CN1168531C - 催化剂支撑结构和其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种重量轻、易制造的允许流体均匀分布地流入催化剂床的催化剂支撑结构，该支撑结构形成了一个其直径朝上扩大的锥形。支撑结构包括一个壳式支撑元件(26)，包括厚的网格元件的第一网格层(28a)，和其孔径不允许催化颗粒通过的第二网格层(28b)，第一网格层覆盖在支撑元件上，第二网格层覆盖在第一网格层上。壳式支撑元件包括一垂直于反应器(11)中心线延伸的的底板(25)，以及具有截头锥形的、从底板边沿向上延伸的侧壁(26)。底板和侧壁主要由具有允许流体通过的孔(222)的开孔板制成。在壳式支撑元件下方提供了多个具有不同直径的圆柱形的流动导向元件。

Description

催化剂支撑结构和其使用方法

                          发明领域

本发明涉及一种在烃进料物流的加氢炼制过程中在线(on stream)置换催化剂的装置和方法。

具体地说，本发明提供了一种改进的、烃进料物流通过加氢设备的加氢炼制装置和方法，和在加氢炼制设备中、在宽的处理速率范围内经济地利用加氢设备的空间的设备和方法，以便在进料和含烃气体以高对流速率通过催化剂床时，下行的催化剂填充床不会流化或沸腾。

                          背景技术

用加氢炼制或加氢处理来从烃进料物流中除去不希望的组分，提高这些重烃的经济价值，是一种已知的方法。“重”烃液体物流，特别是拔顶油、石油渣油、焦油砂沥青、页岩油或液化煤或再生油，通常含有产品污染物，如硫、和/或氮、金属和有机金属化合物，在加氢条件下，在催化剂与进料物流和氢气的接触期间会使催化剂颗粒失活。这一加氢炼制条件通常是在20-300个大气压和212°F-1200°F(100-650℃)的范围内。这一加氢炼制通常是在有催化剂存在下进行的，催化剂含有第VI或第VIII族的金属，如铂、钼、钨、镍、锆等，并结合有各种具有高面积/体积比率的其它的氧化物颗粒，如氧化铝、氧化硅、氧化镁等。特别地，用于重油等的加氢脱金属、加氢脱硫、加氢脱氮和氢化裂解等的催化剂一般是由载体或基材如氧化铝、氧化硅、氧化硅-氧化铝，或可能的话，结晶的硅酸铝盐，与一种或多种促进剂或催化活性金属(或化合物)以及痕量物质制成的。典型的催化活性金属是锆、钼、镍、和钨；然而，可以根据应用场合，选择其它金属或化合物。

与上流流体进料-如烃进料和含氢气体-接触的加氢炼制催化剂填充床通常是由一催化剂支撑结构所支撑，这一支撑结构既支撑催化剂填充床又有助于均匀地将上流流体分配到催化剂床中。如果不能有效地将流体分布到床中，则会导致催化剂迅速失活或在催化剂床中形成固体沉积物。

已提出了很多的办法来改进流体和气体反应物向催化剂床中的分布。

Meaux在美国专利US 3 336 217中提出了一种方法，即从高压和高温反应器的床中间歇地排放催化剂，在该反应器中，催化剂被支撑在传统泡罩塔盘或其它适当元件上的床中。有关多孔催化剂间壁的其它公开文献包括美国专利US 3 197 288；3 410 791；3 410 792；3 523 888；和4 738770。

Jacquin在美国专利US 4 312 741中提出了一种液相中的烃或沥青页岩或一氧化碳与上流氢气接触催化转化的方法。在该方法中所使用的反应器包括一级或多级，在每一级的底部是有多个孔的多孔板支撑件，孔的横截面的尺寸小于催化颗粒，至少一个孔的横截面明显大于催化颗粒。流体(烃或氢气)从大孔中向上喷，以防止催化剂通过该孔快速流动。可以通过停止流体的流动，使催化剂向下穿过支撑件，从而从反应器中除去催化剂。

Euzen等人在美国专利US 4 392 943中提出一种在有氢存在的条件下催化处理烃的方法，其中催化剂是从反应器的顶部引入、从底部排出的，与之逆流的氢是从底部引入、从顶部排出的。催化剂的排出是通过反应器内的一个漏斗扩张口进行的。漏斗使得上流烃穿过小孔，小孔的尺寸足够小，可以防止催化剂向下通过。烃通过位于锥体上方和/或下方的有孔的输送管注入到反应器。

Euzen等人在美国专利US 4 444 653中提出一种从反应器中排放固体颗粒和向反应器中注入流体的方法，该反应器具有一个用于排放催化剂的扩口区域，和一个位于扩口区域上方的器壁上的用于注入流体的管线系统。扩口区域是一个具有倒锥或倒金字塔形状的连续(没有粗糙之处和开孔)结构，锥体的尖顶朝下。锥体的轴线与母线之间的角度在10°-80°之间，优选在30°-40°之间。用于向反应器内注入流体的管线系统可以包括一系列在端部相连的并沿漏斗向外辐射的管，其排列象倒伞的伞骨。管线系统中的不同注入管的横截面积的设计要能消除蒸汽-液体相的分离。管线的开孔或开口优选朝下，以避免堵塞催化剂颗粒。

Bischoff等人在美国专利US4 571 326中提出了一种从反应器的接触区排放固体颗粒和向该区引入流体进料的装置。作为装置的一部分，在反应器内有一倒锥金字塔形的排放漏斗。排放漏斗的表面上分布有小孔或开口，其尺寸足够小以防止催化颗粒通过，但能允许上流流体通过。为了防止漏斗上部下面的反应气体迁移，使气体通过一个平行通道，该通道强制气体颗粒流过漏斗下方的控制通道。

