Способ максимизации объема реакционной смеси в суспензионном реакторе

Изобретение относится к способу прогнозирования объемного содержания газа в колонне в зависимости от условий эксперимента. Способ заключается в определении объемного содержания газа в трех зонах в колонне с выявлением средневзвешенного значения для каждой зоны и применении алгоритма, описывающего объемное содержание газа внутри барботажного колонного суспензионного реактора. Определение объемного содержания газа в зонах основано на измерениях плотности смеси, проведенных с помощью гамма-денсиметров, расположенных внутри реактора на различных высотах. Способ позволяет уточнить гидродинамический режим функционирования, что дает возможность избежать нежелательных условий, а именно присутствия пены, и максимизировать доступный объем реакционной смеси. Методика может быть применена ко всем реакторам, работающим в суспензионной фазе, предпочтительно для проведения реакций конверсии тяжелых остатков в дистилляты, или гидрогенизации, или гидродесульфирования, или гидрокрекинга, и особенно для барботажных колонных суспензионных реакторов. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к способу максимизации объема реакционной смеси в суспензионном реакторе, который, более конкретно, предусматривает размещение гамма-денсиметров (nuclear densimeters) в барботажных колонных суспензионных реакторах, при высоком давлении и температуре, на определенных высотах, и оптимизацию рабочих параметров на основании экспериментальных данных с помощью алгоритма.

Данное изобретение позволяет прогнозировать протяженность зоны низкой плотности и объемное содержание газа в верхней зоне суспензионного реактора, предпочтительно суспензионного реактора гидрокрекинга. Таким образом, можно свести к минимуму эту зону и, следовательно, максимизировать объем реакционной смеси.

Барботажные колонны для проведения гидрокрекинга тяжелых остатков с единым выпуском для суспензии и газа могут иметь значительно большее объемное содержание газа (70-90%) в верхней зоне, чем объемное содержание газа (10-40%) в нижней части колонны, из-за образования пенной фазы. Наличие зоны с высоким объемным содержанием газа уменьшает объем суспензии, содержащейся в реакторе, и, следовательно, отрицательно влияет на его удельные характеристики в отношении степени превращения.

Не имея средств прогнозирования, заключение о наличии или отсутствии фазы с низкой плотностью в верхней части реактора обычно делают только на основании анализа профиля давления по оси реактора: если этот профиль имеет приблизительно постоянный наклон, то плотность в реакторе является по существу постоянной; если, с другой стороны, этот профиль обнаруживает изменение наклона, это означает, что произошло изменение плотности, предположительно из-за присутствия пенной фазы.

Однако применение метода профиля давления требует, чтобы по оси реактора были установлены, с определенной частотой, измерители давления. Кроме того, это измерение обеспечивает информацию только a posteriori, то есть когда событие уже произошло. Таким образом, важно прогнозировать рабочие условия, которые вызывают присутствие пены. Следовательно, необходимо получить в свое распоряжение способ, пригодный для определения рабочих условий, сводящих к минимуму протяженность зоны с низкой эффективностью превращения.

Из литературы (Guitian J., Joseph D., "How Bubbly Mixture Foam and Foam Control Using a Fluidized Bed" (Формирование пены из содержащей пузырьки смеси и контроль пенообразования с применением псевдоожиженного слоя), Int. J. Multiphase Flow, т. 24, №1, cc. 1-16, 1998) известно, что рабочими параметрами, регулирующими появление этой фазы, являются приведенные скорости газа и суспензии. Для определенной скорости суспензии имеется критическая скорость газа, выше которой происходит образование пены. Путем снижения величины скорости суспензии уменьшают также критическую скорость газа.

Присутствие пенной фазы может быть нежелательным не только из-за того, что она уменьшает полезный объем для проведения реакции, но также и потому, что эта фаза попадает в транспортную линию (ведущую из реактора в сепаратор) и в сепаратор, и здесь она может создавать трудности при разделении газ/жидкость.

