CN105823594A - 管式固定床反应器床层压降测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管式固定床反应器床层压降测试装置，包含：N组代表管式固定床反应器床层的钢管、对床层供气的供气装置、与供气装置连接对进入床层内的气体进行预加热的加热器，且各组钢管分别具有进口取压口和出口取压口，且钢管内填充有填料，还包含：与各钢管连接用于测量各组钢管进出口压力值的测量装置，测量装置至少包含M个与各进口取压口连接的进口旁路阀门、与出口取压口连接的出口旁路阀门、与各进口旁路阀门连接的进口取压总管、与各出口旁路阀门连接的出口取压总管，其中进口取压总管和出口取压总管连接于一压差传感器。该装置结构紧凑，占地面积小，可以在管式固定床反应器的设计阶段获得的可靠的数据，并将测试用于设备的工业放大。

Description

管式固定床反应器床层压降测试装置

技术领域

本发明涉及化工、机械等领域，特别涉及一种管式固定床反应器床层压降测试装置。

背景技术

管式固定床反应器的床层压降是列管式固定床反应器设计的重要参数，该参数的获得可以通过设计时的模拟计算。模拟计算一般采用流体动力学(CFD)方法或经验关联式，建立数学模型对固定床反应器内部压力场进行数值计算，以获得流场内部各点的压力值，然后对计算结果进行图谱分析处理，得出最终结果和结论。影响固定床反应器的床层压降主要因素有介质流速v、物性粘度μ、介质密度ρ、床层空隙率ε和比表面积a，为便于模拟会假设床层孔隙率、介质流速、物性粘度、介质密度均为定值，且假定催化剂的比表面积也是固定的，但实际上影响压降最大的参数空隙率与实际装填的方案、方法等有很大关系，且与催化剂生产时的外形尺寸偏差、破碎、表面的光洁度等也有很大的关系，另外介质密度在不同床层位置时也是变化的，诸多原因会导致模拟计算数据存在较大的误差，造成设备工业化放大设计时偏离实际工况，满足不了使用要求。

另外一种通过测试获得管式固定床反应器压降的方法是直接在装置投入运行以后，在运行过程中，通过设置在管式固定床反应器前后端的压力传感器或差压计直接获得测量结果。但装置已经建成，测出的结果只能观测，若发现设计出现偏差，由于装置已经建成，相应改造装置的难度大或无法进行改造，且成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提一种管式固定床反应器床层压降测试装置，测出设备管式固定床反应器床层在不同工况、管的不同结构尺寸下的实际压降值，并配合软件模拟进行实验结果验证。得到与工业化装置的实际工况接近的结果。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种管式固定床反应器床层压降测试装置，所述测试装置包含：所述测试装置包含：N组代表管式固定床反应器床层的钢管、对床层供气的供气装置、与供气装置连接对进入床层内的气体进行预加热的加热器；

其中，所述N为自然数，且各组钢管分别具有进口取压口和出口取压口，且钢管内填充有填料；

所述管式固定床反应器床层压降测试装置还包含：与各钢管连接用于测量各组钢管进出口压差值的测量装置，且所述测量装置至少包含M个与进口取压口连接的进口旁路阀门、与出口取压口连接的出口旁路阀门、与所述各进口旁路阀门连接的进口取压总管、与出口旁路阀门连接的出口取压总管，其中所述进口取压总管和所述出口取压总管连接于一压差传感器；

且所述M等于所述N为自然数，在打开任意一根钢管的进口取压口所对应的进口旁路阀门和任意一根钢管的出口取压口所对应的出口旁路阀门，所述压差传感器测得被打开的进口旁路阀门与出口旁路阀门中间所对应的钢管管路内的总压降值。

本发明的实施方式相对于现有技术而言，采用定尺长度的无缝钢管来模拟代替设备床层，根据检测需要可设定钢管数量，钢管内装填与实际工况相同的填料，检测气体由充气装置进入加热器加热，达到设定的检测温度后进入各组钢管,并在穿过填料床层后排出系统，通过压差传感器测得钢管内的压降值，该装置通过使用特殊制造的压降测试装置,测出设备管式固定床反应器床层在不同工况、管的不同结构尺寸下的实际压降值，并配合软件模拟进行实验结果验证，减少了计算数据的误差，其结构紧凑，占地面积小，操作方便，可以在管式固定床反应器的设计阶段获得可靠的数据，避免造成设备工业化放大设计时偏离实际工况，并可将测试数据用于设备的工业放大设计。

