CZ279423B6 - Způsob nasypání a vytvoření uspořádané vrstvy částic katalyzátorů nebo/a sorpčních materiálů a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob nasypávání a vytvoření uspořádané vrstvy částic katalyzátoru nebo/a sorpčních materiálů o vysoké hustotě pro heterogenní chemické nebo fyzikálně-chemické pochody, při němž proud padajících částic přichází do styku s proudem inertního plynu, který proudí tangenciálně ve směru kolmém k pádu částic v objemovém poměru plynu a padajících částic 10 až 10 000, přičemž plyn proudí rovnoměrně pod tlakem v rozmezí 50 až 250 kPa. Zařízení k provádění popsaného způsobu se skládá z násypky opatřené na spodní části otvorem s clonou (1) a cyklonové komory (2) opatřené nejméně dvěma tryskami (3), přičemž cyklonové komoře je předřazena tlaková komora (4), v níž jsou umístěny vstupní otvory trysek a uvnitř cyklonové komory je vytvořená soustředná vestavba (7) opatřená zakřivenými žebry (8). ŕ

Description

Způsob nasypávání a vytvoření uspořádané vrstvy částic katalyzátorů nebo/a sorpčních materiálů a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká nasypávání a vytvoření uspořádané vrstvy částic katalyzátorů nebo/a sorpčních materiálů o vysoké sypné hustotě a zařízení pro provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Všechny dosud vyvinuté zlepšené způsoby pro plnění etážových reaktorů částicemi katalyzátorů (např. US pat. 3 995 753, US pat. 4 039 431, ČS AO 245 875) nebo sorpčních materiálů poskytují lože katalyzátorů s vyhovující hustotou částic. Jsou založeny na principu, že uvnitř plněného reaktoru se vytváří déšť částic katalyzátoru, tj. že všechny částice katalyzátoru při procesu sypání dopadají samostatně a izolovaně na horní okraj nasypávaného lože, přičemž se vytváří horizontálně orientovaná izochronní vrstva částic bez vnitřních klenbových struktur. Takové lože má v závislosti na tvaru částic katalyzátoru o 10 až 24 % vyšší sypnou hustotu oproti běžnému způsobu plnění reaktorů, kdy se neaplikují postupy rozmetávání katalyzátorových částic.

Katalytické vrstvy se zvýšenou sypnou hustotou mají úměrně vyšší výkon ve srovnání s reaktorem, naplněným tradičním způsobem. Vyšší výkon reaktoru lze využít ke zvýšení zpracovávaného množství nástřiku, nebo lze docílit vyšší konverze reakce. Vyšší výkon reaktoru umožňuje také snížení průměrné teploty ve vrstvě katalyzátoru. Tím lze jednak uspořit energii, potřebnou k předehřátí nástřiku před vstupem do reaktoru, a dále potlačit vedlejší nežádoucí reakce, způsobující např. zakoksování katalyzátoru.

Větší množství katalyzátoru v reaktoru vede k prodloužení jeho pracovního cyklu. Kromě toho snížení porozity vrstvy katalyzátoru potlačuje případné vedlejší homogenní reakce, což přispívá ke zvýšení selektivity procesu. Kompaktnější lože katalyzátoru sice vykazuje na počátku pracovního procesu vyšší tlakovou ztrátu o 60 až 100 %, avšak na druhé straně v průběhu provozu reaktoru nedochází k sesedání katalytické vrstvy. Tato skutečnost jednoznačně přispívá k bezpečnějšímu řízení reaktoru podle proměřovaného teplotního profilu ve vrstvě katalyzátoru.

Pro dosažení efektu zvýšené hustoty a kompaktnosti nasypané vrstvy katalyzátoru - tzv. husté sypání - bylo navrženo několik postupů včetně sypných zařízení k jejich realizaci. Většina dosud používaných sypacích zařízení však obsahuje pohyblivé součásti (např. US pat. 3 995 753, 4 039 431). Udržet jejich provoz v prašném prostředí je značně náročné. Kromě toho mají tato zařízení některé další nevýhody, zejména nemožnost regulovat výšku sypného zařízení od nasypávané vrstvy katalyzátoru.