Теперь найден способ, позволяющий прогнозировать объемное содержание газа в колонне в зависимости от условий эксперимента (расхода газа и жидкости, плотности газа и суспензии и т.д.), а также позволяет уточнить гидродинамический режим функционирования, что дает пользователю возможность избежать нежелательных условий (присутствия пены) и максимизировать доступный объем реакционной смеси; указанный способ основан на измерениях плотности смеси, проведенных с помощью гамма-денсиметров, размещенных внутри реактора на различных высотах, и на применении алгоритма, описывающего объемное содержание газа внутри барботажного колонного суспензионного реактора.

Этот способ можно применять ко всем реакторам, работающим в суспензионной фазе, предпочтительно для проведения реакций конверсии тяжелых остатков в дистилляты, или гидрогенизации, или гидродесульфирования, или гидрокрекинга; и особенно для барботажных колонных суспензионных реакторов.

Являющийся объектом данного изобретения способ максимизации объема реакционной смеси реактора, работающего в суспензионной фазе, путем определения отношения (f) между высотой пены (H_f) и высотой реактора (H_R) с помощью алгоритма, определяющего объемное содержание газа в трех зонах: первой нижней зоне, в которой установлен режим барботажа; второй промежуточной зоне, где можно наблюдать присутствие пены; и третьей зоне, расположенной в верхней полусферической части, в которой многофазная смесь ускоряется, пока она не достигает условий выпуска; при этом среднее объемное содержание газа определяется средневзвешенным значением каждого из трех объемных содержаний газа в этих трех зонах,

отличается тем, что в нем применяют гамма-денсиметры, размещенные внутри реактора на различных высотах, и способ включает:

- измерение, для каждого применяемого гамма-денсиметра, величин плотности газа, относящихся к различным скоростям газа и/или суспензии, которые соотносят, посредством указанного алгоритма, с рассчитанными величинами объемного содержания газа,

- выявление,

в случае, если рассчитанное объемное содержание газа составляет менее 40%, отсутствия пены по меньшей мере до высоты, на которой расположен денсиметр, измеренная с помощью которого плотность соответствует указанному объемному содержанию газа,

в случае, если объемное содержание газа составляет более 70% - присутствия пены, начиная по меньшей мере с высоты реактора, на которой расположен денсиметр, измеренная с помощью которого плотность соответствует указанному объемному содержанию газа,

- наконец, определение с помощью указанного алгоритма отношения f и протяженности по высоте слоя, в котором возможно присутствие пены, рассчитывая вытекающую из этой величины высоту H_f.

Высота (H_R) представляет собой высоту реактора «от закругления до закругления», то есть высоту цилиндрической части реактора.

Предпочтительно используют по меньшей мере два гамма-денсиметра, более предпочтительно по меньшей мере три.

В случае применения двух гамма-денсиметров их предпочтительно располагают по высоте реактора между Н/4 и Н/6, и между Н/10 и Н/5, при этом Н является высотой цилиндрической части реактора (линия между реактором и сепаратором).

В случае применения трех гамма-денсиметров их предпочтительно располагают по высоте реактора между Н/4 и Н/5, между Н/9 и Н/11 и между Н/6 и Н/7 реактора, при этом Н является высотой цилиндрической части реактора.

В случае применения по меньшей мере двух гамма-денсиметров относящиеся к пене параметры устанавливают для экспериментальных реакционных смесей с помощью оптимизации, которая заключается в изменении приведенных скоростей газа таким образом, чтобы получить на верхнем денсиметре показания по плотности, сходные с показаниями на нижнем денсиметре или значительно ниже, характерные для пенной фазы.

Этот способ позволяет оценить протяженность пенной зоны и эффективное объемное содержание газа в зоне, расположенной выше верхнего денсиметра, если также обеспечены показания для фазы барботажа.

Способ, разработанный для конкретной физико-химической системы, можно применять для учета «пены» при масштабировании барботажных колонн гидрокрекинга тяжелых остатков.

