CN103446957A - 一种冷氢推进的旋流式冷氢箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷氢推进的旋流式冷氢箱，混合筒设置在下支撑板中心，旋流管设置在下支撑板上混合筒外侧，与混合筒筒体沿水平方向切向连通；矩形气液下降管垂直设置在旋流管外侧，底部与旋流管外壁沿垂直方向切向连通；气液下降管上部与位于上支撑板上的流体入口连接；冷氢支管下端位于旋流管外侧，与旋流管沿水平方向切向连接；冷氢支管上端通过位于上支撑板上的法兰与位于上支撑板外的冷氢管连接；混合筒内安装有弧形上层旋流叶片，叶片底端垂直设置在上层叶片支撑板上，混合筒出口安装有反向弯曲的弧形下层旋流叶片，叶片底端垂直设置在下层叶片支撑板上；本冷氢箱结构简单，设计合理，使冷氢作为推动气液旋流的动力，提高了流体混合程度。

Description

一种冷氢推进的旋流式冷氢箱
技术领域
本发明涉及一种用于加氢精制和加氢裂化反应器中的冷氢与器内热流体之间的气液混合与换热，也适用于其它温度不同的气液两相或者液液之间的混合、换热。
背景技术
加氢反应属放热反应，因此，对于多床层加氢反应器来说，油和氢气在上一床层反应后温度升高，为了下一床层继续加氢反应的需要，就必须控制混合物的温度，即用冷氢降低反应物料温度。随着加氢技术的进步，反应器越来越庞大，在催化剂床层径向截面上换热不均匀会导致物料温度分布不均匀。例如，某加氢裂化装置在改造前四床层和五床层出口的径向温差分别高达37℃和39℃。由于过大的径向温差，导致五床层下部产生了热点，并很快结块，大大降低了催化剂的使用周期(石油炼制与化工,2000,31(11):51-54)。由于加氢反应多为高温、高压工况，靠增加冷氢输入量或增加空间，都会大大增加设备投资和运行成本。因此，冷氢与热的反应物料必须进行充分的混合，使下一床层得到更均匀的温度和物料分布。因此，冷氢和高温反应物料之间的高效换热是充分发挥催化剂性能以及装置平稳运行的前提。
冷氢箱的结构比较复杂，往往是一种冷氢箱带有多种技术特点，因此相互间区分较困难，但主要分为三种方式：
（1）绕流式。是指反应物下降到混合室外面的环形空间，并经混合室外壁孔进入，而冷氢由混合室内壁孔进入，两者在混合室中初步混合后，在急冷器中进一步绕流，在此过程中达到物料和温度的均匀分布。
（2）折流式。是指反应介质和冷氢从急冷器上端的环形通道进入急冷器，然后折流，从急冷器下端排出，在此过程中实现流体均匀混合。
（3）旋叶式。是指冷氢箱带有叶片，流体在叶片的引导下旋转混合。
Exxon Research and Engineering公司1990年公布的“Quenchassembly design”（US 4,960,571），2004年公布的“Multiphase mixing devicewith improved quench injection for inducing rotational flow”(US20040234434)，2006年公布的“Quench box for a multi-bed，mixed-phasecocurrent downflow fixed-bed reactor”(US 7,112,312)三项专利，都含有绕流与折流的技术特点。Texaco Inc.1995、1996年公布的“Fluids mixing anddistributing apparatus”(US 5,403,560,US 5,567,396)，以及UOP公司1998年公布的“Two phase fluid heat exchange”(US 5,756,055)等，都是如此。而Atlantic Richfield Company在1995年提出的“Method and apparatus formixing and distributing fluids in a reactor”(US 5,462,719)专利则是典型的旋叶式结构。