Konstrukční řešení podle ČS AO 245 875 tuto nevýhodu odstraňuje tím, že částice katalyzátoru během plnění reaktoru propadávají cyklonovou komorou, ve které přebírají pro výhodnou orientaci potřebný impulz od tangenciálně přiváděného plynu. V sypném

-1CZ 279423 B6 zařízeni tedy nedochází k rotaci žádných strojních součástí, k usměrnění toku katalyzátorových částic se využívá usměrněného toku přiváděného plynu, obvykle vzduchu, popř. dusíku.

Nevýhodou tohoto postupu je obtížně regulovatelné rozdělení hnacího plynu do rozdělovači komory, opatřené tryskami, a tím nižší dosahovaná rovnoměrnost rychlosti proudění katalyzátoru ve všech směrech. To se projevuje nerovnoměrnostmi v hustotě vrstvy v radiálním směru, která je daná různým množstvím katalyzátoru, dopadlého do jednotlivých sektorů nasypávané plochy. To má za následek samovolné přesypávání katalyzátoru z míst s větším množstvím dopadlého katalyzátoru do míst s menším množstvím dopadlého katalyzátoru. Přesypávání katalyzátoru potlačuje efekt hustého sypání. Jinou nevýhodou postupu je nižší hustota vrstvy podél osy reaktoru a někdy i ve vrstvách, přiléhajících k plášti reaktoru.

Podstata vynálezu

Tyto nevýhody se nyní překvapivě odstraňují zdokonaleným postupem, který rovněž využívá rotujícího proudu hnacího plynu, avšak zlepšuje rovnoměrnost nasypání v Celém objemu reaktoru, popřípadě slouží k nasypání reaktorů značně odlišných průměrů.

Způsob nasypávání a vytvoření uspořádané vrstvy částic katalyzátorů nebo/a sorpčních materiálů o vysoké hustotě v reaktorech pro heterogenní chemické nebo fyzikálně-chemické pochody, při němž proud částic o průměru 1-5 mm a délce 2 až 15 mm padá svisle dolů prostorem, ohraničeným na vnější straně plochou válce a komolého kužele a přichází do styku s proudem inertního plynu, např. dusíkem nebo vzduchem, který proudí ve směru kolmém k pádu částic a tangenciálním k válcovému plášti v objemovém poměru plynu a padajících částic 10 až 10 000, spočívá podle vynálezu v tom, že hnací plyn proudí rovnoměrně pod regulovatelným tlakem 50 až 250 kPa. Zařízení pro provádění tohoto způsobu se skládá z násypky, opatřené na spodní části cyklonovou komorou, která je tvořena válcovým pláštěm, ukončeným komolým kuželem o vrcholovém úhlu 30 až 150°, který je spojen s válcovým pláštěm delší hranou a kratší hrana tvoří výstupní otvor, přičemž cyklonová komora je opatřena soustřednou vestavbou a přívodem plynu do nejméně dvou trysek, symetricky rozmístěných v cyklonové komoře, přičemž podle vynálezu je válcový plášť cyklonové komory opatřen zakřivenými žebry, soustředná vestavba je tvarována stejně jako cyklonová komora a je na povrchu rovněž opatřena žebry, a cyklonové komoře je předřazena tlaková komora, opatřená otvorem pro vstup tlakového plynu, a otvory pro výstup plynu z tlakové komory do trysek cyklonové komory jsou opatřeny zařízením pro regulaci tlaku.

