КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ НЕ ПОДДАВАТЬСЯ ПРЕРЫВАНИЯМ ЦИРКУЛЯЦИИ КАТАЛИЗАТОРА, И СПОСОБ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ УКАЗАННЫЙ РЕАКТОР
MOVING-BED CATALYTIC REACTOR THAT MAKES IT POSSIBLE TO DEAL WITH INTERRUPTIONS IN CATALYST FLOW AND PROCESS USING SAID REACTOR

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение касается области реакторов с подвижным слоем, используемых в некоторых процессах очистки и нефтехимии, таких как, например, каталитический риформинг бензинов, или получение БТК (BTX) (бензола, толуола и ксилолов), которые действуют чаще всего с непрерывной регенерацией катализатора.
Каталитические процессы, осуществляемые в подвижном слое катализатора, позволяют непрерывно регенерировать катализатор. Однако, по причинам технического обслуживания установки или по причине возможных неисправностей, может случиться, что циркуляция катализатора будет замедлена и даже временно прекращена.
Когда циркуляция катализатора является не непрерывной, а периодической, может случиться, что периодичность не будет хорошо приспособлена или разлаживается в ходе функционирования, порождая, таким образом, продолжительную остановку циркуляции катализатора.
Когда остановка циркуляции катализатора сопровождается охлаждением внутренностей реактора, результатом этого является изменение геометрии этих внутренностей, приводящее к уменьшению объема, доступного для катализатора, очень слабо уплотняющегося в качестве твердого тела, что может порождать локальное увеличение напряжений на некоторых внутренних частях.
Так, например, в реакторах каталитического риформинга остановка циркуляции катализатора может в некоторых случаях приводить к уменьшению диаметра и высоты решеток, образующих корзину, содержащую катализатор, и таким образом создавать дополнительное давление на решетки корзины.
Под термином «корзина» во всем продолжении текста подразумевают оболочку обычно, но не обязательно, кольцевой формы, которая содержит катализатор и боковые стенки которой позволяют проходить реагентам и возникающим в результате реакции эфлюентам.
Так как уплотняемость катализатора является очень слабой, это выражается в определенном повреждении решеток, и даже в отрыве фиксаторов решеток на дне реактора, и, следовательно, проникновении катализатора во внутренние части указанного реактора, которые не предусмотрены для того, чтобы содержать катализатор.
Эти повреждения приводят к более или менее серьезным возмущениям нормального функционирования процесса.
Следствиями этого могут быть утрата характеристик, доходящая вплоть до неуправляемости установки и, следовательно, необходимости оказания воздействия на оборудование, приводящей к более или менее продолжительным остановкам.
Настоящее изобретение позволяет устранить опасности, связанные с прекращением циркуляции катализатора, описанные перед этим.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известный уровень техники в области проточных реакторов, типа реакторов с подвижным слоем, в частности, каталитического риформинга бензинов, является очень обширным.
Мы ограничимся здесь документами, в которых описаны типичные конфигурации реакторов с подвижным слоем.
Патенты US 3864240, US 4040794, FR 2160269 и FR 2946660 описывают различные типы реакторов с подвижным слоем, которые, в частности, могут быть использованы в процессе каталитического риформинга бензинов. В этом типе процесса, катализатор циркулирует между разными реакторами реакционной секции, чаще всего, 4 реакторами, и затем поступает в регенератор.
Регенерированный катализатор затем вновь направляют в реакционную секцию.
Согласно другим вариантам, таким, как описанные в документе US 3706536, различные каталитические зоны уложены в стопку (ʺstacked reactorʺ (этажерочный реактор) в англо-саксонской терминологии), чтобы образовать один реактор, содержащий различные реакционные сечения, между которыми циркулирует катализатор.
Равным образом, можно соединить реактор, содержащий несколько реакционных секций, расположенных в стопку, с одним или несколькими другими реакторами, содержащими одну или несколько реакционных секций (описан в FR2160269 фигура 1).
