EA005982B1 - Способ и устройство для загрузки твердых частиц в вертикальную трубу - Google Patents

Abstract

Описан способ, в котором упругую текучую среду приводят в контакт с веществом в виде твердых частиц. Это содержит создание по существу вертикальной удлиненной трубчатой закрытой зоны (1), содержащей заряд вещества в виде твердых частиц (5), при этом объем закрытой зоны больше устоявшегося объема заряда твердых частиц (5). Верхнее сдерживающее средство (3) установлено на верхнем конце закрытой зоны (1), при этом верхнее сдерживающее средство (3) является проницаемым для текучей среды, но выполнено с возможностью сдерживания твердых частиц (5) в закрытой зоне (1). Следящее средство (4) установлено с возможностью перемещения в закрытой зоне (1) под зарядом твердых частиц (5) для перемещения вверх от нижнего конца закрытой зоны (1) на направленном вверх потоке упругой текучей среды через закрытую зону (1) со скоростью свыше пороговой скорости. В способе поток упругой текучей среды направляют вверх через закрытую зону (1) со скоростью, которая является достаточной для подъема твердых частиц (5) вверх в направлении верхнего конца закрытой зоны и образования подушки из твердых частиц (5) на нижней стороне верхнего сдерживающего средства (3). Эта скорость превышает пороговую скорость для перемещения следящего средства (4) вверх, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц (5). Изобретение также предлагает устройство, подходящее для реализации этого процесса, и способ загрузки вещества в виде твердых частиц по существу в вертикальную трубу.

Description

Данное изобретение относится к способу контактирования упругой текучей среды с твердыми частицами.

Область техники, к которой относится изобретение

Имеется много способов, которые включают контакт между упругой текучей средой, такой как газ или пар, и твердыми частицами. Эти многочисленные химические процессы выполняют с использованием условий реакции газовой фазы или паровой фазы, в которых поток газа или пара вступает в контакт с состоящим из твердых частиц катализатором. Другие процессы, в которых упругая текучая среда вступает в контакт с твердыми частицами, включают сушку, при которой газ или пар вступает в контакт с дессикантом, и адсорбцию, при которой газ или пар вступает в контакт с абсорбентом с целью, например, абсорбции из них возможных каталитических ядов.

В таком процессе катализатор из макрочастиц или других измельченных твердых частиц часто находится в виде неподвижного слоя, хотя некоторые процессы работают с использованием псевдоожиженного слоя катализатора.

Используемые в таких процессах условия часто включают высокие рабочие температуры и/или высокие давления. Поэтому реакторы иногда должны выдерживать высокие тепловые и механические нагрузки. Обычно конструктивные материалы для таких химических котлов содержат соответственно мягкую сталь, высокопрочную сталь, нержавеющую сталь и другие специальные стали и сплавы.

Таким образом, использование катализаторов, катализаторов на инертном носителе и других твердых частиц, таких как дессиканты или абсорбенты, в неподвижном слое является широко распространенным. Вещество в виде твердых частиц, образующее неподвижный слой, является обычно керамическим по своей природе или образовано из окомкованных оксидов металлов. Обычно оно имеет меньший коэффициент расширения, чем реактор, труба или другое закрытое устройство для твердых частиц, которые обычно состоят из металла для обеспечения прочности по отношению к давлению. Таким образом, когда температура в системе повышается, то материал в виде твердых частиц подвергается усадке в реакторе, поскольку при нагревании стенки реактора расширяются сильнее, чем частицы катализатора. Затем, когда температура понижается, стенки реактора сжимаются при охлаждении и вещество в виде твердых частиц может быть охвачено как бы сжимающимся корсетом и поэтому подвергаться воздействию разрушающей силы, в частности, если твердые частицы содержатся, по существу, в вертикальной металлической трубе.

Во многих применениях изменения температуры в операции не очень высоки и различие величины расширения между веществом в виде твердых частиц и закрытым устройством является незначительным. Следовательно, чрезмерное истирание материала в виде твердых частиц или повреждение стенок контейнера не происходит. Однако, в так называемых огневых процессах, в которых используются высокотемпературные операции, обычно включающие горение для поддержания температуры в эндотермических каталитических процессах, таких как реформинг с водяным паром, или в экзотермических каталитических процессах, таких как процессы частичного окисления, величина расширения является значительной. Если неподвижный слой заключен в реакторе большого диаметра или в закрытом резервуаре, то это различное расширение может быть распределено лишь с небольшим истиранием частиц катализатора, поскольку имеется много частиц и происходит небольшое собирательное перемещение частиц катализатора во внутренне пустое пространство. Однако, если частицы катализатора находятся в узкой вертикальной трубе, имеющей, например, номинальный диаметр менее около 6 дюймов (около 15,24 см), то это относительное перемещение является недостаточным и могут возникать очень большие усилия разрушения. Это приводит обычно к истиранию вещества в виде твердых частиц, если оно является в любой степени хрупким, или к повреждению стенки трубы, если вещество не является хрупким. Этот последний эффект наблюдался при прочных шарах из оксида алюминия в качестве носителя катализатора в трубах высокотемпературного реформера. Кроме того, в случаях, когда вертикальные трубы являются очень длинными и подвергаются значительному расширению по длине из-за используемой высокой рабочей температуры, например паровые трубы реформера, вещество в виде твердых частиц опускается на очень значительную величину, но не может снова подниматься обратно вверх по трубе, из-за сильного сжатия охлаждающейся трубой, что усиливает тенденцию к разрушению.

Повторные циклы нагревания и охлаждения приводят к ухудшению желательных характеристик устоявшегося слоя вследствие сжатия исходного объема загрузки твердых частиц до высокой плотности, что увеличивает падение давления. Дополнительно к этому было установлено, что увеличенное падение давления в слое катализатора может быть обусловлено, среди других причин, разломом частиц катализатора в результате неправильной загрузки катализатора или же в результате разного расширения и сжатия между катализатором и котлом из-за температурного цикла при запуске и остановке.

Дробление частиц катализатора приводит к образованию осколков с меньшим диаметром частиц, в то время как эрозия углов частиц приводит к более низкой пустотности вследствие более тесной упаковки эродированных частиц. В остальном можно сослаться на «Справочник по катализаторам», 2 изд., Матйи V. (\Уо1Гс РиЫкЫид Ы6., 1989), стр. 125. Это увеличенное падение давления обычно увеличивает стоимость, связанную с компрессией газа во всех применениях с неподвижным слоем. В применениях с параллельными неподвижными слоями это может приводить к увеличению неправильного рас

- 1 005982 пределения, в частности, в многотрубном реакторе, что приводит к разному преобразованию и к избирательности в разных трубах. Это, в свою очередь, может приводить к дополнительным проблемам, таким как осаждение углерода, образование горячих точек (что ведет к возможному выходу из строя трубы и/или к спеканию катализатора), и к развитию различных скоростей деактивации катализатора, что может дополнительно усугублять ситуацию. Потеря поверхностного материала катализатора за счет растрескивания и истирания является особенно серьезной проблемой, когда активная часть катализатора выполнена в виде мелкого поверхностного слоя, поскольку в этом случае может быть утрачена значительная величина активности катализатора, или же активность катализатора может становится неправильно распределенной.

Осколки, вызванные силами дробления, накапливаются в теперь более плотном слое и также увеличивают падение давления. Увеличивается вероятность различного падения давления между разными трубами в многотрубном реакторе, что приводит к неправильному распределению газа или пара. Дополнительно к этому становится трудно предсказывать положение вершины слоя внутри любой отдельной трубы.

Другие проблемы возникают в трубных реакторах с внешним обогревом, таких как реформеры, в которых любая часть трубы, которая не содержит катализатора, может быть перегрета, что приводит к опасности выхода трубы из строя, поскольку в этой части не происходит эндотермической реакции на катализаторе для абсорбирования излучаемого тепла и тем самым охлаждения этой части трубы. Это делает важным возможно точное определение положения слоя катализатора во время работы, чтобы свести до минимума опасность выхода трубы из строя вследствие местного перегрева.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании конструкции реактора, которая устраняет проблемы, связанные с дроблением материалов в виде твердых частиц, когда реактор подвергается воздействию температурных циклов нагревания до высоких температур с последующим охлаждением, и которая обеспечивает небольшое падение давления в материале в виде твердых частиц, минимизирует рост падения давления и обеспечивает фиксированное положение слоя с высокой степенью определенности для минимизации опасности выхода из строя труб реактора с внешним обогревом.

Эта потребность была распознана ранее и имеются различные примеры в уровне техники попыток преодоления указанных выше проблем.

Дробление катализатора радиальными силами из-за слишком широких температурных циклов в трубных реакторах, таких как реакторы для реформинга с продувкой паром, распознано в патенте США № 4203950 (8сбсгс.|Ш51). В этом документе предложено расположение катализатора в кольцевом канале, по меньшей мере одна стенка которого является упругой.

В патенте США № 5718881 (8ебегс.|Ш51 и др.) паровой реформер имеет сегментированные зоны реакции с отдельными опорами для разных температурных зон, при этом объем сегментов катализатора обратно пропорционален температуре различных зон в реформере.

