CN114950173A - 微气泡冷氢传质机构和催化加氢反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油化工反应器领域，提供了微气泡冷氢传质机构和催化加氢反应器。微气泡冷氢传质机构包括微气泡发生器、混合器以及再混器；混合器包括依次连接的顶板、连接件以及用于与反应器壁连接的对撞板，连接件具有流体通道，连接件靠近顶板的一端具有与流体通道连通的流体进入口，对撞板上设置有与流体通道连通的流体通孔；微气泡发生器包括环管，环管套设在连接件外，环管上设置有多个第一喷嘴和多个第二喷嘴，每个第一喷嘴的朝向为远离顶板的方向；每个第二喷嘴朝向对撞板；再混器包括受液底板，受液底板位于对撞板的下方。催化加氢反应器，包括上述的微气泡冷氢传质机构。本申请提供的微气泡冷氢传质机构，具有较高的传质传热效率。

Description

微气泡冷氢传质机构和催化加氢反应器

技术领域

本发明涉及石油化工反应器领域，具体而言，涉及一种微气泡冷氢传质机构和催化加氢反应器。

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，并在床层之间设置急冷箱。急冷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。

在给定的工艺条件下，要保证发挥催化剂的最佳性能，需要通过反应器内构件对反应器内流场和温度进行调控，因此在固定床加氢反应器中急冷箱的作用尤为重要。现阶段急冷箱普遍存在的问题是(1)降温速度不够快，不能保证下一床层的反应物流处于最佳范围；(2)氢气与油混合不均匀，影响之后床层上的反应过程。(3)氢气与油气混合时间过短，不能保证温度的均匀。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的包括，提供一种微气泡冷氢传质机构和催化加氢反应器。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种微气泡冷氢传质机构，包括微气泡发生器、混合器以及再混器；

混合器包括由上至下依次连接的顶板、连接件以及用于与反应器壁连接的对撞板，连接件具有流体通道，连接件靠近顶板的一端具有与流体通道连通的流体进入口，对撞板上设置有与流体通道连通的流体通孔；

微气泡发生器包括环管，环管套设在连接件外且位于流体进入口下方，所述环管上设置有多个第一喷嘴和多个第二喷嘴，每个所述第一喷嘴与所述环管的上部连接，每个第一喷嘴的朝向为朝上且远离所述顶板的方向；每个所述第二喷嘴与所述环管的下部连接且朝向所述对撞板；

再混器与对撞板连接，再混器包括受液底板，受液底板位于对撞板的下方，流体通孔在受液底板所在平面上的投影位于受液底板内。

在可选的实施方式中，每个第一喷嘴的朝向与环管所在平面的夹角为30～60°。

在可选的实施方式中，所述多个第一喷嘴沿所述环管的周向均匀分布；所述多个第二喷嘴沿环管的周向均匀分布。

在可选的实施方式中，受液底板上设置有多个弧形旋流板，多个弧形旋流板沿以流体通孔为圆心的圆的圆周均匀分布。

优选地，再混器通过每个弧形旋流板与对撞板连接。

在可选的实施方式中，受液底板除了与流体通孔正对的区域以外，其他区域设置有多个降液孔。

在可选的实施方式中，受液底板的边缘设置有溢流堰；

优选地，溢流堰的高度为受液底板到对撞板距离的1/5～1/3。

在可选的实施方式中，连接件包括圆台和多个连接脚，流体通道设置于圆台的中心，流体通道的延伸方向与圆台的高度方向相同，多个连接脚分布于顶板与圆台之间，每个连接脚的一端与顶板连接，另一端与圆台连接，流体进入口为相邻两个连接脚之间的空隙。

在可选的实施方式中，连接脚的数量为4～16；优选为6～12。

在可选的实施方式中，对撞板与受液底板之间的距离为100～400mm；

优选地，顶板与受液底板之间的距离为300～800mm。

在可选的实施方式中，顶板和对撞板均为圆形，顶板直径为对撞板直径的1/6～1/4，流体通孔的直径为顶板直径的1/4～1/2。

第二方面，本发明提供一种催化加氢反应器，包括反应器本体和设置于反应器本体内的如前述实施方式任一项的微气泡冷氢传质机构。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

