CN103657540A - 一种用于沸腾床反应器的气液分布器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于三相沸腾床反应器的气液分布器主要由中心管、泡帽、连接腿和分配板组成；中心管分为上下两段，下段的端部为中心管的物料进口，上段的端部为中心管的物料出口，靠近物料进口的管壁上开有与物料进口相贯通的纵向条缝，在中心管下段设有一孔板混合器，中心管上段开有三个纵向条形孔，泡帽内壁沿圆周方向设有三个纵向排列的连接腿，连接腿包括一个长臂和一个短臂，成角尺状，连接腿的短臂嵌在纵向条形孔内并能沿纵向条形孔上下移动，泡帽通过三个连接腿与中心管上段相连并罩在物料出口上方，泡帽的底部周边能与分配板相贴合。本发明既可以保证气体在液体中破碎为连续的微气泡，均匀分布，又能有效地解决或缓解物料的逆流堵塞问题。

Description

一种用于沸腾床反应器的气液分布器

技术领域

本发明涉及反应器内构件领域，尤其涉及一种用于三相沸腾床反应器的气液分布器。

背景技术

气液固三相沸腾床反应器在工业反应过程中得到了广泛应用，对于反应热很大的反应过程，使用三相沸腾床反应器可以有效的移走反应热，实现反应器的等温操作，保证反应器的正常运行。在三相沸腾床反应器中，气液分布器是保证气体在床层中均匀分布的重要内构件，直接影响反应器的平稳运行和反应效率。

目前国内外公开专利中沸腾床气液分布器根据功能特性分有两大类：截流型(例如US4874583、200910012453.5和201020636320.3等)和非截流型(例如200910012498.2)，现有文献显示目前工业装置上基本采用了美国Texaco公司的带止逆球的泡帽式气液分布器US4874583，中石化抚研院利用催化剂堆积角的特性开发了非截流型气液分布器，可以防止催化剂的大量逆流，但是无法完全回避隔板上方物流的逆流，极易发生堵塞，一般不宜采用。

当沸腾床反应器中液相气含率相同时，气泡直径越小，则气液相界面积越大，传质速率越快，有利于提高反应效果和利用率。同时大气泡在液相中的上升速度高于小气泡，也会造成气体在反应器中的停留时间缩短，或者可以说大气泡使部分气体在反应器中没有与液相接触传质，在一定程度上形成短路。这些都会影响反应物之间的传质效果，并降低反应的转化率。因此现阶段学术界主要关心气液分布器如何使气体分布均匀，产生更多更小的气泡，同时应该具备防止反应器隔板上方带催化剂的物流发生逆流。气固液三相物料在反应器内有效均匀混合、传质效率及操作弹性是沸腾床反应器的重要性能指标，因此，性能优异的气液分布器是沸腾床反应器的关键内构件。

美国Texaco公司的专利US4874583介绍了一种用于沸腾床反应器的气液分布器，为泡帽分布器，主要由泡帽、上升管、止逆球和阀芯等部件组成。泡帽筒体的底部设有条缝，上升管上部和阀芯中部设有流体出口，阀芯下部设有阀座。上升管的下部为带有进气槽(条缝)的气液预混合结构，上升管内设有用于气液混合的孔板混合器。多个泡帽分布器均匀地设置于分布板上。这种气液分布器在使用过程中主要存在如下问题：(1)采用所述的气液混合结构虽然能起到一定的气液混合作用，但是气液容易出现断塞流和脉动流。并且，阀芯内腔的顶端是封闭的，进入到浮起的止逆球上方、阀芯内腔顶部死区的气液会形成回旋流(气液向下回旋流动)。因此，止逆球会在气液物流中上下跳动，造成止逆球和阀芯的碰撞损伤。(2)止逆球在正常浮起位置时，若气液进料突然中断或压力降低，沸腾床中的物料将从流体出口进入止逆球下方的阀芯内腔；止逆球会因下方逆流物料瞬间压力过大而不能迅速落回密封位置实现密封。(3)由于泡罩是圆柱状的，且其上部有螺母与中心杆连接，整个泡罩只能是固定不动，同时泡罩的面积大于分配盘开孔的面积较多，因此物料中的固体颗粒在泡罩上沉积的可能性也较大，这也有可能引起结焦。在实际运行中发现，部分泡罩有被固体沉积物包围的现象。

