CN1304099C - 球形高压多相反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于化工设备范围一种球形高压多相反应器，该反应器由下球形容器和上球形容器用连接管串联而成，或多个球形容器用连接管串联而成，气体分布器固定在下球形容器的底部，球形容器内部分割挡板支撑在球形容器内，气体分布器的上方有固定在球形容器内部分割挡板内的内构件。带状导流板在反应器内为层状结构，气相经过每层内构件的导流作用，实现在不同球截面处相含率的均匀分布。以促进层内各相通量的均匀分布和接触效率。带状导流板具有流动导向和再分布器的作用，也具有抑止气泡长大的作用。壁厚为圆柱形反应器的一半，降低了设计和施工难度，投资大大减少；可适用于大型高压反应过程，具有经济、可行和大型化推广的巨大潜力。

Description

球形高压多相反应器

技术领域

本发明属于化工设备范围，特别涉及一种球形高压多相反应器。

背景技术

化工和石化过程中涉及大量的高压多相反应过程，如石油加氢裂化、甲醇合成、费托合成、二甲醚合成等能源相关的工业过程，这些过程关系到国家能源战略，其经济性、可行性决定于生产规模。若需要建设生产能力达数十万吨级的反应器的单台设备，则由于高压过程和工业大型化的要求，传统的圆柱形反应装置面临设计的难题。目前在这些工业过程中比较先进的反应器一般采用气液固三相浆态操作体系，浆态床反应器具有传热性能优异的特点，但是相间传质效率相对较低，造成工业设计的反应器体积都比较大，欲实现经济上赢利的大型化设计，其反应器体积也随之更大。系统的高压操作对反应器的壁厚和选材要求非常苛刻，尤其大型高压反应器如直径在10米左右的圆柱形容器设计造价高，甚至于从机械和设计加工的角度不可行。

美国专利4568530报道了一种用于合成氨工艺的球形反应器。这种反应器为内部填充床反应器，用于气固反应体系，颗粒不移动，气体从球形容器的外壳进入，沿填充床的外部均匀进入填充床，到达填充床中心后由一根气体通道沿某个径向离开球形反应器。这种反应器的设计利用了球形容器耐高压的优点，以及以径向反应器的模式获得比较小的反应器床层压降。

Hartig，F.and Keil在“Large-scale spherical fixed bed reactors：modeling andoptimization.Ind.Eng.Chem.Res.，32，424-437.”中报道了一种大型球形固定床反应器的设计、模型和优化。该球形固定床的设计与美国专利4568530相似，气体从球壳周边进入催化剂填充床，汇集到中心后经一通道离开球形反应器。该反应器用于甲醇合成。

美国专利5904835报道了一种耐高压的球形反应器用于加氢裂化过程，其反应器操作模式与上述两例类似。有关球形多相反应器的文献和专利报道非常少。

发明内容

本发明的目的是提供一种球形高压多相反应器。其特征在于：所述球形高压多相反应器是一种气液或气液固态球形反应器，该反应器由下球形容器3、上球形容器6用连接管12串联而成，或多个球形容器用连接管12串联而成；气体分布器2固定在下球形容器3的底部，球形容器的内部的分割挡板13支撑在下球形容器3内，并且在气体分布器2的上方，多层交错的带状导流板10固定在球形容器内部的分割挡板13上，起导流作用的中心钝体带状导流板11直接固定在上球形容器6与下球形容器3连接的口上，反应器出口设置旋流板7和气液分离器8，给料装置9固定在上球形容器6上部侧面的入口处，排料装置15安装在下球形容器3底部侧面，级间导管5分别和下球形容器3、上球形容器6联通。

所述多层交错的带状导流板10固定在下球形容器3和上球形容器6内，根据流道截面的形状，带状导流板10可采用不同的导流结构形式。当流道截面为完整的圆形时，带状导流板10上面的导流板的分布采用扇形发散状结构，沿径向的方向上可以采用两区或多区划分，相邻区之间呈一定的交错状态，使中心气液流动向外导向，环形区域内的带状导流板交错引导流动的方向。当流道截面形状受分割挡板13影响时，带状导流板10采用带状导流板的设计，每个构件层分3至5列，每列内的导向板间距2-3cm，倾角30-45度，相邻列的导向板倾斜角度相反。通过构件层的中心流道与球形容器内部分割挡板13两侧的分割通道14相通，组成流体循环通道。

所述气体分布器2的每个导管上方设有泡罩4，气体经过多管束导管，以向下射流方式进入下球形容器3。一方面防止液体或带有细颗粒的液体直接进入或堵塞气体分布管道，另一方面应帮助搅动球形反应器底部的流体或细颗粒，防止死区。

