Реактор каталитических процессов с экзо- и эндотермическими эффектами

 

Изобретение относится к конструкции реактора для проведения процессов в стационарном слое катализатора с экзо- и эндотермическими эффектами на различных стадиях и может быть использовано в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Задача изобретения - улучшение качества получаемых продуктов и удлинения стабильной работы катализатора за счет повышения изотермичности технологических стадий. Сущность изобретения заключается в том, что теплообменные элементы выполнены в виде двух секций из труб различной длины, причем вход теплоносителя в каждую из них происходит из отдельных распределительных камер, а выход - из общей. Соотношение длин труб первой и второй секций теплообменных элементов составляет 2:1-3:1. В случае использования в качестве теплоносителя сырья трубная решетка общей распределительной камеры со стороны слоя катализатора имеет дополнительную перфорацию для прохождения и равномерного распределения части сырья по сечению аппарата. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к конструкциям реакционных устройств со стационарным слоем шарикового катализатора и циклической сменой стадий процесса, может быть использовано в установках каталитической переработки углеводородного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностях.

Известная конструкция кожухотрубчатого реактора, служащего для проведения в нем процессов с экзо-, эндотермическими эффектами. Катализатор находится внутри трубного пучка, а подвод (отвод) тепла к нему на стадиях процесса достигается подачей в межтрубное пространство нагревающего (охлаждающего) агента [1] Недостатки предлагаемой конструкции связаны с трудностью регулирования температуры по высоте слоя катализатора. Особенно это сказывается на проведение процессов, для которых характерно локальное охлаждение (разогрев) участков слоя катализатора, или в случае когда тепловой эффект реакции существенно меняется по высоте слоя катализатора.

Частично вопросы перераспределения тепла по высоте слоя катализатора можно решить путем секционирования трубного пучка решетками, расположенными в межтрубном пространстве и ступенчатым вводом (выводом) теплоносителя [2] Однако такой способ при наличии участков слоя катализатора с локальным охлаждением (разогревом) (при проведении стадий процесса со значительными эндо- и экзотермическими эффектами), их передвижением в течении стадий процесса вдоль слоя катализатора требует усложнения конструкции реактора и систем регулирования (изменение параметров и расходов теплоносителя в каждую из секций, трудность замера температуры катализатора в трубном пучке). В вышеприведенных конструкциях необходимо предусматривать специальные меры для компенсации линейного расширения трубного пучка и корпуса реактора от неравномерного нагрева различных элементов.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция трубчатого реактора [3] в котором катализатор расположен в межтрубном пространстве, а теплоноситель поступает в трубчатые теплообменные элементы типа "труба в трубе". Вход и выход теплоносителя в элементы осуществляется через распределительные камеры, выполненные в виде двух трубных решеток в верхней части реактора. Теплоноситель входит в первую распределительную камеру и первоначально движется по внутренним трубам малого диаметра, выходит в их конце в трубы большого диаметра. Теплообмен с катализатором происходит при обратном движении теплоносителя в межтрубном пространстве коаксиально расположенных труб. Теплоноситель после прохождения вышеописанных теплообменных элементов выходит через распределительную камеру из реактора. Внешняя поверхность наружных труб может иметь продольное оребрение элементами различной формы. Все теплообменные трубы имеют одну и ту же длину, а равномерность распределения теплоносителя между ними происходит за счет гидравлического сопротивления потоку от его движения в трубном и межтрубном пространстве теплообменных элементов. Контроль за изменением температуры по высоте слоя катализатора достигается установкой многозонной термопары в слое катализатора. Такой принцип успешно использовался при проведении процесса каталитического крекинга на шариковой стационарном слое катализатора при наличии циклических стадий крекинга и окислительной регенерации, для синтеза аммиака и метанола. В ней удачно решаются проблемы температурной компенсации удлинения трубного пучка.

Недостатки прототипа: трудность регулирования теплообмена по высоте слоя катализатора (особенно при организации каталитического крекинга на стадии регенерации, когда происходит позонный выжиг кокса с поверхности катализатора), что ведет к наличию зон локального перегрева катализатора (спеканию гранул катализатора, его дезактивации и тому подобному). Это приводит к ускоренному понижению его каталитических свойств в период эксплуатации, проявляющемуся в уменьшении выхода продуктов реакции, улучшении их качества.

