DE69112741T2

DE69112741T2 - Kompaktverteiler mit radialer Strömung.

Info

Publication number: DE69112741T2
Application number: DE69112741T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey William Frederick; Rutton Dinshaw Patel; Yiu Wah Wong
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1991-08-12
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2011-08-13
Also published as: DE69112741D1; US5025831A; CA2046954C; CA2046954A1; EP0472335A1; EP0472335B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung zur Verteilung eines Einphasen- oder Zweiphasen-Mischfluids in einem radial symmetrischen Fließmuster. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verteilung eines Einphasen- oder Mischphasenfluids über einen Gefäßquerschnitt, wobei eine gute Vermischung zwischen dem verteilten Fluid oder den verteilten Mischfluiden und dem Hauptfluid-Strom im Gefäß erforderlich ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In stark exothermen Reaktionen, wie dem Hydrocracken, ist ein fest angeordnetes Katalysatorbett in eine Anzahl von Stufen geteilt, wobei sich zwischen den Stufen Quenchkammern befinden. Zwischen den Stufen wird ein Quenschfluid in den Hauptfluid- Strom in das Reaktorgefäß eingebracht, um die Katalysatorbett- Temperaturen innerhalb des gewünschten Betriebsbereichs zu halten. Die Quenchvorrichtung zwischen den Stufen besteht gewöhnlich aus einem Quenchverteiler und einer Mischzonen-Quenchkammer, die in Reaktoren mit abwärts laufender Strömung direkt unterhalb des Quenchverteilers angeordnet ist. Die Quenchkammer mischt das Quenchfluid und den Reaktorstrom, bevor sie in das stromabwärts liegende Katalysatorbett eintreten. In Abhängigkeit vom dem iin Reaktionsgefäß durchgeführten speziellen Reaktionstyp kann das Quenchfluid ein Einphasen-Gas, eine Einphasen-Flüssigkeit oder ein Mischphasenfluid wie eine Gas-Flüssigkeit-Mischung sein.
In typischen Reaktoren wird die Quenchzone gewöhnlich so klein wie möglich gemacht, um die Reaktorhöhe zu minimieren und um Investitionskosten zu senken.
Ein typischer Mehrstufen-Reaktor mit einein Wäruteaustausch zwischen den Stufen ist in der GB-A-1 179 002 gezeigt. Der Reaktor umfaßt eine längliche Kammer, die querstehende Unterteilungseinrichtungen aufweist, die innerhalb der Kammer eine Vielzahl von Kontaktzonen mit einem Fluiddurchgang bilden, der einen relativ zu den Unterteilungseinrichtungen verminderten Querschnitt aufweist und sich über alle Unterteilungseinrichtungen erstreckt. Der Reaktor enthält mindestens ein Leitungsrohr, das das Wärmeaustausch-Fluid in das Innere der Kammer einleitet, das stromaufwärts von allen Unterteilungseinrichtungen liegt, und das in einer Ablaßdüse endet, die in Stromabwärtsrichtung durch den entsprechenden Fluiddurchgang ausgerichtet ist, wodurch Fluidstrom von jeder Kontaktzone zu der nächsten stromabwärtsliegenden Zone abgeleitet wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuartigen Quenchfluidverteiler zu liefern, der kompakt ist und dennoch eine gute Verteilung und ein effektives Mischen zwischen dem Quenchfluid oder der Mischung der Fluide und dem Hauptfluid im Reaktor liefert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung liefert einen Radialströmungsverteiler, der einen zylindrischen Körper mit einer vertikalen Seitenwand, einem oberen Teil und einem unteren Teil umfaßt. Der zylindrische Körper enthält eine horizontale Trennwand, die innerhalb des Körpers angeordnet ist, wodurch der Körper in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt wird. Die horizontale Trennwand hat vorzugsweise eine runde Form und ist groß genug, so daß sie auf die Seitenwände des zylindrischen Körpers trifft. Die Trennwand weist auch eine zentrale Öffnung auf. Rohrleitungsvorrichtungen, die mit der ersten Kammer funktionell verbunden sind, sind zur Einführung des Fluids in diese Kammer vorgesehen. Eine Vielzahl von Öffnungen ist gleichmäßig in der Seitenwand um die zweite Kammer herum angeordnet, um Fluid vom Verteiler radial nach auswärts zu verteilen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die erste Kammer eine Vielzahl von vertikal angeordneten Umlenkeinrichtungen, die ein Mischphasenfluid in der ersten Kammer mischen, bevor es die erste Kammer durch die zentrale Öffnung in der horizontalen Trennwand verläßt und in die zweite Kammer eintritt, um radial nach auswärts durch die Öffnungen auszutreten, die an der Peripherie der zweiten Kammer angeordnet sind.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die "detaillierte Beschreibung der Erfindung" unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine schematische Zeichnung eines Abschnitts von einem Reaktor mit einem Festbettkatalysator, der eine Zwischenbett-Quenchzone und den erfindungsgemäßen Radialströmungsverteiler einschließt.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialströmungsverteilers.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialströmungsverteilers, wobei ein Teil der Seitenwand weggebrochen ist, um die darin liegenden Umlenkbleche freizulegen.
Figur 4 ist eine Seitenansicht einer zylindrischen Umlenkmanschette, die eine Vielzahl von Öffnungen aufweist.
