用于在向下流式反应器中混合流体的紧凑型装置

摘要

本发明涉及一种在向下流式反应器中混合流体的紧凑型装置，其包括至少一个基本水平的收集装置，该收集装置设有竖直的收集管线以便接收流体，布置在所述收集管线中的至少一个注入装置，沿流体流通方向位于收集装置下游的环形混合腔，所述腔包括直接连接至所述收集管线的入口端和作为流体通道的出口端，以及包括至少一个烟囱的水平预分布板，所述板沿流体流通方向位于距所述腔下游距离d2的位置处。本发明还涉及一种包括紧凑型混合装置的反应器。本发明应用于放热反应领域，更具体的是加氢处理、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢裂化、加氢及加氢脱芳反应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在向下流式反应器中混合流体的紧凑型装置及其在进行放热反应的应用。本发明还涉及一种包括紧凑型混合装置的反应器。本发明应用于放热反应领域，特别是加氢处理、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢裂化、加氢及加氢脱芳反应。

背景技术

精炼和/或石油化学中进行的放热反应需要通过额外的流体来冷却以防止热量从进行这些反应的反应器中散失。还有必要保持反应器中均匀的温度梯度，以防止催化剂床中存在热点。这些热点会过早地降低催化剂活性。还会导致非选择性反应。因此，在反应器中具有至少一个允许流体温度均匀分布和将反应流体冷却至期望温度的混合腔是至关重要的。

为了实现这种均匀化，本领域技术人员通常采用一种特殊的、通常内部非常复杂的布置，包括在反应器部分尽可能均匀地输送急冷流体(quench fluid)。既可以通过如专利文件EPB0,716,881，US5,025,831中描述的那些多孔系统，也可以通过如专利文件US4,836,989中描述的星型系统而在混合腔的下游进行这种注入。这些箱体一般非常复杂。它们通常为两个，甚至如专利US5,232,283中描述的三个，并通常设置了如专利US5,567,396中描述的如叶片、翅片、阻板或挡板的内件。这种类型的系统的主要缺陷是开发和执行的复杂性、引起的压力降以及更具体的整体尺寸(在反应器中占据的空间)。

也可以从专利申请FRA2,824,495得知一种允许在急冷流体和过程流体间提供有效交换的急冷装置。该设备整合在外壳内，并且包括急冷流体注入杆、流体收集挡板、实现急冷流体和向下流混合的合适的急冷箱体、包括有孔盘和分布板的分布系统。急冷箱体包括在基本不为径向也不与所述外壳的轴线相平行的方向上提供该流体的涡流的挡板，并且在挡板的下游，沿反应流体流通方向在箱体中形成的至少一个混合流体的出口通道部分。该装置允许克服现有技术中的各种系统的一些缺陷，但仍然具有很大的体积。

一些现有装置允许整体尺寸有所降低。如专利US6,881,387、EPB1,721,660以及US6,180,068描述了比现有技术更扁平的混合箱体。然而，这些急冷箱体仍然包含很多内件，其为了实现高效率更易于产生高的压力降。

因此本发明的目的是提供一种紧凑型混合装置，以克服现有技术中的一个或多个缺陷。根据本发明的装置在反应器尺寸方面得到巨大收益，并且提供很好的流体混合，以及很好的温度均匀性。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种在向下流式反应器中混合流体的紧凑型装置。

本发明的另一个目的涉及一种在向下流式反应器中混合流体的紧凑型装置以进行放热反应的应用。

本发明的另一个目的涉及一种包括紧凑型流体混合装置的反应器。

本发明的另一个目的涉及一种包括紧凑型流体混合装置的反应器在进行放热反应时的应用。

根据第一方面，本发明涉及一种在向下流式反应器中混合流体的紧凑型装置，包括：

——至少一个基本水平的收集装置，其设置了竖直的收集管线以便接收流体，

——至少一个布置在所述收集管线中的注入装置，

——沿流体流动方向位于收集装置下游的环形混合腔，所述腔包括直接连接至所述收集管线的入口端和作为流体通道的出口端，所述出口端位于反应器外壳的径向上，以及

——包括至少一个烟囱的水平预分布板，所述板沿所述流体流通方向在距所述腔下游距离d2的位置处。

根据本发明的一个变型，注入装置在环形混合腔的入口端的水平位置。

根据本发明的另一个变型，预分布板和环形混合腔之间的距离d2的范围为0-100mm之间。优选地，该距离范围为0.25-100mm之间。更优选地，该距离范围为0.5-5mm之间。

