CN102421510A - 用于下流式反应器的混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新式装置，用于在催化反应器的高度受限的床层之间空间内提供更有效的气体和流体混合，同时不会增加压降。特别地，该装置提高了两相系统中气相和液相混合的现有混合容积的效率。根据本发明，混合装置有助于使进入流体强烈地弧形流动，实现了在催化反应器的有限床层之间空间内的大程度混合。

Description

用于下流式反应器的混合装置
技术领域
本发明涉及一种用于多床式加氢反应器的混合装置。具体地，该混合装置用于下流式催化反应器中，下流式催化反应器包括竖直叠置的颗粒状催化剂材料填充床，其中，液体或者液体和气体混合物随着向下流过填充床而受到处理。这种反应器用在石油和化工加工工业中，用于进行各种催化反应，例如加氢反应，包括加氢处理、加氢精炼、加氢裂化和脱蜡。
背景技术
在固定床式燃料和润滑油加氢单元中，气体和液体向下流动通过多个固体催化剂床。从催化反应中释放热量，导致温度随着在床层中距离向下深入而上升。冷的富氢气体可被引入各床之间，以抑制这种温度上升和补充反应消耗的氢。为了保持总的反应器性能，反应器内流体的温度和压力应当尽可能保持均匀，并且任何液体和气体都应当充分混合，以便获得最佳性能。床层之间流体混合不良会以各种方式制约反应器工作。当床层之间混合不能够消除温差时，随着过程流体在反应器中向下移动，温差将持续或增长。任何床中的热点都会导致热点区域的催化剂迅速失活，从而缩短了反应器总的周期时长。在高温下产品的选择性通常较差。例如，热区会引起颜色、粘性和其他质量超标。此外，如果在任意一点的温度超过一定值(通常为800-850℉)，放热反应会变为自行加速，这导致失控，从而会损坏催化剂、容器或下游设备。由于这些危害，因此在不良内部硬件情况下运转的精炼机必定要牺牲收得率和/或产量，以便避免床层之间流体混合不良的有害影响。通过催化剂床之间反应物的混合和平衡、校正任何温度和流动的分布不均、以及最大程度减小压降来最大程度减少反应器温度分布不均以及热点。可以通过采用分布器组件和混合室来实现在催化剂床之间流体的混合。由于当今的精炼经济性要求加氢单元以远超设计指标的送料速率运行，最佳的床层之间流体混合是一种有价值的、低成本的消除瓶颈的手段。
分布器组件可以用来在多床式催化反应器的床层之间区域收集、混合和分布流体。分布器组件通常包括：槽，用来收集和混合来自上层催化剂床的液体和气体；混合装置或混合室，居中设置在槽内，用于从槽接收液体并进一步混合液体和气体。混合装置是很多分布器组件中的一个关键部件，因为它为流体提供有效和充分混合，并有助于避免热点和不良温度分布。混合装置具有：至少一个入口，用于从槽接收液体；和至少一个出口，用于朝向下层催化剂床引导液流。通过湍流或涡旋效应，混合装置将大体上改善液体和气体的混合。如果存在混合装置的话，混合装置通常设置在反应器内催化剂床之间的床层之间空间内。由于存在支撑梁、管线和占据床层之间区域的其它障碍物，在很多反应器中床层之间空间是有限的。由于这些空间限制条件，因此就需要按比例调整特殊硬件(例如混合装置)的尺寸以适合可用的空间，以便在有限的容积内进行有效的两相混合。
由于充分的床层之间流体混合对于获得良好的催化剂寿命、高产出量、长的周期时长以及总反应器性能的重要性，因此需要改进的混合装置。此外，也特别需要这样的混合装置，它们能够改造以适应于床层之间空间有限的现有反应器。
发明内容
