3
5
Регенератор системы дегидрирования парафиновых углеводородов C-C с кипящим слоем катализатора
3
5
REGENERATOR OF THE C-C PARAFFIN HYDROCARBONS DEHYDROGENATION SYSTEM WITH A FLUIDIZED CATALYST BED

3
5
Изобретение относится к области нефтехимии, в частности к установкам дегидрирования парафиновых углеводородов С-С в соответствующие олефиновые углеводороды, используемые для получения основных мономеров для синтетического каучука, а также при производстве полипропилена, метилтретичнобутилового эфира и др.
Типовые установки дегидрирования парафиновых углеводородов (И.Л. Кирпичников, В.В. Береснев, Л.М. Попов «Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука», Химия, Ленинград, 1986, стр. 8-12, 47-57) включают в себя реактор и регенератор с кипящим слоем мелкодисперсного алюмохромового катализатора с циркуляцией катализатора между ними. Регенератор содержит цилиндрический корпус, патрубки ввода воздуха через распределитель в нижней части кипящего слоя, ввода топливного газа через горелочное устройство в верхней части кипящего слоя, циклоны с пылеспускными стояками, соединенные с патрубками вывода газов регенерации в верхней сепарационной зоне регенератора, транспортную трубу с распределителем катализатора в виде отбойного диска, расположенного над уровнем кипящего слоя, для ввода отработавшего в реакторе катализатора в закоксованном и охлажденном в ходе эндотермической реакции дегидрирования виде и транспортирующего катализатор воздуха, секционирующие решетки, расположенные по высоте кипящего слоя. При этом регенератор содержит зону нагрева катализатора путем сжигания подаваемого топливного газа в горелочное устройство, представляющего собой систему перфорированных труб, и выжига кокса из катализатора в верхней части кипящего слоя, а также зону окисления катализатора и десорбции продуктов окисления подаваемым в регенератор воздухом в нижней части кипящего слоя над распределителем воздуха. Регенератор имеет также встроенный в нижнюю часть корпуса ниже распределителя воздуха стакан восстановительно-десорбционной подготовки катализатора с кипящим слоем, разделенном решетками на секции, имеющий в нижней части патрубки для ввода газа-восстановителя на восстановление катализатора, инертного газа на десорбцию продуктов восстановления и транспортную трубу для вывода нагретого и регенерированного катализатора в восстановленном виде в реактор.
К недостаткам известного регенератора следует отнести:
- повышенный расход катализатора, связанный с захватом большого количества частиц циркулирующего катализатора потоком газов регенерации на выходе из распределителя катализатора, расположенного над кипящим слоем, что увеличивает пылевую нагрузку на циклоны и снижает эффективность улавливания уносимого катализатора;
- высокий расход воздуха в регенератор, связанный с неиспользованием потенциала подаваемого на транспорт катализатора воздуха, который, примешиваясь в сепарационной зоне регенератора к газу регенерации, балластирует последний и не участвует в процессе регенерации, при том, что величина указанного потока достигает 5% и более от количества подаваемого в регенератор воздуха, а также в связи с неэффективностью используемого горелочного устройства, работающего при высоком коэффициенте избытка воздуха для обеспечения полного сгорания подаваемого топливного газа;
- значительные тепловые неравномерности в зоне нагрева катализатора, включающие локальные зоны перегрева катализатора в связи с неравномерностью распределения газообразного топливного газа в используемом горелочном устройстве, а также вследствие неравномерного распределения поступающего из реактора закоксованного и охлажденного катализатора (поступление катализатора главным образом в центральную часть поперечного сечения кипящего слоя), что также требует увеличения объема зоны нагрева и, соответственно, количества катализатора, загружаемого в регенератор.
3
5
3
5
Наиболее близким к предлагаемому решению является получение олефиновых или изоолефиновых С-С углеводородов дегидрированием парафиновых или изопарафиновых С-С углеводородов (патент RU 2591159, МПК С07С 5/333; B01J 8/00, опубл. 10.07.2016). Расположение распределителя катализатора над транспортной трубой в виде отбойного диска конической формы под уровнем кипящего слоя (не приводит к улучшению ситуации, описанной выше, в связи с тем, что катализатор и транспортный газ (воздух) подается в кипящий слой практически в одну точку - в центральную часть кипящего слоя регенератора.
