混合式通道反应器及加氢反应装置

摘要

本发明提供了一种混合式通道反应器及加氢反应装置，混合式通道反应器包括通道组，通道组包括微通道和宏通道，微通道的特征尺寸为Dq，Dq＝500‑3000μm，微通道的长度为L，其中，L/Dq≤5；宏通道的特征尺寸为Dm，Dm>nDq，宏通道和微通道连通，其中，n是通道组中的微通道的个数，n≥1。采用该方案，在重油加氢等反应中，由于微通道的特征尺寸要大于一般微通道的特征尺寸，并且微通道的长径比远小于一般微通道的长径比，这样输入渣油等原料时，不易发生堵塞，而且，设置宏通道和微通道连通，可避免微通道的长度比较短而不能满足反应时间需求的问题，从而实现了将微通道反应器技术扩展到重油炼制领域。

说明书

技术领域

本发明涉及石油化工技术领域，具体而言，涉及一种混合式通道反应器及加氢反应装置。

背景技术

微通道反应器又称为微反应器，即利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米(或者1000微米)之间的微型反应器，与常规反应器相比，微反应器因其优良的传质、传热性能被广泛应用于精细化工。

微通道的理想截面积应当是圆形，但由于加工难度的原因，微通道的截面积形状大都被加工成矩形。为了表述微通道截面积的大小，定义了微反应器的特征尺寸：即与任何形状的通道截面积相等的圆面积的直径被称为微通道反应器的特征尺寸。特征尺寸反映了微通道的大小。

微反应器根据其主要用途或功能可以细分为微混合器，微换热器和微反应器。由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。

微反应器从开始研究到现在，已经经历了四个阶段。第一阶段，上世纪在九十年代，设计和制造微反的器件，并用它去尝试一些常规的化学反应；第二阶段，微反应器已经相对成熟，商业化反应器比如康宁，开始投放市场，反应和工艺的研究比较火热；第三阶段，开始做反应器系统化的集成，包括前端、后端、在线的处理等；第四阶段，人工智能控制。

微反应器的优点及其先进性是无容置疑的，但微通道反应器的约束也是显而易见的。通常可以理解为，微反应器适用于精细化工行业里面的20％左右的反应，这20％对于解决多类重点监管的危险工艺来说比例相当高，这就是微反应器的意义。

微通道反应器在传热、传质上的优势明显，因而极大地提高反应速率是毋容置疑的。但微通道反应器用于多种烃类混合物的反应，也是有一定的局限性。重油是多种烃类的混合物，由于微通道具有通道狭窄的特点，当不同的碳数烃进入通道参与反应时，必然产生的拥堵、竞争和排序问题，这种状况很可能导致总体的反应不均衡。

发明内容

本发明提供了一种混合式通道反应器及加氢反应装置，以克服现有技术中微通道反应器的局限，将其从精细化工领域引入石油炼制领域，引入对重油尤其是常减压渣油轻质化及加氢裂化的工艺过程中。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种混合式通道反应器，所述混合式通道反应器包括通道组，所述通道组包括：微通道，所述微通道的特征尺寸为Dq，Dq＝500-3000μm，所述微通道的长度为L，其中，L/Dq≤5；宏通道，所述宏通道的特征尺寸为Dm，Dm>nDq，所述宏通道和所述微通道连通，其中，n是所述通道组中的所述微通道的个数，n≥1。

进一步地，L/Dq＝2-5。

进一步地，所述通道组为多个，多个所述通道组依次连通。

进一步地，所述通道组包括多个微通道，每个所述微通道均和所述宏通道连通。

进一步地，多个所述微通道并排设置，任意两个所述微通道均平行。

进一步地，多个所述微通道划分为第一排和第二排；其中，所述第一排中的多个所述微通道并排设置，所述第一排中的每个所述微通道均平行于第一方向；所述第二排中的多个所述微通道并排设置，所述第二排中的每个所述微通道均平行于第二方向，所述第一方向和所述第二方向之间具有夹角。