Использование гибких жалюзиобразных экранов для распределения движения частиц предложен в патенте США № 3818667 (ХУадпсг). Жалюзи предложены также для каталитического конвертера для каталитической обработки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в патенте США № 4063900 (Мйа и др.) и в патенте США № 4052166 (Мйа и др.).

В патенте США № 3838977 (ХУаггсп) предложено использование пружин или мембранных коробок в каталитическом глушителе для управления расширением и сжатием слоя для удерживания компактного не псевдоожиженного или приподнятого слоя. Пружинная нагрузка для удерживания слоя из плотно упакованных гранул угля внутри корпуса канистры для хранения паров топлива описан в патенте США № 5098453 (Тигпег и др.).

Храповый механизм для следования за уменьшением объема слоя, но сдерживания обратного движения верхней перфорированной сдерживающей плиты предложен в патенте США № 3628314 (МсСаг1йу и др.). Аналогичные устройства описаны в патенте США № 4489549 (КакаЫап), в патенте США № 4505105 (№88) и в патенте США № 4554784 (ХУефапб и др.).

Пневматические рукава внутри слоя катализатора для сдерживания перемещения материала в виде твердых частиц предложены в патенте США № 5118331 (Саггей и др.), в патенте США № 4997465 (§!апГогб), в патенте США № 4029486 (Егап1х) и в патенте США № 4336042 (Егап1х и др.).

Однако эти предложения согласно уровню техники являются сложными и не решают удовлетворительно проблемы дробления катализаторов в виде твердых частиц, которое может вызываться повторными температурными циклами трубы реактора.

Обычно, катализаторы пропускают через сито для удаления пыли и раздробленных частиц перед отправкой потребителю и/или перед загрузкой в реактор. Такое удаление пыли и раздробленных частиц катализатора желательно для минимизации падения давления в реакторе, вызванного каталитическим слоем. Эта стадия просеивания является дорогостоящей процедурой как с точки зрения стоимости, так и времени. После загрузки обычно нет возможности изменить положение частиц катализатора и плотность упаковки имеет лишь тенденцию к увеличению.

Загрузку катализатора можно выполнять многими способами для уменьшения разрушения и повреждения, вызванных свободным падением загрузки. Например, можно использовать «носковую» за

- 2 005982 грузку, при которой катализатор помещают в длинные «носки», изготовленные обычно из ткани, которые сгибают или закрывают на одном конце с помощью раскрываемого замка или узла, который можно потянуть для освобождения катализатора, когда носок находится в заданном положении. Другой способ, который является более пригодным для использования при формировании слоя в котлах большого диаметра, например, от около 0,75 до около 4 м или более, чем в трубах с диаметром менее около 25 см, является так называемой «плотной» загрузкой, при которой катализатор подают через вращающийся распределитель для укладывания последовательных плоских слоев вместо насыпей из сваленного катализатора. В третьем способе, который подходит для загрузки вертикальных труб, используют проволочные устройства или проволоку в трубах, которые уменьшают скорость падения. Одна из возможностей состоит в использовании одной или более спиралей проволоки внутри трубы, так что частицы катализатора отскакивают от них на своем пути вниз по трубе, а не падают в свободном падении по всей высоте трубы. Когда труба заполнена, то проволоку вытягивают вверх, не обязательно, с вертикальными колебаниями. Такие устройства предложены, например, в патенте США № 4077530 (Рикикеп и др.).

Другая возможность состоит в использовании шнура, имеющего распределенные по его длине щеткообразные элементы или другие демпфирующие элементы, и в вытягивании шнура вверх по мере подачи в трубу частиц катализатора, как описано в патенте США № 5247970 (РугИуей и др.).

«Носковую» загрузку можно выполнять также полунепрерывно в котлах большого диаметра с помощью воронки и заполненной трубы из ткани или сплошной трубы, которую перемещают и поднимают для выпускания катализатора с частым выравниванием катализатора.

Каждый способ загрузки обеспечивает создание неподвижных слоев с разными объемными плотностями. Различия в плотности могут быть довольно значительными, например, при материалах в виде цилиндрических твердых частиц или экструдатов, плотность «плотной» загрузки может быть до около 18% больше соответствующей плотности «носковой» загрузки за счет укладки частиц в основном горизонтально и параллельно друг другу при «плотной» загрузки, а не случайно, как в «носковой» загрузке.

В некоторых применениях желательно обеспечить максимальное количество загружаемого катализатора, несмотря на увеличенное падение давления в неподвижном слое, в этом случае можно использовать «плотную» загрузку или загрузку в жидкость и/или можно приводить в колебания трубы.

В описании патента США № 5892108 (8йю1аш и др.) предложен способ упаковки катализатора для использования в каталитическом окислении газовой фазы пропилена, изобутилена, ΐ-бутилового спирта или метилЭ-бутилового эфира молекулярным кислородом для синтезирования ненасыщенного альдегида и ненасыщенной карбоксильной кислоты, в котором используют металлические кольца Рашига в качестве вспомогательного упаковочного материала.

В описании патента США № 5877331 (Мишшеу и др.) раскрыто использование промывочного газа для удаления мелких частиц из каталитического реактора для производства малеинового ангидрида, который содержит каталитические тела. В этой процедуре промывочный газ, такой как воздух, пропускают через каталитический слой с линейной скоростью потока, достаточной для псевдоожиживания каталитической мелочи, но недостаточной для псевдоожиживания каталитических тел. В столбце 15, строки 16-18 сказано:

«Для предотвращения псевдоожиживания или расширения каталитического слоя во время другой операции реакторов, и, в частности, для предотвращения истирания каталитических тел в неподвижном слое катализатора друг о друга или о стенки трубы, на вершину колонны катализатора в каждой трубе реакторов помещали сдерживающий слой, содержащий дискретные тела материала, значительно более плотного, чем катализатор».

Указано также, что этот направленный вверх поток удаляет нежелательные мелкие частицы, которые, если их оставить в плотно упакованном котле, могут способствовать закупориванию слоя.

В патенте США № 4051019 (ΐοΐιηκοη) раскрыт способ загрузки вещества в виде тонко разделенных твердых частиц в котел с целью увеличения плотности упаковки за счет введения текучей среды в противопотоке к направленному вниз потоку вещества в виде тонко разделенных твердых частиц со скоростью, выбранной для максимизации кажущейся объемной плотности вещества в виде твердых частиц в котле. Указывается, что этот способ также обеспечивает способ удаления нежелательных мелких частиц, которые, если их оставить в плотно упакованном котле, могут способствовать закупориванию слоя.

Приведение в колебание труб с помощью воздуха или электрических вибраторов и/или ударов обитыми с торца кожей молотками описано в упомянутом выше справочнике Твигга на стр. 569, при этом последний вариант используют для дополнительного уплотнения катализатора в этих трубах, имеющих небольшое падение давления в многотрубных применениях с целью обеспечения равного падения давления в каждой трубе.

Трубный паровой реформер с восходящим потоком описан в патенте США № 3990858 (О'8иШуап и др.). В этом предложении псевдоожиживание материала в виде твердых частиц в каталитических трубах предотвращается за счет предусмотрения подвешенного полого элемента конической формы, который опирается на вершину слоя твердых частиц. Этот полый элемент конической формы снабжен удлиненными прорезями, через который текучая среда, выходящая из слоя, проходит внутрь полого элемента, через прорези и в выход трубы.

- 3 005982

Имеется необходимость в простом и надежном способе устранения проблем, обусловленных дроблением или истиранием материалов в виде твердых частиц, таких как катализаторы, дессиканты или абсорбенты, которые подвергаются циклическому воздействию высокой и низкой температур в котлах, в частности, котлах, изготовленных из материалов с относительно большим тепловым расширением, таких как сталь или другие металлы или сплавы. Имеется потребность также в создании способа работы каталитического реактора, в котором падение давления в каталитическом слое можно надежно минимизировать в работе. Дополнительно к этому, имеется потребность в способе загрузки трубного реактора состоящим из твердых частиц материалом, например катализатором в виде твердых частиц, в котором можно, по существу, исключить присутствие «мелочи» в каталитической трубе. Кроме того, существует также потребность в способе работы реактора, содержащего заряженные твердые частицы, в котором любую «мелочь», которая может образоваться во время продолжительной работы реактора, можно легко удалять из реактора без удаления заряженных твердых частиц. Имеется также потребность в способе работы реактора, выполненного в виде колонны, в котором можно с уверенностью знать положение вершины слоя катализатора или другого материала в виде твердых частиц в каждой из труб.

