加氢反应器内气液两相流体混合装置研究

加氢反应器内气液两相流体混合装置研究

山东豪迈化工技术

自上世纪五十年代至今，加氧技术取得了长足的发展，特别是加氛催化剂的发展，其活性在近六十年的时间里提高了十倍左右。但直到上世纪九十年代中期，人们才意识到，催化剂的性能能否充分发挥，在很大程度上取决于加氧反应器及其内构件的先进性，而加氧反应器技术的进步显然没有跟上催化剂技术的发展步伐，正严重制约着加氢技术的进一步发展。当前，油品的加氧反应主要是在固定床加氧反应器内进行的，其主要内构件有入口扩散器、气液分配盘、积塘篮、催化剂床层支承件、冷氢箱、收集器以及惰性磁球等，其中直接关乎催化剂使用效率也是最重要的内构件是气液分配盘和冷氧箱。

本文针对超重力旋流式冷氢箱内的气液两相流动进行了数值模拟，得到了流场、流线分布、相含率等描述流体流动情况的详细信息，同时模拟了实际工业加氢反应器内，氢气与柴油在超重力旋流式冷氢箱中的气液相间和液液相内的混合传热过程。

由于冷氢箱在固定床加氧反应器的安全和稳定运行方面所起到的重要作用，国内外众多反应器设计方面的专家在新式冷氧箱的开发方面投入了大量精力，并设计出了很多不同结构类型的冷氧箱，且多数都已获得专利。根据气液混合机理的不同，目前的冷氢箱总体上可以归为三类：挡板式冷氧箱，撞击流式冷氢箱和旋流式冷氡箱。

挡板式冷氧箱主要通过隔板将箱体分割成复杂的流道，引导流体在箱体中往复折返，不断改变流动的方向，以此来延长流体的停留时间，实现流体间的有效混合。典型挡板式冷氧箱的结构如图1所示，气液混合物下降到混台室外面的环形空间，并经由外壁孔进入混合室，而冷激复气则由混台室内壁孔进入。气液两相流体在混合室中初步混合后进入急跨室，并在其中进作一步绕流运动，经过反复的往返折流过程达到物料和温度的均匀分布。挡板式冷氢箱要想实现良好的混合效果，往往需要非常大的体积，这就挤占了催化剂床层的空间，而且其阻力损失也非常大，这些对于加氧过程来说都是不利的因素。

撞击流式冷氧箱通过流体在有限空间内的强烈撞击来提高混合效果，因此其体积一般较小。图2是联合油公司开发的一种撞击流式冷氧箱其结构主要由冷氧管和混合室组成。从上部催化剂床层流下的反应流体和冷激氧气首先落在收集板上，并分为两股流体一同沿收集板上的节流孔进入冷氢箱；经过节流孔后，气液泡合物的速度突然剧增，从而强化了箱体中液体的扰动，产生了飞溅及旋祸，然后折转90°经过中间箱体的收缩流道处，流速进一步增大。在导流板的导流作用下，气液混合物通过在箱体中心区域产生的强烈对冲碰撞来强化混合效果。但是实践证明，撞击流式冷氧箱的相间接触效果较差，在出口处气液两相流体难以达到平衡温度。特别是在低压降的撞击流式冷氢箱内，气液两相流体往往沿着各自的路径进入撞击混合室，这不利于实现有效的气液混合。

图1 挡板式冷氢箱

图2撞击流式冷氢箱

图3旋流式冷氢箱

图4 UFQ式冷氢箱

近年来一些学者提出了冷氧箱内旋流泡合的概念，并开发出了第二类旋流混合式冷氢箱。该类冷氢箱的主要特点是通过旋流运动实现流体相间和相内的有效混合，如Shell 公司开发的UFQ冷氢箱（如图4所示），或者是安装在冷氢箱中心能够实现沿径向向外喷射的“蜘蛛型”支管（如图5所示）。

