Реактор для проведения многофазных процессов
Использование: в области химического аппаратостроения для проведения многофазных гетерогенных процессов в стационарном слое гранулированной каталитической насадки, в частности, в процессах гидрогенизационной переработки углеводного сырья в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Сущность полезной модели: реактор для проведения многофазных процессов содержит вертикальный цилиндрический корпус с установленным коаксиально в нем стаканом, полость которого заполнена каталитической насадкой, установленную по оси стакана вертикальную трубу для сбора газовой фазы, патрубки для ввода сырьевой газожидкостной смеси и вывода продукта, расположенные, соответственно, на верхнем и нижнем торцах корпуса, две газожидкостные сепарационные тарелки, размещенные, соответственно, в верхней части корпуса и в нижней части корпуса под слоем каталитической насадки, и, по меньшей мере, одну газожидкостную сепарационную тарелку, установленную в центральной части корпуса, при этом стенки стакана и/или вертикальная труба для сбора газовой фазы выполнены перфорированными на участках между зонами расположения газожидкостных сепарационных тарелок, причем коэффициент перфорации уменьшается сверху-вниз по высоте корпуса, нижний конец вертикальной трубы для сбора газовой фазы, расположенный под нижней газожидкостной сепарационной тарелкой, выполнен со сквозными отверстиями для вывода жидкости, а в нижней части корпуса в зазоре, образованном стенками корпуса и стакана, на уровне нижней газожидкостной сепарационной тарелки размещена глухая кольцевая горизонтальная перегородка. Полезная модель позволяет: повысить конверсию сырьевых компонентов в целевой продукт за счет оптимизации перекрестного движения нисходящего потока жидкой фазы и радиального движения газовой фазы, обусловливающей увеличение равномерности распределения потоков газовой и жидкой фаз по всему объему каталитической насадки, уменьшение скорости движения газовой фазы через объем каталитической насадки и исключение образования зон нереагирующей каталитической насадки.
Полезная модель относится к области химического аппаратостроения, в частности к реакторам для проведения многофазных гетерогенных процессов в стационарном слое гранулированной каталитической насадки, и может быть использована в процессах гидрогенизационной переработки углеводного сырья в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Известен радиальный реактор, включающий цилиндрический корпус, соосный с ним перфорированный стакан и центральную сетчатую трубу, соединенную со штуцером вывода продукта, при этом пространство между указанным стаканом и трубой заполнено гранулированной каталитической насадкой (В.В.Средин, П.М.Тарасенков. Оборудование и трубопроводы установок каталитического риформинга. Л.: Гостоптехиздат, 1963 г.).
Известный реактор реализует принцип радиального движения реагирующей смеси и в отличие от реакторов с аксиальным движением двухфазного потока обеспечивает уменьшение энергетических потерь в гетерогенных системах за счет того, что реагирующую смесь пропускают через стационарный слой катализатора, имеющий большую входную поверхность и малую высоту.
Однако применение указанного реактора для процессов, где реакция протекает в двухфазном потоке, ограничивается возможностью расслоения потока на входе в слой катализатора на газовую и жидкую фазы, что влияет на степень конверсии сырья и, следовательно, на качество гидрогенизата.
Кроме того, при проведении многофазных процессов при наличии в сырье значительного количества жидкой фазы, последняя скапливается в зазоре между корпусом и стаканом и выводится из реактора, проходя через сравнительно небольшой объем катализатора, что приводит к невысокой суммарной глубине процесса и ухудшению качества получаемых продуктов.
В соответствии с изложенным реакторы такой конструкции целесообразно использовать для проведения однофазных процессов.
