CN111495288A - 一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法，包括鼓泡式反应器、进气装置、进液装置、至少两个气泡破碎器、三相分离器和循环泵。氢气和带催化剂的渣油原料经预热后进入气泡破碎器，形成微米级气泡体系，之后分别自顶部的气泡破碎器和底部的气泡破碎器的第一出料口进入鼓泡式反应器内，两股微米级气泡体系在鼓泡式反应器中相向喷流，在催化剂的作用下进行加氢反应。本发明的反应装置和方法具有加氢反应压力超低、气液比小、气液传质面积大，反应速率快，能耗低，工艺灵活和生产安全性高等优点。

Description

一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法
技术领域
本发明涉及一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法。
背景技术
自上世纪七十年代以来，从石油中采出的原油质量开始变差，原油中的重质油含量尤其是渣油收率出现增加的趋势。渣油因原油产地、炼油工艺等的不同可分为很多种类，不同种类的理化性质各不相同。一般可分为常压渣油和减压渣油两大类。渣油的主要成分包括饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质，在高温高压和催化剂的作用下，渣油可以深度加氢，通过开环裂化等一系列复杂的物理化学变化而获得轻质燃料油产品。
随着世界各国对轻质油品的需求日益增加，对环保的要求不断趋严，人们对渣油的加氢反应技术投入了更大的关注。传统的渣油加氢反应一般采用悬浮床加氢反应器，该反应器虽然对原料的适应性强、操作简单，但由于其受传质控制，因而加氢反应效率较低。其根本原因是反应器内的气泡尺度较大（一般为3-10mm），故气液相界传质面积小（一般在100-200m2/m3），因而限制了传质效率。因此，工程上不得不采用高温（470℃以上）和高压（20MPa以上）操作，通过增加氢的溶解度以提高传质速率，从而强化反应过程。但高温高压产生一系列副作用：能耗和生产成本高、投资强度大、设备操作周期短、故障多、本质安全性差等，从而给工业化大规模生产带来挑战。气泡直径（Sauter 直径）d32是决定相界面积大小的关键参数，是决定气液反应速率的核心因素。d32逐渐减小时，体积传质系数逐渐增大；特别是当d32小于1mm时，体积传质系数随d32的减小以类似于指数形式快速增大。因此，将d32减小到微米级能够大幅度强化气液反应。直径在1μm ～1 mm之间的气泡可称为微气泡，由微气泡形成的相界面称为微界面，微气泡群形成的相界面体系，称为微界面体系。根据Yang-Laplace方程，气泡的内压与其半径成反比，故微气泡也有利于提高气泡内压，提高气体的溶解度。因此气液反应过程中，微界面体系能够强化气液传质，进而加快气液反应。微气泡具有刚性特征，独立性好，不易聚并，因此微气泡体系的气液充分混合，可获得含有大量微气泡体系，并在反应器内形成较高的相界面积（≥1000m-1），进而加快反应速率。
发明内容
本发明的目的是为渣油加氢反应提供一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法。它包含鼓泡式反应器、气泡破碎器、三相分离器等组件。气泡破碎器可将气液体系的气泡尺度由传统的3-10mm，破碎缩小至1μm-1mm，从而大幅度地提高体系气含率和气液传质面积，加速多相反应进程，提高气体利用率，改善过量排放造成的环境问题，并提高传质速率和加氢反应效率，以解决渣油加氢过程高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此降低设备的投资成本和运行费用。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种上下对冲式微界面强化反应装置，包括：
