то же время увеличение числа решеток свыше 14-и усложняет конструкцию реактора.
Число секторов в распределителе паров сырья 2 свыше 6-и нецелесообразно в связи с чрезмерным усложнением конструкции распределителя. При направлении сопел 34 распределителя вверх требуется более высокий перепад давления, чем в распределителе с соплами, направленными вниз, что в некоторых случаях следует учитывать при выборе источника давления. Количество сопел 34, которые устанавливаются в направлении вниз, ограничено, так как возникающее истирание частиц катализатора при струйном воздействии потока газа выше по сравнению с истиранием частиц при соплах 34, установленных вверх.
Предлагаемая схема установки патрубков 7, 6, соединенных с приборами для измерения температуры и/или перепадов давления позволяет контролировать распределение температуры и количества катализатора по всему объему кипящего слоя (как по высоте, так и по поперечному сечению реактора), а также наполнение стояков 13 циклонов 5 катализатором и при этом осуществлять диагностику неисправностей работающего реактора с дальнейшим устранением этих неисправностей.
Неисправности возникают, например, при дефектах изготовления или монтажа решеток 3, распределителей паров сырья 2, распределителей катализатора 24, поступающего в реактор из регенератора, и/или циклонных систем, а также при их разрушении в ходе эксплуатации, в том числе при образовании коксовых отложений на элементах конструкции. При использовании предлагаемой системы диагностики неисправностей реактора открывается возможность устранения этих неисправностей путем, например, измерения давления и/или расхода паров сырья в коллекторах 28 секторов трубчатых распределителей и последующего регулирования этих параметров, обеспечивая равномерность распределения паров сырья по сечению реактора. Или, например, путем продувки стояков 13 неисправных циклонов 5 газовым потоком (например через импульсные трубки, соединяющие патрубки стояков с приборами измерения перепадов давления), выжига кокса в реакторе (при кратковременной остановке процесса дегидрирования с последующей продувкой реактора воздухом), адресного выполнения ремонтно-восстановительных работ на дефектных узлах реактора.
К неисправностям можно также отнести существенные отклонения рабочих профилей изменения температуры и количества катализатора от их оптимального (равномерного) распределения по высоте кипящего слоя. Оптимизация конструкции реактора путем уточнения (корректировки) профиля изменения свободного сечения решеток 3 по высоте реактора с использованием предлагаемых методов диагностики неисправностей реактора и математической зависимости (1) или (2) при установке решеток 3 пакетами позволяет получить равномерное распределение температуры и катализатора по высоте кипящего слоя.
3
5
Изобретение иллюстрируется следующими примерами при проведении процесса дегидрирования парафиновых углеводородов C-C.
Приведенные ниже примеры представлены для более подробного описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, которые включены в объем настоящего изобретения. Примеры приведены только для иллюстрации настоящего изобретения и не ограничивают его объем.
Пример 1
2
3
Дегидрирование изобутана в изобутилен осуществляют на алюмохромовом катализаторе АОК-73-24, полученном пропиткой микросферического оксида алюминия, содержащем CrO - 15 мас. %. Схема реактора представлена на фиг. 1. Катализатор в реактор вводят по патрубку 11 из регенератора (на фиг. 1 не показано). Схема распределителя паров сырья представлена на фиг.6 (без устройств для измерения и регулирования давления и/или расхода паров сырья в коллекторах распределителя). Число решеток - 12 шт. Решетки имеют одинаковое свободное сечение - 31% (в соответствии с аналогом). Процесс проводят при температуре над верхней решеткой реактора 570-575°C и при давлении в зоне расположения циклонов (зоне сепарации) - 35 кПа.
Распределение катализатора по секциям кипящего слоя представлено на фиг. 4 (кривая 1), а температуры - на фиг. 5 (кривая 1). Данные для распределений получают усреднением указанных параметров в пределах каждой группы измерений. Указанные распределения демонстрируют значительное отклонения этих распределений от их оптимальных значений, что говорит о неудовлетворительной работе решеток.
Установлено, что в верхней части кипящего слоя - в горизонтальном сечении реактора над верхней решеткой (фиг. 2) наблюдается тепловая неравномерность с перепадом температуры 5°C, что говорит о неисправности распределителя катализатора 24 (фиг. 2).
Установлено, что под нижней решеткой 3 в поперечном сечении реактора наблюдается тепловая неравномерность с перепадом температуры до 15°C, что говорит о неравномерном распределении паров сырья в поперечном сечении реактора и наличии застойных зон в нижней части кипящего слоя катализатора.
3
3
Установлено также, что четыре стояка циклонов второй ступени пылеулавливания переполнены катализатором (высота слоя катализатора в стояках больше высоты стояка). Уловленный в этих циклонах катализатор не возвращается в кипящий слой, а подвергается вторичному уносу. Запыленность контактного газа катализатором в трубопроводе после реактора при этом составляет 7,5 г/м. После продувки стояков потоком азота через импульсные трубки приборов измерения перепадов давления запыленность контактного газа составила 3,6 г/м.
