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

Изобретение относится к области химического машиностроения и может быть использовано для распределения катализатора, циркулирующего в системе реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ в соответствующие олефиновые углеводороды.

Из уровня техники известны устройства для распределения катализатора и транспортного газа циркулирующего в системе реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ с кипящим слоем катализатора с секционирующими решетками (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). Указанные устройства размещаются в верхней части реактора и/или регенератора над уровнем кипящего слоя и включают в себя отражательный диск конической или эллиптической формы, расположенный над верхним торцом транспортной трубы с восходящим потоком смеси катализатора и транспортного газа. К недостаткам известного распределителя катализатора и транспортного газа следует отнести возможность захвата частиц катализатора газовым потоком реактора и/или регенератора на выходе из распределителя, что приводит к увеличению уноса (потерь) катализатора из системы реактор-регенератор. 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 при его подаче главным образом в среднюю часть кипящего слоя, что снижает выходы олефиновых углеводородов.

Расположение распределителя катализатора и транспортного газа в виде отражательного диска конической формы под уровнем кипящего слоя (патент RU 2591159, МПК С07С 5/333; B01J 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 центральную часть 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, содержащий 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 подача катализатора и транспортного газа компактными струями в несколько локальных точек кипящего слоя неэффективна, особенно в аппаратах большой мощности (большого диаметра), 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 распределяемыми потоками катализатора и транспортного газа. При этом наблюдается эрозия верхних секционирующих решеток реактора и/или регенератора вследствие воздействия на них 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 потоком поступающего из регенератора перегретого катализатора, покрывается монолитным коксом, куски которого падают в кипящий слой, нарушая работу реактора. Повышенное гидравлическое сопротивление известного распределителя при совместном истечении катализатора и транспортного газа по всему тракту распределителя определяет высокий расход транспортного газа для обеспечения необходимой величины циркуляции катализатора в системе реактор-регенератор, а также ограничивает возможности регулирования циркуляции, что приводит к нестабильности режимов работы установки дегидрирования и снижению выхода олефинов.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходов олефиновых углеводородов, снижение уноса катализатора, исключение отложений монолитного кокса на элементах конструкции распределителя и эрозии внутренних устройств реактора и регенератора, снижение расхода транспортного газа и стабилизация работы установки дегидрирования в оптимальном режиме.

Для решения поставленной задачи предлагается распределитель катализатора для системы 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 расширителем 2, соединенным соединительными трубами 10 с вертикальными спускными стояками 7, нижние торцы которых расположены в верхней части кипящего слоя, при этом расширитель 2 содержит цилиндрический корпус 3 с верхней крышкой 4 и нижним днищем 5, а соединительные трубы 10 верхними торцами соединены с отверстиями 8 для выпуска катализатора, расположенными в цилиндрической части корпуса 3, в тоже время между отверстиями 8 для выпуска катализатора и верхней крышкой 4 расположено по крайней мере одно отверстие для выпуска транспортного газа, при этом транспортная труба 1 выполнена входящей в расширитель 2, а верхний торец 18 транспортной трубы 1 расположен между по крайней мере одним отверстием для выпуска транспортного газа и верхней крышкой 4 расширителя 2.

Отверстие для выпуска транспортного газа может быть выполнено в виде кольцевой щели 14 шлюзового затвора 19 между верхней крышкой 4 и корпусом 3 расширителя 2.

Шлюзовой затвор 19 может быть образован обечайкой 13, прикрепленной верхним торцом к верхней крышке 4 расширителя 2 соосно корпусу 3 расширителя 2 с образованием кольцевой щели 14 между обечайкой 13 и корпусом 3 расширителя 2, при этом верхняя крышка 4 расширителя 2 может быть расположена над верхней кромкой корпуса 3 расширителя 2 с образованием горизонтального кольцевого зазора 15.

Отношение диаметра корпуса 3 расширителя 2 к диаметру транспортной трубы 1 может находится в диапазоне значений от 3,0 до 5,0.

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

Над верхним торцом 18 транспортной трубы 1 соосно с ней к верхней крышке 4 расширителя 2 может быть прикреплен своим основанием конус-отражатель 6 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вверх от горизонтального положения.

Нижнее днище 5 расширителя 2 реактора может иметь форму эллипса или конуса.

Число спускных стояков 7 может составлять 4-12.

Под нижним торцом каждого спускного стояка 7 соосно и на расстоянии от него может быть расположен отражательный диск 12, 25.

Отражательный диск 12, 25 может быть установлен горизонтально.

Под нижним торцом спускного стояка 7 соосно с ним к отражательному диску 25 может быть прикреплен своим основанием конус-отражатель 26 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вниз от горизонтального положения.

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

Отношение диаметра отражательного диска 12, 25 к диаметру реактора и/или регенератора может находится в диапазоне значений от 0,02 до 0,05.

