CN105080438B - 一种用于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沸腾床反应器的气液分布器主要由中心管、泡帽、浮阀和阀座组成；中心管上段端部的管壁上开有物料出口，中心管下段开有物料进口，泡帽为一端敞口的桶状物，罩在中心管上段端部，泡帽桶底与桶壁连接处为倒圆角过渡，泡帽敞口端桶壁上均匀开有沿泡帽轴向贯穿端部的条缝，泡帽桶底内壁均匀设有圆锥台；浮阀由阀顶板和稳流腿组成，浮阀盖于阀座上方并可沿中心管轴向上下移动；中心管中段靠近阀座的中心管内设有一文丘里喉管。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

一种用于沸腾床反应器的气液分布器

技术领域

本发明涉及反应器的内构件，尤其涉及一种用于沸腾床反应器的气液分布器。

背景技术

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。

目前国内外公开专利中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。

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，阀芯下部设有阀座。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。这种气液分布器在使用过程中主要存在如下问题：(1)采用所述的气液混合结构虽然能起到一定的气液混合作用，但是气液容易出现断塞流和脉动流。并且，阀芯内腔的顶端是封闭的，进入到浮起的止逆球上方、阀芯内腔顶部死区的气液会形成回旋流(气液向下回旋流动)。因此，止逆球会在气液物流中上下跳动，造成止逆球和阀芯的碰撞损伤。(2)上升管顶部和泡帽环形空间都存在物流的死区，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)气体仅通过上升管条缝上端进入上升管，此处气液抽吸混合，极易造成脉动阻塞，流动阻力较大，上升管内部孔板混合器在一定程度上能强化气液混合的效果，但是阻力相对较大。

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。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，分配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。

发明内容

为了解决现有技术存在的易出现断塞流和脉动流、止逆球扰动较大及分配盘开孔磨损的技术问题，本发明提供了一种用于沸腾床反应器的气液分布器，该气液分布器能强化气液混合，实现气液连续均态进料，分布器内部不存在流动死区，旋流和压降相对较小。

本发明提供的一种用于沸腾床反应器的气液分布器主要由中心管、泡帽、浮阀和阀座组成；中心管上段端部的管壁上开有物料出口，中心管下段开有物料进口，泡帽为一端敞口的桶状物，罩在中心管上段端部，泡帽桶底与桶壁连接处为倒圆角过渡，泡帽敞口端桶壁上均匀开有沿泡帽轴向贯穿端部的条缝，泡帽桶底内壁均匀设有圆锥台，泡帽的桶底与中心管上段端部固定连接；阀座为中心带阀座孔的圆盘形结构，阀座设于中心管内物料出口的下方；浮阀由阀顶板和稳流腿组成，阀顶板是圆形板状结构，直径小于中心管内径大于阀座孔的孔径，浮阀盖于阀座上方并可沿中心管轴向上下移动；中心管中段靠近阀座的中心管内设有一文丘里喉管。

正常工作时，气液物料从中心管下段的物料进口进入中心管内腔并向上流动，在中心管中段文丘里喉管处经过进一步抽吸混合以后继续向上流动，流经阀座孔时，在物料冲击作用下，浮阀浮起，物料进入阀座上方中心管内腔中并从物料出口进入泡帽内壁与中心管外壁形成的环形通道内，从环形通道下端向上折流进入沸腾床。

浮阀处于浮起位置时，若从中心管下段物料进口进入中心管内腔的进料中断，沸腾床中的浆液会从环形通道的下端逆流进入环形通道内。浮阀在重力的作用下迅速落回到阀座上，浮阀的下表面与阀座上表面接触形成面密封，防止或缓解浆液经阀座孔继续向下逆流。从中心管下段的物料进口进入中心管内腔的气体进料流量较大时，浮阀的浮起位置较高，反之浮阀浮起的位置较低。