上述设计的微气泡冷氢传质机构，采用微气泡发生器使氢气从两个不同喷射角度的喷嘴喷出，第一喷嘴喷出的与油对撞的连续冷氢可以瞬间增加流体的湍动成都，强化传质传热；第二喷嘴喷出的冷氢在油相中形成微气泡可以大大提升氢气与油的接触面积，利用微界面对传质传热效果进一步进行强化，使通过本申请提供的微气泡冷氢传质机构的油和氢气具有更优的接触面积，有利于之后床层反应的进行。因此，本申请改变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，利用微界面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，大大提高接触面积，保证整体反应的进行效率。有别于传统急冷箱结构，将传热传质效率进行跨尺度提升。

微气泡冷氢传质机构结构简单，生产制造方便，由于具有较高的传质传热效果，因此应用于大尺寸反应器时，仍可以保持较小的急冷箱高度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本申请实施例提供的微气泡冷氢传质机构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的微气泡冷氢传质机构的剖视图；

图3为图2中A区域的放大图；

图4为图1中微气泡发生器的俯视图；

图5为图1中再混器的俯视图。

图标：100-微气泡冷氢传质机构；110-微气泡发生器；112-第一喷嘴；113-第二喷嘴；114-环管；120-混合器；121-顶板；122-对撞板；123-流体通道；124-流体进入口；125-连接脚；126-圆台；127-流体通孔；130-再混器；131-弧形旋流板；132-溢流堰；133-受液底板；133a-撞击区；134-降液孔；140-冷氢管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1和2所示，本申请实施例提供一种微气泡冷氢传质机构100，包括微气泡发生器110、混合器120以及再混器130；

混合器120包括由上至下依次连接的顶板121、连接件以及用于与反应器壁连接的对撞板122，连接件具有流体通道123，连接件靠近顶板121的一端具有与流体通道123连通的流体进入口124，对撞板122上设置有与流体通道123连通的流体通孔127；

微气泡发生器110包括环管114，环管114套设在连接件外且位于流体进入口124下方，环管114上设置有多个第一喷嘴112和多个第二喷嘴113，每个第一喷嘴112与环管114的上部连接，每个第一喷嘴112的朝向为朝上且远离顶板121的方向；每个第二喷嘴113与环管114的下部连接且朝向对撞板122；

再混器130与对撞板122连接，再混器130包括受液底板133，受液底板133位于对撞板122的下方，流体通孔127在受液底板133所在平面上的投影位于受液底板133内。

本申请提供的微气泡冷氢传质机构100是安装在催化加氢反应器中进行使用，工作时，高温油气由上流下，在对撞板122上积累液层至达到流体进入口124高度处；冷氢气一部分由第一喷嘴112喷出与上层来流热油气对撞接触进行快速的换热，一部分由第二喷嘴113喷入在对撞板122上聚集的油相中并在油相中产生微气泡。包含微气泡氢气的油相与第一喷嘴112喷出的连续氢气通过流道进入口汇集入流体通道123内，氢气和混合相在流体通道123内以极快的速度继续碰撞混合，然后穿过流体通孔127以高速撞击在受液底板133上再次混合，经以上混合过程后，可实现氢气和油气的充分混合。

本申请提供的微气泡冷氢传质机构100具有以下优点：采用微气泡发生器110，使氢气从两个不同喷射角度的喷嘴喷出，第一喷嘴112喷出的与油对撞的连续冷氢可以瞬间增加流体的湍动程度，强化传质传热；第二喷嘴113喷出的冷氢在油相中形成微气泡可以大大提升氢气与油的接触面积，利用微界面对传质传热效果进一步进行强化，使通过本申请提供的微气泡冷氢传质机构100的油和氢气具有更优的接触面积，有利于之后床层反应的进行。

优选地，如图2和图3所示，为进一步保证氢气和油气的对撞效果，每个第一喷嘴112的朝向与环管114所在平面的夹角为30～60°，即图3中α角为30～60°。

优选地，如图1和图4所示，为了进一步保证传质传热的均匀性，多个第一喷嘴112沿环管114的周向均匀分布；多个第二喷嘴113沿环管114的周向均匀分布。

在图1和2展示的结构中，第一喷嘴112和第二喷嘴113在对撞板122上的投影重叠。而在本申请的一些实施例中，为了进一步保证传质传热效果，多个第一喷嘴112和多个第二喷嘴113间隔设置，即多个第一喷嘴112和多个第二喷嘴113在对撞板122上的投影为一个第一喷嘴112和一个第二喷嘴113相邻。