本发明提供一种新式装置，用来在多床式反应器中的催化剂床之间的空间内更有效地混合流体。特别地，本发明涉及一种混合装置，其提高了在混合两相系统的气相和液相时现有混合容积的效率。由于尺寸相对较小因此该混合装置很适合于改造应用场合，并且还能够按比例改变尺寸以用于新的反应器设计，从而在多床式反应器的床层之间空间内实现有效的流体混合。
根据本发明，用于多床、下流式反应器的该混合装置放置在反应器中床层之间的空间内，并附连至大体为环状的收集盘。该收集盘收集来自上层催化剂床的液体和气体(在此统称为“流体”)，并帮助将流体导向到混合装置的开口。收集盘在本领域是公知的。本发明的混合装置可以是箱状室(混合箱)，或者简单地设置在收集盘顶部。本发明的混合装置大体是圆筒形的，具有弯曲的侧壁和平的顶壁及底壁。混合装置的底壁以流体密封方式安装在收集盘上。在一个实施例中，圆筒状侧壁安装在催化剂支撑梁之间。
混合装置大体是圆筒形的，具有：a)大致为圆形的顶壁，其基本平行于第一催化剂床的底部；b)大致为圆形的底壁，其基本平行于顶壁，并包括大体为圆形的位于中央的出口；c)圆筒形分隔壁，位于所述顶壁和所述底壁之间，并与所述顶壁和所述底壁基本上流体密封地接触，其中，所述分隔壁具有至少一个开口，该开口从分隔壁底部延伸到不足分隔壁的整个高度处；以及d)至少一个用于流体的入口通道。在一个实施例中，该混合装置还包括至少一个圆筒形上升壁，其中，上升壁包围出口，并且，从出口中心到上升壁表面所测量的上升壁半径小于从出口中心到分隔壁表面测量的分隔壁半径，并且其中，上升壁与底壁流体密封地接触，但是不延伸到分隔壁的整个高度。这里所用的“基本平行”指两个物体和/或部件处于共平面的5度偏差范围内。入口通道由分隔壁的外表面、分隔壁开口、邻接分隔壁外表面并包围分隔壁开口的弯曲侧壁、以及顶盖部形成。侧壁以流体密封的方式连接到分隔壁。侧壁的延伸距离不到分隔壁的整个高度，并与分隔壁开口的顶部平齐。顶盖部基本上流体密封地接触侧壁顶部和分隔壁外表面，并与分隔壁开口的顶部平齐。分隔壁、分隔壁开口、侧壁以及顶盖部形成所述至少一个入口通道。从出口中心到侧壁所测量的入口通道半径在入口通道开口处比在侧壁分隔壁开口处大，从而形成收缩的通道，以使进入流体形成弧形流。
在一个实施例中，随着流体通过入口进入混合装置，入口通道容积逐渐变小，以便增加混合装置内流体的湍流并将流体以涡旋运动的方式导向第一混合区。第一混合区可由混合装置的底部、稳流器外表面、分隔壁内表面以及上升壁外表面限定。除非另外说明，否则这里所用的“内”表面是指面对从顶壁穿过出口中心延伸的中心轴线的表面。除非另外说明，否则这里所用的“外”表面是指面对反应器侧壁的表面。上升壁是圆筒形壁，它与混合装置底壁流体密封地接触并向上延伸，但是不与混合装置顶壁流体密封地接触。上升壁外部面对分隔壁内部。稳流器附连到上升壁外壁，该稳流器在混合装置内形成内部通道并帮助限定第一混合区。
在一个实施例中，流体溢过稳流器并收集在第二混合区中位于稳流器和上升壁之间的间隙空间内。上升壁和稳流器设计成能够增加流体的涡旋和湍流，从而可实现更有效的混合和温度均衡。在一个实施例中，可以在上升壁和/或稳流器上附连一个或多个多孔板。如果设有多孔板，那么流体将会溢过和/或流过多孔板，从而促进液滴形成和改善混合。在进入环状出口区之前，流体进入泡罩85的多个狭缝中并溢过上升壁顶部。泡罩85附连至混合装置40的顶壁49，并平行于分隔壁45和上升壁75下降。泡罩85大致位于上升壁75外壁和稳流器60内壁之间的中间。泡罩85围绕上升壁75设置并设在上升壁上方，以便泡罩顶部高于上升壁顶部，从而为流体进入第三混合区提供通道。泡罩85大体为圆筒形，并且从稳流器顶部到混合装置中心轴线测量的泡罩直径大于上升壁75的直径，但是小于稳流器60的直径。第三混合区由位于上升壁外表面和泡罩内表面之间的环形通道限定。泡罩85的狭缝86围绕泡罩开口端的周边大体对称分布，始于泡罩下端并基本竖直地向上延伸，延伸距离是一部分泡罩高度。这种构造允许流体在流出环状出口之前从第二混合区流到第三混合区。
