DE60105445T2

DE60105445T2 - Mischvorrichtung mit wirbelkammer zur mischung von flüssigkeiten

Info

Publication number: DE60105445T2
Application number: DE60105445T
Authority: DE
Inventors: Pieter Arie DEN HARTOG; Willem Van Vliet
Original assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: KR100830073B1; KR20030053065A; ATE275614T1; EP1341876B1; CN1479775A; US7070745B2; CA2431269A1; JP4274794B2; ATE273370T1; US7078002B2; KR20030065538A; DE60104894T2; CA2431271C; US20040028579A1; JP2004524137A; CN1235676C; CA2431271A1; KR100833826B1; WO2002048286A1; EP1341876A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung zum Mischen von Fluiden in einem von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktor, auf einen von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktor mit einer solchen Vorrichtung, und auf die Verwendung eines solchen Reaktors bei der Verarbeitung von Kohlenwasserstoff.
Ein von oben nach unten durchströmter Mehrbett-Reaktor ist ein Reaktor, in welchem Gas und Flüssigkeit im Gleichstrom durch eine Anzahl von Reaktionsbetten nach unten strömen, die untereinander angeordnet sind. Solche Reaktoren werden in der chemischen Industrie und in der Erdölraffinerieindustrie zum Durchführen verschiedener Verfahren, wie zum katalytischen Entwachsen, zum Hydrotreating und zum Hydrocracking, verwendet. In diesen Verfahren wird typischerweise eine flüssige Phase mit einer Gasphase gemischt, und die gemischten Fluide werden über einen teilchenförmigen Katalysator geleitet, der in den Reaktionsbetten enthalten ist. Wenn die Fluide gleichzeitig durch ein Reaktionsbett strömen, tendiert die Verteilung von Flüssigkeit und Gas über das Reaktionsbett dazu, ungleichmäßig zu werden, mit nachteiligen Folgen hinsichtlich des Ausmaßes der Reaktion und auch der Temperaturverteilung. Um eine gleichförmige Verteilung von Flüssigkeit und Gas sowie Temperatur in den in das nächstniedrigere Reaktionsbett eintretenden Fluiden zu erreichen, wird üblicherweise eine Fluidmischvorrichtung, von der es verschiedene Arten gibt, zwischen den Reaktionsbetten angeordnet. Diese Vorrichtungen ermöglichen ein Mischen von Flüssigkeit-Flüssigkeit, Gas-Gas und Gas-Flüssigkeit und eine homogene Verteilung der gemischten Fluide über das nächstniedrigere Reaktionsbett.
Solche Fluidmischvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Bekannte Fluidmischvorrichtungen, z.B. aus der EP 716 881 , WO 97/46303 und WO 99/28024, haben den Vorteil, daß sie eine relativ kleine vertikale Länge haben, wodurch die Raum- und Volumenserfordernisse für diese Vorrichtungen minimiert werden.
Es wurde jedoch gefunden, daß diese bekannten Mischvorrichtungen kleiner Länge den Nachteil haben, daß das Fluidmischen nicht optimal ist, wenn Gas- und/oder Flüssigkeitslasten wesentlich von ihren Normalwerten abweichen, d.h. bei hohen Umlegeverhältnissen. Wesentliche Abweichungen von den Normalwerten können beispielsweise nach einer Modifizierung eines Reaktors, nach einer Modifizierung einer Verfahrensanordnung, von welcher der Reaktor einen Teil bildet, oder bei Verwendung eines bestehenden Reaktors für einen anderen Zweck auftreten.
Es besteht somit im Stand der Technik das Erfordernis nach Fluidmischvorrichtungen, die eine gute Fluidmischleistung über einen weiten Bereich von Gas- und Flüssigkeitslasten ermöglichen, d.h. bei hohen Umlegeverhältnissen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Optimum zwischen der Länge der Mischvorrichtung und der Fluid-Mischleistungen bei hohen Umlegeverhältnissen zu finden.
