大型固定床反应器气体预分布器的结构参数对气流分布的影响

俞志楠，钟思青，王 莉，周 靖

（中国石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

大型固定床反应器气体预分布器的结构参数对气流分布的影响

俞志楠，钟思青，王 莉，周 靖

（中国石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

采用冷模实验装置，对大型固定床反应器气体预分布器的结构参数进行研究，考察入口气速、筒体直径、侧壁环隙高度、底部挡板开孔等对预分布器气流分布的影响。实验结果表明，入口气速小于8 m/s时，随入口气速的增大，环总流量比（U1/U0）降低；当入口气速大于8 m/s时，入口气速对U1/U0的影响较小；随侧壁环隙高度的增大、底部挡板开孔面积的减小，U1/U0增大；相同开孔面积下，开孔直径对气流分布的影响较小；与较小筒体直径相比，较大筒体直径的气体预分布器的U1/ U0较大；由实验数据回归得到U1/U0与结构参数间的无因次关联式。

气体预分布器；气流分布；大型固定床反应器

固定床结构简单，通常由气体预分布器、自由空域、惰性填料及催化剂床层等组成。气体预分布器结构对进入催化剂床层的流体流动状态存在显著的作用，进而对传质传热、反应及催化剂效率造成影响［1］。近来，随着反应器大型化的发展，气体分布对反应过程的影响亦越来越大，反应器内流体均布逐渐成为工程开发的关键问题［2-3］。

人们对气体分布技术进行了大量的研究［4-10］。钟思青等［11-13］针对气体预分布器结构及反应器内流场进行了一系列实验和模拟研究，增加带挡板的入口气体预分布器可有效改善进入床层气体的径向分布，CFX软件的模拟结果与实验数据基本吻合。范玉佼等［14］采用数值模拟方法研究了入口预分布器侧壁开孔结构对进入自由空域流体分布的影响；郭湘波等［15］使用CFX软件对轴向逆重力场固定床流体分布进行了数值模拟，发现挡板开孔可进一步改善自由空域内的流体分布状态。

气体预分布器是固定床反应器的关键构件，对反应器设计的成败有着重要影响。但目前针对预分布器本身结构参数方面的报道较为鲜见。

本工作采用冷模实验装置对大型固定床反应器的气体预分布器进行研究，考察其结构参数对气流分布的影响，并回归得到气流分布的无因次关联式，对大型固定床反应器气体预分布器的优化设计具有指导意义。

1 实验部分

1.1 实验装置及流程

冷模实验使用的气体预分布器见图1，主要由直径为D 的筒体、高为H的侧壁环隙和底部开孔挡板组成。底部挡板开孔直径为d、开孔数量为n并以等边三角形方式排列。气体预分布器入口气体流量和气速分别为U0，u0；出侧壁环隙的气体流量和气速分别为U1，u1；通过底部开孔挡板的气体流量为U0-U1。

气体预分布器冷模实验装置的流程见图2。由图2可见，以压缩空气为实验介质，在常温常压下操作。空气先经过压缩，再经冷却、稳压后通入气体预分布器冷模实验装置，进入气体预分布器的气体将经由分布器侧壁和底部出口分流为两股，进入后续管道放空。进气流量由调节阀和流量计进行在线控制和测量。

图1 气体预分布器Fig.1 Gas pre-distributor.U0，u0：f ux and velocity of gas f ow at the pre-distributor inlet；U1，u1：f ux and velocity of gas f ow from the side annular gap；H：height of the side annular gap；D：diameter of the tube.