Bischoff等人在美国专利US 4 639 354中提出一种按一定间隔开孔的水平盘，每一孔的尺寸都足够小，以防止固体颗粒通过，但能允许上流流体和氢气通过。

Smith在美国专利US 4 968 409中描述了一种选择地提升含有金属组分的进料烃流体的分布系统，该流体与下降的催化颗粒床逆流接触。该系统包括一个反应容器和倾斜的表面，如锥形支撑元件，以支撑下降的催化颗粒床。分布到倾斜表面底部的气体通过多个在不同高度形成的孔，因此流入床层的气体是基本均匀的，而不受孔的高度以及通过倾斜表面连接常用液体储罐和催化剂床层的液体进料管的高度的限制。因此能保证气相组分和液态烃组分均匀地分散到下降的催化剂床层中。必要的是放置锥面使其锥顶相对于进料向下延伸。

Stangeland等人在美国专利US 5 076 908中提出一种向下流动的催化剂床中连续供应置换催化剂的方法，该催化剂床是处于以控制的速率向上流动的烃进料之中，从而防止催化剂颗粒明显沸腾以形成填充床。传统的催化剂支撑结构，如Stangeland等人所提出的(US 5 076 908)，是一束状支撑(beam-supported)结构。这种结构包括一系列从无孔中心板向反应器侧壁延伸的扇板(segment plate)所形成的环形多边形，近似于园环，以及扇形板之间延伸的径向辐条支撑元件。这一组件支撑一个锥形的，或者说是金字塔形的多孔板或筛网，对于从反应器底部上流气体和液体来说是可透过的。由于这一特殊结构，进入床的液体烃进料和氢气的混合物由于重力的作用，分开径向交替的气体和液体环，组成了每对径向辐条之间的相邻扇区。所以，两相在筛网下向上流动通过交替同轴的环形通道。

然而，在US 5 076 908所提出的传统催化剂支撑结构中，结构中的束的重量和尺寸随反应尺寸的增加而急剧地增加。增加了的重量和尺寸增加了制造和安装的复杂性和成本，抑制了流体均匀地分布到催化剂床中。

尽管已提出了多种办法来改进上流流体向催化剂床中的分布，但却没有一种是完全令人满意的。因此，本发明的一个特殊目的是，提供一种催化剂支撑结构，以改进上流流体组分向一种下流催化剂反应床中的分布。

本发明的另一目的是，提供一种能改进含氢气体和液体向催化颗粒床或层中分布的均匀性的催化剂支撑结构。

本发明的再一目的是提供一种易于制造的、适于在大直径反应器中支撑移动催化剂床的、重量轻的支撑结构，而且引入催化剂床的流体能均匀地分布。

                         本发明简述

本发明提供了一种用于基本上是圆柱形的、含有催化剂床的反应器的催化剂支撑结构，包括：

a.一个向上扩口的、被底板截头而具有截头锥形的开孔锥形支撑元件；和

b.至少一个与所述锥形支撑元件相邻的、向上延伸的、其高度超出锥形元件以足以引导流体向上流入所述催化剂床的上部导向元件。

用于支撑圆柱形反应器内的催化剂颗粒移动床的催化剂支撑结构特别适用于用上流流体进料进行操作的反应器系统。为了这一目的，在锥形支撑元件的表面上提供了基本上是均匀分布的孔或缝，其尺寸足以允许上流流体通过，又足够小以防止催化颗粒穿过锥形支撑元件。这一点可以通过使锥形支撑元件上的小孔或开孔足够小以防止催化剂流过，同时又足够大以使得在预选的、通过锥形支撑元件的流量下压力降最少来完成。

在一可选的实施方案中，适当设计锥形支撑元件上的小孔的大小和间隔分布以使流体流动的压力降最小。因为在这一实施方案中的开孔比催化颗粒大，优选的锥形支撑元件是用能防止催化颗粒通过锥形支撑元件的部件覆盖。

在一个优选实施方案中的催化剂支撑元件进一步包括多个基本上是同心的、圆柱形的、与锥形支撑元件下部表面相邻的、向下延伸的下部导向元件。下部导向元件在径向彼此隔开以形成一组同心的环，每一个都与底板同轴。

除其它因素外，本发明是基于如下发现：当被支撑这样一种锥形催化剂支撑元件上：它具有下部流动导向元件-导向元件形成了一组同心环，还具有上部流动导向元件，以引导流体向上流动进入所述反应器中的所述移动催化剂床时，上流流体进料进入移动床催化剂反应器系统的催化剂床中的分布得到改进。

                     附图简述

图1-3和5-8涉及本发明的实施方案，图4涉及Stangeland等人在US 5 076 908中的方案。

图1是显示本发明支撑结构的、沿反应器中心线的剖视图。

图2是支撑结构的沿图1中X-X的剖视图，但未示出下部导向元件。

图3是导向元件的放大的剖视图。

图4是传统加氢炼制反应器以及用于催化剂以活塞状流与上流的液体烃进料和气流进行在线置换时的附加容器的示意图。

图5和图6a-6c描述本发明的非织催化剂支撑筛网。

图7是一种催化剂支撑结构实施方案沿图1中X-X线的剖视图，显示了催化剂支撑元件上的图5和图6a-6c的催化剂支撑筛网。

图8是另一种催化剂支撑结构实施方案的沿图1中X-X线的剖视图，显示了多个被上部导向元件分开的编织网格元件。

                    本发明的详细描述

本发明涉及一种用于在反应器内支撑催化颗粒床的结构。本发明的结构包括至少三个元件：一个锥形支撑元件，至少一个上部导向元件和一块底板。优选地，本发明的结构还包括至少一个筛网元件和一个下部导向元件。该结构的各种元件以及它们的作用将在下面进行更详细的描述。本发明提供了一种流体反应试剂在催化剂床中改进的分布，与传统的束状催化剂支撑结构相比，其造价更便宜。本发明的催化剂支撑结构包括：

