Проточный реактор с радиальным потоком и способ обработки жидкого потока реагентов - RU2234975C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в основном относится к конструкции проточных реакторов с радиальным потоком и с комплексным теплообменом, а также к способам использования данного аппарата для проведения каталитических процессов переработки углеводородов.

Уровень техники

В ряде случаев для ускорения общепринятых технологических процессов переработки углеводородов используют контактирование углеводородов с определенным катализатором в неподвижном или псевдоожиженном слое в контролируемых условиях температуры и давления. Один из таких общепринятых процессов обработки углеводородов включает каталитическое дегидрирование алкилароматического углеводорода в присутствии пара с образованием соответствующего алкенилароматического углеводорода, например дегидрирование этилбензола с образованием стирола, как указано в патенте США № 5461179 (Chen и соавт.), который включен в описание изобретения в качестве ссылки.

Эффективность таких каталитических процессов обработки углеводородов в большинстве случаев можно повысить путем использования серии из двух или более расположенных последовательно слоев катализатора. Таким образом, поток из первого слоя катализатора или реакционной зоны, содержащий преобладающее количество требуемого целевого продукта вместе с непрореагировавшим углеводородом, поступает во второй слой катализатора или реакционную зону, расположенную ниже по потоку, где происходит дальнейшая реакция с целью повышения концентрации целевого продукта в потоке, поступающем из второго слоя катализатора или реакционной зоны. Аналогичным образом, при необходимости могут быть последовательно установлены третий, четвертый и другой дополнительный слои катализатора или дополнительные реакционные зоны.

Для соответствующей подготовки потока, поступающего из верхнего слоя катализатора/реакционной зоны, для дальнейшего превращения в требуемый целевой продукт в следующем расположенном ниже по потоку слое катализатора/реакционной зоне, указанный поток необходимо нагреть или охладить (в зависимости от эндотермического или экзотермического типа реакции) на стадии прохождения между двумя или более слоями катализатора/реакционных зон. Таким образом, если каталитическая реакция представляет собой интенсивный эндотермический процесс, то для обеспечения эффективности процесса каталитического превращения или для возможности осуществления реакции в следующем по потоку слое или зоне поток должен быть нагрет на стадии прохождения между двумя слоями катализотора/реакционными зонами.

Одним из примеров такой эндотермической реакции является каталитическое дегидрирование этилбензола с образованием стирола. Например, как описано в патенте США № 5461179, внешний пароперегреватель 52, подсоединенный последовательно между каталитическим реактором 50, расположенным выше по потоку, и каталитическим реактором 54, расположенным ниже по потоку, предназначен для повторного нагревания потока, поступающего из верхнего реактора 50. Обычно для осуществления такого процесса дегидрирования этилбензола эндотермическую реакцию проводят в двух или более отдельных адиабатических реакторах, причем поток из верхнего реактора повторно нагревается во внешнем кожухотрубном теплообменнике перед поступлением в нижний реактор. Такой способ повторного нагревания приводит к дополнительному падению давления (за счет высоких фрикционных потерь в трубах теплообменника), а также к увеличению свободного объема (незаполненного пространства) в связи с необходимостью использования дополнительной системы трубопроводов. Использование в системе высоких давлений приводит к снижению выхода (целевого продукта) за счет образования нежелательных побочных продуктов реакции и к снижению каталитической активности (в связи с равновесными эффектами и коксованием). Увеличение свободного объема приводит к снижению выхода (целевого продукта) и образованию нежелательных побочных продуктов в результате неселективных термических реакций. Следовательно, в настоящее время существует крайняя необходимость в разработке экономичного способа преодоления указанных ограничений широко распространенного технологического процесса.

Использование конструкций многостадийного каталитического реактора ограничено рядом факторов, таких как физические, экономические, технологические и термодинамические факторы. В связи с пространственными ограничениями в основном предпочтительными являются более компактные конструкции реактора. Некоторые каталитические реакции углеводородов, такие как процесс превращения этилбензола в стирол, предпочтительно проводят при относительно низкой величине рабочего давления. Обеспечение быстрого подвода относительно большого количества тепла к потоку, поступающему из одной зоны реактора к другой зоне превращения этилбензола в стирол, ограничено экономическими, металлургическими и термодинамическими факторами. Таким образом, если для нагревания потока используется перегретый пар, то для обеспечения достаточного количества энергии в ограниченной массе добавленного пара необходимо использовать пар при чрезвычайно высоких температурах. В связи с этим, в свою очередь, возникает необходимость в применении более дорогостоящих, термоустойчивых материалов для изготовления пароперегревателей. Таким образом, существует необходимость в разработке усовершенствованной конструкции для многостадийного каталитического технологического процесса, которая позволит преодолеть некоторые проблемы, характерные для конструкций реакторов, известных в предшествующем уровне техники.

Различные проточные реакторы так называемого радиального или осевого/радиального типа, известные в данной области техники, используются для различных процессов, в которых по крайней мере часть технологического пара в определенном месте реактора проходит в радиальном направлении (т.е. движение от оси до периферии или от периферии к центру) в отличие от более известных конструкций проточных реакторов с осевым потоком (т.е. продольное движение). Например, в патенте США № 4321234, который включен в текст описания настоящего изобретения в качестве ссылки, описан тип проточного реактора с радиальным потоком, включающий одну реакционную камеру. Данный аппарат состоит из межцилиндрической камеры, ограниченной внешней газопроницаемой цилиндрической каталитической насадкой, которая расположена внутри внешнего кожуха, и внутренней газопроницаемой, цилиндрической каталитической насадкой, расположенной внутри внешней каталитической насадки. В реакционной камере установлены вертикальные теплообменные трубы, расположенные кольцевыми группами, концентрическими по отношению к общей оси обеих каталитических насадок. Питающий поток газа подается по внешнему газопроводу или по внутреннему газопроводу и образует одновременные и равномерные потоки во всех радиальных направлениях, причем упомянутые потоки направлены радиально либо к центру реактора от внешней стенки, либо наоборот от центра камеры к периферии. Таким образом, газ один раз проходит через все кольцевое пространство поперечного сечения слоя катализатора.

