CN109692628A - 一种气液分布器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气液分布器，包括气体分布管、液体分布管、气体进料管和液体进料管，气体分布管与气体进料管、液体分布管与液体进料管分别交叉连通，液体分布管设于气体分布管下方；气体分布管上设有气体上喷嘴，液体分布管上设有液体上喷嘴，液体上喷嘴穿过气体分布管进入气体上喷嘴中。上述气液分布器中的气体物料和液体物料通过气液同轴喷嘴喷射进入反应器，可利用液体动能打碎气泡，强化气液传质。此外，上述气液分布器采用上下两层联结结构的气、液环形分布器，既实现了气体的均匀分布，也实现了液体的均匀分布，适用于气‑液或气‑液‑固接触的反应设备。

Description

一种气液分布器
技术领域
本发明涉及化工设备技术领域，具体涉及一种气液分布器。
背景技术
鼓泡塔(浆态床)是一种常见的气-液或气-液-固接触的反应设备，具有结构简单、传质传热快、混合均匀、无移动内构件及操作维护费用低等特点，在化工、环境、生化、能源等领域应用广泛，例如液相费托合成、液相甲醇合成、二甲醚合成以及对苯二甲酸合成等。
气体分布器是鼓泡塔最重要的内构件，直接影响气泡的初始大小与气含率分布，进而影响气液传质以及后续的化学反应。气体分布器按结构主要分为烧结板分布器、多孔板分布器和管式分布器。
烧结板分布器孔径小，产生的气泡尺寸小。公开号为CN204710289U的专利说明书公开了一种烧结板气体分布器，采用微泡发生器能产生直径0.5～50mm的小气泡，增加气液两相的接触面积，降低气泡产生的扰动作用。公开号为CN104512928A的专利说明书公开了一种烧结板气体分布器，其孔径为15～2000μm，可以产生较小的气泡。但是，由于孔径小，烧结板分布器阻力大，且易于堵塞，不适用于高气速条件。
多孔板分布器一般气孔直径1～5mm，开孔率0.5％～5％，结构简单，但气室占用体积大，易漏液且不适用于易结晶体系。
管式分布器的优点是分布器可以浸没在床中，不支承床层重量，机械强度较高，因此工业上应用最为广泛。
公开号为CN108479640A的专利说明书公开了一种管式气体分布器，包括环形气体分布管、气孔、连接腔、导流叶片、进气管和进气支路。所述进气管通过分出的至少两个进气支路与气体分布管连接，借此实现气体分布管的固定以及进气，同时，靠近气体分布管与进气支路连接口处的气孔的孔径小，远离所述气体分布管与进气支路连接口处的气孔的孔径大。
公开号为CN207463190U的专利说明书公开了一种管式气体分布器，包括进气管、多根气体分布支管、多组气体分布环管和气体喷管。气体分布支管和气体分布环管上均设置有多个排气孔，排气孔上连接有开口向下的气体喷管。
公开号为CN108905904A的专利说明书公开了一种用于费托合成反应器的气体分布器，分为两层，上层为管式分布器，下层为板式分布器。管式分布器为环形，环管上设置有与垂直方向呈0～60°的夹角的喷嘴，喷嘴方向向下。
公开号为CN1929908A的专利说明书公开了一种管式气体分布器，分布器的出口朝向底部或者平行于底部，且与底部距离小于10cm，以便将气体喷射扫过底部以减小催化器在底部的沉降。
公告号为US07829037B2、US08153840B2的专利说明书涉及了一种管式气体分布器，分布管为与鼓泡塔同心的环形，分布管下表面开有孔，进料气体由与分布管相连的进气管进入分布管，通过分布管下表面的小孔喷射进入反应器。该分布器喷孔孔径较大而且方向向下，可以避免运行时出现漏液、堵塞等不良现象。
公告号为CN1233454C的专利说明书公开了一种气体分布器，由一个与反应器直径相同的假板、多根气体上升管、一个气体分布管组合多个开口垂直朝下的喷嘴组成，结构较为复杂。
公开号为CN101396647A的专利说明书涉及了一种管式气体分布器，分布器由与鼓泡塔同心的多组环管组成。该气体分布器是在每个环形结构上带有向侧下方开设的气体喷射孔的管件，气体喷射孔径在1.0～8.0mm范围，气体以20～100m/s的气速通过喷射孔冲刷反应器底部封头内表面；同时在每个环形元件之间设置有与封头内表面连接、平行于反应器轴向的环形导流挡板以引导上升气流垂直向上流动。
