专利名称:用于立式流动的流体固体接触的混合装置的制作方法本发明一般地涉及流体-固体接触的领域。更准确地说，本发明涉及细颗粒材料床之间的流体混合问题。本发明所包括的范围是单相或两相流体的混合。液体-固体接触设备具有广泛的应用范围。这类设备在碳氢化合物的转换过程和流体组分的分离用的吸附塔中获得普遍的应用。当流体-固体接触设备是一个吸附塔时，细颗粒材料将包括一种吸附剂，流体通过该吸附剂流过。在碳氢化合物的转换中，流体-固体接触设备是一个典型的含有催化剂的反应器。经过典型的碳氢化合物转换反应可以完成氢化作用，加氢处理，氢化裂解，加氢脱烷基化作用等。本发明所采用的流体-固体接触设备的设置是一个立式细长的筒体，通过该筒体能够保持流体的垂直流动。在这种容器内的细颗粒材料处于若干个在垂直方向间隔开的反应床。流体通过至少一个进口和在其对面端部的一个出口进入容器。流体可以上流式或下流式流经反应器。由两个细颗粒床之间加入或排出流体，也是一般人们所熟知的。当流体的组分流过颗粒床之间正在进行变化或在碳氢化合物的转换过程中，则一个急冷系统被用来冷却流过各个反应床之间的流体，这也是在吸附作用方案中一般所采用的方法。流经细颗粒区的流体的组分与性能的变化，只要这些变化是均匀地发生，就不会出现什么问题。在吸附系统中，这些变化是在吸附剂中的流体的停留或置换的结果。对于反应系统中的温度以及流体组分的变化都是由于在反应床中所含有的颗粒状催化剂材料所造成的。进入反应床的流体的初始混合不良，或穿过细颗粒床的流动阻力的变化可以导致通过这些反应床的流体流动不均匀。通过反应床的流体阻力的变化能够改变在细颗粒中流体的接触时间，由此导致通过反应床的流体流道的反应或吸附作用的不均匀性。在情况严重时，这就是所说的液态化沟流(channeling)，在该沟流中流体越过反应床的一个有限的部分，可以流入一个实际上无流动阻力的细小的开放区域。当沟流发生时，通过反应床的流体的一部分将与反应床的细颗粒物质非常小的接触。假如该过程是吸附作用之一，则流经沟流区的流体将不能被吸收，由此，改变了这部分流体相对于那些流经吸附床的其它部分流体的组分。对于催化剂反应，催化剂接触时间的减少，当流体离开催化剂床的不同部位上所产生的流体的组分也将被改变了。除了流体组分的问题以外，细颗在反应床中的不均匀性也能影响通过该反应床的流体的密度和温度。对于许多分离过程，在流体中保留的和置换的组分具有不同的密度，这就会促使反应床的流动模型的破坏。与吸附剂颗粒的不均匀接触将通过导致流经反应床的流体密度的进一步改变，使问题更为严重，并由些使流体通过颗粒床时的流动模型受到进一步的破坏。在反应区内，由于该系统的吸热或放热特性的不同，温度的变化经常会伴随着催化剂接触的不均匀性。对于催化剂的不均匀接触，由于反应剂的过热或过冷，将对反应过程的进行产生有害的影响。这种问题在放热反应中最为严重，那样会处于较高的温度能够进一步导致送入的原料的反应或其它流体的组分产生非所要求的产物或者能够造成局部热点，这些热点将对催化剂和/或机械部件造成破坏。所以，为了减少与通过颗粒材料床的流体的变化有关方面的问题，不同的催化剂或吸附剂床之间流体的再混合方法已经结合在许多种反应过程中。用于收集和重新混合流过一系列颗粒床的一部分流体的装置如在美国专利3，652，450号和4，087，252号所示。在这些参考文献中，流体的再混合是连同另外混入两个反应床之间的区域内的第二种流体进行的。在这些参考文献中，对流过各个反应床之间的流体和外加的流体的混合是在许多个精心考虑的，位于上部反应床的下边界之内或在下部反应床的上边界之内或在它们二者之间的若干混合室中进行的。