CN103566834A - 一种气相进料扩散器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气相进料扩散器，以解决将现有的气液扩散器用于气相进料的扩散时分别存在的气相进料分布不均匀、流体整形结构较复杂、气相进料流经气液扩散器的压降较大等问题。本发明气相进料扩散器设有筒体(1)、开孔的分布板(3)，筒体内设有流体整形结构。筒体的下部设有条缝(11)；分布板设置一层，连接于筒体的底部。流体整形结构为上整形板(21)和下整形板(22)。上整形板和下整形板为圆环形板，水平设置，外圆边缘连接于筒体的内壁上；上整形板和下整形板上均设有整形板开孔(20)。分布板上设有中部开孔(31)和环向开孔(32)。本发明适用于石油炼制与石油化工行业中固定床气相加氢反应器气相进料的扩散。

Description

一种气相进料扩散器

技术领域

本发明涉及石油炼制与石油化工行业中用于固定床气相加氢反应器的一种气相进料扩散器，气相进料扩散器属于固定床气相加氢反应器的一种内构件。

背景技术

近年来，随着环保要求的不断提高，轻质油品加氢装置(汽油加氢、石脑油加氢等装置)日益增多，其中有很多使用固定床加氢反应器。目前国内外传统汽油加氢工艺中都采用二段绝热固定床反应器，第一段采用气液相加氢法，第二段采用高温气相加氢法；由于催化剂的性能、原料组成和流动状态等差别，导致反应器内构件不同，操作上也有较大的差异。

对于固定床气液相加氢，有多种气液扩散器可以使用。而对于固定床气相加氢，则没有发现专用的气相进料扩散器，通常是使用气液扩散器。由于气相进料的流动性更大，常常假定其经过气液扩散器扩散后在气液扩散器下方的反应器水平截面上均匀分布。随着加氢反应器、特别是固定床高温气相加氢反应器技术的发展，气相进料在反应器入口处的初始分布问题也日益引起人们的关注和重视。如果高温气相进料进入反应器并经扩散器扩散后没有均匀分布或分布欠均匀，势必会造成气相进料分布的端效应和气相进料偏流，大大降低设备效率，使产品质量下降。要解决好气相进料进入反应器后的均匀分布问题，需要在反应器入口处设置结构合理的气相进料扩散器。

现有的气液扩散器主要有分布板型和侧隙型。CN201208554Y公开了一种扩散器，在筒体的下方设有上挡板、中挡板和下挡板(作为分布板)，各挡板上均设有开孔。CN201208555Y公开了一种气液扩散器，在筒体底板上设有锥形体。锥形体的顶部设有盖板，侧面设有2个相对的槽孔；锥形体内设有挡板，将锥形体以及各槽孔分成均匀的两部分；上述的构件作为流体整形结构。在底板的下方设有上挡板、下挡板(作为分布板)，均设有开孔。CN201493092U公开了一种入口扩散器，在圆柱形外筒的下方设有两层圆形碎流板(作为分布板)，碎流板上设有碎流孔。外筒内设有锥形内筒，内筒侧壁上的对称位置各设有一侧面开孔，侧面开孔的中间设有加强筋板；上述的构件作为流体整形结构。以上所述的几种扩散器，均属于分布板型的气液扩散器，主要是为了使液相物料均匀分布。如果将它们用于扩散气相进料，会存在如下问题：①多层带孔分布板对气相进料的分布很不利，容易增大气相进料沿反应器内壁的壁流以及气相进料流经气液扩散器的压降；②流体整形结构是为了适应气液两相进料的扩散，用于气相进料的扩散则结构较为复杂，也会使气相进料流经气液扩散器的压降较大。

现有的侧隙型气液扩散器，主要由筒体和不开孔的筒体底板组成，筒体的下部设有若干条缝，结构简单。如果用于扩散气相进料，气相进料经条缝流出后会流向反应器内壁，在扩散器正下方的分布效果很差。