对于有液相连续进料的鼓泡塔，需要考虑是否设置液体分布器。工业上液体物料大多是经由进料管道不加分布器直接送入鼓泡塔，如公告号为US7829037B2、US8153840B2的专利说明书以及公开号为CN1528732A的专利说明书所涉及的鼓泡塔中液体物料是经由一根或多根管道直接进入鼓泡塔，这样会导致液体进料口处反应物浓度高，混合不均匀。
公开号为US3785779A的专利说明书公开了一种气液分布器，该分布器主体为多环管型，进料为气液混合物，物料经由朝下开口的孔喷射进入反应器内。
公开号为US4753721A的专利说明书涉及了一种气液分布器，该分布器主体为单环管，气、液物料在进入分布器前进行混合，经由分布器朝上开孔的孔喷射进入反应器内。
气体分布器的设计需要满足以下的条件：气体均匀分布；无堵塞、漏液现象；促进气液传质。液体分布器的设计则主要考虑满足液体的均匀分布。
现有分布器发明大部分是气体分布器，没有考虑液体的分布，少数气液分布器是将气液预先混合再通过分布器进行分布，尚未见到气液同轴喷射进入反应器的气液分布器。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种气液分布器，适用于气-液或气-液-固接触的反应设备，可实现气液同轴喷射，进而使气液均匀分布，防止堵塞和漏液，促进气液传质。
本发明的主要思路包括：气、液物料通过气液同轴喷嘴喷射进入鼓泡塔，利用液体动能打碎气泡，强化气液传质；为实现气液同轴喷嘴，设计液体分布管位于气体分布管下方，液体喷嘴贯穿上方的气体分布管，与气体喷嘴组合形成气液同轴喷嘴；将气、液分布管设计成与鼓泡塔同心的若干根环形管，一方面在环管上等间距开设喷嘴从而实现大量气液同轴喷嘴，另一方面达到气液均匀分布。
一种气液分布器，包括气体分布管、液体分布管、气体进料管和液体进料管，所述的气体分布管与气体进料管交叉连通，液体分布管与液体进料管交叉连通，液体分布管设于气体分布管下方；所述的气体分布管上设有气体上喷嘴，液体分布管上设有液体上喷嘴，液体上喷嘴穿过气体分布管进入气体上喷嘴中。
所述的气液分布器可安装在鼓泡塔等气-液或气-液-固接触的反应设备的直筒段的下端位置。
气体通过与气体分布管连通的气体进料管进料，液体通过与液体分布管连通的液体进料管进料。优选地，所述的气体进料管和液体进料管均沿中心对称分布若干根。所述的气体进料管和液体进料管具有固定气体分布管和液体分布管的功能。
优选地，所述的气体进料管中的气体流速为10～50m/s，液体进料管中的液体流速为5～20m/s。
优选地，所述的气体进料管的管径为气体分布管的管径的2～4倍，气体分布管的管径为气体上喷嘴的口径的2～4倍；所述的液体进料管的管径为液体分布管的管径的2～4倍，液体分布管的管径为液体上喷嘴的口径的2～4倍。
由于气体进料管、液体进料管的管径都要大于气体分布管、液体分布管的管径，所以可以将液体进料管设于相邻两根气体进料管的中间位置的下方，而不是气体进料管的正下方，如此设计可以使气体分布管与液体分布管之间的间距更小。
优选地，所述的气体分布管的管径为50～200mm，液体分布管的管径为20～100mm，气体进料管的管径为200～500mm，液体进料管的管径为50～200mm。
优选地，所述的液体上喷嘴的液体喷射速度与气体上喷嘴的气体喷射速度之比为0.3～3:1。优选地，所述的气体喷射速度为5～100m/s，液体喷射速度为5～35m/s。
可以通过液体喷射速度与气体喷射速度之比，以及气体流量和液体量确定气体上喷嘴截面积和液体上喷嘴截面积之比。优选地，所述的气体上喷嘴的口径为10～40mm，液体上喷嘴的口径为5～20mm。
优选地，所述的气体上喷嘴和液体上喷嘴同轴设置，组成气液同轴喷嘴。
所述的气体上喷嘴和液体上喷嘴可以为不同直径的圆筒结构，内圆筒内为液体通道，内圆筒、外圆筒之间的间隙为气体通道。
优选地，所述的气体上喷嘴竖直向上，长度为气体上喷嘴口径的4～8倍，以实现气体喷射速度方向竖直向上。
优选地，所述的液体上喷嘴的顶端与气体上喷嘴的顶端之间的距离不大于液体上喷嘴口径的2倍。在易结疤反应体系中，液体上喷嘴的顶端应低于气体上喷嘴的顶端，二者高度差不超过液体上喷嘴口径的2倍，这样可以利用液体上喷嘴出口的动能打碎气体上喷嘴出口处物料的结疤。
优选地，所述的气体分布管上设有若干个等间距分布的气体上喷嘴，气体上喷嘴之间的间距为气体上喷嘴口径的3～10倍，以保证气体分布管的机械强度以及更小的漏液速度。
