CN115090220B - 一种下流式混合气泡流加氢反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下流式混合气泡流加氢反应器，包括原料罐，所述原料罐内安装有反应器床层，所述原料罐的顶部入口上方安装有混合气泡流入口装置，所述原料罐的顶部安装有入口扩散器，所述入口扩散器的下方安装有过滤装置，所述过滤装置的下方安装有除沫装置，所述气液分布盘安装在所述反应器床层的上方，所述原料罐的底部安装有出口收集器，本发明通过设置混合气泡流入口装置，将微气泡与普通气泡进行结合，形成混合气泡流的物料进入方式，有效提高气含率，增大相接触面积，提高床层反应效率。

Description

一种下流式混合气泡流加氢反应器

技术领域

本发明涉及石油化工技术领域，具体涉及一种下流式混合气泡流加氢反应器。

背景技术

随着目前国内加工原油的日趋重质化和劣质化，加之我国经济高速发展和环保法规的日益严格，市场对清洁油品需求也在急速增加，因此，重质油轻质化和优质化是当前急需解决的重要任务。加氢处理技术是解决上述问题的一种有效手段，通过加氢可以实现油品中的硫、氮、金属、胶质、残炭等杂质的有效脱除以及将不饱和烃加氢转化为饱和烃。根据反应器类型可以将加氢工艺分为固定床加氢工艺、悬浮床加氢工艺、沸腾床加氢工艺，其中以固定床加氢工艺的应用最为广泛。

下流式加氢固定床作为最常见的反应器类型在世界各炼厂广泛存在，但由于其结构形式的限制，下流式固定床加氢反应器普遍存在着气液分配程度较差、装置运行过程压降较大、径向温差难以保证等问题。为了延长反应器的运行周期同时减少反应器由于温度不均匀产生热点飞温等问题，国内外均从反应器的内构件结构形式入手，通过对内构件的优化改进对反应器的气液分布情况以及压降增大问题进行改善，经过各地多年的探索研究，下流式固定床加氢反应器的内构件改善对于提升反应过程中气液两相的快速混合以及均布均达到了瓶颈状态，已经是很成熟的阶段，同时对于原料和催化剂之间接触的比表面积很难通过改进反应器内构件得到提升，现阶段对于下流式加氢固定床的研究方向主要是对入口扩散器、气液分布器、支撑格栅、催化剂压盖等进行结构改进，在反应器的不同位置起到相应的作用。

传统氢气循环的下流式反应器运行时，过量循环氢气为化学消耗所需氢气量的10倍，气体和液体混合并流向下经过内构件和催化剂床层，在催化剂床层中处于气液平衡状态，在催化剂表面，溶解氢气和进料中反应物质之间发生化学反应，液相中的氢气逐渐减少，所以气相氢气逐渐溶入液相进行补充，由此可见：传统的流床反应器内的反应速度主要受传质速度影响，一般情况下，传质速度比动力学反应速度慢很多。

综合分析国内外下流式固定床加氢反应器，具有一些共性问题：

(1)反应器中的气液分布状态主要依靠反应器中内构件对流体的撞击引导等作用进行扩散分布，提升效果有限，反应器的径向温差以及气液分布均匀度达到了瓶颈；

(2)床层中的反应效率与气液固三相接触的比表面积大小息息相关，常规反应器中气液固比表面积大小很难得到提升，气液两相各自作为连续相存在，催化剂利用率低；

(3)反应器中气含率提升困难，很难通过反应器形式的改进优化对气含率进行提升。

专利文献CN201910768245.1微界面强化液相循环加氢的装置及方法中提出了一种用于液相循环加氢中的微界面强化方法可以有效减少氢气用量，增大相接触面积，提高反应效率，但这种强化方式必须要使反应器中保持纯液相环境，极大程度地限制了应用场景，对于应用更为广泛的固定床反应器这种强化方式并不适用，并且使用的强化方式仅强化气液两相的相接触面积，使反应过程中的氢气气相均作为微气泡存在于液相之中，有可能导致床层推动力不足、流动缓慢等问题，若考虑使用微气泡对下流式固定床进行强化，现有的反应器内构件技术不能满足这种强化思想理论，需要对反应器内构件进行整体重新设计以满足创新要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种下流式混合气泡流加氢反应器，通过对进入反应器的物流进行微气泡强化，在进料阶段形成混合气泡流，并开发适用于混合气泡流的新型内构件，使传统反应器中的气液连续流变为含有大量微气泡的混合气泡流，改善流体的分布状态，提高气含率，使床层在扰动程度较小的状态下均匀分布且不增加压降。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种下流式混合气泡流加氢反应器，包括原料罐，所述原料罐内安装有反应器床层，所述原料罐的顶部入口上方安装有混合气泡流入口装置，所述原料罐的顶部安装有入口扩散器，所述入口扩散器的下方安装有过滤装置，所述过滤装置的下方安装有除沫装置，气液分布盘安装在所述反应器床层的上方，所述原料罐的底部安装有出口收集器。