综上所述，这些专利中描述的冷氢箱设计方法可归纳为：增加停留时间，并通过流体在冷氢箱内的折流碰撞来达到流体混合与传热的目的。这些方法虽已在工业中得到应用而且效果基本令人满意，但还存在体积过于庞大的问题，主要原因在于必须将多种混合方式结合起来才能获得高的混合效率。显然，必须从改进混合方式入手，实现设备结构的多功能化，将绕流、折流、旋转合为一体，开发新型混合设备。
为了更好地利用反应器的空间体积，中国专利ZL 200620162611.7将水力旋流概念引入到冷氢箱的设计中，把流体下落的势能转化为旋流动能，在增加湍流强度的同时，延长停留时间。该专利与专利ZL97202630.4和ZL 00253961.6所发明的两维空间旋流冷氢箱有本质的区别。尽管该专利在概念上有突破，但氧吸收效率实测为61.45％，仍需要进一步改进。
水力旋流冷氢箱ZL 200620162611.7存在的技术缺陷如下：
（1）旋流强度不够。该专利的旋流机械能完全来自于上床层通过降液管向下流动的气液两相动能，这样只能在高的气液流速下才能产生足够的旋转机械能。
（2）冷氢所含机械能未能得到利用。与目前大多数专利一样，冷氢在该专利中也是通过冷氢管喷嘴向反应器喷射的。因此，冷氢只是被当作一种需要混合的介质，而不是一种动力。
（3）降液管采用的是圆柱管。为获得旋流效果，降液管的直径一般不能超过旋流管直径的1/2。而实际上旋流管直径越小则旋流效果越好，因此降液管的直径就需要相应减小，但这使得气液混合流体的下降阻力加大。
（4）混合筒内和混合筒出口均未设置混合元件。虽然降液管与混合筒相切，流体能够以旋流方式进入混合筒，但因混合筒内和混合筒出口段均无混合元件，使得进混合筒的各股物流间不能产生混合。
发明内容：
本发明的目的是提供一种冷氢推进的旋流式冷氢箱，使冷氢不再仅仅是冷却介质，还可作为推动气液旋流的动力。将气液下降管由圆柱形改为矩形，以解决两根圆柱管垂直相切引起的直径约束问题。在混合筒内部和出口安装旋流叶片，以提高流体混合程度。
本发明所述的冷氢推进的旋流式冷氢箱由冷氢管、气液下降管、旋流管、混合筒、上支撑板、下支撑板、冷氢支管、上层旋流叶片、下层旋流叶片、上层叶片支撑板和下层叶片支撑板组成；圆柱形混合筒设置在圆形下支撑板中心，三个圆柱形旋流管设置在下支撑板上混合筒外侧，间隔120°与混合筒筒体沿水平方向切向连通；三个矩形气液下降管垂直设置在旋流管外侧，底部与旋流管外壁沿垂直方向切向连通；气液下降管上部与位于上支撑板上的流体入口连接；三根冷氢支管下端位于旋流管外侧，与旋流管沿水平方向切向连接；冷氢支管上端通过位于上支撑板上的法兰与位于上支撑板外的冷氢管1连接；混合筒内安装有4～6片弧形上层旋流叶片，叶片底端垂直设置在上层叶片支撑板上，混合筒出口安装有反向弯曲的4～6片弧形下层旋流叶片，叶片底端垂直设置在下层叶片支撑板上。
所述的气液下降管宽度与旋流管半径相同，相交位置占旋流管半个圆周。
所述的冷氢支管的直径为旋流管直径的1/4～1/3。
本发明的工作原理如下：
来自反应器外部的冷氢通过冷氢管进入冷氢箱，来自上部催化床层的高温气液混合流体通过上支撑板上的矩型开口通过气液下降管的底部切向流入旋流管，流体由一维流动转变为三维旋流。为提高旋流强度，冷氢从冷氢支管沿水平方向切向进入旋流管。为保证冷氢与气液热流体按相同方向旋转，使气液下降管和冷氢支管均处于旋流管外侧。从旋流管流出的流体再以切线方式进入混合筒进行二次旋流。为提高混合效果，混合筒内安装4～6片向内弯曲的旋流叶片混合筒出口安装反向弯曲的4～6片旋流叶片，将流体向外抛出。
实施效果：
由于从物理本质上看传质和传热过程是类似的，因此可通过测定气-液相传质效率来反映冷氢箱的传热效果。
