Результат интеллектуальной деятельности: СТОЯК-РЕАКТОР КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к конструкции стояка-реактора каталитического крекинга. Более конкретно, настоящее изобретение относится к такой конструкции стояка-реактора, которая снабжена контактными устройствами.

Уровень техники

Каталитический крекинг представляет собой хорошо известный технологический процесс, который применяется на многих нефтеперерабатывающих заводах. При каталитическом крекинге углеводородное сырье подают в стояк-реактор, в который также подают катализатор крекинга. В период пребывания в стояке-реакторе углеводородное сырье подвергается крекингу с получением более легких продуктов. Поскольку процесс крекинга происходит при повышенной температуре, стояк-реактор обычно снабжают теплоизоляцией. Такую теплоизоляцию можно наносить на внешнюю стальную стенку стояка реактора. Теплоизоляцию можно также выполнить в виде огнеупорной футеровки внутри реактора, при этом такая футеровка предохраняет внешнюю стальную стенку реактора от эрозивного воздействия реакционной смеси. Одновременно обеспечивается слой теплоизоляции, который сохраняет внешнюю стенку стояка в холодном состоянии. Кроме того, в процессе крекинга образуется некоторое количество кокса, который осаждается на катализаторе крекинга, образуя отработанный катализатор. В верхней части стояка-реактора поток продукта отделяют от отработанного катализатора, а затем отработанный катализатор регенерируют путем сжигания кокса с использованием регенерирующего газа. Впоследствии регенерированный катализатор рециркулируют в стояк-реактор. Тепловая энергия, необходимая для проведения реакции каталитического крекинга, обеспечивается за счет регенерируемого катализатора. Поток продукта, получаемого в результате процесса каталитического крекинга, разделяют в ректификационной колонне на различные фракции, такие как С₄-алканы и С₄-олефины, нафту, дистиллятные масла и рецикловые газойли.

Среднее значение линейной скорости газа в стояке-реакторе может находиться в пределах от 10 до 30 м/с, а среднее значение скорости частиц катализатора может достигать 25 м/с. Частицы катализатора будут перемещаться по существу совместно с газообразной реакционной смесью. Поскольку реакция крекинга протекает на частицах катализатора, то весьма целесообразно иметь надежный контакт между частицами катализатора и газообразной реакционной смесью. Вследствие этого, в патенте США US-A 3353925 предложено оборудовать стояк-реактор контактными устройствами типа трубки Вентури. Эти контактные устройства имеют форму кольцевого канала и фактически представляют собой суженные участки огнеупорной футеровки, которая в любом случае присутствует в стояке-реакторе.

Далее было найдено, что частицы катализатора имеют тенденцию к образованию концентрированно-кольцевой структуры потока. Это значит, что возникают области с плотной концентрацией катализатора на периферии стояка-реактора, тогда как в его центре остается область пониженной концентрации катализатора. Это явление было отмечено в патенте США US-A 5851380. Такая структура потока приводит к неоднородному распределению частиц катализатора и неоптимальному превращению углеводородного сырья. Для устранения этого недостатка было предложено снабдить стояк-реактор кольцевыми контактными устройствами, которые создают турбулентность и тем самым обеспечивают более однородное распределение частиц катализатора. Эти контактные устройства могут быть расположены в любом подходящем средстве, но в описании патента US-A 5851380 конкретно раскрыта огнеупорная вставка требуемой конфигурации, помещаемая внутри огнеупорной футеровки стояка-реактора.

Из описаний известного уровня техники становится очевидным, что смесь из поступающих углеводородов и частиц катализатора создает сильно эрозивную среду.

Вследствие этого, известные контактные устройства выполнены из огнеупорного материала. Однако при этом реакционная смесь крекинга оказывается также очень горячей. Обычными считаются значения температуры в интервале между 480 и 640°С. При наличии этих горячих эрозивных сред возникает риск изменения формы контактных устройств вследствие эрозионных и/или температурных эффектов. Поэтому желательно зафиксировать контактные устройства таким образом, чтобы свести к минимуму эти эффекты. Хотя в патенте США US-A 5851380 указано, что предложенные контактные устройства могут быть прикреплены к стояку-реактору любым известным способом, никакие конкретные решения не были предусмотрены. Описанное решение относится к вставке элемента огнеупорного материала в огнеупорную футеровку, которая в любом случае присутствует в стояке-реакторе. В настоящем изобретении найдено, что более надежный способ прикрепления контактных устройств обеспечивается за счет использования металлической конструкции, которую присоединяют к внешней стенке стояка-реактора.

