气泡分布器和加氢处理烃类进料流的方法

专利名称：气泡分布器和加氢处理烃类进料流的方法
背景技术：
发明领域本发明涉及用于分布液体烃类和含氢气体混合物的气泡分布器组件。更具体地说，本发明提供了一种改进的气泡分布器组件，装有这种改进的气泡分布器组件的反应器以及加氢处理烃类进料流的方法。
现有技术说明从烃类进料流中脱除不希望的杂质的加氢处理是一种大家熟悉的将重质烃类催化处理以提高其商业价值的方法。“重质”烃类液体流，特别是重油、石油渣油、油砂沥青、页岩油或液体煤或再生润滑油通常含有各种杂质，例如硫、和/或氮、金属和有机金属化合物，这些杂质在加氢处理条件下，在与进料流和氢接触的过程中，常常使催化剂颗粒失活。这样的加氢处理条件通常为212-1200°F(100-650℃)、20-300大气压。通常，这样的加氢处理在含有第Ⅵ或Ⅷ族金属例如铂、钼、钨、镍、钴等与有高的表面与体积比的氧化铝、氧化硅、氧化镁等各种其他含金属元素颗粒相组合的催化剂存在下进行。更具体地说，用于重油等加氢脱金属、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢裂化等的催化剂通常由载体例如氧化铝、氧化硅、氧化硅-氧化铝或者可能还有结晶硅铝酸盐与一种或多种促进剂或催化活性金属(或化合物)、加上其他微量材料制成。通常，所用的催化活性金属为钴、钼、镍和钨；但是其他金属或化合物根据应用也可选用。
因为这些反应必需在高温和高压下通过含氢气体与烃类进料流的接触来进行，所以这样加工的主要费用是在反应器和与这一应用有关的加热炉、换热器、分布板组件、泵、管线以及阀门方面的投资以及应用于中毒催化剂的更换费用以及组装设备的费用。相对低价值的进料例如含有污染化合物的重油的工业化加氢处理需要数千桶至数十万桶每天的流速，每桶液体进料高达10000标准立方呎(1780m3H2/m3油)的氢气流。因此，能完成这一反应过程的反应器是昂贵的，这是因为它需要经受住由氢和含硫化合物引起的腐蚀的金属脆裂，同时又需在高压和高温下进行所需的反应，例如脱金属、脱氮、脱硫和裂化反应。在这样的压力和温度下，处理含氢的流体流的泵、管线和阀门也是昂贵的，因为必需在长达数月的使用期间，保持氢气在这样的压力下不渗漏。为了确保包括分布器板组件在内的所有设备正确地组装和/或制造费用也是很高的。在现有技术的分布器组件中，使组件基本上完全水平以消除烃类进料流的流动分布对分布板组件的水平性的敏感性是重要的。
与以前知道的加氢处理方法显著不同，在颁发给Stangeland等的US5076908中的方法和设备更具体地提供了这样一个体系，其中在宽范围的烃类进料流和氢气的逆流速率下，在基本上填充催化剂床层的整个体积保持催化剂床层的向下活塞流动。通过控制催化剂的尺寸、形状和密度，以致在流体通过催化剂流动的设计速率下催化剂床层基本上不膨胀，从而这样的填充催化剂流在给定的反应器设计体积内基本上保持催化剂的最大体积和密度。
Bischoff等的US 4571326涉及从液体烃类和气体进料流逆流的催化剂床层的中央取出催化剂的设备。这一体系特别涉及确保氢气和液体进料在床层的横截面均匀分布的配置。这样的均匀分布看来是由于在所公开的流动条件下催化剂床层沸腾所产生的。因此，有相当大的反应器空间用于气体和烃类液体进料在流过其他底部进料分布器以前，在反应器下部的最初混合。进料通过在截头圆锥或角锥形漏斗筛下方的“苏尔采板”或“蜂窝状物”六角管形式的分布器设备、在较高的水平面进一步混合。这一配置可包括一个与位于管或板端末之间的筛的下侧面平行的开口斜面。此外，为了保持气体沿催化剂床层长度分布，通过申入反应器中部的星形或环状头形式的向上流动的喷嘴送入急冷气体。取出废催化剂的配置要求至少催化剂下部床层沸腾。正如上述，在流体送入沸腾的催化剂床层以前，为了使氢气和进料均匀混合而增加的反应器空间以及沸腾的催化剂床层使加氢处理反应器所需的尺寸增加，使催化剂的磨损增加，使催化剂床层返混增加，从而大大增加了体系的初始费用和以后的操作费用。
