CN110270282A - 一种分形气泡构型可控式浆态床反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，属于气液反应器设备，在不同的反应器高度上进行气泡可控的强混，该强混内件包括：在反应器支撑隔板均匀布置多个A型强混组件，每个A型强混组件上方设置有M型分布组件。A型强混组件包括液相提升管、气相提升管、短接横管以及末端喷嘴；液相提升管中的液体与来自气相提升管、短接横管的气体进行混合，进入末端喷嘴释放多个尺度的氢气气泡，并在隔板上方形成局部液相射流。该装置通过在液相提升管喉管利用液相卷吸产生较小气泡、在末端喷嘴利用曲面喷嘴剪切形成较大气泡，气液流动均匀，隔板下方气液液面稳定，在隔板上方形成的气泡尺度可控且液相湍流强烈，有利于浆态床反应器的取热和传质。
Description
技术领域
本发明涉及气泡反应器设备，尤其针对劣质渣油的加氢裂解、加氢精制等领域，在高温、高压反应器波动工况下气泡尺度可调，满足实际工业应用的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器。
背景技术
浆态床反应器广泛用于如煤制油费托合成反应、渣油加氢等三相反应过程中，这些反应放热强烈，需要在反应器内部取热。另外，浆态床反应器的直径可达5米，在反应器放大过程中，往往会出现温度分布不均匀，导致局部温升过高、催化剂积碳或失活、以及反应选择性下降等不利后果，影响放大效果，因此浆态床反应器结合换热效率高效且强混型的换热、传质元件才能解决上述问题。
对于渣油加氢浆态床反应器，通常是气液同向上升的流动型式，反应器内的气泡尺度影响着传质界面面积和传质系数。
气泡尺度越小，气泡上升速度越低，单位容积内的气泡数量越多；气泡尺度越小，气泡比表面积越大，单位容积内的气液界面面积越大；气泡尺度越小，单位容积内的含气率越高。同时在大尺度范围内，气泡尺寸越小，气泡与气泡之间的聚并概率越低，可以保持较小的气泡群尺寸，从而避免在流动过程中产生过大尺寸的气泡。
气泡群的尺寸是一个范围，而且根据表面更新传质理论，需要有一定比例的较大气泡以便提供良好的液体局部湍动，以提高液相一侧传质系数。所以浆态床反应器内部理想状态是存在一部分较小气泡，以提供足够的传质界面面积，另外存在一部分较大气泡，以提升液相湍动。两种气泡以一定比例均匀分散在反应器内部，可以达到较好的传质、换热效果。
基于目前对于浆态床反应器的认识，需要对反应器内部的气泡尺度进行调控、对反应器内部混合程度进行加强。
发明内容
本发明的目的是针对目前浆态床反应器存在气泡尺度控制不精确、反应器内部流场混合强度不足够的现状，提出强化换热、传质的气泡构型可调的强混型浆态床反应器。
一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，该反应器内设有进行气泡可控的强混内件，该强混内件包括：在反应器内的支撑隔板上均匀布置若干个A型强混组件，各A型强混组件上方设置有M型分布组件；该A型强混组件包括液相提升管、气相提升管、短接横管以及末端喷嘴；
液相提升管连接液相进口，气相提升管设有气相进口，末端喷嘴连接出料口；
液相提升管中的液体与来自气相提升管、短接横管的气体进行混合，进入末端喷嘴释放多个尺度的氢气气泡，并在隔板上方形成局部液相射流。
液体经过液相提升管喉管时，将来自短接横管的气体卷吸进来，形成微细气泡，液相提升管内的液体速度为0.5～15m/s，液相提升管喉管直径为液相提升管直径的0.05～0.5倍。
气体经过气相提升管喉管时，对气体流动进行节流，气相提升管喉管处的气相速度为20～100m/s，气相提升管内的气体速度为10～30m/s。气相进口为开设在气相提升管外测的槽孔，槽孔宽度为1～8mm，槽孔垂直高度为10～300mm。
短接横管与液相提升管的连接采用菱形接口，菱形截面的水平短轴与液相提升管喉管的最小直径在同一高度，菱形截面水平短轴长度为液相提升管喉管的最小直径的0.1～0.9倍，菱形截面水平长轴长度为水平短轴长度的1.2～5倍，菱形截面的中心位于短接横管的中轴线。
短接横管、液相提升管、气相提升管的直径范围为3～200mm，且可以互相相等。
末端喷嘴、液相提升管喉管、气相提升管喉管均采用渐缩、渐扩结构，末端喷嘴处的液相表观速度为2～20m/s。
M型分布组件是一个竖直横截面为M形状的圆盘，圆盘开设有小圆孔，按照从M型分布组件的高位到低位，小圆孔直径呈现依次增大规律；