částice katalyzátoru při plnění reaktoru propadávají volným pádem ze zásobníku, opatřeného otvorem s clonou 1, vymezující rychlost plnění reaktoru katalyzátorem, do cyklonové komory 2, tvořené válcovým pláštěm s navazujícím komolým kuželem, do které se tryskami 2 přivádí plyn ve směru kolmém ke směru pádu částic katalyzátoru a tangenciálně k cyklonové komoře. Dokonalého rozdělení hnacího plynu, např. vzduchu, je dosaženo tím, že se před vlastni rozdělovači komoru, opatřenou tryskami, předřadí tlaková komora 4., . odkud přes regulační zařízení, např. omezovači clonky 5, proudí hnací médium rovnoměrně do hnacích trysek. Plyn vstupuje do tlakové komory 4 otvorem 6 pro vstup plynu. Výsledkem je

-2CZ 279423 B6 rovnoměrný průtok hnacího média všemi tryskami a tím i rovnoměrné rozmetání katalyzátoru, opouštějícího cyklonovou komoru.

Cyklonová komora je opatřena soustřednou vestavbou 7. se zakřivenými žebry 8. a přívodem plynu ze dvou až osmi trysek 3_, symetricky umístěných na horním obvodu komory. Kuželová plocha cyklonové komory má vrcholový úhel 30° až 150°, výhodně 30° až 90°, podobně je tvarována také soustředná vestavba, jejíž žebra 8 mají zakřivení orientováno do směru proudění plynu z trysek. Otvorem ve spodní části cyklonové komory 2 se disperze plynu a částice katalyzátoru uvádí do vnitřního prostoru reaktoru. S použitím zařízení podle tohoto vynálezu, které se napojí přes regulační tlakový člen, kterým se během sypání mění tlak v předřazené tlakové komoře 4, na zdroj tlakového nosného plynu, se částice katalyzátoru během nasypávání orientují nahodile a rovnoměrně po celém vnitřním průřezu reaktoru, čímž vzniká uspořádaná vrstva katalyzátoru v reaktoru. V případě částic válcovitého tvaru se tyto orientují převážně tak, že jejich osa je vodorovná. Takto nasypaná vrstva katalyzátoru vykazuje vysokou sypnou hustotu, rovnoměrný volný objem ve všech místech lože reaktoru a zvýšenou kompaktnost.

Poměr objemu plynu k objemu padajících tuhých částic je 10 až 10 000 za jednotku času a vzdálenost spodní hrany komolého kužele od horního okraje nasypávané vrstvy je rovna nejméně poloměru katalyzátorového lože. Poměr objemu plynu a objemu padajících částic se výhodně udržuje na hodnotě 50 až 500 za jednotku času. Tlak plynu v zařízení se mění např. pomocí škrticího ventilu v rozmezí 110 až 250 kPa, čímž se mění požadovaný poloměr rozmetání katalyzátoru v závislosti na průměru nasypávaného reaktoru a to přímo úměrně k nastavené výši tlaku. Tak lze tímto zařízením rovnoměrně naplnit katalyzátorem daný reaktor v celém jeho průměru, ale i použít tohoto zařízení bez dalších úprav k plnění reaktorů různého průměru. Zařízení k nasypání katalyzátoru je znázorněno na přiloženém výkresu, obr. 1.

Zařízení se skládá z násypky, opatřené na spodní části otvorem s clonou 1, která ústí do cyklonové komory 2, tvořené válcovým pláštěm s navazujícím komolým kuželem. Ve válcové části cyklonové komory 2 jsou uspořádány nejméně 2 tlakové trysky 3, jejichž vstupní otvor je umístěn v tlakové komoře 4, opatřené regulačním zařízením 5, přičemž tlaková komora £ je opatřena vstupním otvorem 6 pro tlakový plyn. Cyklonová komora 2 je ve své spodní části opatřena soustřednou vestavbou 7, opatřenou na svém povrchu zakřivenými žebry 8. Zakřivená žebra 8 jsou i na vnitřním povrchu válcové části cyklonové komory 2.

