CN112316885A - 一种气液分布装置和反应塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液分布装置和反应塔。气液分布装置包括气相管道、液相管道和喷嘴组件。气相管道包括沿长度方向间隔分布的气相支管；液相管道与气相管道平行间隔设置，且包括沿长度方向间隔分布的液相支管，液相支管穿设于气相管道内，并至少部分的位于气相支管内；喷嘴组件设置在气相支管处，且包括与气相支管和液相支管分别相连通的气相通道和液相通道；其中，位于相邻液相支管间的液相管道包括刚性管和至少一段挠性管。根据本发明的气液分布装置，能够使液相管道在温差较大的环境下存在一定伸缩空间，有效减小热应力对液相管道的影响；气相介质作为协流与液相介质一同由喷嘴组件流出，能够加强气液相介质的混合效果，显著提高气液反应效率。

Description

一种气液分布装置和反应塔

技术领域

本发明属于化工装备技术领域，具体涉及一种气液分布装置和反应塔。

背景技术

气液反应塔是一种重要的化工过程设备，它可以使气液两相间形成充分接触的相界面，使相际传质及传热快速有效地进行，在石油、化工、医药和环境等领域都有着广泛的应用。

气液相反应属于非均相化学反应，其传质效率主要是由气液两相能否充分混合来决定的，而气液两相充分混合的关键之一便是液相介质在反应塔内的均匀分布。因此，作为气液反应塔的核心部件，液体分布器是保证反应塔内传质效率的关键因素，对气液反应塔的进一步开发具有重要影响。

目前，常用的液体分布器主要有喷淋式、孔盘式和分布槽式。

孔盘式液体分布器和分布槽式液体分布器均属于重力型分布器，主要是靠液位分布液体，实现液相介质的均匀分布。由于这两种分布方式均采用重力作为动力，对水平度的偏差十分敏感，因此对分布器的制造及安装精度要求较高。普通型式的孔盘分布器和重力分布槽由于其自身结构的限制，对大塔径反应塔内液体分布的效果并不十分理想。

喷淋式液体分布器为压力型分布器，其原理是液相介质在一定压力下由一个或若干个喷嘴喷出，形成圆锥状的雾化流，使液相介质在其雾化角范围内均匀地分布在填料表面上。由于喷淋式分布器所产生的雾化液滴需要通过较长的喷射距离到达填料表面，为保证雾化液滴在反应器中能够与气相介质充分混合，对雾化液滴的粒径具有很高的要求，所采用的喷嘴出口孔径往往较小。一旦液相管路中存在杂质，极易导致喷嘴的堵塞，不利于反应装置的长周期运行。

此外，常用的液体分布器的液相管道在温差较大的环境下容易因热应力作用而发生弯曲或折断。并且，在一般的气液反应塔中，气相介质通常仅作为环境介质由反应塔顶部或底部缓慢流入，如气相介质的分布不均匀，也会导致部分气体无法与液相介质充分接触，从而降低气液反应效率。

为此，需要提供一种气液分布装置和反应塔，以至少部分地解决相关技术中的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种气液分布装置，其包括：

气相管道，所述气相管道包括沿所述气相管道的长度方向间隔分布的气相支管；

液相管道，所述液相管道与所述气相管道平行间隔设置，且所述液相管道包括沿所述液相管道的长度方向间隔分布的液相支管，所述液相支管穿设于所述气相管道内，并至少部分地位于所述气相支管内；以及

喷嘴组件，所述喷嘴组件设置在所述气相支管处，且所述喷嘴组件包括气相通道和液相通道，所述气相通道与所述气相支管相连通，所述液相通道与所述液相支管相连通；

其中，位于相邻的所述液相支管间的所述液相管道包括刚性管和至少一段挠性管。

根据本发明的气液分布装置，位于相邻的液相支管间的液相管道包括刚性管和至少一段挠性管，使得液相管道在温差较大的环境下能够存在一定的伸缩空间，可以有效地减小热应力对液相管道的影响，使其能够应用于温差较大的环境；喷嘴组件包括气相通道和液相通道，气相介质能够作为协流与液相介质一同由喷嘴组件流出，使液相物料与气相物料充分接触，加强气液相介质的混合效果，显著提高气液反应效率。

