Результат интеллектуальной деятельности: РЕАКТОР ДЛЯ ГИДРОПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Изобретение относится к реакционным аппаратам для гидропереработки углеводородного сырья, включая процессы с удалением гетероатомов без изменения скелета подвергаемых переработке углеводородов, в том числе без крекинга на нижекипящие углеводороды (гидроочистка), с крекингом на нижекипящие углеводороды (гидрокрекинг), процессы с изменением структурного скелета некоторых углеводородов, присутствующих в смеси, без крекинга или с крекингом прочих углеводородов (гидродепарафинизация) и аналогичные процессы, и может найти применение в нефтеперерабатывающей промышленности.

Для процессов гидропереработки, в которых химические превращения компонентов сырья сопровождаются выделением значительного количества тепла, важно обеспечить близкие к изотермическим условия протекания процесса в области оптимальных температур. Локальные перегревы катализатора и реакционной массы приводят к повышенному газообразованию и ухудшению товарного баланса процессов, закоксовыванию катализатора, падению его активности, росту гидравлического сопротивления слоя катализатора и другим негативным последствиям.

Известен ряд конструкций реакторов для изотермического проведения жидкофазных каталитических процессов [пат. РФ №2371243, B01J 8/00, опубл. 27.10.2009 г., пат. РФ №2435639, B01J 8/02, опубл. 10.12.2011 г.], включающих цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода рабочих сред, нижней и верхней крышками и с одним или несколькими, блоками теплопередающих элементов, погруженных в слой неподвижного гранулированного катализатора, расположенного во внутреннем пространстве реактора, ограниченном перфорированными стенками (в катализаторной корзине). Теплообменные блоки имеют трубчатую, коробчатую или спирально-радиальную конструкцию. Кроме того, в известных реакторах имеется по меньшей мере два свободных пространства, одно из которых служит коллектором-распределителем сырья, а другое - коллектором-сборником прореагировавшей реакционной массы (продукта).

Однако известные изотермические реакторы не могут быть использованы для гидропереработки углеводородного сырья в связи с двухфазным состоянием реакционной массы. В вариантах гидропереработки, предусматривающих циркуляцию водородсодержащего газа, реакционная масса находится в двухфазном состоянии при подаче в реактор, внутри реактора и при выводе продуктов из него. В вариантах гидропереработки, предусматривающих циркуляцию растворителя водорода, в реакционная масса находится в двухфазном состоянии внутри реактора и при выводе продуктов переработки из реактора. При этом газообразные продукты (сероводород, аммиак, вода, легкие углеводороды) появляются при гидропереработке в результате протекания реакций гидрогенолиза компонентов реакционной смеси.

Наличие газовой фазы в реакционной массе ухудшает гидродинамику каталитического процесса, протекающего на поверхности гранул твердого катализатора, приводит к накоплению газа внутри реактора, изоляции части катализатора, и, в конечном итоге - к нестабильному протеканию процесса, увеличению объема загрузки катализатора, снижению эффективной активности катализатора, увеличению металлоемкости реакторов.

Наиболее близок к заявляемому изобретению по технической сущности реактор для жидкофазной гидропереработки, описанный в патенте "Система управления, способ и устройство для непрерывной жидкофазной гидропереработки" [пат. РФ №2411285, C10G 47/00, C10G 45/02, опубл. 10.02.2011 г.], который состоит из корпуса с цилиндрической обечайкой, верхнего и нижнего днища, аксиального впускного отверстия (патрубка) для осуществления ввода реакционной массы (сырья), расположенного на верхнем или нижнем днище, верхней зоны корпуса, предназначенной для временного размещения газов (сепарационной зоны), нижней зоны корпуса, предназначенной для временного размещения реакционной массы, в которой размещен неподвижный слой гранулированного катализатора (катализаторной корзины), аксиального выпускного отверстия (патрубка) для вывода продуктов реакции, расположенного на верхнем или нижнем днище, системы регулирования уровня и давления в реакторе, вентиляционного отверстия (патрубка) для удаления газообразных продуктов, расположенного на верху корпуса.

