CN104056579A - 一种上流式反应器气液分配盘及其段间补氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上流式反应器气液分配盘及其段间补氢装置，气体和液体在流入催化剂床层前互不接触，沿相互独立的通道流动。操作时，液相由反应器底部进料管进入反应器封头，经多孔板均布后沿数根平行的升液管穿过布气室向上流动，最后从升液管顶部侧面的小孔流出。气体则由反应器侧面入口管进入布气室，最后从设置在布气室顶部的升气管的侧面小孔流出。由于液体被限制在升液管内流动，布气室空间内完全是气体，不受液体干扰，不会因受到液体污染而需要经常清洗。在分配盘顶部，气体与液体实现均匀混合，进入催化剂床层。液相继续向上流动，通过段间补氢装置，使消耗的氢得到补充，反应得以继续进行。

Description

一种上流式反应器气液分配盘及其段间补氢装置

技术领域

本发明涉及一种上行式液相鼓泡加氢反应器气液分布与段间补氢装置，属于石油化工领域，适用于各类低氢油比加氢反应工艺，如固定床渣油加氢上行式流动反应器、柴油液相加氢反应器、悬浮床加氢反应器、膨胀床加氢反应器等。

背景技术

在固定床加氢反应器中，氢气不断地溶解在原料中，再通过原料与催化剂接触，进行加氢反应。所以为了更好地发挥催化剂的性能，必须设置合理的反应器内构件，使得气液物流分配均匀，因此开发一种用于将气液两相物流充分混合，同时均匀地分配到催化剂床层的反应器内构件十分重要。

根据固定床反应器的进料方式，可以分为下行式和上行式两种流动方式。同下行式流动相比，上行式流动有很多优点，正在逐渐引起人们的重视，已经成为某些加氢过程的首选。在上行式流动反应器中，液相是连续相，气相是分散相，床层持液量可达到下行式流动反应器的两倍，因此，气-液-固三相接触充分。由于上行式流动液体会对催化剂产生浮力，能造成床层膨胀，因此可防止杂质积累对床层的堵塞，避免由此引起的压降快速升高导致的反应器工况变差甚至无法正常操作的问题，特别适合于渣油加氢处理，尤其是对加工硫、钙、铁含量高的劣质渣油具有很好的适应性和灵活性。采用上行式流动反应器进行渣油加氢处理已取得显著效果。除此之外，上行式流动反应器中为保持液相为连续相、气泡为分散相，可在比下行式流动低得多的氢油比下操作，但这并不影响反应效果，相反，还能大大降低氢气循环量。例如，在固定床渣油加氢中，上流式反应器氢油比仅为180:1,约为下行式固定床反应器的20％-40％,从而降低了氢气循环量和装置的能耗。在某些不需要过多氢气存在的反应工艺中，如果能根据化学计量比控制氢气量，并且按精确方式进行气液分布，可最终取消氢气循环。

常规的固定床加氢反应器为下行式流动，这类反应器气液分配盘研究较多，设计也非常成熟。在上行式流动反应器中，气液两相沿与重力相反方向流动，气体以气泡方式分散在液相中，极易出现局部气含率过高或过低问题。因此，促使气相均匀分配，增加气液两相界面积，对于提高上行式流动反应器的传质效率尤为重要。

US4639354的初始分布器为分支管状分布器，分支管状分布器的设计较为复杂，对于分布器安装的水平度具有一定的要求。US4639354的中间分布器开有两种尺寸的孔结构，小孔孔径只能允许气相经过，而大孔则主要通过液相。大孔下方与垂直管件相连，管件底部设有折流板。气液两相分路经过中间分布器重新混合。由于小孔过孔阻力大，将会在小孔下方的反应器空间产生一个布气室空间，降低了反应器空间利用率，同时小孔容易被杂质堵塞影响到气泡的均布。

US4753721的初始分布器为管环分布器，在环形管底部开孔，管环两侧开有带条缝的隔板，使得生成的气泡破碎、再分布。对于大型反应器而言，此种设计所提供的气泡分布区域过于狭小，若要实现气泡的均布，需要附加中间分布器。中间分布器采用泡帽结构，即在多孔板的每个开孔上方与泡帽相连。这种设计结构较复杂，泡帽的结构对于气泡分布影响大。