采用本发明，具有如下的有益效果：

(1)浮阀的阀顶板为圆形板状结构，阀座为圆盘状结构，二者可以实现面密封，很好的防止逆流的发生；

(2)浮阀带有稳流腿，稳流腿在阀顶板正下方，降低浮阀整体重心，使浮阀工作更稳定，阀顶板和稳流腿结构组合可以避免浮阀工作时被卡住；

(3)泡帽桶底内壁均匀设置有圆锥台，由于渣油中胶质和杂质含量较高，容易发生结焦，圆锥台可以防止浮阀和泡帽桶底长时间平面接触后导致的粘接现象，影响止逆效果；

(4)中心管内增加文丘里喉管，通过文丘里效应，强化气液进料混合，同时对气体起到抽吸作用；

(5)泡帽桶底与桶壁连接处为倒圆角过渡，泡帽敞口端桶壁上均匀开有沿泡帽轴向贯穿端部的条缝，泡帽采用上述结构，一则安装方便，二则取消了中心管和泡帽上部流动死区，减小涡流的产生，流动顺畅，压降较小，再则若气液进料中断时，逆流物料经泡帽倒角折流后推动浮阀迅速落回密封位置，使浮阀下表面与阀座上表面接触实现密封。泡帽敞口端的条缝可以加剧气液混合物的混合，有利于气体形成小气泡或微气泡，使气液混合更加均匀。

作为进一步改进的方案，所述的中心管上段端部的物料出口为沿中心管轴向贯穿上段端部的槽缝，槽缝的底部为环状平面，两相邻槽缝之间的中心管剩余部分形成槽齿，槽齿作为支撑筋与泡帽底部固定连接；阀座设于中心管内槽齿的根部，阀座的上表面与槽缝底部的环状平面重合。物料出口设为槽缝，有利于物料顺利排出，流动顺畅，压降较小。

作为更一步的改进方案，中心管的下段端部开有沿中心管轴向贯穿下段端部的条形孔，在条形孔上方的中心管内壁上设有孔板，孔板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。

作为再一步的改进方案，在孔板与文丘里喉管之间的中心管管壁上开有圆孔，条形孔、圆孔及下段端部中心管的管口均为物料进口。

附图说明

图1为本发明的一种用于沸腾床反应器的气液分布器的结构示意图；

图2为泡帽桶底的结构示意图；

图3为浮阀的结构示意图；

图4为图3的A向视图。

图中，1-泡帽，11-泡帽孔，12-条缝，13-圆锥台，2-中心管，21-槽齿，22-槽缝，23-圆孔，24-条形孔，25-文丘里喉管，3-浮阀，31-稳流腿，32-阀顶板，4-阀座，41-阀座孔，5-环形通道，6-分布板，7-孔板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种用于沸腾床反应器的气液分布器主要由中心管2、泡帽1、浮阀3和阀座4组成；

中心管2上段端部的管壁上开有物料出口，中心管下段开有物料进口，泡帽1为一端敞口的桶状物，罩在中心管2上段端部，泡帽桶底与桶壁连接处为倒圆角过渡，泡帽敞口端桶壁上均匀开有沿泡帽轴向贯穿端部的条缝12，泡帽桶底内壁设有四个均匀分布的圆锥台13(如图2所示)，圆锥台13底面直径一般为5～10毫米，高度一般为5～10毫米。圆锥台13的数量可在3～6个之间变化，其形状为圆锥形。泡帽1的桶底与中心管2上段端部固定连接；阀座4为带中心阀座孔41的圆盘形结构，阀座设于中心管内物料出口的下方；浮阀3由阀顶板32和稳流腿31组成(如图3和图4所示)，阀顶板是圆形板状结构，直径小于中心管内径大于阀座孔41的孔径，稳流腿31顶端固定于阀顶板32的下表面正中心，稳流腿31插入阀座孔41内，浮阀3盖于阀座4上方并可沿中心管轴向上下移动；中心管中段靠近阀座的中心管内设有一文丘里喉管25。

泡帽1的内桶壁与中心管2的外壁之间形成环形通道5，泡帽1的桶底开有泡帽孔11(如图2所示)；中心管2穿过分布板6上的安装孔通过中心管中段固定于分布板6上，中心管2上段端部的物料出口为沿中心管轴向贯穿上段端部的槽缝22，槽缝22的底部为环状平面，两相邻槽缝22之间的中心管剩余部分形成槽齿21，槽齿21作为支撑筋插入泡帽1桶底的泡帽孔11中，与泡帽桶底固定连接在一起；阀座4为中心带阀座孔41的圆环形结构，设于中心管内槽齿21的根部，阀座4的上表面与槽缝22底部的环状平面重合。