Сырье вводят в реактор аксиально, реакционная масса движется через слой катализатора вертикально сверху вниз или снизу вверх. В реакторе может быть размещено несколько слоев неподвижного гранулированного катализатора с аксиальным вводом сырья в каждый из слоев.

Недостатком реактора является большое гидравлическое сопротивление слоя катализатора, присущее реакторам с аксиальным вводом сырья, что приводит к необходимости использования гранул катализатора большого размера, что уменьшает активную поверхность катализатора, увеличивает диффузионное сопротивление, снижает эффективную активность катализатора, скорость реакции, а также приводит к росту объема загрузки катализатора и увеличению металлоемкости реактора. Кроме того, конструкция реактора не обеспечивает изотермических условий протекания гидропереработки, поскольку при движении реакционной массы вдоль слоя катализатора происходит рост температуры из-за выделения тепла протекающих химических превращений.

Задача изобретения - обеспечение изотермических условий в реакторе, снижение гидравлического сопротивления, уменьшение объема загрузки катализатора и металлоемкости реактора.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа:

- обеспечение изотермических условий в реакторе за счет размещения в слое катализатора теплообменных элементов для отвода тепла,

- снижение гидравлического сопротивления реактора за счет радиального ввода сырья,

- уменьшение объема загрузки катализатора и металлоемкости реактора за счет уменьшения размеров гранул катализатора и увеличения его активности.

Указанный технический результат достигается тем, что в реакторе для гидропереработки углеводородного сырья, состоящем из корпуса с цилиндрической обечайкой, верхнего и нижнего днища, аксиального патрубка для ввода сырья, расположенного на верхнем или нижнем днище, сепарационной зоны, расположенной в верхней части реактора, нижней зоны корпуса с катализаторной корзиной с неподвижным слоем гранулированного катализатора, патрубка для вывода продуктов реакции, системы регулирования уровня и давления в реакторе, патрубка для удаления газообразных продуктов, расположенного в верхней части корпуса, особенностью которого является то, чтов реакторе размещена, по меньшей мере, одна катализаторная корзина, представляющая собой пространство внутри реактора, ограниченное двумя перфорированными стенками, имеющими форму усеченного конуса с углом конусности от -45° до +45° и глухими торцевыми стенками при этом одна из перфорированных стенок выполнена примыкающей к обечайке по окружности, таким образом, чтобы обеспечить радиальное движение сырья от стенки корпуса внутрь реактора или от оси реактора к его стенке, а в пространстве между перфорированными стенками размещен, по меньшей мере, один блок теплообменных элементов, например, спирально-радиального типа, с патрубками для ввода и вывода хладоагента, кроме того, между теплообменными элементами помещен гранулированный катализатор, а в верхней части катализаторной корзины размещена дополнительная сепарационная зона, и, по меньшей мере, один переток кольцевой или цилиндрической формы, соединяющий дополнительную сепарационную зону и сепарационную зону, расположенную в верхней части реактора.

При расположении патрубка ввода сырья на верхнем днище его дополнительно оснащают вертикальной трубой, проходящей через катализаторную корзину, для подачи сырья в низ реактора. При размещении в реакторе нескольких катализаторных корзин вертикальная труба проходит через все катализаторные корзины до низа реактора.

Выполнение катализаторной корзины в виде пространства внутри реактора, ограниченного двумя перфорированными стенками, имеющими форму усеченного конуса с углом конусности от -45° до +45° и глухими торцевыми стенками, позволяет значительно увеличить площадь фильтрации сырья через слой катализатора и, соответственно, уменьшить толщину слоя и его гидравлическое сопротивление. Кроме того, это позволяет уменьшить размер гранул катализатора, увеличить турбулентность потока сырья и активность катализатора, что в итоге приводит к уменьшению объема загрузки катализатора и металлоемкости реактора. Увеличение угла конусности больше 45° по абсолютной величине нецелесообразно, поскольку приводит к возрастанию диаметра реактора и увеличения его металлоемкости.

Выполнение одной из перфорированных стенок примыкающей по окружности к обечайке обеспечивает радиальное движение сырья от стенки корпуса внутрь реактора или от оси реактора к его стенке.

