CN104837548B - 用于下流式加氢反应器的旋流型混合设备 - Google Patents
用于下流式加氢反应器的旋流型混合设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于下流式加氢反应器的旋流型混合设备。尤其是，该混合设备提高了双相系统的气相和液相混合时现有混合容积的效率。依照本发明，该混合设备有助于为进来的流出物建立高度弓形的流动，并有助于在加氢反应器的有限层间空间内实现高的混合度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于下流式加氢反应器的旋流型混合设备。这种下流式加氢反应器用在石油和化工加工工业中，用于在有氢参与的情况下进行烃原料的高温高压催化反应。示例性的反应包括加氢处理、加氢精制、加氢裂化和加氢脱蜡。
背景技术
在固定床式加氢反应器中，气体和液体反应物(例如，氢和烃原料)向下流动通过一个或多个固体催化剂床。(参见例如Penick的US4597854)。
当反应物向下流动通过反应器催化剂床时，反应物接触催化剂材料并发生反应而生成所要求的产品。诸如氢的气体反应物被消耗，并且由催化反应产生热量。控制原料向下行进通过反应器时的温度对于确保产物质量和数量朝着目标产品最大化是很重要的。
冷的富氢气体可以被引入催化剂床之间，以抑制温度上升，补充反应所消耗的氢。为了保持反应器总体性能，反应器内流体的温度应当尽可能地均匀，并且液体和气体应当充分混合，以便获得最佳性能。层间流体混合不充分可能会以各种方式限制反应器运行。当层间混合不能消除径向温差时，随着工艺流体沿着反应器向下移动，温差将持续或变大。任何床中的热点都可能导致该区域中的催化剂迅速失活，从而缩短反应器总体循环时长。产品在高温下的选择性通常较差。例如，热的区域可能导致颜色、粘性及其他产品质量超标。而且，如果在任意位置的温度超过某一值(通常为800℉到850℉)，放热反应可能会变为自行加速，导致失控，从而可能会损坏催化剂、容器或下游设备。
由于这些危害，在反应器内部硬件不良的情况下运行的精炼机必定要牺牲产量和/或处理量，以避免层间流体混合不充分带来的有害影响。可以通过混合和平衡催化剂床之间的反应物、校正温度和流动的任何分布不均、以及最小化压降，来最小化反应器温度分布不均以及热点。催化剂床之间流体的混合可以通过使用分配器组件和混合室来实现。由于当今的精炼经济性要求加氢单元以远超设计指标的进料速率运行，层间流体的最佳混合是一种有价值的、低成本的消除瓶颈的手段。
分配器组件可以用来在多床式催化剂反应器的层间区域收集、混合和分配流体。分配器组件通常包括：槽，所述槽用于收集和混合流自上层催化剂床的液体和气体；和混合设备或混合室，所述混合设备或混合室居中设置在所述槽内，用于从所述槽接收液体并进一步混合液体和气体。
混合设备是许多分配器组件的关键部件，因为它为流体/气体提供了有效且充分的混合，并有助于避免热点和不良温度分布。
混合设备具有用于从所述槽接收液体的至少一个入口和用于朝着下层催化剂床引导流的至少一个出口。用于混合设备的结构是变化的，包括挡板型混合器结构，例如通过改变流体和气体的方向而促进混合的带式掺合器以及盘型和环型混合器。
另一种混合器是离心型或旋流型结构。这种混合器收集通过反应器向下流动的液体和气体流，并将液体和气体流引入到圆形腔中，在该圆形腔中，液体和气体流在向下经过中心定位的孔之前进行若干反应。
如果存在混合设备的话，混合设备通常定位在反应器中的催化剂床之间的层间空间内。由于存在支撑梁、管线和其他占据层间区域的障碍物，许多反应器中的层间空间是有限的。由于这些空间限制，需要按比例调整特定硬件(例如混合设备)的尺寸以适应可用空间，以在有限的容积内进行有效的两相混合。另外，对于相同的反应器容积，高度低的分配器组件能够增大催化剂装载体积，从而改善反应器容积的利用。
