ЕМКОСТЬ, СОДЕРЖАЩАЯ СЛОЙ ГРАНУЛ, И СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗ, ЦИРКУЛИРУЮЩИХ В УПОМЯНУТОЙ ЕМКОСТИ В ВОСХОДЯЩЕМ ПОТОКЕ
TANK WITH GRANULE LAYER AND SYSTEM OF DISTRIBUTION OF GAS AND LIQUID PHASES CIRCULATING IN THIS TANK IN UPSTREAM

Настоящее изобретение относится к емкости (или реактору), содержащей слой гранул и снабженной системой распределения газовой и жидкой фаз, циркулирующих в упомянутой емкости в восходящем потоке.
Настоящее изобретение также относится к емкости для обработки или гидрообработки жидких сред и каталитической обработки дистиллятов тяжелой сырой нефти.
В частности, настоящее изобретение относится к системе, в общем случае расположенной внутри емкости и обеспечивающей сепарацию жидкой и газовой фаз и подачу данного газа и данной жидкости в нижнюю часть упомянутой емкости с целью создания прямоточного восходящего потока газа и жидкости.
Хорошо известно, что для емкостей с неподвижным слоем катализатора необходимым является как можно более равномерная подача не только газовой, но и жидкой фазы.
Также является необходимым обеспечение как можно более равномерного и как можно более однородного распределения двух упомянутых фаз по всей длине продольного сечения упомянутой емкости с целью оптимизации контакта газ - жидкость внутри емкости и для обеспечения практической идентичности режимов работы различных зон упомянутой емкости.
Как известно, подобное распределение может быть достигнуто различными средствами, в частности при помощи перфорированной распределительной тарелки, снабженной вертикальными трубками. Подобный способ обеспечивает подачу газа сквозь отверстия в тарелке и подачу жидкости по трубкам, что более подробно описано в патенте DE 1933857.
Также известна емкость, содержащая средства питания газом и жидкостью, в которой газ и жидкость поступают совместно по одному трубопроводу, расположенному на дне емкости. Подобная емкость также содержит распределительную тарелку с трубками, расположенную по всему поперечному сечению и обеспечивающую подачу газа и жидкости.
Хотя емкости подобного типа являются интересными с технической точки зрения вследствие применения единственного трубопровода подачи, они, однако, обладают существенными недостатками.
В самом деле, газ и жидкость поступают в емкость в виде смеси; подобный способ подачи порождает искажения поверхности контакта газ - жидкость под устройством подачи с трубками.
Кроме того, режим работы при этом не является оптимальным, поскольку газ плохо распространяется по поперечному сечению емкости; обычно газ поднимается по центру емкости в виде столба. Это искажает поверхность контакта газ - жидкость под распределительной тарелкой и влечет за собой неравномерность распределения газа под тарелкой.
Кроме того, газ может попадать в трубки; в случае наличия столба газа из этого следует неравномерность подачи газа, и в центральную зону тарелки будет поступать больше газа.
В настоящем изобретении предложено устранить упомянутые недостатки путем применения емкости со слоем катализатора, содержащей систему сепарации жидкой и газовой фаз, обеспечивающую достижение равномерного распределения газовой фазы по всему сечению емкости и отсутствие искажения поверхности контакта газ - жидкость.
В этой связи настоящее изобретение относится к емкости, содержащей по меньшей мере один слой насадки и средства подачи смеси жидкости с газом ко дну емкости, отличающейся тем, что емкость содержит систему сепарации жидкой фазы и газовой фазы, содержащихся в упомянутой смеси, причем данная система размещена между упомянутым слоем и упомянутыми средствами подачи смеси, причем упомянутая система содержит камеру, включающую в себя средства обеспечения стока очищенной от газа жидкости и средства удаления отделившегося газа.
Камера может содержать отверстия во внешней стенке, служащие для стока очищенной от газа жидкости.
Камера может содержать средства усиления сепарации газа и жидкости.
Средства усиления могут содержать пластину, расположенную напротив средств подачи смеси.
Камера может содержать входной патрубок, размещенный внутри упомянутой камеры и соединенный со средствами подачи смеси.
Камера может содержать трубу для отвода газа, включающую в себя средства создания потерь напора.
Средства создания потерь напора могут содержать по меньшей мере одно боковое отверстие, проделанное в трубе.
Один из концов отводной трубы может быть размещен внутри камеры; упомянутое по меньшей мере одно боковое отверстие может быть проделано на упомянутом конце.
Средства создания потерь напора могут содержать сужение сечения отводной трубы.
