Результат интеллектуальной деятельности: ЦИКЛОННОЕ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ИМЕЮЩЕЕ КЕССОН С КОРОТКОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬЮ ПРЕБЫВАНИЯ, УСТАНОВЛЕННЫЙ В РЕАКЦИОННОМ РЕЗЕРВУАРЕ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение представляет собой циклонный реакционный резервуар, имеющий кессон с короткой продолжительностью пребывания.

Уровень техники, к которой относится изобретение

В некоторых процессах, таких как дегидрирование алканов или алкилароматических соединений, важно сокращать до минимума продолжительность пребывания молекул при температуре реакции. В системе реактора с псевдоожиженным слоем псевдоожиженный катализатор и газообразный продукт должны также быстро разделяться во избежание дальнейшего разложения непрореагировавшего алкана или алкилароматического соединения и образующихся продуктов. Как правило, конструкции реакторов с псевдоожиженным слоем предусматривают продолжительность пребывания, составляющую более чем одна секунда. Такая большая продолжительность пребывания могла бы производить значительное воздействие на выход реакции. Например, односекундная продолжительность пребывания в процессе дегидрирования пропана при температуре реакции могла бы вызывать уменьшение селективности, составляющее приблизительно 0,7 мол.%. Попытки сокращения до минимума продолжительности пребывания должны быть сбалансированными с необходимостью механической и термической устойчивости в опоре циклонов при высоких температурах, чтобы сбалансировать тепловое расширение внутри системы.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение представляет собой циклонный реакционный резервуар, имеющий кессон с короткой продолжительностью пребывания.

Краткое описание чертежей

Для цели иллюстрации настоящего изобретения на чертежах, оно представлено в форме чертежей, которая является примерной; однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается точными конструкциями и устройствами, представленными на чертежах.

Фиг. 1 представляет на схематической диаграмме циклонный реакционный резервуар согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения; и

фиг. 2 представляет на схематической диаграмме циклонный реакционный резервуар согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение представляет собой циклонный реакционный резервуар.

Циклонный реакционный резервуар согласно настоящему изобретению включает оболочку; первичное циклонное разделительное устройство, расположенное внутри оболочки и имеющее выпуск; множество вторичных циклонов, причем вышеупомянутые вторичные циклоны располагаются внутри оболочки, и каждый из вышеупомянутых вторичных циклонов имеет корпус, впуск и выпуск; где выпуск первичного циклонного разделительного устройства находится в соединении по текучей среде со впуском, по меньшей мере, одного вторичного циклона; первый кессон, имеющий юбку и дно и образующий герметическую кольцевую камеру внутри оболочки, где первый кессон имеет опору внутри оболочки посредством прикрепления к оболочке; второй кессон, включающий выпускную трубу для удаления газов, находящихся внутри оболочки, юбку и дно, и имеющий меньший объем, чем объем первого кессона; в котором каждый из вторичных циклонов имеют опору от первого кессона посредством, по меньшей мере, одного из следующих соединений: (a) прикрепление выпускной трубы каждого вторичного циклона к юбке и/или дну первого кессона и (b) первый набор подвесных ремней, проходящих от юбки первого кессона и/или дна первого кессона и/или выпускной трубы вторичного циклона к корпусу каждого вторичного циклона, в котором первый набор подвесных ремней помещается по существу вертикально внутри оболочки; и в котором выпуски множества вторичных циклонов находятся в соединении по текучей среде со вторым кессоном.

При использовании в настоящем документе выражение "выпуски множества вторичных циклонов находятся в соединении по текучей среде со вторым кессоном" означает, что выпуски вторичных циклонов обеспечивают пропускание выходящего потока, содержащего текучую среду плюс неотделенные твердые частицы, из вторичных циклонов во второй кессон, но что выпуски вторичных циклонов не присоединяются механически ко второму кессону. Такое сообщение по текучей среде предотвращает пропускание выходящего потока из вторичного циклона во внутреннее пространство, образованное оболочкой и первым кессоном. Такое сообщение по текучей среде может обеспечиваться, например, посредством использования скользящей посадки, в которой существует зазор между выпусками вторичного циклона и юбкой второго кессона. Эти выпуски вторичного циклона являются механически отделенными от второго кессона, что предотвращает и/или сокращает до минимума напряжения, которые могли бы возникать в результате различного теплового расширения.