Сущность изобретения

В соответствии с этим, данное изобретение предлагает новый способ для эффективного контакта между упругой текучей средой, такой как газ или пар, и твердыми частицами в условиях, которые включают использование циклического изменения между повышенными температурами и температурой окружающей среды или близкой к температуре окружающей среды, однако, в этих условиях минимизируется дробление твердых частиц. Оно дополнительно предлагает улучшенный способ, в котором газ или пар приводится в контакт с веществом в виде твердых частиц, таким как катализатор, дессикант или абсорбент, который подвергают воздействию повышенных температур в несколько сотен градусов Цельсия и затем охлаждают без подвергания твердых частиц чрезмерным механическим напряжениям. Дополнительно к этому, данное изобретение предлагает способ контактирования газа или пара с веществом в виде твердых частиц в трубе при повышенных температурах в условиях, которые минимизируют воздействие разрушающих сил на твердое вещество, в частности, во время охлаждения трубы, и который облегчает удаление обломков твердых частиц, образованных за счет истирания частиц катализатора или другого твердого вещества для исключения, по существу, любого значительного повышения падения давления. Кроме того, изобретение предлагает новый и улучшенный способ упаковки каталитического слоя. Еще одной задачей данного изобретения является создание способа работы каталитической трубы реактора, упакованной частицами катализатора, при этом положение вершины слоя катализатор известно с уверенностью, несмотря на использование повышенных температур, которые приводят к расширению трубы реактора как в продольном, так и в радиальном направлении. Кроме того, изобретение предлагает способ работы каталитического реактора, в частности колонны, в которой газовую или паровую фазу приводят в контакт с катализатором в виде твердых частиц, так что минимизируется падение давления в слое катализатора. Оно также предлагает способ загрузки трубного реактора материалом в виде твердых частиц, таким как катализатор в виде твердых частиц, в котором образование нежелательных «мелких» частиц, по существу, исключается, и в котором любые такие «мелкие» частицы можно удалять из слоя катализатора без разгрузки сначала катализатора из реактора.

Согласно одному аспекту данного изобретения создан способ, в котором упругую текучую среду приводят в контакт с твердым веществом в виде частиц, при этом способ содержит стадии (a) создания, по существу, вертикальной удлиненной колонны, образующей закрытую зону, содержащую заряженные твердые частицы, при этом закрытая зона больше устоявшегося объема заряда вещества в виде твердых частиц;

(b) создания верхнего сдерживающего средства, установленного на верхнем конце колонны, при этом верхнее сдерживающее средство является проницаемой для текучей среды, но выполнено с возможностью сдерживания частиц твердого вещества в закрытой зоне, и средства, поддерживающего твердые частицы, установленного с возможностью перемещения в закрытой зоне под зарядом твердых частиц для перемещения вверх от нижнего конца колонны на направленном вверх потоке упругой текучей среды через закрытую зону со скоростью за пределами пороговой скорости; и (c) направления потока упругой текучей среды вверх через закрытую зону со скоростью, которая является достаточной для подъема твердых частиц вверх в направлении верхнего конца колонны и образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего средства, поддерживающего твердые частицы, и которая превышает пороговую скорость для перемещения указанного средства вверх, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц.

Кроме того, согласно изобретению создано устройство для обеспечения контакта упругой текучей среды с веществом в виде твердых частиц, содержащее (a) реактор, представляющий, по существу, вертикальную удлиненную колонну для размещения вещества в виде заряженных твердых частиц, при этом объем закрытой зоны больше устоявшегося объема заряженных твердых частиц закрытой зоны в колонне, имеющей верхний конец и нижний конец, и реактор установлен так, что верхний конец колонны лежит выше нижнего конца колонны;

(b) верхнее сдерживающее средство, установленное на верхнем конце колонны, при этом верхнее

- 4 005982 сдерживающее средство является проницаемым для текучей среды, но выполнено с возможностью сдерживания твердых частиц в закрытой зоне; и (с) средство, поддерживающее твердые частицы, установленное с возможностью перемещения в закрытой зоне ниже заряда твердых частиц для перемещения вверх от нижнего конца колонны с закрытой зоной на направленном вверх потоке упругой текучей среды через закрытую зону со скоростью свыше пороговой скорости;

за счет чего поток упругой текучей среды принудительно направляется вверх через закрытую зону со скоростью, которая достаточна для вызова подъема вверх твердых частиц в направлении верхнего конца колонны и образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства и которая превышает пороговую скорость, при этом средство, поддерживающее твердые частицы, выполнено с возможностью перемещения вверх до упора в нижнюю сторону подушки из твердых частиц.

Упругая текучая среда может содержать газовую или паровую среду.

Верхнее сдерживающее средство является проницаемым для упругой текучей среды, но выполнено с возможностью сдерживания неповрежденных частиц твердого вещества в закрытой зоне. Оно может содержать экран, по существу, из параллельных стержней, прутков или проволоки или проволочную сетку или другой перфорированный вид сдерживающего средства, такого как пластина, снабженная многочисленными отверстиями.

Средство, поддерживающее твердые частицы, предпочтительно выполнено так, что имеется зазор или зазоры через и/или вокруг него для прохождения через него направленного вверх потока упругой текучей среды. Кроме того, нижний конец колонны с закрытой зоной предпочтительно выполнен так, что когда нет потока вверх упругой текучей среды через колонну, все же имеется зазор или зазоры для потока вверх упругой текучей среды через или вокруг средства, поддерживающего твердые частицы, когда такой поток вверх начинается, но остается ниже пороговой скорости. Поэтому указанное средство обычно включает поршневую часть, которая свободно установлена в колонне, так что текучая среда может проходить вверх через кольцевой зазор, окружающий поршневую часть. Эта поршневая часть может быть расположена у или в направлении нижнего конца средства, у или в направлении верхнего конца средства или в промежуточном положении между верхним и нижним концами средства, поддерживающего твердые частицы. Одной из функций указанного средства является опора загрузки твердых частиц, когда любой направленный вверх поток текучей среды является недостаточным для подъема вверх твердых частиц в закрытой зоне для образования подушки на нижней стороне верхнего сдерживающего средства. В этом положении у или вблизи верхнего конца средства, поддерживающего твердые частицы, поршневая часть может выполнять эту функцию; если нет, то указанное средство предпочтительно содержит у или вблизи верхнего конца опорное средство для опоры заряженных твердых частиц, когда любой направленный вверх поток текучей среды является недостаточным для подъема вверх твердых частиц в закрытой зоне для образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства, например ряды концентрических колец, расположенных на расстоянии друг от друга, так что зазоры между смежными парами колец являются недостаточными для прохождения через них твердых частиц заданного размера. Эти зазоры способствуют также распределению потока проходящей вверх упругой текучей среды равномерно по поперечному сечению закрытой зоны.

Вместо использования концентрических колец можно в качестве альтернативного решения использовать сетку, расположенную с возможностью опоры для заряженных твердых частиц, когда любой направленный вверх поток упругой текучей среды является недостаточным для подъема вверх твердых частиц в закрытой зоне для образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства.

Кроме того, следящее средство может быть выполнено так, что несмотря на кольцевой зазор вокруг поршневой части, средство, поддерживающее частицы, не может отклоняться достаточно от вертикального положения, чтобы быть заклиненным стенками колонны. В одной конструкции это достигается тем, что предусмотрена поршневая часть с рядами, по существу, вертикальных пластин, отходящих в радиальном направлении от вертикальной оси, например три вертикальные пластины с Υ-образным расположением, при этом пластины установлены своими плоскостями вертикально под углом примерно 120° друг к другу вокруг, по существу, вертикальной оси. Естественно, можно использовать более чем три пластины, если это желательно, например четыре пластины, расположенные вертикально в Х-образном положении под углом 90° друг к другу вокруг, по существу, вертикальной оси.

В качестве альтернативного решения, поршневая часть может быть снабжена центральным вертикальным стержнем с одним или более рядами крестовин, образованных одним или более стержнями, отходящими в радиальном направлении от центрального вертикального стержня, например три радиальных стержня, установленные под углом примерно 120° друг к другу и расположенные так, чтобы предотвращать наклон следящего средства на значительную величину при его перемещении в закрытой зоне и тем самым от заклинивания стенками колонны. Таким образом, средство, поддерживающее твердые частицы, обеспечивает свободный проход вокруг себя упругой текучей среды в любое время как в нижнем, так и в верхнем направлении, при одновременном обеспечении того, что при увеличении скорости на

- 5 005982 правленного вверх потока упругой текучей среды сверх пороговой скорости, средство, поддерживающее твердые частицы, плавно поднимается из своего положения у нижнего конца колонны и перемещается вверх по колонне, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц.

Когда поток упругой текучей среды поднимается вверх с низкой скоростью потока по колонне, то средство, поддерживающее твердые частицы, остается у нижнего конца колонны, при этом твердые частицы опираются на него в виде слоя. При увеличении скорости потока вверх, частицы твердого вещества становятся псевдоожиженными у верхнего конца слоя. При дальнейшем повышении скорости потока вверх, увеличивается псевдоожиженная часть слоя, пока частицы не начнут подниматься вверх по закрытой зоне и образовывать подушку из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства. Когда скорость потока вверх является достаточной для подъема, по существу, всех частиц, то некоторые частицы на нижней стороне подушки из твердых частиц имеют тенденцию отпадать и снова увлекаться вверх. При скорости потока вверх свыше пороговой скорости потока, средство, поддерживающее твердые частицы, поднимается и приходит в положения упора в нижнюю сторону подушки из частиц, удерживая тем самым частицы на месте и предотвращая падение частиц из подушки твердых частиц, в то время как средство, поддерживающее твердые частицы, остается на месте у нижней стороны подушки из твердых частиц.

Удлиненная колонна может быть одной из множества удлиненных колонн, соединенных параллельно, например она может быть каталитической трубой, установленной в печи парового реформера.