如图1所示，中心管2的下段端部开有沿中心管轴向贯穿下段端部的条形孔24，在条形孔24上方的中心管内壁上设有孔板7，孔板7是一个中心开有一圆孔的环板，孔板7的内径是文丘里喉管25直径d的1.4～1.8倍，孔板7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。

在孔板7与文丘里喉管25之间的中心管管壁上开有圆孔23，条形孔24、圆孔23及中心管下段端部中心管的管口均为物料进口。

中心管2上段端部的槽缝22一般为竖直长方形(所述形状是指槽缝22在与槽缝22正对着的垂直平面上投影的形状)，宽度a一般为5～20毫米，高度一般为15～50毫米，槽缝22通常设置2～8个，最好是设置6个，沿中心管圆周均匀分布。

浮阀3的最大行程受中心管2顶端开槽高度h1和圆锥台13高度的影响，使浮阀3处于最高浮起位置时阀顶板32位于圆锥台13锥尖位置。阀顶板32的直径一般比中心管2内径小1～5毫米，阀座孔41内径一般比中心管2内径小10～40毫米；这样，当浮阀3处于密封位置时，阀顶板32的下表面与阀座4的上表面接触，可以形成面密封。阀顶板32的厚度一般为1～5毫米，浮阀3一般设置1条圆柱形稳流腿31，稳流腿31的直径一般为4～10毫米，长度一般比中心管2顶端开槽高度h1长5～10毫米。

US4874583所述的止逆球为球面，通过阀座上的阀座孔向上流动的气体流速较高时才能使止逆球浮起，因此阀座孔的直径较小，降低了气体的流通面积。本发明的阀顶板32为平面，通过阀座4上的阀座孔41向上流动的气体流速较低时就能使浮阀3浮起，因此阀座孔41的直径可以较大，使气体的流通面积较大。

所述泡帽1敞口端的条缝12一般为6～30个，沿泡帽筒体圆周均匀布置，条缝12的宽度一般均为1～5毫米，优选1～2毫米。

中心管2中段设置的文丘里喉管25的直径d一般为中心管内径的1/3～2/3，文丘里喉管25的长度(图中用字母1表示)一般为中心管内径的1/2～2/3。文丘里喉管25的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。另一方面气液在喉管处加速，有助于圆孔23处的气体进料。

中心管下段的圆孔23为斜向上的孔，倾斜角度e一般为30～45度，倾斜方向为由中心管外壁向内壁倾斜。圆孔23沿圆周方向分层排布，一般设置为1～4层，每一层为4～8个圆孔，圆孔23直径一般为2～4毫米。圆孔23主要用于分布板6下方聚集的气体的进料口。

中心管下段的条形孔24一般为2～8条，沿中心管圆周方向均布，优选4～6条，条形孔宽度为2～5毫米，长度一般为30～60毫米。条形孔24主要用于气体的进料。

本发明的气液气体分布器各部件的材料一般为金属，例如不锈钢。

多个本发明的气液分布器可以采用各种常用的方法，如按正三角形或正方形网格排列方式固定于分布板6上。图1所示，是将中心管2的中段插入到分布板6上的安装孔内；中心管2的中段焊接于分布板6上，或者通过卡环固定在分布板上。

当然，本发明还可以有其他选择：如作为物料出口的槽缝22也可以为其他形状，如圆孔、方孔、三角孔等；泡帽2除了可以为桶状物外，也可以采用其他形状，如整体为圆锥形或盲端为圆锥形的筒状物，不过，此时，浮阀3的最大行程除了受中心管2上段端部槽缝22的高度的影响外，还会受到浮阀结构的影响。