При помощи, возможно, некоторых приспособлений, легко доступных специалисту в данной области, настоящее изобретение касается также способов осуществления, включающих в себя реакторы, разделенные как реакционные зоны, расположенные в стопку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фигура 1 представляет вид нижней части реактора (1), в котором различают центральный коллектор (3), внешнюю стенку (5)корзины, почти вертикальные щитки (7), продлевающие внешнюю стенку корзины и прикрепленные к этой последней, основания (4), на которых покоится корзина.
Катализатор занимает все пространство, находящееся между внешней стенкой корзины и центральным коллектором (3). При нормальном функционировании катализатор вытекает через ножки (2).
Фигура 1b представляет тот же самый вид нижней части реактора (1), но в случае прекращения циркуляции катализатора. Совокупность корзины (5) и присоединенных к ней щитков (7) поднята вверх (в направлении стрелок).
Катализатор занимает часть, называемую зоной хранения, освобождаемую в результате подъема корзины (5).
Фигура 1с представляет по-прежнему нижнюю часть реактора (1), когда циркуляция катализатора восстановлена. Корзина (5) и присоединенные к ней щитки (7) вновь опускаются в их нормальное положение, и катализатор, аккумулированный в зоне хранения, вновь начинает циркулировать через ножки циркулирования (2).
Фигура 2а представляет вид нижней части реактора (1) в варианте настоящего изобретения, согласно которому корзина (5) снабжена в ее нижней части щитком (13), содержащим окна (14). Щиток (13) корзины (5) может скользить во втулке (12).
Точка зрения, принятая на фигурах 2а,2b и 2с, противостоит щиткам (5). Более не видят, следовательно, центральный коллектор (3), который, тем не менее, присутствует.
На фигуре 2а подвижная корзина (5) находится в нижнем положении и опирается на основания (4).
В этой конфигурации окна (14) щитка (13) в нижней части корзины прикрыты втулкой (12). Катализатор, следовательно, сохраняется в корзине (5).
Фигура 2b представляет тот же самый вид нижней части реактора (1), но в случае прекращения циркуляции катализатора. Совокупность корзины (5) и присоединенных к ней щитков (13) подняты вверх (направление стрелки 6).
Катализатор занимает часть, называемую зоной хранения (11), освобождаемую в результате подъема корзины (5), вытекая через окна (14). Подъем щитка (13) направляется втулками (12).
Фигура 2с представляет по-прежнему нижнюю часть реактора (1), когда циркуляция катализатора восстановлена. Корзина (5) и присоединенные к ней щитки (13) опущены в их нормальное положение (по стрелке 8), и катализатор, аккумулированный в зоне хранения (11), вновь начинает циркулировать через ножки циркуляции (2), проходя в пространство, оставшееся свободным, между втулкой (12) и дном реактора (стрелка 9).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение заключается, по существу, в модификации реакторов с подвижным слоем, вводя в эти реакторы подвижные корзины, которые, когда они подняты под действием специального усилия, позволяют катализатору перемещаться в буферную зону хранения. Под реактором с подвижным слоем подразумевают любой тип реактора, в котором катализатор вытекает, непрерывно или временами, из реакционной зоны в зону регенерации. В этом определении нет предубеждения против способа, в котором сырье циркулирует внутри движущегося каталитического слоя.
В установках типа каталитического риформинга бензинов, течение сырья в общем перпендикулярно течению катализатора и осуществляется от периферии к центральному коллектору. Течение сырья в обратном направлении также возможно. Катализатор находится в корзинах, состоящих из решеток, боковые стенки которых обеспечивают поступление сырья и его перенос к центральному коллектору.
Корзины имеют неподвижную точку, находящуюся в верхней части, обычно, конической формы. Когда циркуляция катализатора прерывается, катализатор оседает в указанную верхнюю часть.
Охлаждение, обычно сопутствующее прекращению циркуляции катализатора, вызывает усадку на совокупности корзин, которые, следовательно, имеют тенденцию к подъему вверх. Согласно настоящему изобретению, конфигурация нижней части реактора, дает, таким образом, возможность освобождения пространства, называемого зоной хранения, которое позволяет катализатору занимать указанное пространство.
