CN103357356A - 具有设有冷却流体的切向喷射的冷却装置的催化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有设有冷却流体的切向喷射的冷却装置的催化反应器。具体而言，催化反应器由壳体(1)构成，壳体(1)包括由与急冷箱(7)协作的收集板(6)分开的至少两个固体催化剂床(2、11)。反应器包括设置在位于收集板(6)上方的收集区(4)中的喷射喷嘴(5)。喷射喷嘴(5)由管路构成，管路包括位于管路的端部处的单个孔口，且壳体与喷嘴之间的最大距离在0cm至40cm的范围内。喷射喷嘴(5)的端部由管状部分构成，管状部分构造成使得沿大致水平方向将流体喷射到收集区(4)中，且相对于与所述管状部分处的壳体(1)的壁相切的方向形成-10°至+10°的范围内的角。

Description

具有设有冷却流体的切向喷射的冷却装置的催化反应器
技术领域
本发明涉及固定床型催化反应器领域，该固定床型催化反应器用于碳氢化合物进料加氢处理操作。本发明描述了一种用于将冷却流体喷射到反应器中的系统。
背景技术
催化反应器具体用于油和石油化学工业中，用以通过加氢处理来处理碳氢化合物流出物。此类反应使含碳化合物与氢在氢化反应、加氢脱硫反应、加氢脱氮反应、氢化裂解反应或加氢脱芳烃反应中反应。
催化反应器大体上由圆柱形壳体构成，圆柱形壳体包括一个或多个催化床，即，固体床，例如，具有挤压形状或球形形状的固体，用于催化加氢处理反应。反应器从顶部供有反应流体，反应流体由碳氢化合物流出物和氢构成。
在精炼和石油化学处理中执行的加氢处理反应的放热性质需要将固体催化剂的体积划分到若干个床中，且喷射冷流体使得冷却反应介质且向反应器供应反应物。喷射流体取决于应用可为液体(大体上为碳氢化合物馏分)或气体(例如，氢)。冷流体在称为急冷箱的装置处被引入反应器中。急冷箱技术主要针对将来自于上层床的热流体与喷射的冷流体相混合。一旦已经混合流体，则它们在穿透进入分送板下方的催化床之前通过分送装置再分送到反应器的区段上。
文献US5837208和WO2004/041426提供冷却装置的实例，其基于收集热流体、经由直喷射管将冷流体喷射到刚好位于收集板上方的收集区中，使流体进入急冷箱中，以及排出直接在分送板上方的流体。
文献US2002/0039547、FR28424495、US6180068和US2004/0037759描述了生成旋流使得促进混合的急冷箱。通常通过收集流体进入冷却装置的方式来调节旋流。
文献US5403560和US2010/0303685提出了在进入急冷箱上游的收集板上引起流体的旋流。在这些实例中，由收集板的特定几何形状(例如，借助于螺旋形元件)生成旋流，该螺旋形元件定位成用以迫使流在回到急冷箱之前在收集板上转向。然而，将插入件或挡板以螺旋定位结果是在反应器中很庞大且笨重。
文献US2004/0234434提出了一种冷却装置，其中在收集板上生成旋流。借助于包括多个出口导管的圆环形式的圆形喷射管喷射冷流体来生成流。相对于反应器的轴线向外引送冷流体的射流，使得引起旋流。然而，喷射管很笨重，且机械上难以安装和保持在反应器中。
文献US2011/0123410描述了一种冷却装置，其中在急冷箱的下游生成旋流。急冷箱的出口定位在多孔板上方，使得生成旋流。
发明内容
本发明的目的在于通过将流体喷射管定位在收集板的水平处的反应器的外周处使得在板上生成旋流来改善冷却流体与热流体的混合。本发明提出了使用在接近反应器壳体的收集板上方排放的喷射管(可能是弯曲的)，以及产生射流，射流的方向与反应器的壳体大致相切，使得以简单有效的方式在收集板上产生流体的旋转移动。