总之，现有的气液扩散器适用于气液两相流进料的扩散，不适用于高温气相进料的扩散。

发明内容

本发明的目的是提供一种气相进料扩散器，以解决将现有的气液扩散器用于气相进料的扩散时分别存在的气相进料分布不均匀、流体整形结构较复杂、气相进料流经气液扩散器的压降较大等问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种气相进料扩散器，设有筒体、开孔的分布板，筒体的顶部为敞口结构，筒体内设有流体整形结构，其特征在于：筒体的下部设有条缝，分布板设置一层，连接于筒体的底部，流体整形结构为上整形板和下整形板，上整形板和下整形板为圆环形板，水平设置，外圆边缘连接于筒体的内壁上，上整形板和下整形板上均设有整形板开孔，所述分布板上设有中部开孔和环向开孔。

采用本发明，具有如下的有益效果：(1)气相进料由筒体的顶部入口进入本发明气相进料扩散器后向下流动，大部分流经上整形板和下整形板上的内圆孔，通过节流作用克服气相进料的偏流和沿扩散器筒体内壁的壁流，使筒体内的气相进料基本上均匀地集中在筒体的轴心线区域流动。其余的气相进料经上整形板和下整形板上的整形板开孔向下流动；整形板开孔一方面可以减小气相进料在上整形板和下整形板下表面与扩散器筒体内壁的角部区域产生的回流区，另一方面可以减小气相进料流经上整形板和下整形板的压降。气相进料经过上整形板和下整形板整形后到达分布板，一部分被分布板阻挡而折流，向四周侧向流动，这样就大大减小了气相进料中心流以及气相进料向扩散器正下方的冲击。被分布板阻挡而折流的气相进料，其中的一部分经筒体下部的条缝向扩散器周围的空间扩散。到达分布板的气相进料的另一部分，经分布板上的中部开孔和环向开孔向下流动，实现了气相进料在扩散器正下方的均匀分布。这样，气相进料经扩散器扩散后，就可以在气相进料扩散器下方的反应器圆筒形筒体内腔的整个水平截面上均匀分布，且缓冲效果好。气相进料均匀分布特性好，测试面上的速度不均匀度一般为0.15～0.5。(2)分布板仅设置一层，不会增大气相进料沿反应器内壁的壁流，并可使气相进料流经分布板的压降较小。(3)流体整形结构为上整形板和下整形板，结构比较简单，并均带有整形板开孔，所以气相进料流经上整形板和下整形板的压降也比较小。

本发明气相进料扩散器的气相进料流道通畅，气相进料流经本发明气相进料扩散器的压降较小(一般为40～400Pa)，从而有利于系统节能。本发明气相进料扩散器的部件少、结构简单、制造方便、易于安装，牢固稳定、在高温环境中使用不易变形，使用过程中气相进料的波动较小，适用于石油炼制与石油化工行业中固定床气相加氢反应器气相进料的扩散。

下面结合附图、具体实施方式和实施例对本发明作进一步详细的说明。附图、具体实施方式和实施例并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明的一种气相进料扩散器的结构示意图，上整形板上的内圆孔和下整形板上的内圆孔均与筒体同轴。

图2是图1中的A-A剖视图。

图3所示，气相进料扩散器的分布板为平板。

图4所示，气相进料扩散器的分布板为球冠面形板。

图5是图2中的I部放大图，分布板上的环向开孔为扇环形孔。

图6是图2中的I部放大图，分布板上的环向开孔为长方形孔。

图7所示，气相进料扩散器筒体下部的条缝为圆柱螺旋槽形条缝。

图8是上整形板上的内圆孔与筒体不同轴、下整形板上的内圆孔与筒体同轴的气相进料扩散器的结构示意图。

图9是图8中上整形板的俯视图。

图10是图1和图8中下整形板的俯视图。

图11是本发明气相进料扩散器进行冷模试验时测试面上的测点分布示意图。

图1至图11中，相同附图标记表示相同的技术特征。

具体实施方式

参见图1，本发明的气相进料扩散器(简称为扩散器)，设有筒体1、开孔的分布板3。筒体1为圆筒形，其顶部为敞口结构，作为气相进料的入口。筒体1顶部的筒壁上设有用于将扩散器安装在固定床气相加氢反应器(简称为加氢反应器或反应器)入口的安装凸台或法兰13。筒体1内设有流体整形结构。筒体1的下部设有条缝11，条缝11在筒体1的下部一般是均匀分布，相邻两个条缝11之间形成条形板12。分布板3设置一层，连接于筒体1的底部。

