CN101721961A - 一种沸腾床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沸腾床反应器，包括反应器壳体和三相分离器，三相分离器设置在反应器壳体内的上部，三相分离器为包括内筒和外筒的套筒结构，所述内筒和外筒的上下两端均为开口结构，内筒和外筒均由相连的上段和下段组成，内筒和外筒的上段均为倒置的锥台形结构，内筒和外筒的下段均为圆柱筒形结构，外筒的上端开口高于内筒的上端开口。本发明反应器主要适用于不同种类液体和气体物质在与固体颗粒接触情况下进行的化学反应，具有催化剂藏量大，反应器利用率高、结构简单、操作容易和适宜于长周期稳定运转等优点。

Description

一种沸腾床反应器

技术领域

本发明涉及一种气液固三相沸腾床反应器，具体地说是用于不同种类液体和气体物质并流向上与固体颗粒接触情况下进行化学反应的一种改进的三相沸腾床加氢反应器。

背景技术

重油沸腾床加氢反应器属于气、液、固三相流化床反应器，可以处理高金属、高沥青质含量的重、劣质原料油，具有压力降小、温度分布均匀、可保持整个运转周期反应器内催化剂活性均一、可在运转中加入新鲜催化剂和取出废催化剂等特点。

US Re 25,770中描述了典型的沸腾床工艺，采用循环油泵的操作方式，但该工艺方法在实际应用中存在以下不足：反应器内催化剂藏量较少，反应器空间利用率低；循环油泵维护保养费用较高，而且一旦循环油泵工作失常及损坏，就会造成催化剂下沉聚集，结果迫使装置被迫停工；反应器内液体产品在非催化加氢条件下停留时间过长，在高温下很容易进行二次热裂解反应结焦而降低产品质量。

CN02109404.7介绍了一种新型的沸腾床反应器，和典型的沸腾床反应器相比，具有结构简单、操作容易和反应器利用率高等特点。但由于使用粒径为0.1～0.2mm的微球催化剂，催化剂容易随反应油气带出反应器。要保证此种沸腾床反应器的正常稳定操作，关键是要求合理设计反应器的内部结构，使之与上部的高效的三相分离器相配合，将反应油气携带的催化剂分离出来，避免催化剂从反应器中带出造成损失和对下游装置造成影响。该专利介绍的三相分离器的下料口和反应器出口位置操作弹性小，被三相分离器分离下来的催化剂会粘附在催化剂下料口并且下料口处，易发生气相串流现象，影响三相分离器的分离效果，并且带出的催化剂容易堵塞下游装置，不利于装置的长周期运转。同时，沸腾床反应器中，物料流速在径向上分布不均，在中心区域，流速较高；在边壁区域，流速较低，甚至有向下流动的可能。流速差异随着反应器直径的增大而增大，这就可能导致气泡聚并，大气泡的形成，气相与液相之间接触不充分，流化效果较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可长期稳定操作的新型沸腾床反应器。该反应器结构简单，操作容易，操作弹性大，能够满足长周期稳定运转的需要。

本发明沸腾床反应器包括反应器壳体和三相分离器，三相分离器设置在反应器壳体内上部，三相分离器为包括内筒和外筒的套筒结构，所述内筒和外筒的上下两端均为开口结构，内筒和外筒均由相连的上段和下段组成，内筒和外筒的上段均为倒置的锥台形结构，内筒和外筒的下段均为圆柱筒形结构，外筒的上端开口高于内筒的上端开口。

本发明沸腾床反应器中，反应器壳体是由上至下包括扩大段和直筒段的反应器。反应器壳体包括扩大段时，所述的三相分离器设置在扩大段内。扩大段可以是直径增大的直筒形(直径为直筒段直径的1.2～2倍，扩大段的直径与高之比为0.3～2.0∶1，直筒形扩大段与下部的直筒段由倒置锥台形筒体连接)，也可以是倒置的锥台形。

