一种油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统的制作方法

本发明属于反应强化技术领域，具体涉及一种油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统。

背景技术：

能源、石化、精细化工等领域广泛存在气液、气液固等气液反应过程。如氧化、加氢、氯化等气液多相反应，其宏观反应速率一般受制于传质过程。气液反应的体积传质系数主要受到传质系数及气液相界面积的共同影响。已有研究表明，相界面积对体积传质系数的影响程度较大，且容易调控。因此，增大相界面积被视为提高气液宏观反应速率的有效途径。

鼓泡反应器和搅拌−鼓泡反应器是目前常用的气液反应器。如px氧化制ta的塔式鼓泡反应器，气泡直径通常大于3mm，乃至厘米级，其传质界面面积有限。为提高宏观反应速率，必须通过增加鼓气量来促进液体湍流，使气泡破裂加剧以增加气泡数目，进而增大界面面积。而此举必然降低气体利用率，增大压缩机功率和尾气排放，导致能耗过渡和物料损失及环境污染。搅拌−鼓泡式气液反应器内多形成对气泡宏观运动有影响而对气泡破碎影响较小的大涡，气泡不能有效破碎，故直径偏大，传质面积受限，以致反应效率偏低。为强化气液传质，塔式鼓泡反应器一般在塔内增设塔板、静态混合器等内件以加强混合，而搅拌釜则需安装不同结构的搅拌桨或内筒等结构，以增加液层的含气量。这两种反应器，由于所得气泡直径通常为3-20mm，所提供的相界面积和传质系数（液侧、气侧、固液）有限，故反应性能较难获得突破性的提高。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统，旨在解决现有的乳化床加氢反应强化系统在使用过程中由于各反应相之间的相界接触面积较小，导致相界传质速率较低，进而影响整体反应速率的问题。

本发明提出了一种油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统，包括：

乳化床反应器,其用以作为渣油-煤粉加氢反应过程中的反应腔室，以确保所述渣油-煤粉加氢反应能够充分进行；

微界面发生器（microinterfacialgenerator，简称mig），其与所述乳化床反应器相连，用于在所述渣油-煤粉共加氢反应过程中的氢气与渣油-煤粉混合液在进入所述乳化床反应器之前将所述氢气在所述微界面发生器中通过预设方式破碎成直径为微米级别的微气泡，以增大反应过程中所述氢气与所述渣油-煤粉混合液之间的相界传质面积，提高相界的传质效率，在预设温度与压强条件下强化所述渣油-煤粉共加氢反应。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述预设方式为机械能作用方式，其通过所述微界面发生器中的预设微结构将反应过程中气相和/或液相的机械能换成氢气泡的表面能，使所述氢气泡破碎成所述微气泡。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述机械能作用方式选自撞击流破碎法、回旋剪切破碎法、喷雾法以及气-液混流泵法中的一种或多种。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述预设微结构为多孔微结构，其包括：机械加工微通道、光刻加工微通道以及无机膜微结构。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述微界面发生器选自气动式微界面发生器、液动式微界面发生器以及气液联动式微界面发生器中的一种或几种。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述微界面发生器连接在所述乳化床反应器的顶部。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述微界面发生器连接在所述乳化床反应器的底部。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述微界面发生器连接在所述乳化床反应器的侧部。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述微界面发生器相对地连接在所述乳化床反应器的顶部和底部。

进一步地，上述油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述微米级别的范围为大于等于1μm、且小于1mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统，通过在乳化床反应器上设置微界面发生器，在所述加氢反应过程中的氢气与渣油-煤粉混合液在进入所述乳化床反应器之前将所述氢气在所述微界面发生器中通过预设方式破碎成直径为微米级别的微气泡，以增大反应过程中所述氢气与所述渣油-煤粉混合液之间的相界传质面积，提高反应相之间的传质效率，进而实现了在较低预设温度与压强条件下强化所述渣油-煤粉共加氢反应的目的，同时有效地解决传统渣油-煤粉共加氢反应过程中高温、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。

