CN110520213A - 球粒的装载方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将球粒装载到贮器中的方法，该方法使用加压流体来在贮器内的多个高度上形成虚拟毯，以减小掉落球粒的加速度从而温和地装载球粒。

Description

球粒的装载方法

背景

本申请要求于2017年4月20日提交的美国临时申请S/N 62/487,527的优先权，该临时申请由此通过引用并入本文。

本发明涉及一种用于将球粒装载到贮器中的方法，例如将催化剂装载到化学反应器或炉的竖直反应器管中。

许多化学反应器本质上是大的壳管式热交换器容器，其中反应在管内部发生并且冷却剂在该容器中在这些管外部循环。炉管是沿其竖直长度从外部燃烧的开放气体、同时在底部被安装到固定的歧管上并且在顶部被安装到出口管道上。化学反应器容器还可以是内部具有单一体积的催化剂的简单的罐、或可以是单一大管。一些化学反应在蒸汽重整炉和其他管中发生，这些管可以是具有10到500个或更多此类管的系统的一部分。在这些容器和管中的任一个中，通常呈球粒形式的催化剂(以及不是催化剂的其他类型的球粒)可以被装载到管或容器中。球粒定期被更换。

管可以非常长、容纳在几层楼高的结构里，并且球粒可以被向上运送几层楼到达高于管顶部的高度，使得这些球粒可以接着通过重力流入管中。例如，许多炉中的管可以超过45英尺(15米)长。

催化剂行业在努力生产更高品质的催化剂，以提高转化效率。转化效率不仅受催化剂初始品质的影响，还受催化剂球粒的装载效率的影响。球粒被小心地装载到每个反应器或炉管(单一反应器中可以存在几千个管)中以试图均匀地填充每个管。

催化剂球粒通常非常脆弱，也就是，非常易碎和脆性。催化剂制造商用以获得更高性能品质催化剂所做的努力导致具有更低压碎强度的甚至更易碎的催化剂球粒。希望在搬运过程中，特别是在装载过程中，防止球粒分裂。使球粒下落45英尺长的反应器或炉管导致大概率的球粒破碎和分裂，这是不希望的。

长管中下落的球粒获得可观的速度和动能，这必须在球粒落到管的底部或其他球粒顶上时被耗散。球粒可能需要时间来耗散其能量并静止下来。一些球粒可能简单地由于下落了其各自管的长度而破裂。如果球粒在其他球粒被装载到其顶上之前没有被给予足够的时间静止下来，那么堆积密度可能减小，这是不希望的。

在过去已经使用许多装置和方法来在球粒在管中下落时减小其速度和动能，包括弹簧、“触须”、螺旋形坡道以及其他机械装置，当球粒向下流经接收管时，球粒撞击这些机械装置或沿其滑动。不幸的是，球粒反复撞击这些机械装置也会使易碎的球粒分裂。

需要一种用于将这些球粒装载到反应器或炉管(或其他贮器)中的装置和方法，该装置和方法减小速度和动能以便减小对球粒的损坏并且提高堆积密度。

发明内容

本发明涉及使用加压气体(例如压缩空气)将球粒装载到贮器中的装载装置和方法，用于将加速度减小至小于在球粒掉落时由于重力而产生的球粒自然加速度。压缩空气在沿接收管或其他贮器(例如盒或反应器容器)的长度的多个高度处释放以提供多个空气“虚拟毯”来让掉落球粒撞击在其上，以便沿接收管或其他贮器的长度减小球粒的加速度，从而使得每个球粒软着陆。

附图说明

图1是壳管式化学反应器容器的示意性截面视图；

图2是图1的反应器的上部管板的平面视图；

图3是单一反应器管、管板、以及球粒的切除的示意性截面视图，示出了球粒跨过反应器管的顶部开口成桥状，并且展示了催化剂在反应器管内部成桥状；

图4是与图3类似的切除的示意性截面视图、但增加了反应器管上方的表面，该表面限定进入反应器管的开口，该开口的直径小于反应器管的直径以便防止在管被装载时球粒在反应器管内成桥状；