图2 气体预分布器冷模实验装置的流程Fig.2 Flowchart for the cold model experiment of the gas pre-distributor.1 Air compressor；2 Water cooler；3 Air vessel；4 Separating tank；5 Pressure maintaining valve；6 Anti-squeak；7 Regulator valve and f ow meter；8 Experimental apparatus；9 Gas velocity meter

采用上海菱生电子仪器有限公司的笛型均速毕托管和智能压力风速仪对出装置的两股气体的流量同时进行测量，测量点预先安装于管道中，单次实验结果通过20次采集的数据取平均值获得，以保证实验结果的可靠。

1.2 影响因子的分析

影响气体预分布器气流分布的主要结构参数为D，H，d，n，若考虑到气体预分布器入口气体工艺条件的影响，则有：式中，ρ和μ分别为操作条件下气体的密度和黏度。冷模实验的操作条件为常温常压，可认为压缩空气的ρ和μ为常数，对实验结果不产生影响。对式（1）进行无因次变换，得到：

式中，U1/U0为环总流量比，用以表征气流分布，U1/U0越大，出侧壁环隙的气量越大；k，a，b，c为系数；为 环孔面积比，即气体预分布器侧壁环隙与底部挡板开孔面积的比。

通过气体预分布器的冷模实验研究不同u0，D，H，d，n时U1/U0的变化规律，以表征相应条件下气体预分布器的气流分布。冷模实验条件见表1。其中，条件1，2，3的气体预分布器筒体直径为DI，条件4和5的气体预分布器筒体直径为DII，且DI＞DII；条件1，2，4的底部挡板开孔面积相同。

表1 气体预分布器的冷模实验条件Table 1 Experiment conditions of the cold model experiment

2 结果与讨论

2.1 入口气速对气流分布的影响

u0对U1/U0的影响见图3。由图3可见，在不同H/D条件下， U1/U0随u0的增大呈相似的变化规律；当u0＜8 m/s时，U1/U0随u0的增大呈现不同程度的减小趋势，且随u0的不断增大，U1/U0减小的幅度趋缓；当u0＞8 m/s时，U1/U0不随u0的增大而变化。

图3 u0对U1/U0的影响Fig.3 Effects of u0on U1/U0.H/D in (a)，(b)：0.188；0.259；0.353；0.488；0.706H/D in (c)：0.176；0.224；0.312；0.429；0.806；1.165H/D in (d)：0.342；0.456；0.638；0.919H/D in (e)：0.255；0.362；▲ 0.517

2.2 筒体直径/侧壁环隙高度对气流分布的影响

2.2.1 H的影响

由图3还可知，随H/D（保持D不变）的增大，U1/U0在u0的实验范围内显著增大。H/D对实验结果的影响等同于H的影响，增加H有利于U1/U0的增大。

对图3（a）和（d）中u0＞8 m/s时不同H/D条件下的U1/U0值进行平均，得到H/D对的影响（见图4）。由图4可知，D一定时，随H/D的增大单调递增，即增大H有利于U1的增大；随H/D的增大，梯度变化表现为先增大后减小，并存在一个拐点；当H/D进一步增大时，增幅递减，即H较大时对U1/U0的影响变小。

图4 H/D对气流分布的影响Fig.4 Effects of H/D on U1/U0.DI，d=12.0 mm，n=37；DII，d=12.0 mm，n=37

2.2.2 D的影响

由图4还可见，在相同的H/D下，DI的大于DII的。由于H/D相同且DI＞DII，故HI≥HII，而预分布器侧壁环隙的面积（S）为筒体圆周与H的乘积，即

故预分布器侧壁环隙面积SI总大于SII，加上二者底部挡板开孔相同，说明筒体直径较大时侧壁环隙阻力较小，U1/U0较大；另外，DI的U1/U0变化区间较大，说明大筒体直径预分布器具有更大气流分布的调节能力。

2.3 底部挡板开孔对气流分布的影响

2.3.1 d的影响

d对U1/U0的影响见图5。由图5可见，开孔面积一定，两种开孔直径的U1/U0具有相似的图形特征，重合度较高。这表明D相同、底部挡板开孔面积相近时，U1/U0主要受H的影响，d和n的影响较小。

