CN103906563A - 装有对水平度缺失很不敏感的分配元件的气液混合物的分配器盘 - Google Patents

装有对水平度缺失很不敏感的分配元件的气液混合物的分配器盘 Download PDF

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Abstract

本发明描述了装有对水平度缺失很不敏感的分配元件的分配器盘，分配元件由两个基本上共轴的圆柱体构成，其称为内部圆柱体（1）和外部圆柱体，隔开两个圆柱体的内部水平表面（5）被封闭。分配器盘适于气体的和液体的并流向下流，更具体地在称为“滴流”的状态下。本发明也涉及分配器盘在各种石油馏分的加氢处理或氢化作用的工艺中的应用。

Description

装有对水平度缺失很不敏感的分配元件的气液混合物的分配器盘
技术领域
本发明涉及在固定床类型催化反应器中气体和液体分配的领域，该反应器在并行气/液向下流动模式中操作。其主要的应用目的在于气油或其它石油馏分的加氢处理，以及更常见地使用一个或者多个反应器的所有工艺，该反应器在气/液向下流动模式中操作。
背景技术
现有大部分分配器由带有分配元件的盘组成，例如在R.N.Maiti和K.D.P.Nigam在2007年发表于Ind Eng Chem Res（工业工程化学研究期刊）46，6464-6182上的文章"Gas-liquid distributors for trickle bed reactors"(《滴流床反应器的气液分配器：回顾》)中所述。
这种烟囱状物可以是不同种类，并且以不同的构型置于盘之上，如下列专利所述:US2002/0127160A1, US6093373, US2004/0197245A1, US2007/0241467A1, GB721247, US658738, US2007/145610, US5942162。
置于并行气体和液体向下流动模式中操作的反应器中的催化床上游的分配器盘的目的在于尽可能均匀地将的气体和液体的双相混合物分配到位于其下游的催化床上。在盘的烟囱状物出口处，双相混合物流通常形成集中的射流。
现有技术的装有多孔烟囱状物的分配器盘的基于重力流的操作。通过使液体进入通常沿着烟囱状物侧壁分配的孔中来分配液体，通过烟囱状物顶部的开口来分配气体。然而，由于在安装过程中盘在自身重力下弯曲或者所述盘相对水平面偏移，会导致此类盘中发生水平度缺失。
在盘水平度缺失的情况下，集液器的高度在分配器盘上方不再均匀，其导致液体在下游的催化床上的分配不平衡，尤其是当液面接近孔列时。
现有技术的装有“钟罩式”烟囱状物的分配器盘也对盘水平度缺失敏感。钟罩式烟囱状物由顶上置有钟罩的中心圆柱体构成，钟罩带有多个槽。气体和液体经由槽并且经由钟罩底部通过，也在钟罩和主要的圆柱体之间的空间中通过。还存在钟罩式烟囱状物的其他变体，例如在专利US2007/145610, US5942162中称作“蒸汽提升”烟囱状物，其工作原理不变。
“钟罩式”烟囱状物的工作基于气体携带液体穿过钟罩和圆柱体之间的空间。然而，在盘水平度缺失的情况下，集液器的高度在分配器盘上不再均匀。两个偏移的烟囱状物之间的对气体的开放表面之间的距离因此变得相对较大，并且烟囱状物之间液体的夹带不再均匀，其引起液体分配极其不均。此现象的主要加重因素在于钟罩底部的开口以及槽的数量多。
此类不均匀的分配，如果不加以控制，可能会显著减弱反应器的性能。
附图说明　　
图1a和1b表示根据本发明的分配器盘的示图，其显示出外部的圆柱体2和内部的圆柱体1构成了分配元件，并且其中外部的圆柱体2相对分配器盘底部平面加高了高度h3。
图2表示液体不平衡指数（后文将会详细定义）随着液体表面速度（Vsl）改变的曲线，意味着可以比较依据本发明的盘与依据现有技术的烟囱状物设备。
图3表示液体不平衡指数（后文将会详细定义）随着液体表面速度（Vsl）改变的曲线，意味着可以比较依据本发明的盘与依据现有技术通常称作“钟罩式烟囱状物”的设备。
发明内容
本发明的目的旨在改良现有技术的分配器盘的分配质量，其通过为分配器盘提供对水平度缺失的敏感性弱于现有技术的多孔烟囱状物和钟罩式烟囱状物的分配元件来实现，并具有较好的工作灵活性。
根据本发明的分配器盘由以矩形、方形或者三角形图案在所述盘上规则地分配的多个分配元件构成。
根据本发明的分配器盘的分配元件由两个近似同心且竖直的圆柱形管构成，其中外部的圆柱形管设有一个或多个槽，使得气体和液体通过。
两个同心管用于确定气体和液体的环形混合区域，并且允许反应器不同部位点以尽可能均匀的方式再引入产生的气/液混合物。
