Способ загрузки катализаторов в реакторы технологических установок
Изобретение относится к нефтепереработке, нефтехимии и химии для создания однородного по своим физическим характеристикам стационарного слоя катализаторов, используемых в гетерогенных процессах, например в процессах риформинга, изомеризации, гидрооблагораживания нефтяных фракций. Загрузка катализаторов в реакторы технологических установок осуществляется путем их подачи в реактор через загрузочное устройство, состоящее из последовательно соединенных между собой приемной воронки, соединительного трубопровода и распределительного аппарата. Распределительный аппарат представляет собой цилиндрический корпус, оборудованный дозатором, рассекателем, насадкой и источником вращательного движения насадки. Равномерное распределение частиц катализатора достигается изменением величины давления, поступающего в источник вращательного движения насадки воздуха или инертного газа. Величина давления определяется по эмпирической формуле: Р=1,665+(100/Н)2+50/Н+0,0047·В+0,3·П, где Р- давление, кг/см2; Н - высота падения частиц катализатора, см; В - радиус распределения частиц, см; П - насыпная плотность катализатора, г/см3. В качестве насадки используются лопасти из эластичного прорезиненного материала. Длина лопастей равна 0,26-0,34 от радиуса загружаемого реактора. Техническим результатом является равномерное распределение частиц катализатора по поперечному сечению загружаемого реактора и по высоте слоя катализатора, что позволяет формировать слой катализатора однородной структуры по объему загружаемого реактора или иной емкости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Изобретение относится к нефтепереработке, нефтехимии и химии для создания однородного по своим физическим характеристикам стационарного слоя катализаторов, используемых в гетерогенных процессах, например в процессах риформинга, изомеризации, гидрооблагораживания нефтяных фракций.
При загрузке катализаторов в реакторы важно создание однородного по своим физическим характеристикам (насыпная плотность, порозность) слоя катализатора. Это позволяет избежать возникновения канальных проскоков сырья, приводящих к байпасированию катализатора, и позволяет максимально использовать имеющийся объем реакционной зоны. Равномерная загрузка катализаторов в реакторы позволяет распределять частицы упорядоченно по всему объему реакционной зоны, в результате чего количество загруженного катализатора по сравнению с загрузкой рукавным методом (навалом) увеличивается в 1,10-1,15 раза, что приводит к увеличению активной поверхности в зоне реакции.
Увеличение общего количества загруженного катализатора при использовании способа равномерной загрузки приводит к некоторому повышению начального перепада давления по слою катализатора. Но при этом в процессе эксплуатации исключается рост перепада давления, связанный с естественным уплотнением слоя катализатора за счет сдвига частиц катализатора относительно друг друга, их истирания и измельчения.
Известны способы загрузки катализаторов гетерогенных процессов в реакторы с использованием загрузочных устройств, действие которых основано на использовании центробежной силы и гравитации. Все эти устройства состоят из приемного бункера для загрузки сыпучего материала, соединительного трубопровода, распределительного аппарата. Существующие загрузочные устройства различаются между собой главным образом конструкцией распределительного аппарата.
Известны способы загрузки катализаторов и других сыпучих материалов в реакторы с применением распределительных аппаратов, работа которых основана на использовании энергии сжатого газа.
К числу таких способов относится, например, способ с применением распределительного аппарата [Пат. РФ № 2111911], состоящего из полого открытого в нижней части корпуса, отражающей пластины с зазором ниже полого корпуса, имеющей поперечное сечение большее, чем поперечное сечение полого корпуса, и патрубка, установленного в полом корпусе и сопряженного с источником газа таким образом, чтобы обеспечивался проток газа в названном зазоре.
На этом же принципе основана работа распределительного аппарата [Пат. США № 3949908], состоящего из полого открытого в нижней части корпуса и отражательной пластины, выполненной с большим поперечным сечением относительно поперечного сечения полого корпуса, а также патрубка, размещенного в полом корпусе и соединенного с источником газа.
