CN102240526B - 气提式液体分布器和反应器内构件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气提式液体分布器和反应器内构件，其中，气提式液体分布器包括：外筒和内筒，外筒为一端开口的圆柱筒，内筒为两端开口的圆柱筒，外筒的直径大于内筒的直径，外筒壁设置有至少一个进气孔，外筒开口向下套设在内筒上方，且外筒的顶部与内筒的顶部设有一间隔距离，外筒和内筒偏心设置，外筒的内侧壁与内筒的外侧壁具有连接面，连接面处设置有至少一个贯穿外筒及内筒的通孔。通过本发明，可以通过气流将进入外筒的液流冲碎成液滴而使二者混合均匀，并可以防止气、液在内筒与外筒连接的一侧发生壁流而引起的液体分布中心偏流的现象，从而使液体分布均匀。

Description

气提式液体分布器和反应器内构件

技术领域

本发明涉及加氢反应领域，具体地，涉及一种气提式液体分布器和反应器内构件。

背景技术

油品加氢精制技术始于上世纪的五十年代，经过近六十年的发展，催化剂的开发取得了较大的进步，如今的催化剂在反应活性上比技术应用初期提高了约10倍。然而，加氢过程反应工程的研究与催化剂的开发并不同步，直到上世纪九十年代中期，国外石油公司才开始认识到当时的反应器已经难于充分发挥高活性催化剂的性能，并开始着手进行加氢反应器的研究开发，形成了一系列与催化剂相配套的反应器及内构件技术。

加氢反应器内构件主要由入口分布器、冷氢箱、催化剂或填充介质组成，在工程上来说，内构件各部分之间的作用就是使气液流体有一个好的流体和温度分布，而流体和温度分布又与操作条件(例如，气液负荷)密切相关，通过一些流体力学特征参数来评价流体和温度的分布性能。

加氢反应能否稳定进行，主要取决于催化剂性能是否先进，而催化剂性能的充分发挥，产品质量能否优质，在很大程度上取决于气液在催化剂床层中分布的均匀性，即反应器内部结构的先进性和合理性。分布器是加氢反应器中重要的内构件之一，它的设计和合理使用对提高催化剂的利用率、提升油品质量具有重要意义。

分布器种类繁多，结构各异，不同结构的分布器适用于不同类型的反应器。目前，在工业上使用的加氢反应器气液分布器主要包括孔盘式、多管式和泡罩式等。其中，孔盘式气液分布器主要应用于多级分布器系统的初始分布，配合其它分布器共同使用。多管式分布器存在对水平度要求较高、孔道易堵塞、喷淋密度小等或多或少的缺点，流体和温度的分布质量较低。泡罩式分布器整体分配性能较好，现已广泛应用于工业加氢反应器中，最典型的是美国联合油公司开发的UOC型气液分布器，在我国广泛使用，但这类分布器由于中心管内存在连接螺杆，液相介质沿螺杆有汇流现象，使得液相分布中心峰值较高，操作弹性较小，从而导致了液体分布不均匀、床层径向温差大的问题。

综上所述，目前的加氢反应器气液分布器主要存在由于液相分布中心峰值较高而导致的液体分布不均匀、床层径向温差大的问题。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种气提式液体分布器和反应器内构件，以解决现有技术中的分布器由于液相分布中心峰值较高而导致的液体分布不均匀、床层径向温差大的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种气提式液体分布器，所述的气提式液体分布器包括：外筒和内筒，所述的外筒为一端开口的圆柱筒，所述内筒为两端开口的圆柱筒，所述外筒的直径大于所述内筒的直径，所述的外筒壁设置有至少一个进气孔，所述外筒开口向下套设在所述内筒上方，且所述外筒的顶部与所述内筒的顶部设有一间隔距离，所述的外筒和内筒偏心设置，所述外筒的内侧壁与所述内筒的外侧壁具有连接面，所述连接面处设置有至少一个贯穿所述外筒及内筒的通孔。

