布置在流体化床反应器容器中的具有低驻留时间气室的漩涡分离组合件

摘要

本发明提供一种漩涡反应器容器，其包括：主要漩涡分离装置，其安置在外壳内且具有出口；多个二级漩涡分离器，所述二级漩涡分离器安置在所述外壳内，且所述二级漩涡分离器中的每一个都具有主体、入口和出口；其中所述主要漩涡分离装置的所述出口连接到至少一个二级漩涡分离器的所述入口；第一气室，其具有在所述外壳内形成密封环形腔室的边缘和底部，第二气室，其具有比所述第一气室的体积更小的体积；以及二级漩涡分离器支撑系统，其使机械热应力最小化或消除机械热应力；并且其中所述多个二级漩涡分离器的所述出口流体地连接到所述第二气室。

说明书

技术领域

本发明涉及具有低驻留时间气室的漩涡反应器容器。

背景技术

在某些过程(例如烷烃或烷基芳香烃的脱氢)中，重要的是使分子在反应温度下的 驻留时间最小化。在流体化反应器系统中，还必须快速分离流体化催化剂和产物气体以 避免未反应的烷烃或烷基芳香烃以及所产生的产物的进一步降解。流体化反应器设计大 体上具有大于1秒的气体驻留时间。此长驻留时间可能对反应产率具有较大影响。例如， 在丙烷脱氢过程中在反应温度下的1秒驻留时间将导致约0.7mol％的选择性损失。对使 驻留时间最小化的尝试必须与对在高温下支撑漩涡分离器时的机械和热稳定性的需要 平衡，这平衡系统内的热膨胀。

发明内容

本发明是具有低驻留时间气室的漩涡反应器容器。

附图说明

出于说明本发明的目的，以示例性的形式示出了图式；然而，应了解，本发明不限 于所示精确布置和工具。

图1是本发明的漩涡反应器容器的第一实施例的示意图；以及

图2是本发明的漩涡反应器容器的第二实施例的示意图。

具体实施方式

本发明是漩涡反应器容器。

根据本发明的漩涡反应器容器包括：外壳；主要漩涡分离装置，其安置在外壳内且 具有出口；多个二级漩涡分离器，所述二级漩涡分离器安置在外壳内，且所述二级漩涡 分离器中的每一个都具有主体、入口和出口；其中主要漩涡分离装置的出口流体地连接 到至少一个二级漩涡分离器的入口；第一气室，其具有在外壳内形成密封环形腔室的边 缘和底部，其中第一气室通过附接到外壳而被支撑在外壳内；第二气室，其具有用于从 外壳内去除气体的出口管、边缘和底部且具有比第一气室的体积更小的体积；其中二级 漩涡分离器中的每一个通过以下连接中的至少一个而被支撑自第一气室：(a)每个二级 漩涡分离器的出口管到第一气室的边缘和/或底部的附接以及(b)从第一气室边缘和/ 或第一气室底部和/或二级漩涡分离器出口管道延伸到每个二级漩涡分离器的主体的第 一组吊带，其中所述第一组吊带大体上竖直地放置在外壳内；并且其中多个二级漩涡分 离器的出口流体地连接到第二气室。

如本文中所使用，术语“多个二级漩涡分离器的出口流体地连接到第二气室”意 指：二级漩涡分离器的出口允许流出物(流体加未分离固体)从二级漩涡分离器传递到第 二气室中，但二级漩涡分离器的出口并不机械地附接到第二气室。此类流体连接防止二 级漩涡分离器流出物传递到通过外壳和第一气室形成的内部空间中。此类流体连接可以 例如通过使用滑动配合来实现，其中在二级漩涡分离器出口和第二气室边缘之间存在间 隙。二级漩涡分离器出口从第二气室机械地解耦避免了可能由差异热膨胀引起的应力和 /或使所述应力最小化。

主要漩涡分离装置是所属领域中已知的，且包含例如主要漩涡分离器以及可商购的 名称为VSS、LD²以及RS²的系统。主要漩涡分离器在例如美国专利第4,579,716号、第 5,190,650号以及第5,275,641号中描述。在将主要漩涡分离器用作主要漩涡分离装置 的一些已知的分离系统中，将一组或多组另外的漩涡分离器(例如二级漩涡分离器和三 级漩涡分离器)用于催化剂与产物气体的进一步分离。应理解，在本发明的实施例中可 以使用任何主要漩涡分离装置。在各种情况下，来自主要漩涡分离装置的流出物进入二 级漩涡分离器以用于进一步分离。