Известен реактор аксиально-радиального типа для проведения многофазного каталитического процесса в стационарном слое каталитической насадки, а именно гидрокаталитической депарафинизации жидкого нефтяного сырья, содержащий цилиндрический вертикальный корпус с расположенным внутри перфорированным цилиндрическим стаканом, заполненным каталитической насадкой, установленным коаксиально и с зазором по отношению к корпусу и снабженным центральным перфорированным коллектором, причем в нижней части коллектора установлена перегородка, перекрывающая его сечение и препятствующая проскоку газа через коллектор, при этом в верхней части корпуса размещены штуцеры для подачи исходных газа и жидкости, а в нижней части корпуса расположен штуцер вывода продуктов (US 4568524).
При проведении процесса жидкую фазу сырья направляют нисходящим потоком через слой катализатора и выводят из аппарата, а газофазный поток, поступающий в центральный перфорированный коллектор, движется в радиальном направлении по отношению к потоку жидкости.
Недостатком известного реактора является существенное ограничение диапазона нагрузок по газу и жидкости, что приводит к его сравнительно низкой производительности, что обусловлено нижеследующим.
При увеличении скорости подачи исходных потоков жидкого сырья и газа происходит значительное отклонение потока жидкости от вертикального положения к периферийной зоне и, как следствие, захват и вынос части жидкой фазы в зону между корпусом и стаканом. При этом значительная часть технологически необходимого объема катализатора не участвует в процессе, что приводит к невысокой его эффективности.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является реактор для проведения многофазных процессов, содержащий цилиндрический вертикальный корпус с расположенным внутри цилиндрическим перфорированным стаканом, заполненным каталитической насадкой, установленным коаксиально и с зазором по отношению к корпусу и снабженным центральным перфорированным коллектором, установленная в нижней части перфорированного коллектора перегородка, перекрывающая сечение коллектора, приспособление для подачи исходных жидкой и газовой фаз, расположенное в верхней части корпуса, патрубок для вывода продукта, установленный в нижней части корпуса, глухую кольцевую горизонтальную перегородку, установленную в зазоре между корпусом и перфорированным стаканом, вертикально ориентированную трубу с диаметром меньшим, чем диаметр коллектора, и установленную коаксиально внутри центрального перфорированного коллектора над глухой кольцевой перегородкой (RU 2213613).
Отличительной особенностью аксиально-радиальных реакторов от реакторов аксиального типа является нисходящее гравитационное движение жидкой фазы в слое катализатора и радиальное по отношению потока жидкости напорное движение газовой фазы. Работа реактора в режиме регенерации катализатора, при котором радиальное движение газовоздушного (паровоздушного) потока образует однородную структуру температурных полей, обеспечивает высокую эффективность регенерации катализатора.
К недостаткам описанной конструкции аксиально-радиального реактора относятся следующие:
- обеспечение перекрестного движения указанных потоков в небольшом объеме каталитической насадки вследствие отсутствия четкого разделения газовой и жидкой фаз на самостоятельные потоки.
- наличие «мертвых» зон в объеме каталитической насадки вследствие проскока газовой фазы, что приводит к снижению конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и общему снижению показателей эффективности работы многофазного реактора. Указанные проскоки газовой фазы имеют место через слой каталитической насадки в области глухой кольцевой горизонтальной перегородки при движении газовой фазы через пространство между корпусом и цилиндрическим стаканом с перфорированными стенками в пространство под глухой кольцевой горизонтальной перегородкой, а также в нижней части перфорированного коллектора в области перегородки напрямую в патрубок вывода продуктов.
- неравномерное распределение и неполное участие газовой фазы в целевых реакциях, и, соответственно, снижение конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и эффективности работы многофазного реактора, что обусловлено образованием канальных проскоков в объеме каталитической насадки в областях проскока газа и преимущественному движению газовой фазы через канал.
- неравномерное распределение жидкой фазы по объему каталитической насадки и, соответственно, снижение конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и эффективности работы многофазного реактора, что обусловлено возможностью выноса жидкой фазы в перфорированный центральный коллектор, а также возможностью попадания ее в пространство между корпусом и перфорированным стаканом при увеличении расхода жидкой фазы и, как следствие, байпасирование объема каталитической насадки жидкой фазой.
