Реактор с псевдоожиженным слоем и способ гидрирования в реакторе

Реактор с псевдоожиженным слоем и способ гидрирования в реакторе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к реактору и способу, в котором применяют этот реактор, и, в частности, к реактору с псевдоожиженным слоем и способу гидрирования, включающему применение такого реактора.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Вследствие изменений в объеме добычи тяжелой сырой нефти и изменений в структуре потребления нефтепродуктов во всем мире, на рынке наблюдается быстрый рост спроса на легкое дистиллятное топливо и быстрое падение спроса на тяжелое (котельное) топливо. Технология переработки тяжелой нефти стала предметом ряда научных исследований, проводимых в отраслях нефтеперерабатывающей промышленности. Технология переработки тяжелой нефти, в основном, включает декарбонизацию (обезуглероживание) и гидрирование.

Декарбонизация главным образом включает деасфальтизацию растворителями, коксование и каталитический крекинг тяжелой нефти и т.д. Несмотря на то что декарбонизация не требует больших инвестиций в средства труда, выход и качество жидких продуктов остаются низкими и, кроме того, способы декарбонизации не соответствуют принятым в настоящее время экологическим требованиям. В то же время добываемая нефть постепенно становится тяжелее и хуже по качеству, и с каждым годом относительный выход остаточного масла из сырой нефти увеличивается, уже достигая 70% масс. или более. Наиболее широко используемой методикой декарбонизации тяжелой нефти или остаточного масла является коксование, в результате которого в качестве побочного продукта, в общем случае, получают большое количество кокса с низкой прибавочной стоимостью.

В соответствии с состоянием катализатора в реакторе, способы гидрирования разделяют на гидрирование с неподвижным слоем, гидрирование с движущимся слоем, гидрирование во взвешенном слое и гидрирование в псевдоожиженном слое. Способы, включающие гидрирование, требуют больших капитальных затрат, поскольку в них применяют реакционное оборудование высокого давления, но они позволяют получать высококачественные продукты и высокие выходы жидких продуктов. Гидрирование позволяет максимально облегчать тяжелое или остаточное масло (остаточное масло, получаемое при перегонке нефти). В настоящее время относительно хорошо развитая методика гидрирования остаточного масла состоит в гидрировании остаточного масла на неподвижном слое катализатора, но эта методика ограничена природой исходного материала и предъявляет сравнительно жесткие требования к некоторым параметрам, таким как содержание металла в исходном материале, содержание углеродистого остатка и т.д. Переработка тяжелой нефти как во взвешенном слое, так и в движущемся слое имеет определенные преимущества, но в последние годы развитие этих способов происходит медленно. Поскольку гидрирование во взвешенном слое приводит к концентрации больших количеств тяжелых металлов в хвостовых нефтяных погонах, переработка и утилизация хвостовых нефтяных погонов затруднена. При гидрировании с движущимся слоем катализатора сырую нефть и катализатор в общем случае пропускают через реактор в одном направлении или противотоком, и тяжелая нефть обрабатывается в присутствии катализатора, имеющего наивысшую активность. Этот способ дает хороший выход гидрирования, но требует больших количеств катализатора, и гидрирующая активность катализатора используется не в достаточной степени.

В настоящее время методика гидрирования в псевдоожиженном слое может включать добавление и извлечение катализатора в режиме онлайн (без прекращения работы оборудования, англ. "online"), может быть адаптирована для различных исходных материалов и может гарантировать длительную работу оборудования. Эта методика быстро развивается. Реактор с псевдоожиженным слоем содержит трехфазный псевдоожиженный слой, включающий воздух, жидкую и твердую фазы. В таком реакторе может быть обработана тяжелая сырая нефть низкого качества, содержащая большие количества металлов и битума. Характеристики такого реактора включают: небольшой перепад давления, равномерное распределение температур, постоянную активность катализатора в течение всего рабочего цикла и возможность добавления свежего катализатора и удаления отработанного катализатора в процессе работы оборудования.