本发明沸腾床反应器中，三相分离器外筒的下端开口高于内筒的下端开口，两者下端开口也可以处于同一水平位置。

本发明沸腾床反应器的一种具体结构为：在反应器底部设有原料入口和气液分布器。反应器中部可以设有内构件，促进连续相和分散相的分布，对大气泡进行破碎，改善流化质量，使得流体径向速度分布更加均匀，同时对强烈的湍流进行干扰，提高传质速率。在反应器顶部设有气体出口，反应器上部壳体设有液体排出口，分别用于将相分离出的气体和液体导出，液体排出口的位置处于三相分离器外筒上端开口和下端开口之间。

所述三相分离器的内筒构成分离器的中心管，内筒与外筒之间的环状空间组成三相分离器的折流区，外筒与反应器内壁之间的环状空间为澄清液体产品收集区；所述内筒下端开口为物流导入口，内筒下端开口和外筒下端开口构成的圆环状开口为该三相分离器的催化剂下料口，分离出的固体微粒催化剂在此处重新返回到催化剂床层中。

三相分离器各组成部件的具体尺寸比例及相对位置，均可以由本领域设计人员根据所使用的催化剂尺寸、反应器处理量、反应条件及分离效果等具体要求通过计算或者简单的试验予以确定。本发明沸腾床反应器中，将独特设计的三相分离器与倒置锥台形扩大段相配合，可以发挥最佳的气、液、固分离效果。

为便于生成的产物及分离后的物质尽快转移出分离器区域，本发明沸腾床反应器中，三相分离器外筒上段锥台面与水平面夹角(垂直切面上的夹角，记为夹角B)为35～70度，三相分离器内筒上段锥台面与水平面夹角(垂直切面上的夹角，记为夹角C)为40～80度，优选B＜C。

所述三相分离器的上部通常应设置一定的缓冲空间，相分离后的气体产物于此富集并从气体排出口排出反应器。

所述沸腾床反应器中部优选设置内构件，内构件为带有一定截面积的菱形椎体，椎体水平截面积占反应器水平截面积的0.1％～10％，高度占直筒段高度的0.1％～20％。所述内构件，反应器中可以设置2～4个，排列方式可以是上下排列、左右排列。所述内构件可以对流体进行导向，促进连续相和分散相的分布，抑制大气泡的形成和聚并，改善流化质量，使得流体径向速度分布更加均匀，同时对强烈的湍流进行干扰，提高传质传热效率，使过程得到强化。

本发明的沸腾床反应器通常还包括至少一个从所述反应器排出催化剂的部件，和至少一个往所述反应器补充新鲜催化剂的部件。所述补充新鲜催化剂的部件通常设置于所述反应器顶部的位置，而排出催化剂的部件通常位于所述反应器底部附近。例如在反应器壳体顶部设置催化剂添加管，而在底部设置催化剂排出管。反应器上部的催化剂添加管，其投影位置介于三相分离器的外筒与内筒之间的套筒位置，这样加入的新鲜催化剂可以随着此处的物流向下进入催化剂床层。所述的催化剂置换系统及使用方法，可以是任何适用的设备或方法，例如可参照自由公知技术US3398085或US4398852所述的方法进行。

为了使反应原料在反应器中与催化剂均匀接触，一般还应在所述反应器壳体内的底部设置分布器，分布器可以选用任何可以使气体或液体物流均匀分布的结构，例如可采用泡帽结构。

本发明沸腾床反应器内，可以装填不同粒径的催化剂颗粒，如其中可以装填宽范围粒径的催化剂，如0.1mm～0.5mm；也可以装填窄范围粒径的催化剂，如0.4mm～0.5mm。