Způsobem podle vynálezu, uskutečněným na popsaném zařízení, se lépe využije daného objemu reaktoru ve srovnání s případem, kdy navrhovaného zařízení nebylo při nasypávání lože reaktoru použito, resp. lze pro požadovanou výrobní kapacitu navrhnout reaktor menších rozměrů, sníží se počet redistributorů toku reakční směsi a dále se zvýší účinnost styku katalyzátoru s kapalnou reakční směsí v případech, kdy se jedná o systém s mobilní kapalnou fází.

-3CZ 279423 B6

Příklady

Přednosti nového způsobu vytváření uspořádané vrstvy katalyzátoru v reaktoru a použití navrhovaného zařízení jsou ilustrovány následujícími příklady.

Příklad 1

Do reaktorové válcové nádoby o průměru 2800 mm se uloží katalyzátor s následujícími vlastnostmi:

typ katalyzátoru: hydrorafinační katalyzátor kobalt-molybdenový s gama-aluminou, použitou jako nosič, tvar částice: válcový extrudát průměr částice [mm]1,6 délka částice [mm]3-15 sypná hustota [kg/m³]610

Katalyzátor se ukládá obvyklým způsobem, tedy volným pádem usměrněného toku katalyzátorových částic trubkou o průměru 100 mm. Ústí trubky se udržuje ve výšce 1500 až 2000 mm nad vrstvou katalyzátoru. Po nasypání cca 1 m výšky vrstvy se povrch katalyzátoru srovná a na hladinu se umístí tři stejné nádoby o následujících rozměrech [v mm]: 600 x 600 (půdorys)x 100 (výška). Objem

O nádob tedy je 0,036 m . Po uloženi nádob (na střed, okraj a do vzdálenosti, rovnající se polovině poloměru velké nádoby) se pokračuje v sypání tak, až jsou všechny nádoby překryty katalyzátorem. Takto nasypaný katalyzátor se hodnotí dvěma postupy:

a) Stanovení penetrace vrstvy

Vrstva katalyzátoru klade vždy určitý odpor vůči pronike tuhých předmětů. Tato vlastnost - penetrace - se používá ρ.:ό hodnocení kompaktnosti vrstvy a to tak , že se měří délka proniknutí definované penetrometrické jehly (hmotnost 0,5 kg, průměr válcového trnu 5 mm) při jejím odjištění ve výšce 0,1 m nad vrstvou katalyzátoru. Penetrace se zjištuje v místech, kde není umístěna měrná nádoba, a to v předem stanovených bodech. Například se na celé ploše katalyzátoru stanoví sít o 12 bodech, ve kterých se penetrace měří.

b) Stanovení sypné hustoty katalyzátoru

V popsané měřicí malé nádobě, překryté katalyzátorem, se opatrně seřízne nadbytečný katalyzátor a přesně zaplněná nádoba s katalyzátorem se zváží. Sypná hustota se stanoví jako zjištěná hmotnost katalyzátoru, dělená objemem nádoby, který činí 36 litrů.

Výsledky stanovení penetrace a sypné hustoty jsou uvedeny v tabulce I.

-4CZ 279423 B6

Tabulka I Hodnocení volně nasypané vrstvy katalyzátoru stanovením sypné hustoty a penetrace

vlastnost	sypná hustota kg/m	penetrace mm
nádoba střed vrstvy	606
nádoba okraj vrstvy	635
nádoba v polovině poloměru	628
5 bodů		> 60
5 bodů		40 - 60
2 body		< 40

U výsledků je patrný značný rozptyl jak v sypné hustotě, tak především v kompaktnosti (penetraci) vrstvy. V podmínkách provozu reaktoru vedou někdy tyto nerovnoměrnosti například k tvorbě tzv. horkých míst, nebo naopak ke zkratovému proudění plynu. Oba jevy jsou v praxi reaktorů s heterogenními katalyzátory nanejvýš nežádoucí .