流体整形结构为上整形板21和下整形板22；上整形板21和下整形板22为圆环形板，水平设置，外圆边缘连接于筒体1的内壁上。上整形板21设于筒体1的上部，下整形板22设于筒体1的中部。上整形板21和下整形板22上均设有整形板开孔20，整形板开孔20在上整形板21和下整形板22上一般是均匀分布。

分布板3上设有中部开孔31和环向开孔32；中部开孔31在分布板3中部的圆形区域均匀分布，环向开孔32在靠近分布板3边缘的圆周方向上均匀分布(参见图2)，这样可以使气相进料在扩散器正下方的流场较为均匀。

分布板3水平设置，与筒体1同轴。分布板3可以为圆锥面形板(如图1、图8所示)，其圆锥顶角α一般为100～160度。分布板3还可以是圆形平板(如图3所示)或球冠面形板(如图4所示)。参见图4，分布板3为球冠面形板时，筒体1的底部与球冠面形板的底部通过一个圆环板相连。分布板3的作用一是为了均匀分布气相进料、扩大气相进料的扩散范围，二是为了大大减小气相进料向扩散器正下方的冲击。

圆形平板分布板3自身的高度(即板厚)较小，圆锥面形板和球冠面形板的分布板3位于筒体1内部，它们都可以使气相进料扩散器的总高度较低、占用的空间较少。本发明优选圆锥面形板的分布板3。

上整形板21上的内圆孔可以与筒体1同轴(如图1所示，与图10所示的下整形板22相同)，或者是不同轴(如图8、图9所示，也可称为偏心设置)；下整形板22上的内圆孔均与筒体1同轴(如图1、图8和图10所示)。参见图8，在通过进气管4进入扩散器的气相进料6产生严重偏流的情况下，将上整形板21上的内圆孔偏心设置。

本发明气相进料扩散器的主要结构参数一般如下：上整形板21和下整形板22上内圆孔的直径b均为筒体1内直径a的1/2～3/4(二分之一至四分之三)，筒体1的内直径a为固定床气相加氢反应器圆筒形筒体内直径的1/8～1/5(八分之一至五分之一)，气相进料扩散器的总高度H为固定床气相加氢反应器圆筒形筒体内直径的1/6～1/2(六分之一至二分之一)。整形板开孔20一般为圆形孔，直径为5～20毫米；上整形板21和下整形板22上通常分别设置8～24个整形板开孔20。上整形板21和下整形板22上内圆孔的直径b、整形板开孔20的直径和数量一般取相同的数值。

分布板3上的中部开孔31一般为圆形孔，直径为2～10毫米，数量为8～24个。环向开孔32一般为扇环形孔(如图5所示)或长方形孔(如图6所示)，宽度t为2～5毫米。环向开孔32在高度上通常处于条缝11底部附近的位置；在该位置，各环向开孔32分别与筒体1下部相邻两个条缝11之间的条形板12一一对应设置，单个环向开孔32的长度大致与单个条形板12的宽度相等(参见图2)；这样就可以减小因条形板12对气相进料的阻挡而对经筒体下部条缝11向扩散器周围空间扩散的气相进料流场的影响，使该气相进料流场更均匀。图3中的B-B剖视图、图4中的C-C剖视图与图2基本相同。

筒体1下部的条缝11一般为竖置的长方形条缝(如图1、图3、图4、图8所示)，或为圆柱螺旋槽形条缝(如图7所示)，宽度s均为5～25毫米，数量均为8～24个。圆柱螺旋槽形条缝的升角β为45～60度(如图7所示)。筒体1下部条缝11的总面积一般为分布板3上中部开孔31和环向开孔32总面积的2～5倍。

参见图8、图9，上整形板21上的内圆孔与筒体1不同轴时，上整形板21上内圆孔的轴心线与筒体1轴心线之间的距离c一般为筒体1内直径a的1/8～1/6(八分之一至六分之一)。