По меньшей мере часть колонны предпочтительно имеет, по существу, равномерное горизонтальное поперечное сечение. Более предпочтительно колонна имеет, по существу, равномерное горизонтальное поперечное сечение, по меньшей мере, в главной части своей высоты и еще более предпочтительно, по существу, по всей своей высоте.

Следящее средство выполнено с возможностью поднимания вверх по колонне, когда скорость потока вверх упругой текучей среды больше пороговой скорости потока, пока оно не упрется в подушку из твердых частиц. Таким образом, по меньшей мере та часть колонны, в которой перемещается средство, поддерживающее твердое частицы, должна желательно иметь равномерное горизонтальное поперечное сечение. Например, она может содержать трубу, по существу, с круглым поперечным сечением.

В предпочтительном варианте выполнения закрытая зона, выполненная в виде трубы, которая имеет отношение длины к диаметру от около 50:1 до около 1000:1, более предпочтительно от около 100:1 до около 750:1. Обычно такая труба имеет внутренний диаметр около 6 дюймов (около 12,4 см) или менее, предпочтительно внутренний диаметр около 2 дюймов (около 5,08 см) или менее, например труба имеет внутренний диаметр от около 1 дюйма (около 2,54 см) до около 2 дюймов (около 5,08 см).

Во многих случаях можно выполнять колонну так, что расстояние, на которое поднимается средство, поддерживающее твердые частицы, в закрытой зоне во время работы, составляет максимально лишь несколько дюймов, например от около 1 дюйма (около 2,54 см) до около 10 дюймов (около 25,4 см), предпочтительно от около 2 дюймов (около 5,08 см) до около 5 дюймов (около 12,70 см), например около 3 дюймов (около 7,62 см).

Хотя часто может быть предпочтительным, чтобы колонна имела, по существу, равномерное поперечное сечение по всей своей высоте, в качестве альтернативного решения возможно, что нижняя часть колонны, в которой перемещается средство, поддерживающее твердые частицы, во время работы, имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем верхняя часть колонны. Поэтому колонна может содержать нижнюю трубчатую часть относительно меньшего диаметра, прикрепленную к нижней части трубы большего диаметра. В этом случае, в то время как нижняя часть колонны, в которой средство, поддерживающее твердые частицы, перемещается во время работы, должна быть обработана с относительно меньшими допусками, поперечные размеры верхней части колонны не должны быть такими точными. Другим преимуществом такой системы является то, что зазор между средством, поддерживающим твердые частицы, и стенками нижней части колонны может быть больше, чем при установке указанного средства для скольжения в более крупной трубе. Опять же, этот факт уменьшает необходимость точной машинной обработки внутри той части колонны, в которой перемещается средство, поддерживающее твердые частицы.

Обычно является предпочтительным, чтобы средство, поддерживающее твердые частицы, было расположено с возможностью блокирования прохождения упругой текучей среды вверх или вниз по колонне, но обеспечивало прохождение упругой текучей среды через зазор между внутренней поверхностью колонны и указанным средством, при этом зазор обеспечивает просвет, меньший наименьшего размера не раздробленной частицы твердого вещества. Поэтому следящее средство может содержать закрытую часть нижнего конца для задания зазора, а верхняя часть может быть снабжена средством для пропускания упругой текучей среды. Такое средство пропускания упругой текучей среды может содержать множество, по существу, концентрических колец, расположенных на расстоянии друг от друга, при этом расстояние между смежными кольцами меньше наименьшего размера не раздробленной частицы твердого вещества. В качестве альтернативного решения, средство для пропускания упругой текучей среды может содержать перфорированный экранирующий элемент, перфорация которого меньше наименьшего размера не раздробленной частицы твердого вещества.

- 6 005982

Закрытая зона может содержать несколько типов твердых частиц, в этом случае каждый тип может быть отделен от смежного типа с помощью соответствующего следящего средства.

Обычно твердые частицы имеют по меньшей мере один размер менее около 10 мм, например около 6 мм. Твердые частицы могут быть, по существу, сферическими по форме и иметь диаметр, например, от около 2 до около 10 мм, например около 6 мм. Однако в качестве альтернативного решения можно использовать также другие формы твердых частиц, однако, следует избегать форм, которые могут легко образовывать мостики. Таким образом, другие формы, которые можно использовать, включают кольца, седла, окатыши, цилиндрические экструдаты, трехлопастниковые, четырехлопастниковые экструдаты или т. п.

Примеры подходящих твердых частиц включают катализаторы, дессиканты и абсорбенты.

Один способ загрузки твердых частиц в колонну состоит в загрузке через верх колонны против слабого потока вверх упругой текучей среды со скоростью, меньшей чем требуется для полного подъема уже загруженных твердых частиц (или для перемещения вверх средства, поддерживающего твердые частицы), однако такой, что твердые частицы не падают свободно под действием силы тяжести. Таким образом, значительно снижается или, по существу, исключается опасность повреждения твердых частиц.

Однако можно использовать любой другой способ загрузки, например «носковый» способ загрузки. Другие технологии, которые можно использовать, включают использование проволочных устройств, использование устройств, описанных в патенте США № 5247970 (Куплей и др.) или т.п.

После первоначальной загрузки твердых частиц и, не обязательно, установки на место верхнего сдерживающего средства, можно измерить падение давления в закрытой зоне в режиме потока вверх или вниз, после чего при воздействии потока вверх упругой текучей среды на твердые частицы при нахождении на месте верхнего сдерживающего средства, можно проверить установившийся объем твердых частиц в закрытой зоне, при этом можно добавлять или удалять твердые частицы из закрытой зоны, если установившийся объем твердых частиц в закрытой зоне не соответствует заданной величине и/или если падение давления в закрытой зоне не находится в желательном диапазоне. Поэтому в предпочтительной процедуре после первоначальной загрузки твердых частиц, на стадии измерения измеряют падение давления в закрытой зоне. Затем можно добавлять или удалять твердые частицы в закрытой зоне, если падение давления не соответствует заданной величине. В качестве альтернативного решения или дополнительно к этому после первоначальной загрузки твердых частиц на стадии измерения измеряют установившийся объем твердых частиц в закрытой зоне, после чего можно добавлять или удалять твердые частицы из закрытой зоны, если установившийся объем твердых частиц в закрытой зоне не соответствует заданной величине. В любом случае, после первоначальной загрузки твердых частиц, но перед стадией измерения, можно пропускать поток упругой текучей среды вверх через закрытую зону со скоростью выше пороговой скорости, для обеспечения образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства и для вызывания подъема средства, поддерживающего твердые частицы, в закрытой зоне, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц, после чего поток вверх упругой текучей среды уменьшают или прерывают для обеспечения формирования устоявшегося слоя твердых частиц.

В одном предпочтительном способе согласно изобретению твердые частицы являются катализатором, полезным для катализа желательной химической реакции, например, парового реформинга, а упругая текучая среда содержит исходную реакционную смесь, способную обеспечивать желательную химическую реакцию при прохождении вниз через закрытую зону, в то время как в закрытой зоне сохраняются рабочие условия, обеспечивающие протекание желательной химической реакции. В альтернативном способе согласно изобретению твердые частицы являются катализатором, обеспечивающим катализ желательной химической реакции, а упругая текучая среда содержит исходную реакционную смесь, способную обеспечивать желательную химическую реакцию при прохождении вверх через закрытую зону, в то время как в закрытой зоне сохраняются рабочие условия, обеспечивающие протекание желательной химической реакции.

В способе согласно изобретению закрытая зона и твердые частицы можно подвергать воздействию повышенной температуры, например температуры по меньшей мере около 500°С. Например, желательная химическая реакция может быть реакцией частичного окисления, в этом случае упругая текучая среда содержит исходную реакционную смесь для частичного окисления, твердые частицы являются катализатором частичного окисления, а температура закрытой зоны и катализатора частичного окисления поддерживается с помощью реакции частичного окисления. В качестве альтернативного решения, желательная химическая реакция может быть реакцией парового реформинга, в этом случае упругая текучая среда содержит исходную реакционную смесь для парового реформинга, твердые частицы являются катализатором парового реформинга, а температура закрытой зоны и катализатора парового реформинга поддерживается с помощью горячих газов, сжигаемых вне закрытой зоны.

