CN104857895A - 一种用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器 - Google Patents

Abstract

一种用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其主要解决以整体蜂窝、整体催化剂为固定床反应或者传递过程中的气液物流分布不均，导致整体反应器内的流体流动接触界面差，传递以及催化反应效率低的问题。本发明主要采用均匀分布于上下底板的降液管，且降液管伸出下底板长度为5-50mm，并且在降液管的相同高度的截面上开有相同面积和形状的小孔，而且小孔中心距上底板高度的距离为5-1000mm；距下底板高度的距离为10-1000mm；该技术方案可以实现气体和液体物流均匀的分布于降液管内，并且形成气液两相均匀混合流动状态，进而实现了气液两相在整体催化剂上的均匀分布。采用本发明的气液分布器可以大大地提高整体反应器的传递、反应效率。

Description

一种用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器

技术领域

本发明属于石油化工领域，具体涉及一种用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器。

背景技术

整体催化剂是由规整、重复、相互分隔的通道（尺度0.5-5mm）构成的整块陶瓷和金属载体，催化活性组分或者是含有活性组分的合适载体则以薄层形式均匀地分布在孔道的内表面。和其它形式的气液固三相反应器（桨态床与滴流床）相比，整体催化剂具有毫米级的反应通道，特征尺寸小，不仅具有比较大的外比表面积（目数为600cpsi，前端开孔表面有82%的整体催化剂，具有的外比表面积可以达到3476m²/m³），而且大大缩短了流体相际之间的传质距离，因此可以大大的强化气－固、气－液以及气－液－固相间传质过程。整体催化剂强化传质过程主要有两个原因（Moulijn.et al.,Advances in Catalysis，2011，54，249-327.），一是当气液两相保持适当的流速时，催化剂孔道内会出现一种特殊的流动类型：泰勒流（弹状流）。此时，气体和液体分别以小气泡和小液弹相互间隔的形式在整体催化剂的通道内进行流动，并且在气泡和固体催化剂之间有一层非常薄的液膜，这样气体可以很快地扩散到固体表面的催化活性中心上。二是在液弹内部本身也存在着内循环流动过程，强化内部的混合过程，提高传质的推动力。

另外，采用整体结构的催化剂一个重要的优点是物流通过整体催化剂孔道具有比较低的阻力降，也就是说在整体催化剂内物流的流速可以在很高的流速下进行操作，而并不会产生比较高的阻力降，而这些阻力降主要靠循环压缩机完成循环过程。在高的流速操作条件下，物流之间的混合可以强化，从而强化了气体，液体和固体三者之间的接触过程，进而可以增强反应过程的效率和选择性。此外，采用整体催化剂进行操作无需进行产物与催化剂分离以及易于集成放大等诸多优点。目前，蜂窝规整载体以其独特的优势已经在化工过程中得到了广泛的应用。尤其是近几十年来在环保领域中的应用，如在汽车，柴油机动车，燃煤电厂，焚烧炉等等尾气排放过程中利用规整结构催化剂可以高效的脱除CO，HC，NO_x和PM等。然而，整体催化剂在气液固三相催化反应过程中的应用目前已经成为研究得热点，如：双氧水的生产，F-T合成，乙烯基醋酸纤维素的合成，葡萄糖合成山梨糖醇等生产工艺中。

然而对于蜂窝规整载体的通道而言，由于不存在着径向的扩散空隙，每一个通道都是一个单独的流动空间，每一个孔道可以认为是一个小的管式反应器，所以初始的液体和气体分布在进口一旦确定下来，两相的流动特点将会一直保持到反应器的出口。因此对于蜂窝规整载体的流体分布，流体的初始分布对气液两相的流动特点以及传质过程都有着至关重要的作用。