本发明的有益效果：1.由于气体分布器的每个导管上方设有泡罩的作用，气体经过多管束导管，以向下射流方式进入下球形容器。一方面防止液体或带有细颗粒的液体直接进入或堵塞气体分布管道，另一方面帮助搅动球形反应器底部的流体或细颗粒，防止死区。2.多层交错地固定在球形容器内部的分割挡板上，与分割挡板外的流动通道组成流体循环通道。带状导流板通过导流作用重新分布每个截面上的相分布，改善了球形反应器沿流动方向横截面积变化可能造成的流体短路或不均匀分布现象；同时，带状导流板抑止了气泡的聚并，限制了气泡的平均尺寸；相邻层间的流动具有一定的平面交错流动，加强层内流体的接触和混合。而近壁环区采用交错的导流控制。若需要更好的相分布或针对更大型的反应器，可以考虑沿径向的多分区，且每个区内形成一定的交错流动。3.球形反应器耐压性能明显优于广泛使用的圆柱形反应器，在相同操作压力、相同设备直径和相同材质的条件下，球形容器的壁厚为圆柱形容器的一半，大大降低了反应器制造成本，也使得高压反应器，如5～10MPa的大直径反应器(直径大于6米)的加工可行。

附图说明

图1为双球形反应器串联结构示意图。

图2球形反应器带状导流板结构和流动模式示意图：(a)三流道划分结构；(b)多层带状导流板的安装示意图；(c)三流道划分层间流动模式；(d)五流道划分层间流动模式。

图3圆形横截面带状导流板的设计和扇形流道分布的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种球形高压多相反应器。所述球形高压多相反应器是一种气液或气液固态球形反应器，该球形高压多相反应器由下球形容器3、上球形容器6用连接管12串联而成；或多个球形容器用连接管12串联而成(如图1所示)。气体分布器2固定在下球形容器3的底部，球形容器的内部的分割挡板13支撑在下球形容器3内，并且在气体分布器2的上方，多层交错的带状导流板10固定在球形容器内部的分割挡板13上，起导流作用的中心钝体带状导流板11直接固定在上球形容器6与下球形容器3连接的口上，反应器出口设置旋流板7和气液分离器8，给料装置9固定在上球形容器6上部侧面的入口处，，排料装置15安装在下球形容器3底部侧在，级间导管5分别和下球形容器3、上球形容器6联通。

所述多层交错的带状导流板10固定在下球形容器3和上球形容器6内，带状导流板10采用带状导流板的设计，下球形容器3和上球形容器6内根据反应器实际尺寸设有多层带状导流板10，根据的构件层厚度与构件层间空隙的高度比可设计在0.1～2之间。每个构件层分若干列导流板，具体列数依据实际反应器尺寸而定，一般设计原则为每列导流板宽度与球形反应器半径之比的设计范围为1/50～1/10。每列内的导向板间距2-3cm，倾角30-45度，相邻列的导向板倾斜角度相反(如图2(a)(b)(c)(d)所示)。当中心流道截面为完整的圆形时，带状导流板10上面的导流板采用扇形发散状结构(如图3所示)，沿径向的方向上可以采用两区或多区划分，相邻区之间呈一定的交错状态，使中心气液流动向外导向，环形区域内的内构件交错引导流动的方向。通过构件层的中心流道与球形容器内，分割挡板13两侧的分割通道14相通，组成流体循环通道。

给料装置9用于向反应器中注入液体或带有细颗粒的液体；排料装置15用于设备停车时排除系统内部的液体或带有细颗粒的液体。

气体从反应器底部1进入多管束气体分布器2，分布器的开孔率设定为0.1～5％，以保证在不同的工艺条件下气体均匀分布。气体分布器2的每个导管上方设有泡罩4，气体经过多管束导管，以向下射流方式下吹进入下球形容器3底部，一方面防止液体或带有细颗粒的液体直接进入或堵塞气体分布管道，另一方面帮助搅动球形反应器底部的流体或细颗粒，防止死区。由于球形反应器沿流动方向截面积变化，在气体分布器上方附近设置第一层带状导流板10，向上运动的气泡经过带状导流板的导流作用获得截面上均匀的相分布，并在该截面上形成一定流向的宏观流动，加强截面上的相分布和接触。然后，气体逐级经过上面多层构件层，这些构件层行使相同的功能，即均布流体和加强传递。宏观上，气泡的流动路线呈曲折变化，每两层内构件之间同时形成较均匀的相分布和强化的相接触。气泡流过球的最大直径后，截面积逐渐缩小，这时的相分布和接触更加理想，湍动加强。反应器的设计可以考虑在单个球形容器的内部形成内循环结构，也可以考虑级间的大循环。在相邻球形容器处，气体通过截面积较小的流动通道进入上面一级球形容器时，由于截面积的突然变大，进入下一级时，中心钝体带状导流板11具有相对较密的导流板以及特殊的导流结构设计，保证气泡上升过程沿横截面分布良好。在此之后的带状导流板10可以与上一球形容器内的一致。这样，经过几层带状导流板10，气泡与周围的液体或带有细颗粒的液体进一步接触和反应，在球形容器的顶部，气液分离，气体离开反应器，液体或带有细颗粒的液体体系经分离回到反应器中。由于球形容器内中心部分大量的气泡降低了多相体系的密度，液体或带有细颗粒的液体流动借助压力差从四周的下流通道向下运动至反应器底部，形成内循环宏观流动结构。