鼓泡式反应器，顶部设有第二出料口，底部侧壁设有第三出料口，顶部侧壁设有第四出料口；
进气装置，包括依次连接的氢气缓冲罐、压缩机和氢气预热器，用于原料气体输送；
进液装置，包括依次连接的渣油原料罐、进料泵，进料泵分别连接第一渣油预热器和第二渣油预热器，用于原料液体输送；
至少两个气泡破碎器，分别设置于鼓泡式反应器外壳的顶部和底部，所述气泡破碎器上设有气相入口、液相入口和第一出料口，所述第一出料口连接鼓泡式反应器；气相入口连接进气装置的氢气预热器及第四出料口，液相入口分别连接进液装置的第一渣油预热器和第二渣油预热器；顶部的气泡破碎器的第一出料口通过气液混合管路连接鼓泡式反应器；
三相分离器，上设有第二进料口、气相出口、液相出口和固相出口；所述第二进料口连接鼓泡式反应器顶部的第二出料口；
循环泵，连接鼓泡式反应器的第三出料口，将自第三出料口排出的料液泵入顶部的气泡破碎器。
微界面强化反应装置中，由于气泡比较小，因此气液分离较慢，需在反应器后设置分离器以实现微气泡与液体、固体催化剂分离。
本发明的上下对冲式反应装置，在渣油和氢气分别从上下两个破碎器的液相入口和气相入口进入破碎器内部时，氢气被破碎微米级气泡体系，以增大与油相的接触面积；另外，上方破碎器内的低压区可以将反应器内液面上方部分未反应完的氢气反复送至液层底部继续参与反应，从而延长了气液两相的接触时间，并使得两相混合更加充分；此外，两个破碎器高速喷出的气液混合流体会在反应器内部流场中产生对冲效应，进一步将流体的机械能转化为气泡的表面能，从而再次促进了相界面积的增大。综合上述几点，可以达到强化传质和加快宏观反应速率的效果，这样既可降低体系的压力，又可减小氢油的配比，因此能有效解决传统鼓泡式反应器的存在的问题。
作为本发明的进一步改进，所述气泡破碎器为气动式气泡破碎器、液动式气泡破碎器或气液联动式气泡破碎器。气泡破碎器根据能量输入方式可为气动式、液动式和气液联动式，其中气动式破碎器采用气体驱动，输入气量远大于液体量；液动式破碎器采用液体驱动，输入气量一般小于液体量；气液联动式气泡破碎器采用气体和液体共同驱动。气泡破碎器内可形成平均直径在1μm-1mm之间的微气泡。微气泡尺度为微米级，类似于刚性小球，在微界面强化反应装置主体中不容易聚并，仅随反应过程中气泡内成分的消耗或外部压力变化而变化，因此微界面强化反应装置可使气液相界面积提高到1000m2/m3以上，从而显著减少多相反应时间，大幅降低能耗与物耗。
作为本发明的进一步改进，所述气泡破碎器设有至少三个；气泡破碎器串联形成一个气泡破碎器组后连接鼓泡式反应器，例如上方设置两个气泡破碎器，串联后连接鼓泡式反应器；或与鼓泡式反应器并联连接，例如上方设置两个气泡破碎器，两个气泡破碎器均直接连接鼓泡式反应器；或串并联混合的方式与鼓泡式反应器连接。
作为本发明的进一步改进，所述进料泵选用柱塞泵。
本发明还提供了利用上述装置用于渣油加氢反应的方法，包括：
原料渣油从渣油原料罐采出，经进料泵与循环泵泵入的循环液汇合后经渣油预热器进入微气泡破碎器，同时原料氢气从氢气原料罐采出，经压缩机和氢气预热器后，连同第四出料口采出的氢气进入气泡破碎器，顶部和底部气泡破碎器形成的两股微米级气泡体系在鼓泡式反应器中相向喷流，在催化剂的作用下进行加氢反应；
反应器下部部分料液经第三出料口通过循环泵进入顶部的气泡破碎器，循环流动；另一部分物料则从反应器上部的第二出料口引出，进入三相分离器中进行气液固三相分离；气体自气相出口采出，液相油品从液相出口采出，固渣则从固相出口采出。
作为本发明的进一步改进，进入气泡破碎器的气体原料和液体原料的标准体积比为300-2000:1。如对于加氢开环反应体系，一般为300-1200:1；优选400-800：1；对于加氢脱硫反应体系，一般为300-2000:1。
作为本发明的进一步改进，气泡破碎器内的操作压强为1-10MPa；优选2-5MPa。如对于加氢开环反应体系，一般为1-8MPa；优选2-5MPa：1；对于加氢脱硫反应体系，一般为6-18MPa。
