CN207929185U - 一种沸腾床加氢反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于加氢技术领域，具体涉及一种沸腾床加氢反应系统，其包括沸腾床加氢反应器、催化剂外排系统和循环氢系统。通过本实用新型一方面能够有效解决催化剂外排系统因间歇操作带来的部分管线结焦问题，另一方面能够进一步提高反应器的利用率(即提高反应器内催化剂藏量)，从而进一步提升加氢反应效果，提高装置操作的稳定性，特别是在开工、停工、异常工况时都能维持催化剂稳定的沸腾状态。

Description

一种沸腾床加氢反应系统

技术领域

本实用新型涉及一种沸腾床加氢反应系统，属于加氢技术领域。

背景技术

沸腾床加氢反应指原料油(主要为液相)、氢气(气相)在催化剂(固相)上进行加氢反应的过程，加氢反应主要发生加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱氧、加氢饱和、加氢裂化等。反应器在气、液、固三相的沸腾状态下操作，催化剂在从反应器底部进入的原料油和氢气的带动下，处于沸腾状态，与固定床反应器处于完全不同的流体状态。沸腾床加氢反应可以处理高金属、高沥青质含量的劣质原料油，反应具有压力降小、温度均匀、可以在线加排催化剂以保持催化剂活性等特点。

沸腾床加氢反应器一般要设置催化剂在线加排系统，用于催化剂的加入和排出。但催化剂在线加排系统并不是连续使用，一般是反应性能达不到要求时进行催化剂更新，根据原料性质及转化深度要求，一般一周或更长时间进行催化剂更新一次。在这种工况下，催化剂排出系统的管路中会沉积一定量的油和催化剂，而没有氢气存在，并且部分管路在高温条件下(特别是反应器内部的部分)，因此这部分管路内的物料容易结焦，严重时会造成管线堵塞。现有技术没有适宜的解决方法，一般根据装置实际情况，积累操作经验，控制在管线堵塞前进行催化剂更新操作，避免堵塞引起装置故障，其结果是造成有时不需进行催化剂更新时，也须按流程进行更新操作，造成催化剂浪费和操作成本增加。

目前存在两种主要类型的沸腾加氢技术：

一类是采用油相循环的方式，如USRe25,770中描述的沸腾床工艺，此工艺在实际应用中的不足在于：为保持液固分离效果，反应器内催化剂用量不能太多，反应器利用率低，工业沸腾床反应器利用率一般只有40％左右——利用率一般指催化剂装填量占反应器容积(不计封头空间)的百分数，固定床反应器利用率一般90％以上；反应器有较大空间使液体物料在没有催化条件下的停留时间过长，此部位没有加氢反应，物料在高温下容易反应结焦。

另一类是在反应器内设置三相分离器，在反应器内上部进行气-液-固分离，如CN02109404.7介绍的沸腾床反应器，按该方案通过设置内置三相分离器，可以提高催化剂的用量，即提高反应器的利用空间，但在实际使用时，催化剂用量提高有限，如果催化剂用量增加，三相分离器的分离效果快速下降，实际上比第一类沸腾床反应器利用率提高有限；CN200710012680.9对上述技术进行了进一步改进，在三相分离器下部设置导向结构，利用导向结构，增加三相分离器的操作弹性，确保三相分离器的高效分离，减少催化剂的带出量，提高催化剂藏量，提高反应器利用率，但在使用时，仍需在三相分离器下部一定区域设置催化剂稀相区(如其附图所示，该区域催化剂量很少，基本不发生加氢反应)，否则三相分离器的分离效果仍不能满足要求，而稀相区的存在，影响反应器利用率的进一步提升(虽然其说明书中指出反应器筒体内的催化剂装量可以为反应器容积的40％～70％，但一般也只有在50％左右的情况下可以稳定运转)，也影响加氢反应效果，并且反应器规模放大后，催化剂装量更难以提高，难以达到实验装置的效果。

