固定床反应器中气液分配器的流体力学性能

张洪旭，蔡连波，王强，陈强，周明东，臧树良（辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁 抚顺 300；中国石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 47003）



研究开发

固定床反应器中气液分配器的流体力学性能

张洪旭1，2，蔡连波2，王强1，陈强2，周明东1，臧树良1
（1辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁 抚顺 113001；2中国石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003）

摘要：设计了一种底部带有碎流板的新型管式气液分配器。以水和空气代替工业上的原油和氢气进行冷模实验。实验过程为：水由水箱经水泵抽出，经液体流量计计量后进入实验塔上部的气液扩散器，气液两相流经急冷箱冷却后同时向下通过分配器。进入到接液装置的液体通过橡胶管导入到放置在地面上的17个标有编号的量筒中，未进入接液装置的液体流入水箱，气体则排放到大气中。最后用 U形管差压计测量分配器的压力降。实验研究了该分配器的分配性能、压力降损失、气液相操作弹性和分布不均度，优化并确定该分配器的结构形式和结构参数。结果表明，该分配器的最佳工作条件为：液相量为0.3m3/h左右，气相量为20～30m3/h。

关键词：固定床；流体力学；反应器；气液两相流

气液分配器作为固定床加氢反应器的主要内构件，其功能是将原料均匀地喷洒到床层表面，使整个床层的催化剂都充分发挥作用，做到最大程度地使用催化剂。近年来，由于加氢装置趋于大型化，反应器的直径越来越大，对床层表面原料的分配效果也在不断提高。如果反应器气液分配器设计不合理，会使原料分配不均匀，床层上的催化剂不能得到充分利用，会使催化剂床层径向温差过大，并有可能导致局部过热或结焦，造成产品质量达不到要求。

本文作者在了解各类抽吸型和溢流型气液分配器的结构特点后，设计了一种底部带有碎流板的新型管式气液分配器，以空气和水分别代替工业上的氢气和原料油，在直径为 600mm的固定床加氢反应器装置上对该分配器进行了模拟实验，通过模拟实验考察该分配器的分配性能、压力降损失、气液相操作弹性和分布不均度，进而优化并确定该分配器的结构形式和结构参数。

1 冷模实验

1.1 新型管式气液分配器的结构及工作原理

该新型分配器的结构如图1所示。其结构与普通的溢流型气液分配器不同之处有两点：一是主体管上部开有V形槽，使气液负荷在此处得到缓冲，从而使其操作弹性增大；二是在主体管的出口处增加了碎流板，使液滴由大变小，并在高速气体的作用下，将液体雾化然后由底部喷出。新型气液分配器的工作原理为：当分配盘上液面相对较低时，液相物流从溢流管切口处进入中心管，而气相物流则从主体管上部进入，气液两相在溢流管切口处发生第一次碰撞混合后并流向下，在碎流板处发生第二次碰撞混合后喷出，在气液比较大时呈雾化状态喷出，使气液两相在催化剂床层上实现均匀分配；当分配盘上液面相对较高时，液相物流中一部分由溢流管处进入，另一部分则有可能从溢流槽进入中心管，在中心管内气相将液相带至出口处，在碎流板的作用下，液相被雾化进而均匀地喷洒到催化剂床层中。

1.2 实验方法

为了便于考察流体流动混合过程及状态，筒体和气液分配器的主体设备均采用有机玻璃材质。实验装置图如图2所示。

本实验以水和空气分别模拟工业上的原油和氢气，在φ600mm的中试实验装置上对固定床新型气液分配器进行了单体冷模实验，测试气液分配器的分布特性和液体破碎能力，考察新型气液分配器的流体力学性能，进而确定分配器的结构特点。

一般情况下固定床加氢装置中分配器下部200mm处为催化剂床层，所以将分配器下部200mm处作为评价位置是最好的选择。

测试过程中为了得到整个测试面的情况，布点越多越准确，越能描述出真实情况。根据试验装置的具体情况，在评价位置的整个截面设置了4个测量孔（A、B、C和 D）。在同一工况下，在不同测量孔对距中心多个位置进行测试，测试布局如图 3所示。

1.3 冷模实验装置

图1 新型分配器结构图

图2 实验装置图

图3 测试布局图

如图4所示，实验所用空气由离心风机送至缓冲罐经气体流量计计量后进入试验塔顶部，水由水箱经水泵抽出后经液体流量计计量后进入试验塔上部的气液扩散器，气液两相流经急冷箱冷却后并流向下通过被研究的分配器，进入接液装置的液体通过17根橡胶管导入放置在地面上的17个标有编号的量筒中，气体则排到大气中，未进入接液装置的液体流入水箱。最后用U形管差压计测量分配器的压力降。