Камера может содержать устройство распределения отделившегося газа, обеспечивающее подачу данного газа по всему сечению емкости.
Устройство распределения может содержать по меньшей мере один радиальный рукав, снабженный соплами для выпуска газа.
Емкость может содержать по существу горизонтальную тарелку, занимающую все сечение емкости, полые трубы, проходящие сквозь упомянутую тарелку, и отверстия, проделанные в упомянутой тарелке с целью создания сообщения между двумя сторонами упомянутой тарелки.
Настоящее изобретение также относится к способу гидрообработки жидких сред или каталитической обработки дистиллятов с применением емкости по изобретению.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения являются более понятными при прочтении следующего далее описания, приведенного только в иллюстративных и не в ограничительных целях, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет собой схематический частичный продольный разрез емкости, содержащей систему сепарации фаз по изобретению;
- фиг.2 представляет собой местный продольный разрез в увеличенном масштабе системы сепарации фаз, показанной на фиг.1;
- фиг.3 представляет собой другой схематический частичный продольный разрез варианта осуществления емкости, содержащей систему сепарации фаз по изобретению;
- фиг.4 представляет собой график, иллюстрирующий режим работы сепаратора при расходе газа Qgaz и расходе жидкости Qliq; пример соответствует емкости, показанной на фиг.3;
- фиг.5 представляет собой схематический частичный продольный разрез другой емкости, содержащей другой вариант осуществления системы сепарации фаз по изобретению;
- фиг.6 представляет собой местный продольный разрез варианта осуществления системы сепарации фаз, показанного на фиг.2.
На фиг.1 показана замкнутая емкость 10, в общем случае в форме удлиненной вертикальной трубы, в верхней части содержащая средства подачи продуктов (не показаны), делающие возможным формирование по меньшей мере одного слоя гранул 12. Под слоем гранул понимают совокупность твердых частиц, имеющих форму зерен размером порядка нескольких миллиметров и предпочтительно обладающих каталитической активностью, что делает возможным формирование слоя катализатора.
Упомянутый слой в нижней части упомянутой емкости ограничен поперечной перфорированной опорой 14, размещенной на расстоянии от дна 16 емкости и доходящей до внешних стенок 18 упомянутой емкости. Сквозные промежутки перфорированной опоры имеют такой размер, что они не могут пропускать частицы, но могут пропускать любые газы и любые жидкости.
Подразумевается, что термин "емкость", использованный выше, охватывает как колонны, так и реакторы.
Сходным образом термин "катализатор" относится как к свежему катализатору, так и к регенерированному катализатору.
На дне емкости, предпочтительно в районе его середины, находится трубопровод 20 питания смесью газовой фазы и жидкой фазы (или средой). Газовая фаза предпочтительно по меньшей мере частично состоит из водорода; жидкая фаза содержит практически только углеводороды. Смесь, возможно, содержит другие фазы, в том числе воду в смеси с воздухом или кислородом, или углеводород(ы) в смеси с воздухом или кислородом.
Именно на дне размещена система 22, обеспечивающая возможность сепарации и подачи фаз, содержащихся в смеси, поступающей в емкость; упомянутую систему в продолжении описания называют декантатором.
В соответствии с показанным в дополнение на фиг.2, декантатор 22 содержит трубчатую камеру 24, имеющую общую форму, удлиненную по направлению емкости, поперечное сечение, предпочтительно меньшее поперечного сечения упомянутой емкости, и высоту, меньшую расстояния между дном 16 упомянутой емкости и опорой 14.
Упомянутая камера содержит периферийную стенку 26 практически круглой формы, ограниченную нижней торцевой стенкой 28, опирающейся на дно 16 емкости, и верхней торцевой стенкой 30, расположенной на расстоянии от опоры 14.
Рядом с нижней стенкой 28 во внешней стенке имеются отверстия 32, позволяющие обеспечить возможность сообщения между внутренним объемом камеры и дном емкости. Упомянутые отверстия предпочтительно являются равномерно распределенными по всей длине окружности внешней стенки камеры. Отверстия, помимо круглой формы, показанной на чертеже, могут иметь любую требуемую форму и быть проделанными в любых положениях, в том числе иметь вытянутую, квадратную, прямоугольную форму и др. и быть проделанными симметрично или несимметрично по отношению к главной оси камеры.
В нижней стенке 28 просверлено отверстие 34, предпочтительно круглое и расположенное по главной оси камеры, обеспечивающее возможность плотного соединения с трубопроводом 20 питания емкости; с данным отверстием плотно соединена по существу вертикальная распределительная труба 36, выходное отверстие 38 которой находится на расстоянии от верхней стенки 30.
