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中石化洛阳技术研发中心专家分享:沸腾床加氢反应器气液分布器结构优化研究!

发表时间: 2022-03-18 18:00:33

作者: 李小婷 陈 强 盛维武

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摘要:提出了一种沸腾床加氢反应器气液分布器结构,通过CFD数值模拟的方式对气液分布器的几何结构与性能之间的关系进行了详细分析。模拟结果表明:进气段斜孔结构主要为气相通道,气体垂直流入会阻碍液体向上流动,从而增加分布器压力降;泡罩多孔板结构会导致气泡的聚并生长,而且流体垂直撞击安装挡板会造成能量损失;泡罩斜管结构特点导致分布器的吹扫面积与几何结构类似,容易产生催化剂沉积。根据模拟结果,取消原结构中进口段的斜孔和出口处的多孔分布板,在泡罩下端开条缝,将斜管出口的开孔改为通缝结构,同时调整中心管部内孔板和条缝的相对位置,形成改进结构。通过模拟计算对比,改进结构较原结构具有更低的压力降和更大的影响区域,综合性能更佳。


关键词:沸腾床 加氢反应器 气液分布器 进气段 泡罩 影响区域 固体颗粒分布



沸腾床是一种实现固体颗粒与气相、液相之间的混合、传质、传热的设备,是工业中常见的一类反应器[1-3]。在沸腾床反应器中进行加氢反应时,要保证沸腾床反应器的正常操作,首先要保证催化剂处于良好的流化状态,其关键在于合理设计反应器的内部结构,尤其是气液分布器的结构,其将直接影响沸腾床加氢过程的反应效率和操作效率[4-7]。因此,为沸腾床反应器提供结构合理、性能优异的气液分布器,对保障沸腾床加氢反应的高效稳定运行至关重要[8]。


下文提出一种用于沸腾床加氢反应器的气液分布器结构,并通过CFD数值模拟对其流场进行分析,研究其几何结构与流体流动状态间的关系,并对其核心工作性能进行评价。

1、气液分布器结构及作用


所提出的气液分布器主要由中心管、泡帽、止逆球、锥形球座和限位座组成,中心管下部为进料段,进料段上开有条缝和斜孔,内部设置环形孔板,具体结构见图1。各部件具有如下特点。


(1)中心管内部设有锥形球座和限位座,止逆球在一定的空间内上下运动,限位座可以防止止逆球在物流不稳时上下剧烈跳动,利于稳定进料,同时可以防止碰撞导致逆流密封失效。


(2)泡罩环形空间和中心管内部流道通畅,不存在流动死区,一方面正常工作时压力降较小,另一方面若气液进料中断,止逆球因缺少推力迅速落回密封位置,使止逆球和锥形球座线接触实现密封。


图1 沸腾床气液分布器结构示意


(3)泡罩下部设置环板,为多孔板,一方面可以使气泡较小,提高床层气含率和物流冲击力,保证在停工重启时能冲起泡罩下催化剂,另一方面尽量避免逆流时催化剂进入泡罩环形空间。


(4)设置泡罩斜管可以扩大分布器气泡流的直径,使气液物流分布更均匀,保证整个床层各部分反应均一,提高反应效率。


该气液分布器在沸腾床反应器内要实现以下功能:①实现沸腾床内气、液两相的扩散和均匀分布,保证催化剂处于沸腾状态,形成稳定的沸腾床层;②尽可能形成微气泡,保证气含率,增大气、液间的相界面积,强化气、液、固三相接触;③具有止逆功能,能够有效防止床层内携带催化剂的液体逆流、堵塞,防止催化剂在分布板上沉积;④压力降尽可能小。

2、计算条件

2.1 计算域选取


为了较好地模拟出气、液、固三相在沸腾床内的流动状态,选取计算域:反应器直径400 mm,底部进料段高度600 mm,上部反应筒高度3 000 mm。

2.2 计算工况


选取9种计算工况对气液分布器单体进行了气、液两相计算,对应计算工况见表1。

表1 计算工况

在对上述9种工况进行计算时,将止逆小球固定在其行程的中间位置上。


在对气液分布器单体进行气、液、固三相计算时,选取了3种计算工况:12-0.8-30%(进气量12 m3/h,进液量0.8 m3/h,30%催化剂装载率,此后工况均以这种形式表示), 12-0.8-60%,6-0.8-60%。对3种工况进行横向与纵向对比:在相同气、液进料量时,对比不同催化剂装载率下的整场流动规律;在相同催化剂装载率时,对比不同气、液进料量下整场流动规律。

3、计算结果分析

3.1 流动状态分析


(1)进气段


进气段及其附近的流场细节见图2(工况6-0.6)。图中左侧为气相流线图,中间为气液两相的体积分布云图,右侧为进气段不同高度横截面的气液相体积分布云图。由左侧流线图可知:气相大部分由斜孔进入进气段,小部分从条缝顶端流入;液相则全部是从条缝由气相夹带进入进气段。结合图中对称面云图及进气段内横截面云图可知:进气段内部流体是以气相包裹着液相的环状流动形式向上运动,且从四列斜孔流入进气段的气体流量较为均匀。对称面相分布图中的自由液面表明:在该工况下,液位最高不超过条缝顶端,气层厚度较大。