Первичные циклонные разделительные устройства являются известными в технике и включают, например, первичные циклоны и системы, имеющиеся в продаже под наименованиями VSS, LD2 и RS2. Первичные циклоны описываются, например, в патентах США №№ 4579716. 5190650 и 5275641. В некоторых известных разделительных системах, в которых используются первичные циклоны в качестве первичного циклонного разделительного устройства, один или несколько наборов дополнительных циклонов, например, вторичные циклоны и третичные циклоны, используются для последующего отделения катализатора от газообразного продукта. Следует понимать, что, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, может использоваться любое первичное циклонное разделительное устройство. В каждом случае выходящий поток из первичного циклонного разделительного устройства поступает во вторичные циклоны для дополнительного разделения.

Фиг. 1 иллюстрирует циклонный реакционный резервуар 10 согласно варианту осуществления, в котором первичное циклонное разделительное устройство включает, по меньшей мере, один первичный циклон 20. Первичный циклон 20 содержится внутри оболочки 30 и имеет корпус 21, впуск 22, выпуск 24 и выводящую твердые частицы опускную трубу 26. Поток псевдоожиженных твердых частиц поступает в первичный циклон 20 через впуск 22. В первичном циклоне 20 захваченные твердые частицы, например, частицы катализатора, в основном, отделяются от потока псевдоожиженных твердых частиц. Отделенные твердые частицы выходят из первичного циклона через выпускную опускную трубу 26, и остается выходящий из первичного циклона поток, в котором содержатся твердые частицы, не отделенные первичным циклоном, и текучая среда, например, газообразный продукт. Выходящий поток из первичного циклона проходит вертикально вверх и выходит из первичного циклона 20 через выпуск 24 и в один или несколько вторичных циклонов 40 через один или несколько впусков 42 вторичных циклонов.

Вторичный циклон 40 дополнительно включает корпус 41, выпуск 44 и выводящую твердые частицы опускную трубу 46.

Вторичный циклон 40 дополнительно отделяет твердые частицы от выходящего потока из первичного циклона. Твердые частицы, отделенные во вторичном циклоне 40, выходят вниз через опускную трубу 46. Выпуск 44 вторичного циклона находится в соединении по текучей среде со вторым кессоном 50. Второй кессон 50 включает цилиндрическую юбку 52, дно 54 и выпуск 56 второго кессона, который позволяет выходящему потоку из вторичного циклона проходить из второго кессона и из резервуара 10. Как проиллюстрировано на фиг. 1, второй кессон находится внутри более крупного первого кессона 60, имеющего больший объем. Первый кессон 60 включает юбку 62 и дно 64. Первичный циклон 20 поддерживается первым кессоном 60.

Как показывает вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг. 1, образованный радиальными центральными линиями радиус (проиллюстрированный штриховой вертикальной линией) первичных циклонов 20 симметричной циклонной системы определяет диаметр первого кессона. Такая конфигурация способствует сокращению до минимума или предотвращению термических напряжений посредством помещения подвесных ремней 70 в вертикальном положении внутри оболочки. Согласно еще одному варианту осуществления, длина юбки первого кессона определяется таким образом, чтобы сокращать до минимума термическое напряжение, связанное с прикреплением к оболочке при воздействии высоких внутренних температур. Согласно варианту осуществления, который проиллюстрирован на фиг. 1, один конец, по меньшей мере, одного первого подвесного ремня 70 присоединяется к корпусу 21 первичного циклона, предпочтительно на радиальной центральной линии (проиллюстрированной штриховой вертикальной линией), и второй конец первого подвесного ремня 70 присоединяется к дну 64 первого кессона. В качестве альтернативы, второй конец первого подвесного ремня 70 может присоединяться к юбке 62 первого кессона 60. Следует понимать, что, согласно некоторым вариантам осуществления, может использоваться первичное циклонное разделительное устройство другого типа, причем такое устройство не обязательно должен поддерживать первый кессон. Например, первичное циклонное разделительное устройство типа VSS может устанавливаться на дно оболочки.

Вторичный циклон 40 располагается внутри первого кессона 60 и поддерживается им. Согласно варианту осуществления, который проиллюстрирован на фиг. 1, один конец второго подвесного ремня 75 присоединяется к корпусу 41 вторичного циклона, и второй конец второго подвесного ремня 75 присоединяется к выпуску 44 вторичного циклона 40. В качестве альтернативы, второй конец второго подвесного ремня 75 может присоединяться к дну 64 первого кессона 60 или к юбке 62 первого кессона 60.

