CN111530382A - 一种冷氢箱结构及固定床加氢反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷氢箱结构及固定床加氢反应器，涉及化工设备技术领域。冷氢箱结构，包括自上而下设置的环形冷氢管和对撞混合盘；环形冷氢管上设置有用于在环形内射流的内侧出氢口和用于在环形外射流的外侧出氢口；对撞混合盘包括顶板、底板和用于连接顶板和底板的多个流道板，底板用于固定于反应器内壁上，顶板的直径小于底板的直径，底板上在顶板的投影范围内设置有对撞出料口，多个流道板围绕对撞出料口形成多个对撞流道，对撞流道出料端的宽度小于进料端的宽度。利用对撞流在强化传质传热方面的独特优势，满足快速整体降温，降低冷氢箱轴向高度，提高反应器的空间利用率。

Description

一种冷氢箱结构及固定床加氢反应器

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，具体而言，涉及一种冷氢箱结构及固定床加氢反应器。

背景技术

在环保法规日趋严格的大背景下，各类石油产品中杂质含量的标准也日益提高。加氢技术作为清洁燃料生产过程中必不可少的技术，在炼厂生产中发挥重大作用。加氢技术包括加氢裂化、加氢精制等。加氢反应为放热反应，目前国内绝大多数采用下流式固定床反应器结构。反应物料由上而下流经催化剂床层，并在其作用下进行加氢反应，随着反应的不断进行，放出的反应热使催化剂床层温度不断升高，升高的温度会加快反应使床层温度快速上升，严重时会造成催化剂烧结，影响催化剂性能和寿命。因此固定床加氢反应器通常设置多个催化剂床层，并在床层之间设置冷氢箱。冷氢箱的主要作用有两个方面：通过注入冷氢一方面为反应补充所需要的氢气，另一方面为反应油气降温，保证反应以合适的温度进行。

冷氢箱设计的基本要求：(1)需要保证能够实现对热油气的快速降温，保证进入下一个床层的反应物流处于最佳温度范围；(2)通过冷热流体的充分接触实现换热，物流温度一致，且能实现较好的初分配；(3)内部结构要尽量简化，避免产生较大压降，减小循环氢压缩机的负荷。

随着加氢反应器直径的逐渐增大，传统箱式结构的冷氢箱在设计时往往需要占用很高的反应器高度，造成反应器空间利用率降低，物流在混合流道内的停留时间难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷氢箱结构，旨在提升气液混合效果，降低冷氢箱的整体高度。

本发明的另一目的在于提供一种固定床加氢反应器，其反应器内冷氢结构占用的高度较低，整体反应器的高度也相应降低。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种冷氢箱结构，用于设置于相邻的两个催化剂床层之间的反应器内壁上，包括自上而下设置的环形冷氢管和对撞混合盘；环形冷氢管上设置有用于在环形内射流的内侧出氢口和用于在环形外射流的外侧出氢口；

对撞混合盘包括顶板、底板和用于连接顶板和底板的多个流道板，底板用于固定于反应器内壁上，顶板的直径小于底板的直径，底板上在顶板的投影范围内设置有对撞出料口，多个流道板围绕对撞出料口形成多个对撞流道，对撞流道出料端的宽度小于进料端的宽度。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，对撞流道包括全流道和封堵流道，封堵流道靠近对撞出料口的一端封闭设置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，对撞流道还包括半流道，半流道的出料端设置有封堵板，封堵板的一端与顶板相连，封堵板的另一端与底板和对应的两个流道板之间形成一个半流道口。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，封堵流道相邻的一侧流道为半流道，封堵流道相邻的另一侧流道为全流道。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，环形冷氢管包括进料管和主体环管，进料管的出料端与主体环管的进料口连通，主体环管上设置有多个内侧喷嘴和多个外侧喷嘴，内侧出氢口位于内侧喷嘴上，外侧出氢口位于外侧喷嘴上；

