CN101721962A - 一种三相沸腾床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相沸腾床反应器，包括反应器壳体和三相分离器，反应器壳体由上至下包括扩大段和直筒段，三相分离器设置在扩大段内，在反应器壳体直筒段的上部设置导向口，导向口为环形通道结构，导向口外侧与反应器壳体直筒段内壁紧密连接，导向口内径为反应器壳体直筒段内径的50％～95％。本发明沸腾床反应器将扩大段、导向口和三相分离器的有机结合，增加了反应器的操作弹性，确保三相分离器的高效分离。该反应器主要适用于不同种类液体和气体物质在与固体颗粒接触情况下进行的化学反应，具有催化剂藏量大，反应器利用率高、结构简单和操作容易等优点。

Description

一种三相沸腾床反应器

技术领域

本发明涉及一种新型气液固三相沸腾床反应器，具体地说是用于不同种类液体和气体物质并流向上与固体颗粒接触情况下进行化学反应的一种改进的三相沸腾床加氢反应器。

背景技术

重油沸腾床加氢反应器属于气、液、固三相流化床反应器，可以处理高金属、高沥青质含量的重、劣质原料油，具有压力降小、温度分布均匀、可保持整个运转周期反应器内催化剂活性均一、可在运转中加入新鲜催化剂和取出废催化剂等特点。

US Re 25,770中描述了典型的沸腾床工艺，采用循环油泵的操作方式，但该工艺方法在实际应用中存在以下不足：反应器内催化剂藏量较少，反应器空间利用率低；循环油泵维护保养费用较高，而且一旦循环油泵工作失常及损坏，就会造成催化剂下沉聚集，结果迫使装置被迫停工；反应器内液体产品在非催化加氢条件下停留时间过长，在高温下很容易进行二次热裂解反应结焦而降低产品质量。

CN02109404.7介绍了一种新型的沸腾床反应器，和典型的沸腾床反应器相比，具有结构简单、操作容易和反应器利用率高等特点。但由于使用粒径为0.1～0.2mm的微球催化剂，催化剂容易随反应油气带出反应器。要保证此种沸腾床反应器的正常稳定操作，关键是要求合理设计反应器的内部结构，使之与上部的高效的三相分离器相配合，将反应油气携带的催化剂分离出来，避免催化剂从反应器中带出造成损失和对下游装置造成影响。该专利介绍的三相分离器的下料口和反应器出口位置操作弹性小，被三相分离器分离下来的催化剂会粘附在催化剂下料口并且下料口处，易发生气相串流现象，影响三相分离器的分离效果，并且带出的催化剂容易堵塞下游装置，不利于装置的长周期运转。

同时，沸腾床反应器中，物料流速在径向上分布不均，在中心区域，流速较高；在边壁区域，流速较低，甚至有向下流动的可能。流速差异随着反应器直径的增大而增大，这就可能导致气泡聚并，大气泡的形成，气相与液相之间接触不充分，流化效果较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可长期稳定操作的新型沸腾床反应器。该反应器结构简单，操作容易，操作弹性大，能够满足长周期稳定运转的需要。

本发明三相沸腾床反应器包括反应器壳体和三相分离器，所述反应器壳体由上往下包括扩大段和直筒段，三相分离器设置在扩大段内，在反应器壳体直筒段的上部设置导向口，导向口为环形通道结构，导向口外侧与反应器壳体直筒段内壁紧密连接，导向口内径为反应器壳体直筒段内径的50％～95％，优选为60％～85％。

本发明沸腾床反应器中，导向口高度占反应器直筒段高度的0.1％～20％，优选0.2％～10％。导向口最好设置在反应器直筒段的靠近扩大段的位置，导向口为环形通道结构，导向口最好上端和下端为锥形扩散结构，中段为直筒形通道结构(导向口的直径指导向口直筒形通道部分的直径)，即导向口的纵向剖面最好为梯形，梯形两个平行边的长边靠近反应器壳体。