Изобретение дополнительно предлагает способ загрузки твердых частиц, по существу, в вертикальную трубу, находящуюся в готовности для осуществления способа, в котором упругую текучую среду приводят в контакт с твердыми частицами, при этом способ содержит стадии (а) создания реактора, представляющего собой, по существу, вертикальную колонну, содержащего

- 7 005982 заряженные твердые частицы, при этом закрытая зона больше устоявшегося объема заряженных твердых частиц;

(b) создания у нижнего конца колонны средства, поддерживающего твердые частицы, установленного с возможностью перемещения в закрытой зоне для перемещения вверх от нижнего конца колонны на потоке вверх упругой текучей среды через закрытую зону со скоростью выше пороговой скорости;

(c) загрузки заряженных твердых частиц в колонну на вершину средства, поддерживающего твердые частицы, при этом установившийся объем твердых частиц меньше объема закрытой зоны;

(б) установки на верхнем конце колонны верхнего сдерживающего средства, проницаемого для текучей среды, но выполненного с возможностью сдерживания частиц твердого вещества в закрытой зоне; и (е) направления потока упругой текучей среды вверх через закрытую зону со скоростью, которая является достаточной для подъема твердых частиц вверх в направлении верхнего конца колонны и образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства, и которая превышает пороговую скорость для перемещения средства, поддерживающего твердые частицы, вверх, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц. В таком способе твердые частицы можно загружать через верх закрытой зоны против потока вверх упругой текучей среды со скоростью, меньшей скорости, необходимой для полного подъема твердых частиц, однако, такой, что твердые частицы не падают свободно под действием силы тяжести. Предпочтительно, после воздействия потока вверх упругой текучей среды на твердые частицы проверяют установившийся объем твердых частиц в закрытой зоне. Твердые частицы можно добавлять или удалять из закрытой зоны, если установившийся объем твердых частиц в закрытой зоне не соответствует заданной величине.

В особенно предпочтительном способе загрузки потока вверх упругой текучей среды на стадии (е) поддерживают в течение времени и со скоростью, достаточными для обеспечения прохождения через верхнее сдерживающее средство, по существу, всех частиц, которые меньше заданного размера частиц и которые являются достаточно небольшими для прохождения через верхнее сдерживающее средство.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено фиг. 1 - вертикальная колонна реактора, имеющая внутри средство, поддерживающее твердые частицы, для катализатора без потока газа вверх, на виде сбоку;

фиг. 2 - вертикальная колонна реактора согласно фиг. 1 с потоком газа вверх со скоростью, превышающей пороговую скорость, на виде сбоку;

фиг. 3 - средство, поддерживающее твердые частицы, для катализатора согласно фиг. 1 и 2 в увеличенном масштабе на виде сбоку;

фиг. 4 - средство, поддерживающее твердые частицы, для катализатора согласно фиг. 3 на виде сверху;

фиг. 5 - альтернативное выполнение средства, поддерживающего твердые частицы, для катализатора, в изометрической проекции сверху; и фиг. 6 - средство, поддерживающее твердые частицы, для катализатора согласно фиг. 5 в изометрической проекции снизу.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения

На фиг. 1 показана вертикальная колонна 1 реактора для выполнения реакции газовой фазы или паровой фазы, такой как процесс реформинга водяным паром. Этот процесс можно выполнять в режиме потока вверх или вниз, по желанию. Однако по причинам, которые будут пояснены ниже, режим с потоком вверх является предпочтительным при реализации данного изобретения.

Колонна 1 имеет круглое поперечное сечение и внутренний диаметр около 2 дюймов (около 5,08 см) и снабжена внутренним кольцевым буртиком 2 или удаляемой опорой с центральным вертикальным отверстием и верхним перфорированным сдерживающим средством 3. Она может быть изготовлена из любого подходящего материала, который является, по существу, инертным в условиях протекающей реакции. Например, это может быть труба из нержавеющей стали или сплава или труба из мягкой стали в зависимости от природы протекающей реакции и давления реакции.

Хотя колонна 1 для удобства имеет обычно круглое поперечное сечение, можно по желанию использовать трубы другого поперечного сечения, такого как эллиптическое, шестиугольное или квадратное поперечное сечение.

Длина колонны 1 в несколько раз (что может быть целым числом, например 100 раз, или дробным числом, например 37,594 раз) превышает диаметр или другой поперечный размер колонны 1. Хотя колонна 1 показана относительно короткой, для специалистов в данной области техники понятно, что колонна 1 может иметь любую подходящую длину. Например, колонна 1 может иметь длину около 6 футов (около 182,88 см) или более, например до около 30 футов (около 914,40 см) или 45 футов (около 1371,60 см) или более, если это желательно.

Когда нет потока вверх газа или пара, то буртик 2 поддерживает средство 4, поддерживающее твердые частицы, катализатора, на вершине которого расположен заряд катализатор в виде твердых частиц 5. Установившийся объем заряда катализатора в виде твердых частиц 5, независимо от того, упакован он

- 8 005982 плотно или рыхло, меньше имеющегося объема между вершиной средства 4 и верхним перфорированным сдерживающим средством 3.

Частицы катализатора могут иметь любой желаемый размер или форму, однако, обычно они являются, по существу, сферическими. Обычно частицы катализатора не имеют размера, который меньше около 3 мм. Они могут быть, по существу, сферическими частицами, которые имеют, например, диаметр около 6 мм. Однако частицы могут иметь любую другую желательную форму, например они могут быть цилиндрами (не обязательно с одним или более каналами, образованными в них), цилиндрическими экструдатами или трехлопастными или четырехлопастными экструдатами такой длины, которая не приводит к образованию мостиков. Частицы катализатора являются достаточно большими, чтобы не проходить через любой кольцевой зазор между следящим средством 4 катализатора и внутренней стенкой колонны 1, а также через перфорированное сдерживающее средство 3.

Верхнее перфорированное сдерживающее средство 3 предназначено для предотвращения прохождения неповрежденных частиц катализатора вверх за верхнее перфорированное сдерживающее средство

3. Однако оно позволяет проходить через него пыли или мелким осколкам истертого катализатора. Оно может состоять из или содержать проволочную ткань или сетку с подходящим размером ячеек.

Средство 4 выполнено из подходящего материала, такого как нержавеющая сталь, и содержит три пластины 6, сваренные друг с другом в осевом направлении и симметрично, так что они образуют центральную часть с Υ-образным поперечным сечением, при этом пластины 6 установлены под углом 120° друг к другу вокруг вертикальной оси. Радиально наружные кромки пластин 6 расположены на небольшом расстоянии от внутренней стенки реакторной трубы 1 и помогают удерживать следящее средство 3 катализатора в вертикальном положении и направлять его при его перемещениях вверх и вниз по реакторной трубе 1, как будет дополнительно описано ниже.

Как показано на фиг. 1 и 2 и более четко на фиг. 3, верхняя часть 7 каждой пластины имеет ступенчатый профиль и кольца 8, 9, 10 и 11, приваренные к этому ступенчатому профилю. Зазор между кольцами 8, 9, 10 и 11 меньше среднего наименьшего размера, а боковые размеры колец выбраны так, что частицы катализатора не могут падать вниз через средство 4, а удерживаются на его верхней стороне. Вблизи нижнего конца средства 4 катализатора пластины приварены к диску 12, ниже которого также приварены нижние пластины 13.

Имеется кольцевой зазор 14 вокруг диска 12 для обеспечения прохождения вверх газа или пара. Дополнительно к этому, имеется центральное отверстие 15 на верхнем конце средства 4, как показано на фиг. 4. Однако когда газ или пар проходят через реакторную трубу 1 со скоростью потока, превышающей пороговую скорость потока, то диск 12 выполняет роль свободного поршня, так что средство 4 поднимается в колонне 1. Вес средства 4 выбраны так, и размер и форма средства 4 выбраны так, что направленные вверх подъемные силы, вызываемые потоком вверх газа или пара, на этой скорости вызывают всплывание средства 4 в колонне 1, сметая за счет этого любые не псевдоожиженные твердые частицы перед ним и прижимая подушку 5 из твердых частиц к неподвижному верхнему перфорированному сдерживающему средству 3.

Можно видеть, что средство 4 катализатора содержит нижнюю распорную часть, образованную пластинами 13, которая служит для удерживания поршневой части, образованной диском 12, на расстоянии от буртика 2, установленную в колонне 1, когда нет потока вверх упругой текучей среды и когда средство 4 опирается на буртик 2. Это приводит к тому, что газ или пар может все время проходить свободно вверх или вниз через эту поршневую часть. Диск 12 обеспечивает плавный подъем средства 4 при работе с потоком вверх. Вес средства 4 выбран так, что при желательной скорости потока газа вверх, подъемная сила, вызванная падением давления в кольцевом зазоре 14 между диском 12 и внутренней стенкой реакторной колонны 1, больше силы тяжести всей массы средства 4 катализатора.

На фиг. 2 показана колонна 1, когда газ или пар поднимаются в колонне 1 со скоростью потока более пороговой скорости потока. Частицы катализатора поднимаются с образованием подушки из частиц катализатора 5, упирающейся в нижнюю сторону верхнего перфорированного сдерживающего средства 3. Дополнительно к этому, средство 4 катализатора также поднимается и прижимается к нижней стороне подушки из частиц катализатора 5.

За счет изменения размеров частей, вырезанных из радиально наружных сторон пластин 6, можно изменять вес средства 4. Соответственно становится возможным изменять пороговую скорость потока, т.е. скорость потока вверх газа или пара внутри реакторной трубы 1, при которой средство 4 будет подниматься с буртика 2.

При желании, концентрические кольца 8, 9, 10 и 11 можно заменить тканью или решетчатой системой.