Satterfield等人（Satterfield et al.,Ind.Eng.Chem.Fundam.,1977，16(1),61-67）提出了针对蜂窝载体的三种不同液体分布器，采用两相并流向下的流动方式测试了它们的分布性能，第一种分布器是开有37个内径为3-7mm毛细通道的平板液体分布器，结果发现液体的分布不是很均匀，因而造成气液两相压力降的不稳定。另外还发现分布器扭动很小的角度，压力降变化很大。第二种分布器是采用了直径为4mm的圆球进行分布，并且上面置有上述液体分布器对液体进行预分布，结果发现圆球会堵塞蜂窝的孔道，并且在液体流速比较大的时候，会产生液泛。这种分布器产生的压力降同样不是很稳定，说明这种分布器的液体分布比较差。第三种是在上述分布器的下面，随机摆放了27个厚度为3.2mm的蜂窝片，使得流过的液体分布效果比较好，并且得到了稳定的压力降。然而上述的分布过程带有很大的随机性，不能定量的应用于其它的反应过程。Irandoust等人（Irandoust etal.,Ind.Eng.Chem.Res.,1989，28:1489-1493.）提出了五种不同开孔率的筛板对气液物流进行分布，分布器的孔道大小在0.5-2.0mm之间，开孔率为5.7-27%，采用水，乙醇和乙二醇和空气作为工作流体，蜂窝反应器的内径为250mm的树脂反应器。结果发现液体的分布效果和液体流过筛板分布器的压力降有很大关系。当流过筛板的压力降小于100-200mm水柱时，液体的分布不是很均匀。因此，上述的气液分布器要求液体的流量必须达到某一操量，限制了其在气液固三相反应中的应用。Broehuis等人（Broekhuis etal.,Catal.Today,2001,69:87-93）使用了一个液体推动的喷射器来对液体和气体进行分配。他们认为这个喷射器同时是一个非常好的接触器。由于在喷射器内的液相中会产生非常小的气泡，这样会大大的提高两相的分布，同时作者还认为这个喷射器可以作为气体的动力装置。由于上述的分布是借助于强大气流来进行的，因此上述分布器适合于气体流速大的场合。美国康宁公司Heibel等人（Heibel et al.,AIChE J.,2003,49(12):3007-3017）采用喷头对液体分布，然后气液两相进行并流进入蜂窝载体上。作者认为采用喷头可以得到比较好的液体分布，但是喷头对液体分布具有一个最佳的位置。然而采用喷头进行液体分布，势必要克服液体成为非常小液滴的表面能量，需要液体的压头比较高，从而造成能量的消耗。此外，由于喷头的直径很小，在大量处理液体的时候很容易造成喷头的堵塞以及磨损。

发明内容

一个好的气液分布器可以实现气体、液体物流在整体催化剂上的均匀分布，从而使得液体、气体和固体催化剂三相之间得到最大程度的接触。气-液-固三相接触面积的增加会提高其传质与传热速率，从而极大的提高整个气液固三相反应过程的效率。针对于蜂窝规整载体的特点的通道而言，由于不存在着径向的扩散空隙，每一个通道都是一个单独的流动空间，每一个孔道可以认为是一个小的管式反应器，所以初始的液体和气体分布在进口一旦确定下来，两相的流动特点将会一直保持到反应器的出口。因此对于蜂窝规整载体内的流体分布，流体的初始分布对物流的流动特点以及传质过程都有着至关重要的作用。

为了解决整体催化剂上不同物流在整体催化剂或者是整体蜂窝的相互独立孔道内部的均匀分布，本发明的目的是提供一种用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器。

本发明提供了一种用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，该整体反应器的组成包括反应器壳体(2)、气液分布器、整体催化剂(7)；其中，气液分布器由上底板(4)，降液管(5)，下底板(6)组成；其中，所述降液管(5)均匀的分布于上底板(4)与下底板(6)之间；

降液管为垂直管道，其伸出下底板(6)的下方短管(9)的长度为2-100mm（在制作过程中，首先需要在上下底板上开有很多的孔，这些孔在上下底板是均匀分布的，然后把降液管道插入到上下底板的孔道中。降液管道需要伸出下底板一定的距离，这个距离就是下方短管9），降液管伸出上底板(4)的上方短管长度为0-100mm；

