一种气液分配器和上流式加氢反应器及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种反应器内构件和一种反应器，更具体地，涉及一种气液分配器和一种上流式加氢反应器。

背景技术

上流式反应器是是石油化工领域应用较为广泛的一项技术，例如上流式固定床渣油加氢反应器、沸腾床加氢反应器和悬浮床加氢反应器等。由于在上流式反应器中反应物流自下而上流动，因此与传统的下流式固定床反应器相比，上流式反应器反应器具有对高金属劣质原料适应性好、反应器空间利用率高、压降较低等优点，但同时也存在一些问题，如物流分配不均，容易出现热点。

在上流式反应器中，反应物流的气相和液相均沿着自下而上的方向在反应器中流动，反应器出口段的液相为连续相，氢气为分散相。由于氢气以溶解氢的方式提供，需要进入反应器中的氢气经分布后生成的气泡直径较小且分布也较为均匀，以保证稳定的氢气分压和氢气溶解速率，使得液相的溶解氢始终处于饱和状态并且少量的氢气以气体形式存在。

对气泡分配良好的气液分配器是上流式反应器内最重要部件之一，它将直接关系到气液两相初始分布的均匀性，不合理的气液分配器会使进入反应器的初始物料分布不均匀。

微气泡有比表面积大、气含率高、气泡上升速度慢和溶解快等优点，广泛应用于废水处理、酿酒、矿石浮选、石油开采及生物养殖等行业。

微气泡的形成是气液两相流的一种物理现象。通常认为气泡在湍流场中的破碎主要是外部因素和内部因素共同作用的结果，外部因素主要包括流场特性、液相性质和其他外界条件，而内部因素则主要包括气相性质、气泡的内部作用力等。

气液分配器根据气泡生成方式分为螺旋液型、喷射型、压力溶解型和机械分散型。

螺旋液型气液分配器利用高速旋转液体的离心作用来产生微气泡，水通过离心泵以切向的速度进入装置的底部，使得水形成旋转型的流动轨迹，在中心处形成真空，抽吸气体进而形成微气泡，该种气液分配器已经广泛应用于水质净化，可以产生10-50μm的微气泡。

喷射型气液分配器通过使用类似孔板流量计或文丘里管的设计，使流体因管路局部变化而增大流速、降低压力，从而引入气相，或利用液相旋流在中心产生负压区的方式引入气相，之后利用高速流体产生的高度湍流和剪切将气体切割为微气泡。

压力溶解型气液分配器通过将气液混合物加压至一定的压力后进入加压罐，气体饱和溶解在液体中，通过减压阀减压，压力突然降低，饱和溶解在液体中的气体析出，使得气体生成微气泡，微气泡的尺寸和分布取决于加压罐的压力。

机械分散法气液分配器通过将水与空气同时通入容器中进行搅拌，在高速的剪切与搅拌过程中将气体切割成微小气泡。

尽管微气泡技术具有诸多优点，但由于传统气液分配器存在结构复杂、加工和安装困难、后期维修成本高、气泡直径均匀度不高等缺点，微气泡技术应用效率与效果有待进一步提高。

CN205095759U公开了一种上流式气液分配器，气液分配器包括导流管和混流件两部分，在导流管的上部管口的上方间隔的设置混流件，经过导流管的混合流体从导流管的上端管口流出后到达混流件。该装置通过混流件加强气液两相之间的混合，气泡大小及分布均匀度等技术参数以及相应的技术效果未见说明。

CN203737216U公开了一种用于气液固三相反应器的上行式气液分布器，该分布器由雨帽、分布盘、气液上升管、进气管、连接体和折流挡板组成。该分布器对生成较大气泡的量具有抑制的效果，可以提高反应器内气液相传质的效率，但是该分布器存在操作弹性小、构造复杂且仅限于使用在催化剂床层之前的气液混合物料的分布。

CN202621143U公开了一种上行式气液分布器，包括分布管和分布板，分布管上端与分布板流体连通，分布管下端设有斜角开口；气液分布器还包括挡板，斜角开口与挡板相连接，挡板遮盖斜角开口；分布管管壁上设置有气体通道。与现有技术相比，该发明具有气液分布均匀度高、操作弹性大、结构简单、加工制造便利、节省投资等优势。但该气液分布器没有气体径向扩散的功能。

