CN111992143B - 一种气液分配设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液分配设备，包括自上而下设置的挡帽、混合管和分配盘；挡帽为圆形平板或锥形伞状，设于混合管上端，其与混合管上端之间的空隙作为气相通道；混合管为两端敞口的倒锥形管，上端为大端作为混合管入口、下端为小端作为混合管出口，混合管下端固定于分配盘的安装孔上，混合管管壁上设溢流孔作为液相通道，混合管内壁上设旋转导叶，旋转导叶末端、混合管出口前的混合管内壁上设有一层或两层或多层集液盘，集液盘为凹形平底圆盘，以凸起的凹边与混合管管壁固定连接，集液盘盘底均布分配孔，供气液两相通过。本发明可以增大气液两相的接触，促进气液两相的雾化效果，减少溢流管内的壁流现象。

Description

一种气液分配设备

技术领域

本发明属于石油炼制和化工设备领域，涉及一种反应器内构件，具体地说，涉及一种气液分配设备。

背景技术

近年来，随着石化产品质量标准的逐渐升级和环保法规的日益严格，加氢技术在炼油工业中发挥着越来越重要的作用，加之对原料油“吃干榨尽”的要求，国内外炼油企业为提高经济效益和应对环保的要求，迅速扩大各类油品加氢处理能力。

加氢处理关键核心设备为加氢反应器，在加氢反应器内部，一定比例氢气(气相)和原料油(液相)的混合物在一定温度和压力下，借助催化剂的作用，完成各类加氢反应。固定床加氢反应器作为加氢反应器一种重要的类型，气液混合物流并流向下通过催化剂床层进行反应。由于加氢反应是气、液、固三相存在的强放热反应，如果催化剂床层入口处的物流分配不均匀，催化剂床层物流就会形成“局部偏流”或“局部轴向沟流”，床层截面上各点反应快慢不一致，导致床层出现局部过热，影响产品的质量，催化剂在温度过高时会失活甚至结焦、板结。另外，液相流中氢气溶解度较低或液相物流接触不到氢气等“缺氢”条件下反应器内会发生缩聚、缩合等“有害反应”，导致催化剂失去活性，阻碍装置的平稳运行。因此，为了使催化剂性能稳定和装置平稳运行，需要在催化剂床层上方设置分配盘，分配盘上设置多组气液分配器，一方面提高氢气在液相流中的溶解度，另一方面将催化剂上方的气液两相均匀、快速地分配到整个反应器截面上。加之，目前反应器正朝着大型化的方向发展，对整个反应器截面气液均匀分配带来更大的挑战，气液均匀分布的要求更加迫切。

现有的气液分配器按液相进入气液分配器的方式，可分为三类：溢流型、抽吸型和二者混合型。溢流型气液分配器的主要特点是压降小，尺寸小，单位面积等效分配器个数多，气相与液相流动方向基本为垂直，结构简单，制造难度较低，适用于高粘度介质，缺点是对分配盘安装水平度的要求较苛刻。抽吸型分配器主要是泡帽型结构分配器，依靠气体在泡帽条缝处的抽吸作用，把液体冲碎成液滴并被气体携带进入中心管，实现气液混合和分配，但存在液相流通面积较小、分配盘压降较大、操作弹性较低的问题，并且对粘度大的介质适应性差。混合型气液分配器是在中心管的中下部下设溢流孔，其压降性能和操作弹性较单纯的溢流型和抽吸型气液分配器均有所改善，但是分配性能有所下降。

美国专利US3524731公开了一种溢流型长短管气液分配器，从局部看，气液分配不均匀，但通过整个气液分配盘上多对长短管的组合，气液两相基本上能实现均匀分布。中国专利CN200520032630.3公开了一种溢流型分配器，为V型开口气液分面器，更适用于大型加氢反应器使用；中国专利CN205216800U公开了一种溢流型分配器，以喉管状结构扩大气液相喷洒范围；中国专利CN201220737754.1公开了一种溢流-喷射管型分配器，促进了气液两相的混合，但分配器高度相对较高。

上述气液分配器都有各自的优点和使用范围，但总体来说存在气相雾化液相能力较差、气相与液相接触时间短、气在液相中溶解度低、气液两相喷洒面积小、喷洒液滴大、喷洒不均匀、气液分配器管内壁流严重等问题，需要进一步改进。