В другом патенте США № 4594227, также включенном в данное описание в качестве ссылки, описан реактор, в котором питающий поток газа образует радиальный поток через слой катализатора, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном двумя соосными цилиндрами с различными диаметрами. Вертикальное, кольцевое, межцилиндрическое пространство теплообмена, ограниченное цилиндром внешней каталитической насадки и цилиндром внутренней каталитической насадки, разделено на ряд камер с помощью вертикально расположенных перегородок. Теплообменные трубы расположены в камерах вертикально и предназначены для поддерживания соответствующей температуры каталитической реакции. Катализатор загружают в камеры, образующие реакционные зоны, через которые протекает питающий поток газа в радиальном направлении. Очевидно, что конструкция теплообменников свидетельствует о косвенном нагревании реактора, который зависит от конвекционного теплообмена.

В другом патенте США № 4909808, также включенном в данное описание в качестве ссылки, описана усовершенствованная теплообменная конструкция реактора согласно патенту США № 4594227. Модификация заключается в установке для реформинга пара, помещенной внутри цилиндрического пространства, в котором расположен имеющий кольцевую форму трубчатый каталитический реактор. В данном изобретении вместо внешнего нагревающего устройства для подачи горячего газа в реакционную трубу используют тип каталитической камеры сгорания, расположенной в центре цилиндрического пространства. Таким образом, происходят две различные каталитические реакции: первая происходит во всех каталитических реакционных трубах установки для реформинга пара, а вторая генерирует тепло, необходимое для установки для реформинга пара. Это внутреннее расположение теплового источника и использование каталитической камеры сгорания способствуют увеличению теплообмена за счет теплового излучения и конвекции. Улучшение указанных характеристик осуществляется прежде всего за счет возможности контроля теплового потока (количества тепла, образующегося в результате сгорания топлива вне реакционной трубы) с целью согласования количества тепла, необходимого для реакции, происходящей внутри слоя катализатора, с количеством тепла и температурой в камере сгорания газа, расположенной вне реактора.

Другой так называемый проточный реактор с радиальным потоком представлен в патенте США № 4714592, включенном в данное описание в качестве ссылки. В этом случае, поскольку для получения целевого продукта используется каталитическая реакция экзотермического типа, требуется отвод избытка тепла из реакционного пространства. Эта цель достигается с помощью системы впускного и выпускного трубопровода, содержащего хладагент, который циркулирует через указанный трубопровод, проходящий через слой катализатора, с целью поглощения тепла из реакционной зоны. В патентах США № 4230669, 5250270 и 5585074, включенных в данное описание в качестве ссылок, описаны конструкции проточных реакторов по крайней мере с частичным радиальным потоком.

В патенте США № 3927987 (ближайший аналог настоящего изобретения) представлен проточный реактор с радиальным потоком, снабженный в основном цилиндрическим корпусом, выполненным ограничивающим внутреннее пространство реактора, включающее центральную зону реактора вокруг центральной оси реактора, входным отверстием реактора, предназначенным для подачи жидкого потока реагентов в одну часть реактора, выходным отверстием реактора, предназначенным для отвода жидкого потока продукта из другой части реактора, и соосно расположенными теплообменными трубами, установленными в центральной зоне реактора. Этот реактор предназначен для осуществления обработки жидкого потока реагентов путем контактирования с материалом катализатора, который содержится внутри реактора, через входное отверстие которого подают жидкий поток реагентов в одну часть реактора, а отводят жидкий поток продукта через выходное отверстие из другой части реактора.

Однако ни в одном из упомянутых выше патентов не описана конструкция реактора, которая действительно подходит для эффективного проведения одно- или многостадийных технологических процессов для переработки углеводородов, в которых используется каталитическая реакция интенсивного экзотермического или эндотермического типа, что приводит к необходимости интенсивного и равномерного подвода тепла в технологический поток или отвода тепла из технологического потока до и/или после поступления в единственный слой катализатора или до, после и/или между несколькими слоями катализатора. Указанные и другие недостатки и ограничения при использовании реакторов, описанных в предыдущем уровне техники, можно преодолеть полностью или частично путем создания конструкции реактора согласно настоящему изобретению.

Сущность изобретения

В связи с вышеупомянутым, основной задачей настоящего изобретения является разработка способа комплексного теплообмена в конструкции проточного реактора с радиальным потоком для одно- или многостадийного процесса обработки углеводорода в слое катализатора.

Общей целью настоящего изобретения является разработка компактного, эффективного и экономичного технологического способа осуществления одно- или многостадийного процесса обработки углеводорода в слое катализатора.

