способ оптимизации процесса непрерывной регенерации закоксованного катализатора

Формула изобретения

СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ЗАКОКСОВАННОГО КАТАЛИЗАТОРА путем контролируемого выжигания кокса в токе газа с непрерывной подпиткой кислородом в двухзонном аппарате с раздельным подводом газа в каждую зону и с совместным выводом газа из первой и второй зон при циркуляционном движении газа первой зоны по замкнутому контуру при помощи циркуляционного компрессора, с возможностью непрерывного свободного перемещения катализатора из первой зоны во вторую нисходящим потоком под действием силы тяжести и с движением газа во второй зоне противотоком к движению катализатора, отличающийся тем, что в первой зоне газ движется прямотоком к движению катализатора, а газ, проходящий через вторую зону, циркулирует по замкнутому контуру при помощи компрессора, обеспечивающего циркуляцию газа в первой зоне, при этом вывод газов из первой и второй зон осуществляют из объема катализатора на уровне границы зон, а кислород вводят в газовый поток, подводимый к второй зоне.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам оптимизации теплового и гидродинамического режима процесса регенерации твердофазных сыпучих катализаторов различных процессов каталитической конверсии углеводородов, например, риформинга, изомеризации, ароматизации и др.

Предлагаемый способ может быть реализован в любых нефтехимических процессах, сопровождающихся непрерывной окислительной регенерацией движущегося катализатора.

Известно, что в ходе процессов переработки углеводородов в присутствии твердофазного катализатора, последний подвергается дезактивации вследствие образования на его поверхности углеродистых отложений кокса. Для восстановления каталитической активности катализатор подвергают окислительной регенерации. Важнейшей операцией регенерации является удаление кокса путем его контролируемого выжигания с поверхности частиц катализатора в токе кислородсодержащего газа.

Большинство промышленных процессов переработки углеводородов ведут в непрерывном режиме. При этом, если продолжительность безосадочной продуктивной работы катализатора из-за дезактивации коксом невелика (порядка нескольких суток или недель), то регенерацию катализатора целесообразно проводить одновременно с рабочим процессом в отдельном аппарате регенераторе. В этом случае катализатор непрерывно или периодически транспортируется из зоны реакции в зону регенерации и обратно.

Известны многочисленные способы окислительной регенерации неподвижного или движущегося катализатора в отдельном аппарате.

Известен способ регенерации катализатора гидроконверсии углеводородов с использованием двух зон регенерации.

По известному способу регенерацию катализатора проводят путем выжигания кокса в регенераторе, в котором катализатор размещают в двух зонах, расположенных одна под другой. Каждая зона продувается потоком кислородсодержащего газа, пронизывающего слои катализатора в аксиальном направлении сверху вниз. Для этого каждая зона снабжена отдельным вводом и выводом газа. В процессе выжигания кокса регулируют температуру и состав газа, поступающего в каждую зону.

Основным недостатком известного способа является большое гидравлическое сопротивление регенератора, поскольку на пути движения газа аксиальные слои катализатора обеих зон расположены последовательно. При этом давление в верхней части регенератора превышает давление в нижней части на величину гидравлического сопротивления.

Известен также способ регенерации катализатора, последовательно проходящего под действием силы тяжести через несколько зон регенерации, расположенных в одном аппарате. При осуществлении этих способов движущийся сплошным потоком зернистый слой катализатора продувают газом в первой и второй зонах в радиальном направлении (перекрестный ток катализатора и газа), а в последующих зонах в аксиальном направлении, противовотоком или прямотоком к движению катализатора. Радиальное движение газа позволяет получить выигрыш в гидравлическом сопротивлении, однако распределение температур по высоте радиального слоя оказывается неравномерным и неблагоприятным для процесса регенерации.

Кроме того, предусмотренный в известных способах многозонной регенерации раздельный вывод газа из каждой зоны вызывает необходимость создания на границах зон участков с повышенным гидравлическим сопротивлением для предотвращения неконтролируемого перетока газа из зоны в зону. Наличие таких участков затрудняет также движение катализатора из зоны в зону, приводит к образованию застойных участков в его слое и вызывает повышенный износ катализаторных частиц. Это является одним из существенных недостатков многозонной регенерации движущегося катализатора.