Figur 5 ist eine Aufsicht, die die Anordnung von einer Reihe von konzentrisch angeordneten Umlenkmanschetten zeigt, wobei die Öffnungen nach der erfindungsgemäß besonders bevorzugten Vorrichtung gestaffelt angeordnet sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Es wird nun auf Figur 1 Bezug genommen, die einen Radialströmungsverteiler 10 zeigt, der in einem vertikalen, zylindrischen Gefäß 11 zwischen zwei Katalysatorbetten 12 und 13 angeordnet ist. Weiterhin ist eine Quenchkammer oder eine Quench-Mischzone, die allgemein durch die Bezugszeichen 14 bezeichnet wird, zwischen den Katalysatorbetten 12 und 13 angeordnet. Wie in Figur 1 gezeigt ist, wird die Quench-Mischzone 14 durch eine horizontale Trennwand 14a mit einer zentralen Öffnung und eine Verteilerplatte 14b gebildet. Selbstverständlich sind im Stand der Technik eine Vielzahl von Quenchkammeranordnungen bekannt und der erfindungsgemäße Radialströmungsverteiler 10 kann mit diesen vorteilhaft verwendet werden.
Wie durch die Richtung der Pfeile in Figur 1 gezeigt ist, verläuft der Hauptstrom der Reaktanten wie Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial vertikal abwärts, zunächst durch das Katalysatorbett 12, dann in die Quench-Mischzone 14 und schließlich in das Katalysatorbett 13 zum weiteren Durchtritt durch den Reaktor. Um das geeignete Temperaturniveau in dem im Reaktor vorhandenen Katalysator aufrechtzuerhalten, wird Quenchfluid durch den erfindungsgemäßen Radialströmungsverteiler 10 in das Gefäß 11 zwischen den Katalysatorbetten eingebracht.
Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen, die den erfindungsgemäßen Radialströmungsverteiler 10 detaillierter illustriert. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, hat der erfindungsgemäße Radialströmungsverteiler 10 einen zylindrischen Körper 21, der durch vertikale Seitenwände, eine kreisförmige obere Wand 16 und eine kreisförmige untere Wand 18 gebildet wird. Die Vorrichtung schließt auch eine horizontale Trennwand 22 ein, die den Körper 21 in eine erste Kammer 23 und eine zweite Kammer 24 unterteilt.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, weist die horizontale Trennwand 22 eine zentrale Öffnung 25 auf, die eine Strömungsverbindung zwischen der ersten Kammer 23 und der zweiten Kammer 24 liefert. Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere bevorzugt, daß die Öffnung 25 kreisförmig ist. Die Größe der Öffnung hängt selbstverständlich vom zulässigen Druckabfall über den Verteiler, der Fließgeschwindigkeit und den Fluideigenschaften ab. Die Auswahl der Größe der Öffnung liegt allerdings im fachmännischen Können. Trotzdem hat die Öffnung 25, als allgemeine Richtlinie, normalerweise eine Größe vom etwa 0,25- bis etwa 2-fachen des Durchmessers der Rohrleitung 27, mit der sie verbunden ist.
Die Rohrleitung 27 ist vorgesehen, um Quenchfluid in die erste Kammer 23 des Radialströmungsverteilers 10 einzuleiten. Eine Vielzahl von gleich großen und gleichmäßig verteilten Öffnungen 28 sind an der Seitenwand der zweiten Kammer 24 vorgesehen.
Im Betrieb wird ein Fluid, das radial verteilt werden soll, durch die Rohrleitung 27 in die erste Kammer 23 eingeleitet. In der ersten Kammer 23 wird die kinetische Energie des Quenchfluids gedämpft und der Strom wird durch die Öffnung 25 in die zweite Kammer 24 umgelenkt. Schließlich tritt das Fluid durch die Öffnungen 28 aus dem Radialströmungsverteiler 10 aus und wird dabei radial verteilt.
In Figur 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, schließt die erste Kammer 23 des Radialströmungsverteilers eine Vielzahl von vertikal angeordneten Umlenkblechen 29 ein, die sich von der horizontalen Trennwand 22 bis zur unteren Wand 18 des zylindrischen Körpers 21 erstrecken. Die Umlenkbleche 29 sind relativ zueinander so angeordnet, daß die Mischung eines durch den Verteiler 10 strömenden Mischphasefluids gefördert wird. Daher sind die Umlenkbleche 29 im Abstand voneinander angeordnet, so daß ein Schlängelpfad des Fluidstroms erreicht wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die horizontalen Umlenkbleche 29 zylindrische Manschetten mit im gleichmäßigen Abstand angeordneten Öffnungen. Diese Manschetten haben auch unterschiedliche Durchmesser, so daß sie konzentrisch angeordnet sein können. Wie in Figur 5 gezeigt ist, sind diese konzentrisch angeordneten Manschetten so in der ersten Kammer 23 angeordnet, daß die Öffnungen 28 jeder nächsten angrenzenden Manschette oder jedes nächsten angrenzenden Umlenkbleches gegenüber den vorangehenden Öffnungen versetzt sind. Diese Art der Anordnung und die Verwendung der Umlenkbleche 29 ist besonders nützlich, wo eine gemischte Fluidphase wie Gas und Flüssigkeit radial aus dem Verteiler verteilt werden soll.
Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, daß die vertikale Höhe der ersten Kammer im wesentlichen der vertikalen Höhe der zweiten Kammer entspricht; allerdings ist es nicht kritisch, daß ein solches Verhältnis besteht. Im allgemeinen kann das Verhältnis von der ersten Kammer zur zweiten Kammer im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 2:1 liegen.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele weiter illustriert.

