[发明专利]一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法

说明书

本发明公开了一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法，包括鼓泡式反应器、进气装置、进液装置、至少两个气泡破碎器、三相分离器和循环泵。氢气和带催化剂的渣油原料经预热后进入气泡破碎器，形成微米级气泡体系，之后分别自顶部的气泡破碎器和底部的气泡破碎器的第一出料口进入鼓泡式反应器内，两股微米级气泡体系在鼓泡式反应器中相向喷流，在催化剂的作用下进行加氢反应。本发明的反应装置和方法具有加氢反应压力超低、气液比小、气液传质面积大，反应速率快，能耗低，工艺灵活和生产安全性高等优点。

技术领域

本发明涉及一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法。

背景技术

自上世纪七十年代以来，从石油中采出的原油质量开始变差，原油中的重质油含量尤其是渣油收率出现增加的趋势。渣油因原油产地、炼油工艺等的不同可分为很多种类，不同种类的理化性质各不相同。一般可分为常压渣油和减压渣油两大类。渣油的主要成分包括饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质，在高温高压和催化剂的作用下，渣油可以深度加氢，通过开环裂化等一系列复杂的物理化学变化而获得轻质燃料油产品。

随着世界各国对轻质油品的需求日益增加，对环保的要求不断趋严，人们对渣油的加氢反应技术投入了更大的关注。传统的渣油加氢反应一般采用悬浮床加氢反应器，该反应器虽然对原料的适应性强、操作简单，但由于其受传质控制，因而加氢反应效率较低。其根本原因是反应器内的气泡尺度较大（一般为3-10mm），故气液相界传质面积小（一般在100-200m²/m³），因而限制了传质效率。因此，工程上不得不采用高温（470℃以上）和高压（20MPa以上）操作，通过增加氢的溶解度以提高传质速率，从而强化反应过程。但高温高压产生一系列副作用：能耗和生产成本高、投资强度大、设备操作周期短、故障多、本质安全性差等，从而给工业化大规模生产带来挑战。气泡直径（Sauter 直径）d₃₂是决定相界面积大小的关键参数，是决定气液反应速率的核心因素。d₃₂逐渐减小时，体积传质系数逐渐增大；特别是当d₃₂小于1mm时，体积传质系数随d₃₂的减小以类似于指数形式快速增大。因此，将d₃₂减小到微米级能够大幅度强化气液反应。直径在1μm ～1 mm之间的气泡可称为微气泡，由微气泡形成的相界面称为微界面，微气泡群形成的相界面体系，称为微界面体系。根据Yang-Laplace方程，气泡的内压与其半径成反比，故微气泡也有利于提高气泡内压，提高气体的溶解度。因此气液反应过程中，微界面体系能够强化气液传质，进而加快气液反应。微气泡具有刚性特征，独立性好，不易聚并，因此微气泡体系的气液充分混合，可获得含有大量微气泡体系，并在反应器内形成较高的相界面积（≥1000m^-1），进而加快反应速率。

发明内容

本发明的目的是为渣油加氢反应提供一种上下对冲式微界面强化反应装置及方法。它包含鼓泡式反应器、气泡破碎器、三相分离器等组件。气泡破碎器可将气液体系的气泡尺度由传统的3-10mm，破碎缩小至1μm-1mm，从而大幅度地提高体系气含率和气液传质面积，加速多相反应进程，提高气体利用率，改善过量排放造成的环境问题，并提高传质速率和加氢反应效率，以解决渣油加氢过程高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此降低设备的投资成本和运行费用。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种上下对冲式微界面强化反应装置，包括：

鼓泡式反应器，顶部设有第二出料口，底部侧壁设有第三出料口，顶部侧壁设有第四出料口；

进气装置，包括依次连接的氢气缓冲罐、压缩机和氢气预热器，用于原料气体输送；

进液装置，包括依次连接的渣油原料罐、进料泵，进料泵分别连接第一渣油预热器和第二渣油预热器，用于原料液体输送；