Возможно, что, в противоположность показанному на фиг.2, сечения трубопровода 20, отверстия 34 и трубы 36 являются одинаковыми с целью ограничения потерь напора.
В верхней стенке 30 камеры имеется отверстие 40 круглой формы, предпочтительно выполненное соосно с отверстием 34. С данным отверстием плотно соединена отводная труба 42; ее входное отверстие 44 находится внутри камеры на расстоянии от выходного отверстия 38 распределительной трубы 36, а ее выходное отверстие 46 - на расстоянии от опоры 14. На внешней стенке части отводной трубы, находящейся внутри камеры, имеется по меньшей мере одно боковое отверстие 48, в данном случае в форме вертикальной щели, проходящей от входного отверстия 44 и заканчивающейся ниже верхней стенки 30; размеры и положение отверстия обеспечивают возможность создания потерь напора газа, что описывается в настоящем описании далее.
Предпочтительно, согласно показанному на фиг.2, камера снабжена средствами усиления сепарации газа и жидкости. Данные средства включают в себя горизонтальную пластину 50, называемую разбрызгивательной пластиной, служащую опорой для входного отверстия 44 отводной трубы 42 и предпочтительно перекрывающую упомянутое входное отверстие. Пластина, предпочтительно имеющая круглую форму, имеет такой размер поверхности, что размер сечения пластины может составлять от размера сечения выходного отверстия 38 трубы 36 до размера полного сечения емкости. Данная пластина может быть перфорированной, иметь форму сетки или быть сплошной, как показано на чертеже. В последнем случае внешний край пластины находится на расстоянии от внутренней поверхности внешней стенки камеры, чтобы для циркуляции сохранялся промежуток 52 кольцевой формы.
В ходе работы смесь газа и жидкости, подаваемая по трубопроводу питания 20, поступает в распределительную трубу 36, затем выходит из последней сквозь выходное отверстие 38 и приходит в контакт с разбрызгивательной пластиной 50. После подачи жидкость, содержащаяся в смеси, под действием силы тяжести перемещается в направлении нижней стенки 28 с достаточно небольшой скоростью опускания, что позволяет пузырькам газа G, отделившимся от жидкости, подниматься в направлении верхней стенки 30 сквозь промежуток 52. Предпочтительно, скорость опускания жидкости предпочтительно составляет от 0,05 до 0,4 м/с, что обеспечивает полную декантацию жидкости до ее выхода из камеры. Следует отметить, что под действием удара смеси о разбрызгивательную пластину пузырьки газа сепарируются от жидкости еще быстрее и в большем количестве. Таким образом, происходит сепарация фаз смеси с образованием жидкой фазы (стрелка L), содержащей в основном жидкость, и газовой фазы, содержащей в основном газ, отделившийся от жидкости.
Жидкая фаза, очищенная от газа, т.е. освобожденная от большей части газа, выходит из камеры 24 сквозь отверстия 32 и собирается на дне емкости.
Пузырьки газа G собираются в верхней части камеры, образуя тем самым под верхней стенкой 30 газовую подушку 54 и ограничивая поверхность 56 контакта газ - жидкость. Образование подобной газовой подушки возможно, в частности, вследствие наличия на отводной трубе 42 щелей 48, размеры и количество которых определяются специалистом в данной области техники с целью создания потерь напора при помощи газа. Кроме того, данные щели должны обеспечивать возможность образования слоя подушки, достаточно плотного для того, чтобы всасывания очищенной от газов жидкости в трубу 42 путем попадания туда сквозь упомянутые щели 48 не происходило.
Таким образом, после декантации смеси, поступившей в камеру, получают жидкость, свободную от газа, предпочтительно находящуюся под разбрызгивательной пластиной 50 и отводимую ко дну емкости сквозь отверстия 32, и газовую фазу, образующую газовую подушку 54, предпочтительно находящуюся над пластиной 50 и отводимую сквозь щели 48 с целью циркуляции по отводной трубе 42 до ее выходного отверстия 46.
Отделившийся газ, получаемый в декантаторе, затем может быть использован либо совместно с емкостью, содержащей тарелку для подачи газа и жидкости (фиг.3), либо совместно с емкостью, содержащей только опорную сетку для слоя катализатора (фиг.5).
Емкость 10 на фиг.3 содержит по существу горизонтальную тарелку с трубками 60, заменяющую перфорированную опору 14, служащую опорой для слоя катализатора 12, размещенную на расстоянии от дна 16 упомянутой емкости и занимающую все сечение емкости.