Bischoff等的US 4639354更全面地描述了一种类似于US 4571326的加氢处理方法，其中类似的设备沿催化剂床层竖直高度得到均匀的沸腾，其中包括急冷气体步骤。
Stangeland等在US 5076908中的基本原理和描述之一是，通过特别地选择催化剂颗粒的尺寸、形状和密度，结合适当控制工艺液体和气体的速度，可使催化剂的随意运动和返混减少，使催化剂向下而液体和气体流向上的活塞流特性最大。Stangeland等在宽的加工速率范围内经济地利用了加氢处理反应器内的空间，在烃类进料和含氢气体高逆流速率通过填充床层的过程中，催化剂填充床层没有明显的随意运动或沸腾，同时不间断置换以活塞流通过反应器的床层催化剂。Stangeland等通过选择催化剂颗粒的尺寸、形状和密度，以防止在设计的流速下床层沸腾和膨胀，以便在正常的操作过程中和催化剂输送过程中使反应器中的催化剂数量最大，来得到这样的有高加工速率的活塞流。使用所得到的数据，同时研究催化剂床层的膨胀来选择催化剂，例如，在反应器可利用的反应体积内，在设计的压力和流速下，使用液体烃类、氢气和催化剂在大的中型装置中操作来选择。Stangeland等通过催化剂颗粒在液体浆液体系中的层流，从床层中取出催化剂，在包括通过流量控制阀门的通道在内的反应器和可加压容器之间的整个流路内，液体流线速在直径范围内是均匀的，且比催化剂颗粒大得多。
但是，Stangeland等在US 5076908中公开的方法和设备以及与Stangeland等的US 5076908有关的上述现有技术专利提出的方法和设备都描述和/或提出在装有分布器板组件的反应器中分布器板组件应基本上是水平的。通过分布器板组件的烃类进料流的流动分布对反应器中分布器板组件的水平度很敏感。即使板完全水平，由于液面的晃动和变化，气流也会波动。如果分布器板组件不是水平的，就会影响整个反应器内有关催化剂床层的烃类进料流的分布。此外，这些现有技术的加氢处理方法和设备有时还受含氢气体的气泡太大的影响，也可影响反应器内整个催化剂床层的烃类进料流的分布。所以，需要这样一种方法和设备，或分布器组件，它能产生极稳定和平滑的气体(如含氢气体)和液体(如液体烃类)的混合物流送入室内(如充气室)，而又没有与现有技术方法和设备有关的缺点。
发明概述本发明通过提供一种对通过装有催化剂床层的加氢转化反应段的一种含氢气体和液体烃的烃类混合物进行加氢处理的分布器组件来实现所预期的目的。该分布器组件包括一个具有限定出至少一个开孔的结构的板部件；以及至少一个有管腔的管部件，它连接到板部件，以使管腔与至少一个开孔相通。至少一个管部件有一对开孔端以及在其侧有至少一个管式开孔。管部件有一管轴和管开孔，管开孔有通常垂直于管轴的开孔轴。本发明的设备及方法可用于使任何一种气体混合在任何一种液体中，例如充气池，将CO2加到反应器中等。
本发明通过广义上提供这样一反应器进一步实现所需的目的，该反应器包括一有圆柱形内壁的反应容器，和一个催化剂床层支撑设备，它固定在反应容器的圆柱内壁以支撑催化剂床层。分布器组件固定到反应容器的圆柱形内壁上。