进一步地，所述钢管为U型钢管，且所述钢管等间距地设置在一保温桶内，使钢管内的温度均匀，提高测试的准确性。

进一步地，所述保温桶内部设有控制桶内温度的加热装置与测温仪表，且所述加热装置为电加热棒，该电加热棒均匀地设置于所述钢管的周围，控制保温桶内的温度，以免温度变化影响实验数据的可靠性。

进一步地，所述测试装置包括一降温装置与一调压装置，所述降温装置与调压装置依次设置于系统排放总管上。保证尾气的低温安全排放，且控制系统的实验压力，以便得出精确的测试数据。

进一步地，所述降温装置为冷却器，所述调压装置为调压阀，调压更方便快捷。

进一步地，所述充气装置包括一气瓶组、一减压阀与一质量流量计，所述减压阀与质量流量计依次设置在气瓶组与钢管之间，控制气压的大小及便于检测实验流量保证流量的精确度。

进一步地，所述每根钢管内的填料为同批材料，为多孔介质颗粒，颗粒直径为1毫米～10毫米，形状为圆球形、椭圆形或圆柱形等，且填料量与装填高度相同，可更换不同的材料。

进一步地，所述每根钢管的管内填料装填的当量高度为2000毫米，使填料高度达到合适的数值，便于测试钢管内部的压降值。

进一步地，所述钢管的上部为可拆卸式结构，便于将管内的填料卸出，更换不同品种与外形尺寸的填料，可以做到模拟检测不同空隙率和堆密等性能的填料压降数据。

进一步地，所述钢管内设有用以压紧填料的丝网压圈，使填料紧实更容易测得准确的压差数据。

进一步地，所述钢管组外设有沙浴，所述加热装置设置于所述沙浴内，其温度范围为0℃～350℃，便于对钢管均匀地加热。

进一步地，所述钢管的长度为1米～4米，管径为2厘米～5厘米，壁厚为1毫米～5毫米，通过选择合适的钢管便于对压差数据做出更精确的测试。

附图说明

图1为本发明第一实施方式管式固定床反应器床层压降测试装置的整体流程示意图；

图2为本发明第一实施方式管式固定床反应器床层压降测试装置的钢管示意图；

图3为本发明第一实施方式管式固定床反应器床层压降测试装置的保温桶内部俯视图；

图4为本发明第一实施方式管式固定床反应器床层压降测试装置的测试过程中不同的流量单组压降数据；

图5为本发明第二实施方式管式固定床反应器床层压降测试装置的整体流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种管式固定床反应器床层压降测试装置，如图1与图2所示，测试装置包含：N组代表管式固定床反应器各床层的钢管1、对床层供气的供气装置2、与供气装置2连接对进入床层内的气体进行预加热的加热器3；

其中，N为自然数，且各组钢管分别具有进口取压口11和出口取压口12，且钢管1内填充有填料4；

管式固定床反应器床层压降测试装置还包含：与各钢管1连接用于测量各组钢管1进出口压力值的测量装置5，且测量装置5至少包含M个与进口取压口11连接的进口旁路阀门51、与出口取压口12连接的出口旁路阀门52、与各进口旁路阀门51连接的进口取压总管53、与出口二旁路阀门52连接的出口取压总管54，其中进口取压总管53和出口取压总管54连接于一压差传感器6；

且M等于N为自然数，所用的旁路阀门既可以是手工阀，也可以是电磁阀或气动阀，根据实际使用的需要而定，在打开任意一根钢管1的进口取压口11所对应的进口旁路阀门51和任意一根钢管1的出口取压口12所对应的出口旁路阀门52，压差传感器测得被打开的进口旁路阀门与出口旁路阀门中间所对应的钢管管路内的总压降值。

根据检测的需要设定钢管1的数量，在钢管1内装填与实际工况相同的填料4，检测气体由充气装置2经过加热器3加热，达到设定的检测温度后进入各根钢管1,穿过填料4床层后，打开需检测的钢管1管路所对应的进口旁路阀门51与出口旁路阀门52，用于检测不同取压点时的压降数据，通过压差传感器6测得相应钢管1内的压降差值，得出数据。

