CN101291724A - 用于设备的气液相混合物分配器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于设备(2)的气液相混合物分配器装置(1)，其中经由至少一个供给口(4)将气相和液相引入该设备(2)的内部。该装置包括水平地设置于设备(2)中的分配器板(5)，该分配器板包含设置在活性区域(6)上的通孔(8)以及向下延伸的边缘。该分配器板(5)不在设备(2)的整个横截面上延伸。对于确定的物质系统可设置预分配器(15)。

Description

用于设备的气液相混合物分配器装置

技术领域

本发明涉及一种用于设备的气液相混合物分配器装置，所述装置用于在所述设备的横截面上均匀地分配气相和液相。

背景技术

在化学方法中经常需要经由至少一个供给口将气相和液相，特别是以气液相混合物的形式，引入设备中，所述供给口的液力直径可小于所述设备的液力直径。气相与液相之间的液力直径关系、由此带来的流动关系以及存在的密度差特别地导致气相在设备的横截面上不均匀的分布。这会导致问题，特别是当在设备中设置有连续式固定床时，或具有填充有固体颗粒例如催化剂的接触管时，或在换热板之间存在间隙时。然而，即使在供给管中，相应的流动条件也会导致气液相在一定程度上分离，或导致气液相的不均匀进入，因此有必要使进入的流均匀化。

另外，因为两相中的气液分布的变化或者成分组成的变化会导致两相混合物中(产生)另外的自由度，所以发现两相混合物的引入以及使所述混合物在设备的横截面上分布的均匀化是很成问题的。因此，各相的不均匀的分布会导致平衡的偏移，从而导致单独相的成分组成的局部变化。例如，在仅有不充足的气相到达的边缘区域中，会导致成分从液相中挥发出，从而使液相缺少这种成分。

其中引入气相和液相的用于化学反应的设备具有中央的筒状或棱柱状部分，化学反应在该部分中进行。如可能则催化所述化学反应，其中，在设备中设置有连续式固定床，所述固定床带有填充有催化剂或催化剂颗粒的接触管或彼此间布置有间隙的换热板。所述设备在两端用盖或者端板封闭，所述盖或者端板设计成例如扁平的或弯曲的、中凹的端板、拱形的端板或球形壳。

在下端板的区域内，可经由供给装置中的供给口将气液相混合物引入所述设备。当气液相混合物经由供给口进入设备内部时，在此处气相的结合会导致较大的气泡或气体射流，所述气泡或气体射流会集中的/在中心上升，如可能会撞击到固定床的表面或设置有接触管的管板的表面。相反地，仅有不充足的气相到达设备的外部区域，由此导致局部变化的分布。在某些情况下会另外出现一种或多种成分的相变，由此出现局部改变的平衡。这导致设备中的反应条件不均匀，因此不能优化地进行化学反应。然而，即使在供给管中也会产生两相的不均匀分布。另外，不同尺寸的气泡导致在设备的横截面上(出现)不希望的不均匀的两相分布。

为实现气液相混合物分布的均匀化以及避免前述问题，必须在供给口区域内采用分配器装置。参照用于在存在有连续液相的设备例如鼓泡塔中使气体分布均匀的气体分配器，已知多孔式烧结板、孔板和筛板。如果将气相引入设备中，例如形式为孔板或烧结板的嵌入件由于压降而使气相在板下方积聚，由此气相与在横截面上均匀穿过所述板的通流起反应以使流动阻力最小化。由此使气体分散于液体中，以实现较大的用于换热或物质交换的相界面。这种静态的、产生压降的嵌入件覆盖了设备的宽横截面，因此出现较大的压降，这提高了工作成本。当在存在固定床的设备中应用时，这种嵌入件使得对位于后方的固定床的接近变得困难，特别是当可能必须对于催化剂固定床的情况替换已消耗的催化剂时。然而，已经发现这种嵌入件不适于在两相都流动的设备中使流动均匀化。

相反，这种嵌入件在多相多成分的系统中产生局部变化的气液分布。这种不稳定的影响会导致流体运动，特别是液相的流体运动，由于产生压降的嵌入件的不水平的取向所述运动导致两相进一步分离。

还已知将导向板作为用于气相的分配器装置，气体射流撞击该导向板从而使得所述射流分散成单独的气泡或射流。然而，对于使气液相混合物均匀分布，已知由此仅可减轻前述问题，但并不能解决该问题。