尤其是，本发明提供的油煤共加氢微界面强化乳化床反应系统中，所述微界面发生器通过利用机械能作用方式在氢气与渣油-煤粉混合液进入其内部的过程中将反应原料中氢气和渣油-煤粉混合液的机械能转换成氢气泡的表面能，进而使所述氢气泡破碎成微米级别的微气泡，使得整个加氢反应过程中氢气能够有效地溶入到渣油-煤粉混合液中以形成乳化体系，进入进一步保证了反映过程中氢气与渣油-煤粉混合液的相界面积，确保了相界之间的传质效率，进一步达到了强化渣油-煤粉混合液加氢反应的效果。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的上置式乳化床加氢微界面强化反应系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的下置式乳化床加氢微界面强化反应系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的侧置式乳化床加氢微界面强化反应系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的上下对冲式乳化床加氢微界面强化反应系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-4所示，为本发明实施例提供的微界面强化乳化床加氢反应系统（mier），其包括：乳化床反应器,其用以作为加氢反应过程中的反应腔室，以确保所述加氢反应能够充分进行；微界面发生器（mig），其设置所述乳化床反应器上，用于在所述加氢反应过程中的氢气与液体和/或固液混合物料在进入所述反应器主体之前将所述氢气在所述微界面发生器中通过设置在其内部多孔微结构（例如：机械加工微通道、光刻加工微通道以及无机膜微结构等）时利用撞击流破碎法、回旋剪切破碎法、喷雾法以及气-液混流泵法等机械能作用方式将反应过程中气相和/或液相的机械能转换成氢气泡的表面能，进而使氢气破碎成直径为微米级别的微气泡，以有效地增大反应过程中所述氢气与所述液体和/或固液混合物料之间的相界传质面积，提高反应过程中反应相之间的传质效率，最终达到在预设温度与压强条件下强化所述加氢反应的目的。本发明提供的微界面强化乳化床加氢反应系统，通过在乳化床反应器上设置微界面发生器，在所述加氢反应过程中的氢气与液体和/或固液混合物料进入所述乳化床反应器之前将所述氢气在所述微界面发生器中破碎成直径为微米级别的微气泡，有效地增大了反应过程中所述氢气与所述液体和/或固液混合物料之间的相界传质面积，极大地提高了反应相之间的传质效率，进而实现了在预设温度与压强条件下强化所述反应加氢反应的目的，同时有效地解决传统气-液和气-液-固等多相加氢反应过程中高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此显著地降低设备的投资成本和运行费用。

具体而言，所述微界面发生器设置在所述乳化床反应器上，在所述加氢反应过程中能够通过设置在其内部的多孔微结构利用机械能作用方式将反应过程中气相和/或液相的机械能换成氢气泡的表面能，进而使氢气破碎成直径为1μm≤de<1mm的微米级别的微气泡，从而大幅度地提高了加氢反应体系中氢气的气含率和氢气与液相和/或固相之间的相界传质面积，加速了多相反应进程，提高了氢气的利用率，改善了过量排放造成的环境问题，进而达到了强化反应的目的，并解决了传统气液反应过程中高温、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。本实施例中，所述微界面发生器在所述乳化床反应器上的设置位置可以为任意位置，例如可单独地设置在乳化床反应器的顶部、底部或侧部，以形成对应的上置式、下置式以及侧置式微界面强化乳化床加氢反应系统，也可以同时设置在乳化床反应器顶部、底部以及侧部，以形成多种对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统。同时，所述微界面发生器根据能量输入方式或气液比分为气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，其中气动式微界面发生器采用气体驱动，输入气量远大于液体量；液动式微界面发生器采用液体驱动，输入气量一般小于液体量。尤其是，微界面发生器内设置多孔微结构，将反应过程中进入其内部的的氢气与液体和/或固液混合物料充分混合，并在氢气与液体和/或固液混合物料持续碰撞作用下，使氢气气泡被粉碎，得到平均直径在300-550μm的微气泡。由于乳化体系中微气泡尺度为微米级，其类似于刚性小球，在微界面强化乳化床反应系统主体中不容易聚并，仅随反应过程中气泡内成分的消耗或外部压力变化而变化。因此微界面强化乳化床反应系统气液相界面积可提高到3000m²/m³以上，从而显著减少多相反应时间，大幅降低能耗与物耗。需要注意的是，乳化床反应器中，由于气泡比较小，因为气液分离较慢，所以需要在反应器后设置专用的高效气液分离器（如悬液分离器）以实现微气泡与液体的分离，而且分离后的液体可作为驱动液体由循环泵送至液动式微界面发生器。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用乳化床反应器进行加氢强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。