Es wurde nun gefunden, daß eine exzellente Mischleistung über einen weiten Bereich von Gas- und Flüssigkeitslasten, typischerweise von so niedrig wie 33 % bis so hoch wie 200 % der Normallasten, durch Verwendung einer Mischvorrichtung erreicht werden kann, in welcher das Flüssigkeits-Flüssigkeits-Mischen in einer Wirbelkammer durchgeführt wird, die ein bestimmtes Verhältnis von Länge und Durchmesser hat.
Dementsprechend bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Mischvorrichtung zum Mischen von Fluiden in einem von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktor, mit:

(i) einer im wesentlichen horizontalen Sammelschale;
(ii) einer Wirbelkammer zum Mischen von Flüssigkeit, die unterhalb der Sammelschale angeordnet ist, mit einem oberen Endteil, der in direkter Fluidverbindung mit der oberen Fläche der Sammelschale steht, und einer Auslaßöffnung an seinem unteren Ende, wobei die Wirbelkammer eine Länge hat, die zumindest das 0,35-fache ihres Innendurchmessers beträgt; und
(iii) einer im wesentlichen horizontalen Verteilschale, die unterhalb der Wirbelkammer angeordnet ist, welche Verteilschale mit einer Vielzahl von Öffnungen oder Ableitungen für den Strom von Flüssigkeit und Gas nach unten ausgestattet ist.

Für ein optimales Fluidmischen, speziell bei hohen Umlegeverhältnissen, wird es bevorzugt, daß die Wirbelkammer eine Länge hat, die zumindest das 0,50-fache ihres Innendurchmessers beträgt, noch bevorzugter das 0,65-fache ihres Innendurchmessers. Um die Länge der Mischvorrichtung und damit das vom Reaktor eingenommene Volumen zu begrenzen, wird die Länge im allgemeinen nicht größer als das 1,5-fache ihres Innendurchmessers gewählt.
Die Bezugnahme auf die Länge der Wirbelkammer bedeutet den Vertikalabstand zwischen dem unteren Punkt ihres Einlasses oder ihrer Einlässe und ihrer Auslaßöffnung. Im Falle einer polygonalen Wirbelkammer bedeutet die Bezugnahme auf ihren Innendurchmesser, daß der größte Querschnittsabstand zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden durch die zentrale Achse der Kammer gemeint ist.
Die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung kann mehr als eine Wirbelkammer aufweisen. Vorzugsweise hat sie eine Wirbelkammer, die entlang der zentralen Längsachse der Mischvorrichtung angeordnet ist.
Die im wesentlichen horizontale Sammelschale der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung kann gekrümmt oder konisch sein, vorausgesetzt, daß der obere Endteil der Wirbelkammer in direkter Fluidverbindung mit der oberen Fläche des untersten Punktes der Sammelschale steht. Die Bezugnahme auf eine im wesentlichen horizontale Sammelschale bedeutet eine Schale, deren Symmetrieachse senkrecht zur Horizontalebene verläuft. Vorzugsweise ist die Sammelschale flach.
Vorzugsweise ist die Sammelschale ferner mit Mitteln zum Durchleiten von Gas versehen, vorzugsweise in Form zumindest einer Ableitung, die sich durch die Sammelschale erstreckt, wobei die Ableitung (en) mit einer Gaseinlaßöffnung oberhalb der Sammelschale und einer Gasauslaßöffnung auf der Höhe der unteren Fläche oder unterhalb der Sammelschale versehen ist/sind. Die Ableitung (en) ist/sind vorzugsweise mit einer Fluidablenkplatte ausgestattet, die oberhalb der Gaseinlaßöffnung angeordnet ist. Die Gasauslaßöffnung kann axial oder radial sein. Vorzugsweise hat die Ableitung eine radiale Auslaßöffnung in Kombination mit einer gekrümmten Platte, welche das Gas zu der radialen Auslaßöffnung leitet, um den Druckabfall zu minimieren.