在斯密史(Smith)的美国专利3，824，080号中，揭示了一种内反应器结构用于混合物流过各个反应床之间的流体的，而这些流体与在该区域内外加的第二种流体无关。这种斯密史设备收集流入颗粒床之间一种混合相流体，该颗粒床是具有一个带中央开口(用于使流体通过反应床之间)的水平节流口。这种中央开口具有一个流体分流器装置，该装置引导所有蒸汽流过反应室的顶部而所有的液体经侧面流入。在斯密史的发明中，蒸汽与液体互相垂直地进行撞击，由此起再混合的作用。经过再混合的蒸汽和液体流过节流器的开口处，它与其它水平的一系列节流器相接触，以便提供一个流体的均匀流动流过下游的颗粒床。亨乃莫斯等人(Hennemuth et al)的美国专利3，598，541号教导流过各个颗粒材料床之间的流体的再混合是通过对加入混合区域中的急冷流体直接撞击来实现的。在一个中央空间内进行混合，所有的流体都通过该中央空间。该中央空间包括由两个立式筒体确定的一个环形区域。流过反应床之间的流体通过水平方向设置的若干孔进入，而急冷流体经水平方向设置的孔进入内筒。环形混合区域的下端与下游颗粒区相连通，以便混合流体通过。
这里所公开的本发明的一个目的是改进颗粒材料的反应床之间的各种流体的混合。本发明的另一个目的是使流过反应床之间的流体达到混合，而与加入颗粒床之间的区域中的第二种流体无关。本发明还有一个目的是提供一个简单的装置用于达到反应床之间的流体的混合，这种混合很容易在各个颗粒床之间的一个最小的空间内进行。
因此，本发明的一个实施方案包括一个流体混合室用以在具有流体进口和在其对面端部有一流体出口的一个立式流动的流体-固体接触器，和两个或更多的在垂直方向隔离开的分立的颗粒材料床。
在一个更具体的实施方案中，流体的混合室包括一个立式流动屏障位于两个颗粒床之间，具有一个基本上无孔的外部区域和至少一个中央开口用于流过两个区域之间的流体;一个流体撞击舱位于上述屏障的中心，该舱具有立式侧壁其上至少有两个相同的进入开口，该开口的尺寸限制在于使其能产生一个流体射流，该开口与所述屏障的上游端相连通，以便接受被屏障阻挡的流体，舱的垂直侧壁的设置要能使所有进口开口轴向中心线的投影都处于一个公共的水平面内并在一个预选的点上相交，以便导致进入撞击舱的流体集中在与各个进入开口等距离的中心点上，并在流体的射流范围内;至少有一个来自撞击舱的流体出口，该出口的面积比各进入开口的面积总和要大些，该出口与屏障的下游端相连通，并为屏障的下游区域提供一个平衡的流动;在上述屏障的上游端有一个装置用于传送等量的流体从屏障的周边流向每个进入开口;和一个装置用于重新分配流体由撞击舱的出口流过颗粒床的下游。
本发明的更局限的实施方案包括各种不同的装置用于施加，分配;收集或排出那些进入或者排出于撞击舱的流体以及在颗粒床和撞击舱之间的流体收集屏障的特殊装置或结构。
所以，在其最广义方面，本发明是致力于设置在中央部位的混合部件用于接受流入下游床的流体的全部的流动。该混合部件的作用在于流体的完全的混合，并将混合过的流体以平衡的状态流向颗粒床的下游，以便促进流体的再分配。流体的混合基本上是由混合区域的结构所取得的。在该区域内流体以等量的射流被相互导入，由此产生湍流，湍流将促进在混合区域内有力的混合，并提供一个均匀组分的流体流出物。这样则本发明的一个重要的组成部分是提供一种装置用于引导以等量射流的流体相互导入，以便使混合过程中加大湍流。考虑到这一基本构思，本发明的其它目的，实施方案和优点对那些熟习本专业技术的人们通过下面的具体描述将是一清二楚了。
图1是本发明的立式流动接触塔的局部剖示的立视图，该接触塔具有多级催化剂床和位于各个颗粒床之间的混合装置;
图2是由图1中的接触塔的内部构件的支架上取下来的一个混合装置的透视图;
