固定床反應(yīng)器中氣液分配器的流體力學(xué)性能

張洪旭，蔡連波，王強(qiáng)，陳強(qiáng)，周明東，臧樹良（遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 300；中國(guó)石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 47003）

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研究開發(fā)

固定床反應(yīng)器中氣液分配器的流體力學(xué)性能

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

摘要：設(shè)計(jì)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(jìn)行冷模實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：水由水箱經(jīng)水泵抽出，經(jīng)液體流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)塔上部的氣液擴(kuò)散器，氣液兩相流經(jīng)急冷箱冷卻后同時(shí)向下通過(guò)分配器。進(jìn)入到接液裝置的液體通過(guò)橡膠管導(dǎo)入到放置在地面上的17個(gè)標(biāo)有編號(hào)的量筒中，未進(jìn)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(jì)測(cè)量分配器的壓力降。實(shí)驗(yàn)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(xué)；反應(yīng)器；氣液兩相流

氣液分配器作為固定床加氫反應(yīng)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(gè)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(lái)，由于加氫裝置趨于大型化，反應(yīng)器的直徑越來(lái)越大，對(duì)床層表面原料的分配效果也在不斷提高。如果反應(yīng)器氣液分配器設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使原料分配不均勻，床層上的催化劑不能得到充分利用，會(huì)使催化劑床層徑向溫差過(guò)大，并有可能導(dǎo)致局部過(guò)熱或結(jié)焦，造成產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)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(diǎn)后，設(shè)計(jì)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(yīng)器裝置上對(duì)該分配器進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)

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(diǎn)：一是主體管上部開有V形槽，使氣液負(fù)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(dāng)分配盤上液面相對(duì)較低時(shí)，液相物流從溢流管切口處進(jìn)入中心管，而氣相物流則從主體管上部進(jìn)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(shí)呈霧化狀態(tài)噴出，使氣液兩相在催化劑床層上實(shí)現(xiàn)均勻分配；當(dāng)分配盤上液面相對(duì)較高時(shí)，液相物流中一部分由溢流管處進(jìn)入，另一部分則有可能從溢流槽進(jìn)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(jìn)而均勻地噴灑到催化劑床層中。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了便于考察流體流動(dòng)混合過(guò)程及狀態(tài)，筒體和氣液分配器的主體設(shè)備均采用有機(jī)玻璃材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)固定床新型氣液分配器進(jìn)行了單體冷模實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(xué)性能，進(jìn)而確定分配器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

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(píng)價(jià)位置是最好的選擇。

測(cè)試過(guò)程中為了得到整個(gè)測(cè)試面的情況，布點(diǎn)越多越準(zhǔn)確，越能描述出真實(shí)情況。根據(jù)試驗(yàn)裝置的具體情況，在評(píng)價(jià)位置的整個(gè)截面設(shè)置了4個(gè)測(cè)量孔（A、B、C和 D）。在同一工況下，在不同測(cè)量孔對(duì)距中心多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試布局如圖 3所示。

1.3 冷模實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 新型分配器結(jié)構(gòu)圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 測(cè)試布局圖

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)所用空氣由離心風(fēng)機(jī)送至緩沖罐經(jīng)氣體流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入試驗(yàn)塔頂部，水由水箱經(jīng)水泵抽出后經(jīng)液體流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入試驗(yàn)塔上部的氣液擴(kuò)散器，氣液兩相流經(jīng)急冷箱冷卻后并流向下通過(guò)被研究的分配器，進(jìn)入接液裝置的液體通過(guò)17根橡膠管導(dǎo)入放置在地面上的17個(gè)標(biāo)有編號(hào)的量筒中，氣體則排到大氣中，未進(jìn)入接液裝置的液體流入水箱。最后用U形管差壓計(jì)測(cè)量分配器的壓力降。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 分配性能實(shí)驗(yàn)

氣液分配器有 3個(gè)特征因素分別為分配性能（如何將氣液反應(yīng)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(shí)驗(yàn)中當(dāng)氣液比發(fā)生變化時(shí)分配盤的穩(wěn)定性）[1-2]。而評(píng)價(jià)一個(gè)氣液分配器的性能則從4個(gè)方面進(jìn)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(gè)方面來(lái)衡量，一個(gè)是液體噴灑的范圍，一個(gè)是液體沿徑向的峰值，噴灑范圍越寬，峰值越小,說(shuō)明氣液分配器的分散性能越好[3]。

