трубчатый распределитель тарелки высокодисперсного распределения

Формула изобретения

Трубчатый распределитель тарелки высокодисперсного распределения, содержащий патрубок с радиальными отверстиями, цилиндрическим каналом для прохода потока газожидкостной смеси, на выходе которого на некотором расстоянии от торца перпендикулярно оси канала смонтирован рассекатель потока, выполненный в виде перфорированного диска, диаметр которого превышает калибр (do) канала для прохода газожидкостной смеси, отличающийся тем, что диаметр диска и расстояние между торцом патрубка и диском выполнены соответственно равными (1,3...1,75) do и (0,95...1,05) do, а степень перфорации диска составляет 15...27% от величины площади его торцевой поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для распределения потока газожидкостной смеси и может быть использовано в нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, а именно в конструкциях реакторов аксиального типа, снаряженных катализаторами различного типа и объема и реализующих в заводских технологиях, преимущественно, процессы каталитического риформинга, гидроочистки, гидрокрекинга, изомеризации и т.п.

Как правило, эти реакторы работают в жестких условиях при температуре 350...450°С и давлении от 2 до 7 МПа с расходом сырья, например, нефтепродуктов до 1...2 млн. тонн в год. Повышаются и международные требования по содержанию вредных примесей в продуктах нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Например, Европейский Союз принял решение о снижении содержания серы в дизельном топливе с 2000 г. до 850 мас. ppm; с 2005 г. до 50 мас. ppm, а с 2008 г. до 30 мас. ppm. Естественно, выполнить эти требования на реакторах с внутренними устройствами старой действующей конструкции невозможно. Требуется разработка новых конструкций внутренних устройств, технологий, катализаторов и т.п.

Как известно, повышение качества продукции или уменьшение содержания вредных примесей в продукции происходит при определенных физических условиях в процессе прохождения сырья через слой катализатора в реакторе, что и реализует заводской технологический процесс. Немаловажную роль в достижении этих показателей, на что обратили внимание ряд фирм-производителей реакторного оборудования и что подтверждается научными исследованиями, играют условия прохождения потока сырья через слой катализатора, из которых определяющими и управляемыми, например через конструкции тарелок, являются параметры распределения поля скоростей потока сырья по поверхности слоя катализатора на входе в слой. Стремление обеспечить наилучшую равномерность поля позволяет повысить коэффициент использования катализатора, что является, в частности, количественной оценкой работы реактора.

Поток сырья на входе в реактор может быть как однофазной структуры (газ или жидкость), так и двухфазной: газ с мелкодисперсным содержанием жидкости, например продукты возгонки нефти с частичным содержанием капель жидкости нефти или наоборот - жидкость (дизельное топливо, бензин и т.п.) с частичным содержанием газовых включений - газообразных нефтепродуктов. При этом движение потока сырья по реактору аксиального типа организовано в вертикальном направлении, а для двухфазной среды с мелкодисперсным содержанием жидкости - сверху вниз. Как правило, реакторы имеют значительные габариты, немаловажное значение из которых играет внутренний диаметр реактора, достигающий величины 4,5...6 м в зависимости от типа и мощности по загрузке сырья.

В составе внутренних устройств реакторов имеются тарелки различного вида и количества, размещаемые в поперечных сечениях реакторов, в зависимости от функционального назначения. Следом по потоку за тарелкой или группой тарелок обычно размещается слой катализатора. Между тарелкой и поверхностью слоя катализатора или защитным слоем, применяемым в современных технологиях, имеется свободное пространство, заполненное динамическим потоком сырья, в котором формируются условия (по скоростям) входа сырья в слой катализатора. В тарелках имеется система конструктивно оформленных отверстий для подачи сырья различной фазовой структуры на слой катализатора. Поэтому одной из основных функций тарелок является распределение потока сырья по поперечному сечению реактора (так называемая распределительная тарелка).

