CN100558458C

CN100558458C - 一种三相沸腾床反应器

Info

Publication number: CN100558458C
Application number: CNB2006101341545A
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 胡长禄; 贾丽; 刘建锟; 贾永忠; 李鹤鸣
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: CN101172220A

Abstract

本发明公开了一种改进的三相沸腾床反应器，包括反应器壳体和位于壳体内上部的三相分离器，所述的三相分离器是由内径不同的两个同心圆筒内筒、外筒、设置于外筒上的浮筒连同反应器壳体的内壁构成，在所述的反应器壳体上设置有上限位器和下限位器，所述的三相分离器置于上限位器和下限位器之间。该反应器主要适用于不同种类液体和气体物质在与固体颗粒接触情况下进行的化学反应，具有催化剂藏量大，反应器利用率高，操作稳定性高等优点。

Description

一种三相沸腾床反应器

技术领域

本发明涉及一种气液固三相沸腾床反应器，具体地说是用于不同种类液体和气体物质在与固体颗粒接触情况下进行化学反应的一种三相沸腾床反应器。

背景技术

沸腾床反应器是气、液、固三相流化床，可以处理高金属、高沥青质含量的重、劣质原料油。具有压力降小、温度分布均匀、可保持整个运转周期内催化剂活性恒定、可在运转中加入新鲜催化剂和取出废催化剂等特点。

US Re 25,770中描述了典型的沸腾床工艺，但该工艺方法在实际应用中存在以下不足：反应器内催化剂藏量较少，反应器空间利用率低；循环油泵维护保养费用较高，而且一旦循环油泵工作失常及损坏，就会造成催化剂下沉聚集，结果迫使装置被迫停工；反应器内液体产品在非催化加氢条件下停留时间过长，在高温下很容易进行二次热裂解反应结焦而降低产品质量。

中国专利CN02109404.7介绍了一种新型的沸腾床反应器，和典型的沸腾床反应器相比，具有结构简单、操作容易和反应器利用率高等特点。但由于使用粒径为0.1～0.2mm的微球催化剂，催化剂容易随反应油气带出反应器。要保证此种沸腾床反应器的正常稳定操作，关键是要求在反应器上部装配高效的三相分离器，将反应油气携带的催化剂分离出来，避免催化剂从反应器中带出造成损失和对下游装置造成影响。该专利介绍的三相分离器在正常操作情况下能够达到较好的分离效果，催化剂带出量能够控制在20wppm以下。但在实际使用中发现，如果进油量或循环氢量不稳定，或者反应器排油或排气管线不畅通，会造成反应器内液面的波动，一旦超过三相分离器外筒的最上端，三相分离器就会失去作用，导致催化剂的大量带出，不仅导致催化剂的损失，还会对下游装置造成不利影响。另外，该专利介绍的反应器在使用一段时间以后，被三相分离器分离下来的催化剂会黏附在催化剂下料口，慢慢将下料口堵塞，导致分离下来的催化剂不能顺利的通过下料口返回反应区，从而使催化剂的带出量大大增加，不能保证正常稳定的运转，最终被迫停工检修。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有技术存在的缺陷，提供一种可长期稳定操作的三相沸腾床反应器。该反应器结构简单，操作容易，操作弹性大，能够满足长周期稳定运转的需要。

本发明提供的沸腾床反应器包括垂直于地面的圆筒型反应器壳体和位于壳体内上部的三相分离器，所述的三相分离器是由内径不同的两个同心圆筒内筒、外筒连同反应器壳体的内壁构成，在所述的反应器壳体上设置有上限位器和下限位器，所述的三相分离器置于上限位器和下限位器之间，所述外筒的上端设置有浮筒，这样三相分离器可以随着液位的波动而在上限位器和下限位器间上下调整。

本发明所述三相沸腾床反应器的具体结构为：

在所述反应器壳体的底部设有原料入口和气液分布器，所述的气液分布器可以选用任何能使气体或液体物流均匀分布的结构，例如可采用泡帽或分布管结构；在反应器壳体顶部设有气体产品排出口，上部壳壁设有产品排出口，用于将反应生成的气体和液体导出；所述的三相分离器设置于壳体内上部空间内，在其上下两端分别设置有上限位器和下限位器。所述的限位器可以为任意适合的形状，一般至少为3个，通常为3-6个，并且处于同一水平面，均匀分布在反应器内壁上。上限位器沿反应器径向的长度应大于三相分离器外筒到反应器内壁的距离，下限位器沿反应器径向的长度应大于三相分离器内筒下部开口到反应器内壁的距离。