图2 工况6-0.6在进气段处的流场细节


进气段斜孔处气相速度矢量图和进气段内部液相的速度矢量图见图3。设置斜孔的目的是起导流作用,但是从图3可知,由于壁面厚度有限,斜孔导流作用不明显,所以流经此处的气体的流动方向还是基本与壁面垂直,沿径向流入进气段。对比进气段液相速度矢量图可知,液相自下而上流动,在各工况下,气相的体积流量远大于液相体积流量,当从斜孔进入进气段的气相与从下部流入的液相交汇时,较大流量的气相必定会阻碍下部流入的液体向上运动,从而导致分布器压力降增大。从图2中间部分的对称面相分布图也可知,液相在流至斜孔附近时,明显被从斜孔流入的空气切割阻碍。其他8组工况下的流场特征与工况6-0.6基本一致,不再赘述。


图3 进气段速度矢量图


(2)泡罩出口


气液分布器设置两个气、液相出口,分别位于多孔分布板和斜管。工况6-0.6下的气、液两相在泡罩出口处的相分布图,见图4~5。由于气体的密度较小,受浮力作用会向上运动,但多孔分布板出口面为水平面,与进气段外壁面形成一个直角区域,从此处流出的气相不会因为浮力而马上向上运动,而是在这一直角区域集聚、生长至一定大小的气泡后在多孔分布板的外沿脱落。脱落后的气泡贴着泡罩外壁面往上运动,至泡罩顶端后汇聚,形成大气泡后继续往上运动。


图4 工况6-0.6多孔分布板处气相和液相分布


多孔分布板出口处的气相速度矢量与液相速度矢量见图6。从图6可知,多孔分布板流体的流出方向与分布板垂直,且出口面与挡板间的距离仅有6 mm,距离较短。由多孔分布板流出的气、液两相速度较大,垂直撞击在分布器安装挡板上导致大部分能量的损耗。其余8种工况情况类似,不再赘述。


图5 泡罩对称面及各横截面相分布


图6 多孔分布板出口处气相和液相速度矢量

3.2 影响区域分析


分布器出口的流场直接关系到分布器的影响区。若此处的流场不合理,将导致流体从分布器流出后所携带的能量浪费或沿周向分布不均匀,进而导致分布器径向影响区减小,且由于分布不均出现催化剂沉积,会降低分布器的分布性能。


所计算的所有工况,进气量占总进料量均在85%以上。图7为分布器液相速度矢量场俯视图。从图7可以看出:在近分布器区,液相的流速较大;在斜管流出的气相作用下,与斜管方向相同的径向水的流速也较大。由于斜管的存在,使得相邻斜管间的扇形区域扰动较小,这部分扰动较小的区域在实际工况当中容易沉积催化剂。这些规律表明,分布器的影响区沿周向分布不均匀且存在扰动较小区域,若按照这个规律对组合体中各分布器进行排布,则需要考虑分布器死区与较强影响区之间的互补,使相邻分布器之间的组合性能达到最佳。


图7 分布器出口液相速度矢量图

3.3 固体颗粒分布分析


计算气、液、固三相在3种不同工况下的流动情况:对比在相同气液进料量时,不同催化剂装载率下的整场流动规律;对比相同催化剂装载率时,不同气、液进料量下整场流动规律。


不同工况下床层不同位置的固体体积分布见图8。由图8可以看出,催化剂在反应筒中上部分布比较均匀。对比相同气、液进料量(12-0.8),不同催化剂含量工况下的催化剂分布图可知:此时在安装板处催化剂的沉积规律与分布器的几何结构外形较为相近;对比相同催化剂含量与不同气、液进料量可知,对于固定结构的分布器,在小气、液进料量下影响区较小,即此时影响区主要决定于气、液进料流量。将不同工况下气液分布器在安装平面上的影响直径排序列于表2。表2数据说明气、液进料量小的工况对应的径向影响范围更小。


图8 3种工况下对称面及相应横截面催化剂分布


表2 3种工况对应影响区相关参数


3.4 结构改进方向


针对以上分析结果,结构改进如下。


(1)将斜孔结构略去,减少气相对液相的垂直冲击,降低气相能量损失带来的压力降,可通过条缝高度控制气层厚度。


(2)略去原多孔分布板,将泡罩下移至与安装板接触,并在泡罩下端开条缝。


(3)将出口斜管的开孔改为通缝结构,降低气、液相垂直撞击安装板导致的压力降,扩大单个气液分布器的影响范围。


(4)将原孔板位置上移,但保持孔板和条缝的相对位置不变。

4、性能对比


12-0.8-30%和12-0.8-60%工况下原结构和改进结构的流场分布、压力降和影响区对比见图9~11。


图9 原结构和改进结构催化剂分布对比


图10 原结构与改进结构压力降对比


图11 原结构与改进结构影响区对比


从图9~10可以看出,在催化剂吹起最高高度方面,原结构与改进结构相当,但改进结构压力降小于原结构。从图11可以看出:相同工况下改进结构的影响区域优于原结构;相同结构下,催化剂负载量不同时,影响区域大小无明显差异。

5、结论


通过对所开发的带有斜管的泡罩式气液分布器进行CFD数值模拟计算,对不同工况条件下沸腾床反应器内部流场状态进行了详细分析,结合气液分布器的几何结构特点,对不利于气液分布器性能的关键因素进行改进,得出如下结论。


(1)泡罩式气液分布器的进气段斜孔会引导气体由垂直于液相流动方向进入,对液相冲击较大,造成气液分布器压力降增大。


(2)泡罩式气液分布器的出口多孔板易导致气泡发生聚并,而且出口处气液垂直撞击安装板,造成能量损失增大,进而增大分布器压力降。


(3)泡罩式气液分布器的斜管出口使分布器影响区域较小,易造成催化剂在安装板上沉积。


(4)将上述不利于气液分布器性能的结构改进后,所形成的改进结构较原结构具有更小的压力降和更大的影响范围,综合性能更优。