气-液分流式分布器的实验研究

气-液分流式分布器的实验研究

王振元;徐以泉;谷云磊;于坤;程振民

【摘要】气-液分布器作为滴流床加氢反应器中的重要内构件,可有效抑制催化剂的结焦和失活,延长催化剂的使用寿命和反应器的运转周期.通过冷模实验研究了进气孔数量及气、液进孔中心间距(△h)对一种气-液分流式分布器的抗塔板倾斜性能、液体分散性能以及阻力损失等流体力学性能的影响.实验结果表明,两气孔型气-液分流式分布器的抗塔板倾斜性能要优于四气孔型.两气孔型分布器的抗塔板倾斜性能和液体分散性能均随△h的增加呈现先增强后减弱的趋势,且均在△h=55 mm时达到最优.而在相同的气、液流量下,阻力损失则随△h的增加呈现单调递减的变化趋势.【期刊名称】《炼油技术与工程》

【年(卷),期】2016(046)002

【总页数】5页(P36-40)

【关键词】气-液分流式分布器;抗塔板倾斜;液体分散;阻力损失;实验

【作者】王振元;徐以泉;谷云磊;于坤;程振民

【作者单位】中国石油工程建设公司华东设计分公司,山东省青岛市266071;中国石油工程建设公司华东设计分公司,山东省青岛市266071;中国石油工程建设公司华东设计分公司,山东省青岛市266071;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海市200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海市200237【正文语种】中文

气-液分布器作为滴流床加氢反应器中的重要内构件，主要起到将液相反应物均匀

分布在催化剂床层上的作用［1］，使反应器内所有催化剂都能获得均一的润湿程度和相近的催化效率，以减少催化剂床层中“热点”的生成，从而有效抑制催化剂的结焦和失活，延长催化剂使用寿命和反应器运转周期［2-3］。

近年来，很多学者致力于通过理论或实验来研究几何结构变化对气-液分布器流体

力学性能的影响，以期对这些气-液分布器做进一步的改进设计或确定其最优的几

何结构。蔡连波［4］对联合油型气-液分布器作了一定的改进设计，将原气-液分

布器中起固定作用的中心螺杆更换为连接片，并在其底部加装了碎流挡板，改进后的气-液分布器的液体分布均匀性和操作弹性均优于联合油型。Du等［5］对一种气提型气-液分布器进行了改进设计，在原气-液分布器内管的里侧开了一定数量的进气孔，以期消除液体贴壁流动，改进后的气提型气-液分布器的液体分布均匀性

要优于原结构，而且阻力损失降低。王振元等［6］开发了一种新型的具有抗塔板倾斜性能的气-液分流式分布器，使传统抽吸型气-液分布器普遍存在的中心汇流现象得到有效解决，具有优异的液体分布均匀性和较低的阻力损失。

通过冷模实验研究了进气孔数量以及气、液进孔中心间距(Δh)等几何结构变化对一种气-液分流式分布器的抗塔板倾斜性能、液体分散性能及阻力损失等流体力学性

能的影响。

实验在直径为280 mm的滴流床加氢反应器内进行，气-液分流式分布器固定在反应器内的分布板上(实验装置与文献［6］中的相同)。实验过程中，以空气和水作

为实验介质，温度保持在室温20℃左右，气相流量(G)范围为6～30 m3/h，液相流量(L)范围为0.3～1.1 m3/h。气、液两相流体并流向下经过气-液分流式分布器，并在其中相互作用，液体在气体的抽吸、冲击作用下破碎为液滴分散到气流中，然后随气流一起落入分布板下方的反应器内。在液体分散性能的实验研究过程中，采用HELOS-KR型激光粒度仪对液滴在不同气、液流量下的粒度分布进行测量，其

粒径测量范围为0.5～3 500.0 μm，测量位置固定在分布板正下方150 mm处，并保持激光束与塔体轴线正交。气、液两相流体经过气-液分流式分布器的阻力损失(Δp)由差压传感器测得。