CN 209302719 U公开了一种用于化工的上行式气液分布器。所述上行式气液分布器包括圆管，固定安装在分布盘上，圆管上设置有n个滑槽，滑槽中设置有排气孔和挡块，其中挡块通过连接柱与上盖固定连接，上盖安装在所述圆管上；上盖通过螺纹与圆板连接，圆板上固定安装着滑柱，滑柱的下端依次穿过固定架、弹簧、固定板，并固定安装在圆形挡板上，其中固定架与圆管的内壁固定连接，其中所述弹簧的一端固定安装在固定架上，其另一端固定安装在固定板上，固定板固定在滑柱上；圆形挡板位于气液上升管的内腔中，气液上升管插装在通孔中，通孔设置在分布盘上。该气液分布器的结构复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是在现有技术的基础上，提供一种结构简单的气液分配器，该气液分配器具有产生的气泡均匀度高，以及气泡沿径向扩散好的特点。

本发明要解决的技术问题之二是提供一种设置了上述气液分配器的上流式加氢反应器及其应用方法。

本发明提供的气液分配器，分配器升液管从下至上由气液入口段1、浮球分散段2和气液出口段5组成，其中，所述的气液入口段底部开口，所述的浮球分散段内设有浮球7和限制浮球位置的上下挡板3，所述的上下挡板为开孔板，其外侧与升液管内壁固定，所述的浮球分散段的侧壁上设有通气孔4，所述的气液出口段顶部设有顶部出口6。

本发明提供的气液分配器的工作过程，液相通过气液入口段底部开口进入气液分配器，向上流动进入浮球分散段，使得浮球旋转并上下浮动；气相通过浮球分散段侧壁上的通气孔进入气液分配器，气液两相在浮球分散段中浮球与升液管内壁之间的狭缝中混合，由于流道变窄导致流速增大，气液湍动程度加强，将气体剪切为多个小气泡，气液两相充分混合后向上流动进入气液出口段，气泡经顶部出口扩散排出。

本发明提供的上流式加氢反应器，包括反应器壳体、壳体内的加氢催化剂床层、底部的原料进口、氢气进口和上部的产物出口，在所述的加氢催化剂床层之下设置挡流板，所述的挡流板上开孔，与开孔对应设置上述的气液分配器，所述的氢气进口位于反应器壳体下部。

本发明提供的上流式加氢反应器的应用方法，烃油原料从底部原料进口进入反应器，经底部开口进入气液分配器，通过气液入口段进入浮球分散段，氢气从氢气进口进入反应器，通过通气孔进入浮球分散段中，气液两相在浮球与升液管内壁之间的狭缝中混合生成微小气泡，气液两相上升到气液出口段，经顶部出口分散溢出气液分配器，与加氢催化剂床层接触进行加氢反应，反应后物流经上部的产物出口流出反应器。

本发明提供的气液分配器有益效果为：

本发明提供的气液分配器的结构简单，产生的气泡直径较小且分布均匀度高，以及气泡沿径向扩散好。

本发明提供的上流式加氢反应器及其应用方法的有益效果为：

本发明提供的上流式加氢反应器中采用上述的气液分配器，能够将氢气与烃油原料充分混合，促进氢气在烃油中传质。该上流式加氢反应器适用于蜡油、渣油、柴油或重质油加氢工艺。

附图说明

图1为气液分配器的一种实施方式的结构示意图。

图2A，图2B为气液分配器的两种实施方式的结构示意图。

图3为气液分配器顶部示意图。

图4为气液分配器的剖面图。

图5为多孔浮球的结构示意图。

图6为上流式家加氢反应器中安装气液分配器的结构示意图。

图7为对比例1中的气液分配器的结构示意图。

附图标记说明：

1.气液入口段；2-浮球分散段；3-上下挡板；4、13-通气孔；5-气液出口段，6、14-顶部出口；7-浮球，8–通孔；9-挡流板；10-原料进口；11-氢气进口；12-上升管。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。

在本发明中，使用的方位词应当结合上下文和实际使用中的方向来适当解释，其中，“底部”是指从下至上容器的0％-10％的位置，“下部”是指从下至上容器的0-50％的位置，“上部”是指从下至上容器的50％-100％的位置，“顶部”是指从下至上容器的90％-100％的位置。

第一方面，本发明提供一种气液分配器，分配器升液管从下至上由气液入口段1、浮球分散段2和气液出口段5组成，其中，所述的气液入口段底部开口，所述的浮球分散段内设有浮球7和限制浮球位置的上下挡板 3，所述的上下挡板为开孔板，其外侧与升液管内壁固定，所述的浮球分散段的侧壁上设有通气孔4，所述的气液出口段顶部设有顶部出口6。

本发明提供的气液分配器中，所述的气液入口段、浮球分散段和气液出口段的内径相同，所述的气液入口段、浮球分散段和气液出口段的高度比为1-2：2-6：1-3，优选1-2：2-5：1-3。