Задачей настоящего изобретения является повышение технико-экономических показателей процессов дегидрирования парафиновых углеводородов путем снижения расхода катализатора и уменьшения расхода воздуха на регенерацию катализатора.
3
5
Для решения поставленной задачи предлагается регенератор системы дегидрирования парафиновых углеводородов С-С с кипящим слоем мелкодисперсного алюмохромового катализатора, включающий цилиндрический корпус 1, трубопровод 2 подачи кислородсодержащего газа через распределитель (3) в нижней части кипящего слоя, трубопровод ввода топливного газа 4 через горелочное устройство 5 с системой перфорированных труб в верхней части кипящего слоя, транспортную трубу 7 с открытым выпускным торцом 12, направленным вверх для ввода в верхнюю часть кипящего слоя смеси отработавшего в реакторе катализатора и транспортирующего воздуха 31, секционирующие решетки 8, расположенные по высоте кипящего слоя, содержащий при этом зону нагрева катализатора 9 путем сжигания подаваемого в горелочное устройство 5 топливного газа и выжига кокса из катализатора в верхней части кипящего слоя, зону окисления катализатора и десорбции продуктов окисления 10 подаваемым в регенератор кислородсодержащим газом в нижней части кипящего слоя над распределителем 3 кислородсодержащего газа, а также стакан восстановительно-десорбционной подготовки катализатора 11 в нижней части корпуса 1 регенератора, имеющий распределители 13, 14, соединенные с трубопроводами соответственно для ввода газа-восстановителя 15 и инертного газа 16, а также патрубок 17 для вывода потока отрегенерированного и подготовленного катализатора 28 в реактор, при этом в зоне нагрева катализатора 9 установлено дополнительное горелочное устройство 33 для сжигания топливного газа, включающее верхнюю часть транспортной трубы 7, расположенную соосно с корпусом 1 регенератора и с открытым верхним торцом 12, направленным вверх в зоне нагрева катализатора 9, установленный на верхнем торце 12 транспортной трубы 7 первый диск 18, окружающий верхнее отверстие транспортной трубы 7 и второй диск 19, расположенный на некотором расстоянии вверх от первого диска 18 и жестко соединенный с ним с образованием между дисками 18, 19 открытого кольцеобразного пространства 20, при этом дополнительное горелочное устройство 33 имеет соединенную с трубопроводом 29 для ввода топливного газа раздающую камеру 36, выполненную в виде окружающей верхнюю часть транспортной трубы 7 кольцеобразную коробку 32 или раздающую камеру 37 в виде трубы 21, расположенной соосно внутри транспортной трубы 7, и прикрепленной ко второму диску 19, причем указанные раздающие камеры 36, 37 имеют, соответственно, в стенке транспортной трубы 7 или в стенке трубы 21 дозирующие отверстия 30, 22 для выпуска топливного газа в поток смеси катализатора и транспортирующего воздуха 31.
Дозирующие отверстия 30, 22 для выпуска топливного газа в поток катализатора и транспортирующего воздуха 31 могут быть расположены ниже первого диска 18 на расстоянии от него, составляющем не менее, чем 40*d, где d - диаметр одного дозирующего отверстия.
К нижнему торцу 38 трубы 21 может быть прикреплен своим основанием конус-рассекатель 34 с вершиной, направленной вниз.
Дополнительное горелочное устройство 33 может содержать конус-отражатель 6, прикрепленный своим основанием ко второму диску 19, причем, конус-отражатель 6 направлен вершиной вниз и установлен по центру над отверстием транспортной трубы 7.
Первый диск 18 дополнительного горелочного устройства 33 для сжигания топливного газа может быть установлен горизонтально.
Первый диск 18 дополнительного горелочного устройства 33 для сжигания топливного газа может иметь форму усеченного конуса с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 30° вниз от горизонтального положения до 30° вверх от горизонтального положения.
Второй диск 19 дополнительного горелочного устройства 33 для сжигания топливного газа может быть установлен горизонтально.