本发明还通过提供一种对通过有催化剂床层的加氢转化反应段的烃类进料流进行加氢处理的方法，进一步实现所需的目的，该法包括以下步骤在具有一个催化剂床层的烃类反应段的反应器段中形成至少一管段；使含氢气体和液体烃类的混合物流入该反应器段，产生放出的含氢气体；使含氢气体和液体烃类混合通过至少一管段流动，而优选同时与放出的含氢气体混合。
无论在说明书和/或权利要求书中，所述的术语“放出的含氢气体”都不是对本发明的实质和范围的限制，它不仅指从与它同时送入反应器的液体烃类中放出的氢气，而且也指未从液体烃类中放出的氢气，它是与液体烃类一起送入反应器的含氢气体本身的一部分。因此，“放出的含氢气体”包括与液体烃类一起送入反应器的含氢气体；从液体烃类本身放出的任何氢气；以及溶解在液体烃类中和/或与液体烃类一起的含氢气体，它随后特别是在送入反应器后从液体烃类中放出。
所以，本发明的一个目的是，提供一种用于对含氢气体和液体烃类的烃类混合物进行加氢处理的分布器组件。
本发明的另一目的是，提供一种装有用于对含氢气体和液体烃类的烃类混合物进行加氢处理的分布器组件的反应器。
本发明的另一目的是，提供一种通过有催化剂床层的加氢转化反应器段流动、优选向上流动的烃类进料流加氢处理的方法。
对于熟悉本专业的技术人员来说，根据仅作为例子的附图所示的本发明优选的实施方案中进行的以下说明，这些目的以及各种附带的目的和特点将变得很清楚。
附图简介

图1为本发明反应器的部分透视剖面图，它有许多悬挂空心提升管的分布器板组件，每一提升管有一开孔，放出的含氢气体通过它与液体烃类和含氢气体的混合物混合；图2说明流入有一开孔的空心提升管的含氢气体和液体烃类的混合物，混合物没有通过空心提升管的开孔，以及进一步说明放出的含氢气体从适合的气体头通过、并进入在空心提升管内的、含氢气体和液体烃类的混合物液面上方的空心提升管中的空间；图3说明向上通过空心提升管并通过空心提升管的开孔流动的液体烃类和含氢气体的混合物，来自适合的气体头的放出的含氢气体通过空心提升管中的开孔流动，并进入液体烃类和含氢气体的混合物中，以便与它混合；图4为1995年6月30日提交的、共同未决的专利申请书No.08/497638的图8中的反应器部分剖面图，说明在活塞流开始以前，有许多彼此重叠层的催化剂床层；图5为1995年6月30日提交的共同未决专利申请书No.08/497638的图9中反应器的部分剖面图，其中催化剂以活塞流方式向下移动；图6为一放大的剖面图，说明通过空心提升管和经过空心提升管中的开孔向上紊流流动的液体烃类和含氢气体的混合物，来自适合的气体头的氢气通过空心提升管中的开孔流入液体烃类和含氢气体的紊流中，以便与紊流混合物混合；以及图7为反应器下部放大的部分立剖面图，说明氢气和液体烃类的流动。
包括本发明优选的和/或最好实施方案在内的发明详述现在详细参考附图，其中本发明类似的部分用相同的编号表示，可见一个反应器，通常表示为10。反应器10包括通常为圆柱形的内壁11和底部半圆形封顶12，有其内表面13。底部半圆形封顶12固定到通常为圆柱形的内壁11上。这样来设计反应器10，以便使与液体烃类流38混合的含氢气体36在至多约300大气压(约4500psi)的压力和至多约650℃(约1200°F)的温度下反应。对于这样的反应来说，含氢气体36和液体烃类流38优选预先混合，然后作为单一的物流(即单一的两相流)通过与底部半圆形封顶12的同轴固定的导管14送入，以便相对反应器10有同轴分布。
