Improvement of the performance of a hydrocracking reactor using a computational fluid dynamics perspective

Abstract

The distribution of the liquid phase at the top of the catalytic bed of a hydrocracking trickle bed reactor was obtained by CFD simulations and coupled to a 1-D hydrocracking reactor model, used to evaluate the performance of the reactor. The design of the distribution system, that operated at industrial conditions (644K and 17MPa), was based on a multiphase CFD study carried out with the commercial software ANSYS Fluent v.15. Three CFD simulations were needed to accurately describe the distribution at the top of the reactor: (1) the gas phase entering to the vapor lift distributor (VLD) unit, a device used to mix the gas and the liquid phases; (2) the VLD itself, and (3) the dispersion zone where a mixture of both phases falls to the top of the catalyst bed from the outlet of the VLD unit. The CFD simulations and the 1-D hydrocracking reactor model were validated using literature data. A parameter variation process was done at the VLD unit and the dispersion zone, to improve the distribution of the liquid phase at the top of the catalytic bed and the performance of the hydrocracking reactor. For the VLD unit the parameter varied was the ratio between the separation plate height and the total VLD height. A comparison of three different cases showed that a value of 0.83 is the best configuration. The evaluation of two different depth distances for the dispersion zone indicates that 40cm offered the best liquid distribution at the top of the bed. With the configurations selected an analysis of different profiles at the top of the catalyst bed, showed the advantage of a careful description of the distribution in the top tray when predicting reactor conversion. An arrangement of VLD units allowed for a conversion of 0.1284 for conditions selected, which is comparable with obtained for the completely mixed case. These results indicate the importance of a proper description of the distribution system in this type of reactors.

Resumen: La distribución de la fase líquida en la parte superior del lecho catalítico de un reactor de hidrocraqueo se obtuvo mediante simulaciones CFD y acoplado con un modelo 1-D para un reactor de hidrocraqueo, se evaluó el desempeño del reactor. El sistema de distribución, operando a condiciones industriales (644 K and 17 MPa), se basó en un estudio CFD multifásico y se llevó a cabo usando el software ANSYS Fluent v.15. Tres simulaciones CFD fueron necesarias para describir correctamente la distribución en la parte superior del reactor: (1) el gas entrando a la unidad de distribución asistida por gas (VLD singlas en inglés), un dispositivo usado para mezclar las fases líquida y gas; (2) la unidad VLD en sí misma, y (3) la zona de dispersión donde una mezcla de las dos fases cae a la parte superior del lecho catalítico desde la salida de la unidad VLD. Los resultados de la simulación CFD y los del modelo 1-D de un reactor de hidrocraqueo fueron validados usando datos de la literatura. Un proceso de variación de parámetros se realizó para la unidad VLD y para la zona de dispersión para mejorar la distribución de la fase líquida en la parte superior del lecho catalítico y el desempeño del reactor de hidrocraqueo. Para la unidad VLD el parámetro variado fue la altura de la placa separadora con respecto a la altura total de la unidad VLD. Una comparación entre tres casos diferentes mostró que un valor 0.83 es la mejor configuración. La evaluación de dos profundidades diferentes para la zona de dispersión indicó que 40 cm ofrece la mejor distribución en la parte superior del lecho. Con las configuraciones seleccionadas un análisis de diferentes perfiles en la parte superior del lecho catalítico, mostro las ventajas de la cuidadosa descripción de la distribución en la parte superior cuando se predice la conversión del reactor. Un arreglo de unidades VLD permite una conversión de 0.1284 para las condiciones seleccionadas, que es comparable con la obtenida para el caso completamente mezclado. Estos resultados indican la importancia de la descripción apropiada de los sistemas de distribución en este tipo de reactores.