Размещение в пространстве между перфорированными стенками катализаторной корзины блока (блоков) теплообменных элементов обеспечивает изотермические условия гидропереработки, без повышения температуры при движении реакционной массы через слой катализатора.

Размещение в реакторе дополнительной сепарационной зоны и по меньшей мере одного перетока кольцевой или цилиндрической формы в верхней части катализаторной корзины, соединяющего дополнительную сепарационную зону и сепарационную зону, расположенную в верхней части реактора, обеспечивает байпасный перепуск газовой или газожидкостной части сырья непосредственно в сепарационную зону, минуя слой катализатора, что позволяет предотвратить попадание газовой фазы в слой катализатора и создает благоприятные гидродинамические условия для гидропереработки.

Площадь сечения перепуска подбирают таким образом, чтобы не было заметного снижения степени превращения сырья, либо регулируют уровень раздела фаз в дополнительной сепарационной зоне. При необходимости дополнительная сепарационная зона может не оснащаться регулятором уровня и полностью заполняться жидкостью.

Реактор 1 состоит из обечайки 2, верхнего 3 и нижнего 4 днища, и оснащен патрубком ввода сырья 5, патрубком вывода продукта 6 и патрубком вывода газа 7. Внутри реактора располагаются: сепарационное пространство 8, дополнительное сепарационное пространство 9 с перетоком 10, катализаторная корзина 11 (показана одна корзина), образованная перфорированными стенками 12 и 13 и глухими торцами 14 и 15, внутри которой располагается слой гранулированного катализатора 16, а также, по меньшей мере, один блок 17 теплообменных элементов, например, спирально-радиального типа (условно показан один блок), с патрубками ввода и вывода хладоагента 18. При размещении патрубка ввода сырья 5 сверху, он дополнительно оснащается вертикальной трубой 19, проходящей в низ реактора. Для снижения гидравлического сопротивления по ходу движения реакционной массы в реакторе могут быть размещены отбойники 20.

На чертежах показаны: реактор с нижним вводом сырья и положительным углом конусности перфорированных стенок катализаторной корзины (фиг.1), реактор с нижним вводом сырья и отрицательным углом конусности перфорированных стенок катализаторной корзины (фиг.2), реактор с верхним вводом сырья и положительным углом конусности перфорированных стенок катализаторной корзины (фиг.3), реактор с верхним вводом сырья и отрицательным углом конусности перфорированных стенок катализаторной корзины (фиг.4).

При осуществлении гидропереработки сырьевую смесь (I), содержащую сырье, разбавитель и водород, нагретую до температуры гидропереработки, подают в реактор 1 через патрубок ввода сырья 5. Сырьевая смесь поступает в низ реактора (на фиг.3 и 4 - через трубу 19) и распределяется в пространстве между обечайкой и перфорированной стенкой 13 (фиг.2 и 4) или в пространстве, ограниченном внутренней перфорированной стенкой 12 (фиг.1 и 3). Газовая фаза, присутствующая в сырьевой смеси, отделяется в дополнительном сепарационном пространстве 9 и через отверстие 10 поступает в сепарационную зону 8, расположенную в верхней части реактора 1, а дегазированная сырьевая смесь проходит через катализатор 16, расположенный между теплообменными поверхностями блоков теплообменных элементов 17, где происходит реакция между водородом, растворенным в сырьевой смеси, и компонентами сырья. Продукты реакции (II), содержащие, в том числе газообразные компоненты, сепарируются с получением отдува (III), содержащего газообразные компоненты, который выводится через патрубок 7 и жидкого продукта (IV), который выводят из патрубка 6. Температуру в слое катализатора поддерживают на заданном уровне, подавая теплоноситель (на схеме не показан) в трубное пространство блоков теплообменных элементов 17 через патрубки 18. Давление и уровень жидкой фазы в реакторе также регулируют.

Таким образом, предлагаемая конструкция реактора позволяет обеспечить изотермические условия в реакторе, снизить его гидравлическое сопротивление, уменьшить объем загрузки катализатора и металлоемкость реактора.