作为本发明的进一步改进，所述催化剂选用粉末型催化剂，其粒径为100nm-1000μm；优选100nm-100μm。
作为本发明的进一步改进，所述鼓泡式反应器内空速控制为0.2-1.5h-1；优选0.5-1.2h-1。
作为本发明的进一步改进，所述气泡破碎器内操作温度为400-480℃；如对于加氢开环反应体系，一般为440-480℃；对于加氢脱硫反应体系，一般为400-450℃。
本发明的反应体系，为保证气泡破碎器内体系进入反应器，气泡破碎器操作温度、压强略高于反应器内操作温度、压强，在气泡破碎器内气泡大小较小时，更利于反应进行，可进一步降低反应器内操作温度、压强。
本发明相较于传统鼓泡式反应器的优点在于：
1.能耗低。传统的鼓泡式反应器通过高压(>20MPa)来提高氢气在渣油中的溶解度，以加强传质。而本发明则是通过增大气液两相的相界面积，达到强化传质的效果。因此可以适当调低压力，从而降低了能耗。
2. 氢油比低。传统鼓泡式反应器为了保证渣油能充分反应，气油比一般控制在2000-3000:1。本方法由于传质、进而反应都得到了强化，因此可大幅减小氢油比，这不但减少了氢气的物耗，同时也降低了循环压缩的能耗。
3. 工艺苛刻度低，生产安全性高，吨产品成本低，市场竞争力强。
附图说明
图1为用于渣油加氢反应的上下对冲式微界面强化反应系统示意图；
图中，1、9、10、11、13、14、16、19为输送管道；2-上方气泡破碎器液相入口；3-上方气泡破碎器；4-鼓泡式反应器；5-三相分离器；6-三相分离器气相出口；7-三相分离器液相出口；8-三相分离器固相出口；12-循环泵；15-下方气泡破碎器液相入口；17-下方气泡破碎器气相入口；18-上方气泡破碎器气相入口；20-渣油原料罐；21-进料泵；22-第一渣油预热器；23-第二渣油预热器；24-氢气缓冲罐；25-压缩机；26-氢气预热器；27-下方气泡破碎器；28-气液混合管路。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例具体说明本发明的装置结构，如图1所示用于渣油加氢反应的上下对冲式微界面强化反应装置，包括：
鼓泡式反应器4，顶部设有第二出料口，底部侧壁设有第三出料口；
进气装置，包括依次连接的氢气缓冲罐24、压缩机25和氢气预热器26，用于原料气体输送；
进液装置，包括依次连接的渣油原料罐20、进料泵21，进料泵分别连接第一渣油预热器22和第二渣油预热器23，用于原料液体输送；本实施例中进料泵21选用柱塞泵；
至少两个气泡破碎器，分别设置于鼓泡式反应器4外壳的顶部和底部，所述气泡破碎器上设有气相入口、液相入口和第一出料口，所述第一出料口连接鼓泡式反应器；气相入口连接进气装置的氢气预热器26，液相入口分别连接进液装置的第一渣油预热器22和第二渣油预热器23；顶部的气泡破碎器的第一出料口通过气液混合管路28连接鼓泡式反应器；
本实施例中采用气液联动式气泡破碎器3和气动式气泡破碎器27，气液联动式气泡破碎器3设置于鼓泡式反应器外壳的顶部，气液联动式气泡破碎器的液相入口2和气动式气泡破碎器的液相入口15分别自第一渣油预热器22、第二渣油预热器23连接循环泵12，气液联动式气泡破碎器的气相入口18和气动式气泡破碎器的气相入口17连接氢气预热器26。
气泡破碎器也可为三个以上气泡破碎器，气泡破碎器串联形成一个气泡破碎器组后连接鼓泡式反应器，或与鼓泡式反应器并联连接，或串并联混合的方式与鼓泡式反应器连接。气泡破碎器可为液动式、气动式或气液联动式，三者的驱动气液比存在区别。
三相分离器5，上设有第二进料口、气相出口6、液相出口7和固相出口8；所述第二进料口连接鼓泡式反应器4顶部的第二出料口；
循环泵12，连接鼓泡式反应器的第三出料口，将自第三出料口排出的料液泵入顶部的气泡破碎器。
实施例2
