Многослойный реактор с нисходящим потоком, содержащий смесительное устройство, применение этого реактора, а также способ смешения

Изобретение относится к многослойному реактору с нисходящим потоком, содержащему смесительное устройство, а также применению такого реактора при переработке углеводородов и способу смешения жидкости и газа в данном реакторе. Реактор с нисходящим потоком содержит расположенные на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении слои из твердого контактного материала и смесительное устройство, размещенное в межслоевом пространстве между соседними слоями. Смесительное устройство содержит контур из первых сопел, распределенных вокруг вертикальной оси и выполненных с возможностью эжектирования текучей среды в первом направлении эжекции в указанное межслоевое пространство, с одной стороны, и контур из вторых сопел, распределенных вокруг вертикальной оси и выполненных с возможностью эжектирования текучей среды во втором направлении эжектирования в указанное межслоевое пространство, с другой стороны. Первое направление эжекции ориентировано внутрь относительно контура из первых сопел. Второе направление эжекции ориентировано наружу по отношению к контуру их вторых сопел. Применение улучшенной системы смешения обеспечивает повышение производительности ректора. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Настоящее изобретение относится к многослойному реактору с нисходящим потоком, содержащему смесительное устройство, к применению такого реактора при переработке углеводородов и способу смешения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим потоком.

Многослойные реакторы с нисходящим потоком, содержащие ряд расположенных один над другим реакционных слоев, используют в химической и нефтеперерабатывающей промышленности для проведения различных технологических процессов, таких как каталитические процессы депарафинизации, гидроочистки и гидрокрекинга. В ходе этих процессов жидкую фазу обычно смешивают с газовой фазой, и текучие среды, образованные из этих двух фаз, проходят через катализатор, состоящий из твердых частиц, удерживаемый в реакционных слоях. Поскольку указанные текучие среды проходят через реакционный слой в режиме прямотока (в одном направлении), распределение жидкости и газа по реакционному слою будет иметь тенденцию к неравномерному распределению с неблагоприятными последствиями в отношении степени завершенности реакции, а также распределения температуры. Для достижения равномерного распределения жидкости и газа, а также температуры в текучих средах, поступающих в следующий нижерасположенный реакционный слой, между реакционными слоями обычно размещают устройство для смешивания текучих сред. Существует много различных типов устройства для смешивания текучих сред.

Подобное устройство для смешивания текучих сред известно, например, из патентного документа ЕР-А-716881. В указанном документе описано устройство для смешивания текучих сред, предназначенное для размещения между реакционными слоями многослойного реактора с нисходящим потоком. Это известное устройство содержит по существу горизонтальную сборную тарелку, снабженную с центральным проходным отверстием для газа и проходными отверстиями для жидкости, расположенными вокруг центрального проходного отверстия для газа; завихритель, который установлен над сборной тарелкой вокруг проходного центрального отверстия для газа и снабжен лопатками, определяющими направление завихрения и расположенными с возможностью придания вихревого движения потоку газа, проходящему через центральное проходное отверстие для газа, так чтобы этот газ выходил из указанного центрального проходного отверстия в виде вихря, вращающегося в заданном направлении завихрения вокруг вертикальной оси; трубу круглого сечения с эжекционными соплами, размещенными над сборной тарелкой, предназначенными для эжекции, в направлении эжектирования, текучей среды в газо-жидкостную фазу перед поступлением указанной газо-жидкостной фазы в завихритель.

Во время нормальной работы реактора жидкость, стекающая вниз из вышерасположенного реакционного слоя, собирается на сборной тарелке, где накапливается с образованием слоя жидкости, который покрывает проходные отверстия для жидкости так, что прохождение через них потока газа становится невозможным. Поток газа, направляемый в нижнюю часть реактора, пропускают через завихритель, размещенный на сборной тарелке, выше и вокруг центрального проходного отверстия для газа, и затем через указанное центральное отверстие. На входе в завихритель его лопатки придают вращательное движение газу, который способен перемещаться только вниз через центральное отверстие для газа в смесительную камеру, находящуюся ниже сборной тарелки. Направление вихревого движения газа определяется лопатками завихрителя, и вращение происходит вокруг по существу вертикальной оси вращения. Вихревое движение газа способствует взаимодействиям по типу газ-газ и, тем самым, равновесию в газовой фазе. Жидкость, накопленная на сборной тарелке, протекает через проходные отверстия для жидкости в направляющие трубки. Направляющие трубки снабжены инжекционными соплами, инжектирующими жидкость в вихрь, образованный газом, выходящим из центрального проходного отверстия для газа.