其中，所述外筒壁上的进气孔的数量为1至6，所述进气孔形状为长方形。

所述外筒壁上的进气孔的开孔面积为所述内筒横截面积的10％-30％。

优选地，所述外筒壁上的进气孔为设置在所述外筒壁开口处且一侧具有开口的齿缝，所述齿缝的高度为所述外筒高度的三分之一。

其中，所述连接面上的通孔数量为1、2或3个，所述连接面上的通孔的开孔面积为所述内筒横截面积的1％-3％。

所述连接面上的通孔的开孔位置设置在距离所述内筒顶部的三分之一以内。

所述外筒的高度和所述内筒的高度相同，所述外筒的截面积为所述内筒的截面积的1.6倍至2.2倍。

本发明实施例还提供一种反应器内构件，所述的反应器内构件包括：多个上述气提式液体分布器、分配盘和催化层，多个气提式液体分布器设置在所述分配盘上，所述内筒的一端开口与所述的分配盘具有水平连接面，所述外筒内侧壁与所述内筒外侧壁的连接面朝向所述分配盘的中心，所述分配盘与所述催化层设有一高度。

所述多个气提式液体分布器设置在分配盘上按正方形或正三角形的方式排列。

所述的反应器内构件还包括：填料层，位于所述催化层上方，所述分配盘与所述填料层之间设有一预定高度。

借助于上述技术方案至少之一，通过在外筒壁和连接面上设置进气孔，可以通过气流将进入外筒的液流冲碎成液滴而使二者混合均匀，并可以防止气、液在内筒与外筒连接的一侧发生壁流而引起的液体分布中心偏流的现象，从而使液体分布均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a-图1c是根据本发明实施例的气提式液体分布器的不同剖面的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的反应器内构件的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的反应器内构件的另一结构示意图；

图4是根据本发明实施例的分布器1在分配盘2的排列方式示意图；

图5是根据本发明实施例的分布器1在分配盘2的另一排列方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有技术中的加氢反应器气液分布器由于液相分布中心峰值较高，从而导致了液体分布不均匀、床层径向温差大的问题，基于此，本发明实施例提供一种气提式液体分布器和反应器内构件来解决上述问题。以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

本发明实施例提供一种气提式液体分布器，如图1a-图1c所示，该气提式液体分布器1包括：

外筒11和内筒12，外筒11为一端开口的圆柱筒，内筒12为两端开口的圆柱筒，外筒11的直径大于内筒的直径，外筒壁设置有至少一个进气孔13，外筒11开口向下套设在内筒12上方，且外筒的顶部与内筒的顶部设有一间隔距离，外筒11和内筒12偏心设置，外筒的内侧壁与内筒的外侧壁具有连接面，连接面上设置有至少一个通孔14(该通孔也可以叫做进气孔)，通孔14贯穿外筒和内筒。

由以上描述可以看出，通过在外筒壁和连接面上设置进气孔，可以通过气流将进入外筒的液流冲碎成液滴而使二者混合均匀，并可以防止气、液在内筒与外筒连接面的一侧发生壁流而引起液体分布中心偏流的现象，从而使液体分布更均匀，进而可以克服现有技术中的液相分布中心峰值较高的问题，使得液体分布均匀、床层径向温差小。

上述外筒壁上的进气孔13可以设置在外筒壁的任意位置，该进气孔的形状可以为长方形、多边形、圆形及扇形，进气孔的数量可以为1至6个。

优选地，外筒壁上的进气孔13的总开孔面积为内筒横截面积的10％-30％。

在具体实施过程中，进气孔13可以是设置在外筒壁开口处且一侧具有开口的齿缝，齿缝的高度可以为外筒高度的三分之一。

上述连接面上的通孔14的数量可以为1、2或3个，通孔14的开孔面积为内筒横截面积的1％-3％，通孔14的开孔位置设置在距离内筒顶端的三分之一处以内。

在实际操作中，外筒的高度和内筒的高度可以相同，优选地，可以均为100mm-150mm。内筒的直径可以为20mm-80mm，外筒的截面积为内筒的截面积的1.6倍-2.2倍。

通过上述外筒和内筒设计成倒U型，二者在管内相连通，可以为流体提供流动的通道。通过在外筒上设置齿缝，可以作为气流通道，经齿缝与液流混合在通道内产生强烈的抽吸作用，气流可以将液流冲碎成液滴，从而可以使二者能够混合均匀的进入分配盘2(如图1所示)。