本实施例以渣油加氢开环反应为例，具体说明本发明方法的一种实施方式。
原料渣油从渣油原料罐20采出，经进料泵21通过管道9之后分成两路，一路经管道16与管道11中的循环液汇合后再经上方第一渣油预热器22由上方气泡破碎器液相入口2进入上方气泡破碎器3，另一路经下方第二渣油预热器23再经管道14由下方气泡破碎器液相入口15进入下方气泡破碎器27；同时，原料氢气从氢气原料罐24采出，经压缩机25和氢气预热器26进入管道1之后也分成两路，一路经上方气泡破碎器气相入口18，连同经由管道13自第四出料口吸入的氢气(鼓泡式反应器4中未反应完而集聚在液面上方)，一起进入上方破碎器3，另一路经管道19由下气泡破碎器气相入口17进入下方气泡破碎器27。气液两相在气泡破碎器3和27的作用下进行充分混合，氢气被破碎成平均直径300~400μm的微气泡，以增大两相接触面积。顶部气泡破碎器的输出物料经气液混合管路28伸入反应器内，与底部进入的混合物料相向喷流，在鼓泡式反应器4中进行激烈对冲，流体湍动进一步加剧，两相界面进一步增大，在催化剂的作用下进行加氢开环反应；
鼓泡式反应器下部，部分料液自第三出料口经管道10采出，通过循环泵12、管道11、液相入口2进入顶部的气泡破碎器，如此不断地进行循环流动。另一部分物料则从反应器上部的第二出料口引出，进入三相分离器5中，进行气液固三相分离。未反应完的H2和反应生成的气体从三相分离器5顶端的气相出口6采出，经加氢开环后的液相油品从液相出口7采出，催化剂等固渣则从最底端的固相出口8采出，各自收集，进行后续处理。
本实施例中，氢气和渣油以800：1的体积配比进入反应系统。在破碎器的作用下，氢气被破碎成平均直径300~400μm的微米级气泡，反应压力7MPa，反应温度465℃。采用碳载铁系催化剂，空速控制为1.5h-1。轻油收率为85%，该收率略高于传统的鼓泡式反应器在18MPa、480℃时的收率（84%）。
实施例3
本实施例和实施例2的不同之处在于，氢气和渣油以1200：1的体积配比进入反应系统。在破碎器的作用下，氢气被破碎成平均直径400μm~1mm的微米级气泡，反应压力1MPa，反应温度480℃。采用碳载铁系催化剂，空速控制为0.2h-1。轻油收率为83%，
实施例4
本实施例以渣油加氢脱硫反应为例，具体说明本发明方法的一种实施方式。
原料渣油从渣油原料罐20采出，经进料泵21通过管道9之后分成两路，一路经管道16与管道11中的循环液汇合后再经上方第一渣油预热器22由上方气泡破碎器液相入口2进入上方气泡破碎器3，另一路经下方第二渣油预热器23再经管道14由下方气泡破碎器液相入口15进入下方气泡破碎器27；同时，原料氢气从氢气原料罐24采出，经压缩机25和氢气预热器26进入管道1之后也分成两路，一路经上方气泡破碎器气相入口18，连同经由管道13吸入的氢气(鼓泡式反应器4中未反应完而集聚在液面上方)，一起进入上方破碎器3，另一路经管道19由下气泡破碎器气相入口17进入下方气泡破碎器27。气液两相在气泡破碎器3和27的作用下进行充分混合，氢气被破碎成平均直径100~400μm的微气泡，以增大两相接触面积。顶部气泡破碎器的输出物料经气液混合管路28伸入反应器内，与底部进入的混合物料相向喷流，在鼓泡式反应器4中进行激烈对冲，流体湍动进一步加剧，两相界面进一步增大，在催化剂的作用下进行加氢脱硫反应；
反应器下部，部分料液经管道10采出，通过循环泵12、管道11、液相入口2进入反应器，如此不断地进行循环流动。另一部分物料则从反应器上部引出，进入中间罐5中，进行气液固三相分离。未反应完的H2和反应生成的H2S等气体从中间罐5顶端的气相出口6采出，经加氢脱硫后含硫量较低的液相油品从液相出口7采出，催化剂等固渣则从最底端的固相出口8采出，各自收集，进行后续处理。
氢气和渣油以2000：1的体积配比进入反应系统；气泡破碎器内反应压力为10MPa，反应温度为440℃。鼓泡式反应器4内采用碳载铁系催化剂，空速控制为0.5h-1。原料渣油中硫含量为0.6wt.%，经过本加氢脱硫的反应流程处理之后，降为0.04 wt.%。