后者虽然理论上不需循环油，但在开工、停工、操作异常时会造成催化剂难以达到稳定的沸腾状态，操作稳定性不足。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术中的不足，提供一种沸腾床加氢反应系统，一方面能够有效解决催化剂外排系统因间歇操作带来的部分管线结焦问题，另一方面能够进一步提高反应器的利用率(即提高反应器内催化剂藏量)，从而进一步提升加氢反应效果，提高装置操作的稳定性，特别是在开工、停工、异常工况时都能维持催化剂稳定的沸腾状态。

本实用新型所述的沸腾床加氢反应系统，包括沸腾床加氢反应器和催化剂外排系统，反应器筒体的底部设有原料入口(原料包括液体原料油和氢气)，上部设有催化剂加入口、气体出口和液体出口，反应器筒体内的上部设置气、液、固三相分离器，底部设置气液分配盘，三相分离器与气液分配盘之间的区域为反应区，催化剂外排系统包括催化剂外排管路和外排催化剂接收及处理系统，催化剂外排管路的一端从反应器筒体的下方伸入反应区的下部，另一端与外排催化剂接收及处理系统连通；增设循环氢系统，循环氢系统包括循环氢压缩机，三相分离器分离得到的含氢气体经气体出口流出、并经反应气相流出物分离系统通入循环氢压缩机，循环氢压缩机的出口分别通过支路一、支路二与反应器进料系统、催化剂外排管路连通，支路二上设置控制阀。

优选的，在三相分离器的液相区设置液体排出管线，液体排出管线的出口为反应器筒体的液体出口，三相分离器分离得到的液体经液体排出管线的出口通入反应液相流出物分离系统。通过液体排出管线将加氢反应生成的液体导出反应器。

优选的，设置反应液相流出物循环系统，反应液相流出物循环系统包括循环泵，循环泵的入口管路与液体排出管线连通，循环泵的出口通过管路与反应器筒体底部的原料入口连通。

优选的，所述的三相分离器包括内筒和外筒，内筒和外筒同心且内径不同，内筒和外筒的上、下两端全部开口，外筒的上端开口低于内筒的上端开口，而外筒的下端开口低于内筒的下端开口；外筒上部为直筒段，外筒下部为一锥台形收缩段，该收缩段的下端开口为外筒的下端开口；内筒的下端开口与外筒收缩段之间具有间距，以便于物料通过。

进一步优选的，三相分离器与反应器筒体为同轴心设置，三相分离器的外筒通过第一支撑结构固定在反应器筒体的内壁上，三相分离器的内筒通过第二支撑结构固定在外筒的内壁上。

在实际应用时，三相分离器中外筒的收缩段下部可以设计为直筒段，即外筒从上至下依次为直筒段-收缩段-直筒段结构。其中，外筒上部直筒段的直径为反应器筒体内径的50％～90％，优选为75％～85％；内筒与外筒之间的环隙距离为外筒相应位置半径的30％～70％，优选为40％～60％；内筒上端与外筒上端的高度差为外筒半径的10％～50％，优选为20％～40％；内筒的下端开口与外筒收缩段之间的间距为外筒直筒段半径的5％～40％，优选为10％～30％；外筒收缩段下端开口直径为外筒直筒段直径的10％～50％，优选为15％～35％；外筒下部锥台形收缩段的收缩角(直筒段与锥台形收缩段的锐角夹角)为20°～80°，优选30°～60°；外筒上部直筒段的高度为0.4～3m，优选0.5～1m。

在反应器筒体内，三相分离器的上部设置气相空间，气相空间的高度为反应器筒体(不包括反应器封头部分)的0～20％，优选为5％～10％。

优选的，三相分离器的外筒的下端开口的下方设置导流体，导流体可以是上下两端小、中间大的纺锤形，纺锤形轴向横截面最大处直径为外筒体下端开口直径的1～3倍。导流体与三相分离器外筒下端口之间设置适宜间隙。

本实用新型中，反应器中可以根据需要设置其它构件，如温度检测系统、压力检测系统、流体流态检测系统、催化剂分布状态检测系统、物料再分配系统等一种或几种。上述构件可以由本领域技术人员按现有技术确定。