外部的圆柱形管相对盘平面被升高，其意味着可以限定高度h3，形成对一个或多个液体入口槽的保护，防止可能的由于液体进给中可含有的杂质引起的污垢，尤其是当其为重碳氢化合物进给时。外部的圆柱体的升高还意味着盘平面上的阻塞会减少，其归因于液体在分配器盘上更好的分配。
与现有技术的盘工作的不同的是，本发明的分配元件的工作主要基于在气相流动的影响下，在隔开两个同轴圆柱体的环形空间的上升部分中的夹带液体。在环形空间中流动专门经由位于侧壁上的表面通过，其保证了对干燥槽（对气流开放的部分）的更好的控制，并且因此本发明的盘使得对水平度缺失的敏感度较低。
本发明的一个优点在于干燥槽的高度总是足够允许气体均匀进入环形区域，并且最终允许液体在烟囱状物之间平衡地夹带。
实际上，这种新颖的分配元件的使用意味着平均地，在大的液体范围上，盘对水平度缺失的敏感度可以降低。
更确切地说，本发明可以定义为在向下流动并流模式中的气液流的分配器盘，其位于可含有多个催化床的反应器的不同水平处，从而保证产生的气液混合物均匀分配在位于所述盘下游的催化床上，所述盘设有方形或者三角形图案的盘表面上规则分布的分配元件。
分配元件有两个基本上共轴的圆柱体构成，其中内部的圆柱体1直径为d1，高度为h1，外部的圆柱体2的直径为d2，高度为h2，隔开两个圆柱体的下部水平表面被封闭。
外部圆柱体2的侧壁设有至少一个基本上竖直的槽4，使得气体和液体进入环形区域3，气液混合物在环形区域3中以上行流夹带，然后通过其上部开口6进入内部圆柱体1中，并且在内部圆柱体1中下落，随后通过位于内部圆柱体1下端的开口7被排出。
根据本发明，分配元件的封闭水平表面5位于分配器盘底部上方高度h3处，此高度范围是10-100mm，优选地介于20mm-60mm之间。
高度为h4的竖直槽4的数量优选地在1-3之间，并且更优选地介于1和2之间。
分配元件之间的间距优选为根据方形或者三角形图案，介于100-300mm之间，更优选地介于100-200mm之间。
从分配器盘底部起的分配元件的总高度介于100-500mm之间，优选地介于200-400mm之间。
分配元件的主要尺寸如下所列：
外部圆柱体高度h2:
外部圆柱体直径d2:
内部圆柱体高度h1:
内部圆柱体直径d1:
气液混合物入口槽高度h4:
气液混合物入口槽宽度ef:
外部圆柱体相对盘的底部平面的高度h3:
这些主要尺寸的值在下面列出：
h2介于100-500mm之间，并且优选地介于200-400mm之间；
d2介于15-300mm之间，并且优选地介于50-200mm之间；
h1介于100-500mm之间，并且优选地介于200-400mm之间；
d1介于10-100mm之间，并且优选地介于25-75mm之间；
h4介于10-500mm之间，并且优选地介于100-300mm之间；
ef介于1-5mm之间，并且优选地介于1-3mm之间；
h3介于10-100mm之间，并且优选地介于20-60mm之间。
气体和液体进入的槽具有的形状可以非常多样，最简单并且优选的形状是矩形（h4，ef）或者三角形，其特征尺寸仍然为h4和ef，三角形的顶点指向上或者向下。
根据本发明的分配器盘在某些情况下可以具有组成分配器盘的内部的和外部两个圆柱体的轴之间的一定偏移。因此，表述“基本上”或“近似”共轴应该被最广义地理解为其两轴之间的距离可以介于0到（d2-d1）/4之间。
根据本发明的分配器盘能够由一组锥形导流板实现，每个导流板置于分配元件之下，锥的大部分指向下。
通常地，本领域技术人员所知的任何类型的导流板在本发明的背景下都可使用。
本发明的分配元件也能够由一组筛元件来实现，其置于盘下游离所述盘的介于20-300mm之间的距离处，优选地介于50-150mm之间，不同的筛元件也被置于不同的平面上。当它们存在时，这些导流板或者筛元件形成本发明的盘的整体部分。
根据本发明的分配器盘主要应用于进行碳原子数为4-30，优选地为8-20的石油馏分的加氢处理、氢化作用或氧化作用反应的反应器。
更通常地，根据本发明的分配器盘应用于采用向下流动的气体和液体的并流的反应器中，其为“滴流床”模式，即液体表面速度介于0.1-1.5cm/s之间。
具体实施方式
本发明可以被定义为适应于向下流动并流模式的双相气液流的分配器盘。此类盘用于安装于使用此类双相流的反应器中，更特别是在“滴流床”模式中，其被定义为其中连续相为气相，分散相为液相的流中，液体以近似规则的滴流的形式存在，其中液体的表面速度介于0.1-1.5cm/s之间。
分配元件以可以是矩形、方形或者三角形图案规则分配在分配器盘上。
分配元件由两个近似共轴的圆柱体构成，内部的圆柱体直径为d1，外部的圆柱体直径为d2。
这两个近似共轴的圆柱体限定了环形区域3，气体和液体以向上流动的模式运动通过环形区域3。实际上，气体和液体通过沿着外部圆柱体2的壁刺穿的一个或多个纵向槽4进入环形区域3。