a.一个向上扩口的、被底板截头而具有截头锥形的多孔锥形支撑元件；和

b.至少一个与所述锥形支撑元件相邻的、向上延伸的、其高度超出锥形元件以足以引导流体向上流入所述催化剂床的上部导向元件。

截头锥是一倒锥形，其顶点在最下部，从其顶点向上扩口，该锥被一垂直于锥体轴线的平面在顶点的上方截头。与传统束状支撑结构相比，使用由在表面上分布有孔的成型金属板制成的锥形支撑元件来支撑催化剂床，可以大大降低支撑结构的重量。将板制成本发明的截头锥，再与反应器本体联接，在本领域内是相对容易的操作。在本发明的锥形支撑元件上均匀分布的孔提供了这样一种支撑结构，与使用传统的束状支撑结构相比，能以更均匀的方式在催化剂床的整个截面上将反应试剂流体引入到催化剂床中。此外，由于每孔的直径和间距可以按其在本发明催化剂支撑结构上的具体的位置来改变，所以流体的流动方式可容易地调节。本发明的支撑结构导致了流体与催化剂的均匀接触，降低了压力降，所以提高了反应效率。因此，本发明具有如下优点：改进了反应剂到催化剂床中的分布，降低了流过支撑结构的压力降，减少了支撑结构的重量，易于制造，降低了成本。

本发明的一种典型的催化剂支撑结构，对于内径为约1.5米-约10米的反应器，为约1.2-57吨重。更优选的是，反应器的内径为3米-7米时，催化剂支撑结构的的优选重量在5-28吨之间。在通常的情况下，反应器中的由本发明催化剂支撑结构所支撑的催化剂的重量在11-3500吨之间，优选在50-600吨之间，进一步优选在100-400吨之间。正如前面所讨论的，要求催化剂支撑结构具有与给定的反应器直径、催化剂加载量以及所要求的流体流过该结构的流量相当的最小重量。

形成锥形支撑元件的多孔板的厚度可以根据已知的膜应力计算方程，以要支撑的加载重量为基础来计算。小孔的直径、间距和个数根据流过支撑结构的反应气体和反应液体的允许压力降、催化剂的粒径以及催化剂床的重量来确定。板元件的材料可考虑反应气体和液体引起的腐蚀、反应温度等来确定。

通常，形成锥形支撑元件的多孔板的厚度在5mm-50mm之间，优选在10mm-40mm之间。使用从锥底到锥顶有不同厚度的多孔板也在本发明的范围内。多孔板上的开孔可以是任何形状，由于易于制造的原因，通常选择园形孔。多孔板上的小孔的直径通常是6mm-150mm，优选8mm-100mm，进一步优选10mm-75mm。在不使用筛网或其它类似元件来防止催化颗粒锥形支撑元件的应用场合，优选的多孔板的孔小于所用的颗粒催化剂。通常孔的直径小于10mm，优选小于8mm，进一步优选小于6mm。多孔板的开孔间距为孔径的1.01-50倍，优选1.05-20倍，进一步优选1.10-10倍。

优选的催化剂支撑结构包括一锥形支撑元件，在支撑元件上覆盖着一个用来防止催化颗粒穿过锥形支撑元件的部件。合适的防止部件通常具有筛网的形式。这种筛网可以是编织的或非编织的。焊接或固定在一起的重叠的条或棒构成了非编织筛网的例子。为了提供有效的强度以支撑催化剂床，同时防止催化颗粒穿过锥形支撑元件，可能要求使用多层筛网。

作为使用至少两层筛网的例子，催化剂支撑结构包括在锥形支撑元件上的第一编织网格层和覆盖在第一编织网格层上的第二网格层。当两个编织网格层具有相同的规格并基本上起相同作用时，优选第二编织筛层的开孔足够小，以防止催化颗粒穿过。进一步优选的是，覆盖在锥形支撑元件的第一网格层的开孔面积大于锥形支撑元件上的每一孔的面积，且构成第一编织网格层的金属线要足够粗，以支撑每个孔上的催化剂的重量。第二编织网格层是用来防止催化颗粒下落穿过支撑元件的，第一编织网格层是用来加强第二编织网格层以支撑每个孔的孔面积上的催化剂的重量。第一和第二金属线网格层上的网格元件不必一定是金属线的网或网格，也可以用任何与金属线网起同样作用的材料如多孔板来代替。

在本发明中有用的编织网格包括金属线网，金属线的直径通常在0.1-10mm之间，优选在0.5-8mm之间，进一步优选在0.5-3mm之间。金属线之间的间隔的最大尺寸通常小于5mm，优选小于3mm。在使用第一编织网格层和第二编织网格层的应用中，第二编织网格应具有上述物理性能，即金属线的直径通常在0.1-10mm之间，优选在0.5-8mm之间，进一步优选在0.5-3mm之间。金属线之间的间隔的最大尺寸通常小于5mm，优选小于3mm。第一编织网格层包括其直径在1-50mm之间，优选在1-20mm之间金属线，金属线之间的间隔在1-100mm之间，优选在2-50mm之间。