继续参阅图1所示，为本发明实施例提供的上置式微界面强化乳化床加氢反应系统，其包括：乳化床反应器1、微界面发生器、气液分离器2、循环泵3以及换热器4；其中，所述微界面发生器设置在所述乳化床反应器的顶部，以形成上置式微界面强化乳化床加氢反应系统，使用的过程中所述氢气与液体和/或固液混合物料在通过其内部的多孔微结构时将所述气相和/或液相的机械能转换成氢气泡的表面能，进而使氢气破碎成直径为微米级别的微气泡，并与所述液体和/或固液混合物料中形成乳化体系，并通过顶部进入所述乳化床反应器中进行充分反应，有效地增大了反应过程中所述氢气与所述液体和/或固液混合物料之间的相界传质面积，提高了反应过程中反应相之间的传质效率，最终达到在预设温度与压强条件下强化所述加氢反应的目的。可以理解的是，本实施例中，所述微界面发生器在所述乳化床反应器上的设置位置还可以设置在乳化床反应器的侧部和/或底部，以形成对应的侧置式、下置式以及对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统。此外，所述微界面发生器的类型可以选择气动式、液动式以及气液联动式等任意一种或多种。

所述上置式微界面强化乳化床加氢反应系统在渣油和煤焦油共加氢反应过程中的应用及效果：在使用的过程中，将含有30%渣油与含有70%煤焦油的混合油品和新鲜氢气以1：1000的标准体积比分别经管路1-7和管路1-3进入安装在乳化床反应器1的上方的微界面发生器1-1内，在微界面发生器1-1内被经管路4-2送来的循环液破碎成微气泡气液体系，微气泡平均直径为300~600μm，所得气液乳化物经混合管路1-10进入反应器主体后，冲入导流筒1-11。气液混合物沿导流筒1-11到达反应器主体底部，而后沿反应器主体壁面向上运动，一部分在反应器上端被卷吸入导流筒，形成循环流，其余则由顶部管路1-8送入气液分离器2中，分离所得未反应完的h2和反应生成的h2s等气体经管路2-2送至后续处理，所得加氢脱硫后的液相油品经管路2-1进入循环泵3。循环泵3送出的油品经管路3-1进入换热器4后，一部分作为破碎动力由管路4-2送至液动式微界面发生器1-1其余则由管路4-1送去后续处理。

在上述反应过程中：乳化床反应器1内反应压力为8mpa，反应温度为455℃。乳化床反应器1内采用碳载铁系催化剂，空速控制为0.8h^-1。原料混合油品中硫含量为2.6wt.%，经过本加氢脱硫的反应流程处理之后，降为0.8wt.%。

继续参阅图2所示，为本发明实施例提供的下置式微界面强化乳化床加氢反应系统，其包括：乳化床反应器1、微界面发生器、气液分离器2、循环泵3以及换热器4；其中，所述微界面发生器设置在所述乳化床反应器的下部，以形成下置式微界面强化乳化床加氢反应系统，使用的过程中所述氢气与液体和/或固液混合物料在通过其内部的多孔微结构时将所述气相和/或液相的机械能转换成氢气泡的表面能，进而使氢气破碎成直径为微米级别的微气泡，并与所述液体和/或固液混合物料中形成乳化体系，并通过底部进入所述乳化床反应器中进行充分反应，有效地增大了反应过程中所述氢气与所述液体和/或固液混合物料之间的相界传质面积，提高了反应过程中反应相之间的传质效率，最终达到在预设温度与压强条件下强化所述加氢反应的目的。可以理解的是，本实施例中，所述微界面发生器在所述乳化床反应器上的设置位置还可以设置在乳化床反应器的顶部和/或侧部，以形成对应的上置式、侧置式以及对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统。此外，所述微界面发生器的类型可以选择气动式、液动式以及气液联动式等任意一种或多种。

所述下置式微界面强化乳化床加氢反应系统在渣油加氢反应过程中的应用及效果：渣油由管路1-7送到安装在乳化床反应器1的下方的气动式微界面发生器1-2；从原料气体管路1-3进入的新鲜氢气分为两路，一路以氢气与渣油体积比为1200：1的标准，经气动式微界面发生器进气管道1-6送入气动式微界面发生器1-2中作为破碎驱动力，另一路以氢气与渣油体积比为400：1的标准，经液动式微界面发生器进气管路1-4进入乳化床反应器1的侧下方的液动式微界面发生器1-1，在液动式微界面发生器1-1内被循环液管路4-2送来的循环液破碎成初级乳化液，所得初级乳化液经初级乳化液管路1-5进入气动式微界面发生器1-2，在气动式微界面发生器1-2中，气液充分混合形成平均直径300-400μm的微气泡和气液乳化体系后，进入乳化床反应器1的反应系统主体形成平推流继续反应，乳化体系停在乳化床反应器1主体内停留一段时间后，经顶部气液出料管路1-8进入气液分离器2中，分离所得未反应完的h2和反应生成的h2s等气体经排气管路2-2送至后续处理，所得加氢脱硫后的液相油品经出液管路2-1进入循环泵3。循环泵3送出的油品经泵出口管路3-1进入换热器4后，一部分作为气泡破碎动力由循环液管路4-2送至液动式微界面发生器1-1中，其余则由液体出料管路4-1送去后续处理。

