Результат интеллектуальной деятельности: РЕАКТОР ДЛЯ ДЕГИДРИРОВАНИЯ ПАРАФИНОВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ C-C

Изобретение относится к области нефтехимии, в частности к реакторам для дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ в соответствующие олефиновые углеводороды, используемые для получения основных мономеров синтетического каучука, а также при производстве полипропилена, метилтретичнобутилового эфира и других.

Известен реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус и секционирующие решетки, установленные по высоте кипящего слоя на одинаковом расстоянии друг от друга. Катализатор циркулирует в системе реактор-регенератор и проходит реактор сверху вниз противоточно к поднимающемуся снизу вверх потоку паров сырья («Промышленность синтетического каучука», Москва, ЦНИИТЭНефтехим, 1968, №2, стр. 8. Р.К. Михайлов, А.Н. Бушин «Совместное дегидрирование бутана и изопентана в кипящем слое мелкозернистого катализатора»).

Однако в этом реакторе секционирующие решетки имеют одинаковое свободное сечение, что определяет неравномерное распределение катализатора по секциям реактора и низкие показатели дегидрирования - выходы олефинов на пропущенное и разложенное сырье.

Наиболее близким по технической сущности является реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, секционирующие решетки с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие слой катализатора на секции, патрубок ввода паров сырья, соединенный с распределителем сырья, расположенным в нижней части корпуса реактора, и патрубки вывода контактного газа, ввода и вывода циркулирующего катализатора (патент RU 2156161, МПК B01J 8/04, С07С 5/333, опубл. 20.09.2000).

В указанном реакторе нижняя решетка имеет свободное сечение, составляющее 10-30% от сечения корпуса, а верхняя - 20-60%.

Применяемые в реакторе секционирующие решетки с указанным свободным сечением работают в эффективном режиме, близком к режиму «захлебывания» при противоточном движении циркулирующего через реактор катализатора и газа (паров сырья). Кроме того, для улучшения работы нижней части кипящего слоя катализатора в пространстве между нижней решеткой и отпарной секцией реактора предлагается:

- использование в качестве распределителя сырья трубчатого распределителя, снабженного патрубками, направленными вниз, и имеющего в центре свободное сечение, составляющее 0,25-4,00 сечения отпарной секции. Устанавливают такой распределитель на расстоянии от отпарной секции, составляющем 0,5-3,0 высоты нижней секции кипящего слоя катализатора.

- или устанавливают дополнительный трубчатый распределитель сырья на расстоянии 0,5-2,0 высоты нижней секции от основного распределителя. Использование для этого распределителя, снабженного направленными вниз патрубками и перекрывающего все сечения корпуса реактора.

В результате использования двух последних конструктивных решений происходит сокращение застойных зон в области распределителя, улучшение работы отпарной секции, улучшение распределения газа по сечению реактора.

Конструкция известного реактора устраняет недостатки приведенного выше аналога, однако в свою очередь характеризуется относительно низкой производительностью, невысокими показателями дегидрирования и низкой величиной межремонтных пробегов, во многом связанными с неэффективной работой верхних и нижних секционирующих решеток и закоксовыванием нижней части реактора (постепенным заполнением нижней части реактора монолитным коксом).

Известен реактор (патент RU 2301107, МПК B01J 8/04, С07С 5/333, опубл. 20.06.2007), в котором свободное сечение секционирующих решеток возрастает по высоте реактора до величины свободного сечения верхней решетки 60-90%, при этом реактор содержит патрубки ввода циркулирующего катализатора и стояки циклонов, торцы которых оборудованы пылевыпускными клапанами, расположенными в верхней части кипящего слоя в пространстве между верхней секционирующей решеткой и уровнем кипящего слоя.

Однако возникающие при этом возможности увеличения производительности реактора не оправдывают значительного снижения показателей дегидрирования (выходов олефинов) вследствие того, что на верхних секционирующих решетках этого реактора невозможно осуществление эффективного режима «захлебывания».

Задачей настоящего изобретения является увеличение производительности реактора и показателей дегидрирования.