此外，还将通过冷模实验研究气-液分流式分布器的抗塔板倾斜性能。抗塔板倾斜性能主要反映相同阻力损失下，液位高度变化对气-液分流式分布器液体抽吸能力的影响程度［7］。在相同的液位差下，气-液分布器之间的液体抽吸能力相差越小，说明其抗塔板倾斜能力越强。基于上述认识，引入抗塔板倾斜因数(β)来评价气-液分布器的抗塔板倾斜性能，其表达式如下:

式中，β为抗塔板倾斜因数，m2/h;ΔH为液位差，m;ΔL为与液位差对应的液体抽吸量的变化，m3/h。β实际上代表了单位液位差所引起的液体抽吸量的变化，显然β值越小，气-液分布器的抗塔板倾斜性能越好。实验过程中，分布板上液位高度的测量采用目测，为保证测量的准确性，每个液位高度测量5次，并求取平均值作为最终的液位值。

实验所研究气-液分流式分布器(A，B，C，D和E)的特征结构及尺寸与文献［6］中相同，不同之处在于进气孔个数及位置方面的区别，其结构尺寸见表1。

2.1 抗塔板倾斜性能

在工业滴流床加氢反应器中，液体的均匀分布过程是由气-液分配盘实现的，而气-液分配盘则由多个气-液分布器按一定规则排布在分布板上组成。由于加工或安装精度的原因，气-液分配盘往往存在一定的倾斜度，造成处于不同位置的气-液分布器具有不同的液位高度，从而影响气-液分布器的液体抽吸能力，并进一步影响气-液分配盘的液体均匀分布性能。因此，抗塔板倾斜能力是评价气-液分布器性能优劣的重要指标。

以B型气-液分流式分布器(Δh=55 mm)为例，研究了进气孔个数对抗塔板倾斜性能的影响，图1是进气孔个数分别为2和4时，气-液分流式分布器的液体抽吸量

(L)随液位高度(H)的变化趋势(Δp=6 kPa)。由图1可以看出，两分布器的液体抽

吸量均随液位高度的升高而增大。这是由于液位高度越高，液体向上运动到达内管上沿所需经过的路径就越短，所消耗的能量也就越小，显然在相同的阻力损失下，液位越高则液体的抽吸量越大。

另外，当采用2个进气孔时，气-液分流式分布器的液体抽吸量受液位高度影响的

敏感程度要远小于4个进气孔时的情况。也就是说，两气孔型气-液分流式分布器

的抗塔板倾斜性能要优于四气孔型。这是由于当进气孔个数少时，相同的气体流量下，气体经过进气孔的线速度会高于进气孔较多的分布器，从而气体经过分布器的速度差也就更大。根据机械能守恒原理，气体速度差较高的分布器相应会具有更高的吸上真空度。另外，进气孔个数少时，进气孔间的间隔也会更大，有利于液体在表面张力的助推作用下，顺利完成向上的抽吸流动。因此两气孔型气-液分流式分

布器的抽吸能力要优于四气孔型，其液体抽吸能力受液位高度的影响更不敏感，则抗塔板倾斜性能也相应会更好。

图2 为不同压差时，Δh不同的5种气-液分流式分布器(两个进气孔)的液体抽吸量(L)随液位高度(H)的变化趋势。由图2可以看出，5种气-液分流式分布器的液体抽吸量均会随着液位高度的升高而增大，但液体抽吸量受液位高度影响的敏感程度并不相同，这也说明Δh的不同影响了气-液分流式分布器的抗塔板倾斜性能。为了

更直观地分析Δh对抗塔板倾斜性能的影响，以图2数据为基础，通过式(1)求解

这5种气-液分流式分布器的β，并得到β随Δh的变化趋势(见图3)。由图3可以看出，在相同的压差下，随着Δh的增大，β先降低后升高，并在Δh=55 mm (即B型气-液分流式分布器)时取得最小值。实际上，气-液分流式分布器的抗塔板倾

斜性能主要受两方面影响，一方面是抽吸能力，另一方面是液位的最大可变化范围。抽吸能力越强，液位的最大可变化范围越大，则抗塔板倾斜性能就越好。显而易见，Δh越小即进气孔距内管上沿越远，则气、液相互作用的路径越长，气-液分流式