Для оборудования с псевдоожиженным слоем добавление и извлечение катализатора в режиме онлайн необходимо для обеспечения должного качества продукта, устойчивого режима работы и длительного срока службы. В настоящее время в способах гидрирования в псевдоожиженном слое средства добавления катализатора в режиме онлайн в общем случае включают газофазную транспортировку, жидкофазную транспортировку или непосредственное добавление твердого катализатора из расположенного в верхней части реактора резервуара для хранения, находящегося при высоком давлении, в реактор с псевдоожиженным слоем под действием силы тяжести. Для поддержания катализатора в реакторе с псевдоожиженным слоем в состоянии высокого псевдоожижения в реакторе следует поддерживать постоянные вязкость жидкости, давление реакции, скорость газожидкостного потока и температуру реакции. Тем не менее, непосредственное добавление свежего катализатора в реактор с псевдоожиженным слоем может вызывать временные флуктуации перечисленных параметров, приводящие к временной нестабильности псевдоожиженной среды и рабочих условий в реакторе. Кроме того, из-за высокой начальной активности свежего катализатора, его добавление непосредственно в реактор с псевдоожиженным слоем и последующий контакт и смешивание с исходным некачественным тяжелым остаточным маслом приводит к быстрому накоплению углеродных отложений на катализаторе и быстрому снижению активности, что снижает эффект гидрирования и повышает частоту замены катализатора.

В патентных документах CN 101418222A, CN 1335357A и CN 101360808A, относящихся к предшествующему уровню техники, описана обработка низкокачественного остаточного масла. В патентном документе CN 101418222A описано комбинированное реакционное устройство, включающее псевдоожиженный слой и взвешенный слой. В патентном документе CN 1335357A описано комбинированное реакционное устройство, включающее разрыхленный слой и движущийся слой катализатора. В патентном документе CN 101360808А описаны по меньшей мере два реактора с восходящим потоком, соединенные последовательно. Тем не менее, ни в одном из этих документов предшествующего уровня техники не описана обработка катализатора в режиме онлайн, после того как активность катализатора, находящегося в реакторе, перестает соответствовать заданным требованиям.

В патентном документе US 4398852 описан способ добавления катализатора в реактор с псевдоожиженным слоем в режиме онлайн, который включает следующие этапы: добавление катализатора в контейнер для катализатора, стойкий к высокому давлению; подачу в контейнер водорода до достижения давления реакции и открытие клапана, установленного на трубопроводе, соединяющем контейнер для катализатора с реактором, в результате которого катализатор транспортируется в реактор с псевдоожиженным слоем под действием силы тяжести. Согласно этому способу, катализатор добавляют непосредственно в реактор с псевдоожиженным слоем под действием силы тяжести, что приводит к быстрому накоплению углеродных отложений при контакте свежего активного катализатора с низкокачественным исходным материалом, то есть к ускорению деактивации и повышению частоты замены катализатора. В то же время, поскольку температура предварительно нагретого катализатора и водорода ниже температуры реакции, температура реакции в псевдоожиженном слое будет колебаться, вызывая дестабилизацию рабочего режима и снижение качества продукта.

В патентных документах US Re 25770 и US 4398852 описана характерная методика обработки в псевдоожиженном слое, согласно которой в реакторе с псевдоожиженным слоем установлен стакан для внутренней циркуляции, предназначенный для разделения газа и жидкости, который повышает степень превращения жидкостного вещества. Тем не менее, практическое применение этой методики имеет следующие недостатки: в реакторе имеется небольшой запас катализатора и пространство внутри реактора используется неэффективно; ремонт циркуляционного насоса требует серьезных затрат и при поломке или неправильной работе циркуляционного насоса катализатор оседает и образует агрегаты, что приводит к остановке устройства. Кроме того, при нахождении жидкостного продукта в реакторе слишком длительное время в отсутствие каталитического гидрирования, он подвергается второй реакции термического крекинга при высокой температуре, образуя кокс, что также снижает качество продукта.