Второй диск 19 дополнительного горелочного устройства 33 для сжигания топливного газа может иметь форму конуса или усеченного конуса с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 30° вверх от горизонтального положения до 45° вниз от горизонтального положения и установлен вершиной вниз или вверх по центру над отверстием транспортной трубы 7.
Отношение диаметра первого диска 18 дополнительного горелочного устройства 33 для сжигания топливного газа к диаметру корпуса 1 регенератора может находиться в диапазоне значений от 0,1 до 0,3.
В дополнительном горелочном устройстве 33 для сжигания топливного газа отношение диаметра первого диска 18 к диаметру второго диска 19 может находиться в диапазоне значений от 0,8 до 1,25.
Второй диск 19 может быть жестко соединен с первым диском 18 с помощью перегородок 25.
Число перегородок 25 может находиться в диапазоне от 3 до 12.
Перегородки 25 могут быть равномерно распределены по окружности дисков 18, 19, разделяя открытое кольцеобразное пространство 20 на независимые каналы истечения потоков 35.
Перегородки 25 могут представлять собой плоские радиально направленные пластины.
Отношение диаметра основания конуса-отражателя 6 к диаметру отверстия транспортной трубы 7 может находиться в диапазоне значений от 0,3 до 1,0.
Дополнительное горелочное устройство 33 может быть расположено под уровнем кипящего слоя 27 над или под верхней секционирующей решеткой 23.
3
5
В качестве сырья на установке дегидрирования могут быть использованы парафиновые углеводороды С-С, такие, например, как изобутан, н-бутан, изопентан, пропан с содержанием парафинов в сырье предпочтительно 95-99 мас. %, а также смеси указанных парафиновых углеводородов.
2
3
2
2
2
3
3
При осуществлении предлагаемого способа регенерации катализатора в систему реактор-регенератор может быть загружен мелкодисперсный алюмохромовый катализатор, содержащий CrO - 13-25 мас. %, KO - 1,0-3,0 мас. %, SiO - 1,0-10,0 мас. %, AlO - остальное, при содержании в окисленном состоянии CrO - 0,25-3,5 мас. %, например, промышленный катализатор типа АОК-73-24.
В качестве топливного газа и газа-восстановителя могут быть использованы природный газ, предпочтительно содержащий метан, абгаз процессов дегидрирования, содержащий до 25 мас. % водорода или легкие парафиновые углеводороды и др.
В качестве кислородсодержащего газа для регенерации катализатора может быть использован воздух, воздух, обогащенный кислородом (например, смешением воздуха и кислорода). Концентрация кислорода в кислородсодержащих газах, подаваемых на регенерацию катализатора, ограничивается (до 50 мас. %) условиями соблюдения безопасности процесса.
Под отработанным катализатором подразумевают катализатор, который использовался в реакторе дегидрирования, был десорбирован, например, с использованием азота для удаления углеводородов из катализатора, и в охлажденном при осуществлении эндотермической реакции дегидрирования, закоксованном и восстановленном виде направлен в регенератор.
На фиг. 1 представлена схема регенератора с дополнительным горелочным устройством для сжигания топливного газа по изобретению. На фиг. 2 изображен вариант другой возможной компоновки предлагаемого дополнительного горелочного устройства.
Изображенный на фиг. 1 регенератор имеет цилиндрический корпус 1, трубопровод подачи воздуха 2 через основной распределитель 3 в нижней части кипящего слоя, трубопровод ввода топливного газа 4 через горелочное устройство 5 в виде системы из перфорированных труб в верхней части кипящего слоя, транспортную трубу 7 для ввода в верхнюю часть кипящего слоя смеси отработавшего в реакторе катализатора и транспортирующего воздуха 31, секционирующие решетки 8, разделяющие кипящий слой на секции, образующие расположенные последовательно сверху вниз зону нагрева катализатора 9 путем сжигания подаваемого в горелочное устройство 5 топливного газа и выжига кокса из катализатора в верхней части кипящего слоя и зону окисления катализатора и десорбции продуктов окисления 10 подаваемым в регенератор воздухом в нижней части кипящего слоя над основным распределителем воздуха 3, содержащий также встроенный в нижнюю часть корпуса 1 регенератора ниже распределителя воздуха 3 стакан восстановительно-десорбционной подготовки катализатора 11 с кипящим слоем, имеющий в нижней части распределители 13, 14, соединенные с трубопроводами соответственно для ввода газа-восстановителя 15 и инертного газа 16, а также патрубок 17 для вывода отрегенерированного катализатора в реактор. Отходящие из стакана-восстановителя 11 газы восстановительно-десорбционной подготовки катализатора могут быть направлены для дожига в зону нагрева катализатора 9 по специальной трубе (на фиг. 1 не показано).