进一步地，连接件包括圆台126和多个连接脚125，流体通道123设置于圆台126的中心，流体通道123的延伸方向与圆台126的高度方向相同，多个连接脚125分布于顶板121与圆台126之间，每个连接脚125的一端与顶板121连接，另一端与圆台126连接，流体进入口124为相邻两个连接脚125之间的空隙。

优选地，连接脚125的数量为4～16；优选为6～12。例如在图1和图2中所示的结构，连接脚125的数量为6，即对应的流体进入口124的数量也为6。

优选地，为适应本领域中大多数的催化加氢反应器，对撞板122与受液底板133之间的距离为100～400mm。

更优选地，顶板121与受液底板133之间的距离为300～800mm。

优选地，由于一般的催化加氢反应器的反应器本体为圆柱形，因此为了与反应器本体匹配，顶板121和对撞板122均为圆形。而为了进一步保证传质传热效果，顶板121直径为对撞板122直径的1/6～1/4，流体通孔127的直径为顶板121直径的1/4～1/2。

进一步地，如图1、2和5所示，受液底板133上设置有多个弧形旋流板131，所述多个弧形旋流板131围绕流体通孔127在受液底板133上的投影一周均匀分布。具体地，每个弧形旋流板131的弧内朝向为同一圆周走向。多个弧形旋流板131可看成是呈环形阵列式分布。

当氢气和混合相从流体通孔127进入再混器130与受液底板133进行撞击后，混合流体则按照多个弧形旋流板131的分布方向进行旋流，由于设置了弧形旋流板131，使得流体的在受液底板133上的流道得以延长，在旋流的流道内氢气和油相再次充分混合传质传热。

优选地，再混器130通过每个弧形旋流板131与对撞板122连接。

进一步地，受液底板133除了与流体通孔127正对的区域以外，其他区域设置有多个降液孔134，即流体通孔127在受液底板133上的投影为撞击区133a，撞击区133a未设置降液孔134。

从流体通孔127进入再混器130内的流体撞击在撞击区133a内，由于撞击区133a内未设置降液孔134，因此，部分流体飞溅至对撞板122的底面再次进行撞击，产生大量涡流增加湍流成都，再次强化传质传热；流体通孔127的设置使得一部分流体经流体通孔127分散而下，一部分流体经旋流通道后从受液底板133的边缘落至下部催化剂料面。

进一步地，受液底板133的边缘设置有溢流堰132。

溢流堰132的设置使得受液底板133上的流体能够集聚至一定高度后再从溢流堰132流下，这样能够使得更多的流体从流体通孔127分散而下，加强传质传热效果。

优选地，为保证更好的传质传热效果，溢流堰132的高度为受液底板133到对撞板122距离的1/5～1/3。

下面以直径4米的固定床反应器为例对本申请的结构进行具体说明。

催化剂床层下方安装冷氢管140，冷氢管140与微气泡发生器110的环管114连接。第一喷嘴112和第一喷嘴112的数量均为8；环管114直径为2828mm，管径114mm。第一喷嘴112高30mm，直径30mm，开直径11mm的喷孔。第二喷嘴113高50mm，直径30mm，由金属烧结管制成，精度2μm，轴线方向与环管114平面呈90°夹角且方向向下。

顶板121为全封闭板，直径1260mm，对撞板122直径4000mm，中心开直径380mm的圆形孔为流体通孔127。流体进入口124高180mm。

受液底板133直径为2050mm，在中心直径380mm范围内不开孔即为撞击区133a，其余位置以间隔100mm左右均布直径25mm的降液孔134；溢流堰132高度为100mm。