图3是带局部剖示部分的一个下流式反应器的部分立式图，显示混合室的一个更局限的实施方案，该混合室具有许多平行的通道用于收集流过一个矩形混合区域的流体;
图4是表示用于图3中所示的混合区域的通道式收集系统的平面图;
图5是一个透视图用以显示图3和图4中在通道部分内的混合区域。
如上所述，本发明涉及一种在流体-固体接触设备中的颗粒床之间的流体混合装置。本发明的基本元件包括一个密封容器，一个或更多的颗粒材料床，该颗粒床设在垂直方向间隔开的区域内和一个位于各个颗粒材料床之间的混合室。本发明本身归属于混合室和在其中的构件的特殊设置。对混合室内和立式流动塔内的各种元件之间的相互关系的更完全的了解可以通过参考附图得到。
具体参考图1，该剖示的立视图显示接触塔1，其上带有一个流体进入喷嘴位于塔的顶部，和一个流体出口位于塔的底部。位于反应室内的是催化剂水平的区域2，12和14。
每个颗粒床是由颗粒构成的，该颗粒可以是丸粒，圆柱形或其它挤压出的形状。颗粒的实际性能将取决于在密封容器内实现的作用过程。一般地说，这里所指颗粒应包括吸附剂或催化剂。在每个颗粒床的上面是一层支承材料3，该支承材料用于将颗粒压住并加强整个反应床的流动分配。这种支承材料(是经常采用的，但不是基本材料)通常是由陶瓷小球或其它具有规则形状的惰性物质。支承材料4还经常被用来置于颗粒床的下面以便阻止催化剂颗粒通过一个带孔的模板或屏蔽元件5(该元件用于限定颗粒床的下部边界的)进行迁移。在催化剂床底部的支承材料在形状上和构成上都与反应床上面的支承材料是一样的。
位于各个反应床之间的是流体收集和混合区域。紧挨着颗粒保持板5下面设有流体收集区6。该流体收集区可使流体的输送通过屏蔽板8进入撞击舱7。如图1所示，收集区可由一个空的空间构成，以便让流体在水平方向流动。但是在结合图3，4和5的进一步详细论述时，该收集区可以与屏蔽板8形成一个整体，以便使限制流体流动的各个元件也可以引导流体进入撞击舱。因此，流体收集装置并非受某一构造的限制，而是考虑流体通往撞击舱的任意方法。在其最简单的结构型式中，该流动屏蔽板8将包括一个平板安装并密封在接触塔的侧壁上，该平板具有一个中心开口，撞击舱7就是通过该中心开口设置的。但是，该屏蔽板可以采取任何要求的形状以使其除了允许通过撞击舱的开口外，阻止流体在任何位置上流过。屏蔽或挡板用于阻止流体流动的限制是考虑到由各种不同反应床的颗粒材料经常由容器底部通过铺设的各种颗粒床进行卸载。为了完成这种卸载，通常是在各个反应床之间的格栅内设置若干垂直的导管，以便形成由一个床到下一个床的颗粒材料的通道，借以从接触塔中排出。屏蔽中含有几个这样的导管是在本发明的构思范围内。这些导管通常是开口的但填充以上面所述的惰性支承材料。所以，通过这些导管对流体流动的阻力要比上述撞击舱和收集系统的阻力大得多，最终结果是流体通过这些导管的量将低于流体在各个反应床之间的流动总量的5%。
该撞击舱，(下面还将更详细地介绍)由收集空间6接受流体，经过充分混合之后，以使其通过屏蔽板8，在该屏蔽板的下面是另一个空间10，通过该空间对流体进行重新分配。再一次在最简单的结构型式中，此重新分配区是在撞击舱的出口和其下游的催化剂床顶部之间的一个简单的空间。不过，包括其它装置如挡板，流量分流器或蒸汽-液体槽板以便进一步帮助流过下游的催化剂床顶部的流体进行重新分配也是可能的。在重新分配区10内显示出一个喷嘴和一个管道系统9用于向接触塔加入流体或排出流体。在分离过程中，该喷嘴可以用于有选择地加入或排出各种组分的流体。对下流式的反应器，该喷嘴的特殊用途是加入急冷介质以便对进入下一个催化剂床的反应介质进行冷却。图1所示的喷嘴和管路系统设置在屏蔽板8的下面;而把喷嘴和管路系统设置在屏蔽板8的上面，而且可能设置在下游的催化剂床的最上部或放在上游的催化剂床的最下部都是属于本发明的构思范围内的。混合后的流体进入下一个颗粒材料床，由该颗粒材料床，在通过一个适当的出口离开接触塔之前，可以继续通过随后的重新混合区和各个颗粒材料床。