Выход изобутилена на пропущенный изобутан составил 36,0 мас. %. Выход изобутилена на разложенный изобутан - 79,0 мас. %.
Пример 2
Дегидрирование изобутана осуществляют в условиях примера 1, но с использованием решеток с равномерным распределением их свободного сечения по высоте кипящего слоя в соответствии с прототипом (свободное сечение изменяется от 23% до 42%).
Распределение катализатора по секциям кипящего слоя представлено на фиг. 4 (кривая 2), а температуры - на фиг. 5 (кривая 2). Указанные распределения демонстрируют существенные отклонения этих распределений от их оптимальных значений, что говорит о неудовлетворительной работе решеток.
Установлено, что под нижней решеткой в поперечном сечении реактора наблюдается тепловая неравномерность с перепадом температуры до 10°C, что говорит о неравномерном распределении паров сырья в поперечном сечении реактора и наличии застойных зон в нижней части кипящего слоя катализатора.
3
Установлено, что 3 стояка циклонов первой ступени пылеулавливания не содержат катализатора (измеряемые перепады давления в стояках отсутствуют). При этом указанные циклоны выключены из работы (запыленный контактный газ проходит циклоны через стояки не подвергаясь очистке). Указанная ситуация возникла в результате неисправности выпускных клапанов на стояках этих циклонов. Запыленность контактного газа катализатором в трубопроводе после реактора при этом составляет 6,2 г/м.
Выход изобутилена на пропущенный изобутан составил 39,0 мас. %.
Выход изобутилена на разложенный изобутан - 83,0 мас. %.
Пример 3
Дегидрирование изобутана осуществляют в предлагаемом реакторе в условиях примера 2, после восстановительного ремонта по результатам диагностики неисправностей реактора в предыдущем пробеге. Выполнен ремонт распределителя катализатора 24, неисправных клапанов на стояках циклонов. Выполнена реконструкция решеток с приближением их свободных сечений к оптимальным величинам для осуществления процесса дегидрирования изобутана. Свободные сечения установленных решеток 3 соответствуют рассчитанным по зависимости (1) и скорректированы по результатам измерений профилей изменения температуры и перепадов давлений в предыдущем пробеге реактора (свободное сечение решеток изменялось по высоте реактора от 23% до 42%).
Распределитель паров сырья 2 в реакторе выполнен в соответствии с предлагаемой конструкцией, изображенной на фиг. 6.
Распределение катализатора по секциям кипящего слоя представлено на фиг.4 (кривая 3), а температуры - на фиг. 5 (кривая 3). Указанные распределения демонстрируют оптимальные профили, достигнутые в этом примере (равномерное распределение катализатора и температуры по высоте кипящего слоя).
Путем выполнения измерений давления и расхода паров сырья в коллекторах 28 распределителя, а так же регулирования их величин, достигнуто равенство давлений и расходов паров сырья в коллекторах, что обеспечило равномерность распределения паров сырья в поперечном сечении реактора. Перепад температуры в поперечном сечении нижней части кипящего слоя не превышал 4°C.
Достигнутое при этом одновременное равенство давления и расхода паров сырья в коллекторах 28 показало на возможность использования измерений давления и/или расхода паров сырья для достижения равномерности распределения паров сырья в реакторе путем регулирования указанных параметров.
Измерениями установлено, что все стояки 13 циклонов 5 пылеулавливания содержат слой катализатора. Это говорит о том, что система циклонного пылеулавливания работает исправно. При этом выпускной клапан 14 каждого стояка циклонов обеспечивают необходимый подпор, при котором количество поступающего в стояк уловленного катализатора равно количеству катализатора, выпускаемого через клапан. Наличие слоя катализатора в стояке, играющего роль запорного элемента, предотвращает шунтовой проскок запыленного контактного газа через стояк циклона.
3
Запыленность контактного газа катализатором в трубопроводе после реактора при этом составляет 2,3 г/м.
Выход изобутилена на пропущенный изобутан составил 46,3 мас. %.
Выход изобутилена на разложенный изобутан - 88,0 мас. %.
Предлагаемые способы измерений, расчетов, диагностики неисправностей и оптимизации решеток 3 могут быть использованы для регенератора системы дегидрирования парафиновых углеводородов, зон стриппинга, восстановления и системы циркуляции катализатора и в реакторах с кипящим слоем с секционирующими решетками.
3
5
Таким образом, предлагаемый реактор дегидрирования парафиновых углеводородов C-C, способ диагностики неисправностей реактора и их устранения, а так же способ оптимизации конструкции реактора позволяют повысить показатели процессов дегидрирования (выход олефинов на пропущенное и разложенное сырье). При этом, предлагаемая система измерений количества катализатора в стояках циклонов позволяет выполнять диагностику неисправностей при работе циклонов и устранять эти неисправности, что позволяет снизить вынос катализатора из системы дегидрирования.