CN107107014A - 颗粒分离催化化学反应器和颗粒分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括动力学颗粒分离器的颗粒分离催化反应器。

Description

颗粒分离催化化学反应器和颗粒分离器

技术领域

本发明涉及具有颗粒分离的催化化学反应器。更具体地，本发明涉及一种具有使用动力学颗粒分离的分离器的反应器。此外，本发明涉及一种动力学颗粒分离器。反应器可以是向下流动的催化反应器，其包括垂直叠置的颗粒催化材料的填充床。这种类型的反应器用于石油和化学加工业，以用于进行各种催化反应，如硫和氮转化(HDS/HDN)、烯烃(HYD)和芳族化合物(加氢脱芳烃化-HDA)的氢化、金属去除(加氢脱金属-HDM)、氧转化(加氢脱氧-HDO)和加氢裂化(HC)。或者，反应器是径向转化器，其中板的元件必须固定到反应器。该反应器具有穿过催化材料的填充床的径向流，并且其通常用于石油和化学加工工业中，以用于进行诸如催化重整和氨合成的催化反应。

背景技术

颗粒分离和分级是化学、制药、矿产和食品工业中广泛探索的需求。虽然可能需要工业过程中的颗粒分级来提高某些产品的质量，但是可能需要颗粒分离来净化流体流或避免对工艺设备产生的问题。

有时颗粒有意存在于工艺流中。这是例如基于粉碎燃料的燃烧工艺或使用粉末技术生产药物或特种化学品的情况。在其他情况下，颗粒的存在是无意的。例如一些炼油厂流、流化床的流出物、Fischer反应器的产物流就是这种情况。颗粒可以具有各种来源：它们可以是原始原料和其它反应物流的一部分，或者它们可以在工艺设备中例如作为侵蚀产物生成和收集。颗粒可以是固体或液体，可以具有有机性质(如碳、焦炭、树胶)，或无机性质(如盐、碎屑)，或作为铁组分的腐蚀和侵蚀物，或催化剂颗粒的碎屑。它们可能是液体，像一些水雾，并且含有如细菌的活体杂质。形状和尺寸也可能有很大差异-从球体到薄片，从毫米到几微米或更小。如果颗粒在下游工艺中是不希望的，通常通过过滤器或本领域已知的其它合适的颗粒分离技术，在敏感设备之前将这些颗粒的大部分除去。然而，在某些工艺中，随着时间的推移，例如当涉及侵蚀和腐蚀时，问题可能会出现或变得更加严重。有时，实际上不可能在敏感设备之前安装作为独立单元操作的颗粒去除设备。

在石脑油加氢处理中可以看到颗粒产生的问题的一个具体实例。加氢处理反应器的进料有时载有颗粒。当将载有颗粒的进料引入至加氢处理反应器中时，颗粒倾向于在分级时或在催化剂上迅速结垢。因此，反应器可能需要频繁地剔除床的受影响层以容纳反应器中的压降积聚。每5-6个月一次或甚至每2-3个月一次的剔除频率并不少见。

影响石脑油加氢处理器的颗粒的表征很少能获得。事实上，颗粒取决于石脑油原料或工艺相关问题(锈、盐、胶等)。颗粒的运行中收集通常不可用。因此，颗粒表征依赖于事后分析，其受到由于颗粒聚集和氧化引起的大量不确定性的影响。

类似地，由FCC(流体催化裂化)催化剂的再生产生的工艺气体通常负载有催化剂颗粒和催化剂碎屑。这种气体可以被输送到硫回收单元，最常见的是用于元素硫的回收的Claus装置，或用于作为浓硫酸回收硫的WSA装置。这些是催化固定床反应器，如果暴露于负载有颗粒的原料，则其易于堵塞。通常存在于FCC再生器出口处的颗粒通常为2至20微米或更低的尺寸。

US2009177023公开了一种用于固定床反应器的过滤盘，其中气体和液体同时向下流动。

该设备可以使用包含过滤介质的特定分配器托盘来捕集包含在液体进料中的堵塞颗粒，该液体供应以气体和液体同时向下流动模式运行的反应器。该设备特别适用于含有炔属和二烯化合物的进料的选择性氢化。