小圆孔直径为1～20mm，M型分布组件表面开孔率为0.09～0.7；
A型强混组件的顶部端面与支撑隔板上表面平齐或略低，A型强混组件与支撑隔板之间应密封。
M型分布组件的最低位置与与支撑隔板上表面的高度差为20～200mm；
所述气泡构型包括尺寸分形和位置分形，即气泡尺寸分布符合尺度分形定律、任何反应器区域均呈现小气泡藏身于大气泡之中的规律。
反应器内部气泡直径和气泡累积数量存在关系式：即气泡分形尺度定律，等号左边代表尺寸大于等于λ的气泡数量，反应器内最大气泡尺寸为λmax，Df为分形维数。
本发明通过在液相提升管喉管利用液相卷吸产生较小气泡、在末端喷嘴利用曲面喷嘴剪切形成较大气泡，气液流动均匀，隔板下方气液液面稳定，在隔板上方形成的气泡尺度可控且液相湍流强烈，有利于浆态床反应器的取热和传质。
附图说明
图1是反应器内某一高度上结构示意图；
图2是A型强混内件结构示意图。
图3菱形接口示意图。
图中：
1-M型分布组件、2-支撑隔板、3-A型强混组件、3-1出料口、3-2末端喷嘴、3-3液相提升管喉管、3-4菱形接口、3-5液相提升管、3-6液相进口、3-7气相提升管喉管、3-8气相进口、3-9气相提升管、3-10短接横管。
具体实施方式
目前，国内外浆态床气体分布器主要有两种形式，一种是气相通过节流鼓泡进入浆态床反应器；另一种是气相通过液体剪切破碎后进入浆态床反应器。气相通过液体剪切的喷嘴进入浆态床反应器时，当气液流量波动或者工艺调整工况下，气泡尺寸难以控制，而且极易出现飞温、结焦、产品质量下降的难题。而单纯鼓泡产生的气泡尺寸过大，不能满足日益精细化的反应器操作条件。而采用A型强混的方法，同时产生较小气泡和较大气泡，并且由于该方法产生的两种气泡比例只与液相流量有关，即在相同的液相进料下，改变进入反应器的气体比例，不影响两种气泡的分配比例，进而可以准确预测反应器内的传质、取热效率，通过气泡尺寸的可控调节，实现反应器的稳定操作。
本发明最终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，使得氢油比变化调整时，反应器内部得以稳定运行。基于以上发现，本发明得以完成。
如图1、图2和图3所示，为本发明的实施例1结构示意图，一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，该浆态床强混组件主要包括在不同的反应器高度上进行气泡可控的强混内件，针对某一高度上的强混内件，具体的讲，包括M型分布组件1、支撑隔板2、A型强混组件3。该A型强混组件包括液相提升管35、气相提升管39、短接横管310以及末端喷嘴32；液相提升管35连接液相进口36，气相提升管39设有气相进口38，末端喷嘴32连接出料口31；液相提升管35中的液体与来自气相提升管39、短接横管310的气体进行混合，进入末端喷嘴释放多个尺度的氢气气泡，并在隔板上方形成局部液相射流。所述M型分布组件是一个竖直横截面为M形状的圆盘，圆盘开设有小圆孔，按照从M型分布组件的高位到低位，小圆孔直径呈现依次增大的规律布置。所述A型强混组件的顶部端面与支撑隔板上表面平齐或略低，A型强混组件与支撑隔板之间密封。
液体经过液相提升管喉管时，将来自短接横管的气体卷吸进来，形成微细气泡，液相提升管内的液体速度为0.5～15m/s，液相提升管喉管直径为液相提升管直径的0.05～0.5倍。
气体经过气相提升管喉管37时，对气体流动进行节流，气相提升管喉管处的气相速度为20～100m/s，气相提升管内的气体速度为10～30m/s。气相进口为开设在气相提升管外测的槽孔，槽孔宽度为1～8mm，槽孔垂直高度为10～300mm。
短接横管与液相提升管的连接采用菱形接口34，菱形截面的水平短轴与液相提升管喉管33的最小直径在同一高度，菱形截面水平短轴长度为液相提升管喉管的最小直径的0.1～0.9倍，菱形截面水平长轴长度为水平短轴长度的1.2～5倍，菱形截面的中心位于短接横管的中轴线。
短接横管、液相提升管和气相提升管的直径范围为3～200mm，且三者直径相等。所述末端喷嘴、液相提升管喉管、气相提升管喉管均采用渐缩、渐扩结构，末端喷嘴处的液相表观速度为2～20m/s。所述圆盘上的小圆孔直径为1～20mm，M型分布组件表面开孔率为0.09～0.7。所述M型分布组件的最低位置与与支撑隔板上表面的高度差为20～200mm。
