CN110691643A - 用于具有流化床的脱氢反应器的催化剂和输送气体分配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于C₃‑C₅石蜡烃脱氢以生产烯烃的设备，所述烯烃用于生产合成橡胶用的基础单体。提供一种催化剂和输送气体分配器，包括沿反应器和/或再生器的轴线设置且具有向上的催化剂和输送气体的混合物的料流的输送管(1)，所述输送管在其顶端与膨胀器(2)连接，所述膨胀器通过连接管(10，20)与具有向下的催化剂和气体的混合物的料流的垂直竖管(7，24)相连。所述竖管的底端位于流化床的上部。膨胀器由具有顶盖(4)和底盖(5)的圆柱形容器(3)组成。管(10，20)通过其顶端连接到位于容器的圆柱形部分和/或底盖中的开口(8，9)。以上盘(11)和下盘(12)的形式存在的混合器连接到每个竖管的底端，所述上盘(11)围绕竖管的出口。所述分配器提高了烯烃的收率，减少了用于催化剂再生的空气消耗以及催化剂的损失量，并防止了整片式焦炭在分配器的结构元件上的沉积以及反应器和再生器内部的腐蚀。

Description

用于具有流化床的脱氢反应器的催化剂和输送气体分配器

技术领域

本发明涉及石油化学领域，特别涉及用于将C₃-C₅石蜡烃脱氢成相应的烯烃的设备，所述烯烃用于生产合成橡胶用的基础单体以及用于聚丙烯、甲基叔丁基醚等生产中。

背景技术

石蜡烃脱氢的典型设备(I.L.Kirpichnikov，V.V.Beresnev，L.M.Popov，“合成橡胶工业主要生产工艺方案集(Album of technological schemes of the mainproduction of the synthetic rubber industry)”，Khimia，Leningrad，1986，第8-12页；RU专利2601002，国际专利分类(IPC)：B01J8/04、С07С5/333，2016年10月27日公开)包括：流化床反应器和再生器，该流化床反应器和再生器具有分隔栅格的细粒氧化铬-氧化铝催化剂；输送管，用于通过使用供应至输送管的输送气体将催化剂气动输送到流化床顶部，来将催化剂从反应器循环到再生器，反之亦然(vice versa)(当将催化剂从再生器输送至反应器时，该输送气体为原料蒸汽、天然气或其他惰性气体；当将催化剂从反应器输送至再生器时，该输送气体为空气)；用于将进料的蒸气向下供应至反应器的流化床以及将空气向下供应至再生器的流化床的管道；用于输出接触气体和再生气体的与位于反应器和再生器上部的旋风分离器相连的管道。在再生器中加热和再生的催化剂通过催化剂和输送气体分配器，从再生器的流化床底部被进料至反应器的流化床顶部，并逆流通过在催化剂流化床中上升的原料蒸汽从而提供了吸热脱氢反应，然后来自反应器底部的催化剂以焦化、还原和冷却的形式通过催化剂和输送气体分配器进料至再生器的流化床的顶部，所述再生器用于在催化剂和空气逆流向下送入再生器的流化床的条件下，通过进料到再生器的流化床上部的燃料气体的燃烧，使焦炭燃烧、氧化和使催化剂过热。在反应器和再生器中，由沿着流化床高度的温度变化形成温度分布，其中，流化床顶部的温度高于流化床底部的温度。该设备包括呈圆锥形或椭圆形的挡板盘形式的催化剂和输送气体分配器，其位于反应器和/或再生器的分离区中的流化床液面上方的输送管的顶端之上。已知的催化剂和输送气体分配器的缺点包括在分配器的出口处催化剂颗粒被气流捕获的可能性，这损害了旋风分离器的运行以及降低了催化剂截留的效率。另外，输送气体(将催化剂输送到反应器的情况下为原料蒸气，以及将催化剂输送到再生器的情况下为空气)分别不与反应器和再生器的流化床接触，而在这些设备的分离区中与接触气体和再生气体混合。这些流的量达到供应至反应器的原料和供应至再生器的空气的量的5％或者更多。来自输送气体的未反应的石蜡烃会压载接触气体，然后经过整个过程循环，并以未反应的石蜡烃作为原料的循环返回至反应器入口，这导致了相应的工艺能源费用和输送气体中部分石蜡烃的损失。同时，用来将催化剂输送到再生器的空气中的氧气未被用于再生催化剂，例如在再生器中燃烧焦炭。该分配器的缺点还在于：由于催化剂在流化床的横截面上的不均匀分布，因而在反应器和再生器的流化床的上部中存在明显的热不规则性，从而降低了烯烃的收率。