图1说明漩涡反应器容器10的实施例，其中主要漩涡分离装置由至少一个主要漩 涡分离器20构成。主要漩涡分离器20被容纳在外壳30内且具有主体21、入口22、出 口24以及固体排出料腿26。流体化固体流通过入口22进入主要漩涡分离器20。在主 要漩涡分离器20中，夹带的固体的主要部分(例如催化剂颗粒)与流体化固体流分离。 分离后的固体通过排出料腿26离开主要漩涡分离器，留下主要漩涡分离器流出物，其 包括未被主要漩涡分离器去除的固体以及流体(例如气态产物)。主要漩涡分离器流出 物竖直地朝上传递且通过出口24传递出主要漩涡分离器20，且通过二级漩涡分离器入 口42进入到二级漩涡分离器40中。二级漩涡分离器40进一步包括主体41、出口44以 及固体排出料腿46。二级漩涡分离器40进一步将固体从主要漩涡分离器流出物分离出。 在二级漩涡分离器40中分离出的固体通过料腿46朝下离开。二级漩涡分离器出口44 流体地连接到第二气室50。第二气室50包括圆柱形边缘52、底部54以及第二气室出 口56，所述第二气室出口允许二级漩涡分离器流出物从第二气室传递出且离开容器10。 如图1中所示，第二气室被容纳在较大、较高体积的第一气室60内。第一气室60包括 边缘62和底部64。主要漩涡分离器20由第一气室60支撑。

如图1中所说明的实施例中示出，由对称漩涡分离器系统的主要漩涡分离器20的 径向中心线(通过虚竖直线示出)产生的半径确立第一气室的直径。此类布置有助于通 过允许吊带70在外壳内竖直而使热应力最小化或避免热应力。在另一实施例中，确定 第一气室的边缘的长度以使与高内部温度有关的与到外壳的附接相关联的热应力最小 化。在图1中示出的实施例中，至少一个第一吊带70的一个末端优选地在径向中心线 (通过虚竖直线示出)上连接到主要漩涡分离器主体21，且第一吊带70的第二末端连接 到第一气室的底部64。替代地，第一吊带70的第二末端可以附接到第一气室60的边缘 62。应理解，在一些实施例中，可以使用不同类型的主要漩涡分离装置，其中此类装置 不必由第一气室支撑。例如，VSS型主要漩涡分离装置可以搁置在外壳的底部上。

二级漩涡分离器40被固持在第一气室60内且由所述第一气室支撑。在图1中示出 的实施例中，第二吊带75的一个末端连接到二级漩涡分离器的主体41，且第二吊带75 的第二末端连接到二级漩涡分离器40的出口44。替代地，第二吊带75的第二末端可以 附接到第一气室60的底部64或附接到第一气室60的边缘62。

第二吊带75中的每一个大体上竖直地在容器内对准。如本文中所使用，大体上竖 直地意指：吊带与从吊带到第一气室的附接点悬挂的铅垂仪之间的角度等于或小于 30°。等于或小于30°的所有个别值和子范围都包含在本文中且在本文中被揭示。例如， 大体上竖直地涵盖：吊带与从吊带到第一气室的附接点悬挂的铅垂仪之间的角度等于或 小于30°，或在替代方案中等于或小于25°，或在替代方案中等于或小于20°，或在 替代方案中等于或小于15°，或在替代方案中等于或小于10°。优选地，第二吊带75 在二级漩涡分离器的径向中心线(通过虚竖直线示出)处附接到二级漩涡分离器的主体 41。

还在图1中示出，外壳30进一步容纳提升管35。流体化固体颗粒的未分离流通过 提升管35进入外壳，所述提升管终止于板36中。提升管35与主要漩涡分离器20的入 口22流体地连接，即，允许流体化固体颗粒通过，使得流体化固体颗粒的未分离流可 以从提升管35传递到主要漩涡分离器20中。如果使用超过两个漩涡分离器级，那么来 自最后的漩涡分离器级的流出物进入第二气室。应理解，尽管图1说明仅一个主要漩涡 分离器和一个二级漩涡分离器，但可以围绕提升管的外围放置另外的主要和二级漩涡分 离器。例如，出口管45可以连接到另一二级漩涡分离器(未示出)，所述二级漩涡分离 器转而由主要漩涡分离器20或者由另一主要漩涡分离器(未示出)供料。