Применение указанных способов загрузки катализаторов и других сыпучих материалов в реакторы позволяет обеспечить равномерность загрузки только по поперечному сечению реактора и только полых реакторов без каких-либо внутренних устройств. При загрузке реакторов, внутри которых расположены трубы подачи газосырьевой смеси или сбора газопродуктовой смеси, например реактора с радиальным вводом сырья, равномерность распределения катализатора по поперечному сечению нарушается.
Основным недостатком описанных способов является то, при их использовании не достигается равномерности распределения частиц катализатора по высоте слоя катализатора, а также при наличии конструкций внутри реактора - и по поперечному сечению загружаемого реактора.
Известны способы загрузки катализаторов или других сыпучих материалов в реакторы с использованием распределительных аппаратов, в которых распределение частиц осуществляется вращением насадки распределителя частиц, выполненной в форме горизонтального патрубка, закрытого с торцов и имеющего отверстия на боковой поверхности для прохождения и распределения сыпучего материала [патент США № 3995753], либо в форме плоской горизонтально расположенной пластины с вертикальными перегородками, размещенными по радиальным направлениям от оси вращения этой пластины [патент Франции № 2582955]. Указанные способы можно использовать только при загрузке катализаторов, обладающих повышенной прочностью, так как столкновение частиц катализатора с вращающимися деталями устройства приводит к частичному разрушению этих частиц, что в дальнейшем отрицательно сказывается на эксплуатации загруженного катализатора.
Наиболее близким по принципу действия к предлагаемому изобретению является способ загрузки катализаторов в реакторы технологических установок с использованием распределительного аппарата, насадка распределителя частиц которого состоит из набора пластин, подвижно закрепленных одним концом на вращающемся валу [Пат. Франции № 2431449]. Основным недостатком данного способа является то, что равномерность распределения катализатора достигается только по поперечному сечению загружаемого реактора, по высоте загружаемого слоя катализатора плотность слоя непостоянна. Столкновение частиц катализатора с вращающимися металлическими пластинами приводит к частичному разрушению этих частиц и росту перепада давления по слою катализатора.
При нарушении равномерности загрузки катализатора по объему реактора при эксплуатации могут возникать канальные проскоки сырья, приводящие к снижению степени использования загруженного объема катализатора и соответственно к снижению степени превращения сырья. Наблюдающиеся при этом локальные перегревы по слою катализатора приводят к повышенному коксообразованию и росту перепада давления, что в конечном итоге вызывает необходимость проведения частых перегрузок катализатора.
Предлагаемое изобретение позволяет проводить равномерную загрузку и формировать однородный по своим физическим характеристикам слой катализатора по всему объему реактора независимо от размеров и конструкции последнего.
Поставленная задача решается тем, что загрузка катализаторов в реакторы технологических установок осуществляется путем их подачи в реактор через загрузочное устройство, состоящее из последовательно соединенных между собой приемной воронки, соединительного трубопровода и распределительного аппарата, представляющего собой цилиндрический корпус, оборудованный дозатором, рассекателем, насадкой и источником вращательного движения насадки, отличающийся тем, что распределение частиц катализатора равномерно по объему загружаемого реактора достигается изменением величины давления поступающего в источник вращательного движения насадки воздуха или инертного газа, которая определяется по эмпирической формуле
Р=1,665+[100/Н]2+50/Н+0,0047·В+0,3·П, где
Р - давление, кг/см3;
Н - высота падения частиц катализатора, см;
В - радиус распределения частиц, см;
П - насыпная плотность катализатора, г/см3.
В качестве насадки используются вращающиеся лопасти, выполненные из эластичного прорезиненного материала длиной, равной 0,26-0,34 от радиуса загружаемого реактора.
Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что распределение частиц катализатора равномерно по объему загружаемого реактора достигается изменением величины давления поступающего в источник вращательного движения насадки воздуха или инертного газа, которая определяется по эмпирической формуле
Р=1,665+[100/Н]2+50/Н+0,0047·В+0,3·11, где
Р - давление, кг/см2;
Н - высота падения частиц катализатора, см;
В - радиус распределения частиц, см;
П - насыпная плотность катализатора, г/см3.
В качестве насадки используются вращающиеся лопасти, выполненные из эластичного прорезиненного материала длиной, равной 0,26-0,34 от радиуса загружаемого реактора.