由于催化剂和输送气体被供应至流化床的几乎一个点处(至反应器和再生器的流化床的中心部分)的事实，挡板盘形式的催化剂和输送气体分配器在流化床液面下方(below the level)的设置(专利RU 2591159，IPC：С07С5/333、B01J/00，2016年7月10日公开)并未改善上文所述的情况。

存在已知的用于反应器-再生器系统的催化剂和输送气体分配器(专利RU2129111，IPC：С07С5/333，1999年4月20日公开；专利RU 2301107，IPC：С07С5/333、B01J8/04，2007年6月20日公开)，其中，该反应器-再生器系统用于具有分隔栅格的流化床中的C₃-C₅石蜡烃的脱氢，所述分配器包括沿反应器和/或再生器的轴线设置的垂直输送管，该垂直输送管具有催化剂和输送气体的混合物的向上流，该输送管与膨胀器连接，膨胀器在输送管的顶端与输送管同轴安装，膨胀器通过连接管与竖管连接，竖管具有催化剂和输送气体混合物的向下流，其中，竖管的底端位于在顶部分隔栅格之上的催化剂流化床的液面下方。

最接近的技术方案是(专利RU 2301107，IPC：С07С5/333、B01J8/04，2007年6月20日公开)。

然而，连接管与膨胀器底盖的连接限制了为具有大直径设备的高功率反应器-再生器系统创建高效分配器的可能性。同时，由于分配流与流化床的混合与接触有限，因此催化剂和输送气体以紧凑型喷射流的形式向流化床的多个局部点的供应是低效的。分配流没有覆盖流化床的整个横截面，这决定了流化床中大的热不规则性、烯烃的低收率以及增加的催化剂损失，伴随输送气体的分配流对流化床造成的局部干扰。在这种情况下，由于离开竖管的催化剂和输送气体的混合物的垂直定向紧凑喷射流的作用，观察到了反应器和/或再生器的顶部分隔栅格的腐蚀。反应器中已知的分配器的椭圆形膨胀器的顶部的表面(该表面被来自再生器的过热催化剂流加热到高温)被整片的焦炭覆盖，焦炭的碎片落入流化床中，扰乱了反应器的运行。

发明内容

本发明的目的在于提高烯烃相对于通过的已分解原料的收率，降低催化剂再生的空气消耗，减少催化剂流失，消除分配器结构元件上的整体焦炭沉积以及反应器和再生器内部的腐蚀。

为了解决这个问题，提出了一种用于反应器-再生器系统的催化剂和输送气体分配器，该反应器-再生器系统用于在具有分隔栅格的流化床中对C₃-C₅石蜡烃进行脱氢，其中，分配器包括沿反应器和/或再生器的轴线设置的垂直输送管1，垂直输送管1具有向上的催化剂和输送气体的混合物的料流，其中，输送管连接至膨胀器2，膨胀器2在输送管的顶端与输送管同轴安装，其中，膨胀器通过连接管10、20与具有向下的催化剂和输送气体的混合物的料流的垂直竖管7、24连接，其中，竖管的底端位于流化床的上部，其特征在于，膨胀器2由具有顶盖4和底盖5的圆柱形容器3组成，其中，连接管10、20通过其顶端与位于容器3的圆柱形部分和/或底盖5中的开口8、9连接，以上盘11和下盘12的形式存在的混合器同轴地连接至每个竖管7、24的底端，上盘11围绕竖管的出口，下盘12设置成与上盘11有间距。