Для достижения равномерного распределения жидкости и газа и температуры в текучих средах, поступающих в следующий нижерасположенный реакционный слой, устройство для смешения текучей среды, подобное одному из описанных в документе ЕР-А-716881, обычно содержит контур с эжекционными соплами для эжектирования текучей среды в газожидкостную фазу перед ее входом в завихритель. В этой связи в воплощениях, описанных в ЕР-А-716881, используют так называемое охлаждающее кольцо, размещенное над сборной тарелкой. Внутренняя сторона указанного охлаждающего кольца снабжена множеством эжекционных сопел. При функционировании реактора охлаждающую текучую среду эжектируют в газ, направляемый из верхнего реакционного слоя в завихритель. Следует отметить, что в указанном патентном документе ЕР-А-716881 отсутствуют сведения относительно направления эжекции из эжекционных сопел. На чертеже можно лишь видеть, что эжекционные сопла расположены с внутренней стороны охлаждающего кольца и обращены во внутреннюю сторону от этого охлаждающего кольца. Однако в соответствии с практикой эти эжекционные сопла ориентируют в горизонтальной плоскости, при этом направление эжекции образует угол, составляющий приблизительно 20° по отношению к радиальному направлению, проходящему от эжекционных охлаждающих сопел до центра реактора, причем направление эжекции частично совпадает с направлением вращения вихря, созданного завихрителем.

Направление эжекции, осуществляемой с целью охлаждения, для каждого сопла в известном решении (ЕР-А-716881), как и направление эжекции для каждого сопла в настоящем изобретении, в месте нахождения соответствующего сопла может быть математически изображено стрелкой, называемой вектором эжекции. В свою очередь, каждый вектор эжекции в ЕР-А-716881, как и каждый вектор эжекции в настоящем изобретении, может быть представлен в виде ортогональной системы из трех составляющих вектора, включающей радиальный вектор эжекции, проходящий перпендикулярно вертикальной оси, осевой вектор инжекции, проходящий параллельно вертикальной оси, и тангенциальный вектор инжекции, проходящий тангенциально по отношению к вертикальной оси. С учетом данного представления направление эжекции в ЕР-А-716881 (как известно из практики - в соответствии с изложенным в предшествующем абзаце) может быть представлено следующим образом: осевой вектор эжекции имеет нулевую длину (т.е. он отсутствует), поскольку эжекция осуществляется в горизонтальном направлении; радиальный вектор эжекции, видимый из соответствующего эжекционного сопла, направлен к центру реактора (соответствующему вертикальной оси); и тангенциальный вектор эжекции, видимый из соответствующего эжекционного сопла, имеет такое же направление, что и направление завихрения.

В реакторе с вышеуказанным смесительным устройством, известном из документа ЕР-А-716881, именуемым здесь реактором типа «а», смесительное устройство содержит, прежде всего, сборную тарелку с центральным проходным отверстием для газа и завихрителем, размещенным над указанной тарелкой вокруг проходного отверстия. В качестве варианта это смесительное устройство дополнительно может быть снабжено так называемым охлаждающим кольцом, содержащим направленные внутрь ректора охлаждающие сопла. Однако в уровне техники описаны также: многослойные реакторы с нисходящим потоком, именуемые здесь реактором типа «b», содержащие смесительное устройство, которое по существу состоит лишь из трубчатого кольцевого элемента с направленными внутрь соплами и не содержит дополнительных смесительных элементов подобных сборной тарелке с центральным проходным отверстием и завихрителю, используемых в ЕР-А-716881; и многослойные реакторы с нисходящим потоком, именуемые здесь реактором типа «с», содержащие смесительное устройство, которое содержит трубчатый кольцевой элемент с направленными внутрь соплами, а также дополнительные смесительные элементы, отличные от используемых в соответствии с ЕР-А-716881.

Следует отметить, что настоящее изобретение относится к многослойным реакторам с нисходящим потоком типа «a», типа «b», типа «c», а также реакторам других типов.

В документе ЕР-1477221 описано охлаждающее кольцо, содержащее сопла, которые могут быть размещены в различных точках при условии, что охлаждение, произведенное за счет точек эжекции, распространяется в вихрь (колонка 9, строки 57 - колонка 10 строка 1). Кроме того, в соответствии с изложенным в колонке 8, строки 50-52 указанного документа, эжекция для охлаждения выполнена таким образом, чтобы создать на сборной тарелке круговое движение.

В патентном документе US 4960571 в качестве альтернативного осуществления на фиг. 4 показано, без текстового пояснения, распределительное кольцо (47), в котором имеются сопла, обращенные в радиальном направлении наружу, и, сопла, обращенные в радиальном направлении внутрь. Подобный распределительный элемент используется в документе GB 1276457 и показан на приведенной в нем фиг. 4.

В документе US 2007/0248510 описано газожидкостное распределительное устройство для аппаратов каталитической обработки, содержащее два распределительных элемента. В соответствии с фиг. 4 такое распределительное устройство содержит внутреннее распределительное кольцо (36), имеющее направленные внутрь охлаждающие сопла (62) и внешнее распределительное кольцо (38), содержащее направленные наружу охлаждающие сопла (64). В указанном документе US 2007/0248510 отмечено, что «сопла (62) и (64) должны создавать одинаковое направление вращения в горизонтальной плоскости, что способствует эффективному смешению» (см. абзац [0046]).

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить многослойный реактор с нисходящим потоком с улучшенным смесительным устройством, размещенным в межслоевом пространстве, расположенном между соседними слоями из твердого контактного материала, размещенными на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении.

