Реактор для синтеза ароматических углеводородов

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии и может быть использовано для процессов превращения легких углеводородов в ароматические углеводороды. Реактор включает корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемую горизонтальную перегородку, на которой расположен неподвижный слой гранулированных частиц катализатора. Внутри реактора с зазором к основному корпусу установлена дополнительная внутренняя стенка, выполненная из листового металла, верхняя часть которой соединена с основным корпусом, а нижняя часть - с газопроницаемой горизонтальной перегородкой. На входном штуцере установлено распределительное устройство, состоящее из входного канала кольцевой формы, центрального осесимметричного выходного канала, нескольких соединяющих указанные каналы патрубков, расположенных тангенциально к указанному выходному каналу, и отбойного диска. Обеспечивается гомогенное перемешивание двухфазного потока на входе в реактор и его равномерное распределение на слой катализатора, снижение теплопотерь через стенки реактора и подвод дополнительного тепла в нижнюю часть слоя катализатора. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии и может быть использовано для процессов превращения легких углеводородов в ароматические углеводороды.

Процесс превращения легких углеводородов C₁-C₆ на металлсодержащих цеолитных катализаторах, чаще всего со структурой ZSM-5, проводится с целью получения суммы ароматических углеводородов, преимущественно бензола, толуола и ксилолов. Процесс ароматизации представляет собой последовательность реакций, характеризующихся различными скоростями и тепловыми эффектами. В течение каждой элементарной реакции может происходить как выделение тепла (экзотермический эффект реакции), так и поглощение тепла (эндотермический эффект реакции). Суммарный тепловой эффект процесса ароматизации зависит от вклада каждой элементарной реакции в общую схему превращения легких углеводородов. В целом, процесс ароматизации легких углеводородов является эндотермической реакцией и проходит с поглощением тепла.

В ходе процесса наряду с образованием суммы ароматических углеводородов С₆-С₁₂ на поверхности катализатора происходит накопление недесорбируемых веществ, представляющих собой полициклические структуры. Эти коксовые отложения уменьшают активность катализатора и приводят к снижению выхода ароматических соединений. Скорость падения выхода целевых продуктов зависит как от свойств применяемого катализатора, так и от условий, в которых проводится каталитический процесс.

Известны несколько попыток промышленной реализации процесса ароматизации легких углеводородов. Наиболее известной и проработанной среди остальных является процесс «Циклар», совместная разработка «Бритиш Петролеум» и «Юниверсал Ойл Продактс». Для процесса используется реактор с движущимся слоем катализатора, разработка фирмы «Юниверсал Ойл Продактс», с регенерацией закоксованного катализатора вне реактора и рециркуляцией непревращенных продуктов. Этот процесс вскоре после его запуска в конце 80-х годов прошлого столетия был законсервирован в связи с экономической нецелесообразностью его промышленной реализации. Единственная промышленная установка была построена в 1997 году и пущена в эксплуатацию только в 2003 году в Саудовской Аравии. Сложность и повышенная стоимость процесса заключалась в использовании реактора с движущимся слоем катализатора, включающего в себя систему рециркуляции катализатора, а также в применении системы непрерывной регенерации закоксованного катализатора. Использование сложной конструкции реактора было обусловлено невысокой стабильностью действия примененного цеолитсодержащего катализатора, что находило отражение в быстром падении выхода ароматических продуктов.

Однако известно, что в процессе ароматизации могут использоваться и реакторы проточного типа. Применение таких реакторов стало возможным в связи с разработкой катализаторов превращения легких углеводородов с повышенным временем стабильной работы. Известны несколько методов улучшения стабильности катализаторов ароматизации, при этом время межрегенерационного пробега может составлять несколько десятков часов, что позволяет рассматривать возможность использования реактора проточного типа в процессе ароматизации. Однако при этом дальнейшее улучшение показателей процесса невозможно без усовершенствования конструкции проточного реактора с учетом особенностей реакции превращения легких углеводородов. Основными факторами, влияющими на полноту протекания реакции и достижение максимального выхода целевых продуктов, являются равномерность распределения исходной смеси по слою катализатора, а также снижение температурных градиентов в реакторе, которые обусловлены тепловыми эффектами реакции и теплопотерями через стенки реактора.