槽的下部通常使得液体通过，槽的上部通常使得气体通过。因此重要的是槽的此上部，称作“干燥”槽，足以使得气体处于所需的流量。根据本发明的分配元件的一个优点在于，它们对于水平度的任何缺失不敏感，归因于干燥槽的高度总是足以允许气体进入环形区域3。
外部圆柱体2不降到盘底部，并且停在距底部高度为h3的位置。纵向槽4从盘上方的所述高度h3开始，延伸到高度h3+h4的位置。
将外部圆柱体2和内部圆柱体1隔开的水平表面5被封闭。
纵向槽4的数量限制在每个分配元件2或3个。这些不同的特征意味着基本上改善了分配元件的功能，尤其是当水平度缺失时。实际上，减少槽的数量和封闭分配元件的底部意味着更好地控制集液器的高度，从而确保足够的干燥槽高度，使得在水平度缺失的情况下，通向具有一定变化的两个分配元件之间气体的表面之间的距离是小的。
与专利US2007/145610, US5942162相反，系统不是必须将位于两个同心管之间的部分限制双相流，其中流为气体提升类型，在槽与气体和液体接触时，双相的乳状液形成，其占据了由基本上共轴的圆柱体限定的所有环形空间。
示例
下面的两个比较示例显示了相比于现有技术的两种设备的本发明的分配系统的优点。
示例1比较了相对于装有烟囱状物的标准分配器盘的本发明的分配设备的分配效率。
当盘（依据现有技术或本发明）存在水平度缺失△H=1cm时，通过定义液体不平衡指数来量化对水平度缺失的敏感性如下：
Figure 637219DEST_PATH_IMAGE001
其中QL,烟囱状物1,2为液体离开标记为1和2的两个烟囱状物的体积流量，其位于与△H=1cm的水平度缺失相对应的高度差处。
液体不平衡指数的低数值表示对水平度缺失的低敏感度。相反，IqL的高数值表示分配的不平衡大。
标准盘设有烟囱状物，其刺穿有孔，用作若干排上分配的液体的通道。
这些标准烟囱状物的主要特征如下：
-烟囱状物之间为200mm的三角形间距；
-自盘底部高度50/100/150mm处的多排孔；
-烟囱状物高度：250mm；
-烟囱状物直径：50mm；
-每排孔的数量和尺寸：7mm的3个孔。
烟囱状物的孔的构型针对介于0.2和1.3cm/s范围内的液体速度，以及15cm/s的气体速度被定义。
根据本发明的分配元件的特征在下表1中列出。
标记1指内部的圆柱体，标记2指外部的圆柱体。　　
H4(mm) 150
H5(mm) 25
H2(mm) 320
H3(mm) 40
d1(mm) 50
d2(mm) 110
ef(mm) 2
槽数量 1
表1。
图2显示了现有技术的盘（实线曲线）和本发明的盘（点线曲线）的液体不平衡指数IqL（沿着纵坐标）随着液体表面速度VSL（沿着横坐标）的变化。
对于现有技术的盘，在考虑的整个范围（0.1-1.3cm/s）内，液体不平衡指数在5%到40%之间变化，其具有对应于VSL的峰值，其产生孔的疏通或阻塞。
因此，与气体和液体的通道的孔中的不连续相联系的峰值具有非常不利的效果。
相反地，依据本发明的盘显示出稳定的性能，在VSL的整个功能范围上，其液体不平衡指数IqL≈13%。
此示例显示本发明的设备能够用于在存在盘水平度缺失时显著获得分配的灵活性和效率。
示例2针对△H=1cm的水平度缺失，比较了本发明的盘和依据现有技术的装有钟罩式烟囱状物的盘的分配效率。
分配效率再次通过液体不平衡指数IqL来量化。液体表面速度在0.1-1.3cm/s之间变化。
钟罩式烟囱状物的盘的特征在下表2中给出：
钟罩高度(mm) 150
相对于盘底部平面的钟罩高度(mm) 40
气液混合物入口的槽高度(mm) 65
内部圆柱体直径(mm) 50
钟罩直径(mm) 100
气液入口槽宽度(mm) 22
槽数量 3
表2。
依据本发明的带有分配元件的盘的特征在下表3中给出。
其中标记1再次指内部圆柱体，标记2再次指外部圆柱体。　　
H4(mm) 150
H5(mm) 25
H2(mm) 320
H3(mm) 40
d1(mm) 50
d2(mm) 110
ef(mm) 2
槽数量 1
表3。
两种盘的液体不平衡指数IqL随着液体表面速度VSL的变化在图3中示出。
结果显示“钟罩式烟囱状物”的烟囱状盘（实线曲线）对水平度缺失非常敏感。
实际上，分配不均程度在VSL的整个功能范围内超过100%。
相反地，依据本发明的盘对给出的水平度缺失较不敏感，在VSL的范围内液体不平衡指数在13%的数值附近实际上不变（点线曲线）。
这两个示例清楚地显示依据本发明的盘的优点，其允许极大地减少了分配器盘安装期间的水平度缺失的影响，其液体表面速度介于0.1-1.3cm/s之间，即对应于“滴流床”模式，依据本发明的盘对其尤其适合。