包括多个纵向棒元件的屏网或多孔板对催化剂支撑结构也是有用的，这些棒在支撑棒元件上横向地隔开排布，以提供其宽度能防止催化颗粒通过所述屏网的槽缝.这种类型的屏网的例子被描述在如美国专利US 3 723 072中，整个文献在这里提及并并入本发明作为参考。

下部流动导向件基本上是同心的圆柱形的挡板，挡板与锥形支撑元件邻连接并向下延伸，以使来自反应器下部的流体被均匀地引入到催化剂床中。如果没有流动导向件，则流体在支撑结构的锥形支撑元件下方趋向于向外流动(向反应器壁)，然后，沿反应器壁高速向上流动。在本发明的催化剂支撑结构中，锥形支撑元件(相当于壳状支撑元件)具有下部流动导向件，其形式有如平板或挡板，其位置在支撑元件的下方，以提供均匀的流动分布，避免了使用壳状支撑元件中的孔。所以，通过适当地安排流动导向件的位置，可以容易地调节进入催化剂床的流体的分布方式。优选的是，圆柱形的下部流动导向件在径向相互隔开10mm-1000mm，进一步优选50mm-750mm设置，以与锥形支撑元件形成多个同心环形储存槽，每一个下部流动导向件都与中心区域同轴。更优选的是下部流动导向件在垂直方向上的长度基本相等，典型的小于1000mm，通常在50mm-1000mm之间。

本发明的催化剂支撑结构包括至少一个与锥形支撑元件邻接的上部流动导向件。每一个上部流动导向元件都从锥形支撑元件的上部表面向上延伸，其高度超过锥形支撑元件，以足以减少沿锥形支撑元件上部表面的流体流动，并引导流体向上流动进入反应器中的所述移动催化剂床。不希望受到任何理论解释的约束，以上流流体操作的催化反应系统的工业经验告诉人们，传统的催化剂支撑结构在将包括氢气在内的气体反应剂分布到催化剂床中的性能较差。这种分布不均匀的一个原因是已穿过锥形支撑元件的气体反应试剂具有沿支撑结构表面朝反应器外壁向外迁移的趋势，而不是直接向上进入催化剂床中。当锥形支撑元件被一个或多个屏网所覆盖时，这一问题似乎特别明显。本发明的支撑结构提供了至少一个固定在锥形支撑元件上部表面上的上部流动导向元件，以减少气体反应剂沿上部表面迁移。每一上部流动导向元件都是一个加高的元件，形成了与锥形支撑元件的底板同心的连续结构。所有上部流动导向元件都可以具有不同的形状，包括锥形支撑元件上的挡板、突出、焊接件或波纹件，在同一催化剂支撑结构中，可以使用一种以上的形式。一种优选的上部导向元件是一种或多种焊接构件，每一个都形成连续的焊接肋条(weld string)，将屏网元件与锥形支撑元件固定在一起。上部流动导向元件的尺寸取决于所用的类型。例如，作为上部流动导向元件的有用焊接件的高度是在约5mm-50mm之间，挡板的高度是在约5mm-250mm之间。

下面的描述主要是针对通过催化剂支撑结构和支撑在其上的催化剂床的上流进料而言，所谓“上流”是指相对于水平面向上的流动，但并不限于相对于水平面的垂直流动方向。这里所用的“移动床”催化反应区是这样一个区域：在反应期间和反应条件下催化剂从其中移出、又向其中添加催化剂的区域，因此，在催化剂排出期间，催化剂在反应区域向下移动。

由液体组分和/或蒸汽(或气体)组成的流体进料包括如烃的液体和如含烃气体的蒸汽。这里所用的“催化剂”是指与流体进料接触的颗粒，如所添加的有利于反应的颗粒、吸附剂或其它流体接触体。

本发明的结构包括至少三个部件：一个锥形支撑元件26，至少一个上部流动导向元件223和一块底板25。本发明的结构优选还可以包括至少一个屏网元件28和一个下部流动导向元件27。这些元件描述在图1和2中，例外的是上部流动导向元件是示于图7和8中。

参照图1和2，催化剂支撑结构包括截头锥形支撑元件26，其直径朝反应器11的顶部向上增大，其中心部分，即如底板25所示，位于锥形支撑元件26的中心，顾名思义，是在支撑结构的最底部，并垂直于反应器11的中心线延伸。锥形支撑元件26是优选为一钻有多个孔的多孔板。孔可有任何形状或尺寸；为了易于制造，圆柱形的孔是优选的。孔的尺寸和数目取决于所要求的通过催化剂支撑结构的流体流速，随每一具体支撑结构以及反应器内的操作条件的不同而不同。例如，通过锥形支撑元件的流体流速在约0.05-尺/秒至约5.0尺/秒的范围内，是适合于本发明的催化剂支撑结构的。

多孔板26的厚度可以根据已知的膜应力方程、以待支撑的催化剂的重量为基础来计算。穿过多孔板26的孔222优选按均匀的间距相互隔开。根据进入催化剂床的流体进料通过催化剂支撑结构时的允许压力降来确定孔222的总开孔面积。锥形支撑元件26和底板25可以不必有相同间距和直径的孔222。例如，可以在支撑结构上根据不同的位置提供不同直径和不同间距的孔222。

锥形支撑元件26被成型为一个截头锥，截头锥的母线与反应器的直径之间的角度α大于催化剂颗粒的休止角，以便于在排放期间催化剂的流动。通常，角度α为约40°-80°，优选50°-70°，进一步优选55°-65°，58°-62°是特别优选的。

