CN105431217B - 用于最小化催化剂粒子磨损的方法和设备 - Google Patents

用于最小化催化剂粒子磨损的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于在将催化剂粒子尤其为丙烷脱氢催化剂粒子与夹带气体分离期间，通过使用催化剂回收构件中的此等粒子与所述夹带气体的混合流处于7.6米/秒与15.2米/秒之间的速率的预处理步骤最小化夹带于所述混合流中的此等粒子磨损的经改良方法和经改良设备。

Description

用于最小化催化剂粒子磨损的方法和设备
技术领域
本发明大体上涉及一种用于在将烷烃或烷基芳族脱氢催化剂粒子尤其为丙烷脱氢(PDH)催化剂粒子与夹带气体分离期间最小化夹带于催化剂回收构件中的夹带气体中的此等粒子磨损的方法和对应设备。
背景技术
通常必须将用于某些液固反应系统中的粒状催化剂(例如，烷烃或烷基芳族脱氢催化剂)与反应产物分离并回收于反应系统中，或在回收于反应系统中之前进行再生。在任一状况下，还必须将固体催化剂粒子与再生器系统排出物分离。分离固体催化剂粒子的最常见方法为通过将再生器床维持为靠近(0.914米/秒(m/s)(3英尺/秒(ft/s))的速度，并通过控制夹带而允许粒子脱离以减少到一或多个高速旋风分离器的催化剂数量，使得在冲击第一旋风分离器之后的气体流速可介于16.8米/秒(m/s)(55.1ft.s)到25.9m/s(85ft/s)的范围内。此高气体速度导致固体催化剂粒子在旋风器壁上具有高冲击速度，从而导致催化剂粒子磨损。熟知用于脱氢系统的鼓泡床再生器，其中脱氢催化剂和夹带气体以大约1米/秒的速度离开鼓泡床。
相比催化剂粒子块体，归因于贵金属组分例如Pt、Ga、Pd、Au、Ag在高温下发生电子迁移，已知脱氢催化剂在粒子外表面上含有较高铂浓度。因此，由于脱氢催化剂粒子发生磨损，因此可失去为细粒的最活跃催化剂组分，从而留下具有较低活性的剩余催化剂粒子。主要由于Pt组分脱氢催化剂倾向于为极昂贵的，所述Pt组分受催化剂粒子磨损影响最大。然而，液固反应系统催化剂粒子进一步包含其它昂贵组分，例如，氧化铝-二氧化硅载体。因此，最小化催化剂(尤其为PDH催化剂粒子)磨损将有益于此类液固反应系统的经济可行性，且尤其有益于PDH方法。
发明内容
本发明提供一种用于在将烷烃或烷基芳族脱氢催化剂粒子尤其为丙烷脱氢(PDH)催化剂粒子与夹带气体分离期间，通过在接触高速分离构件之前用低速气/固分离构件预处理混合催化剂粒子和夹带气流而最小化夹带于催化剂回收构件中的所述夹带气体中的此等粒子磨损的经改良方法和对应设备。
在一个实施例中，本发明提供一种用于在将催化剂粒子与夹带气体分离期间最小化夹带于催化剂回收构件中的此等粒子与所述夹带气体的混合流中的此等粒子磨损的经改良方法，所述方法包括使得所述混合流以16.8米/秒到25.9米/秒的气流速度接触高速分离构件并借此从所述混合流移除至少99.8％的所述催化剂粒子，其中所述改良包括：使具有流向轴线的所述混合流经受预处理步骤，所述预处理步骤先于使所述混合流以16.8米/秒到25.9米/秒的所述高气流速度与所述分离构件接触，所述预处理步骤以从7.6米/秒到15.2米/秒范围内的较低气流速度结合远离所述混合气流的方向改变发生，所述方向改变为距所述流向轴线至少90度，且所预处理步骤与速度和方向改变的组合使得从所述混合流移除大于80％的所述催化剂粒子，使得小于20％的所述催化剂粒子接触所述高速分离构件，所述经改良方法提供根据相关性所计算的总催化剂磨损率，其中r为磨损率(每小时磨损的催化剂质量/每小时冲击的催化剂质量)，K为催化剂特定之磨损率常数，u为所述冲击速度(米/秒)，且μ为比在并无所述预处理步骤情况下的所述总催化剂磨损率至少小15％的固气装载比率(催化剂质量比气体质量)。
