CN118045501A - 异形混氢器、提高油品溶氢量的方法及加氢反应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异形混氢器、提高油品溶氢量的方法及加氢反应方法，该异形混氢器包括：壳体、进气口、进液口以及气液混合出口；壳体包括大圆柱体、小圆柱体、以及上底面和下底面均开口的圆台，圆台设于大圆柱体与小圆柱体之间；进气口设于大圆柱体的一侧；进液口设于大圆柱体的另一侧，且进气口的中心到大圆柱体的轴线的垂线与进液口的中心到大圆柱体的轴线的垂线相互垂直；气液混合出口设于小圆柱体的一侧。本发明异形混氢器能够提高液相加氢中氢气的溶氢量及气液传质效率，使氢气以微气泡的形式存在于合成油中。本发明的加氢反应方法可以降低现有加氢反应装置的操作压力、温度或氢油比，明显降低加氢反应苛刻度，降低投资成本和运行成本。
Description
技术领域
本发明属于石油加工领域，涉及液相加氢强化混氢工艺，特别涉及一种异形混氢器、提高油品溶氢量的方法及加氢反应方法。
背景技术
滴流床加氢存在传质阻力大、投资大、能耗高等问题，由此产生了液相加氢工艺，液相加氢技术在反应器内液相始终为连续相，氢气为分散相，反应器采用与滴流床反应器相近结构反应器，由于取消了循环氢系统，具有投资低、能耗低、运行成本低等特点，但由于油品溶氢能力有限，液相加氢仅适用于化学氢耗不大于0.6wt％的加氢反应，限制了液相加氢工艺在高氢耗、劣质油等加氢工程的应用。
目前，IsoTherming技术、SRH技术等主要对加氢后的产品进行循环溶氢，辅助提供反应所需的氢气，需要增设高温高压循环泵，增加了投资成本和安全隐患。中国石化CLTH技术和中国石油的C-NUM技术取消了循环油系统，简化了工艺流程、降低了投资和运行费用，但是该技术仅应用于低氢耗的航煤液相加氢试验，能否用于氢耗量较高的掺炼催化柴油或焦化柴油的混合柴油，FCC蜡油，渣油等劣质油品的加氢，还有待进一步验证。
由以上分析可知，液相加氢技术若想取代气相滴流床加氢在高氢耗中的应用，需要通过特殊结构的静态混合器或动力混合器，强化氢气在油品中的混合效果，使氢气气泡达到微米级超稳状态，使液体中的溶氢量远超实际化学氢耗。
因此，开发一种系统结构简单、运行周期长，能在现有装置上进行改进，同时能适应更多高氢耗油品进行加氢精制或裂化的液相加氢强化混氢工艺，能够降低加氢装置运行成本和能耗，同时该技术可以应用老旧装置改造、盘活老旧资产，对中石油炼化业务提质增效、高质量发展具有促进作用。
中国专利CN107474875A公开了一种超重力柴油和汽油加氢精制的方法，包括如下步骤：选用串联的第一级和第二级超重力反应器：将氢气和原料油输入进料腔内进行气液两相高效混合，使难溶性氢气在原料油中分散成大量的纳微米气泡，氢气在原料油中达到过饱和，形成气液混合物；将气液混合物通过液体分布器输送进入含有催化剂的转子中进行加氢脱硫脱氮反应，得到脱除含硫氮杂质的原料油；将氢气和脱除含硫氮杂质的原料油输入第二级超重力反应器进行不饱和烃加氢反应；该技术采用超重力设备作为气液混合器及反应器，催化剂装填在超重力机转子中，对于百万吨规模的柴油加氢装置，投资成本太高，另外该超重力机无逐级切割内构件。
中国专利ZL201010222076.0采用超重力作为混氢设备用于液相加氢工艺，所用超重力设备是叶轮式；但是该技术超重力设备无逐级切割内构件。
中国专利ZL201710853235.9公开了一种多级超重力反应器重油加氢方法，该技术采用超重力设备作为反应器，设备内部设置了多级旋转盘；该技术虽然设备内部设置了多级旋转盘，但旋转盘的作用是运输气液混合物，该超重力设备缺少气体的逐级切割内构件。
中国专利CN109482131A公开了一种基于异形混氢器的气液强化传质装置，包含一壳体，所述的壳体内设有若干膜元件，所述的壳体的两端分别设有一花板，所述的壳体的头部设有一液体进口，所述的壳体的尾部设有一气液出口，所述的壳体的一侧设有一气体进口。该基于异形混氢器的气液强化传质装置操作简单，维护需求低，气液混合效果好，聚并程度低，适合长周期运转，可实现在较低能耗下对气液两相进行高效的分散和混合。但是，该装置气液混合方式主要依赖气相扩散和层流剪切强化气液混合，导致溶气量较小，气泡分布不均。