图5是用于将球粒减速地装载到管内的导管的侧视图；

图6是图5的位于将用球粒装载的管内部的导管的侧视图；

图7是与图6类似的侧视图，但示出了球粒正在被装载到管中；

图8是与图4类似的侧视图，但使用了装载套筒；

图9是与图6的布置相似的一种布置的侧视图，但示出了使用机动化且编码的软管卷盘来将导管插入和取出；并且

图10是与图9类似的侧视图，但示出了使用料斗、秤、以及漏斗来装载球粒。

具体实施方式

图1描绘了为壳管式热交换器的典型化学反应器容器10，该容器具有上部管板12和下部管板14，并且多个竖直的反应器管16焊接或膨胀至管板12、14以形成紧密包装的管束。可以存在一百到几百或甚至几千个在管板12、14之间延伸的圆柱形管16。每个管16具有邻近上部管板12的顶端以及邻近下部管板14的底端，并且除了在底端处存在夹子以将催化剂或其他球粒保持在反应器管16内，管16在两端处开放。上部管板和下部管板12、14具有开口，这些开口是管16的外直径的大小，并且每个管16位于上部管板和下部管板12、14中的其相应开口中。

容器10包括顶拱(或顶部头部)13以及底拱(或底部头部)15、以及用于进入容器10内的管板12、14的人行巷道17。人行巷道在反应器运行期间是关闭的，但例如在催化剂搬运过程中为了进入而被打开。在这种情况下，用催化剂球粒填充反应器管16，以有助于化学反应。(可以注意到，相似形状的壳管式热交换器可以用于其他目的，例如锅炉、炉、或其他热交换器。)

这种特定的反应器容器10是相当典型的。该反应器容器的管的长度可以从5英尺到65英尺，并且该管被钢质结构滑轨或框架(未示出)围绕，该钢质结构滑轨或框架包括楼梯或升降机以便到达反应器容器10的管板高度、并且到达中间高度以及最高高度，该最高高度可以位于反应器容器10的顶部开口处或附近。定期地(可以是每隔2至48个月或更长时间)，当催化剂变得低效、低产、或“中毒”时，更换该催化剂，其中，将旧催化剂移除并且将新一批催化剂安装到反应器容器10的管16内。催化剂搬运还可能在紧急情况下、在未规划的并且通常不希望的日程安排下进行。

催化剂更换操作涉及将反应器完全关停，由于生产损失而导致了相当大的成本。本文示出和描述的装载装置可以用于新反应器的初始装载以及催化剂更换操作。(这些装载装置还可以用于要将球粒装载到从顶部开口向下延伸的贮器中的其他情形。)希望使催化剂更换操作(包括装载)所需的时间量最小，以便使反应器关停所造成的生产损失和伴随的成本损失最小，同时仍提供球粒的温和装载。

图2是图1的上部管板12的示意性平面视图，包括多个反应器管16(并且与下部管板14相同)。如图3所示，当试图将催化剂装载到反应器管16中时，催化剂球粒18可能在反应器管16(贮器)的开放顶端上成桥状，这阻止了球粒进入反应器管16。此外，如果两个或更多个球粒18大致同时落入反应器管的顶部开口中，则条件有利于在反应器管16内形成桥，这在管16内的成桥状的催化剂下方产生空隙或空间，从而阻止催化剂均匀且完全地填充反应器管16并且导致反应器管16的不均匀且不希望的催化剂装载。

为了防止催化剂球粒18在反应器管16内成桥状，安装者依赖于模板20(如图4所示)或装载套筒(与图8的装载套筒21类似)，其相比于反应器管16的内直径具有较小直径开口34并且由此限制球粒18流入反应器管16以便防止在管16内成桥状。(即，如果球粒成一列纵队流经管16或一次流入的数量足够少而使其在任何一次都无法跨过管的整个直径，那么成桥状不会发生。)应注意的是，这种成桥状条件在炉或重整器管中并不普遍，因为这些管的内直径(通常在4英寸和更大范围内)比装载到这些管中的球粒的最大尺寸大得多。