Отношение диаметра основания конуса-отражателя 26 к диаметру спускного стояка 7 может находится в диапазоне от 0,3 до 1,0.

Ниже отверстий 8 для выпуска катализатора может быть расположен распределитель газа 20, подаваемого на кипение катализатора в нижней части расширителя.

Соединительные трубы 10 могут иметь расширенный участок 11 в виде усеченного конуса, прикрепленного к отверстию 8 для выпуска катализатора большим основанием.

Соединительные трубы 10 могут быть расположены под углом 45°-80° вниз от горизонтального положения.

В нижнем днище 5 расширителя 2 может быть установлен открытый патрубок 21 для опорожнения расширителя.

Каждый спускной стояк 7 может иметь патрубки 16, 22 и 23 для продувки стояков.

При этом патрубки 16, 22 и 23 могут быть расположены в верхней и нижней части спускных стояков 7.

Патрубки 16, 22 и 23 могут быть расположены под углом 30°-50° вверх от горизонтального положения.

Патрубки 16, 22 и 23 на каждом спускном стояке 7 могут быть соединены с приборами 9, 24 и 28 для измерения перепада давления между верхним и нижним патрубками.

На фиг. 1 представлен возможный вариант предлагаемого распределителя катализатора в системе реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ в соответствии с настоящим изобретением. Распределитель состоит из транспортной трубы 1, расширителя 2, который состоит из цилиндрического корпуса 3, верхней крышки 4 и нижнего днища 5, имеющего предпочтительно форму эллипса или конуса. Отношение диаметра корпуса 3 расширителя 2 к диаметру транспортной трубы 1 находится в диапазоне значений от 3,0 до 5,0, такой диапазон значений позволяет достаточно эффективно отделять катализатор и транспортный газ в объеме расширителя. К верхней крышке 4 прикреплен конус-отражатель 6 верхней крышки 4 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вверх от горизонтального положения. Расширитель 2 соединен со спускными стояками 7 через отверстия 8 в цилиндрическом корпусе 3 соединительными трубами 10 с расширенными участками 11 в виде усеченного конуса на выходе катализатора из расширителя 2. К нижнему торцу каждого спускного стояка 7 прикреплен горизонтально на расстоянии от него или отражательный диск 12 в форме конуса или плоский отражательный диск 25 с прикрепленным своим основанием конусом-отражателем 26 с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 10° до 40° вниз от горизонтального положения. При этом отношение диаметра отражательного диска 12 или 25 к диаметру реактора и/или регенератора находится в диапазоне значений от 0,02 до 0,05, а отношение диаметра основания конуса-отражателя 26 к диаметру спускного стояка 7 находится в диапазоне от 0,3 до 1,0. На фиг. 1 для наглядности условно показаны разные типы предлагаемых отражательных дисков, хотя конструкция конкретного распределителя предусматривает использование одинаковых отражательных дисков на всех стояках, выбранных для этого распределителя. По высоте спускных стояков 7, в их верхней и нижней части, под углом 30°-50° вверх от горизонтального положения, расположены соответственно патрубки 16, 22 и 23 для продувки стояков. Патрубки 16, 22 и 23 соединены с приборами 9, 24 и 28 для измерения перепадов давления между указанными патрубками. К верхней крышке 4 прикреплена обечайка 13, с образованием между обечайкой 13, верхней крышкой 4 и цилиндрическим корпусом 3 расширителя 2 шлюзового затвора 19 с кольцевой щелью 14. Нижний торец обечайки 17 и соответственно вход газа в кольцевую щель 14 (отверстие для выпуска транспортного газа) расположен ниже верхнего торца 18 транспортной трубы 1. Верхняя крышка 4 установлена над корпусом 3 расширителя 2 с зазором 15. В нижней части расширителя 2 ниже отверстий 8 для выпуска катализатора расположен распределитель газа 20, подаваемого на кипение катализатора в нижней части расширителя. В нижнем днище 5 расположен открытый патрубок 21 для опорожнения расширителя при остановках. Внутренняя поверхность верхней крышки 4, конуса-отражателя 6 и обечайки 13 может быть защищена эрозионностойким покрытием 27.