Поставленная задача в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения достигается путем обеспечения многослойного реактора с нисходящим потоком, содержащего размещенные на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении слои из твердого контактного материала, и смесительное устройство, расположенное в межслоевом пространстве между соседними слоями, при этом указанное смесительное устройство содержит:

контур из первых сопел, распределенных вокруг вертикальной оси и выполненных с возможностью эжектирования текучей среды в первом направлении эжекции в указанное межслоевое пространство;

контур из вторых сопел, распределенных вокруг вертикальной оси и выполненных с возможностью эжектирования текучей среды во втором направлении эжектирования в указанное межслоевое пространство, причем для каждого первого сопла первое направление эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех первых векторов эжекции, образованной первым радиальным вектором эжекции, проходящим перпендикулярно вертикальной оси, первым осевым вектором эжекции, проходящим параллельно вертикальной оси и первым тангенциальным вектором эжекции, проходящим тангенциально относительно вертикальной оси; для каждого второго сопла второе направление эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех вторых векторов эжекции, образованной вторым радиальным вектором эжекции, проходящим перпендикулярно вертикальной оси, вторым осевым вектором эжекции, проходящим параллельно вертикальной оси и вторым тангенциальным вектором эжекции, проходящим тангенциально относительно вертикальной оси;

при этом первые радиальные векторы эжекции направлены к вертикальной оси, в то время как вторые радиальные векторы эжекции направлены от вертикальной оси; первые тангенциальные векторы эжекции определяют первое окружное направление вокруг вертикальной оси; вторые тангенциальные векторы эжекции определяют второе окружное направление вокруг вертикальной оси, причем первое и второе окружное направления противоположны друг другу.

Таким образом, в соответствии с изобретением первые эжекционные сопла ориентированы таким образом, что первый радиальный вектор эжекции каждого первого эжекционного сопла направлен к вертикальной оси, в то время как вторые эжекционные сопла ориентированы так, что второй радиальный вектор эжекции каждого указанного эжекционного сопла направлен в противоположную сторону от вертикальной оси. Поскольку радиальные векторы эжекции имеют определенное направление, они показаны стрелкой, имеющей длину больше нулевой.

Эксперименты показали, что добавление контура со вторыми соплами к контуру с обращенными внутрь первыми соплами позволяет значительно повысить производительность многослойного реактора с нисходящим потоком в том случае, когда эти вторые сопла обращены наружу. Повышение производительности реактора становится возможным, поскольку вертикальная высота, необходимая межслоевому пространству для достижения настолько однородного распределения температур, насколько это возможно, значительно уменьшается. При использовании настоящего изобретения вертикальная высота межслоевого пространства может быть уменьшена на величину от 20% до 40%. Уменьшение вертикальной высоты межслоевых пространств означает, что высоты слоев или количество слоев могут быть увеличены. Это, в свою очередь, обеспечивает значительное повышение производительности реактора.

Согласно изобретению первое и второе окружные направления являются противоположными друг другу, т.е. одно направлено по часовой стрелке, а другое - против часовой стрелки. Оказывается, что при такой конфигурации распределение температуры является более однородным.

В отношении эжекционных сопел следует отметить, что при нормальном функционировании поток текучей среды, выходящий из эжекционного сопла, в соответствии с изобретением будет в целом газовым потоком, но в соответствии с изобретением не исключено, что поток представляет собой смесь жидкости и газа. В области техники, относящейся к обработке углеводородов, текучей средой обычно является газообразный водород, содержащий, как вариант, в качестве добавок легкие углеводороды. Кроме того, в отношении эжекционных сопел следует отметить, что поток, выходящий из указанного эжекционного сопла, может иметь форму струи, веерообразную форму, коническую форму и т.п. При этом основным направлением будет направление эжекции. Кроме того, температура текучей среды, эжектируемой соплами, согласно изобретению обычно будет меньше температуры среды, в которую производится эжекция.

В соответствии с другим воплощением реактора в соответствии с первым аспектом изобретения первый вектор осевой эжекции и/или второй вектор осевой эжекции имеют длину равную нулю. Другими словами, это означает, что первые и вторые эжекционные сопла ориентированы так, чтобы эжектировать текучую среду в горизонтальной плоскости. Такая конфигурация сокращает вертикальную высоту межслоевого пространства.

Моделирующие расчеты для первых эжекционных сопел показывают, что однородное распределение температуры достигается, если первые направления эжекции и соответствующие первые радиальные векторы эжекции указанных первых эжекционных сопел образуют угол более 5°, например, по меньшей мере 10°, и что это распределение температуры имеет тенденцию к улучшению, если указанный угол равен 15° или более. Моделирующие расчеты также показывают, что однородность температуры имеет тенденцию к ухудшению, если этот угол становится более 35°, и что это ухудшение, как представляется, начинается, когда этот угол становится более 30°. В том случае, если среда, движущаяся в вертикальном направлении через межслоевое пространство, не подвержена вихревому движению вокруг вертикальной оси благодаря отражательным перегородкам или другим элементам конструкции, такое вихревое движение этой среде может сообщать текучая среда, эжектируемая первыми эжекционными соплами.

В соответствии с другим воплощением реактора согласно первому аспекту изобретения первые направления эжекции и соответствующие первые радиальные векторы эжекции образуют угол в диапазоне от 5° до 35°, в частности, в диапазоне от 10° до 30° или в диапазоне от 10° до 25°, например, в диапазоне от 15° до 25°.