Указанный недостаток устранен известным способом регенерации движущегося катализатора в трех зонах. В известном способе первую и вторую зоны продувают газом в радиальном направлении, а третью зону в аксиальном направлении, противотоком. При этом отработанные газы из трех зон вводят совместно через общий коллектор, расположенный по всей высоте первой и второй зон. Продувка слоя катализатора кислородсодержащим газом осуществляется в первой и второй зонах регенерации путем циркуляции газов по замкнутым контурам. Для этого в каждом контуре циркуляции используют отдельный циркуляционный компрессор. В каждый контур циркуляции подают воздух для поддержания необходимой концентрации кислорода с зонах регенерации. Третья зона регенерации продувается на проток предварительно осушенным и подогретым воздухом. Катализатор свободно нисходящим потоком перемещается под действием силы тяжести и, двигаясь непрерывно или короткопериодически, последовательно проходит зоны регенерации. Границы зон полностью открыты для движения газа и катализатора и поэтому являются несколько размытыми, что способствует плавному изменению параметров регенерации при перемещении катализатора из верхних зон в нижние.

Несмотря на указанные преимущества известный способ обладает недостатком, общим для всех способов регенерации с перспективным током газа и катализатора в первой зоне, а именно: неравномерным распределением температур по высоте слоя катализатора. Разделение одной реальной зоны на две или большее количество зон улучшает общее разделение температур на пути движения катализатора, но такое решение существенно усложняет аппаратурное оформление процесса регенерации. При этом распределение температур в пределах каждой радиальной зоны остается неблагоприятным для осуществления процесса.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ непрерывной регенерации катализатора, выбранный в качестве прототипа.

В известном способе катализатор, движущийся непрерывно или короткопериодически под действием силы тяжести, последовательно пропускают через две зоны регенерации, расположенные в одном аппарате одна под другой: первую в радиальным движением газа (перекрестный ток) и вторую с аксиальным противоточным движением газа. В первой и второй зонах осуществляется двухстадийное выжигание кокса. При короткопериодическом движении катализатора период продвижения малых порций его намного короче общего времени пребывания катализатора в зонах регенерации, а объем каждой порции намного меньше объема любой из зон. Таким образом, короткопериодическое движение катализатора приближается по своему характеру к непрерывному.

Газ, проходящий через первую зону, циркулирует по замкнутому контуру: компрессор регенератор холодильник компрессор. В линию всасывания циркуляционного компрессора непрерывно подают воздух для поддержания требуемой концентрации кислорода в газе, поступающем в первую зону регенерации. Во вторую зону регенерации подают предварительно осушенный и нагретый до требуемой температуры воздух, который, пройдя снизу через слой катализатора второй зоны, поступает в нижнюю часть первой зоны, где, смешиваясь с циркулирующим газом первой зоны, удаляется совместно с ним из генератора через собираемый коллектор. Коллектор представляет собой перфорированную трубу, расположенную по оси аппарата в первой зоне с выходным патрубком наверху. Таким образом, вторая зона продувается воздухом на проток при противоточном направлении взаимного движения газа и катализатора. Обе зоны расположены в одном аппарате с возможностью свободного перемещения катализатора и газа из зоны в зону. Воздух в первую и вторую зоны подают одним отдельным компрессором. Газы, покидающие регенератор, охлаждают в холодильнике, после чего избыток газа сбрасывают в атмосферу. Основное количество кокса, содержащегося на регенерируемом катализаторе, удаляется в первой зоне регенерации. Продукты сгорания удаляются вместе с избытком газа, срабатываемым в атмосферу.

Наряду с выжиганием кокса известный способ позволяет выполнять одновременно и другие операции по реактивации катализатора, такие как обработка химическими реактивами, осушка, прокаливание.