由于层间流体的充分混合对于实现良好的催化剂寿命、高的处理量、长的循环时长以及反应器总体性能的重要性，需要改进的混合设备。另外，也特别需要这样的混合设备，其具有较小的竖向占地区域，并且能够改造具有有限层间空间的现有反应器。
发明内容
本发明旨在提供一种用于下流式加氢反应器的旋流型混合设备。该混合设备在多床式反应器中的催化剂床之间的空间内提供了更有效的流体混合。尤其是，本发明旨在提供一种混合设备，其提高了在双相系统的气相和液相混合时现有混合容积的效率。该设备由于尺寸较小而很好地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结构，从而在多床式反应器的层间空间内实现有效的流体混合。
该混合设备包括具有内表面的水平顶板和平行于该顶板延伸的底板。所述底板具有内表面和底板孔。
多个向内弯曲的叶片在顶板的内表面和底板的内表面之间竖直地延伸。一竖直堰环邻近圆形孔从底板内表面竖直地延伸。所述堰环具有堰环顶部边缘和堰环直径。一泡罩从顶板的内表面向下延伸到混合区域中。所述泡罩具有泡罩直径和底部边缘，所述泡罩直径小于所述堰环直径，所述泡罩的底部边缘在所述堰环顶部边缘下方延伸。
附图说明
图1是位于多床式催化反应器内的本发明的混合设备的实施例的示意图。
图2是本发明的混合设备的横截面图。
图3是混合设备26的一半的立体图，图4是混合设备26的俯视图。
图4是混合设备的俯视图。
图5是叶片的布局的俯视图。
具体实施方式
已经发现，本发明的旋流型混合设备相比现有技术中已知的旋流型混合设备提供了有益效果。所述有益效果包括：反应器中竖向占地区域减小(层间分配器组件所占据的反应器容积减小)，处理量高，混合得到提高，压降减小，并且反应器总体性能提高。特定的实施例和有益效果从本文提供的详细说明书中是显而易见的。但是，应当明白，虽然该详细说明书和特定例子显示了其中优选的实施例，但是该详细说明书和特定例子仅仅用于说明性目的，而不用于限定本发明的范围。
本发明旨在提供一种用于多床式加氢反应器的旋流型混合设备。参照图1，示出了多床下流式反应器10的一部分的横截面图。反应器10包括容器壳体12以及包含压实的催化剂挤制物的上、下催化剂床(分别为14和16)。每个催化剂床14、16均支撑在由支撑栅格、可选的空格布和筛网构成的栅屏组件18上(仅示出了用于催化剂床14的栅屏组件)，所有这些都是本领域众所周知的。栅屏组件安装在平行的支撑梁20上，所述支撑梁水平地安装至反应器容器内壁22，并向上延伸到催化剂床14中。
层间分配组件24在竖向上置于催化剂床14、16之间。层间分配组件24包括本发明的旋流型混合设备26。本发明的混合设备26安装在催化剂床14下方，并与收集板28流体密封地连通，所述收集板适于接收和混合从上层流下来的液体和气体。骤冷气体入口管30将骤冷气体(例如氢气)分配到混合设备26上方的区域中。
图2是混合设备26的横截面图，图3是混合设备26的一半的立体图，图4是混合设备26的俯视图。
混合设备包括具有内表面32a的底板32和具有顶板内表面34a的顶板34，所述底板安装成与收集板28流体密封地连通(图1)，所述顶板相对于底板32大体上水平地延伸。环形收集板28收集从上层催化剂床流下来的流体。
多个交错的、向内弯曲的叶片36固定地附接至底板内表面32a和顶板内表面34a，并在底板内表面和顶板内表面之间竖直地延伸。在一个实施例中，叶片36与底板内表面32a和顶板内表面34a之间流体密封地连通。
如图4所示，每个叶片具有邻近顶板34的外周固定的叶片外端部38和邻近混合设备26的混合区域(如本文下面所述的)定位的内端部40。叶片36之间的敞开空间限定了一系列混合设备入口区域42，每个入口区域42被限定为由相邻叶片36及其相应的端部38、40所界定的区域。
再参照图2，堰环44邻近由边缘46限定的中心定位的圆形底板孔从底板32竖直地延伸。在一个实施例中，堰环44的竖直高度为叶片36的竖直高度的一半。堰环水平板48从堰环上边缘50向外延伸。堰环水平板48优选带有孔。