Исследованиями, например, фирмы "Торсе," установлено, что существенная неравномерность поля скоростей потока во всех сечениях слоя по высоте реактора, приводит к так называемому явлению байпасирования, т.е. пробиванию слоя в отдельных зонах. Это приводит к тому, что сырье в этих зонах проходит слой с большими скоростями за меньшее время, и значит уменьшается выделение вредных примесей и, следовательно, ухудшается качество продукта на выходе [Технологии фирмы "Торсе": Проектирование реакторов и технологических процессов для оптимизации работы катализатора. Радж Х Пател и Емметт Бингхам, Haldor Topsoe, Inc., Оранж, Калифорния, США и Пребен Кристенсен и Мортен Мюллер, Haldor Topsoe A/S, Люнблю, Дания. Представлено на первом круглом столе по нефтепереработке в Индии 1-2 декабря 1998 - Нью Дели, Индия].

С целью выполнения поставленных задач по уменьшению содержания вредных примесей в продукции нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств необходимо максимально задействовать возможности катализаторов в реакторах, в частности обеспечить выравнивание поля скоростей на входе в слой для ликвидации явлений байпасирования и создание равномерных условий движения сырья в любых поперечных сечениях реакторов. Для этой цели служит система равномерно распределенных по поверхности тарелки отверстий. Но этого недостаточно. Каждое отверстие конструктивно оформляется путем установки в них форсунок или трубных распределителей различной конструкции.

Решению задачи распределения потока по реактору посвящены, особенно при подаче двухфазной среды «газ - жидкость», ряд изобретений, преимущественно, зарубежных патентов, например, патенты США №3218249, 3235344, 4126540, 4836989, 4235344, 3353924, 5942162. Для этой же цели может быть использовано изобретение России по патенту №2236900. Устройства по указанным патентам позволяют конструктивно оформить отверстия в распределительной тарелке для совместной или раздельной подачи жидкостной и газовой сред в зону над слоем катализатора. Однако все они имеют один существенный недостаток: выходные сечения этих отверстий открытые, а значит, как известно из гидродинамики, от каждого такого отверстия вниз по потоку будет формироваться так называемая затопленная струя с хорошо изученными и рассчитываемыми параметрами, т.е. вертикальной и горизонтальной составляющими вектора скоростей, что говорит о существенной неравномерности потока. Т.е. изобретения по этим патентам не в полной мере служат решению поставленной задачи.

Известен также принятый за прототип трубчатый распределитель тарелки высокодисперсного распределения, содержащий патрубок с радиальными отверстиями и цилиндрическим каналом для прохода газожидкостной смеси, на выходе которого перпендикулярно оси канала смонтирован рассекатель потока, выполненный в виде диска, смонтированного на некотором расстоянии от торца патрубка, при этом диск выполнен перфорированным, а диаметр его превышает калибр канала для прохода газожидкостной смеси (патент США 6613219 В2, 2003 г.).

Конструктивные решения прототипа, в том числе степень перфорации диска и расстояние между торцом патрубка и диском, направлены на более полное использование подушки из гранулированного твердого вещества - катализатора путем более эффективного разбрызгивания ГЖС.

Однако широкий диапазон указанных параметров, в том числе:

- степени перфорации рассекателя от 2 до 80%;

- расстояния между торцом патрубка и диском от 5 до 500 мм;

- диаметра проходных сечений канала для прохода ГЖС 0,3...10 см,

при высоких скоростях подачи сырья (смеси жидкости и газа) в реакторе, достигающих 15...30 м/с при общих объемных расходах 5...15 тыс. м³/час при давлениях от 10 до 40 и более атмосфер и температурах 250...550°С (при таких рабочих условиях через распределительные элементы скорость потока достигает 2...7 м/с), не обеспечивает выполнения требования равномерности поля скоростей по площади поперечного сечения реактора на входе в слой катализатора, что приводит к формированию на катализаторе так называемого «пескоструйного» потока, а это недопустимо, т.к. приводит к прежде временному разрушению дорогостоящего катализатора.

Задачами изобретения является обеспечение выравнивания полей скоростей потоков сырья в зоне между распределительной тарелкой и поверхностью слоя катализатора при подаче его в эту зону через систему отверстий.

Поставленная задача решается тем, что в трубчатом распределителе тарелки высокодисперсного распределения, содержащем патрубок с радиальными отверстиями и цилиндрическим каналом для прохода газожидкостной смеси (ГЖС), на выходе которого на некотором расстоянии от торца перпендикулярно оси канала смонтирован рассекатель потока, выполненный в виде перфорированного диска, диаметр которого превышает калибр (d_о) канала для прохода (ГЖС), диаметр диска и расстояния между торцом патрубка и диском выполнены соответственно равными (1,3...1,75) d _о и (0,95...1,05) d_о, а степень перфорации диска составляет 15...27% от величины площади его торцовой поверхности.

