CN213644075U

CN213644075U - 一种微气泡发生器和烃油加氢反应器

Info

Publication number: CN213644075U
Application number: CN202022168484.4U
Authority: CN
Inventors: 艾涛; 王少兵; 毛俊义
Original assignee: Sinopec Research Institute of Petroleum Processing; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: Sinopec Research Institute of Petroleum Processing; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2030-09-28

Abstract

一种微气泡发生器和烃油加氢反应器，所述微气泡发生器从下至上由气液入口段(3)、喉管(4)、渐扩段(5)和气液出口段(6)连接组成，所述气液入口段由下部的直管段和上部的缩径段组成，所述气液入口段底部开口，所述气液出口段顶部设有多孔板，所述喉管的侧壁设有气孔，所述的喉管与所述气液入口段直管段的内径比为0.1～0.9：1。本实用新型提供的微气泡发生器结构简单，没有动设备，所以加工难度小，调试简单。产生的气泡大小及分布均匀。本实用新型提供的烃油加氢反应器显著提高了气液传质效果，反应效率高。

Description

一种微气泡发生器和烃油加氢反应器

技术领域

本实用新型涉及一种化工设备内构件和化工设备，更具体地，涉及一种微气泡发生器和一种烃油加氢反应器。

背景技术

上流式反应器在石油化工领域应用广泛，例如上流式固定床渣油加氢反应器、沸腾床加氢反应器和悬浮床加氢反应器等。由于在上流式反应器中反应物流自下而上流动，因此与传统的下流式固定床反应器相比，上流式反应器反应器具有对劣质原料适应性好、反应器空间利用率高、压降较低等优点，但同时也存在一些问题，如物流分配不均，容易出现热点。

在上流式反应器中，反应物流的气相和液相均沿着自下而上的方向在反应器中流动，反应器出口段的液相为连续相，氢气为分散相。由于氢气以溶解氢的方式提供，为了保证稳定的氢气分压和氢气溶解速率，液相的溶解氢始终处于饱和状态并且少量的氢气以气体形式存在，最终使得生成的气泡直径较小且分布也较为均匀。

对气泡分配良好的微气泡发生器是上流式反应器内最重要部件之一，它将直接关系到气液两相初始分布的均匀性，不合理的微气泡发生器会使进入反应器的初始物料分布不均匀。

微气泡有比表面积大、气含率高、气泡上升速度慢和溶解快等优点，广泛应用于废水处理、酿酒、矿石浮选、石油开采及生物养殖等行业。

微气泡的形成是气液两相流的一种物理现象，利用微气泡的形成及微气泡的物理化学性质。通常认为气泡在湍流场中的破碎主要是外部因素和内部因素共同作用的结果，外部因素主要包括流场特性、液相性质和其他外界条件，而内部因素则主要包括气相性质、气泡的内部作用力等。

微气泡发生器根据气泡生成方式分为螺旋液型、喷射型、压力溶解型和机械分散型。

螺旋液型微气泡发生器利用高速旋转液体的离心作用来产生微气泡，水通过离心泵以切向的速度进入装置的底部，使得水形成旋转型的流动轨迹，在中心处形成真空，抽吸气体进而形成微气泡，该种微气泡发生器已经广泛应用于水质净化，可以产生10-50μm的微气泡。

喷射型微气泡发生器通过使用类似孔板流量计或文丘里管的设计，使流体因管路局部变化而增大流速、降低压力，从而引入气相，或利用液相旋流在中心产生负压区的方式引入气相，之后利用高速流体产生的高度湍流和剪切将气体切割为微气泡。

压力溶解型微气泡发生器通过将气液混合物加压至一定的压力后进入加压罐，气体饱和溶解在液体中，通过减压阀减压，压力突然降低，饱和溶解在液体中的气体析出，使得气体生成微气泡，微气泡的尺寸和分布取决于加压罐的压力。

机械分散法微气泡发生器通过将水与空气同时通入容器中进行搅拌，在高速的剪切与搅拌过程中将气体切割成微小气泡。

尽管微气泡技术具有诸多优点，但由于传统微气泡发生器存在结构复杂、加工和安装困难、后期维修成本高、气泡直径均匀度不高等缺点，微气泡技术应用效率与效果有待进一步提高。

