CN104923131B - 用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器，主要由中心管、泡帽、止逆球、锥形球座和限位座组成；泡帽为一底部敞口的筒状物，罩于中心管的上端并与中心管固定连接，中心管上端端部的管壁上设有物料出口，限位座设于物料出口下方的中心管内，锥形球座设于限位座下方的中心管管壁上，锥形球座上设有止逆球，泡帽、中心管、限位座、止逆球与锥形球座同轴设置，泡帽与中心管之间形成一环形通道，中心管下端设有物料进口。采用本发明既可以保证气体在液体中破碎为连续的微气泡，又能有效地解决或缓解在气液压力不稳或气液进料突然中断时携带催化剂的物料的逆流堵塞问题，同时减小了分布器内部流动死区，压降较小。

Description

用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器

技术领域

本发明涉及反应器内构件领域，尤其涉及一种用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器。

背景技术

生物质热裂解技术可以将低品位的生物质能(木质原料、农作物废料)转化为较高品质的液态的生物质焦油(木焦油)，该技术液体焦油产率高达65～70％。生产的生物质焦油组成复杂，水分含量高，具有高腐蚀性，热值较低且不稳定易缩聚，难与石油类产品(如汽油、柴油等)互溶。从上世纪90年代末开始，世界各国陆续开始生物质焦油提炼燃油的技术研究，其中沸腾床加氢裂化被认为是最具有发展潜力的方式之一。

气液固三相沸腾床反应器在工业反应过程中得到了广泛应用，对于反应热很大的反应过程，使用三相沸腾床反应器可以有效的移走反应热，实现反应器的等温操作，保证反应器的正常运行。在三相沸腾床反应器中，气液分布器是保证气体在床层中均匀分布的重要内构件，直接影响反应器的平稳运行和反应效率。目前国内外已公开专利和文献中沸腾床气液分布器主要是用于煤直接液化和渣油沸腾床加氢工艺中，不同原料加工特性差别较大，因此需要选用适应工艺条件的气液分布器。

已公开的沸腾床气液分布器根据功能特性分有两大类：截流型(例如US4874583、200910012453.5和201020636320.3等)和非截流型(例如200910012498.2)，现有文献显示目前工业装置上基本采用了美国Texaco公司的带止逆球的泡帽式气液分布器US4874583，中石化抚研院利用催化剂堆积角的特性开发了非截流型气液分布器，可以防止催化剂的大量逆流，但是无法完全回避隔板上方物流的逆流，容易发生进气孔堵塞，所以目前沸腾床气液分布器仍然倾向采用截流型分配器。

当沸腾床反应器中液相气含率相同时，气泡直径越小，则气液相界面积越大，传质速率越快，有利于提高反应效果和利用率。同时大气泡在液相中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，或者可以说大气泡使部分气体在反应器中没有与液相接触传质，在一定程度上形成短路。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。因此现阶段学术界主要关心气液分布器如何使气体分布均匀，产生更多更小的气泡，同时应该具备防止反应器隔板上方带催化剂的物流发生逆流。气固液三相物料在反应器内有效均匀混合、传质效率及操作弹性是沸腾床反应器的重要性能指标，因此，性能优异的气液分布器是沸腾床反应器的关键内构件。

美国Texaco公司的专利US4874583介绍了一种用于沸腾床反应器的气液分布器，为泡帽分布器，主要由泡帽、上升管、止逆球和阀芯等部件组成。泡帽筒体的底部设有条缝，上升管上部和阀芯中部设有流体出口，阀芯下部设有球座。上升管的下部为带有进气槽(条缝)的气液预混合结构，上升管内设有用于气液混合的孔板混合器。多个泡帽分布器均匀地设置于分布板上。这种气液分布器直接应用到木焦油沸腾床加氢中主要会出现如下问题：(1)阀芯内腔的顶端行程较大，因此止逆球会在气液物流中上下跳动，造成止逆球和阀芯内腔的碰撞损伤。(2)上升管顶部和泡帽环形空间顶部物流死区较大，在运行过程中产生较多旋涡，导致气液进料不稳，床层波动较大，同时局部阻力导致分布器压降较大。(3)泡帽下方齿缝结构，安装后泡罩下沿距环板一定距离，工作时形成的气泡柱直径较小，且气泡较大。由于敞口较大，一方面气液混合物流出泡罩后，速度较小，对下方冲击力较小，易导致催化剂沉积，另一方面在发生逆流时催化剂逆流几率增大。