混合器可位于流化床16液面的下方，该流化床在分隔栅格15上部的上方或下方。

膨胀器2的容器3的直径与输送管1的直径之比可以在1.5至3.2的范围内。

膨胀器2的顶盖4可以是圆锥体的形式，其圆锥体的母线从水平位置向下倾斜10°

至40°的角度。

顶盖挡板锥体6可以通过其底部连接至膨胀器2的顶盖4，该挡板锥体6的锥体母线从水平位置向上倾斜10°至40°的角度，膨胀器2在输送管1的顶端26之上并且与该输送管同轴。

膨胀器2的底盖5可以是截锥体的形式，该截锥体的锥体母线从水平位置向上倾斜30°至85°的角度。

竖管7、24的数量可以是4到12个。

混合器的上盘11可以被水平地设置。

混合器的上盘11也可以具有截锥体的形状，并且可以设置成其圆锥体母线从水平位置向下倾斜5°至30°的角度。

混合器的下盘12可以被水平地设置。

混合器的下盘12也可以具有圆锥体形状，并且可以设置成其圆锥体母线从水平位置向下倾斜5°至45°的角度。

下盘挡板锥体14可以通过其底部连接至下盘12，下盘挡板锥体14的锥体母线从水平位置向下倾斜10°至40°的角度，下盘12在竖管24的底端之下并与其同轴。

混合器上盘11的直径与反应器和/或再生器的直径之比可以在0.02至0.09的范围内。

混合器上盘11的直径与混合器下盘12的直径之比可以在0.8至1.2的范围内。

下盘挡板锥体14的底部直径与竖管24的直径之比可以在0.3至1.0的范围内。

连接管10、20可以设置成从水平位置向下30°至80°的角度。

每个竖管7、24可具有用于吹扫竖管7、24的喷管17、18和19。

喷管17、18和19可以位于竖管7、24的上部和下部中。

喷管17、18和19可以设置成从水平位置向上30°至50°的角度。

各个竖管7、24上的喷管17、18和19可以连接到装置21、22和23，该装置用于测量上方的喷管17、19和下方的喷管18之间的压降。

附图说明

图1示出了一种根据本发明的用于C₃-C₅石蜡烃的脱氢的反应器-再生器系统中的循环催化剂和输送气体分配器的可能形式。

分配器由与反应器和再生器容器25同轴布置的输送管1、安装在输送管1的顶端26上的膨胀器2组成，该膨胀器由圆柱形容器3、顶盖4和底盖5组成。膨胀器2的容器3的直径与输送管1的直径之比在1.5至3.2的范围内。当该直径比小于1.5时，对催化剂和输送气体的气体-催化剂混合物的料流的液压阻力(hydraulic resistance)会变得难以接受的高，大于3.2的值则会限制分配器的极限尺寸(excessive dimensions)和金属消耗。顶盖4具有圆锥体形状，其圆锥体的母线从水平位置向下倾斜10°至40°的角度，从而防止了催化剂和焦炭在其表面上的沉积。底盖5具有截锥体的形状，该截锥体的锥体母线从水平位置向上倾斜30°至85°的角度，从而在要求保护的倾斜角度范围内提供了可接受的液压阻力值和膨胀器尺寸值。其锥体母线从水平位置向上倾斜10°至40°的角度的顶盖挡板锥体6连接至顶盖4。在要求保护的锥体母线倾斜的角度范围内，提供了膨胀器的最小液压阻力以及可接受的膨胀器顶盖的腐蚀程度。膨胀器2分别经由在圆柱形容器3中和底盖5中的开口8和9，通过连接管10和20(设置成从水平位置向下30°至80°的角度)连接到竖管7和24，以此提供反应器-再生器系统中所需的催化剂循环水平，该反应器-再生器具有足够的输送气体-催化剂混合物的流动性。图1任意显示了两个竖管，并相应地显示了两个开口和两个连接管，尽管可能存在更多(4到12个)。