EP0358923公开了一种用于净化来自固体气化产生的原始气体的方法和装置。在用于净化来自固体气化的含有颗粒状和多尘的固体颗粒的原料气体的工艺和装置中，需要找到一种方案，在进入下游冷却装置之前，通过该方案从原料气体中除去大部分任何尺寸的固体颗粒。这通过以下实现：当原料气体在第一净化阶段从气化区在气体保持空间的方向沿直线通过时，粒状固体颗粒在气体保持空间的底部沉淀，然后在第二净化阶段，部分净化的原料气体从气体保持空间横向偏转，并且经历变化至减小至少3倍的速度，并且在进一步的气体偏转之后，基本上在垂直方向上通过固体过滤器，其中灰尘固体颗粒从原料气体中去除。

虽然已有上述已知技术，但是仍需要具有颗粒分离器的反应器以确保反应器在即使进入反应器的入口流体流中存在任何颗粒杂质下可长期有效的操作。

发明概述

本发明描述了一种新型的催化化学反应器，其包括颗粒分离系统，动力学颗粒分离器。通过微小的改进，本发明可以用于选择性分离某些空气动力学直径的颗粒，也称为颗粒或粉末分级的方法。粉末分级对于提高化学、矿物、制药或食品工业的生产工艺的性能是有必要的，其中颗粒的尺寸是重要的。用于研究目的的粉末分级的应用也是本领域已知的。

根据本发明，通过将颗粒捕获在准静态流动的区域中而将颗粒与快速流动的流体流分离。通过在考虑到颗粒的惯性特性的情况下根据需要在多个步骤并以多种方式施加强制通风以将颗粒动量从高气体速度区域转移到准静态低气体速度区域，从而获得颗粒的捕获。

在工业操作单元中，通过动量转移的颗粒捕获原理可以与或可以不与本领域中使用的其它原理组合。

本发明的特征

1.用于化学反应的颗粒分离催化反应器，其包括用于将颗粒从至反应器的入口流体流分离的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器包括至少一个加速通道、分流段、颗粒减速段、收集室和气体出口通道。

2.根据特征1所述的颗粒分离催化反应器，其中所述颗粒分离反应器还包括至少一个用于从所述入口流体流初步分离颗粒的颗粒沉降段，所述颗粒沉降段位于所述动力学颗粒分离器的上游。

3.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述颗粒沉降段包括打孔的入口扩散器。

4.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述沉降段包括位于所述反应器流体入口下游和所述动力学颗粒分离器上游的初始动力学颗粒分离器。

5.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述沉降段包括至少一个用于使流体流从沉降段转移到动力学颗粒分离器的转移烟道。

6.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述至少一个转移烟道是弧形的。

7.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述动力学颗粒分离器包括布置在一个簇中的多个颗粒分离器单元。

8.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述动力学颗粒分离器还包括位于所述加速通道和所述减速段之间的至少一个层叠结构。

9.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述减速室包括成角度的冲击壁，用于将分离的颗粒从所述减速室引导至所述收集室。

10.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述加速通道包括从所述加速通道至所述收集室的水斗型(bailer type)流体连接件，由此在所述收集室中提供相对于加速通道更低的压力以用于将所述颗粒从减速段流动引导至收集室。

11.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述加速通道具有可变的横截面积。

12.根据特征11所述的颗粒分离催化反应器，其中所述可变的横截面积通过由引导件关闭部分横截面来提供。

13.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述动力学颗粒分离器包括来自所述至少一个收集段的共同可使用的出口，用于在使用期间除去收集的颗粒。

14.根据前述特征中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述反应器主体在所述反应器的顶部和底部之间的区段中是圆柱形的，并且多个动力学颗粒分离器中的至少一个，优选两个簇段在所述反应器直径附近布置成一线。

15.一种用于从流体流分离颗粒的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器包括至少一个加速通道、分流段、颗粒减速段、收集室和气体出口通道。

16.根据特征15所述的动力学颗粒分离器，其中所述动力学分离器包括布置在一个簇中的多个颗粒分离器单元。

17.根据特征15-16中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器还包括位于加速通道和减速段之间的至少一个层叠结构。

