CN102463077A

CN102463077A - 三相沸腾床反应器

Info

Publication number: CN102463077A
Application number: CN2010105390176A
Authority: CN
Inventors: 刘建锟; 方向晨; 杨涛; 蒋立敬; 王刚; 陈涛; 韩庆和
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: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明公开了一种三相沸腾床反应器。所述反应器包括反应器壳体和三相分离器，所述三相分离器位于反应器壳体内的上部，包括内径不同的两个同心圆筒内筒和外筒，内筒和外筒的上下两端全部开口，分别包括直筒段和扩散段，其特征在于，所述三相分离器的内筒直筒段的直径为反应器壳体直径的0.6～0.9倍。本发明通过分析沸腾床反应器内液体沿径向位置的速度分布规律，合理设置三相分离器的结构，从而增加了三相分离器的操作弹性，确保三相分离器的高效分离。本发明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、结构简单和操作容易等优点。

Description

三相沸腾床反应器

技术领域

本发明涉及一种新型三相沸腾床反应器，具体地说是用于不同种类液体和气体物质并流向上与固体颗粒接触情况下进行化学反应的一种改进的三相沸腾床加氢反应器。

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，关键是要求合理设计反应器的内部结构，使之与上部的高效的三相分离器相配合，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的下料口和反应器出口位置操作弹性小，被三相分离器分离下来的催化剂会黏附在催化剂下料口并且下料口处容易有串气现象发生，影响三相分离器的分离效果，并且带出的催化剂容易堵塞下游装置，不利于装置的长周期运转。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可长期稳定操作的沸腾床反应器。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。

本发明提供的三相沸腾床反应器，包括反应器壳体和三相分离器，所述三相分离器位于反应器壳体内的上部，包括内径不同的两个同心圆筒内筒和外筒，内筒和外筒的上下两端全部开口，分别包括直筒段和扩散段，其特征在于，所述三相分离器的内筒直筒段的直径为反应器壳体直径的0.6～0.9倍。

本发明沸腾床反应器的具体结构包括：

在反应器底部设有原料入口和气液分布器，在反应器顶部设有气体出口，顶部壳壁设有液体排出口，分别用于将相分离后的气体和液体导出。气体可以和液体一起进入高温高压分离器，也可以单独进入低温高压分离器。

所述的三相分离器包括内径不同的两个同心圆筒：内筒和外筒。所述内筒和外筒的上下两端全部开口，内筒和外筒的上段均为直筒段，与之相连的下段为圆台扩散段，外筒的上端开口和下端开口分别高于内筒的上端开口和下端开口。内筒的下端开口直径(即扩散段的开口直径)小于反应器的内径；外筒的下端开口直径(即扩散段的开口直径)也应小于反应器的内径。

由于沸腾床反应器内部存在着径向上的横向旋流，扰动了正常的流体运动，故需要设置合适的内构件来减缓或抑制横向旋流运动。所以，所述的反应器壳体内还进一步包括能够抑制横向旋流的内构件：即在不同的径向位置上均匀设置多个倾斜的挡板，挡板与水平面所夹的锐角为40～80度，优选为45～70度。挡板的个数为2～20个，优选4～12个。每个挡板的垂直高度可以是反应器壳体高度的1％～10％，优选4％～8％。挡板的最低点距离反应器壳体壳壁的距离为反应器半径的0.1～0.8倍，优选0.3～0.6倍。

根据本发明的三相沸腾床反应器，所述的三相分离器的内筒(本申请中凡提及内筒均指由内筒直筒段构成的整体，提及外筒亦如此)构成分离器的中心管，内筒与外筒之间的环状空间组成三相分离器的折流区，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；所述内筒的扩散段开口为物流导入口，内筒的扩散段开口与反应器内壁构成的圆环状开口为该三相分离器的催化剂下料口，分离出的固体微粒催化剂在此处沿着反应器壳壁重新返回到催化剂床层中。

所述的三相分离器各组成部件的具体尺寸比例及相对位置，均可以由本领域设计人员根据所使用的催化剂尺寸、反应器处理量、反应条件及分离效果等具体要求通过计算或者简单的试验予以确定。

所述的气体排出口一般位于反应器顶部中心处。所述的液体排出口一般设置在反应器顶部壳壁的上部，其位置应介于三相分离器外筒的上端开口与下端开口之间。

在所述三相分离器的上方设置一定的缓冲空间，相分离后的气体产物于此富集并从气体排出口排出反应器。

本发明的沸腾床反应器通常还包括至少一个从所述反应器排出催化剂的部件，和至少一个往所述反应器补充新鲜催化剂的部件。所述补充新鲜催化剂的部件通常设置于所述反应器顶部的位置，而排出催化剂的部件通常位于所述反应器底部附近。例如在反应器壳体顶部设置催化剂添加管，而在底部设置催化剂排出管。反应器上部的催化剂加入管，其投影位置介于三相分离器的外筒与内筒之间，这样加入的新鲜催化剂可以随着此处的物流向下进入催化剂床层。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。也可以将其它工艺或反应器卸出的未失活的催化剂加入到本方明的沸腾床反应器中。