Особой задачей настоящего изобретения является разработка усовершенствованного проточного реактора с радиальным потоком и способов его использования для осуществления одно- или многостадийного процесса обработки углеводорода в слое катализатора в сочетании с системой теплообмена для подвода или отвода тепла до, после подачи в слой катализатора и/или между несколькими слоями катализатора, или для подвода и/или отвода тепла выше и/или ниже по потоку от единственного слоя катализатора. Как будет описано далее подвод и отвод тепла осуществляется посредством теплообменных труб (теплообменных аппаратов), установленных в центральной зоне реактора вдоль внутренней стенки первого слоя катализатора, либо во второй кольцевой зоне вдоль внешней стенки первого слоя катализатора, или в обеих упомянутых зонах. Все указанные случаи установки теплообменных труб обеспечивают необходимое нагревание или охлаждение газообразных технологических потоков, а выбор конкретной схемы установки зависит от конкретного технологического процесса.

Еще одной специальной задачей настоящего изобретения является разработка усовершенствованного проточного реактора с радиальным потоком и способов для эффективного одно- или многостадийного дегидрирования алкилароматического углеводорода в слое катализатора с образованием соответствующего алкенилароматического углеводорода, прежде всего, для дегидрирования этилбензола с образованием стирола.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения частично представляются очевидными, частично будут рассмотрены ниже. Настоящее изобретение включает, без ограничения области изобретения перечисленным, способы и соответствующий аппарат, включая несколько стадий и различные элементы, а также взаимосвязь и порядок соединения одной или более стадий и элементов по отношению друг к другу, причем примеры таких вариантов представлены ниже в настоящем описании и на прилагаемых фигурах. Различные модификации и варианты способов и аппарата, описанных в настоящем изобретении, представляются очевидными для специалистов в данной области техники, причем все упомянутые модификации и варианты входят в объем настоящего изобретения.

Согласно настоящему изобретению предлагается проточный реактор с радиальным потоком, снабженный в основном цилиндрическим корпусом, выполненным ограничивающим внутреннее пространство реактора, включающее центральную зону реактора вокруг центральной оси реактора, входным отверстием реактора, предназначенным для подачи жидкого потока реагентов в одну часть реактора, выходным отверстием реактора, предназначенным для отвода жидкого потока продукта из другой части реактора, и соосно расположенными теплообменными трубами, установленными в центральной зоне реактора. Ректор снабжен первой кольцевой зоной с первым слоем катализатора, расположенной во внутреннем пространстве реактора радиально окружающей центральную зону реактора, второй кольцевой зоной, расположенной радиально окружающей первую кольцевую зону, причем внешняя стенка первой кольцевой зоны образует внутреннюю стенку второй кольцевой зоны, а теплообменные трубы установлены в центральной зоне реактора вдоль внутренней стенки первого слоя катализатора, либо во второй кольцевой зоне вдоль внешней стенки первого слоя катализатора, или в обеих зонах, причем первая кольцевая зона выполнена ограниченной в основном концентрическими внутренней и внешней стенками первого слоя катализатора, которые изготовлены из пористого материала с размером пор, достаточным для удерживания внутри первого слоя катализатора и, в то же время, для пропускания через стенку жидкого потока, причем внутреннее пространство реактора выполнено с возможностью направления входящего внутрь реактора потока в радиальном направлении к первой кольцевой зоне и через первый слой катализатора во вторую кольцевую зону, а к выходному отверстию реактора - в осевом направлении. При этом внутри корпуса реактора могут быть расположены один или более слоев катализатора кольцевой формы, причем нагревание или охлаждение осуществляется в центральной зоне реактора и/или в кольцевых зонах между серией нескольких слоев катализатора или в альтернативном варианте, перед и/или за единственным слоем катализатора. Согласно одному из вариантов воплощения настоящего изобретения, после выхода из первого внутреннего слоя катализатора технологический поток поступает в основном в радиальном направлении через кольцевой зазор нагревающего (или охлаждающего) средства для повторного нагревания (или охлаждения), причем примером таких средств является один или несколько рядов нагревающих (или охлаждающих) теплообменных труб, а затем упомянутый технологический поток поступает в смесительный элемент (такой как щелевые тарелки или перфорированные тарелки) перед поступлением во второй, внешний кольцевой слой катализатора. Согласно одному из вариантов воплощения изобретения теплоноситель, циркулирующий внутри нагревающих (охлаждающих) труб, подводит тепло к технологическим газам (или отводит тепло от технологических газов). Такая схема характеризуется незначительным падением давления при повторном нагревании и позволяет в значительной степени снизить свободный объем по сравнению с использованием обычных внешних кожухотрубных теплообменников. Как следствие, улучшается производительность процесса и достигается значительное снижение затрат на оборудование за счет удаления из схемы двух или нескольких емкостей и связанных с ними трубопроводов.

В основном, нагревающее или охлаждающее средство по настоящему изобретению состоит из теплообменных труб, которые расположены по отношению по крайней мере к одному кольцевому слою катализатора таким образом, что достигается необходимое нагревание или охлаждение газообразных технологических потоков, поступающих радиально в любой один или несколько кольцевых слоев катализатора или выходящих из одного или нескольких кольцевых слоев катализатора. Согласно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения теплообменные трубы могут быть расположены в центральной зоне реактора внутри кольцевого пространства, окруженного единственным слоем катализатора кольцевой формы или внутри кольцевого пространства, окруженного ближайшим к центральной оси слоем катализатора из серии радиально расположенных концентрических кольцевых слоев катализатора. Согласно другим предпочтительным вариантам воплощения настоящего изобретения теплообменные трубы имеют определенную форму, число и размер и расположены в определенном положении относительно зоны с первым слоем катализатора с возможностью обеспечения равномерного теплообмена в основном вдоль оси с жидким потоком перед его поступлением в основном в радиальном направлении в первую зону с первым слоем катализатора, после его выхода в радиальном направлении из первого слоя катализатора или в обоих случаях. Теплообменные трубы могут быть размещены обособленно и расположены в основном в круговой конфигурации в зоне, соседней с внутренней стенкой первого слоя катализатора, или соседней с внешней стенкой первого слоя катализатора, или в обеих зонах; или теплообменные трубы расположены в основном в круговой конфигурации вдоль оси в зоне, соседней с внешней стенкой первого слоя катализатора. По крайней мере некоторые из теплообменных труб содержат оребренные элементы.