本发明沸腾床反应器中，反应器壳体扩大段的直径为直筒段直径的1.2～2倍，扩大段的直径与高之比为0.3∶1～2.0∶1。

本发明沸腾床反应器中，所述的三相分离器设于扩大段内，三相分离器为包括内径不同的两个同心圆筒的套筒结构：内筒和外筒。所述内筒和外筒的上下两端全部开口，内筒和外筒的均包括上段和下段，内筒和外筒的上段均为直筒段，内筒和外筒的下段均为锥形扩散段，外筒的上端开口高于内筒的上端开口，外筒的下端开口高于内筒的下端开口。

本发明沸腾床反应器中，在反应器底部设有原料入口和气液分布器。在反应器扩大段顶部设有气体出口，扩大段上部壳壁设有液体排出口，液体排出口的位置处于三相分离器外筒上端开口和下端开口之间，分别用于将相分离出的气体和液体导出。

本发明沸腾床反应器中，所述三相分离器的内筒(本申请中凡提及内筒均指由内筒上段的直筒段及下段的锥形扩散段构成的整体，提及外筒亦如此)构成三相分离器的中心管，内筒与外筒之间的环状空间组成三相分离器的折流区，外筒与反应器内壁之间的环状空间为澄清液体产品收集区，所述内筒的扩散段开口为物流导入口。三相分离器各组成部件的具体尺寸比例及相对位置，均可以由本领域设计人员根据所使用的催化剂尺寸、反应器处理量、反应条件及分离效果等具体要求通过计算或者简单的试验予以确定。

本发明沸腾床反应器中，反应器壳体扩大段与直筒段采用倒置锥台形结构连接。扩大段与直筒段连接的倒置锥台结构与直筒段延长线夹角(称扩大角)为锐角，扩大角优选为45～60度。扩大段直径(指内径)为直筒段直径(指内径)的1.2～2倍，最好为1.4～1.6倍。扩大段的直径与高之比为0.3∶1～2∶1。直筒段的径高比范围在0.01∶1～0.1∶1之间。

本发明沸腾床反应器三相分离器的上部通常应设置一定的缓冲空间，相分离后的气体产物于此富集并从气体排出口排出反应器。

本发明的沸腾床反应器通常还包括至少一个从所述反应器排出催化剂的部件，和至少一个往所述反应器补充新鲜催化剂的部件。所述补充新鲜催化剂的部件通常设置于所述反应器顶部的位置，而排出催化剂的部件通常位于所述反应器底部附近。例如在反应器壳体顶部设置催化剂添加管，而在底部设置催化剂排出管。反应器上部的催化剂加入管，其投影位置介于三相分离器的外筒与内筒之间，这样加入的新鲜催化剂可以随着此处的物流向下进入催化剂床层。所述的催化剂置换***及使用方法，可以是任何适用的设备或方法，例如可参照自由公知技术如US3398085或US4398852所述的方法进行。

为了使反应原料在反应器中与催化剂均匀接触，一般还应在所述反应器壳体内的底部设置分布器，分布器可以选用任何可以使气体或液体物流均匀分布的结构，例如可采用泡帽结构。最好采用高效多级排列泡帽分布器。设置的泡帽分布器为开孔率一般为0.1％～10％。

本发明沸腾床反应器中，反应器壳体直筒段中部可以设置内构件，促进连续相和分散相的分布，对大气泡进行破碎，改善流化质量，使得流体径向速度分布更加均匀，同时对强烈的湍流进行干扰，提高传质速率。

所述内构件可以是锥形结构或圆柱体结构，在反应器中可以设置2～8个，水平截面积(总计)占反应器水平截面积的0.1％～20％，排列方式可以是上下排列、左右排列，也可以是正三角形、方形和其他排列方式。所述内构件可以对流体进行导向，促进连续相和分散相的分布，抑制大气泡的形成和聚并。