内侧喷嘴和外侧喷嘴均具有与主体环管连通的连接端和与连接端相对的封闭端，内侧出氢口位于内侧喷嘴的侧壁上以形成内侧旋流，外侧出氢口位于外侧喷嘴的侧壁上以形成外侧旋流。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，内侧喷嘴和外侧喷嘴的喷射方向与主体环管连接处的切线方向的夹角均为15-30°。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，每个外侧喷嘴连接于相邻的两个内侧喷嘴之间的主体环管上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括位于对撞混合盘下方的受液板，受液板上设置有多个降液孔。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，受液板包括受液底板和溢流堰，溢流堰的底端与受液底板的边缘相连，受液底板包括与对撞出料口相对的中心封闭区域和围绕中心封闭区域的边缘降液区域，多个降液孔均位于受液板的边缘降液区域上。

本发明还提供一种固定床加氢反应器，包括多个催化剂床层，在相邻的两个催化剂床层之间设置有上述冷氢箱结构。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的冷氢箱结构，其通过在相邻的两个催化剂床层之间的反应器内壁上设置冷氢箱结构，利用环形冷氢管上的内侧出氢口和外侧出氢口分别在环形内和环形外进行射流，利用环形内的射流使高温油气向中心聚集后在对撞混合盘的底板上迅速累积，有流道板引导形成多股，气液混合相流体在对撞流道内进行两两对撞，在撞击瞬间达到极高的相间相对速度，从而极大地强化两股流体间热量的传递。

值得注意的是，本发明所提供的冷氢箱结构改变了传统结构利用混合箱体空间设置流道使两相进行接触换热的设计理念，利用对撞流在强化传质传热方面的独特优势，在满足快速整体降温、减小截面温差、满足压降要求的同时，降低冷氢箱轴向高度，提高反应器的空间利用率。

本发明所提供的固定床加氢反应器，其通过在相邻的两个催化剂床层之间设置有上述冷氢箱结构，实现对热油气的快速降温，整体结构较为简化，且高度有所降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的冷氢箱结构的示意图；

图2是图1中冷氢箱结构的部分结构示意图；

图3是图1中环形冷氢管的结构示意图；

图4是图3中Ⅴ区的放大图；

图5是图1中对撞混合盘上各流道的分布图；

图6是图1中受液板的结构示意图。

图标：100-冷氢箱结构；001-反应器内壁；110-环形冷氢管；111-进料管；112-主体环管；113-内侧喷嘴；114-外侧喷嘴；115-内侧出氢口；116-外侧出氢口；120-对撞混合盘；121-顶板；122-底板；123-流道板；124-对撞出料口；125-对撞流道；1251-全流道；1252-封堵流道；1254-半流道；1255-封堵板；130-受液板；131-降液孔；132-受液底板；133-溢流堰；134-中心封闭区域；135-边缘降液区域。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参照图1-图2，本发明实施例提供一种冷氢箱结构100，设置于相邻的两个催化剂床层之间的反应器内壁001上，包括自上而下设置的环形冷氢管110、对撞混合盘120和受液板130。利用环形冷氢管110射流反应用氢气，氢气和热油气混合后进入对撞混合盘120进行强化传热，最后经过受液板130后进入下一床层。

需要说明的是，环形冷氢管110、对撞混合盘120和受液板130与反应器的整体形状相适应即可，一般可以将对撞混合盘120和受液板130均设计为圆形，但是不限于附图中所示形状。

请结合图1、图3和图4，环形冷氢管110包括进料管111和主体环管112，进料管111的出料端与主体环管112的进料口连通，主体环管112上设置有多个内侧喷嘴113和多个外侧喷嘴114，在内侧喷嘴113上设置用于在环形内射流的内侧出氢口115，在外侧喷嘴114上设置用于在环形外射流的外侧出氢口116，利用内侧出氢口115和外侧出氢口116分别在环形内和环形外进行射流，以进一步产生错流，强化传质传热。

进一步地，内侧喷嘴113和外侧喷嘴114均具有与主体环管112连通的连接端和与连接端相对的封闭端，内侧出氢口115位于内侧喷嘴113的侧壁上以形成内侧旋流，外侧出氢口116位于外侧喷嘴114的侧壁上以形成外侧旋流。具体地，内侧出氢口115朝向一致，外侧出氢口116朝向也一致，从而形成内侧旋流和外侧旋流。在一些优选实施例中，外侧出氢口116和内侧出氢口115朝向相反以进一步强化错流，如多个内侧出氢口115方向呈逆时针排列，多个外侧出氢口116方向呈顺时针排列。