В различных вариантах конкретного воплощения настоящего изобретения теплообменные трубы содержат множество соосно расположенных теплообменных труб циркуляции теплоносителя; или множество соосно расположенных теплопроводящих теплообменных труб, каждая из которых содержит внутри средства контролируемого сжигания горючего материала, а также средства подачи горючего материала и окислителя во внутреннее пространство теплообменных труб; или множество соосно расположенных теплообменных труб, наполненных теплоносителем, и средства нагревания, включающие электрорезистерный нагреватель, или средства охлаждения теплоносителя.

Проточный реактор может быть дополнительно снабжен третьей кольцевой зоной со вторым слоем катализатора, расположенной во внутреннем пространстве реактора радиально окружающей вторую кольцевую зону и радиально простирающейся от первого слоя катализатора, и четвертой кольцевой зоной, расположенной радиально окружающей второй слой катализатора. Третья кольцевая зона выполнена ограниченной в основном концентрическими внутренней и внешней стенками второго слоя катализатора, изготовленными из пористого материала с заданным размером пор с возможностью удерживания материала внутри второго слоя катализатора и в то же время пропускания через стенку жидкого потока. В этом случае проточный реактор снабжен теплообменными трубами, расположенными во второй кольцевой зоне, и средством вытеснения жидкости, выполненным в виде цилиндра, расположенным в центральной зоне реактора с возможностью направления входящего питающего потока в радиальном направлении к первому слою катализатора, и внешней кольцевой зоной накопления, образованной с одной стороны внешней стенкой второго слоя катализатора, а с другой стороны - внутренней поверхностью корпуса реактора с возможностью направления потока в основном в осевом направлении к выходному отверстию реактора.

Проточный реактор может быть также снабжен первым пучком теплообменных труб, расположенным в центральной зоне реактора, и вторым пучком теплообменных труб, расположенным во второй кольцевой зоне, а также третьим пучком теплообменных труб, расположенным в четвертой кольцевой зоне.

Проточный реактор по изобретению может быть также снабжен множеством радиально расположенных кольцевых слоев катализатора, причем каждый из слоев катализатора выполнен ограниченным в основном концентрическими внутренней и внешней стенками, изготовленными из пористого материала с заданным размером пор с возможностью удерживания материала внутри слоя катализатора и в то же время пропускания через стенку жидкого потока, и пучком теплообменных труб, расположенным соосно по крайней мере в одной из кольцевых зон, разделяющих соседние слои катализатора.

В изобретении также предлагается способ обработки жидкого потока реагентов путем контактирования с материалом катализатора, который содержится внутри описанного выше реактора согласно различным вариантам его осуществления. Жидкий поток реагентов подают через входное отверстие реактора в одну часть реактора, а через выходное отверстие реактора отводят жидкий поток продукта из другой части реактора. При этом жидкий поток реагентов последовательно направляют через входное отверстие внутрь реактора, далее в радиальном направлении к первой кольцевой зоне и через первый слой катализатора, где поток реагентов контактирует с катализатором с образованием потока продукта, выходящего из первого слоя катализатора, который направляют из первого слоя катализатора в основном в радиальном направлении в первую зону накопления, а в зоне накопления направляют поток продукта, полученный из первого слоя катализатора, в основном вдоль оси к выходному отверстию реактора или в основном в радиальном направлении во второй соседний слой катализатора.

По теплообменным трубам может направляться циркулирующий поток теплоносителя или во внутреннее пространство теплообменных труб подают горючий материал и окислитель, и нагревают теплообменные трубы путем внутреннего контролируемого сжигания горючего материала.

При использовании описанного выше реактора, внутреннее пространство которого дополнительно снабжено вторым кольцевым слоем катализатора, поток продукта из первого слоя катализатора направляют в основном радиально через первую зону накопления, внутрь и через второй слой катализатора, в котором поток продукта из первого слоя катализатора контактирует с катализатором, содержащимся во втором слое катализатора, с образованием потока продукта из второго слоя катализатора, затем поток продукта из второго слоя катализатора направляют в основном радиально во вторую зону накопления, из которой поток продукта из второго слоя катализатора направляют в основном вдоль оси к выходному отверстию реактора.

При использовании описанного выше реактора с множеством дополнительных кольцевых, радиально расположенных слоев катализатора с увеличивающимся диаметром, жидкий поток реагентов дополнительно пропускают в основном в радиальном направлении последовательно из центральной зоны реактора внутрь и через дополнительные слои катализатора с образованием потока конечного продукта в последнем слое указанной последовательности слоев катализатора. При этом проходящий в радиальном направлении жидкий поток реагентов дополнительно приводят в контактирование с расположенными соосно теплообменными трубами, причем указанное контактирование осуществляют во множестве или в каждой из кольцевых зон накопления между слоями катализатора.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 схематично изображен вид спереди в разрезе одного из вариантов проточного реактора с радиальным потоком и с несколькими круговыми слоями согласно настоящему изобретению, в котором использован комплексный теплообмен между слоями.