Алгоритм, на котором основан способ по данному изобретению, определяет объемное содержание газа в трех зонах, на которые, как считают, разделена барботажная суспензионная колонна: первая нижняя зона, которая занимает большую часть реактора, где установлен режим барботажа; вторая зона, в которой, в зависимости от рабочих условий, пена может присутствовать, а может и не присутствовать; и, наконец, третья зона, расположенная в верхней полусферической части, где, из-за уменьшения сечения, многофазная смесь подвергается ускорению, что вызывает увеличение объемного содержания газа до предельной величины, типичной для транспортной линии (примерно равной величине, соответствующей нулевой относительной скорости между газом и суспензией). Среднее объемное содержание газа, которое пригодно для расчета объема жидкости в реакторе, задают средневзвешенным значением каждой из трех составляющих.

Для этих трех зон можно взять зависимости/уравнения, имеющиеся в литературе.

В частности, в том, что касается нижней зоны, данные можно интерпретировать с помощью модели Krishna с двумя группами пузырьков (Krishna R., "A Scale-up Strategy for a Commercial Scale Bubble Column Slurry Reactor for Fisher-Tropsch Synthesis" (Стратегия масштабирования для промышленного барботажного колонного суспензионного реактора для синтеза Фишера-Тропша), Oil & Gas Science and Technology, Rev IFP, т. 55, №4, 359-392, 2000), параметрами для которой являются скорость подъема маленьких пузырьков и объемное содержание в переходной зоне. Скорость V_∞,om подъема маленьких пузырьков оценивали по уравнению:

в котором σ и ρ_l представляют собой соответственно поверхностное натяжение (выраженное в Н/м) и плотность (выраженную в кг/м³) жидкой фазы внутри реактора; ρ_V представляет собой плотность (выраженную в кг/м³) паровой фазы внутри реактора; H_f и ε_f представляют собой высоту и объемное содержание возможной фазы пены, присутствующей в верхней зоне; и a и b являются двумя параметрами, которые должны быть определены. В этом выражении был введен эффект замедления из-за присутствия пены: фактически полагали, что присутствие пены в верхней зоне реактора может привести к образованию некоторого рода барьера и, таким образом, к замедлению скорости подъема маленьких пузырьков и, следовательно, к увеличению объемного содержания газа. Объемное содержание ε_tr газа в переходной зоне оценивали с помощью выражения:

в котором f_V представляет объемную долю твердых веществ в реакторе; U_L представляет скорость суспензии; С, C₁ и С₂ являются тремя параметрами, которые должны быть определены.

Объемное содержание газа в верхней зоне можно рассчитать, принимая во внимание то, что реактор (имеющий высоту H_R) состоит, до некоторого уровня H_F, из зоны, характеризующейся пузырьковым течением, и из верхней зоны (до линии начала изгиба), характеризующейся присутствием пены.

В зависимости от режима течения (расходов суспензии и газа) в верхней части реактора устанавливается зона с по существу постоянной плотностью (около 180-200 кг/м³), за которой на конце, когда многофазная смесь поступает в полусферическую зону, следует быстрое снижение плотности в направлении условий выпуска.

После того как многофазная смесь поступила в полусферу, она подвергается ускорению из-за ограничений по сечению конструкции и, следовательно, скорость ее увеличивается: таким образом, в этой зоне объемное содержание газа будет изменяться от величины на поверхности раздела (равной величине ε_f в зоне пены, если она присутствует, или этой величине в зоне барботажа) до величины на выпуске из реактора из полусферической зоны.

Учитывая, что скорость скольжения потока в этой зоне ускорения сохраняется постоянной и равной величине на верхней линии начала изгиба, можно рассчитать профиль объемного содержания газа в полусфере, исходя из геометрических соображений. Что касается фазы пены (объемного содержания и положения поверхности раздела барботаж/пена), то следует сослаться на сделанное Guitian и Joseph описание многофазного потока в барботажной суспензионной колонне с одновременной подачей газа и суспензии.

