固定床加氢反应器分配器的研究进展

1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：固定床加氢反应器分配器的研究进展学生姓名：王庶人学 号：1303010714专业班级：化学工程与工艺1307班指导教师：薄守石2014年 9月13日中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)固定床加氢反应器分配器的研究进展摘 要气液相分配器是加氢反应器中使进料在催化剂床层中均匀分配的重要构件,原料油与氢按一定比例混合后，如何均匀地喷洒到催化剂床层表面以充分发挥催化剂的催化作用，分配器起着十分重要的作用。关键词：分配器；类别；研究进展Advances in fixed-bed hydrogenation reactor AbstractGas-liquid d

2、ispensers are an important component of the hydrogenation reactor feed manipulation uniform distribution of the catalyst bed, the stock oil and hydrogen are mixed in a certain proportion to uniformly sprayed onto the surface of the catalyst bed in full Catalyst the role of the distributor plays a ve

3、ry important role.Keywords：Research progress; distributor; category目 录第1章 引言1第2章 对Union Oil入口分配器的研究22.1 Union Oil分配器的结构22.2 分配器的机制22.3 Union Oil分配器的性能3第3章 对CZ型分配器的研究4第4章 对BL型分配器的研究6第5章 新型固定床加氢反应器分配器的研究9第6章 结束语10致 谢10参考文献10第1章 引言第1章 引言由于全球性环保法规的日趋严格，我国准备对燃料油实行国 5 标准。加氢装置是生产清洁燃料油的主要手段。目前，我国各类加氢装置数量加起来

4、已经超过 400 套，并且还有增加的趋势。加氢技术的进步不仅体现在催化剂技术与工艺技术上，反应器内部的结构也是关键点。目前我国加氢反应器以固定床加氢反应器为主，典型的固定床加氢反应器内构件主要包括以下几个部分：入口扩散器、积垢篮筐、分配盘及气液分配器、冷氢管、冷氢箱、催化剂支撑盘、出口收集器。本课题主要讨论了入口扩散器和气液分配器，搜集了近年来石油行业使用较广的几类分配器，综合比较了各自性能及国内外发展趋势。12中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)第2章 对Union Oil入口扩散器的研究2.1 Union Oil分配器的结构气液相分配器是加氢反应器中使进料在催化剂床层中均匀分配的重要构

5、件,属专利技术。据近年来国外有关文献的报导及出国考察资料来看,美国雪弗龙(CHEVRON)研究公司和联合油(UNION OIL)公司的加氢技术较为先进,而分配器则以联合油公司的结构为最佳。1图1联合油反应器分配器1。罩,2。中心管,3。塔板。2.2 分配器的工作机制观察表明,气液两相高速流过分配器时,受到摩擦、滞止,其中心管压力低于分配器周围（泡罩以外)液面的压力。此时,环隙中会升起一层高出分配盘液面的两相混合流,该流上部无明显的自由界面,呈沸腾状溢入中心管。下部随气速不同,则有不同性状:当气速低于6米/秒时,下部有一段明显的清液层,随着气速的增大,清液层逐渐为湍动的“气泡流”所代替。当气速约

6、达16米/秒以后,环隙中的两相进入类似圆管中的“环雾状”流,即高速气流携带较细的雾沫由流道中间上喷,而大部分液相呈液膜状沿罩内壁和管外壁连续上升。分配器入口处流体自水平向垂直方向转折时,由于离心力作用使管外壁液膜较厚。顶隙附近流体向中心管转折时,罩圆弧过渡处液膜较厚。应该指出,该分配器中由于气液两相有较大的湍动,形成的液膜是不规则、不均匀的,特别是在刚进入“环雾状”流的气速范围内。此外还观察到,分配器齿缝及其邻近区域的气液两相混合和扰动比无齿区剧烈。正对齿缝部分的环隙流道完全为进气所占据,对分配器开齿后的环隙流道起一种“气封”作用,以保持对液相的抽吸能力5。2.3 Union Oil分配器性能

