加氢反应器入口扩散器的制作方法

本发明涉及扩散器技术领域，尤其涉及一种加氢反应器入口扩散器。

背景技术：

近年来，随着石化产品质量标准的逐渐升级和环保法规的日益严格，加氢技术在炼油工业中发挥着越来越重要的作用，加之对原料油“吃干榨尽”的要求，国内外炼油企业为提高经济效益和应对环保的要求，迅速扩大各类油品加氢处理能力。

加氢处理关键核心设备为加氢反应器，在加氢反应器内部，一定比例氢气和原料油的混合物在一定温度和压力下，借助催化剂的作用，完成各类加氢反应。由于加氢反应是气、液、固三相存在的强放热反应，如若气液在催化剂床层中分布不均匀，则会导致液相多的部位反应剧烈，生成热量多，催化剂局部温度高，形成过热点，导致这部份催化剂过早失活，严重时造成催化剂局部的结焦、板结，物料无法正常通过，一方面降低催化剂的使用寿命和装置的开工周期，另一方面增加床层压降，造成装置能耗升高。因此，为使加氢装置平稳运行，需要使反应器径向温差小，换言之，应使反应器径向液体分配尽量均匀。随着装置大型化带来的设备大型化，要使更大直径的反应器仍保持较小的径向温差，给加氢反应器内构件提出了新的挑战。

固定床加氢反应器作为加氢反应器一种常见的类型，内部通常设有入口扩散器、积垢篮、分配盘、催化剂支撑格栅、卸料管、冷氢箱、热电偶保护管和出口收集器等反应器内构件。固定床加氢反应器通常从加氢反应器顶部中心位置进料，由于反应器入口直径相对反应器直径往往较小，来自反应器入口的气液两相介质需要先经过入口扩散器进入到反应器内部，入口扩散器的作用是，一方面使气液两相混合，同时使气液两相分散进入到反应器内部，实现气液两相的预分布，因此，入口扩散器在加氢反应器内件和实现介质均匀分布中有着重要地位。随着装置大型化带来的设备大型化，但反应器入口直径的增长有一定的限制，导致反应器直径与反应器入口直径之比达到5甚至更大，对加氢反应器入口扩散器提出了更高的要求。

目前常见的扩散器多为简单两层或多层锥形体，气液两相通过锥形体时间较短、混合不够充分，同时锥形体导致物料在反应器封头空间形成的流线为倾斜线，物料将顶部分配盘上的液层向反应器四周冲送，形成“推浪”现象，即反应器分配盘液层高度自中心位置向边缘位置呈递增分布，反应器分配盘中心位置液位较小，甚至没有液层，反应器边壁处液层高度大，造成分流后物料不能较好的均匀分布到反应器的整个截面，分布存在较严重的偏差。

公告号为cn202015610u的专利公开了一种加氢反应器的入口扩散器。该结构主要包括外筒体、球形喷头、半球体、管法兰和碎流板，其中球形喷头、半球体、碎流板起到减缓流体冲力的作用，通过碎流板上的碎流孔接管向反应器内喷洒介质。该扩散器虽然能一定程度减缓物料的垂直冲击力，但气液两相主要通过垂直于碎流板上的碎流孔接管向反应器内喷洒介质，喷洒面积较小，同时气液两相一次通过喷头、两次通过接管，压力降较大。另外，在较大直径加氢反应器的使用中也受到限制，因为装置规模增大后，气液两相进料量增大，但由于入口管尺寸较小，气液两相在入口管内、喷头出口处流速很高，一方面造成对半球体的冲击很大，另一方面也造成入口管的冲击反力、振动很大，管法兰的密封也容易失效。