环管114横向的中心剖面距离对撞板122为200mm，对撞板122的下侧距离受液底板133。顶板121到受液底板133的距离为600mm。

综上，本申请提供的微气泡冷氢传质机构100，具有以下优点：

1.采用微气泡发生器110，使氢气从两个不同喷射角度的喷嘴喷出，第一喷嘴112喷出的与油对撞的连续冷氢可以瞬间增加流体的湍动程度，强化传质传热；第二喷嘴113喷出的冷氢在油相中形成微气泡可以大大提升氢气与油的接触面积，利用微界面对传质传热效果进一步进行强化，使通过本申请提供的微气泡冷氢传质机构100的油和氢气具有更优的接触面积，有利于之后床层反应的进行。

2.微气泡冷氢传质机构100结构简单，生产制造方便，由于具有较高的传质传热效果，因此应用于大尺寸反应器时，仍可以保持较小的急冷箱高度。

3.在优选的实施方案中，在受液底板133上设置了均匀沿圆周分布的弧形旋流板131，在弧形旋流板131的作用下，流体与受液底板133对撞后以旋流的方式流动至受液底板133的边缘下落至催化剂料面，流道得以增长，再次强化传质。

4.在优选的实施方案中，在受液底板133上设置降液孔134，使在受液混合器120内再次对撞混合的流体一部分可以从降液孔134分散而下，从而再一次增强传质传热效果。

本申请还提供了催化加氢反应器，包括反应器本体和设置于反应器本体内的本申请实施例提供的微气泡冷氢传质机构100。由于反应器本体设置了本申请提供的微气泡冷氢传质机构100，因此，该催化加氢反应器的换热效率高。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微气泡冷氢传质机构，其特征在于，包括微气泡发生器、混合器以及再混器；

所述混合器包括由上至下依次连接的顶板、连接件以及用于与反应器壁连接的对撞板，所述连接件具有流体通道，所述连接件靠近所述顶板的一端具有与所述流体通道连通的流体进入口，所述对撞板上设置有与所述流体通道连通的流体通孔；

所述微气泡发生器包括环管，所述环管套设在所述连接件外且位于所述流体进入口下方，所述环管上设置有多个第一喷嘴和多个第二喷嘴，每个所述第一喷嘴与所述环管的上部连接，每个所述第一喷嘴的朝向为向上且远离所述顶板的方向；每个所述第二喷嘴与所述环管的下部连接且朝向所述对撞板；

所述再混器与所述对撞板连接，所述再混器包括受液底板，所述受液底板位于所述对撞板的下方，所述流体通孔在所述受液底板所在平面上的投影位于所述受液底板内。

2.根据权利要求1所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，每个所述第一喷嘴的朝向与所述环管所在平面的夹角为30～60°。

3.根据权利要求1所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，所述多个第一喷嘴沿所述环管的周向均匀分布；所述多个第二喷嘴沿环管的周向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，所述受液底板上设置有多个弧形旋流板，所述多个弧形旋流板围绕所述流体通孔在所述受液底板上的投影一周均匀分布；

优选地，所述再混器通过每个所述弧形旋流板与所述对撞板连接。

5.根据权利要求1所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，受液底板除了与流体通孔正对的区域以外，其他区域设置有多个降液孔；

优选地，所述受液底板的边缘设置有溢流堰；

优选地，所述溢流堰的高度为所述受液底板到所述对撞板距离的1/5～1/3。

6.根据权利要求1所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，所述连接件包括圆台和多个连接脚，所述流体通道设置于所述圆台的中心，所述流体通道的延伸方向与所述圆台的高度方向相同，所述多个连接脚分布于所述顶板与所述圆台之间，每个所述连接脚的一端与所述顶板连接，另一端与所述圆台连接，所述流体进入口为相邻两个连接脚之间的空隙。

7.根据权利要求6所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，所述连接脚的数量为4～16；优选为6～12。

8.根据权利要求1所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，所述对撞板与所述受液底板之间的距离为100～400mm；

优选地，所述顶板与所述受液底板之间的距离为300～800mm。

9.根据权利要求1所述的微气泡冷氢传质机构，其特征在于，所述顶板和所述对撞板均为圆形，所述顶板直径为所述对撞板直径的1/6～1/4，所述流体通孔的直径为所述顶板直径的1/4～1/2。

10.一种催化加氢反应器，其特征在于，包括反应器本体和设置于所述反应器本体内的如权利要求1～9任一项所述的微气泡冷氢传质机构。

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