Beispiel 1

Eine Vorrichtung wurde konstruiert, im wesentlichen wie in Figur 2 gezeigt. Der Durchmesser des zylindrischen Körpers war 15 inches (38,1 cm). Die erste Kammer hatte eine Höhe von 4 inches (10,16 cm). Die Rohrleitung hatte einen Durchmesser von 4 inches (10,16 cm). Die zweite Kammer hatte eine Höhe von 3 inches (7,62 cm) und war mit 20 Öffnungen versehen, die im gleichmäßigen Abstand an der Peripherie der zweiten Kammer angeordnet waren. Die Öffnungen hatten einen Durchmesser von 1 inch (2,54 cm). Durch die Rohrleitung wurde Wasser mit einer Fließgeschwindigkeit im Bereich von 150 gpm (567 l/min) bis 300 gpm (1135 l/min) in den Verteiler eingeleitet. Der Druckverlust über die Öffnungen wurde zu etwa 2,1 kPa (0,3 psi) bestimmt. Die beobachtete Strom-Fehlverteilung, die wie folgt definiert ist:
(Max. Strom aus Öffnung - Min. Strom aus Öffnung) 100% /Min. Strom aus Öffnung ,
betrug etwa 15 %, was hervorragend ist, wenn man den niedrigen Druckabfall über die Verteileröffnungen berücksichtigt. Es ist auch beobachtet worden, daß die Wasserströme, die die Öffnungen verließen, ein symmetrisches, radiales Sprühmuster bildeten.