Цель изобретения разработка конструкции реактора, обеспечивающей улучшение качества целевых продуктов и удлинение стабильной работы катализатора за счет повышения равномерности теплообмена на различных стадиях процесса с экзо- и эндотермическими эффектами как по всей высоте, так и в локальной зоне слоя катализатора.

Цель достигается тем, что теплообменные элементы выполнены из двух секций труб различной длины, подача нагретого теплоносителя (сырья) в эти секции происходит раздельно из различных распределительных камер, отвод части теплоносителя из общей сборной камеры, а другой части через дополнительно перфорированную решетку в слой катализатора.

Новизной предлагаемой конструкции является: использование двухсекционных теплообменных элементов из труб различной длины (соотношение длин труб для первой и второй секций составляет от 2:1 до 3:1; раздельная подача теплоносителя в секции теплообменных элементов посредством отдельных распределительных камер; подача части теплоносителя (сырья) через дополнительно перфорированную трубную решетку в слой катализатора; расширение возможности регулирования температуры по высоте слоя катализатора при экзо- и эндотермических реакциях, особенно в локальных зонах, за счет варьирования расхода теплоносителя в секции.

На чертеже приведен общий вид реактора, состоящего из корпуса 1; днища 2; трубной решетки 3,4, (5)(дополнительно перфорированная); внутренних (наружных) 6, 7, (8,9) труб двух секций теплообменных элементов; входа 10, (11) теплоносителя в первую (вторую) секцию; выхода 12 теплоносителя; выхода 13 продуктов реакции.

Реактор представляет собой цилиндрический аппарат, состоящий из корпуса 1, в нижней и верхней частях которого установлены днища 2. В верхней части реактора три перфорированные решетки 3-5, служащие для крепления в них труб 6-9 двух секций теплообменных элементов. В верхней 3 и средней 4 перфорированных решетках укреплены трубы малого диаметра двух теплообменных секций различной длины. Нижняя 5 перфорированная решетка служит для закрепления в ней труб большого диаметра обоих секций теплообменных элементов, отличающихся соответственно своей длиной. В случае использования в качестве теплоносителя сырья нижняя трубная решетка 5 имеет дополнительную перфорацию. Одна из секций, таким образом, образуется трубами 6 и 8, другая из труб 7 и 9.

Реактор работает следующим образом. В пространстве между цилиндрическим корпусом 1, нижним днищем 2 находится стационарный слой шарикового катализатора. Теплоноситель, служащий для нагрева (охлаждения) слоя катализатора, поступает в верхнюю и среднюю распределительные камеры, образуемые верхним днищем 2 и перфорированными решетками 3 и 4. Теплоноситель в две секции теплообменных элементов поступает двумя потоками 10 и 11 по трубам 6 и 7 различной длины. Он возвращается после нагрева (охлаждения) слоя катализатора по трубам 8 и 9 в сборную камеру, образованную решетками 4 и 5 и далее выводится из аппарата 12. Если в качестве теплоносителя в процессе используется сырье, которое в дальнейшем поступает в слой катализатора, то предлагается ее часть направлять из общей сборной камеры через дополнительно перфорированную решетку 5 в слой катализатора. Выход продуктов реакции 13 происходит в нижней зоне аппарата. При проведении циклической стадии процесса, сопровождающейся эндоэффектом, теплоноситель, подаваемый в теплообменные элементы имеет температуру большую, чем слой катализатора. На стадии, при которой необходимо снимать экзотермический эффект, отвод тепла от слоя обеспечивается за счет подачи теплоносителя с меньшей температурой, чем требуемая для работы слоя катализатора. Регулируя расход теплоносителя и его температуру в секции теплообменных элементов по показателям зонной термопары достигается требуемый профиль температур по высоте слоя катализатора. Поскольку разность температур осуществления основных стадий (реакции, регенерации) большинства известных циклических процессов составляет обычно 100 150^oC (наличие эндоэффекта на стадии реакции, эндоэффекта на стадии регенерации), то в этом случае возможно использование одного и того же теплоносителя, с небольшим изменением параметров на этих стадиях. Если перепад температур между стадиями велик, то целесообразно использование двух типов теплоносителей (с различными рабочими параметрами), подаваемых как в каждую из секций, так и в обе одновременно.