一圆形泡罩52固定于顶板内表面34a，并优选与顶板内表面34a流体密封地连通，所述圆形泡罩从顶板34向下延伸到混合设备26的混合区域的中央(该混合区域被限定为底板32与顶板34之间的区域，不包括入口区域42，或者换句话说，该混合区域由相对的叶片内端部40之间的区域限定)。泡罩可以是键合的，如图2和图3所示。
泡罩52的下端部54在堰环上边缘50下方延伸一段距离52a。在其中泡罩下边缘54是键合的一个实施例中，限定键合开口的上边缘58位于堰环上边缘50下方。
收集板28包括由边缘60限定的圆形孔，邻近该收集板圆形孔60的上升管62从收集板28向上竖直地延伸到泡罩52中。上升管62的顶部边缘64坐落在键合开口的泡罩上边缘58处或泡罩上边缘58上方。
如图2所示，堰环44、泡罩52和收集板孔60分别具有直径44a、52a和60a，其中，这些直径的测量值具有下列关系：60a<52a<44a。
在运行时，含烃液体进料从催化剂床14大量落下，通过栅屏组件18，落到环形收集板28上。典型地，液体将聚集并上升至位于堰环水平板48的高度处或该高度上方的液面。来自上层催化剂床14的与经由骤冷气体入口管30引入的骤冷气体(例如氢气)混合的气体充注到在环形收集板28上收集的液体与催化剂床14之间的空隙中。
液体和气体经由混合设备入口区域42进入混合设备26，其中，当液体和气体进入混合设备26的混合区域时，叶片36切向地引导液体和气体以弓形流或环形流模式流动。液体上升，越过堰环44(如果水平堰板48带孔，则还流过水平堰板)，并当液体/气体在泡罩52的下端部54下面通过键合开口流入泡罩内时，液体与气体互相混合，越过上升管顶端部64，进入到上升管62中。然后，已互相混合的气体和液体向下流出上升管62，典型地流到包含多个孔、下降管或喷嘴的托盘上，然后流到下层催化剂床16上。带孔的螺旋形板安装在上升管62的内表面上，以进一步改善气体/液体在上升管62中向下流动时的混合。
本领域技术人员能够明白，本文所述的混合设备26意在使用于设计成每天处理数千或数万桶原料的大型加氢反应器中(1桶＝43加仑；164升)。因此，本文所述的混合设备26的直径可以为几英尺，并且由于构建设备26所使用的材料(例如1/4"-1/2"厚钢板)的缘故，其构建好的重量可以为几百磅(.lbs)。
本发明的混合设备26可以通过将各个部件焊接或以其他方式固定在一起而构建就位，以完成最终设备26的构建。但是，应当认识到，利用这种方法构建就位该设备26可能要花费几天时间，从而推迟反应器单元的运行。另外，在利用该设备26更新或改造现有反应器结构的场合，所希望的是减少在反应器容器内进行的组装工作量(出于安全考虑，例如可能会点燃反应器中残留的烃材料)。
为了减少构建新反应器或改造现有反应器所需的时间量，混合设备26的部件优选预先组装而形成子组件，该子组件被插入到反应器中并被组装而形成完工的混合设备26。
在图2、3和4所示的一个实施例中，混合设备26由两个混合设备子组件26a、26b构成，每个混合设备子组件代表混合设备26的一半。每个子组件26a、26b分别设置有一个或多个吊耳66和68。吊耳66、68设置成用于将每个子组件66、68附接至提升机、起重机或其他能够将子组件下降到反应器中并操控子组件就位的装置。
每个子组件26a、26b分别设置有包含多个开口的配合法兰70和72，螺母/螺栓组合(或其他这样的适合的固定装置)可以通过所述开口插入，以在运行期间将子组件26a、26b保持就位，而且还允许在维修期间于操作周期之间拆卸子组件26a、26b，以允许进出混合设备26上方和下方的区域。
参照图5，示出了叶片36的水平放置。示出了圆R1以及圆R3，圆R1代表本领域技术人员采用过程流体力学计算得出的混合设备26的外径，圆R3代表也是通过过程流体力学计算得出的混合设备入口区域42的内径。圆R2定位在圆R1与圆R3之间的径向距离的一半处。