Příklad 2

Týž katalyzátor, jako v příkladě 1, se nasype postupem dle vynálezu. Postup je následující: Do násypky, umístěné nad vlastní sypací zařízení, se uloží cca 5000 kg katalyzátoru. Na vlastním sypném zařízení se nastaví tyto parametry: průměr dávkovači clony 47 mm (zajištěni průtoku cca 1000 kg katalyzátoru za hodinu), průměr trysek 16 mm, výška cyklonové komory nad sypanou vrstvou katalyzátoru 2500 mm. Po zapojení na přívod tlakového vzduchu se nastaví předřazeným ventilem tlak v přetlakové komoře sypného zařízení na hodnotu 113 kPa.a přes kulový ventil se zahájí přívod katalyzátoru, který samospádem regulovanou rychlostí (clonou) vstupuje do válcového pláště, opatřeného žebry a dále do vlastní kuželové cyklonové části zařízení, kde získají jednotlivé částice příslušný rotační impulz a po opuštění cyklonu se rozlétávají tangenciálně tak, že tvoří po dopadu rovnoměrný prstenec, sahající na vnějším okraji až k okraj i reaktoru. Vnitřní okraj je neostrý a sahá asi do vzdálenosti 400 mm od středu nádoby. Po určité době se tlak v zařízení sníží na hodnotu 104 kPa. Tím se na potřebnou hodnotu zmenši poloměr rozlétávání částic a po dopadu se střed předešlého prstence vyplní tak, že hladina vrstvy katalyzátoru nevykazuje žádné podstatné výškové výchylky. Po vytvoření základní vrstvy se na stejná místa, jako v příkladě 1, umístí uvedené nádoby a popsaným způsobem se nádoby převrství katalyzátorem.

Vyhodnocení je identické jako v příkladu 1 a je uvedeno v tabulce

II.

Tabulka II Hodnocení hustě nasypané vrstvy katalyzátoru stanovením sypné hustoty a penetrace

-5CZ 279423 B6

vlastnost	sypná hustota kg/m3	penetrace mm
nádoba střed vrstvy	703
nádoba okraj vrstvy	706
nádoba v polovině poloměru	705
.5 bodů		> 4
5 bodů		3-4
2 body		< 3

Výsledkem je tedy vrstva se zvýšenou kompaktností a sypnou hustotou o cca 13 % vyšší, než je dosaženo volným výtokem z přívodní trubice. Podstatným efektem je i minimální kolísání hodnoty penetrace a tedy kompaktnosti vrstvy, což odstraňuje provozní problémy, uvedené v příkladě 1.

Příklad 3

Týž katalyzátor, jako v příkladě 1, se nasype postupem dle ČS AO 245 875. Postup je následující: Do násypky, umístěné nad vlastní sypací zařízení, se uloží cca 5000 kg katalyzátoru. Na vlastním sypném zařízení se nastaví tyto parametry: průměr dávkovači clony 47 mm (zajištění průtoku cca 1000 kg katalyzátoru za hodinu), průměr trysek 16 mm, výška cyklonové komory nad sypanou vrstvou katalyzátoru 2500 mm. Po zapojení na přívod tlakového vzduchu se nastaví tlak vzduchu, jdoucí přímo na trysky, na hodnotu 50 kPa a přes kulový ventil se zahájí přívod katalyzátoru, který samospádem regulovanou rychlostí (clonou) vstupuje do vlastní kuželové cyklonové části zařízení, kde získají jednotlivé částice příslušný rotační impulz a po opuštění cyklonu se rozlétávají tangenciálně tak, že tvoří po dopadu prstenec, sahající na vnějším okraji až k okraji reaktoru. Vnitřní okraj je neostrý a sahá asi do vzdálenosti 400 mm od středu nádoby. Po určité době lze pozorovat tvorbu oblastí s vyšší a nižší vrstvou nasypaného katalyzátoru, přičemž po vytvoření dostatečně velkých rozdílů v těchto výškách dochází k samovolnému přesypávání katalyzátoru z vyšších do nižších poloh. Do takto sypané nádoby se umístí měrné nádoby způsobem, popsaným v příkladu 2 tak, že se jedna nádoba umístí do prostoru, kde se soustřeďuje více katalyzátoru, druhá nádoba se umístí do prostoru, kam dopadá menší množství katalyzátoru a kam se katalyzátor dostává i přesypem, a třetí nádoba se umístí do středu sypané nádoby. Po nasypání veškerého množství katalyzátoru se vyhodnotí vlastnosti katalyzátorových vrstev v měrných nádobách, a to popsaným způsobem. Vyhodnocení je patrné z údajů v tabulce III, kde jsou pro přehlednost zopakovány údaje z příkladu 2, které se vztahují k postupu dle vynálezu.