Каждый из одного или нескольких вторых подвесных ремней 75 располагается по существу вертикально внутри резервуара. При использовании в настоящем документе выражение "по существу вертикально" означает, что угол между подвесным ремнем и отвесной линией, проходящей от точки присоединения подвесного ремня к первому кессону, равняется или составляет менее чем 30°. Все индивидуальные значения и интервалы углов, которые равняются или составляют менее чем 30°, предусматриваются настоящим изобретением и описываются в данном документе. Например, выражение "по существу вертикально" распространяется на углы между подвесным ремнем и отвесной линией, проходящей от точки присоединения подвесного ремня к первому кессону, которые равняются или составляют менее чем 30°, или, в качестве альтернативы, равняются или составляют менее чем 25°, или, в качестве альтернативы, равняются или составляют менее чем 20°, или, в качестве альтернативы, равняются или составляют менее чем 15°, или, в качестве альтернативы, равняются или составляют менее чем 10°. Предпочтительно один или несколько вторых подвесных ремней 75 присоединяются к корпусу 41 вторичного циклона на радиальной центральной линии, проиллюстрированной штриховой вертикальной линией.

Кроме того, как проиллюстрировано на фиг. 1, в оболочке 30 дополнительно располагается стояк 35. Неотделенный поток псевдоожиженных твердых частиц поступает в оболочку через стояк 35, который заканчивается на плите 36. Стояк 35 обеспечивает сообщение по текучей среде, т.е. допускает прохождение псевдоожиженных твердых частиц во впуск 22 первичного циклона 20 таким образом, что неотделенный поток псевдоожиженных твердых частиц может проходить из стояка 35 в первичный циклон 20. Если используются циклоны более чем двух ступеней, то именно выходящий поток из циклона заключительной ступени поступает во второй кессон. Следует понимать, что хотя фиг. 1 иллюстрирует только один первичный циклон и один вторичный циклон, дополнительные первичные и вторичные циклоны могут располагаться вокруг периферии стояка. Например, выпускная труба 45 может присоединяться к другому вторичному циклону, который не проиллюстрирован на чертеже, и который, в свою очередь, питает первичный циклон 20 или другой первичный циклон, не проиллюстрированный на чертеже.

Снова рассмотрим фиг. 1, где оболочка 30 предпочтительно изготовлена из материала, способного выдерживать технологические условия целевых процессов, а именно дегидрирования алканов и/или алкилароматических соединений. Такие материалы включают, например, футерованную жаропрочным материалом углеродистую сталь, которая выдерживает повышенные температуры в процессе дегидрирования пропана. Согласно одному варианту осуществления, первый кессон 60 подвешивается из оболочки 30 посредством выступа 58 на верхней части юбки 62 первого кессона. Выступ 58 предпочтительно изготовлен из такого же материала, из которого изготовлена оболочка 30. Второй кессон 50 может также присоединяться к оболочке 30 посредством короткого выступа 59, который предпочтительно изготовлен из такого же материала, как оболочка 30. Материал для изготовления компонентов, находящихся внутри оболочки, например, таких как первичный циклонный сепаратор, стояк, вторичные циклоны и кессоны, предпочтительно выбирается по принципу пригодности для использования в условиях температуры и давления целевого процесса. В процессах каталитического дегидрирования, которые осуществляются при высоких температурах, может использоваться такой материал, как нержавеющая сталь 304H. Внутренние поверхности выпусков вторичного циклона и второй кессон могут быть футерованы обладающей высокой стойкостью к истиранию огнеупорной системой, такой как AA22S или R-Max MP или Actchem 85.

