CN110270280A - 一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法及装置，本方法如下：劣质渣油从浆态床底部液相入口进入反应器底部，预混氢气通过初级分布器在反应器底部形成气液混合物；劣质渣油和预混氢气进入喷嘴的导流入口；进入喷嘴中的渣油及氢气从喷嘴出口喷出，产生微气泡，所产生的预混氢气微气泡随着液相的流动而上升；另外补充氢气进入定向鼓泡装置。鼓泡装置产生的较大气泡与喷嘴产生的微气泡均匀混合上升。本发明氢气以微气泡、大气泡共存形式分散于渣油中，提高了浆态床渣油加氢中的气含率，促进了加氢反应的进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种强化浆态床传质的方法和装置，更确切地说涉及一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法和装置，属于化工装备领域。
背景技术
石油作为世界应用最广泛的能源，目前原油重质化、高酸化、高硫化趋势加剧，随着环保法规的日益严格和石油轻质化的需求提升，世界炼油行业需要尽快提升渣油的转换效率和加工水平，渣油加工工艺可分为渣油加氢和渣油脱碳两种。近年来，加氢工艺以其处理效果显著而得到迅速发展。
渣油加氢技术主要有固定床加氢处理、沸腾床加氢裂化、悬浮床加氢裂化、移动床加氢裂化、浆态床加氢工艺，前四种技术存在原料转换深度低和适应性差等缺点，浆态床加氢工艺具有原料适应性强和转化率高等优点，近年来浆态床渣油加氢技术得到了国内外的广泛关注，工业推广前景良好。
浆态床作为一种重要的气液固三相反应器，常见的基本类型有鼓泡床反应器、内环流气升式反应器、外环流气升式反应器和球形反应器，浆态床具有结构简单、分散均匀、操作简便等优点，但是浆态床存在结焦严重、转化率不高等问题，根本的原因在于氢气传质的不足。
通过向浆态床反应器中添加气体分布器内构件可以实现气体进料在床层中均匀分布和提高浆态床气含率，进而强化浆态床的传质速率，提升液体的单程转换率。目前国内外浆态床气体分布器主要有两种形式，一种是气相通过喷嘴进入浆态床床层；另一种是气相通过分布盘进入浆态床床层,但两种形式都存在一定的弊端，如专利授权公开号为CN109317058A，名称为一种新型浆态床反应器气体分布气的喷嘴。该装置虽然结构简单合理，气体在床层中均匀分布，但是鼓泡尺寸大小不均匀，且基本趋于较小尺寸的气泡，气体在床层中下部就会被反应掉，导致床层上部反应微弱，传质效果差。又如专利CN104209069A，名称为浆态床反应器气体分布结构。但是根据表面更新气液传质理论，单一降低气泡尺寸无法满足浆态床加氢传质的要求。
发明内容
鉴于以上问题及相关理论，本发明提供了一种利用微气泡喷嘴和鼓泡环组合完成浆态床渣油加氢产生多尺度气泡的技术。基于微气泡生成和鼓泡产生原理，本发明得以完成。该装置具有气泡数量多，气泡平均尺寸较小，气泡的上升速度较小，停留时间长，并且增加了气液接触面积，强化了浆态床各相之间的传质，促进了加氢反应，使得渣油加氢的转换率提高等诸多优点。
本发明的具体技术方案如下：
一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，包括如下步骤：
(1)首先，渣油原料从浆态床底部进入反应器底部，预混氢气通过初级分布器在反应器底部，形成气液混合物，完成氢油预混；
(2)隔板下形成氢气气垫保护氛围，液相渣油和预混氢气进入喷嘴的导流入口；进入喷嘴中的渣油及氢气从喷嘴出口喷出，产生微气泡，所产生的预混氢气微气泡与液相流动同向上升；
(3)补充氢气进入定向鼓泡装置；鼓泡装置产生的较大气泡与喷嘴产生的微气泡均匀混合上升。
进一步的，步骤(1)中，反应器底部的初级分布器的氢气压力降不小于0.2KPa。
进一步的，步骤(2)中，喷嘴的导流入口液相速度为3-15m/s，导流入口处的气液体积流量比最大为50，能够产生10-2000微米的微气泡。
进一步的，步骤(3)中，定向鼓泡装置的氢气压力降不低于反应器液相高度导致压强的30％，产生气泡直径为2-100mm。
进一步的，所述步骤(1)中的初级分布器采用焊接连接的方法与浆态床底部联接。
进一步的，所述步骤(1)中的喷嘴垂直安装在喷嘴分布盘上，喷嘴分布盘采用焊接的方法与浆态床内壁连接。
进一步的，所述步骤(1)中的喷嘴结构尺寸相同，保留1～15个涡流构件的低位安装，实现反应器停工彻底退料。