Альтернативная форма средства 4 катализатора показана на фиг. 5 и 6. Оно отлито из подходящего сплава. Оно содержит нижний диск 25, ниже которого имеются три распорных элемента 26, которые установлены под углом 120° друг к другу и служат для опоры следящего средства 24 на буртик 2, когда нет потока газа вверх через колонну 1. Зазоры между распорными элементами 26 и кольцевым зазором вокруг нижнего диска 25 служат для обеспечения прохождения газа вверх вокруг средства 24 при низких скоростях газового потока и для обеспечения подъема средства 24 с буртика 2, когда скорость потока

- 9 005982 газа вверх превышает пороговую скорость. Над диском 25 имеется стержневая часть 27, из верхнего конца которой выступают три ступенчатых фланца 28, которые находятся на расстоянии друг от друга вокруг оси стержневой части 27 под углом 120°. К фланцам 28 прикреплен ряд колец 29, 30, 31 и 32, при этом расстояние между смежными кольцами меньше наименьшего размера неповрежденных частиц катализатора. Таким образом, частицы катализатора не могут проходить вниз в колонну под средством 24, в то время как газ или другая упругая текучая среда может проходить вверх по колонне со скоростью потока ниже или выше пороговой скорости, при которой средство 24 поднимается с буртика 2.

Вместо снабжения колонны 1 внутренним буртиком 2, можно заменить буртик 2 несколькими небольшими направленными внутрь выступами, например 3 или 4 небольшими выступами, расстояние между которыми обеспечивает прохождение вверх потока упругой текучей среды мимо нижнего диска 25. В этом случае пластины 13 или распорные элементы 26 не требуются. В качестве альтернативного решения, буртик 2 можно заменить установленным с возможностью удаления опорным устройством, которое снабжено центральным вертикальным отверстием для обеспечения опорожнения колонны 1 вниз, если это необходимо.

Ниже приводится описание операций предпочтительного способа с использованием устройства, показанного на фиг. 1-4. Устройство, показанное на фиг. 5 и 6, можно использовать аналогичным образом.

Для загрузки частиц катализатор в колонну 1 можно использовать любой подходящий способ. Например, если катализатор является достаточно прочным, то можно удалить верхнее перфорированное сдерживающее средство 3 и затем осторожно засыпать катализатор, пока не будет введено желаемое количество. Поскольку колонна 1 имеет относительно небольшое поперечное сечение, то частицы катализатора имеют тенденцию к соударению со стенками колонны и таким образом не имеют абсолютно свободного падения. Поэтому их прохождение вниз по колонне 1 приводит к ударам о стенке колонны 1 вместо свободного падения. Если катализатор хрупкий, то можно использовать любые упомянутые выше технологии с использованием проволоки, проволочных спиралей или устройств, раскрытых в описании патента США 35247970 (Куплей и др.). В качестве альтернативного решения можно использовать, например, «носковую» технологию.

После загрузки заряженного катализатора можно измерить устоявшийся объем катализатора и сравнить с заданной величиной. Если этот устоявшийся объем больше или меньше заданного объема, то некоторое количество катализатора можно удалить или добавить соответственно. Дополнительно к этому, перед запуском желаемого процесса, например, парового реформинга или частичного окисления, обычно желательно установить верхнее перфорированное сдерживающее средство и пропустить газ, такой как азот, вверх по колонне со скоростью, превышающей пороговую скорость, для обеспечения подъема катализатора и средства 4 вверх по колонне и образования подушки из частиц катализатора непосредственно под верхним перфорированным сдерживающим средством 3. Этот поток вверх можно поддерживать в течение достаточно продолжительного времени и со скоростью, достаточной для обеспечения прохождения, по существу, всех «мелких» частиц с размером, достаточно небольшим для прохождения через перфорированное сдерживающее средство 3, через него и уноса газом. Эту процедуру можно повторять столько раз, сколько необходимо, посредством уменьшения потока газа, пока средство 4 и катализатор не упадут вниз по колонне, с последующим увеличением потока газа снова выше пороговой скорости. Затем можно измерить падение давления в заряженном катализаторе в направлении вверх через подушку из катализатора или в направлении вниз через устоявшийся слой катализатора, и сравнить с заданной величиной. Если ни устоявшийся объем, ни падение давления не отвечают заданным величинам, то можно удалить верхнее перфорированное сдерживающее средство 3 для обеспечения добавления или удаления некоторого количества катализатора соответственно, пока измерения не покажут, что загрузка катализатора в колонну 1 выполнена удовлетворительно.

Если в колонну 1 следует загрузить более одного типа катализатора, то можно добавить дополнительное средство 4 катализатора после загрузки каждого типа катализатора, за исключением загрузки последнего типа катализатора.

При низких скоростях потока, газ или пар проходят через устоявшийся слой из частиц катализатора. Однако при увеличении скорости потока, по меньшей мере часть частиц катализатора имеет тенденцию к подъему, образуя первоначально частично псевдоожиженный слой над нижним статичным слоем частиц катализатора. При дальнейшем увеличении скорости потока, все больше и больше частиц катализатора становятся псевдоожиженными и поднимаются вверх по колонне 1 с образованием подушки из каталитических частиц на нижней стороне верхнего перфорированного сдерживающего средства 3. Любая пыль или частицы небольшого размера имеют тенденцию к прохождению через верхнее перфорированное сдерживающее средство 3 во время этой процедуры. После дальнейшего увеличения скорости потока, по существу, все частицы катализатора поднимаются с вершины средства 4 в подушку из частиц катализатора с относительно небольшим количеством частиц, движущихся непосредственно под подушкой из частиц катализатора, при этом эти движущиеся частицы выпадают из подушки под действием силы тяжести и затем возвращаются обратно потоком вверх газа или пара. В конце концов, при дальнейшем увеличении скорости потока, средство 4 катализатора перемещается вверх, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из частиц катализатора, как показано на фиг. 2, предотвращая тем самым лю

- 10 005982 бое дальнейшее перемещение частиц катализатора и тем самым возможное их истирание.

Во время этой процедуры проходящая вверх упругая текучая среда может быть инертным газом или химически активным газом, необходимым для предварительной обработки катализатора. Например, в случае катализатора гидрогенизации, проходящая вверх упругая текучая среда во время этой стадии работы может быть содержащим водород газом, необходимым для предварительного восстановления катализатора. Предварительную обработку можно выполнять при любой соответствующей температуре или давлении. Таким образом, предварительную обработку можно осуществлять при температуре окружающей среды или при повышенной температуре, как это необходимо, а также при давлении окружающей среды, при давлении ниже давления окружающей среды или при повышенном давлении, если это необходимо.

Если колонна 1 используется в режиме потока вверх, то вслед за необходимой обработкой частиц катализатора в подушке из частиц катализатора, поток упругой текучей среды может быть переключен на химически активную смесь газа или пара и может быть выполнено любое регулирование температуры или давления с целью обеспечения выполнения рабочего процесса. Например, если колонна 1 является трубой, установленной в печи парового реформера, то она может нагреваться до температуры 500°С или выше, например по меньшей мере до около 750°С или до около 1050°С, и удерживаться под давлением, например, от около 100 до около 600 фунт-сила на кв.дюйм (от около 698,48 до около 4136,86 кПа). В ходе нагревания до повышенной рабочей температуры колонна 1 расширяется в радиальном и продольном направлениях, а катализатор, имеющий меньший коэффициент расширения, перемещается для заполнения увеличенного пространства. Однако, местоположение вершины подушки из частиц катализатора все время остается фиксированным, поскольку положение верхнего сдерживающего катализатор средства 3 известно и остается неизменным, в то время как дно подушки перемещается вверх по краям. Это фиксирование положения вершины подушки катализатора, т.е. вершины слоя катализатора при работе имеет большое преимущество для многотрубных реакторов, например, где ввод тепла должен быть точно локализован относительно катализатора, как, например, в печи парового реформера, или где уровень жидкой охлаждающей или нагревательной среды снаружи труб должен быть точно локализован относительно катализатора, как, например, в экзотермической реакции, управляемой посредством подъема пара от управляемого уровня кипящей воды, например, в реакциях Фишера-Тропша, в реакциях гидрогенизации или т.п. Кроме того, это имеет дополнительное преимущество устранения, по существу, проблемы выхода из строя труб вследствие отсутствия управления температурой внутри или снаружи заполненной катализатором трубы.

В конце рабочего процесса, подачу химически активного вещества можно переключить на подачу инертного газа или воздуха, как это необходимо, перед или после возврата давления к давлению режима ожидания или закрывания при одновременном обеспечении охлаждения колонны 1. В качестве альтернативного решения, если каталитическая реакция является эндотермической, то подачу тепла к наружной стороне труб можно уменьшить, при одновременном сохранении потока рабочей упругой текучей среды через колонну 1 во время ее охлаждения. Затем скорость потока упругой текучей среды можно уменьшить, за счет чего обеспечивается падение контролируемым образом следящего средства 4 и частиц 5 катализатора, пока средство 4 не остановится снова на буртике 2 (или на удаляемом опорном устройстве, если буртик 2 заменен удаляемым опорным устройством, как указывалось выше, для обеспечения очистки колонны 1 вниз), а частицы катализатора не вернуться плавно в состояние, показанное на фиг. 1, с минимальным повреждением катализатора.

При повторном запуске в режиме потока вверх, катализатор оказывается частично перемешанным. Если колонна 1 является трубой многотрубного реактора, то частицы катализатора снова образуют низкую консистентную плотность упаковки во всех трубах, в то время как мелочь и осколки удаляются потоком газа вверх. Поэтому падение давления в каждой трубе остается, по существу, постоянным в течение срока службы катализатора.

