CN114425279A - 一种进料分布器及反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进料分布器及反应器，涉及反应器技术领域，包括：液相管，用于输送液相物料；气相管，用于输送气相物料；混合管，一端由封板封堵，封板上开设有与混合管同轴线的第一连接孔，另一端设置有出料口，混合管的管壁上开设有第二连接孔；气相分支管，一端与气相管相连通，另一端贯穿第一连接孔插入混合管内；液相分支管，一端与液相管相连通，另一端通过第二连接孔与混合管相连通，液相分支管沿混合管的切线方向设置，液相分支管垂直于混合管；该进料分布器能够将气体破碎为微米级气泡混合于液相物料中，提高单位液相体积内的含气率，增加气液相接触面积，提高反应效果。

Description

一种进料分布器及反应器

技术领域

本发明属于反应器技术领域，更具体地，涉及一种进料分布器及反应器。

背景技术

随着国内原油重质化、劣质化趋势加剧，如何高效加工劣质渣油成为关注焦点。目前国内每年加工的渣油约2亿吨，加工劣质渣油的主要手段是延迟焦化、固定床渣油加氢、沸腾床加氢、浆态床渣油加氢等加工工艺。浆态床渣油加氢技术几乎不受反应原料限制，其原料转化率高，可以高达90％，液体收率高，操作周期长，是劣质渣油轻质化的重要途径之一，有望替代延迟焦化装置，是现代炼厂转型发展的重要技术手段。因此，浆态床渣油加氢技术近年来得到广泛关注和大力发展。

浆态床反应器是浆态床渣油加氢技术的核心设备。近年来，随着煤化工、石油化工的大力发展，国内外的科研工作者、工程技术人员经过不断的研发和改进，针对特定的反应体系开发了相应的处理工艺和反应器。

浆态床渣油加氢反应是一个典型的多相流反应过程，气相分布均匀程度、气泡大小，气泡表面更新快慢、单位体积内气泡数量多少等直接影响渣油加氢反应性能。气泡越小，单位液体体积内气含率越大，有利于传质，但气泡越小，其上升速度越低，小气泡间的聚并概率也越小，宏观表现出的结果是反应性能较差。因此既要保持足够多的小气泡，同时还要提高气液相界面的更新速度，增大液相的局部湍动程度，两者的协同效应才能实现高传质速率和较好的换热效果。

在现有浆态床反应器技术中，还存在着反应器气泡尺寸单一、气泡直径大、液体局部湍动程度小、反应器底部固体颗粒沉积以及反应器原料一次转化率低、易堵塞、运行周期短等不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种进料分布器及反应器，该进料分布器能够将气体破碎为微米级气泡混合于液相物料中，提高单位液相体积内的含气率，增加气液相接触面积，提高反应效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种进料分布器，包括：