与现有技术相比，本发明的沸腾床反应器的优点是：

(1)反应器三相分离器催化剂物料出口优化设计，增加了三相分离器的操作弹性，确保三相分离器对催化剂的高效分离，大大减少了催化剂的带出量，避免催化剂的大量带出。

(2)设计了独特结构的三相分离器，使澄清液体产品收集区到液相出口距离的缩短，流速加快，缩短了产物的停留时间，使产物能够迅速的离开反应器，减小了结焦的可能性。

(3)设计了独特结构的三相分离器，使催化剂下料口区域的扩大，增加了催化剂在液相的沉降时间，催化剂下料口为直筒结构，催化剂循环回催化剂床层时的流动阻力减少，降低了三相分离器结焦的可能性，提高了三相分离器的运转稳定性。

(4)所述沸腾床反应器中部设有内构件，为带有一定截面积的菱形椎体，椎体截面积占反应器截面积的0.1％～10％，高度占直筒段高度的0.1％～20％，直径小于反应器直径，可以对流体进行导向，促进连续相和分散相的分布，抑制大气泡的形成和聚并，改善流化质量，使得流体径向速度分布更加均匀，同时对强烈的湍流进行干扰，提高传质传热效率，使过程得到强化。

(5)本发明将独特设计的三相分离器与倒置锥台形扩大段相配合，可以发挥最佳的气、液、固分离效果。

(6)增加了扩大段结构，可以适当降低反应产物导出口的位置，减少了在催化剂浓度较低的高温区液体物流的循环量，防止缩合结焦反应的发生。可以适当放大三相分离器下料口的尺寸，有利于分离出的催化剂顺利返回催化剂床层，同时可以有效的防止气体从下料口上串，影响分离效果。增强了三相分离器的操作弹性和效果，可以根据需要灵活装填不同粒径范围的催化剂，增强了对不同催化剂的适应性。

附图说明

图1为本发明反应器的一种实施方案的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明沸腾床反应器的具体特征、工作原理和技术效果。

如图1所示，反应原料混合后由进料口1进入反应器，经过气液分布器2后均匀分配后进入催化剂床层7，反应器内可以设置内构件15。反应器直筒段3内的催化剂装量至少为反应器有效容积的20％，通常为40％～70％，最好为50％～60％。在气液相并流上行的作用下，催化剂床层膨胀到一定的高度，其膨胀后体积通常比其静态体积大20％～70％。在反应区内气体及液体原料进行加氢反应，反应后的油气夹带部分催化剂颗粒通过扩大段4所围成的扩大区域8进入三相分离器11，进行气液固三相分离：气体首先被分离出来，通过气体排出口10排出反应器，分离下来的催化剂经下料口13返回反应区，而基本不含催化剂颗粒的澄清液体物流通过液体排出口12排出反应器。为了及时补充新鲜催化剂和将失活的催化剂排出反应器，可以通过反应器上部的催化剂加入管9往反应系统中补充新鲜的催化剂，而通过反应器下部的排放管14可以将部分失活催化剂排出反应系统。

扩大段与筒体延长线之间的夹角(称扩大角)为锐角，最好为45度至60度。

三相分离器11是由内筒5、外筒6构成。内筒5下段的直筒段构成该三相分离器的中心管，内筒5与外筒6之间的环状空间组成该三相分离器的折流筒，外筒6与反应器扩大段4壳体内壁之间的环状空间为澄清液体产品收集区，上述中心管下端开口为物流导入口。为了使折流筒内流体流速加快，改善分离效果，外筒上段锥形顶角一般比内筒上段锥形顶角至少小20度，最好是小40～80度。