根据本发明的另一个变型，预分布板和环形混合腔之间的距离d2为0mm，环形混合腔与预分布板接触。

根据本发明的另一个变型，环形混合腔位于反应器外壳的外围。

根据本发明的另一个变型，环形混合腔位于与反应器外壳距离为d1处，距离d1的范围为反应器直径的0.5％-25％之间。

根据本发明的另一个变型，环形混合腔的直径d的范围为0.05-0.5m之间。优选地，该直径范围为0.1-0.3m之间。更优选地，该范围为0.15-0.25m之间。

根据本发明的另一个变型，环形混合腔的长度范围为90-270度之间，优选地，该长度范围为100-250度之间。更优选地，该长度范围为130-200度之间。

根据第二方面，本发明涉及该紧凑型混合装置在进行放热反应的应用。

根据第三方面，本发明涉及沿基本竖直的轴线延伸的细长形状的反应器，其中至少一种反应流体从所述反应器的顶部到底部通过至少一个催化剂床流通，所述反应器包括沿所述反应流体流通方向设置在催化剂床下游的至少一个紧凑型混合装置。

根据本发明的一个变型，该反应器还包括沿流体流通方向位于紧凑型混合装置下游的基本水平的分布板。

根据本发明的另一变型，该反应器还包括布置在紧凑型混合装置和分布板下游的第二催化剂床。

根据本发明的第四方面，本发明涉及沿基本竖直的轴线延伸的细长形状的反应器在进行放热反应时的应用，其中至少一种反应流体从所述反应器的顶部到底部通过至少一个催化剂床流通，所述反应器包括沿所述反应流体流通方向设置在催化剂床下游的至少一个紧凑型混合装置。

附图说明

图1示出了包括根据本发明的紧凑型混合装置的向下流式多床反应器的轴向截面。粗箭头表示流体在反应器内的流动方向。

图2示出了根据沿虚线A-A截取的截面的紧凑型混合装置的俯视图。

图3示出了作为在预分布板上测得的混合效率(横坐标η_swirl)的函数和在不同的环形混合腔效率(η_tore)下的根据本发明的装置的总混合效率。

具体实施方式

根据本发明的紧凑型混合装置应用于进行放热反应(如加氢处理、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢裂化、加氢及加氢脱芳反应)的反应器中。该反应器具有沿基本竖直的轴线的细长形状。至少一种反应流体(或过程流体)从所述反应器的顶部到底部流动通过至少一个催化剂床。在床出口处，反应流体被收集，然后在分布到位于分布板下游的催化剂床之前，与急冷流体在根据本发明的紧凑型装置中混合。下游和上游是相对于反应流体的流动方向而定义的。

反应流体可以是气体或液体或包含液体或气体的混合物，这根据反应器中进行的反应类型。流动通过上游催化剂床的反应流体被基本水平的收集装置5收集，该收集装置设置有基本竖直的收集管线7(见图1)。本发明意义上的“基本竖直”和“基本水平”是指，与竖直线或水平线的的角度α为±5度的平面的变型。收集装置由布置在与外壳的纵轴相垂直的平面上的实心板组成，外壳位于催化剂床的格栅下方。该板在反应器的整个表面上径向延伸。其在一端包括与所述竖直的收集管线7连接的开口6。收集装置用于收集来自上游催化剂床的反应流体流，并将该流体送至所述收集管线。该收集装置与催化剂床的格栅之间间隔产生收集空间4的高度H1。该空间很有必要，其允许反应流体排放至所述管线。必须选择高度H1来限制在收集来自催化剂床2的流体时所产生的压力降以及限制净高(clearance height)。该净高不能改变反应流体至收集管线的排放，或其通过管线的流动。在本发明的实施方式中，高度H1的范围为30-200mm之间，优选地在30-150mm之间，更优选地在40-100mm之间。根据本发明的实施方式，高度H1为100mm。