优选地，所述的气液入口段的高度为10-20mm，所述的浮球分散段的高度为20-60mm、优选20-50mm，所述的气液出口段的高度为10-30mm。

本发明提供的气液分配器中，所述的浮球分散段内沿轴向设置一组或多组上下挡板、浮球和通气孔的结构。优选地，所述的浮球分散段内沿轴向设置至少两组上下挡板、浮球和通气孔的结构。

所述的浮球分散段每组上下挡板、浮球和通气孔的结构中，可以设置一个或多个浮球。优选地，每组上下挡板、浮球和通气孔的结构中设置一个浮球。

所述的上下挡板上的开孔上下对称，并与浮球相配合，以限制浮球的位置。优选地，所述的浮球直径为5-60mm，所述上下挡板之间的距离与所述浮球的直径的比为1-5：1、优选为1-2：1，所述的上下挡板开孔直径与浮球直径的比为0.1-0.9：1、优选为0.3-0.8：1，所述上下挡板的外径与所述的浮球分散段的侧壁相配合。

优选地，所述的浮球直径为5-30mm。

所述的浮球分散段的侧壁上开有通气孔，所述的通气孔的等效直径为 1～10mm，优选为2-8mm。本发明对通气孔的数量没有限制，优选所述的通气孔的数量为2-8个。

优选地，所述的浮球为多孔结构，浮球的材质选自聚丙烯、橡胶、不锈钢、铸铁和聚偏氟乙烯中的一种或几种。优选地，浮球内开有多个通孔，所述通孔的直径为1-5mm，优选1-3mm；本发明对单个浮球内通孔的数量没有限制，优选单个浮球内的通孔数量为10-50个、更优选10-30个。

所述的气液出口段顶部设有顶部出口，所述的顶部出口为下小上大的倒圆台形，顶部出口的锥形角度指的是圆台侧壁延伸交汇形成的锥形角的角度。优选地，所述的顶部出口高度为10-40mm，顶部出口下部直径为 1-30mm，顶部出口上部直径为20-80mm，所述的锥形角度为30°-150°。更优选地，所述的顶部出口高度为10-30mm，顶部出口下部直径为3-20mm，顶部出口上部直径为20-60mm，所述的锥形角度为60°-90°。

优选地，所述的顶部出口顶部设有多孔板，多孔板的开孔率为 5％-20％。

优选地，所述多孔板上的孔的等效直径为1-10mm、优选1-5mm。

所述的气液入口段、浮球分散段和顶部出口段之间为活动连接。更优选采用螺纹连接方式。

本发明提供的气液分配器中，所述的升液管优选为圆管状，所述的气液入口段为底部开口的圆管，优选气液入口段底部为开孔板，开孔率为 5％～20％、优选5％-10％。

本发明提供的气液分配器，液体通过气液入口段底部入口进入气液分配器，向上流动进入浮球分散段，液相向上流动使得浮球旋转并上下浮动。气体通过浮球分散段侧壁上的通气孔进入气液分配器，气液两相在浮球分散段中浮球与升液管内壁之间的狭缝中进行混合，气液两相绕过浮球由于流道变窄导致流速增大，气液湍动程度加强。从通气孔进入的气体在高速液流的作用下被剪切为多个尺寸不一的小气泡，小气泡随着浮球运动与液相进行充分混合。气液两相向上流动进入气液出口段，气泡上升到达气液出口段，经顶部出口扩散排出。

第二方面，本发明提供一种上流式加氢反应器，包括反应器壳体、壳体内的加氢催化剂床层、底部的原料进口、氢气进口和上部的产物出口，在所述的加氢催化剂床层之下设置挡流板，所述的挡流板上开孔，与开孔对应设置上述的气液分配器，所述的氢气进口位于反应器壳体下部。

本发明提供一种上流式加氢反应器中，所述的气液分配器可以设置于所述的挡流板之上，或者设置于所述的挡流板之下。当气液分配器位于挡流板上部时，氢气进口可以位于挡流板之上。当气液分配器位于挡流板之下时，为了保证氢气通入，氢气入口必须位于挡流板之下。

优选地，所述的气液分配器设置于所述的挡流板之下，所述的氢气进口位于所述的挡流板下部，气液分配器的顶部出口与挡流板上的开孔相通。

第三方面，本发明提供的上流式加氢反应器的应用方法，烃油原料从底部原料进口进入反应器，经底部开口进入气液分配器，通过气液入口段进入浮球分散段，氢气从氢气进口进入反应器，通过通气孔进入浮球分散段中，气液两相在浮球与升液管内壁之间的狭缝中混合生成微小气泡，气液两相上升到气液出口段，经顶部出口分散溢出气液分配器，与加氢催化剂床层接触进行加氢反应，反应后物流经上部的产物出口流出反应器。

