CN102574087A - 用于下流式催化反应器的流量分配装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种与流体分配管或烟囱状件连接的流量分配装置，用于更高效地将向下流动的多相混合物分布在含颗粒状催化剂固体的至少一个催化床上，该多相混合物包括至少一种气相和至少一种液相。用于接收气相和液相的该流量分配装置在高度方向上在该装置顶部和/或上部具有至少一个或更多个孔口，气相通过所述孔口能进入该装置，该装置还具有通向装置内的混合腔的气管。流体分配装置还包括一个或更多个引入液体的侧向孔口。侧向孔口使液体进入液体通道，该液体通道通向内部混合腔。混合腔可使液相和气相充分接触。因而本发明的流量分配装置允许分配盘偏离水平位置的容许量范围更大。

Description

用于下流式催化反应器的流量分配装置
技术领域
本发明涉及用于下流式多床催化反应器的流体分配装置。这种类型的反应器用于化学工业和石油精加工工业，用来实现各种反应，如催化剂脱蜡、氢化处理、加氢精制和氢化裂解。本发明的流体分配装置特别适于实现液体和蒸汽之间的混相反应。具体而言，本发明涉及一种分配装置，用于更充分地混合从分配板流出的气体和液体、然后将它们更高效地分布在随后的催化床顶部上。该分配装置特别适于这类催化反应器：反应器中的气液混合物穿过固态催化剂颗粒床。该分配装置尤其适于石油精加工作业中的氢化处理和氢化裂解所用的下流式催化反应器。
背景技术
在含有一系列分离的催化床的反应器中执行许多催化过程。化学工业、石油精加工工业和其他工业用的反应器用于让液体或混相的液/蒸汽混合物穿过粒状固体填充床，这种反应器用于各种不同过程中。石油精加工业的这类典型过程是催化剂脱蜡、氢化处理、加氢脱硫、加氢精制和氢化裂解。在这些过程中，液相通常与气相或蒸汽相相混合，混合物穿过下流式反应器的填充床上的颗粒状催化剂。
在下流式反应器中，在气体和液体进入催化床之前，必须充分混合气体和液体并将将它们均匀分布在反应器的水平截面上。均匀分布有助于保证有效使用催化剂、减小顶层催化剂磨损、提高产量和产品质量、增加运转周期。通常，在多床下流式催化反应器中，将多个催化床布置在反应器中，用于充分混合气体和液体的分配系统布置在连续的两催化床之间的区域。该区域通常设置有位于催化床下方的注气线，因而，可注入其他气体来弥补已在先前催化床中消耗的气体。这种注入气也起到急冷气的作用。通常，注入气是氢气或包括氢气。从上层催化床向下流的液体聚集在收集盘中。急冷气和液体然后流入混合腔中，液体在混合腔中产生涡旋运动。这会充分混合液体，从而使得液体温度均匀。气液混合也发生在混合腔内。从混合腔流出的流体向下落到导流盘或撞击板上，从而流体会被再次引导到一第一分配盘上，该第一分配盘具有大量下流孔口以让流体通过。对于截面液流分布而言，下流孔口可包括一个或更多个导管或烟囱状件。烟囱状件是圆筒形结构，在高度方向上其具有开口的顶部，其上部具有一个或更多个能够让气相进入的孔口。气相向下穿过圆柱形烟囱状件的整个长度范围。烟囱状件下部具有一个或更多个侧向孔口，液相可通过所述侧向孔口进入烟囱状件的圆筒形结构而接触气相。当液体聚集在分配盘上时，液位会上升至覆盖住烟囱状件的侧向孔口的高度，从而可防止气体进入，这样液体就能通过所述侧向孔口进入圆筒形结构中。气体和液体通过烟囱状件底部的孔口流出，经过分配盘，到达下方的催化床上。由于液流周围的湍流度较低，该两种相态的物质在圆筒结构内仅进行有限的混合。