中石化抚研院的专利200910012453.5介绍的结构在气液混合结构上做了大量改进，气液混合进料平稳。但是上部开孔斜向上方，同时没有泡帽结构的折流，催化剂在隔板上方容易沉积，可能造成沸腾床反应器底部过热而烧坏催化剂，由于缺少泡帽的破碎和扩散气泡作用，气体扩散范围较小，气泡较大，由于分配器出口没有泡帽的折流阻挡作用，逆流时物流将瞬间逆流，中心进料管流速较大，止逆球不易迅速回位，需要一个短暂的回位过程。

神华煤制油公司申请的专利201020636320.3具有圆锥形泡罩，该圆锥泡罩通过多个角尺支腿与该分配盘连接。这种结构的特点是借助了浮阀的特点结构简单，易于操作，密封紧密，流体流量为零时，锥体完全覆盖了分配盘的开孔，隔绝了分配盘上的物料进入分配盘下。该气液分布器在使用过程中存在的问题：(1)缺少气液混合结构，分配板下方的物流在泡帽浮起时进入床层，气泡较大，气泡尾迹影响范围较大，直接导致床层底部波动较大，分配不均；(2)泡罩通过角尺支腿与该分配盘连接，可以自由上下移动，同时在运行过程中存在旋转，旋转运动在破碎气泡和防止催化剂在泡罩上沉积有一定效果，但是长时间的旋转极易导致角尺支腿与分配盘开孔的磨损，可靠性降低，石油化工设备长周期安全运转的意义和效益更大，因此泡帽不宜自由旋转。

发明内容

为了解决现有技术存在的易出现断塞流和脉动流、止逆球密封迟滞及分配盘开孔磨损的技术问题，本发明提供了一种用于三相沸腾床反应器的气液分布器，该分气液分布器强化了气液混合，实现了气液连续均态进料，活动部件稳定，催化剂在反应器底部和泡罩上壁面无沉积。

本发明提供的用于三相沸腾床反应器的气液分布器主要由中心管、泡帽、连接腿和分配板组成：中心管穿过分配板上的开孔，被分配板分为上下两段，下段的端部为中心管的物料进口，上段的端部为中心管的物料出口，靠近物料进口的管壁上开有与物料进口相贯通的纵向条缝，在中心管下段靠近纵向条缝上端的中心管内设有一孔板混合器，中心管上段靠近分配板的管壁上沿圆周方向均匀地开有三个纵向条形孔，泡帽为一底部敞口的罩状物，泡帽内壁沿圆周方向均匀地设有三个纵向排列的连接腿，连接腿包括一个长臂和一个短臂，呈角尺状，连接腿所在的外接圆自径小于中心管内径，连接腿的短臂嵌在纵向条形孔内并能沿纵向条形孔上下移动，泡帽通过三个连接腿与中心管上段活动连接并罩在物料出口上方，泡帽的底部周边能与分配板相贴合。

所述的孔板混合器中心开有一个孔板混合器大圆孔，孔板混合器大圆孔四周均布多个孔板混合器小圆孔。

所述的泡帽呈锥筒形或锥形，锥筒形泡帽分上下、两部分，上部为锥形，下部为圆筒形。

为了使气液实现更好的混合，还可以在分配板和孔板混合器之间的中心管管壁上，沿圆周方向均匀对称的开有由外而内斜向上方的多个中心管小圆孔。

为了实现更好的密封效果，有效防止逆流的发生，还可以在分配板上增设梯形圆环台，在发生逆流时，泡帽底部周边能与梯形圆环台的上底面紧密贴合，实现良好的密封。

为了提高角尺状连接腿的强度，防止连接腿在高温情况下发生变形，影响连接腿的运行，也可以在连接腿内侧增加圆环形加强筋。

本发明具有如下优点：

(1)本发明有完善的气液混合单元，可以使气液均匀混合并流动，防止出现断塞流和脉动流。并且，在泡帽浮起时，进入中心管上段的气液，可以经中心管顶开孔和侧壁开孔流出(至环形通道)，不会在中心管形成回旋流，气液流动保持得较为稳定，泡帽不会在气液物流中上下跳动，其悬浮状态稳定，不会造成角尺状连接腿和中心管上段纵向条形孔的碰撞损伤，保证内构件长周期运行；