Данная тарелка содержит множество отверстий, часть 62 которых используется для подачи газа, выходящего из отводной трубы 42, в слой 12; в другую часть 64 упомянутых отверстий вставлены вертикальные полые трубы 66, обозначенные в дальнейшей части описания термином "трубки". Данные трубки содержат открытые нижние концы 68, погруженные в очищенную от газа жидкость 70, содержащуюся на дне емкости и поступающую из камеры 24, и верхние концы 72, сообщающиеся со слоем 12.
Расстояние между выходным отверстием 46 отводной трубы 42 и нижней поверхностью тарелки предпочтительно составляет порядка 1-100 мм, более предпочтительно от 10 до 50 мм; упомянутое расстояние является меньшим расстояния между упомянутой нижней поверхностью и нижними концами трубок 66.
Таким образом, газ, выходящий из отводной трубы 42, подается под тарелку 60, где образуется облако газа 74, определяющее поверхность 76 контакта газа и очищенной от газа жидкости 70. Данное облако образуется вследствие потерь напора, вызываемых наличием в тарелке отверстий 62, количество, распределение и размеры которых определяются специалистом в данной области техники так, чтобы поверхность контакта 76 находилась под выходным отверстием 46, служащим для выхода газа.
Вследствие этого выходное отверстие 46 постоянно находится в облаке 74; газ поступает непосредственно в облако газа, что устраняет риск искажения поверхности контакта 76.
В ходе работы емкости газ из облака 74 проходит сквозь отверстия 62, в то время как очищенная от газа жидкость циркулирует по трубкам 66. Газ и жидкость, подаваемые равномерно по всей тарелке 60, затем проходят сквозь активный слой катализатора в восходящем потоке с целью осуществления требуемой реакции и после этого выводятся из емкости с применением любых известных специалисту в данной области техники средств.
В качестве примера заявителем была использована установка, содержащая емкость, аналогичную показанной на фиг.3, работающая на системе вода - воздух при 25°С и абсолютном давлении 1 бар (0,1 МПа).
Использованная емкость имела диаметр 500 мм; распределительная тарелка 60 состояла из 7 трубок диаметром 35 мм и высотой 400 мм и имела отверстия 62 диаметром 0,9 мм в количестве 14 шт.
Декантатор 22 состоял из цилиндрической камеры 24 диаметром 170 мм и высотой 300 мм. Разбрызгивательная пластина являлась сплошной и имела диаметр 100 мм. Пластина была размещена на 100 мм ниже верхнего края камеры (высота верхней зоны коалесценции газа могла составлять 100 мм).
Трубопровод 20 питания смесью газ/жидкость имел диаметр 40 мм. Отводная труба 42 имела диаметр от 20 до 36 мм, в данном случае 20 мм, и содержала прямоугольную щель 48 шириной от 1 до 5 мм, в данном случае 1 мм. Отверстия 32 в камере в количестве 20 шт. были проделаны на расстоянии 10 мм от нижней стенки 28 и имели диаметр 10 мм.
Результаты применения подобной примерной емкости представлены на графике, показанном на фиг.4, по абсциссе которого отложен расход жидкой фазы, а по ординате - расход газовой фазы, и который позволяет выделить три режима работы "А", "В" и "С".
3
3
3
Так, для первого режима "А", при расходе жидкости, составляющем от около 0 примерно до 7 Нм/ч, и при расходе газа, составляющем примерно от 3 Нм/ч примерно до 5,5 Нм/ч, можно отметить, что имеет место попадание жидкости в отводную трубу 42 и ее вытекание сквозь выходное отверстие 46.
3
3
3
3
Во втором режиме "В", которому соответствуют расход жидкости, составляющий примерно от 0 примерно до 7 Нм/ч, и расход газа, лежащий в интервале примерно от 3 Нм/ч - 5 Нм/ч примерно до 5,5 Нм/ч, емкость вследствие наличия декантатора обеспечивает осуществление практически полной сепарации жидкой фазы и газовой фазы, причем по трубе 42 отводится только газовая фаза, а сквозь отверстия 32 выходит только жидкая фаза.
3
3
3
В третьем режиме "С" расход жидкости составляет от около 0 примерно до 7 Нм/ч; расход газа составляет примерно от 5 Нм/ч примерно до 5,5 Нм/ч. В данном режиме происходит проникновение газа сквозь отверстия 32. Подобное нарушает работу емкости путем создания движения жидкости на поверхности контакта 76, напоминающего кипение.
Вследствие этого работа подобной емкости предпочтительно осуществляется так, чтобы достигались значения расхода жидкости и газа, соответствующие режиму "А" и, что предпочтительно, режиму "В".