性能好的流量分配装置应该能满足以下四个基本要求：将气液比例在一定范围内的混合物均匀分配到催化床上；允许分配盘相对于水平位置偏离一定程度；气液混合及热交换效果好；以及，要求催化床的最小高度能实现充分弄湿下方的催化床。由于使液体流入烟囱状件的动力是分配盘上的静液位，标准烟囱状件由于允许分配盘偏离水平位置的程度小而达不到这些标准。因而流体被喷射到下方的催化床上的效果并不是最令人满意的。
流量分配装置设计的关键因素之一为液体和气体从装置中排出的型式。标准的烟囱状件分配器只能让液体与催化床进行一些点接触。因而，床的高度需要保证充分弄湿催化表面、进行所需的催化反应。因此，需要更均匀、连贯的喷射型式且需要在长度短的催化床上将催化剂更均匀地弄湿。本发明的目的是实现持续喷射流体而使其均匀分布到催化床顶部上。本发明的另一个目的是增加流量分配器的设计容许量范围(允许分配盘相对于水平位置偏离的范围)。
发明内容
为了使多床催化反应器的性能最佳，重要的是：烟囱状件能充分混合气体和液体，并能够将气/液混合物均匀分配到下方的催化床上。在一实施例中，本发明提供了一种流量分配装置，其用于将多相流体分配到粒状固体上，该流量分配装置包括多相喷嘴和至少一个气管，所述气管用于将气相引入混合腔中，混合腔的直径比气管的直径大，气管从进气孔口延伸、经由下部气管孔口而进入混合腔，所述气管孔口定位成不低于液体通道的下部边界，所述液体通道用于将液相引入混合腔中；多相喷嘴用于加速和分散从流量分配装置流出的液相和气相，该喷嘴具有喷嘴入口，喷嘴入口固定连接到混合腔并与混合腔共轴布置。
在另一实施例中，本发明提供了一种具有至少一个烟囱状件的分配盘，用于将向下流动的多相混合物分布到含颗粒状催化剂固体的至少一个催化床上，该多相混合物包括至少一种气相和至少一种液相；已经对该烟囱状件进行改型设计使其内含一个流量分配装置。该流量分配装置包括多相喷嘴和至少一个气管，所述气管用于将气相引入混合腔中，混合腔的直径比所述气管的直径大，气管从进气孔口延伸、经由下部气管孔口而进入混合腔，所述气管孔口定位成不低于液体通道的下部边界，所述液体通道用于将液相引入混合腔中；所述多相喷嘴用于加速和分散从流量分配装置流出的液相和气相，该喷嘴具有喷嘴入口，喷嘴入口固定连接到混合腔并与混合腔共轴布置。
附图说明
图1示意性示出了本发明的流量分配装置的实施例的侧面剖视图；
图2是一种反应容器的简化透视图，从侧面示意性示出了该反应器中的根据本发明的流量分配装置。
具体实施方式
本发明的一个实施例是流量分配装置，用于将向下流动的多相混合物分布到含颗粒状催化剂固体的至少一个催化床上，该多相混合物包括至少一种气相和至少一种液相。用来接收液相和气相的该流量分配装置在高度方向上在其顶部和/或上部具有一个或更多个让气体进入的孔口，该流量分配装置具有通向其内部的混合腔的气管。流量分配装置还包括一个或更多个让液体流入的侧向孔口。所述侧向孔口让液体进入与内部的混合腔连通的液体通道。混合腔使得液相和气相充分接触。进气管比混合腔窄，这会产生文丘里效应，从而在流量分配装置内会产生较低的压力。压差有助于将液相“拉入”液体通道中而到达混合腔。从而，通过侧向孔口的液流量至少部分由相对窄的气管的文丘里效应(而不是盘上的静液位)决定。因而，与现有的烟囱状件相比，本发明的流量分配装置允许盘相对于水平位置偏离的容许量范围更大。流体(气相与液相的混合物)通过渐缩的锥形文丘里出口从流量分配装置中以更宽的喷射型式排出。这样使流量分配装置中的压降最小化，从而可节省能源、减小顶床层的磨损。
本发明的流量分配装置能用于下流式催化反应器中。在下流式催化反应器中，本发明的流量分配装置能让气相和液相混合，并将混合流体充分地分散喷射到例如处于下方的催化床上。本文所使用的“气体”、“液体”、以及“气液混合物”称之为“流体”。
