CN110237776B - 位于分配区上方的混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于下流式催化反应器的用于混合和分配流体的装置，其包括：‑收集区(A)，其包括收集构件(5)；‑基本垂直的收集管和至少一个通入所述收集管的注入构件(8)；‑混合区(B)，其包括长度为L1的流体混合室(15)，所述混合区(15)包括与所述收集管连通的第一末端和与位于所述混合室(15)下方的长度为L2的流体交换室(16)连通的第二末端，所述交换室(16)的长度L2严格大于所述混合室(15)的长度L1；‑位于混合区(B)下方的分配区(C)，其包括分配板(12)，其带有多个竖管(13)和位于竖管(13)上方或位于竖管(13)上的多个水平板(33)。

Description

位于分配区上方的混合装置
技术领域
本发明属于放热反应领域，更特别涉及在固定床反应器中进行的加氢处理、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢裂化、氢化、加氢脱氧、加氢异构化、加氢脱蜡或加氢脱芳构化反应。本发明更特别涉及用于在并流下流式反应器中混合和分配流体的装置及其用于进行放热反应的用途。
背景技术
例如在炼油厂和/或在石油化学中进行的放热反应需要通过被称为骤冷流体的附加流体冷却，以避免用于进行这些反应的催化反应器的热失控。用于这些反应的催化反应器通常包括至少一个固体催化剂床。反应的放热性质使得必须保持反应器横截面上的均匀轴向温度梯度，和在反应器内接近0的径向温度梯度，以避免在反应器中包括的催化剂床中存在热点。太热的区域会过早降低催化剂的活性和/或造成非选择性反应和/或造成热失控。因此，重要的是在反应器中存在至少一个混合室，所述混合室位于两个催化剂床之间，以实现在反应器横截面上的流体中的均匀温度分布和将反应流体冷却到所需温度。
为实现这种均匀性，本领域技术人员通常不得不使用通常复杂的内件的特定布置，其涉及将尽可能均匀的骤冷流体引入反应器的横截面。例如，文献FR 2 824 495 A1描述了能够确保一种或多种骤冷流体和一种或多种工艺流体之间的有效热交换的骤冷装置。将这种装置并入室中并且其包括用于注入骤冷流体的管、用于收集流体的挡板、实现骤冷流体和向下流动的反应流体之间的混合的骤冷箱本身和由多孔盘和分配板构成的分配系统。该骤冷箱具有用于使流体以不平行于所述室的轴的基本非径向方向涡旋运动的折转板，和在反应流体的流动方向上在折转板下游的至少一个用于在箱中形成的流体混合物的出口通道段。但是，这样的装置具有许多缺点：
- 该装置在混合和分配流体的效果方面不够，特别是在高流体流速下（骤冷流体和/或反应流体）；
- 该装置相当大，因此在使用这样的装置的反应器中损失的空间影响可使用的催化剂的量。
本发明的一个目标是通过提出一种混合和分配装置补救上述问题，所述混合和分配装置能够更有效混合流体并因此能在分配板上更好地分配流体而不损失紧凑度或甚至提高紧凑度。
发明内容
本发明的主题是用于下流式催化反应器的用于混合和分配流体的装置，所述装置包括：
- 至少一个收集区，其包括至少一个收集构件（means）；
- 至少一个基本垂直的收集管，其能够接收由所述收集构件收集的反应流体，和至少一个通入所述收集管以注入骤冷流体的注入构件；
- 至少一个混合区，其在流体流动方向上位于所述收集管下游，所述混合区包括至少一个长度为L1的流体混合室，所述混合区包括与所述收集管连通的第一末端和与位于所述混合室下方的长度为L2的流体交换室连通的第二末端，所述交换室的长度L2严格大于所述混合室的长度L1以在所述交换室上形成顶部（ceiling），所述顶部包括至少一个允许流体从所述交换室通往分配区的开口；
- 在流体流动方向上的所述混合区下游，位于所述混合区下方的至少一个分配区，所述分配区包括分配板，其带有多个竖管（chimneys）和多个水平板，所述多个水平板位于交换室的顶部中的开口下方但在分配区的分配板的竖管上方或置于竖管上。