设置于管板中并具有用于使分布均匀化的多个供给口的环状分配器需要较大的安装空间，这是因为，为了使分布均匀需要多个具有大量开口的环。发现这存在以下问题，即必须在环分配器的内部确保两相混合物的流动一致以避免产生气液相分布的偏移。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种用于设备的气相和液相的-特别是两相混合物的-分配器装置，以实现在设备的整个横截面上的均匀分布，而不具有上述缺点。特别地，应当在各相的组成恒定的情况下确保在设备的整个横截面上的均匀分布，其中该分配器装置应当结构简单并相应地成本低廉。这里，该分配器装置应当适用于几乎所有种类的气液接触设备，优选适用于设置有固定床的设备、或具有多个焊接在管板上并填充有催化剂颗粒的接触管的壳管式设备。本发明也可用于具有设于内部的、彼此间存在间隙的换热板的设备，所述换热板中填充有颗粒式异质催化剂。

所述目的通过用于设备的气液相混合物分配器装置实现，其中经由至少一个供给口将气相和液相引入设备的内部，其中，水平地设置于设备中的分配器板包括具有通孔的活性区域以及向下延伸的边缘(边沿，空边)，其中分配器板不在设备的整个横截面上延伸。

在一种优选实施形式中，所述分配器装置补充有设置于供给口与第一分配器板之间的第二分配器板，该第二分配器板包括具有多个通孔的活性区域以及向下延伸的边缘，并主要起预分配器的作用。

本发明的分配器装置所应用的设备特别是这样的设备，即，其中例如在保持格栅上设置有固定床的设备，或者其中多个接触管焊接在管板上的壳管式设备，在所述设备中，气液相混合物经由一个端盖中的至少一个供给口进入，例如通过接触管流过并经由另一盖流出所述设备。

迄今为止，两相分布的不均匀特别是因为供给口的液力半径比设备的液力半径小多倍而导致的。在流体技术中，“液力半径”表示开口的面积的四倍与周长的比值。由于气相与液相之间的密度差，两相混合物中的气泡迅速上升，或在供给口上的给合行为会导致形成较大气泡或气体射流，使得气相高速且集中地大量上升。然而，例如弯曲的供给管路也会导致较较大气泡的形成，所述气泡在进入设备时导致前述问题。

根据本发明的分配器装置的功能性基于在所述分配器装置上使气相与液相分离。在分配器板下方由边缘限定的区域内形成气垫，使得液相不流过活性区域的通孔。而所述液相侧向地经过分配器装置的向下延伸的边缘，通过分配器装置与设备内壁之间的无约束的环形区域并在分配器板上方在设备的整个横截面上分布。通过分配器板的通孔，使气相在分配器横截面上均匀地分散到液相中。由此实现了两相多成分系统在分配器的横截面上恒定的分布。

所形成的气垫的高度取决于贯穿分配器板的气流的压降、液相的压降以及气体与液体之间的静液压差。根据气液相之间的密度差、气体体积流或负荷情况以及分配器板的通孔的数量和直径而决定气垫的高度，所述高度可能显著地不同。

如可能，使分配器板水平地设置于设备中，由此在该分配器板下方形成具有恒定高度的气垫。为尽可能精确地水平对齐分配器板，在设备的内壁上焊接例如接片/连接板，以通过所述接片连接分配器装置。然而，也可设想将其固定在沿流动方向延伸的嵌入件例如管板上，或固定在设备的盖或端板上。

分配器装置的布置使得，能够在分配器板上方形成横向于在活性区域的通孔上分散的气相的上升方向的液相流。为显著地最小化横向流动对于分散气泡的上升方向的影响，本发明的一种实施形式中力求使液相的流动速度尽可能地小。这通过为液相流动提供较大的区域来实现。分配器板的横截面选择成，一方面使得在分配器装置处分散的气相尽可能分布在设备的整个横截面上，另一方面使液相的流动速度较小。为此，根据设备的几何形状，分配器板的形状可以是圆形、多边形或任何其它形状。

分配器板与设备的可能的嵌入件例如管板之间的距离选择成，使得可能在分配器板上方形成具有较小流动速度的液相的横向流，并且因此所述距离取决于物质系统以及存在的流量。特别地，所述距离确保在液相与气相之间在设备横截面上的分布均匀化。

分配器板的活性区域的通孔的数量和布置取决于设备的构型。如果设备包括嵌入件例如布置在支持格栅上的固定床的催化剂颗粒或焊接在管板中的填充有催化剂颗粒的接触管，则根据本发明的分配器装置确保设备的横截面被均匀地加载有两相混合物。活性区域的通孔根据应用可具有不同的形状例如孔或切口，并且可在分配器装置内变化。对于设计成壳管式反应器的设备的情况，分配器板的活性区域的孔平面尽可能地与相应的焊接在管板中的接触管的管平面对齐，使得分配器板的活性区域的通孔布置于接触管的开口下方。在设计成壳管式反应器的设备的一种有利实施形式中，接触管的内径选择成在25mm到300mm之间，优选地在30mm到100mm之间，特别是在40mm到70mm之间。分配器板的活性区域的通孔的直径是接触管内径的0.5-20％。合适的直径比由在存在的体积流量比的情况下得到足够气垫的需要确定，所述体积流量比优选地为气体体积流量比液体体积流量在1∶10到10∶1的范围内。