在替代性实施例中，本发明进一步提供一种用于在将催化剂粒子与夹带气体分离期间最小化夹带于催化剂回收构件中的此等粒子与所述夹带气体的混合流中的此等粒子磨损的经改良设备，所述经改良设备包括经设计而以16.8米/秒到25.9米/秒的气流速度接收所述混合流，并借此从所述混合流移除至少99.8％的所述催化剂粒子的一或多个高速旋风分离器，其中所述改良包括：位于所述一或多个旋风分离器的汲料腿状物上方的混合流导流板，且其中所述混合流导流板能够改变所述速度和方向，从而借此从所述混合流移除来自催化剂粒子与夹带气体的所述混合流的大于80％的所述催化剂粒子，使得20％以下的所述催化剂粒子冲击所述高速分离构件，其中所述混合气流速度在接触所述混合流导流板之后为从7.6米/秒到15.2米/秒且混合气流方向在接触所述混合流导流板之后距接触所述混合流导流板之前的混合流轴线至少90度。
附图说明
出于说明本发明的目的，图式展示示范性形式；然而，应理解本发明不限于所展示的精确配置和工具。
图1为经改良设备的第一实施例的示意图；且
图2为经改良设备的第二实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种用于在将催化剂粒子与夹带气体分离期间最小化夹带于催化剂回收构件中的此等粒子与夹带气体的混合流中的此等粒子磨损的经改良方法，所述方法包括使得混合流以16.8米/秒到25.9米/秒的气体流速接触高速分离构件，并借此从所述混合流移除至少99.8％的催化剂粒子；和用于在将催化剂粒子与夹带气体分离期间最小化夹带于催化剂回收构件中的此等粒子与夹带气体的混合流中的此等粒子磨损的经改良设备。
经改良方法和设备提供根据来自莱本根(Reppenhagen)和维特(Werther)的粉末技术(第113卷第55到69页(2000))的相关性所计算的总催化剂磨损率；即其中r为磨损率(每小时磨损的催化剂质量/每小时冲击的催化剂质量)，K为催化剂特定的磨损率常数，u为冲击速度(米/秒)，且μ为比在无预处理步骤的情况下的总催化剂磨损率至少小15％的固气装载比率(催化剂质量比气体质量)。
虽然尤其合适为应用于分离丙烷脱氢催化剂，但经改良方法也用于分离液固反应系统中的其它催化剂粒子，包含(例如)其它烷烃脱氢催化剂，例如乙烷脱氢催化剂、丁烷脱氢催化剂、戊烷脱氢催化剂、乙苯脱氢催化剂、丙基苯脱氢催化剂和甲基乙基苯脱氢催化剂。经改良方法可用于分离用于液固反应系统中的再其它催化剂粒子，例如甲醇制烯烃、醇制烯烃、烃裂解催化剂、烃脱蜡催化剂和氢化裂解催化剂。
用于方法实施例中的分离构件包含旋风分离器和使用离心力或冲击力以实现粒子分离的其它装置(例如，涡旋分离器)。
在特定实施例中，催化剂特定之磨损率常数K大约为100×10-9s2/m。
在一个实施例中，高速分离构件为二级旋风系统，其包含以从16.8米/秒到22.9米/秒范围内的气体进入流速操作的初级旋风器和以从18.3米/秒到25.9米/秒范围内的气体进入流速操作的二级旋风器。
在替代性实施例中，除混合流导流板为圆盘之外，本发明提供根据之前实施例中的任一者的经改良方法和对应经改良设备。在特定实施例中，圆盘具有为升管直径的1倍到2倍的直径。从1到2的所有个别值和子范围全被包含在本文中且公开在本文中；举例来说，圆盘直径可为升管直径的1.5倍到2倍，或在替代方案中，圆盘直径可为升管直径的1倍到1.5倍，或在替代方案中，圆盘直径可为升管直径的1.25倍到1.75倍。
在特定实施例中，升管帽与升管顶部之间的区域具有为升管自身面积的1倍到3倍的圆柱形面积。从1到3的所有个别值和子范围全被包含在本文中且公开在本文中；举例来说，升管与圆盘之间的开口面积可为升管面积的2倍到3倍，或在替代方案中，升管与圆盘之间的开口面积可为升管面积的1倍到2倍，或在替代方案中，升管与圆盘之间的开口面积可为升管面积的1.5倍到2倍，或在替代方案中，升管与圆盘之间的开口面积可为升管面积的1.75倍到2.25倍。图1中部分展示一个此示范性实施例。经改良设备1展示为具有二级旋风分离器系统，所述系统具有两对旋风器3，每一旋风器具有于混合流导流板2的安置下方延伸的汲料区段(dip leg)4。如图1中所展示，混合流检测器2呈以升管5的高度安置的圆盘之形状，使得混合气流以从7.6米/秒到15.2米/秒范围内的速度冲击混合流导流板。