进一步的，所述步骤(1)中的喷嘴顶部与所述步骤(3)中的定向鼓泡装置的竖直距离为100mm～0.1倍浆态床反应器内径。
本发明还提出一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生装置，所述装置从下往上依次设置有初级分布器5、微气泡喷嘴2、喷嘴分布盘3、定向鼓泡装置4；
所述初级分布器5与预混气相连通；浆态床底部液相进料入口1设在气泡产生装置底部；所述定向鼓泡装置4与气相进料入口连通；
所述喷嘴分布盘3均匀开孔；
所述微气泡喷嘴2的喷嘴液相入口21设置在该喷嘴纵剖面的底部位置，喷嘴气相入口22设置在底部的水平位置，喷嘴出口23设置在顶部位置；
所述定向鼓泡装置4表面开孔41，开孔倾角θ大于0度，小于180度。
劣质渣油从浆态床底部液相入口进入反应器底部，预混氢气通过初级分布器在反应器底部形成气液混合物；劣质渣油和预混氢气进入喷嘴的导流入口；进入喷嘴中的渣油及氢气从喷嘴出口喷出，产生微气泡，所产生的预混氢气微气泡随着液相的流动而上升；另外补充氢气进入定向鼓泡装置；鼓泡装置产生的较大气泡与喷嘴产生的微气泡均匀混合上升。
进一步的，所述喷嘴分布盘3开孔数量为液相流量/20方每小时～液相流量/0.2方每小时。
进一步的，所述微气泡喷嘴2、定向鼓泡装置4的最小流道尺寸不小于3mm，加工材料应具有耐腐蚀的性能。
本发明的有益效果在于：
(1)混有催化剂的渣油和氢气在微气泡喷嘴中进行充分混合，氢气以微气泡形式存在于渣油中，提高了浆态床渣油加氢中的气含率，停留时间长，并且增加了气液接触面积。
(2)较大气泡的存在提升了浆态床加氢反应的液相传质系数，强化了浆态床各相之间的传质，使得渣油加氢的转换率提高。
(3)总体上提高了体传质系数，提高了浆态床渣油加氢时氢气的利用率，降低了氢油比，节省操作成本。
附图说明
图1是实施例1的装置结构示意图；
图2是微气泡喷嘴2的结构剖面示意图；
图3是喷嘴分布盘3的俯视结构示意图；
图4是定向鼓泡装置4的结构示意图；
符号说明:
1-浆态床底部液相入口；2-微气泡喷嘴；3-喷嘴分布盘；4-定向鼓泡装置；5-初级分布器；21-喷嘴液相入口；22-喷嘴气相入口；23-喷嘴出口；41-定向鼓泡装置的表面开孔。
具体实施方式
下面，通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
目前，国内外浆态床气体分布器主要有两种形式，一种是气相通过喷嘴进入浆态床床层；另一种是气相通过分布盘进入浆态床床层。但两种方法都存在诸多弊端，例如气相通过喷嘴进入浆态床床层，鼓泡尺寸不均匀，且基本趋于小气泡，气体在床层中下部就会被反应掉，导致床层上部反应微弱，传质效果差；又如气相通过分布盘进入浆态床床层，气泡尺寸较大，气泡上升速度大，停留时间短，气液接触面积小，传质效果差，产品转换率较低。而采用微气泡发生与鼓泡环相结合的方法，氢气以微气泡形式存在于渣油中，提高了浆态床渣油加氢中的气含率，气泡数量多，气泡平均尺寸较小，微气泡的上升速度较小，停留时间长，并且增加了气液接触面积，强化了浆态床各相之间的传质，使得渣油加氢的转换率提高，并且提高了浆态床渣油加氢时氢气的利用率，降低了氢油比。基于以上发现，本发明得以完成。
如图1所示，为本发明的实施例1结构示意图，该浆态床多尺度气泡产生装置主要包括微气泡喷嘴2；喷嘴分布盘3；定向鼓泡装置4。某石化厂采用该多尺度气泡产生装置进行浆态床进行渣油加氢，渣油性质及操作条件如下表所示：
表1渣油性质
| 密度(20℃)，kg.m<sup>-3</sup> | 1025.6 |
| 残碳值，wt％ | 18.9 |
| S,wt％ | 2.8 |
| N,wt％ | 0.38 |
| 金属元素，ug/g | |
| Fe | 2.9 |
| Ni | 38.7 |
| V | 286.4 |
| 胶质,wt％ | 25.7 |
| 沥青质，wt％ | 13.8 |
表2操作条件
| 反应温度，℃ | 430 |
| 反应压力，MPa | 16 |
| 氢油体积比，v/v | 950 |
首先，劣质渣油从浆态床底部液相入口进入反应器内部，控制渣油的入口流速为2-5m/s,反应器内部的劣质渣油进入喷嘴的液相入口，氢气由喷嘴的气相入口进入喷嘴内部，完成氢油预混。进入喷嘴中的渣油及氢气从喷嘴出口喷出，产生10-45微米的微气泡，所产生的微气泡随着液相的流动而上升。氢气由鼓泡环的入口进入鼓泡环，从鼓泡环的上部气相出口排出，产生3-10cm的鼓泡。随着渣油的流动，鼓泡与微气泡均匀混合上升。