Недостатком известного способа является неоптимальное распределение температур по высоте слоя катализатора в первой зоне, заключающееся в том, что условия выжигания кокса в верхней и нижней частях этой зоны существенно разливаются. Так, в верхнюю часть первой зоны поступает катализатор с большим содержанием кокса, которое уменьшается по мере продвижения катализатора в нижнюю часть зоны. Поэтому при перекрестном направлении взаимного движения катализатора и газа температура в нижней части слоя оказывается выше, чем в нижней. Однако оптимальным условием выжигания кокса соответствует иное распределение температур: с небольшим и плавным нарастанием сверху вниз в направлении движения катализатора. Оптимальное распределение температур позволило бы уменьшить опасность локальных вспышек в верхней части слоя, вероятность возникновения которых особенно велика в случае поступления катализатора, закоксованного неравномерно. Перегрев катализатора при вспышках резко снижает срок его службы. Другим недостатком известного способа является трудность изменения расхода газов, поступающих в каждую зону регенерации, что также необходимо для оптимизации процесса двухстадийного выжигания кокса. Для существенного изменения подачи газа в первую зону необходимо изменение производительности циркуляционного компрессора. Однако большинство применяемых в промышленности типов циркуляционных компрессоров не допускают возможности регулирования производительности без ухудшения экономичности. Увеличение подачи газа во вторую зону вызывает пропорциональное увеличение расхода энергии на компримирование и нагрев воздуха. К недостатку известного способа следует отнести и необходимость тщательного контроля подачи воздуха в первую зону с тем, чтобы не пропустить чрезмерного повышения температуры слоя катализатора вследствие возможного избыточного добавления кислорода к циркулирующему газу. Это обстоятельство снижает надежность управления процессом регенерации, особенно в условиях перекрестного тока газа и катализатора в первой зоне. Кроме того, в известном способе регенерации преимущественным направлением движения газа в регенераторе является направление снизу вверх, поскольку удаление всех газов производится из верхней части регенератора. Вследствие этого давление в верхней части регенератора всегда меньше, чем в нижней. Возникающий перепад давления противодействует движению катализатора сверху вниз. Известное техническое решение не позволяет без изменения схемы процесса регенерации изменить указанное соотношение давлений на обратное или добиться равенства давлений на входе катализатора в регенератор и выходе из него. Практически неосуществимы в условиях известного способа оперативное регулирование и оптимизация величины препарата давления в процессе работы, так как для этого требуется иметь возможность оперативно изменять общий расход газов регенерации. В силу причин, изложенных выше, такая возможность в известном способе существенно ограничена. Невозможность оптимизации перепада давления затрудняет применение известного способа регенерации в системе со строго непрерывным движением катализатора.

Технической задачей заявляемого способа является оптимизация процесса регенерации катализатора, заключающаяся в получении оптимального профиля распределения температур по слою катализатора, оптимального расхода газа в каждой зоне при минимальной затрате энергии на циркуляцию газа, оптимального соотношения давлений на входе катализатора в регенератор и выходе из него, оптимальной концентрации кислорода в первой зоне и, как следствие, улучшение качества катализатора, повышение срока его службы, уменьшение механического износа катализаторных частиц, повышение экономичности процесса регенерации, упрощение его аппаратурного оформления.

Указанная задача решается предлагаемым способом, благодаря тому, что в процессе непрерывной регенерации закоксованного катализатора путем контролируемого выжигания кокса в токе газа с непрерывной подпиткой кислородом в двузонном аппарате с раздельным подводом газа в каждую зону и с совместным выводом газа из первой и второй зон при циркуляционном движении газа первой зоны по замкнутому контуру при помощи циркуляционного компрессора, с возможностью непрерывного свободного перемещения катализатора из первой зоны во вторую под действием силы тяжести и с движением газа во второй зоне противотоком к движению катализатора, в первой зоне газ движется прямотоком к движению катализатора, а газ, проходящий через вторую зону, циркулирует по замкнутому контуру при помощи компрессора, обеспечивающего циркуляцию газа в первой зоне, при этом вывод газов из первой и второй зон осуществляется из объема катализатора на уровне границы зон, а кислород вводится в газовый поток, подводимый к второй зоне.

Заявляемое техническое решение отличается от способа по прототипу тем, что в первой зоне газ движется прямотоком к движению катализатора, а во второй зоне проходящий газ циркулирует по замкнутому контуру при помощи компрессора, обеспечивающего циркуляцию газа в первой зоне, при этом вывод газов из первой и второй зон осуществляется совместно из объема катализатора на уровне границы зон, а кислород вводится в газовый поток, подводимый ко второй зоне. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ известного уровня техники позволяет сделать вывод о том, что ни одно из известных технических решений не позволяет решить поставленную задачу и обеспечить существенную оптимизацию процесса регенерации в целом. Например, попытка оптимизировать температурный режим в слое катализатора первой зоны за счет использования особой конструкции аппарата регенератора позволяет несколько смягчить температурное поле, однако это ведет к ухудшению технико-экономических показателей процесса регенерации в целом вследствие усложнения конструкции регенератора и повышения его гидравлического сопротивления. Попытка выровнять распределение температур за счет повышения расхода газа или снижения концентрации кислорода в нем ведет к целому ряду негативных последствий, в частности к увеличению продолжительности горения кокса и повышению энергозатрат на циркуляцию газа. Более того, в известном способе расхода газа как в первой, так и во второй зоне можно увеличивать лишь до определенного предела. Так, при радиальном движении

газа в первой зоне в слое катализатора возникают градиентные силы, прижимающие частицы катализатора к вертикальной перфорированной поверхности собирающего коллектора. Это явление препятствует равномерному нисходящему движению катализатора, вызывает появление застойных участков в его слое, а при большом расходе газа движение катализатора может быть полностью остановлено. Повышение расхода газа во второй зоне при его движении снизу вверх создает опасность чрезмерного разрыхления слоя катализатора вплоть до образования газовых пузырей и "вскипания". Это, в свою очередь, приводит к нестабильному протеканию процесса регенерации и к резкому возрастанию износа катализаторных частиц.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого технического решения позволяет выделять из них пять групп функционально самостоятельных существенных признаков: 1 прямоток в первой зоне регенерации; 2 циркуляционное движение газа регенерации второй зоны; 3 использование одного компрессора для подачи газа в две зоны; 4 совместный вывод газов первой и второй зон из объема катализатора на уровне границы зон; 5 добавление кислорода только в газ, подводимый ко второй зоне.