在另一替代性实施例中，本发明提供根据之前实施例中的任一者的经改良方法和对应经改良设备，除混合流导流板包括具有中心点和外缘的板和从外缘延伸的多个臂之外，其中臂包括轴向远离中心点且朝下的弯曲部。图2中展示一个此示范性实施例。参看图2，经改良设备1同样展示为具有两阶段旋风分离器系统，所述系统具有两个旋风分离器3，每一旋风分离器具有于混合流导流板2下方延伸的汲料区段4。如图2中所展示，混合流导流板2具有四个臂8从其延伸的中心点6。每一臂8从中心点6朝外且朝下弯曲。图2中展示可选臂侧板10。
在替代性实施例中，混合流导流板可成形为朝下弯曲的板，其中板的中心点为导流板的最高点。在又一实施例中，混合流导流板可成形为半球，其中半球极点为导流板的最高点。在另一实施例中，混合流导流板成形为锥体，其中锥体顶点为导流板的最高点。在另一实施例中，混合流导流板成形为锥台，其具有相比底表面具有较小面积的顶表面，其中顶表面为导流板的最高点。如可从前述内容看出，所属领域的技术人员将理解混合流导流板可具有任何适当形状，使得适当地改变混合流的速度和方向。
结合气流速度在冲击分离构件或与分离构件连接之后介于16.8米/秒(55英尺/秒)与25.9米/秒(85英尺/秒)之间的那些系统使用本发明的经改良方法和/或经改良设备。16.8米/秒与25.9米/秒之间的所有个别值和子范围全被包含在本文中且公开在本文中。举例来说，改良可用于如下系统中：气流速度在冲击分离构件或与分离构件连接之后介于16.8米/秒与25.9米/秒之间，或在替代方案中为介于16.8米/秒与20米/秒之间，或在替代方案中为介于18.5米/秒与24.5米/秒之间，或在替代方案中为介于22.6米/秒与25.9米/秒之间。
本发明的预处理步骤和/或混合流导流板使得将混合流的气流速度改变为7.6米/秒到15.2米/秒的范围。从7.6米/秒到15.2米/秒的所有个别值和子范围全被包含在本文中且公开在本文中；举例来说，预处理步骤可带来7.6米/秒、8.6米/秒、9.6米/秒、10.6米/秒、11.6米/秒、12.6米/秒、13.6米/秒或14.6米/秒的气流速度下限到8米/秒、9米/秒、10米/秒、11米/秒、12米/秒、13米/秒、14米/秒或15.2米/秒的上限。举例来说，预处理步骤或接触混合流导流板之后的气流速度可为从7.6米/秒到15.2米/秒；或在替代方案中为从9.6米/秒到13.8米/秒，或在替代方案中为从7.8米/秒到12.5米/秒，或在替代方案中为从13米/秒到15.2米/秒。
本发明的预处理步骤和/或混合流导流板带来混合流的流向轴线改变为距流向轴线至少90度。距流向轴线至少90度的所有个别值和子范围全被包含在本文中且公开在本文中。举例来说，混合流方向在预处理步骤或接触混合流导流板之后距流向轴线的改变可至少为90度，或在替代方案中为至少120度，或在替代方案中为至少150度，或在替代方案中为至少180度。
本发明的预处理步骤和/或混合流导流板使得从混合流移除混合流中大于80％的催化剂粒子。大于80％的催化剂粒子的所有个别值和子范围全被包含在本文中且公开在本文中。举例来说，预处理步骤或混合流导流板可从混合流移除混合流中大于80％的催化剂粒子，或在替代方案中，预处理步骤或混合流导流板可从混合流移除混合流中大于90％的催化剂粒子，或在替代方案中，预处理步骤或混合流导流板可从混合流移除混合流中大于94％的催化剂粒子，或在替代方案中，预处理步骤或混合流导流板可从混合流移除混合流中大于98％的催化剂粒子，或在替代方案中。
根据本发明的经改良方法和/或混合流导流板提供根据相关性所计算的总催化剂磨损率，其中r为磨损率(每小时磨损的催化剂质量/每小时冲击的催化剂质量)，K为催化剂特定的磨损率常数，u为冲击速度(米/秒)，且μ为比在无预处理步骤的情况下的总催化剂磨损率至少小15％的固气装载比率(催化剂质量比气体质量)。至少15％的催化剂磨损降低的所有个别值和子范围全被包含在本文中且公开在本文中。举例来说，相比于在并无预处理步骤和/或并不接触混合流导流板的情况下的总催化剂磨损，催化剂磨损降低的下限可为15％、17％、19％、21％、23％或25％。
可通过在使气体速度和固体装载发生变化同时测量磨损率时操作单元来获得磨损率常数以回归K的值。莱本根和维特依据记录于粉末技术(第113卷第64页表4)中的u2和μ的函数产生磨损率r。回归所测量磨损率以计算K的值。