筒体1、上整形板21、下整形板22和分布板3的厚度，一般均为10～30毫米。

本发明上述分布板3上中部开孔31和环向开孔32的形状，是指它们在水平面上投影的形状，其尺寸也在水平投影面上测量。筒体1下部的条缝11为竖置长方形条缝时，其形状是指该条缝在与自身正对着的垂直平面上投影的形状，宽度s也在该垂直投影面上测量。筒体1下部的条缝11为圆柱螺旋槽形条缝时，其宽度s在圆柱面展开平面上测量。在水平投影面上，筒体1和分布板3的直径基本相等。

本发明气相进料扩散器各部件的材料一般为不锈钢(例如0Cr18Ni10Ti)，相互连接的部件之间使用焊接连接。

参见图8，本发明气相进料扩散器在使用时安装在固定床气相加氢反应器5的入口处，位于反应器5的顶部封头内；筒体1顶部的安装凸台或法兰13与反应器5、进气管4通过螺栓螺母连接。图1所示上整形板21上的内圆孔与筒体1同轴的扩散器与加氢反应器和进气管的连接，与图8所示的扩散器相同，附图省略。

下面结合图1、图2说明本发明气相进料扩散器的工作原理。气相进料6由筒体1的顶部入口进入扩散器后向下流动，大部分流经上整形板21和下整形板22上的内圆孔，通过节流作用克服气相进料6的偏流和沿扩散器筒体1内壁的壁流，使筒体1内的气相进料6基本上均匀地集中在筒体1的轴心线区域流动。其余的气相进料6经上整形板21和下整形板22上的整形板开孔20向下流动；整形板开孔20一方面可以减小气相进料6在上整形板21和下整形板22下表面与扩散器筒体1内壁的角部区域产生的回流区，另一方面可以减小气相进料6流经上整形板21和下整形板22的压降。

气相进料6经过上整形板21和下整形板22整形后到达分布板3，一部分被分布板3阻挡而折流，向四周侧向流动(即沿筒体1的径向流动)，这样就大大减小了气相进料6的中心流(即沿筒体1轴心线区域的流动)以及气相进料6向扩散器正下方的冲击。被分布板3阻挡而折流的气相进料6，其中的一部分经筒体1下部的条缝11向扩散器周围的空间扩散。到达分布板3的气相进料6的另一部分，经分布板3上的中部开孔31和环向开孔32向下流动，实现了气相进料6在扩散器正下方的均匀分布。这样，气相进料6经扩散器扩散后，就可以在气相进料扩散器下方的反应器圆筒形筒体内腔的整个水平截面上均匀分布，再经设于扩散器下方的分配盘分配后进入位于分配盘下方的催化剂床层进行加氢反应(图略)。

上述的气相进料6，为气态的烃原料(例如汽油、石脑油)与氢气的混合物。在扩散器筒体1的顶部入口处，气相进料6的温度一般为280～400℃，压力(表压)一般为4～6MPa，体积流量一般为50～500立方米/小时(在上述的温度和压力下计量)。

参见图8，气相进料6通过进气管4进入扩散器。进气管4通常为弯管，往往会使进入扩散器的气相进料6产生严重的偏流(图8所示是向左边偏流；图8中的箭头表示气相进料6的流动方向)。为此，本发明将上整形板21上的内圆孔与筒体1不同轴设置(如图8、图9所示)，将该内圆孔从与筒体1同轴的位置向与气相进料6偏流方向相反的方向(右边)偏移一段距离c，以加大对气相进料6偏流方向的改变，强化整流作用。之后，气相进料6再经过内圆孔与筒体1同轴的下整形板22的整形后，基本上均匀地集中在筒体1的轴心线区域流动，到达分布板3。余下的过程，参见对图1、图2所示扩散器工作原理的说明。偏流严重的气相进料6经过图8所示的扩散器扩散后，也可以在气相进料扩散器下方的反应器圆筒形筒体内腔的整个水平截面上均匀分布。

一般来说，气相进料6偏流得越严重，距离c越大。参见图9，上整形板21上的内圆孔的直径b较大且距离c较大时，上整形板21上内圆孔的一侧有可能与上整形板21的外圆边缘或筒体1的内壁非常接近或相切；在这种情况下，上整形板21在该接近或相切之处以及附近区域不设置整形板开孔20(图略)。