Моделирующие расчеты для вторых эжекционных сопел показывают, что однородное распределение температуры достигается, если вторые направления эжекции и соответствующие вторые радиальные векторы эжекции указанных вторых эжекционных сопел образуют угол более 5°, например, по меньшей мере 7,5°, и что это распределение имеет тенденцию к улучшению, если указанный угол равен 10° или более, например, 15° или более.

Моделирующие расчеты показывают также, что улучшение однородности температуры имеет тенденцию к ухудшению, если этот угол становится более 35°, и что это ухудшение, как представляется, начинается, когда указанный угол становится более 30°. Однако следует отметить, что хотя однородность распределения температуры более высокая в том случае, когда, в соответствии с изобретением, окружные направления, образованные первым и вторым тангенциальными векторами эжекции, противоположны друг другу, улучшение однородности распределения температуры также явно заметно, когда эти окружные направления являются одинаковыми направлениями (т.е. оба или по часовой стрелке или против часовой стрелке).

В соответствии с другим воплощением реактора согласно первому аспекту изобретения вторые направления эжекции и соответствующие вторые радиальные векторы эжекции указанных вторых эжекционных сопел образуют угол в диапазоне от 0° до 35°, в частности, в диапазоне от 0° до 30° или в диапазоне от 7,5° до 25°, например, в диапазоне от 15° до 25°.

В отношении углов между направлением эжектирования и соответствующим радиальным вектором эжекции следует заметить, что они выражены в градусах, при этом угол в 360° соответствует (полной) окружности.

В соответствии с другим воплощением реактора согласно первому аспекту изобретения смесительное устройство дополнительно содержит трубчатое кольцо, несущее на себе первые сопла и/или вторые сопла. Трубчатое кольцо может служить общей линией питания всех сопел. Первые сопла предпочтительно будут размещены с внутренней стороны трубчатого кольца, в то время как вторые сопла предпочтительно будут размещены с внешней стороны трубчатого кольца.

В соответствии с еще одним воплощением реактора согласно первому аспекту изобретения реактор содержит корпус, в котором размещены указанные слои, отделенные друг от друга в вертикальном направлении, межслоевые пространства, расположенные между соседними слоями, причем каждый слой содержит опорную решетку, определяющую нижнюю сторону слоя, и распределительную тарелку, определяющую верхнюю сторону слоя, при этом верхняя сторона каждого межслоевого пространства определена опорной решеткой соседнего слоя, расположенного над указанным межслоевым пространством, а нижняя сторона каждого межслоевого пространства определена распределительной тарелкой соседнего слоя, расположенного ниже указанного межслоевого пространства, при этом указанное смесительное устройство размещено в указанном межслоевом пространстве.

Согласно еще одному воплощению реактора в соответствии с первым аспектом изобретения межслоевое пространство, помимо указанного смесительного устройства, по существу не содержит других конструктивных элементов.

В соответствии со вторым аспектом изобретение относится также к применению реактора, соответствующего первому аспекту изобретения, для переработки углеводородов, в частности, в процессе гидроочистки и/или гидрокрекинга.

В соответствии с третьим аспектом изобретение относится также к способу смешения, предназначенному для распределения текучей среды в жидкости и/или газе в многослойном реакторе с нисходящим потоком, содержащем межслоевое пространство между двумя соседними слоями, таком как реактор для переработки углеводородов, например, реактор гидрокрекинга;

в котором текучую среду эжектируют в межслоевое пространство с помощью контура первых сопел и контура вторых сопел; при этом первые и вторые сопла распределены вокруг вертикальной оси реактора и размещены в указанном межслоевом пространстве; каждое из первых сопел эжектирует охлаждающую текучую среду в первом направлении эжекции, а каждое из вторых сопел эжектирует охлаждающую текучую среду во втором направлении эжекции; причем первое направление эжекции направлено внутрь по отношению к контуру первых сопел, а второе направление эжекции направлено наружу по отношению к контуру вторых сопел. Принимая во внимание приведенное выше представление направления эжекции в ортогональной системе из трех векторов, этот третий аспект изобретения, по аналогии с первым аспектом изобретения, может быть изложен также как относящийся к способу смешения жидкости и газа в многослойном реакторе с нисходящим потоком, содержащем межслоевое пространство между двумя соседними слоями, таком как реактор для переработки углеводородов, например, реактор гидрокрекинга; согласно способу в межслоевое пространство эжектируют текучую среду с помощью контура первых сопел и контура вторых сопел; при этом первые и вторые сопла распределены вокруг вертикальной оси реактора и размещены в указанном межслоевом пространстве; каждое из первых сопел эжектирует охлаждающую текучую среду в первом направлении эжекции, а каждое из вторых сопел эжектирует охлаждающую текучую среду во втором направлении эжекции; причем для каждого из первых сопел первое направление эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех первых векторов эжекции, включающей первый радиальный вектор эжекции, проходящий перпендикулярно вертикальной оси, первый осевой вектор эжекции, проходящий параллельно вертикальной оси, и первый тангенциальный вектор эжекции, проходящий тангенциально относительно вертикальной оси; для каждого из вторых сопел второе направление эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех вторых векторов эжекции, включающей второй радиальный вектор эжекции, проходящий перпендикулярно вертикальной оси, второй осевой вектор эжекции, проходящий параллельно вертикальной оси, и второй тангенциальный вектор эжекции, проходящий тангенциально относительно вертикальной оси; причем первые радиальные векторы эжекции направлены к вертикальной оси, в то время как вторые радиальные векторы эжекции направлены в противоположную сторону от вертикальной оси; первые тангенциальные векторы эжекции определяют первое окружное направление вокруг вертикальной оси, а вторые тангенциальные векторы эжекции определяют второе окружное направление вокруг вертикальной оси; причем первое и второе окружные направления противоположны друг другу.