优选的，所述混合气泡流入口装置包括反应器壳体，所述反应器壳体内安装有多孔介质管，所述反应器壳体的一侧设有液相入口，另一侧设有混合物料出口和气相出口，所述液相入口、多孔介质管和混合物料出口连通，所述反应器壳体的上部设有气相入口，所述多孔介质管与所述反应器壳体之间形成有氢气容纳腔，所述氢气容纳腔与所述气相出口连通。

优选的，所述反应器床层至少为2层。

优选的，相邻反应器床层之间设有微气泡冷氢箱。

优选的，所述入口扩散器为平板型、锥板型或筒式加椎板型。

优选的，所述入口扩散器为伞板形状挡板。

优选的，伞板角度为30°到90°。

优选的，所述过滤装置为筒式过滤器、格栅盘过滤器或槽式过滤盘。

优选的，所述气液分布盘的开孔率为10-50％。

优选的，所述反应器床层下方安装有支撑格栅，用于支撑所述反应器床层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过设置混合气泡流入口装置，将微气泡与普通气泡进行结合，形成混合气泡流的物料进入方式，有效提高气含率，增大相接触面积，提高床层反应效率；

(2)本发明通过将一部分反应所需的氢气作为微气泡混合在液相中，减少床层压降，稳定反应流体对催化剂床层的冲击；

(3)本发明增设了微气泡冷氢箱，一方面可以补充冷氢降低床层温度并为反应补充原料，另一方面对混合气泡流中的微气泡进行补充，将冷氢作为微气泡进行补充可以很大程度上提高传质传热效率，提高冷氢箱的效果，降低冷氢箱高度；

(4)本发明提出了在过滤装置下安装除沫装置，对经过过滤装置后形成的泡沫进行消除，保证混合气泡流的流型完整。

附图说明

图1为本发明提供的一种下流式混合气泡流加氢反应器的结构简图；

图2为本发明提供的混合气泡流入口装置的结构简图；

图3为本发明提供的微气泡在加氢反应器内部产生的结构示意图；

图4为本发明提供的下流式混合气泡流加氢反应器冷模试验进料流程简图；

图5为本发明冷模试验床层中混合气泡流的微观效果图；

图6为普通下流式反应器床层的气液流动状态效果图。

具体实施方式

以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。

需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。

下面对本发明实施例的下流式混合气泡流加氢反应器及加氢工艺进行具体说明。

如图1所示，本实施例提供了一种下流式混合气泡流加氢反应器，包括原料罐1，所述原料罐1内安装有反应器床层2，所述原料罐1的顶部入口上方安装有混合气泡流入口装置3，所述原料罐1的顶部安装有入口扩散器4，所述入口扩散器4的下方安装有过滤装置5，所述过滤装置5的下方安装有除沫装置6，气液分布盘7安装在所述反应器床层2的上方，所述原料罐1的底部安装有出口收集器8。

本发明还提供所述混合气泡流入口装置的具体结构，如图2所示，所述混合气泡流入口装置3包括反应器壳体31，所述反应器壳体31内安装有多孔介质管32，所述反应器壳体31的一侧设有液相入口33，另一侧设有混合物料出口34和气相出口35，所述液相入口33、多孔介质管32和混合物料出口34连通，所述反应器壳体31的上部设有气相入口36以及气相入口38，所述多孔介质管32与所述反应器壳体31之间形成有氢气容纳腔37，所述气相入口38通过氢气容纳腔内37内的管线39与气相出口35连通。

本发明实施例中，混合气泡流入口装置3安装在原料罐1的顶部入口上方，将新氢气以及原料油管线接入混合气泡流入口装置后形成带微气泡以及正常气泡的气液两相流，具体为液相由液相入口进入多孔介质管内，自气相入口进入的氢气一部分自多孔介质管外部进入多孔介质管内形成微气泡，一部分从气相出口直接进入原料罐中，形成同时含有微气泡以及正常气泡的混合气泡流，其中微气泡尺寸分布在50-200μm，微气泡占总气相流量比例为1/4-1/2。