Известно, что эффективность каталитического гетерогенного процесса зависит от характера распределения технологических параметров в слое катализатора. Для создания оптимальных условий проведения процесса необходимо обеспечить равномерное распределение потока на входе в слой катализатора. Эта проблема становится особо актуальной в случае двухфазного (жидкость-газ) входного потока, имеющего место для многих процессов переработки углеводородов, в том числе и в процессе переработки легких углеводородов при повышенных значениях температуры и давления. Для создания этих условий используют специальные конструкции распределителей потока, которые устанавливают на входе в реактор перед слоем катализатора. Кроме того, необходимо создание оптимального распределения температуры в слое. Как правило, это заданный градиент температуры по длине слоя, который организуют различными методами подвода или отвода тепла по длине слоя. Равномерное распределение температуры в поперечных сечениях слоя обеспечивают, снижая теплопотери через стенки реактора.

Известны конструкции распределителей входного потока, которые достаточно эффективно работают в случае однофазного потока [Ч.Сеттерфилд. Практический курс гетерогенного катализа. М., «Мир», 1984, с.404]. При распределении двухфазного потока газ-жидкость такие конструкции, как правило, не обеспечивают однородное распределение обеих составляющих реакционного потока.

Традиционно, в нефтепереработке для распределения двухфазного потока используют устройства, выполненные в виде т.н. колпачковых решеток [Г.Л.Вихман, С.А.Круглов. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов. М., Машиностроение. 1978. Стр.230]. Это устройство характеризуется сравнительной простотой конструкции и незначительным гидравлическим сопротивлением. Известны модификации колпачковых решеток [пат. РФ №2192303, B01J 8/02; №2206383, B01J 8/00]. Общим недостатком такого типа распределительного устройства является дискретный характер ввода жидкой фазы в слой катализатора из-за конечного числа отверстий, через которые происходит перелив жидкой составляющей потока на нижележащий слой. Кроме того, эффективность такого устройства критична к его монтажу в реакторе. Незначительные отклонения от горизонтального расположения приводят к перетоку жидкости по поверхности колпачковой решетки к пониженному участку и преимущественному поступлению жидкости в слой в этом месте.

Известны конструкции каталитических реакторов, в которых снижение теплопотерь через стенки реактора достигается установкой внутри реактора дополнительной стенки, размещенной с зазором к основной стенке, и пропусканием через зазор всего реакционного потока [пат. РФ №2070827, B01J 8/04]. Последнее ограничивает возможности оптимизации температурного режима в слое катализатора из-за невозможности регулировки расхода.

Наиболее близким по количеству сходных признаков к заявляемому является реактор для проведения каталитических процессов [пат. РФ №1594755, B01J 8/02]. Реактор имеет корпус, штуцера для ввода исходной реакционной смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемую перегородку, на которой размещен слой катализатора, распределительное устройство, установленное на входе в реактор. Распределительное устройство состоит из размещенного аксиально в реакторе патрубка, заглушенного снизу и имеющего боковые окна для ввода углеводородного сырья и тангенциально размещенного горизонтального патрубка для ввода водяного пара. Ниже патрубка для ввода углеводородного сырья размещен перфорированный диск. Этот реактор принят за прототип изобретения.

Указанная конструкция имеет ограничения в применении, связанные с тем, что для качественного распределения реакционной смеси в реактор необходимо подать на вход два потока, один из которых, в данном случае это водяной пар, должен обладать сравнительно большим запасом энергии для аксиальной закрутки и распределения всего потока по сечению реактора.

Изобретение направлено на достижение гомогенного перемешивания двухфазного потока легких углеводородов на входе в реактор и его равномерного распределения на слой катализатора, снижение теплопотерь через стенки реактора и подвод дополнительного тепла в нижнюю часть слоя катализатора. Это позволяет обеспечить проведение эндотермических реакций в условиях, близких к оптимальным, практически полностью устранить возникновение неоднородностей двухфазного потока в слое катализатора.

Указанный результат достигается тем, что реактор для синтеза ароматических углеводородов путем каталитического превращения легких углеводородов включает корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемую горизонтальную перегородку, на которой расположен неподвижный слой гранулированных частиц катализатора, дополнительную стенку, выполненную из листового металла и установленную внутри реактора с зазором к основному корпусу, причем верхняя часть стенки соединена с указанным корпусом, а нижняя часть - с газопроницаемой горизонтальной перегородкой, распределительное устройство, установленное на входном штуцере и состоящее из входного канала кольцевой формы, центрального осесимметричного выходного канала, нескольких соединяющих указанные каналы патрубков, расположенных тангенциально к указанному выходному каналу, и отбойного диска. Цилиндрическая стенка имеет высоту не менее высоты слоя катализатора и имеет ряд отверстий, расположенных выше верхней границы слоя катализатора, и ряд отверстий в нижней части для обеспечения прохождения доли реакционного потока через зазор между корпусом реактора и цилиндрической стенкой, причем указанные отверстия имеют размеры, обеспечивающие прохождение через указанный зазор объемной доли всего реакционного потока, необходимого для компенсации тепловых потерь используемого каталитического процесса. Указанный ряд отверстий в нижней части цилиндрической стенки расположен на высоте 0-0.3 высоты слоя катализатора, преимущественно 0.1-0.15 указанной высоты. Указанные соединительные патрубки распределительного устройства могут располагаться в несколько рядов по высоте преимущественно от 1 до 3 рядов, а отношение длины соединительных патрубков к их поперечному размеру выбрано не менее 2. Отбойный диск распределительного устройства расположен горизонтально с зазором по высоте от нижнего среза указанного центрального осесимметричного выходного канала.

