Результат интеллектуальной деятельности: Распределитель катализатора и транспортного газа для системы реактор - регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С-С с кипящим слоем

Изобретение относится к области нефтехимии, в частности к установкам дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ 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.; патент RU 2601002, МПК B01J 8/04; С07С 5/333, опубл. 27.10.2016) включают в себя реактор и регенератор с кипящим слоем мелкодисперсного алюмохромового катализатора с секционирующими решетками, транспортные трубы для циркуляции катализатора из реактора в регенератор и обратно путем пневмотранспорта катализатора на верх кипящего слоя с использованием транспортного газа, подаваемого в транспортные трубы (паров сырья, природного газа или других инертных газов - при транспорте катализатора из регенератора в реактор и воздуха - при транспорте катализатора из реактора в регенератор), трубопроводы для подачи паров сырья вниз кипящего слоя реактора, воздуха вниз кипящего слоя регенератора, трубопроводы для вывода контактного газа и газа регенерации, соединенные с циклонами, расположенными в верхней части реактора и регенератора. Нагретый и отрегенерированный в регенераторе катализатор подается из нижней части кипящего слоя регенератора через распределитель катализатора и транспортного газа на верх кипящего слоя реактора, проходит противоточно поднимающимся в кипящем слое катализатора парам сырья, обеспечивая эндотермическую реакцию дегидрирования и далее с низа реактора в закоксованном, восстановленном и охлажденном виде подается через распределитель катализатора и транспортного газа на верх кипящего слоя регенератора для выжига кокса, окисления и перегрева катализатора за счет сгорания подаваемого в верхнюю часть кипящего слоя регенератора топливного газа в условиях противотока катализатора и подаваемого вниз кипящего слоя регенератора воздуха. В реакторе и регенераторе формируется температурный профиль изменения температуры по высоте кипящего слоя при котором температура верхней части кипящего слоя выше, чем температура низа кипящего слоя. Установка содержит распределитель катализатора и транспортного газа в виде отбойного диска конической или эллиптической формы, расположенного над верхним торцом транспортной трубы над уровнем кипящего слоя в сепарационной зоне реактора и/или регенератора. К недостаткам известного распределителя катализатора и транспортного газа следует отнести возможность захвата частиц катализатора газовым потоком на выходе из распределителя, что ухудшает работу циклонов и снижает эффективность улавливания катализатора. Кроме того, транспортный газ в варианте подачи на транспорт катализатора в реактор паров сырья и воздуха - в регенератор не контактирует с кипящим слоем соответственно в реакторе и регенераторе, примешиваясь к контактному газу и газу регенерации в сепарационных зонах указанных аппаратов. Величина указанных потоков достигает 5% и более от количества подаваемого в реактор сырья и воздуха в регенератор. Непрореагировавшие парафиновые углеводороды из транспортного газа балластируют контактный газ, проходят далее весь технологический цикл и возвращаются с рециклом непрореагировавших парафиновых углеводородов сырья на вход в реактор, что приводит к соответствующим энергетическим затратам и потерям части указанных парафиновых углеводородов транспортного газа в производстве. В то же время кислород воздуха, подаваемого на транспорт катализатора в регенератор, не используется для регенерации катализатора, например, для выжига кокса в регенераторе. К недостатку указанного распределителя относится также наличие значительных тепловых неравномерностей в верхней части кипящего слоя реактора и регенератора вследствие неравномерного распределения катализатора по сечению кипящего слоя, что снижает выходы олефиновых углеводородов.

Расположение распределителя катализатора и транспортного газа в виде отражательного диска под уровнем кипящего слоя (патент RU 2591159, МПК С07С 5/333; В01J 8/00, опубл. 10.07.2016) не приводит к улучшению ситуации описанной выше, в связи с тем, что катализатор и транспортный газ подается в кипящий слой практически в одну точку в центре кипящего слоя реактора и регенератора.

Известны распределители катализатора и транспортного газа (патент RU 2129111, МПК С07С 5/333, опубл. 20.04.1999; патент RU 2301107, МПК С07С 5/333; B01J 8/04, опубл. 20.06.2007) для системы реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем с секционирующими решетками, содержащие расположенную по оси реактора и/или регенератора вертикальную транспортную трубу с восходящим потоком смеси катализатора и транспортного газа, соединенную с установленным соосно с трубой на ее верхнем торце расширителем, соединенным соединительными трубами с вертикальными стояками с нисходящим потоком смеси катализатора и транспортного газа, нижние торцы которых расположены под уровнем кипящего слоя катализатора над верхней секционирующей решеткой.