Настоящее изобретение далее будет описано с помощью примера со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1 - схематическое трехмерное представление вектора, образованного системой из трех ортогональных составляющих вектора.

Фиг. 2 - схематическое изображение вертикального разреза части реактора, соответствующего изобретению.

Фиг. 3 - схематическое изображение смесительного устройства согласно изобретению на виде в разрезе, соответствующем стрелкам III на фиг. 2.

На чертежах одинаковые элементы конструкции обозначены одинаковыми ссылочными номерами позиции.

На фиг. 2 представлен вертикальный разрез части многослойного реактора 10 с нисходящим потоком в области между вышерасположенным слоем 12 и нижерасположенным слоем 13. Вышерасположенный слой 12 поддерживает опорная решетка 14. Выше нижерасположенного слоя 13 установлена распределительная тарелка 15. В области между вышерасположенным слоем 12 и нижерасположенным слоем 13 размещено смесительное устройство 20. Общая конфигурация реактора будет традиционной и детали конструкции, такие как опорные элементы для распределительной тарелки, на фигуре не показаны в целях ясности.

В этом воплощении стенка 16 реактора 10 и опорная решетка 14 поддерживают вышерасположенный реакционный слой 12 из твердого контактного материала, например, катализатора 17, в виде твердых частиц, через который проходят реагенты, которые по меньшей мере частично превращаются в продукт. Опорная решетка 14 снабжена проходными отверстиями (не показаны) и может быть решеткой обычного типа. Катализатор 17 может быть размещен непосредственно на опорной решетке 14 (не показано), или катализатор 17 может быть размещен на слое из поддерживающих шариков 18, размещенных на опорной решетке 14. Поддерживающие шарики 18 позволяют жидкости и газу проходить из вышерасположенного слоя 12 вниз и затем через опорную решетку 14.

Смесительное устройство 20 дополнительно содержит средства распределения текучей среды, в частности, охлаждающей текучей среды. Эти средства содержат контур первых сопел 40 и контур вторых сопел 50. Как множество первых сопел 40, так и множество вторых сопел 50 распределено вокруг вертикальной оси, такой как вертикальная ось 11 реактора. В представленном на фиг. 2 воплощении эти контуры сопел обеспечены на одном общем трубчатом кольце 23, именуемым также охлаждающим кольцом. Указанное охлаждающее кольцо 23 расположено между опорной решеткой 14 и распределительной тарелкой 15. Трубы 24 и 25 соединяют охлаждающее кольцо 23 с источником эжектируемой текучей среды (не показан).

Во время нормальной работы реактора охлаждающая текучая среда может быть эжектирована в реактор через первые сопла 40 и вторые сопла 50 охлаждающего кольца 23. После эжектирования охлаждающая текучая среда вступает в контакт с жидкостью и газом, выходящими из вышерасположенного реакционного слоя 12 и поступающими в соседний нижерасположенный реакционный слой 13. Охлаждающая текучая среда может представлять собой химический реагент, например, газообразный водород при проведении процесса гидрообработки или гидрокрекинга, продукт указанного процесса или инертный материал.

Для пояснения некоторых общих математических основ, используемых для раскрытия понятий изобретения, сначала, перед более подробным изложением деталей изобретения, будет рассмотрена фиг. 1.

Физические понятия, такие как силы, перемещения, скорости, направления и т.п. в 3D (пространственной или трехмерной) среде, могут быть представлены в виде вектора, подобного вектору D направления, изображенному на фиг. 1. Такой 3D вектор можно разложить на составляющие вектора, при этом для каждой координаты направления в 3D среде используется одна составляющая вектора. Таким образом, вектор D может быть представлен в виде, так сказать, трех составляющих вектора. Сумма этих трех составляющих вектора представляет собой вектор D. 3D среда, как таковая, может быть представлена различным образом.

Часто используемым представлением является трехмерная среда, образованная ортогональной системой из трех составляющих вектора. В такой ортогональной системе из трех составляющих вектора каждая составляющая проходит перпендикулярно по отношению к двум другим составляющим вектора. Используя такой подход в отношении вектора D направления, изображенного на фиг. 1, этот вектор D направления можно разложить на первую составляющую R вектора, вторую составляющую А, перпендикулярную составляющей R вектора, и третью составляющую Т вектора, перпендикулярную обеим составляющим R и А вектора. Сумма векторов R, А и Т равна вектору D.

В контексте раскрытия понятий, используемых в настоящем изобретении, составляющие R, А и Т вектора определены во взаимосвязи с вертикальной осью 11, вокруг которой расположены контур первых сопел и контур вторых сопел.

