CN111659320B - 加氢反应器用冷氢箱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加氢反应器用冷氢箱，包括反应器壳体以及自上而下设置于反应器壳体内壁上的冷氢管、集液板、集液管和分散板；冷氢管为环管，靠近反应器壳体内壁设置；集液板为正圆锥形，设置于冷氢管下方，其圆锥大端直径大于冷氢管内环直径小于冷氢管中心环线直径；集液管是截面为弧形的环管，开口朝上，设置于冷氢管正下方，其管壁上开有排液孔；分散板整体呈凹形，设于集液管下方，其上开有分散孔；冷氢管朝向集液板的管壁上开有朝向集液板的喷孔，冷氢管朝向集液管的管壁上开有朝向集液管的喷孔。本发明通过对热物流的两次收集、两次冷却，充分均匀地对热物料进行降温；且结构紧凑，充分利用反应器内部的空间，节省反应器的投资。

Description

加氢反应器用冷氢箱
技术领域
本发明涉及加氢反应器内构件技术领域，具体地说，涉及一种加氢反应器用冷氢箱。
背景技术
近年来，随着石化产品质量标准的逐渐升级和环保法规的日益严格，加氢技术在炼油工业中发挥着越来越重要的作用，加之对原料油“吃干榨尽”的要求，国内外炼油企业为提高经济效益和应对环保的要求，迅速扩大各类油品加氢处理能力。
加氢处理关键核心设备为加氢反应器，在加氢反应器内部，一定比例氢气和原料油的混合物在一定温度和压力下，借助催化剂的作用，完成各类加氢反应。由于加氢反应是气、液、固三相存在的强放热反应，随着反应的进行反应器内温度会升高，但催化剂在温度过高时会失活甚至结焦、板结，因此，为了使催化剂性能稳定和装置平稳运行，需要往反应器内加入冷氢气来控制床层温升的速度。反应器内一般设置有2个以上的催化剂床层，床层之间设置冷氢箱，其作用是将冷氢管注入的低温氢气与上方催化剂床层流下的高温反应物混合，以降低反应物料的温度，以充分发挥催化剂的性能。冷氢箱是冷氢气和热物流进行混合传热的场所，是加氢反应器的关键内构件之一，对加氢反应的稳定性、催化剂寿命、产品质量和装置的运转周期有直接影响。
目前冷氢箱结构设计时一般采用节流、碰撞、旋流和雾化的原理，因此结构比较复杂。评价冷氢箱性能主要有两个方面：混合传热性能和压降。气液两相接触越充分，冷氢的混合传热性能越好，热物流的温度得到有效降低；冷氢箱的压降越低，循环氢压缩机的负荷就越小，能量损耗就越少。此外，冷氢箱还应尽量紧凑，以降低冷氢箱高度，以减小反应器总高度、节省投资。
专利CN201210408335.8公开了一种急冷氢箱，自上而下包括集液板、滴液板、隔板和再分布筛板，冷氢管以环管的形式埋在集液槽的液相中，冷氢从冷氢环管中喷射出来对液相形成搅动和鼓泡，利用冷氢与液相较大的温差增强气液传热；集液槽中的液体经滴液板分散后以液滴的形式落下，提高了气液两相的接触面积，从而大幅提高了冷氢箱的换热效率。但该冷氢箱物料停留时间较短，易造成换热不均，且当气液比出现变化时，会出现一系列的问题。
专利CN200620133859.0公开了一种旋流式冷氢箱，由冷氢管、挡板、半圆形混合道、切向导流管、混合箱和筛孔板等构成。其特点在于增设了助混结构和开孔导流锥，使冷氢气与热物流先在半圆形混合道内进行预混合后，再到混合箱内进行旋流混合，提高了冷氢气与热物流之间的混合传热效果。但是由于切向导流管的原因使得该冷氢箱所占的体积仍然较大，且气、液两相并流时由于密度差容易形成分层流动，单靠延长流动路径对传热效果增加不明显。