Для решения этой задачи предлагается реактор для дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, патрубок ввода паров сырья, соединенный с распределителем сырья в нижней части корпуса реактора, патрубки вывода контактного газа, ввода и вывода циркулирующего катализатора, секционирующие решетки с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие кипящий слой катализатора на секции, в котором между нижней секционирующей решеткой и распределителем сырья установлена успокоительная решетка, которая имеет свободное сечение больше, чем свободное сечение нижней секционирующей решетки, и составляющее более 25 и менее 90% от сечения корпуса, при этом расстояние от этой решетки до нижней секционирующей решетки составляет 0,5-2,0 высоты секции над нижней секционирующей решеткой.

Кроме того, секционирующие решетки в реакторе могут быть установлены группами по 2-6 решеток, при этом решетки в каждой группе имеют одинаковое свободное сечение, которое возрастает от группы к группе по высоте реактора.

Одновременно над верхней секционирующей решеткой может быть установлена успокоительная решетка, которая имеет свободное сечение больше, чем свободное сечение верхней секционирующей решетки, и составляющее более 35 и менее 90% сечения корпуса, при этом расстояние от этой решетки до верхней секционирующей решетки составляет 1,0-3,0 высоты секции под верхней секционирующей решеткой.

Особенностью известных реакторов с кипящим слоем мелкозернистого катализатора, разделенным секционирующими решетками на секции, является наличие в кипящем слое трех зон: основная реакционная зона в средней части слоя с секционирующими решетками, зона между распределителем газа (паров сырья) и нижней секционирующей решеткой и зона между верхней секционирующей решеткой и поверхностью кипящего слоя в реакторе. Высота зоны между распределителем сырья и нижней секционирующей решеткой определяется необходимостью размещения в ней опорных устройств для крепления секционирующих решеток и обеспечения возможности проведения монтажно-ремонтных работ в нижней части реактора в зоне расположения распределителя сырья (доступ через люк и т.д.). Высота указанного пространства существенно возрастает с увеличением мощности (диаметра) реакторов и достигает в реакторах большой единичной мощности нескольких метров.

Верхняя зона (над верхней секционирующей решеткой до поверхности кипящего слоя реактора) также имеет большую высоту и содержит значительное количество катализатора вследствие необходимости размещения в ней клапанов пылеспускных стояков циклонов и патрубков ввода «горячего» циркулирующего катализатора.

Таким образом, большая часть катализатора в известных реакторах находится в малоэффективных зонах со свободным неорганизованным кипящим слоем. Зона же с интенсивным тепломассообменом, в которой кипящий слой организован секционирующими решетками, содержит лишь 50-60% от всего катализатора в реакторе (в пространстве от распределителя сырья до поверхности кипящего слоя).

При свободном сечении нижней секционирующей решетки в известном реакторе 10-30%, работающей в режиме, близком к режиму «захлебывания» при противотоке твердой и газовой фаз, под этой решеткой образуется газовая подушка значительных размеров. При этом в нижней части реактора, в пространстве между распределителем и нижней решеткой, образуется неорганизованный кипящий слой со свободной поверхностью. Происходит разрыв кипящего слоя.

Для свободного, неорганизованного кипящего слоя больших размеров характерно неоднородное кипение мелкодисперсного катализатора с образованием больших пузырей и канальных проскоков газовой фазы. Как следствие, это приводит к возникновению в объеме кипящего слоя застойных участков по катализатору и газу, значительным пульсациям давления в слое, локальным колебаниям уровня кипящего слоя в сечении аппарата и выбросам больших количеств катализатора в надслоевое пространство.

Применительно к условиям работы известного реактора дегидрирования указанные особенности неорганизованного кипящего слоя в нижней части реактора являются причиной низкого тепломассообмена и застойных явлений в этой части кипящего слоя, а также нарушения работы нижних решеток реактора под воздействием выбросов больших масс катализатора из свободного кипящего слоя нижней части реактора в объем газовой подушки нижней секционирующей решетки. Все это снижает уровень показателей дегидрирования, приводит к закоксовыванию нижней части реактора и, как следствие, сокращает период межремонтных пробегов установки (за счет увеличения длительности капитальных ремонтов и внеплановых остановок), уменьшая ее производительность.

Неорганизованный кипящий слой над верхней секционирующей решеткой, содержащий большое количество катализатора, обладает низким тепломассообменом и при значительных колебаниях уровня нарушает устойчивую работу верхних секционирующих решеток реактора, что также снижает показатели дегидрирования.