US5298226采用筛板结构作为流体的分布器，筛板具有不均匀开孔结构。筛板的横截面分为三个区域：中心区、中间区与边壁区。由于流体是在筛板中心区的上方或者下方流入反应器，因此为了避免流体集中在中心区通过而造成的流体分布不均匀，中心区、中间区与边壁区的开孔率依次升高，造成沿半径方向由筛板中心区至边壁区流体的流动阻力逐渐降低，使得流体趋向均匀的流过筛板，实现流体的均匀分布。

CN1118542C公开了一种用于含氢气体和液体烃类加氢处理的分布器组件。该分布器组件有一圆形板，许多空心提升管连接其上，使含氢气体和液体烃类通过圆形板部件中的开孔分布。每一空心提升管在其相关的侧面上有一个管开孔。分布器组件与反应器的内壁连接。该方法的升液管侧壁开孔大小很难控制，开孔稍大会导致气液两相液面上升至开孔处，气体的流动会时缓时急，分配不均匀。若开孔较小则集布气室的气相逐渐增多，气液两相液面降至升液管末端，气相也经过升液管上升，无法控制气泡的大小。

CN101632911A公开了一种上行式流动反应器，包括位于反应器底部的初始分布器和初始分布器上方的中间分布器。其中，初始分布器由一个锥形折流板和一个位于其上方的筛板组成，锥形折流板的尖端向下，圆形扩口端面向上，圆形扩口端面与筛板同心。筛板开有一个中心孔，中间分布器由开孔筛板和筛板板串结构组成，开孔筛板的每个筛孔下方均有一个筛板板串结构，筛板板串结构由一个或多个小筛板构成，小筛板的直径大于与其对应的上方筛孔的直径。中间分布器中，每个筛板板串结构优选有1-30个小筛板；小筛板间距优选为2mm-50mm，小筛板的直径优选为55mm-80mm。该方法的结构较为复杂，占用反应器体积较大。

CN103100352A报道的上行式流动反应器气液分布器是由分配盘塔板和帽罩式集气分配器组成。分配盘塔板上开有数量适宜的物流导向口，由下而上的气液混合物流由此通过。帽罩式集气分配器安装在分配盘塔板的物流导向口上方，是一种半封闭式容器，上端封闭，下端开口，下端开口边缘为条栅状、锯齿状或波纹状等。帽罩式集气分配器具有收集气相和气相的再分配功能。

CN103100353A公开了一种上行式流动反应器气液分配盘及应用，在分配盘上设置适宜数量的升液管，升液管为两端开口的直通管，上端开口连接在分配盘塔板上，与塔板上部连通，下端开口深入气液分配盘下方的液面。在升液管的外侧，分配盘塔板下方和液面之间的空间形成集气室。在分配盘塔板上，升液管开口的周围间隙中，均匀设置单向阀门，单向阀门控制物流由下向上流通。本方法的缺陷在于：由于液体的势能作用，液体在向上流动过程中不会只选择在升液管中通过，液体也会充满集气室。因此，集气室极可能是一个气液混合空间，无法保证只存在气体。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种新型的上行式流动反应器气液分布器及段间补氢装置，使气相以微小气泡形式分配在液相中，并使反应在液相连续条件下进行，充分保证反应效率。

本发明注意到以往技术的共同特征是：气体与液体先进入反应器形成气液混合物，但在进行气液分布前，又希望将气液分开处理，形成一个气液分离的空间，再通过布液管和布气管进行气液分配。由于气相密度与液相密度的巨大差异，再加上气液两相沿着与重力相反的方向流动，产生气液分离的空间从理论上来说有很大困难。

根据以上考虑，本发明提出一种独立分开的气液进料方式，形成不受液相影响的气相空间，达到气液两相的均匀分布和充分混合。

本发明的构思是这样的：

提出一种新型的上流式液相加氢鼓泡反应器气液分配盘及其段间补氢装置，气体和液体在流入催化剂床层前互不接触，沿相互独立的空间流动。操作时，液相由反应器底部进料管进入反应器封头，经多孔板均布后沿数根平行升液管穿过布气室向上流动，并从升液管顶部侧面小孔流出。气体由反应器侧面入口管进入布气室，最后从设置在布气室顶部的升气管侧面小孔喷出。为防止升液管和升气管顶部落入催化剂，两管顶部均封闭。在分配盘顶部，气体与液体均匀混合，进入催化剂床层。