Предлагаемый регенератор снабжен дополнительным горелочным устройством 33 для сжигания топливного газа. Дополнительное горелочное устройство 33 содержит транспортную трубу 7 с открытым верхним торцом 12 направленным вверх, расположенным в зоне нагрева катализатора 9 соосно с корпусом 1 регенератора, установленный на верхнем торце 12 транспортной трубы 7 первый диск 18, окружающий отверстие транспортной трубы 7 и второй диск 19, расположенный на некотором расстоянии вверх от первого диска 18 и жестко соединенный с ним с образованием между дисками 18, 19 открытого кольцеобразного пространства 20. Как показано на фиг. 2 (разрез по А-А), перегородки 25 в виде пластин делят открытое кольцеобразное пространство 20 на независимые каналы истечения потоков 35. Дополнительное горелочное устройство 33, изображенное на фиг. 1, имеет раздающую камеру 36 в виде окружающей транспортную трубу 7 кольцеобразной коробки 32, соединенной с трубопроводом 29 для ввода топливного газа из коллектора 26 и имеющей дозирующие отверстия 30 в стенке транспортной трубы 7 для выпуска топливного газа в поток смеси катализатора и транспортирующего воздуха 31. Участок транспортной трубы 7 между дозирующими отверстиями 30 и первым диском 18 дополнительного горелочного устройства 33 является смесительной камерой дополнительного горелочного устройства 33 для предварительного смешения газовзвеси транспортирующего воздуха с катализатором и подаваемого топливного газа. Ко второму диску 19 прикреплен своим основанием конус-отражатель 6.
Представленный на фиг. 2 возможный вариант дополнительного горелочного устройства 33 содержит раздающую камеру 37 в виде трубы 21, прикрепленной ко второму диску 19, расположенную внутри транспортной трубы 7 соосно с ней и имеющей дозирующие отверстия 22 для выпуска топливного газа в поток смеси катализатора и транспортирующего воздуха 31. К нижнему торцу 38 трубы 21 прикреплен конус-рассекатель 34. Кольцевое пространство между транспортной трубой 7 и трубой 21 раздающей камеры 37 является смесительной камерой в представленном варианте дополнительного горелочного устройства 33.
Предлагаемый регенератор (фиг. 1 и 2) работает следующим образом.
Под кипящий слой регенератора из коллектора 24 по трубопроводу 2 в основной распределитель 3 подается воздух. Отработавший катализатор из реактора в закоксованном и восстановленном виде в смеси с транспортирующим воздухом подается по транспортной трубе 7 через дополнительное горелочное устройство 33 (одновременно являющееся распределителем потоков катализатора и транспортирующего воздуха) в зону нагрева катализатора 9 в верхней части кипящего слоя. Воздух проходит кипящий слой регенератора, секционированный горизонтальными решетками 8 противоточно к опускающемуся вниз циркулирующему катализатору. Для нагрева циркулирующего катализатора и обеспечения теплом эндотермической реакции дегидрирования в реакторе из коллектора 26, по трубопроводу 4 в верхнюю часть кипящего слоя регенератора через горелочное устройство 5, расположенное в зоне нагрева катализатора 9, подают топливный газ на сжигание в потоке подаваемого в регенератор воздуха при одновременном выжиге кокса на катализаторе. Катализатор последовательно проходит зоны нагрева катализатора 9, окисления и десорбции катализатора от продуктов окисления 10, и далее восстановления катализатора и десорбции продуктов восстановления в стакане 11 восстановительно-десорбционной подготовки катализатора. Окисленный катализатор проходит через стакан-восстановитель 11 для удаления адсорбированного кислорода и восстановления окислов шестивалентного хрома на окисленном катализаторе до окислов трехвалентного хрома в восстановленном катализаторе. Для этих целей расходуется газ-восстановитель в количестве до 3% и более от подаваемого на процесс сырья. Отрегенерированный, подогретый и восстановленный катализатор из нижней части стакана-восстановителя 11 через патрубок 17 транспортируется в реактор. Полученные газы регенерации попадают в надслоевое пространство регенератора и после улавливания мелких фракций унесенного из кипящего слоя катализатора в циклонах (на фиг. 1 не показано) покидают регенератор. Уловленные в циклонах мелкие фракции катализатора по пылеспускным стоякам (на фиг. 1 не показано) возвращаются в верхнюю часть кипящего слоя регенератора, а газ регенерации поступает на охлаждение, санитарную очистку от катализаторной пыли и затем сбрасывается через дымовую трубу (на фиг. 1 не показано) в атмосферу.