专利CN201210168308.8公开了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，旋流管与混合筒沿水平方向切向连通。矩形气液下降管垂直设置在混合筒外侧，上部与上支撑板上的流体入口连接，下部与旋流管外壁沿垂直方向切向连通。冷氢支管上端与位于上支撑板外的冷氢管连接，下端与旋流管外部沿水平方向切向连接。混合筒中心设出口，出口两侧设弧形旋流叶片，出口下方设下支撑板。该冷氢箱利用冷氢推动气液旋流，通过流体三维旋转延长了停留时间，提高了传热效率，但结构复杂，占用空间较大。
上述冷氢箱是通过旋流延长冷热物流接触时间，或通过冷氢对液相形成搅动和鼓泡增加接触面积，以提高冷热物料的传热效果。但仍存在冷氢与热物料混合不够充分、热物流降温不均匀的现象，且结构体积大，压降大，需进一步改进。
发明内容
为了解决目前加氢反应器冷氢箱存在的冷氢与热物料混合不够充分、热物流降温不均匀、结构体积大、压降大的技术问题，本发明提供了一种加氢反应器用冷氢箱，以实现在较低冷氢箱高度的前提下，强化气液两相的混合传热效果。
本发明提供的加氢反应器用冷氢箱包括反应器壳体以及自上而下设置于反应器壳体内壁上的冷氢管、集液板、集液管和分散板；冷氢管为环管，靠近反应器壳体内壁设置；集液板为正圆锥形，设置于冷氢管下方，其圆锥大端直径大于冷氢管内环直径小于冷氢管中心环线直径；集液管是截面为弧形的环管，开口朝上，设置于冷氢管正下方，其管壁上开有排液孔；分散板整体呈凹形，为凹形分散板，设于集液管下方，其上开有分散孔；冷氢管朝向集液板的管壁上开有朝向集液板的喷孔，冷氢管朝向集液管的管壁上开有朝向集液管的喷孔。
所述集液板将自反应器上方流下的液相收集，在集液板上进行一次冷却。集液板为正圆锥形，圆锥倾角为1～10度，其圆锥大端与反应器壳体内壁的间隙为100～500mm。自反应器上方流下的液相在重力的作用下，从集液板流入集液管。集液板通过3～20个集液板支撑固定于反应器壳体内壁上。
对集液板可进行多方面的改进：
其一，可在集液板圆锥大端下方设置环形围板，以确保液体在重力的作用下全部流入集液管。
其二，可在集液板圆锥大端上方设置环形围堰，一是对从集液板上流下的液相进行降速，增加液相在集液板上的停留时间，二是改变集液板上液相的运动方向，液相流动速度不至于过快，避免液相撞击集液管反弹而不进入集液管。环形围板和环形围堰共同作用确保所有液相都进入集液管进行二次冷却。
其三，为进一步阻止气液两相的分层流动，集液板上可设置扰流板，扰流板可以为圆钢、扁钢、或是角钢，其目的一是可以延长液相在集液板上的停留时间，二是破坏气液两相的分层流动，增加液相的扰动。扰流板以集液板中心为中心呈环状间隔排列。
其四，为增加液相在集液管中的旋转流动，可在集液板上仅设置导向板，不设置围堰和扰流板。导向板呈弧状流线型，以集液板中心为中心呈叶轮状排布，导向板可设置3～20片。导向板的设置可使集液板上的液相在进入集液管时，流向同集液管内介质的流向一致，后进入集液管的液相不破坏原集液管中的液体流向、不损失原集液管中的液体动能，并对集液管中液相的流动产生推动作用。
所述冷氢管为DN50～DN400的圆管，绕反应器壳体内壁一周，将低温氢气输送进入反应器内部。冷氢管上两种朝向的喷孔孔径为3～30mm，朝向集液板的喷孔总体上是朝向反应器中心的，从冷氢管中喷出的氢气撞击从集液板流下的液相，对液相进行一次降温；朝向集液管的喷孔对集液管中的液相进行二次降温，冷氢的动能搅动集液管中的液相，增加湍流，增加液相和冷氢的传热。应该指出的是，朝向集液管的喷孔如遇集液板支撑，应前后适当移动，避开集液板支撑。
作为对冷氢管的改进，朝向集液管的喷孔以相同的倾斜角度倾斜于冷氢管所在的环平面设置，即喷孔的轴线与冷氢管所在的环平面呈锐角，倾斜角度一般为30～60度。这样可充分利用冷氢气的动能冲击，助推集液管中的液相流动，搅动集液管中的液相，以强化传热，增强冷氢箱效果。按上述倾斜方式设置的朝向集液管的喷孔与集液板上的导向板配合使用，使二者对集液管中液相的流动产生一致的推动作用，以利于强化传热。