18.根据特征15-17中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述减速室包括成角度的冲击壁，用于将分离的颗粒从所述减速室引导至所述收集室。

19.根据特征15-18中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述加速通道包括从所述加速通道至所述收集室的水斗型流体连接件，由此在所述收集室中提供相对于加速通道更低的压力以用于将所述颗粒从减速段流动引导至收集室。

20.根据特征15-19中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述加速通道具有可变的横截面积。

21.根据特征20所述的动力学颗粒分离器，其中所述可变的横截面积通过由引导件关闭部分横截面来提供。

22.根据特征15-21中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器包括来自所述至少一个收集段的共同可使用的出口，用于在使用期间除去收集的颗粒。

23.一种包含根据前述特征中任一项所述的动力学颗粒分离器的颗粒分离催化反应器用于加氢处理的用途。

附图简介

通过示出本发明实施方案的实施例的附图来进一步进行说明本发明。

图1示出了根据本发明的实施方案的用于催化化学反应器(未示出)的动力学颗粒分离器的等距视图。

图2示出了根据本发明的实施方案的用于催化化学反应器(未示出)的动力学颗粒分离器的细节的等距视图。

图3示出了根据本发明的实施方案的用于催化化学反应器(未示出)的动力学颗粒分离器的细节的俯视图。

图4示出了根据本发明的实施方案的用于催化化学反应器(未示出)的动力学颗粒分离器的细节的等距视图。

图5示出了根据本发明的实施方案的用于催化化学反应器(未示出)的动力学颗粒分离器的细节的等距视图。

图6示出了根据本发明的实施方案的用于催化化学反应器(未示出)的动力学颗粒分离器的细节的等距视图。

位置编号

01.加速通道，03。

02.层叠结构，10。

03.加速通道。

04.分流段。

05.收集室，06。

06.气体出口通道，13。

07.打孔的进口扩散器。

08.初始动力学颗粒分离器。

09.转移烟道。

10.层叠结构。

11.成角度的冲击壁。

12.水斗型流体连接件。

13.出口通道。

在加速通道03中，将载有颗粒的流体(例如气体)朝向筛分表面层叠结构10加速，颗粒减速段05位于其后面，参见图3和4。在加速通道的出口处，流体和颗粒被推向层叠结构。在层叠结构后面，气体仍然在颗粒减速段中。当颗粒由于惯性而继续行进穿过筛分表面并进入颗粒减速段时，气体流线被迫突然改变方向并跟随迷宫形室(分流段04)中的开放通道。气体流动方向发生多次改变。

由气体携带的颗粒具有比气体更高的惯性。小于一定截止空气动力学直径的颗粒具有太小的惯性，并且将跟随气体流线。动力学颗粒分离器01系统将对这些颗粒无效。大于截止空气动力学直径的颗粒将继续其运动并进入筛分壁。

从筛分壁后面的减速段将颗粒运送至收集室06中。运送通过重力和气体通风进行。气体通风是必须的，以确保小颗粒迅速地从减速段引出，以避免颗粒被重新夹带在气体中的风险并使其离开减速室并返回到分流室。

收集室中的颗粒或其附聚物通过重力落在室的底部。

可能以多种方式产生气体通风。在一个实施方案中，通过向收集室提供孔，通过将收集室通过水斗型流体连接件12连接至加速段来产生气体通风。在加速通道中的高速流动的气体在壁上产生压力。通过抽吸，来自收集室的气体被移动到加速室，在收集室和颗粒减速室中产生通风。

确定设备分离效率的重要设计细节在所有区段。

·加速段的设计决定了颗粒在筛分壁处的速度。一般来说，可分离的颗粒的空气动力学直径与筛分壁处的颗粒速度成反比。

·迷宫的设计决定了气体在筛分壁处的速度。一般来说，可被重新夹带在气体中的颗粒的空气动力学直径与该段中气体速度矢量的大小直接相关。

·筛分壁的目的是将迷宫与减速室分开。筛分壁允许颗粒通至减速室，但最大限度地减少可能重新夹带颗粒并将其带至迷宫的涡流或扫流的形成。除了流体动力学，筛分壁的设计必须考虑物理颗粒性质，例如粘性，其可能使系统难以操作。