В верхнюю часть транспортной трубы 7 из коллектора 26 по трубопроводу 29 через раздающую камеру 36 в виде кольцеобразной коробки и дозирующие отверстия 30 в поток смеси катализатора и транспортирующего воздуха 31 подается часть подаваемого в регенератор топливного газа в количестве, достаточном для максимального использования кислорода транспортирующего воздуха путем более эффективного сжигания топливного газа в предлагаемом дополнительном горелочном устройстве 33, по сравнению со сжиганием в существующем горелочном устройстве 5. Избыточное количество топливного газа после дополнительного горелочного устройства 33 может поступать в кипящий слой на доиспользование в зоне нагрева регенератора 9, где догорает совместно с подаваемым в регенератор через горелочное устройство 5 топливным газом.
В проточном тракте дополнительного горелочного устройства 33, включающем верхний участок транспортной трубы 7 и открытое кольцеобразное пространство 20 между первым 18 и вторым 19 дисками в дополнительном горелочном устройстве 33 осуществляется смешение указанных выше потоков и последующее сгорание топливного газа в факеле дополнительного горелочного устройства 33 (на выходе из открытого кольцеобразного пространства 20).
Проходя транспортную трубу 7, потоки катализатора, транспортирующего воздуха и подаваемого топливного газа перемешиваются при температуре 500-550°С на участке от дозирующих отверстий 30 раздающей камеры 36 до первого диска 18 дополнительного горелочного устройства 33. Получаемая смесь далее распределяется в открытое кольцеобразное пространство 20. При этом поток катализатора по инерции достигает поверхности второго диска 19. Под вторым диском 19 (предпочтительно, с конусом-отражателем 6), в центральной его части, накапливается подвешенный слой постоянно обменивающегося катализатора, что снижает эрозию поверхности указанного диска. Катализатор поступает в объем подвешенного слоя преимущественно в центральную его часть, задерживается в подвешенном слое, при этом усредняются неравномерности поступающего потока катализатора, и далее вытекает равномерно в начало открытого кольцеобразного пространства 20, обеспечивая равномерное питание потока смеси воздуха и топливного газа катализатором на начальном участке открытого кольцеобразного пространства 20. При секционировании открытого кольцеобразного пространства 20 перегородками 25 (показано на фиг. 2), указанное открытое кольцеобразное пространство 20 делится на независимые каналы истечения потоков 35, что обеспечивает сохранение равномерности распределения потоков при их истечении вдоль каналов. Затем поток транспортного воздуха с равномерно распределенном в нем топливным газом и катализатором проходит открытое кольцеобразное пространство 20 и выходит в кипящий слой по всей наружной кромке дисков 18, 19 дополнительного горелочного устройства 33 в виде непрерывной, веерообразной, радиально-направленной струи. Происходит сначала задержка катализатора на начальном участке открытого кольцеобразного пространства 20 и далее, под воздействием потока смеси воздуха и топливного газа, значительное увеличение скорости потока смеси катализатора, воздуха и топливного газа на конечном участке указанного открытого кольцеобразного пространства. Эта ситуация обеспечивается заявляемым диапазоном размеров конструктивных элементов предлагаемого дополнительного горелочного устройства 33. Увеличение скорости истечения катализатора и смеси воздуха и топливного газа позволяет выпускать катализатор и газовую смесь из открытого кольцеобразного пространства 20 дополнительного горелочного устройства 33 на существенное расстояние от наружной кромки дисков 18, 19. Под воздействием потока катализатора, смесь воздуха и топливного газа диспергируется в дополнительном горелочном устройстве 