CN109200839A公开了一种文丘里式微气泡发生器，气泡发生装置包括前扩散段、整流段、文丘里管、过渡段和后收缩段依次连接，文丘里管的喉部通过通气管连接通气***，通气***向文丘里管中通入气液混合体。该装置只是通过缩颈来加速液相进而分割气相，所以气液两相并不能很好的进行混合，同时气泡大小及分布均匀度等技术参数以及相应的技术效果未见说明。

CN109966939A公开了一种文丘里微气泡产生装置，包括文丘里管与旋流装置，渐张段或渐缩段至少有一个旋流装置，利用旋流装置产生的高速湍动使得气泡发生二次破碎，但是存在制造难度大，安装不方便等问题。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是在现有技术的基础上，针对现有技术中微气泡发生器存在结构复杂、加工和安装困难、后期维修成本高、气泡直径均匀度不高的问题，提供一种结构简单的微气泡发生器。本实用新型还提供一种设置了该微气泡发生器的烃油加氢反应器。

本实用新型提供的一种微气泡发生器，从下至上由气液入口段3、喉管4、渐扩段5和气液出口段6连接组成，其中，所述气液入口段由下部的直管段和上部的缩径段组成，所述气液入口段底部开口，所述气液出口段顶部设有多孔板，所述喉管的侧壁设有气孔，所述的喉管与所述气液入口段直管段的内径比为0.1～0.9：1。

本实用新型提供的烃油加氢反应器，包括反应器壳体、壳体底部的物料进口、壳体顶部的产物出口、设置于反应器内部的催化剂床层和催化剂床层下部的挡流板，所述挡流板上开孔，上述的微气泡发生器位于所述挡流板下方，使微气泡发生器顶部与所述挡流板上开孔对应设置。

本实用新型提供的微气泡发生器和烃油加氢反应器的有益效果为：

本实用新型提供的微气泡发生器的结构简单，没有动设备，所以加工难度小，调试简单。产生的气泡大小及分布均匀度均匀。本实用新型提供的微气泡发生器可用于上流式反应器中，适用于烃油加氢反应器，包括柴油或重质油加氢反应器。本实用新型提供的烃油加氢反应器显著提高了气液传质效果，提高了气相溶解于液相油的传质速率，氢气在烃油中的溶解效果得到了明显的改善。提高了反应效率，提高了烃油加氢的转化率。

附图说明

图1为微气泡发生器一种实施方式的结构示意图。

图2为微气泡发生器的立体剖面图。

图3为泡帽顶板的结构示意图。

图4为气液出口段顶部多孔板的结构示意图。

图5为上流式反应器中安装微气泡发生器的结构示意图。

图6为对比例1微气泡发生器的结构示意图。

附图标记说明：

1-泡帽；2-底部多孔板；3-气液入口段；4-喉管；5-渐扩段；6-气液出口段；7-顶部多孔板；8-物料进口；9-挡流板；10-反应器壳体；11-催化剂床层；12-产物出口；13-底部进口；14-中部上升管；15-通气孔；16-顶部出口。

具体实施方式

以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，在未做相反说明的情况下，使用的方位词应当结合上下文和实际使用中的方向来适当解释。

第一方面，本实用新型提供一种微气泡发生器，从下至上由气液入口段3、喉管4、渐扩段5和气液出口段6连接组成，其中，所述气液入口段由下部的直管段和上部的缩径段组成，所述气液入口段底部开口，所述气液出口段顶部设有多孔板，所述喉管的侧壁设有气孔，所述的喉管与所述气液入口段直管段的内径比为0.1～0.9：1、优选0.3-0.6：1。

可选地，所述的气液入口段底部设有泡帽，所述泡帽由圆筒形泡帽侧壁、泡冒底部和圆环形泡冒顶板组成，所述气液入口段底部与所述泡帽顶板连接，所述泡帽顶板为多孔板，所述气液入口段直管段与所述泡帽的内径比为0.1～0.9：1、优选0.5-0.7：1。

可选地，所述的气液入口段、喉管、渐扩段和气液出口段的高度比为： 2～10:1:1:2～10。

所述的气液入口段为下部直管段和上部缩径段的组合结构，优选地，所述气液入的下部直管段为气液入口段高度的0.1-0.5。

可选地，所述的气液入口段的高度为1～10mm，所述的喉管的高度为 5～20mm，所述的渐扩段的高度为3～15mm，所述的气液出口段的高度为 10～40mm。

可选地，所述泡帽侧壁的高度为1～50mm，所述泡帽顶板至泡冒底部的高度为1～30mm，泡帽内径为1～50mm，所述泡帽侧壁比所述泡帽顶板高1-10mm。

可选地，所述喉管侧壁上设有2-20个对称分布的气孔，所述气孔的直径为1～5mm。喉管侧壁的气孔按照周向均匀排布，方便气体以较大气速进入升液管，同时气体分配更均匀。