分配器装置的向下延伸的边缘的高度选择成，使得与设备中存在的负荷情况无关地形成足够的气垫高度。由此确保气相仅通过分配器板的通孔分散而不会被液相流带走。边缘的可能高度处于0.01m到0.6m的范围内，优选地在0.05m到0.25m之间。

如将分配器装置布置于封闭设备的端盖中，则有利地通过较小的倾角调节使向下延伸的边缘与该端盖的外形相匹配，由此减小结构高度。

在某些物质系统中在分配器装置上不会产生足够的气液相分离，因此也不会产生根据本发明的分配器装置的功能性所必需的在分配器的横截面上恒定高度的气垫的形成。在供给管中的显著的给合行为与不均匀性导致气垫的高度不稳定，因此显著地影响分配器装置的功能性。这样，发现具有两个分配器板的分配器装置是有利的。有利地设置在供给口与第一分配器板之间的中央的第二分配器板起预分配器的作用。

这种预分配器用于最初使上升的气相均匀化，其中在预分配器板上上升的气泡不需要大小一致。气相也流过布置于第二分配器板的活性区域上的通孔，并且分散到流过的液相中。

所述的根据本发明的分配器装置的第二分配器板的直径可小于第一分配器板的直径，其中所述第二分配器板的尺寸优选地处于第一分配器板直径与供给口直径之间。预分配器的功能主要在于通过使上升的大气泡破裂而使气相最初均匀化。第二分配器板的活性区域上的通孔的直径选择成，使得整个开口面积是第一分配器板的整个开口面积的1.5到3倍，所述整个开口面积由孔的数量与孔的直径得到。

或者，起预分配器作用的第二分配器板的边缘可以与所述板成一定角度地向外倾斜，并同样设有孔。因此，第二分配器板具有截锥曲面的形状，包括中央的平坦区域和周缘区域。这里，在中央和周缘区域中用于使气体通过的通孔不受限制。所述通孔可以设计成孔、切口或其它开口。在中央和周缘区域中的通孔可以不同。优选地，在周缘区域中的通孔大于在中央区域中的通孔，以促进在预分配器下方积聚的气相向流过的液相中的分散。有利地，将分配器与预分配器作为预组装单元而相互连接。

然而，预分配器也可设计成具有齿(尖角)的环，这种隆起状的预分配器致使上升的气泡在所述齿上破裂并以被预分配的形式上升。

通过大量的研究发现，气液相混合物在设备的横截面上分配不均匀的问题可通过上文中限定的分配器装置以简单的方式解决，因此避免了气相以及各相的组成在设备的横截面上的不均匀。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明。

在附图中：

图1示出设计成壳管式反应器的设备的纵剖面，所述设备在下端盖中具有分配器装置的一个实施例；

图2示出设计成壳管式反应器的设备的横剖面，所述设备具有位于下部的分配器装置；

图3示出具有根据本发明的分配器装置的优选实施形式的设备的纵剖面，所述分配器装置具有一个预分配器；

图4示出用作预分配器的第二分配器板的替代方案。

具体实施方式

图1中的纵剖图示出具有中央筒状部分的设备2，所述筒状部分在两端各通过半球状的端盖3封闭。通过在图1所示的实施形式中示例性地设置于下部端盖3中心处的供给口4，将气液相混合物引入设备2的下部端盖3内，并通过分配器装置1均匀地分配。分配器装置1包括具有活性区域6和边缘7的分配器板5，该边缘7在供给口4的方向上延伸。设置于供给口4上方的活性区域6具有圆形或多边形的横截面，并设置有通孔8，通过所述通孔8使积聚的气相分散。

在供给口4的方向上向下延伸的边缘7可以以一角度相对于平坦的活性区域6倾斜，从而该边缘7形成截锥曲面的形状。由此，边缘7与端盖3的外形相匹配，从而减小端盖3的高度。

在图1中，设备2设计成具有中间筒状部分的壳管式反应器，在该筒状部分中，在管板10内设置有接触管9。在管板10的底部下方设置有例如保持格栅11。分配器装置1在设备2中设置成，使得在分配器板5与下部管板10之间存在间隙，从而使横向于活性区域6的液相流的速度较小。该横向流不会使穿过分配器装置1的活性区域6的通孔8分散的气泡偏转并垂直于活性区域6极大地上升。