В патентных документах CN 02109404.7 и CN 101376092А, соответственно, описан реактор с псевдоожиженным слоем нового типа, снабженный трехфазным сепаратором с направляющим отверстием, применяемым для эффективного разделения газовой, жидкостной и твердой фаз. По сравнению с характерными реакторами с псевдоожиженным слоем, он имеет простую конструкцию, им легко управлять, и такой реактор обеспечивает высокую степень утилизации. Тем не менее, так как отношение высоты к диаметру в реакторе с псевдоожиженным слоем довольно велико, в общем случае составляет от 1:6 до 1:8 и большая часть эффективного реакционного пространства, за исключением трехфазного сепаратора в верхней части реактора, представляет собой полую трубчатую конструкцию, в реакторе отсутствует конструкция, обеспечивающая положительный массоперенос, то есть существующий перенос массы между газом, жидкостью и твердым веществом не слишком эффективен. Таким образом, гидрирование жидкостного продукта происходит неэффективно, что приводит к низкому качеству получаемого продукта. Кроме того, реактор с псевдоожиженным слоем представляет собой реактор с противоточным смешиванием, т.е. из реактора, вместе с потоком прореагировавшего материала, выпускается часть непрореагировавшего исходного материала, то есть степень превращения исходного материала невысока.

Также был описан реактор предшествующего уровня техники с псевдоожиженным слоем, включающий две или более реакционные секции. Такой реактор с псевдоожиженным слоем включает компонент для разделения трех фаз, разделяющий газ, жидкость и твердые вещества; в таком реакторе можно последовательно осуществлять гидродеметаллизацию, гидродесульфирование и гидроденитрификацию, применяя в каждой реакционной секции один или два катализатора. Компонент для разделения трех фаз состоит из элемента для направления потока и элемента для запирания потока, где элемент для направления потока представляет собой сужающийся или конусообразный элемент, имеющий с двух концов отверстия, одно из которых меньше другого; кроме того, используют верхний элемент для направления потока и нижний элемент для направления потока, в которых отверстие верхнего конца нижнего элемента для направления потока находится на одной оси и соответствует отверстию на нижнем конце верхнего элемента для направления потока. В действительности, такой реактор представляет собой реактор большого размера, образованный комбинацией из двух реакторов, не имеющий трубопроводов, соединяющих реакторы и другие устройства, такие как сепараторы и сливные резервуары. Преимуществом этого реактора является адекватное использование тепловой энергии; тем не менее, он имеет следующие недостатки: огромный размер реактора, затрудняющий его транспортировку, установку, работу и ремонт; при увеличении реакционных секций в одном реакторе также увеличивается количество трехфазных сепараторов, что усложняет конструкцию всего реактора; кроме того, чем больше количество трехфазных сепараторов, тем больше места они будут занимать в реакторе и тем меньше остается эффективного пространства для протекания реакций между газом, жидкостью и твердым веществом, что означает неэффективное расходование ресурсов, поскольку реактор с псевдоожиженным слоем, работающий при высокой температуре и высоком давлении, имеет очень высокую стоимость; кроме того, для работы множества секций, соединенных последовательно, необходимы стабильные рабочие условия и правильная конструкция тарелки для распределения газожидкостного потока между секциями, поскольку временные флуктуации параметров влияют на разделяющее действие трехфазного сепаратора, а именно, твердые частицы, захваченные газом и жидкостью, блокируют распределительную тарелку и дестабилизируют нормальную работу устройства.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для преодоления недостатков предшествующего уровня техники настоящим изобретением предложен реактор с псевдоожиженным слоем, включающий множество внутренних циркуляционных зон, позволяющий эффективно повышать степень превращения исходного материала.

Для реализации поставленной задачи изобретением предложен реактор с псевдоожиженным слоем, включающий кожух реактора, установленный вертикально относительно земли, и фазовый сепаратор, установленный в верхней части кожуха. Под фазовым сепаратором находится внутренняя циркуляционная зона, которая включает цилиндр, сужающуюся диффузионную секцию и направляющую конструкцию; при этом как цилиндр, так и сужающаяся диффузионная секция, установленная на нижнем конце цилиндра, установлены внутри кожуха реактора и направляющая конструкция установлена на внутренней стенке кожуха реактора на нижнем конце сужающейся диффузионной секции. Направляющая конструкция представляет собой кольцеобразный выступ на внутренней стенке реактора, который, согласно настоящему изобретению, имеет форму продольного сечения вдоль оси реактора, выбранную из группы, состоящей из трапециевидной, арочной, треугольной, полукруглой или любой другой эквивалентной или модифицированной формы, и имеет функцию направляющей. Верхний конец цилиндра представляет собой расширяющуюся конструкцию с небольшим расширением.