优选地，混合室的长度L1和交换室的长度L2之间的比率为0.1至0.9。
有利地，一个或多个开口占据的表面积百分比相对于顶部的总表面积为20%至100%。
在一个特定实施方案中，一个或多个开口占据的表面积百分比等于顶部的总表面积的100%。
在根据本发明的一个实施方案中，所述水平板位于所述分配板的竖管上方最多100 mm的高度处。
在根据本发明的另一实施方案中，所述水平板位于所述分配板的竖管上。
有利地，所述水平板占据的横截面表面积为分配区(C)的横截面表面积的2%至95%。
有利地，所述水平板彼此分开1至50 mm的距离。
在根据本发明的一个实施方案中，所述混合区相对于分配区的中轴偏心，以在分配板上形成两个区域(Z1)和(Z2)，被定义为区域(Z1)和区域(Z2)的表面积之间的关系的比率R为0至1，不包括值0和1。
在根据本发明的一个实施方案中，所述混合室包括底部，其包括具有斜切形状并与混合室的纵轴XX’形成20°至70°的角度α的端边。
在根据本发明的一个实施方案中，所述注入构件补充有直接通入所述收集管的喷嘴，所述喷嘴由包括至少一个通入所述收集管的孔口的管构成。
有利地，所述交换室还在其侧壁上包括适合流体从所述交换室通往所述分配区的多个横向通道段。
优选地，根据本发明的装置还包括与至少一个横向通道段相对位于所述分配区中的至少一个横向折转板。
有利地，所述混合室和所述交换室之间的体积比为5%至60%。
本发明的另一主题涉及一种下流式催化反应器，其具有包括至少两个固定催化剂床的室，所述固定催化剂床被具有根据本发明的用于混合和分配流体的装置的中间区隔开。
附图说明
图1显示包括至少两个固体催化剂床并包括根据本发明的用于混合和分配流体的装置的下流式催化反应器的轴向横截面。
图2是根据本发明的装置的混合区(B)的透视图。
图3显示包括横向通道段的根据本发明的装置的混合区(B)的透视图。
图4显示根据本发明的装置的横截面，所述装置包括多个水平板33。
图5显示根据一个特定实施方案的根据本发明的装置的横截面。混合区(B)相对于分配区(C)的中轴偏心，因此形成包括两个具有不同表面积的区域Z1和Z2的分配板12。
图6显示沿根据本发明的装置的一个特定实施方案的混合区(B)的轴(XX’)的横截面视图。
发明详述
定义
在本发明的含义内，混合室被理解为是在其中实施反应流体和骤冷流体之间的混合的空间。
交换室被理解为是混合的反应流体和骤冷流体经由至少一个开口与流体分配区直接接触的空间。
详述
下述所有实施方案是本发明的一般公开的一部分并可互相组合。
根据本发明的混合和分配装置用于进行放热反应，如加氢处理、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢裂化、氢化、加氢脱氧、加氢异构化、加氢脱蜡或加氢脱芳构化反应的反应器中。通常，该反应器具有沿基本垂直轴的细长形状。使至少一种反应流体（也称为“工艺流体”）从所述反应器的顶部经过至少一个固定催化剂床流向底部。有利地，在除最后一个床外的各床的出口，收集反应流体，然后在所述装置中与骤冷流体混合，然后分配到位于分配板下游的催化剂床上。下游和上游相对于反应流体的流动方向定义。反应流体可以是气体或液体或含有液体和气体的混合物；这取决于在反应器中进行的反应的类型。
参照图1，混合和分配装置可布置在沿基本垂直轴为细长形状的反应器1中，其中使至少一种反应流体从顶部经过至少一个催化剂床2流向底部。该装置相对于室1中的反应流体的流动方向布置在催化剂床2下方。支撑栅3能够支撑催化剂床2以空出布置在催化剂床2下方的收集区(A)。收集区(A)是允许反应流体向下排出到收集管7（参见图4和5）所必需的。经由骤冷流体注入构件8（参见图4和5）将骤冷流体注入收集管7。骤冷流体可以是液体或气体或含有液体和气体的混合物。