中国专利CN102513040B公开了一种微孔气体分布器，包括壳体(1)，壳体(1)上有进气口(5)、进液口(6)和排液口(7)；所述的壳体(1)内装有陶瓷膜元件(2)，陶瓷膜元件(2)的一端开口，一端用环氧树脂封闭，进气口(5)和陶瓷膜元件(2)的开口端相通。该技术利用膜材料的微孔特性，气体从陶瓷膜元件的开口端进入，从侧壁的微孔放出，使气泡细小、均匀，且液体由进液口向排液口移动，使从陶瓷膜元件内扩散的气泡在壳体内与液体充分接触，提高了气液传质效率，陶瓷膜具有耐高温、高压、酸碱等特点，可在各种溶液中长期使用，连续运行时间长，运行稳定，降低了运行费用。但是，该装置并未应用于液相加氢反应。
中国专利CN102311790A公开了一种提高混氢量的液相循环加氢处理方法。该工艺过程为：液相物料(包括新鲜原料油、反应后循环油与超重力混氢设备中的循环油)与氢气一起进入超重力混氢设备，通过气液混合叶轮的高速旋转，将氢气撕扯分割成大量微气泡，极大强化了气液传质效率，使氢气以过饱和的状态溶于液相物料中，并且大量的微气泡以乳化状态分散于液相物料中，被带入反应器进行加氢反应。该方法采用超重力混氢设备，一方面大大促进了氢气溶解，同时更加有效地将硫化氢、氨等气相杂质脱除，从而促进了加氢脱硫、脱氮、芳烃饱和及裂化等反应的进行。虽然该技术能够产生大量微气泡并具有较好效果，但超重力设备运行过程中能耗大，装置操作温度和压力较高，对设备材质和密封性能有较高要求，运行成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异形混氢器、提高油品溶氢量的方法及加氢反应方法，该异形混氢器能够提高液相加氢中氢气的溶氢量及气液传质效率，使氢气以微气泡的形式存在于合成油中。同时能够解决现有技术存在的能耗高、运行成本高，同时气液混合方式依赖气相扩散和层流剪切强化气液混合不均匀的技术问题。本发明的加氢反应方法可以降低现有加氢反应装置的操作压力、温度或氢油比，明显降低加氢反应苛刻度，可以大幅降低投资成本和运行成本。
为达上述目的，本发明提供一种异形混氢器，该异形混氢器包括：
壳体，所述壳体包括大圆柱体、小圆柱体、以及上底面和下底面均开口的圆台，所述圆台设于所述大圆柱体与所述小圆柱体之间；
进气口，设于所述大圆柱体的一侧；
进液口，设于所述大圆柱体的另一侧，且所述进气口的中心到所述大圆柱体的轴线的垂线与所述进液口的中心到所述大圆柱体的轴线的垂线相互垂直；以及
气液混合出口，设于所述小圆柱体的一侧。
本发明的异形混氢器，所述进液口的直径与所述气液混合出口的直径之比为(2～6):1。
本发明的异形混氢器，所述异形混氢器的总高度与所述进液口的直径之比为(2～4):1。
本发明还提供一种提高油品溶氢量的方法，该提高油品溶氢量的方法包括以下步骤：
将合成油和氢气分别由异形混氢器的进液口和进气口输入，合成油和氢气在所述异形混氢器内进行混合，并利用液体的旋转流动及对气泡的剪切作用将氢气以微气泡微乳状的形式分布于合成油当中，得到带有过量饱和氢气的合成油，所述带有过量饱和氢气的合成油中的溶氢量是饱和溶氢量的2～3倍。
本发明又提供一种加氢反应方法，该液相加氢方法包括以下步骤：
将合成油和氢气分别由异形混氢器的进液口和进气口输入，合成油和氢气在所述异形混氢器内进行混合，并利用液体的旋转流动及对气泡的剪切作用将氢气以微气泡微乳状的形式分布于合成油当中，得到带有过量饱和氢气的合成油，所述带有过量饱和氢气的合成油中的溶氢量是饱和溶氢量的2～3倍，所述带有过量饱和氢气的合成油经加热后输入加氢反应器，所述带有过量饱和氢气的合成油与加氢精制催化剂接触并进行加氢反应，且所述加氢反应过程无需额外补氢。
本发明的加氢反应方法，所述氢油混合物由所述加氢反应器的上部进料。
本发明的加氢反应方法，所述催化剂为圆柱或三叶草形状。
本发明的加氢反应方法，所述加氢反应的工艺条件为：反应压力1MPa～15.0MPa，反应温度200℃～290℃，氢油比10:1～50:1，体积空速0.1h-1～4.0h-1。
本发明的异形混氢器能够使氢气以微米级的气泡溶解在合成油中，使氢气在合成油中达到过饱和状态，实验表明，氢气与合成油混合后达到微乳状态，气泡粒径减小，气液接触面积增大，可以明显增加气液传质速率及反应效果。
本发明的异形混氢器进气口与进液口相互垂直，氢气与合成油能够形成同方向的旋转流体，随着异形混氢器中部圆台直径的减小，液流更加湍急，增加合成油与氢气接触机会，使氢气泡和合成油混合更加充分，从而显著提高油品的溶氢量，油品的溶氢量可以达到饱和溶氢的2～3倍。