图5的角度"A"代表每个相应叶片36的角偏移，该角偏移导致叶片内端部40与相邻叶片外端部38的较大部分径向重叠。在一个实施例中，对于带有4个叶片的系统，A＝15°，对于带有6个叶片的系统，A＝10°，对于带有8个叶片的系统，A＝8°。角度"B"代表叶片36在圆R1与圆R3之间的区域内所占据的径向距离。在一个实施例中，B＝360°/(叶片数量)。在角度"A"处，叶片36的内表面与圆R1相交。在角度为角度"A"和"B"之和(A+B)处，叶片36的内表面与圆R3相交。在角度等于A+B/2处，叶片36的内表面与圆R2相交。
叶片36的径向重叠由角度"A"限定。在运行时，液体和气体经由混合设备入口区域42进入混合设备26，其中，当液体和气体进入混合设备26的混合区域时，叶片36切向地引导液体和气体以弓形流或环形流模式流动。
本发明优选实施例的前述说明书主要用于说明性目的，应当认识到，可以使用仍然结合本发明精髓的若干变形。因此，应当参照下面的权利要求书确定本发明的范围。
Claims (8)
1.一种用于多床下流式催化反应器的混合设备，所述混合设备包括：
a.具有内表面的水平顶板；
b.平行于所述顶板延伸的底板，所述底板具有内表面和底板孔；
c.多个向内弯曲的叶片，所述叶片在所述顶板的内表面和底板的内表面之间竖直地延伸；
d.邻近所述底板孔从所述底板的内表面竖直地延伸的竖直堰环，所述堰环具有堰环顶部边缘和堰环直径，其中，所述堰环包括从所述堰环顶部边缘向外延伸的水平板；
e.混合区域；和
f.从所述顶板的内表面向下延伸至所述混合区域内的泡罩，所述泡罩具有泡罩直径和底部边缘，所述泡罩直径小于所述堰环直径，所述泡罩的底部边缘在所述堰环顶部边缘下方延伸；
其中，每个叶片包括邻近所述顶板的外周的外端部和邻近所述混合区域的内端部，所述混合设备还包括多个入口区域，所述入口区域被限定为由相邻叶片及其相应的内端部和外端部所界定的区域，并且其中，每个叶片的内端部与相邻叶片的外端部径向重叠。
2.如权利要求1所述的混合设备，其中，所述堰环的水平板带有孔。
3.如权利要求1所述的混合设备，其中，所述堰环的竖直高度为所述叶片的高度的一半。
4.如权利要求1所述的混合设备，其中，所述混合区域被限定为所述顶板和底板之间的区域，不包括限定所述入口区域的区域。
5.一种多床下流式催化反应器，包括：
容纳于具有内表面的反应器壳体中的上催化剂床和下催化剂床；
在竖向上置于上催化剂床和下催化剂床之间的层间分配组件；
所述层间分配组件包括混合设备，所述混合设备固定于一收集板上方并与所述收集板流体密封地连通，所述收集板具有收集板圆形孔和邻近所述收集板圆形孔从所述收集板向上竖直地延伸的上升管；
所述混合设备包括：
a.具有内表面的水平顶板；
b.平行于所述顶板延伸的底板，所述底板具有内表面和底板孔；
c.多个向内弯曲的叶片，所述叶片在所述顶板的内表面和底板的内表面之间竖直地延伸；
d.邻近所述底板孔从所述底板的内表面竖直地延伸的竖直堰环，所述堰环具有堰环顶部边缘和堰环直径，其中，所述堰环包括从所述堰环顶部边缘向外延伸的水平板；
e.混合区域；和
f.从所述顶板的内表面向下延伸至所述混合区域内的泡罩，所述泡罩具有泡罩直径和底部边缘，所述泡罩直径小于所述堰环直径，所述泡罩的底部边缘在所述堰环顶部边缘下方延伸；
其中，每个叶片包括邻近所述顶板的外周的外端部和邻近所述混合区域的内端部，所述混合设备还包括多个入口区域，所述入口区域被限定为由相邻叶片及其相应的内端部和外端部所界定的区域，并且其中，每个叶片的内端部与相邻叶片的外端部径向重叠；以及
其中，所述上升管竖直地延伸到所述泡罩中，所述收集板圆形孔小于泡罩直径。
6.如权利要求5所述的反应器，其中，所述堰环的水平板带有孔。
7.如权利要求5所述的反应器，其中，所述堰环的竖直高度为所述叶片的高度的一半。
8.如权利要求5所述的反应器，其中，所述混合设备的混合区域被限定为所述顶板和底板之间的区域，不包括限定所述入口区域的区域。
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