公告号为cn106268524a的专利公开了一种扩散器及固定床反应器。该扩散器主要包括筒体、旋流板、中心杆等结构，旋流板通过中心杆固定在筒体中部，旋流板为沿筒体轴向呈现螺旋状延伸的曲面板。进入扩散器的气液物料在筒体中沿旋流板的延伸方向流动，并在气液物料扩散口沿上述方向扩散。该扩散器虽然能使气液物料产生一定混合，压降较小，但物料主要沿旋流板的延伸方向流动和扩散，导致物料集中、喷洒面积小，易出现局部的高浓度和大部分的低浓度区域。

为了能使气液两相进料能够更均匀的分散到反应器内部，避免“推浪”现象，扩大气液两相的喷洒面积，促进气液两相的混合，使气液两相与催化剂更平稳反应，促进加氢装置平稳运行，需要一种新型的加氢反应器入口扩散器。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的固定床加氢反应器入口扩散器液相分配面积小、沿径向液相分布不均匀、易于出现偏流壁流等技术问题，本发明提供了一种加氢反应器入口扩散器。

本发明提供的加氢反应器入口扩散器，包括入口锥形体、安装板和喷射罩；入口锥形体整体为圆锥形台状体，其下部为法兰状突缘，突缘上设有向上竖立的导向柱，入口锥形体上表面均布旋流管，旋流管上部为倒锥形收口结构，下部为起导向作用的导向管，导向管出口固定于入口锥形体下表面上，倒锥形收口结构内设有旋转导叶；安装板为圆形环板，其上设有与导向柱相匹配的圆柱孔，安装板以其内圈套在入口锥形体外侧并使导向柱穿过其圆柱孔，导向柱上套装弹簧，导向柱上端设置垫片和螺母，弹簧两端固定于垫片和安装板上，入口锥形体通过导向柱和弹簧悬吊于安装板上并可相对于安装板做上下运动；喷射罩是底部为球面或椭球面的杯状体，其底部均布喷射孔，喷射罩罩于入口锥形体下方并固定于安装板下表面上。

所述导向柱一般设置3～12个，入口锥形体通过导向柱、螺母和弹簧的共同作用安装在安装板上。

所述入口锥形体内设置的旋流管为4～90个，倒锥形收口结构的大端开孔直径10～200mm，优选为12～100mm，收口后的小端开孔直径为5～100mm，优选为8～50mm。气液两相介质在旋流管内由于流通面积变小，流速增大，增加流动的湍流程度，促进气液两相的混合，同时，旋流管入口处安装旋转导叶，实现对混合介质进行整流，增加气相液相的接触时间，促进气相和液相的混合，同时提高增压效能；综合考虑气液两相接触时间和入口扩散器的压降，相邻两旋转导叶间的距离为1.1～5倍小端开孔直径。旋流管下部为导向管，导向管可以为直管，也可以为弯管，这样的目的是通过导向管的导向作用，确保从旋流管流出的气液两相均匀的分散于喷射罩上的整个区域。

所述喷射罩底部沿径向方向在圆周上均匀开设喷射孔，喷射孔呈同心圆状分布，喷射孔向四周喷出混合介质，喷射孔直径宜为5～50mm。喷射罩底部设置为球面或椭球面的好处是喷洒范围大，可以向四周均匀地喷出混合介质，增大介质与反应器内的催化剂的接触面积，促进介质均匀地在反应器内部的分布。喷射孔开孔原则是保证足够的喷洒面积，保证气液介质在反应器截面上的均匀分布。

作为改进的方案，喷射罩底部内侧可以设置隔板，隔板可分为环形隔板和竖直隔板。环形隔板围绕喷射罩底部中心呈同心圆状分布，环形隔板将喷射罩底部分隔成含有数量不等的喷射孔的环形区域，喷射罩底部内侧还可以设置沿喷射罩底部径向与环形隔板垂直交叉的竖直隔板，进一步将环形区域分割成面积更小的含有数量不等的喷射孔的扇形区域。隔板高度为5～200mm，隔板的作用是确保喷射罩底部上每个区域都蓄有一定的液体。当某个区域液体过高时，液体经隔板溢流向其它区域，实现了液体在喷射罩底部上的自由流动和均匀分布，确保入口扩散器向反应器径向截面均匀地流出液相，不会出现偏流。