В предлагаемом реакторе установка под нижней секционирующей решеткой успокоительной решетки с повышенным свободным сечением (больше свободного сечения нижней секционирующей решетки) в сочетании с указанным расстоянием от этой решетки до нижней секционирующей решетки позволяет сократить пульсации давления в нижней части кипящего слоя, стабилизировать работу распределителя сырья и вышерасположенных секционирующих решеток в реакторе. При этом повышается равномерность распределения катализатора и газа в сечении реактора при их противоточном движении вдоль оси аппарата, улучшается тепломассообмен, сокращаются застойные явления, тепловые и концентрационные неравномерности в кипящем слое. В результате увеличиваются показатели дегидрирования (выход олефинов на пропущенное и разложенное сырье), уменьшается унос катализатора из кипящего слоя и снижаются потери катализатора в производстве за счет более равномерного кипящего слоя в предлагаемом реакторе, уменьшается коксообразование в нижней части реактора, снижается образование коксовых монолитных отложений в реакторе, деформирующих внутренние устройства реактора вплоть до полного их разрушения (решетки, распределители газовых потоков, опорные конструкции и др.) и нарушающих гидродинамический режим реактора. При этом соответственно увеличивается межремонтный пробег реактора и его производительность.

Работа успокоительной решетки в указанном диапазоне свободного сечения наиболее эффективна вследствие обеспечения устойчивого режима работы секционирующих решеток. Указанная решетка позволяет максимально приблизится к наиболее эффективному режиму захлебывания секционирующих решеток. При свободном сечении успокоительной решетки, равном или меньшем свободного сечения нижней секционирующей решетки, режим работы успокоительной решетки переходит в режим захлебывания, при этом резко возрастает высота газовой подушки, а катализатор «подвешивается», прекращая циркуляцию. При свободном сечении успокоительной решетки выше 90% ее влияние на процесс становится малозаметным.

Установка секционирующих решеток группами при одинаковом свободном сечении решеток в группах и при возрастании указанного сечения от группы к группе по высоте реактора существенно упрощает конструкцию реактора.

Установка над верхней секционирующей решеткой успокоительной решетки с указанным свободным сечением и расстоянием до верхней секционирующей решетки также улучшает показатели дегидрирования за счет стабилизации и повышения эффективности работы верхних секционирующих решеток. Эта успокоительная решетка существенно уменьшает пульсации уровня кипящего слоя, пульсации давления, тепловые и концентрационные неравномерности в верхней части реактора.

Эффективность нижней и верхней успокоительных решеток наиболее значимо проявляется в указанном диапазоне расстояний до секционирующих решеток (высот расположения успокоительных решеток).

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого реактора. Реактор имеет корпус 1, трубопроводы и патрубки для ввода 2 и вывода 3 циркулирующего катализатора, ввода сырья 4 и вывода контактного газа 5. Реактор также содержит распределитель сырья 6. Кипящий слой катализатора в реакторе с уровнем 7 разделен на секции секционирующими решетками (нижняя решетка - 9 и верхняя - 10). При этом нижняя секционирующая решетка может иметь свободное сечение, составляющее 10-30% от сечения корпуса, а верхняя - 20-60%. Между распределителем сырья 6 и нижней секционирующей решеткой 9 установлена успокоительная решетка 11 со свободным сечением 25-90%, при этом расстояние «А» от успокоительной решетки до нижней секционирующей решетки 9 составляет 0,5-2,0 высоты нижней секции «В». Над верхней секционирующей решеткой 10 установлена успокоительная решетка 12 со свободным сечением 35-90%. При этом расстояние от верхней секционирующей решетки до успокоительной «С» составляет 1,0-3,0 высоты верхней секции «D». Секции содержат зоны кипящего слоя 8 и газовые подушки 13. Реактор имеет отпарную секцию 14 с трубопроводом подачи в нее инертного газа 15, сепарационную зону (надслоевое пространство реактора) 16, в которой расположены циклоны для очистки контактного газа перед выходом его из реактора через патрубок 5. В пространстве между распределителем сырья 6 и нижней успокоительной решеткой 11 расположен монтажный люк 17.

Реактор работает следующим образом.