所述的三相分离器是由内径不同的两个同心圆筒连同反应器壳体内壁共同构成，内筒直径应小于外筒直径，内筒及外筒的上下全部开口，其中外筒的上部连接一个环形浮筒，浮筒下部水平切面要高于内筒的上部的水平切面，浮筒上部水平切面位置应低于其所垂直对应的反应器壳体顶部的水平位置；所述内筒的下部开口是底部放大的无顶圆锥形开口，该圆锥形开口的底部直径应小于反应器壳体的内径，而且内筒下部所设圆锥形开口底部的水平位置应低于所述外筒下部所设开口底部的水平位置。

在所述下限位器的上方还可以设置除焦器，以除去分离器下料口黏附的催化剂、结焦物等颗粒。所述的除焦器为圆环形或漏斗形，其外圆直径等于反应器内径，内圆直径大于内筒下部圆锥形开口的底部直径。除焦器内圆所在的水平面距下限位器的垂直距离距离小于浮筒上部水平切面距上限位器的的垂直距离。所述的除焦器通过焊接固定在反应器内壁上，与反应器内壁的夹角一般为90°～45°，最好为60°。

所述三相分离器的外筒的下部开口也可以是底部放大的无顶圆锥形开口，且该圆锥形开口的底部直径也应小于所述反应器壳体的内径。所述浮筒的截面可以是圆形或者多边形，外筒上部与浮筒的连接点可以是浮筒的中部，或者是下部的其它位置。浮筒的外圆直径小于反应器壳体的内径。

所述的气体排出口一般设置在反应器顶部中心处。

所述的液体排出口一般可设置在反应器上部靠近封头处，其中心距三相分离器的浮筒上部水平切面的高度一般至少应为分离器高度的10％，更适宜为20％～50％。本发明此处及以下所述相分离器高度是指相分离器的浮筒上部水平切面至内筒下部放大的圆锥形开口底部水平位置的垂直距离，所述反应器壳体高度是指所述反应器壳体顶部封头及底部封头的水平切线之间的距离。一般说来，反应器壳体的径高比的范围可以在0.01～0.1之间。

为了在反应过程中或反应结束后方便地置换催化剂，在反应器壳体上还设置有催化剂在线置换辅助设备，例如在反应器壳体顶部设置催化剂添加管，底部设置催化剂排出管。所述的催化剂置换系统及使用方法，可以是任何适用的设备或方法，例如可参照美国专利US3398085或US4398852所述的方法进行。

所述的三相分离器的高度一般至少占反应器高度的5％，通常为5％～35％，最好为7％～25％。

所述三相分离器的浮筒上部水平切面距反应器上部封头水平切面距离一般至少应为分离器高度的10％，最好为15％～25％。

所述的三相分离器浮筒体积要保证其浸入油中时能够将分离器浮起，此时浮筒浸入油中的部分一般占浮筒体积的50％，最好为50％～80％。

所述的浮筒的截面可以是圆形或者任意多边形。

所述的三相分离器在反应器正常操作时，在重力的作用下坐落在下限位器上，其浮筒下部水平切面与液面的距离至少应为分离器高度的5％，最好为5％～15％。当三相分离器在浮力作用下上升时，上限位器控制三相分离器上升的最高位置，此位置与三相分离器上部的缓冲区大小有关系。三相分离器位于最低点时，浮筒上部水平切面与上限位器的距离一般至少为分离器高度的10％，最好为10％～30％。这样当三相分离器上升到最高处时，沉积到催化剂下料口的催化剂不会从液体排出口抽出。

所述内筒及外筒下部所设的底部放大的圆锥形开口的高度至少应为分离器高度的10％，最好为15％～75％。此处所指圆锥形开口的高度是指内筒或外筒与圆锥形开口交接处的水平位置与所述圆锥形开口底部的水平位置高度之差。

所述的内筒构成三相分离器的中心管，内筒与外筒之间的环状空间组成该三相分离器的折流筒，外筒与反应器内壁之间的环状空间为该三相分离器的澄清液体产品收集区，所述内筒下部设置的底部放大的圆锥形开口为物流导入口，所述内筒下部所设的底部放大的圆锥形开口的底部与反应器内壁构成的环状开口为该三相分离器的催化剂下料口。

与现有技术相比，本发明沸腾床反应器的优点是：

(1)增加了三相分离器的操作弹性，在反应器内液位波动时能够及时响应，从而保证分离器始终处于良好的工作状态，确保三相分离器对催化剂的高效分离，能将催化剂的带出量减少60％～80％，避免催化剂的大量带出。