Использование в качестве насадки вращающихся лопастей, выполненных из эластичного прорезиненного материала, длина которых зависит от радиуса загружаемого реактора и определяется в соответствии с формулой предлагаемого изобретения, позволяет сохранить целостность частиц загружаемого катализатора и регулировать равномерное распределение катализатора по поперечному сечению реактора.
Изменение величины давления поступающего в источник вращательного движения насадки воздуха или инертного газа в зависимости от радиуса распределения частиц катализатора, высоты падения частиц катализатора и насыпного веса катализатора в соответствии с формулой предлагаемого изобретения позволяет формировать однородный по своим характеристикам (насыпная плотность, порозность) слой катализатора по всему объему реактора.
В известных способах применение описанной технологии неизвестно.
Таким образом, данное техническое решение соответствует критериям "новизна" и "существенное отличие".
Общий вид загрузочного устройства приведен на фиг.1.
При загрузке катализатора распределительный аппарат 14 устанавливается внутри загружаемой емкости (реактора), при этом необходимо соблюдать его центровку по оси загружаемого реактора. Приемная воронка 13 размещается вне загружаемого реактора и соединяется с распределительным аппаратом 14 посредством трубопровода 12. Распределительный аппарат 14 соединяется также с источником воздуха или инертного газа шлангом 8. На линии подачи воздуха или инертного газа установлены блок подготовки 10, включающий в себя лубрикатор и регулятор давления, и включатель 9.
Распределительный аппарат 14 представляет собой цилиндрический корпус 11, в верхней части которого помещается дозатор 2, представляющий собой воронку с центральным отверстием. Под дозатором 2 расположен рассекатель 3, выполненный в виде усеченного конуса. Под рассекателем 3 расположен двигатель 4, являющийся источником вращательного движения насадки, к штуцеру подвода воздуха 7 которого подсоединяется воздушный шланг 8. К валу двигателя 5 крепится насадка 6.
Загрузочное устройство описанной конструкции работает следующим образом.
Катализатор подается в приемную воронку 13 и под действием гравитационных сил поступает по соединительному трубопроводу 12 в распределительный аппарат 14. Соединительный трубопровод 12 присоединяется к штуцеру подачи катализатора 1 распределительного аппарата 14. Катализатор поступает в дозатор 2, расположенный в цилиндрическом корпусе 11 распределительного аппарата. При прохождении через воронкообразный дозатор формируется равномерный поток катализатора по центральной оси распределительного аппарата. Из дозатора катализатор поступает на рассекатель 3, который обеспечивает равномерное распределение потока катализатора по поперечному сечению цилиндрического корпуса 11. Далее частицы катализатора попадают на вращающиеся лопасти насадки 6, где им придается центробежное ускорение, которое обеспечивает движение частиц в радиальных направлениях. Лопасти насадки 6 изготовлены из прорезиненного материала, что позволяет избежать разрушения частиц катализатора при их взаимодействии с лопастями.
Источником вращательного движения насадки является пневматический двигатель 4. Давление воздуха или инертного газа, подводимого к двигателю 4, регулируется регулятором давления, расположенным в блоке подготовки воздуха 10, что позволяет изменять скорость вращения источника вращательного движения насадки - двигателя 4 и, следовательно, изменять величину прилагаемой к частицам катализатора центробежной силы. Давление подаваемого к двигателю 4 воздуха или инертного газа определяется по описанной эмпирической формуле предлагаемого изобретения. Это дает возможность распределять частицы катализатора на заданные расстояния от распределителя, определяемые как радиус распределения частиц, обеспечивая тем самым равномерное распределение частиц по поперечному сечению загружаемого реактора и изменять величину придаваемого частицам ускорения, что обеспечивает равномерное распределение частиц по всей высоте слоя катализатора.
Таким образом, применение предлагаемого способа загрузки катализатора в реактор позволяет равномерно распределять частицы катализатора по поперечному сечению загружаемого реактора и по высоте слоя катализатора. Это дает возможность формировать слой катализатора однородной структуры по объему загружаемого реактора или иной емкости.