可选地，气液出口段的多孔板的开孔率为1％～10％，开孔的等效直径为0.1～10mm。

可选地，所述的泡帽顶板的开孔率为1％～10％，开孔的等效直径为 0.1～10mm。

可选地，所述气液入口段的缩径段为锥形管，其母线与轴线的夹角为 15°～25°，所述的渐扩段为锥形管，其母线与轴线的夹角为5°～20°。

优选地，所述的气液入口段、喉管和渐扩段之间分别活动连接。更优选气液入口段、喉管和渐扩段通过螺纹连接。

本实用新型提供的微气泡发生器的应用方法。微气泡发生器的一种实施方式，结构为下端无泡帽直接开孔，微气泡发生器中部为管径缩小的喉管且开气孔。将微气泡发生器安装在上流式反应器中，微气泡发生器顶部与塔盘相连接且开孔。液相直接从气液入口段下部开口进入微气泡发生器中，气相从喉管侧壁进入，二者混合后向上运动，在喉管开孔处形成气泡从所述气液出口段顶部多孔板溢出进入上流式反应器中。

本实用新型提供的微气泡发生器的另一种优选实施方式，包括依次连接的气液入口段、喉管、渐扩段和气液出口段，所述气液入口段底部连接泡帽，顶部气液出口为多孔板结构；所述泡帽由圆筒形泡帽侧壁、泡冒底部和圆环形泡冒顶板组成，所述气液入口段底部与所述泡帽顶板连接，所述泡帽顶板为多孔板，所述气液入口段直管段的内径小于所述泡冒的内径。将微气泡发生器安装在上流式反应器中，微气泡发生器顶部与塔盘相连接。在工作过程中，液体和气体从泡帽顶板开孔进入微气泡发生器，气液两相在穿过泡帽顶部的多孔板后进入泡冒内部，二者充分混合，形成混合均匀的气液两相流，绕流180度向上流动进入升液管中。所述气液入口段、喉管、渐扩段和气液出口段组成微气泡发生器的升液管。

当气液两相流从反应器内通过泡冒顶板进入泡帽，气液两相穿过多孔板时进入直径减缩的孔中，两相流速加快，气液湍动程度加强，部分气体以气泡形式从多孔板中生成并进入升液管中。

气液两相流经过喉管后流速增大，此时从气孔进入的气体在高速液流的作用下被剪切为多个尺寸不一的小气泡；之后，气泡上升到达微气泡发生器顶部出口时，顶部多孔板继续剪切气泡，气泡发生二次破碎，增强了气泡的尺寸分布均匀性。

气液两相流从升液管上升到顶部的过程中，气液两相进入减缩的流道中，两相流速加快，气液湍动程度加强，液相流道被设计为先收缩后增大的结构，该结构导致沿着液流形成复杂的压力轮廓，部分位置压力降低，气泡通过顶部多孔板处中生成直径更小的气泡。

本实用新型提供的微气泡发生器中，气液入口段、喉管、渐扩段和气液出口段组成升液管，升液管不仅用于传输气体，也用于传输液体，液体和部分气体从底部泡帽通过多孔板绕流后进入升液管，有利于控制液相流速和促进气液两相之间的混合。随后液体上升到喉管时与气体混合，气体被连续的液相截断为多个尺寸不一的气泡柱，后气泡在顶部的多孔板结构被分割为多个尺寸均一直径更小的小气泡再进入上流式反应器中。

通常，流入微气泡发生器的流体通常为气体和液体的混合流体。优选的，在该混合流体进入微气泡发生器之前，首先经过流体分离装置从而使得混合流体中的气体从液体中分离。随后，分离出的气体从上流式反应器的侧方导入，而液体从上流式反应器底部导入，二者在微气泡发生器内重新混合。通过上述技术方案，流经升液管的液体和气体可以更好的混合。

第二方面，本实用新型提供一种烃油加氢反应器，包括反应器壳体、壳体底部的物料进口、壳体顶部的产物出口、设置于反应器内部的催化剂床层和催化剂床层下部的挡流板，所述挡流板上开孔，上述任一种的微气泡发生器位于所述挡流板下方，使微气泡发生器顶部与所述挡流板上开孔对应设置。