实施例二

本发明实施例还提供一种反应器内构件，如图2所示，反应器内构件包括：多个实施例一中的气提式液体分布器1、分配盘2、和催化层3，多个气提式液体分布器1设置在分配盘2上，内筒11的一端开口与分配盘2具有水平连接面，外筒内侧壁与内筒外侧壁的连接面朝向分配盘的中心，分配盘与催化层设有一高度。

由以上描述可知，通过在气提式液体分布器的外筒壁和连接面上设置进气孔，可以使气液混合均匀，然后通过分配盘，均匀地进入催化剂床层，使得气液在催化剂上顺利地进行反应，提高了催化剂的利用率，提高了反应产率。

优选地，如图3所示，反应器内构件还包括：填料层4，位于催化层上方，分配盘2与填料层4之间设有一预定高度h1，填料层4的厚度为h2，分配盘将分布器流出的气液均匀地喷洒在填料层上，通过该填料层，气液可以向下流动并得到进一步的分散，从而可以更均匀地进入催化剂床层，使得气液在催化剂上顺利地进行反应，进一步提高了催化剂的利用率。

优选地，如图3所示，外筒11的下端开口距离与分配盘的距离h3为30mm-50mm。

分配盘2的安装水平度(即，上述水平连接面)必须严加控制，优选地，当反应器直径为0.45m-2.4m时，水平连接面的水平度公差取3.2mm；当反应器直径为2.4m-6.0m时，水平连接面的水平度公差取6.4mm。另外，水平度对分布质量最为敏感的情况是液位高度处于上下极限位置时。

分配盘2的安装高度指内筒(实际中，内筒也可以叫做分布器中心管)下端出口到填料层的距离h1，即，上述的预定高度。在实际操作中，不能将分配盘直接置于填料层上，因为空间太小，不仅会使分布器在安装时定位困难，而且会阻碍气体与液体在催化剂床层上的交互作用以及液体分布，从而将使气液分布不均匀；但是，如果预定高度过大，则会浪费反应器的空间，增加成本，且会使得液体落点偏离设计位置，同样会造成液体分布不均匀，使反应器反应效率降低，因此，优选地，本发明实施例中的预定高度h1可为250mm-350mm，在这个范围时，气液分布均匀，反应器反应效率较高。

气提式液体分布器的参数设计计算如下：

在设计分布器时，开孔率α是一个重要的参数，其定义为：

其中，d表示开孔孔径，单位为m；D_t为反应器直径，单位为m；N为分配盘上的开孔总数，即，分布器的个数。

开孔率也可以表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{U}{U_g}---\left(2\right)$

其中，U表示分配盘气体表观速度，Ug表示分布器中心管(即，内筒12)气体流速，表观速度是指：向流化床中通入气体，不考虑床层内的构件，气体流量与床层总截面积的比值，即气体的线速度。分布器中心管气体流速Ug优选范围为6m/s-20m/s，对于分配盘气体表观速度U较低的工况，Ug宜选用低值，例如，Ug为6m/s。

开孔率对反应器的稳定操作有直接影响，在相同床层流速下，开孔率过大，会使床层出现不稳定状态；开孔率过小，会使气液通道减小，达不到均匀分布，因此，选择合适的开孔率尤为重要。设计分布器时，选择合适的开孔率，提供紧密的喷淋点间距使每个分布器能发挥最大的喷淋面积，在尽可能达到分布均匀的范围内，使分布器的个数尽量少。优选地，在本发明实施例中，开孔率范围可控制在1％-25％之间。

多个气提式液体分布器1在分配盘2上可以按正三角形或正方形的方式排列，具体地，如图4、5所示，外筒内侧壁与内筒外侧壁的连接面朝向分配盘的中心。这样，可以使得气液更均匀地分布。