本发明描述了一种催化反应器，其包括壳体，壳体包括由中间带分开的至少两个固体催化剂床，中间带包括与设置在收集板下方的急冷箱协作的收集板。反应器包括用于喷射冷却流体的喷嘴，喷嘴设置在位于收集板上方的中间带中的收集区中。喷射喷嘴由管路构成，管路包括排放到收集区中的单个孔口，孔口位于管路的端部处。壳体与喷射喷嘴之间的最大距离在0cm至40cm的范围内，使得将喷射喷嘴定位在反应器的外周处。喷射喷嘴的端部包括管状部分，管状部分构造成使得将冷却流体沿大致水平的方向喷射到收集区中，且相对于与所述管状部分的水平处的壳体的壁相切的方向形成-10°至+10°的范围内的角。
喷嘴可在壳体的壁处排放，使得以沿相对于水平方向形成-10°至+10°的范围内的角的方向喷射流体。
喷射喷嘴的端部可由直管状部分构成，直管状部分相对于与喷嘴孔口的水平处的壳体的壁相切的方向形成-10°至+10°的范围内的角。
直管状部分可相对于水平方向形成-10°至+10°的范围内的角。
喷嘴可形成管路，管路具有在收集区中测量的5cm至50cm的范围内的长度。
喷嘴可设置成离壳体有小于40cm的距离，且离收集板有小于20cm的距离。
反应器可包括设置在急冷箱下方的用于气体和液体的分送板。
反应器可包括设置在急冷箱与分送板之间的多孔板。
本发明还描述了使用根据本发明的反应器，其中包括至少70%体积的液体的流体可经由所述喷嘴喷射。此外，流体可经由所述喷嘴以1m/s至15m/s的范围内的速率喷射。
本发明还描述了一种用于获得根据本发明的反应器的方法，其中通过用喷射喷嘴替换旧喷嘴来改造现有的反应器，喷射喷嘴的端部包括管状部分，管状部分构造成使得将流体沿大致水平的方向喷射到收集区中，且相对于与所述管状部分处的壳体的壁相切的方向形成-10°至+10°的范围内的角。
本发明的装置可用于获得优异的混合性能，这将在下文的实例中阐示。
此外，本发明的喷射管相比于现有技术的解决方案，特别是相比于文献US2004/0234434中所示的装置，具有减小的体积。因此，板上的喷射管的机械组装很容易，且成本适中。此外，结果为收集板上方的收集区的高度可降低。因此，对于内部体积相同的反应器，实施本发明意味着可增大固体催化剂的体积。
此外，本发明可配置在现有设施中。具体而言，本发明可有利地用于替换直喷射管冷却装置，使得改善其冷却性能。此外，通过改变支承固体催化剂床的筛网的位置，有可能减小收集区，且因此得到体积，该体积然后可用于执行反应。
附图说明
通过参照附图的以下描述，本发明的其它特征和优点将更好理解，且将变得清楚，在附图中：
图1、图2、图2A和图2B示出了根据本发明的反应器中的冷却装置；
图3和图4示出了根据现有技术的两个冷却装置；
图5呈现了本发明的冷却装置和两个现有技术的冷却装置的性能图。
具体实施方式
图1呈现了反应器的一部分，在反应器中执行加氢处理反应。反应器由壳体1构成，壳体1包括至少一个固体催化剂床2。壳体1可为在其端部封闭的圆柱的形状。大体上，圆柱的轴线以竖直方向定向。举例来说，圆柱可具有1米至10米范围的直径和3米至20米范围内的高度。反应器的上部供有由气体和液体构成的反应流体，例如，液态烃和气态氢的进料。反应流体在壳体1中，特别是重力下沿向下的竖直方向流动。换言之，气体和液体作为并流从反应器的顶部流至底部。反应物之间的反应通过固体催化剂催化，固体催化剂可为设置在两个筛网之间的挤出物或珠子的形式，使得形成床，床大体上在壳体的内部体积的整个水平区段上延伸。由于反应是放热的，故固体催化剂的体积被划分到多个床中。在图1中，示出了固体催化剂的两个床2和11。