При такой взаимосвязи эти составляющие определены следующим образом:

радиальная составляющая R вектора, именуемая в пункте 1 формулы изобретения первым/вторым радиальным вектором эжекции, проходящая от начала вектора D к вертикальной оси 11 и перпендикулярно указанной вертикальной оси 11;

осевая составляющая А вектора, именуемая в пункте 1 формулы изобретения первым/вторым осевым вектором инжекции, проходящая параллельно вертикальной оси 11 и перпендикулярно радиальной составляющей R вектора;

тангенциальная составляющая Т вектора, именуемая в пункте 1 формулы изобретения первым/вторым тангенциальным вектором инжекции, проходящая в тангенциальном направлении относительно вертикальной оси 11 и перпендикулярно как радиальной составляющей R вектора, так и осевой составляющей А вектора.

Кроме того, в отношении фиг. 1 и пункта 1 формулы следует отметить, что окружность 1 весьма схематически представляет площадь отверстия сопла (от этой площади отверстия проходит нормальный вектор, перпендикулярный указанной площади, совпадающий со стрелкой D), а стрелка D указывает направление выходящего из сопла 1 потока текучей среды, именуемое в пункте 1 формулы направлением эжекции. Направление тангенциального вектора Т определяет окружное направление относительно вертикальной оси 11, которое на фиг. 1 показано в виде круговой стрелки 2 вокруг вертикальной оси 11.

Далее изобретение будет рассмотрено более подробно со ссылкой на фиг. 3, на которой представлен вид, отображающий охлаждающее кольцо 23 в направлении, показанном стрелками III на фиг. 2. На указанной фигуре показано круговое охлаждающее кольцо 23, первые эжекционные сопла 40, и вторые эжекционные сопла 50. Кроме того, можно видеть, что текучая среда, эжектируемая из первых и вторых сопел 40 и 50, имеет в этом примере форму расширяющегося конуса. Указанное так называемое направление эжекции для каждого сопла совпадает с центральной осью 41, 51 конуса, образованного текучей средой, эжектируемой каждым соответствующим соплом 40, 50.

На фиг. 3 первое направление эжекции для первого сопла 40 показано стрелкой 41, а второе направление эжекции для второго сопла 50 показано стрелкой 51 (направления эжекции показаны лишь для двух сопел 40 и 50). Как следует из фиг. 3, каждое сопло имеет свое собственное направление эжекции, показанное стрелкой. Осевой вектор эжекции, радиальный вектор эжекции и тангенциальный вектор эжекции, соответственно, определяются локально для направления эжекции каждого отдельного сопла 40, 50. В соответствии с этим стрелка 42 обозначает первый радиальный вектор эжекции для каждого первого сопла 40, стрелка 43 обозначает первый тангенциальный вектор эжекции для каждого первого сопла 40, стрелка 52 обозначает второй радиальный вектор эжекции для каждого второго сопла 50, и стрелка 53 обозначает второй тангенциальный вектор эжекции для каждого второго сопла 50. Первые тангенциальные векторы 43 эжекции вместе определяют первое окружное направление 45 вокруг вертикальной оси 11, а вторые тангенциальные векторы 53 эжекции вместе определяют второе окружное направление 55 вокруг вертикальной оси 11. Как можно видеть, первое 45 и второе 55 окружные направления в рассматриваемом воплощении противоположны друг другу, но допустимо также, чтобы они имели одинаковое направление.

Обращаясь к фиг. 1 и фиг. 3, следует отметить, что направления 41 и 51 эжекции на фиг. 3 соответствуют вектору D на фиг. 1, радиальные векторы 42 и 52 эжекции на фиг. 3 соответствуют вектору R на фиг. 1, а тангенциальные векторы 43 и 53 на фиг. 3 соответствуют вектору Т на фиг. 1. Направления 41 и 42 эжекции для воплощения, представленного на фиг. 3, проходят в плоскости перпендикулярной вертикальной оси 11, осевые векторы эжекции (проходящие перпендикулярно листу, на котором напечатана фиг. 3) имеют нулевую длину и поэтому не показаны.

Межслоевое пространство 19 имеет верхнюю сторону, определенную опорной решеткой 14, нижнюю сторону, определенную распределительной тарелкой 15, и боковую стенку, определенную стенкой 16 реактора 10. Смесительное устройство 20 размещено внутри указанного межслоевого пространства. Как можно видеть на фиг. 2, межслоевое пространство 19 по существу не содержит конструкционных элементов. Смесительное устройство 20 является по существу единственным конструкционным элементом, размещенным в межслоевом пространстве 19, т.е. смесительное устройство 20 в рассматриваемом воплощении является единственным средством для смешения, установленным в межслоевом пространстве 19. Распределительная тарелка 15 и опорная решетка 14 размещены на границе, не в пределах указанного межслоевого пространства 19. Межслоевое пространство 19 имеет высоту H, и смесительное устройство размещено выше распределительной тарелки 15 на вертикальном расстоянии h от этой тарелки. В целях ясности вертикальное расстояние x показано преувеличенным. На практике величина x может составлять, например, приблизительно 10 см, в то время как величина h согласно изобретению может, например, составлять приблизительно 20 см.