例如：打开1#和3#旁路阀门，压差传感器6感应到进口取压总管53与出口取压总管54的两端压降差值，可测得1#管的单组压降值，如果仅打开2#和4#阀门可测得2#管的单组压降值，同理仅打开1#和5#阀门可测得1#和2#两组管的总压降值，在实验过程中保温桶7内的温度T2应稳定在实验所需温度值；实验气体从1#管进口流入，从4#管出口流出到冷却器、调压阀后向外排出。本实施方式通过使用特殊制造的压降测试装置,测出设备管式固定床反应器床层在不同工况、管的不同结构尺寸下的实际压降值，并配合软件模拟进行实验结果验证，减少了计算数据的误差，其结构紧凑，占地面积小，操作方便，可以在管式固定床反应器的设计阶段获得的可靠的数据，避免造成设备工业化放大设计时偏离实际工况，并可将测试数据用于设备的工业放大设计。

具体的说，将钢管1加工为U型钢管，根据压力测试范围和实际需要，可以为金属材质，可以为其他材质，且钢管1等距环设在一保温桶7内，使钢管1内的温度均匀，保持两端的压降值稳定，且每根钢管1的管内填料4装填的当量高度为2000毫米，使填料4高度达到合适的数值，便于测试钢管1内部的压降值，钢管1内部的流体介质为气体，入口压力范围从0.1MPa～15MPa；空速范围500h-1～20000h-1；当然本实施方式可以根据需要模拟检测不同长度的钢管1规格尺寸，如设备大型化以后的床层高度是8000mm、100000mm或120000mm甚至更长，都可以增加钢管1组数方便的实现。

并且，如图3所示，保温桶内7部设有控制桶内温度的加热装置8与测温仪表9，且加热装置8为电加热棒，该电加热棒均匀地设置于钢管1的四周，控制保温桶7内的温度，以免温度变化影响实验数据的可靠性，钢管1组外设有沙浴，电加热棒设置于沙浴内，其温度范围为0℃～350℃，实验气体在流经钢管1的过程中防止其散热冷却降低温度从而影响测试准确性。

另外，充气装置2包括一气瓶组21、一减压阀22与一质量流量计23，减压阀22与质量流量计23依次设置在气瓶组21与钢管1之间，且减压阀22设于靠近气瓶组21的一端，控制气压的大小及便于检测实验流量保证流量的精确度，其中，该气瓶组21为并联供气，气瓶需要量根据实验流量大小和实验时间来确定，可选择如空气、氮气、氧气或其它混合气体作为实验气体。

更要说明的是，每根钢管1内的填料4为同批材料，为多孔介质颗粒，既可以是催化剂颗粒、也可以为其他惰性多孔材料，当量直径从1毫米～10毫米，形状为圆球形、椭圆形或圆柱形等，且填料4量与装填高度相同，可更换不同的材料。

值得一提的是，钢管1的上部为可拆卸式结构，便于将管内的填料4卸出，更换不同品种与外形尺寸的填料4，可以做到模拟检测不同空隙率和堆密等性能的填料4压降数据，并且，在钢管1内设有用以压紧填料4的丝网压圈13，使填料4紧实更容易测得准确的压差数据。

此外，在本实施方式中，钢管1的长度为1～4米，管径为2厘米～5厘米，壁厚为1毫米～5毫米，通过选择合适的钢管1便于对压差数据做出更精确的测试。

本实施方式相对于现有技术来说，根据实验的需要选择钢管1的数量与填料4，并配置质量流量计23保证实验流量，选择合适的气源并将减压阀22调节的所需压力，确定实验气体流量，通入气体后调节到所需流量，设定实验气体温度，用T1测温点来实时控制加热器3的加热功率，稳定实验气体温度，气体流入钢管1内，温度T1、压强P1和流量稳定后，可打开进口旁路阀门与出口旁路阀门中的各一个，来测得钢管的压降值，例如打开1#和3#旁路阀门，压差传感器6感应到进口取压总管53与出口取压总管54的两端压降差值，可测得1#管的单组压降值，同理仅打开2#和4#阀门可测得2#管的单组压降值，仅打开1#和5#阀门可测得1#和2#两组管的总压降值，同理单独打开1#和8#阀门可测得4组管的总压降值在实验过程中保温桶7内的温度T2应稳定在实验所需温度值；实验气体从1#管进口流入，从4#管出口流出到排气总管后向外排出，将测得的压降值记录下得出结论。