发明内容

为了解决现有技术存在的气相雾化液相能力较差、气相与液相接触时间短、气在液相中溶解度低、气液两相喷洒面积小、喷洒液滴大、喷洒不均匀、气液分配器管内壁流严重等技术问题，本发明提供了一种气液分配设备，以增大气液两相的接触，促进气液两相的雾化效果，减少气液分配器管内的壁流现象。

本发明提供的气液分配设备包括自上而下设置的挡帽、混合管和分配盘；挡帽为圆形平板或锥形伞状，设于混合管上端，其与混合管上端之间的空隙作为气相通道；混合管为两端敞口的倒锥形管，上端为大端作为混合管入口、下端为小端作为混合管出口，混合管下端固定于分配盘的安装孔上，混合管管壁上设溢流孔作为液相通道，混合管内壁上设旋转导叶，旋转导叶末端、混合管出口前的混合管内壁上设有一层或两层或多层集液盘，集液盘为凹形平底圆盘，以凸起的凹边与混合管管壁固定连接，集液盘盘底均布分配孔，供气液两相通过。

所述挡帽主要起阻止上部液相直接进入混合管的作用，确保上部液相全部收集在分配盘上，全部液相须经混合管上的溢流孔进入混合管，消除上部液相的不均匀带来的下部液相分配不均匀。挡帽直径为混合管大端直径的1.1～2倍，挡帽可通过一个或两个或多个支撑筋固定在混合管管壁上，也可以通过一个或两个或多个支撑筋固定在混合管中的集液盘上。挡帽与混合管间的距离宜为0.05～1倍挡帽直径，气相从挡帽与混合管之间的空隙进入混合管。为使得气相加速进入混合管，促进混合管内的湍流程度和气液两相在混合管内的混合程度，挡帽优选为锥形伞状且为倒锥形，由于流通面积逐渐减小，气相得以加速进入混合管，形成旋流的初始动力。当挡帽为倒锥形伞状时，宜在挡帽下方设置一整圈竖直向下的圆形围板，使液相全部收集于分配盘上，避免液相可能顺着挡帽下方而直接流入混合管，圆形围板直径至少为混合管大端直径的1.05倍。

混合管下端直径为25～200mm，上端直径为下端直径的1.2～3倍，混合管高80～400mm；混合管管壁上的溢流孔，供液相进入混合管内，溢流孔可以为圆孔或方孔或其它形状开孔，从加工方便的角度考虑，开孔宜为圆孔，直径为2～30mm。

混合管内的旋转导叶引导气液两相在混合管内旋转向下，相邻两旋转导叶间的距离为0.1～2倍混合管小端直径。旋转导叶可增加气液两相在混合管内的接触时间，增大混合管内的湍流程度，促进气相更多的溶解到液相中。

为了更好的发挥旋转导叶的效果，作为改进的方案，混合管上的溢流孔沿混合管管壁顺着螺旋导叶的螺旋方向呈螺旋状分布，溢流孔位于旋转导叶与混合管内壁接触处上方，优选位于接触处上方5～50mm处，溢流孔倾斜向下朝向旋转导叶，且沿混合管管壁从上至下溢流孔尺寸逐渐减小。溢流孔的位置、朝向、大小如此设置的好处是后进入混合管的液相同先进入混合管的液相在方向上基本一致，后进入的液相不阻碍原液相的流动，使液相进入混合管后流动更为顺畅，减小了流动阻力，同时混合管上部开孔大，流量大，大部分液体从上部进入混合管，大部分液相在混合管内混合时间长，保证混合效果；下部开孔小，流速大，湍流程度大，促进在短时间内实现较好的混合效果。

旋转导叶末端、混合管出口前设置集液盘的目的是将从溢流孔中进入的液相全部引流进入集液盘，避免液相沿混合管内壁向下流动，从本质上避免了混合管内的壁流现象。集液盘上按正方形或正三角形或环形均匀分布若干分配孔，供气液两相通过；分配孔可以为圆孔也可为条缝或其它任何形状，从加工方便的角度，宜为圆孔。开圆孔时，开孔直径一般为2～20mm。为加大气液两相在混合管内的行程，相邻两层集液盘的分配孔呈交错排列，即下层集液盘的分配孔对应于上层集液盘未开孔部分的中心区域。通过一层或两层或多层集液盘，进一步气液两相接触时间长，促进氢气在液相中的溶解，同时避免了混合管内壁流现象，实现了气液两相均匀离开混合管。