液相管，用于输送液相物料；

气相管，用于输送气相物料；

混合管，一端由封板封堵，所述封板上开设有与所述混合管同轴线的第一连接孔，另一端设置有出料口，所述混合管的管壁上开设有第二连接孔；

气相分支管，一端与所述气相管相连通，另一端贯穿所述第一连接孔插入所述混合管内；

液相分支管，一端与所述液相管相连通，另一端通过所述第二连接孔与所述混合管相连通，所述液相分支管沿所述混合管的切线方向设置，所述液相分支管垂直于所述混合管。

可选地，所述气相分支管插入所述混合管内的长度不小于所述液相分支管的轴线与所述封板之间的距离。

可选地，所述气相分支管的所述另一端的外壁上开设有多个出气孔和/或多个出气条缝。

可选地，所述混合管的所述另一端为锥状，所述出料口的直径小于所述混合管的直径。

可选地，所述气相管和所述混合管分别设置有两条，两条所述气相管和两条所述混合管分别设置于所述液相管的两侧。

可选地，两条所述气相管和两条所述混合管在所述液相管的两侧对称布置。

可选地，所述液相管和所述气相管为圆环或圆弧状。

可选地，所述液相管和所述气相管为直管，所述液相管与所述气相管平行。

本发明还提供一种反应器，包括：

反应器本体；

液相进料口和气相进料口，设置于所述反应器本体的下端；

反应产物出口，设置于所述反应器本体的上端；

上述的进料分布器；

所述液相进料口通过液相连接管线与所述液相管相连接，所述气相进料口通过气相连接管线与所述气相管相连接。

可选地，所述进料分布器设置有多个，多个所述进料分布器分布在靠近所述反应器本体的下端，所述出料口朝向所述反应器本体的底部。

本发明提供一种进料分布器及反应器，其有益效果在于：

1、该进料分布器通过沿混合管切线方向设置的液相分支管使得液相物料在混合管中呈螺旋式运动，由于液相物料的高速运动，将气相分支管中的气体抽吸过来，将气体破碎为微米级气泡从混合管的出料口旋喷式喷出，实现了气液相充分混合，气相物料以微气泡的形式存在于液相物料中，提高了单位液相体积内含气率，微气泡数量大幅增加，增加了气液相接触面积；

2、该进料分布器出料口直径小于混合管直径，喷射流速较大，大大提高了气液相局部湍动程度，强化了反应器内各相传质，增加了气液相界面更新速率，使得液相原料转化率提高；

3、该反应器内的进料分布器出料口向下设置，从出料口喷出的气液相混合物料先作用于反应器底部，再折反向上流动，不仅提高了气液相剧烈混合程度，而且还能防止固体颗粒杂质在反应器底部沉积，延长了反应器操作周期；

4、该进料分布器可以在反应器中进行模块化布置，结构简单，易于建造和安装，成本低，另外，该进料分布器基本无放大效应，有利于反应器放大；

5、该进料分布器，能够提高总传质系数，增大气液相界面更新速率，因此提高了多相反应中气相的利用率，不仅降低了气液体积比，节省了操作费用，对于新建装置在相同处理量情况下，可以缩小反应器的尺寸，达到节省投资目的；对于已有反应器的改造，更换为该进料分布器可以提高反应器的处理能力，达到提质增效的作用。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的实施例一的一种进料分布器的结构示意图。

图2示出了根据本发明的实施例一的一种进料分布器的液相分支管与混合管的连接结构示意图。

图3至图7示出了根据本发明的实施例一的一种进料分布器的5种气相分支管的结构示意图。

图8示出了根据本发明的实施例一的一种反应器的结构示意图。

图9至图13示出了根据本发明的实施例一的一种反应器内的多个进料分布器的5种分布形式示意图。

图14示出了根据本发明的实施例二的一种反应器的结构示意图。

图15示出了根据本发明的实施例三的一种反应器的结构示意图。

附图标记说明：

1、液相管；2、气相管；3、混合管；4、封板；5、出料口；6、气相分支管；7、液相分支管；8、出气孔；9、出气条缝；10、反应器本体；11、液相进料口；12、气相进料口；13、反应产物出口；14、液相连接管线；15、气相连接管线。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提供一种进料分布器，包括：

液相管，用于输送液相物料；

气相管，用于输送气相物料；

混合管，一端由封板封堵，封板上开设有与混合管同轴线的第一连接孔，另一端设置有出料口，混合管的管壁上开设有第二连接孔；

气相分支管，一端与气相管相连通，另一端贯穿第一连接孔插入混合管内；

液相分支管，一端与液相管相连通，另一端通过第二连接孔与混合管相连通，液相分支管沿混合管的切线方向设置，液相分支管垂直于混合管。

具体的，本进料分布器强化气液相反应的基本原理是，为了实现气相物料抽吸进入混合管，液相物料从液相分支管沿混合管的切向方向进入混合管，液相高速螺旋向下运动形成的负压将气相物料抽吸进入混合管与液相物料混合，达到破碎气相物料形成微气泡的目的，液相物料从混合管的出料口喷出；气相物料通过高速液体的剪切破碎不但获得了大量微气泡，同时增加了气液相混合均匀程度，提高了液相气含率和液相局部湍动程度。

在一个示例中，从混合管的加工难易程度、制造成本角度考虑，混合管采用等直径设置；在另一个示例中，为了获得更多的微气泡和提高液相湍动程度，混合管靠近出料口的一端可以采用变直径设置，混合管的出料口直径为混合管直径的0.3-0.9倍，优选的出料口直径为混合管直径的0.5-0.85倍；混合管出料口与水平方向的夹角范围为30°-80°，优选的夹角范围为45°-60°。