底板25基本上是园形的，垂直于反应器中心线安装，并与锥形支撑元件26的下部边沿相连接。底板的直径通常为300mm-5,000mm，优选500mm-3,000mm。

底板25也可以是穿孔的或不穿孔的。优选的是底板25在催化剂排放管29的进口30以下的一部分不穿孔(即不开孔)(示于图4)，借此，可以防止未反应的流体在催化剂排放期间进入导管29内。如果底板25有穿孔的部分，则其优选的孔径应足以允许催化颗粒穿过底板。当孔具有这样的孔径时，其上覆盖能防止催化颗粒通过底板的元件，如一屏网。

锥形支撑元件26上至少覆盖一层网元件28。锥形支撑元件26上的开孔足够大，以允许流体进料通过锥形支撑元件和底板。当孔径小于催化颗粒的粒径，以防止催化颗粒通过锥形支撑元件时，优选的是在至少一个方向上孔径大于催化颗粒的数倍。在这一优选的实施方案中，锥形支撑元件26至少覆盖一层网格元件28。所用的网元件的类型是不重要的，这一点对本领域内的技术人员来说是明显的。至少一个网元件的孔径应能防止催化颗粒通过此网，但能允许流体进料通过。在图2所示的具体实施方案中，一个编织格层28a覆盖在锥形支撑元件26和底板25的至少是开孔的那一部分上。第一网格层28a是由网目比较大的金属网格制成的，网目用粗的金属线编织而成。第二网格层28b是由网目比催化剂的颗粒尺寸稍微小一点的金属网格制成的。第二金属线网格层28b是用来防止催化颗粒穿过支撑结构下落的，第一网格层28a是用来加强第二网格层28b的。

优选的是，覆盖在板元件上的第一编织网格层的开孔面积应大于每一个孔的开孔面积，金属线的直径就足够粗以支撑第一个孔上的催化剂的重量。第一和第二金属线层的编织网格元件不必一定是金属线网，可以用与金属线网起相同作用的其它任何材料来代替，如多孔板或在最宽的方向上横截面的宽度为约0.5mm-约125mm的平行棒。

在如图1、5和6a-6c所示的实施方案中，在锥形支撑元件26的上表面覆盖一层或多层孔网，孔网是将多个纵向棒元件139横向间隔地放在支承棒元件140上构成的，使之充分分开以提供多个槽口，其宽度通常为0.01mm-10mm，优选0.2mm-8mm。在该优选实施方案中，纵向棒元件与横向支承棒元件通常是焊接在一起。参看图5，示出了图1中的网元件28的一部分的平面图。多个纵向棒元件139被支撑和连接在多个支承棒元件140上，使之足以在相邻的纵向棒元件139之间提供槽口141。纵向棒元件139相互分开，因此槽口141允许流体通过，但防止催化颗粒通过。对于催化剂支撑结构，在最宽截面上测得的、纵向棒139和支承棒140的截面宽度为约0.5mm-约5mm。如图5所示，纵向棒139与支承棒140垂直排列，本领域内的技术人员可认识到，支承棒140也可能径向排布，而使纵向棒140横向地连接支承棒140上，但并不垂直。在该段中所描述的网作为焊接的网，对本领域内的技术人员来说是已知的。焊接网的具体实例“Johnson sereen”是已知的，从市场上可以买到。

图6a-6c描述了图5中所示网的沿截面线8-8的截面图。在图6a中，相邻的纵向棒139具有园形的截面。图6b描述了一种具有坚固的梯形截面的纵向棒139。图6c描述了一种具有管道形(channeltype)截面的纵向棒元件139。

多个同心的、基本上是圆柱形的、具有不同直径的下部流动导向元件27与锥形支撑元件26的下部或下表面连接。优选地，每一下部流动导向元件的中心线与直立的反应器器壁12的中心线重合。另一选择是，下部导向元件27与底板25同心。下部导向元件27将来自反应器底部的流体以均匀的分布、通过支撑结构引导到催化剂床中，支撑结构通过加强环23与反应器11的本体连接。

下部流动导向元件的一特殊优点是，每一导向元件27都平行于反应器11的侧壁12轴向延伸，进入床层的烃液体进料和氢气由于重力的作用分开成0径向交替(alternate)的气体和液体环。因此，这两相都通过交替的同心园形通道穿过锥形支撑元件26。在每一环中气体与液体的这种优选的分离包括一个气体的园形罩状部分，该罩状部分覆盖在与之相邻的填充有液体的下部园形部分上。所以，两种流体都相同地、园形相邻地穿过支撑元件26和网格元件28与床接触。氢气和烃液体的多个交替的园形储存环确保了两相物料的均匀、相等的进料，在催化剂支撑结构的整个横截面上进入床10。在其它因素中，我们已发现这种构形确保了整个催化剂床的横截面上有均匀的和相同的分布。这种在床10的整个直径上的均匀、相同分布使得在把锥形支撑元件26截头的底板25上方直接形成了静止流区域(quiescentflow section)。这样显著地降低了潜在的-在通过倒J形管29的进口30处的催化剂排放点-在催化剂床中诱发产生的区域沸腾或涡流，确保了来自床10内的催化剂和液体的位置稳定的层流。