本发明的加氢反应方法，无需油品循环，无需额外补充氢气，该加氢反应方法可以降低现有加氢反应装置的操作压力、温度或氢油比，明显降低加氢反应苛刻度，可以大幅降低投资成本和运行成本。同时与现有技术相比，本发明的异形混氢器操作简单，气泡聚并程度低，陶瓷膜耐酸、耐碱耐高温，可以适合各种油品混氢，可以保证装置长周期稳定运行，降低运行费用，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的异形混氢器的结构示意图。
图2为本发明的液加氢反应方法的工艺流程示意图。
其中，附图标记：
进气口1；
进液口2；
气液混合出口3。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
图1为本发明的异形混氢器的结构示意图，该异形混氢器包括壳体、进气口1、进液口2以及气液混合出口3。壳体包括大圆柱体、小圆柱体、以及上底面和下底面均开口的圆台，圆台设于大圆柱体与小圆柱体之间；进气口1设于大圆柱体的一侧；进液口2设于大圆柱体的另一侧，进气口1与进液口2相互垂直，也就是，进气口1的中心到大圆柱体的轴线的垂线与进液口2的中心到大圆柱体的轴线的垂线相互垂直；气液混合出口3设于小圆柱体的一侧。
进一步优选地，进液口的直径与气液混合出口的直径之比为(2～6):1。
进一步优选地，异形混氢器的总高度与进液口的直径之比为(2～4):1。
本发明的提高油品溶氢量的方法包括以下步骤：
将合成油和氢气分别由异形混氢器的进液口2和进气口1输入，合成油和氢气在异形混氢器内进行混合，并利用液体的旋转流动及对气泡的剪切作用将氢气以微气泡微乳状的形式分布于合成油当中，得到带有过量饱和氢气的合成油，带有过量饱和氢气的合成油中的溶氢量是饱和溶氢量的2～3倍。
本发明的异形混氢器由于氢气和合成油同方向旋转流动，在异形混氢器中部圆台的直径逐渐变小的情况下，氢气与合成油充分混合，在液体剪切力的作用下生产大量的微气泡，然后氢油混合物从气液混合出口3。
图2为本发明的液加氢反应方法的工艺流程示意图，本发明的加氢反应方法包括以下步骤：
将合成油和氢气分别由异形混氢器的进液口2和进气口输入1，合成油和氢气在异形混氢器内进行混合，并利用液体的旋转流动及对气泡的剪切作用将氢气以微气泡微乳状的形式分布于合成油当中，得到带有过量饱和氢气的合成油，带有过量饱和氢气的合成油中的溶氢量是饱和溶氢量的2～3倍，带有过量饱和氢气的合成油经加热炉加热后输入反应器，带有过量饱和氢气的合成油与加氢精制催化剂接触并在反应器中进行加氢反应，且加氢反应过程无需额外补氢。
进一步优选地，氢油混合物由加氢反应器的上部进料。
进一步优选地，催化剂为圆柱或三叶草形状。
进一步优选地，加氢反应的工艺条件为：反应压力1MPa～15.0MPa，反应温度200℃～290℃，氢油比10:1～50:1，体积空速0.1h-1～4.0h-1。
为进一步阐述本发明的技术方法，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。
原料或设备来源：原料：PAO40，装置：200mL液相加氢评价装置。
评价分析方法：
| 项目 | 执行标准 |
| 密度 | GB/T 1884 |
| 馏程 | ASTMD86 |
| 溴值 | SH/T0236 |
| 芳烃含量 | GB/T 7363 |
| 赛波特颜色 | GB/T 6540 |
实施例1
将合成油PAO40与氢气经异形混氢器强化混氢，经加热后直接从顶部进入加氢反应器，进行加氢反应，加氢反应器中包括一个催化剂床层，所得产物为精制PAO40，加氢工艺条件为：反应压力4.0MPa，反应温度为265℃，体积空速为0.2h-1，氢油比40:1；原料性质及产品性质见表1。
实施例2
将合成油PAO40与氢气经异形混氢器强化混氢，经加热后直接从顶部进入加氢反应器，进行加氢反应，加氢反应器中包括一个催化剂床层，所得产物为精制PAO40，加氢工艺条件为：反应压力2.5MPa，反应温度为265℃，体积空速为0.2h-1，氢油比40:1；产品性质见表1。
实施例3
将合成油PAO40与氢气经异形混氢器强化混氢，经加热后直接从顶部进入加氢反应器，进行加氢反应，加氢反应器中包括一个催化剂床层，所得产物为精制PAO40，加氢工艺条件为：反应压力4.0MPa，反应温度为255℃，体积空速为0.2h-1，氢油比40:1；产品性质见表1。