本发明的流量分配装置可插入分配盘组件的现有烟囱状件中。在这种改型设计应用中，流量分配装置可插入现有烟囱状件中，因而该装置被称之为烟囱状件插件。在新的反应器结构中，流量分配装置可直接安装在分配盘上而不是烟囱状件中。本发明的流量分配装置的直径可在从大约1英寸至大约4英寸范围内，但根据应用场合直径可更小或更大。在某些这类实施例中，本发明的流量分配装置的直径可在从大约1.5英寸至大约3英寸范围内。用于下流式催化反应器中的本发明的流量分配装置的数量可变化，可根据所需的流量及下流式催化反应器所需的其他条件来选择流量分配装置的数量。选择本发明的流量分配装置数量的过程类似于用于确定下流式催化反应器中的标准烟囱状件的数量的传统选择过程。
在某些实施例中，流量分配装置可应用于改型设计场合。可采用现有烟囱状件，将流量分配装置插入该现有烟囱状件中。例如，图1示出了如何将流量分配装置1用作为插入件，该流量分配装置的直径满足以下要求：该流量分配装置可插入分配盘85上的现有烟囱状件中，与烟囱状件的壁4形成完全不透流体地密封。图2进一步示出了分配盘上的、内含有流量分配装置1的烟囱状件的分布。在某些实施例中，流量分配装置从烟囱状件底部65向上伸展至一高度处，该高度大于烟囱状件底部65与烟囱状件顶部70之间间距的50％或75％。可调整本发明的相关尺寸以将流量分配装置插入不同尺寸的现有烟囱状件中，从而达到改型设计的目的。可以这样来进行尺寸调整：测量现有烟囱状件的内径，然后将本发明的流量分配装置的外径调整至小于现有烟囱状件的内径。在某些实施例中，该流量分配装置的外径在大约1.5英寸至大约3英寸范围内，但可根据应用情况而不排除更大或更小的直径。在其他实施例中，本发明的装置可作为独立的流量分配装置来使用。
在改型的实施例以及未改型的实施例中，外壁5形成为圆筒形结构。顶盖部分6覆盖外壁5所形成的圆筒形结构，从而与圆筒形外壁形成不透流体地结合。顶盖部分6包括至少一个进气孔口10。在某些实施例中，进气孔口的直径在从大约0.1英寸至大约1.0英寸范围内，但可根据应用场合而可使其直径比上述尺寸小或大。在一些这类实施例中，进气孔口的直径在从大约0.3英寸至大约0.7英寸范围内变化。在一实施例中，顶盖部分6包括单独的一个位于中央的进气孔口10。进气孔口10通向轴向气管15让气体流入。气管15具有通向混合腔25的下部气管孔口20。在某些实施例中，气管15与混合腔25共轴。在某些实施例中，气管竖向定向。当气体流入气管中，混合腔25中的压力与进气孔口10处的压力之间产生压差。流量分配装置内的相对低的压力与流量分配装置外的相对高的压力之间的这种压差会促使液体通过一个或更多个侧向孔口35进入流量分配装置中。因为液流至少部分是由上述这种压差引起的，因此，分配盘相对于水平位置的任何偏离对液体流量影响较小。例如，只要用于液体的侧向孔口低于液位面60，由分配盘相对于水平位置的任何偏离所引起的任何液体流量差将会最小，这是因为大部分液流是由气流引起的压差而产生的，这种压差与分配盘偏离水平位置引起的液位变化而产生的压差不同。
在某些实施例中，液体通道35被定位成使得通向混合腔25的气管孔口20位于一水平面上，该水平面至少与液体通道35的下部边界75同高(竖直方向上的尺寸)。在某些实施例中，气管孔口20位于所述液体通道35的下部边界75和上部边界80之间的水平面上。在某些实施例中，气管孔口20位于与液体通道35的上部边界80重合的水平面上。在某些实施例中，气管孔口20位于不低于液体通道35的上部边界80的一水平面上。