本发明沸腾床反应器可以装填不同粒径的催化剂颗粒，如其中可以装填宽范围粒径的催化剂，如0.1mm～1.0mm；也可以装填窄范围粒径的催化剂，如0.4mm～0.5mm。

与现有技术相比，本发明的沸腾床反应器的优点是：

(1)在反应器壳体适宜位置设置导向口，三相分离器、导向口和扩大段结构有机的结合在一起，提高了三相分离器的操作弹性，确保了三相分离器对催化剂的高效分离，大大减少了催化剂的带出量，避免催化剂的大量带出。

(2)增加了扩大段结构，可以适当降低反应产物导出口的位置，减少了在催化剂浓度较低的高温区液体物流的循环量，防止缩合结焦反应的发生。

(3)增加了扩大段结构，可以适当放大三相分离器下料口的尺寸，有利于分离出的催化剂顺利返回催化剂床层，同时可以有效的防止气体从下料口上串，影响分离效果。增强了三相分离器的操作弹性和效果，可以根据需要灵活装填不同粒径范围的催化剂，增强了对不同催化剂的适应性。可以适当降低反应产物导出口的位置，减少了在催化剂浓度较低的高温区液体物流的循环量，防止缩合结焦反应的发生。

(4)增加了导向口，使得向上的流体直接进入分离器区域，增强了三相分离器的分离效果，同时分离后的固相又很好地顺着导向口滑落回反应器主体区。

(5)设置适宜的内构件，可以对流体进行导向，促进连续相和分散相的分布，抑制大气泡的形成和聚并，改善流化质量，使得流体径向速度分布更加均匀，同时对强烈的湍流进行干扰，提高传质传热效率。

附图说明

图1为本发明反应器的一种实施方案的结构示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的具体特征，将结合附图加以说明。结合附图1，本发明反应器的结构特征和工作原理如下：

反应原料混合后由进料口1进入反应器，经过气液分布器2后均匀的通过催化剂床层7，反应器内可以设置内构件16。反应器直筒段3内的催化剂装量至少为反应器有效容积的20％，通常为40％～70％，最好为50％～60％。在气液相并流上行的作用下，催化剂床层膨胀到一定的高度，其膨胀后体积通常比其静态体积大20％～70％。在反应区内气体及液体原料进行加氢反应，反应后的油气夹带部分催化剂颗粒通过导向口15的导向作用后再通过扩大段4所围成的扩大区域8进入三相分离器11，进行气液固三相分离：气体首先被分离出来，通过气体排出口10排出反应器，分离下来的催化剂经下料口13返回反应区，而基本不含催化剂颗粒的澄清液体物流通过液体排出口12排出反应器。为了及时补充新鲜催化剂和将失活的催化剂排出反应器，可以通过反应器上部的催化剂加入管9往反应***中补充新鲜的催化剂，而通过反应器下部的排放管14可以将部分失活催化剂排出反应***。

扩大段4的下端可以是一个倒置的敞口圆台，当然也可以是其它适宜的几何形状。扩大段角为锐角，最好为45度至60度。

三相分离器11是由内筒5、外筒6构成，连同反应器扩大段4的壳体内壁共同发挥气、液、固的分离作用。内筒5的直筒段构成该三相分离器的中心管，内筒5与外筒6之间的环状空间组成该三相分离器的折流筒，外筒6与反应器扩大段4壳体内壁之间的环状空间为澄清液体产品收集区，上述中心管下端扩散段的开口为物流导入口，该扩散段的开口与反应器扩大段4壳体内壁构成的环状开口为催化剂下料口。为了使折流筒内流体流速加快，改善分离效果，外筒扩散段锥形顶角一般比内筒扩散段锥形顶角至少小20度，最好是小40～80度。