Как отмечено выше, было обнаружено, что добавление контура с обращенными наружу вторыми соплами к контуру с первыми соплами, обращенными внутрь реактора, позволяет значительно повысить производительность многослойного реактора с нисходящим потоком. Это иллюстрируется моделирующими расчетами для случаев А, В и С, результаты которых приведены в таблице 1 ниже.

Моделирующие расчеты были проведены для реактора, показанного на фиг. 2 и фиг. 3, имеющего внутренний диаметр D и содержащего охлаждающее кольцо 23 диаметром d=0,8D.

Случай А - ситуация с использованием только направленных внутрь сопел 40, при отсутствии направленных наружу сопел 50. Количество направленных внутрь сопел 40 составляет 2n, и все направленные внутрь сопла 40 имеют угол α наклона 20° относительно радиального вектора 42 (количество направленных наружу сопел равно нулю).

Случай В - ситуация с использованием как направленных внутрь сопел 40, так и направленных наружу сопел 50. Количество направленных внутрь сопел 40 составляет n, количество направленных наружу сопел также равно n. Направленные внутрь сопла 40 имеют угол α наклона 20° относительно радиального вектора 42. Направленные наружу сопла 50 имеют угол β наклона 20° относительно радиального вектора 42. Окружное направление 45, определяемое направлением сопел 40, ориентированных внутрь реактора, было противоположным окружному направлению 55 направленных наружу сопел 50 (т.е. ситуация, иллюстрируемая на фиг. 3).

Случай С - ситуация с использованием как направленных внутрь сопел 40, так и направленных наружу сопел 50. Количество направленных внутрь сопел 40 составляет n, количество направленных наружу сопел также равно n. Направленные внутрь сопла 40 имеют угол α наклона 20° относительно радиального вектора 42. Направленные наружу сопла 50 имеют угол β наклона 20° относительно радиального вектора 42. Окружное направление 45, определяемое направлением направленных внутрь сопел 40, совпадало с окружным направлением 55 ориентированных наружу сопел 50 (т.е. ситуация, противоположная иллюстрируемой на фиг. 3).

В таблице 1 для каждого уровня по высоте реактора приведено «стандартное отклонение температуры среды на уровне Z по высоте», деленное на «среднюю температуру среды на уровне Z по высоте». Z=0 мм соответствует верхней стороне распределительной тарелки 15, a Z=190 мм соответствует нижней стороне опорной решетки 14. Охлаждающее кольцо 23 было установлено на высоте h=188 мм.

Из таблицы 1 следует, что в случае А величина отношения «стандартное отклонение/средняя температура» составляет 3,2×10^-3 при Z=5 мм, в то время как в случаях В и С указанная величина отношения «стандартное отклонение/средняя температура» достигается уже при Z=120 мм выше распределительной тарелки 15. Это означает, что возможно уменьшение высоты межслоевого пространства 19 в пределах приблизительно 120 мм. Такое уменьшение высоты межслоевого пространства 19 означает, что реактор может содержать большее количество слоев или катализатора. Кроме того, из таблицы 1 следует, что случай В представляется предпочтительным по сравнению со случаем С.

1. Многослойный реактор (10) с нисходящим потоком, содержащий слои (12, 13) из твердого контактного материала, расположенные на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении, и смесительное устройство (20), размещенное в межслоевом пространстве (19), расположенном между соседними слоями (12, 13), при этом указанное смесительное устройство (20) содержит:

контур из первых сопел (40), распределенных вокруг вертикальной оси (11) и выполненных с возможностью эжектирования текучей среды в первом направлении (41) эжекции в указанное межслоевое пространство (19); и

контур из вторых сопел (50), распределенных вокруг вертикальной оси (11) и выполненных с возможностью эжектирования текучей среды во втором направлении (51) эжекции в указанное межотраслевое пространство (19),

при этом для каждого первого сопла (40) первое направление (41) эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех первых векторов эжекции, образованной первым радиальным вектором (42) эжекции, проходящим перпендикулярно вертикальной оси (11), первым осевым вектором эжекции, проходящим параллельно вертикальной оси (11), и первым тангенциальным вектором (43) эжекции, проходящим тангенциально относительно вертикальной оси (11);

для каждого второго сопла (50) второе направление (51) эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех вторых векторов эжекции, образованной вторым радиальным вектором (52) эжекции, проходящим перпендикулярно вертикальной оси (11), вторым осевым вектором эжекции, проходящим параллельно вертикальной оси (11), и вторым тангенциальным вектором (53) эжекции, проходящим тангенциально относительно вертикальной оси (11);

первые радиальные векторы (42) эжекции направлены к вертикальной оси (11), в то время как вторые радиальные векторы (52) эжекции направлены в противоположную сторону от вертикальной оси (11);

первые тангенциальные векторы (43) эжекции определяют первое окружное направление (45) вокруг вертикальной оси (11); вторые тангенциальные векторы (53) эжекции определяют второе окружное направление (55) вокруг вертикальной оси (11),

характеризующийся тем, что первое (45) и второе (55) окружное направления противоположны друг другу.

2. Реактор (10) по п. 1, в котором первый осевой вектор эжекции и/или второй осевой вектор эжекции имеют длину, равную нулю.