在具有用于液流的侧向孔口30的现有烟囱状件的改型设计中，可使用下述流量分配装置：该流量分配装置中组合使用了水平液体通道35和与所述液体通道的下部边界至少同高的竖直气管20。
可根据所需的流量来改变侧向孔口的数量。图1的实施例显示了用于液流的一个侧向孔口。在其他实施例中，可使用多于一个的用于液流的侧向孔口。在一些实施例中，多个侧向孔口相对于彼此布置在相同水平面上。在一些实施例中，所述侧向孔口直径在大约0.2英寸至大约0.75英寸范围内，但可根据应用场合采用更小或更大直径。在一些这类实施例中，用于流体的侧向孔口的直径在0.25英寸至0.60英寸之间。在一些实施例中，用于液相的侧向孔口30是圆形的，并形成为圆筒形液体通道35的孔口。在某些这类实施例中，圆筒形液体通道的轴线处于水平方向。在某些这类实施例中，侧向孔口的轴线相对于气管处于径向位置，即，垂直于气管。圆筒形液体通道35具有通向混合腔25的圆形出口40。在某些实施例中，液体在垂直于气管内的气流的方向上在所述圆筒形液体通道中流动。在某些这类实施例中，从圆筒形液体通道流出的至少一部分(或全部)液体接触在垂直方向上从气管流出的气体。通常，混合腔25的直径B大于圆筒形气管15的直径A且大于圆筒形液体通道35的直径C。可改变混合腔的形状，只要混合腔具有充足空间以使进入的气相和液相在流体流出之前混合。在混合腔25底部且在用于液体的侧向孔口30之下布置有倾斜的、渐缩的多相出口喷嘴46。多相出口喷嘴46的直径D小于混合腔25的直径B。在一实施例中，多相出口喷嘴46的喷嘴入口45固定连接到混合腔25上并与该混合腔共轴布置。在某些这类实施例中，喷嘴入口与所述气管共轴对准。喷嘴入口45位于混合腔底部中央处、与圆筒形外壁5共轴。通过加速和分散从混合腔流出的液相和气相，喷嘴形状对将要流出的流体产生文丘里效应。在某些实施例中，喷嘴的斜角在5度至85度之间，其中从平分多相出口喷嘴46且平行于顶盖部分的平面来测量该斜角。在某些这类实施例中，该斜角在30度至60度之间，例如为45度。
流体流入多相出口喷嘴46中、通过位于底壁55中央的底部孔口50从流量分配装置流出。底部孔口50的直径E大于多相出口喷嘴最受限制部分的直径(图中的D)。流体在通过底部孔口从流量分配装置排出时具有被高效地喷射的型式，从而可保证均匀弄湿下方的催化床(未示出)。在一实施例中，所述多相出口喷嘴包括内壁49。在一实施例中，内壁49是倾斜的。在某些这类实施例中，内壁的斜角在5度至85度之间，这是从平分喷嘴口的平面所测得的。在某些这类实施例中，内壁的斜角在30度至60度之间，例如45度。
在其他实施例中，所述内壁可以是平坦的。内壁平坦，这意味着内壁平行于底壁55和/或垂直于侧壁5。在一实施例中，底部孔口的直径E小于底壁的直径F。在另一实施例中，底部孔口的直径E等于底壁的直径F，即，底部孔口占据流量分配装置的全部底面积。
与现有烟囱状件相比，本发明的流量分配装置允许分配盘偏离水平位置的容许量范围要大。另外，本发明的流量分配装置可应用到改型设计中，增加了经济效益、提高了装置适用性。由于喷嘴和分支喷嘴的上述设计，可使喷射型式均匀，从而能够充分弄湿分配装置之下的催化剂表面。
例子
例子1(比较例)。将两相同烟囱状件A和B安装在直径为11英寸的测试单元中，烟囱状件A的位置比烟囱状件B的位置低大约0.25英寸，以模拟盘偏离水平位置。两烟囱状件大致隔开6英寸。每一烟囱状件的直径为2.5英寸。直径为0.5英寸的两侧向孔口处于烟囱状件A和B中每个的底部位置之上1.0英寸位置处。每一烟囱状件高度为6.5英寸。使用流量为2.6加仑/分(GPM)的水和流量为8标准立方英尺/分(scfm)的气体来模拟下流式催化反应器中的环境。水通过侧向孔口进入烟囱状件，气体通过顶部孔口进入。测量通过每一烟囱状件的液流量比例。烟囱状件A中的液流量比例为58.5％，烟囱状件B中的液流量比例为41.5％。