На фиг.2 схематично изображен реактор согласно фиг.1 (вид сверху в разрезе по линии 2-2).

На фиг.3 схематично изображен вид спереди в разрезе второго варианта проточного реактора с радиальным потоком согласно настоящему изобретению, в котором использован единственный кольцевой слой катализатора и комплексный теплообмен как в центральной зоне реактора, так и в кольцевом пространстве, радиально окруженном внешним краем слоя катализатора.

На фиг.4 схематично изображен вид сверху в разрезе по линии 4-4 реактора согласно фиг.3.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 схематично показан вид спереди в разрезе многослойного проточного реактора 10 с радиальным потоком и с кольцевыми слоями катализатора согласно настоящему изобретению. Реактор 10 включает в основном цилиндрический внешний кожух или корпус 12, в котором размещены два кольцевых слоя катализатора или реакционные зоны 14 и 16, расположенные радиально и в значительной степени на одинаковом расстоянии друг от друга и разделенные кольцевой зоной повторного нагревания (или охлаждения) или зоной тепловой энергии 18. В основном цилиндрические и в значительной степени концентрические стенки, которые ограничивают внутренний и внешний края (номера 20 и 22, соответственно) внутреннего слоя катализатора 14 и внутренний и внешний края (номера 24 и 26, соответственно) внешнего слоя катализатора 16 (см. фиг.2) изготовлены из сетчатого или пористого материала с достаточно большим размером ячеек для прохождения жидкого потока, без нежелательного сопротивления или значительного падения давления, но с достаточно малым размером ячеек (или пор) для удерживания материала катализатора внутри слоя.

Очевидно, что как указано на фиг.1, внешняя стенка 22 внутреннего слоя 14 (первой кольцевой зоны) образует внутреннюю стенку зоны для повторного нагревания (или охлаждения) 18 (второй кольцевой зоны), а внутренняя стенка 24 внешнего слоя 16 образует внешнюю стенку зоны для повторного нагревания (или охлаждения) 18. Для специалиста в данной области техники очевидно также, что несмотря на иллюстрацию варианта воплощения настоящего изобретения на фиг.1, в котором два радиально расположенных слоя катализатора кольцевой формы разделены одной кольцевой зоной для повторного нагревания (или охлаждения), в конструкцию могут быть включены дополнительные радиально расположенные кольцевые слои катализатора, каждый из которых отделен от соседнего внутреннего или внешнего слоя катализатора другой кольцевой зоной для повторного нагревания (или охлаждения). Если в реакторе используется только один слой катализатора, как изображено на фиг.3 и 4, зона для повторного нагревания (или охлаждения) может быть расположена либо перед слоем катализатора, либо за слоем катализатора, или в альтернативном варианте как перед слоем, так и за слоем катализатора, как показано на фиг.3 и 4.

Внутренняя стенка 20 внутреннего слоя 14 расположена радиально от общей центральной оси реактора 10 и таким образом ограничивает внутреннюю цилиндрическую центральную зону 30. Входной питающий поток или реакционный поток 60, содержащий углеводород, предназначенный для обработки в реакторе при подходящих температуре и давлении, поступает в зону 30 реактора 10 через входное отверстие 32. Несмотря на то, что показанный на фиг.1 реакционный поток 60 поступает в нижнюю часть реактора 10, а поток продукта реакции 64 выходит из верхней части реактора 10, следует понимать, что такая конфигурация может быть обратной без влияния на рабочие характеристики указанного проточного аппарата с радиальным потоком. Таким образом, в объем настоящего изобретения включена также конструкция, в которой реакционный поток 60 поступает в верхнюю часть реактора 10, а поток продукта 64 выводится из нижней части реактора 10.

Несмотря на то, что на фиг.1 показана конструкция, в которой реакционный поток 60 поступает в центральную зону 30 реактора 10, а поток продукта 64 выводится из самой внешней кольцевой зоны 28 реактора 10, следует понимать, что такая конфигурация может быть обратной без влияния на рабочие характеристики указанного проточного аппарата с радиальным потоком. Таким образом, в объем настоящего изобретения включена также конструкция, в которой реакционный поток 60 поступает в самую периферийную кольцевую зону 28 реактора 10, а поток продукта 64 выводится из центральной зоны 30 реактора 10.

Например, в условиях производства стирола питающий поток 60 может содержать смесь этилбензола и пара. Как указано на фиг.1 согласно варианту настоящего изобретения, средство для вытеснения жидкости 34, такое как цилиндр вытеснения подходящего размера и формы (как показано на фиг.1), по выбору может быть расположен внутри зоны 30. Назначение такого цилиндра вытеснения 34 заключается в том, чтобы направить входящий прямой питающий поток 60 в радиальном направлении к первому слою катализатора и чтобы свести к минимуму продолжительность обработки питающего потока в зоне 30, в которой могут происходить нежелательные химические реакции. С помощью стрелок на фиг.1 показано, каким образом цилиндр 34 способствует направлению питающего потока 60 в значительной степени (в основном) в радиальном направлении к слою катализатора 14 (первой кольцевой зоне). Как показано на фиг.1 с помощью стрелок, изображающих реакционный поток, в секции слоя катализатора 14, расположенной рядом со стенкой 20, возможно образование сравнительно небольшого осевого компонента реакционного потока. Аналогичным образом, в секции слоя катализатора 16, расположенной рядом со стенкой 26, также возможно образование сравнительно небольшого осевого компонента реакционного потока. Практически через все зоны слоев катализатора 14 и 16 и в значительной степени через все пространства теплообменной зоны 18 реакционный поток проходит практически полностью в радиальном направлении. Этот факт является отличительным признаком настоящего изобретения по сравнению с многими аппаратами, известными в предшествующем уровне техники, которые характеризуются лишь частичным или минимальным радиальным направлением реакционного потока через зону реактора или которые характеризуются как радиальным направлением от центра к внешней части реактора, так и радиальным потоком от внешней части к центру реактора, в отличие от равномерного радиального потока (либо от внешней части к центру, либо от центра к внешней части реактора) по настоящему изобретению.