竖直收集管线7在环形混合腔9的入口端的水平处通入所述腔。该管线将反应流体流和急冷流体流输送至所述腔。竖直管线7的直径被选择成限制压力降。因此其选择成限制来自位于收集装置上游的催化剂床的反应流体在所述收集管线内的流动速度。优选地，所述流体的速度范围为2-5m·s^-1。

急冷流体通过注入装置8注入进竖直收集管线。注入方向与收集管线中的反应流体的流动方向相垂直。注入装置对本领域技术人员来说是公知的。其可以是侧面分支连接，或者喷嘴或星型接头(spider)，或者是喷嘴斜面等。

该注入装置位于收集管线上距离开口6的任何高度。优选地，注入装置位于收集管线与环形混合腔的入口端连接的水平处。

急冷流体可以是液体或气体或包含液体或气体的混合物。例如，急冷流体可以是氢。

环形混合腔9允许反应流体与急冷流体混合。所述腔具有不完全的螺旋管形状。它由形成弧形的弯管制成，因此包括两个明显的端部：一个端部是入口端，另一个端部是与入口端相对的出口端10。入口端连接至收集管线，出口端是打开的，允许流体混合物流到预分布板上。出口端10位于反应器外壳1的径向上。因此，离开出口截面10的流体沿反应器1截面的切线方向甩出。这种布置允许预分布板11上的流体混合物保持涡流流动。通过这种涡流流动，反应流体和急冷流体能够在预分布板上继续混合。环形混合腔9的直径和长度被选择成保证来自床2的流和急冷流体之间的很好的混合，同时限制收集管线内的压力降和反应器中所需的空间。环形混合腔的长度由通过所述腔的两个端部的平面所形成的角度来限定。所述腔的长度范围为90-270度之间。优选地，所述腔的长度范围为100-200度、100-250度之间，更优选地，在100-180度、130-200度之间。根据优选的实施方式，根据本发明的所述腔具有开口螺旋管形状，且所述腔的截面为圆形。在本发明的另一实施方式中，所述腔的截面能够为椭圆形或者矩形。不管环形混合腔的截面是什么形状，所述腔的直径(或者高度)d被选择成最大程度地限制压力降并限制反应器所需的空间。该直径d的范围为0.05-0.5m之间，优选地为0.1-0.3m之间，更优选地为0.15-0.4m之间，还更优选地为0.15-0.25m之间，最优选地为0.1-0.35m之间。根据本发明的混合装置的压力降仅仅取决于环形混合腔的高度d。该压力降遵循传统的压力降定律且可以由以下公式限定：

$\mathrm{\Delta P}=\frac{1}{2}{\rho }_m{V^2}_m\chi ---\left(1\right)$

其中，ΔP为压力降，ρ_m为环形混合腔中气液混合物的平均密度，V_m为气液混合物的平均速度，χ为与混合装置相关的压力降系数。无论流动条件如何，该系数的值已测得为2。根据本发明的优选实施方式，该直径尽可能小以限制预分布板上的环形混合腔所占据的空间并且在所述腔的出口处具有尽可能最高的混合效率。因此，优选使用允许满足可能的最大压力降标准的最小的可能的直径d。在确定工业装置的尺寸时，优选的压力降范围为0.05bar＜ΔP_max＜0.5bar(1bar＝10⁵Pa)。

流体在环形混合腔9中具有涡流运动。该运动有利于反应流体和急冷流体的混合和温度的均匀性。

环形混合腔位于反应器外壳的外围且在流体流动方向上位于预分布板的上游。所述腔的位置允许其长度最大化并能节省反应器的空间。具有弯曲形状的环形混合腔沿反应器外壳延伸距离d1。由于根据本发明的紧凑型混合装置在反应器内应占据尽可能小的空间，距离d1的范围为反应器直径的0.5％-25％之间，优选地为反应器直径的0.5％-10％之间，更优选地为反应器直径的1％-5％之间。

在优选的实施方式中，所述腔与所述板直接接触。在该构造中，环形混合腔因此直接设置在预分布板上。在另一种实施方式中，所述腔与预分布板距离为d2。在这种情况下，所述腔通过本领域技术人员公知的紧固装置如空心支脚紧固在该板上。这些支脚沿混合物的流动方向定位。距离d2的范围为0-100mm之间，优选地为0.25-100mm之间，更优选地为0-50mm之间，再更优选地为0.5-30mm之间，最优选地为0.5-5mm之间。