圆筒状壁式上升壁的内壁形成环状出口90。可选地，螺旋状多孔板75附连到上升壁内壁上，该螺旋状多孔板充当挡板，用于促进液滴形成和改善流体混合。螺旋状多孔板75延伸范围不到环状出口90的整个直径。该螺旋板形成半螺旋挡板，可选择地固定于上升壁内壁上，位于混合装置的出口区域内。在流体接触下一个催化剂床之前，流体通过出口流出混合装置并排放到床层之间的再分配盘31上，参见图1。可以根据需要从多个点将急冷气体或流体喷入收集盘或者喷入混合装置。
该混合装置构造为可设置和固定附连在多床、下流式反应器的壁内表面之间，并可设置在反应器内竖直叠置的催化剂床之间。该混合装置可构造成适合在改造应用场合安装在现有反应器的催化剂支撑梁之间。
通过结合附图阅读下面的具体实施方式，本发明的这些和其它特征将会被更容易理解。
附图说明
图1是位于多床式催化反应器内的本发明混合装置一个实施例的示意图。
图2是本发明一个实施例的透明示意立体图。
图3是本发明一个实施例的俯视图。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明的混合装置居中设置在收集盘的顶部，并位于催化剂支撑梁之间。本发明的混合装置具有用于从槽接收流体的至少一个入口。在一个实施例中，混合装置包括两个用于从收集盘接收流体的入口。采用彼此相隔180度定向的两个入口，并且入口的开口定位成加强流入流体的环形涡旋运动，这样将改善混合装置设计的湍流效果。
如图1所示，多床、下流式反应器10具有圆筒形侧壁11。图1所示截面是多床式催化反应器的横截面。每个催化剂床5和6包含填充的颗粒状催化剂材料。每个催化剂床都支撑在由支撑格栅、网布和丝网构成的格栅板组件12上，所有这些都是本领域公知的。该格栅板组件安装在平行的支撑梁14和15上，支撑梁水平安装在反应器侧壁11上。本发明的混合装置40安装在催化剂支撑梁之间，位于催化剂床5下方，并与收集盘30流体密封地接触，以便接收从上层催化剂床5底表面流下的液体和气体并混合这些液体和气体。
图2是混合装置40的一个实施例的透明示意立体图。混合装置的底壁41以流体密封连接方式安装在收集盘上。在从上层催化剂床流下的流体到达混合装置40的入口通道50和55之前，该环状收集盘收集流体。
混合装置40具有圆筒形侧壁42和48，它们以流体密封方式安装在底壁41上。顶盖部46和47以流体密封连接方式分别安装于侧壁42和48的顶部。分隔壁45横跨混合装置的整个高度，并与顶壁49流体密封地接触。分隔壁具有外表面43和内表面44。
混合装置40大致为圆筒形，适于在支撑上层催化剂床的一对横梁14和15之间从收集盘30向上延伸。在一个实施例中，混合装置40的宽度适于占据横梁之间的空间。混合装置外表面由入口50和55的侧壁42和48、入口的顶壁46和47、顶壁49以及分隔壁45的外表面43形成。在一个实施例中，混合装置40的底壁41与收集盘30一体形成并且包括收集盘30的中部。即，混合装置40的底壁可以由收集盘本身形成。在另一个实施例中，混合装置的底壁是单独的壁，并以基本流体密封接触方式直接安装在收集盘上。收集盘30安装在横梁下方并靠近横梁，以便使本发明的混合装置40位于这对中央横梁之间，从而最大程度减少混合装置40占用的竖直空间。通过最大程度减少混合装置所需的空间，可以有效利用反应器的总容积并提高催化剂充填容积。