降液管(5)的直径D范围为1-100mm；

降液管(5)在上、下底板的开孔率为5-70%；

降液管道上的小孔(8)直径d与降液管(5)的直径D的比值为0.001-0.6:1.0；

降液管道上所有的小孔(8)的面积和S1与降液管(5)的面积和S2的比值为1.0×10^-6-0.72:1.0；

降液管(5)上小孔(8)中心距上底板高度(h₁)的距离范围为3-2000mm；

降液管(5)上小孔(8)中心距与下底板高度(h₂)的距离范围为3-2000mm；

气体通过整体反应器的气体入口(1)进入均匀的分布于整个上底板(4)上，然后通过降液管(5)进入到整体催化剂(7)的通道内；液体通过整体反应器的液体入口(3)进入到由上底板(4)、下底板(6)、降液管(5)以及整体反应器壳体(2)组成的腔体内，然后通过在降液管(5)轴向方向上相同位置上布置的小孔(8)通入到降液管道(5)内部，最后流到整体催化剂(7)的表面上。

本发明提供的用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，所述降液管(5)的直径D范围优选为2-80mm。所述降液管(5)伸出下底板(6)的下方短管(9)的长度优选为5-50mm。所述降液管(5)伸出上底板(4)的上方短管的长度优选为0-10mm。所述降液管(5)在上、下底板的开孔率优选为10-50%。所述降液管道上的小孔(8)直径d与降液管(5)的直径D的比值优选为0.01-0.3:1.0；降液管道上所有的小孔(8)的面积和S1与降液管(5)的面积和S2的比值优选为1.0×10^-3-0.36:1.0。所述降液管(5)上小孔(8)中心距上底板高度(h₁)的距离范围优选为5-1000mm；所述降液管(5)上小孔(8)中心距与下底板高度(h₂)的距离范围优选为10-1000mm。所述降液管(5)在上、下底板上的分布主要为正三角排列方式。液体通过降液管道上的小孔(8)的流速相等。

本发明的气液分布器，气体可以从反应器的入口(1)通入然后在分布器的上底板(4)进行分布，然后以相同的流速流入到分布于分布器上下底板(4，6)的降液管(5)内，液体通过反应器的液体入口(3)，进入到气液分布器的腔体内，然后通过降液管(5)上的小孔(8)均匀的进入到降液管内部，这样气体和液体在降液管道内进行混合之后喷出，从而使气液两相均匀的分布于整体催化剂的表面。因此，本发明的气液分布器装置依靠均匀分布的降液管实现了气液两相的均匀分布，可以提高气液两相在整体催化剂通道内的接触面积以及改善气液两相的流动过程，从而提高了整体反应器的反应效率。

附图说明

图1为整体反应器示意图；

图2为本发明气液分布器的剖面图；

图中编号说明：1为反应器的气体入口，2为反应器的壳体，3为反应器的液体入口，4为上底板，5为降液管，6为下底板，7为整体催化剂，8为降液管上的小孔，9为降液管伸出下底板的短管。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1本发明工作原理

如图1中，气体和液体分别从反应器的气体入口1以及液体入口3进入到反应器，气体经过气体分布器的初始分布之后，进入到本发明的气液分布器的上底板4处，然后均匀的进入到设置于上下底板的降液管5内；液体首先进入到气液分布器的腔体内(由上底板4，降液管5的外壁，下底板6以及反应器壳体2组成)然后通过降液管道内的小孔8进入到降液管5内，由于降液管上的小孔高度和截面的面积相同，从而保证了进入到降液管5内的液体流量是均等的。这样在降液管5内形成了气体和液体混合的流动过程，实现了气液两相的同时均匀的流动到整体催化剂的表面，从而保证了气液两相通过气液分布器的均匀分布。