整个沸腾床加氢反应系统也可以根据需要设置配套装置，如原料泵、换热器、加热炉、分离器等。上述配套装置可以由本领域技术人员按现有技术确定。

使用上述沸腾床加氢反应系统进行沸腾床加氢工艺时，反应原料采用重质或劣质原料油(如减压渣油、煤焦油、煤液化油、沥青油砂、页岩油等)；催化剂为固体颗粒，颗粒直径(以等体积球形计)为0.6～2mm，催化剂以氧化铝为载体，以Mo、W、Ni、Co等至少一种为活性组分，同时可以添加相关助剂。催化剂在反应器内装量(以静止状态计)为反应器容积的50％～85％，优选为65％～80％，最优选为72％～78％。具体反应条件可以根据原料性质和反应深度要求确定，通常设计反应压力为5～25MPa、反应温度为200～500℃，氢气与原料油标准状态下体积比为300～2000，原料油与催化剂体积(静止状态)相比的体积空速为0.1～2h^-1。

在沸腾床加氢反应系统的反应器中进行加氢反应时，控制循环氢压缩机出口与催化剂外排管路之间支路二上的控制阀，使循环氢连续或间歇通过催化剂外排管路进入反应器筒体内，此操作方式可以有效避免催化剂外排管路内物料结焦的问题。进一步优选的，从催化剂外排管路进入反应器筒体内的循环氢量为总循环氢量的5％以下，优选2％以下，最优选为0.5％以下，同时使催化剂外排管路中的物料流速不低于0.1米/秒。

通过优化循环氢系统与催化剂外排系统的结构设置，少量循环氢通过催化剂外排管路进入反应器筒体内，将催化剂外排管路中的物料推入反应器中，在不影响正常操作的前提下，有效解决了催化剂外排管路内因物料不流动并处于高温无氢工况下易于结焦的问题，具有结构简单、易于操作等优点。

同时，经过大量深入研究表明，影响沸腾床反应器内三相分离器分离效果的因素不仅在于三相分离器的结构、物料体系状态，还与地球自转有很大关系。沸腾床反应器内气、液、固三相状态，气、液相整体处于向上流动状态，固体催化剂处于沸腾浮动状态。地球自转对上述物料状态具有一定的作用力，形成轻度的旋流作用，在工业较大反应器中，由于规模较大，这种旋流作用更为显现。其结果是催化剂在靠近反应器内壁的区域更为聚集，反应器径向中心区域更为稀疏。这种效应对现有三相分离器的分离效果产生了明显影响，即当催化剂装填量增加时，三相分离器分离出来的固体催化剂沉降回反应器中的阻力增加，被液体物料带出反应器的机会提高，使反应器带出催化剂量增大。为解决该问题，一般是在三相分离器下部设置催化剂的稀相区，以克服催化剂沉降回流的阻力，但该措施的结果是反应器利用率降低，反应效果受到影响。在本实用新型之前，本领域技术人员并没有认识到影响沸腾床反应器中三相分离器分离效果影响因素的全部内容，进而没有提出适宜的解决方案。

本实用新型在上述研究的基础上，针对地球自转对大型沸腾床反应器内物料流态的影响，重新设计了新型的沸腾床三相分离器，解决了现有技术的问题，进一步提高反应器的利用率(即提高反应器内催化剂藏量)。

本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果是：

1、通过本实用新型能够在沸腾床加氢反应系统中反应器的加氢反应过程中，控制循环氢压缩机出口与催化剂外排管路之间支路二上的控制阀，使适量循环氢连续或间歇通过催化剂外排管路进入反应器筒体内，此操作方式可以有效避免催化剂外排管路内物料结焦的问题。