Анализируя заявляемый способ, следует отметить, что именно вся отмеченная совокупность выделенных признаков позволяет обеспечить решение поставленной технической задачи. Более того, предлагаемый способ позволяет получить новый эффект по сравнению с известными из предшествующего уровня техники. Дополнительно к отмеченным выше преимуществам появляется возможность изменения перепада давления между входом и выходом катализатора, а также возможность существенного повышения расхода газа в любой зоне без опасности остановки движения катализатора и "вскипания" слоя. Этот результат не обусловлен простым сочетанием признаков, известных из уровня техники в отдельности, а в полной мере соответствует понятию неочевидности, поскольку возникает только при совместной реализации выделенных выше признаков 1 и 4.

Таким образом, на основании изложенного можно утверждать, что предложенное решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

Принципиальная схема выполнения установки для реализации предлагаемого способа показана на фиг. 1.

Установка включает регенератор 1, в котором расположены первая 2 и вторая 3 зоны регенерации, теплообменник 4, холодильник 5, циркуляционный компрессор 6, подогреватель 7. Направление движения газов и катализатора показано стрелками.

Катализатор (на чертеже не показан), заполняющий внутренний объем регенератора 1, под действием силы тяжести медленно движется сверху вниз, последовательно проходя через первую 2 и вторую 3 зоны регенерации. В процессе регенерации кокс, отложившийся на поверхности частиц катализатора, сгорает в токе газа, содержащего кислород, а продукты сгорания удаляются из зон регенерации вместе с газами, покидающими регенератор.

Закоксованный катализатор подают в верхнюю часть регенератора, в первую зону регенерации. Регенерированный катализатор выводят снизу регенератора из второй зоны. Катализатор первой зоны продувают газом, проходящим через слой катализатора сверху вниз и выводным из средней части регенератора. Во второй зоне газ движется через слой катализатора снизу вверх и удаляется из регенератора совместно с газом первой зоны. Таким образом, в первой зоне осуществляется прямоточное взаимное движение газа и катализатора, а во второй зоне противоточное. Газовую смесь, покидающую регенератор, охлаждают в теплообменнике 4 путем передачи тепла газам, направляемым в регенератор, и в холодильнике 5, затем с помощью компрессора 6 прокачивают через теплообменник 4, где газовая смесь нагревается за счет тепла газов, выходящих из регенератора. Наличие теплообменника 4 позволяет облегчить тепловой режим работы компрессора без потери тепла. Тепло сгорания кокса отводится в холодильнике 5. Из линии всасывания компрессора 6 перед холодильником 5 избыток газа сбрасывают в атмосферу. Избыток газа возникает за счет подачи в систему воздуха, а также за счет образования газообразных продуктов сгорания кокса. Подаваемый компрессором 6 газ, нагретый в теплообменнике 4, разделяют на два потока, циркулирующих по двум замкнутым контурам, каждый из которых включает одну из зон регенерации. Общей частью двух этих контуров циркуляции является линия: регенератор теплообменник (тpубчатое пространство) холодильник компрессор теплообменник (межтрубное пространство). Газовый поток, направляемый во вторую зону, непрерывно подпитывают воздухом от отдельного компрессора, не показанного на схеме. Газ, направляемый во вторую зону, подогревают до нужной температуры в подогревателе 7.

Таким образом, газовые потоки в первой и второй зонах регенерации движутся аксиально навстречу друг другу, а их вывод из регенератора осуществляется совместно из объема слоя катализатора на уровне границы зон.