连接到圆柱形容器3的连接管10使膨胀器与竖管相连接，该竖管到膨胀器的距离大于连接至底盖5的连接管20到膨胀器的距离。这些连接管的组合允许创建用于具有沿流化床的横截面均匀分布的竖管的大直径设备的最佳分配器。以上盘11和下盘12形式存在的混合器连接到各个竖管7、24的底端，其中，上盘11和下盘12按图1所示的混合器形式水平布置，在它们之间形成环形狭缝13。在该实施方式中，所提出的具有在径向方向上水平排放输送气体-催化剂混合物的分配器提供了流化床横截面中气体-催化剂混合物喷射流的最大渗透。上盘11也可以具有截锥体的形状，并且下盘具有圆锥体的形状(图1中未示出)，其中，盘可以按如下的圆锥体母线倾斜度布置：上盘11在5°至30°的范围内，下盘12在水平位置向下5°至45°的范围内。如此形成的环形狭缝的圆锥体形设置提供了对输送气体-催化剂混合物流的流出的液压阻力的减少。混合器的上盘11的直径与反应器和/或再生器的直径之比在0.02至0.09的范围内，该直径比与所要求保护的竖管数量(4至12个)两者一起使得可以均匀分配在具有可接受的混合器液压阻力的流化床的横截面中的输送气体-催化剂混合物的料流。混合器的上盘11的直径与混合器的下盘12的直径之比在0.8至1.2的范围内，这使得以下成为可能：根据反应器或再生器的特定设计中的一种或另一种选择的偏好，分别以一定的水平面向上或向下的气体-催化剂混合物喷射流的偏差来组织输送气体-催化剂混合物的排放。其锥体母线从水平位置向下倾斜10°至40°的角度的下盘挡板锥体14连接到下盘12。混合器的下盘挡板锥体14的底部的直径与竖管24的直径之比在0.3至1.0的范围内。在这些下盘挡板锥体的设计参数的改变范围内，实现了混合器的液压阻力的减小。在图1的实施方式中，混合器位于在流化床16液面下方的分隔栅格15的上方，同时混合器也可以位于分隔栅格15上部的上方，且该栅格的开放空间增加(专利RU 2601002，IPC：B01J8/04、С07С5/333，2016年10月27日公开)。催化剂分配器的混合器和具有增加的催化剂和气体反混的分隔栅格的组合(Catalysis in Industry，第5期，2005，Komarov S.M.等，“在用于石蜡烃的脱氢的流化床反应器中的分隔栅格上混合催化剂(Mixing the catalyst on thesectioning grids in a fluidized bed reactor for the dehydrogenation ofparaffin hydrocarbons)”)可以显著提高流化床上部横截面中催化剂和输送气体的分配效率。竖管7、24具有用于吹扫竖管的喷管17、18、19，这些喷管设置成从水平位置向上30°至50°的角度。这些喷管的轴线相对于竖管的轴线在特定范围内的倾斜(尤其当它们被气体吹扫时)，可防止在流化床特有的压力脉动下由催化剂引起的管堵塞。下方的喷管18和上方的喷管17、19连接到装置21、22和23，该装置用于测量竖管7和24中上方的喷管17、19和下方的喷管18之间的压降。

所提出的分配器按下文操作。在反应器-再生器系统中循环的催化剂和输送气体的混合物向上的流通过输送管1进入膨胀器2，在顶盖4和挡板锥体6的表面上，该输送流方向反转，并且通过连接管10和20被分配至具有混合物向下的流的竖管7和24。盘11、12和它们之间的环形狭缝13，以及安装在竖管底端的挡板锥体14形成的混合器沿盘的整个外边缘向流化床提供连续的、扇形的、循环的催化剂和输送气体的径向导向喷射流。上述流从垂直向下到水平径向的变化首先导致了在环形狭缝13的初始部分中催化剂的延迟，然后在狭缝最终部分中的输送气流的影响下导致了催化剂速度的显著增加。这种情况是由分配器结构元件的所要求保护的尺寸范围所提供的。催化剂和输送气体的混合物的排出速度的增加使催化剂和气体从混合器狭缝被排出到离盘的外边缘相当大的距离处，并且结合要求保护的竖管数量，提供了流化床横截面的均匀覆盖。同时，在催化剂流的影响下，输送气体分散在混合器中，并且在进入流化床的入口处呈小气泡状态。催化剂和输送气体在径向上的高排出速度改善了催化剂和输送气体在流化床中的径向混合。