在上述反应过程中：乳化床反应器1内反应压力为4mpa，反应温度为442℃。乳化床反应器1内采用碳载钼系催化剂，空速控制为1.0h^-1。原料渣油中硫含量为3.8wt.%，经过本加氢脱硫的反应流程处理之后，降为1.2wt.%。

继续参阅图3所示，为本发明实施例提供的侧置式微界面强化乳化床加氢反应系统，其包括：乳化床反应器1、微界面发生器、气液分离器2、循环泵3以及换热器4；其中，所述微界面发生器设置在所述乳化床反应器的侧部，以形成侧置式微界面强化乳化床加氢反应系统，使用的过程中所述氢气与液体和/或固液混合物料在通过其内部的多孔微结构时将所述气相和/或液相的机械能转换成氢气泡的表面能，进而使氢气破碎成直径为微米级别的微气泡，并与所述液体和/或固液混合物料中形成乳化体系，并通过侧部进入所述乳化床反应器中进行充分反应，有效地增大了反应过程中所述氢气与所述液体和/或固液混合物料之间的相界传质面积，提高了反应过程中反应相之间的传质效率，最终达到在预设温度与压强条件下强化所述加氢反应的目的。可以理解的是，本实施例中，所述微界面发生器在所述乳化床反应器上的设置位置还可以设置在乳化床反应器的顶部和/或底部，以形成对应的上置式、下置式以及上下对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统。此外，所述微界面发生器的类型可以选择气动式、液动式以及气液联动式等任意一种或多种。

所述侧置式微界面强化乳化床加氢反应系统在煤焦油加氢反应过程中的应用及效果：煤焦油由管路1-7送到安装在乳化床反应器1的侧方的气动式微界面发生器1-2；从1-3进入的新鲜氢气分为两路，一路以氢气与煤焦油体积比为600：1的标准，经管道1-6送入气动式微界面发生器1-2作为破碎驱动力，另一路以氢气与煤焦油体积比为300：1的标准，经管路1-4进入乳化床反应器1的侧方的液动式微界面发生器1-1，在微界面发生器1-1内被管路4-2送来的循环液破碎成初级乳化液，所得初级乳化液经管路1-5进入气动式微界面发生器1-2，在微界面发生器1-2中，气液充分混合形成平均直径300~400μm的微气泡和气液乳化体系后，进入反应器1的反应系统主体形成平推流继续反应，乳化体系停在反应器主体内停留一段时间后，经顶部气液出料管路1-8进入气液分离器2中，分离所得未反应完的h2和反应生成的h2s等气体经管路2-2送至后续处理，所得加氢脱硫后的液相油品经管路2-1进入循环泵3。循环泵送出的油品经管路3-1进入换热器4后，一部分作为气泡破碎动力由管路4-2送至液动式微界面发生器，其余则由管路4-1送去后续处理。

在上述反应过程中：乳化床反应器1内反应压力为6mpa，反应温度为430℃。乳化床反应器1内采用碳载钨系催化剂，空速控制为1.0h^-1。原料煤焦油中硫含量为0.8wt.%，经过本加氢脱硫的反应流程处理之后，降为0.08wt.%。