在一个实施例中，混合装置40具有两个分别从外壁42和48延伸的入口50和55，以及位于底壁41底部中心的单一出口80(如图2和3所示)。出口穿过收集盘30。由外壁42、顶盖部46、底壁41和分隔壁45的外表面43形成的入口50具有上游端，该上游端形成了供流体从收集盘30进入的长方形开口。由外壁48、顶盖部47、底壁41和分隔壁45的外表面43形成的入口55具有上游端，该上游端形成了供流体从收集盘30进入的长方形开口。分隔壁45的底边缘与收集盘30形成基本不透流体的密封，并且分隔壁45的外表面43分别与入口50和55的顶盖部46和47形成了基本不透流体的密封。这两个入口50和55设计为允许流体以相同的流向进入，即，进入的流体将强化混合装置内流体的涡旋方向。分隔壁内的开口51和56(图3)允许流体进入混合装置40的第一混合区。
最好如图2和3所示，一个入口通道由分隔壁45的外表面43、分隔壁开口51、邻接分隔壁45的外表面43并包围分隔壁开口的弯曲侧壁42、以及顶盖部46形成。侧壁42以基本流体密封方式连接到分隔壁45。侧壁42延伸的高度不足分隔壁45的整个高度，并与分隔壁开口51的顶部平齐。顶盖部46与侧壁顶部和分隔壁外表面基本流体密封地接触，并与分隔壁开口顶部平齐。从出口的中心到侧壁测量，入口通道半径在入口通道开口50处比在分隔壁开口51处大，因此形成收缩的通道，从而使进入的流体弧形流动。如图2和3所示，在一个实施例中，混合装置具有第二入口开口55。第二入口通道的形成方式与上述入口通道的相似。第二入口通道由分隔壁45外表面43、分隔壁开口56、邻接分隔壁45的外表面43并包围分隔壁开口的弯曲侧壁48、以及顶盖部47形成。侧壁48以基本流体密封方式连接到分隔壁45。侧壁48延伸高度不足分隔壁45的整个高度，并与分隔壁开口56的顶部平齐。顶盖部47与侧壁顶部和分隔壁外表面基本流体密封地接触，并与分隔壁开口顶部平齐。从出口的中心到侧壁测量，入口通道半径在入口通道开口55处比在分隔壁开口56处大，因此形成收缩的通道，从而使进入的流体弧形流动。
随着流体从不同位置处向下流入环状收集盘30内，入口50和55的存在创造了弧形或环形的流体混合模式。在槽水平面内的环形流动模式导致了池中流体以较低能量与从催化剂床流下的流体混合，从而进入入口50和55的流体具有比较均匀的温度和组成。入口50和55的尺寸，尤其是它们上游端和下游端的宽度和高度，是考虑到流过反应器10的液体流量工作范围来选择的。由此可见，通过收缩的入口通道可将一池相当大深度的液体积聚在收集盘中。这是由于：混合装置邻接收集盘，并且混合装置包括唯一一个来自收集盘30的出口80。入口通道限制了来自收集盘30的流体的流动，致使流体积聚在收集盘上；此外，借助流动收缩和下游膨胀使离开入口通道的液体和气体流形成湍流。
如附图2和3所示，混合装置40的入口通道沿着混合装置的周边延伸，并径向偏离反应器壁11的轴线，并与形成在混合装置底壁41内的圆形出口80相切。这种相对于出口80的定向以及混合装置内流动通道的环形形状一起为累加的液体和气体提供了旋转或螺旋流动模式。此外，入口通道的楔形是朝着液体和气体从收集盘30流入混合装置40的流动方向收缩，从而随着液体和气体流过入口通道的收缩下游端进入混合装置40的第一混合区，在流体流中引入了湍流。由出口80的中心点和圆筒形侧壁42形成的半径从在入口开口(50和55)处的最大值变为在侧壁(分别是42和48)和分隔壁45结合部处的最小值。侧壁42与出口80中心点以及侧壁48与出口80中心点形成的变化半径在入口通道内形成了楔形，这样就增强了进入混合装置40的流体的弧形运动。