中石化抚研院的专利200910012453.5介绍的结构在气液混合结构上做了大量改进，气液混合进料平稳，止逆球工作稳定。但是上部开孔斜向上方，同时没有泡帽结构的折流，催化剂在隔板上方容易沉积，可能造成沸腾床反应器底部过热而烧坏催化剂，由于缺少泡帽的破碎和扩散气泡作用，气体扩散范围较小，气泡较大，由于分配器出口没有泡帽的折流阻挡作用，逆流时物流将瞬间逆流，中心进料管流速较大，止逆球不易迅速回位，需要一个短暂的回位过程。

神华煤制油公司申请的专利201020636320.3具有圆锥形泡罩，该圆锥泡罩通过多个角尺支腿与该分配盘连接。这种结构的特点是借助了浮阀的特点结构简单，易于操作，密封紧密，流体流量为零时，锥体完全覆盖了分配盘的开孔，隔绝了分配盘上的物料进入分配盘下。该气液分布器在使用过程中存在的问题：(1)缺少气液混合结构，环板下方的物流在泡帽浮起时进入床层，气泡较大，气泡尾迹影响范围较大，直接导致床层底部波动较大，分配不均；(2)泡罩通过角尺支腿与该分配盘连接，可以自由上下移动，同时在运行过程中存在旋转，旋转运动在破碎气泡和防止催化剂在泡罩上沉积有一定效果，但是长时间的旋转极易导致角尺支腿与分配盘开孔的磨损，可靠性降低，影响设备长周期安全运转，因此泡帽不宜自由旋转。

以上沸腾床气液分配器主要用于煤直接液化和渣油沸腾床加氢工艺中，都有自身的优缺点，但是沸腾床反应器因加工原料的性质、流体力学参数不尽相同，也需要对气液分配器局部结构进一步完善。

发明内容

为了解决现有技术存在的止逆球跳动较大、磨损严重，影响回位密封效果，泡帽下沿敞口较大时物流冲力较小，气泡较大，且停工导致催化剂逆流几率较大等技术问题，本发明提供了一种用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器。

本发明提供的用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器主要由中心管、泡帽、止逆球、锥形球座和限位座组成；泡帽为一底部敞口的筒状物，罩于中心管的上端并与中心管固定连接，中心管上端端部的管壁上设有物料出口，限位座设于物料出口下方的中心管内，锥形球座设于限位座下方的中心管管壁上，锥形球座上设有止逆球，泡帽、中心管、限位座、止逆球与锥形球座同轴设置，泡帽与中心管之间形成一环形通道，中心管下端设有物料进口。

作为进一步改进的方案，在泡帽下端的筒壁上设有向下倾斜的泡帽斜管，泡帽斜管与泡帽内的环形通道相连通。

作为更进一步改进的方案，在泡帽底部设有环板，环板与泡帽底部边缘相焊接并套于中心管上。环板可以为盲板、多孔环板或者楔形丝网环板。

采用本发明，具有如下的有益效果：

(1)中心管内部设有锥形球座和限位座，止逆球在一定的空间内上下运动，避免止逆球在物流不稳时上下跳动剧烈，磨损严重，不利于气液稳定进料，同时可以防止碰撞导致逆流密封失效。

(2)泡帽环形通道和中心管内部流道通畅，死区较少，一方面正常工作时压降较小，止逆球稳定，另一方面若气液进料中断时，止逆球缺少推力，迅速落回密封位置，使止逆球和锥形球座线接触实现密封。

(3)增设泡帽斜管可以扩大分布器气泡流直径，使气液物流分布更均匀，保证整个床层各部分反应均一，提高反应效率。

(4)泡帽下部增设环板，当环板是多孔环板或者楔形丝网板，一方面可以使气泡较小，提高床层气含率和物流冲击力，保证在停工重启时能冲起泡帽下催化剂，另一方面尽量减小发生逆流时催化剂进入泡帽环形通道。