优选地，所述的气体分布管和液体分布管分别为若干根沿径向分布的同心环形管，内外相邻的两个同心环的直径比为0.5～0.8:1，可以促进气体、液体的均匀分布。当上述气液分布器应用于气-液或气-液-固接触的反应设备中时，优选地，最外侧环的直径为反应设备的直径的70％～85％。
优选地，所述的气液分布器还包括径向设置的气体分布管连接管和液体分布管连接管，分别连通内外气体分布管和液体分布管，以避免内环喷嘴出口速度远大于外环喷嘴出口速度，促进气体、液体的均匀分布。
所述的气体分布管连接管或液体分布管连接管可以设在相邻两根气体进料管或液体进料管的对称轴位置。
优选地，所述的气体分布管连接管或液体分布管连接管的管径等于气体分布管或液体分布管的管径，保证管内气体或液体的流速稳定。
优选地，所述的液体进料管设于气体分布管连接管的正下方，液体分布管连接管设于气体进料管的正下方。
优选地，所述的气体分布管上还设有气体下喷嘴，用于排出掉进气体分布管中的固体、液体物料，避免气体分布管内结疤以至于堵塞。
为了使气体下喷嘴的气体喷射方向避开下方的液体分布管，可以将气体下喷嘴斜向下设置，优选地，所述的气体下喷嘴与竖直方向的夹角为50°～75°。
优选地，所述的液体分布管上还设有液体下喷嘴，用于排出掉进液体分布管中的固体物料，避免液体分布管内结疤以至于堵塞。所述的液体下喷嘴可竖直向下。
所述的气体下喷嘴和液体下喷嘴的口径可以分别与气体上喷嘴和液体上喷嘴的口径相同。
所述的气体下喷嘴或液体下喷嘴可分别设在相邻两根气体进料管或液体进料管的中间位置。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)气体物料和液体物料通过气液同轴喷嘴喷射进入反应器，可利用液体动能打碎气泡，强化气液传质。
(2)采用上下两层联结结构的气、液环形分布器，既实现了气体的均匀分布，也实现了液体的均匀分布。
附图说明
图1为实施例的气液分布器的结构示意图；
图2为实施例的气液同轴喷嘴的结构示意图；
图3为测试例的气液同轴喷射进料冷模实验反应器的结构示意图；
图中：1-气体分布管，2-液体分布管，3-气体进料管，4-液体进料管，5-气体上喷嘴，6-液体上喷嘴，7-气体下喷嘴，8-液体下喷嘴，9-气体分布管连接管，10-液体分布管连接管。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，本发明的实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
如图1、2所示，本实施例的气液分布器为应用于对二甲苯(PX)液相氧化反应器而设计，PX液相氧化反应器参数如表1所示。
表1 PX液相氧化反应器参数
温度(℃) 压力(bar) 塔径(m) 塔高(m) 气体流量(m<sup>3</sup>/s) 液体流量(m<sup>3</sup>/s)
191 13.3 7.9 28 9.05 0.60
PX液相氧化反应是一个以醋酸为溶剂、醋酸钴和醋酸锰为催化剂、溴化物为促进剂、空气为氧化剂的反应过程。该氧化反应在高温高压下进行，腐蚀性强，是一个气液固三相反应，由复杂的串联反应和副反应组成，易发生结疤等不良现象。
因此，本实施例的气液分布器的材质为钛合金或其他耐腐蚀材料。
气液分布器有4根气体进料管3，关于PX液相氧化反应塔的中轴线呈中心对称，气体进料管3管径为450mm，气体进料管3内的气体流速为14.23m/s。气体进料管3与气体分布管1的各环连通，从而实现气体分布管1的固定以及进气。
气体分布管1管径为180mm，由3根同心环管组成，环直径依次为2.4m、3.9m和6.3m，相邻两根气体进料管3的对称轴的位置设有气体分布管连接管9，以促进气体均匀分布。气体分布管连接管9的管径与气体分布管1的管径相同。
气体分布管1上等间距地设有256个竖直向上的圆筒形气体上喷嘴5，分布间距为150mm。
气体上喷嘴5的内径为34mm，出口气速为50.04m/s，此数据综合实验研究与操作经验得到，可预防结疤现象的发生。
液体进料管4有4根，关于PX液相氧化反应塔的中轴线呈中心对称，液体进料管4管径为160mm，液体进料管4中的液体流速为7.43m/s。液体进料管4与液体分布管2的各环连通，从而实现液体分布管2的固定以及进液。