可选地，气相分支管插入混合管内的长度不小于液相分支管的轴线与封板之间的距离。

具体的，由于插入混合管内的气相分支管的管壁上开设有出气孔和/或出气条缝，气相物料能够从此处进入混合管，而液相物料从液相分支管沿混合管的切向方向进入混合管，液相高速螺旋向下运动形成的负压将气相物料抽吸进入混合管与液相物料混合，因此要保证负压区域与出气孔和/或出气条缝的开设位置区域相匹配。

可选地，气相分支管的另一端的外壁上开设有多个出气孔和/或多个出气条缝。

具体的，气相分支管下部有气体出口，气体出口为出气孔和/或出气条缝，气体出口为圆形孔、椭圆形、三角形、矩形孔和出气条缝中的至少一种，优选为圆形孔和/或出气条缝；为了获得较高的气相流速，出气孔的当量直径为1-10mm，出气孔沿高度方向上设置1-10圈，每圈进气孔均匀设置2-15个，优选的出气孔设置圈数为3-5圈，优选的每圈处气孔数为4-8个；出气条缝沿圆周方向均匀布置，设置2-50个，优选的出气条缝数为4-30个，出气条缝高度为0.5-20倍气相分支管直径，出气条缝宽度为1-10mm；为了适应不同的气液相反应条件，气相分支管上的出气条缝可以平行于混合管的轴线，出气条缝还可以呈螺纹状，气相分支管上的气体出口也可以是出气条缝与出气孔相结合；气相分支管底部可以为不封口设置，也可以采取封口设置，当采取封口设置时，底部需设置出气孔或出气条缝。

进一步地，液相管直径范围为10-350mm，优选的直径范围为20-200mm；气相管直径范围为5-300mm，优选的直径范围为10-150mm；混合管直径范围为10-100mm，优选的直径范围为15-60mm；气相分支管直径范围为5-100mm，优选的直径范围为6-60mm；液相分支管直径范围为5-100mm，优选的直径范围为10-70mm。

可选地，混合管的另一端为锥状，出料口的直径小于混合管的直径。

具体的，锥状的混合管使得出料口的直径小于混合管的直径，起到节流作用，能够提高出料口喷出的气液相混合物料的流速，提高气液相局部湍动程度，强化反应器内各相传质，增加了气液相界面更新速率，使得液相原料转化率提高。

在一个示例中，气相管和混合管分别设置有两条，两条气相管和两条混合管分别设置于液相管的两侧。

具体的，对于反应难易程度不同和气液比不同的气液相工况，对进料分布器可以采用不同的结构形式，对于气液比适中的工况，进料分布器采用一个液相管，一个气相管，一个混合管，一个气相分支管和一个气相分支管的结构形式；对于气液比较大的工况，进料分布器单元采用一个液相管，两个气相管，两个混合管，两个气相分支管和两个液相分支管的结构形式。

可选地，两个气相管的直径尺寸相同，两个混合管的直径尺寸相同，两个气相分支管的直径尺寸相同。

可选地，两条气相管和两条混合管在液相管的两侧对称布置。

在一个示例中，液相管和气相管为圆环或圆弧状。

具体的，进料分布器在反应器内可以有多种排布形式，多个进料分布器可以构成圆形(圆弧形)式分布组件；圆形(圆弧形)式分布组件采用同心圆布局；进料分布器可以根据实际处理量和需求情况对分布器单元进行模块化的设计、制造和安装，结构简单，易于建造和安装，成本低；根据气液相所需强化传质的情况不同，两相邻圆形(圆弧形)式分布组件的垂直间距为50-650mm，优选的间距为100-500mm。

进一步地，本发明对液相管、气相管、混合管、气相分支管及液相分支管的材质不做具体限制，可以是金属材质，如：不锈钢、碳钢、低碳合金钢等；也可以是非金属材质，如：高分子复合材料、陶瓷材质等，只要满足分布器的机械强度、耐腐蚀性和气体分布等性能要求即可；例如，当运用于渣油加氢时，可以选择的材料是2.25Cr-Mo-V合金钢。

为了充分发挥进料分布器的气液相均匀混合、增加液体湍动程度的作用，同时还要降低进料分布器对反应器内气液相流场的影响，相邻进料分布器的间距为20-450mm，优选的间距为40-300mm，两者距离太小，相互干扰、影响比较严重，不利于微气泡的分散；两者距离太大，液相湍动程度低，不利于气液表面更新。