2、三相分离器的结构设计克服了地球自转引起的催化剂分布不均造成的影响反应效果问题，同时，将三相分离器分离下来的固体催化剂在反应器径向中心区域沉降回流到反应器内，解决了高催化剂装填量时，催化剂沉降回流的阻力大问题，保证了三相分离器在高催化剂装填量时仍具有良好的分离效果，从而可以进一步提高催化剂装填量比例，特别是大规模工业沸腾床反应器的催化剂装填比例，在提高反应器容积利用率的同时，减少或取消了催化剂稀相区，提升了加氢反应效果。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1、原料入口；2、气液分配盘；3、反应器筒体；4、反应区；5、导流体；6、外筒；7、内筒；8、液体排出管线；9、催化剂加入口；10、气体出口；11、反应气相流出物分离系统；12、循环氢系统；13、反应液相流出物分离系统；14、支路一；15、支路二；16、控制阀；17、入口管路；18、循环泵；19、管路；20、外排催化剂接收及处理系统；21、催化剂外排管路；22、反应器进料系统。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述：

如图1所示，沸腾床加氢反应系统包括沸腾床加氢反应器、催化剂外排系统、循环氢系统12和反应液相流出物循环系统。

反应器筒体3的底部设有原料入口1(原料包括液体原料油和氢气，通过反应器进料系统22进行供料)，顶部设有催化剂加入口9、气体出口10，上部设有液体出口。反应器筒体3内的上部设置气、液、固三相分离器，在三相分离器的液相区设置液体排出管线8，液体排出管线8的出口为反应器筒体3的液体出口，三相分离器分离得到的液体经液体排出管线8的出口通入反应液相流出物分离系统13，通过液体排出管线8将加氢反应生成的液体导出反应器；反应器筒体3内的底部设置气液分配盘2；三相分离器与气液分配盘2之间的区域为反应区4；三相分离器的上部设置气相空间。

催化剂外排系统包括催化剂外排管路21和外排催化剂接收及处理系统20，催化剂外排管路21的一端从反应器筒体3的下方伸入反应区4的下部，另一端与外排催化剂接收及处理系统20连通。

循环氢系统12包括循环氢压缩机，三相分离器分离得到的含氢气体经气体出口10流出、并经反应气相流出物分离系统11通入循环氢压缩机，循环氢压缩机的出口分别通过支路一14、支路二15与反应器进料系统22、催化剂外排管路21连通，支路二15上设置控制阀16。

反应液相流出物循环系统包括循环泵18，循环泵18的入口管路17与液体排出管线8连通，循环泵18的出口通过管路19与反应器筒体3底部的原料入口1连通。

其中，三相分离器包括内筒7和外筒6，内筒7和外筒6同心且内径不同，内筒7和外筒6的上、下两端全部开口，外筒6的上端开口低于内筒7的上端开口，而外筒6的下端开口低于内筒7的下端开口；外筒6上部为直筒段，外筒6下部为一锥台形收缩段，该收缩段的下端开口为外筒6的下端开口；本实施例中，收缩段的下部设计为直筒段，即外筒6从上至下依次为直筒段-收缩段-直筒段结构；内筒7的下端开口与外筒收缩段之间具有间距，以便于物料通过。三相分离器与反应器筒体3为同轴心设置，三相分离器的外筒6通过第一支撑结构固定在反应器筒体3的内壁上，三相分离器的内筒7通过第二支撑结构固定在外筒6的内壁上。三相分离器的外筒6的下端开口的下方设置导流体5，导流体5是上下两端小、中间大的纺锤形。

在沸腾床加氢反应系统的反应器中进行加氢反应时，控制循环氢压缩机出口与催化剂外排管路21之间支路二15上的控制阀16，使循环氢连续或间歇通过催化剂外排管路21进入反应器筒体3内，此操作方式可以有效避免催化剂外排管路21内物料结焦的问题。控制从催化剂外排管路21进入反应器筒体3内的循环氢量为总循环氢量的0.2％，同时使催化剂外排管路21中的物料流速不低于0.1米/秒。

经试验，可以保持催化剂外排管路21长周期保持通畅状态，即本实施例在不影响正常操作的前提下，有效解决了催化剂外排管路21内因物料不流动并处于高温无氢工况下易于结焦的问题。