本实用新型提供的烃油加氢反应器的应用方法，烃油原料从底部的物料进口引入反应器，并且并流向上流动，液相反应物流从泡帽顶板上的开孔进入泡帽，从气液入口管向上流动，氢气从喉管上的开孔进入微气泡发生器内，和液相反应物流进一步混合，从微气泡发生器的顶板进入挡流板上方空间，反应物流和氢气得到更好的混合，在催化剂床层进行反应；反应后的物流从顶部产物出口排出反应器。

以下参照附图具体说明本实用新型提供的微气泡发生器和烃油加氢反应器的结构。

图1、2为微气泡发生器一种优选实施方式的结构示意图和立体剖面图。如图1所示，微气泡发生器从下至上由泡帽1、气液入口段3、喉管4、渐扩段5和气液出口段6连接组成，其中，所述泡帽1由圆筒形泡帽侧壁 2、泡冒底部和圆环形的泡冒顶板组成，所述气液入口段3由下部的直管段和上部的缩径段组成，所述喉管4的侧壁设有气孔，所述气液出口段6顶部设有多孔板7。气液出口段顶部多孔板的结构如附图4所示，开孔率为 10％-90％。气液入口段3底部与泡帽顶板连接，所述泡帽顶板为多孔板，结构如附图3所示，开孔率为10％-90％。

本实用新型提供的微气泡发生器适用于上流式反应器中，适用于烃油加氢上流式反应器。本实用新型提供的烃油加氢反应器如附图5所示。包括反应器壳体10，底部物料进口8、上部产物出口12，设置于反应器内部的催化剂床层11和催化剂床层下部的挡流板9，所述挡流板上开孔，微气泡发生器位于所述挡流板下方，使微气泡发生器顶部与所述挡流板上开孔对应设置。

流体在该反应器中从下向上流经该微气泡发生器，不但使得气液两相混合的更加充分，还能够使得混合流体在流经该微气泡发生器后向四周均匀流动。

本实用新型提供的烃油加氢反应器为上流式反应器，适用于重质烃油加氢反应，尤其适用于重质烃油原料的加氢反应。

以上充分说明了本实用新型的微气泡发生器能够使得流体均匀分配的功能，下面通过实施例对该微气泡发生器使得混合流体中的气液混合性能进行说明。

实施例和对比例中：

为了表征物流扩散装置对气体和液体的分配效果，采用气液两相流在线测量仪对液体在横截面上的气泡直径进行测量，并采用分配不均匀因子M_f来指示气泡直径在横截面上分布差异。分配不均匀因子M_f计算公式如下：

其中，n为电导探针测点数量；a_i为第i个探针测点的气泡直径，a是n 个探针测点的平均气泡直径。

为了表征物流扩散装置对气体和液体的分配效果，采用气含率

来评价新型气液分配器的分配性能。反应器内的气含率直接关系到整个反应器的运行效率，同时也反应气液分配器的工作性能，气含率计算公式如下：

其中，H_i为初始时的液位高度；H_n为鼓泡后的液位高度。

为了表征物流扩散装置对气体和液体的混合效果，采用气液两相流在线测量仪对液体在横截面上的气泡直径进行测量，并采用气泡平均直径来表示气液两相之间的混合效果。

实施例1

采用如附图1、2所示的微气泡发生器进行冷模试验，微气泡发生器从下至上由气液入口段、喉管、渐扩段和气液出口段连接组成，所述气液入口段底部设有泡帽；其中，喉管内径为15mm，气液入口段下部直管段的内径为30mm，泡帽的内径为25mm，气液入口段、喉管、渐扩段和气液出口段的高度分别为70mm、20mm、10mm、50mm。泡帽侧壁高度为10mm，泡帽顶板的高度为20mm。喉管侧壁设有4个气孔，气孔直径为5mm。气液出口段顶部多孔板的开孔率为10％，开孔的等效直径为5mm。泡帽顶板多孔板的开孔率为10％，开孔的等效直径为5mm。气液入口段的缩径段母线与轴线的夹角为25°，渐扩段母线与轴线的夹角为15°。

将微气泡发生器安装在直径300mm的上流式反应器中，微气泡发生器设置于塔盘底部，微气泡发生器的顶部出口和塔盘上开孔配合。采用气液两相流在线测量仪对液体在横截面上的气泡直径进行测量，计算分配不均匀因子M_f，气含率、气泡平均直径和气泡平均速率，测量及计算结果分别见表1-表4。