Claims (11)

1.一种用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，该分配器盘位于反应器的各个水平处，该反应器可包括多个催化床，从而确保产生的气液混合物在位于所述盘下游的催化床上的均匀分配，所述盘设有分配元件，该分配元件以方形或三角形图案在盘的表面上规则地分配，分配元件由两个基本上共轴的圆柱体构成，该圆柱体被称为内部圆柱体（1），其具有直径（d1）和高度（h1），以及外部圆柱体（2），其具有直径（d2）和高度（h2），该外部圆柱体相对于盘平面升高了高度（h3），将两个圆柱体分开的下部水平表面（5）被封闭并且位于分配器盘的底部上方的高度（h3）处，该高度（h3）在10至100mm的范围内，优选地在20mm至60mm的范围内，外部圆柱体（2）的侧壁设有至少一个基本上竖直的槽（4），用于允许气体和液体进入环形区域（3），气液混合物作为上升流在环形区域（3）中被夹带，然后经由其上部开口（6）通入内部圆柱体（1），并且在内部圆柱体（1）内侧下落，然后经由位于内部圆柱体（1）下端处的开口（7）被排出。
2.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中具有高度（h4）的竖直的槽（4）数量在1至3的范围内，优选地在1至2的范围内。
3.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中分配元件之间的间距为尺寸在100至200mm的范围内的方形或三角形图案。
4.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中分配元件的总高度在200至400mm的范围内。
5.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中分配元件的尺寸如下：
（h2）在100至500mm的范围内，优选地在200至400mm的范围内；
（d2）在15至300mm的范围内，优选地在50至200mm的范围内；
（h1）在100至500mm的范围内，优选地在200至400mm的范围内；
（d1）在10至100mm的范围内，优选地在25至75mm的范围内；
（h4）在10至500mm的范围内，优选地在100至300mm的范围内；
（ef）在1至5mm的范围内，优选地在1至3mm的范围内；
（h3）在10至100mm的范围内，优选地在20至60mm的范围内；
其具有如下标记：
（h2）：外部圆柱体高度（h2）；
（d2）：外部圆柱体直径（d2）；
（h1）：内部圆柱体高度（h1）；
（d1）：内部圆柱体直径（d1）；
（h4）：气液混合物的入口槽高度（h4）；
（ef）：气液混合物的入口槽宽度（ef）；
（h3）：外部圆柱体相对于盘底部平面的高度（h3）。
6.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中用于气体和液体的通道的槽具有三角形形状，三角形顶点指向上或者指向下。
7.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中内部的和外部的两个圆柱体不是精确地共轴，而是偏离中心达它们两轴之间的距离，该距离在0至（d2-d1）/4的范围内。
8.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中分配器盘由一组锥形导流板实现，该导流板形成所述盘的整体部件，每个导流板置于分配元件之下，锥的扩大部分指向下。
9.根据权利要求1所述的用于向下流动的并流模式中的气液流的分配器盘，其中分配器盘由一组筛来实现，该筛形成所述盘的整体部件并且置于盘下游离所述盘一定距离处，该距离在20至300mm的范围内，优选地在50至150mm的范围内，各种筛元件也被置于不同的平面中。
10.根据权利要求1所述的分配器盘在包含4至20个碳原子，优选地8至20个碳原子的石油馏分的加氢处理、氢化作用或氧化作用的工艺中的使用。
11.根据权利要求1所述的分配器盘在使用“滴流床”模式中的气体和液体的并流向下流动的任意工艺中的使用，此模式即液体的表面速度在0.1至1.5cm/s的范围内。
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