图2显示一个撞击舱的实施方案。该撞击舱是由带有两个进入开口16和17的两个侧壁;一个金属丝滤网出口20位于底部;一个无孔的顶板15和无孔的两个侧壁18和19所组成。该撞击舱是对任何具体形状不加限制。例如撞击舱可以由一个在侧面上带几个进口和一个底部出口的立式筒体构成。不过要具有某些一般的尺寸限制，将在下面进行详细说明。撞击舱的基本功能是对通过各个颗粒材料床之间的流体提供均匀的混合。通过对进入开口16和17的确定方向和尺寸大小以达到这样的均匀混合。这些开口尺寸的确定是使通过每个开口进入的流体形成一个射流或一个集中的流道。进口位置的设置要使流体射流在撞击舱的中心点上以相互对着的方向进行撞击。图2中只显示出两个进入开口，但可以设置多于两个的进入开口以对称的形式设置，使它们在所有方向上的射流的撞击力都互相抵销了。进入开口的垂直定位对本发明来说也是很重要的。所有的进口都应当设置在同一高度上。这种等高度是为提供不带不平衡分量的等速撞击速度所必需的。最后，关于形状方面，没有必要非把进入开口制成圆的不可。对进入开口的基本要求仅仅是要限制其截面尺寸，以便形成所要求的流体射流。
显然，开口的数量和大小对任何给定的通过撞击舱的压力降将会决定流体射流的长度。但是，由于通常希望减小在立式流动塔中的压力降，实际考虑将限制喷射流的长度。正如对本专业领域的人员所熟知的即压力降是流体速度和平均流体密度的函数。射流长度和通过一个开口或许多个开口的压力降的各种计算方法都是熟悉本专业的人员早已知道的。对于本发明所应用的绝大部分流体其开口尺寸的确定应使其速度在4.6至15.2米/秒范围内。混合室的尺寸大小必须使其保证流体的射流将以足够的速度相冲击以便使流体得到充分的混合。所以，任何进入开口和撞击舱的中心点之间的距离必须不超过射流计算长度的60%。这样，则对压力降和射流长度的考虑将决定着撞击舱的长度或直径。
虽然任何形状的撞击舱都可以使用，只带有两个进入开口的方形的或矩形的撞击舱是特别适用的，是由于它对下面所描述的通道收集装置的简易性和适用性。当撞击舱内仅仅具有两个圆的开口时，则两个开口之间的最大距离不应超过进入开口直径的六倍，最好是小于三倍进入开口直径。减小两个进口之间的间隔将促使增加涡流和促进较好的混合。当然两个进入开口间的某些距离必须予以保持。最小距离需要考虑，以便具有足够的排出开口面积而且还要保持必要的用于撞击舱的长度宽度比。
另外，为了增大涡流或混合，混合舱的整个高度应不超过进入开口的垂直方向尺寸的四倍。同样地，为了防止在矩形结构中出现停滞区，撞击舱的宽度也应限制在进入开口的水平方向尺寸的四倍以内。当撞击舱以横截面积为圆形的立式筒体构成的情况下，无论对进入开口及间隔的限制或者对最大宽度的限制，都可以控制撞击舱的直径。
再参看图2，撞击舱至少含有一个排出开口20。对排出开口的最重要的限制就是其打开的横截面积要超过进入开口总的横截面积。要使流体的射流在撞击舱的各个进口处形成，这方面当然是必要的。关于速度，通常所要求的是出口速度的设计，使该速度不要超过4.6米/秒而且最好是低于3米/秒。尽管对整个出口的形状任何限制是不必要的，其开口可以带金属丝型的如图2所示，或是多孔板或金属丝滤网。这些对出口的限制往往是为了改善流动分布，挡住颗粒材料或减小由于某些流体的涡流混合所产生的泡沫。另外排出开口的位置在撞击舱的那一边是不受限制的，而且排出开口实际上可以是多开口的。一个或几个排出开口可以设置在撞击舱的任何侧壁上，该舱是与混合室的下游部分相连通，只要是该开口或这些开口与撞击舱的中心线对称就可以。对于一个或多个排出开口的唯一的限制就是要对下游床的位置相对称以便将从撞击舱出来的流体处于平衡状态的流动送入下游颗粒床。在这种情况下，对流体在整个颗粒材料床的重新分布是有利的。