三相分离器分离效果采用冷模进行模拟实验。冷模装置的尺寸为：反应器筒体3的内径为200mm、高度为3500mm；三相分离器的高度为400mm，其外筒6上部直筒段的直径300mm，内筒7与外筒6之间的环隙距离为80mm；内筒7上端与外筒6上端的高度差为60mm，内筒7的下端开口与外筒收缩段之间的间隙为60mm，外筒收缩段下端开口直径为90mm，外筒6下部锥台形收缩段的收缩角(直筒段与锥台形收缩段的锐角夹角)为35°；外筒6上部直筒段的高度为0.7m；导流体5纺锤形轴向横截面最大处直径为150mm。以煤油作为液体，进油量为60～120L/hr；气相选用氮气，进气量为2～4Nm³/hr。固相选用粒径为0.7～0.8mm的氧化铝微球催化剂，催化剂藏量(以静止时计)为反应器有效容积(不计封头空间)的55％～80％。

试验结果见表1：

表1冷模装置试验结果

从冷模试验可以看出，本实用新型所述沸腾床加氢反应系统具有良好的固体分离效果，适用的操作区间较广。

Claims (6)

1.一种沸腾床加氢反应系统，包括沸腾床加氢反应器和催化剂外排系统，反应器筒体(3)的底部设有原料入口(1)，上部设有催化剂加入口(9)、气体出口(10)和液体出口，反应器筒体(3)内的上部设置气、液、固三相分离器，底部设置气液分配盘(2)，三相分离器与气液分配盘(2)之间的区域为反应区(4)，其特征在于：催化剂外排系统包括催化剂外排管路(21)和外排催化剂接收及处理系统(20)，催化剂外排管路(21)的一端从反应器筒体(3)的下方伸入反应区(4)的下部，另一端与外排催化剂接收及处理系统(20)连通；增设循环氢系统(12)，包括循环氢压缩机，三相分离器分离得到的含氢气体经气体出口(10)流出、并经反应气相流出物分离系统(11)通入循环氢压缩机，循环氢压缩机的出口分别通过支路一(14)、支路二(15)与反应器进料系统(22)、催化剂外排管路(21)连通，支路二(15)上设置控制阀(16)。

2.根据权利要求1所述的沸腾床加氢反应系统，其特征在于：在三相分离器的液相区设置液体排出管线(8)，液体排出管线(8)的出口为反应器筒体(3)的液体出口，三相分离器分离得到的液体经液体排出管线(8)的出口通入反应液相流出物分离系统(13)。

3.根据权利要求2所述的沸腾床加氢反应系统，其特征在于：设置反应液相流出物循环系统，反应液相流出物循环系统包括循环泵(18)，循环泵(18)的入口管路(17)与液体排出管线(8)连通，循环泵(18)的出口通过管路(19)与反应器筒体(3)底部的原料入口(1)连通。

4.根据权利要求1～3中任一所述的沸腾床加氢反应系统，其特征在于：所述的三相分离器包括内筒(7)和外筒(6)，内筒(7)和外筒(6)同心且内径不同，内筒(7)和外筒(6)的上、下两端全部开口，外筒(6)的上端开口低于内筒(7)的上端开口，而外筒(6)的下端开口低于内筒(7)的下端开口；外筒(6)上部为直筒段，外筒(6)下部为一锥台形收缩段，该收缩段的下端开口为外筒(6)的下端开口；内筒(7)的下端开口与外筒收缩段之间具有间距。

5.根据权利要求4所述的沸腾床加氢反应系统，其特征在于：三相分离器与反应器筒体(3)为同轴心设置，三相分离器的外筒(6)通过第一支撑结构固定在反应器筒体(3)的内壁上，三相分离器的内筒(7)通过第二支撑结构固定在外筒(6)的内壁上。

6.根据权利要求4所述的沸腾床加氢反应系统，其特征在于：三相分离器的外筒(6)的下端开口的下方设置导流体(5)。