固体催化剂床2置于通常称为级配层的惰性固体颗粒层3上。层3由筛网支承。空区4位于支承层3的筛网与收集板6之间。流过床2的气体和液体排放到空区4中，空区4将在下文中称为收集区。收集板6可用于收集进入收集区4中的液体和气体。因此，收集板构成在收集区4中移动的液体和气体所遇到的第一机械器件。举例来说，收集板为水平盘，水平盘覆盖壳体1的内部区段。
根据本发明，也称为喷射喷嘴的喷射管5可用于将冷流体从反应器的外侧引入收集区4中。管5由通向收集区4的管的一部分构成。作为优选，管包括区4中的单个出口孔口，该孔口位于管路的端部的水平处。
图2呈现了图1中的截面AA'的反应器的视图。形成管5的管路的形状和可能的大小选择为使得管的出口处的流体的射流的方向是在与壳体1的壁大致相切的大致水平的方向上。图2A和图2B呈现出根据本发明的管5的两种形式。举例来说，参看图2A，管的端部为管路的形状，例如，直管路，即，沿直线方向延伸。举例来说，管可为具有圆形截面的圆柱的形式或截头锥的形式。举例来说，管5的端部可为具有带直径D的圆形截面的圆柱。作为备选，参看图2B，管5可为其轴线弯曲的管路的形式。举例来说，管5为具有带恒定直径D的圆形截面的管路，管路的轴线16形成圆弧，该圆弧与由壳体1界定的圆在水平面中同心。
管5的大小确定成使得沿与壳体1的壁大致相切的方向引送冷流体。现在参看图2A和图2B，管5的端部由沿直线14延伸的管路部分形成。在管5的出口孔口的水平处与壳体1的壁相切的方向由直线15代表。举例来说，根据本发明，从管获得的流体的射流的方向与出口处的壳体1的壁的内表面大致相切，即，射流的方向相对于管5的出口处的壳体1的内表面的切线(即，相对于直线15)形成-10°至+10°的范围内的角θ，优选为-5°至+5°的范围内。
此外，管5的大小确定为使得沿大致水平的方向引送冷流体。举例来说，从管获得的流体的射流的方向(即，形成出口处的管的端部的管路延伸的方向)可为大致水平的。举例来说，射流的方向相对于水平方向形成-10°至+10°的范围内的角，优选为-5°至+5°的范围内的角。
管定位成接近壳体1的壁且接近收集板6。举例来说，壳体1的壁与管之间的最大距离在0cm至40cm的范围内，优选为在0cm至30cm的范围内。举例来说，收集板的表面与管之间的最大距离在0cm至10cm的范围内。作为优选，收集区4中的管5的长度缩短，例如，在5cm至50cm的范围内，优选为在5cm至20cm的范围内。因此，位于喷嘴的端部处的孔口可离壳体1小于40cm的距离排放，优选为小于30cm的距离排放。此外，孔口可离收集板小于10cm的距离排放。
管5的形状的简单和管5相对于反应器尺寸减小的大小意味着根据本发明的喷射系统可在设备的改型(通常称为改造)的背景下使用。事实上，有可能安装管5来替换现有反应器中的管，例如，文献US7314602或US2004/0234434中描述的反应器。
现在参看图1，收集板6与急冷箱7连通，急冷箱7用作使收集在板6上的液体和气体混合。箱7可具有多种几何形状。现在参看2，急冷箱包括经由板6与收集区4连通的两个入口孔口12。因此，在板6上回收的流体经由孔口12流入急冷箱7中。气态流体和液态流体在箱7中混合，箱7可具有多种不同的内部构造。举例来说，混合箱7可根据文献FR2824495的教导内容制造。此外，急冷箱7包括与位于箱7下方的空间连通的两个出口孔口13。举例来说，孔口位于箱7的底部上，相对于入口孔口12交错。
冷流体经由管5水平喷射和切向喷射到板6上意味着可在板6上生成旋流。由于管的位置接近壳体1和孔口12的中心位置，故旋流从外部朝板6的内部遵循螺旋形状。该旋流有效地改善从床2获得的热流体和经由管5喷射的冷流体的混合和温度均化。作为优选，喷射的流体包括至少70%或甚至80%体积的液体，使得喷射的液体的惯性导致流体在板6上的较好旋转移动。此外，为了提供旋转移动，冷流体可经由管5以一定速度喷射，该速度优选为在1m/s至15m/s的范围内。举例来说，形状和大小可作为压力的函数来调整，在该压力下，冷流体可用于以1m/s至15m/s的范围内速率将流体喷射到收集区4中。