所述集液管截面为直径100～700mm的圆管截面的一部分，开口朝上，绕反应器壳体内壁一周，用于接收从集液板上流下的液相。集液管上开设排液孔，排液孔朝向分散板，在集液管内经冷却后的液相经排液孔分散于分散板上。集液管内侧(靠近反应器中心的一侧)可稍低于外侧(靠近反应器壳体内壁的一侧)，这样可以确保在液相增大的情况下，液相快速进入分散板。
作为对集液管的进一步改进，可在集液管内侧管壁排液孔的下方设置截面为凹槽形的导液管，导液管倾斜向下布置，可将排液孔流出的液相引至反应器中心区域，有利于液相在反应器截面上的均布。为简化设计，导液管优先选用型材，可选用C型钢、槽钢、圆管等，导液管截面积宜为集液管截面积的3～15％。
为进一步增加湍流，破坏边界层，集液管中可放置若干个高耐磨钢球作为助混物，钢球直径为3～40mm且至少为集液管上的排液孔直径的1.2～1.4倍，所有钢球的总直径为集液管周长的10～60％为宜。冷氢的动能搅动集液管中的液相，使液相和高耐磨钢球一起运动，由于重力差，钢球在液体下部，增加液相在集液管中的湍流程度，破坏液相的分层流动，加大气-液传热系数。
为确保在冷氢的冲击下不将集液管中的高耐磨钢球冲离集液管，集液管内侧设置一圈挡板，以阻止钢球离开集液管。
作为对高耐磨钢球的进一步改进，高耐磨钢球表面可开环形凹槽，环形凹槽可为连续槽，也可以为间断槽，槽宽0.5～3mm，槽深宜为高耐磨钢球直径的1～10％，优选为3～5％。环形凹槽可以为一层或两层或多层，环形凹槽的作用是在高耐磨钢球运动过程中，可进一步破坏阻碍传热的边界层，加强集液管中的湍流程度，强化传热，促进液相进一步降温。
所述凹形分散板可以采用不同的结构：
结构一，为利用液相的重力，使液相更均匀的分配到整个反应器截面，凹形分散板为呈倒锥形的锥形分散板，锥角一般为150～177度，从降低冷氢箱高度、节约投资方面考虑，锥形分散板锥角以165～175度为宜。锥形分散板锥角与加工原料性质有关，加工原料流动性差，锥形分散板锥角宜小；加工原料流动性好，锥形分散板锥角可以适当增大。
作为对结构一的一种改进，锥形分散板上设置条形隔板，条形隔板以锥形分散板中心为中心呈放射状排列将锥形分散板分割为若干个含有分散孔的扇形分配区域，实现将从排液孔中流出的液相进行精确分配到分散板上，分配区域越多，分散的效果越好，条形隔板厚度一般为2～20mm、高度为30～120mm，以厚度为6～16mm、高度为40～100mm为宜。在锥形分散板上分隔出的扇形分配区域中，可以设置若干层折流板，折流板高度以高度40～80mm为宜，且应低于条形隔板的高度。液相在重力的作用下，从锥形分散板边缘向中心流动；折流板可增加液相在锥形分散板上的停留时间，一方面可进一步增加气液两相间的接触，再一次对液相进行降温，提高冷氢箱的效率，另一方面增加液相在锥形分散板上的运动路程，强化分锥形分散板的分配效果。
作为对结构一的又一种改进，锥形分散板上可以设置环形隔板和纵向隔板。环形隔板围绕锥形分散板中心呈同心圆状分布，环形隔板将锥形分散板分隔成含有数量不等的分散孔的环形分配区域，锥形分散板上还可以设置沿锥形分散板径向与环形隔板垂直交叉的纵向隔板，进一步将环形分配区域分割成面积更小的含有数量不等的分散孔的扇形分配区域。
结构二，凹形分散板可为椭球面分散板，为强化分散板的分配效果，椭球面的椭圆长轴与短轴之比为6～25，以利用液相的重力向整个反应器截面扩散，又不使整个冷氢箱的高度过高。