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 верхней крышки 4 и конуса-отражателя 6 меняет направление на обратное. Следующее затем изменение направления потока транспортного газа в расширителе 2 с вертикального нисходящего на горизонтальное радиальное при затекании газа в кольцевую щель 14 способствует разделению потоков газа и катализатора. Катализатор оседает в нижней части расширителя, где находится в состоянии кипения под воздействием газа, подаваемого через распределитель 20, а транспортный газ покидает расширитель через шлюзовой затвор 19. Далее катализатор через выпускные отверстия 8, находящиеся на одном уровне, через соединительные трубы 10 с расширенным участком 11 в виде конуса, прикрепленным большим основанием к отверстию 8, распределяется по спускным стоякам 7. Движение катализатора в стояках в виде нисходящего потока обеспечивается гидростатическим напором слоя катализатора в соединительных трубах и стояках на участке от уровня входа катализатора в соединительные трубы через отверстия 8 до уровня выпуска катализатора в кипящий слой через нижние торцы стояков 7. Предлагаемый распределитель, изображенный на фиг. 1, выполнен таким образом, что установленный под нижним торцом спускных стояков 7 отражательный диск 12 в форме конуса, расположен соосно и на расстоянии от него с наклоном образующей конуса под углом в диапазоне от 5° до 45° вниз от горизонтального положения, что обеспечивает беспрепятственную подачу в кипящий слой по всей наружной кромке конуса непрерывной, веерообразной, радиально-направленной струи циркулирующего катализатора. В качестве газа, подаваемого на продувку стояков через патрубки 16, 22 и 23, а также на кипение катализатора в расширитель 2 через распределитель 20, в реакторе может использоваться любой инертный газ (природный газ, азот и др.), а в регенераторе - воздух. Установленные на каждом стояке 7 приборы для измерения перепада давления в стояках позволяют определять по величинам измеряемых перепадов давления количество катализатора в каждом стояке, концентрацию катализатора в потоках каждого стояка 7 и, соответственно, оценивать равномерность распределения по стоякам циркулирующего в системе реактор-регенератор катализатора, осуществлять диагностику неисправностей в системе распределения катализатора во время работы установки и при необходимости продувать стояки 7 повышенным расходом газа. Транспортный газ через шлюзовой затвор 19 (через кольцевую щель 14 и кольцевой зазор 15) покидает расширитель 2 и попадает в пространство над кипящим слоем в виде радиально-направленной веерообразной струи, равномерно распределяясь в сепарационной зоне реактора и/или регенератора. Это предотвращает локальные перегревы в сепарационной зоне реактора перегретым транспортным газом, поступающим с перегретым катализатором из регенератора, и, соответственно, предотвращает разложение полученных олефиновых углеводородов. Приемлемая равномерность распределения катализатора обеспечивается в зависимости от мощности установки заявляемым количеством (4-12) стояков 7 и заявляемым диапазоном размеров элементов конструкции распределителя. Достигаемое при этом равномерное распределение катализатора обеспечивает достижение необходимого уровня изотермичности кипящего слоя в высокотемпературной зоне ввода катализатора в реакторе и/или регенераторе, что приводит к увеличению выходов олефиновых углеводородов. Вывод транспортного газа из расширителя 2 в сепарационную зону, минуя кипящий слой, приводит к снижению уноса катализатора из кипящего слоя и исключению эрозии внутренних устройств реактора и регенератора. Коническая форма верхней крышки 4 расширителя 2, с наклоном образующей конуса под углом 10°-40° вниз от горизонтального положения, исключает отложения на ее поверхности монолитного кокса. Заявляемый диапазон изменения размеров элементов конструкции распределителя катализатора и транспортного газа обеспечивает также снижение гидравлического сопротивления проточного тракта распределителя, что позволяет улучшить условия достижения необходимой величины циркуляции катализатора в системе реактор-регенератор, снизить расход транспортного газа, стабилизировать работу установки дегидрирования за счет улучшения регулируемости циркуляции катализатора. Расположение соединительных труб 10 наклонно, предпочтительно под углом 45°-80° вниз от горизонтального положения, а также подача газа на продувку спускных стояков 7 обеспечивают необходимую текучесть катализатора при истечении его через стояки в режиме нисходящего потока. Предлагаемая конструкция распределителя катализатора позволяет за счет дополнительной контролируемой подачи вспомогательного газа на продувку стояков 7 достигать повышения скорости истечения радиально направленной струи катализатора в кипящий слой и, как следствие, улучшать распределение циркулирующего катализатора в объеме кипящего слоя. При этом возникают возможности регулирования тепловых неоднородно стей в верхней части кипящего слоя путем регулирования расхода сравнительно небольших количеств газа на продувку стояков. Коническая форма верхней крышки 4 расширителя 2 при использовании в реакторе обеспечивает предотвращение отложений монолитного кокса на поверхности верхней крышки 4 расширителя. 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 катализатора, циркулирующего в системе реактор-регенератор дегидрирования парафиновых углеводородов С₃-С₅ обеспечивает по сравнению с известной конструкцией увеличение выходов олефиновых углеводородов, снижение уноса катализатора, исключение отложений монолитного кокса на элементах конструкции распределителя и эрозии внутренних устройств реактора и регенератора, снижение расхода транспортного газа и стабилизацию работы установки дегидрирования в оптимальном режиме.