在本发明较佳的实施例中，内侧喷嘴113和外侧喷嘴114均为圆柱形或锥形结构，喷嘴的喷射方向与主体环管112连接处的切线方向的夹角为15-30°，以扩大射流口的作用范围。

在本发明较佳的实施例中，每个外侧喷嘴114连接于相邻的两个内侧喷嘴113之间的主体环管112上，这样外侧喷嘴114和内侧喷嘴113交错设置。外侧喷嘴114和内侧喷嘴113数量不限，总数可以为10-30个，优选为10-20个，分别均布于主体环管112内侧和外侧。

进一步地，请参照图2和图5，对撞混合盘120包括顶板121、底板122和用于连接顶板121和底板122的多个流道板123，底板122固定于反应器内壁上，顶板121的直径小于底板122的直径，底板122上在顶板121的投影范围内设置有对撞出料口124，多个流道板123围绕对撞出料口124形成多个对撞流道125，对撞流道125出料端的宽度小于进料端的宽度。具体地，顶板121直径为反应器内径的1/6，底板122直径与反应器内径一致。顶板121为全封闭板，底板122中心位置开孔，开孔直径为顶板121直径的1/3。

需要说明的是，冷氢箱结构100改变了传统结构利用混合箱体空间设置流道使两相进行接触换热的设计理念，利用对撞流在强化传质传热方面的独特优势，在满足快速整体降温、减小截面温差、满足压降要求的同时，降低冷氢箱轴向高度，提高反应器的空间利用率。高温油气向中心聚集后在对撞混合盘的底板上迅速累积，有流道板123引导形成多股，气液混合相流体在对撞流道125内进行两两对撞，在撞击瞬间达到极高的相间相对速度，从而极大地强化两股流体间热量的传递，撞击后流体落在受液盘130上通过降液孔131进入下一床层。

具体地，对撞出料口124位于底板122的中心处，顶板121的直径大于底板122的直径，这样气液混合物均落入底板122上进入对撞流道125内进行两两对撞，利用对撞流道125的出料端和出料端尺寸的变化进一步加速流动和对撞程度。底板122的形状与反应器的形状相适应，可以为圆形板，顶板121也可以为圆形板，在其他实施例中也可以根据需要设置为长方形板等其他形状。

进一步地，对撞流道125包括全流道1251、封堵流道1252和半流道1254，封堵流道1252的出料端封闭。封堵流道1252能够进一步增强物料之间的碰撞，加快传热速率。如图5所示，封堵流道1252中的物料将无法从对撞出料口124流出，在该流道空间中再次剧烈碰撞后，进入全流道1251或半流道1254输出。

进一步地，半流道1254的出料端设置有封堵板1255，封堵板的一端与顶板121相连，封堵板1255的另一端与底板122和对应的两个流道板123之间形成一个半流道口。半流道1254的设置同样能够进一步增加碰撞的剧烈程度，在该流道中物料积累到一定高度(超过封堵板1255的高度)后才通过对撞出料口124流出。

在本发明较佳的实施例中，封堵流道1252相邻的一侧流道为半流道1254，封堵流道1252相邻的另一侧流道为全流道1251。

具体地，流道板123的数量为4-20块，优选6-16块；如图6所示，如果是8块，8块流道板123将底板122和顶板121间隔区域分为8个扇形流道。封堵板1255的曲率半径与底板122上的对撞出料口124开孔半径一致，同样封堵流道1252上的全封堵板也与底板122上的对撞出料口124开孔半径一致，且高度与底板122和顶板121的间距一致，共4个，安装在同一直线上的两个流道上，将四个流道封闭；封堵板1255高度为底板122和顶板121的间距的一半，共2个，安装在同一直线上的两个流道上，将两个流道半封闭。这样就形成了4个封堵流道1252、2个半流道1254与2个全流道1251交替，保证相同结构两两相对。