例子2(本发明的例子)。将本发明的流量分配装置插入烟囱状件A和B中的每一个中，重复例子1中的实验。再测量通过每一烟囱状件的流量比例。烟囱状件A中的流量比例为49.3％，烟囱状件B中的流量比例为50.7％。
上述实施例表明：当使用本发明的流量分配装置作为烟囱状件插入件应用到改型设计(例子2)中时，与没有插入件的烟囱状件(例子1)相比，允许分配盘偏离水平位置的容许量要大。另外，与例子1相比，例子2的气/液混合效果更好，例子2的喷射型式比例子1的喷射型式的喷射范围更宽、更均匀。因而，与传统烟囱状件相比，本发明的流量分配装置(用作为流量分配器具)的使用性能更好。

Claims (15)

1.一种流量分配装置，用于将多相流体分布到颗粒状固体中，该装置包括：
a、至少一个气管，用于将气相引入混合腔中，混合腔的直径比气管的直径大，气管从进气孔口延伸、经由下部气管孔口而进入所述混合腔，所述气管孔口布置成不低于用于将液相引入混合腔中的液体通道的下部边界；和
b、多相喷嘴，该多相喷嘴用于加速和分散从流量分配装置流出的液相和气相，该多相喷嘴具有喷嘴入口，该喷嘴入口固定连接到混合腔并与混合腔共轴布置。
2.根据权利要求1的流量分配装置，其中，所述气管是圆筒形的。
3.根据权利要求1的流量分配装置，其中，所述气管位于竖向方向上。
4.根据权利要求1的流量分配装置，其中，所述气管孔口位于液体通道的下部边界和上部边界之间的水平面上。
5.根据权利要求1的流量分配装置，其中，所述气管孔口位于不低于液体通道的上部边界的一水平面上。
6.根据权利要求1的流量分配装置，其中，所述多相喷嘴还包括底部出口。
7.根据权利要求1的流量分配装置，还包括顶盖部分，该顶盖部分与圆筒形外壁保持不透流体地结合并包括至少一个进气口。
8.根据权利要求1的流量分配装置，其中，所述多相喷嘴包括与混合腔保持流体连通的喷嘴入口。
9.根据权利要求6的流量分配装置，其中，所述底部出口的直径大于多相喷嘴的直径。
10.根据权利要求8的流量分配装置，其中，所述多相喷嘴的斜角在30度至60度之间，该斜角是从平分所述多相喷嘴口的平面所测得的。
11.根据权利要求1的流量分配装置，其中，所述多相喷嘴还包括倾斜内壁。
12.根据权利要求11的流量分配装置，其中，所述内壁的斜角在30度至60度之间，该斜角是从平分多相喷嘴口的平面所测得的。
13.根据权利要求1的流量分配装置，还包括烟囱状件。
14.具有至少一个烟囱状件的分配盘，用于将向下流动的多相混合物分布到含颗粒状催化剂固体的至少一个催化床上，该多相混合物包括至少一种气相和至少一种液相；已经对该烟囱状件进行改型设计使其内含一个流量分配装置，该流量分配装置包括：
a、至少一个气管，所述气管用于将气相引入混合腔中，混合腔的直径比气管的直径大，气管从进气孔口延伸、经由下部气管孔口而进入混合腔，所述气管孔口定位成不低于用于将液相引入混合腔中的液体通道的下部边界；和
b、多相喷嘴，所述多相喷嘴用于加速和分散从流量分配装置流出的液相和气相，该多相喷嘴具有喷嘴入口，该喷嘴入口固定连接到混合腔并与混合腔共轴布置。
15.根据权利要求14的分配盘，其中，所述烟囱状件具有与液体通道共轴的用于液流的侧向孔口。
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