现在参看图1，分送板9在急冷箱7下方。文献US6093373描述了分送板的实例。板9可用于将从箱7获得的流体分送在催化剂床11上。板9设有分送元件，例如，塔盘立管，使得将气体和液体分送在反应器区段的整个表面上。预分送板8可选为可设置在板9与箱7之间，使得中断离开箱7的流体的射流，以免干扰分送板9的功能。举例来说，板8由多孔板构成。为了改善床2中的流体流的均一性，通常称为级配层的惰性固体颗粒层10可设置在床11的上方。
下文提出的实例用于将根据本发明的冷却流体喷射到反应器中的性能与现有技术相比较。
本发明提出的系统的效率与图3中所述的直管装置的效率和图4中所述的圆管装置的效率相比较。
图3呈现了类似于文献US7314602中所公开的相似的直管冷却装置。图3中与图1中的那些相同的标号表示相同的元件。参看图3，喷射管5A为多孔直管路，多孔直管路将冷流体分送到收集板6的各个部分。
图4呈现了一种冷却装置，其具有类似于文献US2004/0234434公开的圆形喷射管5B。
冷模型用于比较根据图2、图3和图4的三个显著不同的冷却构造之间的混合性能。
该模型由具有0.48m直径的截面竖直定位的直圆柱构成。该模型包括1m高的催化剂床1。在收集板6上方执行流体收集的空区4为20cm高。
圆柱在1bar下和50℃下从顶部供有水和空气的混合物。测试以上层床的入口处的各种气体表面速度(gsv)和液体表面速度(lsv)执行。
冷的冷却流体为液体(水)或气体(空气)。其以等于进入上层床的同相的流速的一半的流速喷射。当进入上层床的液体表面速度(lsv)小于1cm/s时，冷却流体为气态的。当进入上层床的液体表面速度(lsv)大于1cm/s时，冷却流体为液态的。对于三种构造，在喷射气体(空气)的情况下执行以0.002m/s、0.005m/s和0.008m/s进行的测试，而在喷射液体(水)的情况下，执行以0.015m/s和0.02m/s进行的测试。
在研究的三种构造中，使用了相同的急冷箱，一个构造与下一个构造之间仅冷却流体喷射管的形状不同。
对于三种构造，急冷箱与图1和图2示意性地示出的箱7相同。孔口12和13为圆形的，具有3cm的直径。
在对应于本发明的构造的根据图1和图2A的构造1中，喷射管为弯管路，其中直径D等于2cm，附连在柱的壁上和收集板上。管5的端部为直圆柱，直圆柱的轴线定向为仅与模型的圆柱部分相切。
在未根据本发明的图3中的构造2中，管5A为直圆柱，其具有3cm的内径，包括六个1cm直径的孔。
在未根据本发明的图4中的构造3中，管5B为圆形，且形成20cm直径的圆环，圆环具有3cm的内径。圆环设有七个1cm直径的出口孔，出口孔相对于切线方向定向成45°。
对于各个测试的构造，六个热电偶定位在下层床的入口处，且在级配层中。由这些热电偶测量的最大温差限定表示为ΔT的剩余温差，且用于比较构造。
图5中示出了结果，图5示出了随℃为单位的ΔT变化的以m/s为单位的lsv的变化。结果示为随液体表面速度lsv变化，证实它们对于气体表面速度gsv较不敏感。叉表示构造1的结果，圆圈表示构造3的结果，而三角表示构造2的结果。
关于图5中给出的结果可注意若干重要的事实：
·利用根据本发明的构造1的弯管路喷射管获得了最佳性能；
·在液态冷却流体(lsv＞1cm/s)的情况下比在气态冷却流体的情况下利用构造1的弯管获得的性能更好。这与冷液体的惯性关联，冷液体的惯性高于冷气体的惯性，这意味着可使液体在收集板上更容易地旋转；