在另一个示例中，液相管和气相管为直管，液相管与气相管平行。

具体的，多个进料分布器还可以构成直线式分布组件，直线式分布组件可以采用平行管组布局、垂直管组布局、相交管组布局等，以便适用于不同的工况。

本发明还提供一种反应器，包括：

反应器本体；

液相进料口和气相进料口，设置于反应器本体的下端；

反应产物出口，设置于反应器本体的上端；

上述的进料分布器；

液相进料口通过液相连接管线与液相管相连接，气相进料口通过气相连接管线与气相管相连接。

具体的，反应器本体顶部设置有反应产物出口，底部设置有液相进料口和气相进料口，液相连接管线与液相进料口相连，气相连接管线与气相进料口相连；液相反应物从液相进料口进入反应器本体底部，气相反应物从气相进料口进入反应器本体底部，在进料分布器的作用下，混合均匀且含有大量微气泡的流体从进料分布器的出料口高速喷射出，达到反应器本体底部后向上折返，产生剧烈的混合效应，气液相在向上升的过程中发生化学反应，反应产物及未反应物质一同从顶部产物出口离开反应器本体。本发明从微观强化了气液相之间的传质，提高了气液相反应的转化率，同时还极大的提高了气相利用效率，降低了气液比，反应器内部运行十分稳定。

可选地，进料分布器设置有多个，多个进料分布器分布在靠近反应器本体的下端，出料口朝向反应器本体的底部。

具体的，为了提高液相反应物的转化率，同时防止含固体物质在反应器底部沉积和贫气相区域，混合组件的出料口向下设置，可以有效避免应开停工、操作波动情况下，固体杂质或颗粒进入混合管及其它管道，堵塞进料分布器。

实施例一

如图1至图13所示，本发明提供一种进料分布器，包括：

液相管1，用于输送液相物料；

气相管2，用于输送气相物料；

混合管3，一端由封板4封堵，封板4上开设有与混合管3同轴线的第一连接孔，另一端设置有出料口5，混合管3的管壁上开设有第二连接孔；

气相分支管6，一端与气相管2相连通，另一端贯穿第一连接孔插入混合管3内；

液相分支管7，一端与液相管1相连通，另一端通过第二连接孔与混合管3相连通，液相分支管7沿混合管3的切线方向设置，液相分支管7垂直于混合管3。

可选地，气相分支管6插入混合管3内的长度不小于液相分支管7的轴线与封板4之间的距离。

可选地，气相分支管6的另一端的外壁上开设有多个出气孔8和/或多个出气条缝9。

可选地，液相管1和气相管2为圆环或圆弧状。

可选地，液相管1和气相管2为直管，液相管1与气相管2平行。

本发明还提供一种反应器，包括：

反应器本体10；

液相进料口11和气相进料口12，设置于反应器本体10的下端；

反应产物出口13，设置于反应器本体10的上端；

上述的进料分布器；

液相进料口11通过液相连接管线14与液相管1相连接，气相进料口12通过气相连接管线15与气相管2相连接。

可选地，进料分布器设置有多个，多个进料分布器分布在靠近反应器本体10的下端，出料口5朝向反应器本体10的底部。

综上，本发明提供的进料分布器及反应器使用时，根据实际处理量和需求情况对该进料分布器进行模块化的设计、制造和安装，即采用多个该进料分布器进行组合使用，每个进料分布器作为一个分布单元，多个分布单元由液相连接管线11和气相连接管线12分别供液和供气。在本实施例中的一种情况下，参见图9和图10，液相管1和气相管2为圆环或圆弧状；在本实施例中的另一种情况下，参见图11至图13，液相管1和气相管2为直管，液相管1与气相管2平行；这两种情况下，多个进料分布器可以按照如图9至图13所示出的5种分布示意图进行分布，实现进料分布器的效果。而对于气相分支管6的结构，参见图3至图7，本实施例可以选用这5种气相出口的结构，实现气液相物料的混合。

在一次实施中，液相管1直径为100mm，气相管2直径为50mm，混合管3直径为20mm，气相分支管6直径为8mm，液相分支管7直径为10mm；气相分支管6下端位于液相分支管7中心线以下40mm，气相分支管6上设置有直径为5mm的出气孔8，出气孔8沿气相分支管6的高度方向上设置4圈，每圈均布4个出气孔8。将多个半径不等的圆环状的进料分布器设置在反应器本体10内的同一截面上，可以设置多层，相邻层之间的垂直间距为400mm，相邻圆环状的进料分布器的间距为150mm。