Испаренные парафиновые углеводороды (сырье) подаются в реактор по трубопроводу и патрубку 4 через распределитель 6. В отпарную секцию 14 по трубопроводу 15 подается инертный газ на отпарку от углеводородов отходящего из реактора катализатора. В нижней части реактора (между распределителем 6 и успокоительной решеткой 11) пары сырья смешиваются с поднимающимися из отпарной секции газами отпарки и далее поднимаются по кипящему слою катализатора, проходят последовательно нижнюю успокоительную решетку 11, секционирующие решетки и верхнюю успокоительную решетку 12, попадая затем в сепарационную зону 16.

Подвод тепла для обеспечения эндотермической реакции дегидрирования производится циркулирующим через регенератор катализатором. Отрегенерированный и подогретый катализатор поступает из регенератора по трубопроводу 2 в кипящий слой над верхней успокоительной решеткой 12 и далее проходит секции реактора с кипящим слоем катализатора противоточно поднимающимся парам сырья, постепенно охлаждаясь в ходе осуществления эндотермической реакции дегидрирования, и через отпарную секцию 14 по трубопроводу и патрубок 3 в закоксованном, восстановленном и охлажденном виде возвращается в регенератор на выжиг кокса, окисление и подогрев. При этом формируется температурный профиль реактора с увеличением температуры от зоны кипящего слоя реактора, располагаемой между распределителем и нижней успокоительной решеткой, до зоны кипящего слоя над верхней успокоительной решеткой.

Контактный газ дегидрирования после обеспыливания в циклонах сепарационной зоны 16 по трубопроводу 5 направляется на охлаждение и извлечение полученных олефиновых углеводородов.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами при проведении процесса дегидрирования парафиновых углеводородов.

Примеры 1-5

Дегидрирование изобутана в изобутилен осуществляют на алюмохромовом катализаторе АОК-73-24, полученном пропиткой микросферического оксида алюминия, содержащем Cr₂O₃ - 15 мас. %.

Испытания проводились на заводской установке, диаметр реактора составляет 4,6 м, диаметр регенератора - 5,0 м. Высота реактора - 28 м. Количество секционирующих решеток в реакционной зоне реактора - 12 шт. Свободное сечение нижней секционирующей решетки - 23%. Свободное сечение верхней секционирующей решетки - 40%.

Объемная скорость подачи сырья - 165 час^-1, температура над верхней решеткой - 575°С.

Примеры 6-7

Дегидрирование изопентана в изоамилены осуществляют на алюмохромовом катализаторе АОК-73-24, полученном пропиткой микросферического оксида алюминия, содержащем Cr₂O₃ - 15 мас. %.

Испытания проводились на заводской установке. Диаметр реактора составляет 5,1 м. Диаметр регенератора - 5,1 м. Высота реактора - 22 м. Количество секционирующих решеток в реакционной зоне реактора - 12 шт. Свободное сечение нижней секционирующей решетки - 20%. Свободное сечение верхней секционирующей решетки - 30%.

Объемная скорость подачи сырья - 120 час^-1, температура над верхней решеткой - 550°С.

Результаты работы предлагаемого реактора представлены в таблице 1.

Как видно из приведенных в таблице данных, использование успокоительных решеток с заявляемыми параметрами позволяет (примеры №№1-3 и 6) существенно увеличить показатели дегидрирования парафиновых углеводородов - выходы олефинов на пропущенное и разложенное сырье и производительность реактора - по сравнению с показателями, достигаемыми в прототипе (пример 7), а также при использовании успокоительных решеток с параметрами, отличающимися от заявленных (примеры 4 и 5).

Увеличение производительности реактора (количества получаемых олефинов) происходит за счет увеличения выходов олефинов, а также снижения количества образующегося в реакторе кокса, снижения масштаба разрушений в реакторе из-за отложений кокса и, соответственно, снижения длительности капитальных ремонтов реактора и исключения внеплановых его остановок.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение производительности реактора и улучшение показателей дегидрирования (увеличение выходов олефинов на пропущенное и разложенное сырье), уменьшение уноса катализатора из кипящего слоя и снижение потерь катализатора в производстве за счет более равномерного кипящего слоя в предлагаемом реакторе, уменьшение коксообразование в нижней части реактора, снижение образования коксовых монолитных отложений в реакторе, деформирующих внутренние устройства реактора вплоть до полного их разрушения (решетки, распределители газовых потоков, опорные конструкции и др.) и нарушающих гидродинамический режим реактора. При этом соответственно увеличивается межремонтный пробег реактора и его производительность.