固定床反應器中氣液分配器的流體力學性能

張洪旭，蔡連波，王強，陳強，周明東，臧樹良（遼寧石油化工大學石油化工學院，遼寧 撫順 300；中國石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 47003）

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研究開發(fā)

固定床反應器中氣液分配器的流體力學性能

張洪旭1，2，蔡連波2，王強1，陳強2，周明東1，臧樹良1
（1遼寧石油化工大學石油化工學院，遼寧 撫順 113001；2中國石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003）

摘要：設計了一種底部帶有碎流板的新型管式氣液分配器。以水和空氣代替工業(yè)上的原油和氫氣進行冷模實驗。實驗過程為：水由水箱經(jīng)水泵抽出，經(jīng)液體流量計計量后進入實驗塔上部的氣液擴散器，氣液兩相流經(jīng)急冷箱冷卻后同時向下通過分配器。進入到接液裝置的液體通過橡膠管導入到放置在地面上的17個標有編號的量筒中，未進入接液裝置的液體流入水箱，氣體則排放到大氣中。最后用 U形管差壓計測量分配器的壓力降。實驗研究了該分配器的分配性能、壓力降損失、氣液相操作彈性和分布不均度，優(yōu)化并確定該分配器的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，該分配器的最佳工作條件為：液相量為0.3m3/h左右，氣相量為20～30m3/h。

關(guān)鍵詞：固定床；流體力學；反應器；氣液兩相流

氣液分配器作為固定床加氫反應器的主要內(nèi)構(gòu)件，其功能是將原料均勻地噴灑到床層表面，使整個床層的催化劑都充分發(fā)揮作用，做到最大程度地使用催化劑。近年來，由于加氫裝置趨于大型化，反應器的直徑越來越大，對床層表面原料的分配效果也在不斷提高。如果反應器氣液分配器設計不合理，會使原料分配不均勻，床層上的催化劑不能得到充分利用，會使催化劑床層徑向溫差過大，并有可能導致局部過熱或結(jié)焦，造成產(chǎn)品質(zhì)量達不到要求。

本文作者在了解各類抽吸型和溢流型氣液分配器的結(jié)構(gòu)特點后，設計了一種底部帶有碎流板的新型管式氣液分配器，以空氣和水分別代替工業(yè)上的氫氣和原料油，在直徑為 600mm的固定床加氫反應器裝置上對該分配器進行了模擬實驗，通過模擬實驗考察該分配器的分配性能、壓力降損失、氣液相操作彈性和分布不均度，進而優(yōu)化并確定該分配器的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 冷模實驗

1.1 新型管式氣液分配器的結(jié)構(gòu)及工作原理

該新型分配器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)與普通的溢流型氣液分配器不同之處有兩點：一是主體管上部開有V形槽，使氣液負荷在此處得到緩沖，從而使其操作彈性增大；二是在主體管的出口處增加了碎流板，使液滴由大變小，并在高速氣體的作用下，將液體霧化然后由底部噴出。新型氣液分配器的工作原理為：當分配盤上液面相對較低時，液相物流從溢流管切口處進入中心管，而氣相物流則從主體管上部進入，氣液兩相在溢流管切口處發(fā)生第一次碰撞混合后并流向下，在碎流板處發(fā)生第二次碰撞混合后噴出，在氣液比較大時呈霧化狀態(tài)噴出，使氣液兩相在催化劑床層上實現(xiàn)均勻分配；當分配盤上液面相對較高時，液相物流中一部分由溢流管處進入，另一部分則有可能從溢流槽進入中心管，在中心管內(nèi)氣相將液相帶至出口處，在碎流板的作用下，液相被霧化進而均勻地噴灑到催化劑床層中。

1.2 實驗方法

為了便于考察流體流動混合過程及狀態(tài)，筒體和氣液分配器的主體設備均采用有機玻璃材質(zhì)。實驗裝置圖如圖2所示。

本實驗以水和空氣分別模擬工業(yè)上的原油和氫氣，在φ600mm的中試實驗裝置上對固定床新型氣液分配器進行了單體冷模實驗，測試氣液分配器的分布特性和液體破碎能力，考察新型氣液分配器的流體力學性能，進而確定分配器的結(jié)構(gòu)特點。

一般情況下固定床加氫裝置中分配器下部200mm處為催化劑床層，所以將分配器下部200mm處作為評價位置是最好的選擇。

測試過程中為了得到整個測試面的情況，布點越多越準確，越能描述出真實情況。根據(jù)試驗裝置的具體情況，在評價位置的整個截面設置了4個測量孔（A、B、C和 D）。在同一工況下，在不同測量孔對距中心多個位置進行測試，測試布局如圖 3所示。

1.3 冷模實驗裝置

圖1 新型分配器結(jié)構(gòu)圖

圖2 實驗裝置圖

圖3 測試布局圖

如圖4所示，實驗所用空氣由離心風機送至緩沖罐經(jīng)氣體流量計計量后進入試驗塔頂部，水由水箱經(jīng)水泵抽出后經(jīng)液體流量計計量后進入試驗塔上部的氣液擴散器，氣液兩相流經(jīng)急冷箱冷卻后并流向下通過被研究的分配器，進入接液裝置的液體通過17根橡膠管導入放置在地面上的17個標有編號的量筒中，氣體則排到大氣中，未進入接液裝置的液體流入水箱。最后用U形管差壓計測量分配器的壓力降。