Раскрытие изобретения

Соответственно, в настоящем изобретении разработан стояк-реактор каталитического крекинга, простирающийся между входным патрубком для углеводородного сырья и частиц катализатора и выходом для отходящих продуктов крекинга и отработанных частиц катализатора, причем этот стояк-реактор снабжен внутренней огнеупорной футеровкой и как минимум одним контактным устройством, где контактное устройство содержит композит огнеупорного материала и металлическую конструкцию, которая соединена с внешней стенкой стояка-реактора.

Благодаря настоящему решению контактное устройство получается надежно прикрепленным к внешней стенке стояка-реактора. Это обеспечивает неизменное положение контактного устройства во время работы, несмотря на термические удары.

Более того, введение такой металлической конструкции обеспечивает усиление комбинации металлической конструкции с огнеупорным материалом с тем результатом, что последняя становится более прочной и менее подверженной эрозии. Это особенно благоприятно, когда стояк-реактор снабжен внутренней огнеупорной футеровкой. В таком случае внешняя стальная стенка стояка-реактора становится относительно холодной, а эффект термического удара весьма заметным.

Кроме того, контактное устройство можно использовать для защиты других устройств, которые нужно размещать внутри стояка-реактора. Такие устройства включают в себя термопары и прочие измерительные приборы. Благоприятным будет расположение такого прибора ниже по потоку от контактного устройства, и тем самым обеспечивается его защита от эрозивного воздействия смеси частиц катализатора с газообразными реагентами.

При использовании множества контактных устройств они удобно размещаются по оси вдоль внутренней поверхности стояка-реактора с промежутками между устройствами. При использовании контактных устройств в количестве более одного специалист в этой области техники сможет определить, сколько этих контактных устройств и на каком расстоянии друг от друга требуется разместить вдоль стенки стояка-реактора. Количество и расстояние между устройствами зависят, например, от скорости и загрузки в стояк-реактор и его длины. Поэтому определение числа таких контактных устройств и их расстояния друг от друга относится к компетенции специалиста в этой области техники. В осевом направлении расстояние контактных устройств друг от друга, соответственно, равно как минимум величине одного внутреннего диаметра стояка-реактора. В большинстве случаев это расстояние не превышает величины 10-кратного внутреннего диаметра и, предпочтительно составляет величину не более четырехкратного внутреннего диаметра. Более предпочтительно, расстояние между двумя контактными устройствами составляет величину от 1,1- до 2-кратного внутреннего диаметра стояка-реактора.

Контактные устройства могут быть любой формы, желательной для специалиста. Специалист может оптимизировать преимущества, в особенности эффекты турбулентности, и одновременно свести к минимуму любой недостаток, как например, падение давления. Ввиду своей симметрии, кольцеобразное контактное устройство является очень удобным. Однако и контактные устройства в форме сегмента дуги, раскрытые в патенте US-B 6596242, также являются вполне приемлемыми.

Контактные устройства будут уменьшать проходное отверстие в стояке-реакторе. Предпочтительно, чтобы при этом проходное отверстие уменьшалось не более чем на 15 процентов относительно проходного отверстия стояка-реактора выше по потоку от контактного устройства. Соответствующим образом сужение проходного отверстия составляет как минимум 2 процента. Такой диапазон гарантирует приемлемую турбулентность частиц катализатора и газообразной реакционной смеси, и при этом в процессе крекинга не происходит сильный перепад давления.

Специалист в этой области техники может признать, что металлическая конструкция, которую прикрепляют к внешней стенке, обуславливает потенциальную утечку тепла на внешнюю стенку. Вследствие теплопроводности металлической конструкции внешняя стенка, к которой она присоединена, будет также подвергаться локальному нагреву. Для минимизации риска этого явления число металлических конструкций, которые присоединяют к внешней стенке, предпочтительно сводят к минимуму. На практике число металлических конструкций, соединяемых с внешней стенкой, варьируется в пределах от 1 до 25. Одной конструкции может оказаться достаточным, когда используется контактное устройство в форме сегмента, раскрытого в патенте US-B 6596242. При использовании кольцевого канала, раскрытого в патенте US-A 5851380, число металлических конструкций может, соответствующим образом, варьироваться в пределах от 4 до 25.