Во время операции охлаждения в конце рабочего процесса в режиме потока вверх, можно увеличить поток газа один или более раз для повторного создания подушки из частиц катализатора на нижней стороне верхнего перфорированного сдерживающего средства 3, после чего поток газа можно снова уменьшить для предотвращения образования во время охлаждения колонны 1 любых «мостиков» из частиц катализатора, которые в противном случаю могут приводить к опасности воздействия разрушающих сил на частицы катализатора со стороны сжимающихся стенок колонны 1 при ее охлаждении.

Можно также прерывать рабочий процесс в режиме потока вверх посредством переключения потока упругой текучей среды на поток инертного газа в случае экзотермической каталитической реакции, или посредством уменьшения скорости подачи тепла к внешней стороне колонны при сохранении потока технологической текучей среды через колонну 1 в случае эндотермической реакции, а затем обеспечения падения частиц катализатора и средства 4 катализатора посредством уменьшения потока инертного газа или технологической текучей среды. Затем газовый поток можно снова вернуть на величину, которая обеспечивает повторное образование подушки из частиц катализатора. В ходе повторного образования подушки из частиц катализатора, любая пыль или осколки катализатора будут иметь тенденцию к прохождению через верхнее перфорированное сдерживающее средство 3, устраняя тем самым потенциаль

- 11 005982 ную причину нежелательного увеличения падения давления в подушке катализатора. После этого инертный газ можно снова переключить на поток вверх химически активной смеси, или же можно увеличить скорость подачи тепла для продолжения рабочего процесса в режиме потока вверх.

Если колонна 1 подлежит использованию в режиме потока вниз, то после формирования подушки из частиц катализатора, как показано на фиг. 2, при желании выполняют любую необходимую предварительную обработку катализатора, уменьшают поток вверх газа или пара, а затем постепенно останавливают его, за счет чего обеспечивается оседание частиц катализатора в состояние, аналогичное показанному на фиг. 1. В этом состоянии катализатор имеет низкую плотность упаковки в слое из частиц катализатора. При работе в режиме с потоком вниз, после достижения колонны 1 рабочей температуры, в частности, если эта рабочая температура превышает 500°С (например, если реакторная труба 1 является трубой в печи парового реформера), она расширяется в радиальном и продольном направлениях, а катализатор, имеющий более низкий коэффициент расширения, будет иметь тенденцию к усадке и падению внутрь колонны 1. Местоположение вершины слоя катализатора в этот момент времени с надежностью не известно. Когда процесс останавливают, то частицы катализатора обычно подвергаются воздействию значительных разрушающих сил. Для устранения этой опасности можно включить поток вверх подходящего, не обязательно предварительно подогретого газа со скоростью, достаточной для подъема частиц катализатора внутри колонны 1, в то время как колонна 1 и катализатор охлаждаются. Это минимизирует дробление частиц катализатора и снова возвращает слой к низкой плотности упаковки, готовой для повторного запуска. Другое преимущество состоит в том, что любая мелочь и осколки удаляются при каждой остановке.

Колонна 1 может быть, например, каталитической трубой в печи парового реформера. Поскольку желательно упаковывать каждую каталитическую трубу катализатором точно тем же образом, так что падение давления в каждой каталитической трубе является, по существу, идентичным соответствующему падению давления для каждой другой каталитической трубы печи реформера, то каталитические трубы можно загружать по очереди с помощью общего способа, указанного выше. В этом случае можно использовать поток вверх газа, такого как воздух, с целью уменьшения скорости падения каталитического материала в виде твердых частиц. Этот поток вверх воздуха можно прикладывать только к загружаемой трубе, посредством закрывания верхних концов всех других труб и подачи воздуха в общее нижнее свободное пространство, или посредством подачи воздуха в нижнюю часть каждой трубы по очереди. Последняя возможность является предпочтительной, поскольку с загруженной трубой можно выполнять другие операции, в то время как другие трубы загружаются.

С целью иллюстрации изобретения ниже приводится описание следующих примеров.

Пример 1.

Стеклянная труба 1, которая имеет длину 2 м и внутренний диаметр 38,1 мм, была установлена вертикально, при этом у ее нижнего конца первоначально расположено следящее средство 4, показанного на фиг. 1-4 типа. Это следящее средство 4 имеет диск 12 диаметром 36 мм. Заряд из 1,84 кг никелевого катализатора (никель на опорных шариках из оксида алюминия с добавлением кальция с номинальным диаметром 6 мм) был аккуратно сброшен в трубу. После загрузки на желаемой высоте было установлено верхнее перфорированное сдерживающее средство 3. Это сдерживающее средство состоит из щелевого сита Джонсона, содержащего проволоку толщиной 1,5 мм с зазором 2 мм. Труба 1 была заполнена не полностью для обеспечения небольшой объемной плотности катализатора во время испытаний. Сжатый воздух вводили через регулятор давления и расходомер потока (не изображены) в дно трубы 1 со скоростью, по меньшей мере, достаточной для подъема катализатора и следящего средства 4 катализатора, так что была образована уплотненная подушка из катализаторных шариков 5 вверху трубы 1 непосредственно под сдерживающим средством 3. Высота каталитического слоя 5 была измерена перед вводом воздуха. Затем поток воздуха уменьшили для обеспечения перемещения следящего средства 4 катализатора обратно вниз к дну трубы 1, а также для обеспечения перемещения шариков катализатора обратно вниз к дну трубы 1. Эту процедуру повторили несколько раз, за счет чего определили данные следующей средней кажущейся объемной плотности в кг/м³. Было установлено, что величина плотности является хорошо воспроизводимой при следующих небольших отклонениях в течение 360 испытаний, во время которых катализатор был удален и заменен после 10, 20 и 120 испытаний.

После загрузки (свободное падение) - 1157 +/-1,0% (по четырем загрузкам).

В поднятом состоянии (потоком воздуха) - 1017 +/-0,5% (внутри любой одной загрузки).

В поднятом состоянии (потоком воздуха) - 1017 +/-1,5% (по всем испытаниям).

В опущенном состоянии (без потока воздуха) - 1000 +/-0,5% (внутри любой одной загрузки).

В опущенном состоянии (без потока воздуха) - 1000+/-1,0% (по всем испытаниям).

Пример 2.

Вес катализатора, используемого в примере 1, проверяли после 10, 20, 120 и 360 испытаний и установили потерю веса 0,38% за 360 испытаний. В отдельных испытаниях в том же устройстве сравнивали сопротивление потоку свежих и изношенных частиц катализатора, использованных в примере 1. При скорости потока воздуха 49,14 Нм³/ч свежие частицы катализатора показывали падение давления 1,21 х 10⁵ Па/м, в то время как при скорости потока воздуха 48,96 Нм³/ч изношенные частицы катализато

- 12 005982 ра после 360 испытаний показывали сопротивление потоку 1,22 х10⁵ Па/м.

Пример 3.

После процедуры примера 1, продолжили испытания с использованием 2,06 кг никеля на опорных шариках из α-оксида алюминия с номинальным диаметром 6 мм фирмы Эуса1, тип 54/98. Этот опорный материал для катализатора является намного более хрупким, чем используемый в примерах 1 и 2, при этом его прочность на раздавливание составляет лишь около 25% прочности на раздавливание катализатора, используемого в примерах 1 и 2. Вес катализатора проверяли после 10, 60, 150, 300 и 390 испытаний, и была установлена общая потеря веса 7,0% за 390 испытаний. Во время этих испытаний обломки катализатора, представленные этой потерей веса, были видимым образом удалены из слоя потоком газа в виде пыли. Величина потери веса в каждой группе испытаний уменьшалась следующим образом в процентах средней потери веса за один цикл подъема и падения: 0,085, 0,042, 0,026, 0,010, 0,009.

Пример 4.

В отдельных испытаниях, проведенных в том же устройстве, которое было использовано в примерах 1-3, сравнивали сопротивление потоку свежих и изношенных частиц катализатора после 390 испытаний. При скорости потока воздуха 49,67 Нм³/ч свежие частицы катализатора показывали падение давления 1,15х 10⁵ Па/м, в то время как при скорости потока воздуха 49,77 Нм³/ч изношенные частицы катализатора показали падение давления 1,32х10⁵ Па/м. Увеличение падения давления можно отнести в основном на счет уменьшения пустотности (измеренное как 0,462 для свежего катализатора и 0,449 для изношенного катализатора) и уменьшения размера изношенных частиц (что оценивалось эквивалентным уменьшением диаметра по сравнению со свежими частицами катализатора на 2%). Этот пример демонстрирует, что, поскольку процесс, по существу, удаляет мелочь, образующуюся в результате износа частиц, процесс обеспечивает удерживание падения давления при работе таким низким, как это можно практически ожидать.