将该反应器应用于劣质渣油加氢反应，对进料分布器和反应器性能进行验证。反应器本体10和进料分布器材质均采用2.25Cr-Mo-V材质，反应器本体10的内径3.0m，采用的渣油性质及操作条件分别如表1、表2所示。

表1渣油性质：

表2操作条件：

采用本发明提出的进料分布器进行劣质渣油加氢时，反应的压力由19.0MPa降低到15.5MPa，氢油体积比由1500降低到900，一次转化率由对比例的70％增加到86％；经过实际测量，反应器内最高温度与最低温度相差0.5℃，说明气液相实现了均匀分布；经过8000h长周期反应测试后，发现进料分布器、反应器内壁均无明显变化；与常规浆态床反应器相比，气液相分布均匀，反应器各点温差明显偏小，常规浆态床一般大于5℃，且容易结焦。长周期工业测试结果表明，本发明提供的气体分布器及其反应器结构合理，强化反应器气液相传质效果显著。

实施例二

如图14所示，本实施例与实施例一的区别在于：

在本实施例中，混合管3的另一端为锥状，出料口5的直径小于混合管3的直径。

具体的，锥状的混合管3使得出料口5的直径小于混合管3的直径，起到节流作用，能够提高出料口5喷出的气液相混合物料的流速，提高气液相局部湍动程度，强化反应器内各相传质，增加了气液相界面更新速率，使得液相原料转化率提高。

实施例三

如图15所示，本实施例与实施例一的区别在于：

在本实施例中，气相管2和混合管3分别设置有两条，两条气相管2和两条混合管3分别设置于液相管1的两侧。

在本实施例中，两条气相管2和两条混合管3在液相管1的两侧对称布置。

具体的，两条气相管2分别通过气相分支管6与两条混合管3相连通，两条混合管3分别通过两条液相分支管7与液相管1相连通，该种进料分布器适用于气相量远大于液相量的工况。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种进料分布器，其特征在于，包括：

液相管，用于输送液相物料；

气相管，用于输送气相物料；

混合管，一端由封板封堵，所述封板上开设有与所述混合管同轴线的第一连接孔，另一端设置有出料口，所述混合管的管壁上开设有第二连接孔；

气相分支管，一端与所述气相管相连通，另一端贯穿所述第一连接孔插入所述混合管内；

液相分支管，一端与所述液相管相连通，另一端通过所述第二连接孔与所述混合管相连通，所述液相分支管沿所述混合管的切线方向设置，所述液相分支管垂直于所述混合管。

2.根据权利要求1所述的进料分布器，其特征在于，所述气相分支管插入所述混合管内的长度不小于所述液相分支管的轴线与所述封板之间的距离。

3.根据权利要求1所述的进料分布器，其特征在于，所述气相分支管的所述另一端的外壁上开设有多个出气孔和/或多个出气条缝。

4.根据权利要求1所述的进料分布器，其特征在于，所述混合管的所述另一端为锥状，所述出料口的直径小于所述混合管的直径。

5.根据权利要求1所述的进料分布器，其特征在于，所述气相管和所述混合管分别设置有两条，两条所述气相管和两条所述混合管分别设置于所述液相管的两侧。

6.根据权利要求5所述的进料分布器，其特征在于，两条所述气相管和两条所述混合管在所述液相管的两侧对称布置。

7.根据权利要求1所述的进料分布器，其特征在于，所述液相管和所述气相管为圆环或圆弧状。

8.根据权利要求1所述的进料分布器，其特征在于，所述液相管和所述气相管为直管，所述液相管与所述气相管平行。

9.一种反应器，其特征在于，包括：

反应器本体；

液相进料口和气相进料口，设置于所述反应器本体的下端；

反应产物出口，设置于所述反应器本体的上端；

根据权利要求1-8任一项所述的进料分布器；

所述液相进料口通过液相连接管线与所述液相管相连接，所述气相进料口通过气相连接管线与所述气相管相连接。

10.根据权利要求9所述的反应器，其特征在于，所述进料分布器设置有多个，多个所述进料分布器分布在靠近所述反应器本体的下端，所述出料口朝向所述反应器本体的底部。

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