仍参考图1，外壳30优选地由能够耐受目标过程(即，烷烃和/或烷基芳香烃的脱 氢)的操作条件的材料构造。此类材料包含例如在丙烷脱氢过程中用于高温的耐火材料 加衬的碳钢。在一个实施例中，第一气室60借助于在第一气室边缘62的顶部处的立柱 58从外壳30悬挂。立柱58优选地由与外壳30相同的构造材料构造。第二气室50还可 以借助于较短立柱59附接到外壳30，所述较短立柱优选地由与外壳30相同的材料构造。 外壳内部的组件(例如，主要漩涡分离器、提升管、二级漩涡分离器以及气室)的构造 材料优选地被选择用于适合于在目标过程的温度和压力下使用。对于在高温下操作的催 化脱氢的情况，可以使用304H不锈钢等材料。二级漩涡分离器出口和第二气室的内表 面可以用耐高磨损的耐火系统(AA22S或R-MaxMP或Actchem85)加衬。

图2示出替代实施例，其中第二气室50的底部54形成第一气室60的底部64的一 部分。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了主要漩涡分离装置包括至少一个主要漩涡分离器，每个主要漩涡分离器具有入 口和出口。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了每个主要漩涡分离器都借助于第二组吊带附接到第一气室的边缘和/或底部， 并且其中第二组吊带大体上竖直地放置。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了二级漩涡分离器的出口借助于滑动配合连接到第二气室。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了第一气室进一步包括用于准许吹扫气体进入到第一气室的环形体积中的入口以 及用于从第一气室释放吹扫气体的出口。在一个实施例中，吹扫气体通过在二级漩涡分 离器出口和第二气室的边缘之间的滑动配合从第一气室释放到第二气室中。在特定实施 例中，吹扫气体选自由以下各项组成的群组：甲烷、氢气、产物气体、蒸汽以及惰性气 体。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了所述容器是流体化床反应器、提升管反应器、快速流体化反应器或湍动床反应 器。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了所述容器是流体化催化裂化反应器或再生器。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了所述容器是气化器。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了气体在第二气室中的驻留时间小于或等于0.4秒。小于或等于0.4秒的所有个 别值和子范围都包含在本文中且在本文中被揭示。例如，气体在第二气室中的驻留时间 可以在以下上限的范围内变化：0.4秒；0.35秒；0.3秒；0.25或0.2秒。气体在第二 气室中的驻留时间可以在0.05到0.4秒的范围内变化，或在替代方案中，气体在第二 气室中的驻留时间可以在0.2到0.4秒的范围内变化，或在替代方案中，气体在第二气 室中的驻留时间可以在0.3到0.4秒的范围内变化。

在替代实施例中，本发明是根据本文中所描述的实施例中的任一个的漩涡反应器容 器，除了第二气室经配置以使丙烷脱氢，且从第二气室的入口到出口的丙烯选择性损失 等于或小于0.4摩尔％。等于或小于0.4摩尔％的所有个别值和子范围包含在本文中且在 本文中被揭示。例如，丙烯选择性损失可以在以下上限的范围内变化：0.4摩尔％；0.35 摩尔％；0.3摩尔％；0.25或0.2摩尔％。例如，丙烯选择性损失可以在0.1到0.4摩尔％ 的范围内变化，或在替代方案中，丙烯选择性损失可以在0.2到0.4摩尔％的范围内变 化，或在替代方案中，丙烯选择性损失可以在0.25到0.35摩尔％的范围内变化，或在 替代方案中，丙烯选择性损失可以在0.3到0.4摩尔％的范围内变化。

实例

以下实例说明本发明，但并不意图限制本发明的范围。发明性实例1是根据本发明 的用于丙烷脱氢的漩涡反应器容器的模型，其包括主要漩涡分离器、二级漩涡分离器以 及第二气室。

对比实例1和2是漩涡反应器容器的模型，其包括主要漩涡分离器、二级漩涡分离 器和仅用于丙烷脱氢的第一气室。对比实例1利用梁式支撑系统。在此设计中，机械支 撑是具有连杆的梁。连杆可能向上焦化且引起机械问题，即，热膨胀不平衡。对比实例 2使用气室式支撑系统，其不具有移动部分但具有如表2中示出的长驻留时间。

表1和2提供第二气室的尺寸和体积以及连接管道的长度。随后计算在第二气室和 连接管道中的气体驻留时间(针对发明性实例1)。计算第一气室的尺寸和体积以及在第 一气室和内部连接管道中的气体驻留时间(针对对比实例1和2)以及针对每个实例的 丙烯选择性惩罚。