Во-вторых, катализатор, аккумулированный в зоне хранения, вновь вводят в нормальную циркуляцию катализатора.
Точнее, настоящее изобретение может определяться как каталитический реактор, применяющий катализатор в подвижном слое, в котором катализатор помещен в корзины (5) кольцевой формы, стенки которых образованы из решеток, позволяющих проходить сырью извне во внутрь корзины, а эфлюентам, образующимся в результате реакции, из внутренней части корзины к центральному коллектору (3), или в обратном направлении, при этом указанный реактор отличается тем, что корзины (5), содержащие катализатор, подвижны вдоль почти вертикальной оси и снабжены в продолжение их вертикальной стенки, щитками (7), имплантированными в продолжение боковой стенки указанных корзин, которые во время прекращения циркуляции катализатора, освобождают пространство хранения (11) катализатора в нижней части реактора, при этом катализатор вновь вовлекается в циркуляцию под действием силы тяжести, как только циркуляция восстанавливается.
В одном предпочтительном варианте настоящего изобретения каталитический реактор очистки в подвижном слое использует щитки(7) скользящие в вертикальных втулках (12), которые снабжены окнами (14), закрываемыми втулками (12) при нормальной циркуляции, при этом, указанные окна (14) освобождаются во время подъема корзины (5) в ответ на прекращение циркуляции, обеспечивая таким образом проход катализатора через указанные окна (14) в зону хранения (11), расположенную в нижней части реактора между втулкой 12 и стенкой катализатора.
Согласно еще более предпочтительному варианту настоящего изобретения, окна (14) имеют прямоугольную форму, обеспечивающую равномерный вход катализатора в зону хранения (11).
Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения, окна (14) имеют треугольную форму, причем вершина треугольника направлена вверх, таким образом, чтобы обеспечить постепенный вход катализатора в зону хранения (11).
Каталитический реактор с подвижным слоем согласно настоящему изобретению, может применяться к любому процессу, прибегающему к течению катализатора в подвижном слое, в котором катализатор находится в корзинах, в смысле, определенном выше. Среди процессов в подвижном слое можно назвать, например, каталитический риформинг бензинов.
Вообще, каталитический реактор с подвижным слоем согласно настоящему изобретению может применяться к любому процессу, прибегающему к циркуляции катализатора в подвижном слое, такому, как, например, некоторые процессы гидрообработки остатков, процессы гидроконверсии, гидрообессеривания или гидродеметаллирования остатков, образующихся, например, при атмосферной дистилляции или вакуумной дистилляции сырой нефти.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В реакторе каталитического риформинга непрерывного действия, типа реактора с подвижным слоем, катализатор проходит в несколько последовательных реакционных зон, или реакторов, перед тем, как быть направленным в регенератор.
Каждый реактор содержит, по меньшей мере, одну, даже несколько последовательных каталитических зон, в которых слой катализатора медленно опускается, непрерывно или периодически, в форме непрерывной колонны из зерен катализаторов.
Сырье циркулирует в каждой каталитической зоне соответственно течению в почти радиальном направлении, обычно, от периферии к центру и через каталитические зоны, движущиеся вертикально в ниспадающем направлении. Циркуляция сырья от центра к периферии также возможна.
Следовательно, сырье пересекает каждую каталитическую зону в направлении, почти перпендикулярном направлению течения катализатора.
Катализатор вводят в верхнюю часть реактора в пространство, ограниченное стенкой, имеющей входы/выходы.
Катализатор течет постепенно под действием силы тяжести сверху вниз каталитической зоны и его извлекают из нижней части при помощи любого подходящего средства, например, элеватора (называемого лифтом «lift» согласно англо-саксонской терминологии), позволяющего транспортировать его из нижней части данного реактора в верхнюю часть каталитической зоны следующего реактора, или в регенератор, расположенный после последнего реактора серии.