作为对结构二的进一步改进，可采用与结构一相同的改进方式，在椭球面分散板上设置不同形式的隔板。既可以设置条形隔板和折流板，也可以设置环形隔板和纵向隔板。
本发明工作时，自反应器上方流下的液相经集液板收集，冷氢管上朝向集液板的喷孔喷出的冷氢撞击集液板上的液相，对液相进行一次降温；经一次降温后的液相由集液板流入集液管，冷氢管上朝向集液管的喷孔喷出的冷氢对集液管内的液相进行二次降温，经二次降温后的液相由集液管的排液孔和导液管进入下方的分散板，液相经分散板更均匀的分配到整个反应器截面。
本发明具有如下有益效果：
1)冷氢与热物料混合充分，通过对热物流的两次收集、两次冷却，充分均匀地对热物料进行降温；
2)设置高效助混元件，利用冷氢的动能搅动热物流，强化传热，不易出现气液两相的分层流动现象；
3)操作弹性大，不会随着气液比的变化而影响冷氢箱的操作，压降小，结构简单；
4)该冷氢箱结构紧凑，充分利用反应器内部的空间，降低冷氢箱的高度，从而可降低反应器的高度，节省反应器的投资。传统冷氢箱(带冷氢管)高度为700～1000mm，本发明的冷氢箱高度仅为500～800mm。按反应器直径4000mm，设计压力15MPa估算，每减小反应器高度100mm时投资可降低10万左右。对于大直径反应器、更高设计压力的反应器，则反应器壁厚更厚，将会节约更大投资，对于多床层反应器节约效益将更加显著(每两个床层间都会设置冷氢箱)。
附图说明
图1是本发明冷氢箱的一种结构示意图；
图2是集液板上扰流板的排列结构示意图；
图3是集液板上导向板的排列结构示意图；
图4是高耐磨钢球的结构示意图；
图5是冷氢管上朝向集液管的喷孔的一种设置示意图；
图6是集液管的结构示意图；
图7是分散板为锥形分散板或椭球面分散板时的一种分割结构示意图；
图8是分散板为锥形分散板或椭球面分散板时的又一种分割结构示意图。
图中：1-反应器壳体，2-冷氢管，3-集液板，4-集液管，5-分散板，6-环形围堰，7-环形围板，8-高耐磨钢球，9-挡板，10-导液管，11-扰流板，12-导向板，13-环形凹槽，14-喷孔，15-排液孔，16-条形隔板，17-折流板，18-分散孔，19-环形隔板，20-纵向隔板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明冷氢箱的一种结构示意图，如图所示，加氢反应器用冷氢箱包括反应器壳体1以及自上而下设置于反应器壳体1内壁上的冷氢管2、集液板3、集液管4和分散板5；分散板5采用的是椭球面分散板，当然分散板5也可以采用锥形分散板，椭球面分散板和锥形分散板整体上都呈凹形。
冷氢管2为环管，靠近反应器壳体1内壁设置；集液板3为正圆锥形，设置于冷氢管2下方，其圆锥大端直径大于冷氢管内环直径小于冷氢管中心环线直径；集液管4是截面为弧形的环管，开口朝上，设置于冷氢管2正下方，其管壁上开有排液孔；分散板5设于集液管4下方，其上开有分散孔，并设置有环形隔板19；冷氢管2朝向集液板3的管壁上开有朝向集液板的喷孔，冷氢管2朝向集液管4的管壁上开有朝向集液管的喷孔。图中的箭头示意给出了两种朝向的喷孔喷出液相的方向。
集液板3圆锥大端上方设置环形围堰6，圆锥大端下方设置环形围板7，集液管4中放置有高耐磨钢球8作为助混物，集液管4内侧设置一圈挡板9，集液管4内侧管壁排液孔的下方设有截面为凹槽形的导液管10。
图2是集液板上扰流板的排列结构示意图，如图所示，扰流板11以集液板3的中心为中心呈环状间隔排列。
图3是集液板上导向板的排列结构示意图，如图所示，导向板12呈弧状流线型，以集液板3的中心为中心呈叶轮状排布。导向板12的设置可使集液板3上的液相在进入集液管4时，流向同集液管4内介质的流向一致，图中的箭头示意的给出了介质的流动方向。