Tabulka III Hodnocení hustě nasypané vrstvy katalyzátoru stanovením sypné hustoty a penetrace

způsob nasypání	dle ČS AO	245 875	dle vynálezu
vlastnost sypná	. hustota	penetrace	sypná hustota penetrace
	kg/m3	mm	kg/m mm
nádoba střed vrstvy	658		703
nádoba okraj vrstvy	686		706
nádoba v polovině
poloměru	695		705
5 bodů		> 20	> 4
5 bodů		10 - 20	3-4
2 body		< 10	< 3

Porovnáním obou postupů, založených na rozmetání katalyzátorových částic pomocí tangenciálně přiváděného inertního plynu, lze zjistit, že nový způsob poskytuje hustější, kompaktnější a rovnoměrnější vrstvy nasypaného katalyzátoru.

Průmyslová využitelnost

Způsob nasypání katalyzátoru a zařízení k provedení tohoto způsobu je průmyslově využitelné ve všech oborech průmyslové chemie, v nichž probíhají technologické procesy, katalyzované heterogenními katalyzátory, zejména v průmyslu zušlechťování ropy a organických syntéz, nebo sorpční procesy.

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob nasypávání a vytvoření uspořádané vrstvy částic katalyzátorů nebo/a sorpčních materiálů o vysoké hustotě v reaktorech pro heterogenní chemické nebo fyzikálně-chemické pochody, přičemž proud částic o průměru 1 až 5 mm a délce 2 až 15 mm padá dolů prostorem, ohraničeným na vnější straně plochou válce a komolého kužele, a přichází do styku s proudem inertního plynu, např.dusíku nebo vzduchu, který proudí ve směru kolmém k pádu částice a tangenciálně k válcovému plášti v objemovém poměru plynu a padajících částic 10 až 10 000, vyznačený tím, že plyn proudí rovnoměrně pod regulovatelným tlakem v rozmezí 50 až 250 kPa.

2. Zařízení pro provádění způsobu podle nároku 1, skládající se z násypky, opatřené na spodní části cyklonovou komorou, která je tvořena válcovým pláštěm, ukončeným komolým kuželem o vrcholovém úhlu 30 až 150°, výhodně 30 až 90°, který je spojem s válcovým pláštěm delší hranou a kratší hrana tvoří výstupní otvor, přičemž cyklonová komora je opatřena soustřednou vestavbou a přívodem plynu do nejméně dvou trysek, symetricky rozmístěných v cyklonové komoře, vyznačené tím, že válcový plášt cyklonové komory (2) je opatřen na svém vnitřním povrchu zakřivenými žebry (8), soustředná vestavba (7) je tvarována stejně jako cyklonová komora (2) a je na povrchu rovněž opatřena zakřivenými žebry (8), a cyklonové komoře (2) je předřazena tlaková komora (4), opatřená otvorem (6) pro vstup plynu do ní, a otvory pro výstup plynu do trysek (3) cyklonové komory (2) jsou opatřeny zařízením pro regulaci množství plynu (5).