- снижение избытка компонентов газовой фазы по отношению к химическому потреблению этих компонентов жидкой фазой
- возможность выноса жидкой фазы в патрубок вывода продуктов, что приводит к снижению конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт и общему снижению показателей эффективности работы многофазного реактора.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание реактора для проведения многофазных процессов, обеспечивающего повышение конверсии сырьевых компонентов в целевой продукт за счет оптимизации перекрестного движения нисходящего потока жидкой фазы и радиального движения газовой фазы, обусловливающей увеличение равномерности распределения потоков газовой и жидкой фаз по всему объему каталитической насадки, уменьшение скорости движения газовой фазы через объем каталитической насадки и исключение образования зон нереагирующей каталитической насадки.
Поставленная задача достигается тем, что реактор для проведения многофазных процессов содержит вертикальный цилиндрический корпус с установленным коаксиально в нем стаканом, полость которого заполнена каталитической насадкой, установленную по оси стакана вертикальную трубу для сбора газовой фазы, патрубки для ввода сырьевой газожидкостной смеси и вывода продукта, расположенные, соответственно, на верхнем и нижнем торцах корпуса, две газожидкостные сепарационные тарелки, размещенные, соответственно, в верхней части корпуса и в нижней части корпуса под слоем каталитической насадки, и, по меньшей мере, одну газожидкостную сепарационную тарелку, установленную в центральной части корпуса, при этом стенки стакана и/или вертикальная труба для сбора газовой фазы выполнены перфорированными на участках между зонами расположения газожидкостных сепарационных тарелок, причем коэффициент перфорации уменьшается сверху-вниз по высоте корпуса, нижний конец вертикальной трубы для сбора газовой фазы, расположенный под нижней газожидкостной сепарационной тарелкой, выполнен со сквозными отверстиями для вывода жидкости, а в нижней части корпуса в зазоре, образованном стенками корпуса и стакана, на уровне нижней газожидкостной сепарационной тарелки размещена глухая кольцевая горизонтальная перегородка.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлен общий вид реактора.
Реактор содержит цилиндрический корпус 1, верхний 2 и нижний 3 патрубки, соответственно, для ввода сырьевой газожидкостной смеси и вывода продуктовой газожидкостной смеси, сборный стакан 4 и вертикальную трубу 5 для сбора газовой фазы. Сборный стакан 4 заполнен стационарным слоем твердофазной каталитической насадки 6.
Для повышения эффективности разделения газовой и жидкой фаз, равномеризации распределения потока жидкой фазы по объему каталитической насадки 6 и для организации перекрестного движения нисходящего потока жидкой фазы и радиального движения газовой фазы в верхней части корпуса 1 и в его нижней части под слоем каталитической насадки 6 установлены две газожидкостные сепарационные тарелки 7 и 8, и, по меньшей мере, одна газожидкостная сепарационная тарелка 9 размещена в центральной части корпуса 1.
Стенки стакана 4 и/или вертикальная труба 5 для сбора газовой фазы на участках между зонами расположения газожидкостных сепарационных тарелок 7, 8, 9 выполнены перфорированными с переменным коэффициентом перфорации.
Коэффициент перфорации - это отношение площади свободного (сквозного) сечения к единице площади перфорированной поверхности (ед. измерения %) и его значение уменьшается сверху-вниз по высоте корпуса. При движении газовой фазы сверху-вниз между корпусом 1 реактора и стаканом 4 происходит изменении скорости и давления потока на перфорированный стакан 4, и как следствие изменение расхода газовой фазы через слой катализатора 6. Причем расход газовой фазы через слой катализатора 6 при постоянном коэффициенте перфорации у стакана 4 и центральной вертикальной трубы 5, будет увеличиваться к низу реактора (стакана 4). По данной причине необходимо производить неравномерную перфорацию стакана 4 и трубы 5, значение которой уменьшается сверху-вниз по высоте корпуса 1.