可选地，所述气液分布装置还包括第一支撑筋，所述第一支撑筋靠近所述液相支管设置，并用于连接所述气相管道和所述液相管道。

可选地，所述气液分布装置还包括第二支撑筋，所述第二支撑筋靠近所述挠性管设置，并与所述气相管道和所述刚性管相连接。

可选地，所述第二支撑筋包括通孔和位于所述通孔的上方并与所述通孔连通的槽口，所述刚性管通过所述槽口安装至所述通孔内。

可选地，所述喷嘴组件包括喷嘴和喷嘴安装座，所述喷嘴安装座包括内通道和设置在所述内通道的外侧的外通道，所述喷嘴包括第一通道，所述第一通道与所述内通道相连通，所述外通道形成所述气相通道，所述内通道和所述第一通道形成所述液相通道。

可选地，所述喷嘴还包括第二通道，所述第二通道设置在所述第一通道的外侧，并与所述外通道相连通，所述第二通道和所述外通道形成所述气相通道。

可选地，所述喷嘴还包括混合室和设置在混合室底部的出口，所述混合室与所述第一通道和所述第二通道相连通，所述出口用于喷出雾化液体。

可选地，所述喷嘴组件的数量为2～6个，且相邻的所述喷嘴组件的雾化液体的喷出范围无重叠。

可选地，所述气液分布装置还包括壳体，所述壳体套设在所述气相管道和所述液相管道的外侧。

根据本发明的第二个方面，提供了一种反应塔，所述反应塔包括：

上述气液分布装置；

气相集箱，所述气相集箱与所述气相管道相连通；以及

液相集箱，所述液相集箱与所述液相管道相连通。

根据本发明的反应塔，气液分布装置的位于相邻的液相支管间的液相管道包括刚性管和至少一段挠性管，使得液相管道在温差较大的环境下能够存在一定的伸缩空间，可以有效地减小热应力对液相管道的影响，使其能够应用于温差较大的环境；喷嘴组件包括气相通道和液相通道，气相介质能够作为协流与液相介质一同由喷嘴组件流出，使液相物料与气相物料充分接触，加强气液相介质的混合效果，显著提高气液反应效率。

附图说明

本发明实施方式的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的气液分布装置的结构示意图；

图2为根据本发明的第一优选实施方式的气液分布装置的喷嘴组件与气相支管连通的结构示意图；

图3为根据本发明的第二优选实施方式的气液分布装置的喷嘴组件与气相支管连通的结构示意图；

图4为根据本发明的第三优选实施方式的气液分布装置的喷嘴组件与气相支管连通的结构示意图；

图5为根据本发明的优选实施方式的气液分布装置的第二支撑筋的结构示意图；

图6为根据本发明的优选实施方式的气液分布装置的壳体的结构示意图；以及

图7为根据本发明的优选实施方式的反应塔的结构示意图。

附图标记说明：

1：反应塔 10：气液分布装置

11：气相管道 111：气相支管

12：液相管道 122：刚性管

123：挠性管 121：液相支管

13/13a/13b/13c：喷嘴组件 131：气相通道

132：液相通道 133：喷嘴

134：喷嘴安装座 135：内通道

136：外通道 136a：外通道出口

137：第一通道 138：第二通道

14：第一支撑筋 141：混合室

142：混合室出口 15：第二支撑筋

151：通孔 152：槽口

16：壳体 20：气相集箱

30：液相集箱 40：法兰

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明的气液分布装置和反应塔。显然，本发明的施行并不限于气液分布装置和反应塔领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其它含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。本发明中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明清楚，并非限制。

以下，将参照附图对本发明的具体实施方式进行更详细地说明，这些附图示出了本发明的代表实施方式，并不是限定本发明。

本发明公开了一种气液分布装置10和反应塔1。参考图1，根据本发明的气液分布装置10包括气相管道11、液相管道12和喷嘴组件13。

气相管道11用于输送气相介质。气相管道11包括沿气相管道11的长度方向间隔分布的气相支管111。气相支管111的数量为2～6个，具体的可以根据实际需要设置。当然，气相支管111的数量也可以设置为其它数值，如8个或者10个等。