取决于本发明的实施方式，将环形混合腔定位在反应器的外围及预分布板的上游允许在预分布板上方或上面获得流体混合物的切向流。所述板上方的切向流允许混合效率最优化。实际上，反应流体和急冷流体之间的混合在预分布板的水平处继续进行，这不同于现有技术中描述的仅仅在急冷腔中进行混合的混合装置。根据本发明的紧凑型混合装置的效率也因此提高了。在预分布板11上获得了温度和浓度均匀的两种流体的混合物。

位于环形混合腔9下方的预分布板11由有孔板和一个或多个烟囱13组成。烟囱13优选地布置在预分布板的中央以便不会阻碍流体混合物在所述板上的涡流流动。该板的设计被优化以减小压力降并产生几厘米的液体间隙。以非限制性的实施例的方式，该预分布板上开有10mm的具有三角节距的孔洞。该预分布板在反应器的整个表面上径向延伸，并布置在与外壳的纵轴相垂直的平面上。这允许对混合物进行首次分离，液体流动通过所述孔洞，而气体通过所述烟囱。

根据本发明的实施方式，根据本发明的装置还包括允许对经过冷却的反应流体在下游催化剂床上的分布进行优化的分布板。这些分布板对本领域技术人员来说是公知的。所述分布板的详细描述可以在专利申请WOA2003/039,733中找到。

与现有技术中描述的装置相比，根据本发明的紧凑型装置具有以下优点：

——由于环形混合腔中和预分布板上或其水平处的涡流流动，提高了混合效率，

——方便执行，

——由于环形混合腔的位置与预分布板盘非常靠近且由于急冷流体在所述腔的水平处注入，增加了紧凑性，

——由于环形混合腔中没有内件，只产生很低的压力降。

附图的详细描述

图1示意了布置在沿基本竖直轴线的细长形状的反应器1中的根据本发明的急冷装置，其中至少一种反应流体通过至少一个催化剂床2从顶部流动到底部。根据本发明的混合装置相对于反应流体在外壳1中的流动布置在催化剂床2的下方。支撑格栅3用于承载催化剂床2以便在后者下方提供空的空间4。该空的空间或收集空间4允许在收集装置的水平处收集来自催化剂床2的流。收集的反应流体由例如气相和液相组成。收集装置5，也称为挡板，是只在一个点6开口的实心板，以便将流体流排放至环形混合腔9。因此，来自床2的反应流体在空的空间4中被迫通过竖直收集管线7。急冷流体经由注入管线8注入收集管线7中。在本实施例中，环形混合腔9具有环形圆纹曲面形状。所述腔9在其入口端连接至收集管线7。该急冷流体和来自上游床2的反应流体流因此被迫进入所述腔9，它们在腔中进行混合并形成涡流流动。在所述腔的出口，流体混合物在预分布板11上流动。环形混合腔沿反应器的外围设置在预分布板上。这个位置允许节省反应器内的空间。由于流体的涡流流动，混合在分布板的格栅上继续进行。混合物中的气相和液相在有孔板11上进行分离，该板设置一个或多个允许气体通过的中央烟囱13。液体流动通过该板的孔并形成莲蓬头或雨状流。有孔板11的孔的数量和尺寸被选择成使得该板上始终留存有一定高度的液体。中央烟囱13的数量和尺寸被选择成使得板12上的气液相分离最优化，同时烟囱13顶部和收集阻板5之间保持足够的距离以便在装置的该点处不会产生很高的压力降。有孔板11的目的是以相对平衡的方式输送流离开混合腔9并供给至分布板12。分布板12的目的是在分布板下游的催化剂床14的入口处对气相和液相进行再分布。

如图2所示，根据本发明的混合腔9是环形形状的，更精确的说是螺旋管形状的。它由形成不封闭弧形的弯管组成。所述腔在与竖直收集管线相对的端部开口，并且环形混合腔9的开口截面10基本上位于外壳1的径向方向上。因此，离开开口截面10的流体流在沿外壳1截面的切线方向被甩出。这种设置允许预分布板11上的混合物保持涡流流动。环形混合腔9的直径和长度被选择成使得保证来自床2的流和急冷流体很好的混合，同时限制收集管线内的压力降和反应器中所需的空间。