对比例1

对比例1采用的微气泡发生器如附图6所示，微气泡发生器为底部和顶部开口的圆管，圆管中上部开通气孔，具体结构为底部进口13、中部上升管14、通气孔15与顶部出口16。其中底部进口角度为45°，上升管的直径为30mm，长度150mm；通气孔数量2个，直径都为5mm；顶部出口直径为30mm。将微气泡发生器安装在直径300mm的上流式反应器的塔盘上，微气泡发生器的顶部出口和塔盘上开孔配合。

试验方法同实施例1，计算分配不均匀因子M_f，气含率、气泡平均直径和气泡平均速率，测量及计算结果分别见表1-表4。

表1

实施方式	分配不均匀因子M<sub>f</sub>
		实施例1	0.201
对比例1	0.167

由表1可见，与现有技术相比，本实用新型的微气泡发生器具有较低的分配不均匀因子，因此具有较好的分配性能。

表2

实施方式	气含率
		实施例1	4.683
对比例1	6.058

由表2可见，本实用新型的微气泡发生器具有较大的气含率，因此具有较好的分配性能，并且结构简单，便于加工的安装使用。

表3

实施方式	平均直径
		实施例1	9.02
对比例1	7.77

由表3可见，本实用新型的微气泡发生器具有较小的气泡直径，因此具有较好的混合性能。

表4

实施方式	平均速率
		实施例1	0.63
对比例1	0.41

由表4可见，与现有技术相比，本实用新型的微气泡发生器具有较小的气泡上升速率，气泡停留时间较长导致气液两相接触面积较大，因此具有较好的混合性能。

以上内容详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本实用新型不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变形，这些简单变形均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合不再另行说明。

Claims

1.一种微气泡发生器，其特征在于，从下至上由气液入口段(3)、喉管(4)、渐扩段(5)和气液出口段(6)连接组成，其中，所述气液入口段由下部的直管段和上部的缩径段组成，所述气液入口段底部开口，所述气液出口段顶部设有多孔板，所述喉管的侧壁设有气孔，所述的喉管与所述气液入口段的直管段的内径比为0.1～0.9：1。

2.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的气液入口段底部设有泡帽，所述泡帽由圆筒形泡帽侧壁、泡冒底部和圆环形泡冒顶板组成，所述气液入口段底部与所述泡帽顶板连接，所述泡帽顶板为多孔板，所述气液入口段直管段与所述泡帽的内径比为0.1～0.9：1。

3.根据权利要求1或2所述的微气泡发生器，其特征在于，所述气液入口段、喉管、渐扩段和气液出口段的高度比为：2～10:1:1:2～10。

4.根据权利要求3所述的微气泡发生器，其特征在于，所述气液入口段的下部直管段为气液入口段高度的0.1-0.5。

5.根据权利要求3所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的气液入口段的高度为1～10mm，所述的喉管的高度为5～20mm，所述的渐扩段的高度为3～15mm，所述的气液出口段的高度为10～40mm。

6.根据权利要求2所述的微气泡发生器，其特征在于，所述泡帽侧壁的高度为1～50mm，所述泡帽顶板至泡冒底部的高度为1～30mm，泡帽内径为1～50mm。

7.根据权利要求1或2所述的微气泡发生器，其特征在于，所述喉管侧壁上设有2-20个对称分布的气孔，所述气孔的直径为1～5mm。

8.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述气液出口段的多孔板的开孔率为1％～90％，开孔的等效直径为0.1～10mm。

9.根据权利要求2所述的微气泡发生器，其特征在于，所述泡帽顶板的开孔率为1％～90％，开孔的等效直径为0.1～10mm。

10.根据权利要求4所述的微气泡发生器，其特征在于，所述气液入口段的缩径段为锥形管，其母线与轴线的夹角为15°～45°，所述的渐扩段为锥形管，其母线与轴线的夹角为5°～20°。

11.根据权利要求1或2所述的微气泡发生器，其特征在于，所述气液入口段、喉管和渐扩段之间分别活动连接。

12.一种烃油加氢反应器，包括反应器壳体、壳体底部的物料进口、壳体顶部的产物出口、设置于反应器内部的催化剂床层和催化剂床层下部的挡流板，所述挡流板上开孔，权利要求1-11中任一种所述的微气泡发生器位于所述挡流板下方，使微气泡发生器顶部与所述挡流板上开孔对应设置。