减速室的尺寸使得颗粒不会撞击室的壁。这里，颗粒在惯性力作用下的运动在颗粒撞击壁之前被减速并通过气体通风和重力转向。在颗粒确实撞击减速室的后壁的情况下，这可以成角度11以将颗粒向下冲击至收集室。

收集室体积的尺寸与要捕获的颗粒的预期量有关。收集室的重要特征是：

(a)产生通风，以确保颗粒迅速从减速室转向。

(b)存在妨碍颗粒朝向任何开口运动的装置，该开口将收集室连接到加速室或迷宫。

(c)允许容易地提取积聚颗粒的开口端口(未示出)。

就气体粘度和气体密度，对各段和气体速度分布进行设计，气体粘度和气体密度有助于限定可能分离的颗粒的空气动力学直径(截止直径)。截止直径可能不是以绝对值给出，而是以概率表示。

可以由动力学颗粒分离器去除的颗粒的尺寸取决于分流段中气体的速度：速度越高，颗粒越小。然而，在不增加跨装置的压降的情况下，则不能获得通过加速段的高速度。

对于某些应用，例如向加氢处理器提供的载有颗粒的石脑油原料，预先不知道要捕获的颗粒的尺寸和性质。因此，设计该装置以捕获非常微小的颗粒在整个装置上产生不必要的压降。理想地，设计应该使得能够收集足够的颗粒以允许反应器运行一个完整的循环，而不会不必要地增加压降。

本发明的实施方案的动力学颗粒分离器包括允许在加速室中的流动的横截面的灵活性的机械设备。有几种方法可以实现这一目的。在一个实施方案中，加速室可以由较小加速室的簇产生。可以通过打开一定比例的加速室(未示出)来调整总的加速度横截面。因此，可以改变迷宫中气体的速度。利用这种技术，可以在现场定制设备的性能，以确保尘垢捕集(scale-catching)性能与设备上压降之间的最佳平衡。

取决于筛分壁和减速室的设计，如果进入动力学分离器的颗粒太粗糙，这些元件可能影响操作性能。可以通过本领域已知的方法在动力学分离器的上游方便地收集这些颗粒。

在图1所示的一个实施方案中，可以通过沉降在初始动力学颗粒分离器08中来进行粗颗粒的分离。在该实施方案中，气体通过打孔的入口扩散器07被引入。入口扩散器以特殊方式设计，使得气体流动流相对于托盘形动力学颗粒分离器沿平行方向流动。此外，气体以低速流动，以使粗颗粒沉降在颗粒沉降段02下面的储存空间中。气体通过下降管(downcomer)转移烟道09流向动力学颗粒分离器。这些的形状可以类似于本领域中常规使用的烟道，或者类似于半月形，如在本实施方案中。下降管的形状由流体动力学方面的考虑和其他约束决定。例如，如果现有的反应器用本发明的颗粒分离器进行改装，则托盘的总高度pf可能被限制。

用于本文描述的目的的入口扩散器特别针对流体动力学方面的考虑设计，使得确保正确的速度分布。此外，设计需要考虑颗粒的存在以及颗粒在入口扩散器本身内沉降和堆积的可能性。

根据目前的知识，影响进一步加工的颗粒的尺寸为小于1至高达1000微米，密度为700至4000kg/m³，并且形状从球形变化至薄片和针状。

在图2和图6中，动力学颗粒分离器被示为两个簇，托盘包括多个单个部分，每个部分包括加速通道、层叠结构、分流段、颗粒减速段、收集室和气体出口通道13。图5中示出了这些簇/托盘之一的更详细的视图。

实施例

1)在第一实施例中，本发明作为石脑油加氢反应器中的动力学颗粒分离器进行。目标空气动力学截止直径为5微米，密度为2000kg/m³，尘垢捕集器的最大压降为2000帕。可调节的加速室数量允许将这些要求减小至30微米的空气动力学截止直径和2000kg/m³的密度。动力学颗粒分离器以托盘形状创建在支撑梁上或自支撑结构上，从而最小化确保机械强度所需的空间，这有利于用于颗粒收集的体积，并且其通过支撑环安装在反应器内部。