图4是高耐磨钢球的结构示意图，如图所示，高耐磨钢球8表面设有环形凹槽13，环形凹槽13可为连续槽，也可以为间断槽。
图5是冷氢管上朝向集液管的喷孔的一种设置示意图，如图所示，喷孔14以相同的倾斜角度倾斜于冷氢管所在的环平面设置，图中的箭头示意地给出了喷孔14喷出液相的方向，该箭头所示的方向与图3中箭头的方向保持大致相同的取向。从而可以使喷孔14喷出的液相能助推图3中集液管4内介质的流动。
图6是集液管的结构示意图，如图所示，集液管4的管壁上设有排液孔15，集液管内放置有高耐磨钢球8，图中的箭头示意地给出了集液管内介质的流动方向，该箭头所示的方向与图3中箭头所示的方向是相同的。
图7是分散板为锥形分散板或椭球面分散板时的一种分割结构示意图，如图所示，条形隔板16以分散板中心为中心呈放射状排列将分散板分割为若干个含有分散孔18的扇形分配区域，在分隔出的扇形分配区域中，设置有若干层折流板17。
图8是分散板为锥形分散板或椭球面分散板时的又一种分割结构示意图，如图所示，环形隔板19围绕分散板中心呈同心圆状分布，纵向隔板20沿分散板径向与环形隔板19垂直交叉布置，环形隔板19和纵向隔板20将分散板分割成含有数量不等的分散孔18的扇形分配区域。
如图1所示，本发明工作时，自反应器上方流下的液相经集液板3收集，冷氢管2上朝向集液板3的喷孔喷出的冷氢撞击集液板3上的液相，对液相进行一次降温；经一次降温后的液相由集液板流入集液管4，冷氢管2上朝向集液管4的喷孔喷出的冷氢对集液管内的液相进行二次降温，经二次降温后的液相由集液管的排液孔和导液管进入下方的分散板5，液相经分散板5更均匀的分配到整个反应器截面。液相离开分散板5后进入再分配盘，分配均匀后与催化剂进行反应。

Claims (27)

1.一种加氢反应器用冷氢箱，其特征在于：包括反应器壳体以及自上而下设置于反应器壳体内壁上的冷氢管、集液板、集液管和分散板；冷氢管为环管，靠近反应器壳体内壁设置；集液板为正圆锥形，设置于冷氢管下方，其圆锥大端直径大于冷氢管内环直径小于冷氢管中心环线直径；集液管是截面为弧形的环管，开口朝上，设置于冷氢管正下方，其管壁上开有排液孔；分散板整体呈凹形，为凹形分散板，设于集液管下方，其上开有分散孔；冷氢管朝向集液板的管壁上开有朝向集液板的喷孔，冷氢管朝向集液管的管壁上开有朝向集液管的喷孔；所述集液管内放置高耐磨钢球作为助混物。
2.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液板的圆锥倾角为1～10度，其圆锥大端与反应器壳体内壁的间隙为100～500mm。
3.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液板圆锥大端下方设置环形围板。
4.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液板圆锥大端上方设置环形围堰。
5.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液板上设置扰流板，扰流板以集液板中心为中心呈环状间隔排列。
6.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液板上设置导向板，导向板呈弧状流线型，以集液板中心为中心呈叶轮状排布，以使导向板对集液管中液相的流动产生推动作用。
7.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述朝向集液管的喷孔以相同的倾斜角度倾斜于冷氢管所在的环平面设置。