Как показано на фиг.1, питающий поток углеводорода, поступающий в реактор, проходит практически полностью в радиальном направлении через слой катализатора 14, что приводит по крайней мере к частичному превращению углеводорода в требуемый конечный продукт. Поток продукта 62, выходящий в значительной степени в радиальном направлении из слоя 14 через стенку 22, поступает непосредственно в кольцевую зону 18 для повторного нагревания. Если каталитическая реакция, протекающая в слое 14, является эндотермическим процессом, таким как превращение этилбензола в стирол, то поток продукта 62, выходящий из слоя 14, будет иметь более низкую температуру по сравнению с поступающим реакционным потоком 60, что приводит к необходимости его повторного нагревания в зоне 18 с целью обеспечения оптимальной температуры потока перед его поступлением во второй слой катализатора 16.

Для подвода тепла в зону 18 реактора 10 для повторного нагревания может быть успешно использован ряд способов и теплообменных аппаратов для генерирования и обмена термической энергии. Один из способов, показанный на фиг.1 и фиг.2, заключается в установке расположенных вдоль (осесимметричных) термопроводящих теплообменных (т.е. для нагревания или охлаждения) труб 40, входящих в зону 18, проходящих через нее и выходящих из нее. Внешняя поверхность труб 40, по которым циркулирует подходящий теплоноситель/жидкость, может быть неоребренной или оребренной, причем последний вид труб является предпочтительным, так как за счет значительного уменьшения числа труб, используемых для подвода или отвода тепла, может быть значительно снижен тем самым размер кольцевой зоны 18, требуемый для размещения указанных труб.

Обычно распределение температуры в реакционном потоке, поступающем из зоны нагревающего пучка труб теплообменника, расположенного в зоне 18, бывает неравномерным в радиальном направлении. Степень такой неравномерности зависит главным образом от межтрубного пространства и числа пучков труб. Уменьшение межтрубного пространства позволяет снизить степень неравномерного распределения температуры в радиальном направлении, но за счет увеличения числа труб. Предпочтительным способом корректировки неравномерного распределения температуры является использование одного или нескольких перемешивающих устройств, расположенных ниже пучка нагревающих труб. Предпочтительным является использование перемешивающих тарелок с пазами или вертикальными рядами отверстий, выравненными по центру труб. Результаты тщательного моделирования массо- и теплопереноса свидетельствуют о том, что упомянутая конструкция позволяет на порядок снизить степень неравномерного распределения температуры в аппарате такого типа без значительного падения давления.

Неравномерное распределение температуры вдоль всей длины внешней стенки нагревающей трубы приводит к неравномерному распределению температуры вдоль оси (т.е. к разнице между величинами температур реакционной жидкой среды в верхней части и в нижней части реактора), что в свою очередь оказывает отрицательное воздействие на эффективность катализатора. Однако предпочтительным является использование теплообменного аппарата подходящего размера и формы и расположенного в подходящей позиции относительно первого слоя катализатора 14 таким образом, чтобы обеспечивать в значительной степени равномерный теплообмен вдоль оси. Так как температура и поток реакционной жидкой среды, поступающей из первого слоя катализатора 14, являются в значительной степени равномерными вдоль оси, то, следовательно, единственным способом обеспечивать в значительной степени равномерный теплообмен вдоль оси является определенный способ поддерживать постоянную температуру поверхности нагревающих труб по всей длине от верхней части до нижней части трубы. Такое идеальное распределение температуры вдоль оси можно обеспечивать с помощью ряда способов, таких как циркулирование теплоносителя (обычно, жидкости с высокой теплоемкостью) с достаточно высокой скоростью, что позволяет поддерживать падение температуры вдоль внешней стенки трубы на низком уровне.

В случае использования газообразных теплоносителей (таких как перегретый пар), когда циркуляция не используется, образование температурных градиентов вдоль оси в реакционной жидкой среде можно свести к минимуму с помощью использования многочисленных труб. Аналогичным образом, тепло можно подводить к жидкой реакционной среде путем циркуляции жидкости, такой как высокоустойчивый жидкий теплоноситель или расплав соли. Скорость циркуляции жидкого теплоносителя должна быть достаточно высокой, чтобы свести к минимуму падение температуры вдоль стенки нагревающей трубы. В этих случаях тепло подводится к жидкому теплоносителю с помощью внешнего устройства, такого как печь или электронагреватель. Другие способы подвода тепла в зону для повторного нагревания 18 известны специалистам в данной области техники.

Показано, что на особых стадиях переработки углеводородов некоторые методы подвода тепла в зону для повторного нагревания 18 характеризуются исключительными синергизмом и/или эффективностью. Одним из примеров является подвод тепла к теплоносителю непосредственно внутри трубы, такой как нагревание продуктами сгорания или с помощью электрорезистера, причем такой подвод тепла используется в производстве стирола путем дегидрирования этилбензола, а также для других процессов.

