刘晨化工130613

1、信息检索与网络资源利用结课作业题目：固定床加氢反应器冷氢箱的研究进展学生姓名:刘晨学号：1303010613专业班级：化学工程与工艺1306班主讲老师：薄守石2014年9月14日固定床加氢反应器冷氢箱的研究进展摘要冷氢箱是加氢反应器的主要内构件之一 , 是上床层流下的高温反应物与从冷氢管注入的冷氢气进行迅速、充分混合传热的场所 , 其性能直接影响下部催化剂床层的温升 , 并进而影响整个反应器的安全。介绍了固定床加氢反应器冷氢箱的研究进展，展示了近年来各式冷氢箱的发展，报道了加氢裂化反应器冷氢箱的研究设计及实用效果，给未来冷氢箱的发展指明了方向。关键词：氢气；冷箱；混合；温差；固定床加氢法反应器

2、Research progress of fixed bed hydrogenation reactor hydrogen cold boxABSTRACTCold hydrogen box is one of the main components of hydrogenation reactor, High temperature reaction bed under a laminar flow and cold hydrogen injected from the cold hydrogen tube quickly, fully mixed heat t

3、ransfer place. Its performance directly affects the lower the elevated temperature of the catalyst bed, and then influence the entire reactor safety.Research progress of fixed bed hydrogenation reactor cold hydrogen box is introduced，Show the development of all kinds of cold hydrogen box in recent y

4、ears，Reports the research design and the practical effect of cold hydrogen box of hydrogenation reactor，For the future development direction of cold hydrogen box.Keywords：Hydrogen；Cold box; mixing；temperature；fixed bed hydrogenation reactor目录第一章 现状11.1固定床加氢反应器冷氢箱的简介.11.2 冷氢箱目前存在的不足.1第二章 超重力旋流式冷氢箱的研究

5、与设计22.1 超重力旋流式冷氢箱的工作原理.22.2 实验方法. 实验装置简介.3第三章 水力旋流冷氢箱的研究53.1 水力旋流原理.53.2 水力旋流冷氢箱实验装置.6.3.3 实验方法.6第四章 旋叶式冷氢箱84.1旋叶式冷氢箱结构.8第五章 新型旋流式冷氢箱105.1 新型冷氢箱的设计.105.2 技术关键与应用效果.11第六章 结论.13.参考文献.14.4第1章前言1.1 固定床加氢反应器冷氢箱的简介冷氢箱是加氢反应器的主要内构件之一 , 是上床层流下的高温反应物与从冷氢管注入的冷氢气进行迅速、充分混合传热的场所。目前 , 冷氢箱的设计大体上基于两种途径的协同作用:

6、一是增加停留时间; 二是通过流体在冷氢箱内的折流碰撞来达到流体混合的目的。目前国内设计的常规冷氢箱一般为上层挡板、下层筛板，中间为矩形折返箱结构。这种结构基本上与80年代引进的反应器冷氢箱结构类似。其结构简单，压降较小。其性能直接影响催化剂床层的温升, 对反应器的安全平稳操作和长周期运行有重要影响。在装置大型化趋势下,如何保证大型加氢反应器的冷氢箱具有良好的两相混合与传热性能成为工程设计的一个难点。国外专利商进行了大量冷氢箱等加氢反应器内构件的研究开发工作, UOP, ARCO, Chevron 等公司分别开发出性能优良的冷氢箱并获得大量工业应用。国内从20 世纪80 年代开始重视反应器内构件

7、的研究在消化吸收引进技术的基础上开发出多种冷氢箱。1.2 冷氢箱目前存在的不足冷氢箱主要是挡板式和撞击流式，挡板式冷氢箱要想获得理想的混合效果需要占据庞大的反应器体积，而撞击流型冷氢箱虽然体积较小，但是实践证明撞击流冷氢箱气液接触效果较差，混合效果不理想但冷氢气和反应产物在这种冷氢箱中停留时间较短，混合不够充分，容易造成进入下一床层物料的温度不均匀，影响下一床层的反应过程。当反应器内径较大时，最大径向温差有时可达20度以上，这样容易造成反应器内“热点”处的催化剂结焦，导致介质偏流，给反应器操作带来很大的安全隐患。第二章超重力旋流式冷氢箱的研究与设计2.1 超重力旋流式冷氢箱的工作原理超重力旋流