虽然图1一般是显示一个用作下流式反应器的设备，本发明并不受通过该反应塔的单一流动方向的限制。在一个上流式的反应器中，其进口必须与下颗粒床相连通，而撞击舱倒过来，以便使撞击舱的出口通向一个上部重新分配区域。这样则本发明的混合室同样可用于上流式或下流式结构设计。
如在先有技术中所指出的，许多中间混合装置采用另外的一个外部流体作为混合操作过程的一个整体部分。相反地，本装置不需要任何外加的流体通过各个颗粒材料床之间使其对流体的混合发挥作用。这样本发明的优点是为通过各个颗粒床之间的流体提供良好的混合，而不要另外加入或排出流体。本发明的另一个优点是撞击舱的整体结构简单和紧凑。这些特点使其有可能与本发明的混合室相配合以便装入现有的多个颗粒床之间的空间内而不需要对接触区域的内部结构扩大。
除了撞击舱以外，混合室的其它构件包括前面所提到的分配器，支承材料，屏蔽板，和管道网。这些构件的设计决定于许多因素。在这些因素中有设备中允许的压力降，通过各个颗粒床之间的流体的组分，以及在接触区域内的工作条件。此外，对于混合后的相系，流过各个颗粒床之间的蒸汽或液体的量将在很大程度上决定着所需要的屏蔽的型式，通过屏蔽的进入和排出开口的尺寸大小以及合适的重新分布装置。其它的考虑将影响混合室的总体尺寸和结构的是一个外加的急冷器。急冷分配系统的安置和控制将需要在混合区内的另外的空间。当然，这里所提到的因素，丝毫不排除一系列机械方面和处理过程方面的考虑，那将纳入混合室的设计中。但是，这类问题的考虑对熟悉本专业的人员是熟知的，不需要再详述。
本发明的混合装置是特别适用于下流式反应器并配合以一个滤网或由一系列通道组成的屏蔽板。这种反应器用于完成氢化作用，加氢处理，氢化裂解和加氢脱烷基化反应是很适合的。当完成放热反应时，诸如加氢处理和氢化裂解，通常是将急冷流施加于催化剂床之间以控制各种反应剂的温度。混合区的作用过程(与本发明所提供的急冷流无关)对这类放热的反应是特别适合的。当催化剂随着其在反应区连续作用发生的钝化，急冷剂的量和温度，(该急冷剂通常含有氢)必须减小。用于急冷的冷却需要量的减小对再混合区内那些以提供冷却剂作为混合作用的一部分的场合会造成许多问题。在这种系统中，经常需要变化冷却剂的温度以便达到减小冷却的目的，同时，在一个混合区内仍然要保持一个外加的急冷介质的合适的液体体积。由于在本发明中的急冷剂的加入与撞击舱是无关的，变化急冷剂的量将对反应剂的混合不会产生多大影响。
然而得到急冷剂流道和反应剂的良好混合也是很重要的。如此则当有可能通过一个位于撞击舱下游的管路分配系统得到急冷剂的合适的混合时，将急冷剂分配系统设置在撞击舱的上游是特别有利的。将急冷剂流道设置在撞击舱的前头，有两次机会使急冷介质与反应剂相混合。急冷介质的第一次混合发生在急冷剂进入反应剂的初次分配点上，而再一次混合是当急冷剂和反应剂流经撞击舱时。
现在可将注意力转向图3，4和5，其中一个急冷系统的专门的组合件，立式流动屏蔽和撞击舱以恰当的配合装入一个下流式反应器。在本实施方案中，提供一个按图1所示的总体流动方案图。这样，反应剂进入一个立式细长的反应器，并流经若干催化剂床和中间混合室。现在参看图3，图中显示中间混合部分的具体结构。