所述的烃油原料优选为汽柴油、渣油、蜡油和润滑油等一种或者几种。

以上内容详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变形，这些简单变形均属于本发明的保护范围。

以下参照附图说明本发明提供的气液分配器和上流式加氢反应器的结构和效果。

附图1为本发明提供的气液分配器的一种实施方式的结构示意图。气液分配器的升液管由下至上由气液入口段1、浮球分散段2和气液出口段5 组成，其中，所述的气液入口段底部开口，所述的浮球分散段内设有浮球 7和限制浮球位置的上下挡板3，所述的上下挡板为中心开孔的孔板，外侧与升液管内壁固定。在附图1的实施方式中，所述的浮球分散段中设有一个浮球，所述的上下挡板3之间的升液管侧壁上设有通气孔4，所述的气液出口段5顶部设有倒圆台形的顶部出口6。

附图2A，附图2B为本发明提供的气液分配器的两种实施方式的结构示意图。如附图2A所示，所述的浮球分散段中沿轴向设有两组上下挡板3、浮球7和通气孔4的结构，每组结构中的浮球7分别被上下挡板3限制在相对固定的位置。附图2B所示的实施方式中，浮球分散段中沿轴向设有三组上下挡板3、浮球7和通气孔4的结构，每组结构中的浮球7分别被上下挡板3限制在相对固定的位置。

附图3为气液分配器顶部结构示意图。如附图3所示，气液分配器顶部出口6的顶部设有多孔板，多孔板上开孔，开孔率为5-20％。

附图4为气液分配器的剖面图。由附图4可见，浮球分散段2中，浮球7被限制在上下挡板3之间，上下挡板之间的距离大于浮球的直径。气液出口段5的顶部设有倒圆台形的顶部出口6。

附图5为多孔浮球的结构示意图。浮球上开有多个分布均匀的通孔8，通孔的直径为1-5mm。

附图6为上流式家加氢反应器中安装气液分配器的结构示意图。如附图6可见，在上流式加氢反应器壳体下部设置挡流板9，所述的挡流板上开孔，与开孔对应设置上述任一种所述的气液分配器，上流式加氢反应器的壳体底部设有原料进口10，原料进口位于所述的挡流板9之下，氢气进口也位于所述的挡流板9之下。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合不再另行说明。

以下通过实施例进一步说明本发明提供的气液分配器和烃油加氢反应器的结构和效果，但本发明并不因此而受到任何限制。

对比例1

采用现有技术中的气液分配器作为对比基准，结构见附图7。由图7 可见，该气液分配器的结构包括气液相进口11、上升管12、中部开孔13 以及顶部多孔板14。气液分配器管内径50mm，长度100mm，管中部开有2个直径5mm的通气孔，上升管顶部结构为多孔板结构，孔数量20个，直径为3mm。

对比例1中气液分配方式：该气液分配器液相直接从下部端口进入升液管，气相从管侧部进入，二者混合后向上运动，在中部开孔处形成气泡从顶部直接溢出进入上流式反应器中。

(1)冷模实验过程：

对液体在横截面上的气泡直径进行测量，并采用分配不均匀因子M

其中，n为电导探针测点数量；a

(2)气含率测量过程，采用体积膨胀法测量初始液位高度和鼓泡后的液位高度，计算液相中的气含率E

其中，H

(3)气泡直径测量过程

对液体在横截面上的气泡直径进行测量，并采用气泡平均直径来表示气液两相之间的混合效果。结果见表3。

(4)气泡上升速率测量过程

对液体在横截面上的气泡上升速率进行测量，并用气泡上升速率来表示气液两相的混合效果。结果见表4。

实施例1

上流式反应器内下部设置挡流板，所述的挡流板上开孔，与开孔对应设置上述的气液分配器，原料进口位于反应器底部，气相入口位于所述的挡流板之下。采用的气液分配器的浮球分散段内沿轴向有1个浮球，结构如附图1所示，其中，升液管直径为20mm，长度为100mm，分配器升液管从下至上由气液入口段1、浮球分散段2和气液出口段5组成，各段高度分别为10mm、50mm和20mm。所述的浮球分散段内设有浮球7和限制浮球位置的上下挡板3，浮球分散段有1个多孔浮球，浮球为不锈钢材质，每个浮球结构都通过两块挡板固定在一定范围内，每组上下挡板间的距离为10mm，挡板开孔直径为2mm。浮球直径为5mm，浮球通孔孔径1mm，开孔数量为10个且均匀分布在球体，上下挡板之间的管壁开有2个直径2 mm的通气孔。气液出口段顶部出口的下部直径为4mm，上部直径为20mm，顶部出口高度为12mm，锥角角度约为67°。气体从升液管中部的通气孔进入。

