CN104874315B - 一种强化加氢工艺的微气泡发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化加氢工艺的微气泡发生器，主要由主体管、文丘里管、进气管和超声波发生器组成；文丘里管和主体管同轴设置并焊接于主体管内壁上，文丘里管的外壁与主体管内壁之间形成一独立的环形进气空间，进气管焊接于主体管外壁上并与所述的环形进气空间相连通，文丘里管由微孔材料制成，进气管、环形进气空间和文丘里管的微孔共同构成气体通道，文丘里管的内壁和主体管的内壁共同构成气液通道；超声波发生器安装于主体管外壁上并位于文丘里管的下游。采用本发明可以提高加氢效率，实现油品的深度高效加氢处理或加氢裂化。

Description

一种强化加氢工艺的微气泡发生器

技术领域

本发明涉及一种气泡发生器，具体地说，涉及一种强化加氢工艺的微气泡发生器。

背景技术

各类油品加氢处理及裂化是原油最大化利用、油品升级的最合理、有效的方法。现有的油品加氢技术分为固定床加氢、移动床加氢、悬浮床加氢和沸腾床加氢等。各类油品加氢工艺因床型不尽相同，气液物流的流体力学特性相差较大，但都是油品和氢气在催化剂的作用下发生化学反应。只要氢气在原料油进反应器之前溶解得更多，能够实现超饱和溶解，就能降低装置运行中的氢油比，同时提高反应效率。液相循环加氢工艺、悬浮床加氢工艺和沸腾床加氢工艺由于气相需要溶解到液相中，才能和催化剂接触反应，所以气相分布方式对反应器的传质效率和氢气的使用效率有重要影响。目前，一般采用气体在反应器中含量(即气含率)的多少作为衡量这类加氢工艺传质好坏的重要指标。在相同气含率的条件下，气泡尺寸及其概率分布对气液固相间传质性能有重要影响。当气含率相同时，气泡直径越小，气液相界总面积越大，传质速率越快；气泡直径越大，则气液相界总面积越小，传质速率越慢。同时大气泡的上升速度高于小气泡，也会造成气体在反应器中的停留时间缩短，在一定程度上形成气体短路。这些都会影响反应物之间的传质效果，并降低反应的转化率。

美国与澳大利亚科研机构合作研发的高科技成果，通过特殊的气泡发生器将气体溶于水中，得到的气泡直径足以使其在水中停留而不会溢出水面。根据有关对水中气泡上升或悬浮其直径大小阀值的力学分析计算，当气泡直径大于25微米时则气泡上升而逸出水面，当小于等于25微米时，气泡就停留、悬浮于水中。目前微气泡技术已逐步应用到现有的加氢工艺中，对部分加氢工艺有比较大的促进作用。静态混合器、引射器、搅拌器等剪切、机械发泡技术仅能产生毫米级的气泡，部分能通过能量消耗产生100微米以上的气泡。当前最常用的微气泡(小于50微米)发生方法大致有以下几种：

减压释放法：是在加压情况下，使气体强制溶入水中，然后突然减压，使气体从水分子的晶格中析出，形成无数微气泡。显然，为了取得微气泡，需要有一个加压与减压的过程，如此消耗了较大的能量。

微孔分散法：是具有一定压力的气体通过微孔塑料、橡胶、尼龙、微孔陶瓷管、金属烧结管甚至卵石层发泡逸出形成极小的气泡，当气泡逐渐变大，直至气泡浮力大于气泡与材料表面形成亲和力时，脱离微孔形成众多的小气泡。显而易见，该方法由于没有能量间的多次转换，其能耗是最小的。

电解产生气泡：电解析出气泡方法是将正负相间的电极插入含有电解液的电解槽中，通电电解产生氢气泡和氧气泡的方法。

超声波产生气泡：超声波作用于液体时可产生大量微气泡，一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡，另一原因是强大的拉应力把液体撕开成一空洞，称为空化。