作为改进的方案，在分配盘下方固定有与混合管同轴设置的分散板，分散板可采用不同的结构：

结构之一：分散板为椭球板或球状板，位于混合管下方，固定于分配盘下表面，直径为混合管下端直径的1.2～3倍，椭球板或球状板上呈圆周形排布有2～10排喷射孔，气液两相从混合管内进入分散板和分配盘之间的空间，从喷射孔离开气液分配设备。喷射孔为圆孔，直径为3～20mm；喷射孔可以为等径孔、缩径孔、扩径孔，为减小喷洒出的液相对下方瓷球、催化剂的冲击，扩大喷射范围，有效促进气相对液相的雾化效果，喷射孔优选等径孔和扩径孔；进一步，椭球板或球状板上可设置一圈或两圈或多圈环向导向板，环向导向板将分散板分割成包含不同数量喷射孔的环形区域，环向导向板起引流和分隔的作用，将最后一层集液盘上分配孔中喷出的气液两相进行分流和分隔的作用，确保每个区域内都有液相，实现气液两相的均匀分配，椭球板或球状板具有喷洒面积大、喷洒均匀的优点；

结构之二：分散板为锥形板,位于混合管下方，通过一个或两个或多个支撑板固定于分配盘下方。分散板大端直径宜为混合管小端直径的0.6～2倍，锥角角度为70～160度；分散板上开喷射孔供气液两相离开气液分配设备，锥形板中心设有一较大中心喷射孔，中心喷射孔开孔直径为混合管小端直径的0.2～0.8倍，锥面上设有1～5排锥面喷射孔，锥面喷射孔为圆孔，沿圆周排布，开孔直径为5～50mm；分散板中心喷射孔使一部份气液两相直接离开气液分配设备，另一部分气液两相在锥形板的导流作用下，以较大的扩散角离开气液分配设备，扩散面积大；同时气液两相可通过锥面喷射孔离开气液分配设备，使得气液两相分布更均匀，使得分配设备下方的催化剂床层能均匀接收到的气液两相。锥形板分散板具有结构简单、压降小，喷洒面积大、喷洒均匀的优点。

本发明的工作过程为：

自上方流下的液相经挡帽的遮挡作用，在重力的作用下，液相全部收集于分配盘上，进行二次分配。气相积聚于上方，从挡帽和混合管上端之间的空隙(即气相通道)进入混合管中，沿螺旋导叶旋流而下；液相沉积于分配盘上，待积聚到一定液高后，在压差的作用下，经溢流孔进入混合管中，与旋流而下的气相接触混合，旋流而下，气液两相进入下方的集液盘，在四周高、中间低的集液盘的收集作用下，液相全部收集到集液盘上。气液两相通过集液盘上的分配孔离开混合管后，经分散板的进一步分散，实现气液两相的充分接触、均匀分配。