Наиболее близким техническим решением является (патент RU 2301107, МПК С07С 5/333; В01J 8/04, опубл. 20.06.2007).

Однако присоединение соединительных труб к нижнему днищу расширителя ограничивает возможности создания эффективного распределителя для системы реактор-регенератор большой мощности - с большим диаметром аппаратов. В тоже время подача катализатора и транспортного газа компактными струями в несколько локальных точек кипящего слоя неэффективна вследствие ограниченного перемешивания и контактирования распределяемых потоков с кипящим слоем. Распределяемые потоки не перекрывают всего сечения кипящего слоя, что определяет большие тепловые неравномерности в кипящем слое, невысокие выходы олефиновых углеводородов и повышенный унос катализатора при локальном возмущении кипящего слоя распределяемым потоком транспортного газа. При этом наблюдается эрозия верхних секционирующих решеток реактора и/или регенератора вследствие воздействия на них вертикально направленных компактных струй смеси катализатора и транспортного газа, выходящих из спускных стояков. Поверхность верхнего днища расширителя эллипсовидной формы известного распределителя в реакторе, разогретая до высокой температуры перегретым потоком поступающего из регенератора катализатора, покрывается монолитным коксом, куски которого падают в кипящий слой, нарушая работу реактора.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходов олефиновых углеводородов на пропущенное и разложенное сырье, снижение расхода воздуха на регенерацию катализатора, снижение уноса катализатора, исключение отложений монолитного кокса на элементах конструкции распределителя и эрозии внутренних устройств реактора и регенератора.

Для решения поставленной задачи предлагается распределитель катализатора и транспортного газа в системе реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем с секционирующими решетками, содержащий расположенную по оси реактора и/или регенератора вертикальную транспортную трубу 1 с восходящим потоком смеси катализатора и транспортного газа, соединенную с установленным соосно с трубой на ее верхнем торце расширителем 2, соединенным соединительными трубам 10, 20 с вертикальными спускными стояками 7, 24 с нисходящим потоком смеси катализатора и транспортного газа, нижние торцы которых расположены в верхней части кипящего слоя, при этом расширитель 2 состоит из цилиндрического корпуса 3 с верхним 4 и нижним 5 днищем, а соединительные трубы 10, 20 верхними торцами соединены с отверстиями 8, 9, расположенными в цилиндрической части корпуса 3 и/или в нижнем днище 5, и к нижнему торцу каждого спускного стояка 7,24 прикреплен соосно стояку 7, 24 смеситель в виде верхнего диска 11, окружающего выпускное отверстие спускного стояка 7, 24, и на расстоянии от него -нижнего диска 12.

Смеситель может быть расположен под уровнем кипящего слоя 16 над или под верхней секционирующей решеткой 15.

Отношение диаметра корпуса 3 расширителя 2 к диаметру транспортной трубы 1 может находится в диапазоне значений от 1,5 до 3,2.

Верхнее днище 4 расширителя 2 может иметь форму конуса с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вниз от горизонтального положения.

Над верхним торцом 26 транспортной трубы 1 соосно с ней к верхнему днищу 4 расширителя 2 может быть прикреплен своим основанием конус-отражатель 6 верхнего днища 4 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вверх от горизонтального положения.

Нижнее днище 5 расширителя 2 может иметь форму усеченного конуса с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 30° до 85° вверх от горизонтального положения.

Число спускных стояков 7, 24 может составлять 4-12.

Верхний диск 11 смесителя может быть установлен горизонтально.

Верхний диск 11 смесителя может иметь также форму усеченного конуса и может быть установлен с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 5° до 30° вниз от горизонтального положения.

Нижний диск 12 смесителя может быть установлен горизонтально.

Нижний диск 12 смесителя может иметь также форму конуса и может быть установлен с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 5° до 45° вниз от горизонтального положения.

Под нижним торцом спускного стояка 24 соосно с ним к нижнему диску 12 смесителя может быть прикреплен своим основанием конус-отражатель 14 нижнего диска 12 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вниз от горизонтального положения.