实施例2

采用质量分数为40%的MDEA（N-甲基二乙醇胺）溶液作为液体工作液，含有1200ppm的H₂S的气体为气相（平衡气体为氮气），采用工作液吸收气相中的少量硫化氢进行测试本分布器的性能。本次采用的气液分布器的降液管(5)与上底板(4)的表面平齐，降液管(5)伸出下底板(6)的表面也就是(9)的长度为5mm；每个降液管到上分布2个小孔，并且小孔(8)的直径d与液体降液管(5)的内径D的比值为1：4.0，降液管(5)的内径为4mm的垂直管道，所有小孔的面积S1与降液管道的截面面积S2的比值为1：8；降液管(5)上小孔(8)中心距上底板高度(h₁)的距离为20mm，降液管(5)上小孔(8)中心距与下底板高度(h₂)的距离为20mm；降液管上的小孔降液管道(5)在上下底板(4,6)上的开孔率为51%。实验证明当液体体积流速为48.6ml/min的时候，液体流速为5L/min的时候，气相中的硫化氢脱除效率为95%，而且液相通过分布器的阻力降小于100pa。

实施例3

评价气液分布器效率的方式同实施例2。本次采用的气液分布器的降液管(5)与上底板(4)的表面平齐，降液管(5)伸出下底板(6)的表面也就是(9)的长度为5mm；每个降液管道上排布一个小孔，并且小孔(8)的直径d与液体降液管(5)的内径D的比值为1：3.0，降液管(5)的内径为3mm的垂直管道，所有小孔的面积S1与降液管道的截面面积S2的比值为1：16；降液管(5)上小孔(8)中心距上底板高度(h₁)的距离为10mm，降液管(5)上小孔(8)中心距与下底板高度(h₂)的距离为30mm；降液管上的小孔降液管道(5)在上下底板(4,6)上的开孔率为47.9%。实验证明当液体体积流速为48.6ml/min的时候，液体流速为5L/min的时候，气相中的硫化氢脱除效率为98%，而且液相通过分布器的阻力降同样小于100pa。

Claims (10)

1.一种用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，该整体反应器的组成包括反应器壳体(2)、气液分布器、整体催化剂(7)，其特征在于：所述气液分布器由上底板(4)，降液管(5)，下底板(6)组成；

其中，所述降液管(5)均匀的分布于上底板(4)与下底板(6)之间的平面上；

降液管为垂直管道，其伸出下底板(6)的下方短管(9)的长度为2-100mm，伸出上底板(4)的上方短管长度为0-100mm；

降液管(5)的直径D范围为1-100mm；

降液管(5)在上、下底板的开孔率为5-70%；

降液管道上的小孔(8)直径d与降液管(5)的直径D的比值为0.001-0.6:1.0；

降液管道上所有的小孔(8)的面积和S1与降液管(5)的面积和S2的比值为1.0×10^-6-0.72:1.0；

降液管(5)上小孔(8)中心距上底板高度(h₁)的距离范围为3-2000mm；

降液管(5)上小孔(8)中心距与下底板高度(h₂)的距离范围为3-2000mm；

气体通过整体反应器的气体入口(1)进入均匀的分布于整个上底板(4)上，然后通过降液管(5)进入到整体催化剂(7)的通道内；液体通过整体反应器的液体入口(3)进入到由上底板(4)、下底板(6)、降液管(5)以及整体反应器壳体(2)组成的腔体内，然后通过在降液管(5)轴向方向上相同位置上布置的小孔(8)通入到降液管道(5)内部，最后流到整体催化剂(7)的表面上。

2.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管(5)的直径D范围为2-80mm。

3.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管(5)伸出下底板(6)的下方短管(9)的长度为5-50mm。

4.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管(5)伸出上底板(4)的上方短管的长度为0-10mm。

5.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管(5)在上、下底板的开孔率为10-50%。

6.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管道上的小孔(8)直径d与降液管(5)的直径D的比值为0.01-0.3:1.0；降液管道上所有的小孔(8)的面积和S1与降液管(5)的面积和S2的比值为1.0×10^-3-0.36:1.0。

7.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管(5)上小孔(8)中心距上底板高度(h₁)的距离范围为5-1000mm；

8.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管(5)上小孔(8)中心距与下底板高度(h₂)的距离范围为10-1000mm。

9.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：所述降液管(5)在上、下底板上的分布为正三角排列方式。

10.按照权利要求1所述用于气液固三相反应的整体反应器的气液分布器，其特征在于：液体通过降液管道上的小孔(8)的流速相等。