图5 Spider型旋流式冷氢箱

本文针对一种新型的多重旋流结构的超重力旋流式冷氢箱进行数值模拟，在这种结构中，液体可以充分的利用重力和气体的曳力提高自身的动能，并在流动过程中先后进行沿水平轴向和重力方向的超重力旋流运动，从而可以显著提高气液间的接触面积和瑞动程度，实现有效的气液混合。

超重力旋流式冷氧箱的结构如图6所示，主要由降液管、水平旋流管和混合室组成。降液管为方形空腔，下端与水平旋流管相切，宽度等于水平旋流管的半径；水平旋流管前段与降液管相切，末端与混合室相切；混合室与三个水平旋流管相切，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360mm，直径为350mm。

图6 超重力旋流式冷氢箱的结构

超重力旋流式冷氧箱的工作原理如图7所示，上游床层流下的液体落在冷氧箱顶部塔板上，并与气体一起从降液管入口进入冷氧箱。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曳力的作用获得较高的动能，在降液管的末端高速切向进入水平旋流管，并在气体的进一步推动下在其中做沿水平轴向的高速超重力旋流运动。液体在水平旋流管中沿水平轴线的超重力旋流运动克服了重力对液体运动的限制，避免了传统旋流式冷氧箱内的气液分层流动，大大增加了气液接触面积和液体的端动程度，有效促进了气液混合效果。在水平旋流管的末端，气液两相流体沿切向进入混合室，并在其中做沿竖直轴线的旋流运动。在混合室内，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祸状通过上下混合室之间的节流孔流入下层混合室。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氧箱。

图7 超重力旋流式冷氢箱的工作原理

在绝大多数旋流混合式冷氧箱内，液体仅具有沿重力方向的两维旋流运动，这主要是由于在重力作用的影响下，实现沿水平轴向旋流运动的难度要比沿重力方向的旋流运动大得多。而要想实现沿水平轴向旋流运动，显然需要结合流体力学原理，对冷氧箱作更巧妙的设计。本文为保证液体能够在水甲旋流管中实现沿水平轴向的超重力旋流运动，引入了Froude数的概念来描述液体是如何通过惯性力克服重力并实现超重力旋流运动的。

式中，v表示流体的实际流速；g是重力加速度；d为特征尺寸，在本文中表示水平旋流管的直径。当Fr<1时，流体为缓流状态，当Fr=1时，流体为临界流状态，当Fr>1时，流体为急流状态。对于明渠流动来说，当液体处于急流运动状态时，也就是时，将会产生“水跃”现象，液体卷曲翻转，并在内部产生很多大尺度的漩祸。显然可以预见，当液体在封闭的圆管中以急流状态运动时，“水跃”将会衍变为沿水平轴向的旋流运动。

对液体从入口进入超重力旋流式冷氢箱，并沿降液管和水平旋流管流动的过程进行机械能衡算可得：

W_G代表气体曳力作用对液体所做的功，可经由下式计算：

为保证液体在没有气体曳力的作用下也能实现旋流运动，则街邪能衡算方程式可简化为：

如上所述，要想实现液体在水平旋流管中的超重力旋流运动，则液速需超过某一极限值，并须满足如下的关系式：

图8是通过CFD模拟得到的液体在超重力旋流式冷氢箱内的流线图，可以看出，由于液体分别实现了沿水平轴向和重力方向的多重旋流运动，因此流线是以复杂的螺旋形曲线存在的，这极大的延长了流线的长度，使其长度远大于超重力旋流式冷氢箱的实际几何尺寸。这也表明，由于超重力旋流式冷氧箱的特殊结构设计，大大增加了流体在其内部的停留时间和气液间的接触面积，有利于实现有效的气液混合。