На фиг.1 показан в разрезе реактор для проведения гетерогенных каталитических реакций, в частности реакций превращения легких углеводородов. На фиг.2 в увеличенном масштабе изображен фрагмент реактора, включающий слой катализатора, внешнюю и внутреннюю стенки реактора. На фиг.3 показано распределительное устройство, установленное на входном штуцере.

Реактор для для синтеза ароматических углеводородов путем каталитического превращения легких углеводородов состоит из корпуса 1, крышки 2 и днища 3, штуцеров для ввода исходной газовой смеси 4 и вывода целевого продукта 5, горизонтальной газопроницаемой перегородки 6, на которой помещен слой катализатора 7, внутренней стенки 8, имеющей верхний 9 и нижний 10 ряд отверстий для прохода части реакционной смеси, кольцевого канала 11 на входе в распределительное устройство 12, соединительных патрубков 13, выходного канала 14, расположенного осесимметрично в реакторе, отбойного диска 15, прикрепленного к распределительному устройству 12 стойками 16.

Реактор работает следующим образом. Поток исходной смеси углеводородного газа и жидкости поступает в реактор через входной штуцер 4 и распределительное устройство 12. Проходя через кольцевой канал 11 и тангенциально расположенные соединительные патрубки 13 газожидкостный поток приобретает в выходном канале 14 осевую закрутку, диспергируется за счет повышения скорости потока и затем, обтекая отбойный диск 15, распределяется равномерно по сечению реактора. Далее основная часть потока проходит через слой катализатора 7, а небольшая часть потока проходит через верхний ряд отверстий 9 в кольцевой зазор, образованный корпусом реактора 1 и внутренней стенкой 8, и затем через нижний ряд отверстий 10 в стенке 8 поступает в нижнюю часть слоя катализатора 7. Такое частичное байпасирование газовой фазы потока обеспечивает дополнительную теплоизоляцию слоя катализатора и подвод дополнительного тепла в нижнюю часть слоя. Это имеет большое значение в случае проведения эндотермических реакций для оптимизации температурных профилей в слое катализатора и повышения выхода целевого продукта. После прохождения слоя 7 поток проходит газопроницаемую перегородку 6 и выходит за пределы реактора через выходной штуцер 5.

1. Реактор для синтеза ароматических углеводородов путем каталитического превращения легких углеводородов, включающий корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемую горизонтальную перегородку, на которой расположен неподвижный слой гранулированных частиц катализатора, отличающийся тем, что внутри реактора с зазором к основному корпусу установлена дополнительная стенка, выполненная из листового металла, верхняя часть которой соединена с основным корпусом, а нижняя часть - с газопроницаемой горизонтальной перегородкой, а на входном штуцере установлено распределительное устройство, состоящее из входного канала кольцевой формы, центрального осесимметричного выходного канала, нескольких соединяющих указанные каналы патрубков, расположенных тангенциально к указанному выходному каналу, и отбойного диска.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что указанная дополнительная стенка имеет высоту не менее высоты слоя катализатора.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что указанная дополнительная стенка имеет ряд отверстий, расположенных выше верхней границы слоя катализатора, и ряд отверстий в нижней части для обеспечения прохождения доли реакционного потока через зазор между корпусом реактора и дополнительной стенкой.

4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что указанный ряд отверстий в нижней части дополнительной стенки расположен на высоте 0-0,3 высоты слоя катализатора, преимущественно 0,1-0,15 указанной высоты.

5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что указанные соединительные патрубки могут располагаться в несколько рядов по высоте, преимущественно от 1 до 3 рядов, а отношение длины соединительных патрубков к их поперечному размеру выбрано не менее 2.

6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что отбойный диск расположен горизонтально с зазором по высоте от нижнего среза указанного центрального осесимметричного выходного канала.