进一步地，多个所述微通道沿预设圆弧分布，每个所述微通道的轴线均通过所述预设圆弧的圆心。

进一步地，所述通道组中相邻两个所述微通道之间的区域中为实体结构。

进一步地，L/Dq＜1。

进一步地，所述通道组包括板体，所述板体具有多个并排设置的通孔，每个所述通孔的轴向均倾斜于所述宏通道的轴向，每个所述通孔均形成一个所述微通道。

进一步地，所述混合式通道反应器竖直设置，所述微通道的内壁上附着有催化剂，所述混合式通道反应器内的物料流动方向为由下至上流动。

根据本发明的另一方面，提供了一种加氢反应装置，所述加氢反应装置包括上述的混合式通道反应器。

进一步地，所述混合式通道反应器为权利要求9或10所述的混合式通道反应器，所述加氢反应装置还包括：反应容器，所述反应容器的上部具有轻质油出口，所述反应容器的下部具有底油出口；闪蒸装置，所述闪蒸装置和所述反应容器连通；所述混合式通道反应器竖直设置，所述混合式通道反应器的下部具有原料入口，所述混合式通道反应器上部的出口和所述闪蒸装置连通。

应用本发明的技术方案，提供了一种混合式通道反应器，混合式通道反应器包括通道组，通道组包括微通道和宏通道，微通道的特征尺寸为Dq，Dq＝500-3000μm，微通道的长度为L，其中，L/Dq≤5；宏通道的特征尺寸为Dm，Dm>nDq，宏通道和微通道连通，其中，n是通道组中的微通道的个数，n≥1。采用该方案，在重油加氢等反应中，由于微通道的特征尺寸要大于一般微通道的特征尺寸，并且微通道的长径比远小于一般微通道的长径比，这样输入渣油等原料时，不易发生堵塞，而且，设置宏通道和微通道连通，可避免微通道的长度比较短而不能满足反应时间需求的问题，从而实现了将微通道反应器技术扩展到重油炼制领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例一提供的混合式通道反应器的结构示意图；

图2示出了本发明的实施例二提供的混合式通道反应器的结构示意图；

图3示出了本发明的实施例三提供的混合式通道反应器的结构示意图；

图4示出了本发明的实施例四提供的混合式通道反应器的结构示意图；

图5示出了本发明的实施例五提供的混合式通道反应器的结构示意图；

图6示出了本发明的实施例六提供的混合式通道反应器的结构示意图；

图7示出了本发明的实施例七提供的加氢反应装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、微通道；20、宏通道；30、实体结构；40、板体；50、反应容器；60、闪蒸装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图所示，本发明的实施例提供了一种混合式通道反应器，也称为HTCR(HybridType Channel Reactor)反应器，混合式通道反应器包括通道组，通道组包括：微通道10，微通道10的特征尺寸为Dq，Dq＝500-3000μm，微通道10的长度为L，其中，L/Dq≤5；宏通道20，宏通道20的特征尺寸为Dm，Dm>nDq，宏通道20和微通道10连通，其中，n是通道组中的微通道10的个数，n≥1。

采用该方案，在重油加氢等反应中，由于微通道10的特征尺寸要大于一般微通道的特征尺寸，并且微通道10的长径比远小于一般微通道的长径比，这样输入渣油等原料时，不易发生堵塞，而且，设置宏通道20和微通道10连通，可避免微通道10的长度比较短而不能满足反应时间需求的问题，从而实现了将微通道反应器技术扩展到重油炼制领域。

如图1所示，在实施例一中，L/Dq＝2-5。这样微通道10的长径比较小，可避免原料堵塞，保证反应顺利进行。

在本实施例中，通道组为多个，多个通道组依次连通。这样形成了离散式串联模型，原料多次通过微通道10和宏通道20。微通道10的功能是尽量发挥微通道优势，同时又避免了物料或催化剂堵塞问题。

宏通道20的功能是令物料充分地混合，让不同的烃类具有相同的进入下一个通道组参与快速反应的竞争机会。因此，这种离散式串联模型也很好地解决了某一种碳数烃独占微通道反应的问题。每通过一次宏通道进入下一组微通道10，任一种碳数的烃类都要在进入下一组微通道10进行排序，从而以比较均匀的概率使不同的碳数烃获得加氢反应。