对于正三角形排列的气提式分布器，如图4所示，相邻分布器之间内筒圆心间的距离为S，流体流动的控制面积为流体通道中心管的面积，此时，开孔率α为：

$S=0.952\frac{d}{\sqrt{\mathrm{\α}}}---\left(4\right)$

对于正方形排列的气提式分布器，如图5所示，相邻分布器之间内筒圆心间的距离为S：

$S=0.886\frac{d}{\sqrt{\mathrm{\α}}}---\left(5\right)$

因此，可根据以上所列计算式求得不同的开孔方式下的中心管间距，根据(1)式可以计算得到分配盘上开孔数量。

以下基于图3所示的结构示意图来描述反应器的工作原理：如图3所示，分布器高架在分配盘上，分配盘上连接内筒12(即，分布器中心管)，分布器中心管一端与分配盘焊接相连，另一端与外筒成内切焊接，中心管与外筒11成倒置U型，分布器外筒和中心管管内相连通，这为液体提供了流动的通道。液体首先下落至分配盘上，积累到一定程度时，随气流从分布器外筒的入口(即，下端开口)进入，向上流到外筒的顶部，然后转弯进入分布器中心管的上端，沿中心管向下流动，通过分配盘，均匀地喷洒在填料层上，在填料层气液向下流动得到进一步的分散，均匀地进入催化剂床层。并且，由于在外筒入口筒壁上开有1-6个齿缝，齿缝高度为筒高度三分之一，齿缝的开孔面积约为中心管面积的10％-30％，此时约有10％-40％的气体从齿缝进入分布器外筒，气流将液流冲碎成液滴使二者混合均匀。另外，由于中心管和外筒连接面焊接处设置开有1-3个通气孔，开孔面积为中心管面积的1％-3％，开孔位置在中心管上部的三分之一处以内，此时约有5％-10％气体从通气孔进入分布器中心管，其作用是防止气、液在中心管与外筒连接面的一侧发生壁流而引起液体分布中心偏流的现象，使得液体分布更均匀。

需要说明的是，液体下落至分配盘上积累，由于实际积累液位高度不会超过齿缝的顶端，因此在高液速下，液体不会产生溢流。一旦液位高度超过了齿缝，气流将会将其带走进入外筒以保持内外压力的平衡。本发明实施例的分布器的这种管式设计大大增加了气、液两相的接触面积，可通过所开齿缝的个数来调节气、液流通量，气、液两相在外筒中上升时立即接触混合，比一般的管式分布器更容易达到热力学平衡。并且，由于齿缝的气速高于分布器其它部分，因此齿缝不易堵塞与积垢，优点明显。

液体经过中心管后，在中心管下端出口截面处的液体分布为：

$f\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\σ}}^2}{e}^{-{\left(\frac{x}{\mathrm{\σ}}\right)}^2}---\left(6\right)$

其中， $\mathrm{\σ}=0.43\·{\left(\frac{h_1}{d}\right)}^{0.29}{\mathrm{\ϵ}}^{-0.16}{\mathrm{Fr}}^{0.25}$

式中，σ为标准差，用于描述液体分布f(x)的离散程度，σ越大，分布越分散，σ越小，分布越集中；ε为原料气液体积比；d为中心管直径；x为对d的无因次径向距离；Fr为通过中心管的弗劳德准数。

假设有90％的液体落入喷洒面积内，喷洒面积与中心管面积比为：

$\mathrm{\β}={{4x}_1}^2=-\ln (1-0.9){\mathrm{\σ}}^2=0.426\·{\left(\frac{h_1}{d}\right)}^{0.58}{\mathrm{\ϵ}}^{-0.32}{\mathrm{Fr}}^{0.5}---\left(7\right)$

其中，x1是指液体喷洒在填料层上的无因次半径，根据上述可知，β与d几乎成反比例(-1.08指数关系)，即，中心管直径减少1倍，β增大1倍。因此，在气体表观速度U较低时，中心管直径d宜选用小一些。优选地，分布器中心管直径d可为20mm-80mm。