目前采用微气泡技术主要用于污水处理行业，用于加氢工艺的微气泡发生器还没有公开的具体结构，仅有CN200910188141.X和CN200910188092.X提出采用微气泡发生器强化加氢过程传热传质。

发明内容

为了提高加氢效率，实现油品的深度高效加氢处理或加氢裂化，本发明提供了一种强化加氢工艺的微气泡发生器。

本发明提供的一种强化加氢工艺的微气泡发生器主要由主体管、文丘里管、进气管和超声波发生器组成；文丘里管和主体管同轴设置并焊接于主体管内壁上，文丘里管的外壁与主体管内壁之间形成一独立的环形进气空间，进气管焊接于主体管外壁上并与所述的环形进气空间相连通，文丘里管由微孔材料制成，进气管、环形进气空间和文丘里管的微孔共同构成气体通道，文丘里管的内壁和主体管的内壁共同构成气液通道；超声波发生器安装于主体管外壁上并位于文丘里管的下游。

所述主体管为圆管，可以采用整体管，也可以分解为多部分的组合管，整体可以为直管，也可以根据需要把其中一段或多段设计为弯管。主体管为多部分的组合管时，内构件的安装比较方便。

所述进气管为一段外接管，不用伸入主体管中心部位，没有气液接触功能，因此完全可以回避中心进气管导致的气体锥和壁吸效应。

所述文丘里管使用的微孔材料可以为烧结金属粉末微孔管、金属微孔膜材料、烧结金属纤维微孔材料或其他类型的金属微孔材料，这些微孔材料均为常规材料。微孔孔径范围可以按具体使用的加氢工艺需要而发生变化，一般为30～500微米之间。由于油品加工处于高温高压运行环境，因此工艺装置中一般采用烧结金属粉末做成的微孔管制作文丘里管。文丘里管和主体管之间形成了一个环形进气空间，文丘里管一方面实现微孔多点进气，另一方面运用了文丘里管的压力变化的原理，快速移走微气泡，保证生成尽量多的微气泡，起到强化混合的效果，一般微气泡发生器此部分产生的气泡一般属于微米级的气泡。

所述超声波发生器是一种利用电能产生超声波能的装置，为常规装置。超声波发生器可以置于主体管外壁上，使通过主体管的气液物流进一步空化，产生微小稳定的气泡液流，经过超声波发射器的微气泡在液体中的表面张力远大于气泡的浮力，气液不分层，不存在脉动流或者断塞流。

本发明提供的强化加氢工艺的微气泡发生器可使加氢工艺中的氢气以微气泡的形式稳定地扩散在液流中，得到充分的深度混合，迅速的溶解到液流中，同时压降较小。本发明的微气泡发生器结构简单，安装方便，气液混合特性好，压降小，在气液混合领域应用价值明显。主要有如下优点：

1)混合效果好

本发明的微气泡发生器采用了气泡生成的组合方法，第一阶段文丘里管的微孔介质多点接触和文丘里效应相结合，细化气泡，混合效果好。在文丘里管处气液两相在无数个微孔处实现气液混合，文丘里管的文丘里效应加速微气泡的脱离，同时对气体有一个强烈的抽吸作用，强化气液混合；第二阶段超声波发生器的超声空化效应进一步强化气液混合，气泡进一步减小，形成稳定气液混合物流。

2)压降较小

本发明的微气泡发生器采用组合微气泡发生工艺，第一阶段采用微孔介质实现多点接触，借助文丘里管的抽吸作用，在实现气液基本混合效果的同时，形成微米级气泡流，因此不必过分减小微孔孔径，大大降低了微气泡发生器的压降，对系统节能意义重大。

3)气液流型稳定

由于微气泡发生器采用两级组合微气泡发生工艺，微孔介质和文丘里效应相结合，加上超声空化效应，气液物流充分接触，气泡以微气泡的形式随液流稳定流动，不会形成气液分层或者分段，流型稳定均匀，流动阻力较小。