在流体化再生器系统中，夹带气体主要为由包含甲烷、焦炭和氢气的燃料燃烧所产生的烟气。因此，气体主要含有氮气、氧气、二氧化碳和水。夹带通量E由等式给出，其中y(x)dx为床中大小为x到x+dx的粒子的质量百分率，且为由来自格尔达特(Geldart)等人(1979)的化学工程师学会会刊(第57卷第269到275页)的相关性给出的淘析常数(以kg/m2/s为单位)，如其中U为床中的表观气速(以m/s为单位)，且uT(x)为大小为x的粒子的终端速度。对于以范围介于1ft/s到4ft/s的表观速度经受密度0.04lb/ft3且气体黏度0.04cP的流化气体的密度为130lb/ft3且具有中值75μm和几何标准偏差1.6的对数正态粒度分布的典型粒子，夹带固体通量范围介于54lb/ft2/hr到5,600lb/ft2/hr(参见图4)，从而使得催化剂与气体质量比范围介于0.37到9.73。
实例
以下实例说明本发明，但并不意欲限制本发明的范围。使用由莱本根和维特所提供的以实验方式导出的等式连同由莱本根和维特所确定的可发现于第64页上表4中的代表性磨损率常数(即，处于所评估的其它催化剂范围中的100×10-9s2/m2)产生比较实例。基于已知用于PDH再生方法的一股方法模型计算实际流动速率和方法参数。使用巴拉可达计算粒子流体动态模型(Barracuda Computational Particle Fluid Dynamic Model)来计算低速分离装置的分离效率。基于上文参考的格尔达特实验工作计算常规型式再生器的夹带速率。
在具有二级高速旋风分离系统的常规鼓泡床再生器中处理比较实例1。在直径为1.75m(5.74ft)的床中由密度为0.64kg/m3(0.04lb/ft3)且黏度为0.04cP的气体以0.9lm/s(3ft/s)的表观速度流体化粒子密度为2,082kg/m3(130lb/ft3)且具有中值75μm和几何标准偏差1.6的对数正态粒度分布的催化剂。格尔达特等人(1979)的夹带相关性接着给出为20,905kg/m2hr(4,284lb/ft2/hr)或50,285kg/hr(110,859lb/hr)的夹带固体通量和9.92的催化剂与气体质量流比率。在19.8m/s(65ft/s)的初级旋风器进入速度以及100×10-9s2/m2的催化剂常数的情况下，莱本根和维特(2000)的相关性带来0.626kg/hr(1.38lb/hr)的经磨损催化剂。在99.997％的分离效率下，将1.51kg/hr(3.33lb/hr)的催化剂发送到具有22.9kg/s(75ft/s)的进入速度的二级旋风器，借此产生0.00005kg/hr(0.0001lb/hr)的磨损碎屑。接着总催化剂磨损率为0.627kg/hr(1.383lb/hr)。
将本发明的实例1模型化为于如图2中所展示的系统中处理，其中预处理低速分离步骤接着二级高速旋风分离系统，结果将为如下。此处，68,040kg/hr(150,000lb/hr)的催化剂和4,556kg/hr(10,044lb/hr)的气体以10.7m/s(35ft/s)冲击导流板，从而带来0.20kg/hr(0.44lb/hr)的经磨损催化剂。根据计算粒子流体动态仿真(使用来自CPFDSoftware LLC(美国新墨西哥州阿尔伯克基)的巴拉可达(Barracuda)软件进行)，导流板的收集效率为96％，从而使得2,761kg/hr(6,000lb/hr)的催化剂和5,071kg/hr(11,179lb/hr)的气体(一些来自环隙)进入初级旋风分离器。在19.8m/s(65ft/s)的进入速度下，此情况产生0.146kg/hr(0.321lb/hr)的经磨损催化剂。在99.98％的分离效率下，在初级旋风器中(由于较低旋风装载，分离效率低于先前实例)，0.544kg/hr(1.2lb/hr)以22.9kg/s(75ft/s)进入二级旋风器，从而产生0.0027kg/s(0.006lb/hr)的经磨损催化剂。因此，总催化剂磨损率为0.349kg/hr(0.770lb/hr)；所述磨损率为比较实例1中看出的磨损率的55％。