需要强调的是，本发明实施例采用整体封闭板的扇形区域，液体速度较小，在特定的应用场合该区域可以作为部分容垢空间，提高内构件整体的容垢能力。冷氢箱还能兼有部分容垢能力，这也是该发明专利的一项首创。

进一步地，受液板130上设置有多个降液孔131，从对撞混合盘120的底板122上下落的混合物落入受液板130上从降液孔131下落至下一反应器床层。

进一步地，请结合图2和图6，受液板130包括受液底板132和溢流堰133，溢流堰133的底端与受液底板132的边缘相连，受液底板132包括与对撞出料口124相对的中心封闭区域134和围绕中心封闭区域134的边缘降液区域135，多个降液孔131均位于受液板130的边缘降液区域135上，溢流堰133顶部为锯齿结构。在下落中心封闭区域134的瞬间大部分流体会反溅回对撞混合盘120的底板122，在两层板的空间内形成大量涡流，进一步强化混合换热。当流体在两层板间经过多次撞击后速度降低，由受液底板132上的降液孔131流出。

具体地，受液底板132可以为圆形板，受液底板132直径为反应器内径的1/2，中间区域不开孔(即中心封闭区域134)，不开孔区域半径与上述对撞混合盘120中封堵板1255的曲率半径一致，其余空间均匀布置的降液孔131。

进一步地，环形冷氢管110的中心轴线与对撞混合盘120的底板122之间的间距为100-500mm，对撞混合盘120的底板122与受液板130的受液板130之间的间距为100-400mm，冷氢箱结构100的整体高度为300-800mm。本发明实施例中的冷氢箱结构100的整体高度较低，是由于发明人特别设计的旋流强化和二次撞击强化作用的结果。

本发明实施例还提供一种固定床加氢反应器，包括多个催化剂床层，在相邻的两个催化剂床层之间设置有上述冷氢箱结构，其由于冷氢结构整体的高度较低，降低了整体床层的高度。

以附图中的结构为例，具体参数如下：(1)内侧喷嘴8个(喷口方向逆时针排列)，外侧喷嘴8个(喷口方向顺时针排列)，主体环管直径为2828mm，管径114mm。内侧喷嘴和外侧喷嘴高度为30mm，直径30mm，距离环管连接处17.5mm位置开直径11mm的喷孔。射流部轴线方向与相连接处环管切线呈30°夹角，使喷口方向远离环管。(2)对撞混合盘中，顶板直径1260mm，底板直径4000mm，中心开直径460mm的圆形孔；流道板高度100mm，隔为8个扇形流道；8个扇形流道中的四个由高100mm的第一封堵板封闭，两个由高50mm的封堵板半封闭，剩余两个流道为完全敞开。(3)受液板中，受液底板直径为2020mm，在中心直径460mm范围内不开孔，其余位置以间隔100mm均布直径25mm的降液孔。受液底板的侧壁设置溢流堰，高100mm，顶部为锯齿状。(4)环形冷氢管中心线距离对撞混合盘下端面为250mm，对撞混合盘下端面距离受液板下端面为300mm，冷氢箱整体高度为610mm。该装置在旋流混合、对撞强化和碰撞产生的涡流三重作用下，仅需要极小的空间，实现冷热流体的快速混合和传热。经过数值仿真模拟，热油气和冷氢经过以上结构冷氢箱混合后，由受液盘流出后，床层截面温度分布均匀度在0.98以上。

综上所述，本发明提供了一种冷氢箱结构，其通过在相邻的两个催化剂床层之间的反应器内壁上设置冷氢箱结构，利用环形冷氢管上的内侧出氢口和外侧出氢口分别在环形内和环形外进行射流，利用环形内的射流使高温油气向中心聚集后在对撞混合盘的底板上迅速累积，有流道板引导形成多股，气液混合相流体在对撞流道内进行两两对撞，在撞击瞬间达到极高的相间相对速度，从而极大地强化两股流体间热量的传递，撞击后流体落在受液盘上通过降液孔进入下一床层。