(2)泡帽采用三个角尺状连接腿镶嵌在中心管上段条形孔中，三个腿比较稳定，不易卡死，灵活自如。通过纵向条形孔的限制，泡帽仅有上下运动空间，不会因剧烈运动导致磨损，使用周期较长；

(3)中心管除了一个多孔板混合器以后，不存在其他繁琐结构，中心管上端和侧壁都开有孔，流通面积大，可以降低气液进料通过气液分布器时的压力降，同时不易发生催化剂堵塞。

附图说明

图1为本发明的用于三相沸腾床反应器的气液分布器的第一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的用于三相沸腾床反应器的气液分布器的第二种实施例的结构示意图；

图3为连接腿与圆环形加强筋相连接的结构示意图；

图4为图3的A向视图；

图5为梯形圆环台结构示意图；

图6为图5的B向视图。

图中，1-中心管，11-纵向条缝，12-孔板混合器，13-孔板混合器大圆孔，14-孔板混合器小圆孔，15-中心管小圆孔，16-纵向条形孔，2-锥筒形泡帽，21-锥形泡帽，3-连接腿，31-圆环形加强筋，4-分配板，41-梯形圆环台，42-分配板开孔，5-物料进口，6-物料出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于三相沸腾床反应器的气液分布器作进一步的说明。

实施例1

图1为本发明的用于三相沸腾床反应器的气液分布器的第一种实施例的结构示意图，如图所示，本发明提供的气液分布器主要由中心管1、锥筒形泡帽2、连接腿3和分配板4组成。

中心管1穿过分配板4上的分配板开孔(图中以分配板开孔42表示)，被分配板4分为上下两段，上段与下段之间以分配板4的上表面为界，中心管1可以通过整体圆管加工，上段直径一般比下段直径大2-8mm，上段与下段之间形成一个环形台，主要用于中心管1和分配板4的定位和安装。

中心管下段主要用于气液进料，实现气液两相混合。中心管1下段的端部为中心管的物料进口5，物料进口5是中心管1主要的气液进料通道，上段的端部为中心管的物料出口6，靠近物料进口5的管壁上开有与物料进口5贯通的纵向条缝11，纵向条缝11一般为2-8条，沿中心管圆周方向均布，优选4-6条，条缝宽度为2-5mm。纵向条缝11的主要作用是气量过大时气体可以在纵向条缝11处由液体携带进入中心管1。

在中心管下段靠近纵向条缝11上端的中心管内设有一孔板混合器12，孔板混合器12中心开有一个孔板混合器大圆孔13，孔板混合器大圆孔13的直径一般为中心管1内径的50％-80％，孔板混合器大圆孔13四周均布多个孔板混合器小圆孔14，孔板混合器小圆孔14的直径一般为中心管1内径的3％-15％，数量一般为4-8个，均匀分布，孔板混合器12的厚度等于中心管下段壁厚。

为了使气液实现更好的混合，在分配板4和孔板混合器12之间的中心管管壁上，沿圆周方向均匀对称的开有由外而内斜向上方的多个中心管小圆孔15，中心管小圆孔15沿圆周方向分层排布，一般设置为1-4层，每一层含4-8个中心管小圆孔15，孔径一般为2-5mm，中心管小圆孔15的轴向与水平方向所成的倾斜角度为20-60°。

中心管1上段靠近分配板4的管壁上沿圆周方向均匀地开有三个纵向条形孔16，用于锥筒形泡帽2的定位和限制锥筒形泡帽2的行程空间，三个纵向条形孔16使锥筒形泡帽2比较稳定，不易发生卡死现象，运行平稳，纵向条形孔16的宽度一般为5-15mm，纵向条形孔16的纵向长度一般为中心管上段高度的40％-60％。