在不脱离本发明精神和基本特质的情况下可以其它形式体现本发明，且因此，应参考所附权利要求书而非前文说明书作为本发明范围的指示。

Claims (10)

1.一种用于在将催化剂粒子与夹带气体分离期间最小化夹带于催化剂回收构件中的此等粒子与所述夹带气体的混合流中的此等粒子磨损的经改良方法，所述方法包括使得所述混合流以16.8米/秒到25.9米/秒的高气流速度接触高速分离构件，并借此从所述混合流移除至少99.8％的所述催化剂粒子，其中所述改良包括：
使具有流向轴线的所述混合流经受预处理步骤，所述预处理步骤先于使所述混合流以从16.8米/秒到25.9米/秒的所述高气流速度接触所述分离构件，所述预处理步骤以范围介于7.6米/秒到15.2米/秒内的较低气流速度结合远离所述混合气流的方向改变发生，所述方向改变为至少距所述流向轴线90度且所述预处理步骤与速度和方向改变的组合导致从所述混合流移除大于80％的所述催化剂粒子，使得小于20％的所述催化剂粒子接触所述高速分离构件，所述经改良方法提供根据相关性所计算的总催化剂磨损率，其中r为磨损率，r为每小时磨损的催化剂质量除以每小时冲击的催化剂质量；K为催化剂特定的磨损率常数；u为所述冲击速度，u的单位以米/秒计，且μ为比在无所述预处理步骤的情况下的所述总催化剂磨损率小至少15％的固气装载比率，μ为催化剂质量比气体质量，
其中所述高速分离构件包括混合流导流板，其中所述混合流导流板为圆盘。
2.根据权利要求1所述的经改良方法，其中由所述经改良方法所提供的所述总催化剂磨损率比并无所述预处理步骤情况下的所述总催化剂磨损率小至少50％。
3.根据权利要求1或2所述的经改良方法，其中所述分离构件包含二级高速旋风系统，其包含以从16.8米/秒到22.9米/秒范围内的气流速度操作的初级旋风器，和以从18.3米/秒到25.9米/秒范围内的气流速度操作的二级旋风器。
4.根据权利要求1所述的经改良方法，其中所述方向改变范围介于远离所述流向轴线至少110度直到180度内。
5.根据权利要求1所述的经改良方法，其中所述预处理步骤使得从所述混合流移除大于90％的所述催化剂粒子，使得小于10％的所述催化剂粒子接触所述分离构件。
6.根据权利要求1所述的经改良方法，其中所述经改良方法提供根据所述相关性所计算的总催化剂磨损率，其中r为磨损率，r为每小时磨损的催化剂质量除以每小时冲击的催化剂质量；K为催化剂特定的磨损率常数；u为所述冲击速度，u的单位以米/秒计，且μ为比在无所述预处理步骤情况下的所述总催化剂磨损率至少小21％的固气装载比率，μ为催化剂质量比气体质量。
7.根据权利要求1所述的经改良方法，其中所述催化剂粒子包括丙烷脱氢催化剂。
8.根据权利要求6所述的经改良方法，其中所述催化剂特定的磨损率常数K为100×10- 9s2/m。
9.一种用于在将催化剂粒子与夹带气体分离期间最小化夹带于催化剂回收构件中的此等粒子与所述夹带气体的混合流中的此等粒子磨损的经改良设备，所述经改良设备包括经设计以从16.8米/秒到25.9米/秒的气流速度接收所述混合流，并借此从所述混合流移除至少99.8％的所述催化剂粒子的一或多个高速旋风分离器，其中所述改良包括：
位于所述一或多个旋风分离器的汲料腿状物上方的混合流导流板，其中所述混合流导流板为圆盘，且其中所述混合流导流板能够改变所述速度和方向，从而借此从所述混合流移除来自催化剂粒子与夹带气体的所述混合流的大于80％的所述催化剂粒子，使得小于20％的所述催化剂粒子冲击所述高速分离构件，其中所述混合气流速度在接触所述混合流导流板之后为从7.6米/秒到15.2米/秒且混合气流方向在接触所述混合流导流板之后为距接触所述混合流导流板之前的混合流轴线至少90度。
10.根据权利要求9所述的经改良设备，其中所述一或多个旋风分离器包括二级高速旋风系统，其包含以16.8米/秒到22.9米/秒范围内的气流速度操作的初级旋风器和以18.3米/秒到25.9米/秒范围内的气流速度操作的二级旋风器。
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