表1

表2

驻留时间(秒) 丙烯选择性损失(摩尔％) 发明性实例1 0.19 0.11 对比实例1 0.70 0.42 对比实例2 1.46 0.86

使用一种模型来说明用本发明实现的可能的丙烯选择性。

高度活性且高度选择性脱氢催化剂是已知的。作为实例，在PCT公开案第WO20120711 号中，表1示出约37.6％的丙烷转化率，其中催化选择性为99.3mol％。在WO20120711 说明的实验，表1在600℃下进行，所述温度是显示出非常低的气相反应的温度。 WO20120711中的表6(以下复制为表3)表示以下催化选择性：将预期产生非常活性且 高度选择性的催化剂。

表3

循环次数 C₃H₈转化率(％) C₃H₆选择性(％) 1 41.8 99.4 2 38.1 99.3 5 37.9 99.3 8 37.6 99.2 10 37.6 99.3

替代地，PCT/US2012/046188中的表9(以下部分复制为表4)示出在625℃下利用 相同催化剂的46.1％的丙烷转化率，其中丙烷到丙烯选择性为96.4％。在625℃下，丙烷 示出明显更多的气相反应，这降低了实验中的整体测量的选择性。为了示出此结果，研 发出如表5中所描述的简单模型。

表4

实例 C₃H₈转化率(％) C₃H₆选择性(％) 6 46.1 96.4

表5催化和气相丙烷→丙烯选择性模型

热动力 单位 催化反应器实验室 In(a) 33.18 Ea/R -33769.5 剩余的丙烷 mol％ 100 平均反应温度 ℃ 625 驻留时间 秒 2 催化转化率 ％ 44 催化选择性 mol％ 99.3 热速率，k mol/秒 0.01197 热转化率 ％ 2.4 转化的热量 ％ 2.4 热选择性 mol％ 45 总转化率 ％ 46.4 总选择性 mol％ 96.5

催化选择性从表5获取，所述表5示出99.3mol％的选择性。丙烷的热选择性从 Froment在《动力学和产物分布(KineticsandProductDistributions)》(1968)的 第440页中的《丙烷的热裂化(ThermalCrackingofPropane)》获取。热反应速率使 用如下文用等式(1)示出的Arrenhius等式来计算，所述等式(1)使用由Froment在 《丙烷的热裂化(ThermalCrackingofPropane)》中描述的Laider系数。

Arrenhius等式的应用从如以下在等式(2)中示出的等式(1)的重新布置获取。 这允许计算每秒的反应的摩尔速率k。

随后获取关于丙烷的热反应速率，所述丙烷在45mol％的选择性下可用。解决催化 性能以实现所测量的总转化率。所得整体选择性随后应接近实验中的测量值。在此情况 下，相较于所测量的96.4mol％，所述模型示出96.5mol％选择性。

本发明用上文所描述的方法通过组合在催化反应器中的预测催化性能与相关联的 气相反应动力来建模。在发明性实例1中，在二级出口管道和内部气室中额外的0.19 秒在整个丙烷到丙烯反应上引起大致0.11mol％的丙烯选择性损失。因为此反应完全在 气相中，所以0.1％的对话的增加的选择性是45mol％，所述45mol％是气相反应选择性。

表6说明用于本文中的发明性实例1的计算。

表6

替代地，如果在不存在较小第二气室的情况下将用于对比实例1的具有在表1中说 明的尺寸的单一第一气室与流体连接的管道一起使用，那么驻留时间将是0.51秒，这 将引起0.42mol％的选择性损失。表7说明用于对比实例1的计算。

表7

最后，如果在不存在较小第二气室的情况下将用于对比实例2的具有在表1中说明 的尺寸的单一第一气室与流体连接的管道一起使用，那么具有驻留时间将是1.46秒， 这将引起0.86mol％的丙烯选择性损失。表8说明用于对比实例2的计算。

表8

热动力 单位 反应器和漩涡分离器 气室 In(a) 33.18 Ea/R -33769.5 剩余的丙烷 mol％ 100 56.9 平均反应温度 C 620 620 驻留时间 秒 5.9 1.46 催化转化率 ％ 37.58 0 催化选择性 mol％ 99.3 99.3 热速率，k mol/秒 0.0097 0.00970 热转化率 ％ 5.6 1.41 转化的热量 ％ 5.6 0.80 热选择性 mol％ 45 45 总转化率 ％ 43.1 43.9 总选择性 mol％ 92.3 91.44 总产率 mol％ 40.2 选择性损失(归因于气室) mol％ 0.86 增加的选择性 mol％ 45

在不脱离本发明精神和基本属性的情况下可以用其它形式实施本发明，并且因此， 应参考所附权利要求书而非前述说明书来指示本发明的范围。