实施例5
实施例5与实施例4的不同之处在于，氢气和渣油以300：1的体积配比进入反应系统，氢气被破碎成平均直径1~300μm的微气泡；气泡破碎器内反应压力为18MPa，反应温度为400℃。鼓泡式反应器4内采用碳载铁系催化剂，空速控制为1.0h-1。原料渣油中硫含量为0.5wt.%，经过本加氢脱硫的反应流程处理之后，降为0.03 wt.%。

Claims (10)

1.一种上下对冲式微界面强化反应装置，其特征在于，包括：
鼓泡式反应器，顶部设有第二出料口，底部侧壁设有第三出料口，顶部侧壁设有第四出料口；
进气装置，包括依次连接的氢气缓冲罐、压缩机和氢气预热器，用于原料气体输送；
进液装置，包括依次连接的渣油原料罐、进料泵，进料泵分别连接第一渣油预热器和第二渣油预热器，用于原料液体输送；
至少两个气泡破碎器，分别设置于鼓泡式反应器外壳的顶部和底部，所述气泡破碎器上设有气相入口、液相入口和第一出料口，所述第一出料口连接鼓泡式反应器；气相入口连接进气装置的氢气预热器及第四出料口，液相入口分别连接进液装置的第一渣油预热器和第二渣油预热器；顶部的气泡破碎器的第一出料口通过气液混合管路连接鼓泡式反应器；
三相分离器，上设有第二进料口、气相出口、液相出口和固相出口；所述第二进料口连接鼓泡式反应器顶部的第二出料口；
循环泵，连接鼓泡式反应器的第三出料口，将自第三出料口排出的料液泵入顶部的气泡破碎器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡破碎器为气动式气泡破碎器、液动式气泡破碎器或气液联动式气泡破碎器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡破碎器设有至少三个；气泡破碎器串联形成一个气泡破碎器组后连接鼓泡式反应器，或与鼓泡式反应器并联连接，或串并联混合的方式与鼓泡式反应器连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进料泵选用柱塞泵。
5.权利要求1~4任一项所述装置用于渣油加氢反应的方法，其特征在于，包括：
原料渣油从渣油原料罐采出，经进料泵与循环泵泵入的循环液汇合后经渣油预热器进入微气泡破碎器，同时原料氢气从氢气原料罐采出，经压缩机和氢气预热器后，连同第四出料口采出的氢气进入气泡破碎器，顶部和底部气泡破碎器形成的两股微米级气泡体系在鼓泡式反应器中相向喷流，在催化剂的作用下进行加氢反应；
反应器下部部分料液经第三出料口通过循环泵进入顶部的气泡破碎器，循环流动；另一部分物料则从反应器上部的第二出料口引出，进入三相分离器中进行气液固三相分离；气体自气相出口采出，液相油品从液相出口采出，固渣则从固相出口采出。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进入气泡破碎器的气体原料和液体原料的标准体积比为300-2000:1。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，气泡破碎器内的操作压强为1-18MPa。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述催化剂选用粉末型催化剂，其粒径为100nm-1000μm。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述鼓泡式反应器内空速控制为0.2-1.5h-1。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气泡破碎器内操作温度为400-480℃。
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