Когда контактное устройство имеет форму кольцевого канала, то весь кольцевой канал может быть смонтирован как единый элемент. Однако целесообразно монтировать такой кольцевой канал в виде более чем одного единого модуля. Тогда его не только легче монтировать, но и будет также обеспечена возможность локального ремонта. Когда какая-либо часть кольцевого канала оказывается поврежденной по любой причине, то лишь соответствующий модуль может быть отремонтирован или заменен, без надобности замены базовой части футеровки. Таким образом, становится очевидным, что этот отличительный признак предлагаемой конструкции представляет собой основное преимущество в сравнении с прототипом изобретения, раскрытым в патенте США US-А 3353925, где контактное устройство составляет часть футеровки стояка-реактора, либо в сравнении с прототипом изобретения, раскрытым в патенте США US-A 5851380, где кольцо должно быть вырезано из существующей футеровки, а новое кольцо из огнеупорного материала должно быть аккуратно вставлено в существующую футеровку. Число модулей до некоторой степени зависит от числа металлических конструкций, которые специалисту требуется закрепить на внешней стенке стояка-реактора. Это число модулей соответствующим образом варьируется в пределах от 4 до 25.

Металлическая конструкция позволяет достичь двух целей: обеспечивает прочное крепление к внешней стенке и усиление огнеупорного материала. Эти цели предпочтительно достигаются металлическими конструкциями, выполненными в форме многозубчатой вилки. Вилки с количеством зубцов от 2 до 8, предпочтительно от 3 до 6 зубцов, являются очень удобными. За счет использования таких конструкций число точек их крепления к внешней стенке (стояка-реактора) получается ограниченным, и, тем не менее, с помощью множества зубцов надежно гарантируется армирование огнеупора. Крепление конструкции к внешней стенке можно производить любым удобным способом, например свинчиванием или свариванием. Металлическую конструкцию можно изготовить из одной цельной заготовки. С другой стороны, эту металлическую конструкцию также можно выполнить на отдельной опорной пластине, которую закрепляют на внешней стенке (стояка-реактора), и соединить эту опорную пластину с еще одной металлической конструкцией, такой, например, как многозубчатый элемент, который армирует огнеупорный материал. В последнем случае специалист в этой области техники имеет возможность выбрать наилучший материал с целью прочного крепления указанной опорной пластины на внешней стенке реактора и наилучший металл для зубцов, например, в отношении его свойства расширения при изменении температуры. Итак, тогда как внешнюю стенку стояка-реактора можно выполнить из углеродистой стали, опорную пластину, и/или зубцы, и/или всю металлическую конструкцию в целом можно выполнить из нержавеющей стали, хотя также возможно использовать и другие материалы.

Форма металлической конструкции, предпочтительно, такова, что площадь контакта с огнеупорным материалом является значительной. Предпочтительно зубцы конструкции выполнены в виде металлических бугелей. Также возможно применение других форм и конфигураций, таких как металлические пластинки, снабженные острыми зубцами гребешковые конструкции и т.д. Еще более предпочтительно иметь зубцы в форме многоугольника, когда, например, треугольник или усеченный треугольник выступает из внешней стенки. Результат применения такого контактного устройства проявляется в том, что эрозивная смесь горячего сырья и катализатора не сталкивается перпендикулярно с контактным устройством, а плавно и постепенно входит с ним в соприкосновение. Благодаря этому уменьшается эрозивный эффект соприкосновения с контактным устройством. Хорошие результаты получаются с контактными устройствами, которые расположены под углом в пределах от 15 до 65° по отношению к исходной футеровке.

Для того чтобы увеличить силу сцепления между металлической конструкцией и огнеупорным материалом, металлические конструкции, а более конкретно зубцы, о которых говорилось выше, предпочтительно снабжать крючками или фланцами, выступающими из металлических конструкций, так как эти крючки и фланцы служат для более прочного сцепления с огнеупорным материалом, наподобие пальцев, тем самым еще более надежно поддерживают материал. Один удобный способ создания этих крючков или фланцев состоит в пробивке отверстий в конструкциях или зубцах.

Зубцы можно разместить параллельно направлению потока в стояке-реакторе, который перемещается параллельно оси стояка-реактора. Для того чтобы увеличить поверхность соприкосновения с огнеупорным материалом и зубцами и чтобы уменьшить эрозивное воздействие на зубцы, предпочтительно зубцы располагают под углом по отношению к оси реактора. Соответствующим образом, величина такого угла варьируется в пределах от 5 до 45° по отношению к оси реактора.