·在气态冷却流体的情况下利用构造3的圆环管获得的性能接近利用根据本发明的构造1的弯管路管获得的结果，而在液态冷却流体情况下，略微较弱。
结果，根据本发明的构造1比构造2和构造3的筒体提供了更好的结果，同时较轻、更容易组装且不太笨重。因此，根据本发明的装置的利益很高。

Claims (11)

1.一种催化反应器，其包括壳体(1)，所述壳体(1)包括由中间带分开的至少两个固体催化剂床(2;11)，所述中间带包括收集板(6)，所述收集板(6)与设置在所述收集板(6)下方的急冷箱(7)协作，所述反应器包括用于喷射冷却流体的喷嘴(5)，其特征在于，所述喷嘴(5)设置在位于所述收集板(6)上方的中间带中的收集区(4)中，所述喷射喷嘴(5)由管路构成，所述管路包括排放到所述收集区中的单个孔口，所述孔口位于所述管路的端部处，所述壳体(1)与所述喷射喷嘴(5)之间的最大距离为0cm至40cm的范围内，以及所述喷射喷嘴(5)的端部包括管状部分，所述管状部分构造成使得将所述冷却流体沿大致水平的方向喷射到所述收集区(4)中，且相对于与所述管状部分的水平处的所述壳体(1)的壁相切的方向形成-10°至+10°的范围内的角。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述喷嘴(5)在所述壳体(1)的壁处排放，使得沿相对于所述水平方向形成-10°至+10°的范围内的角的方向喷射流体。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述喷射喷嘴(5)的端部由直管状部分构成，所述直管状部分相对于与所述喷嘴孔口的水平处的所述壳体(1)的壁相切的方向形成-10°至+10°的范围内的角(θ)。
4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于，所述直管状部分相对于所述水平方向形成-10°至+10°的范围内的角。
5.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述喷嘴(5)形成管路，所述管路具有在所述收集区(4)中测量的5cm至50cm的范围内的长度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述喷嘴(5)设置成离所述壳体有小于30cm的距离，且离所述收集板(6)有小于20cm的距离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括设置在所述急冷箱(7)下方的用于气体和液体的分送板(9)。
8.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括设置在所述急冷箱(7)与所述分送板(9)之间的多孔板(8)。
9.一种用于配置根据权利要求1至权利要求8中任一项的反应器的方法，其特征在于，包括至少70%体积的液体的流体经由所述喷嘴(5)喷射。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，经由所述喷嘴(5)以1m/s至15m/s的范围内的速率喷射流体。
11.一种获得根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的反应器的方法，其特征在于，通过用喷射喷嘴(5)替换旧喷嘴来改造现有反应器，所述喷射喷嘴(5)的端部包括管状部分，所述管状部分构造成使得沿大致水平的方向将流体喷射到所述收集区中，且相对于与所述管状部分处的所述壳体的壁相切的方向形成-10°至+10°的范围内的角。
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