Для управления процессом регенерации и его оптимизации используют три параметра регулирования: температуру газа на входе в каждую зону, количество подаваемого воздуха и соотношение газовых потоков первой и второй зон при постоянной подаче циркуляционного компрессора. Наиболее существенным фактором оптимизационного воздействия на процесс выжигания кокса в первой зоне является целенаправленное изменение подачи газа в эту зону. Такое изменение легко достигается за счет противоположного изменения подачи газа во вторую зону при постоянной производительности циркуляционного компрессора. При этом наиболее существенным фактором воздействия на процесс регенерации во второй зоне остается целенаправленное изменение температуры газа, поступающего во вторую зону. Оптимизация этой температуры достигается применением регулируемого подогревателя 7. Добавление кислорода, необходимого для сжигания кокса, производится только в поток газа, поступающий во вторую зону. Изменение подачи воздуха позволяет регулировать концентрацию кислорода в первой зоне, а концентрация кислорода во второй зоне будет тем больше, чем меньше расход газа второй зоны по отношению к расходу газа первой зоны. Вследствие этого общее количество кислорода, поступающего во вторую зону, при постоянной подаче воздуха также постоянно. При изменении подачи воздуха концентрация кислорода в первой зоне изменяется сравнительно слабо, что способствует повышению устойчивости режима работы.

Осуществление предлагаемого способа позволяет также за счет конструктивного варьирования соотношений высоты и/или диаметра слоев катализатора в первой и второй зонах получить при заданном режиме работы желаемое соотношение давлений между верхом и низом регенератора, т. е. между входом катализатора и его выходом. В частности, легко достижимо состояние равенства этих давлений. Возможно также оперативное регулирование указанного соотношения в процессе работы путем изменения соотношения расхода газов через первую и вторую зоны в пределах, допустимых по условиям регенерации в первой зоне.

Достигаемый технический результат иллюстрируется представленным примером, позволяющим сравнить предлагаемый способ регенерации со способом по прототипу. Данные по известному способу отражает типичные параметры действующей промышленной установки каталитического риформинга с непрерывной регенерацией катализатора. Характеристики предлагаемого способа рассчитаны путем математического моделирования аналогичного процесса для того же катализатора риформинга. Результаты сравнения изложены в таблице и на диаграмме (фиг. 2).

Сопоставление результатов реализации известного и заявляемого способов позволяет сделать следующие выводы.

В рассматриваемых случаях регенерации подвергаются одинаковые катализаторы с равной степенью закоксованности. Величны параметров: времени регенерации, расхода газов и полноты удаления кокса, практически одинаковы. В то же время условия пребывания катализатора в первой зоне регенерации по известному способу не являются и не могут быть оптимальными. В частности, катализатор, поступающий на регенерацию при температуре 350^оС, быстро нагревается в верхней части первой зоны до 575^оС, и это неблагоприятно отражается на его свойствах. При осуществлении предлагаемого способа катализатор по мере продвижения его сверху вниз в первой зоне нагревается постепенно, а абсолютный максимум температуры не превышает 530^оС (см. фиг. 2). Распределение катализатора по зонам регенерации в предлагаемом процессе выбрано таким образом, чтобы при обеспечении оптимальных удельных расходов газа в каждой зоне давление в верхней и нижней частях регенератора было бы одинаковым.

Снижение максимальной температуры в регенераторе позволяет существенно продлить срок службы катализатора за счет лучшего сохранения удельной поверхности его пористого носителя. Это иллюстрируется известными закономерностями, в частности графиком зависимости удельной поверхности носителя катализатора риформинга от числа циклов регенерации и температуры в регенераторе (см. график на фиг. 3).

В процессе регенерации поверхность носителя уменьшается в результате спекания под действием высокой температуры. Уменьшение поверхности носителя является основным фактором, лимитирующим срок службы катализатора. Срок службы выражается при этом числом циклов регенерации, которое способен выдержать катализатор до уменьшения поверхности его носителя не ниже установленного уровня.

Как показано на представленном графике, катализатор, имеющий в исходном состоянии удельную поверхность 190 м²/г, выдерживают до уменьшения этой поверхности до 170 м²/г 160 циклов регенерации при температуре 538^оС и только 60 циклов при температуре 593^оС. То есть снижение температуры регенерации на 55^оС позволяет увеличить срок службы катализатора почвы в 2,7 раза.

Использование предлагаемого способа регенерации по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:

оптимизацию температурных условий обработки катализатора на начальной стадии регенерации;

возможность гибкого регулирования соотношения газовых потоков первой и второй зон с целью оптимизации условий регенерации без изменения производительности циркуляционного компрессора;

возможность целенаправленного регулирования перепада давления между входом катализатора в регенератор и выходом из него с целью оптимизации условий транспортирования катализатора в системе его циркуляции на технологической установке;

повышение надежности управления процессором выжигания кокса и улучшение устойчивости работы регенератора.

Реализация указанных преимуществ обеспечивает заметное улучшение технико-экономических показателей процесса, упрощение аппаратурной организации, снижение потерь катализатора и увеличение срока его службы.