本发明具有如下有益效果：

1)所有液相物料全部收集在分配盘上再进行分配，避免了不均匀的进料导致的分配不均匀；

2)螺旋导叶和集液盘延长了气液两相接触时间，促进气相在液相中的溶解，同时有效避免了混合管内壁流现象；

3)气相雾化液相能力好、气液两相分散面积大、分散液滴小、分散均匀，有助于加氢反应的平稳运行。

附图说明

图1是本发明气液分配设备的一种结构示意图；

图2是本发明气液分配设备的另一种结构示意图；

图3是本发明的集液盘的结构示意图；

图4是本发明的分散板为球状板时的结构示意图；

图5是本发明的分散板为锥形板时的结构示意图。

图中：1-挡帽，2-混合管，3-螺旋导叶，4-溢流孔，5-集液盘，6-分配盘，7-球状板，8-导向板，9-喷射孔，10-支撑筋，11-圆形围板，12-支撑板，13-锥形板，14-分配孔，15-中心喷射孔，16-锥面喷射孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明的气液分配设备主要包括自上而下设置的挡帽1、混合管2和分配盘6；挡帽1为锥形伞状，通过支撑筋10设于混合管2上端，支撑筋10下端固定于集液盘5上，挡帽1下端与混合管2上端之间的空隙作为气相通道，挡帽1下方设置一整圈竖直向下的圆形围板11，混合管2为两端敞口的倒锥形管，上端为大端作为混合管入口、下端为小端作为混合管出口，混合管2下端固定于分配盘6的安装孔上，混合管管壁上设溢流孔4作为液相通道，混合管内壁上设旋转导叶3，旋转导叶末端、混合管出口前的混合管内壁上设有两层集液盘5，集液盘5为凹形平底圆盘，以凸起的凹边与混合管管壁固定连接，集液盘盘底均布分配孔，供气液两相通过。分散板为球状板7，固定于分配盘6下表面，球状板7上设有喷射孔9和环向导向板8。混合管2上的溢流孔4沿混合管管壁顺着螺旋导叶的螺旋方向呈螺旋状分布，溢流孔4位于旋转导叶3与混合筒内壁接触处上方5～50mm处，溢流孔4倾斜向下朝向旋转导叶3，且沿混合管管壁从上至下溢流孔尺寸逐渐减小。

如图2所示，其与图1的区别在于：一是仅设置了一层集液盘5；二是分散板结构不同，图中的分散板为锥形板13，锥形板13通过支撑板12固定于分配盘6下方。

图3为集液盘的结构示意图，其上均布分配孔14。

图4中，球状板上沿圆周排布有喷射孔9，环向导向板8将分散板分割成包含不同数量喷射孔的环形区域。

图5中，锥形板中心为中心喷射孔15，锥面上设有锥面喷射孔16。

如图1和图2所示，本发明工作时，自上方流下的液相经挡帽1的遮挡作用，在重力的作用下，液相全部收集于分配盘6上，进行二次分配。气相积聚于上方，从挡帽1和混合管2上端之间的空隙(即气相通道)进入混合管2中，沿螺旋导叶3旋流而下；液相沉积于分配盘6上，待积聚到一定液高后，在压差的作用下，经溢流孔4进入混合管中，与旋流而下的气相接触混合，旋流而下，气液两相进入下方的集液盘5，在四周高、中间低的集液盘的收集作用下，液相全部收集到集液盘5上。气液两相通过集液盘5上的分配孔离开混合管2后，穿过分配盘6上的安装孔经分散板(球状板7或锥形板13)的进一步分散，实现气液两相的充分接触、均匀分配。

Claims (8)

1.一种气液分配设备，其特征在于：包括自上而下设置的挡帽、混合管和分配盘；挡帽为圆形平板或锥形伞状，设于混合管上端，其与混合管上端之间的空隙作为气相通道；混合管为两端敞口的倒锥形管，上端为大端作为混合管入口、下端为小端作为混合管出口，混合管下端固定于分配盘的安装孔上，混合管管壁上设溢流孔作为液相通道，混合管内壁上设旋转导叶，旋转导叶末端、混合管出口前的混合管内壁上设有一层或两层或多层集液盘，集液盘为凹形平底圆盘，以凸起的凹边与混合管管壁固定连接，集液盘盘底均布分配孔，供气液两相通过；所述混合管管壁上的溢流孔为圆孔或方孔；所述混合管上的溢流孔沿混合管管壁顺着螺旋导叶的螺旋方向呈螺旋状分布，溢流孔位于旋转导叶与混合筒内壁接触处上方，溢流孔倾斜向下朝向旋转导叶；当所述集液盘设置为两层或多层时，相邻两层集液盘的分配孔呈交错排列，即下层集液盘的分配孔对应于上层集液盘未开孔部分的中心区域。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述挡帽下方设置一整圈竖直向下的圆形围板，所述挡帽通过支撑筋固定在混合管管壁上或者通过支撑筋固定在混合管中的集液盘上。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述溢流孔沿混合管管壁从上至下其尺寸逐渐减小。

4.根据权利要求1～3任一所述的设备，其特征在于：所述分配盘下方固定有与混合管同轴设置的分散板。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述分散板为椭球板或球状板，椭球板或球状板上呈圆周形排布有喷射孔，喷射孔为等径孔、缩径孔或扩径孔。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：所述椭球板或球状板上设置一圈或两圈或多圈环向导向板，环向导向板将分散板分割成包含不同数量喷射孔的环形区域。

7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述分散板为锥形板,通过支撑板固定于分配盘下方。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述锥形板中心设有中心喷射孔，锥面上设有锥面喷射孔。

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