Объемное содержание газа в фазе пены можно получить из следующего выражения:

где Q представляет собой параметр скольжения, который следует определить, a U_G представляет скорость газа.

Для того чтобы получить положение поверхности раздела между фазой барботажа и фазой пены, можно использовать алгоритм, который требует расчета энергии рассеяния в результате образования пены: отношение объемов фазы пены и фазы барботажа равно отношению между энергией, рассеянной в пене, и энергией, рассеянной в барботажной смеси. Записывая закон сохранения импульса и энергии для суспензии и газа, для фазы пены и барботажной фазы, получают следующие выражения для мощности, рассеянной на единицу объема пены, и входной мощности на единицу объема в барботажной фазе и в фазе пены (для выяснения деталей следует обратиться к статье, на которую сделана ссылка):

Таким образом, уравнение, которое позволяет определить положение поверхности раздела барботаж-пена, будет следующим:

где f - отношение между высотой пены и высотой реактора (0<f<1). Если f меньше нуля, это означает, что условия образования пены отсутствуют; если f>1, то весь реактор заполнен пеной.

Данная модель предполагает, что две фазы барботажа и пены могут сосуществовать одновременно, в зависимости от расхода суспензии и газа (подобно термодинамическому равновесию), с положением нижней границы раздела на высоте, соответствующей минимуму энергии.

Применение приведенных ранее уравнений требует оценки коэффициента C_D торможения и диаметра d_f пузырьков внутри фазы пены. В отношении диаметра пузырьков внутри фазы пены Joseph приводит следующее выражение:

Коэффициент торможения коррелирует с числом Рейнольдса посредством выражения:

Параметром, который используют для аппроксимации данных верхней зоны, является вязкость пены, которую рассматривали как функцию скорости скольжения согласно формуле:

Таким образом, параметрами, позволяющими калибровать модель пены, являются вязкость пены (которая, как предполагают, зависит от относительной скорости между газом и жидкостью) и объемное содержание газа в пене (функция отношения скоростей суспензии и газа). Теоретически диаметр пузырьков внутри фазы пены также является параметром, но, так как не имеется достаточно информации для его определения, и поскольку диаметр и вязкость пены являются линейно независимыми, один из них можно зафиксировать и определить другой. Таким образом, было решено зафиксировать указанный диаметр таким образом, чтобы получить размеры порядка миллиметров.

Как описано выше, проработка алгоритма требует определения параметров, связанных с объемным содержанием газа в трех зонах.

Если скорость суспензии является достаточно высокой, то, при проведении теста, с изменением расхода газа оба денсиметра должны показывать плотность, соответствующую объемному содержанию газа, обычному для барботажной колонны (10-40%): следовательно, при анализе кривой зависимости скорости газа от объемного содержания газа можно получить параметры модели Krishna (скорость подъема маленьких пузырьков и объемного содержания газа в переходной зоне, если превышена переходная скорость).

После того как алгоритм, относящийся к зоне барботажа, откалиброван, можно провести калибровку параметров, относящихся к пене: с этой целью проводят тест с достаточно низкой скоростью жидкости. В этих условиях при изменении расхода газа имеется критическое значение скорости газа, при превышении которого денсиметр, расположенный посередине, будет продолжать показывать высокие плотности, в то время как денсиметр, расположенный выше, будет начинать указывать значительно более низкие значения плотностей. Это означает, что верхняя зона реактора больше не связана с режимом барботажа, и там имеется пенный режим с более низкой плотностью.

Объемное содержание в пене можно определить из анализа значений плотности, считываемых с верхнего денсиметра, в связи с отношением газ/суспензия. С другой стороны, вязкость пены изменяется до тех пор, пока определенное среднее положение поверхности раздела барботаж/пена не совпадет с положением верхнего денсиметра.