Claims (34)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для обеспечения контакта упругой текучей среды с веществом в виде твердых частиц, содержащее реактор, представляющий собой по меньшей мере одну вертикальную колонну для загрузки вещества в виде твердых частиц, перегородку, установленную на верхнем конце колонны и являющуюся проницаемой для текучей среды, но выполненную с возможностью сдерживания твердых частиц в закрытой зоне, и средство, поддерживающее твердые частицы, установленное с возможностью перемещения вверх от нижнего конца колонны под действием направленного вверх потока упругой текучей среды.
2. 2. Устройство по п.1, содержащее несколько колонн, соединенных параллельно.
3. 3. Устройство по любому из пп.1 или 2, в котором по меньшей мере часть колонны имеет, по существу, постоянное горизонтальное сечение.
4. 4. Устройство по п.3, в котором по меньшей мере часть колонны образована трубой, по существу, с круглым поперечным сечением.
5. 5. Устройство по п.4, в котором по меньшей мере часть колонны образована трубой, имеющей внутренний диаметр около 6 дюймов (около 15,2 см) или менее.
6. 6. Устройство по любому из пп.4 или 5, в котором по меньшей мере часть колонны образует трубу, имеющую внутренний диаметр около 2 дюймов (около 5,08 см) или менее.
7. 7. Устройство по любому из пп.1-6, в котором средство, поддерживающее твердые частицы, расположено с возможностью блокирования прохождения упругой текучей среды вверх или вниз закрытой зоны за исключением зазора между внутренней поверхностью трубы и средством, поддерживающим твердые частицы, при этом зазор имеет ширину меньше наименьшего размера не раздробленной частицы твердого вещества.
8. 8. Устройство по п.7, в котором средство, поддерживающее твердые частицы, содержит закрытую нижнюю концевую часть для задания зазора и верхнюю часть, снабженную средством для прохода упругой текучей среды.
9. 9. Устройство по любому из пп.1-8, в котором средство для пропускания упругой текучей среды выполнено в виде нескольких, по существу, концентрических колец, расположенных на расстоянии друг от друга, при этом зазор между смежными кольцами меньше наименьшего размера не раздробленной частицы твердого вещества.
10. 10. Устройство по любому из пп.1-9, в котором колонна вмещает несколько типов твердых частиц, при этом каждый тип отделен от смежного типа с помощью соответствующего средства, поддерживающего твердые частицы.
11. 11. Устройство по любому из пп.1-10, в котором вещество в виде твердых частиц является катализатором, используемым для катализа химической реакции, дополнительно содержащим средство для пропускания упругой текучей среды, содержащей исходную реакционную смесь, способную обеспечивать желаемую химическую реакцию в режиме потока вверх через закрытую зону, и средство для под

    - 13 005982 держивания в колонне рабочих условий, эффективных для выполнения желаемой химической реакции.
12. 12. Устройство по любому из пп.1-10, в котором вещество в виде твердых частиц является катализатором, используемым для катализа химической реакции, дополнительно содержащим средство для пропускания упругой текучей среды, содержащей исходную реакционную смесь, способную обеспечивать желаемую химическую реакцию в режиме потока вниз через закрытую зону, и средство для поддержания в колонне рабочих условий, полезных для выполнения желаемой химической реакции.
13. 13. Способ для осуществления контакта текучей среды с веществом в виде твердых частиц, при этом способ содержит стадии направления потока упругой текучей среды вверх через закрытую зону со скоростью, которая является достаточной для подъема твердых частиц вверх в направлении верхнего конца колонны и образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства и которая превышает пороговую скорость для перемещения средства, поддерживающего твердые частицы, вверх, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц.
14. 14. Способ по любому из п.1-13, в котором после первоначальной загрузки твердых частиц на стадии измерения измеряют падение давления в закрытой зоне.
15. 15. Способ по п.14, в котором твердые частицы добавляют или удаляют из закрытой зоны, если измеренное падение давления не соответствует заданной величине.
16. 16. Способ по любому из п.1-13, в котором после первоначальной загрузки твердых частиц на стадии измерения измеряют устоявшийся объем твердых частиц в закрытой зоне.
17. 17. Способ по п.16, в котором твердые частицы добавляют или удаляют из закрытой зоны, если устоявшийся объем твердых частиц в закрытой зоне не соответствует заданной величине.
18. 18. Способ по любому из пп.14-17, в котором после первоначальной загрузки твердых частиц, но перед стадией измерения направляют поток вверх упругой текучей среды через закрытую зону со скоростью, превышающей пороговую скорость, для вызывания образования твердыми частицами подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства и для вызывания подъема вверх следящего средства по закрытой зоне, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц, и после этого уменьшают или прерывают поток вверх упругой текучей среды для обеспечения образования устоявшегося слоя твердых частиц.
19. 19. Способ по любому из пп.13-18, в котором вещество в виде твердых частиц является катализатором, используемым для катализа желаемой химической реакции, и в котором упругая текучая среда, содержащая исходную реакционную смесь, способную обеспечивать желаемую химическую реакцию, пропускается в режиме потока вверх через закрытую зону, в то время как в закрытой зоне поддерживают рабочие условия, полезные для выполнения желаемой химической реакции.
20. 20. Способ по любому из пп.13-18, в котором вещество в виде твердых частиц является катализатором, используемым для катализа желаемой химической реакции, и в котором упругая текучая среда, содержащая исходную реакционную смесь, способную обеспечивать желаемую химическую реакцию, пропускается в режиме потока вниз через закрытую зону, в то время как в закрытой зоне поддерживают рабочие условия, способствующие выполнению желаемой химической реакции.
21. 21. Способ по любому из пп.19 или 20, в котором закрытая зона и твердые частицы подвергаются воздействию температуры по меньшей мере около 500°С.
22. 22. Способ по п.21, в котором катализируемая химическая реакция является реакцией частичного окисления, причем упругая текучая среда содержит исходную реакционную смесь для частичного окисления, при этом вещество в виде твердых частиц является катализатором частичного окисления, и температуру закрытой зоны и катализатора частичного окисления поддерживают с помощью реакции частичного окисления.
23. 23. Способ по п.21, в котором катализируемая химическая реакция является реакцией парового реформинга, причем упругая текучая среда содержит исходную реакционную смесь парового реформинга, при этом вещество в виде твердых частиц является катализатором парового реформинга, и температуру закрытой зоны и катализатора парового реформинга поддерживают с помощью горячих газов сгорания вне закрытой зоны.
24. 24. Способ загрузки твердых частиц в устройстве по пп.1-12, содержащий стадии загрузки заданного заряда твердых частиц в закрытую зону на вершину следящего средства, при этом установившийся объем твердых частиц меньше объема закрытой зоны, установки на верхнем конце закрытой зоны верхнего сдерживающего средства, проницаемого для текучей среды, но выполненного с возможностью сдерживания частиц твердого вещества в закрытой зоне, и направления потока упругой текучей среды вверх через закрытую зону со скоростью, которая является достаточной для подъема твердых частиц вверх в направлении верхнего конца закрытой зоны и образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства и которая превышает пороговую скорость для перемещения следящего средства вверх, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц.
25. 25. Способ по п.24, в котором твердые частицы имеют по меньшей мере один размер менее около 10 мм.

    - 14 005982
26. 26. Способ по любому из пп.24 и 25, в котором твердые частицы являются, по существу, сферическими по форме.
27. 27. Способ по любому из пп.24-26, в котором твердые частицы содержат катализатор.
28. 28. Способ по любому из пп.24-27, в котором дополнительно измеряют устоявшийся объем твердых частиц в закрытой зоне.
29. 29. Способ по п.28, в котором твердые частицы добавляют или удаляют из закрытой зоны, если устоявшийся объем твердых частиц в закрытой зоне не соответствует заданной величине.
30. 30. Способ по любому из пп.24-29, в котором способ включает дополнительные стадии измерения на стадии измерения падения давления в закрытой зоне и сравнения измеренного падения давления с заданной величиной.
31. 31. Способ по п.30, в котором твердые частицы добавляют или удаляют из закрытой зоны, если измеренное падение давления не соответствует заданной величине, после чего снова измеряют падение давления.
32. 32. Способ по любому из пп.29-31, в котором после первоначальной загрузки твердых частиц, но перед стадией измерения направляют поток вверх упругой текучей среды через закрытую зону со скоростью, превышающей пороговую скорость, для вызывания образования твердыми частицами подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства и для вызывания подъема вверх следящего средства по закрытой зоне, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц, и после этого уменьшают или прерывают поток вверх упругой текучей среды для обеспечения образования устоявшегося слоя твердых частиц.
33. 33. Способ по любому из пп.24-32, в котором указанное вещество в виде твердых частиц выбрано из материала, являющегося катализатором частичного окисления и катализатором парового реформинга.
34. 34. Способ по любому из пп.24-33, в котором на стадии направления потока упругой текучей среды вверх через закрытую зону со скоростью, которая является достаточной для подъема твердых частиц вверх в направлении верхнего конца закрытой зоны и образования подушки из твердых частиц на нижней стороне верхнего сдерживающего средства и которая превышает пороговую скорость для перемещения следящего средства вверх, пока оно не упрется в нижнюю сторону подушки из твердых частиц, поток вверх упругой текучей среды поддерживают в течение времени и со скоростью, достаточными для обеспечения прохождения через верхнее сдерживающее средство, по существу, всех частиц, которые меньше заданного размера частиц и являются достаточно мелкими для прохождения через верхнее сдерживающее средство.