当采用该方法及装置对浆态床进行渣油加氢时，氢油体积比由原来的980降为950，渣油转换率由原来的68％提升为74％。
本发明的主要优点在于：
本发明混有催化剂的渣油和氢气在微气泡喷嘴中进行充分混合，氢气以微气泡形式存在于渣油中，提高了浆态床渣油加氢中的气含率，促进了加氢反应的进行；使得浆态床加氢反应时，气泡数量多，气泡平均尺寸较小，微气泡的上升速度较小，停留时间长，并且增加了气液接触面积，强化了浆态床各相之间的传质，使得渣油加氢的转换率提高；提高了浆态床渣油加氢时氢气的利用率，降低了氢油比，节省操作成本。
Claims (10)
1.一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，包括如下步骤：
(1)首先，渣油原料从浆态床底部进入反应器底部，预混氢气通过初级分布器在反应器底部，形成气液混合物，完成氢油预混；
(2)隔板下形成氢气气垫保护氛围，液相渣油和预混氢气进入喷嘴的导流入口；进入喷嘴中的渣油及氢气从喷嘴出口喷出，产生微气泡，所产生的预混氢气微气泡与液相流动同向上升；
(3)补充氢气进入定向鼓泡装置；鼓泡装置产生的较大气泡与喷嘴产生的微气泡均匀混合上升。
2.根据权利要求1所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，其特征在于，所述步骤(1)中，反应器底部的初级分布器的氢气压力降不小于0.2KPa。
3.根据权利要求1所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，其特征在于，所述步骤(2)中，喷嘴的导流入口液相速度为3-15m/s，导流入口处的气液体积流量比最大为50，能够产生10-2000微米的微气泡。
4.根据权利要求1所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，其特征在于，所述步骤(3)中，定向鼓泡装置的氢气压力降不低于反应器液相高度导致压强的30％，产生气泡直径为2-100mm。
5.根据权利要求1所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，其特征在于，所述步骤(1)中的初级分布器采用焊接连接的方法与浆态床底部联接。
6.根据权利要求1所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，其特征在于，所述步骤(1)中的喷嘴垂直安装在喷嘴分布盘上，喷嘴分布盘采用焊接的方法与浆态床内壁连接。
7.根据权利要求1所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，其特征在于，所述步骤(1)中的喷嘴结构尺寸相同，保留1～15个涡流构件的低位安装，实现反应器停工彻底退料。
8.根据权利要求1所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生方法，其特征在于，所述步骤(1)中的喷嘴顶部与所述步骤(3)中的定向鼓泡装置的竖直距离为100mm～0.1倍浆态床反应器内径。
9.一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生装置，其特征在于，所述装置从下往上依次设置有初级分布器、微气泡喷嘴、喷嘴分布盘、定向鼓泡装置；
所述初级分布器与预混气相连通；浆态床底部液相进料入口设在气泡产生装置底部；所述定向鼓泡装置与气相进料入口连通；
所述喷嘴分布盘均匀开孔；
所述微气泡喷嘴的喷嘴液相入口设置在该喷嘴纵剖面的底部位置，喷嘴气相入口设置在底部的水平位置，喷嘴出口设置在顶部位置；
所述定向鼓泡装置表面开孔，开孔倾角θ大于0度，小于180度；
劣质渣油从浆态床底部液相入口进入反应器底部，预混氢气通过初级分布器在反应器底部形成气液混合物；劣质渣油和预混氢气进入喷嘴的导流入口；进入喷嘴中的渣油及氢气从喷嘴出口喷出，产生微气泡，所产生的预混氢气微气泡随着液相的流动而上升；另外补充氢气进入定向鼓泡装置；鼓泡装置产生的较大气泡与喷嘴产生的微气泡均匀混合上升。
10.根据权利要求9所述的一种适用于强化浆态床传质的多尺度气泡产生装置，其特征在于，所述喷嘴分布盘3开孔数量为液相流量/20方每小时～液相流量/0.2方每小时。
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