新型多级环流反应器流体力学研究

【摘要】：随着我国国民经济的飞速发展,作为重要的战略资源的石油,对其需求量迅速增长。我国从1993年开始已经成为石油的纯进口国。因此,为了满足日益发展的经济增长需要,一方面要提高石油勘探技术,另一方面亟待提高石油加工技术,充分利用我国的重油和劣质渣油资源。目前国内外在重油和渣油的深度加工方面在工艺和设备上都存在许多问题。反应器是重油加氢的核心设备,由于重油加氢反应条件非常苛刻,反应器内结焦、聚焦堵塞问题一直没有解决。本课题即是在这一背景下,研究和发展一种多级环流反应器这一新技术,并在重油加氢工业过程中进行应用。 新型多级环流反应器是在传统的单级环流反应器基础上发展而来的。环流反应器自五十年代发展以来,已经广泛的应用于化学工业、生物化工、冶金工业以及环境化工等方面。相对鼓泡塔,环流反应器在流体力学以及传质性能方面都有了明显改善,但是由于其导流筒外侧环隙(即下降段)局部气含率低,并且气泡分布不均匀而使得反应器的有效体积大大降低。本文提出的新型多级环流反应器就是通过在导流筒侧壁开孔,以形成多级环流的流体力学特性。在运行中部分流体在导流筒开孔处由导流筒内侧流向导流筒外侧,进而携带部分气泡进入下降段以增加环隙的局部气含率;这样既使反应器内的流体具有较大的环流速度,又使反应器的环隙局部气含率以及整体气含率都得到了明显改善,从而大大提高了反应器的抗焦能力和处理效率。 本文系统地研究了新型多级环流反应器的流体力学规律。重点考察了体系性质、操作条件以及结构尺寸对环流反应器流体力学行为的影响。研究结果证明,体系的聚并性质、静液面高度、塔底结构、导流筒的开孔率以及开孔位置等对多级环流反应器的特性有重要影响。本文在较宽的操作条件下进行了实验研究,获得了相应的结果和经验关联式,为多级环流反应器的工程设计打下了基础。 本文又进一步考察了多级环流反应器的混合与传质性能。利用先进的光纤探针技术对在不同操作条件下环流反应器内的气泡聚并规律进行了研究;依据 WP=5 实验结果,通过相应的数学处理,提出了体系非聚并判据和相应的经验关联式。 由于在石油和化工行业中大多反应都是在高温高压下进行的,因此对环流反应器中高压有机体系的流体力学特性的研究具有重要的意义。本文建立了高压环流反应器实验装置和相应的测试方法,采用氮气-煤油为研究体系,对加压下该体系的流体力学规律进行了研究,提出了相应的经验关联式。实验结果证明,在本文实验条件下压力对环流液速的影响不大,反应器的整体气含率与压力的0.32次方成正比。 在上述实验研究的基础上,通过对多级环流反应器内静压强分布和流动阻力的理论分析,本文推导出多级环流反应器结构的计算方法和反应器正常运行的判据。依据本文提出的计算程序,可计算出多级环流反应器的结构、导流筒开孔位置和开孔率、孔间流速以及孔间流量等参数。本文结合我国重油加氢工业反应过程,对5万吨/年重油加氢多级环流反应器进行了工程设计。