Конкретная конструкция нового реактора с псевдоожиженным слоем согласно настоящему изобретению описана ниже.

В нижней части кожуха реактора находится отверстие для впуска исходного материала и тарелка для распределения газожидкостного потока. В верхней части кожуха реактора находится отверстие для выпуска газа, и на верхней части стенки кожуха находится отверстие для выпуска жидкости, которое находится на стенке кожуха реактора между отверстием на верхнем конце внутреннего цилиндра фазового сепаратора и отверстием на нижнем конце внешнего цилиндра фазового сепаратора. Фазовый сепаратор установлен в верхней части внутреннего пространства кожуха и включает два концентрических цилиндра, имеющих разные внутренние диаметры, т.е. внутренний цилиндр и внешний цилиндр. Верхний и нижний концы внутреннего и внешнего цилиндров открыты; отверстие на верхнем конце внешнего цилиндра расположено выше отверстия на верхнем конце внутреннего цилиндра, а отверстие на нижнем конце внешнего цилиндра расположено выше отверстия на нижнем конце внутреннего цилиндра. Нижний конец внутреннего цилиндра представляет собой сужающуюся диффузионную секцию; диаметр отверстия этой диффузионной секции (т.е. отверстия на нижнем конце внутреннего цилиндра) меньше внутреннего диаметра реактора. Нижний конец внешнего цилиндра также представляет собой сужающуюся диффузионную секцию; диаметр отверстия этой диффузионной секции (т.е. отверстия на нижнем конце внешнего цилиндра) также меньше внутреннего диаметра реактора.

Внутренний цилиндр фазового сепаратора представляет собой центральную трубу сепаратора. Кольцеобразное пространство между внутренним цилиндром и внешним цилиндром образует отражательный цилиндр сепаратора. Кольцеобразное пространство между внешним цилиндром и внутренней стенкой реактора представляет собой область сбора чистого жидкостного продукта, получаемого в фазовом сепараторе. Отверстие на нижнем конце внутреннего цилиндра является отверстием для выпуска потока. Кольцеобразное отверстие, образованное отверстием на нижнем конце внутреннего цилиндра и внутренней стенкой реактора, представляет собой отверстие для выпуска нисходящего потока катализатора из фазового сепаратора, через которое отделенные частицы твердого катализатора возвращаются в слой катализатора.

Конкретный размер и относительное расположение каждого из компонентов фазового сепаратора может быть определено специалистом в данной области техники в соответствии с размером катализатора, емкостью реактора, условиями реакции и степенью разделения, с помощью вычислений или простых испытаний или с помощью традиционных средств, известных в данной области техники, например средств, описанных в патентных документах CN02109404.7 или CN101376092A, поданных Заявителем настоящего изобретения.

Внутренняя циркуляционная зона включает цилиндр, сужающуюся диффузионную секцию и расположенную вблизи нее направляющую конструкцию. Цилиндр присоединен к сужающейся диффузионной секции, а диаметр нижнего отверстия сужающейся диффузионной секции меньше внутреннего диаметра реактора. Направляющая конструкция расположена рядом с сужающейся диффузионной секцией. Таким образом, все три компонента образуют внутреннюю циркуляционную зону. В соответствии с требуемыми отношением высоты реактора к его диаметру и степенью превращения, реактор может включать одну или более, предпочтительно 2-3, внутренние циркуляционные зоны, а внутренние диаметры разных цилиндров внутренних циркуляционных зон могут быть как одинаковыми, так и различными. Направляющая конструкция может представлять собой кольцеобразный выступ на внутренней стенке реактора, имеющий, согласно настоящему изобретению, форму продольного сечения вдоль оси реактора, выбранную из группы, состоящей из трапециевидной, арочной, полукруглой, треугольной или любой другой эквивалентной или модифицированной формы, и имеющий функцию направляющей.

Касательная в точке пересечения стороны направляющей конструкции, находящейся вблизи фазового сепаратора, со стенкой реактора образует угол с внутренней стенкой реактора, называемый углом перекрывания. Угол перекрывания представляет собой острый угол, который предпочтительно составляет менее 60 градусов. Касательная в точке пересечения другой стороны направляющей конструкции, удаленной от фазового сепаратора, со стенкой реактора образует угол с внутренней стенкой реактора, называемый углом трения. Угол трения также представляет собой острый угол, который предпочтительно составляет менее 60 градусов. Значение диаметра направляющего отверстия, образованного направляющей конструкцией, находится в диапазоне от значения диаметра внутреннего цилиндра до значения диаметра внешнего цилиндра фазового сепаратора.