球形反应器可以为单个球形容器操作或多个球形容器串联的组合方式，液体或带有细颗粒的液体的内循环可基于单个球形反应器的级内循环，也可以实现球形容器与球形容器的级间循环。大型球形容器的设计可以采用每个球形容器内设置4个流道分割板。这样的分割方式使得流动方向上截面积不变或变化很小，在不影响球形容器耐压性能的基础上，进一步简化了大型球形反应器的设计。球形容器内部的分割挡板用于在球形容器内部使液体或带有细颗粒的液体形成内循环流动结构，一般可以采取两侧的分割通道14，对大型球形反应器，可以使用四个液体循环通道。这样，球形容器内部剩下的反应器空间接近立方或长方体，内部构件的几何设计更加容易，类似塔板的设计。同时，由于内部结构的设计不影响球形容器的耐压性能，因此该设备设计适应性广，结构简单、易实现。

我们在实验室建立了内径400mm的双球形容器串联冷态反应器，液体的循环是通过球形容器内的两侧分割挡板以及两球形容器相连的四根外导管，下球形容器内有6层带状导流板10，上球形容器内有4层带状导流板10，每层构件分3至5列，每列内的导向板间距3cm，倾角45度，相邻列的导向板倾斜角度相反，于层内形成一定的流体循环结构，加强了层内多相流动的湍动和混合。实验观察显示底部分布板形成的气泡流经曲折路径离开球形容器，测量结果说明气相沿每个球截面分布均匀，说明带状导流板的设计成功。气体的停留时间明显大于相同高度和直径圆柱容器内的气体停留时间，另一个角度验证了实验的观察。气液两相中气体流量提高，气含率几乎线性增加，在考察的气体流量条件下，系统内平均体积气含率最高达到22％，相分布均匀，没有发现如圆柱形容器中的流型转变现象。气相的轴向Peclet准数随气体流量的增加而增大，最后接近100，也就是系统内气相的返混很小。液体在两个球内的循环也非常稳定。

Claims (5)

1.一种球形高压多相反应器，其特征在于：所述球形高压多相反应器是一种气液或气液固态球形反应器，该反应器由下球形容器(3)、上球形容器(6)用连接管(12)串联而成，或多个球形容器用连接管(12)串联而成；气体分布器(2)固定在下球形容器(3)的底部，多层交错的带状导流板(10)固定在球形容器内部的分割挡板(13)上，分割挡板(13)支撑在球形容器内部；起导流作用的中心钝体带状导流板(11)直接固定在上球形容器(6)与下球形容器(3)连接的口上，反应器出口设置旋流板(7)和气液分离器(8)，给料装置(9)固定在上球形容器(6)上部侧面的入口处，排料装置(15)安装在下球形容器(3)底部侧面，级间导管(5)分别和下球形容器(3)、上球形容器(6)联通。

2.根据权利要求1所述球形高压多相反应器，其特征在于：所述带状导流板(10)的截面有效流道面积为圆形时，上面开孔采用扇形发散状结构，沿径向的方向上以采用两区或多区划分，相邻区之间呈一定的交错状态，使中心的气、液流动向外导向，环形区域内的带状导流板交错引导流动的方向。

3.根据权利要求1所述球形高压多相反应器，其特征在于：所述气体分布器(2)的每个导管上方设有泡罩(4)，气体经过多管束导管，以向下射流方式进入下球形容器(3)；一方面防止液体或带有细颗粒的液体直接进入或堵塞气体分布管道，另一方面帮助搅动球形反应器底部的流体或细颗粒，防止死区。

4.根据权利要求1所述球形高压多相反应器，其特征在于：所述多层交错的带状导流板(10)同定在下球形容器(3)和上球形容器(6)内，根据流道截面的形状，带状导流板(10)采用不同的导流结构形式；下球形容器(3)和上球形容器(6)内的构件层厚度与构件层间空隙的高度比设计在0.1～2之间；每个构件层由倾角为30-45度的导流板分列构成，相邻列的倾斜角度相反，按每列导流板宽度与球形反应器半径之比1/50～1/10决定；每列内的导流板间距2-3cm，并通过构件层的中心流道与球形容器内部分割挡板(13)两侧的分割通道(14)相通，组成流体循环通道。

5.根据权利要求1所述球形高压多相反应器，其特征在于：所述多相反应器内液体或带有细颗粒的液体在反应器中实现循环操作为在单个球形容器内部实现级内循环，或实现各球形容器之间的级间循环。

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