NL8102816A

NL8102816A - GAS BAG DISTRIBUTOR FOR AN UPWARD REACTOR.

Info

Publication number: NL8102816A
Application number: NL8102816A
Authority: NL
Original assignee: Chevron Res
Priority date: 1980-06-19
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1982-01-18
Also published as: AU537031B2; DE3123695C2; GB2078537A; AU7048581A; FR2484864A1; CA1177385A; DE3123695A1; GB2078537B; FR2484864B1

Description

* ' ' 1 ET.0.30.144* '' 1 ET. 0.30.144

Yerdeler met gas-zak voor een reactor met opwaartse stroomYerdeler with gas bag for an upstream reactor

De uitvinding heeft betrekking op een verdeler voor een reactor-voeding die kan worden gebruikt in reactor met opwaartse stroom voor voedingsstromen met een gemengde fase. De verdeler is in het bijzonder bruikbaar bij katalytische reactorsi voor het vloeibaar 5 maken van kool die voedingen, bestaande uit gassen, vloeistoffen en vaste stoffen, kunnen bevatten.The invention relates to a reactor feed divider which can be used in an upflow reactor for mixed phase feed streams. The divider is particularly useful in coal liquefaction catalytic reactors which may contain feeds consisting of gases, liquids and solids.

Yoor vele processen is een reactor met opwaartse stroom beter dan de meer gebruikelijke reactoren met neerwaartse stroom. Dit geldt in het bijzonder in die situaties waarin een vloeibare voeding ook 10 vaste stoffen bevat omdat de vaste stoffen de neiging hebben om samen te pakken en hindernissen te vormen bij de werkwijze met neerwaartse stroom. De problemen worden verder versterkt als de voedings-stroom zowel bestaat uit gassen als vaste stoffen en vloeistoffen.For many processes, an upstream reactor is better than the more common downstream reactors. This is especially true in those situations where a liquid feed also contains solids because the solids tend to pack and form obstacles in the downflow process. The problems are further exacerbated if the feed stream consists of gases as well as solids and liquids.

Reactoren met opwaartse stroom worden gewoonlijk gebruikt in 15 systemen voor het vloeibaar maken van kool zoals het vloeihaarmakings-proces beschreven in het Amerikaanse octrooischrift nummer 4.083.7^9· Zoals daarin beschreven worden waterstof, gemalen kool en oplosmiddel voorverhit en gevoerd naar een oplosser waarin de kool in hoofdzaak wordt opgelost bij een temperatuur van 399°-492°C en bij een 20 druk van 217 kg/cm -350 kg/em . De oplosser is een leeg reactievat met opwaartse stroom welke voldoende verblijftijd verschaft voor het oplossen van de gemalen kooldeeltjes. Oplosmiddel, opgeloste kool, koolresiduen en waterstof worden vanuit de oplosser geleid naar een katalytische hydrogeneerreactor met opwaartse stroom die werkt bij 25 een temperatuur die 13»9°-83,3°G lager is dan de temperatuur in de oplosser.Upstream reactors are commonly used in coal liquefaction systems such as the liquefaction process described in U.S. Patent No. 4,083.7 ^ 9. As described therein, hydrogen, ground carbon and solvent are preheated and fed to a dissolver in which the coal is essentially dissolved at a temperature of 399 ° -492 ° C and at a pressure of 217 kg / cm -350 kg / em. The dissolver is an empty upstream reaction vessel which provides sufficient residence time to dissolve the ground carbon particles. Solvent, dissolved carbon, carbon residues, and hydrogen are passed from the dissolver to an upstream catalytic hydrogenation reactor operating at a temperature that is 13-9 ° -83.3 ° G lower than the temperature in the dissolver.

Omdat de waterstof wordt gemengd met de koolsuspensie voor de voorverhittingsstap ter vermijding van verkooksing in de verhitter, wordt weinig of geen controle uitgeoefend met betrekking tot de mate 30 van menging van vloeistof en gas die optreedt in de oplosser of ka-, talytische reactor. Bij een uit meerdere fasen bestaande stroom kan in deze eenheden kanaalvorming van gas en/of gasstoten plaatsvinden.Since the hydrogen is mixed with the carbon slurry for the preheating step to avoid coking in the heater, little or no control is exercised with regard to the degree of mixing of liquid and gas that occurs in the dissolver or catalytic reactor. In a multi-phase flow, gas and / or gas bursting may occur in these units.

De aanwezigheid van elke omstandigheid is ongewenst', omdat beide tot gevolg hebben dat de reagerende bestanddelen niet goed met elkaar 35 ia aanraking zijn terwijl het stoten ook trillingen, die de inrichting beschadigen kunnen opwekken. Yerder kan het niet goed mengen van waterstof leiden tot verkooksing van de reagerende bestanddelen en falen van de inrichting onder de beschreven werkwijze-omstandig- „ 8102816 2 heden.The presence of any circumstance is undesirable because both result in the reactants not being in good contact with each other while impacts may also generate vibrations that damage the device. Rather, improper mixing of hydrogen can lead to coking of the reacting components and failure of the device under the described process conditions.

Het is dus duidelijk dat er behoefte bestaat aan een verdeler die voedingsstromen zal accepteren bestaande uit vloeistoffen, gassen en vaste stoffen en die de fasen gelijkmatig verdeelt zonder verstop-5 ping of het ontstaan van ongewenste erosie.It is therefore clear that there is a need for a distributor that will accept feed streams consisting of liquids, gases and solids and that will evenly distribute the phases without clogging or creating unwanted erosion.

Hoewel talrijke verdelers voor een gemengde fase bekend zijn, zoals die beschreven in de Amerikaanse octrooischriften nummers 5.524.731, 4.III.663, 3-146.189, 3.195.987 en 4.187.169 blijft er behoefte bestaan aan een effici’énte en economische oplossing van het 10 probleem.While numerous mixed phase distributors are known, such as those disclosed in U.S. Patent Nos. 5,524,731, 4III,663, 3-146,189, 3,195,987, and 4,187,169, there remains a need for efficient and economical solution of the 10 problem.

Volgens de uitvinding wordt een verdeler verschaft voor een reactorvat met opwaartse stroming die wordt gevoed met een gasvloeistof of gas-vloeistof-vaste stof dat een voedingsinlaatpoort in het onderste gedeelte daarvan bezit en een uitlaatpoort voor af-15 vloeiende vloeistof in het bovenste gedeelte daarvan. De verdeler bestaat uit een in hoofdzaak horizontaal geplaatste plaat die in het vat is gemonteerd tussen de inlaat- en uitlaatpoorten. De plaat bezit een aantal gaten die zich daardoorheen uitstrekken en ten minste een zich in benedenwaartse richting uitstrekkende buis die in open 20 verbinding staat met de ruimte van het reactorvat onder de genoemde plaat en in open verbinding met de ruimte van het reactorvat boven deze plaat. De dwarsdoorsnede-oppervlakte van de plaatperforaties en de dwarsdoorsnede-oppervlakte en lengte van de buis zijn zodanig dat onder evenwichtige voedingsomstandigheden een gas-zak wordt ge-25 vormd onder de plaat die een hoogte heeft die kleiner is dan of gelijk aan de lengte van de buis. Hoofdzakelijk al het, dat wil zeggen ten minste 75 % en bij voorkeur meer dan 95 % van het voedingsgaa zal door de gaten in de plaat lopen terwijl in hoofdzaak alle, dat wil zeggen ten minste 75 % en bij voorkeur meer dan 95 % van de voe-30 dingsvloeistof of voedingsvloeistof en vaste stoffen door de buis zal lopen.In accordance with the invention, there is provided a divider for an upflow reactor vessel which is fed with a gas liquid or gas liquid solid which has a feed inlet port in the lower portion thereof and an outflow port for liquid outlet in the upper portion thereof. The distributor consists of a substantially horizontally positioned plate mounted in the vessel between the inlet and outlet ports. The plate has a plurality of holes extending therethrough and at least one downwardly extending tube in open communication with the space of the reactor vessel below said plate and in open communication with the space of the reactor vessel above this plate. The cross-sectional area of the plate perforations and the cross-sectional area and length of the tube are such that under balanced feeding conditions a gas bag is formed under the plate having a height less than or equal to the length of the tube. Substantially all, i.e. at least 75%, and preferably more than 95%, of the feed will pass through the holes in the plate while substantially all, i.e. at least 75%, and preferably more than 95%, of the feed will pass through the holes in the plate. feed liquid or feed liquid and solids will pass through the tube.

De verdeler volgens de uitvinding wordt bij voorkeur gebruikt in een reactor die een vast of bewegend bed van uit deeltjes bestaande katalysator bevat voor het gelijkmatig verdelen van het gas en 35 de vloeistof of het gas, de vloeistof en de vaste stoffen door het katalysatorbed. De verdeler kan echter met voordeel worden gebruikt in niet-katalytische vaten zoals oplossers voor het zorgen van een goed contact van het waterstofgas met de vloeistoffen en vaste stoffen ter voorkoming van verkooksing in het vat.The distributor according to the invention is preferably used in a reactor containing a fixed or moving bed of particulate catalyst to evenly distribute the gas and the liquid or gas, liquid and solids through the catalyst bed. However, the divider can be used advantageously in non-catalytic vessels such as dissolvers to ensure good contact of the hydrogen gas with the liquids and solids to prevent coking in the vessel.

40 Bij voorkeur zijn ook middelen aangebracht voor het voorkomen 81 02 8 1 6 4.Preferably means are also provided for the prevention 81 02 8 1 6 4.

3 van de directe verticale doorgang van voedingsgasbellen in het ondereinde van de huis. Als de verdeler wordt gebruikt in een katalytisch reactievat, moet de verdeler ver genoeg onder het laagste niveau van de katalysator zijn geplaatst zodat tongvorming van gas-5 sen die optreedt in het geheel binnen de vloeistofruimte direct onder de katalysator zal liggen. Hoewel een enkele verdeler in sommige reactoren voldoende kan zijn, zullen in de praktijk meerdere verdelers verticaal op afstand van elkaar in een reactor zijn aangebracht.; 10 Verder is de verdeler volgens de uitvinding in het bijzonder geschikt voor het plotseling afkoelen van gas of voor het onttrekken van gas.3 of the direct vertical passage of feed gas bubbles in the lower end of the housing. When the manifold is used in a catalytic reaction vessel, the manifold must be placed far enough below the lowest level of the catalyst that gassing of gas-5 which occurs throughout the liquid space will lie directly below the catalyst. While a single distributor may be sufficient in some reactors, in practice, multiple distributors will be vertically spaced in a reactor. Furthermore, the distributor according to the invention is particularly suitable for the sudden cooling of gas or for the extraction of gas.

De uitvinding zal thans nader worden uiteengezet aan de hand van de tekening waarin bij wijze van voorbeeld enige uitvoerings-15 vormen van een reactievat volgens de uitvinding is weergegeven.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, which shows, by way of example, some embodiments of a reaction vessel according to the invention.

Pig. 1 geeft een katalytische reactor met een opwaartse stroom en een vast bed weer met een enkele verdeler.Pig. 1 depicts an upstream flow fixed bed catalytic reactor with a single manifold.

Eig. 2 geeft een katalytische reactor met een opwaartse stroom en een vast bed weer met meerdere verdelers bestemd voor het inspui-20 ten van gas tussen de verdelers.Owner. 2 depicts an upstream, fixed-bed catalytic reactor with multiple manifolds for injecting gas between the manifolds.

In fig. 1 is een verticaal geplaatst reactievat 10 weergegeven met een onderste voedingsinlaatpoort 20 en een uitlaatpoort 30 voor afvloeiende vloeistof. Een vast bed van uit por^euze vaste deeltjes bestaande katalysator 40 wordt in het vat gehouden tussen een onder-25 ste steunrooster 50, dat aan de binnenwand van het vat 10 is bevestigd en, indien gewenst, een katalysator vasthoudend scherm 60, dat ook is bevestigd aan de binnenwand van het vat.In Fig. 1, a vertically positioned reaction vessel 10 is shown with a bottom feed inlet port 20 and a liquid drain outlet 30. A fixed bed of porous solids catalyst 40 is held in the vessel between a bottom support grid 50 attached to the inner wall of the vessel 10 and, if desired, a catalyst holding screen 60, which is also is attached to the inner wall of the vessel.

De verdeler volgens de uitvinding, die in zijn algemeenheid is aangegeven door het verwijzingsgetal 70, is bevestigd aan de binnen-30 wand van het vat 10, tussen de inlaatpoort 20 en het de katalysator ondersteunend rooster 50. De verdeler kan op elke gebruikelijke wijze zijn bevestigd aan de vatwand, zoals door lassen of schroeven.The distributor according to the invention, generally indicated by the reference numeral 70, is attached to the inner wall of the vessel 10, between the inlet port 20 and the catalyst supporting grid 50. The distributor may be in any conventional manner attached to the vessel wall, such as by welding or screwing.

De verdeler 70 bestaat uit een plaat 80 die zich uitstrekt over de volledige dwarsdoorsnede van het vat 10. De plaat bezit een 35 aantal perforaties of gaten 90 die zich daardoorheen uitstrekken.The divider 70 consists of a plate 80 extending over the full cross-section of the vessel 10. The plate has a plurality of perforations or holes 90 extending therethrough.

Bij voorkeur zijn de perforaties gelijkmatig verdeeld over de gehele dwarsdoorsnede van de plaat met ongeveer 20-250 of bij voorkeur ongeveer 40-250 perforaties per vierkante meter. Een buis 100 met open einde is op gebruikelijke wijze bevestigd aan de plaat 80 en strekt 40 zich naar beneden toe uit vanaf een centrale opening in deze plaat.Preferably, the perforations are evenly distributed over the entire cross section of the sheet with about 20-250 or preferably about 40-250 perforations per square meter. An open-ended tube 100 is conventionally attached to the plate 80 and extends 40 downwardly from a central opening in this plate.

81 02 8 1 681 02 8 1 6

VV

44

Hoewel een enkele buis is weergegeven in de tekening, kunnen tinnen het kader van de uitvinding meer dan een huis zijn aangebracht als : dit nodig is met het oog op de voedingsomstandigheden of de afmeting , van de reactor. Bij voorkeur zullen ongeveer 10 of 20 buizen per 5 vierkante meter plaatoppervlak worden gebruikt.Although a single tube is shown in the drawing, more than one housing may be provided within the scope of the invention if this is necessary in view of the reactor feed conditions or size. Preferably, about 10 or 20 tubes per 5 square meters of sheet surface will be used.

Een kap 110 is aangebracht aan het ondereinde van de buis 100 om te voorkomen dat gassen in de voeding direct naar boven toe door de buis zullen lopen. Hoewel de weergegeven kap 110 op gebruikelijke wijze is bevestigd aan het einde van de buis 100 via een terlenging 10 120, kan deze zijn vervangen door een gelijkwaardig keerschot beves tigd aan de vatwand. Het is ook mogelijk om de inlaatpoort vanaf het einde van de buis 100 zodanig te verplaatsen dat het probleem wordt vermeden. In het geval dat een kap wordt gebruikt, zoals weergegeven in de tekening, verdient het de voorkeur dat deze ongeveer 20 % bre-15 der is dan de buisdiameter. Als meerdere verdelers in een vat worden gebruikt, kunnen de bovenste verdelers geen kap nodig hebben om te voorkomen dat een aanzienlijk deel van het gas de buis binnenstroomt. Tijdens het in bedrijf zijn wordt een voedingsstroom met gemengde fase, bij voorkeur bestaande uit vloeistof, gas en vaste bestand-20 delen, zoals kan worden geleid in een oplosser of katalytische reactor van een eenheid voor het vloeibaar maken van kool, in de bodem in- van het vat 10 gepompt of ap andere wijze vgebracht via de inlaatpoort 20.A cap 110 is provided at the lower end of the tube 100 to prevent gases in the feed from flowing directly up through the tube. Although the cap 110 shown is conventionally attached to the end of the tube 100 through a length 120, it may be replaced by an equivalent baffle mounted to the vessel wall. It is also possible to move the inlet port from the end of the tube 100 to avoid the problem. In case a cap is used, as shown in the drawing, it is preferable that it is about 20% wider than the pipe diameter. If multiple manifolds are used in a vessel, the top manifolds may not require a cap to prevent a significant portion of the gas from entering the tube. During operation, a mixed phase feed stream, preferably consisting of liquid, gas and solid components, such as can be fed into a dissolver or catalytic reactor from a coal liquefaction unit, is introduced into the soil in - pumped from the vessel 10 or otherwise passed through the inlet port 20.

Volgens de uitvinding is de verdeler voor de voedingsomstandig-25 heden zodanig ontworpen dat een gas-zak, of dampruimte 130, met een hoogte h, die in hoofdzaak gelijk is aan of kleiner dan de lengte van de buis 100 die zich onder de plaat uitstrekt, gevormd onder stabiele omstandigheden terwijl in hoofdzaak alle, dat wil zeggen ten minste 75 %> gas en damp-bestanddelen van de voeding door gaten 30 90 stromen en in hoofdzaak alle vloeistof- en vaste bestanddelen van de voeding door de buis 100 stromen.According to the invention, the power condition divider is designed such that a gas bag, or vapor space 130, with a height h substantially equal to or less than the length of the tube 100 extending below the plate , formed under stable conditions with substantially all, that is, at least 75%, gas and vapor components of the feed flow through holes 90 and substantially all liquid and solid components of the feed flow through the tube 100.

Opgemerkt wordt dat de vereiste stromingsbaan van de gassen en vloeistoffen tot stand zal worden gebracht als de drukval van de dampstroom door de gaten 90 in evenwicht is met de drukval van de 35 istroom van vloeistoffen en vaste stoffen door de buis 100 plus het jstatisch drukverschil tussen de vloeistoffen en vaste stoffen met I de hoogte h en de gas-zak, dat wil zeggen de statische druk van de vloeistoffen en vaste stoffen door de buis.It is noted that the required flow path of the gases and liquids will be established if the pressure drop of the vapor flow through the holes 90 is in equilibrium with the pressure drop of the flow of liquids and solids through the tube 100 plus the static pressure difference between the liquids and solids with height H and the gas bag, i.e. the static pressure of the liquids and solids through the tube.

||

De drukval tengevolge van de gasstroom door een geperforeerde 40 |plaat kan worden voorspeld door de gaatjesvergelijking. Als de druk- 81 02 8 1 6 5 ; val van de vloeistof en vaste deeltjes in de buis verwaarloosbaar is, kan de gasdrukval eenvoudig in evenwicht worden gebracht ten : opzichte van het statisch drukverschil, gelijk aan (p.-p )h, waarin : de dichtheid van de stroom van vloeistof en vaste stoffen in de 5 : buis is en de gasïiehtheid.The pressure drop due to the gas flow through a perforated 40 | plate can be predicted by the hole equation. If the pressure 81 02 8 1 6 5; drop of the liquid and solid particles in the pipe is negligible, the gas pressure drop can be easily balanced with respect to the static pressure difference, equal to (p.-p) h, where: the density of the flow of liquid and solid substances in the 5: tube and the gas tightness.

Bij voorkeur is de verdeler ontworpen met een minimale waarde voor h van ongeveer 5-10 cm. Bij voorkeur moet h worden ingesteld op ongeveer 10-20 cm en een buislengte worden gekozen van ongeveer 20 cm. Deze waarden zuilen een aanzienlijke variatie in dampsnelhe-10 den en daardoor gas-zakhoogten mogelijk maken. Bij de stroomsnelheden waarop de inrichting is gebaseerd zullen deze waarden er ook voor zorgen dat het ondereinde van de buis in hoofdzaak gelijk ligt met of ligt onder het vloeistofoppervlak ter voorkoming van het binnenstromen van een aanzienlijke hoeveelheid gas uit de buis bij 15 verstoringen van de vloeistofoppervlakte.Preferably, the divider is designed with a minimum value for h of about 5-10 cm. Preferably, h should be set at about 10-20 cm and a tube length of about 20 cm selected. These values will allow for considerable variation in vapor velocities and thereby allow gas pocket heights. At the flow rates on which the device is based, these values will also cause the lower end of the tube to be substantially flush with or below the liquid surface to prevent a significant amount of gas from flowing out of the tube upon disturbances of the liquid surface .

Het bovenoppervlak van de horizontaal geperforeerde plaat moet bij voorkeur ongeveer 3-10 cm onder het onderste rooster 50 liggen, in afhankelijkheid van de groei van de gasbellen.The top surface of the horizontally perforated sheet should preferably be about 3-10 cm below the bottom grid 50, depending on the growth of the gas bubbles.

Hoewel de voorkeursuitvoeringsvorm in het bijzonder is beschre-20 ven· aan de hand van voedingen voor eenheden voor het vloeibaar maken van kool, zal het duidelijk zijn dat de verdeler volgens de uitvinding kan worden toegepast in elk systeem met gas-vloeistof of gas-vastestof-vloeistof voedingen. Yerder behoeft, als de eenheid wordt gebruikt als inrichting voor het plotseling afkoelen van gas, alleen 25 maar te worden ingespoten onder de plaat 80 voor een gelijkmatige totale verdeling.While the preferred embodiment has been described in particular with reference to coal liquefaction units, it will be appreciated that the distributor of the invention may be used in any gas-liquid or gas-solid system liquid power supplies. Rather, when the unit is used as a gas sudden cooling device, it only needs to be injected under the plate 80 for an even overall distribution.

Big. 2 geeft de inrichting volgens de uitvinding weer met meer-dere verdelers en meerdere katalysatorbedden 40· De katalysator-bedden 40 zijn op kleinere schaal getekend om de verdeler meer ge-30 detailleerd weer te geven. Koelgas, zoals terugvoergas dat waterstof bevat voor een werkwijze voor het katalytisch vloeibaar maken van gas, wordt via poorten 150, in dampruimten 130 toegevoegd. Poorten ;150 kunnen ook worden gebruikt voor het onttrekken van gas uit de dampruimten 130. Indien gewenst kan de buis 100 zich uitstrekken in 35 hetibovenste gedeelte van de katalysatorbedden 40» waarbij bij voorkeur de katalysator in de buis zich in hoofdzaak op gelijke hoogte I bevindt als de rest van het katalysatorbed. Ook kan de gas-zak een deel van de katalysator bevatten, indien dit gewenst is.Big. 2 shows the device according to the invention with multiple dividers and multiple catalyst beds 40 · The catalyst beds 40 are drawn on a smaller scale to show the distributor in more detail. Coolant gas, such as recycle gas containing hydrogen for a catalytic liquefaction process, is added through ports 150, in vapor spaces 130. Ports 150 may also be used to extract gas from the vapor spaces 130. If desired, the tube 100 may extend into the upper portion of the catalyst beds 40, preferably the catalyst in the tube being substantially equal in height. like the rest of the catalyst bed. The gas bag may also contain part of the catalyst, if desired.

,, 81 02 8 1 6,, 81 02 8 1 6

Claims

Reaction vessel according to claim 1, characterized in that it further comprises means for preventing the direct vertical passage of feed gas bubbles in said tube.

Reaction vessel according to claim 1, characterized in that the vessel contains a number of dividers vertically spaced apart within the reaction vessel. Reaction vessel according to claim 4, characterized in that the reaction vessel further comprises at least one particulate bed of solids positioned below the effluent outlet means and above one of the distributor plates.

Reaction vessel according to claim 4, characterized in that this vessel further contains means for preventing the direct vertical passage of gas bubbles in said tubes.

Reaction vessel according to claims 1,2, 3, 4> 5 or 6, characterized in that the reaction vessel further comprises means for passing gas into one or more of said gas bags. 81 02 8 1 6

Reaction vessel according to claims 1, 2, 3 »4» 5 »6 or 7», characterized in that the reaction vessel further comprises means for extracting gas from one or more of said gas bags. Reaction vessel according to claims 1, 2, 3 »4> 5» 6, 7 or 8, characterized in that said horizontally placed plate is fixedly mounted in the vessel. 81 02 8 1 6