所获得的催化剂的均匀分布在催化剂的入口区域内提供了流化床所需的等温水平。

同时，分散输送气体以及混合(接触)催化剂和气体的综合效果在催化剂和输送气体的入口区域内为混合器和流化床上部分中的传热和传质过程的强度突然增加创造了条件。

与最接近的现有技术相比，这导致了在催化剂的脱氢和再生过程中输送气体的利用程度的改善。因此，当在反应器中使用所提出的分配器设计以在催化剂输送中提供原料蒸气时，为被供应给该输送的石蜡烃的选择性转化提供了条件，这导致在该过程中获得了额外数量(收率增加)的烯烃。同时，当在再生器中使用所提出的分配器设计以在催化剂输送中提供空气时，再生器流化床上部中的氧气浓度会增加，这有助于提高催化剂再生过程(催化剂氧化和焦炭燃烧)的效率。这就提供了如下可能性：减少供给至再生器的空气，显著增加了供给反应器的催化剂的再生程度，从而也导致了烯烃收率的增加。当催化剂以向下流方式流经竖管和混合器时，连接管的倾斜设置以及用于吹扫竖管的气体供应提供了催化剂的必要流动性。竖管可以在反应器中用原料蒸气、天然气和其他惰性气体吹扫，以及在再生器中用空气吹扫。尽管在图1中混合器盘被示出为水平设置，但是当圆锥体的母线向下倾斜时，混合器盘也可以圆锥体形设置。这种设计防止了催化剂在盘的上表面上的积聚，从而防止了反应器中整片式焦炭在混合器的这些结构元件上的沉积。焦炭的沉积会导致混合器和分配器整体破裂。分配器膨胀器的顶盖的圆锥体形状也优选用于反应器中，以防止整片式焦炭沉积在膨胀器的顶盖的表面上。由于受控地供应了相对少量的用于吹扫竖管的辅助气体并安装了用于测量竖管中的压降的装置，所提出的分配器设计使得控制和改善循环催化剂在竖管上的分布成为可能。这使得控制流化床上部中的热不均匀性成为可能。用于测量竖管中的压降并安装在各竖管上的装置使得以下成为可能：测定各竖管中催化剂的量，测定各竖管中催化剂流的浓度，以及相应地由测量的竖管的压降和尺寸来评估在反应器-再生器系统中循环的催化剂和输送气体的均匀分布；在设备运行期间对分配系统中的故障进行诊断，并在必要时以增加的气体流速吹扫竖管，从而控制流量分配的均匀性。在流化床上部的横截面中所实现的输送气体的均匀分布减少了来自于反应器-再生器系统的催化剂的损失。当使用所提出的分配器时，由于排除了垂直方向的催化剂喷射流，故反应器和再生器的分隔栅格不会受到腐蚀磨损。

因此，技术效果为：与已知设计相比，所提出的用于在反应器-再生器系统(该反应器-再生器系统用于C₃-C₅石蜡烃脱氢)中循环的催化剂的催化剂和输送气体分配器的设计提供了如下优点：提高了烯烃的收率，减少了用于催化剂再生的空气消耗，减少了催化剂损失，消除了在分配器设计元件上的整片式焦炭沉积以及反应器和再生器内部的腐蚀。

具体实施方式

以上公开的实施方式是本发明的最佳实施方式。

工业适用性

催化剂分配器涉及石油化学领域，特别涉及用于将C₃-C₅石蜡烃脱氢至相应的烯烃的设备，其中，该烯烃用于生产合成橡胶用的基础单体以及用于生产聚丙烯、甲基叔丁基醚等。

Claims (20)