8、式冷氢箱主要由降液管、水平旋流管和混合筒组成。降液管为方形空腔，下端与水平旋流管相切，宽度与水平旋流管的半径相同，长为 130 mm，高为 200 mm；水平旋流管前段与降液管相切，末端与混合筒相切，直径为 80 mm，长为 410 mm；混合筒与 3 个水平旋流管相切，由隔板分为上下两部分，分别安装弯向相反的导向叶轮，并通过隔板中心的节流孔相连通，总高为 360 mm，直径为 350 mm。11-13超重力旋流式冷氢箱的工作原理是上游床层流下的液体落在冷氢箱顶部塔板上，并与气体一起从降液管入口进入冷氢箱14。由于降液管的节流作用，液体可以充分利用重力及高速气流的曳力作用获得较高的动能，在降液

9、管的末端高速切向进入水平旋流管。在气体的进一步推动下，液体克服了重力的限制，在水平旋流管中进行沿水平轴线的高速超重力旋流运动，避免了传统旋流式冷氢箱内的气液分层流动，大大增加了气液接触面积和液体的湍动程度，能够有效促进气液相间和液液相内的混合效果15。在水平旋流管的末端，气液两相流体沿切向高速进入混合筒，并在其中作沿竖直轴线的超重力旋流运动。在混合筒内，高速旋转的气液两相流体与上层导流叶片发生强烈的撞击和混合，并在其导流作用下呈漩涡状通过节流孔流入下层混合筒。经过与下层导流叶片的相互作用，气液两相流体沿导流方向流出冷氢箱。2.2 实验方法采用-萘酚（A）与对氨基苯磺酸重氮盐（B）发生偶合反应生

10、成单偶氮（R）和双偶氮（S）串竞争反应体系来研究超重力旋流冷氢箱的微观混合性能，反应方程和动力学表达式可表示为16：（2-1）（2-2）其中，反应（1）为快反应，反应（2）为为慢反应。根据文献，298 K 时，k k1 为7 300 m m3/(mol·s)，k2 为3.5 5 m3/(mol·s)。该反应体系完全生成 S 时，A 和 B 两反应物的的物质的量之比为 1:2，若采用1:1的比例，反应会因为物料 B 的耗尽而终止止，从而使混合对反应影响的信息得以保存下来，定义离集指数为17：（2-3）2.2.1 实验装置简介实验在直径为1 m的大型有机玻璃塔中进行（见图2-1

11、）。气相为空气，由空气压缩机提供，经由气体涡轮流量计进入塔体；液相是浓度均为10 mol/m3的NaHCO3和Na2CO3的混合缓冲溶液，由水泵输送，经由液体涡轮流量计进入塔体。重氮盐与萘酚按物质的量之比1.0:1.1进料，萘酚从冷氢箱的两个入口通入，同时重氮盐由第三个入口通入18。气液流量充分稳定后，从冷氢箱出口处采集样品，并采用UV757CRT型分光光度计间隔10nm测取460600 nm的15个点处的吸光度值19。图2-1实验装置 Fig.2 Experimental set-up1- turbine flow wmeter of gas; 2-a air compressor; 3,1

12、2-metering2- pump; 4-co ontainer of solutio on A; 5-sampling g opening;6-defoam ming device; 7-turb rbine flowmeter o of liquid;8-supergravitatio onal swirling-type e quench box; 9-o outlet samplingdevice; 10-ou utlet of gas; 11-ou utlet of liquid; 13- -container ofso olution B; 14-liqu uid pump; 15

13、-tank第三章水力旋流冷氢箱的研究3.1 水力旋流原理水力旋流是流体的重要运动形态之一 , 广泛存在于自然界和各类水利工程及流体机械中6-8。实验证明 , 水力旋流不但冲刷和破坏流体边界层 , 使贴近壁面的流体速度增加 , 而且改变了流体的流动轨迹 , 使除轴向流速分量外 , 还有较大的切向流速分量。切向速度使流道内流体质点的运动受到离心力的作用, 加强了边界层流体和主流流体的湍流掺混 , 强化了边界层流体的扰动和脉动 , 因而使传递过程得到强化。鉴于旋流的这些特点 , 可设计一种水力旋流冷氢箱使其在不增加额外能耗的情况下 ,把一维方向的流动转变为三维空间内的旋转流动 ,以提高其混合传递效果