Фиг. 2 представляет альтернативный вариант осуществления, согласно которому дно 54 второго кессона 50 образует часть дна 64 первого кессона 60.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что первичное циклонное разделительное устройство включает, по меньшей мере, один первичный циклон, причем каждый первичный циклон имеет впуск и выпуск.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что каждый первичный циклон прикрепляется к юбке и/или дну первого кессона посредством второго набора подвесных ремней, причем этот второй набор подвесных ремней располагается по существу вертикально.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что выпуски вторичных циклонов присоединяются ко второму кессону посредством скользящей посадки.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что первый кессон дополнительно включает впуск, через который продувочный газ поступает в кольцевой объем первого кессона, и выпуск, через который продувочный газ выходит из первого кессона. Согласно одному варианту осуществления, продувочный газ выходит из первого кессона во второй кессон через скользящую посадку между выпуском вторичного циклона и юбкой второго кессона. Согласно конкретному варианту осуществления, продувочный газ выбирается из группы, которую составляют метан, водород, газообразный продукт, водяной пар и инертные газы.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что резервуар представляет собой реактор с псевдоожиженным слоем, лифт-реактор, быстрый реактор с псевдоожиженным слоем или реактор с турбулентным слоем.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что резервуар представляет собой реактор каталитического крекинга или регенератор с псевдоожиженным слоем.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что резервуар представляет собой газогенератор.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что продолжительность пребывания газа во втором кессоне составляет менее чем или равняется 0,4 с. Все индивидуальные значения и интервалы значений, которые составляют менее чем или равняются 0,4 с, предусматриваются настоящим изобретением и описываются в настоящем документе. Например, продолжительность пребывания газа во втором кессоне не может превышать верхнее предельное значение, составляющее 0,4, 0,35, 0,3, 0,25 или 0,2 с. Продолжительность пребывания газа во втором кессоне может составлять от 0,05 до 0,4 с, или, в качестве альтернативы, продолжительность пребывания газа во втором кессоне может составлять от 0,2 до 0,4 с, или, в качестве альтернативы, продолжительность пребывания газа во втором кессоне может составлять от 0,3 до 0,4 с.

Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается циклонный реакционный резервуар в соответствии с любым из вариантов осуществления, которые описаны в настоящем документе, за исключением того, что второй кессон предназначается для дегидрирования пропана, и уменьшение селективности по отношению к пропилену от впуска до выпуск второго кессона равняется или составляет менее чем 0,4 мол.%. Все индивидуальные значения и интервалы значений, которые равняются или составляют менее чем 0,4 мол.% предусматриваются настоящим изобретением и описываются в настоящем документе. Например, уменьшение селективности по отношению к пропилену не может превышать верхнее предельное значение, составляющее 0,4, 0,35, 0,3, 0,25 или 0,2 мол.%. Например, уменьшение селективности по отношению к пропилену может составлять от 0,1 до 0,4 мол.%, или, в качестве альтернативы, уменьшение селективности по отношению к пропилену может составлять от 0,2 до 0,4 мол.%, или, в качестве альтернативы, уменьшение селективности по отношению к пропилену может составлять от 0,25 до 0,35 мол.%, или, в качестве альтернативы, уменьшение селективности по отношению к пропилену может составлять от 0,3 до 0,4 мол.%.

Примеры

Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение, но не предназначаются для ограничения объема настоящего изобретения. Согласно настоящему изобретению, пример 1 представляет собой модельный циклонный реакционный резервуар, который включает первичные циклоны, вторичные циклоны и второй кессон, и, согласно настоящему изобретению, предназначается для использования в дегидрирование пропана.

Сравнительные примеры 1 и 2 представляют собой модельные циклонные реакционные резервуары, включающие первичные циклоны, вторичные циклоны и единственный первый кессон для дегидрирования пропана. В сравнительном примере 1 используется опорная система балочного типа. В этой конструкции механические опоры представляют собой балки с соединениями. Эти соединения могут закоксовываться, и в результате этого возникают механические проблемы, поскольку тепловое расширение не является сбалансированным. В сравнительном примере 2 используется опорная система кессонного типа, в которой отсутствуют движущиеся детали, но которая обеспечивает большую продолжительность пребывания, как проиллюстрировано в таблице 2.

Таблицы 1 и 2 представляют размеры и объем второго кессона и длины соединительных труб. Кроме того, вычислена продолжительность пребывания газа во втором кессоне и соединительных трубах (для примера изобретения 1). Представлены размеры и объем первого кессона и продолжительность пребывания газ в первом кессоне и внутренних соединительных трубах (для сравнительных примеров 1 и 2), а также вычислено уменьшение селективности по отношению к пропилену для каждого примера.

Модель используется для иллюстрации потенциальной селективности по отношению к пропилену, которая достигается согласно настоящему изобретению.