继续参阅图4所示，为本发明实施例提供的上下对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统，其包括：乳化床反应器1、微界面发生器、气液分离器2、循环泵3以及换热器4；其中，所述微界面发生器同时设置在所述乳化床反应器的顶部和底部，以形成上下对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统，使用的过程中所述氢气与液体和/或固液混合物料在通过其内部的多孔微结构时将所述气相和/或液相的机械能转换成氢气泡的表面能，进而使氢气破碎成直径为微米级别的微气泡，并与所述液体和/或固液混合物料中形成乳化体系，并同时通过顶部和底部进入所述乳化床反应器中进行充分反应，有效地增大了反应过程中所述氢气与所述液体和/或固液混合物料之间的相界传质面积，提高了反应过程中反应相之间的传质效率，最终达到在预设温度与压强条件下强化所述加氢反应的目的。可以理解的是，本实施例中，所述微界面发生器在所述乳化床反应器上的设置位置还可以单独地设置在乳化床反应器的顶部、底部或侧部，以形成对应的上置式、下置式以及侧置式微界面强化乳化床加氢反应系统，也可以同时设置在乳化床反应器顶部、底部以及侧部，以形成多种对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统。此外，所述微界面发生器的类型可以选择气动式、液动式以及气液联动式等任意一种或多种。

所述上下对冲式微界面强化乳化床加氢反应系统在渣油和煤粉共加氢反应过程中的应用及效果：从1-3进入的新鲜氢气分为两路，一部分经管路1-6进入设置在反应器主体底部的气动式微界面发生器1-2，破碎成平均直径200~300μm的微气泡后，上升进入反应器主体内。含有50%渣油与含有50%煤粉的混合油品和其余氢气以1:1200的标准体积比分别经管路1-4和管路1-7进入微界面发生器1-1内，在微界面发生器1-1内被经管路4-2送来的循环液破碎成微气泡气液体系，所得气液乳化物经混合管路1-10进入反应器主体后，冲入导流筒1-11。气液混合物沿导流筒1-11到达反应器主体底部，与从反应器主体底部设置的微界面发生器1-2产生的微气泡流相向撞击混合后，后沿反应器主体壁面一起向上运动，上升微气泡流一部分在导流筒1-1上端被卷吸入导流筒，形成循环流，其余则顶部管路1-8送入气液分离器2中，分离所得未反应完的h2和反应生成的h2s等经管路2-2送至后续处理，所得油品经管路2-1进入循环泵3。循环泵送出的液体经管路3-1进入换热器4后，一部分作为破碎动力由管路4-2送至液动式微界面发生器1-1，其余则由管路4-1送去后续处理。

在上述反应过程中：微界面强化乳化床反应器1内反应压力为9mpa，反应温度为462℃。微界面强化乳化床反应器1内采用碳载钴系催化剂，空速控制为0.6h^-1。原料混合油品中硫含量为2.1wt.%，经过本加氢脱硫的反应流程处理之后，降为0.4wt.%。

此外，本发明所述系统还可用于其他多相反应中，如通过微界面、微纳界面、超微界面、微泡生化反应器或微泡生物反应器等设备，使用微混合、微流化、超微流化、微泡发酵、微泡鼓泡、微泡传质、微泡传递、微泡反应、微泡吸收、微泡增氧、微泡接触等工艺或方法，以使物料形成多相微混流、多相微纳流、多相乳化流、多相微结构流、气液固微混流、气液固微纳流、气液固乳化流、气液固微结构流、微气泡、微气泡流、微泡沫、微泡沫流、微气液流、气液微纳乳化流、超微流、微分散流、两项微混流、微湍流、微泡流、微鼓泡、微鼓泡流、微纳鼓泡以及微纳鼓泡流等微流体，从而提高相间的传质面积，以提高相间的反应效率。

显然，本发明相较于传统的浆态床加氢反应系统的优点在于：

1）压力低。传统的浆态床加氢反应器用于渣（重）油加氢，渣油-煤粉共加氢、渣油-煤焦油混合油加氢一般需要16-22mpa，而本发明的压力均低于12mpa，甚至低至2mpa,从而反应器及其所有设备、仪表、泵、阀、管道等辅助设备均为低压，投资成本大幅降低，安全系数大幅提高；

2）能耗低。传统的浆态床加氢反应器通过高压来提高气体原料在液体原料中的溶解度，以加强传质。而本发明则是通过气体破碎成微气泡体系，进而形成乳化床，可大幅增大气液两相的相界面积，达到强化传质的效果。因此可以适当调低压力，从而降低了能耗；

3）气液比低。传统浆态床加氢反应器为了保证液体原料能充分反应，气液比一般控制在2000左右。本发明由于大幅度强化传质，因此可大幅减小气液比，这不但减少了气体的物耗，同时也降低了后续气体循环压缩的能耗；

4）工艺配置灵活，生产安全性高，吨产品成本低，市场竞争力强。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。