为了使反应原料在反应器中与催化剂均匀接触，一般还应在所述反应器壳体内的底部设置分布器，分布器可以选用任何可以使气体或液体物流均匀分布的结构，例如可采用泡帽结构、微孔板式、浮阀式等。

在本发明的一种实施方式中，所述的反应器壳体由上往下包括扩大段和直筒段，所述的三相分离器设置于扩大段内，所述扩大段的直径为直筒段直径的1.2～2倍，扩大段的直径与高之比为0.3～2.0∶1。在这种实施方式中，所述的反应器壳体直径是指反应器壳体直筒段的直径。在这种方式中，所述三相分离器内筒直筒段的直径为反应器壳体直径的0.6～0.9倍。

与现有技术相比，本发明的新型三相沸腾床反应器的优点是：

(1)利用沸腾床反应器内液体沿径向位置的速度分布规律，根据正、负速度的分界点合理对内筒进行设置，增加了三相分离器的操作弹性，确保三相分离器对催化剂的高效分离，大大减少了催化剂的带出量，避免催化剂的大量带出。

(2)采用本发明的沸腾床反应器中，在沸腾床反应器内部设置的内构件挡板可以减缓或抑制横向旋流运动。

(3)采用本发明的沸腾床反应器中，可以适当降低液体排出口的位置，减少了在催化剂浓度较低的高温区液体物流的循环量，可以有效防止缩合结焦反应的发生。

(4)采用本发明的沸腾床反应器中，可以适当放大三相分离器下料口的尺寸，有利于分离出的催化剂顺利返回催化剂床层，同时可以有效的防止气体从下料口上串，影响分离效果。

(5)本发明的沸腾床反应器，增强了三相分离器的操作弹性和效果，可以根据需要灵活装填不同粒径范围的催化剂，也可以进行不同催化剂的级配，增强了对不同催化剂的适应性。

附图说明

图1为本发明反应器的一种实施方案的结构示意图。

1-进料口；2-气液分布器；3-反应器壳体直筒段；4-三相分离器区域；5-内筒；6-外筒；7-催化剂床层；8-液体排出口；9-催化剂加入管；10-气体排出口；11-催化剂排放管；12-挡板。

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。

结合附图对三相沸腾床反应器的结构进行描述。如图1所示：本发明的三相沸腾床反应器包括反应器壳体和三相分离器4。反应器壳体由上往下包括：反应器壳体扩大段和反应器壳体直筒段3。三相分离器4设置在反应器壳体扩大段内部，所述的三相分离器4包括内径不同的两个同心圆筒：内筒5和外筒6。所述内筒5和外筒6的上下两端全部开口，内筒5和外筒6的上段均为直筒段，与之相连的下段为圆台扩散段。所述内筒5的直筒段直径为反应器壳体直筒段3直径的0.6～0.9倍。外筒6的上端开口和下端开口分别高于内筒5的上端开口和下端开口。内筒5的下端开口直径(即扩散段的开口直径)小于反应器的内径；外筒6的下端开口直径(即扩散段的开口直径)也应小于反应器的内径。

内筒5的直筒段与扩散段形成的夹角B为钝角，最好为120度至150度。外筒6的直筒段与扩散段形成的夹角C为钝角，最好为110度至160度。

三相分离器区域4是由内筒5、外筒6连同反应器的壳体内壁共同构成。内筒5的直筒段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，上述中心管下端扩散段的开口为物流导入口，该扩散段的开口与反应器壳体内壁构成的环状开口为催化剂下料口。

在反应器壳体内不同的径向位置上设置多个倾斜的挡板12，来减缓或抑制横向旋流运动。挡板与水平面所夹的锐角为40～80度，优选为45～70度。挡板12的个数为2～20个，优选4～12个。每个挡板12的垂直高度可以是反应器壳体高度的1％～10％，优选4％～8％。挡板12的最低点距离反应器壳体壳壁的距离为反应器半径的0.1～0.8倍，优选0.3～0.6倍。

在反应器底部设有进料口1和气液分布器。在反应器顶部设有气体出口10，顶部壳壁设有液体排出口8，分别用于将相分离后的气体和液体导出。气体可以和液体一起进入高温高压分离器，也可以单独进入低温高压分离器。