本发明的具体技术方案如下：

一种上流式反应器气液分配盘，所述气液分配盘包括布气室、设置在布气室侧面的气体入口管以及在布气室内部均匀设置的气体上升管和液体上升管，所述气体上升管分布在所述液体上升管周围；所述布气室的底部与流体分布板相连，所述流体分布板具有均匀的多个孔部；所述孔部只与所述液体上升管连通。

所述气体上升管的上部侧面均匀设置有出气口。

所述液体上升管的上部侧面均匀设置有出液口。

为避免落入催化剂颗粒，所述气体上升管和液体上升管的上端口是封闭的。

所述出气口是4～8条狭缝，狭缝宽1～3mm，高10～30mm。

所述出液口是4～8条狭缝，狭缝宽3～6mm，高10～30mm。

所述液体上升管的高度为300～600mm，内径为10～50mm，数量为10～20个/m²。

所述气体上升管的高度为50～100mm，内径为10～20mm,数量为100～200个/m²。

一种段间补氢装置，所述段间补氢装置具有上述任一所述的上流式反应器气液分配盘；所述段间补氢装置的底部是液体入口管，所述液体入口管与所述流体分布板之间具有液体上升区域；所述气液分配盘的上部设有催化剂床层。

根据需要，所述催化剂床层与所述段间补氢装置可上下交替设置有多个。

所述气液分配盘的直径略小于所述段间补氢装置的内径，所述气液分配盘的高度为0.3～1.0m，优选为0.3～0.6m。

本发明具有如下优点:

(1)气液进料被独立分开，气相与液相空间完全隔离，便于实现对两相流量分配的精确调控；

(2)气液分配盘结构简单、紧凑，其高度可以根据要求达到最短，从而获得高的空间利用率；

(3)由于液体被限制在升液管内流动，布气室空间内完全是气体，不受液体干扰，不会因受到液体污染而需要经常清洗，非常适合于上流式渣油加氢、双烯/炔烃选择性加氢、柴油液相加氢等需要在鼓泡状态下进行的液相加氢反应；

(4)分配盘固定在反应器内壁上，安装方便，适合于对现有反应器的改造。

附图说明

图1是段间补氢装置的结构示意图；

图2是气液分配盘的结构示意图；

图3是气体上升管的结构示意图；

其中，图3(a)表示侧面狭缝为方形的气体上升管，图3(b)表示侧面狭缝为椭圆形的气体上升管；

图4是液体上升管的结构示意图；

图5是液体与气体上升通道的排列方式示意图；

图6是反应器内气体饱和度(气含率/空隙率)随气液流速的变化实验结果图。

符号说明

1 液体进料口； 2 流体分布板； 3 气体入口； 4 布气室；

5 催化剂床层； 6 布气室空间； 7 液体上升管； 8 气体上升管；

9 出气口； 10 出液口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的段间补氢装置包括上下交错设置的多个气液分配盘和催化剂床层5，所述气液分配盘包括布气室4、设置在布气室4侧面的气体入口3以及在布气室4内部均匀设置的气体上升管8和液体上升管7，气体上升管8分布在液体上升管7周围；布气室4的底部与流体分布板2相连，流体分布板2具有均匀的多个孔部；孔部只与液体上升管7连通。

如图1所示，液相通过反应器底部的液体进料口1进入反应器封头，经多孔的流体分布板2均布后沿数根平行的液体上升管7穿过布气室4向上流动，最后从液体上升管7顶部的侧面狭缝(即出液口10，如图4所示)流出，如附图2所示。

如图1和2所示，气体由反应器侧面的气体入口3进入布气室4，最后从设置在布气室4顶部的气体上升管8的侧面狭缝(如图3所示，其中，图3(a)表示侧面狭缝为方形的气体上升管，图3(b)表示侧面狭缝为椭圆形的气体上升管)喷出。由于液体被限制在液体上升管7内流动，布气室空间6内只存在气体，不受液体干扰，不会因受到液体污染而需要经常清洗。在分配盘顶部，气体与液体均匀混合，进入催化剂床层5。