Die Mischvorrichtung kann ferner Mittel zum Verteilen eines Abschreckfluids aufweisen, die oberhalb der Sammelschale angeordnet sind, um ein Kühlen der Abgase zwischen den Reaktionsbetten eines von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktors zu erzielen. Mittel zum Verteilen eines Abschreckfluids sind im Stand der Technik bekannt und beispielsweise im EP 427 733, in der US 3,787,189 und in der US 3,855,068 beschrieben.
Die Mischvorrichtung hat eine Verteilschale unterhalb der Auslaßöffnung der Wirbelkammer zum gleichmäßigen Verteilen von Gas und Flüssigkeit, bevor die Fluide in ein niedrigeres Reaktionsbett eintreten. Geeignete Verteilschalen sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus dem EP 716 881 , dem EP 715 544 und der US 5,989,502 . Eine bevorzugte Verteilschale ist die im EP 716 881 offenbarte.
Die Mischvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ferner eine im wesentliche horizontale Vorverteilschale aufweisen, die zwischen der Wirbelkammer und der Verteilschale angeordnet ist. Solche Vorverteilschalen sind im Stand der Technik bekannt. Die Vorverteilschale kann eine runde, quadratische oder rechteckige Form haben und hat vorzugsweise einen Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser der Verteilschale ist. Vorzugsweise ist die Vorverteilschale mit einem Überstromwehr an ihrem Umfang versehen. Die Schale ist mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgestattet, die vorzugsweise nahe ihrem Umfang liegen. Die Vorteile einer Vorverteilschale sind, daß sie eine gleichmäßigere Verteilung der Flüssigkeit über die Verteilschale ermöglicht und dazu beiträgt, die Flüssigkeits-Flüssigkeits-Interaktionen und somit das Flüssigkeitsgleichgewicht zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf einen von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktor mit vertikal beabstandeten Reaktionsbetten, vorzugsweise Betten aus Katalysatorteilchen, und eine Mischvorrichtung zwischen benachbarten Reaktionsbetten, wie vorstehend definiert.
Solch ein Reaktor hat zumindest einen Einlaß für Gas und/oder Flüssigkeit, zumindest einen Auslaß für Reaktorabgas und zumindest zwei aufeinanderfolgende Reaktionsbetten, typischerweise Betten aus Katalysatorteilchen, wobei jedes Bett auf einer Stützschale ruht. Die Konstruktion geeigneter Stützschalen ist im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise weisen üblicherweise angewendete Stützschalen eine oder mehrere permeable Platten auf, wie Siebplatten, die von Stützträgern getragen sind, so daß das Katalysatorbett auf den permeablen Platten ruht. Gasförmige und flüssige Produkte, die in den Reaktionen geformt werden, welche im Katalysatorbett stattfinden, werden durch die permeablen Platten zu dem nachfolgenden Katalysatorbett oder Reaktorauslaß geleitet. Solche Reaktoren werden typischerweise im Hydroverarbeiten von Kohlenwasserstoffölen verwendet.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktors, wie vorstehend definiert, in der Kohlenwasserstoffverarbeitung, vorzugsweise beim katalytischen Entwachsen, Hydrotreating, Hydrocracking oder Hydrodesulfurisierung.
Die Mischvorrichtung und der Reaktor gemäß der Erfindung werden nun an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die schematischen 1 und 2 beschrieben. Ähnliche Teile in den verschiedenen Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 ist ein Längsschnitt eines Teiles eines Reaktors gemäß der Erfindung, der eine Ausführungsform der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung und die oberhalb und unterhalb der Mischvorrichtung vorgesehenen Katalysatorbetten zeigt.
2 zeigt einen Längsschnitt der Ableitung für Gas der Mischvorrichtung nach 1, wobei der Schnitt durch die Linie II-II in der Ebene senkrecht zur Zeichenebene von 1 geführt ist.