图8 液体的流线分布

图9是由CFD模拟得到的液体在超重力旋流式冷氢箱内的切向速度场的分布图，其中图A和B描述的是降液管和水平旋流管中的切向速度场，从中可以清晰的看到一个漩祸结构，这是由于液体在水平旋流管中实现了沿水平轴向的旋流运动而形成的。当流体以旋流运动的形式流过水平旋流管后，紧接着沿切向流进混合室，并在混合室内作绕重力方向的旋流运动。由图C可以看出，液体高速进入混合室后，与上部导流叶轮发生了剧烈的碰撞，并在叶轮附近产生了很多细小的祸旋，这对于促进流体混合是十分有利的。在上部叶轮的导流作用下，液体像漩祸一样一边旋转一边通过中心处的节流孔进入混合室的底层区域。在混合室的底层空间内，液体与底部导流叶轮发生剧烈碰撞后，在其导流作用下像烟花一样四散流出超重力旋流式冷氧箱。

图9 液体的切向速度场

图10是液相传质系数（k_L）在整个超重力旋流式冷氧箱内的分布图，可以看出k_L在水平旋流管近壁区域的数值要高于其他区域。这是因为，流体在水平旋流管内实现了超重力旋流运动，由于气液密度差的缘故，密度更大的液体在离心力的作用下主要集中于管壁附近，成液膜状分布。这就大大提高了气液间的接触面积和气液间的相互作用，有效提高了气液间的混合传递过程。在混合室内，k_L值的分布相对较为均勻，其中叶轮附近的k_L值要明显高于其他区域。这主要是由于流体与叶轮间发生了强烈的撞击作用，从而有效提高了流体的瑞动程度，因此在叶轮附近区域的气液混合也更剧烈。

图10 液相传质系数(k_L ,m/s)，在冷氢箱内的分布

图11描述的是通过CFD模拟得到的液相体积分率在水平旋流管内的分布图。可以看出，由于在水平旋流管内实现了沿水平轴向的旋流运动，液体是以液膜的形式紧贴在管壁附近区域的，而气体则沿管道的中心空腔流过水平旋流管。这显然极大的提高了气液间的接触面积和相互作用，有利于实现有效的气液混合。根据Mandhane等通过实验得到的气液两相流体在水平管中的流型图可以得出，在相同的气液流量下，如果不采用超重力旋流式冷氧箱的结构设计，那么气液两相流体将以塞状流或波状流的形式流过水平旋流管，气液间的接触面积将远小于环状液膜流的情况。由此可以表明，超重力旋流式冷氢箱可以充分利用自身的体积来最大限度的提高气液间的接触面积，从而有效促进了气液间质量和能量的混合传递。

图11 水平旋流管内（X=220mm）的液体相含率分布云图

图12描述的是超重力旋流式冷氧箱内的气体温度分布云图。可以看出，整体上气体的温度会沿着其流动路线的前进而不断升高，并在下部混合室达到了均匀且最高的温度值。另外，由图12还可以看出，气体温度梯度较大的区域一般集中于器壁和奖叶附近，与传质系数的分布云图（图10）较为相似，表明气液两相流体在这些区域具有更高的换热速率，而且这也说明通过传质性能来研究传热性能具有非常好的代表性。

图12 气体温度（Tg, K）在冷氢箱内的分布

本文采用欧拉多相流模型和RNG瑞流模型，对气液两相流体在超重力旋流式冷氧箱内的流动过程进行了模拟，并得到了流体的流场分布、流线结构及相含率分布等流体力学数据。结果表明，液体在超重力旋流式冷氢箱内实现了多重旋流运动，与实验得到的结果相一致，这也证明了本文所建立的描述液体在新型冷氢箱内进行超重力旋流运动的数学模型的准确性。此外，本文还采用技术模拟了实际工业加氢反应器内，氢气与柴油在超重力旋流式冷氢箱内的气液相间和液液相内的传热过程。模拟结果表明，气液换热速率会随着气体流量的增加而显著升高，与气液传质部分的模拟和实验研究结果相符，气体流量在超重力旋流式冷氢箱的气液换热过程中起到了非常关键的作用。液液混合换热过程的模拟结果表明，最大温差高达的三股液体，在箱体内经过旋流混合后，在出口处的最大温差下降了近，而温度分布不均匀度仅为液体在出口处获得了近乎均一的温度分布，表明超重力旋流式冷氧箱具有优异的液液混合换热性能。