Согласно настоящему изобретению в реакторе гидрирования с псевдоожиженным слоем непосредственно ниже фазового сепаратора может находиться дополнительная направляющая конструкция. Дополнительная направляющая конструкция расположена на участке выше средней части реактора, между фазовым сепаратором и внутренней циркуляционной зоной. Дополнительная направляющая конструкция аналогична направляющей конструкции, установленной во внутренней циркуляционной зоне.

Отверстие для выпуска газа в общем случае располагают в центре верхней части реактора.

Для извлечения из реактора отделенной чистой жидкости в верхней части стенки кожуха реактора между отверстием, находящимся на верхнем конце, и отверстием, находящимся на нижнем конце внешнего цилиндра фазового сепаратора, в общем случае располагают отверстие для выпуска жидкости.

В общем случае в верхней части фазового сепаратора находится буферное пространство, в котором происходит обогащение газообразного продукта, получаемого после фазового разделения и извлекаемого из реактора через отверстие для выпуска газа.

В общем случае отношение высоты к диаметру реактора составляет от 0,01 до 0,1.

Реактор с псевдоожиженным слоем согласно настоящему изобретению в общем случае дополнительно включает по меньшей мере один компонент для извлечения катализатора из реактора и по меньшей мере один компонент для подачи в реактор свежего катализатора. Компонент для подачи свежего катализатора в общем случае находится в верхней части реактора, в то время как компонент для извлечения катализатора в общем случае находится вблизи нижней части реактора. Например, в верхней части кожуха реактора находится трубопровод для подачи катализатора, а в нижней части реактора находится трубопровод для извлечения катализатора. Система замены катализатора и способ ее применения могут быть любыми подходящими устройствами или способами, например способами, описанными в патентных документах US 3398085 или US 4398852.

Для создания равномерного контакта исходного реагирующего материала с катализатором, находящимся в реакторе, в общем случае в нижней части цилиндрического кожуха реактора установлена тарелка для распределения газожидкостного потока. Тарелка для распределения газожидкостного потока может иметь любую конструкцию, способствующую равномерному распределению газа и жидкости, например, тарелка может представлять собой колпачковую тарелку.

Принцип работы внутренней циркуляционной зоны реактора с псевдоожиженным слоем состоит в следующем. При протекании материального потока через секции реактора, имеющие разные площади поперечного сечения, скорость потока изменяется. Материальный поток в реакторе с псевдоожиженным слоем состоит из трех фаз: газообразной фазы, жидкостной фазы и твердой фазы, а именно: катализатора, находящегося в твердом состоянии, реакционного потока, находящегося в жидком состоянии, газообразного водорода и полученных легких газообразных углеводородов. При изменении площадей поперечного сечения секций реактора, через которые протекает поток, скорости потоков газа и жидкости также изменяются, и в этом случае захваченный газожидкостным потоком катализатор будет находиться во взвешенном состоянии или осаждаться. По мере протекания реакции в реакторе с псевдоожиженным слоем из жидкофазного исходного материала образуется часть легких компонентов, которые поднимаются вместе с водородом вверх через реактор, в то время как часть полученной в результате реакции жидкостной фазы и непрореагировавший исходный материал движутся в одном режиме с катализатором, т.е. быстро поднимаются вверх по реактору в зоне ускорения текучей среды, имеющей меньшую площадь поперечного сечения, и опускаются противотоком к основному потоку на участке, на котором площадь поперечного сечения резко увеличивается.

Гидрирование низкокачественной сырой нефти в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора, включающем внутреннюю циркуляционную зону и фазовый сепаратор, позволяет повышать степень превращения жидкофазных тяжелых компонентов. Конструкция реактора с псевдоожиженным слоем позволяет усиливать массоперенос и теплопередачу между потоками внутри реактора.

Другая задача изобретения состоит в создании способа гидрирования в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора, обеспечивающего стабильную работу устройства с псевдоожиженным слоем катализатора во время добавления катализатора, и, таким образом, обеспечивающего стабильный рабочий цикл устройства, а также позволяющего получать более высокое качество продукта за счет дополнительной обработки потока после проведения реакции в псевдоожиженном слое.