图1和图5至图8示出了薄的、柔性的中空气体注入器导管22，例如聚乙烯导管，该导管插入每个接收管或贮器16中以帮助减速地装载球粒，如以下更详细描述的。

参考图5，气体注入器导管22包括多个竖直间隔开的、径向对齐的开口24，每个开口24延伸穿过注入器导管22的壁，为加压流体(例如压缩空气26，参见图6)提供流体连通以便从注入器导管22内部流到注入器导管22外部并且进入接收管或贮器16内。注入器导管22的第一端30插入贮器16中。注入器导管22的第二端31接收来自压缩空气源的加压空气26，如图6所示。(加压空气26从第二端31流入注入器导管22并且穿过多个开口24离开注入器导管22进入贮器16中。加压空气26接着穿过在接收管16顶部处的真空歧管38流出接收管16到达真空源36，如图7所示。

加压空气26正好在注入器导管22上的每个开口24外部形成多个局部“虚拟毯”28。在沿注入器导管22的长度的多个分立的高度处的这一系列局部空气压力毯28提供了减速力，当催化剂球粒在催化剂装载过程期间掉落穿过接收管16时，该减速力作用在每个催化剂球粒18上。

开口24可以每英尺、每六英寸、每米、或以任何希望的间隔开设，该间隔可以是均匀或非均匀的，以实现希望的减速效果。开口24优选地是径向对齐的，因此这些开口全都在相同方向上对注入器导管22施加力，从而趋于推动注入器导管22抵靠贮器16的一侧。注入器导管22的第一端30优选地通过帽、塞子、将导管22热密封至自身上、或其他已知手段来密封。如果如图8所示使用模板或装载套筒21，那么注入器导管22的第一端30穿过模板或装载套筒21或其他装载装置中的小的开口40插入接收管16的顶部中(参见图8)，或注入器导管22的第一端30可以插入球粒进入接收管16所经过的相同开口34。歧管38和真空管线36虽然在图8中未示出，但也存在于那个实施例中，如同其在图7的实施例中的情况。一旦注入器导管22的第一端30邻近贮器16的底部，就可以开始装载。当球粒落入贮器16中而形成上升的球粒高度时，接着将注入器导管22从贮器16中逐渐移除，使得当球粒继续被引入贮器16中时，注入器导管22的第一端30保持在球粒高度上方。

参考图7，每个虚拟“毯”28优选地正好足够强大到使催化剂球粒18在掉落穿过接收管16时的向下运动减速、但不是完全停止或甚至反向，并且足够强大到迫使小的细料和灰尘到达接收管16的顶部。每个催化剂球粒在其经过注入器导管22的开口24时被减慢，并且每个球粒最终温和地沉降在接收管16底部处的夹子32*(参见图9)上、或之前沉积的催化剂球粒18的顶部上，从而在贮器16内形成了上升的球粒高度。

在一个实施例中，注入器导管22由薄的柔性材料制成，例如聚乙烯导管，该导管还是热稳定的，使得即使加压流体的温度出现波动，开口24仍保持基本上相同的大小。这些开口在沿注入器导管22的每个或任何位置上可以为单一或多个并且可以为不同的类型，包括精密孔口(未示出)。还在一个实施例中，如早先解释的，开口24径向对齐，使得一旦打开加压空气26，被喷射穿过径向对齐的开口24的加压空气的力将注入器导管22朝向接收管16的一侧推动(如图7所示)，从而为催化剂球粒18提供更多不受限空间以沿着接收管16的长度掉落而不趋于成桥状。再次，虚拟空气“毯”28对每个催化剂球粒提供减速力。控制球粒18装载到接收管16中的速率以防止在装载过程期间在接收管16内成桥状并且确保每个球粒在与已经沿管的整个长度装载的其他球粒接触时具有相同的速度。