当分配盘气体表观速度U较小时，此时中心管气速Ug可选定为6m/s，根据上述(2)式可得到分配盘的开孔率α；选定中心管直径d和分配盘安装高度h1，然后根据上述(7)式可得到喷洒面积比β，若β的倒数大于开孔率α，则说明在安装高度h1截面上两孔喷洒面积不能相互交叠，此时需要补充填料进行再分配，使其能在催化剂床层上液体分布均匀。如图3所示，填料层厚度h2的取值应能保证两孔(即，相邻两分布器)喷洒的液体通过填料层能相互交叠，一般应大于x2的两倍，其中，图3中的x1是指液体喷洒在填料层上的无因次半径，x2表示两中心管的中心距离减去x1后的差值；在实际操作中，也可以通过减少中心管直径和增加安装高度使β的倒数小于开孔率α，因为中心管直径减少，在开孔率一定时孔数就增加，两中心管道距离也就随之减少。

当分配盘气体表观速度U较大时，依据上述计算方法，在优选范围内就可以选定合适的d、Ug、h1值使β的倒数小于开孔率α，无需再加上填料层进行预分布，具体如图3所示。但是若填料层还有其他作用(如过滤杂质等)，则还可以保留填料层。

由以上描述可知，通过对液体分布的计算、开孔率、开孔排列方式、孔间距、孔数以及分布器结构等的确定，有效地解决了一般气液分布器中心峰值较高致使液体分布不均匀、床层径向温差大的问题，使其气液两相均匀的喷洒到催化剂床层上，与催化剂顺利地进行反应，有利于提高催化剂的利用率，提高了反应产率。

综上所述，本发明实施例通过在分布器上设置通气孔，使得气液能够足够混合，均匀的喷洒到催化剂床层上，保持催化剂床层稳定均匀的气、液分布以及截面温差，保证反应的顺利进行和催化剂性能的充分发挥。与现有的气液分布器相比，本发明实施例提供的分布器和反应器内构件具有结构简单、安装方便、喷淋密度大、压降较低、对水平度要求低以及气液操作弹性大等优点。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气提式液体分布器，其特征在于，所述的气提式液体分布器包括：

外筒和内筒，所述的外筒为一端开口的圆柱筒，所述内筒为两端开口的圆柱筒，所述外筒的直径大于所述内筒的直径，所述的外筒壁设置有至少一个进气孔，所述外筒开口向下套设在所述内筒上方，且所述外筒的顶部与所述内筒的顶部设有一间隔距离，所述的外筒和内筒偏心设置，所述外筒的内侧壁与所述内筒的外侧壁具有连接面，所述连接面处设置有至少一个贯穿所述外筒及内筒的通孔；

其中，所述连接面上的通孔数量为1、2或3个；所述连接面上的通孔的开孔面积为所述内筒横截面积的1%-3%；所述连接面上的通孔的开孔位置设置在距离所述内筒顶部的三分之一以内。

2.根据权利要求1所述的气提式液体分布器，其特征在于，所述外筒壁上的进气孔的数量为1至6个，所述进气孔形状为长方形。

3.根据权利要求2所述的气提式液体分布器，其特征在于，所述外筒壁上的进气孔的开孔面积为所述内筒横截面积的10%-30%。

4.根据权利要求2所述的气提式液体分布器，其特征在于，所述外筒壁上的进气孔为设置在所述外筒壁开口处且一侧具有开口的齿缝，所述齿缝的高度为所述外筒高度的三分之一。

5.根据权利要求1所述的气提式液体分布器，其特征在于，所述外筒的高度和所述内筒的高度相同，所述外筒的截面积为所述内筒的截面积的1.6倍至2.2倍。

6.一种反应器内构件，其特征在于，所述的反应器内构件包括：多个上述权利要求1至5中任一项所述的气提式液体分布器、分配盘和催化层，多个气提式液体分布器设置在所述分配盘上，所述内筒的一端开口与所述的分配盘具有水平连接面，所述外筒内侧壁与所述内筒外侧壁的连接面朝向所述分配盘的中心，所述分配盘与所述催化层设有一高度；

所述的反应器内构件还包括：

填料层，位于所述催化层上方，所述分配盘与所述填料层之间设有一预定高度，所述预定高度为250mm-350mm。

7.根据权利要求6所述的反应器内构件，其特征在于，所述多个气提式液体分布器设置在分配盘上按正方形或正三角形的方式排列。

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