附图说明

图1为本发明的微气泡发生器的结构示意图。

图中：1-主体管，2-文丘里管，3-进气管，4-超声波发生器，5-环形进气空间。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的强化加氢工艺的微气泡发生器。

本发明的微气泡发生器的结构如图1所示，主要由主体管1、文丘里管2、进气管3和超声波发生器4组成；文丘里管2和主体管1同轴设置并焊接于主体管1内壁上，文丘里管2的外壁与主体管1内壁之间形成一独立的环形进气空间5，进气管3焊接于主体管1外壁上并与所述的环形进气空间5相连通，文丘里管2由微孔材料制成，进气管3、环形进气空间5和文丘里管2的微孔共同构成气体通道，文丘里管2的内壁和主体管1的内壁共同构成气液通道；超声波发生器4安装于主体管1外壁上并位于文丘里管2的下游。

主体管1为圆管，进气管3为外接管。

文丘里管2为一段截面为倒梯形的文丘里管，也可以为截面为U形的文丘里管，文丘里管2的材料一般选用烧结金属粉末微孔管，文丘里管2一方面利用多孔介质特性实现多点微孔进气，另一方面运用了文丘里管的压力变化的原理，抽吸引射气泡，使气泡在成长中快速脱离文丘里管内壁，起到强化微气泡生成和混合的效果；文丘里管2的内径d一般为主体管1内径D的1/3～3/4，文丘里管2的长度L一般为主体管1内径D的1～5倍，文丘里2管焊接在主体管1内壁上，安装比较方便。

超声波发生器4安装在主体管1外壁上，文丘里管2的后端，超声波发生器4的型号和结构很多，根据工艺参数选型，基本形状选用环形结构。经过超声波发生器4以后的气泡直径可以控制在200纳米～100微米之间，气含率可以提高到50％以上，气泡悬浮在液体中，不存在气液快速分离的状况。

本发明的微气泡发生器工作时，气相物流首先经进气管3进入主体管1和文丘里管2组成的环形进气空间5内，然后经文丘里管2的微孔在文丘里管2内表面与主体管1中液相物流相接触，气相物流以微米级气泡的形式进入液流中，文丘里管2利用文丘里效应，一方面实现了气液物流的多点接触，另一方面起到压力变化作用，加速气液混合；气液混合物流经过超声波发生器4产生空化效应，气泡进一步破碎为更小的气泡，加速气体溶于液体，形成稳定的气液混合物流。经过本发明的微气泡发生器的混合物流再进入到加氢反应器适当的位置，强化加氢过程的气液固传质效率。

本发明的微气泡发生器借助微孔分散法和超声空化的基本理论，采用文丘里效应加速微孔表面气泡的脱离，避免气泡在介质表面长大，同时在文丘里管后部增加超声波发生器，强化气液混合，将氢气进一步以微气泡的形式快速并深度溶解在原料油中，形成一种稳定的微气泡液流，用于提高加氢效率，实现油品的深度高效加氢处理或加氢裂化。

Claims (4)

1.一种强化加氢工艺的微气泡发生器，其特征在于：主要由主体管、文丘里管、进气管和超声波发生器组成；文丘里管和主体管同轴设置并焊接于主体管内壁上，文丘里管的外壁与主体管内壁之间形成一独立的环形进气空间，进气管焊接于主体管外壁上并与所述的环形进气空间相连通，文丘里管由微孔材料制成，进气管、环形进气空间和文丘里管的微孔共同构成气体通道，文丘里管的内壁和主体管的内壁共同构成气液通道；超声波发生器安装于主体管外壁上并位于文丘里管的下游；所述微孔材料的微孔孔径范围为30～500微米。

2.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于：所述的微孔材料为烧结金属粉末微孔管、金属微孔膜材料或烧结金属纤维微孔材料。

3.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于：所述的文丘里管的截面为倒梯形或U形。

4.根据权利要求1或3所述的微气泡发生器，其特征在于：所述的文丘里管的内径为主体管内径的1/3～3/4，文丘里管的长度为主体管内径的1～5倍。