本发明还提供一种固定床加氢反应器，包括多个催化剂床层，在相邻的两个催化剂床层之间设置有上述冷氢箱结构，同样具备物料传热速率快，整体高度低的优点。

本发明实施例的显著优势：

(1)传统箱体空间内无论如何延长流道，由于反应物和氢气两相间的密度差，极易造成分层流动，导致接触混合效果不佳。本发明结构通过高速旋流的冷氢推动热流体向内聚集，在流道板123形成的流通面积逐渐减小的扇形流道内进行加速，之后高速两两对撞，利用对撞瞬间的高速使两股流体相互掺混，强化接触传热，不受接触面积和接触时间的影响，极大提高混合效率。同时混合流体在受液板和对撞混合盘底板之间的空间内进行多次往返式撞击，大量涡流增大混合强度，进一步强化换热；(2)当用于反应器直径大于5米的反应器内，本发明的冷氢箱的混合机理决定了其结构只需在径向上增大，而无需增加轴向高度，符合当前冷氢箱扁平化发展的趋势；(3)采用旋流-撞击流双重过程强化新技术，冷氢箱内节流和扰流结构相对简单，压降较小；(4)部分采用了整体封闭板结构，带有独立的扇形封闭空间，还可以兼有容垢能力。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷氢箱结构，用于设置于相邻的两个催化剂床层之间的反应器内壁上，其特征在于，包括自上而下设置的环形冷氢管和对撞混合盘；所述环形冷氢管上设置有用于在环形内射流的内侧出氢口和用于在环形外射流的外侧出氢口；

所述对撞混合盘包括顶板、底板和用于连接所述顶板和所述底板的多个流道板，所述底板用于固定于反应器内壁上，所述顶板的直径小于所述底板的直径，所述底板上在所述顶板的投影范围内设置有对撞出料口，多个所述流道板围绕所述对撞出料口形成多个对撞流道，所述对撞流道出料端的宽度小于进料端的宽度。

2.根据权利要求1所述的冷氢箱结构，其特征在于，所述对撞流道包括全流道和封堵流道，所述封堵流道靠近所述对撞出料口的一端封闭设置。

3.根据权利要求2所述的冷氢箱结构，其特征在于，所述对撞流道还包括半流道，所述半流道的所述出料端设置有封堵板，所述封堵板的一端与所述顶板相连，所述封堵板的另一端与所述底板和对应的两个所述流道板之间形成一个半流道口。

4.根据权利要求3所述的冷氢箱结构，其特征在于，所述封堵流道相邻的一侧流道为所述半流道，所述封堵流道相邻的另一侧流道为所述全流道。

5.根据权利要求1所述的冷氢箱结构，其特征在于，所述环形冷氢管包括进料管和主体环管，所述进料管的出料端与所述主体环管的进料口连通，所述主体环管上设置有多个内侧喷嘴和多个外侧喷嘴，所述内侧出氢口位于所述内侧喷嘴上，所述外侧出氢口位于所述外侧喷嘴上；

所述内侧喷嘴和所述外侧喷嘴均具有与所述主体环管连通的连接端和与所述连接端相对的封闭端，所述内侧出氢口位于所述内侧喷嘴的侧壁上以形成内侧旋流，所述外侧出氢口位于所述外侧喷嘴的侧壁上以形成外侧旋流。

6.根据权利要求5所述的冷氢箱结构，其特征在于，所述内侧喷嘴和所述外侧喷嘴的喷射方向与所述主体环管连接处的切线方向的夹角均为15-30°。

7.根据权利要求5所述的冷氢箱结构，其特征在于，每个所述外侧喷嘴连接于相邻的两个所述内侧喷嘴之间的所述主体环管上。

8.根据权利要求1所述的冷氢箱结构，其特征在于，还包括位于所述对撞混合盘下方的受液板，所述受液板上设置有多个降液孔。

9.根据权利要求8所述的冷氢箱结构，其特征在于，所述受液板包括受液底板和溢流堰，所述溢流堰的底端与所述受液底板的边缘相连，所述受液底板包括与所述对撞出料口相对的中心封闭区域和围绕所述中心封闭区域的边缘降液区域，多个所述降液孔均位于所述受液板的所述边缘降液区域上。

10.一种固定床加氢反应器，其特征在于，包括多个催化剂床层，在相邻的两个所述催化剂床层之间设置有权利要求1-9中任一项所述的冷氢箱结构。

Images