CN104927901A - 一种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，限位座设于泡帽顶部并位于中心管内，限位座下方中心管的管壁上设有物料出口，物料出口下方的中心管管壁上设有锥形球座，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

一种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)上升管项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，限位座设于泡帽顶部并位于中心管内，限位座下方中心管的管壁上设有物料出口，物料出口下方的中心管管壁上设有锥形球座，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)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空间。

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为多孔环板的结构示意图；

图3为泡帽仰视示意图；

图4为限位座结构的主视示意图；

图5为限位座的一个剖面示意图。

图中：1-泡帽，2-中心管，21-纵向槽缝，22-条形孔，23-槽齿，3-止逆球，4-锥形球座，41-球座孔，5-环形通道，6-孔板，7-限位座，71-支撑板，72-倾斜圆腿，8-环板，81-筛孔，9-泡帽斜管，10-分布板。

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。

参见图1、图2，本发明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的上端并与中心管固定连接，限位座7设于泡帽1顶部并位于中心管2内，限位座7下方中心管的管壁上设有条形孔22作为物料出口，条形孔22下方的中心管管壁上设有锥形球座4，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3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a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底部设有多孔环板8，环板8与泡帽底部边缘相焊接并套于中心管上。环板8为多孔环板，如图2所示，多孔环板中筛孔81的直径一般为1.5～3毫米，可以沿多个同心圆均匀布置。环板8还可以为盲板或楔形丝网环板。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4和图5所示，所述的限位座7由支撑板71和三条倾斜圆腿72组成，三条倾斜圆腿以一端与支撑板71中心相焊接，另一端呈伞状均匀分布，倾斜圆腿的倾斜角度β一般为40～60度，限位座7的三条倾斜圆腿可以使止逆球3在工作时在此停留，不上下跳动，保证进料平稳，同时限位座的四周空隙可以有效缓解自下向上的流体在此产生的过大扰流，进一步促使止逆球运行稳定。

所述的作为物料出口的条形孔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)。条形孔22的高度h一般为15～50毫米，其宽度一般为5～20毫米。条形孔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。

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的下端开有与端部开口相贯通的纵向槽缝21，纵向槽缝21之间形成槽齿23，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；纵向槽缝宽度为2～5毫米，长度一般为20～60毫米。中心管下端端部开口和纵向槽缝共同构成中心管的物料进口，液体进料主要通过中心管2下端端部开口进入中心管，气体进料主要通过纵向槽缝21向上进入中心管。

在中心管2的中下部、物料进口上方(即纵向槽缝21上方)的中心管内壁上设有孔板6，孔板6的中心孔直径为中心管2内径的1/3～3/4，孔板6的厚度一般为3～6毫米。孔板6主要作用是利用文丘里效应，强化气液混合效果，使气液进一步混合均匀，避免进料过程中出现气液两相流的断塞流和脉动流效应，保证进料平稳。

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。

下面结合附图说明本发明气液分布器的工作原理。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下端进入中心管2的内腔并向上流动，气体进料通过纵向槽缝21上端进入，气液进料在孔板6处经过压缩混合以后，混合均匀，继续向上流动，流经球座孔41进入锥形球座4上方。在气液物流作用下，止逆球3浮起。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物料出口的条形孔22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，经筛孔81(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，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下端进入中心管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。

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，限位座设于泡帽项部并位于中心管内，限位座下方中心管的管壁上设有物料出口，物料出口下方的中心管管壁上设有锥形球座，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板和三条倾斜圆腿组成，三条倾斜圆腿以一端与支撑板中心相焊接，另一端呈伞状均匀分布，倾斜圆腿的倾斜角度为40～60度。

8.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的物料出口为条形孔，条形孔的高度为15～50毫米，宽度为5～20毫米，条形孔设置2～8个，沿中心管圆周方向均匀分布。

9.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。

10.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。

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

12.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的物料进口由中心管下端端部开口和与端部开口相贯通的纵向槽缝共同构成。

13.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的中心管的中下部、物料进口上方的中心管内壁上设有孔板，孔板的中心孔直径为中心管内径的1/3～3/4，孔板6的厚度为3～6毫米。

14.根据权利要求12所述的气液分布器，其特征在于：所述的纵向槽缝之间形成槽齿，纵向槽缝为2～8条，沿中心管圆周方向均布，纵向槽缝宽度为2～5毫米，长度为20～60毫米。

15.根据权利要求2～6所述的任一气液分布器，其特征在于：所述的物料进口由中心管下端端部开口和与端部开口相贯通的纵向槽缝共同构成。

16.根据权利要求15所述的气液分布器，其特征在于：所述的中心管的中下部、物料进口上方的中心管内壁上设有孔板。

17.根据权利要求16所述的气液分布器，其特征在于：所述的限位座由支撑板和三条倾斜圆腿组成，三条倾斜圆腿以一端与支撑板中心相焊接，另一端呈伞状均匀分布。

18.根据权利要求17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。