В типовом процессе дегидрирования этилбензола с образованием стирола пар, который поступает совместно с питающим потоком углеводорода, используется как в качестве теплоносителя, так и в качестве разбавителя с целью снижения парциального давления реагентов, что является необходимым условием для преодоления равновесных ограничений и для предотвращения коксования катализатора. К ограничениям системы такого типа относятся требуемый тип металлургии и физические размеры теплообменника для повторного нагревания. Подобным образом указанные ограничения наблюдаются при использовании для повторного нагревания внешнего кожухотрубного теплообменника или при нагревании внутри кольцевого пространства между расположенными радиально двумя кольцевыми слоями катализатора, расположенными в одном конвертере.

В связи с наличием современных высокоустойчивых активных катализаторов дегидрирования требуемое количество пара для проведения процесса уже не строго обусловлено свойствами катализатора, но также не обусловлено температурными ограничениями теплообменного оборудования, использованного в процессе, прежде всего теплообменника для повторного нагревания. При использовании старых катализаторов дегидрирования требуется приблизительно от 8 до 12 молей пара на моль поступающего углеводорода, в то время как при использовании новых катализаторов требуется лишь от 5 до 7 молей пара на моль поступающего углеводорода.

В процессе дегидрирования этилбензола с образованием стирола технологический поток пара обычно поступает в теплообменник для повторного нагревания в температурном диапазоне от 787,8°С (1450°F) до 898,9°С (1650°F). Использование материала типа 304SS для конструкций, эксплуатируемых при температуре ниже 815,6°С (1500°F), является экономичным и практичным. Однако при температуре выше 815,6°С (1500°F), которая в основном необходима для катализаторов с низким соотношением пар-углеводород (от 5 до 7 молей пара на моль углеводорода), требуется использование дорогостоящих сплавов с высокой термоустойчивостью, таких как сплав типа 800Н/НТ. В альтернативном варианте максимальную температуру пара можно снизить путем увеличения поверхности теплообмена, но за счет более высоких затрат на оборудование и за счет дополнительного падения давления (особенно, в случае использования внешних кожухотрубных теплообменников).

Указанные ограничения можно преодолеть путем разделения функций потока пара, который используется как в качестве теплоносителя, так и в качестве разбавителя компонентов процесса, что достигается путем прямого подвода тепла в реакционную среду описанным выше способом. К примерам прямого нагревания относится циркуляция теплоносителя, такого как пар, дымовой газ или расплав соли, нагревание с использованием электрорезистера или продуктов сгорания топлива внутри нагревающей трубы.

Одним из относительно эффективных способов подвода тепла напрямую внутрь нагревающей трубы, внешняя стенка которой находится в контакте с реакционной жидкой средой, является беспламенное сгорание горючего газа (такого как водород или углеводород). Пример такого устройства беспламенного сгорания описан в патентах США № 5255742 и № 5404952, которые включены в текст описания настоящего изобретения в качестве ссылок. Одним из преимуществ указанного способа является относительно равномерное распределение температуры вдоль трубы, которое достигается путем соответствующего распределения топлива внутри трубы. Таким образом, наиболее эффективным является использование способа согласно патентам США № 5255742 и № 5404952 в схеме осуществления процесса по настоящему изобретению, в которой повторное нагревание осуществляется внутри одно- и многослойного проточного реактора с радиальным потоком.

Другой способ сжигания топлива внутри нагревающей трубы заключается в использовании пористого материала, такого как металлокерамический материал или микропористая керамика. В этом альтернативном варианте используют конфигурацию из двух труб, в которой внутренняя труба изготовлена из пористого материала, а внешняя труба выполняет роль камеры сгорания. Одним из вариантов является поступление топлива через внутреннюю пористую трубу и впрыскивание топлива в поток воздуха, проходящий через кольцевое пространство внешней трубы.

Нагретый таким образом поток продукта 62, выходящий из зоны для повторного нагревания 18 в значительной степени в радиальном направлении, затем поступает через стенку 24 во второй слой катализатора 16, где происходит дальнейшая реакция/превращение непрореагировавшего углеводорода в процессе прохождения реакционного потока в значительной степени в радиальном направлении через слой 16. Поток продукта 64, выходящий из слоя катализатора 16, проходит через стенку 26 в самую внешнюю кольцевую зону накопления 28, образованную с одной стороны стенкой 26, а с другой стороны - внутренней поверхностью элемента корпуса или кожуха 12 реактора 10. В зоне накопления 28 поток продукта 64 проходит в основном в осевом направлении к выходному отверстию 36 реактора, где поток продукта 64 выходит из реактора 10 через выходное отверстие 36 реактора, и затем направляется вниз по потоку для дальнейшей обработки и отделения компонентов, включая регенерацию необходимого продукта. Как было указано ранее, поток продукта 64 в альтернативном варианте может быть удален из реактора из нижней части реактора 10, а не из верхней части, и может быть удален из центральной части 30, а не из внешней кольцевой зоны 28.