33 и в точке ввода двухфазного потока в кипящий слой находится в состоянии мелких пузырьков. При этом высокая скорость истечения катализатора и газовой смеси в радиальном направлении улучшает перемешивание катализатора и газовой смеси в кипящем слое зоны нагрева катализатора 9 и обеспечивает при температуре 650-660°С в указанной зоне факельное горение топливного газа на значительном участке кипящего слоя алюмохромового катализатора, примыкающем к наружной кромке дисков 18, 19 дополнительного горелочного устройства 33. С большой вероятностью факел предлагаемого дополнительного горелочного устройства 33 дополнительно подпитывается также воздухом и/или топливным газом из кипящего слоя зоны нагрева регенератора, подаваемыми, соответственно, через распределитель воздуха 3 и существующее горелочное устройство 5 в виде перфорированных труб. Использование предлагаемого дополнительного горелочного устройства 33 в комбинации с существующим горелочным устройством 5 при их взаимодействии в кипящем слое повышает эффективность работы всей системы нагрева катализатора регенератора в целом. Достигаемое при использовании изобретения более равномерное распределение катализатора и компонентов смеси газовых потоков (топливного газа и воздуха) на выходе из открытого кольцеобразного пространства 20 между дисками 18, 19, обеспечивает более высокий уровень изотермичности кипящего слоя в зоне нагрева регенератора по сравнению с прототипом. Совокупный эффект диспергирования воздуха и топливного газа в двухфазном потоке на выходе из горелочного устройства 33, перемешивания катализатора и газа в кипящем слое создает условия увеличения интенсивности процессов тепло-массообмена в кипящем слое зоны нагрева катализатора 9. Это приводит к увеличению устойчивости горения, полноты сгорания подаваемого топливного газа, к уменьшению количества зон перегрева катализатора в верхней части кипящего слоя, к использованию транспортирующего газа (воздуха) для сжигания топливного газа при снижении расхода воздуха на регенерацию катализатора по сравнению с прототипом. При этом, например, в процессе дегидрирования изобутана, доля тепловой мощности дополнительного горелочного устройства 33 для сжигания топливного газа в потоке транспортирующего воздуха достигает 5% и более от общей тепловой мощности зоны нагрева регенератора при соответствующем перераспределении подаваемого на сжигание в зону нагрева катализатора 9 топливного газа между существующим малоэффективным горелочным устройством и предлагаемым дополнительным горелочным устройством 33, обеспечивающим высокую эффективность сжигания топливного газа и одновременно более равномерное распределение тепловых и материальных потоков в зоне нагрева предлагаемого регенератора. Более эффективное сжигание подаваемого топливного газа в регенератор в целом приводит к снижению тепловых неравномерностей в зоне нагрева катализатора 9, позволяет снизить объем зоны нагрева катализатора 9 и, соответственно, количества катализатора, загружаемого в регенератор.
Предлагаемые конструкции дополнительных горелочных устройств, изображенных на фиг. 1 и 2, позволяют также одновременно обеспечивать более равномерное распределение циркулирующего катализатора, газовых потоков и тепла в поперечном сечении верхней части кипящего слоя регенератора, снижают унос катализатора при расположении указанных дополнительных горелочных устройств под уровнем кипящего слоя 27 над или под верхней секционирующей решеткой 23 регенератора.
Таким образом, при использовании предлагаемой конструкции регенератора, обеспечивается технический результат: повышение технико-экономических показателей процессов дегидрирования парафиновых углеводородов путем снижения расхода катализатора и уменьшения расхода воздуха на регенерацию катализатора.