如图2所示，在实施例二中，通道组包括多个微通道10，每个微通道10均和宏通道20连通。这样设置多个微通道10可以提高反应效率。

在本申请中，混合式通道更加重要的功能是产生空化效应，据测算，在渣油中的微小气泡(气核)数约为：10

高温≈5200k，引发水相燃烧；

高压≈50-150MPa；

微射流≈100m/s，冲击压力≈691MPa；

声致发光≈10

这种空泡产生的强化效应足以让烃类和氢气分子键断裂，从而实现渣油加氢的目的。

这是一般微通道反应器没有而HTCR反应器的特有的重要功能。

在本实施例中，多个微通道10并排设置，任意两个微通道10均平行。即微通道10的轴线和宏通道20的轴线同向设置。

如图3所示，在实施例三中，与实施例二不同的是，多个微通道10划分为第一排和第二排；其中，第一排中的多个微通道10并排设置，第一排中的每个微通道10均平行于第一方向；第二排中的多个微通道10并排设置，第二排中的每个微通道10均平行于第二方向，第一方向和第二方向之间具有夹角。其中，夹角的大小可根据需要调整。例如，第一方向和第二方向可设置为相互垂直。

由于HTCR反应器主要是用于混合烃类的加氢气液反应，因此该反应器更加注重气液在进入多通道参与反应前的混合。图3中一批微通道组合为L型，L型两组通道的流动方向呈90°正交，气液物料从两组微通道的出口流出后，首先互相撞击，然后撞击宏通道管壁充分混合，再改变方向进入下一个通道组。L型微通道结构的另一个功能如图3中局部放大图所示，图中表示，当一个气泡进入微通道10时，被上一通道组中的流体冲击而破碎，从而获得更加微小的气泡，使气液接触更加充分，而微小气泡的破裂将产生更加巨大的空化效应。撞击和气泡破裂如图3中下部分的箭头所指的局部放大图所示。

如图4所示，在实施例四中，与实施例二不同的是，多个微通道10沿预设圆弧分布，每个微通道10的轴线均通过预设圆弧的圆心。多个微通道10中的流体将以一定的速度在宏通道20中流向圆心并产生撞击混合，然后随机地从圆心处流向下一组微通道10。其中，圆弧可以是连续的一段圆弧，或者是间隔开的两段圆弧。例如，多个微通道10分布在两段对称的圆弧上。

在上述实施例中，通道组中相邻两个微通道10之间的区域中为实体结构30。即通道组中相邻两个微通道10之间的区域被封堵，原料不能通过。

如图5所示，在实施例五中，与实施例二不同的是，L/Dq＜1。即微通道10演变成为一块开了许多小孔的、具有空化效应的薄板。将这些薄板按一定的规则排列，即可对通道中运动的液相构成剪切及空化效应。

具体地，通道组包括板体40，板体40具有多个并排设置的通孔，每个通孔的轴向均倾斜于宏通道20的轴向，每个通孔均形成一个微通道10。此种结构为HTCR的高剪切模式。

如图6所示，在实施例六中，混合式通道反应器竖直设置，微通道10的内壁上附着有催化剂，混合式通道反应器内的物料流动方向为由下至上流动。微通道10壁上附着加氢裂化的催化剂，氢气与物料(减压渣油)为同向流，由下而上在微通道10内反应。微通道10内的反应是加氢裂化的主反应区。宏通道20内堆积加氢裂化的催化剂，气液在宏通道20中继续反应并经过混合后随机地进入下一通道组继续反应。整个反应器的工艺条件(反应温度、压力)和尺寸(微通道尺寸、组数及每组集成的通道数)由具体的物料状况而定。

如图7所示，本发明的实施例七提供了一种加氢反应装置，加氢反应装置包括上述的混合式通道反应器。

具体地，加氢反应装置中的混合式通道反应器为实施例五中的混合式通道反应器，加氢反应装置还包括：反应容器50，反应容器50的上部具有轻质油出口，反应容器50的下部具有底油出口；闪蒸装置60，闪蒸装置60和反应容器50连通；混合式通道反应器竖直设置，混合式通道反应器的下部具有原料入口，混合式通道反应器上部的出口和闪蒸装置60连通。这样，该加氢反应装置构成一个减压渣油轻质化中试实验系统。