本发明的气液分布器气液扩散面积广、结构简单合理、止逆球升降平稳、使用安全可靠；可用于沸腾床及相关反应器分配气液进料。

附图说明

图1为本发明的用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器的结构示意图；

图2为泡帽的仰视示意图；

图3为A-A截面俯视示意图；

图4为限位座的结构示意图；

图5为图4的俯视示意图；

图6为本发明的气液分布器的另一种结构示意图。

图中：1-泡帽，2-中心管，21、22-纵向槽缝，23、24-槽齿，3-止逆球，4-锥形球座，41-球座孔，5-环形通道，6-进气孔，7-限位座，71-锥腿，72-支撑柱，8-环板，9-泡帽斜管，10-分布板，11-泡帽顶孔，25-通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器主要由中心管2、泡帽1、止逆球3、锥形球座4和限位座7组成；泡帽1为一底部敞口的筒状物，罩于中心管2的上端并与中心管2固定连接，中心管2上端端部的管壁上设有纵向槽缝22作为物料出口，限位座7设于纵向槽缝22下方的中心管内，锥形球座4设于限位座7下方的中心管管壁上，锥形球座4上设有止逆球3，泡帽1、中心管2、限位座7、止逆球3与锥形球座4同轴设置，泡帽1与中心管2之间形成一环形通道5，中心管2下端设有物料进口。

在泡帽1下端的筒壁上设有向下倾斜的泡帽斜管9，泡帽斜管9与泡帽内的环形通道5相连通。如图2所示，泡帽斜管9沿泡帽外筒壁圆周方向均匀分布，一般设4～8个，内径一般为1～4毫米，倾斜角度α为30～60度。泡帽斜管可以扩大泡帽的分配范围，形成直径更大分布更均匀的气泡柱，使气液分布更均匀。

在泡帽1底部设有环板8，环板8与泡帽底部边缘相焊接并套于中心管上。环板8可以为盲板、多孔环板或楔形丝网环板。当环板8为盲板时，物料只能通过泡帽斜管9进入分布板上方。当环板8为多孔环板时，环板上筛孔直径一般为1.5～3毫米，可以沿多个同心圆均匀布置。当环板8为楔形丝网环板时，目数一般为20～60目，楔形丝网环板是目前通用的一种工业用条缝筛网，它由异形金属丝和不同形状的支持杆组成，由专门设计的电阻焊机连续地焊接而成；条缝筛网可制成各种形状，在本发明中应采用环形结构，可焊接在泡帽下端；条缝筛网作为气液分布器的泡帽分布网最大的优点是条缝结构不易发生催化剂堵塞。

如图2所示，泡帽1顶部开有泡帽顶孔11。所述的作为物料出口的纵向槽缝22沿中心管轴向贯穿上端端部，两相邻纵向槽缝22之间的中心管剩余部分形成槽齿23，如图1和图3所示，槽齿23作为支撑筋插入泡帽1顶部的泡帽顶孔11中，与泡帽顶部固定连接在一起。纵向槽缝22一般为竖置长方形(所述形状是指物料出口在与物料出口正对着的垂直平面上投影的形状)，纵向槽缝22的高度h一般为15～50毫米，其宽度一般为5～20毫米。纵向槽缝22通常设置2～8个，最好是设置6个，沿中心管圆周方向均匀分布。

如图1、图4和图5所示，所述的限位座7由支撑柱71和三条锥腿72组成，限位座7通过支撑柱71的上端与泡帽顶部固定连接；三条锥腿72以一端与支撑柱71的下端相焊接，另一端呈伞状均匀分布，锥腿的倾斜角度γ一般为40～50度，三条锥腿72形成一个锥形卡座，锥形卡座位于纵向槽缝22下方的中心管内。限位座7的锥形卡座可以使止逆球3在工作时在此停留，不上下跳动，保证进料平稳，气液物流可以通过间隙继续向上进入中心管顶端。三条锥腿72之间的空隙是气液物流的通道，采用这种限位结构使气液物流通道增大，流型稳定。

所述的锥形球座4为截面为梯形的回转体，上部呈漏斗状，中间为球座孔41，下部呈倒漏斗状。球座孔41的直径d为中心管2内径的1/3～3/4，球座孔41的长度一般为5～15毫米。锥形球座4的作用一方面是利用文丘里效应加速气液混合物，浮起止逆球3，另一方面锥面可以和止逆球球面形成线密封，在停工时防止催化剂物流逆流。