结合附图1，本发明三相沸腾床反应器的工作原理如下：

反应原料混合后由进料口1进入反应器，经过气液分布器2后均匀的通过催化剂床层7，反应器3内的催化剂装量至少为反应器有效容积的20％，通常为40％～70％，最好为50％～60％。在气液相并流上行的作用下，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进行加氢反应，反应后的油气夹带部分催化剂颗粒进入三相分离器区域4，进行气液固三相分离：气体首先被分离出来，通过气体排出口10排出反应器，分离下来的催化剂经下料口返回反应区，而基本不含催化剂颗粒的澄清液体物流通过液体排出口8排出反应器。为了及时补充新鲜催化剂和将失活的催化剂排出反应器，可以通过反应器上部的催化剂加入管9往反应系统中补充新鲜的催化剂，而通过反应器下部的排放管11可以将部分失活催化剂排出反应系统。

以下结合具体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

根据本发明所述沸腾床加氢反应器的结构，进行了三相分离器沸腾床中型反应器冷模试验，冷模中型装置的尺寸为：反应器壳体直筒段的内径＝160mm，反应器壳体直筒段的高度＝3000mm，壳体有效容积60L，分离器高度＝500mm，反应器壳体扩大段的内径＝285mm，扩大段的高度＝450mm，分离器内筒直筒段直径＝125mm，内筒下部扩散段的直径＝183mm，内筒下部圆台部分扩散段的高度＝40mm，外筒直筒段直径＝170mm，其下部扩散段开口的直径＝246mm，圆台部分扩散段的高度＝38mm，外筒上端开口高于内筒上端开口，外筒下部圆台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＝22mm，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45mm，液体产品管中心距反应器顶部切线的垂直距离是80mm。挡板12的最低点距离反应器壳体壳壁＝80mm。

选用航空煤油作为液体介质，进油量为30～180L/hr；气相选用氮气，进气量为0.5～3.6Nm³/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，效果较好。即利用沸腾床反应器内液体沿径向位置的速度分布规律，根据正、负速度的分界点合理对内筒进行设置后，进一步改善了三相分离器的分离效果，大大降低了催化剂的带出量。

实施例2

在冷模试验基础上，在60L中型装置上进行了孤岛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。

比较例1

反应器的基本结构同实施例1，不同之处在于反应器内未按照沸腾床反应器内液体沿径向位置的速度分布规律对内筒进行设置。反应条件和试验原料同实施例2，其中具体试验条件及结果见表2。

表1 60L冷模装置进油量、进气量与催化剂带出量的关系

序号	进油量，L/hr	进气量，Nm³/hr	催化剂带出量μg/g
				1	45	1.2	1.1
2	60	2.0	1.5
				3	102	2.0	2.1
6	90	2.2	2.4
				7	75	3.0	2.6

表260L中型热模装置1000小时试验结果

项目	实施例2	比较例1
			原料油	孤岛常渣	孤岛常渣
反应温度，℃	445	445
			反应压力，MPa	15	15
氢油比，v/v	700	700
			液时体积空速，h^-1	2.0	2.0
催化剂粒径，mm	0.088～0.308	0.088～0.308
			催化剂装量，L	30	30
催化剂带出量，μg/g	1.4	4.1

Claims

1.一种三相沸腾床反应器，所述反应器包括反应器壳体和三相分离器，所述三相分离器位于反应器壳体内的上部，包括内径不同的两个同心圆筒内筒和外筒，内筒和外筒的上下两端全部开口，分别包括直筒段和扩散段，其特征在于，所述三相分离器的内筒直筒段的直径为反应器壳体直径的0.6～0.9倍。

2.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述外筒的上端开口和下端开口分别高于内筒的上端开口和下端开口。

3.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，在所述反应器壳体内部不同的径向位置上设置倾斜的挡板，挡板与水平面所夹的锐角为40～80度。

4.按照权利要求3所述的反应器，其特征在于，所述的挡板与水平面所夹的锐角为45～70度。

5.按照权利要求3或4所述的反应器，其特征在于，所述挡板的个数为2～20个。

6.按照权利要求3所述的反应器，其特征在于，所述挡板的垂直高度为反应器壳体高度的1％～10％，挡板的最低点距离反应器壳体壳壁的距离为反应器半径的0.1～0.8倍。

7.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的反应器壳体由上往下包括扩大段和直筒段，所述的三相分离器设置于扩大段内，所述扩大段的直径为直筒段直径的1.2～2倍，扩大段的直径与高之比为0.3～2.0∶1。

8.按照权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述的反应器壳体直径是指反应器壳体直筒段的直径，所述三相分离器内筒直筒段的直径为反应器壳体直径的0.6～0.9倍。

9.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，在所述三相分离器的上方设置缓冲空间。

10.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的沸腾床反应器包括至少一个从所述反应器排出催化剂的部件，和至少一个往所述反应器补充新鲜催化剂的部件。

11.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器的壳体内底部设置分布器，分布器为泡帽结构、微孔板式或浮阀式。