经过催化剂床2的反应流体被基本水平的收集构件5（在此也称为收集挡板）收集，其通往布置在收集区(A)下方的被称为混合区(B)的区域中（如图1、4和5中所示）或布置在收集区(A)中（图中未显示）的基本垂直的收集管7。基本垂直和基本水平在本发明的含义内被理解为是指平面分别相对于垂直线或水平线变化± 5度的角度β。收集构件5（参见图1）由布置在与催化剂床2的支撑栅3下方的室的纵轴垂直的平面中的固体板构成。收集构件5的板在反应器1的整个表面积上径向延伸。其在一端具有开口6（参见图4和5），所述收集管7连向该开口。收集构件5能够收集来自上游催化剂床2的反应流体流并将其导向所述收集管7。收集构件5与催化剂床2的支撑栅3间隔高度H1（图1）。选择高度H1以限制在收集来自催化剂床2的流体过程中的压降和限制防护（guard）高度，即由已积聚在收集构件5中的液体形成的高度。防护高度不改变反应流体排出到收集管7，或其流经该管，或其流经上方催化剂床2。当收集管7和注入构件8（图4和5）位于混合区(B)的水平时，高度H1为10至500 mm，优选10至200 mm，更优选30至150 mm，再更优选40至100 mm。因此，来自床2的反应流体在收集区(A)中被推动（forced）以通过收集管7。当收集管7和注入构件8位于收集区(A)的水平时，高度H1为10至400 mm，优选30至300 mm，再更优选50至250 mm。
优选地，收集管7和骤冷流体注入构件8位于混合区(B)，由此能够提高紧凑度。由该装置的紧凑度节省出的空间因此可供催化剂床使用。
位于收集区(A)下方的是混合区(B)。参照图1至5，混合区(B)包括基本垂直的收集管7，其能够接收由收集构件5收集的反应流体和来自通入所述收集管7的注入构件8（参见图4）的骤冷流体。
混合区(B)包括在流体流动方向上位于收集构件下游的混合室15，长度为L1（参见图3）。混合室15的横截面优选为矩形。与混合室15连通的收集管7可位于混合室15上方或包括在所述混合室15中。收集管7优选包括在混合室15中。类似地，注入管8可在混合室15上方、在与所述室相同的水平、或直接在所述混合室15的内部，经由本领域技术人员已知的装置，例如穿过混合区15的穿孔管通入。骤冷流体可以与来自收集区(A)的反应流体并流、错流或逆流的方式注入。混合区(B)还包括流体交换室16，长度为L2（参见图3），交换室16在流体流动方向上位于混合室15下游。交换室16的横截面优选为矩形。根据本发明，交换室16位于混合室15下方。优选地，混合室15叠加在交换室16上。流体经由在流体流动方向上位于混合室15的出口端的开口18（参见图2）从混合室15进入交换室16。混合区(B)的配置使得流体能在混合室15中混合并且所述混合物能够流向交换室16。反应流体和骤冷流体在交换室16中继续混合。
根据本发明，交换室16的长度L2严格大于混合室15的长度L1以在所述交换室16上形成顶部30，所述顶部30包括至少一个适合流体从所述交换室16通往所述分配区(C)的开口31。所述开口31同样可以是一个或多个任何几何形状的孔口和/或一个或多个狭槽的形式。根据本发明的装置的这样的布置能够通过在交换室中建立开口31而更好地管理离开交换室16的流体（尤其是气体类型的流体）的流速，并由此限制流体的流速对分配区(C)的分配板12的冲击。优选地，混合室15的长度L1和交换室16的长度L2之间的比率为0.1至0.9，优选0.3至0.9。有利地，一个或多个开口31占据的表面积百分比相对于顶部30的总表面积为20%至100%，优选表面积的30%至80%。在根据本发明的一个特定实施方案中，所述开口31的表面积百分比等于顶部30的总表面积的100%，意味着顶部30在分配区(C)上方完全敞开。
有利地，混合室15和交换室16的末端不与反应器1的室的壁接触，以允许流体在混合室15和交换室16的任一侧流到分配板12上。有利地，混合室15和一个或多个交换室16形成一个部件。
所述混合室15和所述交换室16的累计总高度H2为200至1500 mm，优选200至800mm，更优选300至750 mm，再更优选350至700 mm。
优选地，交换室16的宽度“L”（参见图2）为200至1100 mm，优选200至800 mm，更优选250至700 mm，再更优选300至600 mm。