现在参看图1、7和8，多个上部流动导向元件223也连接在锥形支撑元件的上部表面，并高出该表面，以减少或消除流体进料、主要是含烃气体在网格元件28内和其下沿锥形支撑元件的上表面、沿反应器的垂直外壁12向上迁移。在图7所示的实施方案中，上部流动导向元件223是突出的焊件，在锥形支撑结构的上表面形成园形的形状。焊件优选在锥形元件上部表面与如图5和6a-6c所示的网格元件之间形成一连续的、通常是园形的连接。可以在网的外露的边沿固定其它连接件或焊件以进一步减少流体沿网的迁移。图8所示的上部流动导向元件223是一种挡板，与底板25同心，并从锥形支撑元件的上表面向上延伸。图8所示的上部流动导向元件223被网元件28的一部分所分隔开，在开孔222上形成了一环状的盖。

图4描述了一种具体的加氢炼制系统，其中可以使用本发明的催化剂支撑结构。由有一定厚度的圆柱侧壁12和拱形封头、或端部13和14所围成的反应器11，是设计用来使含氢气体和液态烃物流在反应条件下进行反应的。这一含氢气体和烃液体进料物流优选进行预混，并以唯一的物流经管线16通过底部封头13引入。

为确保在烃进料物流和含氢气体在加氢反应期间得到最好的催化效果，使反应器11在设计体积下盛有尽可能多的催化剂，这一点是重要的。正如所指出的，床10的催化剂支撑结构在容器11中应尽可能的低，以确保氢气相在液态烃物流中的完全、充分的分散。同时，床10的上部极限接近拱形封头14的顶部，这提供了足够的空间21，便于所获得的、通过中心管线18排放的产品中夹带的任何催化剂下落。为了确保催化剂不被排出中心管线18的产品流体所夹带，在空间21中在床表面20上方安装一网15。

新鲜的催化剂经穿过网15延伸的管19添加到表面20上。床10的上部高度优选控制在一连续的基准上。维持高度的控制方法和设备详细描述在美国专利US 5 076 908中。

为了确保在床的整个长度上、特别是在底部的连续柱塞式流动，催化剂支撑结构特别地具有锥形支撑元件26的锥形构造。填充催化剂床的柱塞式流动还可以通过选择形成床的催化颗粒的平均密度、粒径、形状来实现，使得在蒸汽和液体组分的最大预期流体流动速度下，床的膨胀不超过10％。用在加氢炼制中的催化剂可以包括这样一个颗径范围或分布，其中床10中的催化颗粒至少约90％、优选至少约95％、进一步优选至少约97％(重量)的直径是在R₁-R₂的范围内，其中：(i)R₁的值为约1/64英寸(即，约35目泰勒筛的孔径)至约1/4英寸(即，约3目泰勒筛的孔径)；(ii)R₂的值也是约1/64英寸(即，约35目泰勒筛的孔径)至约1/4英寸(即，约3目泰勒筛的孔径)；(iii)R₂/R₁的比率大于或等于约1，且小于或等于约1.4(或约2的平方根)。此外，优选催化剂是球形催化剂，且具有均匀的密度，其范围为约0.7g/cc-约3.0g/cc。

必须连续地监视这种移动和这些催化剂的床高，以防止过满，并确保沸腾和伴随的反应器空间的浪费以及颗粒的破碎(particle size segregation)达到最小。在反应器的整个横截面上和在整个床的体积内维持了均匀的气体流动，从而避免了催化剂颗粒床的沸腾-包括涡流和局部沸腾，催化颗粒得以柱塞式向下流动，通过容器。进料物流中的气体组分优选通过多个园形同心环或多边形均匀地分布，这些环或多边形作为挡板与锥形支撑元件的下表面接连，在每一对相邻的园形支撑元件之间形成多对相连的园形气体凹槽和相邻的同心液体园形进料环。所以，在下流催化剂床的整个横截面上，为催化剂提供了均匀同心的、园形的、交替的同时供液体和气体的进料环。

如图4所示，提供了一催化剂排放管29，其进口与底板25相邻并位于其上方，以便于从支撑结构中排出催化剂。优选的催化剂排放管是倒J形管，被详细地描述在美国专利US5 076 908；5 302 357和5 098 230中，这些文献在这里提及并并入本发明。特别地，倒J形管是在反应器11中的具有一个开口朝下的进口的催化剂排出管，该开口与中心部分(底板25)相邻并位于其上方，该管包括从所述进口向上延伸的第一部分224，和向下延伸出反应器11的第二部分225，第一部分的体积占总管体积的比率小于0.1。

优选地，本发明涉及在线置换催化剂的方法和装置，通过使液态烃物流层流流动，从一对流动通道19和29进入或排出反应容器11，在催化剂床内的排放点周围不致引起催化颗粒的悬浮或或沸腾。每一流动通道在其长度上具有基本恒定的横截面积，其直径至少为在所述反应器与至少一个、优选两个可加压的带阀门的催化剂贮料斗或接受器60和80之间流动的催化颗粒的平均直径的五倍，催化剂贮料斗或接受器60和80分别用来向床20的顶部提供新鲜的催化剂和从底部移出用过了的催化剂。此外，每一流动通道包括至少一个在线控制阀门64和84，阀门中有作为流道的、直径基本相同的直通管以及至少一个辅助流动通道69和87，用来向浆液通道中引入流体物流以从通道中冲洗催化颗粒。冲洗流体优选液体，当催化剂不移动、颗粒结块妨碍进入流动通道时，可选择反向氢气通过管线，这样就防止了在管线进口处的焦化。贮料斗60和80是可选择地可加压的，以引导夹带液体的催化剂层流流动，从而向反应器11的上端输送置换催化剂和从反应器的下端排出用过了的催化剂。所必须的是，每一流动通道应为倒J形管29、71、86、96和108之一，它包括一个液体和夹带催化剂的入口部分，其中的逆向向上流动的通道长度明显短于向下流动的通道长度。优选的是，在反应器11中，排放催化剂的入口部分是位于锥形催化剂支撑结构17的不穿孔的中心部分或底板25的上方，使得催化剂的排放位置与床的底部相邻，但基本上是在上流的液态烃和气流的同心进料通道的外面。这就避免了由于在进料点周围的床的沸腾将气体夹带到催化剂生料中。从前面的概述中可以明显地知道，有几个重要的因素对有效地使用给定的处理反应器作出了直接的贡献，从而确保了当与以最大空速通过其中的蒸汽和液体的逆流烃物流接触时，催化颗粒以能以无沸腾的、柱塞的方式流动。其中，重要的因素是1).在可预先选定的烃流体物流的流速和压力下的这些颗粒的粒径、体积和密度特征；2).在烃流体流动期间对床沸腾和/或悬浮的控制；3).在置换或再生时流入或流出移动床的期间内，催化颗粒层流流动，没有沸腾或悬浮；4).气体和烃液体组分的/交替环的同心园形进料，均匀地进入整个移动的催化床，它能使反应器从失常状态或加压过程中立即恢复，以在延长的整个处理期间内(即数千小时)使气体和液体恢复保持这种交替环；和5)沿移动床的轴向再分布气体组分。