反应器10有催化剂床层支撑设备，通常表示为16，以便支撑催化剂床层18，其上有本专业的技术人员熟悉的开孔(未示出)。装在反应器10中的催化剂床层支撑设备16可有任何适合的几何形状，例如同心环形、圆锥形、角锥形、截头多角形式或截头圆锥形等。催化剂床层支撑设备16还可为任何类型设备，优选能确保通过催化剂床层18的含氢气体36和液体烃类流38在整个截面均匀分布的设备。因此，催化剂床层支撑设备16的特殊几何形状或类型不用于不适当地限制本发明的实质和范围。
为了确保在含氢气体36和液体烃类流38的加氢处理过程中最大的催化效果，反应器10在其设计体积内装有尽可能多的催化剂是优选的。因此，将催化剂床层18的支撑设备16在反应器10中放得尽可能地低，同时又确保含氢气体36在液体烃类流38中完全充分地分布是优选的。
对于所选的催化剂，应控制催化剂床层18的上料面，以致使催化剂的沸腾、膨胀或流化最小，同时避免含氢气体36和液体烃类流38向上通过催化剂床层18时不希望地偏移设计流速。为了实现这一点，正如在1995年12月5日颁发的US 5472928中详细讨论的那样，催化剂床层18中的催化剂颗粒尺寸、形状和密度要基本上均匀，并根据进料物流或含氢气体36和液体烃类流38的混合物34的最大设计速率来选择，以防止催化剂床层18的沸腾、膨胀或流化，同时使催化剂以活塞流多层的形式逐步向下通过反应器10。
在这里，图4和5说明催化剂床层18的“活塞流”，可最好地描述为，当最低的体积层A被取出时，相邻的体积层B向下流动，代替最低的体积层A，并假设新的位置为最低体积层B。取出的最低体积层A用上体积层J来替换。通过取出最低体积层B和使相邻的体积层C以活塞方式向下流动，代替最低的体积层B；并假设新的位置作为最低的体层C来再次重复这一步骤(可最好地用图5中的虚线表示)。取出的最低体积层B用上体积层K替换。这一步骤可不断重复，以说明按图5中箭头W的方向移动的催化剂向下活塞流动。
反应器10还装有一般的(栅格结构)圆形板部件22(即分布器板)，它固定到通常为圆柱形内壁11上，以便在催化剂床层支撑设备16和一般的圆形板部件22之间产生充气室(或进口室)24。底部封头通常表示为40，它由底部半圆形封顶12的内表面13和板部件22之间的距离限定出来。含氢气体36和液体烃类流38的混合物34由底部半圆形封顶12支撑，更具体地说由底部半圆形封顶12的内表面13支撑，这样在底部封头40中占有一定的体积部分。混合物34液面和板部件22之间的距离确定了静压头S，其中适合的气体压头50含有放出的含氢气体36A，它来源于含氢气体36和液体烃类流38的混合物34。
正如以前提到的，术语“放出的含氢气体”包括与液体烃类流38一起送入反应器10的含氢气体36、从液体烃类流38本身放出的任何氢气以及溶解在液体烃类流38中和/或与液体烃类流38一起并随后、特别是送入反应器10后从液体烃类流38中放出的含氢气体36。
板(栅格结构)部件22有许多开孔26，它各自与连接板部件22的许多空心提升管28相通，换句话说，板部件22包括许多通过板部件22的开孔26形成的空心提升管28。至少一根空心提升管28(优选全部管子)有管腔29和至少一个开孔30和两个开口端，通常表示为27。
管或空心提升管28的长度可这样来选择，以致在板部件22下方和在混合物34液面上方形成适合的气体压头50，以减小从导管14进入底部封头40的进料流的波动。空心管28接收含氢气体36和液体烃类流38的混合物34，并通过开孔26进入充气室(或进口室)24。