In 1 sind ein Teil der Seitenwand 1 und zwei benachbarte Katalysatorbetten 2a und 2b eines Mehrbett-Reaktors gezeigt. Die Katalysatorbetten 2a und 2b sind von Siebplatten 3 getragen, die von Stützträgern (nicht gezeigt) abgestützt sind. Eine Mischvorrichtung 5 gemäß der Erfindung ist zwischen den Katalysatorbetten 2a und 2b angeordnet. Die Mischvorrichtung 5 weist eine flache horizontale Sammelschale 6 und eine Wirbelkammer 7 auf, die unterhalb der Sammelschale 6 angeordnet sind. Die Wirbelkammer 7 hat ein offenes oberes Ende 8, das in direkter Fluidverbindung mit der oberen Fläche 9 der Sammelschale 6 steht, eine Auslaßöffnung 10 an ihrem unteren Ende und Mittel 11 zum Erzeugen einer Verwirbelung der durchströmenden Flüssigkeit. Die Mischvorrichtung 5 weist Mittel zum Durchleiten von Gas in Form von drei Ableitungen für Gas 12 auf (nur eine Ableitung ist gezeigt), die sich durch die Sammelschale 6 erstrecken. Eine Verteilschale 13, die mit einer Vielzahl von Ableitungen 14 versehen ist, ist unterhalb der Wirbelkammer 7 vorgesehen, und eine Vorverteilschale 15, die ein Überstromwehr 16 und eine Vielzahl von Öffnungen 17 hat, ist unterhalb der Wirbelkammer 7 und der Verteilschale 15 angeordnet. Die Mischvorrichtung weist ferner einen Abschreckring 18 auf.
Während des Normalbetriebes der Mischvorrichtung nach 1 wird der Ausfluß aus dem Katalysatorbett 2 durch Abschreckfluid aus dem Abschreckring 18 gekühlt. Der flüssige Ausfluß wird auf einer Sammelschale 6 gesammelt und tritt in die Wirbelkammer 7 durch deren oberes Ende 8 ein. In der Wirbelkammer 7 wird der Flüssigkeit eine Wirbelbewegung durch die Verwirbe lungsmittel 11 erteilt. Geeignete Mittel zum Verursachen einer Fluidwirbelwirkung sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise eine tangentiale Einlaßöffnung, Wirbelflügel oder Prallplatten od.dgl., die in der Innenfläche der Seitenwand der Wirbelkammer befestigt sind. Die Kombination aus einer Verwirbelungswirkung, die der Flüssigkeit erteilt wird, und die Länge der Wirbelkammer resultieren in einem ausgezeichneten Flüssigkeits-Flüssigkeits-Mischen über einen weiten Bereich von Flüssigkeits- und Gasdurchsätzen. Es ist ein Vorteil der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung, daß das Ausmaß am Flüssigkeits-Flüssigkeits-Mischen, das in der Wirbelkammer 7 erzielt wird, praktisch unabhängig von der Gaslast ist. Die gemischte Flüssigkeit verläßt die Wirbelkammer 7 über die Auslaßöffnung 10. Vorzugsweise ist die Wirbelkammer 7 mit Flügeln (nicht gezeigt) od.dgl. nahe der Auslaßöffnung 10 ausgestattet, um die Verwirbelungsbewegung der Flüssigkeit zu stoppen und somit die Turbulenz zu erhöhen und weiterhin das Flüssigkeits-Flüssigkeits-Mischen zu verbessern.
Abgas aus dem Katalysatorbett 2a strömt über die Ableitungen 12 zur Sammelschale 6. Ein Teil des Abgases kann über die Wirbelkammer 7 zur Sammelschale 6 strömen. Es versteht sich, daß es u.a. von den Gas- und Flüssigkeitslasten und von der Größe, Form und Anordnung des Einlasses bzw. der Einlässe der Wirbelkammer und der Gaseinlaßöffnung bzw. Gaseinlaßöffnungen der Mittel zum Durchleiten von Gas abhängt, welcher Teil des Abgases durch die Gasdurchleitmittel und welcher Teil durch die Wirbelkammer strömt.