在通过进气管4进入扩散器的气相进料6没有产生严重偏流的情况下，采用图1所示的扩散器即可。图8所示扩散器未说明的部件结构及其变化、部件结构参数以及气相进料6的组成、温度、压力和体积流量，与图1所示的扩散器相同，说明从略。

气相进料6经本发明扩散器的扩散后，可以在扩散器下方的反应器圆筒形筒体内腔的整个水平截面上均匀分布，均匀分布特性好。本发明将上述的水平截面简称为水平截面，下文及实施例中的测试面指的即是上述的水平截面。本发明所述气相进料6分布的均匀性，指的是气相进料6在扩散器下方的测试面上垂直向下分速度(简称为气相进料6的速度)的均匀程度。测试面上气相进料6的速度不均匀度σ按以下的公式1计算：

$\mathrm{\σ}=\left(\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(v_i-v)}^2}\right)\÷v$ (公式1)

公式1中，N为测试点的个数(即测点数)，v_i为第i测点处气相进料6的速度，v为N个测点处气相进料6速度的算术平均数，v_i与v的单位均为米/秒。测试面至扩散器底端的垂直距离通常为200～300毫米。测试面上均匀地设置2～4个测试半径，每个测试半径上均匀地设置5～8个测点；测试面的中心设置一个测点。

气相进料6的速度不均匀度σ越小，分布得越均匀。工业加氢反应器在前文所述气相进料6的组成、温度、压力和体积流量的条件下，使用本发明的扩散器，按公式1计算的测试面上的速度不均匀度一般为0.15～0.5。而如果使用现有的气液扩散器，速度不均匀度一般为0.8左右。

气相进料6流经本发明扩散器的压降，是指气相进料6在扩散器筒体1顶部入口处的压力(表压)与在反应器5顶部封头底平面上的压力(表压)的差值(实施例同此)。工业加氢反应器在前文所述气相进料6的组成、温度、压力和体积流量的条件下，使用本发明的扩散器，气相进料6流经本发明扩散器的压降一般为40～400Pa。如果使用现有的气液扩散器，气相进料流经气液扩散器的压降一般为100～900Pa。

实施例

使用图1所示的气相进料扩散器(上整形板21上的内圆孔与下整形板22上的内圆孔均与扩散器的筒体1同轴)，在小型固定床反应器(简称为反应器)上进行冷模试验，试验温度为25℃。反应器设有圆筒形筒体和顶部封头；入口位于顶部封头上，圆筒形筒体的底部为敞口结构。反应器的总高度为4000毫米，反应器圆筒形筒体的内直径为1000毫米。扩散器安装在反应器的入口处，位于反应器的顶部封头内。扩散器筒体1顶部的安装凸台或法兰13与反应器、进气管的连接参见图8。扩散器各部件和反应器、进气管的材料均为有机玻璃。

扩散器筒体1的内直径a为186毫米，扩散器的总高度H为390毫米。上整形板21上表面至扩散器筒体1顶端的垂直距离为115毫米，下整形板22上表面至扩散器筒体1顶端的垂直距离为215毫米，上整形板21和下整形板22上内圆孔的直径b均为120毫米。上整形板21和下整形板22上分别设置12个整形板开孔20；整形板开孔20为圆形孔，直径均为16毫米。

分布板3为圆锥面形板，其圆锥顶角α为120度。分布板3上的中部开孔31为圆形孔，直径为8毫米，数量为12个。环向开孔32为扇环形孔，宽度t为4毫米，数量为12个。

筒体1的下部均匀设置12个竖置长方形条缝11，条缝11的宽度s均为10毫米。筒体1下部条缝11的总面积为分布板3上中部开孔31和环向开孔32总面积的2倍。

筒体1、上整形板21、下整形板22和分布板3的厚度均为5毫米。

试验时，气相进料6选用空气。在扩散器筒体1的顶部入口处，空气的温度为25℃，压力(表压)为1.5个大气压，体积流量为120立方米/小时(在上述的温度和压力下计量)。