当含氢气体36和液体烃类流38的混合物34通过各个空心提升管28流动时，在静压头S(或适合的气体压头50)内放出的含氢气体进入或通过开孔30，如图3和3中所示。更具体地如图2和3中所示，当混合物34通过导管14进入底部封头40时，放出的含氢气体开始从混合物中放出，并开始形成适合的气体压头50。连续进入底部封头40的混合物34开始流入每一空心提升管28的下部和底部封头40的一定体积部分，以致产生适合的气体压头50，如图1所示。
适合的气体压头50有高于混合物34的压力，以致随着混合物34连续送入底部封头40，混合物34开始向上流动，并通过每一空心提升管28，从开孔26排出，进入充气室(或进口室)24。当适合的气体压头50形成和/或开始形成时，放出的含氢气体36A开始按箭头M的方向流动，并通过每一空心提升管28的开孔30；即放出的含氢气体36A开始流向较低压力区。
图2说明流入每一空心提升管28的混合物34，但未达到开孔30点位，放出的含氢气体36A按箭头M的方向从适合的气体压头50通过每一空心提升管28的开孔30，进入管中混合物34上方的每一空心提升管28的空间。显然如图2进一步所示，如混合物34开始通过各个管腔29流动，并在每一空心提升管28中上升时，一些含氢气体36从混合物34中放出，以致与通过在空心提升管28中的开孔30进入的放出的含氢气体36A混合。图3说明按箭头P方向和以紊流箭头R的方式流动的、并通过空心提升管28的每一开孔30的混合物34，它与按箭头M的方向从适合的气体压头50通过每一空心提升管28中的开孔30进入混合物34的、放出的含氢气体36A以图示方式流动，以便与它混合。
已发现，通过在每一空心提升管28上提供一开孔30，放出的含氢气体36A通过它与混合物34混合可得到以下优点(ⅰ)提供一种送入充气室(或进口室)24的良好稳定的和平稳的含氢气体36和液体烃类流38；(ⅱ)混合物34通过板部件22的开孔26的物流分布对圆形板部件22的水平度不敏感，或者对底部封头40中液面的变化不敏感；(ⅲ)在每一空心提升管28中含氢气体36有再次密切混合(即放出的含氢气体36A和含氢气体36)；以及(ⅳ)在上部排出段有高强度的紊流(见图3中箭头R)(即连接板部件22的开孔26的每一空心提升管28的上段)，促进含氢气体36和/或放出的含氢气体36A的气泡破裂。
开孔30的尺寸经仔细选择，以控制液面确实位于提升管28底部以上和位于开孔30以下。如果开孔30太大，液体将覆盖开孔30，使气体压头50的大小减小。如果开孔30太小，液面将下降，使气体压头的大小增大，甚至达到不覆盖至少一提升管28的下开孔端27的程度。这一未覆盖的提升管将使大量气体通过该提升管，扰动充气室中平稳的气体和液体流。熟悉本专业的普通技术人员可从任何流体流动或水力工程书籍中找到的伯努利原理很容易调整气体压头50的大小，通过提升管28的液体/气体流以及在提升管28中开孔30的尺寸，以致使液面保持在开孔30和提升管28的低开口端27之间，以下文献作为例子在这里作为参考全部并入动量、热量和质量传递，第2版，Bennett和Myers编，1962、1974由Mc Graw-Hill Inc出版。
没有开孔30时，因为随着液体高度迅速变化，会暴露出不同提升管28的底部开口端27，这对气体和液体在提升管随意位置有强烈的阻碍。这就使大的气泡达到催化剂床层支撑设备16的底部，而不是许多小气泡的平稳上升。
因此，通过本发明的实施，提供了一种用于通过装有催化剂床层18的加氢转化反应器段流动(优选向上流动)的、含氢气体36和液体烃类38的烃类混合物34加氢处理的分布器组件。如上所述，圆形板部件22有限定出至少一个开孔26的结构。至少一个有管腔29的管部件或空心提升管28(见图2和3)与板部件22连接，以致管腔29与至少一个开孔26相通。至少一个管部件或空心提升管28在其侧面有至少一个管孔或开孔30。正如图2和3所示，开孔30有垂直于空心提升管28的轴(未示出)的轴(未示出)。