图5 d对U1/U0的影响Fig.5 Effects of d on U1/U0.H/D(DI，d=12.0 mm，n=37)：0.188；0.353；0.488；0.706H/D(DI，d=19.5 mm，n=14)：1 0.188；2 0.353；3 0.488；4 0.706

2.3.2 开孔面积的影响

开孔面积对U1/U0的影响见图6。由图6（a）可见，底部挡板开孔面积为φ12×37 mm2的U1/U0明显大于φ12×61 mm2的U1/U0；由图6（b）可知，底部挡板开孔面积为φ12×61 mm2的小于φ12×37 mm2的。这说明在相同的条件下，底部挡板开孔面积越大，底部挡板开孔对气体通过的阻力越小，因此U1/U0越小，并且U1/U0的调节范围相对较小。

图6 开孔面积对气流分布的影响Fig.6 Relationship between the open area of bottom porous plate and the gas f ow distribution.φ 12×37 mm2；φ 12×61 mm2

2.4 数据回归

综合以上实验结果可知：1）不同结构参数的气体预分布器在不同工艺条件下的气流分布规律一致；2）在u0较大情况下，u0对U1/U0的影响较小；3）H、D和底部挡板开孔面积对气流分布皆有一定的影响。

根据式（2），假设U1/U0与各影响因子之间存在函数关系；并在u0较大条件下，忽略u0对U1/U0的影响。将实验数据对式（2）进行线性回归，并将U1/ U0的计算值与实验数据进行对比，对比的结果见图7。由图7可知，计算值与实验值较吻合，最大相对偏差为3.69%。通过相对偏差分析，回归方程计算值的标准偏差为1.64%。

图7 回归数据与实验值的对比Fig.7 Comparison between regression data and experimental data.Experimental data；— Regression data

3 结论

1）当u0＜8 m/s时，随u0的增大，U1/U0减小；当u0＞8 m/s时，u0对U1/U0基本上无影响。

2）底部挡板开孔面积相同时，d和n对U1/U0的影响较小；增大H、减小底部挡板开孔面积可提高U1/U0；相同条件下，大筒体直径或小底部挡板开孔面积的预分布器具有较大的气流分布调节能力，U1/U0变化范围较大。

3）由实验结果回归得到U1/U0与结构参数间的无因次关联式，回归结果准确可靠，最大相对偏差为3.69%，对气体预分布器的设计具有指导作用。

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（编辑 李治泉）

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Influences of Structural Parameters of Gas Pre-Distributor on the Gas Flow Distribution in Large Fixed-Bed Reactor

Yu Zhinan，Zhong Siqing，Wang Li，Zhou Jing
（SINOPEC Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology，Shanghai 201208，China）

The structural parameters of a gas pre-distributor in a large f xed-bed reactor were studied. The inf uences of inlet gas velocity(u0)，tube diameter，height of side annular gap(H) and open area of bottom porous plate on outlet gas f ow distribution were investigated by cold model experiment. The experimental results indicated that the ratio of the gas f ow f ux of side annular gap to the gas f ow f ux of pre-distributor inlet(U1/U0) reduced obviously with the increase of u0when u0was less than 8 m/s，and varied a little when u0was larger. U1/U0increased signif cantly when H increased or the open area decreased. The inf uence of the hole diameter on the gas distribution was a little when the open area was unchanged. U1/U0of the gas pre-distributor with large tube diameter made was greater than that with small tube diameter. The dimensionless correlation between U1/U0and the structural parameters was obtained by means of the regression of experimental data.

gas pre-distributor；gas f ow distribution；large f xed-bed reactor

1000 - 8144（2014）07 - 0800 - 05

TQ 051

A

2014 - 02 - 28；［修改稿日期］ 2014 - 03 - 27。

俞志楠（1981—），男，浙江省宁波市人，硕士，工程师，电话 021 - 37593026，电邮 yuzn.sshy@sinopec.com。