如图3和4所示，在本发明中，气体上升管8和液体上升管7的管顶均封闭，以避免落入催化剂颗粒。为节省空间，内构件高度不宜过高，气液分配盘及段间补氢装置高度均在0.2～1.0m之间，优选0.3～0.6m。液体上升管7高出流体分布板2的最佳长度范围为0.05～0.1m,内径为20～30 mm，数量为10～20个/m²，顶部侧面狭缝数为4～8条，狭缝宽3～5mm，高20～30mm。升气管最佳高度范围为0.05～0.1m,内径为10～15mm，数量为50～100个/m²，顶部侧面狭缝为4～8条，狭缝宽2mm，高10～20mm。

图5给出了分配盘顶部液体与气体上升通道排列方式示意图，两者均按等边三角形结构均匀排列。

本发明效果可通过冷模试验加以说明。实验装置为有机玻璃塔，直径0.5m，高度3.0m，装填两段高度均为1.0m的φ3～5mm球形氧化铝填料，如图1所示。流量为7.0～15.0m³.h^-1的常温自来水从反应器底部封头处入口管流入，封头段高度0.3m。常温压缩空气经过滤、脱水后由反应器封头上部直筒段的入口管进入反应器，流量为50～150m³/h。气液分配盘高度为0.3m，直径为0.45m,通过支撑在反应器内壁上的环板固定。气液分配盘底部为一孔径为6mm，开孔率18.5％的多孔有机玻璃板。气液分配盘中安装升液管7根，管高度为0.36m，内径为20mm，管顶侧面开3mm×20mm条型孔6个。管底部与气液分配盘齐平，顶部高出气液分配盘60mm。升液管按等边三角形分布，管间距为0.15m。气液分配盘中安装升气管31根，管高度为0.06m，内径为10mm，管顶侧面开2mm×10mm条型孔6个。管底部与气液分配盘齐平，顶部高出气液分配盘60mm。升气管按等边三角形分布，管间距为0.08m。

图6表明，即使气体表观流速高达0.1m/s，气体饱和度仍低于50％，说明液相处于连续相状态，气相处于分散鼓泡状态，反应器可在液相连续状态下操作，在低气速下更是如此。对实验数据进行分析处理后得出，床层气含率总是随气速的增大而明显增大，随液速的增大而减少，关联式ε_g＝0.0968(Re_g)^0.1622·(Re_l)^-0.0557ε^-0.21可预测较宽气液速范围的气含率，均方根偏差仅为2.1％。

Claims (10)

1.一种上流式反应器气液分配盘，其特征在于，所述气液分配盘包括布气室、设置在布气室侧面的气体入口管以及在布气室内部均匀设置的气体上升管和液体上升管，所述气体上升管分布在所述液体上升管周围；所述布气室的底部与流体分布板相连，所述流体分布板具有均匀的多个孔部；所述孔部只与所述液体上升管连通。

2.根据权利要求1所述的气液分配盘，其特征在于，所述气体上升管的上部侧面均匀设置有出气口。

3.根据权利要求1所述的气液分配盘，其特征在于，所述液体上升管的上部侧面均匀设置有出液口。

4.根据权利要求2所述的气液分配盘，其特征在于，所述出气口是4～8条，狭缝宽1～3mm，高10～30mm。

5.根据权利要求3所述的气液分配盘，其特征在于，所述出液口是4～8条狭缝，狭缝宽3～6mm，高10～30mm。

6.根据权利要求1所述的气液分配盘，其特征在于，所述液体上升管上端口封闭，总高度为300～600mm，内径为10～50mm，数量为10～20个/m²。

7.根据权利要求1所述的气液分配盘，其特征在于，所述气体上升管上端口封闭，总高度为50～100mm，内径为10～20mm,数量为100～200个/m²。

8.一种段间补氢装置，其特征在于，所述段间补氢装置具有权利要求1～7任一所述的上流式反应器气液分配盘；所述段间补氢装置的底部是液体入口管，所述液体入口管与所述流体分布板之间具有液体上升区域；所述气液分配盘的上部设有催化剂床层。

9.根据权利要求8所述的段间补氢装置，其特征在于，所述催化剂床层与所述气液分配盘上下交错设置有多个。

10.根据权利要求8所述的段间补氢装置，其特征在于，所述气液分配盘的直径略小于所述段间补氢装置的内径，所述气液分配盘的高度为0.3～1.0m。