2)在第二实施例中，本发明再次在具有与第一实施例相似的工艺特性的氢化处理反应器中进行。然而，本发明被并入入口分配器中并且悬挂在顶上。

3)在第三实施例中，本发明通过整合终端速度分离和动量碰撞的原理来进行。当引导至反应器的颗粒具有粗糙组成(其尺寸与可能阻碍气体通过迷宫的迷宫管道相当)时，该实施方案是特别受关注的。

4)在第四实施方案中，本发明作为用于将硫氧化成硫氧化物的反应器上的托盘或入口分配器进行，例如在流化催化裂化过程中在催化剂的再生器下游所使用。目标空气动力学截止直径为0.5微米，密度为700kg/m³。可移动的顶允许将这些要求减小至2微米的空气动力学截止直径和1300kg/m³的密度。

Claims (23)

1.用于化学反应的颗粒分离催化反应器，其包括用于将颗粒从至反应器的入口流体流分离的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器包括至少一个加速通道、分流段、颗粒减速段、收集室和气体出口通道。

2.根据权利要求1所述的颗粒分离催化反应器，其中所述颗粒分离反应器还包括至少一个用于从所述入口流体流初步分离颗粒的颗粒沉降段，所述颗粒沉降段位于所述动力学颗粒分离器的上游。

3.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述颗粒沉降段包括打孔的入口扩散器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述沉降段包括位于所述反应器流体入口下游和所述动力学颗粒分离器上游的初始动力学颗粒分离器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述沉降段包括至少一个用于使流体流从沉降段转移到动力学颗粒分离器的转移烟道。

6.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述至少一个转移烟道是弧形的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述动力学颗粒分离器包括布置在一个簇中的多个颗粒分离器单元。

8.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述动力学颗粒分离器还包括位于所述加速通道和所述减速段之间的至少一个层叠结构。

9.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述减速室包括成角度的冲击壁，用于将分离的颗粒从所述减速室引导至所述收集室。

10.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述加速通道包括从所述加速通道至所述收集室的水斗型流体连接件，由此在所述收集室中提供相对于加速通道更低的压力以用于将所述颗粒从减速段流动引导至收集室。

11.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述加速通道具有可变的横截面积。

12.根据权利要求11所述的颗粒分离催化反应器，其中所述可变的横截面积通过由引导件关闭部分横截面来提供。

13.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述动力学颗粒分离器包括来自所述至少一个收集段的共同可使用的出口，用于在使用期间除去收集的颗粒。

14.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒分离催化反应器，其中所述反应器主体在所述反应器的顶部和底部之间的区段中是圆柱形的，并且多个动力学颗粒分离器中的至少一个簇段，优选两个簇段在所述反应器直径附近布置成一线。

15.一种用于从流体流分离颗粒的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器包括至少一个加速通道、分流段、颗粒减速段、收集室和气体出口通道。

16.根据权利要求15所述的动力学颗粒分离器，其中所述动力学分离器包括布置在一个簇中的多个颗粒分离器单元。

17.根据权利要求15-16中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器还包括位于加速通道和减速段之间的至少一个层叠结构。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述减速室包括成角度的冲击壁，用于将分离的颗粒从所述减速室引导至所述收集室。

19.根据权利要求15-18中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述加速通道包括从所述加速通道至所述收集室的水斗型流体连接件，由此在所述收集室中提供相对于加速通道更低的压力以用于将所述颗粒从减速段流动引导至收集室。

20.根据权利要求15-19中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述加速通道具有可变的横截面积。

21.根据权利要求20所述的动力学颗粒分离器，其中所述可变的横截面积通过由引导件关闭部分横截面来提供。

22.根据权利要求15-21中任一项所述的动力学颗粒分离器，其中所述动力学颗粒分离器包括来自所述至少一个收集段的共同可使用的出口，用于在使用期间除去收集的颗粒。

23.一种包含根据前述权利要求中任一项所述的动力学颗粒分离器的颗粒分离催化反应器用于加氢处理的用途。