混合气泡流入口装置3中的多孔介质管32材质包含但不限于不锈钢金属烧结管、陶瓷多孔结构管或其他材质结构的微孔道结构。

其中，多孔介质管的孔径为0.2-1μm。

混合气泡流入口装置3所利用的是微孔道切割调控的原理，在原料罐入口使原料氢气和原料油根据需要形成流形不同的各种入口状态。

混合气泡流入口装置3具有两个气相入口，通过进入气相入口36以及气相入口38的气体量不同对微气泡的比例范围进行调节，进入气相入口36的气体通过多孔介质管形成微气泡，进入气相入口38的气体直接进入反应器中形成普通气泡。

在本发明其它实施例中，当全部气相进入多孔介质管中并随着液相一起进入原料罐中时，形成的流体为微气泡气液两相流；当所有气相全从气相出口进入反应器中不通过多孔介质管时，形成传统气液流动状态的流体。

本发明实施例中，入口扩散器4安装在原料罐1的顶部入口之后，主要作用是将气液流快速的扩散到原料罐的截面上，避免形成中心流和返混流，起到初始分布的作用，根据混合气泡流的流形状态，入口扩散器不需要较为复杂的流道结构，在原料罐入口处混合气泡流形成初始状态，较为简单的扩散装置不会破坏混合气泡流的流动状态。

具体的，入口扩散器为伞板形状挡板，伞板上开有若干通孔，同时所述入口扩散器伞板角度为30°到90°，进一步优选的，具体可以为30°、45°、60°、75°、90°，由于混合气泡流液相中含有大量微气泡，具有更大的体积以及流通速度，相较于常规入口扩散器，用于本发明的入口扩散器伞板面积相对较小，角度更小。

本发明实施例中，过滤装置5安装在入口扩散器4的下方，对原料中的杂质成分进行过滤，其中过滤装置选自筒式过滤器、格栅盘过滤器或槽式过滤盘。

由于混合气泡流的流体性质，当选用格栅盘过滤器时，要保证格栅缝隙远大于微气泡尺度。

作为一种优选，本发明选择筒式过滤器作为过滤装置。

本发明实施例中，除沫装置6安装在过滤装置5的下方，由于混合气泡流经过较小的过滤孔隙会产生堆积泡沫，需要在过滤装置之后设置一个除沫器将形成的泡沫进行消除，然后混合气泡流继续流向反应器的下方。

本发明实施例中，气液分布盘7安装在反应器床层2的上方，气液分布盘直接设置在凸台上，气液分布盘由多孔板以及多个分布器组成，通过分布器实现气液均布。

具体的，本发明实施例中分布器选择管式气液分布器。

具体的，气液分布盘的开孔率为10-50％，进一步优选为20-40％，更优选为30％。

本发明实施例中，相邻反应器床层2之间设有微气泡冷氢箱9，当反应物料经过反应器床层后需要补充冷氢，微气泡冷氢箱的作用一是为反应提供冷氢原料，降低反应原料温度，二是补充混合气泡流中的微气泡含量，维持混合气泡流稳定。

微气泡冷氢箱的微气泡可以在加氢反应器外部产生，也可以在加氢反应器内部产生，两种方式均可以达到本发明所述的混合气泡流效果。

作为本发明的一个实施例，图3给出了微气泡在加氢反应器内部产生的示意图。

本发明实施例中，反应器床层2下方安装有支撑格栅10，用于支撑所述反应器床层，其主要起承重作用，一般格栅条缝要比催化剂尺寸小0.2mm以上。

本发明实施例中，出口收集器8安装在原料罐1底部封头空间内，首先气液混合流到达出口收集器后，消除液体中一部分微气泡，同时对混合气泡流不稳定的流体状态进行液面整形稳定，最后还起到拦截沉积粉尘作用，防止在后续流程中造成堵塞。

本发明实施例中，图4提供了一种下流式混合气泡流加氢反应器的冷模试验的物料流程示意图，使用空气代替氢气，水代替油，将空气与水通入在原料罐顶部入口管线处的混合气泡流入口装置，气液两相通过后进入原料罐内部，并经过入口扩散器进行分配后进入反应器床层，冷模试验中使用φ3瓷球代替催化剂，最终气液两相通过反应器床层后从原料罐底部的出口管线排出。