当球粒被装载到接收管16中时，将注入器导管22从接收管16中逐渐拉出，使得注入器导管22的封闭的第一端30始终在接收管16中的球粒高度上方一段希望的距离。

如早先解释的，接收管16的底端具有夹子或弹簧32*(参见图9)以防止球粒从底部掉出。接收管16的底端还可以在装载过程期间用帽或塞子32(参见图7)暂时封住，以便防止压缩空气在装载过程期间穿过接收管16的底部泄漏，或者这个过程可以简单地依赖于上升的催化剂球粒床来限制压缩空气流出接收管16的底部，如图9所示。

真空源36(参见图7)被施加到歧管38，该歧管与接收管16内部处于流体连通、位于接收管16顶部，用于将经由注入器导管22被注入接收管16中的空气抽出。在搬运催化剂球粒18期间当这些催化剂球粒被装载到接收管16中时可能产生的任何灰尘颗粒或细料被连续从接收管16抽出而穿过歧管38和真空管线36，得到更密集的装载以及经装载的催化剂管或床上的更小压降。当灰尘和细料被移除并且保持最小量时，设计成具有高孔隙率的易碎球粒趋于更密集和均匀地堆积，这是所希望的。

装载程序：

为了将球粒装载到接收管16中，注入器导管22的第一端30被引入接收管16的开放顶部中，直到注入器导管22的第一端30邻近接收管16的底部。应注意的是，可以邻近注入器导管22的第一端30来安装微型摄影机、LED灯、以及例如激光或声传感器(未示出)等电子距离传感器，以便监测和测量注入器导管22的第一端30相对于上升的所装载球粒床的位置、并且监测接收管16内的球粒18的实际装载。

一旦注入器导管22的第一端30已经被引入接收管16中，就激活压缩空气源26(为真空源36)，并且球粒18逐渐下落穿过模板、装载套筒、或其他装载装置中的开口34(或者如果接收管16的直径足够大到使得成桥状不是问题，则仅进入接收管16的开放顶部中)。球粒18穿过开口34流入接收管16中。当球粒18向下掉落到接收管16中时，注入器导管22中的每个开口24处的虚拟空气“毯”28减小相应球粒的加速度，因此球粒以低速度掉落，直到球粒停在接收管16的底部处或上升的所装载球粒18床的顶部上。在装载球粒时，将注入器导管22从接收管16中逐渐拉出，以便使注入器导管22的第一端30保持在接收管16中的上升的沉降球粒高度上方一段希望的距离。

将注入器导管22逐渐拉出的过程可以手动完成，其中操作者盯着示出了注入器导管22的底部处的摄影机“看见”了什么的视频显示器，或盯着显示来自注入器导管22的第一端30处的距离传感器的距离读数的指示器，以便使注入器导管22的第一端30保持在上升的沉降球粒18高度上方一段希望的距离。

替代性地，如图9所示，将注入器导管22逐渐拉出的过程可以自动完成，其中控制器45与该相机或距离传感器并且与控制注入器导管22的运动的装置通信，以便响应于视频显示或距离读数来控制将注入器导管逐渐移除，以便使注入器导管22的第一端30保持在上升的球粒18高度上方一段希望的距离。例如，控制器45可以控制马达/齿轮箱41，其控制卷轴或滚筒42的旋转以将注入器导管22以受控的速率从贮器16中收回，以便使注入器导管22的第一端30保持在所装载球粒18的高度上方而使得注入器导管22不被球粒18吞没。旋转滚筒42上的编码器44可以用于向控制器45提供反馈以便控制将注入器导管22插入贮器16以及从其中取出的速率。

图10示出了用于控制将注入器导管22提出的过程的又另一个替代方案。在这种布置中，注入器导管响应于来自秤的重量损失读数、而不是响应于上文解释的视频显示或距离读数被逐渐移除。在这个实施例中，容纳多个球粒18的料斗48由称重秤46支撑。振动器50用于轻微地摇晃料斗48，使得球粒经由料斗出口滑道52从料斗48滚出到达漏斗54上并且穿过直径减小的漏斗出口56落入管16中。秤46连续地或以非常短的间隔读取重量读数，并且将这个数据发送到控制器45，该控制器计算料斗48中的球粒的重量变化并且使用该信息来确定管16中的球粒18的高度。控制器45向控制卷轴或滚筒42的旋转的装置41发送信号，以将注入器导管22以受控的速率从贮器16中收回，以便使注入器导管22的第一端30保持在所装载球粒18的高度上方而使得注入器导管22不被球粒18吞没。旋转滚筒42上的编码器44向控制器45提供反馈以便控制将注入器导管22从贮器16中取出的速率。