Равномерным размещением достаточного количества указанных трубчатых распределителей по поверхности тарелки в поперечном сечении реактора обеспечиваются наилучшие условия выравнивания поля скоростей на входе в слой катализатора, что и является решением поставленной задачи, что подтверждается результатами исследований, проведенных на специально созданной проливочной установке.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает изобретательским уровнем, так как совокупность известных и отличительных признаков данного устройства обуславливает новое свойство, дающее требуемый технический эффект: выравнивание поля скоростей потока сырья в поперечном сечении реактора на входе в слой катализатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид трубчатого распределителя тарелки высокодисперсного распределения, на фиг.2 - сечение А - А на фиг.1.

Трубчатый распределитель состоит из цилиндрического патрубка 1 с радиальными отверстиями 2 и рассекателя потока 3. Трубчатый распределитель монтируется на распределительной тарелке 4. Рассекатель потока 3 выполнен в виде диска, перфорированного отверстиями 5. Степень перфорации диска составляет 15...27% его площади. Диаметр D диска рассекателя потока 3 выполнен равным (1,3...1,75) do калибра 9 патрубка 1. На патрубке 1 сделаны стойки 6 для крепления рассекателя потока 3. Длина стоек 6 выполнена такой, чтобы между торцом 7 патрубка 1 и плоскостью 8 диска рассекателя потока 3 расстояние L было равным (0, 8...1,5) do калибра канала 9 патрубка 1 для прохода газожидкостной смеси.

При прохождении сырья через трубчатый рассекатель пар (газ) проходит в рабочую зону реактора, где установлен катализатор, по каналу 9. Жидкость попадает в эту зону через радиальные отверстия 2. При этом в рабочей зоне за рассекателем потока 3 перед слоем катализатора формируется спокойный высокодисперсный поток газожидкостной смеси, характеризующийся равномерным профилем скоростей и уменьшением размера вихревых структур потока. Равномерным размещением достаточного количества распределителей по поверхности тарелки в поперечном сечении реактора обеспечиваются наилучшие условия выравнивания поля скоростей на входе в слой катализатора, что и является решением поставленной задачи.

Это создает наилучшие условия для работы реактора в процессе гидроочистки сырья, обеспечивает высокую степень очистки сырья от серы и одновременно позволяет увеличить срок службы катализатора.

Пример реализации.

Трубчатый распределитель:

- внутренний диаметр цилиндрического патрубка - do=21,0 мм;

- система входных боковых отверстий - 4 отв. диаметром 4 мм, 1 отв. диаметром 3 мм;

- диаметр рассекателя - d=1,5 do=31,5 мм;

- степень перфорации 21%: 9 отв. диаметром 4,83 мм, равномерно размещенных по площади рассекателя);

- рассекатель установлен на двух стойках на расстоянии l=0,95 do=20 мм.

Трубчатые распределители прошли экспериментальную проверку на работоспособность на проливочном стенде. Результаты отражены в научно-техническом отчете НТО-Р-02-2004 фирмы «Рифинг». На фиг.3 представлена типичная картина течения жидкости в зоне перед слоем катализатора, формируемая трубчатым распределителем фирмы «Shell», которая показывает, что данная конструкция формирует вихревую систему течения в исследуемой зоне, что говорит о значительной неравномерности поля скоростей потока на входе в слой катализатора. На фиг.4 показана типичная структура потока в зоне между распределительной тарелкой и поверхностью слоя катализатора, формируемая заявляемым трубчатым распределителем, которая иллюстрирует равномерность формирования структуры течения уже с расстояний (3...5) do диаметра калибра патрубка. Как показали эксперименты, заявляемые параметры трубчатого распределителя являются оптимальными, т.е. создающими наиболее равномерный поток в рабочей зоне.

Предложенные трубчатые распределители установлены на распределительных тарелках 6-ти реакторов установки гидроочистки дизельного топлива (г.Уфа). Успешная эксплуатация их ведется с августа 2004 г.

Предполагается дальнейшее применение предложения в аналогичных реакторах при модернизации внутренних устройств реакторов гидроочистки нефтеперерабатывающих заводов.