锥筒形泡帽2为一底部敞口的罩状物，呈锥筒形，分上下两部分，上部为锥形，下部为圆筒形，上部的锥形结构的锥角一般应小于催化剂的堆积角，一般为45-70°，可以防止催化剂在泡帽上的沉积现象，下部圆筒的外径一般为中心管外径的1.8-2.5倍，泡帽下部设置为圆筒形，可以减小锥形泡帽占据的径向空间，从而可以减小多泡帽间的间距，提高分配板的开孔率。锥筒形泡帽2锥形内壁上沿圆周方向均匀地设有三个纵向排列的连接腿3，连接腿3包括一个长臂和一个短臂，呈角尺状，三个角尺状连接腿3所在的外接圆直径小于中心管1内径，角尺状连接腿3主要用于引导和限制锥筒形泡帽2的运动，角尺状连接腿3的短臂嵌在纵向条形孔16内并能沿纵向条形孔16上下移动，短臂的宽度与纵向条形孔16的宽度相匹配，一般宽5-15mm；短臂的长度大于中心管1上段的壁厚，一般为5-15mm，角尺状连接腿3的长臂的长度一般根据泡帽和中心管的尺寸确定；为了提高角尺状连接腿3的强度，防止连接腿3在高温情况下发生变形，影响连接腿3的上下运行，在连接腿3内侧设有圆环形加强筋31，连接腿3与圆环形加强筋31相连接的情形如图3和图4所示。

锥筒形泡帽2通过三个角尺状连接腿3与中心管1上段活动连接并罩在物料出口6上方，锥筒形泡帽2的底部周边能与分配板4上设置的梯形圆环台41的上底面紧密贴合。梯形圆环台41的尺寸形状与锥筒形泡帽2相匹配，设置梯形圆环台41主要是为了防止锥筒形泡帽2落下时分配板4上少量沉积催化剂引起的密封不严现象，梯形圆环台41更容易为锥筒形泡帽2密封提供一个密封平面。梯形圆环台41采用精加工，可以提高密封效果，有效防止逆流的发生，梯形圆环台41的梯形底角一般为50-70°，梯形高度一般5-15mm，上底宽为2-6mm，下底宽一般4-10mm。梯形圆环台41的结构如图5和图6所示。

实施例2

图2为本发明的用于三相沸腾床反应器的气液分布器的第二种实施例的结构示意图，实施例2与实施例1的区别在于泡帽的结构不同及实施例2中没有设置梯形圆环台，其余结构均相同。当然，实施例2也可以设置梯形圆环台，以提高密封性能，更好的防止逆流发生。在实施例2中，锥形泡帽21同样为底部敞口的罩状物，呈锥形，锥形结构的锥角一般应小于催化剂的堆积角，催化剂的堆积角一般为45-70°。相对于实施例1，锥形泡帽21结构较简单，但会降低分配板的开孔率。实施例2中，锥形泡帽21底部周边能直接与分配板4相贴合。

如图1所示，本发明的气液分布器在正常工作状态下，气液均相物料通过中心管1下段端部的物料进口5进入中心管，部分气相物料经中心管1管壁上的中心管小圆孔15进入中心管，气相物料以气泡的形式进入中心管1内物料流中，在进气量增大的情况下，部分气相物料还会经中心管1下段与物料进口5相贯通的纵向条缝条缝11进入中心管，气液混合物料从中心管下段进入中心管沿中心管上行到达中心管上段以后，少部分物料经中心管纵向条形孔16进入到中心管1上段与锥筒形泡帽2之间的环隙空间，大部分物料经中心管1上段端部的物料出口6冲出，物料流的冲击作用使锥筒形泡帽2浮起，气液两相物料流在锥筒形泡帽2的阻挡作用下，折流从锥筒形泡帽2下边缘处进入中心管1上段与锥筒形泡帽2之间的环隙空间，进而进入反应器床层中。一旦发生进料中断的情况下，锥筒形泡帽2会迅速落下，锥筒形泡帽2底部周边与分配板4上的梯形圆环台41上底面相贴合，从而阻断物料通道，使分配板4上方含催化剂的物料不会发生逆流；或者如图2所示，锥形泡帽21底部周边直接与分配板4相贴合，从而防止逆流发生。