随着流体通过入口50和55进入混合装置40，流体进入第一混合区。第一混合区由分隔壁45和上升壁75界定。上升壁75包括外表面73和内表面74。上升壁75的外表面73、分隔壁45的内表面44、以及顶壁49界定了第一混合区。从上升壁75外表面73伸入该混合区的是一个或多个多孔板和一个或多个稳流器。如图2所示，多孔板62从上升壁75的外表面73向外延伸到第一混合区中。在一个实施例中，多孔板与上升壁形成约45度角。多孔板62朝分隔壁45延伸进入该混合区，但是不与分隔壁相交。
半圆筒形稳流器60安装在上升壁75的外表面73上。该稳流器60在上升壁全部高度的约一半上连接上升壁，并以大约45度角向外伸入到分隔壁和上升壁之间的空间内。稳流器继续以45度角向外伸，直至与向下伸出的泡罩85基本平齐并处于泡罩85和分隔壁45之间的空间内。接着，稳流器平行于该泡罩85和分隔壁45向上伸出，直至稳流器的顶部高于向下伸出的泡罩的底部但低于混合装置40的顶壁49。稳流器将流体流动约束在由分隔壁45内表面44和稳流器外表面界定的混合装置区域内。稳流器的角度被设计成增加混合装置内流体的涡旋运动和增加湍流。可选地，稳流器可以具有多孔板61，该多孔板61附连于稳流器顶部并伸入稳流器顶部和分隔壁45之间的空间内。多孔板61可以与混合装置的顶壁49和底壁41平行。多孔板61延伸距离不到稳流器60顶部和分隔壁45之间空间的整个长度。
随着流体进入第一混合区，流体以弧形运动流动并接触多孔板62。流体水平面升高，直至流体处于稳流器60顶部的水平面。当流体溢过稳流器并进入第二混合区时，位于稳流器顶部的多孔板61进一步促进了液滴形成并改进了混合。第二混合区由稳流器60的内壁和上升壁75的外壁73界定。泡罩85从顶壁49向下伸入稳流器和上升壁之间的空间内。泡罩具有多个狭缝86，这些狭缝围绕泡罩基本对称地设置并从泡罩底部向上延伸到泡罩的部分高度。狭缝顶部低于上升壁75顶部。此外，借助于多孔板与泡罩的组合来提供液体混合和液体-气体夹带。第二混合区的狭窄底部和较宽顶部有助于增加流体的涡旋流动。可选的多孔板63伸入第二混合区，用于促进液滴形成。多孔板63以大约45度角安装在上升壁75外壁上。多孔板63部分地伸入第二混合区，而不接触稳流器或向下伸出的泡罩85。流体充满第二混合区，同时保持涡旋流动，直至流体到达泡罩85的狭缝86。接着，流体溢过上升壁75并进入第三混合区。
第三混合区由上升壁75的圆筒状内壁74界定。可选地安装在上升壁75内壁上的是螺旋状多孔板90。螺旋状多孔板90以与流体流动相同的方向围绕上升壁内部弯曲，进一步增加了流过混合装置的流体的涡旋运动。螺旋状多孔板90始于上升壁75顶部之下，并以螺旋方式向下盘旋或旋绕，以便在最接近上升壁75顶部的螺旋板一端部处的高度大于在最靠近出口80的螺旋板另一端处的高度，其中，螺旋板高度是从出口开始并垂直于底壁而测量的。螺旋板90从上升壁顶部之下开始延伸，并结束于出口80之上。出口80由底壁41内的环状开口和收集盘30内的环状开口形成。在一个实施例中，出口80为形成在收集盘30中心并与反应器侧壁11的轴线同轴的大体圆形的孔。接着，流体通过出口80流出混合装置。一个或多个催化剂床位于出口80之下。
在流体进入混合装置之前，急冷气体(例如氢气)可以通过一个或多个管注入收集在收集盘30的流体池内。在一个或多个位置注入急冷气体能引起每个位置处的流体池搅动，从而在流体进入混合装置之前加强落入和流过槽的液体的混合。
前述对本发明优选实施例的描述主要用于说明的目的，要认识到可采用仍然包括了本发明实质的多种变化。因此，应参照下面的权利要求书确定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种混合装置，安装在多床、下流式催化反应器的两个催化剂床之间，其中，所述混合装置包括：
a.大致为圆形的顶壁，其基本平行于第一催化剂床的底部；