Объемное содержание газа в зоне, расположенной в верхней полусферической части, необязательно рассчитывать, так как средневзвешенное значение объемного содержания газа в указанной третьей зоне можно считать пренебрежимо малым из-за объема указанной третьей зоны и из-за скорости скольжения, равной нулю.

Для лучшей иллюстрации данного изобретения приведены два примера, первый из которых является сравнительным.

Пример 1 - Сравнительный

В качестве первого примера применения этого решения описан случай, связанный с лабораторной моделью, приведенной на Фиг. 1.

Система состоит из колонны, имеющей внутренний диаметр 225 мм и высоту 2,41 м, сепаратора и нисходящей линии, в которой циркулирует жидкость за счет естественной или принудительной (с помощью насоса) циркуляции. Колонна снабжена распределительным устройством в виде перфорированного кольца с 24 отверстиями, имеющими диаметр 1 мм. Колонна работает на азоте в качестве газа и на воде с добавлением поверхностно-активного вещества (додецилсульфат натрия, НДС) в качестве жидкой фазы: в этих условиях было подтверждено наличие фазы с низкой плотностью в верхней зоне колонны. Скорость газа изменяли от 1 до 6 см/с, в то время как скорость жидкости - от 0 до 12 мм/с. Объемное содержание газа как в зоне барботажа, так и в зоне низкой плотности определяли при каждом из условий, совместно с долей колонны, занятой пеной.

Фиг. 2 изображает тенденции изменения объемного содержания газа в зоне барботажа в зависимости от скоростей газа и жидкости.

Эта система показывает формирование зоны пены в верхней части колонны для скорости газа, превышающей 4 см/с, если U_L=1 мм/с; для скорости газа, превышающей 5 см/с, если U_L=2 мм/с; и для скорости газа 6 см/с, если U_L=4 мм/с; с другой стороны, присутствие пены не выявлено для U_L=12 мм/с.

Для этой системы скорость подъема маленьких пузырьков составляет 38,1 см/с. Величина константы «а» составляет 2,56. В этом случае не наблюдали эффекта замедления маленьких пузырьков из-за присутствия пены.

Что касается объемного содержания в переходной зоне, константы С, C₁ и С₂ равны соответственно 5,5, 0 и 26.

Параметры, относящиеся к модели пены для этой системы, приведены в следующей таблице:

При этих параметрах высоты пены, предсказанные данной моделью, в сравнении с экспериментальными данными, являются следующими:

Этот пример показывает, каким образом из анализа данных, полученных при измерении давления и визуальных измерений высоты пены, можно было откалибровать параметры алгоритма, являющегося объектом данного изобретения.

Пример 2

Этот пример относится к калибровке алгоритма за счет данных, полученных из установки в условиях проведения реакции, если впоследствии было невозможно провести визуальные измерения положения возможной пенной фазы, но можно было только провести измерения плотности посредством наличия трех гамма-денсиметров, первый из которых расположен внизу, второй посередине и третий примерно на расстоянии метра от верхней линии начала изгиба.

Используемые данные можно свести в следующую таблицу:

Из таблицы ясно можно видеть, что точки 1, 2 и 3 характеризуются величинами объемного содержания газа, считываемыми на верхнем денсиметре, типичными для фазы пены: это означает, что при этих условиях фаза пены простирается по меньшей мере на метр ниже верхней линии начала изгиба.

Что касается параметров объемного содержания газа в фазе барботажа, то параметры а и b равны 1,0 и 0,135; с другой стороны, С, C₁ и С₂ равны 3,0, 6,2 и 26,4. Тот факт, что параметр b отличен от нуля, означает, что при этих условиях эффект присутствия пены сказывается также на объемном содержании в зоне барботажа.

При анализе данных, относящихся к зоне пены, и при объединении их с данными, относящимися к зоне барботажа, получены следующие параметры:

Следующая таблица указывает основные результаты данной модели, относящиеся к верхней зоне реактора:

После того как решение было откалибровано по экспериментальным данным, обеспеченным путем измерения с помощью денсиметров, оно в результате позволяло определить не только величины объемного содержания газа в зоне барботажа и в зоне пены, но и протяженность зоны пены: этот вид информации никоим образом невозможно получить обычными способами.