催化剂支撑结构可用于的加氢转化过程包括加氢裂解、加氢脱金属、加氢处理、加氢脱硫、加氢脱氮和加氢精制等，所有这些都使相当于液态烃物流或液态烃进料物流的重烃油催化地升高品质档次。这里所用的“重”液态烃物流是指其中至少有50％(体积)烃的沸点在204℃以上的液态烃物流，优选含有在433℃以上、特别优选在510℃以上才沸腾的主组分。优选的液态烃物流是残留馏分和合成原油。它们可以从原油、煤、油岩、焦砂沥青、重沥青油或其它合成源得到。

在本发明的优选方案中，反应器11内的加氢转化区域内所应用的品质档次升级催化条件(例如，催化脱硫条件、使沥青质饱和的催化加氢条件、催化脱氮条件和催化加氢裂解条件等)都包括：反应温度通常在约230℃-480℃之间，压力通常在约30-约300个大气压，氢气的流量为约1000-约10 000标准立方英尺/每桶进料，液时空速(LHSV)为约0.2h^-1-约10h^-1。对于进料的脱金属升级，反应区内的温度和压力可以与常用的脱金属处理的一样。压力通常高于500psig(514.6psia；35.5巴)。温度通常高于约315℃，优选高于371℃。在通常情况下，温度越高，金属的除去就越快；但温度越高，所用脱金属催化剂的金属负载容量就越低。虽然在不添加氢气的条件下也可进行脱金属反应，但通常使用氢气，因此要求与进料中的任何气体一起，完全、均匀地分布到移动床中。

                         实施例1

以下是本发明的支撑结构的设计实施例：

反应器内径          ：4400mm

反应器中催化剂的重量：220吨

角度α              ：60°

底板直径            ：1066mm

开孔板厚度          ：侧壁下部22mm

                   ：侧壁上部28mm

孔的直径×间距      ：50mm×75mm

第一编织网格层      ：直径为6mm、间距为10mm的金属线网格

第二编织网格层      ：直径为1.6mm，9×9目的金属线网格

支撑结构的总重量    ：约11吨

                       实施例2

在与实施例1相同设计条件下的传统束状支撑结构的尺寸如下：

束                  ：8个330mm高、150mm宽的固体件

与束横置的横向元件  ：一组300mm高、38mm厚的平板元件

支撑结构的总重量：约32吨

将实施例1和实施例2进行比较，传统支撑结构的宽束有阻碍流体进入催化剂床的趋向，因此在床中引起流体的不规则的和不均匀的流动，本发明支撑结构上的大开孔使流体流动均匀得多。  使用传统的支撑结构时，流体流量升高使得压力降升高和能耗升高、其升高程度比使用本发明的支撑结构时的程度要高很多，这是因为本发明支撑结构中孔的设计不依赖于其它设计参数，如支撑结构的所需强度。

与传统的结构相比，本发明结构的重量下降了约35％。原材料成本的下降也同样是巨大的。由于支撑结构重量的降低，支撑反应器本体的裙座的厚度也能降低，所以原材料的成本能进一步下降。另外与传统的结构相比，本发明结构的制造操作要简单一些，制造和安装所需的人力也下降约30％。

                           实施例3

下面是本发明支撑结构的另一设计实施例：

反应器内径          ：4400mm

反应器中催化剂的重量：220吨

角度α              ：60°

底板直径            ：1066mm

开孔板厚度          ：侧壁下部22mm

                   ：侧壁上部28mm

孔的直径×间距      ：50mm×75mm

焊接到开孔板上的网格：杰生过滤系统(Johnson Filtration Systems)

                      用#93 Vee-线编成的Vee-线夏普系列筛网(Vee

                      -Wire Sharp Series Screen)，被在#156园形棒上

                      0.05英寸的槽口分开，中心间距为3/4英寸(金属线

                      宽0.090英寸，高0.14英寸，倒角13°)

支撑结构的总重量      ：约11吨

Claims (15)

1.一种催化剂支撑结构，用于含有一个催化剂床的、基本上为圆柱形的反应器中，包括：

a.一个向上渐扩的且具有被底板截头的截头锥形的开孔支撑元件；和

b.至少一个与所述锥形支撑元件的一个上部表面连接的、向上延伸的、高出所述支撑元件使之足以引导流体向上流动进入一个催化剂床的上部流动导向元件，所说上部流动导向元件形成一个与底板同心的、连续的通常为圆形的结构，以用于降低流体进料沿锥形支撑元件的上表面的迁移；