Серия включает в себя обычно от 3 до 4 реакторов, функционирующих последовательно.
Элеватор использует рабочее тело, например, газ, предпочтительно, водород. Такое оборудование описано, в частности, в патенте FR 2160269.
В технологии этого типа с циркуляцией катализатора в падающем потоке, катализатор поддерживается в кольцевой зоне, ограниченной решетками, образующими корзину почти кольцевой формы.
Такие решетки, например, описаны в патентах FR 2961215 и FR 2966751.
Решетки, часто типа решеток Джонсона («Johson») обеспечивают одновременно хорошее течение катализатора к стенкам из указанных решеток и проход сырья в скрещенном потоке, затем прохождение эфлюентов, образовавшихся в результате реакции, к центральному коллектору.
Изменения операционных условий при работе, например, более или менее значительный нагрев или охлаждение, даже срочная остановка, могут породить деформации (значительные дифференциальные расширения или сжатия) на уровне внутренностей реактора.
Эти деформации могут приводить к увеличению усилий, воздействующих на решетки.
Применение подвижных корзин согласно изобретению в реакторах с подвижным слоем позволяет устранить эти неудобства, давая возможность катализатору иметь доступ к внутренним объемам реактора, доступным для аккумулирования части указанного катализатора и, таким образом, уменьшить и даже полностью устранить напряжения, способные воздействовать на решетку в случае охлаждения. Таким образом, деформация или отрыв решетки могут быть исключены.
Описание, которое следует ниже, позволяет лучше понять изобретение при помощи фигур 1а, 1b, 1c и 2a, 2b и 2с.
Фигуры 1а, 1b и 1c описывают первый вариант, в котором подвижная корзина (5), содержащая катализатор, снабжена щитком (7), который опускается до дна реактора, не опираясь на внутреннюю часть реактора.
Предпочтительно, указанная корзина (5) изготовлена из решеток типа Джонсона, которые представляют собой сетку из вертикальных прутьев, равномерно расположенных и поддерживаемых на месте горизонтальными прутьями, приваренными к вертикальным прутьям.
Корзина покоится на кольцевом основании (4), приваренном к кольцу.
На фигурах 1а, 1b, 1c реактор 1 снабжен ножками 2, дающими возможность опускания катализатора и центрального трубопровода 3 (называемого «центральной трубой» (center pipe) согласно англо-саксонской терминологии), который обеспечивает сбор эфлюентов, образующихся в результате реакции.
Подвижная корзина (5) удерживает катализатор (10) между стенкой и центральным трубопроводом (3). Эта корзина (5) снабжена в ее нижней части щитками (7), почти вертикальными и движущимися по кольцевому основанию решетки. Вертикальность может быть оценена углом, образованным между щитками (7) и вертикалью, и она находится в интервале от 0 до 10°, предпочтительно, от 0 до 5°, более предпочтительно, от 0 до 2°.
На фигуре 1а подвижная корзина (5) находится в нижнем положении и покоится на горизонтальных основаниях (4). Катализатор поддерживается между центральным трубопроводом (3) и стенкой корзины (5), продолжающимися почти вертикальными щитками (7).
Во время прекращения циркуляции катализатора, сопровождающегося охлаждением внутренностей, радиальные напряжения и опускающее усилие воздействуют на решетки корзины (5). Опускающее усилие возникает главным образом в результате несжимаемости катализатора, тогда как корзина относительно стройной геометрии сжимается по ее длине.
Верхняя часть корзины (5)имеет коническую геометрию, причем эта зона заполнена катализатором. Во время прекращения циркуляции катализатора корзина стремится опереться на слой катализатора. За счет продольного сжатия корзины при охлаждении, верхняя часть корзины (5) опирается на плотно набитый катализатор, следствием чего является практически вертикальное перемещение нижней части корзины, направляемое скольжением щитков (7)относительно опорного кольца (4), представленного на фигуре 1b.