在下面的实施例中，术语“环形室”、“混合腔”或“环形混合腔”均无区别地指根据本发明的环形混合腔。

实施例1：根据本发明的在环形腔水平处的流体流动分析

用流体力学软件(Fluent6.3，由ANSYS公司开发，Canonsburg，USA)模拟根据本发明的环形混合腔中的两种流体的流动。数字模拟涉及到混合现象的分析：

(a)在环形混合腔内，

(b)在所述腔的出口处。

测试的各种环形混合腔的特征及实验模拟条件在后面的表1中给出。

这些模拟考虑了最不利的条件而进行，即，流体(液态水和气态氮)在环形室入口处完全不混合的情况。下列构造也因此施加在软件上：环形室入口处的流体在两种明显不同的温度T1和T2下输送，使得环形室入口截面的一半的温度为T1，另一半的温度为T2。

测试的环形混合腔的特征总结在表1中。

  环形室  环形室  液相流速  气相流速  温度T1  温度T2

表1

通过模拟软件计算的在环形室出口处的温度分布用于评估环形室的混合效率。该效率由下列关系式定义：

$\eta =1-\frac{2\sigma \left(T\right)}{\Delta T_{\mathrm{MAX}}}---\left(2\right)$

其中η为混合效率，σ为温度的标准差，ΔT_MAX为最大温度差，即(T2-T1)的绝对值。多次模拟突出地表明环形室内的理论混合总体地遵循下列定律：

$\eta =1-{\exp }^{(-\frac{x}{1.5\mathrm{Ud}})}---\left(3\right)$

其中x为在环形室中行进的直线距离，U为环形室内的液体速度，d是环形室的直径。

各次模拟获得的结果在下面的表2中给出。计算了混合腔的中间长度(L/2)处及混合腔出口处的混合效率。

  混合效率  环形室No.1  环形室No.2  环形室No.3  环形室No.4  混合腔中间长度  99％  85％  80％  92％  混合腔出口  99.9％  92％  90％  99％

表2

在环形混合腔中间长度处或所述腔的出口处产生的混合效率(根据公式1)大于80％。在一些腔构造中，该效率甚至达到99％。这意味着，流体在根据我们的发明的腔中能很好的混合，并且获得了极好的温度均匀性。

实施例2：根据本发明的预分布板水平处的流体流动分析

我们想在预分布板水平处确定根据本发明的混合装置产生的混合效率。因此，用流体力学软件(Fluent 6.3，由ANSYS公司开发，Canonsburg，USA)模拟预分布板上的流体流动。测试的各种混合装置的特征及实验条件总结在表3中。只进行单相流动模拟，即没有气相存在。因此，它们代表了急冷流体为液体且只有液相相混合的情况。

表3

为了研究根据本发明的装置中的预分布板水平处的混合效率，将环形室的截面分为两个相等表面面积的区域：一个的温度为T1，另一个的温度为T2。该实验条件对应于最不利的情况，即环形混合腔内的两种流体之间不发生任何混合。在该条件下，只测量预分布板上的涡流流动的效率。

获得的结果在表4中给出。

表4

预分布板上的环形室出口处产生的混合效率(根据公式1)总是大于或等于80％。这意味着，通过模拟研究的操作范围内，产生的涡流明显参与了流体的混合。

实施例1和2的结论

考虑到环形室内和预分布板上的环形室出口处的混合效率可以结合，根据本发明的装置的总混合效率可以用下面的公式表示：

η_total＝1-(1-η_swirl)*(1-η_toroid)       (4)

图3示意了累积的混合效率。如果环形室内的混合效率(η_toroid)为50％且预分布板上的环形室出口处的混合效率(η_swir)为80％，则会获得大于90％的总混合效率。因此，不同于现有技术中描述的混合装置，根据本发明的装置不需要使环形混合腔内的流体混合效率最优化。由于设置在预分布板上的环形混合腔和预分布板的组合，根据本发明的混合装置具有很高的流体混合效率。这种布置允许涡流流体在预分布板上继续流动。因此，在所述板上继续混合流体。