所述的止逆球3为一圆形球，设于锥形球座上部漏斗状上方，可以是空心球或实心球。止逆球3的材料一般为特殊陶瓷或金属，材料的比重一般为1.5～10克/立方厘米，特殊陶瓷为常规材料。止逆球3的直径(空心球时为外直径)一般为锥形球座4球座孔41直径d的1.1～1.5倍。

在中心管2的下端开有与下端端部开口相贯通的纵向槽缝21，纵向槽缝21之间形成槽齿24，纵向槽缝21一般为2～8条，沿中心管圆周方向均布，优选4～6条；纵向槽缝21宽度为2～5毫米，长度一般为30～60毫米。中心管下端纵向槽缝21上方的中心管管壁上设有进气孔6，进气孔6为斜向上的圆孔，倾斜角度β一般为30～45度，倾斜方向为由中心管外壁向内壁倾斜。进气孔6沿圆周方向分层排布，一般设置为1～4层，每一层为4～8个进气孔，进气孔6直径一般为2～4毫米。中心管下端端部开口、与下端端部开口相贯通的纵向槽缝21以及进气孔6共同构成中心管的物料进口。气体进料主要通过纵向槽缝21向上进入中心管，进气孔6主要用于中心管外侧中下部部分聚集的气体的进料，液体进料主要通过中心管2下端端部开口进入中心管。

本发明气体分布器各部件的材料一般为金属，例如不锈钢或合金材料。

多个本发明的气液分布器可以采用各种常用的方法、按正三角形或正方形网格排列方式固定于分布板10上。如图1所示，是将中心管2的下部插入到分布板10上的安装孔内，中心管2的下部焊接于分布板10上，或者通过卡环或螺纹固定在分布板上。

如图1所示，正常工作时，液体进料主要从中心管2下端端部开口和纵向槽缝21下段进入中心管2的内腔并向上流动，气体进料一部分通过纵向槽缝21、一部分通过进气孔6进入中心管，气液进料在纵向槽缝21和进气孔6处经过抽吸混合以后，继续向上流动，流经球座孔41进入位于锥形球座4上方的空间，随后通过限位座7周边空隙进入中心管2的上部。在气液物流作用下，止逆球3浮起，停留在限位座7的锥形卡座处。进入锥形球座4上方中心管2内腔中的气液进料从作为中心管出口的纵向槽缝22处进入环形通道5。

气液混合物流经过泡帽1的折流，直接流向环形通道5的底部，经环板8上的筛孔(或楔形条孔)和泡帽斜管9形成小气泡或微气泡流进入床层，随后向上折流进入沸腾床床层，当环板8为盲板时仅通过泡帽斜管9进入床层。上述流动可以防止沸腾床中的固体催化剂颗粒在分布板10的上表面沉积、形成高温死区，保证沸腾床反应器安全运行。

止逆球3处于浮起位置时，若从中心管2的物料进口进入中心管2内腔的进料中断，止逆球3在重力的作用下可以迅速落回密封位置(止逆球3和锥形球座4线接触)，实现线密封，原有的环形通道5内仍存在一部分原有液体物流，可以起到液封作用，防止带催化剂的浆液进入泡帽1内部。

本发明中的泡帽斜管和环板，在进料中断时可以进一步阻止催化剂进入泡帽，同时在系统重启时，冲力较大，可以保证分布板上的催化剂全部吹起。

从中心管2下端进入中心管2内腔的进料流量较大时，止逆球3浮起至限位座7，止逆球不会上下跳动，运行平稳。

图6为本发明的气液分布器的另一种结构示意图，其与图1的区别主要是中心管2下端的管壁上设有通孔25，通孔25和中心管下端端部开口共同构成物料进口。通孔25可以为椭圆孔、纵向条缝或者圆孔。当通孔25为椭圆孔时，长轴取竖直方向，长轴长度一般为5～10毫米；通孔25为圆孔时直径一般为3～10毫米；通孔25为纵向条缝时，条缝宽度一般为3～6毫米。通孔25沿圆周方向分层排布，一般设置为2～8层，每一层含2～8个通孔25。

本发明结合木焦油沸腾床的工艺流程、气液混合和气液两相流的特性，提供了一种结构简单合理，安全可靠的木焦油三相沸腾床反应器的气液分布器，既可以保证气体在液体中破碎为连续的微气泡，均匀分布，又能有效地解决或缓解在气液压力不稳或气液进料突然中断时携带催化剂的物料的逆流堵塞问题，同时减小了分布器内部流动死区，压降较小。