Техническое воплощение способа гидрирования в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора согласно настоящему изобретению состоит в следующем.

После нагревания в нагревательной печи смесь низкокачественной сырой нефти и водорода направляют в реактор с псевдоожиженным слоем в виде поднимающегося вверх потока для проведения реакции каталитического гидрирования, а выходной поток разделяют на газообразную и жидкостную фазы. Часть получаемой жидкостной фазы направляют в реактор с разрыхленным слоем, соединенный с реактором с псевдоожиженным слоем трубопроводом, и в реакторе с разрыхленным слоем проводят дополнительную реакцию. Когда каталитическая активность катализатора, находящегося в реакторе с псевдоожиженным слоем, снижается до недопустимого уровня, который не может обеспечить требуемое качество продукта, в реактор направляют дополнительное количество свежего катализатора из реактора с разрыхленным слоем. Количество катализатора, необходимое для функционирования реактора с разрыхленным слоем, подают в виде свежего катализатора из питающего резервуара, содержащего свежий катализатор.

В способе согласно настоящему изобретению коэффициент разрыхления слоя в реакторе с разрыхленным слоем составляет от 5% об. до 25% об., предпочтительно от 10% об. до 25% об., наиболее предпочтительно от 15% об. до 20% об. В настоящем описании термин "коэффициент разрыхления" означает отношение разности между уровнем слоя после разрыхления катализатора и уровнем слоя после первоначальной загрузки катализатора к уровню слоя после первоначальной загрузки катализатора. В реакторе с разрыхленным слоем поддерживают следующие рабочие условия: давление реакции - от 6 до 30 МПа, предпочтительно от 10 до 18 МПа; температура реакции - от 350 до 500°C, предпочтительно от 380 до 430°C; объемная скорость - от 0,1 до 5 час^-1, предпочтительно от 1 до 4 час^-1; и объемное отношение количества водорода к количеству нефти - от 400 до 2000, предпочтительно от 600 до 1500.

Количество катализатора, добавляемое в реактор с разрыхленным слоем за один раз, составляет от 2 до 20 количеств катализатора, добавляемого за один раз в режиме онлайн в реактор с псевдоожиженным слоем. Если в реакторе с разрыхленным слоем остается количество катализатора, составляющее от 0 до 5 количеств, добавляемых за один раз в режиме онлайн в реактор с псевдоожиженным слоем, катализатор должен быть добавлен из питающего резервуара, содержащего свежий катализатор, установленного в верхней части реактора с разрыхленным слоем.

После разделения газообразной и жидкостной фаз, полученную жидкостную фазу направляют в реактор с разрыхленным слоем в количестве, составляющем от 5% масс. до 70% масс. от всей жидкостной фазы, получаемой в реакции, предпочтительно от 10% масс. до 50% масс.

Подходящая для обработки способом согласно настоящему изобретению низкокачественная сырая нефть включает одну или более из следующих фракций: атмосферный остаток, вакуумный остаток, деасфальтированную нефть, нефть битуминозных песков, густую (вязкую) сырую нефть, жидкий битум и тяжелую нефть, полученную при ожижении угля.

В реакторе с псевдоожиженным слоем поддерживают следующие рабочие условия: давление реакции - от 6 до 30 МПа, предпочтительно от 10 до 18 МПа; температура реакции - от 350 до 500°C, предпочтительно от 400 до 450°C; объемная скорость - от 0,1 до 5 час^-1, предпочтительно от 0,5 до 3 час^-1; и объемное отношение количества водорода к количеству нефти - от 400 до 2000, предпочтительно от 600 до 1500.