(2)除焦器能够在装置不停工的情况下对催化剂下料口进行清理，避免催化剂和焦粒堵塞下料口后造成被迫停工检修，保证装置长周期稳定运转。

附图说明

图1为本发明反应器的正视图。

图2为本发明反应器的断面俯视图，其中A-A为除焦器的俯视图，B-B为下限位器的俯视图。

图为3本发明反应器在三相分离器上升到最高处时的反应器正视图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的具体特征，将结合附图加以说明。

结合附图1，本反应器的结构特征和工作原理如下：

反应原料混合后由进料口1进入反应器，经气液分布器2后均匀的通过催化剂床层16，反应器壳体3内的催化剂装量至少为反应器容积的35％，通常为40％～70％，最好为50％～60％。在气液的携带作用下，催化剂床层膨胀到一定的高度，其膨胀后体积通常比其静态体积大20％～70％。在反应区内气体及液体原料完成化学反应，反应后的油气夹带部分催化剂颗粒进入三相分离器11，进行气液固三相分离：气体首先被分离出来，通过反应器顶部的气体排出口10排出反应器，分离下来的催化剂经催化剂下料口14返回反应区，而基本不含催化剂颗粒的液体物流通过液体排出口12进入下一单元。

三相分离器11是由内径不同的两个同心圆筒内筒5、外筒6、连接在外筒上的浮筒7连同反应器壳体3的内壁共同构成。内筒5构成该三相分离器的中心管，内筒5与外筒6之间的环状空间组成该三相分离器的折流筒，外筒6与反应器壳体3内壁之间的环状空间为澄清液体产品收集区，上述中心管下部放大的圆锥形开口为物流导入口，该圆锥形底部开口处与反应器壳体3内壁构成的环状开口为该三相分离器的催化剂下料口。另外，三相分离器11还包括一个除焦器13用于除去分离器下料口14黏附的催化剂等颗粒。

三相分离器的分离过程具体说明如下：物流首先经过分离器中心管下部圆锥形开口进入三相分离器内筒5构成的中心管，当该物流上升到达中心管顶部开口时，气泡因其浮力作用在从液体中逸出并聚集于反应器壳体3上部，由气体排出口10排出反应器，液固相进入分离器内筒5与外筒6之间的折流区，折流向下的液体一小部分进入分离器外筒6与反应器壳体3内壁之间的环状空间，构成向上的产品液速(由于该液速远低于使催化剂颗粒流化的临界速度，故折流向下的固体颗粒不至于被液体带入清液层中)。大量的循环液继续向下，将迫使催化剂经三相分离器11的下料口14间隙返回反应区；又因循环液在下料口截面产生了很大的向下液速，故其下部贴近反应器边壁的气泡无法上串，保证了清液层没有气泡搅动。液体产品由液体排出口12导出反应器，实现充分分离。如果需要置换反应器壳体3内的催化剂，可由反应器壳体3上部所设催化剂添加管9加入新鲜催化剂，底部所设催化剂排出管17卸出失活催化剂。

如果装置出现异常，如进油量或循环氢量突然增大，或者反应器排液或排气管线不畅通，会造成反应器内液面的上升，当液面上升至淹没浮筒7的50％以上时，该三相分离器就会在浮筒产生的浮力作用下随着反应器内液面的升高而升高，避免夹带部分催化剂的液体直接流过浮筒7的顶端，确保分离器的分离效果。当反应器内液面恢复正常后，三相分离器又落回下限位器上4。

如果装置长时间运转后，由于催化剂下料口14的堵塞造成催化剂带出量的增加，将进行在线除焦。具体操作方法如下：将反应器的进气量提高到正常进气量的105％，最好为105％～125％，此时反应器内由于气量的增加，体积膨胀，液体不能及时从反应器中排出，反应器内液面上升，带动三相分离器向上运动，由于上限位器8的限制，三相分离器的浮筒上升到靠近上限位器8时就停止上升，此时将进气量恢复正常，三相分离器又回落到下限位器4上。在三相分离器上下运动的过程中，借助除焦器13对下料口14进行清理，如此反复几次就能将下料口14黏附的催化剂和焦粒等颗粒清理干净。

