CN109908845B - 一种生物质热解液沸腾床反应器的初分布器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质热解液沸腾床反应器的初分布器，主要由气液进口管、进口分支管、环形分配管、喷嘴和挡板组成；气液进口管、进口分支管和环形分配管依次连通，气液进口管垂直于环形分配管所在平面，进口分支管倾斜于环形分配管所在平面；喷嘴设于环形分配管底部管壁上，挡板设于环形分配管外壁上且与环形分配管外壁相切。本发明的初分布器形成的气泡为微米级气泡，在床层内能有效增大停留时间，促进气液传质。初分布器采用气液混出结构，操作弹性大，液相吸入气相所占比例可达到20％～80％。

Description

一种生物质热解液沸腾床反应器的初分布器

技术领域

本发明涉及一种沸腾床加氢反应器，具体为一种生物质热解液沸腾床反应器的初分布器。

背景技术

生物质裂解是将木屑、秸秆(等生物质)在无氧环境下加热升温引起分子分裂为焦炭、可凝性液体和非凝性气体，生物质热解主要归于纤维素、半纤维素和木质素三种主要成分的分解。为了得到更充分油品，生物质闪速热解停留时间一般控制在1秒以内，该技术液收产率高达70％。生物质焦油包含一至五元环芳烃，以及含氧烃及杂元环如酸烃，酯类。糠醛等混合物，生物质焦油热值低，含氧量高，高腐蚀性，且不与汽柴油相溶，无法直接利用。近年来，多位学者开始研究生物质焦油转化汽柴油技术，其中沸腾床加氢脱氧被认为是最具有发展潜力的方式之一。中国发明专利CN 101831328 B公开了一种绿色燃油的制备方法，可以将生物质热解液通过一系列的加氢脫氧、加氢裂化的操作，获得汽油和柴油等的绿色燃油。由于生物质热解液易结焦以及生物质热解液加氢催化剂的易失活性，传统的固定床和移动床由于床层易于堵塞无法适用。因此，中国发明专利CN 101831328 B公开了对于生物质热解液的加氢脫氧过程可以使用沸腾床反应器。

对于生物质热解液的沸腾床加氢脫氧工艺过程，中国发明专利CN

103920430A公开了一种对生物质焦油(即生物质热解液)加氢脫氧的沸腾床加氢反应器，针对生物质热解液易结焦的特性将生物质焦油入口设置于所述反应器壳体的侧壁，同时在生物质焦油入口设置冷却水水套用于生物质焦油入口的降温；而对沸腾床加氢反应器出口的催化剂分离问题，采用了控制催化剂床层膨胀高度和反应器外设置气液分离器的手段实现三相分离。由于生物质热解液的溶氢能力差、同反应器中的循环油互溶性能差，导致进入反应器的生物质热解液不能快速分散而发生催化加氢反应，易造成反应器入口局部生物质热解液浓度过高引起的反应器入口结焦问题。其中初分布器位于反应器最底部，是将进入反应器的气液柱塞流分配为细小气泡流，使气液混合均匀，并且液相以放射状进入高压室，增强高压室返混效果，不易形成滞流区，从而避免结焦。因此，针对生物质热解液的沸腾床加氢工艺过程中，急需一种合适的沸腾床加氢反应器技术。

专利CN200945431Y介绍了一种新型流体分布器，该专利采用包括流体总管和开有小孔的短管组合，这种分布器主要适用于固定床气相间的混合。该专利虽然结构简单，但对于沸腾床气液两相的混合无法做到均匀分布，混合后无法保证气泡大小均匀。

专利CN 1765479A公开了一种具有积垢功能的气液分布器，包括底盘、泡帽、积垢部件和分散桨组成，该发明主要通过液流和气流推动分散桨旋转，液相实现碎流，部分液相被旋转桨叶甩离中心区，从而实现均匀分散；但是该发明也因为桨叶的存在不适用沸腾床，利用桨叶虽然可以实现气泡的破碎，但是气泡无法做到均匀，并且桨叶是个动元件，无法做到长周期运行。

专利CN1600413A公开了一种用于三相浆态床反应器的气体分布器，该分布器由一个与反应器内径相同的假板、多根气体上升管、一个气体分布管组合多个开口垂直向下的喷嘴组成，分布器有列管式、多环管组合式等形式，喷嘴有锐孔形式和类似文丘里结构等，虽然此专利能保证实现均匀分布，但是无法实现气液两相在环管内分层，也无法剪碎气体为气泡。