В способе гидрирования низкокачественной сырой нефти согласно настоящему изобретению катализатор, находящийся в реакторе, может представлять собой традиционный катализатор для гидрирования в псевдоожиженном слое, известный в данной области техники. Характерный катализатор имеет следующие параметры: носитель - тугоплавкий (огнеупорный) неорганический оксид, активный компонент - металл Группы VIB и/или Группы VIII Периодической Таблицы, диаметр частиц катализатора - 0,8 мм, длина частиц - 3-5 мм, и основные физико-химические свойства по существу аналогичны свойствам катализаторов, традиционно применяемых для гидрирования в неподвижном слое. Предпочтительно для осуществления изобретения применяют катализатор, имеющий следующие свойства. Диаметр частиц катализатора составляет от 0,1 до 0,8 мм, предпочтительно от 0,1 до 0,4 мм. Катализатор содержит активные в реакции гидрирования компоненты, включающие металл Группы VIB и/или Группы VIII Периодической Таблицы. Носитель представляет собой AI₂O₃. Катализатор содержит по меньшей мере одно вспомогательное вещество, выбранное из следующих элементов: В, Са, F, Mg, Р, Si, Ti и т.д. Содержание вспомогательного вещества составляет от 0,5% масс. до 5,0% масс. Объем пор катализатора составляет от 0,6 до 1,2 мл/г. Объем пор, размер которых составляет менее 8 нм, составляет менее 0,03 мл/г, в общем случае, от 0,005 до 0,02 мл/г. Средний диаметр пор составляет от 15 до 30 нм. Объем пор, размер которых находится в диапазоне от 15 до 30 нм, составляет 50% или более от общего объема пор, в общем случае, от 50% до 70%. Удельная площадь поверхности составляет от 100 до 300 м²/г, предпочтительно от 120 до 240 м²/г.

Катализатор включает от 1,0% масс. до 20,0% масс. оксида металла Группы VIB (например, MoO₃), предпочтительно от 3,0% масс. до 15,0% масс., и от 0,1% масс. до 8,0% масс. оксида металла Группы VIII (например, NiO или СоО), предпочтительно от 0,5% масс. до 5,0% масс. Износ катализатора составляет 0,1% масс. или менее.

Катализатор, применяемый в реакторе с псевдоожиженным слоем, состоит из микросферических частиц, размеры которых находятся в диапазоне от 0,1 до 0,8 мм. В настоящее время в традиционных реакторах с псевдоожиженным слоем, например в реакторе, описанном в патентном документе US Re 25570 и родственных патентах, в котором имеется стакан для внутренней циркуляции, главным образом обеспечивающий эффективное разделение газа и жидкости, частицы применяемого катализатора по существу имеют тот же размер, что и частицы традиционного катализатора гидрирования, то есть способ согласно настоящему изобретению не подходит для осуществления в традиционных реакторах с псевдоожиженным слоем.

Реактор с псевдоожиженным слоем, применяемый в способе согласно настоящему изобретению, может включать реактор с псевдоожиженным слоем, содержащий такие внутренние компоненты, как трехфазный сепаратор для разделения газов, жидкостей и твердых веществ, направляющее отверстие и т.д. Например, для осуществления способа гидрирования согласно настоящему изобретению подходят оба реактора с псевдоожиженным слоем, описанные в патентных документах CN 1448212A и CN 101376092A. Несмотря на то что эти реакторы могут быть использованы для реализации способа согласно настоящему изобретению, следует учесть, что область наиболее эффективного протекания реакции в реакторах с псевдоожиженным слоем - это цилиндрическая конструкция, массоперенос в которой малоэффективен, то есть выход гидрирования в таких реакторах невелик. Кроме того, реакторы с противоточным смешиванием отличаются тем, что из них извлекают часть непрореагировавшего исходного материала вместе с потоком прореагировавшего материала, то есть в таких реакторах получают низкую степень превращения исходного материала.