以下结合具体实施例进一步对本发明反应器的结构及使用效果进行描述。

实施例-1

根据本发明所述沸腾床加氢反应器的结构，进行了三相分离器沸腾床中型反应器冷模试验，冷模中型装置的尺寸为：反应器直筒段壳体的内径(直径，下同)＝160mm，导向口内径为120mm，高度80mm，反应器壳体的高度＝3000mm(其中反应器壳体直筒段高度为2100mm)，壳体有效容积60L，分离器高度＝500mm，分离器中心管圆柱部分直径＝135mm，内筒下部锥形开口的底部直径＝190mm，内筒下部锥体部分的高度＝35mm，外筒圆柱部分直径＝160mm，其锥形部分开口的底部直径＝285mm，锥形部分的高度＝30mm，外筒上部开口高于内筒上部开口，外筒下部锥形开口的底部位置高于内筒下部锥形开口的底部位置，两者的高度差＝25mm，分离器外筒上部开口与反应器壳体顶部切线的垂直距离是200mm，液体产品管中心距反应器顶部切线的垂直距离是120mm。扩大段部分直径为300mm，扩大角为45度。操作时选用航空煤油作为液体介质，进油量为30～180L/hr；气相选用氮气，进气量为0.5～3.6Nm³/hr。固相选用粒径为0.1～0.2mm的微球催化剂，催化剂堆积藏量为反应器有效容积的50％。试验结果见表1。

从试验结果看出，在催化剂堆积藏量高达50％的情况下，进料量在相当宽的范围内变化，催化剂带出量均极低，三相流化均匀，效果较好。即在增加了扩大段结构后，进一步改善了三相分离器的分离效果，大大降低了催化剂的带出量。

实施例-2

在冷模试验基础上，在60L中型装置上进行了孤岛常压渣油加氢脱金属试验。其中反应器的尺寸与实施例1相同，试验条件及结果见表2。

比较例-1

反应器的基本结构同实施例1，不同之处在于反应器内未设置导流口结构。反应条件和试验原料同实施例2，其中具体试验条件及结果见表2。

表160L冷模装置进油量、进气量与催化剂带出量的关系

表260L中型热模装置1000小时试验结果

Claims (10)

1.一种三相沸腾床反应器，包括反应器壳体和三相分离器，其特征在于：所述反应器壳体由上至下包括扩大段和直筒段，三相分离器设置在扩大段内，在反应器壳体直筒段的上部设置导向口，导向口为环形通道结构，导向口外侧与反应器壳体直筒段内壁紧密连接，导向口内径为反应器壳体直筒段内径的50％～95％。

2.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述的导向口内径为反应器壳体直筒段内径的60％～85％。

3.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：导向口高度占反应器直筒段高度的0.1％～20％。

4.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：导向口高度占反应器直筒段高度的0.2％～10％。

5.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：反应器壳体扩大段的直径为直筒段直径的1.2～2倍，扩大段的直径与高之比为0.3∶1～2.0∶1。

6.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：三相分离器为包括内径不同的两个同心圆筒的套筒结构：内筒和外筒，所述内筒和外筒的上下两端全部开口，内筒和外筒的均包括上段和下段，内筒和外筒的上段均为直筒段，内筒和外筒的下段均为锥形扩散段，外筒的上端开口高于内筒的上端开口，外筒的下端开口高于内筒的下端开口。

7.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：在反应器底部设有原料入口和气液分布器，在反应器扩大段顶部设有气体出口，扩大段上部壳壁设有液体排出口，液体排出口的位置处于三相分离器外筒上端开口和下端开口之间。

8.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：反应器壳体扩大段与直筒段采用倒置锥台形结构连接，扩大段与直筒段连接的倒置锥台结构与直筒段延长线夹角为锐角。

9.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：沸腾床反应器包括至少一个从所述反应器排出催化剂的部件，和至少一个往所述反应器补充新鲜催化剂的部件，所述补充新鲜催化剂的部件设置于所述反应器顶部，而排出催化剂的部件位于所述反应器底部。

10.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：在反应器壳体直筒段中部设置内构件，内构件是锥形结构或圆柱体结构，在反应器中设置2～8个，水平截面积占反应器水平截面积的0.1％～20％。

Images