另外，纵向条形孔16除了用作连接腿3的行程限制空间，使锥筒形泡帽2(或锥形泡帽21，见图2)仅有上下的自由度，没有旋转的自由度，保证锥筒形泡帽2(或锥形泡帽21，见图2)在发生进料中断的情况下迅速回落外，另一方面纵向条形孔16起了部分分流作用，使过大的物料流速在到达物料出口前有所减缓，从而可以有效防止逆流发生时单一的物料出口处流速过大而导致泡帽难以迅速回落密封的情况发生。

本发明结合沸腾床的工艺流程、气液混合和气液两相流的特性，提供了一种结构简单合理，安全可靠的三相沸腾床反应器的气液分布器，既可以保证气体在液体中破碎为连续的微气泡，均匀分布，又能有效地解决或缓解在气液压力不稳或气液进料突然中断时携带催化剂的物料的逆流堵塞问题。

Claims (18)

1.一种用于三相沸腾床反应器的气液分布器，其特征在于：主要由中心管、泡帽、连接腿和分配板组成；中心管穿过分配板上的开孔，被分配板分为上下两段，下段的端部为中心管的物料进口，上段的端部为中心管的物料出口，靠近物料进口的管壁上开有与物料进口相贯通的纵向条缝，在中心管下段靠近纵向条缝上端的中心管内设有一孔板混合器，中心管上段靠近分配板的管壁上沿圆周方向均匀地开有三个纵向条形孔，泡帽为一底部敞口的罩状物，泡帽内壁沿圆周方向均匀地设有三个纵向排列的连接腿，连接腿包括一个长臂和一个短臂，呈角尺状，连接腿所在的外接圆直径小于中心管内径，连接腿的短臂嵌在纵向条形孔内并能沿纵向条形孔上下移动，泡帽通过三个连接腿与中心管上段活动连接并罩在物料出口上方，泡帽的底部周边能与分配板相贴合。

2.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的分配板和孔板混合器之间的中心管管壁上，沿圆周方向均匀对称的开有由外而内斜向上方的多个中心管小圆孔。

3.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的泡帽呈锥筒形，分上下两部分，上部为锥形，下部为圆筒形。

4.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的泡帽呈锥形。

5.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的分配板上设有梯形圆环台，泡帽底部周边能与梯形圆环台的上底面紧密贴合。

6.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的连接腿内侧设有圆环形加强筋。

7.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的纵向条缝为2-8条，沿中心管圆周方向均布。

8.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的连接腿的短臂的宽度与纵向条形孔的宽度相匹配，短臂的长度大于中心管上段的壁厚。

9.根据权利要求1-8所述的任一气液分布器，其特征在于，所述的孔板混合器中心开有一个孔板混合器大圆孔，孔板混合器大圆孔四周均布多个孔板混合器小圆孔。

10.根据权利要求9所述的气液分布器，其特征在于，所述的孔板混合器大圆孔的直径为中心管内径的50％-80％，孔板混合器小圆孔的直径为中心管内径的3％-15％，数量为4-8个。

11.根据权利要求2所述的气液分布器，其特征在于，所述中心管小圆孔沿圆周方向分层排布，设置为1-4层，每一层含4-8个中心管小圆孔。

12.根据权利要求11所述的气液分布器，其特征在于，所述中心管小圆孔的孔径为2-5mm，中心管小圆孔的轴向与水平方向所成的倾斜角度为20-60°。

13.根据权利要求11所述的气液分布器，其特征在于，所述的泡帽呈锥筒形，分上下两部分，上部为锥形，下部为圆筒形，锥形结构的锥角小于催化剂的堆积角。

14.根据权利要求13所述的气液分布器，其特征在于，所述的分配板上设有梯形圆环台，泡帽底部周边能与梯形圆环台的上底面紧密贴合。

15.根据权利要求3所述的气液分布器，其特征在于，所述泡帽的锥形结构的锥角小于催化剂的堆积角。

16.根据权利要求4所述的气液分布器，其特征在于，所述泡帽的锥形结构的锥角小于催化剂的堆积角。

17.根据权利要求5所述的气液分布器，其特征在于，所述梯形圆环台的梯形底角为50-70°，梯形高度为5-15mm，上底宽为2-6mm，下底宽4-10mm。

18.根据权利要求1-8和权利要求11-17所述的任一气液分布器，其特征在于，所述的纵向条形孔的纵向长度为中心管上段高度的40％-60％。

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