混合室15和交换室16之间的体积比（以%计）为10%至90%，优选50%至90%，再更优选75%至90%。
在根据本发明的一个特定实施方案中（图中未显示），如上所述的骤冷流体注入构件8可补充有直接通入收集管7的喷嘴，所述喷嘴由包括至少一个通入所述收集管7的孔口的管构成。优选地，所述喷嘴包括均匀分布在所述管的整个表面上的多个孔口。孔口形状可高度变化，通常为圆形或矩形，这些孔口优选均匀分布在喷嘴的整个表面上。
有利地，混合室15的底部23（参见图6）可包括具有斜切形状并与混合室15的纵轴XX’形成20°至70°，优选30°至60°，再更优选30°至45°的角度α的端边27。混合室15的端边的这样的形状能在开口18处建立涡旋类型的流体流动，具有改进流体混合效果的作用，尤其是通过允许位于混合室15的侧壁的任一侧上的流体流路的相互混合。此外，混合室15的这样的配置具有降低混合室和交换室之间的流体速度的作用。由于开口18处的流体速度降低，压降最小化。
位于混合区(B)下方的是分配区(C)。延伸高度为H3（参见图1）的分配区(C)包括分配板12，其带有多个竖管13，和位于交换室16的顶部30中的开口31下方但在分配板12的竖管13上方或置于竖管13上的多个水平板33（参见图4）。更具体地，竖管13在它们的上部通过上部开口敞开并沿它们的侧壁具有一系列侧孔，意在使液相（经过孔）和气相（经过上部开口）在竖管13内单独通过，以实现它们在所述竖管13内的密切混合。侧孔的形状可高度变化，通常为圆形或矩形，这些孔优选在从一个竖管到另一竖管基本相同的几个高度（level），通常至少一个高度，优选1至10个高度分布在各竖管上，以允许在气相和液相之间建立尽可能规则（平面）的界面。有利地，分配区的高度H3为20至1500 mm，更优选50至800mm，再更优选100至600 mm。
为了确保流体在分配板12上的均匀分布，该装置包括位于分配区(C)中的多个水平板33（参见图4），其在交换室16的顶部30中的开口31下方但在分配板12的竖管13上方或置于竖管13上（参见图1）。水平板33的存在能使流体在分配板12上方预分配。所述水平板33优选彼此分开1至50 mm，优选5至20 mm的距离，以允许流体流到位于水平板33和分配板12之间的空间。优选地，所述水平板33位于距分配板12的竖管13为0至100 mm的高度。当水平板置于分配板的竖管上时，配置分配板以允许气体类型的流体通过，例如通过具有斜切末端。优选地，所述水平板33占据的横截面表面积为分配区(C)的横截面表面积的2%至95%，更优选2%至20%。根据本发明的装置的这样的布置能够确保流体混合的良好效果而不造成所述装置的体积增加。在根据本发明的一个特定实施方案中，水平板33包括多个穿孔以允许流体流到位于水平板33和分配板12之间的空间。对于各水平板33，所述穿孔占据的表面积为相对于水平板33的总表面积的1%至20%表面积，优选2%至5%表面积。
在一个特定实施方案中，交换室16在其侧壁20上还可包括适合流体从混合区(B)通往分配区(C)的横向通道段17（参见图3）。此外，该装置可任选还包括与至少一个横向通道段17相对位于所述分配区(C)中的至少一个横向折转板32（参见图5）。优选地，该装置包括与横向通道段17相对在交换室16的两侧位于分配区(C)中的至少一对横向折转板32。
有利地，混合区(B)，即混合室15和交换室16，相对于分配区(C)的中心偏心（参见图5）。混合区相对于分配区的中心的这种偏置具有使检查和维护该装置的操作更容易的优点。该装置的这种特定配置将分配板12分成两个具有不同表面积的区域Z1和Z2，其中Z1 <Z2（参见图5）。区域Z1和Z2分别被定义为包括在交换室16的侧壁20、反应器的室1的周边和分别经过交换室16的末端21和22的两个轴AA’和BB’（参见图5）之间的分配板12的表面积（要理解的是Z1 < Z2）。R被定义为是区域Z1和区域Z2的表面积之间的关系（R = Z1/Z2），要理解的是R为0至1，不包括值0和1。