Отношение диаметра верхнего диска 11 смесителя к диаметру реактора и/или регенератора может находится в диапазоне значений от 0,02 до 0,09.

Отношение диаметра верхнего диска 11 смесителя к диаметру нижнего диска 12 смесителя может находится в диапазоне от 0,8 до 1,2.

Отношение диаметра основания конуса-отражателя 14 нижнего диска 12 смесителя к диаметру спускного стояка 24 может находится в диапазоне от 0,3 до 1,0.

Соединительные трубы 10, 20 могут быть расположены под углом 30°-80° вниз от горизонтального положения.

Каждый спускной стояк 7, 24 может иметь патрубки 17, 18 и 19 для продувки стояков 7, 24.

Патрубки 17, 18 и 19 могут быть расположены в верхней и нижней части стояков 7,24.

Патрубки 17, 18 и 19 могут быть расположены под углом 30°-50° вверх от горизонтального положения.

Патрубки 17, 18 и 19 на каждом спускном стояке 7, 24 могут быть соединены с приборами 21, 22 и 23 для измерения перепада давления между верхними 17, 19 и нижними 18 патрубками.

На фиг. 1 представлен возможный вариант распределителя циркулирующего катализатора и транспортного газа в системе реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ в соответствии с настоящим изобретением.

Распределитель состоит из транспортной трубы 1, расположенной соосно с корпусом 25 реактора и регенератора, расширителя 2, установленного на верхнем торце 26 транспортной трубы 1, который состоит из цилиндрического корпуса 3, верхнего днища 4 и нижнего днища 5. Отношение диаметра корпуса 3 расширителя 2 к диаметру транспортной трубы 1 находится в диапазоне значений от 1,5 до 3,2. При отношении диаметров меньше величины 1,5 гидравлическое сопротивление потоку газовзвеси катализатора и транспортного газа становится недопустимо высоким, а величину более 3,2 ограничивает чрезмерные габариты и металлоемкость распределителя. Верхнее днище 4 имеет форму конуса с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вниз от горизонтального положения, что препятствует отложениям катализатора и кокса на ее поверхности, а нижнее днище 5 имеет форму усеченного конуса с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 30° до 85° вверх от горизонтального положения, что обеспечивает приемлемые величины гидравлического сопротивления и габариты расширителя в заявляемом диапазоне углов наклона. К верхнему днищу 4 прикреплен конус-отражатель 6 верхнего днища 4 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вверх от горизонтального положения. В заявляемом диапазоне угла наклона образующей конуса обеспечиваются минимальные величины гидравлического сопротивления расширителя при приемлемом уровне эрозии его верхнего днища. Расширитель 2 соединен со спускными стояками 7 и 24 через отверстия 8 и 9 соответственно в цилиндрическом корпусе 3 и в нижнем днище 5 соединительными трубами 10 и 20, которые расположены под углом 30°-80° вниз от горизонтального положения, что обеспечивает необходимый уровень циркуляции катализатора в системе реактор-регенератор при достаточной текучести газо взвеси катализатора и транспортного газа. На фиг. 1 условно показаны два стояка и, соответственно, два отверстия и две соединительные трубы, хотя их может быть больше (4-12).