Claims (18)

1.一种用于木焦油沸腾床反应器的气液分布器，其特征在于：主要由中心管、泡帽、止逆球、锥形球座和限位座组成；泡帽为一底部敞口的筒状物，罩于中心管的上端并与中心管固定连接，中心管上端端部的管壁上设有物料出口，限位座设于物料出口下方的中心管内，锥形球座设于限位座下方的中心管管壁上，锥形球座上设有止逆球，泡帽、中心管、限位座、止逆球与锥形球座同轴设置，泡帽与中心管之间形成一环形通道，中心管下端设有物料进口。

2.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的泡帽下端的筒壁上设有向下倾斜的泡帽斜管，泡帽斜管与泡帽内的环形通道相连通。

3.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的泡帽底部设有环板，环板与泡帽底部边缘相焊接并套于中心管上，环板为多孔环板或者楔形丝网环板。

4.根据权利要求2所述的气液分布器，其特征在于：所述的泡帽底部设有环板，环板与泡帽底部边缘相焊接并套于中心管上，环板为盲板或者多孔环板或者楔形丝网环板。

5.根据权利要求2所述的气液分布器，其特征在于：所述的泡帽斜管沿泡帽外筒壁圆周方向均匀分布，数量为4～8个，泡帽斜管内径为1～4毫米，倾斜角度为30～60度。

6.根据权利要求4所述的气液分布器，其特征在于：所述的泡帽斜管沿泡帽外筒壁圆周方向均匀分布，数量为4～8个，泡帽斜管内径为1～4毫米，倾斜角度为30～60度。

7.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的限位座由支撑柱和三条锥腿组成，限位座通过支撑柱的上端与泡帽顶部固定连接；三条锥腿以一端与支撑柱的下端相焊接，另一端呈伞状均匀分布，锥腿的倾斜角度为40～50度，三条锥腿形成一个锥形卡座，锥形卡座位于作为物料出口的纵向槽缝下方的中心管内。

8.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的物料出口为沿中心管轴向贯穿上端端部的纵向槽缝，两相邻纵向槽缝之间的中心管剩余部分形成槽齿，槽齿作为支撑筋插入泡帽顶部的泡帽顶孔中，与泡帽顶部固定连接在一起。

9.根据权利要求8所述的气液分布器，其特征在于：所述的作为物料出口的纵向槽缝为竖置长方形，其高度为15～50毫米，其宽度为5～20毫米。

10.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的锥形球座为截面为梯形的回转体，上部呈漏斗状，中间为球座孔，下部呈倒漏斗状，球座孔的直径为中心管内径的1/3～3/4，球座孔的长度为5～15毫米。

11.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的止逆球为一圆形球，设于锥形球座上部漏斗状上方，为空心球或实心球，止逆球的直径为锥形球座球座孔直径的1.1～1.5倍。

12.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的止逆球的材料为金属，材料的比重为1.5～10克/立方厘米。

13.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的中心管的下端开有与下端端部开口相贯通的纵向槽缝，纵向槽缝上方的中心管管壁上设有进气孔。

14.根据权利要求13所述的气液分布器，其特征在于：所述的纵向槽缝为2～8条，沿中心管圆周方向均布。

15.根据权利要求13所述的气液分布器，其特征在于：所述的进气孔为斜向上的圆孔，倾斜角度β为30～45度，倾斜方向为由中心管外壁向内壁倾斜。

16.根据权利要求15所述的气液分布器，其特征在于：所述的进气孔沿圆周方向分层排布，设置有1～4层，每一层为4～8个进气孔。

17.根据权利要求2～12所述的任一气液分布器，其特征在于：所述的中心管的下端开有与下端端部开口相贯通的纵向槽缝，纵向槽缝上方的中心管管壁上设有进气孔。

18.根据权利要求1～12所述的任一气液分布器，其特征在于：所述的中心管下端的管壁上设有通孔，通孔为椭圆孔、纵向条缝或者圆孔，通孔沿圆周方向分层排布，设置为2～8层，每一层含2～8个通孔，通孔和中心管下端端部开口共同构成物料进口。