液体分布管2管径为80mm，环数与气体分布管1相同，为3环，环直径也与气体分布管1的环直径相同，设于气体分布管1正下方，相邻两根液体进料管4的对称轴的位置设有液体分布管连接管10，以促进液体均匀分布。液体分布管连接管10的管径与液体分布管2的管径相同。
液体分布管2上等间距地设有256个竖直向上的圆筒形液体上喷嘴6，分布间距为150mm。液体上喷嘴6与气体上喷嘴5同轴，液体上喷嘴6贯穿上方的气体分布管1，顶端略低于气体上喷嘴5顶端。气体上喷嘴5出口处如出现结疤现象，此设计可以利用液体动能打碎结疤。
液体上喷嘴6的内径为12mm，出口液速为20.64m/s。
气体分布管1在气体分布管连接管9与气体进料管3的中间位置设有气体下喷嘴7，气体下喷嘴7内径为30mm，方向斜向下，与竖直方向的夹角为60°。
液体分布管2在液体分布管连接管10与液体进料管4的中间位置设有液体下喷嘴8，液体下喷嘴8内径为12mm，方向竖直向下。
测试例
如图3所示，进行气液同轴喷射进料鼓泡塔的冷态模型实验，试验中选用鼓泡塔内径0.186m，高2m，锥形底锥角60°，锥形底高度0.173m，喷嘴液体出口和气体出口位于同一水平面上，气、液物料均采用单喷嘴喷射进料。
实验采用动态气体逸出法测量全塔平均气含率以及大、小气泡相含率。表2给出了气体喷射和气液同轴喷射两种操作模式下，表观气速对气含率以及大、小气泡占比的影响。实验时可以观测到气液同轴喷射下小气泡明显增多，表2的测量结果与之相符，可以看出，采用气液同轴喷射分布器可以显著地增加小气泡比例，降低大气泡比例，小气泡比例是气体单独喷射时的1.75～1.81倍。实验表明，气液同轴分布器不仅可以均布液体、防止喷嘴堵塞，最大优点是显著增加了气液接触面积，强化了气液传质。
表2两种操作模式不同表观气速下的气含率和大、小气泡比例
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种气液分布器，包括气体分布管、液体分布管、气体进料管和液体进料管，其特征在于，所述的气体分布管与气体进料管交叉连通，液体分布管与液体进料管交叉连通，液体分布管设于气体分布管下方；所述的气体分布管上设有气体上喷嘴，液体分布管上设有液体上喷嘴，液体上喷嘴穿过气体分布管进入气体上喷嘴中。
2.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的气体进料管和液体进料管均沿中心对称分布若干根。
3.根据权利要求1或2所述的气液分布器，其特征在于，所述的气体进料管的管径为气体分布管的管径的2～4倍，气体分布管的管径为气体上喷嘴的口径的2～4倍；所述的液体进料管的管径为液体分布管的管径的2～4倍，液体分布管的管径为液体上喷嘴的口径的2～4倍。
4.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的气体上喷嘴的口径为10～40mm，液体上喷嘴的口径为5～20mm。
5.根据权利要求1或4所述的气液分布器，其特征在于，所述的气体上喷嘴竖直向上，长度为气体上喷嘴的口径的4～8倍。
6.根据权利要求1或4所述的气液分布器，其特征在于，所述的液体上喷嘴的顶端与气体上喷嘴的顶端之间的距离不大于液体上喷嘴的口径的2倍。
7.根据权利要求1或4所述的气液分布器，其特征在于，所述的气体分布管上设有若干个等间距分布的气体上喷嘴，气体上喷嘴之间的间距为气体上喷嘴的口径的3～10倍。
8.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的气体分布管和液体分布管分别为若干根沿径向分布的同心环形管，内外相邻的两个同心环的直径比为0.5～0.8:1。
9.根据权利要求8所述的气液分布器，其特征在于，所述的气液分布器还包括径向设置的气体分布管连接管和液体分布管连接管，分别连通内外气体分布管和液体分布管。
10.根据权利要求1所述的气液分布器，其特征在于，所述的气体分布管上还设有气体下喷嘴，气体下喷嘴与竖直方向的夹角为50°～75°；液体分布管上还设有液体下喷嘴。
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