Необходимо отметить, что согласно проведенным расчетам и проверке в лабораторных и пилотных условиях установлено, что целесообразно использование в реакторе двухсекционных элементов с трубами различной длины. Соотношение длин труб в них признано оптимальным иметь L₁:L₂=2:1-3:1. Такая разбивка в соотношении длин труб между секциями позволяет обеспечивать наибольшую интенсивность теплообмена в начальной зоне стационарного слоя катализатора со стороны входа сырья, которая как правило, характеризуется наибольшими значениями эндо- и экзотермических эффектов при проведении процесса. Выбор такого соотношения длин труб трактуется также и тем, что при циклическом проведении стадий процесса рабочая высота слоя катализатора меньше чем полная высота слоя катализатора и составляет обычно 1/3-1/2 от полной его высоты. В течение времени осуществления стадии реакции рабочая зона перемещается вдоль высоты слоя катализатора, что приводит к уменьшению в целом активности слоя катализатора (соответственно и значений тепловых эффектов). В таких же соотношениях по высоте слоя наблюдается распределение экзотермического теплового эффекта по высоте слоя катализатора, например, на стадии окислительной регенерации катализатора, когда происходит позонный выжиг отложений кокса из катализатора.

Уменьшение в нижней зоне реактора (в сравнении с верхней) площади, занятой секциями теплообменных элементов способствует достижению большой равномерности в скорости движения газа (сырья, окислителя и тому подобного) вдоль слоя катализатора, так как в нижней зоне объем газов, как правило, превышает их объем на входе.

Заявляемый аппарат прошел расчетную проверку, а отдельные его узлы проверены в лабораторных и пилотных условиях ГрозНИИ применительно процесса безводородного риформинга бензина на стационарном слое катализатора. Ниже приведены сравнительные данные известного (прототип) и предлагаемого устройств, полученные на пилотной установке на шариковом катализаторе. Стадия реакции происходит при 2 МПа, окислительная регенерация 0,1 МПа.

Приведенные в таблице данные показывают, что на стадии реакции, где наблюдается значительный эндотермический эффект (50 75 ккал/кг), уменьшение неизотермичности по высоте слоя катализатора (в предлагаемой конструкции разность температур составляет 10^oC а для прототипа 50^oC) приводит к повышению октанового числа риформата (на 2 пункта, от 76 до 78 м.м.). Эти данные подтверждают и эффективность уменьшения перепада температур на стадии окислительной регенерации (в предлагаемой конструкции разность температур составляет 50^oC, а для прототипа 120^oC),что сказывается на увеличении длительности работы катализатора в процессе (на 2 цикла, от 10 до 12). Раздельный ввод теплоносителя в предлагаемые двухступенчатые теплообменные элементы позволяет иметь близкие к изотермическим условия на стадии реакции (подвод тепла на небольшом участке слоя катализатора, где интенсивно происходят каталитические превращения углеводородов, происходящие с перемещением по высоте слоя), а также обеспечить эффективное регулирование теплоотвода от слоя катализатора на стадии окислительной регенерации (локальный разогрев слоя катализатора при позонном выгорании кокса с различной интенсивностью вследствие меняющейся по высоте слоя закоксованности катализатора). Улучшение условий теплообмена на стадиях реакции и регенерации положительно влияет на основные показатели процесса, также приводит к понижению значений температур используемого теплоносителя. Варьирование соотношения длин труб по секциях в диапазоне 2: 1-3: 1 позволяет достигать максимальных значений в повышении октановых чисел реформата длительности стабильности работы катализатора.

Предлагаемая конструкция реактора может быть использована при создании процесса безводородного риформинга бензиновых фракций на стационарном слое шарикового катализатора, а также при совершенствовании других каталитических процессов со значительным экзо- и эндоэффектами на различных технологических стадиях.

Формула изобретения

1. Реактор каталитических процессов с экзо- и эндотермическими эффектами в стационарном слое на различных стадиях, состоящий из вертикального корпуса с расположенными в нем теплообменными элементами, выполненными из закрепленных в трубных решетках труб, вход и выход теплоносителя (инертного вещества, сырья) в которые происходит из распределительных камер, образованных трубными решетками, отличающийся тем, что теплообменные элементы выполнены в виде двух секций из труб различной длины, причем вход теплоносителя в каждую из них происходит из отдельных распределительных камер.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что соотношение длин труб первой и второй секций теплообменных элементов составляет 2:1 3:1.

3. Реактор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что трубная решетка общей распределительной камеры при использовании в качестве теплоносителя сырья имеет дополнительную перфорацию со стороны слоя катализатора для прохода и равномерного распределения сырья по сечению корпуса реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2