一旦接收管或贮器16装载的球粒18到达希望高度，就移除歧管38、注入器导管22、以及任何模板、装载套筒、底部帽、或其他装载装置。

虽然以上描述总体上涉及将催化剂球粒或其他球粒装载到竖直管化学反应器的反应器管中，但是这种布置还可以用于将其他类型的球粒装载到从顶部开口向下延伸的其他类型的接收管或其他贮器中。对于本领域技术人员而言明显的是，在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，可以对上文描述的实施例做出修改。

Claims (14)

1.一种用于将球粒装载到贮器中的方法，包括以下步骤：

提供贮器，该贮器具有开放顶端和底端；

将注入器导管的第一端插入该贮器的顶端中并且向下延伸到该底端附近的点处，所述注入器导管限定了多个竖直间隔开的开口；

将加压流体注入所述注入器导管中，其中，所述加压流体穿过所述竖直间隔开的开口流出；以及

随后在所述加压流体流经所述注入器导管并且穿过所述竖直间隔开的开口的同时使多个球粒下落到所述贮器的开放顶端中，所述加压流体在这些球粒掉落时减小这些球粒的加速度。

2.如权利要求1所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，该方法进一步包括以下步骤：在所述球粒沉降在所述贮器中从而在所述贮器中形成上升的沉降球粒高度时将所述注入器导管从所述贮器中逐渐移除，以便在所述球粒继续下落到所述贮器中时将所述注入器导管的第一端维持在所述沉降球粒高度上方。

3.如权利要求2所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，该方法进一步包括以下步骤：在所述贮器的顶部施加真空以移除所述加压流体并且移除被所述加压流体从掉落的球粒流中提升出去的灰尘颗粒。

4.如权利要求3所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，所述注入器导管的所述第一端是封闭的。

5.如权利要求3所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，所述竖直间隔开的开口是径向对齐的。

6.如权利要求3所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，该方法进一步包括相机，该相机邻近所述注入器导管的所述第一端安装，其中，所述相机监测所述球粒。

7.如权利要求3所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，该方法进一步包括距离传感器，该距离传感器邻近所述注入器导管的所述第一端安装，其中，所述距离传感器监测所述贮器中的沉降球粒高度。

8.如权利要求7所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，该方法进一步包括控制器，该控制器与所述距离传感器以及注入导管驱动器通信，并且该控制器响应于由所述距离传感器测得的所述贮器中的上升的沉降球粒高度来控制将所述注入导管从所述贮器中移除。

9.如权利要求8所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，所述注入导管的所述第一端是封闭的。

10.如权利要求9所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，所述竖直间隔开的开口是径向对齐的。

11.如权利要求10所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，在将这些球粒装载到所述贮器中时，所述贮器的底端被暂时封闭，并且其中，一旦这些球粒已被装载，所述贮器的所述底端被再次打开。

12.如权利要求3所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，在将这些球粒装载到所述贮器中时，所述贮器的底端被暂时封闭，并且其中，一旦这些球粒已被装载，所述贮器的所述底端被再次打开。

13.如权利要求2所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，将所述注入器导管从所述贮器中逐渐移除的步骤受到控制器的控制，该控制器与注入导管驱动器、注入导管卷轴编码器、以及由相机、距离传感器、以及称重秤组成的组中的至少一个进行通信，以便自动控制所述注入器导管的所述逐渐移除。

14.如权利要求3所述的用于将球粒装载到贮器中的方法，其中，将所述注入器导管从所述贮器中逐渐移除的步骤受到控制器的控制，该控制器与注入导管驱动器、注入导管卷轴编码器、以及由相机、距离传感器、以及称重秤组成的组中的至少一个进行通信，以便自动控制所述注入器导管的所述逐渐移除。