图4 实验装置流程图

2 结果与讨论

2.1 分配性能实验

气液分配器有 3个特征因素分别为分配性能（如何将气液反应物均匀的喷洒到催化剂床层上）、抗塔板倾斜性能（安装的分配盘是否水平）和稳定性（实验中当气液比发生变化时分配盘的稳定性）[1-2]。而评价一个气液分配器的性能则从4个方面进行衡量，即压降、液体分布均匀性、操作弹性和分布不均度。其中最重要的是液体分布是否均匀，可从两个方面来衡量，一个是液体喷洒的范围，一个是液体沿径向的峰值，喷洒范围越宽，峰值越小,说明气液分配器的分散性能越好[3]。

测定气液分配器分配均匀性的方法有许多种[4]，本实验是在分配器下部设置了带有17个橡胶管的液体收集装置，通过17个橡胶管将分配器横向分布的液体导入外部的17个量筒中，然后用称重仪器测出每个量筒内水的重量，用来衡量气液分配器沿径向的分布量q，选用最大峰值法q来衡量分配器的分配效果。实验时，温度保持在室温20℃左右，在水的体积流量 qVL分别为 0.1m3/h、0.3m3/h 和0.6m3/h时，空气的体积流量qVG从10m3/h逐步加大到30m3/h，测定新型气液分配器液体沿径向的分布量q和最大峰值qmax，实验记录处理结果如图5所示。

由图5可知，在新型气液分配器作用下，最中心处液相峰值很小。在液相负荷一定的条件下，以中心处为界，两侧在径向分布上均出现最大液相峰值，且随着液相负荷的增大，该种趋势更加明显。在实验条件下，从分配范围方面看，新型气液分配器液量喷洒面覆盖约为15个径向分布点，与联合油型气液分配器[8]相比，新型气液分配器的液量喷洒覆盖面较宽。从分配液相峰值方面看，新型气液分配器的最大液相峰值比联合油型气液分配器的最大液相峰值低。这表明新型气液分配器比联合油型气液分配器的分配性能好。

图5 不同条件下新型气液分配器的分配性能

2.2 操作弹性实验

2.2.1 气相操作弹性

气相操作弹性是用来表示液相分布均匀性对气相负荷变化的敏感度。实验时，室温保持在20℃左右，在水的体积流量分别为0.1m3/h、0.3m3/h、0.6m3/h和 0.8m3/h时，空气的体积流量从 10m3/h逐步加大到40m3/h，测定新型气液分配器分配最大液相峰值qmax随中心管气速的变化情况，实验数据处理结果如图6所示。

图6 不同液相负荷时气相操作弹性的对比

从图6中可以看出，当液相负载为0.1m3/h和0.3m3/h及相同的测试条件下，最大液相峰值和中心管气体速度曲线之间的关系是相对平坦的，结果表明：气相负载的变化对新型分配器的最大峰值影响不大，也就是说对分配均匀性影响不大，可操作气体速度范围较宽；当液相负载为0.6m3/h和0.8m3/h及相同的测试条件下，最大液相峰值和中心管气体速度曲线之间的关系变化幅度稍大，结果表明：气相负载的变化对新型分配器的最大峰值影响稍大，也就是说对分配均匀性影响稍大，可操作气体速度范围较窄；综上可知，当液相负荷在0.3m3/h左右时，新型气液分配器的气相操作弹性较大。

2.2.2 液相操作弹性

液相操作弹性是衡量气液分配器分配均匀性对液相负荷改变的敏感程度。实验时，室温保持在20℃左右，保持空气的体积流量10m3/h不变，水的体积流量从0.1m3/h逐步加大到0.8m3/h，测定新型气液分配器最大液相峰值qmax随水的体积流量的变化情况，实验数据处理结果如图7所示。

如图7所示，在相同的气相负荷作用下，新型气液分配器的最大液相峰值随液体流量的增大而增大，当液相负荷小于0.3m3/h时，该分配器的最大液相峰值随液体流量的改变幅度很大，表明液相负荷的改变对该分配器的最大峰值有较大影响，也就是说对分配性能有较大影响，适宜的操作液速范围较窄；当液相负荷大于0.3m3/h时，该分配器的最大峰值随液体流量的改变幅度很小，表明液相负荷的改变对该分配器的最大峰值有较小影响，也就是说对分配性能有较小影响，适宜的操作液速范围较宽，表明新型气液分配器有比较大的液相操作弹性。