图2示出设计成壳管式反应器的设备2的横剖面，所述设备具有设置于所述设备的下部区域的分配器装置1。分配器板5的活性区域6具有多边形的横截面，由此使液相在设备的内壁12与分配器板13的边缘之间的周向区域中能具有较大的流动横截面。

图2清楚地示出壳管式反应器的接触管9的管平面。所述接触管9在设备2的横截面上均匀分布，该接触管的内径14优选地在30-100mm的范围内。分配器板5的通孔8位于各接触管9下方的中间，该通孔8与接触管的孔径比在0.5-20％的范围内。

图3示出具有预分配器15的分配器装置1，所述预分配器15沿供给口4的方向设置于第一分配器板5的下方。预分配器15包括一直径小于第一分配器板5的分配器板16，该分配器板16具有活性区域17和通孔18。边缘19从分配器板16向下沿供给口4的方向延伸。边缘19可垂直于分配器板16或与该分配器板16成一角度地向下延伸。

图3所示的分配器装置特别地应用于其中可在供给口4处形成大量气泡并从而导致分配器板5下方的气垫不稳定的物质系统。

在图4中，边缘19相对于分配器板16形成一角度，由此预分配器15形成截锥曲面的形状。这里，在倾斜的边缘19中设有孔20，除活性区域17的通孔18外，还通过该孔20使气相分散。

边缘19可包括平滑的边缘区域21或在该区域上具有多个齿，在所述齿上使气相分散到流过的液相中。

Claims (14)

1.一种用于设备(2)的气液相混合物分配器装置(1)，气相和液相经由至少一个供给口(4)被引入该设备(2)的内部，其中，水平地设置于设备(2)中的分配器板(5)包括具有通孔(8)的活性区域(6)以及向下延伸的边缘(7)，所述水平地设置于设备(2)中的分配器板(5)未在该设备(2)的整个横截面上延伸。

2.根据权利要求1所述的分配器装置(1)，其特征在于，所述边缘(7)匹配于设备(2)的外形。

3.根据权利要求1或2所述的分配器装置(1)，其特征在于，所述分配器板(5)具有圆形或多边形横截面。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的分配器装置(1)，其特征在于，预分配器(15)具有其边缘(19)带有齿状边缘区域(21)的形式。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的分配器装置(1)，其特征在于，在供给口(4)与第一分配器板(5)之间设置有带有第二分配器板(16)的预分配器(15)，其中第二分配器板(16)包括带有通孔(18)的活性区域(17)和向下延伸的边缘(19)。

6.根据权利要求5所述的分配器装置(1)，其特征在于，预分配器(15)的第二分配器板(16)的总开口面积由开口的数量和横截面积确定，该总开口面积是所述分配器板(5)的相应的开口面积的1.5到3倍。

7.  根据权利要求5所述的分配器装置(1)，其特征在于，第二分配器板(16)的边缘(19)相对于该第二分配器板(16)以大于90°的角度延伸。

8.根据权利要求7所述的分配器装置(1)，其特征在于，在第二分配器板(16)中以及边缘(19)中设置有通孔，所述通孔的形式为切口、孔和/或其它形式。

9.一种设备(2)，包括根据权利要求1至8中任一项所述的分配器装置(1)，其中，所述装置(2)设计成固定床反应器，该固定床反应器具有设置在保持格栅(11)上的连续式固定床。

10.一种设备(2)，包括根据权利要求1至8中任一项所述的分配器装置(1)，其中，所述设备(2)设计成具有接触管(9)的壳管式反应器，所述接触管(9)焊接在管板(10)中并设置于该设备(2)的筒状部分中，所述筒状部分在两端均由端盖(3)封闭，气液相混合物经过一个端盖(3)中的供给口(4)进入，并通过另一端盖(3)流出所述设备。

11.根据权利要求10所述的设备(2)，所述设备包括根据权利要求1至8中任一项所述的分配器装置，其中，所述分配器板(5)设置成与保持格栅(11)相距0.01-0.4m的恒定距离。

12.根据权利要求11所述的设备(2)，其特征在于，分配器装置(1)的分配器板(5)的活性区域(6)的通孔(8)的数量和布置与管板(10)中的接触管(9)的管平面相对应。

13.根据权利要求12所述的设备(2)，其特征在于，分配器板(5)的活性区域(6)的通孔(8)的直径与接触管(9)的内径的比为0.5-20％。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的设备(2)的工作方法，该方法包括经由至少一个供给口(4)将气相和液相引入设备(2)的内部，其中与设备(2)的负荷情况无关地产生气液分离以使气相在分配器板(5)下方积聚成气垫，使液相流过分配器装置(1)的边缘(7)与设备(2)的内壁之间的环形空间，而气相穿过分配器板(5)的活性区域(6)上的通孔(8)沿流动方向在分配器板(5)的上方分散到所述的其中存在液相的空间。

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