測(cè)定氣液分配器分配均勻性的方法有許多種[4]，本實(shí)驗(yàn)是在分配器下部設(shè)置了帶有17個(gè)橡膠管的液體收集裝置，通過(guò)17個(gè)橡膠管將分配器橫向分布的液體導(dǎo)入外部的17個(gè)量筒中，然后用稱重儀器測(cè)出每個(gè)量筒內(nèi)水的重量，用來(lái)衡量氣液分配器沿徑向的分布量q，選用最大峰值法q來(lái)衡量分配器的分配效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)，空氣的體積流量qVG從10m3/h逐步加大到30m3/h，測(cè)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(shí)驗(yàn)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(fù)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(fù)荷的增大，該種趨勢(shì)更加明顯。在實(shí)驗(yàn)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(gè)徑向分布點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)

2.2.1 氣相操作彈性

氣相操作彈性是用來(lái)表示液相分布均勻性對(duì)氣相負(fù)荷變化的敏感度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)，空氣的體積流量從 10m3/h逐步加大到40m3/h，測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同液相負(fù)荷時(shí)氣相操作彈性的對(duì)比

從圖6中可以看出，當(dāng)液相負(fù)載為0.1m3/h和0.3m3/h及相同的測(cè)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(duì)平坦的，結(jié)果表明：氣相負(fù)載的變化對(duì)新型分配器的最大峰值影響不大，也就是說(shuō)對(duì)分配均勻性影響不大，可操作氣體速度范圍較寬；當(dāng)液相負(fù)載為0.6m3/h和0.8m3/h及相同的測(cè)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(fù)載的變化對(duì)新型分配器的最大峰值影響稍大，也就是說(shuō)對(duì)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(dāng)液相負(fù)荷在0.3m3/h左右時(shí)，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(duì)液相負(fù)荷改變的敏感程度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)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(shí)驗(yàn)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(fù)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(dāng)液相負(fù)荷小于0.3m3/h時(shí)，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(fù)荷的改變對(duì)該分配器的最大峰值有較大影響，也就是說(shuō)對(duì)分配性能有較大影響，適宜的操作液速范圍較窄；當(dāng)液相負(fù)荷大于0.3m3/h時(shí)，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(fù)荷的改變對(duì)該分配器的最大峰值有較小影響，也就是說(shuō)對(duì)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(fù)荷為10m3/h時(shí)操作彈性的對(duì)比

2.3 分布不均度

當(dāng)徑向液流太大，然后空速過(guò)大，反應(yīng)時(shí)間縮短，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率低。此時(shí)，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(dāng)徑向液流太小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率高，造成床溫高。

為了對(duì)氣液分配器的液體分布均勻性能進(jìn)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(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；ui為第i點(diǎn)的氣速；u 為N個(gè)測(cè)點(diǎn)氣速的算術(shù)平均值，m/s。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖 8所示。

圖8 不同液相負(fù)荷下不均度變化

由圖8可知，當(dāng)液相流量為0.3m3/h時(shí)，液體的不均度變化幅度較小，液體分布較為均勻；當(dāng)液相流量為0.1m3/h、0.6m3/h和0.8m3/h時(shí)，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(shí)，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(yīng)器通常的高壓下進(jìn)行[6-7]，為保證反應(yīng)器壓力的穩(wěn)定性，需要盡量降低反應(yīng)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(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)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(shí)驗(yàn)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(dāng)中心管氣體速度增大時(shí)分配器的壓降也增大，當(dāng)中心管的液流量增大時(shí)分配器的壓降也增大。在進(jìn)液量小于0.3m3/h時(shí)，壓力降隨著中心管氣速的變化基本保持一個(gè)傾斜的直線，保持一個(gè)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(yùn)行平穩(wěn)。在進(jìn)液量大于0.6m3/h時(shí)，壓力降隨中心管氣速的變化基本呈陡升趨勢(shì)，在這種情況下，進(jìn)氣量增大壓力降陡升，分配器不能正常運(yùn)行。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)新型氣液分配器的冷模實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論。

（1）液量噴灑覆蓋面約為15個(gè)徑向分布點(diǎn)，比文獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)中所述的其他同類型的分配器更好。

（3）由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，尺寸小，單位面積布點(diǎn)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(fù)荷為0.3m3/h，氣相負(fù)荷為20～30m3/h。

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第一作者：張洪旭（1988—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榧託浞磻?yīng)器內(nèi)構(gòu)件。E-mail zhanghongxu179@163.com。聯(lián)系人：王強(qiáng)，副教授，博士，研究方向?yàn)殡x子液體催化應(yīng)用。E-mail qwang0124@126.com。

中圖分類號(hào)：TQ 051

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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