图7 气相负荷为10m3/h时操作弹性的对比

2.3 分布不均度

当径向液流太大，然后空速过大，反应时间缩短，导致转化率低。此时，放出的热量很少并且物流带走的热量较多，造成床温低；相反，当径向液流太小，导致转化率高，造成床温高。

为了对气液分配器的液体分布均匀性能进行量化研究，引入液体分布不均匀度的概念，其定义如式（1）所示。

式中，N为测点的个数；ui为第i点的气速；u 为N个测点气速的算术平均值，m/s。

实验时，温度保持在室温20℃左右，分别保持水的体积流量为0.1m3/h、0.3m3/h、0.6m3/h和0.8m3/h不变，空气的体积流量分别从 10m3/h逐步加大到40m3/h，测定新型气液分配器的液体分布不均度随气体流量的变化情况。实验数据处理结果如图 8所示。

图8 不同液相负荷下不均度变化

由图8可知，当液相流量为0.3m3/h时，液体的不均度变化幅度较小，液体分布较为均匀；当液相流量为0.1m3/h、0.6m3/h和0.8m3/h时，液体的不均度变化幅度较大，液体分布不均匀。由图8还可以看出，在气相流量为20～30m3/h时，液体的不均度变化比较小，表明此分配器的最佳气相流量在20～30m3/h。

2.4 压力降

加氢反应器通常的高压下进行[6-7]，为保证反应器压力的稳定性，需要尽量降低反应器内构件的阻力损失。因此，压降成为衡量气液分配器分配性能的重要因素。

实验时，温度保持在室温20℃左右，水的体积流量分为0.1m3/h、0.3m3/h、0.6m3/h和0.8m3/h共4挡，空气的体积流量从10m3/h逐步增大到30m3/h，测定新型气液分配器的压力降∆P随中心管气速 ug的变化情况。实验数据处理结果如图9所示。

图9 分配器压力降∆P与气速ug的关系

从图9中可以看出，当中心管气体速度增大时分配器的压降也增大，当中心管的液流量增大时分配器的压降也增大。在进液量小于0.3m3/h时，压力降随着中心管气速的变化基本保持一个倾斜的直线，保持一个固定的斜率，表明在这种情况下，阻力系数一定，分配器正常工作，运行平稳。在进液量大于0.6m3/h时，压力降随中心管气速的变化基本呈陡升趋势，在这种情况下，进气量增大压力降陡升，分配器不能正常运行。

3 结 论

通过对新型气液分配器的冷模实验，可以得到以下结论。

（1）液量喷洒覆盖面约为15个径向分布点，比文献中联合油型气液分配器的覆盖面更宽；最大液相峰值比文献中的低，表明本结构的气液分配器的分配性能比联合油型气液分配器的好。

（2）操作弹性比文献中所述的其他同类型的分配器更好。

（3）由于结构简单，可靠性高，尺寸小，单位面积布点多，同比情况下阻力一般比泡帽型分配器减少20%～30%。

（4）最佳工作范围为：液相负荷为0.3m3/h，气相负荷为20～30m3/h。

参考文献

[1] BINGHAM F E，NELSON D E.Advanced reactor internals for hydroprocessing units[M]//Practical Advances in Petroleum Processing.Springer.2006：381-393.

[2] BaZER-BACHI F，HAROUN Y，AUGIER F，et al.Experimental evaluation of distributor technologies for trickle-bed reactors[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2013，52（32）：11189-11197.

[3] MAITI R N，NIGAM K D P.Gas-liquid distributors for trickle-bed reactors：a review[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2007，46（19）：6164-6182.

[4] 熊杰明，刘军超，郭光宗.可视化图像法评价滴流床液体分布[J].北京石油学院学报，2001，9（1）：1-5.

[5] 褚家瑞，戴渝城，马小珍.用于气液分配器的同步多点三维测液试验系统[J].化工炼油机械，1982，11（3）：12-17.

[6] 孙守峰，蓝兴英，马素娟，等.催化重整固定床反应器反应条件的优化[J].石油学报（石油加工），2008，24（4）：376-382.

[7] 王朝峰.NIW04纳米粒子的合成，表征和加氢脱硫性能[J].石油学报（石油加工），2013，29（2）：331-335.

[8] 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）：2-3.

第一作者：张洪旭（1988—），男，硕士研究生，研究方向为加氢反应器内构件。E-mail zhanghongxu179@163.com。联系人：王强，副教授，博士，研究方向为离子液体催化应用。E-mail qwang0124@126.com。

中图分类号：TQ 051

文献标志码：A

文章编号：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，Fushun 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