Ввиду эрозивного характера смеси в стояке-реакторе выбирают подходящий огнеупорный материал, обладающий высокой износостойкостью. Предпочтительно, этот материал также должен быть плавленолитым для облегчения формования контактных устройств. Соответствующий огнеупорный материал выбирают из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида кремния, оксида кальция, диоксида титана, оксида магния, оксида железа и их смесей. Кроме того, этот огнеупорный материал может содержать оксид фосфора. Примеры удовлетворительных огнеупорных материалов, которые выпускаются промышленностью, включают в себя продукты серии "Actchem", такие как Actchem 45, (бывшее название "Actchem") и продукты серии "Rescocast" и "Rescobond", такие как Rescobond AA-22, (бывшее название "Resco Industries") или продукты серии "Pliline" (бывшее название "Imerys").

Материал, который идет на изготовление металлических конструкций, может быть железом или, предпочтительно, сталью. Тогда как внешнюю стенку стояка-реактора можно выполнять из углеродистой стали, металлическую конструкцию предпочтительно изготавливают из нержавеющей стали.

Краткое описание чертежей

Теперь настоящее изобретение будет рассмотрено более детально со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фигура 1 изображает схематический чертеж стояка-реактора в соответствии с настоящим изобретением.

Фигура 2 показано поперечное сечение стояка-реактора с материалом футеровки и контактными устройствами.

Фигура 3 представляет собой более детальный чертеж контактного устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На фигуре 4 показан вид спереди контактного устройства, представленного на фигуре 3.

Осуществление изобретения

На фигуре 1 показан стояк-реактор 1 с входом для катализатора крекинга и углеводородного сырья 2. Специалист в этой области техники может понять, что обычно катализатор и углеводородное сырье подают в стояк-реактор через раздельные входы. Тем не менее, для целей настоящего изобретения эти входы представлены единым комбинированным патрубком для катализатора и сырья. Крекированные продукты и отработанный катализатор выходят из стояка-реактора 1 через выходной патрубок 3. Реактор 1 оборудован контактными устройствами 4, которые расположены по оси на расстоянии друг от друга. Показанные на фигуре 1 контактные устройства являются кольцеобразными, что приводит к сужению площади поперечного сечения стояка-реактора. Кроме того, стояк-реактор 1 снабжен огнеупорной футеровкой 6 вдоль внешней стенки 5 реактора. Контактные устройства 4 подсоединены к внешней стенке через металлические опорные пластины 7. Для более детального рассмотрения вида контактного устройства приводятся ссылки на фигуры 2, 3 и 4.

На фигуре 2 изображено поперечное сечение стояка-реактора, имеющего внешнюю стенку 11. Вокруг этой внешней стенки 11 расположена футеровка 12 огнеупорного материала с целью изоляции горячей внутренней полости от холодной окружающей среды. К внешней стенке прикреплены металлические опорные пластины 13. Каждая опорная пластина 13 одним концом прикреплена к внешней стенке 11, а другим концом прикреплена к вилкообразной металлической конструкции, содержащей металлический стержень 18, к которому присоединены четыре зубца 14. Эта вилкообразная конструкция 14 внедрена во второй огнеупорный материал 15. Огнеупорный материал 15 может быть составлен из нескольких модулей, из расчета один модуль на вилку. В случае поломки одного или нескольких модулей можно легко произвести замену сломанных модулей.

На фигуре 3 показана часть внешней стенки 11 и огнеупорной футеровки 12. Кроме того, показана опорная пластина 13, прикрепленная к внешней стенке. Зубцы 14 металлической конструкции имеют форму петли. Эта металлическая петля внедрена в огнеупорный материал 15. Площадь поперечного сечения контактного устройства имеет вид усеченного треугольника, как показано на фигуре 3. Это позволяет направлять поток эрозивной смеси катализатора и сырья к центру стояка-реактора под углом примерно 30°, тем самым, снижается эрозивный эффект. На фигуре 3 также показаны фланцы 16, которые выступают из петли 14 для увеличения силы сцепления с огнеупорным материалом 15. В нескольких местах петля 14 снабжена перфорациями для создания, с одной стороны, отверстий, а с другой стороны, дополнительных фланцев 17, как показано на фигуре 4.

Фигура 4 представляет собой фронтальную проекцию модуля, показанного на фигуре 3. Здесь видны опорная пластина 13 и металлические петли 14, внедренные в огнеупорный материал 15 и соединенные друг с другом через металлический стержень 18. Также здесь видна другая огнеупорная футеровка 12. На фигуре 4 отчетливо показано, что перфорированные петли 14 содержат целый ряд фланцев 17. Здесь же показано, что петли 14 могут быть расположены под углом к вертикальной оси стояка-реактора 1. На фигуре этот угол равен приблизительно 20°.

Ясно, что хотя показанный модуль содержит четыре зубца, но в равной мере возможны модули с большим или меньшим количеством зубцов.