14、。3.2 水力旋流冷氢箱实验装置图2-1为本研究的实验装置及流程。该装置主体部件为直径 1 m 的有机玻璃塔 , 冷氢箱为该塔体的内构件。以脱氧水和空气为实验介质 , 水从塔顶经排管式分布器流入塔内 , 进入冷氢箱 , 空气从冷氢管注入 , 在冷氢箱内进行混合。实验原料: 亚硫酸钠 (AR) 。实验仪器: 压力传感器 FB0803BE2R , 测压范围 070 kPa , 精度等级 0125 % , 福州福光百特公司生产; 溶氧分析仪J PSJ2605 , 上海雷磁精密仪器有限公司生产。图3-1实验装置图Fig.3Schematic diagram of experimental appara

15、tus1 gas blower ; 2 liquid pump ; 3 outlet of liquid ;4 outlet of gas ; 5 quench box ; 6 gasdistributor ; 7 gas2liquid distributor3.3 实验方法本实验主要考察水力旋流冷氢箱的压降以及传质系数。实验中使用亚硫酸钠对水进行除氧从而生成脱氧水 , 接着把脱氧水与空气在冷氢箱内进行混合。通过测量水中含氧量的变化来计算其液相体积传质系数。传热与传质学中 , 描述质量、动量、热量传递的定律在形式上是一致的 , 不仅传质系数与传热系数具有类似性 , 而且浓度分布也能类似地反映温

16、度分布。因此 , 本实验可根据传质与传热的类似性来反映冷氢箱的传热效果。实验中控制液体流量为 410 m3·h - 1、气体流量为 2060 m·h - 1, 考察不同气液流量下冷氢箱的压降及传质系数的变化。在本实验中 , 氧吸收效率公式为9（3-1）式中cin和cout分别为溶氧仪测定的冷氢箱入口和出口的液相氧浓度 , mol·m- 3; cs为实验温度下水中的饱和氧浓度 , mol·m- 3。依据低浓度气体吸收过程的传质系数法 , 可得冷氢箱液相体积传质系数方程10（3-2）式中 D为加氢反应器的直径 , m ; H 为冷氢箱高度 , m。第四章旋叶

17、式冷氢箱4.1 旋叶式冷氢箱结构在加氢反应器中，冷氢箱的功能有两个：取热控制反应物料温度；混合、中和反应物料的温差，实现温度均化。对于多床层加氢反应器来说，原料油、油气和氢气在上一床层反应后温度升高。为了给下一床层提供适宜的反应温度，就必须采用中间加入冷氢的方式实现取热，即在两个床层间通入适量冷氢，在冷氢箱的作用下，冷氢、油气和液相油三者充分混合，实现传质与传热，从而实现控制反应物系温度，为下一床层提供适宜的入口反应温度，这是冷氢箱的第一个功能，即取热。经过一个催化剂床层后，反应物料在床层径向截面上的温度分布不均匀，甚至会出现局部过热点，如果温度不等的物料进入下一个催化剂床层继续反应，会发生局

18、部飞温的情况，对催化剂的活性危害很大，甚至造成部分催化剂结焦失活，会影响产品质量。因此，反应物料在进入下一个催化剂床层前，需要利用冷氢箱将整个反应器截面上的物料收集、混合，将温差消除后再分布到下一个催化剂床层上，这是冷氢箱的第二个功能，即温度均化。冷氢箱是实现气-气、气-液混合、冷、热物料传质传热的元件。气-气混合传热很容易做到，因此冷氢箱的技术难点在于气-液传热与液相混合。随着加氢技术的进步，为满足工艺要求，冷氢箱的结构形式也在不断演变。国外大石油公司都有自己的专有冷氢箱技术，国内的各大高校、工程公司、研究院也对冷氢箱进行了深入研究，并开发出一些专利产品或专有技术。目前工业上应用的冷氢箱工作

19、机理各不相同，结构差别较大。FRIPP 开发的旋叶式冷氢箱结构如图4-1 所示，其结构由旋转组件、撞击组件、冷氢箱盘板组成。工作时，冷氢箱盘板上积有一定深度液相，下落的液相首先与盘板上的液相混合，交换热量，消除一部分温差，然后进入冷氢箱旋转组件，旋转组件是用弧形板形成的弧形流道，液相在冷氢箱盘板上的流动为层流，进入弧形流道后，流通面积持续减小，物料流动速度不断提升，到达冷氢箱中心的撞击组件时，物料流态由层流变为湍流，并且做水平旋转运动。撞击组件由中心管与撞击格栅组成。物料受水平旋转运动及撞击格栅斜面的支撑作用延长了物料在中心管中的停留时间，同时由于撞击格栅的导流作用，液相物料继续向中心汇集，第