实施例3：冷模型测试

根据非限制性实施例，用布置在反应器中的、根据本发明的混合装置来进行混合效率的测量。实验条件如下：

直径为480mm的反应器在其上部被分为两个同样的部分。两个部分都同样地供应有气体(空气)和液体(水)。各部分的高度为500mm。向两部分提供不同温度T1(283K)和T2(330K)的流体。收集阻板布置在由支撑格栅承载的颗粒床下方。支撑格栅和收集挡板之间的距离为100mm。竖直收集管线的高度为150mm，直径为100mm。测试的各种混合环形室的结构特征在表5中给出。急冷流体(水)注入管的直径为20mm。预分布板设置有直径为4cm，高度为25cm的中央烟囱。预分布板上开有直径为1cm，三角节距为6.4cm的孔洞。在预分布板下方放置了有孔烟囱板盘型的分布板。代表催化剂床的惰性球床沿流体流动方向位于该分布板的下游。分布在柱状物截面上的6个热电偶位于第一惰性球层下方3cm处。根据本发明的混合装置的混合效率是由热电偶提供的温度记录根据公式(2)计算得到的。因此首先要计算记录温度的标准差。

在以下的流速条件下进行测试：

离开上部床的液体流速：15m³·h^-1；

离开上部床的气体流速：65m³·h^-1；以及

急冷液体流速：5m³·h^-1。

获得的结果在表5中给出。

表5

理论效率是用预分布板上的混合效率为80％计算的。

在所有测试的构造中，在所有情况下，总的测量热效率均大于99.7％，100％的差异是由于测量噪声(无影响)。这些结果表明，即使根据公式(2)计算的急冷环形室的理论混合效率为50％，在预分布板上的环形室出口处的涡流混合物也能够达到接近100％混合的性能。因此，为了使急冷装置实现工业规模尺寸，急冷环形室的理论混合效率目标为50％，这将允许总效率达到接近100％。

实施例4

描述了如何混合装置尺寸的实施例。其基于直径为2.5m的反应外壳。液相的密度为800kg·m^-3，气体的密度为10kg·m^-3。离开第一催化剂床的液体和气体流速分别为0.11和0.49m³·s^-1。经由注入装置注入竖直收集管线的急冷液体流速为0.03m³·s^-1。收集空间的高度(H1)为0.1m，以在此区域产生可以忽略不计的压力降。竖直收集管线的直径为0.4m。急冷流体注入装置的直径为0.12m。环形混合腔的直径为0.3m，直线(linear)长度为3.1m。反应器外壳与环形混合腔之间的空间为0.03m。四个中央烟囱在预分布板的有孔板中央呈正方形布置。这些烟囱的直径为0.3m，高度为0.25m。预分布板上开有直径为1cm，三角开孔节距为6.4cm的孔洞。设置了烟囱的分布板位于有孔板下方。有孔预分布板和分布板之间的距离为0.25m。

性能评估：

根据公式(3)评估在16000Pa下急冷装置的压力降。根据冷模型上的观察，有孔板上的液体净高为15cm。根据本发明的装置允许在急冷环形室出口处提供好的混合。根据公式(2)的急冷环形室的理论效率为54％。从冷模型进行的计算和测量结果来看，这足以使装置的总效率接近100％。

装置总尺寸：

由催化剂床的支撑格栅(图1中的元件3)和预分布板(图1中的元件11)界定的根据本发明的装置的尺寸约为0.5m。如果加上位于预分布板下方的分布板(元件12)的尺寸，大约是0.75m。

专利申请FRA2,824,495中描述的混合装置也使用了催化剂床支撑格栅和位于分布板正上方的预分布板。计算的该催化剂床支撑格栅和预分布板之间的该装置的尺寸约为0.88m。

通过对比，根据本发明的混合装置相对于申请FRA2,824,495中描述的装置节约了76％的空间。因此，相对于现有技术的装置节约的0.38m可以用于催化剂床。因此，根据本发明的紧凑型混合装置还允许通过增加催化剂床中催化剂的量来改善反应器的性能。