В способе гидрирования низкокачественной сырой нефти согласно настоящему изобретению тяжелая сырая нефть может подвергаться комбинированной обработке, включающей применение реактора с псевдоожиженным слоем, содержащего внутреннюю циркуляционную зону, трехфазный сепаратор и реактор с разрыхленным слоем. Это позволяет повышать не только качество продуктов, содержащих легкие масла, но и обеспечивать устойчивый режим работы в основном реакторе, т.е. реакторе с псевдоожиженным слоем, во время подачи катализатора. В таком комбинированном способе обработка тяжелой нефти может происходить в гибком рабочем режиме. Сначала тяжелую сырую нефть подвергают гидрокрекингу в реакторе гидрирования с псевдоожиженным слоем катализатора, а затем реакционный поток направляют в разделительное устройство, в котором получают газообразную фазу и жидкостную фазу, и часть получаемой жидкостной фазы направляют рециклом в реактор с разрыхленным слоем на дополнительное гидрирование. При необходимости подачи катализатора в реактор с псевдоожиженным слоем, поток, в котором находится захваченный катализатор, поступает в реактор с псевдоожиженным слоем из нижней части реактора с разрыхленным слоем. Такой гибкий способ позволяет устранять недостатки существующих в настоящее время способов, связанные с колебаниями температуры и давления в реакторе, вызванными прямой загрузкой катализатора в реактор с псевдоожиженным слоем, и устраняет влияние существующих в настоящее время способов загрузки на псевдоожиженное состояние катализатора и свойства реакционных потоков (например, позволяет устранять недостатки способов загрузки, которые вызывают нестабильность в режиме работы, нежелательный захват катализатора или разбухание слоя катализатора, влияют на качество продукта и рабочий цикл оборудования и т.д.). Напротив, согласно настоящему изобретению, свежий катализатор сначала направляют в реактор с разрыхленным слоем, а затем в реактор с псевдоожиженным слоем, создавая, таким образом, буферный эффект; в этом случае в реакторе с разрыхленным слоем катализатор предварительно нагревается в потоке до температуры реакции, и, таким образом, температуры жидкости, катализатора и газа, поступающих в следующий реактор с псевдоожиженным слоем, по существу равны температуре реагентов в псевдоожиженном слое, что обеспечивает устойчивый режим работы устройства, содержащего псевдоожиженный слой. Кроме того, поскольку сначала свежий катализатор вступает в контакт с потоком, облагороженным в реакции гидрирования в псевдоожиженном слое, первоначальная активность катализатора используется эффективно, углеродные отложения на катализаторе в начальной стадии реакции не образуются, то есть повышается эффективность действия катализатора.

ПОЛЕЗНЫЙ ЭФФЕКТ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Методика согласно настоящему изобретению проста, научно обоснована и целесообразна. По сравнению с предшествующим уровнем техники, реактор с псевдоожиженным слоем и способ гидрирования с применением такого реактора согласно настоящему изобретению имеют следующие преимущества:

1) в реакторе с псевдоожиженным слоем согласно настоящему изобретению имеется одна или более циркуляционных зон, которые могут образовывать множество рабочих зон псевдоожижения, обеспечивающих более высокую гибкость работы реактора с псевдоожиженным слоем в целом.

2) Наличие циркуляционных зон увеличивает время пребывания жидкостного компонента в реакторе с псевдоожиженным слоем, в результате чего повышается выход легких масел.

3) Так как в реакторе с псевдоожиженным слоем поддерживается довольно высокий уровень противоточного смешивания, поток, извлекаемый из реактора, в общем случае, содержит часть непрореагировавшего исходного материала. Создание множества небольших внутренних циркуляционных зон обеспечивает циклическую циркуляцию исходного материала, что повышает степень превращения исходного материала.

4) Фазовый сепаратор реактора с псевдоожиженным слоем представляет собой простую цилиндрическую конструкцию, которая, по сравнению с сужающимися или коническими фазовыми сепараторами предшествующего уровня техники, отличается большей простотой изготовления, меньшими производственными затратами, большей простотой монтажа и обслуживания.

5) По сравнению с применением единственного реактора, применение комбинации реактора с разрыхленным слоем и реактора с псевдоожиженным слоем увеличивает путь и продолжительность реакции, повышает степень удаления загрязнений из реагентов и, соответственно, повышает качество продукта.

6) Три рабочих режима, т.е. гидрирование исходного материала в псевдоожиженном слое, дополнительное гидрирование потока, обработанного в псевдоожиженном слое, в разрыхленном слое и подача катализатора в режиме онлайн, могут быть использованы в разумных комбинациях друг с другом. Это позволяет не только повысить качество готовых продуктов, но и обеспечить длительный устойчивый режим работы устройства при использовании исходного материала, подходящего для гидрирования в псевдоожиженном слое.

7) Подача свежего катализатора сначала в реактор с разрыхленным слоем, а затем в реактор с псевдоожиженным слоем оказывает буферное действие и позволяет производить предварительный подогрев катализатора, обеспечивая стабильность рабочего цикла