在使用该系统的一个具体实施例中，工艺条件为，反应温度：400-410℃，反应时间：1h，氢油体积比70：1，反应压力：0.5-0.8MPa。

结果检验：

原料：减压渣油；

馏程：IBP-350℃：0％；350-500℃：5％；大于500℃：95％；

轻质油：56％，

馏程：IBP-350℃：80％；350-500℃：11％；大于500℃：9％；

底油：44％，

馏程：IBP-350℃：10.2％；大于500℃：89.8％。

实验结论：原料为经过深拔的减压渣油，由馏程可知原料中已经没有轻质馏分，经过常压加氢反应后，获得轻质化汽柴油馏分达到80％，底油中的汽柴油馏分也有10％左右，可见反应是高效可实现的。

本申请中，特征尺寸的定义为：与任何形状的通道截面积相等的圆面积的直径被称为微通道反应器的特征尺寸。

现有技术中的微通道反应器通常具有以下问题，通过上述方案能够解决这些问题。

通道阻塞问题：一般微通道反应器的特征尺寸为10-1000微米，其长径比L/Dn≈10

单一原料与混合原料用于微通道反应器的区别和问题：典型的微通道反应器适用于单一原料的化学反应，例如有一个化学反应：La+Lb→Lc。物料La和Lb为两种单一的化工原料，通过T型混合器按比例进入通道，在通道内反应，生成新的产物Lc。微通道由A到B，反应呈活塞流，原料La和Lb的浓度不断下降，产物Lc的浓度不断上升。而重油是多种烃类的混合物，由于微通道具有通道狭窄的特点，当不同的碳数烃进入通道参与反应时，必然产生的拥堵、竞争和排序问题。这种状况很可能导致总体的反应不均衡。

微通道内的气液反应：相对于均相反应，气液混合的非均相反应可能是微通道反应器的弱点，如果有一个渣油加氢裂化的微通道反应器，那么它至少存在两个问题：其一是气泡与液相的接触界面很小，导致传质受限；其二是微反应器中的物料流动均为活塞流，气液在微通道中从初始到终止始终保持相同的位置和状态，只有可以接触到气相界面的某种碳数烃才有可能产生传质和反应，这种现象被称为位置效应，是重油反应中不希望出现的现象。

本申请方案中的微通道可以理解为准微通道，准微通道和宏通道的一些数学描述如下：

准微通道中传质的随机过程：我们定义的特征尺寸在500-3000微米的准微通道中，物料运动为低雷诺数的平推流，没有任何的返混现象。其传质过程可以通过简单地证明，表达为分子间扩散的随机平稳过程。

假设t时刻传质的随机过程为X(t)，t+τ时刻传质随机过程为X(t+τ)，可以证明它们的概率分布函数满足下列等式：P{X(t)}＝P{X(t+τ)}；

即通道中的传质过程是一个离散的平稳随机过程，其传质仅与通道位置相关而与时间无关。

宏通道中传质的随机过程：宏通道由于尺寸的因素，通道中流体呈高度返混状态，已经不满足平稳过程。但传质及反应过程能够满足无后效性和遍历性，因此该传质过程可以认定为一个由传质概率为元素组成的高阶转移矩阵所支持的、离散的马尔科夫随机过程。其无后效性可以表达为：P{X

即该随机过程在n+1时刻的状态仅与过程在n时刻的状态有关而与n时刻之前的所有状态无关。

所谓无后效性原则，指的是这样一种性质：某阶段的状态一旦确定，则此后过程的演变不再受此前各状态及决策的影响。也就是说，“未来与过去无关”，当前的状态是此前历史的一个完整总结，此前的历史只能通过当前的状态去影响过程未来的演变。具体地说，如果一个问题被划分各个阶段之后，阶段k中的状态只能通过阶段k+1中的状态通过状态转移方程得来，与其他状态没有关系，特别是与未发生的状态没有关系，这就是无后效性。

在电力运行、机械加工、大规模的劳动组织等生产过程中，常常会遇到这样的情况，即不管系统的初始状态如何，在经历了一段时问以后，系统就会处于统计平衡状态(Statistical Equilibrium)，这种情况就是数学中所谓的遍历性问题，遍历性问题是马氏链理论的一个重要部分。

上述提供的、发生在不同通道中的随机过程，是为了反应器设计或研究提供一些计算和验证工具。

本方案的意义就在于保持微反应器的优势，克服微反应器的局限，将其从精细化工领域引入石油炼制领域，引入对重油，尤其是常减压渣油轻质化及加氢裂化的工艺过程中。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。