В случае параметров процесса, при которых расход газовой фазы составляет до 10 объемов кратных объему реактора в час, целесообразно выполнение с переменным коэффициентом перфорации только вертикальной трубы 5, значение которой позволит равномерно распределить поток газовой фазы по высоте реактора через слой катализатора.
В случае параметров процесса, при которых расход газовой фазы составляет от 10 до 20 объемов кратных объему реактора в час, целесообразно выполнение с переменным коэффициентом перфорации только стакана 4, значение которой позволит равномерно распределить поток газовой фазы по высоте реактора через слой катализатора.
В случае параметров процесса, при которых расход газовой фазы составляет свыше 20 объемов кратных объему реактора в час, целесообразно выполнять и стакан 4 и трубу 5 с переменным коэффициентом перфорации, так как только в этом случае можно достичь равномерного распределения потока газовой фазы через слой катализатора.
Верхняя газожидкостная сепарационная тарелка 7, средняя газожидкостная сепарационная тарелка 9 и нижняя газожидкостная сепарационная тарелка 8 состоят из перфорированной пластины 10 для гашения инерционной энергии потока и колпачка гидрозатвора 11. Центральная перфорированная труба для сбора газовой фазы 5 содержит глухие участки 12 и 13 у средней 9 и нижней 8 газожидкостных сепарационных тарелок для предотвращения перетекания жидкой фазы и поддержания уровня жидкости на тарелках. Сквозные отверстия 14 в центральной перфорированной трубе 5 обеспечивают вывод жидкой фазы и смешение с газовой фазой. Вывод продуктовой газожидкостной смеси производится через нижний штуцер 3. На верхней, средней и нижней газожидкостных сепарационных тарелках 7, 9 и 8 соответственно, образуется динамически существующий уровень жидкости 15. Между цилиндрическим корпусом 1 реактора и сборным перфорированным стаканом 4 размещена сплошная кольцевая перегородка 16 для предотвращения проскока газовой фазы в сквозные отверстия 14.
Реактор работает следующим образом.
Исходная сырьевая газожидкостная смесь подается в реактор через верхний патрубок 2. Газожидкостная смесь частично под действием гравитационных сил разделяется на газовую и жидкую часть, причем жидкая часть скапливается на верхней газожидкостной сепарационной тарелке 7. Для снижения энергии инерции потока жидкости в верхней части газожидкостной сепарационной тарелки 7 установлена перфорированная пластина 10. Жидкая фаза накапливается и создает динамически существующий уровень жидкости 15, который в свою очередь препятствует проскоку газа через тарелку. Жидкая фаза выливается через колпачок гидрозатвора 11 и поступает в объем каталитической насадки 6. Динамически существующий уровень жидкости 15 можно регулировать посредством изменения высоты колпачка гидрозатвора 11. Равномерное распределение жидкой фазы по сечению каталитической насадки регулируется числом и относительным взаимным расположением колпачков гидрозатвора 11 на тарелке. Жидкая фаза направляется нисходящим потоком по высоте каталитической насадки 6. Газовая фаза направляется в пространство между цилиндрическим корпусом реактора 1 и сборным перфорированным стаканом 4. Далее газовая фаза движется радиально и перекрестно с потоком жидкой фазы в центральную перфорированную трубу 5, проходя весь объем каталитической насадки 6. Для равномерного распределения газовой фазы по всему объему каталитической насадки 6 сборный перфорированный стакан 4 и центральная перфорированная труба 5 имеют переменное значение свободного сечения (перфорации) по высоте. Нисходящая жидкая фаза, частично обработанная в верхней зоне каталитической насадки 6, поступает на среднюю газожидкостную сепарационную тарелку 9 для повторного равномерного распределения по сечению каталитической насадки. Средняя газожидкостная сепарационная тарелка 9 также выполняет функцию разделения газовой и жидкой фаз, способствуя организации перекрестного движения потоков. Далее жидкая фаза проходит нижнюю часть каталитической насадки 6 и выводится из зоны реакции через нижнюю газожидкостную сепарационную тарелку 8, откуда через сквозные отверстия 14 попадает в нижний патрубок 3 для вывода газожидкостной продуктовой смеси. Газовая фаза собирается в центральной перфорированной трубе 5 и также выводится через нижний патрубок 3.