气液分配方式：

该气液分配器液相从底部开口进入升液管，气相从浮球分段段侧壁通气孔进入，气液两相在经过浮球后进行初步混合，之后二者混合后向上运动，到达气液出口段顶部顶部出口溢出进入上流式反应器中。

实施例2

上流式反应器的结构同实施例1，采用的气液分配器的浮球分散段内沿轴向有两个浮球，结构如附图2A所示，升液管直径为20mm，长度为90 mm，中部有2组多孔浮球结构，浮球都为聚丙烯材质，每个浮球结构都通过两块挡板固定在一定范围内，每组挡板结构的距离为15mm，挡板开孔直径为6mm。浮球直径10mm，浮球中开有通孔，通孔孔径2mm，开孔数量为10个且均匀分布在整个球体，升液管中部浮球分散段侧壁开有2个直径2mm的通气孔，气液出口段顶部出口的下部直径为3mm，上部直径为20mm，顶部出口高度为12mm，锥角角度约为70°。

气液分配方式：

该气液分配器液相直接从下部端口进入升液管，气相从管侧部进入，气液两相在经过第一个浮球后进行初步混合，之后二者混合后向上运动到达第二个浮球，并与第二个通气孔进入的气体再次分散混合，到达顶部开孔直接溢出进入上流式反应器中。

冷模实验过程同对比例1，分配不均匀因子M

实施例3

上流式反应器的结构同实施例1，采用的气液分配器的浮球分散段内沿轴向有三个浮球，结构如附图2B所示，气液分配器直径为30mm，长度为100mm，中部有3个多孔浮球结构，浮球均为不锈钢材质，每个浮球结构都通过两块挡板固定在一定范围内，每组上下挡板结构的距离为15mm，挡板开孔直径为12mm。浮球直径15mm，浮球开有通孔，通孔孔径2mm，开孔数量为20个且均匀分布在整个球体，浮球分散段侧壁开有2个直径4 mm的通气孔，气液出口段顶部出口的下部直径为5.6mm，上部直径为 30mm，顶部出口高度为12mm，锥形角度约为90°。

气液分配方式：

该气液分配器液相直接从下部端口进入升液管，气相从管侧壁第一个通气孔进入，气液两相在经过第一个浮球后进行初步混合，之后二者混合后向上运动到达第二个浮球，并与第二个通气孔进入的气体再次分散混合，之后与第三个浮球中的气液两相继续混合分散，最后到达顶部开孔直接溢出进入上流式反应器中。

冷模实验过程同对比例1，分配不均匀因子M

表1

分配不均匀因子表示气液两相分配效果，其值越小表示分配越均匀。由表1可见，与对比例1相比，本发明提供的气液分配器分配不均匀因子均小于对比例，说明具有较好的分配性能。

表2

一般而言，气含率越大，表明流体分配性能越好。由表2可见，与对比例1相比，本发明提供的气液分配器的浮球结构能提供更大的传质推动力，从而提高更快的传质速度。相比于对比例1，本发明提供的气液分配器实施例1-3的气含率均较高。可见，与现有技术相比，本发明的气液分配器具有较大的气含率，因此具有较好的分配性能。

表3

根据表3可见，对比例1中的气液分配器的气泡平均直径为7.95mm，实施例1-3中的气液分配器气泡直径则较小。说明本发明提供的气液分配器混合效果略优于对比例1的气液分配器，同时浮球数量增多可以有效增强气液两相之间的混合效果，使得生成的气泡直径更小。与现有技术相比，本发明的气液分配器具有较小的气泡直径，因此具有较好的混合性能。

表4

与对比例相比，本发明提供的气液分配器具有较小的气泡上升速率，气泡停留时间较长导致气液两相接触面积较大，因此具有较好的混合性能。

在气液两相并流向上的流动和反应过程中，一般来说，气泡直径较小有利于气液传质表面积增大和气泡停留时间延长，这二者都有利于传质效果增强。对于加氢反应来说，相当于氢油物料之间的接触时间增加，达到进一步提高气液两相之间的传质和反应速度的效果。因此，无论从哪个方面来说，尽量减小气泡尺寸对于上流式或全液相的加氢反应过程都是有利的。