3. Реактор (10) по п. 1, в котором первые направления (41) эжекции и соответствующие первые радиальные векторы (42) эжекции указанных первых эжекционных сопел (40) образуют угол (α) более 5°, в частности по меньшей мере 10° или по меньшей мере 15°.

4. Реактор (10) по п. 2, в котором первые направления (41) эжекции и соответствующие первые радиальные векторы (42) эжекции указанных первых эжекционных сопел (40) образуют угол (α), составляющий не более 35°, в частности не более 30°.

5. Реактор (10) по п. 2, в котором первые направления (41) эжекции и соответствующие первые радиальные векторы (42) эжекции указанных первых эжекционных сопел (40) образуют угол (α), находящийся в диапазоне от 5° до 35°, в частности в диапазоне от 7,5° до 30° или в диапазоне от 7,5° до 25°, например в диапазоне от 15° до 25°.

6. Реактор (10) по п. 1, в котором вторые направления (51) эжекции и соответствующие вторые радиальные векторы (52) эжекции указанных вторых эжекционных сопел (50) образуют угол (β) более 5°, в частности по меньшей мере 7,5° или по меньшей мере 10°.

7. Реактор (10) по п. 6, в котором вторые направления (51) эжекции и соответствующие вторые радиальные векторы (52) эжекции указанных вторых эжекционных сопел (50) образуют угол (β), составляющий не более 35°, в частности не более 30°.

8. Реактор (10) по п. 6, в котором вторые направления (51) эжекции и соответствующие вторые радиальные векторы (52) эжекции указанных вторых эжекционных сопел (50) образуют угол (β) в диапазоне от 0° до 35°, в частности, в диапазоне от 0° до 30° или в диапазоне от 7,5° до 25°, например в диапазоне от 15° до 25°.

9. Реактор (10) по п. 1, в котором смесительное устройство (20) дополнительно содержит трубчатое кольцо (23), несущее на себе первые сопла (40) и/или вторые сопла (50).

10. Реактор (10) по любому из пп. 1-9, содержащий корпус, вмещающий указанные слои (12, 13), расположенные на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении, и межслоевые пространства (19), расположенные между соседними слоями (12, 13); каждый слой (12, 13) содержит опорную решетку (14), определяющую нижнюю сторону слоя (12, 13), и распределительную тарелку (15), определяющую верхнюю сторону слоя (12, 13); верхняя сторона каждого межслоевого пространства (19) определена опорной решеткой (14) соседнего слоя (12), расположенного над указанным межслоевым пространством (19), а нижняя сторона каждого межслоевого пространства (19) определена распределительной тарелкой (15) соседнего слоя (13), расположенного ниже указанного межслоевого пространства (19), при этом указанное смесительное устройство (20) размещено в указанном межслоевом пространстве (19).

11. Реактор (10) по п. 10, в котором межслоевое пространство (19) по существу не содержит других конструктивных элементов, за исключением указанного смесительного устройства (20).

12. Применение реактора (10) по любому из пп. 1-11 для переработки углеводородов, в частности, в процессе гидроочистки и/или гидрокрекинга.

13. Способ смешения для распределения текучей среды в жидкости и/или газе в многослойном реакторе (10) с нисходящим потоком, содержащем межслоевое пространство (19), расположенное между соседними слоями (12, 13), таком как реактор для переработки углеводородов, например реактор гидрокрекинга;

который включает стадию эжектирования текучей среды в межслоевое пространство (19) с помощью контура из первых сопел (40) и контура из вторых сопел (50); при этом первые (40) и вторые (50) сопла распределены вокруг вертикальной оси (11) реактора (10) и размещены в указанном межслоевом пространстве (19);

каждое из первых сопел (40) эжектирует охлаждающую текучую среду в первом направлении (41) эжекции, а каждое из вторых сопел (50) эжектирует охлаждающую текучую среду во втором направлении (51) эжекции;

для каждого из первых сопел (40) первое направление (41) эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех первых векторов эжекции, образованной первым радиальным вектором (42) эжекции, проходящим перпендикулярно вертикальной оси (11), первым осевым вектором эжекции, проходящим параллельно вертикальной оси (11) и первым тангенциальным вектором (43) эжекции, проходящим тангенциально относительно вертикальной оси (11); для каждого из вторых сопел (50) второе направление (51) эжекции представлено в локальной ортогональной системе из трех вторых векторов эжекции, образованной вторым радиальным вектором (52) эжекции, проходящим перпендикулярно вертикальной оси (11), вторым осевым вектором эжекции, проходящим параллельно вертикальной оси (11), и вторым тангенциальным вектором (53) эжекции, проходящим тангенциально относительно вертикальной оси (11);

первые радиальные векторы (42) эжекции направлены в сторону вертикальной оси (11), в то время как вторые радиальные векторы (52) эжекции направлены в противоположную сторону от вертикальной оси (11);

первые тангенциальные векторы (43) эжекции определяют первое окружное направление (45) вокруг вертикальной оси (11), а вторые тангенциальные векторы (53) эжекции определяют второе окружное направление (55) вокруг вертикальной оси (11); характеризующийся тем, что первое (45) и второе (55) окружные направления противоположны друг другу.