Beispiel 2

Ein Verteiler, der dem in Figur 1 gezeigten ähnlich war, wurde mit einer 2 inch (5,08 cm) hohen ersten Kammer konstruiert, die mit einem durchsichtigen 2 inch (5,08 cm) Plastikeinleitungsrohr und einer 2 inch (5,08 cm) hohen zweiten Kammer verbunden war. Die zweite Kammer hatte 16 1-inch-(2,54 cm)-Öffnungen, die im gleichmäßigen Abstand in der Seitenwand um die zweite Kammer herum angeordnet waren. Die Vorrichtung enthielt auch einen Satz von 3 konzentrisch angeordneten, zylindrischen Umlenkbleche mit 1-inch-(2,54 cm)-Öffnungen, die versetzt angeordnet waren. Die Vorrichtung wurde getestet, indem Wasser mit Fließgeschwindigkeiten im Bereich von 25 gpm (95 l/min) bis 225 gpm (852 l/min) und Luft mit Fließgeschwindigkeiten im Bereich von 20 SCFM (0,566 m³/min) bis 400 SCFM (11,32 m³/min) durch das Einleitungsrohr eingeleitet wurden. Unter diesen Bedingungen war ein Stoßen in dem durchsichtigen Plastikeinleitungsrohr unmittelbar vor dem Eintritt in die erste Kammer der Vorrichtung beobachtet worden. Allerdings wurden die Strömungsstöße für Luft-Wasser-Ströme, die den Verteiler verließen, über einen breiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten minimiert. Die Strömungsverteilung des Sprühmusters war nach visuellen Beobachtungen gut und umfaßte einen kreisförmigen Bereich mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Muster.
Die hier beschriebene Erfindung kann auf verschiedene Weisen abgeändert werden, ohne daß vom Wesen der Erfindung abgewichen wird, und bestimmte Elemente können durch andere ersetzt werden, die die gleiche beanspruchte technische Funktion haben.
1 inch = 25,4 mm; gpm = gallon pro Minute; 1 (US) gallon = 3,785 Liter; SCFM = Standard Kubikfoot pro Minute; 1 Kubikfoot = 0,0283 m³.

Claims

1. Radialströmungsverteiler (10) umfassend:

- einen zylindrischen Körper (21), der vertikale Seitenwände, eine obere Wand (16) und eine untere Wand (18) aufweist,

- ein horizontale Trennwand (22), die in dem zylindrischen Körper (21) angeordnet ist und den Körper in eine erste Kammer (23) und eine zweite Kammer (24) unterteilt, wobei die horizontale Trennwand eine zentrale Öffnung (25) aufweist, die eine Strömungsverbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer liefert,

- Rohrleitungsvorrichtungen (27), die radial mit der ersten Kammer funktionell verbunden sind, um in diese Flüssigkeit einzubringen, und

- eine Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen (28) in der Seitenwand der zweiten Kammer (24), wodurch unter Betriebsbedingungen Flüssigkeit, die in die erste Kammer eingebracht worden ist, durch die horizontale Trennwand umgelenkt wird, um in die zweite Kammer und dann unter radialer Verteilung durch die Öffnungen in den Wänden zu fließen.

2. Verteiler nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Kammer im wesentlichen gleich groß sind.

3. Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zentrale Öffnung (25) in der horizontalen Trennwand (24) einen Durchmesser hat, der etwa dem 0,25- bis etwa 2-fachen des Durchmessers der Rohrleitung (27) entspricht.

4. Verteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der in der ersten Kammer (23) eine Vielzahl von vertikalen, im Abstand voneinander angeordneten Umlenkblechen (29) enthält.

5. Verteiler nach Anspruch 4, bei dem die in Abständen verteilten, vertikalen Umlenkbleche (29) konzentrische, Öffnungen aufweisende Manschette umfassen oder im wesentlichen aus diesen bestehen, wobei die Öffnungen in jeder Manschette so angeordnet sind, daß sie gegenüber den Öffnungen in der nächsten angrenzenden Manschette versetzt sind.

6. Verteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Öffnungen (28) in der Seitenwand der zweiten Kammer (24) gleichmäßig um die zweite Kammer herum angeordnet sind.

7. Reaktor (11), der einen stromaufwärts liegenden Reaktionsraum (12), einen durch eine Mischzone (14) davon getrennten stromabwärts liegenden Reaktionsraum (13) und einen Verteiler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfaßt, der in der Mischzone angeordnet ist.

8. Reaktor nach Anspruch 7, der eine Trennwand (14a) umfaßt, die eine zentrale Öffnung haben kann und in der Mischzone (14) zwischen dem Verteiler (10) und dem stromabwärts liegenden Reaktionsraum (13) angeordnet ist.

9. Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine oder beide Reaktionsräuine Katalysator oder jeweils Katalysatoren enthalten.