Присоединенные к цилиндрическому корпусу 3 соединительные трубы 10 позволяют соединять расширитель со спускными стояками, расположенными на большем расстоянии от расширителя 2, чем соединительные трубы 20, присоединенные к нижнему днищу 5. Комбинация указанных соединительных труб позволяет создавать оптимальный распределитель для аппаратов большого диаметра с равномерным распределением спускных стояков по поперечному сечению кипящего слоя. К нижнему торцу каждого спускного стояка 7, 24 прикреплен смеситель в виде верхнего 11 и нижнего 12 дисков, установленных в варианте смесителя изображенного на фиг. 1 горизонтально, с образованием между ними кольцевой щели 13. В указанном варианте исполнения предлагаемого распределителя при горизонтальном истечении газовзвеси катализатора и транспортного газа в радиальном направлении обеспечивается максимальное проникновение струи газовзвеси в поперечном сечении кипящего слоя. Верхний диск 11 может иметь также форму усеченного конуса, а нижний - форму конуса (на фиг. 1 не показано), при этом диски могут быть установлены с наклоном образующей конуса под углом: верхний диск 11 в диапазоне от 5° до 30°, а нижний диск 12 в диапазоне от 5° до 45° вниз от горизонтального положения. Образующееся при этом конусообразное расположение кольцевой щели обеспечивает снижение гидравлического сопротивления истечению потока газовзвеси катализатора и транспортного газа. Отношение диаметра верхнего диска 11 смесителя к диаметру реактора и/или регенератора находится в диапазоне значений от 0,02 до 0,09, что в совокупности с заявляемым количеством спускных стояков (4-12 штук) позволяет равномерно распределять поток газовзвеси катализатора и транспортного газа в поперечном сечении кипящего слоя при приемлемом гидравлическом сопротивлении смесителя. Отношение диаметра верхнего диска 11 смесителя к диаметру нижнего диска 12 смесителя находится в диапазоне от 0,8 до 1,2, что позволяет организовать выпуск газовзвеси катализатора и транспортного газа с некоторым отклонением струи газовзвеси соответственно вверх или вниз от горизонтальной плоскости в зависимости от предпочтений того или иного варианта при конкретном проектировании реактора или регенератора. К нижнему диску 12 прикреплен конус-отражатель 14 нижнего диска 12 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вниз от горизонтального положения. Отношение диаметра основания конуса-отражателя 14 нижнего диска 12 смесителя к диаметру спускного стояка 24 находится в диапазоне от 0,3 до 1,0. В указанных диапазонах изменения конструктивных параметров конуса-отражателя нижнего диска достигается снижение гидравлического сопротивления смесителя. В рассматриваемом на фиг. 1 варианте смеситель расположен выше секционирующей решетки 15 под уровнем кипящего слоя 16, в то время как он может быть расположен также и под верхней секционирующей решеткой с повышенным свободным сечением этой решетки (патент RU 2601002, МПК B01J 8/04; С07С 5/333, опубл. 27.10.2016). Комбинация из смесителей распределителя катализатора и секционирующей решетки с повышенным обратным перемешиванием катализатора и газа («Катализ в промышленности», №5, 2005 г., Комаров С.М. и др., «Перемешивание катализатора на секционирующих решетках в реакторе с кипящим слоем дегидрирования парафиновых углеводородов») позволяет существенно повысить эффективность распределения катализатора и транспортного газа в поперечном сечении верхней части кипящего слоя. Каждый спускной стояк 7, 24 имеет патрубки 17, 18, 19 для продувки стояков, которые расположены под углом 30°-50° вверх от горизонтального положения. Наклон оси патрубков к оси спускного стояка в указанном диапазоне, особенно при их продувке газом, предотвращает забивку патрубков катализатором при пульсациях давления, характерных для кипящего слоя. Нижние патрубки 18 и верхние патрубки 17 и 19 соединены с приборами 21, 22 и 23 для измерения перепадов давления между верхними 17, 19 и нижними 18 патрубками в спускных стояках 7 и 24.