以上专利在自己领域都有自身优缺点，但沸腾床反应器因加工原料性质，操作参数不同，也需要针对特殊的工况做结构完善。

沸腾床反应器在液相气含率相同情况下，气泡直径越小，气液相界面面积增大，反应速率越快，越有利于提高反应速率和反应效果。同时，气泡越小，在反应器内停留时间越长，提高相间传质速率，进一步提高转化率。因此，分布器在分布均匀的基础上，更关心如何产生更小气泡，如何增大操作弹性，如何提高传质效率。

发明内容

为了解决现有技术存在的沸腾床反应器内构件初分布器气液分配不均匀，操作波动大，气液相传质速率低等技术问题，本发明提供了一种用于生物质热解液沸腾床反应器的初分布器。

本发明提供的生物质热解液沸腾床反应器的初分布器主要由气液进口管、进口分支管、环形分配管、喷嘴和挡板组成；气液进口管、进口分支管和环形分配管依次连通，气液进口管垂直于环形分配管所在平面，进口分支管倾斜于环形分配管所在平面；喷嘴设于环形分配管底部管壁上，挡板设于环形分配管外壁上且与环形分配管外壁相切。

所述进口分支管可以为一支，也可以为两支或多支，比如3～5支，为两支或多支时，进口分支管呈伞状沿环形分配管周向均匀分布。

所述喷嘴分为气相喷嘴和液相喷嘴，沿环形分配管周向均匀布置。气液两相流经气液进口管、进口分支管分流进入环形分配管后，在环形分配管内气液两相分层，气相从气相喷嘴喷出，液相从液相喷嘴喷出。气相在液体剪切作用下破碎为气泡，达到气液两相在周向混合均匀的效果。

所述气相喷嘴由设于环形分配管内的进气管和限位座组成；进气管上端位于环形分配管顶部，与限位座固定连接；进气管下端穿透环形分配管底部管壁并固定于管壁上。进气管为直管式或锥管式，为锥管式时，锥度为0～10度，出口段内径为1～5毫米。气相喷嘴在环形分配管底部管壁上均匀布置，数量为10～50个，气相喷嘴与环形分配管为焊接或螺纹连接。

所述液相喷嘴为贯穿环形分配管底部管壁的通孔，在环形分配管底部管壁上均匀布置，数量为10～50个，通孔直径为1～20毫米。

所述挡板分为内挡板和外挡板，内挡板设于环形分配管内侧外壁上，外挡板设于环形分配管外侧外壁上，内外挡板平行且与环形分配管所在平面垂直。外挡板底部开有狭缝，狭缝角度为3～15度。

所述进口分支管由弯管段和倾斜段组成，倾斜段与环形分配管所在平面呈30～60度角。

所述生物质热解液沸腾床反应器的初分布器，其应用效果特征在于，所述的气相出口气泡大小为200～10000微米，气含率为20％～80％。

采用本发明，具有如下有益效果：

(1)初分布器利用进口分支管为单支、两支或多支，能有效降低整个环形分配管分配不均匀度，从而在反应器横截面来看，气液从喷出口能更均匀进入反应器，这在反应器放大方面尤为重要。

(2)初分布器采用气液分相出口，气液两相在环形分配管内分层，利用分层后两相分相出，能够降低因两相同口出造成的压力波动，同时气相由气相喷嘴的抽吸湍流作用破碎为微米级气泡。而目前公开的沸腾床反应器形成气泡一般为几个毫米，微米级气泡在床层内能有效增大停留时间，促进气液传质。