因此，当根据本发明的装置包括横向通道段17时，并且为了确保流体在分配板12的两个区域Z1和Z2上的良好分布，随比率R调整经过交换室16的横向通道段17的流体的流速。Sp被理解为是与分配板12的区域Z1相对（即位于分配板的表面积最小的那侧）的侧壁20的横向通道段17的总表面积，且Sg被理解为是与分配板12的区域Z2相对（即位于分配板的表面积最大的那侧）的侧壁20的横向通道段17的总表面积。如果表面积Sp/Sg之间的比率R’为0.5至1.5，优选0.6至1.4，获得流体在分配板的两个区域上的良好分布。具体而言，在交换室16的出口不存在特定分配构件的情况下，分配板12的两个区域Z1和Z2被供以相同的流体流速，以致流体分布不良，因此造成流体在分配板12上的分布性能的显著损失。当其在交换室16的壁20上包括横向通道段17时（所述段的总表面积不同，取决于相关的侧是分配表面积最小（Z1）还是最大（Z2）的侧），根据本发明的装置能在交换室16的出口产生可以根据比率R（R=Z1/Z2）改变流体流速的压降。
在根据本发明的一个实施方案中，交换室16直接置于分配区(C)的水平板33上（如例如图1中所示）。在另一实施方案中（图中未显示），交换室16距所述水平板33一定距离“d”，优选为20至150 mm，更优选30至80 mm。包括在交换室16下方和水平板33之间的空间允许流体分布在所述水平板33的整个表面积上。在这一实施方案中，交换室16可在其下部包括纵向通道段以使流体混合物可直接流到直接位于交换室16下方的水平板33上。当然，选择纵向通道段的数量、形状和尺寸以使流体混合物的小部分流量经过所述纵向通道段。纵向通道段可以同样为孔口和/或狭槽的形式。
在分配板12下方，可安置分散系统以将流体均匀分布在位于所述系统下游的催化剂床14上。分散系统19（参见图1）可包括一个或多个分散装置，其可与各竖管13相连，由几个竖管13共用，或由分配板12的所有竖管13共用。各分散装置19具有基本平面和水平几何形状，但可具有任何形状的外周。此外，各分散装置19可位于不同高度。有利地，所述分散装置为格栅形式，和/或可任选包括折转板。有利地，一个或多个格栅19的轴优选垂直于反应器的室的纵轴以改进流体混合物在反应器的室的整个径向横截面上的分布。选择分散系统和紧随位于下方的固体颗粒床之间的距离以使气相和液相的混合状态尽可能保持为其在竖管13的出口处的状态。
优选地，分配板12和位于所述分配板下方的催化剂床14之间的距离为50至400mm，优选100至300 mm。分配板12和所述分散装置19之间的距离为0至400 mm，优选0至300mm。在一个特定实施方案中，分配板12置于分散装置19上。
与现有技术中描述的装置相比，更特别与文献FR 2 824 495中公开的装置相比，根据本发明的混合和分配装置具有下列优点：
- 良好热效率和良好的流体混合效果；
- 由于交换箱16中的开口31和位于交换箱16中的开口31下方并位于顶部竖管13上方或置于竖管13上的多个水平板33的存在，流体在分配板12上良好分布；
- 当混合区(B)相对于分配区(C)的中轴偏心时，位于该装置下方和/或上方的催化剂的加载和/或卸载操作更容易进行得多，因为不再必须拆卸所述装置；
- 在以下情况下，根据本发明的装置显著提高紧凑度：
o 当交换室直接置于分配板33上时，分配板33本身直接置于分配板12的竖管13上；和/或
o 当收集管7和注入构件8位于混合区(B)中时。

Claims (15)

1.用于下流式催化反应器的用于混合和分配流体的装置，所述装置包括：
至少一个收集区(A)，其包括至少一个收集构件(5)；
至少一个基本垂直的收集管(7)，其能够接收由所述收集构件(5)收集的反应流体，和至少一个通入所述收集管(7)以注入骤冷流体的注入构件(8)；