В случае применения декантатора совместно с емкостью, содержащей только сетку 80, служащую опорой для слоя катализатора вместо перфорированной опоры 14, согласно показанному на фиг.5 предусматривается, что декантатор 22 также содержит устройство 82 распределения отделившегося газа (или барботер). Подобное распределительное устройство обеспечивает практически равномерную подачу отделившегося газа, поступающего из выходного отверстия 46 трубы 42 отвода газа, по всему сечению емкости.
Подобное распределительное устройство содержит по меньшей мере один полый поперечный радиальный рукав 84, расположенный по существу горизонтально и отходящий от трубы 42 в направлении стенки 18 емкости. Распределительное устройство предпочтительно снабжено несколькими рукавами, расположенными через одинаковые угловые промежутки относительно трубы, например шестью рукавами, отстоящими на 60° друг от друга. В подобном рукаве просверливают соединительное отверстие 86, позволяющее соединить любыми известными способами, например пайкой или сваркой, внутренний объем данного рукава с выходным отверстием 46 трубы 42. В подобном рукаве также имеется несколько сопел 88, которые распределены вдоль каждого рукава и оси которых направлены к слою 12. Свободный конец рукава, противоположный соединению 86, предпочтительно закрывают любыми средствами, например пробкой. Как показано на фиг.5, предусматривается применение по меньшей мере одной трубы 90, образующей два рукава 84, продолжающих друг друга, и наличие соединительного отверстия 86 в средней зоне трубы.
Работа подобной емкости является сходной с работой емкости, показанной на фиг.3, за исключением наличия облака газа под сеткой.
Так, отделившийся газ, циркулирующий по трубе 42 декантатора, поступает в трубу 90, циркулирует по каждому из рукавов 84 и выходит сквозь сопла 88, проходит сквозь сетку 80 и в восходящем потоке поступает в слой 12. Очищенная от газа жидкость 70, содержащаяся на дне емкости, также проходит сквозь сетку и сходным образом поступает в слой 12. Согласно упомянутому выше, газ и жидкость отводятся в верхней части емкости любыми известными средствами с целью обработки и/или хранения.
Разумеется, что не выходит за рамки настоящего изобретения, декантатор 22, снабженный распределительным устройством 82, показанным на фиг.5, может быть использован вместо декантатора, показанного на фиг.3, что создает преимущество возможности более быстрого создания более однородного облака газа.
Вариант осуществления декантатора 122, показанный на фиг.6, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг.2, тем, что с отверстием 140 плотно соединена труба 142 отвода газа, входное отверстие 144 которой соединено с упомянутым отверстием и не проникает во внутренний объем камеры, и тем, что выходное отверстие 146 упомянутой отводной трубы содержит средства 148 ограничения циркуляции газа. Упомянутые средства состоят в сужении сечения входного отверстия 146, которое может быть осуществлено любыми средствами, например, с применением плоской шайбы 150, соединенной с упомянутым входным отверстием и содержащей центральное отверстие 152 небольшого диаметра, сетки, пластины, содержащей множество отверстий, и др.
Таким образом, подобное сужение сечения обеспечивает возможность создания потерь напора при помощи газа, отделившегося от жидкости, вследствие чего под верхней стенкой 30 образуется газовая подушка 54.
Подобный вариант осуществления декантатора может быть использован совместно с емкостями, показанными на фиг.1 и 3, а также на фиг.5, в последнем случае с дополнительным распределительным устройством 82.
Настоящее изобретение применяется, в частности, но не исключительно, в способе гидрообработки жидких сред или каталитической обработки дистиллятов, в которых применяется емкость по изобретению.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше примерами и охватывает все его варианты осуществления и его эквиваленты.
В частности, к подобным случаям относится случай, при котором с целью упрощения изготовления емкости камера 24 не содержит нижней стенки 28 и при котором замыкание объема камеры осуществляется путем соединения нижней части стенки 26 с дном 16. Соединение может быть осуществлено пайкой, сваркой и др.
Кроме того, было экспериментально установлено, что декантатор, снабженный трубой 42, включающей в себя щели 48, обеспечивает работу в широком интервале значений расходов жидкости и газа при отсутствии попадания газа в жидкость, тогда как декантатор с трубой 142, содержащей средства ограничения 148, обеспечивает лучшую сепарацию газа и жидкости.
Так, в случае применения совместно с тарелкой с трубками предпочтительным является применение декантатора с трубой, содержащей щели, с целью создания потерь напора, поскольку попадание жидкости в газ при этом не имеет места, тогда как попадания газа в жидкость таким путем можно избежать.