Пространство между щитками (7) и дном реактора увеличивается, освобождая зону хранения (11), которая может принимать часть катализатора и таким образом уменьшить, даже аннулировать, напряжение, оказываемое на решетки корзины (5).
Когда циркуляция возобновляется в ножках (2), катализатор направляется в камеру подъема катализатора (не представлена), которая позволяет направить его в следующий реактор или в регенератор.
Зона хранения (11) тогда постепенно опустошается естественным образом, то есть под действием силы тяжести (по стрелке 9 на фигуре 1с), и корзина вновь постепенно опускается (по стрелке 8 на фигуре 1с) в ее нижнее положение, соответствующее фигуре 1а.
Такой цикл может повторяться, как только произойдет новая остановка или инцидент с циркуляцией.
Фигуры 2a, 2b и 2с описывают второй вариант устройства согласно изобретению.
В этой серии фигур, центральный трубопровод (3) фигуры (1) не был представлен, чтобы лучше понять изобретение.
Фигуры 2a, 2b, 2с соответствует точке зрения, которая препятствует щиткам (13).
Согласно этому варианту, корзина (5) снабжена в нижней части щитком (13), содержащим окна (14). Щиток (13) корзины может скользить во втулке (12).
Втулка (12) является ажурной в ее основании (не представлена на фигуре), чтобы обеспечить истечение катализатора, аккумулированного в зоне хранения (11), к ножкам циркуляции (2)во время восстановления циркуляции катализатора.
На фигуре 2а съемная корзина (5) опирается на основания (4) и, следовательно, находится в нижнем положении.
В этой конфигурации окна (14) щитка (13) в нижней части корзины, закрыты втулкой (12). Таким образом, катализатор удерживается в корзине.
Фигура 2b показывает ситуацию прекращения циркуляции катализатора. В случае усилия, оказываемого в результате прекращения циркуляции катализатора, подвижная корзина (5) свободна для подъема по стрелке 6, и окна (14) постепенно раскрываются, давая, таким образом, возможность доступа катализатора в зону хранения (11).
Катализатор в самом деле проходит через окна (14) и находится в нижней части реактора (11) с другой стороны фтулок (12).
Фигура 2с соответствует восстановлению циркуляции катализатора. Когда циркуляция катализатора восстанавливается, катализатор вытекает из зоны хранения (11)к ножкам циркуляции (2), благодаря отверстиям, локализованным в основании фтулки (12), не представлены на фигуре 2с, и через пространство, остающееся свободным между нижним концом фтулок (12) и дном реактора.
Катализатор постепенно высвобождается из зоны хранения (11) и корзина (5) вновь постепенно опускается (по стрелке 8 фигуры 2с) вплоть до того, что вновь опирается на основания (4). Окна (4) в таком случае вновь прикрываются фтулкой (12).
Различные геометрии окон (14) могут позволить получить более или менее равномерное прохождение катализатора в зону хранения (11).
Например:
- Прямоугольные окна позволяют высвобождать одинаковое количество катализатора за одно перемещение корзины вверх.
- Треугольные окна, обращенные вверх, или трапециедальные с малой стороной, обращенной вверх, позволяют высвобождать более значительное количество катализатора по мере того, как корзина поднимается.
- Треугольные окна с вершиной, обращенной вниз, или трапециедальные с малой стороной, обращенной вниз, позволяют высвобождать очень значительное количество катализатора сразу после поднятия корзины.
- Окна в несколько рядов с одинаковой или разной геометрией также могут рассматриваться для получения высвобождения катализатора, регулируемого уровнем подъема корзины.
В заключение, изобретение касается каталитического реактора, использующего катализатор в подвижном слое, в котором катализатор заключен в корзины (5)и в котором указанные корзины подвижны вдоль почти вертикальной оси и снабжены щитками (7,13), которые сами являются почти вертикальными, прикрепленными к нижней части указанных корзин, и в котором во время прекращения циркуляции катализатора, пространство хранения (11), катализатора, расположенное в нижней части реактора высвобождается.