视加工原料的情况(主要考虑流动性)，隔板上可以开孔，也可以不开孔，流动性好的原料可不开孔，流动性差的原料宜开孔，开孔宜为圆孔或槽缝。

作为进一步的改进，喷射罩底部的喷射孔处可安装气液喷头，安装在喷射罩底部上的气液喷头可以增加介质向四周喷射的范围，同时增加气液两相的接触。气液喷头的出口型式可以为扩口型、平口型或收口型，以确保不同位置的气液喷头可以把介质均匀地分布到反应器截面。

气液喷头垂直于喷射孔处的切平面固定于喷射孔处，气液喷头为两端敞口的管状体，位于喷射罩底部内侧的气液喷头管壁上沿周向可以均匀开设圆孔或槽缝作为流体通道，圆孔或槽缝可以为一层或两层或多层，圆孔直径为2～30mm，优选为4～25mm。一般情况下，由于气相和液相的重力差，经隔板蓄起的液相，从气液喷头上的单排或多排开孔进入气液喷头，气相从气液喷头顶部进入，与从开孔中进入的液相进一步接触、切割，气液两相得到更充分的混合。极端情况下，液相也可以从气液喷头顶部进入，液相加速离开，这样的有益之处是进一步增加气液两相介质的混合，同时气液喷头有较大的操作弹性，液位较高的区域一方面可通过溢流流向其它区域，也可从气液喷头顶部快速离开喷射罩，确保喷射罩底部上由隔板分隔的每个小区域内都有较均匀液高。

本发明的工作原理：

当物料流量较小时，来自加氢反应器入口的介质经入口锥形体的旋流管入口进入入口扩散器，在旋流管内经旋转导叶的旋流作用，实现对混合介质的整流，增加气相液相的接触时间，介质进一步通过导向管的导向作用，均匀的分散于喷射罩底部上的整个区域，进入喷射罩底部空间的介质经气液喷头的喷射作用在反应器径向均匀分布进入催化剂床层。

当物料流量增大时，物料对入口锥形体的冲击力增大，弹簧受力增大，弹簧形变量增加，弹簧向下的压缩量增加，在弹簧和导向柱的作用下使入口锥形体下移；由于入口锥形体外形为锥形，安装板为圆环状，入口锥形体下移后与安装板之间的环形空间变大，气液两相可通过入口锥形体与安装板之间的环形空间进入喷射罩，通过喷射罩上的隔板调整后再次实现入口扩散器内物料的均匀分布。

本发明具有如下有益效果：

1)油气离开入口锥形体后进入喷射罩与入口锥形体之间的空间，由于此处截面积增大，流体流速变小，压力增大，此处形成增压室，利用介质本身动能与压力的转换增加混合介质的压力，有利于介质的均匀喷出。

2)旋流管入口处为倒锥形或倒喇叭形，实现对混合介质的增速；旋流管入口处安装旋转导叶实现对混合介质进行整流，增加流动的湍流程度，促进气液两相的混合；通过导向管的导向作用确保液相均匀地分散到整个喷射罩上。

3)通过底部为球面或椭球面的喷射罩，增加介质喷射的范围，增大介质与反应器内的催化剂的接触面积；通过喷射罩底部上隔板的分隔作用，严格、精确控制液相的流量，保证每个区域都有液相，从源头上避免了偏流；喷射罩底部上安装气液喷头，每个区域内的液相都从气液喷头中进入反应器，可进一步促进气液两相的混合，操作弹性大。

4)通过导向柱和弹簧的设置，使入口锥形体可相对于安装板做上下移动，使入口扩散器具有缓冲作用，可有效减少物料对入口扩散器的冲击，最大限度减小了由于进料不均匀性带来的冲击和分布不均匀，还实现了入口扩散器开度随加工量的增加自动调节。