实施例4
将合成油PAO40与氢气经异形混氢器强化混氢，经加热后直接从顶部进入加氢反应器，进行加氢反应，加氢反应器中包括一个催化剂床层，所得产物为精制PAO40，加氢工艺条件为：反应压力4.0MPa，反应温度为265℃，体积空速为0.4h-1，氢油比40:1；产品性质见表1。
对比例1
将合成油PAO40与氢气不经强化混氢器，为常规液相加氢经加热后直接从顶部进入加氢反应器进行反应，加氢反应器中包括一个催化剂床层，所得产物为精制PAO40，加氢工艺条件为：反应压力4.0MPa，反应温度为265℃，体积空速为0.2h-1，氢油比40:1；产品性质见表1。
对比例2
将合成油PAO40与氢气不经强化混氢，为常规液相加氢经加热后直接从顶部进入加氢反应器，进行加氢反应，加氢反应器中包括一个催化剂床层，所得产物为精制PAO40，加氢工艺条件为：反应压力4.0MPa，反应温度为265℃，体积空速为0.2h-1，氢油比20:1；产品性质见表1。
表1实施例及对比例原料及产品性质
由实施例及对比例所得数据可知，本发明的异形混氢器的进气口与进液口相互垂直、中部圆台直径的减小都能提高氢气和合成油的混合，提高油品的溶氢量，进而提高加氢反应的程度，使所得产物中溴值和芳烃含量降低，赛波特色号提升。此外，在相同的工艺条件下，采用本发明的异形混氢器强化混氢与常规液相加氢处理PAO40相比，溴值和芳烃含量降低，赛波特色号提升，同时在目的产品的各项指标基本相当的情况下，本发明的工艺方法反应压力较现有液相加氢工艺方法能够降低1.5MPa或反应温度降低10℃或空速可提高2倍或氢气节省50％，本发明的加氢反应方法可明显降低加氢反应苛刻度。
当然，本发明还可有其它多种实施例及其变形，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种异形混氢器，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体包括大圆柱体、小圆柱体、以及上底面和下底面均开口的圆台，所述圆台设于所述大圆柱体与所述小圆柱体之间；
进气口，设于所述大圆柱体的一侧；
进液口，设于所述大圆柱体的另一侧，且所述进气口的中心到所述大圆柱体的轴线的垂线与所述进液口的中心到所述大圆柱体的轴线的垂线相互垂直；以及
气液混合出口，设于所述小圆柱体的一侧。
2.根据权利要求1所述的异形混氢器，其特征在于，所述进液口的直径与所述气液混合出口的直径之比为(2～6):1。
3.根据权利要求1所述的异形混氢器，其特征在于，所述异形混氢器的总高度与所述进液口的直径之比为(2～4):1。
4.一种提高油品溶氢量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将合成油和氢气分别由权利要求1-3任一项所述的异形混氢器的进液口和进气口输入，合成油和氢气在所述异形混氢器内进行混合，并利用液体的旋转流动及对气泡的剪切作用将氢气以微气泡微乳状的形式分布于合成油当中，得到带有过量饱和氢气的合成油，所述带有过量饱和氢气的合成油中的溶氢量是饱和溶氢量的2～3倍。
5.一种加氢反应方法，其特征在于，包括以下步骤：
将合成油和氢气分别由权利要求1-3任一项所述的异形混氢器的进液口和进气口输入，合成油和氢气在所述异形混氢器内进行混合，并利用液体的旋转流动及对气泡的剪切作用将氢气以微气泡微乳状的形式分布于合成油当中，得到带有过量饱和氢气的合成油，所述带有过量饱和氢气的合成油中的溶氢量是饱和溶氢量的2～3倍，所述带有过量饱和氢气的合成油经加热后输入加氢反应器，所述带有过量饱和氢气的合成油与加氢精制催化剂接触并进行加氢反应，且所述加氢反应过程无需额外补氢。
6.根据权利要求5所述的加氢反应方法，其特征在于，所述氢油混合物由所述加氢反应器的上部进料。
7.根据权利要求5所述的加氢反应方法，其特征在于，所述催化剂为圆柱或三叶草形状。
8.根据权利要求5所述的加氢反应方法，其特征在于，所述加氢反应的工艺条件为：反应压力1MPa～15.0MPa，反应温度200℃～290℃，氢油比10:1～50:1，体积空速0.1h-1～4.0h-1。
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