7、(1)对气液相负荷具有良好的适应性。试验范围内该分配器在任何气速Wg、液相负荷VL或气液比下均能分配液相,而不会发生液泛或断流之类危及正常操作的工况。(2)液相分布呈中心浪量高、向周围渐降的形状,其有效喷洒区约为一160-180毫米2的圆。(3)以分配曲线峰值Qmax表征液相分布均匀性时,随着Wg的增大,Qmax有陡降、平缓和再逐渐升高等三个阶段。平缓区Qmax值低,分配均匀性好,其相应的适宜气速为Wg8一20米/秒。换算成实际反应器的气速为Wg=O.38一0.96米/秒3,与目前国内现场采用的操作数据一致。故试验得出的液相分配特性曲线可作为该分配器设计和合理使用的依据。(4)联合油分配器环隙

8、、顶隙和齿隙在试验范围内变动时,其分配均匀性、压降随结构参数的变化有一定差异,但均能保持分配液相的正常能力。(5)结构参数的优化试验表明:环隙参数的选择是合理的,具有较为均匀的液相分配性能,且结构紧凑。顶隙hs22毫米并非最佳参数,为兼顾液相分配性能和结构紧凑两个方面,h3值以取32一35毫米左右为宜。此时Qmax约可比原型降低20%4。齿缝数以取N=4-6为宜,过多会使分配性能恶化,当Wg<12米/秒时,N=4的液相分配性能比N=6的更好6。第3章 对CZ型分配器的研究兰州炼油厂润滑油加氢反应器的物料分配状况,原来是比较差的。经两次改造后取得了一些效果,后来又进行了第三次改造,采用了该

9、所研究开发的新型抽吸碎流型(CZ型)分配器。现在催化剂的使用效率有了明显提高,并在保证油精制深度的基础上降低了反应温度,缓和了反应条件,进而减少了油品的裂解,提高了油品质量,减缓了催化剂的结焦,延长了催化剂的使用寿命。同时,还获得了一定的节能效果。图2 第三次改造后反应器的分配内件1.折流板(四层),2.锈垢篮,3.CZI分配器，4.入口分配器图3 按60个分配器工艺条件试验之分配曲线CZ-I组合 A=130毫米图4 按40个分配器工艺条件试验之分配曲线CZ-I组合 A=130毫米根据兰石所进行的试验结果：在兰炼加氢反应器这样低的氢油比条件下,CZ-I型分配器能得到比较好的分配效果,如果使用循

10、环氢,使氢油比再大一些,则分配效果会更佳。分配盘上的分配器数量,以取60个左右为宜。分配器三角形排列,中心距AA可取130一170毫米。在此次实验的基础上，兰石所为兰炼设计了新的分配盘。为充分发挥分配盘的优点,在反应器入口设置了新型预分配器。此预分配器是参考美国联合油公司的结构,结合兰炼的工艺参数设计的。为了增加物料在催化剂床层内的扩散面积,还在催化剂床层顶部装设了锈垢篮筐。除上述改进之外,反应器内原有的四层折流板仍保留不变。（见图2）从兰州炼油厂加氢反应器分配器内件前后三次改造的情况和效果来看,分配器的特性对加氢反应过程起着极重要的作用。CZ型分配器所具有的均匀分配特性及良好的操作弹性,不但

11、在实验室得到确认,而且也在工业生产装置中得到证实。这使该分配器在其它炼油厂的进一步推广应用有了良好的开端7。第4章 对BL型分配器的研究上世纪70年代末,国内先后引进了4套联合油(Union Oil)公司加氢裂化装置8，洛阳石化工程公司根据加氢工艺技术的进一步发展以及加氢反应器趋于大型化的需要,与其他单位紧密合作,在对联合油型气液分配器的技术进行消化吸收的基础上,进行了长时间大批量的对比试验和优化筛选工作,开发出一种具有抽吸碎流结构的BL型气液分配器图5 BL型气液分配器结构示意图BL型气液分配器主要由中心管、泡帽、定位片、连接板和碎流板几部分构成,其结构见图5。BL型液分配器在主体结构上保留

12、了联合油型气液分配器的优点,液体下溢的主要动力仍然是来自气体的强烈抽吸、携带作用,不同之处是BL型气液分配器改变了联合油型气液分配器的泡帽和中心管之间的连接方式,并在出口处设计了起节流、分散、雾化作用的碎流板,BL型气液分配器中心管的下部可以开溢流孔,也可以不开溢流孔,主要根据操作时气、液相的负荷而定。图62种分配器气相操作弹性性能试验对比图由图5可知,在相同的试验条件下,与联合油型气液分配器相比,BL型气液分配器的最大液相峰值与中心管气速关系曲线比较平坦,表明气相负荷的变化对BL型气液分配器最大液相峰值影响较小,即对分配性能影响较小,适宜操作气速范围比较宽,证明BL型气液分配器的气相操作弹性