气-液传质效率的测试采用氧吸收法进行。实验前对自来水进行除氧，以无水亚硫酸钠作为除氧剂，并以硫酸铜作为除氧反应的催化剂，使实验用水处于贫氧状态（小于1.5mg/L）。贫氧水从顶部打入反应器后与空气（含氧21％）在冷氢箱中进行混合传质，通过溶氧分析仪来测量冷氢箱进出口水体中的溶氧浓度。根据氧浓度的实际增加量与理论最大增加量的比率，可得到氧吸收效率，用来表征冷氢箱的混合传质性能。
本发明采用带有三个旋流管（间隔120°）的1米直径冷氢箱（见附图1）进行实验测定，测定项目为压降和氧吸收效率。实验中改变水流量和空气流量，其中空气流量由主体空气和侧线空气（代表冷氢）组成，测定结果见附表1和附表2。其中，附表1的侧线空气量为0，表示冷氢无推进作用。对比附表1和附表2，可见侧线加入冷氢可提高气-液传质效率，在低气液流量下可将氧吸收效率提高20％左右，在高气液流量下提高15％左右。
附表1一米直径冷氢箱气液混合效率的测量结果（侧线冷氢＝0％）
Figure BDA00001689007200051
Figure BDA00001689007200061
附表2一米直径冷氢箱气液混合效率的测量结果（侧线冷氢＝50％）
Figure BDA00001689007200062
Figure BDA00001689007200071
附图说明
图1冷氢箱结构示意图；
图2混合筒结构示意图。
其中：1－冷氢管    2－法兰    3－上支撑板    4－流体入口5－气液下降管    6－旋流管    7－混合筒    8－冷氢支管    9－下层旋流叶片    10－下层叶片支撑板    11-下支撑板    12－上层旋流叶片    13－上层叶片支撑板
具体实施方式
如附图1所示，本发明所述的冷氢推进的旋流式冷氢箱由冷氢管1、气液下降管5、旋流管6、混合筒7、上支撑板3、下支撑板11、冷氢支管8、上层旋流叶片12、下层旋流叶片9、上层叶片支撑板13和下层叶片支撑板10组成；圆柱形混合筒7设置在圆形下支撑板11中心，三个圆柱形旋流管6设置在下支撑板上混合筒7外侧，间隔120°与混合筒7筒体沿水平方向切向连通；三个矩形气液下降管5垂直设置在旋流管6外侧，底部与旋流管6外壁沿垂直方向切向连通；气液下降管5上部与位于上支撑板3上的流体入口4连接；三根冷氢支管8下端位于旋流管6外侧，与旋流管6沿水平方向切向连接；冷氢支管8上端通过位于上支撑板3上的法兰2与位于上支撑板3外的冷氢管1连接；混合筒7内安装有4～6片弧形上层旋流叶片12，叶片底端垂直设置在上层叶片支撑板13上，混合筒出口安装有反向弯曲的4～6片弧形下层旋流叶片9，叶片底端垂直设置在下层叶片支撑板10上。

Claims (3)

1.一种冷氢推进的旋流式冷氢箱，由冷氢管、气液下降管、旋流管、混合筒、上支撑板、下支撑板、冷氢支管、上层旋流叶片、下层旋流叶片、上层叶片支撑板和下层叶片支撑板组成；其特征在于：圆柱形混合筒设置在圆形下支撑板中心，三个圆柱形旋流管设置在下支撑板上混合筒外侧，间隔120°与混合筒筒体沿水平方向切向连通；三个矩形气液下降管垂直设置在旋流管外侧，底部与旋流管外壁沿垂直方向切向连通；气液下降管上部与位于上支撑板上的流体入口连接；三根冷氢支管下端位于旋流管外侧，与旋流管沿水平方向切向连接；冷氢支管上端通过位于上支撑板上的法兰与位于上支撑板外的冷氢管1连接；混合筒内安装有4～6片弧形上层旋流叶片，叶片底端垂直设置在上层叶片支撑板上，混合筒出口安装有反向弯曲的4～6片弧形下层旋流叶片，叶片底端垂直设置在下层叶片支撑板上。
2.根据权利要求1所述的冷氢推进的旋流式冷氢箱，其特征在于：气液下降管宽度为与旋流管半径相同，相交位置占旋流管半个圆周。
3.根据权利要求1所述的冷氢推进的旋流式冷氢箱，其特征在于：冷氢支管的直径为旋流管直径的1/4～1/3。
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