圖4 實驗裝置流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 分配性能實驗

氣液分配器有 3個特征因素分別為分配性能（如何將氣液反應物均勻的噴灑到催化劑床層上）、抗塔板傾斜性能（安裝的分配盤是否水平）和穩(wěn)定性（實驗中當氣液比發(fā)生變化時分配盤的穩(wěn)定性）[1-2]。而評價一個氣液分配器的性能則從4個方面進行衡量，即壓降、液體分布均勻性、操作彈性和分布不均度。其中最重要的是液體分布是否均勻，可從兩個方面來衡量，一個是液體噴灑的范圍，一個是液體沿徑向的峰值，噴灑范圍越寬，峰值越小,說明氣液分配器的分散性能越好[3]。

測定氣液分配器分配均勻性的方法有許多種[4]，本實驗是在分配器下部設置了帶有17個橡膠管的液體收集裝置，通過17個橡膠管將分配器橫向分布的液體導入外部的17個量筒中，然后用稱重儀器測出每個量筒內(nèi)水的重量，用來衡量氣液分配器沿徑向的分布量q，選用最大峰值法q來衡量分配器的分配效果。實驗時，溫度保持在室溫20℃左右，在水的體積流量 qVL分別為 0.1m3/h、0.3m3/h 和0.6m3/h時，空氣的體積流量qVG從10m3/h逐步加大到30m3/h，測定新型氣液分配器液體沿徑向的分布量q和最大峰值qmax，實驗記錄處理結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在新型氣液分配器作用下，最中心處液相峰值很小。在液相負荷一定的條件下，以中心處為界，兩側(cè)在徑向分布上均出現(xiàn)最大液相峰值，且隨著液相負荷的增大，該種趨勢更加明顯。在實驗條件下，從分配范圍方面看，新型氣液分配器液量噴灑面覆蓋約為15個徑向分布點，與聯(lián)合油型氣液分配器[8]相比，新型氣液分配器的液量噴灑覆蓋面較寬。從分配液相峰值方面看，新型氣液分配器的最大液相峰值比聯(lián)合油型氣液分配器的最大液相峰值低。這表明新型氣液分配器比聯(lián)合油型氣液分配器的分配性能好。

圖5 不同條件下新型氣液分配器的分配性能

2.2 操作彈性實驗

2.2.1 氣相操作彈性

氣相操作彈性是用來表示液相分布均勻性對氣相負荷變化的敏感度。實驗時，室溫保持在20℃左右，在水的體積流量分別為0.1m3/h、0.3m3/h、0.6m3/h和 0.8m3/h時，空氣的體積流量從 10m3/h逐步加大到40m3/h，測定新型氣液分配器分配最大液相峰值qmax隨中心管氣速的變化情況，實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同液相負荷時氣相操作彈性的對比

從圖6中可以看出，當液相負載為0.1m3/h和0.3m3/h及相同的測試條件下，最大液相峰值和中心管氣體速度曲線之間的關(guān)系是相對平坦的，結(jié)果表明：氣相負載的變化對新型分配器的最大峰值影響不大，也就是說對分配均勻性影響不大，可操作氣體速度范圍較寬；當液相負載為0.6m3/h和0.8m3/h及相同的測試條件下，最大液相峰值和中心管氣體速度曲線之間的關(guān)系變化幅度稍大，結(jié)果表明：氣相負載的變化對新型分配器的最大峰值影響稍大，也就是說對分配均勻性影響稍大，可操作氣體速度范圍較窄；綜上可知，當液相負荷在0.3m3/h左右時，新型氣液分配器的氣相操作彈性較大。

2.2.2 液相操作彈性

液相操作彈性是衡量氣液分配器分配均勻性對液相負荷改變的敏感程度。實驗時，室溫保持在20℃左右，保持空氣的體積流量10m3/h不變，水的體積流量從0.1m3/h逐步加大到0.8m3/h，測定新型氣液分配器最大液相峰值qmax隨水的體積流量的變化情況，實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示，在相同的氣相負荷作用下，新型氣液分配器的最大液相峰值隨液體流量的增大而增大，當液相負荷小于0.3m3/h時，該分配器的最大液相峰值隨液體流量的改變幅度很大，表明液相負荷的改變對該分配器的最大峰值有較大影響，也就是說對分配性能有較大影響，適宜的操作液速范圍較窄；當液相負荷大于0.3m3/h時，該分配器的最大峰值隨液體流量的改變幅度很小，表明液相負荷的改變對該分配器的最大峰值有較小影響，也就是說對分配性能有較小影響，適宜的操作液速范圍較寬，表明新型氣液分配器有比較大的液相操作彈性。