下面结合图1说明本发明的气液分布器的工作原理。正常工作时，液体进料从中心管2下段端部中心管管口进入中心管2的内腔并向上流动；气体进料一部分通过条形孔24，一部分通过圆孔23进入中心管，气体从圆孔和条形孔同时进入，可以保证气液进料稳定，避免进料过程中段塞流和脉动流，阻力较小；液体进料和气体进料经孔板7和文丘里喉管25的抽吸混合后，混合均匀，继续向上流动，流经阀座孔41时，在气流作用下，浮阀3的阀顶板32浮起，气液进料进入阀座4上方中心管2内腔中，气液进料从阀顶板32下方的物料出口槽缝22进入环形通道5。

气液混合物流经过泡帽1的倒角折流，直接流向环形通道5的下端，经泡帽1敞口端的条缝12破碎、形成小气泡或微气泡后向上折流进入沸腾床。上述的流动，可以防止沸腾床中的固体催化剂颗粒在分布板6的上表面沉积、形成高温死区，保证沸腾床反应器安全运行。图1中，以未注标记的箭头示出了进料的流动方向。

浮阀3处于浮起位置时，若从中心管2下段端部进入中心管2内腔的进料中断，沸腾床中的浆液会从环形通道5的下端逆流进入环形通道5内。浮阀3在重力的作用下可以迅速落回密封位置(阀顶板32和阀座4接触)，实现面密封，防止或缓解浆液经阀座孔41继续向下逆流。

从中心管2下段的条形孔24和和圆孔23进入中心管2内腔的气体进料流量较大时，浮阀3的浮起位置较高，反之浮阀3浮起的位置较低。

阀顶板32下表面与阀座4上表面之间的密封为圆环面密封。浮阀3处于密封位置时，阀顶板32的上表面一般位于槽缝22底端。

本发明结合沸腾床的工艺流程、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，压降较小的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，同时消除了分布器内部流动死区，压降较小。

Claims (8)

1.一种用于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、浮阀和阀座组成；中心管上段端部的管壁上开有物料出口，中心管下段开有物料进口，泡帽为一端敞口的桶状物，罩在中心管上段端部，泡帽桶底与桶壁连接处为倒圆角过渡，泡帽敞口端桶壁上均匀开有沿泡帽轴向贯穿端部的条缝，泡帽桶底内壁均匀设有圆锥台，泡帽的桶底与中心管上段端部固定连接；阀座为中心带阀座孔的圆盘形结构，阀座设于中心管内物料出口的下方；浮阀由阀顶板和稳流腿组成，阀顶板是圆形板状结构，直径小于中心管内径大于阀座孔的孔径，浮阀盖于阀座上方并可沿中心管轴向上下移动；中心管中段靠近阀座的中心管内设有一文丘里喉管；所述的中心管上段端部的物料出口为沿中心管轴向贯穿上段端部的槽缝，槽缝的底部为环状平面，两相邻槽缝之间的中心管剩余部分形成槽齿，槽齿作为支撑筋与泡帽底部固定连接；阀座设于中心管内槽齿的根部，阀座的上表面与槽缝底部的环状平面重合。

2.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的中心管的下段端部开有沿中心管轴向贯穿下段端部的条形孔。

3.根据权利要求2所述的气液分布器，其特征在于：所述的条形孔上方的中心管内壁上设有孔板。

4.根据权利要求3所述的气液分布器，其特征在于：在所述的孔板与文丘里喉管之间的中心管管壁上开有圆孔。

5.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于：所述的阀顶板的直径比中心管内径小1～5毫米，阀座孔孔径比中心管内径小10～40毫米，稳流腿的直径为4～10毫米，长度比中心管上端端部的槽缝高度长5～10毫米。

6.根据权利要求1～5任一项所述的气液分布器，其特征在于：所述的文丘里喉管的直径为中心管内径的1/3～2/3，文丘里喉管的长度为中心管内径的1/2～2/3。

7.根据权利要求4所述的气液分布器，其特征在于：所述的圆孔为斜向上的孔，倾斜角度为30～45度，倾斜方向为由中心管外壁向内壁倾斜。

8.根据权利要求1～5任一项所述的气液分布器，其特征在于：所述的圆锥台形状为圆锥形，数量为3～6个，底面直径为5～10毫米，高度为5～10毫米。