液相管道12与气相管道11平行间隔地设置，且位于气相管道11的上方。液相管道12的直径小于气相管道11的直径。液相管道12用于输送液相介质。液相管道12包括沿液相管道12的长度方向间隔设置的液相支管121。液相支管121可以通过螺接或者焊接等的方式与液相管道12固定连接，也可以与液相管道12一体加工成型。

液相支管121的数量与气相支管111的数量相同。液相支管121垂直穿设于气相管道11内，并至少部分的液相支管121位于气相支管111内，以避免液相介质进入气相管道11内。液相支管121与气相支管111优选地同心布置。液相支管121与气相管道11接触的位置采用全周焊接的形式固定，以防止气相管道11中的气相介质由此处逸出。

对于大多数气液相反应过程而言，所发生的化学反应往往为放热反应。以丙醛加氢反应为例，通常液相介质的进料温度为30℃左右，气相介质的进料温度为40℃左右，而气液相发生化学反应后，反应塔1内的温度则会升高至140～170℃。气相管道11和液相管道12内外的温差较大，极易受到热应力的影响而发生变形。尤其是对于管径相对较小的液相管道12而言，在较大温差下会发生明显的热伸长现象。为了有效减小在温差较大的环境下产生的热应力对液相管道12的影响，避免液相管道12因热应力而发生弯曲或折断，在液相管道12的相邻的液相支管121间，液相管道12包括刚性管122和至少一段挠性管123。在温差较大的环境下，挠性管123为液相管道12提供了一定的伸缩空间，从而能够有效减小热应力对液相管道12的影响。挠性管123具体的可以为波纹管、螺旋盘管或金属软管等。

液相支管121设置在液相管道12的刚性管122上，且被固定在气相管道11上。如前文所述，液相管道12在温差较大的环境下产生的热应力可能会导致液相管道12发生弯曲而上翘，也就是可能会导致刚性管122发生弯曲而上翘。若液相支管121附近的刚性管122发生弯曲变形，则会导致液相支管121产生局部拉伸，容易造成液相支管121断裂。因此，优选地在靠近液相支管121的位置，也就是在液相支管121的前后，均布置有第一支撑筋14，第一支撑筋14与气相管道11和液相管道12均固定连接，以有效减小液相支管121的局部受力。

第一支撑筋14可以构造为支撑板，也可以构造为其它结构形式，在此不作具体限定。第一支撑筋14设置为多个，如在液相支管121的前后可以分别设置一个第一支撑筋14，也可以设置多个第一支撑筋14，具体的数量可以根据实际需要设置。

在液相介质流过液相管道12的过程中，为了有效避免液相管道12向下产生明显的弯曲变形，在靠近挠性管123的位置，优选地在刚性管122和挠性管123的衔接处，设置有第二支撑筋15，以对液相管道12起到一定的支撑作用。

参考图5，第二支撑筋15设置有通孔151，通孔151优选地设置在第二支撑筋15的中心位置。通孔151的上方设置有与通孔151相连通的槽口152，槽口152大致构造为矩形。槽口152的宽度略大于刚性管122的外径，以便于刚性管122通过槽口152安装至通孔151内。通孔151的直径大于刚性管122的外径，以使得刚性管122在内外温差较大而产生热变形的情况下存在一定的侧向位移空间。

第二支撑筋15优选地仅与气相管道11固定连接，以有效避免刚性管122在内外温差较大而产生热变形的情况下限制刚性管122的侧向位移，进而避免导致刚性管122折断。

第二支撑筋15设置为多个，如在挠性管123的前后可以分别设置一个第二支撑筋15，也可以设置多个第二支撑筋15，具体的数量可以根据实际需要设置。

继续参考图1，喷嘴组件13设置在气相支管111处。喷嘴组件13包括气相通道131和液相通道132，气相通道131与气相支管111相连通，液相通道132与液相支管121相连通，气相介质能够作为协流与液相介质一同由喷嘴组件13流出，使液相物料和气相物料充分接触以有效提高气液两相物料的混合范围，加强气液相物料的混合效果，显著提高气液反应效率。

参考图2，根据本发明第一优选实施方式的喷嘴组件13a包括喷嘴133和喷嘴安装座134。喷嘴安装座134与气相支管111相连接，喷嘴133固定安装于喷嘴安装座134上。喷嘴安装座134具有内通道135和设置在内通道135外侧的外通道136。内通道135和外通道136优选地同轴设置。外通道136与气相支管111固定连接且相连通，外通道136形成气相通道131；内通道135与液相支管121固定连接且相连通。喷嘴133具有第一通道137，第一通道137与喷嘴安装座134的内通道135相连通。内通道135和第一通道137共同形成液相通道132。