至少一个混合区(B)，其在流体流动方向上位于所述收集管(7)下游，所述混合区(B)包括至少一个长度为L1的混合室(15)，所述混合室(15)包括与所述收集管(7)连通的第一末端和与位于所述混合室(15)下方的长度为L2的交换室(16)连通的第二末端，所述交换室(16)的长度L2严格大于所述混合室(15)的长度L1以在所述交换室(16)上形成顶部(30)，所述顶部(30)包括至少一个允许流体从所述交换室(16)通往分配区(C)的开口(31)；
在流体流动方向上的所述混合区(B)下游，位于所述混合区(B)下方的至少一个分配区(C)，所述分配区(C)包括分配板(12)，其带有多个竖管(13)和多个水平板(33)，所述水平板(33)位于交换室(16)的顶部(30)中的开口(31)下方但在分配区(C)的分配板(12)的竖管(13)上方或置于竖管(13)上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于混合室(15)的长度L1和交换室(16)的长度L2之间的比率为0.1至0.9。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于一个或多个开口(31)占据的表面积百分比相对于顶部(30)的总表面积为20%至100%。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于一个或多个开口(31)占据的表面积百分比等于顶部(30)的总表面积的100%。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述水平板(33)位于分配板(12)的竖管(13)上方最多100 mm的高度处。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述水平板(33)位于分配板(12)的竖管(13)上。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述水平板(33)占据的横截面表面积为分配区(C)的横截面表面积的2%至95%。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述水平板(33) 彼此分开1至50 mm的距离。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述混合区(B)相对于分配区(C)的中轴偏心，以在分配板(12)上形成两个区域，为区域Z1和区域Z2，被定义为区域Z1和区域Z2的表面积之间的关系的比率R为0至1，不包括值0和1。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述混合室(15)包括底部(23)，其包括具有斜切形状并与混合室(15)的纵轴XX’形成20°至70°的角度α的端边(27)。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述注入构件(8)补充有直接通入所述收集管(7)的喷嘴，所述喷嘴由包括至少一个通入所述收集管(7)的孔口的管构成。
12.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述交换室(16)还在其侧壁(20)上包括适合流体从所述交换室(16)通往所述分配区(C)的多个横向通道段(17)。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于其还包括与至少一个横向通道段(17)相对位于所述分配区(C)中的至少一个横向折转板(32)。
14.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述混合室(15)和所述交换室(16)之间的体积比为5%至60%。
15.下流式催化反应器，其具有包括至少两个固定催化剂床(2、14)的室(1)，所述固定催化剂床被具有根据权利要求1至14任一项所述的用于混合和分配流体的装置的中间区隔开。
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