1. Способ определения отношения (f) между высотой (H_f) пены и высотой (H_R) реактора с помощью алгоритма, определяющего объемное содержание газа в трех зонах: первой нижней зоне, в которой установлен режим барботажа; второй промежуточной зоне, где может присутствовать пена; и третьей зоне, расположенной в верхней полусферической части, в которой многофазная смесь ускоряется до тех пор, пока она не достигает условий выпуска; при этом среднее объемное содержание газа задается средневзвешенным значением каждого из трех объемных содержаний газа в трех зонах;

отличающийся тем, что в способе используют три гамма-денсиметра, расположенные внутри реактора на высоте между H_R/4 и H_R/5, между H_R/9 и H_R/11 и между H_R/6 и H_R/7 реактора, при этом H_R является высотой цилиндрического участка реактора, и способ включает:

- измерение, для каждого применяемого гамма-денсиметра, значений плотности газа, относящихся к различным скоростям газа и/или суспензии, которые соответствуют посредством указанного алгоритма рассчитанным объемным содержаниям газа;

- выявление,

в случае когда рассчитанное объемное содержание газа составляет менее 40%, отсутствия пены по меньшей мере до высоты, на которой расположен денсиметр, измеренная с помощью которого плотность соответствует указанному объемному содержанию газа;

в случае когда рассчитанное объемное содержание газа составляет более 70%, присутствия пены, начиная по меньшей мере с высоты реактора, на которой расположен денсиметр, измеренная с помощью которого плотность соответствует указанному объемному содержанию газа;

- наконец, определение с помощью указанного алгоритма отношения f и протяженности по высоте возможного присутствия пены, рассчитывая полученную в результате этого высоту H_f.

2. Способ по п. 1, в котором суспензионный реактор представляет собой барботажную суспензионную колонну.

3. Способ по п. 1, в котором суспензионный реактор представляет собой реактор для превращения тяжелых остатков в дистилляты, или реактор гидрогенизации, или реактор гидродесульфирования, или реактор гидрокрекинга.

4. Способ по п. 1, в котором используют по меньшей мере два гамма-денсиметра.

5. Способ по п. 4, в котором два гамма-денсиметра располагают на высоте между Н/4 и Н/6 и между Н/10 и Н/5, при этом Н является высотой цилиндрического участка реактора.

6. Способ по п. 1, в котором формула для расчета объемного содержания нижней зоны барботажа представляет собой модель Krishna с двумя группами пузырьков, параметрами которой являются скорость подъема пузырьков и объемное содержание в переходной области, при этом скорость V_∞,om подъема маленьких пузырьков составляет:

где σ и ρ₁ соответственно представляют поверхностное натяжение (выраженное в Н/м) и плотность (выраженную в кг/м³) жидкой фазы внутри реактора, ρ_V представляет плотность (выраженную в кг/м³) паровой фазы внутри реактора; H_f и ε_f представляют высоту и объемное содержание возможной фазы пены, присутствующей в верхней зоне, и а и b представляют два параметра, которые должны быть определены,

а объемное содержание ε_t,r газа в переходной области оценивают по выражению:

в котором f_V представляет объемную долю твердого вещества в реакторе; U_L представляет скорость суспензии; С, C₁ и С₂ представляют три параметра, которые должны быть определены,

и объемное содержание ε_f газа в фазе пены получают из следующего выражения:

где Ω представляет параметр скольжения, который должен быть определен, а U_G представляет скорость газа.

7. Способ по любому из предшествующих пп. 1-6, в котором объемное содержание газа в зоне, расположенной в верхней полусферической части, не рассчитывают; при этом средневзвешенное значение объемного содержания газа в указанной третьей зоне считают пренебрежимо малым из-за объема указанной третьей зоны и скорости скольжения, равной нулю.