通过高速摄像仪拍摄的冷模试验床层中混合气泡流微观效果图以及相同工况下的普通下流式反应器的床层气液流动状态效果图，图5为床层中形成的混合气跑流的流动状态微观图片，可以很清楚地看到在瓷球表面附着了含有大量微气泡的拟均相流体，同时在瓷球之间较暗区域为空气大气泡或者连续相，达到了本发明所设想的同时包含微气泡以及普通气泡的混合气泡流，普通气泡以及连续相的气体为流体提供流动动力，维持物料顺利在床层中进行流动，含有大量微气泡形成的拟均相流体附着在催化剂表面，为传质传热以及反应提供更大的相接触面，增大气含率，提高反应效率；图6为同样工况下，普通下流式反应器在水和空气为介质时的床层状态，此时气相和液相均是连续相状态，催化剂表面由液相包裹，水沿着瓷球表面流动，空气通过瓷球之间的间隙流动，气液固三相接触面面积小，物料在床层停留时间短，反应器截面不均匀性增加，不利于反应的进行。

以下结合实施例对本发明提供的下流式混合气泡流加氢反应器进一步进行阐述。

实施例1

一种下流式混合气泡流加氢反应器的加工工艺如下：

将氢气与原料油通入在原料罐顶部入口管线处的混合气泡流入口装置中，以微气泡以及正常气泡的混合气泡流进入原料罐内部，其中微气泡尺寸分布在50-200μm，微气泡占总气相含量为40％，然后经过入口扩散器进行分配后进入反应器床层进行反应，待反应完成后，气液两相从原料罐底部的出口管路排出，在保证轻油收率为40％的情况下，初始反应温度322℃，反应压力13MPa，气相流速4500m³/h，液相流速632m³/h，气液比7.12。

对比例1

一种下流式加氢反应器的加工工艺如下：

将氢气与原料油以传统的气液混合两相流状态进入原料罐内部，然后经过入口扩散器进行分配后进入反应器床层进行反应，待反应完成后，气液两相从原料罐底部的出口管路排出，在保证轻油收率为40％的前提下，初始反应温度330℃，反应压力15MPa，气相流速5000m³/h，液相流速598m³/h，气液比8.36。

通过对比发现，使用本发明实施例的工艺能有效降低加氢过程气液比，提高反应效率，降低反应温度以及反应压力。

在达到95％脱硫率的前提下，使用不同微气泡含量的混合气泡原料进行反应，得到的反应初始阶段的反应物流参数如下表所示：

通过不同微气泡含量的混合气泡进行应用，保证相同技术指教(脱硫率)的前提下，调整各工况参数发现随着气相中微气泡含量的增加，在一定程度上可以降低反应所需的初始温度，降低反应的压力，减少气液比。但是微气泡含量进一步增大时，初始温度、反应压力、气液比又开始增加，对反应效率的强化效果减弱，表明在使用混合气泡流进行固定床加氢时保证微气泡含量在20％-60％时，对反应效率强化效果达到最佳。

最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种下流式混合气泡流加氢反应器，包括原料罐(1)，所述原料罐(1)内安装有反应器床层(2)，其特征在于，所述原料罐(1)的顶部入口上方安装有混合气泡流入口装置(3)，所述原料罐(1)的顶部安装有入口扩散器(4)，所述入口扩散器(4)的下方安装有过滤装置(5)，所述过滤装置(5)的下方安装有除沫装置(6)，气液分布盘(7)安装在所述反应器床层(2)的上方，所述原料罐(1)的底部安装有出口收集器(8)；

其中，所述混合气泡流入口装置(3)包括反应器壳体(31)，所述反应器壳体(31)内安装有多孔介质管(32)，所述反应器壳体(31)的一侧设有液相入口(33)，另一侧设有混合物料出口(34)和气相出口(35)，所述液相入口(33)、多孔介质管(32)和混合物料出口(34)连通，所述反应器壳体(31)的上部设有气相入口(36)以及气相入口(38)，所述多孔介质管(32)与所述反应器壳体(31)之间形成有氢气容纳腔(37)，所述气相入口(38)通过氢气容纳腔(37)内的管线(39)与气相出口(35)连通。

2.根据权利要求1所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，所述反应器床层(2)至少为2层。

3.根据权利要求2所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，相邻反应器床层(2)之间设有微气泡冷氢箱(9)。

4.根据权利要求1所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，所述入口扩散器(4)为平板型、锥板型或筒式加椎板型。

5.根据权利要求4所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，所述入口扩散器(4)为伞板形状挡板。

6.根据权利要求5所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，伞板角度为30°到90°。

7.根据权利要求1所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，所述过滤装置(5)为筒式过滤器、格栅盘过滤器或槽式过滤盘。

8.根据权利要求1所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，所述气液分布盘(7)的开孔率为10-50％。

9.根据权利要求1所述的下流式混合气泡流加氢反应器，其特征在于，所述反应器床层(2)下方安装有支撑格栅(10)，用于支撑所述反应器床层。

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