因此，通过本发明的实施，还提供了一种反应器10，它有圆柱形内壁11以及固定到内壁11上的催化剂床层支撑设备16，用于支撑催化剂床层18。如上所述，分布器组件固定到圆柱形内壁11上。更具体地说，对于分布器组件，板部件22固定到反应器10的圆柱形壁11上，并有限定出至少一个开孔26的结构。更具体地说，以及如上所述，本发明的至少一个管部件或空心提升管28有管腔29，管部件与板部件22连接，以致管腔29与至少一开孔26相通。每一管部件或空心提升管28在其侧面有一管开孔30以及有一对开口端。
因此，通过本发明的实施，还提供了一种对通过有催化剂床层的烃类反应器段的烃类进料流进行加氢处理的方法，该法包括以下步骤(ⅰ)在有催化剂床层的烃类反应段的反应器段中形成至少一管段；(ⅱ)使含氢气体和液体烃类的混合物流入反应器段，产生放出的含氢气体；以及(ⅲ)含氢气体和液体烃类通过管段流动，同时与放出的含氢气体混合。
虽然在这里参考特定的实施方案描述了本发明，但打算将各种改进，改变和替代方案包括在上述公开内容中，应当理解，在某些情况下，在不违背本发明的范围条件下，本发明的一些特点被应用，而另一些特点不对应应用。
权利要求
1．一种用于对通过装有催化剂床层的加氢转化反应段的含氢气体和液体烃类进行加氢处理的分布器组件，其中所述的分布器组件包括，有限定出至少一个开孔的结构的板部件；至少一个有管腔的管部件，它与所述的板部件连接，以致所述的管腔与所述的至少一个开孔相通；以及所述的一个管部件在其侧面有至少一个管开孔。
2．根据权利要求1的分布器组件，其中所述的管部件有管轴，而所述的至少一个管开孔有通常垂直于所述管轴的开孔的轴。
3．一种对流过装有催化剂床层的加氢转化反应段的烃类进料流进行加氢处理的方法，该法包括以下步骤(a)在有催化剂床层的烃类反应段的反应器段中形成至少一管段；(b)使一种含氢气体和液体烃类的混合物流入步骤(a)的反应器段，产生放出的含氢气体；以及(c)使步骤(b)的混合物流过步骤(a)的管段，同时与步骤(b)的放出的含氢气体混合。
4．一种反应器，它有一个圆柱形内壁的容器；一个固定在所述容器的所述圆柱形内壁上的催化剂床层支撑设备，用于支撑催化剂床层；一个固定在容器圆柱形内壁上的、有限定出至少一个开孔的结构的板部件；具有一个管腔的至少一个管部件，它与所述的板部件连接，以致所述的管腔与所述的至少一个开孔相通；以及所述的至少一个管部件在其侧面有至少一个管开孔。
5．根据权利要求4的反应器，其中所述的管部件有一个管轴，而所述的至少一个管开孔有通常与所述管轴垂直的开孔的轴。
全文摘要
一种用于含氢气体和液体烃类的烃类混合物加氢处理的分布器组件。该分布器组件有一圆形板,许多空心提升管连接其上,使含氢气体和液体烃类通过圆形板部件中的开孔分布。每一空心提升管在其相关的侧面上有一个管开孔。分布器组件与反应器的内壁连接。还提出一种加氢处理烃类进料流的方法,它包括,使含氢气体和液体烃类的混合物流入反应段,产生放出的含氢气体;含氢气体和液体烃类的混合物通过许多管段流动,同时与放出的含氢气体混合。
文档编号C10G45/16GK1214077SQ97193150
公开日1999年4月14日 申请日期1997年1月6日 优先权日1996年3月18日
发明者B·E·莱诺德斯, B·E·斯坦格兰德, K·帕里米, R·W·巴切特 申请人:切夫里昂美国公司