以下结合实施例进一步对本发明反应器的结构及使用效果进行描述。

实施例-1

根据本发明所述三相分离器尺寸的选择，进行了三相分离器沸腾床中型反应器冷模试验，中型冷模装置的尺寸为：反应器壳体的内径＝160mm，反应器壳体的高度＝3000mm，壳体有效容积60L，分离器高度＝380mm，分离器中心管圆柱部分直径＝92mm，内筒下部锥形开口的底部直径＝144mm，内筒下部锥体部分的高度＝41mm，外筒圆柱部分直径＝128mm，其锥形部分开口的底部直径＝138mm，锥形部分的高度＝64mm，浮筒截面为圆形，直径＝100mm，其下沿与分离器外筒的顶部相连，浮筒上部水平切面与内筒上部开口位置的高度差＝138mm，外筒上部开口高于内筒上部开口，外筒下部锥形开口的底部位置高于内筒下部锥形开口的底部位置，两者的高度差＝38mm，分离器外筒上部开口与反应器壳体顶部切线的垂直距离是200mm，液体产品管中心距反应器顶部切线的垂直距离是338mm。选用航空煤油作为液体介质，进油量为40～100L/hr；气相选用氮气，进气量为2～3Nm³/hr。固相选用粒径为0.1～0.2mm的微球催化剂，催化剂堆积藏量为反应器有效容积的50％。试验结果见表1。

从试验结果看出，在催化剂堆积藏量高达50％的情况下，进料量在相当宽的范围内变化，催化剂带出量均极低，三相流化均匀。在进气量突然增加的情况下三相分离器仍能保持很高的分离效率。

实施例-2

在冷模试验基础上，在60L中型装置上进行了沙中常压渣油加氢脱金属试验。其中反应器的尺寸与实施例1相同，试验条件及结果见表2。

实施例-3

在冷模试验基础上，在60L中型装置上进行了沙中常压渣油加氢脱金属试验。其中反应器的尺寸与实施例1相同。1200小时后发现催化剂带出量增加较快，遂对三相分离器下料口进行清焦处理，除焦后催化剂的带出量恢复到正常值范围。试验条件及结果见表3。

表1 60L冷模装置进油量、进气量与催化剂带出量的关系

注：6和7的进气量在很短的时间内改变，用于考查三相分离器的应变能力。

表2 60L中型热模装置1000小时试验结果

表3 60L中型热模装置2000小时试验结果

Claims

1、一种三相沸腾床反应器，包括垂直于地面的反应器壳体(3)和位于所述壳体内上部的三相分离器(11)，其特征在于，所述的三相分离器是由内径不同的两个同心圆筒内筒(5)、外筒(6)连同反应器壳体(3)的内壁构成，在所述外筒的上端设置有浮筒(7)，在三相分离器的上下两端分别设置有上限位器(8)和下限位器(4)，三相分离器的外筒和内筒可在上限位器和下限位器之间移动。

2、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于，所述的浮筒(7)的体积满足其浸入油中50％～80％时就能将外筒和内筒浮起。

3、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于，所述的内筒(5)及外筒(6)的上下全部开口，内筒(5)的下部开口是底部放大的无顶圆锥形开口，其水平位置低于所述外筒下部所设开口底部的水平位置。

4、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于，所述的外筒(6)的下部开口为底部放大的无顶圆锥形开口。

5、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于，所述的浮筒(7)下部水平切面要高于内筒(5)的上部的水平切面。

6、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于，所述的浮筒(7)的截面是圆形或者多边形，外筒上部与浮筒的连接点在浮筒的中部或下部的其它位置。

7、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于所述三相分离器(11)的高度至少占反应器壳体(3)高度的5％。

8、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于所述内筒(5)下部所设的底部放大的圆锥形开口的高度至少为三相分离器(11)高度的10％。

9、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于所述内筒(5)下部所设无顶圆锥形底部的水平位置低于外筒(6)下部开口底部所处的水平位置，其高度差至少占所述三相分离器(11)高度的5％。

10、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于所述外筒(6)的上部开口所处平面与内筒(5)上部开口所处平面的垂直距离至少占所述三相分离器(11)高度的20％。

11、按照权利要求1所述的三相沸腾床反应器，其特征在于在所述下限位器(4)的上方设置有除焦器(13)，所述的除焦器(13)为圆环形或漏斗形，其与反应器内壁的夹角为90°～45°，通过焊接固定于反应器壳体上。

12、按照权利要求11所述的三相沸腾床反应器，其特征在于所述除焦器的内圆直径大于内筒下部圆锥形开口的底部直径，其内圆所在的水平面距下限位器的垂直距离小于浮筒上部水平切面距上限位器的垂直距离。