空气在扩散器内的流动以及被扩散的过程说明从略，参见对图1的说明。空气经扩散器扩散后，分布于扩散器下方的反应器圆筒形筒体内腔的整个水平截面上。用U型管水柱压差计测出，空气流经扩散器的压降为120Pa，比较小。

空气分布均匀性的测试如下。测试面至扩散器底端的垂直距离为200毫米。参见图11，测试面上均匀地设置4个测试半径，每个测试半径上均匀地设置5个测点，测试面的中心设置一个中心测点E，共有21个测点。图11中，附图标记5表示冷模试验所用的反应器(其圆筒形筒体的水平剖面)。

用北京检测仪器有限公司生产的ZRQF型智能风速仪测量出测试面各测点上空气垂直向下的分速度(简称为空气速度)；其中中心测点E测量4次(按4个测点计；总测点数按24个计)，其余各测点测量一次，结果见表1。将表1中的空气速度数据按本说明书给出的公式1进行计算，得出测试面上空气的速度不均匀度σ为0.25；该值较小，说明空气分布得较为均匀。

表1

	测点m1	测点m2	测点m3	测点m4	测点m5	中心测点E
							空气速度，米/秒	0.96	0.85	0.67	0.67	0.68	1.21
	测点n1	测点n2	测点n3	测点n4	测点n5	中心测点E
							空气速度，米/秒	0.97	0.88	0.62	0.62	0.69	1.24
	测点p1	测点p2	测点p3	测点p4	测点p5	中心测点E
							空气速度，米/秒	0.99	0.87	0.74	0.74	0.67	1.25
	测点q1	测点q2	测点q3	测点q4	测点q5	中心测点E
							空气速度，米/秒	0.98	0.84	0.67	0.67	0.68	1.27

Claims (7)

1.一种气相进料扩散器，设有筒体(1)、开孔的分布板(3)，筒体(1)的顶部为敞口结构，筒体(1)内设有流体整形结构，其特征在于：筒体(1)的下部设有条缝(11)，分布板(3)设置一层，连接于筒体(1)的底部，流体整形结构为上整形板(21)和下整形板(22)，上整形板(21)和下整形板(22)为圆环形板，水平设置，外圆边缘连接于筒体(1)的内壁上，上整形板(21)和下整形板(22)上均设有整形板开孔(20)，所述分布板(3)上设有中部开孔(31)和环向开孔(32)。

2.根据权利要求1所述的气相进料扩散器，其特征在于：分布板(3)为圆锥面形板、圆形平板或球冠面形板。

3.根据权利要求1所述的气相进料扩散器，其特征在于：上整形板(21)上的内圆孔与筒体(1)同轴或者是不同轴，下整形板(22)上的内圆孔与筒体(1)同轴。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的气相进料扩散器，其特征在于：上整形板(21)和下整形板(22)上内圆孔的直径b均为筒体(1)内直径a的1/2～3/4，整形板开孔(20)为圆形孔，直径为5～20毫米，上整形板(21)和下整形板(22)上分别设置8～24个整形板开孔(20)。

5.根据权利要求4所述的气相进料扩散器，其特征在于：分布板(3)上的中部开孔(31)为圆形孔，直径为2～10毫米，数量为8～24个，环向开孔(32)为扇环形孔或长方形孔，宽度t为2～5毫米，各环向开孔(32)分别与筒体(1)下部相邻两个条缝(11)之间的条形板(12)一一对应设置。

6.根据权利要求5所述的气相进料扩散器，其特征在于：筒体(1)下部的条缝(11)为竖置的长方形条缝或圆柱螺旋槽形条缝，宽度s均为5～25毫米，数量均为8～24个，圆柱螺旋槽形条缝的升角β为45～60度，筒体(1)下部条缝(11)的总面积为分布板(3)上中部开孔(31)和环向开孔(32)总面积的2～5倍。

7.根据权利要求6所述的气相进料扩散器，其特征在于：上整形板(21)上的内圆孔与筒体(1)不同轴，上整形板(21)上的内圆孔与筒体(1)轴心线之间的距离c为筒体(1)内直径a的1/8～1/6。

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