如表1所示，通过具体的实施案例，采用氮气为检测气体，实验温度250℃，检测压力50barA，在120～240L/min流量下检测得到的各组钢管压降数据：

表1

如图4所示，为不同的流量单组压降数据：

通过数据的分析与归纳得出，催化剂床层的空隙率ε与压降值是立方关系，影响最大，其次是流速、气体密度、床层高度和气体粘度等：

计算气体流动的压头损失可利用欧根公式：

式中：

△P：气体通过床层填料的压降，Pa；

H：床层填料高度，m；

ε：床层填料空隙率，无因次；

Φ：料块形状、球形度，无因次；

u:空速，m/s；

μ：流体粘度，Pa.s

ρ:气体密度，kg/m³；

d_m：颗粒平均直径，m；

通过本方法和装置实际检测得到的压降数据，可以看出其它条件不变的情况下，随着气体流量的加大、流速的增加，反应管压降是逐步增加的，这和公式是吻合的，可以相互验证。

本实施方式通过使用特殊制造的压降测试装置,测出管式固定床反应器床层在不同工况、管的不同结构尺寸下的实际压降值，并配合软件模拟进行实验结果验证，减少了计算数据的误差，其结构紧凑，占地面积小，操作方便，可以在管式固定床反应器的设计阶段获得的可靠的数据，避免造成设备工业化放大设计时偏离实际工况，并可将测试可用于设备的工业放大。

本发明的第二实施方式同样涉及一种管式固定床反应器床层压降测试装置，第二实施方式是在第一实施方式的基础上作了进一步改进，其主要改进在于：如图5所示，测试装置包括一降温装置10与一调压装置20，降温装置10与调压装置20依次设置于压降测试装置的排气总管上，保证尾气的低温排放，且控制系统的实验压力，以便得出精确的测试数据，其中，降温装置10为冷却器，调压装置20为调压阀，调压更方便快捷，当然除了选择冷却器与调压阀作为降温装置10与调压装置20外，还可以选择其他的器件，可根据不同的实验需要来灵活多变的选择。

由此可知，通过第二实施方案的方式，还可以提高操作的安全性，避免了高温气体排放可能造成的人体烫伤等现象，具有较高的实际应用价值。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于，所述测试装置包含：N组代表管式固定床反应器床层的钢管、对床层供气的供气装置、与供气装置连接对进入床层内的气体进行预加热的加热器；

其中，所述N为自然数，且各组钢管分别具有进口取压口和出口取压口，且钢管内填充有填料；

所述管式固定床反应器床层压降测试装置还包含：与各钢管连接用于测量各组钢管进出口压力值的测量装置，且所述测量装置至少包含M个与进口取压口连接的进口旁路阀门、与出口取压口连接的出口旁路阀门、与所述各进口旁路阀门连接的进口取压总管、与出口旁路阀门连接的出口取压总管，其中所述进口取压总管和所述出口取压总管连接于一压差传感器；

且所述M等于所述N为自然数，在打开任意一根钢管的进口取压口所对应的进口旁路阀门和任意一根钢管的出口取压口所对应的出口旁路阀门，所述压差传感器测得被打开的进口旁路阀门与出口旁路阀门中间所对应的钢管管路内的总压降值。

2.如权利要求1所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述钢管为U型钢管，且所述钢管等间距地设置在一保温桶内。

3.如权利要求2所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述保温桶内部设有控制桶内温度的加热装置与测温仪表，且所述加热装置为电加热棒，该电加热棒均匀地设置于所述钢管的周围。

4.如权利要求1所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述测试装置包括一降温装置与一调压装置，所述降温装置为冷却器，所述调压装置为调压阀，依次设置于压降测试装置的排气总管上。

5.如权利要求1所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述充气装置包括一气瓶组、一减压阀与一质量流量计，所述减压阀与质量流量计依次设置在气瓶组与钢管之间。

6.如权利要求1所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述每根钢管内的填料的材质一致，为多孔介质颗粒，且所述颗粒的直径为1毫米～10毫米。

7.如权利要求7所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述颗粒的形状为圆球形、椭圆形、或圆柱形等，且填料量与装填高度相同。

8.如权利要求8所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述每根钢管的管内填料装填的当量高度为2000毫米。

9.如权利要求1所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述钢管组外设有沙浴，所述加热装置设置于所述沙浴内，其温度范围为0℃～350℃。

10.如权利要求1至12中任意项所述的管式固定床反应器床层压降测试装置，其特征在于：所述钢管的上部为可拆卸式结构，长度为1米～4米，公称管径为1.5厘米～5厘米，壁厚为1毫米～5毫米。