某石化厂采用该浆态床反应器进行渣油加氢，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，℃ | 400 |
| 反应压力，MPa | 13(原)，8.0(现) |
| 氢油体积比，v/v | 900(原)，260(现) |
该浆态床强混组件三个高度上的强混内件，对于每一层强混内件，M型分布组件1和A型强混组件3在支撑隔板上均布297个，液相提升管内的液体速度为2m/s，液相提升管喉管直径为液相提升管直径的0.3倍。
气体经过气相提升管喉管时，对气体流动进行节流，气相提升管喉管处的气相速度为50m/s，气相提升管内的气体速度为20m/s。末端喷嘴处的液相表观速度为10m/s。
M型分布组件的小圆孔直径为1～20mm，M型分布组件表面开孔率为0.5，M型分布组件的最低位置与与支撑隔板上表面的高度差为50mm；
当采用该方法及装置进行渣油加氢时，氢油体积比由原来的900降为260，渣油转换率由原来的68％提升为74％。
Claims (10)
1.一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，该反应器内设有进行气泡可控的强混内件，该强混内件包括：在反应器内的支撑隔板上均匀布置若干个A型强混组件，各A型强混组件上方设置有M型分布组件；该A型强混组件包括液相提升管、气相提升管、短接横管以及末端喷嘴；
液相提升管连接液相进口，气相提升管设有气相进口，末端喷嘴连接出料口；
液相提升管中的液体与来自气相提升管、短接横管的气体进行混合，进入末端喷嘴释放多个尺度的氢气气泡，并在隔板上方形成局部液相射流。
2.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，所述M型分布组件是一个竖直横截面为M形状的圆盘，圆盘开设有小圆孔，按照从M型分布组件的高位到低位，小圆孔直径呈现依次增大的规律布置。
3.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，所述A型强混组件的顶部端面与支撑隔板上表面平齐或略低，A型强混组件与支撑隔板之间密封。
4.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，液体经过液相提升管喉管时，将来自短接横管的气体卷吸进来，形成微细气泡，液相提升管内的液体速度为0.5～15m/s，液相提升管喉管直径为液相提升管直径的0.05～0.5倍。
5.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，气体经过气相提升管喉管时，对气体流动进行节流，气相提升管喉管处的气相速度为20～100m/s，气相提升管内的气体速度为10～30m/s；
所述气相进口为开设在气相提升管外测的槽孔，槽孔宽度为1～8mm，槽孔垂直高度为10～300mm。
6.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，短接横管与液相提升管的连接采用菱形接口，菱形截面的水平短轴与液相提升管喉管的最小直径在同一高度，菱形截面水平短轴长度为液相提升管喉管的最小直径的0.1～0.9倍，菱形截面水平长轴长度为水平短轴长度的1.2～5倍，菱形截面的中心位于短接横管的中轴线。
7.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，短接横管、液相提升管和气相提升管的直径范围为3～200mm，且三者直径相等。
8.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，所述末端喷嘴、液相提升管喉管、气相提升管喉管均采用渐缩、渐扩结构，末端喷嘴处的液相表观速度为2～20m/s。
9.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，所述圆盘上的小圆孔直径为1～20mm，M型分布组件表面开孔率为0.09～0.7。
10.根据权利要求1所述的一种分形气泡构型可控式浆态床反应器，其特征在于，所述M型分布组件的最低位置与与支撑隔板上表面的高度差为20～200mm。
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