При движении газовой фазы между корпусом реактора 1 и перфорированным сборным стаканом 4 происходит неравномерное распределение потока по всей высоте слоя твердофазной каталитической насадки 6, причем закономерность увеличения расхода газовой фазы через перфорированный стакан 4 имеет квадратичную зависимость от расхода газовой фазы в реактор и увеличивается от верхней газожидкостной сепарационной тарелки 7 до нижней газожидкостной сепарационной тарелки 8. То есть происходит неравнозначное перераспределение газовой фазы по высоте слоя каталитической насадки, что в свою очередь приводит к неравномерному характеру работы объема каталитической насадки. Использование переменного коэффициента перфорации по высоте сборного стакана 4 и центральной трубы 8, позволяет устранить описанный эффект. Характер изменения перфорации сборного стакана 4 и центральной трубы 5 для сбора газовой фазы имеет квадратичную зависимость от диапазона расхода газовой фазы в реактор, причем коэффициент перфорации изменяется от верхней газожидкостной сепарационной тарелки 5 до нижней газожидкостной сепарационной тарелки 7 в интервале от 80 до 2% в сторону уменьшения значения.
Использование метода регулирования переменного коэффициента перфорации сборного стакана 4 и центральной трубы 5 позволит равномерно распределить поток газовой фазы по объему каталитической насадки и обеспечит равнозначные условия для протекания целевых химических реакций, что в свою очередь повысит эффективность работы многофазного реактора в целом.
Таким образом, предлагаемая конструкция реактора обеспечивает:
- Высокоэффективное разделение газовой и жидкой фаз;
- Равномеризацию распределения потока газовой и жидкой фаз по объему каталитической насадки;
- Четкую организацию перекрестного движения нисходящего потока жидкой фазы и радиального движения газовой фазы;
- Уменьшение скорости движения газовой фазы через объем каталитической насадки для достижения максимальной конверсии компонентов сырья в целевые продукты;
- Ликвидацию проскоков газовой фазы и образования канальных проскоков;
- Устранение образования зон не реагирующей каталитической насадки.
- Максимальное вовлечение всего объема каталитической насадки в целевые реакции.
- Отсутствие градиента накопления продуктов реакций по ходу движения жидкой фазы.
- Вывод газообразных продуктов реакций с газовой фазой из реакционного объема каталитической насадки.
Реактор для проведения многофазных процессов, характеризующийся тем, что он содержит вертикальный цилиндрический корпус с установленным коаксиально в нем стаканом, полость которого заполнена каталитической насадкой, установленную по оси стакана вертикальную трубу для сбора газовой фазы, патрубки для ввода сырьевой газожидкостной смеси и вывода продукта, расположенные соответственно на верхнем и нижнем торцах корпуса, две газожидкостные сепарационные тарелки, размещенные соответственно в верхней части корпуса и в нижней части корпуса под слоем каталитической насадки, и, по меньшей мере, одну газожидкостную сепарационную тарелку, установленную в центральной части корпуса, при этом стенки стакана и/или вертикальная труба для сбора газовой фазы выполнены перфорированными на участках между зонами расположения газожидкостных сепарационных тарелок, причем коэффициент перфорации уменьшается сверху вниз по высоте корпуса, нижний конец вертикальной трубы для сбора газовой фазы, расположенный под нижней газожидкостной сепарационной тарелкой, выполнен со сквозными отверстиями для вывода жидкости, а в нижней части корпуса в зазоре, образованном стенками корпуса и стакана, на уровне нижней газожидкостной сепарационной тарелки размещена глухая кольцевая горизонтальная перегородка.