На фиг.3 и 4 показан альтернативный вариант воплощения изобретения - проточный реактор с радиальным потоком по настоящему изобретению. Согласно этому альтернативному варианту воплощения изобретения проточный реактор 110 с радиальным потоком состоит из в основном цилиндрического внешнего корпуса или кожуха 112, в котором расположен один кольцевой слой катализатора или реакционная зона 114, окружающая центральную зону 130 реактора, представляющая собой в основном цилиндрическую область, ограниченную внутренней стенкой 120 слоя катализатора 114. Согласно этому варианту воплощения изобретения в центральной зоне 130 расположен также теплообменный аппарат 150, предназначенный для нагревания (или охлаждения) входного потока реактора или реакционного потока 160, поступающего в центральную зону 130 через входное отверстие 132 реактора. Согласно этому варианту воплощения изобретения теплообменный аппарат 150 может включать подходящие нагревающие (или охлаждающие) средства теплообмена, такие как описано ранее при обсуждении Фиг.1 и 2, причем упомянутые средства теплообмена предназначены для обеспечения теплообмена с поступающим питающим потоком или реакционным потоком 160 до его поступления в слой катализатора 114 в значительной степени в радиальном направлении.

Как было упомянуто выше в варианте при обсуждении фиг.1 и 2, несмотря на изображенный на фиг.3 реакционный поток 160, проходящий через нижнюю часть реактора 110 в центральную зону 130, в область изобретения включен также вариант, в котором реакционный поток 160 поступает в верхнюю часть реактора 110, а не в нижнюю часть, и/или реакционный поток 160 поступает в самую периферийную кольцевую область 118, а не в центральную зону 130.

Например, как показано на фиг.3, в процессе производства стирола питающий/реакционный поток 160 может содержать смесь этилбензола и пара. Питающий поток 160 нагревают до подходящей температуры в центральной зоне 130 путем контакта с теплообменным аппаратом 150, и затем поток направляется в основном в радиальном направлении через внутреннюю стенку 120 к слою катализатора 114 и через него, что приводит по крайней мере к частичному превращению углеводорода в требуемый конечный продукт. Поток продукта 162, выходящий из слоя 114 в значительной степени в радиальном направлении через периферийную стенку 122, поступает непосредственно в кольцевую зону 118, которая может представлять собой зону накопления или зону для повторного нагревания (или охлаждения), или обе зоны одновременно.

Если реактор 110 является однослойным реактором, как фактически изображено на фиг.3 и 4, то зона 118 может служить зоной накопления или зоной накопления/нагревания (или охлаждения), в которой проходящий поток продукта 162 направляется в основном в осевом направлении к выходному отверстию 136 реактора, где поток продукта 164 выводится из реактора 110 через выходное отверстие 136 реактора и затем направляется ниже по схеме для дальнейшей обработки. Следует понимать, что как было указано выше, в объем настоящего изобретения включен также альтернативный вариант, в котором поток продукта 164 выводится из нижней части реактора 110 и/или из центральной зоны 130. Согласно данному варианту воплощения изобретения, как показано на фиг.3 и 4, зона накопления 118 может также служить в качестве зоны для повторного нагревания (или охлаждения), если в зоне 118 установлен второй теплообменный аппарат 140, с целью улучшения подготовки проходящего потока продукта 164 для дальнейшей обработки.

В другом альтернативном варианте указанного воплощения изобретения (не показан) реактор 110 может представлять собой многослойный реактор, аналогичный представленному на фиг.1 и 2. Согласно этому варианту воплощения изобретения в реакторе 110 могут быть расположены один или более дополнительных концентрических кольцевых слоев катализатора (сопоставимых со слоем 16 на фиг.1 и 2). В данном варианте в кольцевой зоне 118, окружающей самый внутренний слой катализатора 114, может быть расположен или может отсутствовать второй теплообменный аппарат 140, предназначенный для повторного нагревания (или охлаждения) проходящего потока продукта 162 в момент его прохождения в значительной степени в радиальном направлении через зону 118 и во второй (или следующий) слой катализатора, а также через него.

В указанном варианте воплощения изобретения кольцевую зону накопления, окружающую самый внешний слой катализатора (сопоставимую с зоной 28 на фиг.1 и 2), можно использовать для накопления потока продукта, выходящего из внешней стенки самого внешнего слоя катализатора, причем указанный поток проходит в значительной степени в осевом направлении к выходному отверстию 136 реактора. В кольцевой области накопления такого многослойного проточного реактора с радиальным потоком согласно некоторым вариантам воплощения изобретения может быть размещен дополнительный теплообменный аппарат, предназначенный для нагревания (или охлаждения) потока продукта по пути его прохождения к выходному отверстию 136 реактора.

Следует понимать, что для специалистов в данной области техники представляются очевидными другие изменения и модификации вышеупомянутых аппарата и способа, не выходя за пределы объема настоящего изобретения. Все варианты предмета изобретения, описанные выше, следует рассматривать как иллюстрацию сущности изобретения, не ограничивающие объем изобретения.

Реферат

Предложенный проточный реактор относится к химической промышленности и применяется для проведения каталитических процессов переработки углеводородов. Реактор снабжен несколькими кольцевыми зонами. Первая кольцевая зона с первым слоем катализатора расположена во внутреннем пространстве реактора и выполнена ограниченной концентрическими внутренней и внешней стенками первого слоя катализатора. Вторая кольцевая зона расположена радиально окружающей первую кольцевую зону. Реактор содержит теплообменные трубы, которые установлены в центральной зоне реактора, либо во второй кольцевой зоне, или в обеих зонах. Внутреннее пространство реактора выполнено с возможностью направления входящего внутрь реактора потока в радиальном направлении к первой кольцевой зоне и через первый слой катализатора во вторую кольцевую зону, а к выходному отверстию реактора - в осевом направлении. Предложен также способ использования данного аппарата для обработки жидкого потока реагентов. Данное изобретение позволяет эффективно и экономично проводить каталитические процессы переработки углеводородов. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула