气体和液体的并流向下流动的固定床反应器的过滤盘

发明领域

本发明涉及旨在向以气体和液体并流向下流动模式运行的化学反 应器供应气体和液体的分配盘的领域。

此类反应器在炼油领域中会遇到，更具体地说在各种油馏分的选择 加氢中，和更一般在对于重质液体原料需要高压氢气流的加氢处理中会 遇到，该原料含有由堵塞(plugging)固体颗粒构成的杂质。

在一些情况下，液体原料含有杂质，该杂质会沉积在催化床本身上 并且随着时间的推移会减少该催化床的间隙体积。

可以列举的堵塞(plugging)原料包括含有3到50个碳原子，优选5 到30个碳原子的烃类的混合物，它可以含有不可忽略比例的不饱和或 多不饱和的炔烃或二烯类化合物或这些各种化合物的组合，不饱和化合 物的总比例可能在原料中高达90wt％。与本发明相关的原料的代表性例 子是裂解汽油，“裂解”表示本领域技术人员熟知的热裂化过程。

该类型的方法和相应产品的叙述能够在P Wuithier写的标题为 “Raffinage et Genie Chimique”[Refining and Chemical Engineering]， Editions Technip，第708页中见到。

本发明可以限制堵塞颗粒在催化床中的沉积。

因此有助于该床在对于空隙率和因此流动质量方面保持均匀，并且 还可以限制压降的增加。

当在催化床中出现堵塞时，观察到在经过反应器的流动的压降非常 快速地提高。

压降可以变得使得操作员不得不关掉反应器和替换全部或一部分 的催化剂，这显然会极大地缩短该方法的运转时间。

催化床的一部分的阻塞归因于多个机理。

直接地，在原料流中颗粒物的存在可以因为该颗粒在催化床中的沉 积而引起阻塞，这一沉积有效地减少空隙率。

间接地，来自化学反应的产物层的形成，典型地发生焦化，但是可 能地来自原料中存在的杂质的其它固体产物，该固体产物沉积在催化剂 颗粒的表面上，也有助于减少该床的空隙率。

此外，堵塞颗粒可以以或多或少无规的方式被沉积在床中并且导致 该床的空隙率分布的不均匀性，进而导致优先通道的产生。

这些优先通道从流体动力学观点分析是主要的问题，因为它们实质 上干扰在床中各相的流动的均匀性并且引起化学反应的进展的不均匀 性，以及热问题。

现有技术

美国专利US-A-3702238提出一种装有已校准的破裂盘片 (breakage disks)的管道系统，该盘片旨在当催化床被堵塞时用来使试 剂的流股的一部分偏转。压力的提高使破裂盘片裂开并允许原料流过该 管道，

使通过该管道的流股的一部分偏转的瞬时效应是压降的大大减少。 管道的入口位于分配盘的上游或下游，但是没有提供系统来以控制的或 独立的方式使液体流和气体流发生偏转。

在这种情况下没有提供再分配设备以便在管道的出口使流股均匀 化。这一设备还有对突然的压力变化敏感的缺点。

US-A-3607000和FR-A-7513027提出由滤篮组成的系统，该滤网被 放置在催化床的上游或顶部以收集由试剂的流股所运输的杂质。在这种 情况下，该床的不可忽略的体积被所述滤篮占据，它实际上无法防止位 于滤篮之间的床部分的沾污。此外，对于气体/液体流应用，该系统不能 控制在滤篮和滤篮下游之间的气体/液体流的均匀分布。

在Hydrocarbon Processing，2003年2月(第49-51页)中的TH Lindstrom等人的文章中，描述了外部过滤的系统，但是该系统没有克 服全部类型的堵塞和该技术方案的成本是很高的。

US-A-4313908或EP-A2-0050505描述了通过使流过该管的流股 的一部分偏转能够减少催化床中压降的升高的一种设备。构成短路的一 系列管穿过该催化床。这些管的入口位于分配盘的下游并且这些管的各 个出口在该入口以上在各种水平上通向催化床。该系统因此能够独立地 使气体和液体流偏转，只要在床的上游形成一定液面高度。在所列举的 专利中描述的设备不能控制在液体流和被偏转到构成该系统的这些管 的气流之间的比例。气体将从反应器的启动时发生偏转，液体仅仅当由 于积垢时在床以上形成足够的液面高度时发生偏转。

此外，在两篇所列举的专利中描述的设备的出口处没有流体分配作 用，需要在下游提供分配盘或等同系统。对于本发明而言，分配功能被 结合到过滤系统中以形成单个设备。

更近期的专利申请WO-A1-03/000401描述采用形成短路的管和与 其耦联的也形成短路的腔室并且用于俘获在原料中所含的任何杂质的 设备。该设备在该腔的出口不包括用于气体/液体排放物的再分配的有效 (effective)系统，当该系统以气体/液体流模式使用时。

在US-A-3958952中发明的盘是一系列的过滤单元构成的，各单元 由交替的同中心的腔室构成，一个是空的和另一个被没有详细描述的 “过滤体”占据。

在该类系统中，过滤功能与混合和分配功能完全地分离，而在本发 明的设备中，在过滤床和混合竖井之间有真正的协同作用，这将在下面 解释。

事实上，与盘直接结合的过滤床具有使位于盘以上的气体/液体界面 稳定化的辅助功能，和因此有助于液体均匀地被供应到混合和分配竖井 (它构成该盘的不可分割的部分)中。

US-A-4229418描述包括过滤元件的盘系统，但是在该专利上下文 中的术语“过滤”指对于工艺流体的渗透性和对于催化剂颗粒的非渗透 性，而在本发明的上下文中，该术语“过滤”指保持原料中所含的堵塞 颗粒的能力。

最终，在本发明中描述的设备是明显紧凑的，与现有技术的设备相 反，因此意味着更多的催化剂能够用于给定体积的反应器中，从而提高 它的效率。

附图的简述

图I表示本发明的过滤分配盘的图解，该分配盘被放置在催化床的 上游，该催化床被供应具有气体部分和液体部分的原料。

图II显示了沉积杂质的量(曲线A)，在没有过滤床的情况下通过催 化床的压降(曲线B)以及在有本发明的分配盘(即装有过滤床)的情况下 通过催化床的压降作为时间函数而变化的各个曲线。

发明的简要说明

在本发明中描述的设备能够通过利用包括过滤介质的特定分配盘 截获在液体流中所含的堵塞颗粒，该液体流构成了以气体和液体向下流 动并流模式工作的反应器的原料的一部分。

本发明包括一种设备，它能够同时分配气相和液相，为向下流动的 并流模式工作的固定床反应器供应所述这些相，同时确保对于在构成待 被处理原料的一部分的液相中所含杂质的过滤功能。

更确切地说，本发明的设备是一种用于过滤和分配气相和液相的设 备，这些相构成了包括至少一个固定催化剂床的、以气体和液体向下流 动并流模式工作的反应器的供给原料，该液相一般载有堵塞颗粒，该设 备包括位于催化床的上游的分配盘，该分配盘是由基本上水平的基平面 (base plane)(它连接于反应器的壁上且基本垂直地固定竖井)构成的， 该竖井在它们的上端开口以允许气体进入和在它们的下端开口以便排 出气体-液体混合物来供应下游的催化床，该竖井在它们高度的某些部分 上通过连续的侧面槽缝或侧面孔进行穿孔以便液体的输入，该分配盘支 持包围竖井的过滤床且该过滤床是由至少一层颗粒物层构成的，该颗粒 物的尺寸小于或等于催化床的颗粒的尺寸。

该过滤床，它形成分配盘的一部分，一般由多个不同尺寸的颗粒物 层组成。

构成过滤床的各个层的该颗粒物一般是惰性的并且通常由硅石或 矾土，或任何其它陶瓷物质形成的。

然而在某些情况下，有利的是过滤床的至少一个层由在化学反应方 面表现出活性的颗粒物组成，该化学反应在位于过滤分配盘的下游的催 化床上发生。在这种情况下，活性颗粒优选由相同催化剂或属于与催化 床中的催化剂相同的家族的催化剂所组成。

在本发明的设备的另一种变型中，过滤床是由填充料组成的，该填 充料经过结构化具有在35％到50％(0.35到0.50)范围内的孔隙率。

为了防止竖井的侧面孔或侧面槽缝的阻塞，各竖井一般与过滤床分 隔开，利用具有足够细的筛孔(即小于过滤床的颗粒物的尺寸的筛孔尺寸) 的丝网包围该过滤床。在这种情况下，将竖井与过滤床分隔开的距离一 般是在5mm到20mm范围内。

本发明的过滤和分配设备因此是具有支持竖井和过滤床的的过滤 分配盘，该基平面优选带有孔，其中孔密度大于100个孔/m²反应器区 段。

本发明的过滤和分配设备能够显著地延长催化剂的使用寿命。通 常，过滤床的周期性更换是以至少6个月的周期进行的。

本发明的过滤和分配设备特别有利地用于加氢处理反应器、选择加 氢反应器或用于具有大于250℃的初沸点的残留物或烃馏分的转化中。

本发明的详细说明

本发明的设备由包括与反应器的壁连成一体的基本水平的基平面 的分配盘组成，在基平面上固定一组的基本垂直的竖井，该竖井带有上 开口和下开口并且用从头到尾沿着它们的垂直壁分布的侧面孔进行穿 孔。

供给料的气体部分基本上经由上开孔穿透进入竖井的内部，和供给 料的液体部分基本上经由侧面孔穿透进入竖井的内部。该术语“基本上” 指至少50％，优选至少80％的气体和液体分别经由上开口和经由侧面孔 穿透进入竖井的内部。

气体和液体在竖井内混合，所得混合物经由下开孔离开竖井。

该侧面孔可以形成在竖井的高度的主要部分上延伸的连续槽缝。本 文的剩余部分将涉及侧面孔，但是这也包括连续槽缝的情况。

分配盘支持由至少一种用作过滤器的颗粒状固体构成的过滤床，该 固体颗粒床在竖井高度的一部分上包围这些竖井的每一个。

该竖井一般比过滤床的水平(面)高了至少30mm，优选大于35mm， 或甚至大于40mm的高度(H′)。

过滤床可以包括多个任何形状的颗粒物的层。

构成过滤床的各层的颗粒物的尺寸从过滤床的顶部到底部逐渐减 少。

较低(或最低)层的颗粒物所具有的平均尺寸优选小于构成位于分配 盘下游的催化床的催化剂颗粒的尺寸。

通常，各层中颗粒物的尺寸是在1mm和30mm之间，优选在1mm 和20mm之间。

在本发明的过滤和分配设备的一种变型中，过滤床由至少两层固体 颗粒物的层组成，给定层的颗粒物的尺寸小于紧邻上位层的颗粒物的尺 寸。

在本发明的设备的特殊变型中，过滤床的上层的颗粒物的尺寸是在 5mm到30mm的范围内，和下层的颗粒物的尺寸是在2mm到10mm 的范围内。

纯粹举例说明且不构成任何限制，本发明的设备的过滤床可以由以 下层构成：

·占过滤床的总高度的25％并且由尺寸比催化剂微粒的尺寸更大 (优选大了至少10％)的颗粒物组成的上层；

·占过滤床的总高度的25％并且由尺寸近似等于催化剂微粒的尺 寸的颗粒物组成的中间层；

·占过滤床的总高度的50％并且由尺寸比催化剂微粒的尺寸更小 (优选小了至少10％)的颗粒物组成的下层。

形成过滤床的颗粒物可具有任何形状，例如球形或圆柱形，在内部 有或没有空隙。它们一般是惰性的，但可能会是催化性的。在后一种情 况，过滤床的活性颗粒物一般由催化剂构成，该催化剂来自与在位于过 滤床的下游的催化床中所使用的催化剂相同的家族。

过滤床也可由填充元件构成，该填充元件提供大的杂质浮获表面， 同时提供高的空隙率。

可列举的填充元件的例子是由具有圆柱形的20mm直径形状的由钛 和氧化铝组成的惰性颗粒物，在其中形成圆柱形通道。

可以列举的活性颗粒物的例子是含有镍-钼或钴-钼以及氧化铝的10 mm直径珠粒。

使用多个层的过滤床的组成的实例在说明书的描述部分之后的详 细描述的实施例中给出。

对于大多数的工业反应器来说，过滤床的总高度一般是200mm到 1500mm，优选300mm到600mm。

侧面孔在竖井的高度的主要部分延伸，但是这些孔之中的最低孔优 选位于相对于分配盘的基平面的最低高度(h)，该高度优选是在分配盘的 基平面以上50mm或甚至基平面以上60mm。“分配盘的基平面”是连 接于反应器的壁上并且支持过滤床的平面。

这些孔优选在竖井的整个高度上阶梯式分布到最高高度(h’)，该高 度优选是在过滤床的上表面以上20mm或甚至在上表面以上15mm。

侧面孔的最小和最高阶梯式高度对于使用连续槽缝的情况也适用。

竖井的内径一般是在10mm到150mm的范围内，和优选在25mm 到80mm的范围内。

在本发明的一个优选的实施方案中，包围各竖井的分离区避免了过 滤器与竖井的直接接触，以防止竖井的侧面孔或侧面槽缝被固体颗粒物 或构成过滤床的填充元件所遮蔽。

在这种情况下，将竖井与过滤床分隔开的距离一般是在5mm到20 mm范围内。

从下层开始，过滤床随着时间的推移慢慢地堵塞，并且在较低的堵 塞部分和上面的未堵塞部分之间有效地产生界面。

该液体穿过在过滤床的上面未堵塞部分之上的过滤床并经由侧面 孔穿过竖井。

气相主要经由竖井的上开口被引入竖井内部。

较多或较少部分的气体也经由竖井的侧面孔或经由侧面槽缝引入。

竖井的上开口一般位于在过滤床以上的高度H′并且一般由盖子或 任何等同形式所保护，保护的目的是为了防止液体经由竖井的上开口的 直接引入。

经由侧面孔或侧面槽缝被引入的液体因此与气相在竖井内混合，所 得混合物经由下开口从竖井中排出，然后被分配到位于分配盘的下游的 催化床中。

在本文的剩余部分中，我们将描述由分配盘、竖井和被分配盘“过 滤分配盘”支持的过滤床所构成的设备的整体。

本发明的设备因此包括连接于反应器的内部圆柱形壁上且位于催 化床以上的过滤分配盘。

当该反应器包括多个不同的催化床时，这些催化床中的每一个可以 配备本发明的过滤分配盘。

在这种情况下，供应到所给定的过滤分配盘的气相和液相是由位于 紧邻在分配盘上面的催化床的流出物构成的，可以任选地在分配盘添加 在两个催化床之间所引入的流体，在氢化或加氢处理反应的情况下，该 流体通常是冷却流体。

该过滤分配盘还可以由任何形状的孔贯通它的水平基平面，这样由 于这些孔产生的总孔隙率能够在称作液阱的分配盘上产生最低高度的 液体。然而，没有孔穿透它的基平面的过滤分配盘将同样发挥作用，并 且包括在本发明的范围内。

该过滤分配盘也支持用于混合气体和液体和用于引导所得混合物 通向催化床(位于分配盘的区域下游)的竖井。

这些竖井的密度是10-150个/m²催化床区段，优选30-100/m²催 化床区段。

全部的竖井具有位于一直沿着竖井的垂直壁或连续纵向槽缝的不 同标高的侧面孔，让液相在竖井内部通过，不用考虑过滤床中堵塞的程 度。

研究这些侧面孔或侧面槽缝的形状根据在操作周期中液体流速的 变化进行调节，这将在下面解释。

对于侧面槽缝的情况，该槽缝的形状可以是矩形或三角形，其中三 角形的点指向上或向下。

槽缝的任何形状是可能的，只要与槽缝的高度有关的条件得到满 足。优选地，它应当在分配盘的基平面以上至少50mm的高度(h’)开 始和优选延伸到在过滤床的高层面以上至少20mm的高度(h)。

气体/液体流的分配功能随着堵塞进展得到维持，因为整套的竖井总 是在使用并且液体流速在这些竖井之间保持大致相同，竖井基本上通过 在分配盘上建立的液面高度来调节。因此，将评价在过滤盘的基平面以 上建立和维持某个液面高度的重要性。

此外，过滤床的存在通过适应在气体和液体之间的界面中的波动来 使这一液面高度稳定化。

因此，液体分配功能在过滤床的整个使用寿命中在控制下得到维持 并且沿着竖井的全长度分布的侧面孔或侧面槽缝的渐进式使用允许过 滤床一直被使用到完全饱和为止，而没有压力梯度提高(压力梯度提高意 味着该装置不得不停机)。

本发明的设备的详细说明借助于图1来介绍，图1涉及一种实施方 案，其中过滤分配盘由支持一个微粒过滤床2(在图1的情况下，过滤床 2包括三个层)的基平面11构成。

将被提醒的是，更多数量的层完全是可能的和仍然在本发明的范围 内。

过滤分配盘位于反应器的上部，以向下流动并流模式为该反应器供 应气体(G)和液体(L)。

该过滤分配盘位于在其中发生催化反应的催化床10的上游，该催 化床10使用在反应器的顶部被引入的气体(G)和液体(L)相。

过滤分配盘由基平面11构成，在基平面11之上固定了具有侧面开 口4的竖并3。

在图1的情况下，侧面开口4是由矩形的纵向槽缝构成的，但是这 些侧向开口4同样地可以由具有非矩形(例如三角形)的槽缝构成，或由 在竖井3的整个高度上在不同标高上分布的任何形状的一系列孔所构 成。

竖井3的密度是10-150个/m²，优选30-100个/m²。竖井3在基 平面11上的分布是规则的和可以是正方形或三角形图案。

构成过滤床2的颗粒物的形状需被限定，以使得产生大面积，该大 面积有利于杂质沉积同时维持足够的孔隙容积以捕获最高量的杂质和 延长过滤器的使用寿命。

在该周期的开始，在基平面11以上建立液面高度和液体流通过位 于分配盘11的基平面上的孔12被分布在反应器的整个区段中。

将被提醒的是，没有孔的基平面也是可能的并且包括在本发明的范 围内，但是优选地该基平面具有孔，在这种情况下位于分配盘11的基 平面上的孔的密度一般是至少等于100个孔/m²。

随着过滤床2变得被堵塞，在分配盘11以上的液面高度升高和液 体的一部分开始流过竖井3的长方形槽缝4。

随着堵塞进行，在分配盘11的基平面以上的液面高度会升高。

当过滤床被完全堵塞时，液体流过侧面槽缝4进入到它的位于过滤 床2的上层面(upper level)以上的那一部分中。

在所有情况下，气体流过竖井3和主要经由上开口6被引入，该开 口6任选地配有盖子7以防止液体经由上开口6被引入其中。

圆形筛网8包围竖井3从而在竖井3和过滤床2之间留下空隙体积， 这样过滤床2的颗粒物不会阻碍沿着竖井3设置的侧面槽缝4。

这一筛网8的筛孔尺寸将因此小于分配盘的过滤床2的颗粒物的最 小直径。

实施例

下列实施例通过使用颗粒物沉积的动力学方程从模拟得出，对应于 作为时间函数的线性沉积。

该反应器具有1米的直径和5米的总高度，其中包括分配盘和催化 床。该催化床由传统催化剂的颗粒组成以进行选择加氢。它是含有沉积 在氧化铝载体上的Ni的一种催化剂。

形成位于分配盘下游的催化剂床的催化剂的颗粒尺寸是2mm。

为反应器供应液体部分和气体部分。

该液体是由具有在50℃-280℃的沸点范围的裂解汽油构成，在标 准条件下具有120℃的平均沸点。气相由90mol％氢组成，剩余部分基 本上是甲烷。

该过滤分配盘具有50mm直径和650mm高度的7个竖井，各竖井 具有400mm(槽缝高度)×5mm(槽缝宽度)的尺寸的矩形纵向槽缝。

槽缝的下端在分配盘的基平面以上h＝50mm处开始。过滤床由从 下至上表示为1，2，3，4的相同厚度的4层组成。该颗粒是由AXENS society销售的惰性氧化铝颗粒。

颗粒的尺寸特性和各层的孔隙率示于下表I中。

表I.颗粒的性质

在反应器的工作条件下气体和液体的性质示于下表II中：

表II：流体的性质

图2显示以下指标随时间的变化：

·由曲线(A)表示的沉积在过滤床上的杂质的量。该曲线通过使用 动力学沉积方程式来获得；

·由曲线(B)表示，在没有过滤床的情况下测量的通过催化床的压 降；

·由曲线(C)表示，在本发明的过滤床存在下测量的通过催化床的 压降。

曲线(B)和(C)大致平行，关于时间发生位移。

这一时间位移对应于过滤床的逐渐堵塞。

堵塞时间从时间t0延伸到时间tf，这对应于由曲线(A)的平直部分 显示的过滤床的饱和。

在时间tf，曲线(A)达到它的展平部分和超过时间tf，在液体原料中 所含的杂质不再被过滤床截留。

·对于没有过滤床的分配盘(现有技术)，通过催化床的压降急剧地 从时间tb提高到该反应器所允许的压降的极限值；

·对于根据本发明的有过滤床的过滤盘，通过催化床的压降从关 于时间tb已明显位移的时间tc急剧地增大。该tc-tb位移定量了由本发 明的分配盘提供的改进，因为在与tc-tb对应的整个附加时段中，通过催 化床的压降实际上是恒定的，并且保持与在周期的起始t0的压降值相 同。

本发明的分配盘能够使使用寿命延长了等于tc-tb的时段。

在本情况下，与没有过滤床的分配盘的周期时间相比，该延长是 80％。