13、比联合油型气液分配器的气相操作弹性大9。图72种分配器液相操作弹性性能试验对比图由图7可知,同一气相负荷下,2种分配器的最大液相峰值随液量的增加而增加,但BL型气液分配器的最大液相峰值随液量变化而变化的幅度比合油型气液分配器的小,表明液相负荷的变化对BL型气液分配器最大液相峰值影响较小,即对分配性能影响较小,适宜操作液速范围比较宽,证明BL型气液分配器的液相操作弹性比联合油型气液分配器的液相操作弹性大10。通过对联合油型气液分配器和BL型气液分配器的结构剖析和对比试验表明,BL型气相分配器的分配性能比联合油型气液分配器的分配性能好,气相操作弹性和液相操作弹性比联合油型气液分配器的气相操作弹性和

14、液相操作弹性大,压力降比联合油型急冷箱压力降略高。BL型气液分配器综合分配性能优于联合油型气液分配器。第5章 新型固定床加氢反应器分配器的研究抚顺石油化工研究院（FRIPP）在致力研究开发加氢新催化剂与新工艺的同时，也对加氢反应器内构件进行了开发，并将开发的先进技术成功地应用于工业生产。目前的加氢工业装置上使用的气液分配器为基于抽吸原理的联合油型泡帽分配器11，联合油型泡帽式分配器结构复杂、加工难度大、占用空间大、分配性能有限。因此，FRIPP 设计开发了新型的喷嘴式分配器12。图 7 喷嘴式分配器 工作时，当塔盘上的液面上升到垂直管上开设的圆形降液管时，液体从降液管成股沿水平方向进入垂直管内

15、，由于圆孔降液管延伸至管中心位置，液流会呈抛物线状远离管壁，并且在垂直管中心位置汇集，在位能作用下坠落在底部溅板上，利用溅板结构形状，使液相在“W”型溅板撞击作用下形成喷溅13。而气相自分配器管帽与垂直管之间进入垂直管，因流通面积减小而实现气相提速，从垂直管与溅板环隙向外吹，与喷溅角度垂直的液相相撞，实现液相碎流，从而达到液相分散的目的14。 与泡帽式分配器相比，喷嘴式分配器具有尺寸小、安装空间小、可设置数量多、占有反应器空间小、反应物料分配效果好、压降小的特点15。第6章 结束语本课题通过研究固定床反应器的结构和反应原理，随着国内市场对轻质油需求量的不断递增，作为实现渣油全部轻质化的生产技术

16、，渣油加氢工艺在炼厂中的地位日益突出，因而进一步加强和落实加氢处理工艺研究工作，及时了解国内外渣油加氢工艺的应用现状对实现石油石化行业的可持续发展将具有非常重要的现实意义16。分配器作为影响反应器效率的关键因素就显得格外重要，因此，科研人员不断对反应器的分配器内部结构进行改造以及对反应所需的催化剂进行改进，分配器的气液调节能力较大，能够提供较多的滴点，使得整个反应更高效。致 谢大学四年的学习生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够成功的完成，要特别感谢我的导师薄守石教授的关怀和教导。参考文献1 石油部国外加氢技术考察报告

17、-主要设备部分，兰石技术情报，1980,2(3)2 与美国联合油公司进行加氮技术全谈技术总结，1978.3 炼油设备设计，1981，(1):17-234 化工炼油机械，1982，(3):12-175 褚家瑞，联合油公司气液相分配器的试验研究6 褚家瑞，裁渝城，马小珍，DQ型、TECHNIP型和UNIONOIL型分配器性能试验J，化工炼油机械，(4):15-227 张成民，戴渝城，加氮反应器物料分配的改进CZ型分配器的工业试验J，化工炼油机械，1984,13(3):40468 王兴敏，加氢裂化装置的工程设计与开发J，炼油设计，2001，31(7):10-14.9 蔡连波，BL型气液分配器的试验研究J，石油化工设备，2009，38(2):1-311 王兴敏，固定床加氢反应器内构件的开发与应用J，炼油设计，2001，31(08):24-2712 王岩，彭