在气液分布装置10工作的过程中，气相介质由气相管道11进入，并通过多个气相支管111流入多个喷嘴安装座134的外通道136；液相介质则由液相管道12进入，并通过多个液相支管121流入多个喷嘴安装座134的内通道135。气相介质经喷嘴安装座134的外通道136喷出，液相介质则进入喷嘴133的第一通道137，最终由喷嘴133的出口喷出后实现液滴的破碎，并在喷嘴133的外部与气相介质进一步混合，形成气液混合均匀的锥形雾化场。

参考图3，其示出了根据本发明的第二优选实施方式的喷嘴组件13b，与第一优选实施方式的喷嘴组件13a的不同之处在于，喷嘴133还包括第二通道138，第二通道138设置在第一通道137的外侧，与第一通道137不连通。第二通道138与喷嘴安装座134的外通道136相连通，二者共同形成气相通道131。

在气液分布装置10工作的过程中，液相介质由液相管道12进入，并通过多个液相支管121流入多个喷嘴安装座134的内通道135，再由内通道135进入第一通道137，最后由第一通道137的出口低速喷出。由于流出速度较低，液相介质不被雾化。气相介质由气相管道11进入，并通过多个气相支管111流入多个喷嘴安装座134的外通道136，再由外通道136进入第二通道138，最后由第二通道138的出口高速喷出。高速流动的气相介质与低速液相介质在喷嘴133的外部混合，能够利用气液两相的冲击和摩擦作用实现液滴的破碎，进而形成气液混合均匀的锥形雾化场。

此种形式的喷嘴组件13b，能够借助气相介质的高速射流与液相介质相互冲击、摩擦，使液相介质破碎为细小的液滴，在提高液相介质的雾化效果的同时，还能够促进气相介质与液相介质的充分混合。且喷嘴133的第一通道137的出口孔径相较常规的机械雾化喷嘴可以相应地增大，以使得液相介质能够更加顺畅地通过喷嘴133，不易发生堵塞。

参考图4，其示出了根据本发明的第三优选实施方式的喷嘴组件13c，与第二优选实施方式的喷嘴组件13b的不同之处在于，喷嘴133还包括混合室141。混合室141设置在第一通道137和第二通道138的下方，并与第一通道137和第二通道138相连通。

在气液分布装置10工作的过程中，液相介质和气相介质分别通过喷嘴133的第一通道137和第二通道138气相通道131流入混合室141，并在混合室141内充分混合后，再由混合室141底部的混合室出口142喷出，以形成气液混合均匀的锥形雾化场。

气液分布装置10上喷嘴组件13的数量与气相支管111的数量相同，优选地为2～6个，具体的可以根据实际需要设置。当然，喷嘴组件13的数量也可以设置为其它数值，如8个或者10个等。气液分布装置10的不同气相支管111处的喷嘴组件13可以相同，也可以不相同。也就是说，同一气液分布装置10上安装的喷嘴组件13，可以采用上述三种形式的喷嘴组件13中的任意一种，也可以是三种形式的喷嘴组件13的任意组合。

进一步优选地，相邻的喷嘴组件13的雾化液体喷出范围无重叠，以在确保雾化液滴能够布满整个反应器的床层的前提下，减少喷嘴组件13的数量，以降低生产成本。

为了对气液分布装置10的气相管道11和液相管道12形成一定的保护作用，气液分布装置10优选地还包括壳体16，壳体16套设在气相管道11和液相管道12的外侧，用于保护气相管道11和液相管道12等装置内件，具体的参考图6。壳体16可以设置为多段，每段之间通过螺栓等紧固件可拆卸地连接，以便于对气相管道11和液相管道12等装置内件进行检修和维护。

参考图7，其示出了根据本发明的优选实施方式的反应塔1。多个气液分布装置10通过法兰40固定安装在反应塔1上，能够允许操作人员在反应塔1的外部对气液分布装置10进行安装与拆除，以及对相应的部件进行调整或更换，无需进入反应塔1内部进行作业，能够大大地减少反应塔1的维护和检修的难度。根据反应塔1的内径尺寸，每个床层配置具有不同喷嘴组件13数量的气液分布装置10。