以下结合具体实施例进一步对本发明反应器的结构及使用效果进行描述。

实施例-1

如图1所示的沸腾床加氢反应器的结构，进行了三相分离器沸腾床中型反应器冷模试验，冷模中型装置的尺寸为：反应器壳体的内径＝160mm，反应器壳体的高度＝3000mm，壳体有效容积60L，分离器高度＝500mm，分离器中心管圆柱部分直径＝135mm，内筒上端开口直径＝190mm，内筒下部圆柱形筒部分的高度＝35mm，外筒圆柱部分直径＝160mm，外筒锥形部分上部开口直径＝285mm，外筒下部圆柱形筒部分的高度＝30mm，外筒上部开口高于内筒上部开口，外筒下部开口位置高于内筒下部开口位置，高度差均为25mm，分离器外筒上部开口与反应器壳体顶部切线的垂直距离是200mm。扩大段为锥台形结构，扩大角为45度，扩大段最上部直径为300mm。选用航空煤油作为液体介质，进油量为30～180L/hr；气相选用氮气，进气量为0.5～3.6Nm³/hr。固相选用粒径为0.1～0.2mm的微球催化剂，催化剂堆积藏量为反应器有效容积的50％。试验结果见表1。

从试验结果看出，在催化剂堆积藏量高达50％的情况下，进料量在相当宽的范围内变化，催化剂带出量均极低，三相流化均匀，效果较好。

实施例-2

在冷模试验基础上，在60L中型装置上进行了孤岛常压渣油加氢脱金属试验。其中反应器的尺寸与实施例1相同，试验条件及结果见表2。

比较例-1

反应器的基本结构同实施例1，不同之处在于三相分离器为CN02109404.7中的实施例1的沸腾床反应器及三相分离器结构。反应条件和试验原料同实施例2，其中具体试验条件及结果见表2。

表1 60L冷模装置进油量、进气量与催化剂带出量的关系

表2 60L中型热模装置1000小时试验结果

实施例-3

操作条件与实施例-1相同，沸腾床反应器中部设有内构件，为带有一定截面积的菱形椎体，椎体截面积占反应器截面积的3％，高度占直筒段高度的2％，可以对流体进行导向，促进连续相和分散相的分布，抑制大气泡的形成和聚并，改善流化质量，使得流体径向速度分布更加均匀，同时对强烈的湍流进行干扰，提高传质传热效率，使过程得到强化。可以看出，有内构件时传质速率增加，可以获得更好的流化质量。

表3有无内构件对比结果

Claims (10)

1.一种沸腾床反应器，包括反应器壳体和三相分离器，三相分离器设置在反应器壳体内的上部，三相分离器为包括内筒和外筒的套筒结构，所述内筒和外筒的上下两端均为开口结构，内筒和外筒均由相连的上段和下段组成，其特征在于：内筒和外筒的上段均为倒置的锥台形结构，内筒和外筒的下段均为圆柱筒形结构，外筒的上端开口高于内筒的上端开口。

2.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：反应器壳体由上至下包括扩大段和直筒段的反应器。

3.按照权利要求2所述的反应器，其特征在于：所述的三相分离器设置在扩大段内。

4.按照权利要求3所述的反应器，其特征在于：反应器的扩大段是直径增大的直筒形，或者是倒置的锥台形。

5.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：三相分离器外筒的下端开口高于内筒的下端开口，或者外筒的下端开口与内筒下端开口处于同一水平位置。

6.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：在反应器底部设有原料入口和气液分布器，在反应器顶部设有气体出口，反应器上部壳体设有液体排出口，液体排出口的位置处于三相分离器外筒上端开口和下端开口之间。

7.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：沸腾床反应器包括至少一个从所述反应器排出催化剂的部件，和至少一个往所述反应器补充新鲜催化剂的部件，所述补充新鲜催化剂的部件设置于所述反应器顶部的位置，排出催化剂的部件位于所述反应器底部附近。

8.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：三相分离器外筒上段锥台面与水平面夹角为35～70度，三相分离器内筒上段锥台面与水平面夹角为40～80度。

9.按照权利要求8所述的反应器，其特征在于：外筒上段锥台面与水平面夹角小于内筒上段锥台面与水平面夹角。

10.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于：反应器中部设有内构件，内构件为菱形椎体，椎体水平截面积占反应器水平截面积的0.1％～10％。

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