在本装置中，反应剂通过催化剂床，向下流动，与此同时急冷介质施加在喷嘴23并通过管道分配系统24在整个催化剂床的下部截面积上进行分配。反应剂连续通过支承材料25，该支承材料铺设在金属丝滤网21上。在通过滤网以后，反应剂和急冷介质被收集在串接的平行通道27，61和62中，该通道是在水平方向设置并向着催化剂床的上部打开。流体从外部通道27开始输送通过中间通道61进入中心通道62，输送过程是通过使流体在通道与通道之间流动的导管28和29来实现的。由撞击舱把中心通道62分成两部分如图4所示。为了对撞击舱的每边提供等量的流体，采用四个导管以便向撞击舱的每边提供等流量的流体。流体离开撞击舱的出口后，进入重新分配区40，在该分配区将蒸汽和液体在下部催化剂床的整个面积上进行重新分配。为了促进混合过的蒸汽和液体流道较好的分布，一个蒸汽液体再分配器槽板51设置在下部催化剂床的顶部。这些槽板的各种型式对于熟悉本专业的人员是非常清楚的，并包括水平槽板部分51和置于其中的垂直导管50。该导管中还带有一个顶盖，V形槽开口在其上部用于接受蒸汽，和多孔的侧面部分靠近上槽板表面用作液体的通道。通过蒸汽液体再分配器槽板，该流体进入另一个开放区域52，在该区域内可以进行进一步的重新分布。然后流体流经一层支承材料53并继续通过下一个催化剂床54。
对收集通道和撞击舱的装置的更完全的了解可以通过图4达到，图4是显示这些装置内部结构的一个平面图。通道的两端具有隔板，这些隔板与容器外壳的轮廓形相匹配。外部收集空间27可以通过一个单一的导管28与下一个向内的通道相连结。连结在通道上的导管的设计都要满足最小压力降的要求。通过导管28和29的流体最大速度不应超过4.6米/秒，而且最好是低于3米/秒。收集在中间通道61中的流体连同由外部通道27来的流体一起流经中央通道62，该通道包括撞击舱30。流体被导入中央通道是以对称的状态向着撞击舱的两侧提供等体积的流体。图4还显示出立式导管55，该导管都是用于卸载由上面所述的反应器中来的催化剂。
图5表示设置在中央通道62中的撞击舱。由图中可以清楚地看出，撞击舱与在三个侧面56，57和58上的通道形成一个整体。这些侧面含有一个多孔的部件位于撞击舱的区域内，该部件用作混合过的流体的出口。在本具体的实施例中两对面的边59和63带有一个进入开口60(是圆孔形的);开口的高度都低于通道的深度。此降低的高度使附加的流体能通过撞击舱的顶部，它用来补偿流体流向进口的任何不平衡。但是，设有若干进入开口的各个端板完全把通道的横断面积闭锁起来也是可能的。
本实施例并非意味着限制一个通道可以与撞击舱构成一个整体的方式。本发明的撞击舱和通道可以结合于任何数量的装置中。其它可能性包括带有通向撞击舱进口流道流入与通道主轴线相垂直的方向或采用带有设置在两个中央通道之间的撞击舱的偶数通道。
对那些熟悉反应器的内部结构的技术人员能够很容易理解图3所示的装置的内部结构的经济价值。首先是流体的收集通道，该通道还构成屏蔽或挡板用于流动的垂直流路都是紧缩的而且在反应器内几乎不需要垂直方向的空间。另外，这些通道带有一个支承法兰部分42以便与许多平行的支承柱26相配合(该支承柱通常是用于支持催化剂床)是很容易制造的。而且，撞击舱不需要另外增加空间，它可以很方便地设置在中央通道内。通道收集系统的设置也是有好处的，该系统不与急冷分配系统在支承柱的上部相干涉。这样，则无论置于下流式的反应器中或者更一般的是置于垂直流动的流体固体接触塔中，收集通道和撞击舱对中间混合区域提供独特的好处。


一种流体混合装置用于立式流动的流体-固体接触塔，该接触塔具有一个流体进口和在其对面一端的一个流体出口。两个或更多的不同的颗粒材料床，并在工作过程中以单相的或两相的流体流过。该混合装置包括一个立式流动屏蔽以及一个位于屏蔽中心的撞击舱。撞击舱使流体流道产生涡流冲击，使混合作用得以改进。离开撞击舱的流体通过一个包括屏蔽的中央开口的出口，该中央开口与屏蔽的下游一侧相连通，并提供一个平衡的流动由撞击舱流出。