Изобретение касается также способа очистки или нефтепереработки, использующего реактор согласно изобретению. Предпочтительно, указанный способ представляет собой способ каталитического риформинга бензинов, согласно другому варианту указанный способ представляет собой способ гидрообработки остатков.
Следовательно, изобретение касается равным образом каталитического способа очистки, применяющего катализатор в подвижном слое, в котором катализатор заключен в корзины (5)и в котором указанные корзины подвижны вдоль почти вертикальной оси и снабжены щитками (7,13), которые сами являются почти вертикальными, прикрепленными к нижней части указанных корзин, и в котором во время прекращения циркуляции катализатора, пространство хранения (11), катализатора, расположенное в нижней части реактора высвобождается.
В реакторе или способе согласно изобретению могут быть применены следующие варианты или предпочтения.
Предпочтительно, указанный катализатор может быть возвращен в циркуляцию под действием силы тяжести, как только циркуляция восстанавливается.
Более предпочтительно, указанный катализатор может быть заключен в корзины (5) кольцевой формы, стенки которых образованы из решеток, позволяющих проходить сырью снаружи внутрь корзины, а эфлюентам, образующимся в результате реакции, изнутри корзины к центральному коллектору.
Согласно предпочтительному варианту, каталитический реактор или способ, применяющий катализатор в подвижном слое согласно изобретению, может содержать щитки (7,13), которые скользят в вертикальных втулках (12) и снабжены окнами (14), закрываемых фтулками (12)при нормальной циркуляции, причем указанные окна (14)освобождаются во время подъема корзины (5), следующего за прекращением циркуляции, обеспечивая таким образом проход катализатора через указанные окна (14) в пространство хранения (11), расположенное в нижней части реактора между втулкой (12) и стенкой катализатора.
Предпочтительно, указанные окна (14) имеют прямоугольную форму, обеспечивающую равномерный вход катализатора в зону хранения (11).
Согласно другому варианту, указанные окна (14) имеют треугольную форму, при этом вершина треугольника направлена вверх, таким образом, чтобы обеспечить постепенный вход катализатора в зону хранения (11).
ПРЕИМУЩЕСТВО ИЗОБРЕТЕНИЯ ПО ОТНОШЕНИЮ К ИЗВЕСТНОМУ УРОВНЮ ТЕХНИКИ
Решения известного уровня техники, позволяющие избежать накопления усилий на решетки во время прекращения циркуляции катализатора и сопутствующего охлаждения, вовлекают устройство для перемещения катализатора, называемое дополнительным элеватором, такое, как описанное в патенте FR 2160269.
Этот дополнительный элеватор функционирует обычно с газом, доступность которого может быть обеспечена в любой момент, типично, азотом.
Применение дополнительного элеватора требует, тем не менее, работы оператора, нацеленной на загрузку аварийного оборудования, предполагая, что операционные условия для обеспечения перемещения катализатора будут достигнуты быстро. Оператор должен равным образом быть заинтересован в том, чтобы сохранить целостность других аппаратов, которые могли бы быть затронуты в результате инцидента.
Решение, предложенное в настоящем изобретении, не вовлекает никакого дополнительного оборудования и использует зону реактора, то есть нижнюю часть указанного реактора, в которой катализатор циркулировал несовершенно согласно известному уровню техники.
В самом деле, катализатор, циркулирующий обычно в этой зоне, используется плохо или вообще не используется, так как он обычно плохо продувается газом способа.
Оставляя свободной указанную зону и используя ее в качестве зоны временного хранения катализатора, настоящее изобретение предлагает интересное решение без значительной модернизации классической концепции реактора.
Оно дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что не требует вмешательства оператора, так как использует естественное поведение оборудования ввиду внешнего события для борьбы с потенциально отрицательными последствиями указанного внешнего события.
Надежность и реакционноспособность решения согласно настоящему изобретению не зависит, таким образом, ни от какого-либо срока, ни от точности воздействия оператора, и не является предметом какого-либо риска внешней ошибки, как, например, ошибка измерительного инструмента.