8.根据权利要求7所述的冷氢箱，其特征在于：所述倾斜角度为30～60度。
9.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液管内侧低于外侧；所述集液管内侧为靠近反应器中心的一侧，集液管外侧为靠近反应器壳体内壁的一侧。
10.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液管内侧管壁排液孔的下方设置截面为凹槽形的导液管，导液管倾斜向下布置。
11.根据权利要求10所述的冷氢箱，其特征在于：所述导液管截面积为集液管截面积的3～15％。
12.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述高耐磨钢球直径为集液管上的排液孔直径的1.2～1.4倍，所有钢球的总直径为集液管周长的10～60％。
13.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述集液管内侧设置一圈挡板。
14.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述高耐磨钢球表面开有环形凹槽，环形凹槽为连续槽或间断槽。
15.根据权利要求6所述的冷氢箱，其特征在于：所述朝向集液管的喷孔以相同的倾斜角度倾斜于冷氢管所在的环平面设置，以使朝向集液管的喷孔和导向板对集液管中液相的流动产生一致的推动作用。
16.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述凹形分散板为呈倒锥形的锥形分散板。
17.根据权利要求16所述的冷氢箱，其特征在于：所述锥形分散板锥角为150～177度。
18.根据权利要求16所述的冷氢箱，其特征在于：所述锥形分散板上设置条形隔板，条形隔板以锥形分散板中心为中心呈放射状排列将锥形分散板分割为含有分散孔的扇形分配区域。
19.根据权利要求18所述的冷氢箱，其特征在于：所述锥形分散板上分割出的扇形分配区域中设置有折流板，折流板的高度低于条形隔板的高度。
20.根据权利要求16所述的冷氢箱，其特征在于：所述锥形分散板上设置环形隔板，环形隔板围绕锥形分散板中心呈同心圆状分布，环形隔板将锥形分散板分隔成含有数量不等的分散孔的环形分配区域。
21.根据权利要求20所述的冷氢箱，其特征在于：所述锥形分散板上设置沿锥形分散板径向与环形隔板垂直交叉的纵向隔板，将环形分配区域分割成面积更小的含有数量不等的分散孔的扇形分配区域。
22.根据权利要求1所述的冷氢箱，其特征在于：所述凹形分散板为椭球面分散板。
23.根据权利要求22所述的冷氢箱，其特征在于：所述椭球面分散板的椭球面的椭圆长轴与短轴之比为6～25。
24.根据权利要求22所述的冷氢箱，其特征在于：所述椭球面分散板上设置条形隔板，条形隔板以椭球面分散板中心为中心呈放射状排列将椭球面分散板分割为含有分散孔的扇形分配区域。
25.根据权利要求24所述的冷氢箱，其特征在于：所述椭球面分散板上分割出的扇形分配区域中设置有折流板，折流板的高度低于条形隔板的高度。
26.根据权利要求22所述的冷氢箱，其特征在于：所述椭球面分散板上设置环形隔板，环形隔板围绕椭球面分散板中心呈同心圆状分布，环形隔板将椭球面分散板分隔成含有数量不等的分散孔的环形分配区域。
27.根据权利要求26所述的冷氢箱，其特征在于：所述椭球面分散板上设置沿椭球面分散板径向与环形隔板垂直交叉的纵向隔板，将环形分配区域分割成面积更小的含有数量不等的分散孔的扇形分配区域。
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