(3)初分布器采用气液混出结构，操作弹性大，液相吸入气相所占比例可达到20％～80％。

(4)初分布器喷嘴内外两侧有挡板结构，能够增强高压室内的返混效果，从而避免高温下因流体存在滞流区而结焦。

附图说明

图1为本发明初分布器的结构示意图；

图2为本发明初分布器的俯视示意图；

图3为本发明初分布器的气相喷嘴结构示意图，图中未画出限位座；

图4为本发明初分布器的液相喷嘴结构示意图；

图5为采用本发明的初分布器的沸腾床反应器的结构示意图；

图6为本发明的初分布器分配气泡效果图；

图7为本发明的初分布器分配气泡粒径分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1～4所示，本发明提供的生物质热解液沸腾床反应器的初分布器，主要由环形分配管13、进口分支管12、气液进口管11、液相喷嘴15、气相喷嘴14、内挡板16和外挡板17组成。气液两相流经气液进口管11、进口分支管12后分流进入环形分配管13，在环形分配管13内气液两相分层，气相和液相分别从环形分配管13底部管壁上布置的均匀分布的气相喷嘴14和液相喷嘴15喷出，气相在液体剪切作用下破碎为气泡，达到气液两相在周向混合均匀的效果。气液进口管11与外部通过螺纹或法兰连接，管内为气液两相流；进口分支管12为两支，由对称的两路组成，进口分支管12与气液进口管11相通，进口分支管12主要将气液两相流分为两路，增大喷嘴均匀性；进口分支管12由弯管段和倾斜段组成，倾斜段与环形分配管13所在平面呈45度角；环形分配管13为底部均匀布置气液相喷嘴的圆管，液相喷嘴15为32个，气相喷嘴14为24个，环形分配管13内气液两相分层，便于气液两相从不同口进入混合；气相喷嘴14由进气管和限位座组成，进气管为直管式或锥管式，锥度为5度，出口段内径为3毫米，液相喷嘴15为底部通孔。气相喷嘴结构具有抽吸作用，气液两相混合后利用液体剪切气体成微小气泡，该结构出口气泡大小为200～1000微米，气含率为40％～70％。微米级气泡有利于气液传质，提高产率。

环形分配管13内侧装有内挡板16，外侧装有外挡板17，内外挡板与环形分配管13相切，内外挡板平行；外挡板17底部开有狭缝18，能够增强高压室内的返混效果，从而避免高温下因流体存在滞流区而结焦。

如图5所示，本发明的初分布器10安装于生物质热解液沸沸腾床反应器底部。该生物质热解液沸腾床反应器还包括：垂直于地面的承压壳体1、流体分布器2、同轴进料喷嘴3和三相分离器4；所述承压壳体1的底部设置有一个用于循环油和氢气混合进料的混相入口5和一个用于催化剂排出的催化剂排出口6、上部侧面设置有一个液体产品出口7、顶部设置有一个气相产品出口8和一个用于催化剂加入的催化剂加入口9；所述初分布器10设置于承压壳体1底部，用于气液两相初分配，流体分布器2设置于初分布器10的上部并与壳体1相连，用于将由所述混相入口进入的循环油和氢气在反应器横截面上均匀分布以及承载反应所需要的催化剂颗粒；所述同轴进料器3在沸腾床反应器的承压壳体1的安装位置高于流体分布器2的上端面；优选的方案中，同轴进料器3在沸腾床反应器的承压壳体上的入口高于流体分布器的上端面1000mm；所述同轴进料喷嘴3的喷出口位于所述流体分布器的上端面以上；所述三相分离器4设置于承压壳体的上部。

经初分布器分配后所形成气泡效果如图6所示，从图中可以看出，气泡尺寸均匀；具体气泡粒径分布如图7所示，从图中可以看出，气泡为微米级气泡，能够增大传质效率。

在本发明题记的所有文献都在本发明中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，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发明所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种生物质热解液沸腾床反应器的初分布器，其特征在于：包括气液进口管、进口分支管、环形分配管、喷嘴和挡板；气液进口管、进口分支管和环形分配管依次连通，气液进口管垂直于环形分配管所在平面，进口分支管倾斜于环形分配管所在平面；喷嘴设于环形分配管底部管壁上，挡板设于环形分配管外壁上且与环形分配管外壁相切，其中，所述喷嘴分为气相喷嘴和液相喷嘴，沿环形分配管周向均匀布置；所述气相喷嘴由设于环形分配管内的进气管和限位座组成；进气管上端位于环形分配管顶部，与限位座固定连接；进气管下端穿透环形分配管底部管壁并固定于管壁上；所述液相喷嘴为贯穿环形分配管底部管壁的通孔。

2.根据权利要求1所述的初分布器，其特征在于：所述进口分支管为两支或更多支，进口分支管呈伞状沿环形分配管周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的初分布器，其特征在于：所述进气管为直管式或锥管式，锥度为0～10度，出口段内径为1～5毫米。

4.根据权利要求1和3任一所述的初分布器，其特征在于：所述气相喷嘴与环形分配管为焊接或螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的初分布器，其特征在于：所述通孔在环形分配管底部管壁上均匀布置，数量为10～50个，通孔直径为1～20毫米。

6.根据权利要求1所述的初分布器，其特征在于：所述挡板分为内挡板和外挡板，内挡板设于环形分配管内侧外壁上，外挡板设于环形分配管外侧外壁上，内外挡板平行且与环形分配管所在平面垂直。

7.根据权利要求6所述的初分布器，其特征在于：所述外挡板底部开有狭缝，狭缝角度为3～15度。

8.根据权利要求1～3任一所述的初分布器，其特征在于：所述进口分支管由弯管段和倾斜段组成，倾斜段与环形分配管所在平面呈30～60度角。

Images