总之，本发明可使气液得到充分混合，喷洒面积大，有效避免液相偏流，可大大改善油气进入反应器的初始分布，改进反应操作状况，提高产品质量。

附图说明

图1是本发明入口扩散器的结构示意图；

图2是喷射罩底部的结构示意图；

图3是气液喷头的结构及其装配结构示意图；

图4是本发明入口扩散器的装配结构示意图。

图中：1-入口锥形体，2-安装板，3-喷射罩，4-环形隔板，5-气液喷头，6-旋流管，7-旋转导叶，8-导向柱，9-螺母，10-垫片，11-弹簧，12-喷射孔，13-竖直隔板，14-圆孔，15-反应器入口，16-反应器壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的加氢反应器入口扩散器主要包括入口锥形体1、安装板2和喷射罩3；入口锥形体1整体为圆锥形台状体，其下部为法兰状突缘，突缘上设有向上竖立的导向柱8，入口锥形体1上表面均布旋流管6，旋流管6上部为倒锥形收口结构，下部为起导向作用的导向管，导向管出口固定于入口锥形体下表面上，倒锥形收口结构内设有旋转导叶7；安装板2为圆形环板，其上设有与导向柱8相匹配的圆柱孔，安装板2以其内圈套在入口锥形体1外侧并使导向柱8穿过其圆柱孔，导向柱8上套装弹簧11，导向柱8上端设置垫片10和螺母9，弹簧11两端固定于垫片10和安装板2上，入口锥形体1通过导向柱8和弹簧11悬吊于安装板2上并可相对于安装板2做上下移动；喷射罩3是底部为球面或椭球面的杯状体，其底部均布喷射孔，喷射罩3罩于入口锥形体1下方并固定于安装板2下表面上。喷射罩3底部内侧设有环形隔板4和底部的喷射孔上设有气液喷头5。

如图2所示，喷射罩底部上均布喷射孔12，呈同心圆状设置的环形隔板4及沿喷射罩底部径向与环形隔板4垂直交叉的竖直隔板13将喷射罩底部分割成不同的扇形区域。当然，环形隔板4和竖直隔板13上也可开孔，开孔可为圆孔或槽缝。

如图3所示，气液喷头5设置于喷射罩3底部的喷射孔处，气液喷头5的管壁上设有用作流体通道的圆孔14，当然，流体通道也可以设成槽缝，图中的气液喷头5的出口型式为平口型。

如图4所示，本发明的入口扩散器安装于反应器壳体16的反应器入口15处，入口扩散器通过安装板2固定于反应器入口15的下部。

本发明的工作流程：如图4和图1所示，其中箭头表示介质在旋流管6内的流向。

当物料流量较小时，加氢反应器外来的反应介质经由加氢反应器入口15进入本发明的入口扩散器。首先，介质经入口锥形体1的旋流管6入口进入入口扩散器，在旋流管6内经旋转导叶7的旋流作用，实现对混合介质的整流，增加气相液相的接触时间，介质进一步通过导向管的导向作用，均匀的分散于喷射罩3底部上的整个区域，进入喷射罩3底部空间的介质经由环形隔板4和竖直隔板13分割成的扇形区域的均布，由气液喷头5喷出均匀进入反应器内的催化剂床层。当物料流量增大时，物料对入口锥形体1的冲击力增大，弹簧11受力增大，弹簧11形变量增加，弹簧11向下的压缩量增加，在弹簧11和导向柱8的作用下使入口锥形体1下移；由于入口锥形体1外形为锥形，安装板2为圆环状，入口锥形体1下移后与安装板2之间的环形空间变大，气液两相可通过入口锥形体1与安装板2之间的环形空间进入喷射罩3，通过喷射罩3底部上的隔板调整后再次实现入口扩散器内物料的均匀分布。