b.大致为圆形的底壁，其基本平行于顶壁，并包括大体为环状的位于中央的出口；
c.圆筒形分隔壁，位于所述顶壁和所述底壁之间，与所述顶壁和所述底壁基本上流体密封地接触，其中，所述分隔壁具有至少一个开口，该开口从分隔壁底部延伸到不足分隔壁的整个高度处；以及
d.至少一个用于流体的入口通道，其中，所述入口通道由分隔壁的外表面、分隔壁的开口、邻接分隔壁外表面和包围分隔壁开口的弯曲的侧壁、以及顶盖部形成，其中，所述侧壁以基本流体密封接触的方式连接到分隔壁，所述侧壁延伸至不足分隔壁的整个高度处，所述顶盖部与所述侧壁的顶部和分隔壁外表面流体密封地接触，其中，顶盖部与分隔壁开口的顶部平齐从而形成所述至少一个入口通道，并且其中，从所述出口的中心到所述侧壁所测量的所述入口通道的半径在入口通道开口处比在侧壁的分隔壁开口处要大，从而形成收缩的通道，以使流体形成弧形流。
2.如权利要求1的装置，还包括至少一个圆筒形上升壁，其中，上升壁包围所述出口，并且其中，从所述出口的中心到上升壁内表面所测量的上升壁的半径小于从所述出口的中心到分隔壁内表面测量的分隔壁半径，并且其中，上升壁与所述底壁流体密封地连接，但是不延伸到分隔壁的整个高度。
3.如权利要求1的装置，其中，混合装置包括至少两个分隔壁开口和至少两个入口通道。
4.如权利要求3的装置，其中，分隔壁开口彼此相隔180度地设置。
5.如权利要求1的装置，其中，所述装置位于催化剂床支撑梁之间。
6.如权利要求2的装置，还包括多孔板，该多孔板在上升壁与所述底壁的结合部处安装到上升壁外部上，并且部分地伸入上升壁和分隔壁之间的空间内。
7.如权利要求2的装置，还包括稳流器，该稳流器至少部分地沿着上升壁向上安装，并且安装于所述上升壁的外部，并且部分地伸入上升壁和分隔壁之间的空间内。
8.如权利要求7的装置，其中，稳流器在稳流器的至少一部分长度上以45度角度伸出，接着在稳流器的至少一部分长度上平行于分隔壁伸出。
9.如权利要求7的装置，其中，稳流器还包括平行于所述顶壁和所述底壁延伸的多孔板。
10.如权利要求2的装置，还包括泡罩，其中，所述泡罩从所述顶壁向下延伸，并位于上升壁和分隔壁之间。
11.如权利要求7所述的装置，还包括泡罩，其中，所述泡罩从所述顶壁向下延伸，并位于上升壁和稳流器之间。
12.如权利要求10的装置，其中，泡罩还包括多个大致对称布置的狭缝。
13.如权利要求11的装置，其中，泡罩还包括多个大致对称布置的狭缝。
14.如权利要求7的装置，还包括多孔板，该多孔板安装于上升壁外部，并位于上升壁顶部和稳流器之间。
15.如权利要求10的装置，还包括多孔板，该多孔板安装于上升壁外部，并位于上升壁顶部和稳流器之间。
16.如权利要求2的装置，还包括螺旋状多孔板，该螺旋状多孔板位于上升壁内壁上并邻近所述出口，所述螺旋状多孔板沿流体流动方向朝向所述出口向下旋绕。
17.如权利要求6的装置，还包括螺旋状多孔板，该螺旋状多孔板位于上升壁内壁上并邻近出口，所述螺旋状多孔板沿流体流动方向朝向所述出口向下旋绕。
18.如权利要求7的装置，还包括螺旋状多孔板，该螺旋状多孔板位于上升壁内壁上并邻近所述出口，所述螺旋状多孔板沿流体流动方向朝向所述出口向下旋绕。
19.如权利要求10的装置，还包括螺旋状多孔板，该螺旋状多孔板位于上升壁内壁上并邻近所述出口，所述螺旋状多孔板沿流体流动方向朝向所述出口向下旋绕。
20.如权利要求14的装置，还包括螺旋状多孔板，该螺旋状多孔板位于上升壁内壁上并邻近出口，所述螺旋状多孔板沿流体流动方向朝向所述出口向下旋绕。
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