反应塔1的外部设置有气相集箱20和液相集箱30。气相集箱20与气相管道11相连通，用于提供气相介质；液相集箱30与液相管道12相连通，用于提供液相介质。气相集箱20和液相集箱30的横截面优选的构造为环形，以便合理地布置气相集箱20和液相集箱30，充分利用反应塔1外侧的空间，使反应塔1的整体结构较为紧凑。

在图示实施方式中，反应塔1的内径为3m，每个喷嘴组件13的雾化覆盖直径为480mm。为使得喷嘴组件13的雾化范围能够覆盖整个反应塔1的床层，采用3种不同长度的气液分布装置10，共6个。从反应塔1的中间至两端，气液分布装置10分别安装6个、5个和3个喷嘴组件13，整个反应塔1布置28个喷嘴组件13。

在反应塔1工作的过程中，气相集箱20和液相集箱30中的物料分别被均匀地分配到6个气液分布装置10中，最终由28个喷嘴组件13喷出。液相介质在喷嘴133的出口被气相介质剪切为细小的雾化液滴，雾化角度约为75°，雾化粒径约为100～150μm。雾化后的液相介质与气相介质充分接触并发生反应，所产生的反应产物能够均匀覆盖整个反应塔1的床层，气液反应效率显著提高。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种气液分布装置，其特征在于，所述气液分布装置包括：

气相管道，所述气相管道包括沿所述气相管道的长度方向间隔分布的气相支管；

液相管道，所述液相管道与所述气相管道平行间隔设置，且所述液相管道包括沿所述液相管道的长度方向间隔分布的液相支管，所述液相支管穿设于所述气相管道内，并至少部分地位于所述气相支管内；以及

喷嘴组件，所述喷嘴组件设置在所述气相支管处，且所述喷嘴组件包括气相通道和液相通道，所述气相通道与所述气相支管相连通，所述液相通道与所述液相支管相连通；

其中，位于相邻的所述液相支管间的所述液相管道包括刚性管和至少一段挠性管。

2.根据权利要求1所述的气液分布装置，其特征在于，所述气液分布装置还包括第一支撑筋，所述第一支撑筋靠近所述液相支管设置，并用于连接所述气相管道和所述液相管道。

3.根据权利要求1所述的气液分布装置，其特征在于，所述气液分布装置还包括第二支撑筋，所述第二支撑筋靠近所述挠性管设置，并与所述气相管道和所述刚性管相连接。

4.根据权利要求3所述的气液分布装置，其特征在于，所述第二支撑筋包括通孔和位于所述通孔的上方并与所述通孔连通的槽口，所述刚性管通过所述槽口安装至所述通孔内。

5.根据权利要求1所述的气液分布装置，其特征在于，所述喷嘴组件包括喷嘴和喷嘴安装座，所述喷嘴安装座包括内通道和设置在所述内通道的外侧的外通道，所述喷嘴包括第一通道，所述第一通道与所述内通道相连通，所述外通道形成所述气相通道，所述内通道和所述第一通道形成所述液相通道。

6.根据权利要求5所述的气液分布装置，其特征在于，所述喷嘴还包括第二通道，所述第二通道设置在所述第一通道的外侧，并与所述外通道相连通，所述第二通道和所述外通道形成所述气相通道。

7.根据权利要求6所述的气液分布装置，其特征在于，所述喷嘴还包括混合室和设置在混合室底部的混合室出口，所述混合室与所述第一通道和所述第二通道相连通，所述混合室出口用于喷出雾化液体。

8.根据权利要求1所述的气液分布装置，其特征在于，所述喷嘴组件的数量为2～6个，且相邻的所述喷嘴组件的雾化液体的喷出范围无重叠。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的气液分布装置，其特征在于，所述气液分布装置还包括壳体，所述壳体套设在所述气相管道和所述液相管道的外侧。

10.一种反应塔，其特征在于，所述反应塔包括：

如权利要求1-9中任一项所述的气液分布装置；

气相集箱，所述气相集箱与所述气相管道相连通；以及

液相集箱，所述液相集箱与所述液相管道相连通。

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