1.一种用于反应器-再生器系统的催化剂和输送气体分配器，所述反应器-再生器系统用于在具有分隔栅格(15)的流化床中对C₃-C₅石蜡烃进行脱氢，其中，所述分配器包括沿反应器和/或再生器的轴线设置的垂直输送管(1)，所述垂直输送管(1)具有向上的催化剂和输送气体的混合物的料流，所述输送管连接至膨胀器(2)，所述膨胀器(2)在所述输送管的顶端处与所述输送管同轴安装，所述膨胀器通过连接管(10)、(20)与具有向下的催化剂和输送气体的混合物的料流的垂直竖管(7)、(24)连接，所述竖管的底端位于流化床的上部，其特征在于，所述膨胀器(2)由具有顶盖(4)和底盖(5)的圆柱形容器(3)组成，所述连接管(10)、(20)通过它们的顶端与位于所述容器(3)的圆柱形部分和/或所述底盖(5)中的开口(8)、(9)连接，以上盘(11)和下盘(12)的形式存在的混合器同轴地连接至每个所述竖管(7)、(24)的底端，所述上盘(11)围绕所述竖管的出口，所述下盘(12)设置成与所述上盘(11)有间距。

2.根据权利要求1所述的分配器，其特征在于，所述混合器位于流化床(16)的液面下方，所述流化床(16)在所述分隔栅格(15)上部分的上方或下方。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的分配器，其特征在于，所述膨胀器(2)的所述容器(3)的直径与所述输送管(1)的直径之比在1.5至3.2的范围内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的分配器，其特征在于，所述膨胀器(2)的所述顶盖(4)具有圆锥体形状，所述圆锥体的母线从水平位置向下倾斜10°至40°的角度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的分配器，其特征在于，顶盖挡板锥体(6)通过其底部连接至所述膨胀器(2)的所述顶盖(4)，所述挡板锥体(6)的圆锥体母线从水平位置向上倾斜10°至40°的角度，所述膨胀器(2)在所述输送管(1)的顶端(26)上方并且与所述输送管同轴。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的分配器，其特征在于，所述膨胀器(2)的所述底盖(5)具有截锥体的形状，所述截锥体的锥体母线从水平位置向上倾斜30°至85°的角度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的分配器，其特征在于，所述竖管(7)、(24)的数量为4至12个。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的分配器，其特征在于，所述混合器的所述上盘(11)水平设置。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的分配器，其特征在于，所述混合器的所述上盘(11)具有截锥体形状，并且设置成锥体母线从水平位置向下倾斜5°至30°的角度。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的分配器，其特征在于，所述混合器的所述下盘(12)水平设置。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的分配器，其特征在于，所述混合器的所述下盘(12)具有圆锥体形状，并且设置成圆锥体母线从水平位置向下倾斜5°至45°的角度。

12.根据权利要求10所述的分配器，其特征在于，下盘挡板锥体(14)通过其底部连接至所述下盘(12)，所述下盘挡板锥体(14)的锥体母线从水平位置向下倾斜10°至40°的角度，所述下盘(12)在所述竖管(24)的底端下方并与其同轴。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的分配器，其特征在于，所述混合器的所述上盘(11)的直径与所述反应器和/或再生器的直径之比在0.02至0.09的范围内。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的分配器，其特征在于，所述混合器的所述上盘(11)的直径与所述混合器的所述下盘(12)的直径之比在0.8至1.2的范围内。

15.根据权利要求10和12中任一项所述的分配器，其特征在于，所述下盘挡板锥体(14)的底部的直径与所述竖管(24)的直径之比在0.3至1.0的范围内。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的分配器，其特征在于，所述连接管(10)、(20)设置成从水平位置向下30°至80°的角度。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的分配器，其特征在于，每个所述竖管(7)、(24)均具有用于吹扫所述竖管的喷管(17)、(18)、(19)。

18.根据权利要求17所述的分配器，其特征在于，所述喷管(17)、(18)、(19)位于所述竖管(7)、(24)的上部和下部中。

19.根据权利要求17和18中任一项所述的分配器，其特征在于，所述喷管(17)、(18)、(19)设置成从水平位置向上30°至50°的角度。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的分配器，其特征在于，每个所述竖管(7)、(24)上的所述喷管(17)、(18)和(19)连接到装置(21)、(22)和(23)，所述装置用于测量上方的喷管(17)、(19)和下方的喷管(18)之间的压降。

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