圖7 氣相負荷為10m3/h時操作彈性的對比

2.3 分布不均度

當徑向液流太大，然后空速過大，反應時間縮短，導致轉(zhuǎn)化率低。此時，放出的熱量很少并且物流帶走的熱量較多，造成床溫低；相反，當徑向液流太小，導致轉(zhuǎn)化率高，造成床溫高。

為了對氣液分配器的液體分布均勻性能進行量化研究，引入液體分布不均勻度的概念，其定義如式（1）所示。

式中，N為測點的個數(shù)；ui為第i點的氣速；u 為N個測點氣速的算術(shù)平均值，m/s。

實驗時，溫度保持在室溫20℃左右，分別保持水的體積流量為0.1m3/h、0.3m3/h、0.6m3/h和0.8m3/h不變，空氣的體積流量分別從 10m3/h逐步加大到40m3/h，測定新型氣液分配器的液體分布不均度隨氣體流量的變化情況。實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖 8所示。

圖8 不同液相負荷下不均度變化

由圖8可知，當液相流量為0.3m3/h時，液體的不均度變化幅度較小，液體分布較為均勻；當液相流量為0.1m3/h、0.6m3/h和0.8m3/h時，液體的不均度變化幅度較大，液體分布不均勻。由圖8還可以看出，在氣相流量為20～30m3/h時，液體的不均度變化比較小，表明此分配器的最佳氣相流量在20～30m3/h。

2.4 壓力降

加氫反應器通常的高壓下進行[6-7]，為保證反應器壓力的穩(wěn)定性，需要盡量降低反應器內(nèi)構(gòu)件的阻力損失。因此，壓降成為衡量氣液分配器分配性能的重要因素。

實驗時，溫度保持在室溫20℃左右，水的體積流量分為0.1m3/h、0.3m3/h、0.6m3/h和0.8m3/h共4擋，空氣的體積流量從10m3/h逐步增大到30m3/h，測定新型氣液分配器的壓力降?P隨中心管氣速 ug的變化情況。實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示。

圖9 分配器壓力降?P與氣速ug的關(guān)系

從圖9中可以看出，當中心管氣體速度增大時分配器的壓降也增大，當中心管的液流量增大時分配器的壓降也增大。在進液量小于0.3m3/h時，壓力降隨著中心管氣速的變化基本保持一個傾斜的直線，保持一個固定的斜率，表明在這種情況下，阻力系數(shù)一定，分配器正常工作，運行平穩(wěn)。在進液量大于0.6m3/h時，壓力降隨中心管氣速的變化基本呈陡升趨勢，在這種情況下，進氣量增大壓力降陡升，分配器不能正常運行。

3 結(jié) 論

通過對新型氣液分配器的冷模實驗，可以得到以下結(jié)論。

（1）液量噴灑覆蓋面約為15個徑向分布點，比文獻中聯(lián)合油型氣液分配器的覆蓋面更寬；最大液相峰值比文獻中的低，表明本結(jié)構(gòu)的氣液分配器的分配性能比聯(lián)合油型氣液分配器的好。

（2）操作彈性比文獻中所述的其他同類型的分配器更好。

（3）由于結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，尺寸小，單位面積布點多，同比情況下阻力一般比泡帽型分配器減少20%～30%。

（4）最佳工作范圍為：液相負荷為0.3m3/h，氣相負荷為20～30m3/h。

參考文獻

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第一作者：張洪旭（1988—），男，碩士研究生，研究方向為加氫反應器內(nèi)構(gòu)件。E-mail zhanghongxu179@163.com。聯(lián)系人：王強，副教授，博士，研究方向為離子液體催化應用。E-mail qwang0124@126.com。

中圖分類號：TQ 051

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）07-1975-05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.006

收稿日期：2015-11-24；修改稿日期：2015-12-31。

Hydrodynamic performance of a gas-liquid distributor in fixed bed reactors

ZHANG Hongxu1，2，CAI Lianbo2，WANG Qiang1，CHEN Qiang2，ZHOU Mingdong1，ZANG Shuliang1
（1School of Petrochemical Technology，Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology，F(xiàn)ushun 113001，Liaoning，China；2Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，SINOPEC，Luoyang 471003，Henan，China ）

Abstract：A new type of gas-liquid distributor with broken flow plate at the bottom of the distributor was designed.In the cold model experiment，crude oil and hydrogen was replaced by water and air.The experiment process is that water was pumped out from the water tank and flowed into the gas-liquid diffuser of the top of test tower after being measured by liquid flow meter.The gas-liquid flow were cooled by chilled box and flowed down through the distributor at the same time.The liquid entered the collecting device was guided into 17 numbered cylinders which were placed on the ground by rubber tubes.The left liquid entered the water tank.The gas was discharged into the atmosphere.Finally，the pressure drop was tested by U shaped tube differential pressure gauge.The distribute performance，pressure drop loss，operation flexibility of the vapor and liquid phases and distribution uniformity of the distributor was studied.The structural style parameters were also optimized and determined.Result showed the best technological conditions of the distributor were that the flow of liquid phase is 0.3m3/h，the flow of vapor phase is 20—30m3/h.

Key words：fixed-bed；fluid mechanics；reactors；gas-liquid flow