Alternativ weist die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung keine gesonderten Mittel für das Durchleiten von Gas auf, in welchem Fall das gesamte Abgas die Sammelschale über die Wirbelkammer 7 passiert.
In der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung wird ein Gas-Gas-Mischen nach einem Abschrecken und nach einem Durchleiten von Gas durch die Ableitungen 12 für Gas und/oder die Wirbelkammer 7 durchgeführt.
Die die Wirbelkammer 7 verlassende Flüssigkeit wird auf einer Vorverteilschale 15 gesammelt, von wo sie nach unten zur Verteilschale 13 unterhalb der Durchtrittsöffnungen 17 strömt, oder gelegentlich durch Überströmen des Wehrs 16. Gas wird durch die Vorverteilschale 15 abgelenkt und strömt zur Verteilschale 13.
An der Verteilschale 13 werden ausgeglichene Gas- und Flüssigkeitsphasen zusammengebracht. Die Verteilschale 13 dient zwei Zwecken. Erstens verteilt sie Flüssigkeit und Gas gleichmäßig, bevor die Fluide in ein unteres Reaktionsbett 2b eintreten, und zweitens gestattet sie den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas zur Interaktion Flüssigkeit-Gas.
In 2 ist eine der Ableitungen 12 für Gas nach 1 in größerem Detail gezeigt. Die Ableitung 12 hat eine Gaseinlaßöffnung 19, die oberhalb der Sammelschale 6 angeordnet ist, eine radiale Gasauslaßöffnung 20, die unterhalb der Sammelschale 6 angeordnet ist, eine Fluidablenkplatte 21, die oberhalb der Gaseinlaßöffnung 19 liegt, und eine gekrümmte Platte 22, um Gas, das durch die Ableitung strömt, zur radialen Auslaßöffnung 20 zu leiten.

Claims

Mischvorrichtung zum Mischen von Fluiden in einem von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktor, mit: (i) einer im wesentlichen horizontalen Sammelschale; (ii) einer Wirbelkammer zum Mischen von Flüssigkeit, die unterhalb der Sammelschale angeordnet ist, mit einem oberen Endteil, der in direkter Fluidverbindung mit der oberen Fläche der Sammelschale steht, und einer Auslaßöffnung an seinem unteren Ende, wobei die Wirbelkammer eine Länge hat, die zumindest das 0,35-fache ihres Innendurchmessers beträgt; und (iii) einer im wesentlichen horizontalen Verteilschale, die unterhalb der Wirbelkammer angeordnet ist, welche Verteilschale mit einer Vielzahl von Öffnungen oder Ableitungen für den Strom von Flüssigkeit und Gas nach unten ausgestattet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Länge der Wirbelkammer zumindest das 0,5-fache ihres Innendurchmessers, vorzugsweise das zumindest 0,65-fache ihres Innendurchmessers beträgt.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Sammelschale ferner mit Mitteln zum Durchleiten von Gas versehen ist, vorzugsweise in Form von zumindest einer Ableitung, die sich durch die Sammelschale erstreckt, wobei die Ableitung (en) mit einer Gaseinlaßöffnung oberhalb der Sammelschale und einer Gasauslaß öffnung auf der Höhe der unteren Fläche oder unterhalb der Sammelschale versehen ist/sind.
Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Mittel zum Verteilen eines Abschreckfluids aufweist, welche Mittel oberhalb der Sammelschale angeordnet sind.
Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine im wesentlichen horizontale Vorverteilschale aufweist, die zwischen der Wirbelkammer und der Verteilschale angeordnet ist.
Von oben nach unten durchströmter Mehrbett-Reaktor mit vertikal beabstandeten Reaktionsbetten, vorzugsweise Betten aus Katalysatorteilchen, und einer Mischvorrichtung zwischen benachbarten Reaktionsbetten, wie sie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert ist.
Verwendung eines von oben nach unten durchströmten Mehrbett-Reaktors nach Anspruch 6 zum Verarbeiten von Kohlenwasserstoff.