Известны катализаторы дегидрирования, обладающие высокой активностью и высокой селективностью. В качестве примера, в публикации международной патентной заявки PCT № WO 20120711 таблица 1 представляет степень превращения пропана, составляющую приблизительно 37,6%, при каталитической селективности на уровне 99,3 мол.%. Эксперименты, проиллюстрированные в таблице 1 международной патентной заявки № WO 20120711, проводились при температуре 600°C, при которой скорость реакций в газовой фазе оказывается очень низкой. Таблица 6 международной патентной заявки № WO 20120711, воспроизведенная ниже как таблица 3, представляет каталитическую селективность, проявление которой можно ожидать от катализатора, обладающего высокой активностью и высокой селективностью.

В качестве альтернативы, таблица 9 патентной заявки США № PCT/US 2012/046188, частично воспроизведенная ниже как таблица 4, представляет степень превращения пропана, составляющую 46,1%, при селективности по отношению к пропилену на уровне 96,4% при температуре 625°C с использованием такого же катализатора. При 625°C пропан в значительно большей степени вступает в газофазную реакцию, что снижает общую измеренную селективность в эксперименте. Для демонстрации этого была разработана простая модель, которая описана в таблице 5.

Каталитическая селективность получена из таблицы 5, которая демонстрирует селективность, составляющую 99,3 мол.%. Термическая селективность превращения пропана получена из статьи G. F. Froment "Термический крекинг пропана" в книге "Кинетика и распределения продуктов", 1968 г., с. 440. Скорость термической реакции вычисляется с применением уравнения Аррениуса (Arrenhius), как проиллюстрировано ниже в уравнении (1), где используются коэффициенты Лейдера (Laider), как описал G. F. Froment в статье "Термический крекинг пропана".

(1) k=Ae^-Ea/(RT)

Применение уравнения Аррениуса осуществляется посредством преобразования уравнения (1), как проиллюстрировано ниже в уравнении (2). Это позволяет вычислить скорость реакции (моль/с), k.

(2) ln(k)=-Ea/(RT)+ln(A)

Скорость термической реакции затем вычисляется в расчете на пропан, для которого селективность составляет 45 мол.%. Каталитические характеристики определяются для достижения измеренной полной степени превращения. Тогда получаемая в результате полная селективность должна быть близка к значению, измеренному в эксперименте. В данном случае модель демонстрирует селективность на уровне 96,5 мол.% по сравнению с измеренной селективностью, составляющей 96,4 мол.%.

Настоящее изобретение моделируется с применением описанной выше методологии посредством сочетания прогнозируемых каталитических характеристик каталитического реактора с кинетикой соответствующей газофазной реакция. В примере изобретения 1, увеличение на 0,19 с продолжительности пребывания в выпускных трубах вторичного циклона и во внутреннем кессоне приводит к уменьшению селективность по отношению к пропилену приблизительно на 0,11 мол.% в общей реакции превращения пропана в пропилен реакция. Поскольку эта реакция полностью осуществляется в газовой фазе, инкрементная селективность для степени превращения 0,1% составляет 45 мол.%, что представляет собой селективность газофазной реакция. Таблица 6 иллюстрирует вычисления для примера изобретения 1, представленного в настоящем документе.

В качестве альтернативы, если используется единственный первый кессон, имеющий размеры, которые проиллюстрированы в таблице 1 для сравнительного примера 1, при отсутствии имеющего меньшие размеры второго кессона с трубами в соединении по текучей среде, продолжительность пребывания составляет 0,51 с, и в результате этого уменьшение селективности составляет 0,42 мол.%. Таблица 7 иллюстрирует вычисления для сравнительного примера 1.

Наконец, если используется единственный первый кессон, имеющий размеры, которые проиллюстрированы в таблице 1 для сравнительного примера 2, при отсутствии имеющего меньшие размеры второго кессона с трубами в соединении по текучей среде, продолжительность пребывания составляет 1,46 с, и в результате этого уменьшение селективности составляет 0,86 мол.%. Таблица 8 иллюстрирует вычисления для сравнительного примера 2.

Настоящее изобретение может быть реализовано и в других формах без отклонения от его идеи и неотъемлемых признаков, и, соответственно, для определения объема настоящего изобретения следует рассматривать прилагаемую формулу изобретения, а не представленное выше описание.