其中锥形支撑元件是一个锥形板，具有多个分布在所述锥形支撑元件表面上的孔，其尺寸足以允许上升的流体物流通过，而所述上部流动导向元件包括多个不同直径的、与所述底板同轴的、同心地位于锥形板上方且与之相连接的环；且

其中底板包括一开孔部分，且该开孔部分上覆盖至少一层底板网格元件，所述底板的所述开孔部分具有足以允许催化颗粒通过的孔，所述底板网格元件上的孔径能防止催化颗粒通过所述底板网格元件。

2.根据权利要求1的催化剂支撑结构，其中底板基本上是圆形的，垂直于反应器的一条中心线。

3.根据权利要求1的催化剂支撑结构，进一步包括至少一层覆盖在所述锥形支撑元件上的网格元件，所述网格元件上的孔的尺寸能防止催化颗粒通过所述网格元件，但足以允许上升的流体物流通过。

4.根据权利要求3的催化剂支撑结构，包括覆盖在所述开孔锥形支撑元件上的第一编织网格层，进一步包括覆盖在所述第一编织网格层上的第二编织网格层，其中第二编织网格层上的孔足够小，以防止催化颗粒通过所述第二编织网格层。

5.根据权利要求3的催化剂支撑结构，其中每一网格元件位于相邻的上部流动导向元件之间。

6.根据权利要求3的催化剂支撑结构，其中所述网格元件是连接在所述开孔锥形支撑元件的上部表面，这一连接用作上部流动导向元件。

7.根据权利要求6的催化剂支撑结构，其中所述连接是焊接件。

8.根据权利要求1的催化剂支撑结构，进一步包括多个基本上是同心的、圆柱形的、与锥形支撑元件下表面连接的、向下延伸的下部流动导向元件，下部流动导向元件在径向相互间开以形成多个同心圆形环，每一下部流动导向元件与底板同轴。

9.根据权利要求8的催化剂支撑结构，其中所述反应器的直径为3米到8米。

10.一种使烃流体进料进行反应的方法，包括：

a.将一个第一部分催化剂颗粒引入含有催化剂颗粒移动床的反应区的一个上部位置，催化剂颗粒是在基本上呈圆柱形的反应器中被支撑在一个催化剂支撑结构上；

b.从所说反应区的一个下部位置撤出一个第二部分催化剂颗粒；

c.引导包含烃和氢的一种流体进料经催化剂支撑结构进入所说反应区的一个下部位置；且

d.从所说反应区的一个上部位置撤出已转化的烃；

其中催化剂支撑结构包括一个向上渐扩的且具有被一块底板截头的截头锥形开孔支撑元件；和至少一个与所述锥形支撑元件连接的、向上延伸的、高出所述支撑元件、以足以引导流体向上流动进入所述催化剂床的上部流动导向元件，所说上部流动导向元件形成一个连续的通常与底板同心的圆形结构，以降低流体进料沿圆锥形支撑元件的上表面的迁移；

其中锥形支撑元件是一个锥形板，它具有多个分布在所述开孔的锥形支撑元件表面上的孔，其尺寸足以允许上升的流体物流通过，而所述上部流动导向元件包括多个不同直径的、与所述底板同轴的、同心地位于锥形板上方且与之相连接的环，所述底板基本上是圆形的，并垂直于反应器的一条中心线；且

其中底板包括一开孔部分，且该开孔部分上覆盖至少一层底板网格元件，所述底板的所述开孔部分具有足以允许催化颗粒通过的孔，所述底板网格元件上的孔径能防止催化颗粒通过所述底板网格元件。

11.根据权利要求10的方法，其中所述催化剂支撑结构进一步包括至少一层覆盖在所述锥形支撑元件上的网格元件，其上具有开孔，其孔的尺寸能防止催化颗粒通过所述网格元件，但能允许上升的流体物流通过，其中所述网格元件是连接在所述开孔锥形支撑元件的上部表面，这一连接用作上部流动导向元件。

12.根据权利要求11的方法，其中催化剂支撑结构进一步包括多个基本上是同心的、圆柱形的、与锥形支撑元件的下表面连接的、向下延伸的下部流动导向元件，下部流动导向元件在径向相互间开，以形成多个同心圆形环，每个下部流动导向元件与底板同轴，其中所述反应器的直径为3米到8米。

13.一种在基本上为圆柱形的、具有向上流动的流动相的反应器内用于支撑催化颗粒移动床的催化剂支撑结构，所述支撑结构包括：

a.一个向上渐扩的、且具有被底板截头的截头锥形的开孔支撑元件，其中所述锥形支撑元件是一锥形板，它具有多个分布在所述开孔的锥形支撑元件表面上的孔，其尺寸足以允许上升的流体物流通过；和

b.包括多个横向间隔地放置在支承棒元件上的纵向棒元件网格元件，所述网格元件通过至少一个连续的、在圆锥形支撑元件与该网格元件之间的通常为圆形的连接体覆盖并连接在所述锥形支撑元件上，以便降低流体进料沿圆锥形支撑元件的上表面的迁移。

14.根据权利要求13催化剂支撑结构，进一步包括多个基本上是同心的、圆柱形的、与锥形支撑元件的下表面连接的、向下延伸的下部流动导向元件，下部流动导向元件在径向相互间开，以形成多个同心圆形环，每个下部流动导向元件与底板同轴。

15.根据权利要求13的催化剂支撑结构，其中的圆形连接体是一种焊接肋条。

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