Примеры.
В таблице 1 приведены исходные данные, используемые при проведении загрузок (радиус загружаемого реактора, радиус распределения частиц, высота падения частиц и насыпной вес загружаемого катализатора).
| Таблица 1 | ||||
| Номер загрузки | Радиус реактора, см | Радиус распределения частиц, см | Высота падения частиц, см | Насыпной вес катализатора, г/см3 |
| 1 | 80 | 50 | 400 | 0,720 |
| 2 | 80 | 80 | 100 | 0,720 |
| 3 | 140 | 140 | 600 | 0,720 |
| 4 | 140 | 140 | 100 | 0,720 |
| 5 | 140 | 140 | 600 | 0,770 |
Ниже приводится пример 1 осуществления способа загрузки катализатора, которым иллюстрируется предлагаемое техническое решение.
Пример 1.
Исходные данные:
Загрузка катализатора проводится в реактор с внутренним радиусом 80 см.
Высота слоя катализатора, соответствующая максимальной (начальной) высоте падения частиц, составляет 440 см.
Насыпной вес катализатора 0.720 г/см3.
Проведение загрузки:
Величину давления изменяют два раза на каждые 100 см высоты слоя катализатора:
- для распределения катализатора вблизи стенок реактора, принимая радиус распределения частиц 80 см,
- для распределения катализатора по центру реактора, принимая радиус распределения частиц 50 см.
Катализатор в распределительное устройство подается порциями. Объем порции катализатора зависит от радиуса реактора и определяется по формуле:
V=3.14·100·R2/2, гдe
V - объем порции катализатора, см3,
R - внутренний радиус реактора, см,
100 - высота слоя катализатора, соответствующая загрузке двух порций, см.
По условиям данного примера объем каждой порции составляет 1 м3.
Перед началом загрузки проводят расчет значений величины давления воздуха соответствующих значению высоты падения частиц и радиусу их распределения:
| Таблица 2 | ||
| Высота падения, см | Радиус распределения, см | Давление, л кг/см |
| 440 | 80 | 2.42 |
| 440 | 50 | 2.26 |
| 340 | 80 | 2.46 |
| 340 | 50 | 2.32 |
| 240 | 80 | 2.62 |
| 240 | 50 | 2.48 |
| 140 | 80 | 3.11 |
| 140 | 50 | 2.97 |
| 40 | Загрузка завершена |
Устанавливают давление воздуха 2.42 кг/см2, соответствующее максимальной высоте падения частиц и радиусу распределения 80 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
Устанавливают давление воздуха 2.26 кг/см2, соответствующее максимальной высоте падения частиц и радиусу распределения 50 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
Устанавливают давление воздуха 2.46 кг/см2, соответствующее высоте падения частиц 340 см и радиусу распределения 80 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
Устанавливают давление воздуха 2.32 кг/см2, соответствующее высоте падения частиц 340 см и радиусу распределения 50 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
Устанавливают давление воздуха 2.62 кг/см2, соответствующее высоте падения частиц 240 см и радиусу распределения 80 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
Устанавливают давление воздуха 2.48 кг/см2, соответствующее высоте падения частиц 240 см и радиусу распределения 50 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
Устанавливают давление воздуха 3.11 кг/см2, соответствующее высоте падения частиц 140 см и радиусу распределения 80 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
Устанавливают давление воздуха 2.97 кг/см2, соответствующее высоте падения частиц 140 см и радиусу распределения 50 см.
В этих условиях в распределительное устройство подают порцию катализатора объемом 1 м3.
После выполнения всех перечисленных действий загрузка считается законченной.
В таблице 3 приведены параметры, при которых с использованием описанного способа проведены загрузки по примерам 1-9 и результаты эксплуатации катализатора, загруженного в соответствии с условиями этих примеров.
Изменение величины давления подаваемого в источник вращательного движения воздуха или инертного газа при различных значениях радиуса распределения частиц и насыпной плотности катализатора равной 0,72 г/см3 обеспечивающее при проведении загрузки равномерность распределения частиц по всему объему реактора приведено на фиг.2.