Предлагаемый распределитель работает следующим образом. Восходящий поток смеси циркулирующего в системе реактор-регенератор катализатора и транспортного газа поступает по транспортной трубе 1 в расширитель 2, где на поверхности верхнего днища 4 и конуса-отражателя 6 меняет направление на обратное и через соединительные трубы 10 и 20 распределяется по спускным стоякам 7 и 24 с нисходящим потоком смеси. Установленный на нижних торцах спускных стояков смеситель из двух дисков 11 и 12 с кольцевой щелью между ними 13 и конуса-отражателя 14 обеспечивает подачу в кипящий слой по всей наружной кромке дисков непрерывной, веерообразной, радиально-направленной струи циркулирующего катализатора и транспортного газа. Изменение направления указанных потоков с вертикального нисходящего на горизонтальное радиальное приводит сначала к задержке катализатора на начальном участке кольцевой щели 13 и далее к значительному увеличению скорости потока катализатора под воздействием потока транспортного газа на конечном участке щели. Указанная ситуация обеспечивается заявляемым диапазоном размеров конструктивных элементов распределителя. Увеличение скорости истечения смеси катализатора и транспортного газа позволяет выпускать катализатор и газ из щели смесителя на существенное расстояние от наружной кромки дисков, и обеспечивает при заявляемом количестве стояков равномерное перекрытие поперечного сечения кипящего слоя. Одновременно под воздействием потока катализатора транспортный газ диспергируется в смесителе и в точке ввода в кипящий слой находится в состоянии мелких пузырьков. Высокая скорость истечения катализатора и транспортного газа в радиальном направлении улучшает радиальное перемешивание катализатора и транспортного газа в кипящем слое. Достигаемое при этом равномерное распределение катализатора обеспечивает необходимый уровень изотермичности кипящего слоя в зоне ввода катализатора. В то же время совместный эффект диспергирования транспортного газа и перемешивания (контактирования) катализатора и газа создает условия резкого увеличения интенсивности процессов тепло-массообмена в смесителе и в верхней части кипящего слоя в зоне ввода катализатора и транспортного газа. Это приводит к улучшению степени использования транспортного газа в процессах дегидрирования и регенерации катализатора по сравнению с прототипом. Так, при использовании предлагаемой конструкции распределителя в реакторе с подачей паров сырья на транспорт катализатора, обеспечиваются условия для селективной конверсии подаваемых на транспорт парафиновых углеводородов, что приводит к получению дополнительного количества (увеличению выхода) получаемых в процессе олефиновых углеводородов. В то же время, при использовании предлагаемой конструкции распределителя в регенераторе с подачей воздуха на транспорт катализатора увеличивается концентрация кислорода в верхней части кипящего слоя регенератора, что способствует повышению эффективности процессов регенерации катализатора (окисления катализатора и выжига кокса). При этом открывается возможность уменьшения подачи воздуха в регенератор при существенном увеличении степени регенерации катализатора подаваемого затем в реактор, что также приводит к увеличению выходов олефиновых углеводородов. Расположение соединительных труб наклонно, а также подача газа на продувку спускных стояков обеспечивает необходимую текучесть катализатора при истечении его через стояки и смесители в режиме нисходящего потока. Продувка стояков в реакторе может осуществляться парами сырья, природным газом и другими инертными газами, а в регенераторе - воздухом. Хотя на фиг. 1 диски смесителя показаны установленными горизонтально, они могут быть установлены также в виде конусов при наклоне образующей конусов вниз. Такая конструкция препятствует скоплению катализатора на верхних поверхностях дисков и соответственно отложению в реакторе монолитного кокса на этих элементах конструкции смесителя. Отложение кокса может приводить к нарушению работы смесителя и распределителя в целом. Коническая форма верхнего днища расширителя распределителя предпочтительна также для использования в реакторе с целью предотвращения отложений монолитного кокса на поверхности верхнего днища расширителя. Предлагаемая конструкция распределителя позволяет за счет контролируемой подачи сравнительно небольших количеств вспомогательного газа на продувку стояков и установки приборов для измерения перепадов давления в спускных стояках контролировать и улучшать распределение циркулирующего катализатора по стоякам. При этом возникают возможности регулирования тепловых неоднородностей в верхней части кипящего слоя. Установленные на каждом стояке приборы для измерения перепада давления в стояках позволяют определять по величинам измеряемых перепадов давления и размерам стояков количество катализатора в каждом стояке, концентрацию катализатора в потоках каждого стояка и, соответственно, оценивать равномерность распределения по стоякам циркулирующего в системе реактор-регенератор катализатора и транспортного газа, осуществлять диагностику неисправностей в системе распределения во время работы установки и при необходимости продувать стояки повышенным расходом газа, управляя таким образом равномерностью распределения потоков. Достигаемое равномерное распределение транспортного газа в поперечном сечении верхней части кипящего слоя снижает унос катализатора из системы реактор-регенератор. При использовании предлагаемого распределителя секционирующие решетки реактора и регенератора не подвергаются эрозионному износу вследствие исключения вертикально направленных струй катализатора.

Таким образом, техническим результатом является то, что предлагаемая конструкция распределителя циркулирующего в системе реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ катализатора и транспортного газа обеспечивает по сравнению с известной конструкцией увеличение выходов олефиновых углеводородов, снижение расхода воздуха на регенерацию катализатора, снижение уноса катализатора, исключение отложений монолитного кокса на элементах конструкции распределителя и эрозии внутренних устройств реактора и регенератора.