20、二次消除液相之间的温差。同时旋转的物料与撞击格栅有强烈的刮碰，这种碰撞有利于气液相表面的不断更新，增强了气液相间传热。图4-1 旋叶式冷氢箱第五章新型旋流式冷氢箱5.1 新型冷氢箱的设计（1）将挡板上的冷氢管设计成树枝状或环形并有大量均布的喷射孔。冷氢气通过喷孔喷入挡板盘上，与反应后的热流体大面积接触，充分混合换热，达到预混合目的。20（2）在上层挡板上开两个节流孔，经预混合后的两种介质通过节流孔后，在圆周方向顺时针沿着流道流动，流动路线比常规冷氢箱延长了 " 倍以上，使混合时间延长。（3）将下层中间混合箱设计成中心圆筒形。由上述两个流道出来的介质顺时针切向进入中心圆筒，并在此圆筒内

21、以旋流、碰撞和搅动的方式再次强化混合效果21-22。（4）中间混合箱内的混合物通过中间折流孔进入筛板盘，均匀地分配到反应器整个截面上。（5）除混合通道和中间混合箱体外，将上部挡板设计成可拆结构，便于人员的进出和催化剂的装填。这样，可以使冷氢气与热物流先进行大面积接触的预混合，然后再与反应产物在混合道、中间混合箱内，通过延长接触时间、变换流速、转换流动方向，提高气体与气体、气体与液体、冷热流体之间的混合效果，使混合后介质的温度更加均匀，使反应器特别是大型反应器内床层的径向温差大大缩小23。目前，这种新型旋流式冷氢箱已获得中国专利（ZL 00253961.6）。图4-1 新型旋流式冷氢箱5.2 技

22、术关键与应用效果（1）加氢反应器一般在高温、高压、临氢条件下操作，反应器造价昂贵，为了减少设备造价，除盛装催化剂所必须的空间外，其它部件尽量要结构紧凑24。因此，在设计中需尽量缩小冷氢箱各部分所占空间。（2）工艺要求加氢反应器内构件的压力降要尽量小。旋流式冷氢箱的压力降一般比常规冷氢箱高20%左右25（见表 5-1）。反应器的总压降占系统压降的30%左右。反应器内的压力降由催化剂床层压降和内构件压降组成。后者的压降一般应控制在 1015m/s左右26。设计时将此压降计算到系统总压降中，由循环氢压缩机的能力来满足即可。表5-1 反应器进出口压差标定结果27Mpa项目第一次标定第二次标定旋流式冷氢

23、箱+126%催化剂0.230.24常规冷氢箱+100%催化剂0.170.17常规冷氢箱+126%催化剂0.2060.206（3）流道截面的设计应根据反应器内液体和气体的总流量进行计算得出。使气液在流道内有一个适合的流速。其流速一般控制在1015%m/s。流速太低，混合效果差；流速太高，会增加阻力降。（4）冷氢箱各部的密封设计与安装一定要严密，以免介质走短路。表5-2反应器床层温度的标定结果28项目单点实测最大差值标定1二床层376 380 377 3764三床层376 374 376 3795四床层377 377 376 3782标定2二床层378 382 378 3725三床层378 375

24、 377 3725四床层379 380 381 3783第六章结论各式各样的固定床加氢反应器冷氢箱促进了工业的进步与发展，对冷氢箱的研究正在继续进行下去，涌现出许多新型冷氢箱，弥补了传统冷氢箱的不足，为加氢反应器注入了新的血液。总的来说，新型冷氢箱具有以下优点：（1）流动阻力小 , 构造简单 , 体积小巧 , 加工费用比传统冷氢箱低29;（2）它们的研制成功将对延长催化剂使用寿命，保证反应器平稳操作起到良好作用30；（3）相比于传统冷氢箱 ,减少了流体对设备的直接冲击，运行与维护费用低31。参考文献 1 Wu Defei (吴德飞) , Sun Lili (孙丽丽) , Li Hao (李浩)

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27、performance of quench box in hydrotreatingreactor1 Pet rol2Chemical Equipment Technology (石油化工设备技术) , 2003 , 24 (1) : 10213 5 Lin Fude (林付德) , CaiLianbo (蔡连波) . Study on the performance of quench box in hydrotreating reactor.Pet roleum Re f inery Engineering (炼油技术与工程) , 2005 , 36 (9) : 67269 6 QiuYu

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