Результаты применения описанного способа загрузки оценивались по насыпной плотности сформированного слоя, перепаду давления в начальный период и через 12 месяцев эксплуатации катализатора и конверсии сероорганических соединений в процессе гидроочистки дизельной фракции с содержанием серы 1,2 мас.%, при давлении на входе в реактор 30 ати, объемной скорости подачи сырья 2,5 ч-1, температуре на входе в реактор 340°С.
Видно, что при реализации примеров 1-5, соответствующих формуле предлагаемого изобретения, получаемые результаты значительно отличаются от результатов примеров 6-9, выполненных с нарушением формулы предлагаемого изобретения и примеров 10 (прототип) и 11 (загрузка без использования распределительного устройства). Изменение перепада давления по реактору в процессе эксплуатации при загрузке с применением описанного способа составляет 20-30 отн.%, в то время как при загрузке по примеру 11 (без использования загрузочного устройства) - 300 отн.% Отклонения от условий загрузки по формуле предлагаемого изобретения (пример 6-7), нарушение конструкции и материального исполнения насадки (пример 8-9) приводят к повышению перепада давления по слою катализатора как в начальный период, так и через 12 месяцев эксплуатации, что отрицательно сказывается на условиях эксплуатации катализаторов, и снижению конверсии сероорганических соединений (примеры 6-10).
| Таблица 3 | ||||||||
| Пример | Насадка | Давление воздуха или инертного газа, кг/см2 | Номер загрузки | Насыпная плотность слоя, г/см3 | Показатель эксплуатации | |||
| Перепад давления по слою катализатора, кг/см2 | Конверсия серосодержащих соединений, отн.% | |||||||
| длина лопасти, см | материал | |||||||
| в начале цикла | через 12 месяцев | |||||||
| Пример 1 | 24,0 | резина | 2,30 | 1 | 0,756 | 0,3 | 0,4 | 98,1 |
| Пример 2 | 24,0 | резина | 3,80 | 2 | 0,756 | 0,3 | 0,4 | 98,1 |
| Пример 3 | 42,0 | резина | 2,65 | 3 | 0,756 | 0,6 | 0,7 | 98,0 |
| Пример 4 | 42,0 | резина | 4,04 | 4 | 0,756 | 0,6 | 0,70 | 98,0 |
| Пример 5 | 42,0 | резина | 2,67 | 5 | 0,756 | 0,6 | 0,70 | 98,0 |
| Пример 6 | 20,0 | резина | 3,0 | 1 | 0,763 | 0,45 | 0,6 | 96,8 |
| Пример 7 | 35,0 | резина | 3,5 | 1 | 0,765 | 0,55 | 0,7 | 96,9 |
| Пример 8 | 42,0 | металл | 3,0 | 3 | 0,760 | 0,7 | 1,0 | 97,5 |
| Пример 9 | металлический диск | 3,0 | 3 | 0,768 | 0,85 | 1,25 | 97,2 | |
| Пример 10 (прототип) | Не оговорены | 3 | 0,75 | 1,1 | 96,3 | |||
| Пример 11 | Загрузка через рукав | 1 | 0,660 | 0,2 | 0,8 | 95,6 |
1. Способ загрузки катализаторов в реакторы технологических установок путем их подачи в реактор через загрузочное устройство, состоящее из последовательно соединенных между собой приемной воронки, соединительного трубопровода и распределительного аппарата, представляющего собой цилиндрический корпус, оборудованный дозатором, рассекателем, насадкой и источником вращательного движения насадки, отличающийся тем, что распределение частиц катализатора равномерно по объему загружаемого реактора достигается изменением величины давления, поступающего в источник вращательного движения насадки воздуха или инертного газа, которая определяется по эмпирической формуле:
Р=1,665+(100/Н)2+50/Н+0,0047·В+0,3·П, где
Р - давление, кг/см2;
Н - высота падения частиц катализатора, см;
В - радиус распределения частиц, см;
П - насыпная плотность катализатора, г/см3.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве насадки используются лопасти, выполненные из эластичного прорезиненного материала, длиной, равной 0,26-0,34 от радиуса загружаемого реактора.
