用于使淤浆相反应器中的反应体积最大化的方法

用于使淤浆相反应器中的反应体积最大化的方法
【专利说明】用于使淤浆相反应器中的反应体积最大化的方法
[0001] 本发明涉及用于使淤浆相反应器中的反应体积最大化的方法，更具体地，其设计 在高压和高温的淤浆鼓泡塔（SBC)反应器中在规定高度安置核密度计，和通过实验数据的 算法来优化操作参数。
[0002] 本发明允许预测淤浆相反应器、优选加氢裂化淤浆相反应器中，上部区域中低密 度区的延伸和气体滞留量。因此可以使该区最小化，并且因而使反应体积最大化。
[0003] 用于加氢裂化重质残渣、具有用于淤浆和气体的单一出口的鼓泡塔可以在塔的上 部区域中具有比在下面部分中（10-40% )高得多的气体滞留量（70-90% )，这是由于形成 泡沫相。高气体滞留区的存在降低了反应器中包含的淤浆的体积，因而对它的比转化容量 产生负面影响。
[0004] 没有任何预测仪器，反应器上部中存在或不存在低密度相通常仅从对沿该反应器 的轴线的压力曲线的分析来推断：如果该曲线具有近似恒定的斜率，则该反应器中的密度 或多或少是恒定的；另一方面，如果该曲线的斜率显示出变化，这意味着密度存在变化，估 计是由于存在泡沫相。
[0005] 但是，使用压力曲线技术需要沿反应器的轴线以一定频率安装压力计。并且，这种 测量仅提供"后验"信息，即当现象已经发生时的信息。因此，重要的是预测引起泡沫存在 的操作条件。所以适宜的是利用这样的方法，其能够定义使低效率转化区的延伸最小化的 操作条件。
[0006] 文献（Guitian J.，Joseph D.，"How Bubbly Mixture Foam and Foam Control Using a Fluidized Bed"，Int.J. Multiphase Flow，第 24 卷，第 I 期，第 1-16 页，1998 年） 中已知，控制该相外观的操作参数是气体和淤浆的表观速度。对于淤浆的一定速度，存在气 体的临界速度，超过该速度则形成泡沫。通过降低淤浆速度的值，也使气体的临界速度降 低。
[0007] 泡沫相的存在可能是不期望的，不仅因为它减少用于反应目的的有用体积，而且 因为该相转移到输送管线（从反应器到分离器）和分离器，并且在这里它会造成气/液分 离的困难。
[0008] 现在已经发现一种方法，其允许预测与实验条件（气体和液体流率、气体和淤浆 的密度等）相关的气体滞留量，还允许验证流体动力学运行状态，使使用者避免不期望的 条件（存在泡沫）和使可用的反应体积最大化，这基于用位于反应器内不同高度的核密度 计获得的混合物密度测量，和基于使用描述淤浆鼓泡塔内的气体滞留量的算法。
[0009] 该方法可以用于淤浆相中的所有反应器，优选用于使重质残渣蒸馏或氢化或加氢 脱硫或加氢裂化的转化反应，尤其用于淤浆鼓泡塔。
[0010] 作为本发明的目标，该方法用于通过确定泡沫高度（Hf)与反应器高度（H k)之间的 比率（f)，使淤浆相中的反应器的反应体积最大化，该比率通过在以下三个区中限定气体滞 留量的算法确定：建立鼓泡状态的第一下部区，可能存在泡沫的第二中间区，位于上部半球 形部分的第三区，在第三区中使多相混合物加速，直到它达到出口条件，平均气体滞留量由 该三个区的三种气体滞留量中每个的加权平均来给出，
[0011] 其特征在于该方法使用位于该反应器内不同高度的核密度计，并且包括：
[0012] ?对于所用的各核密度计，测量涉及到不同的气体和/或淤浆速度的气体密度值， 其通过所述算法与算出的气体滞留量值相对应，
[0013] ?显示
[0014] 在算出的气体滞留量小于40%的情况下，至少高至密度计所在的高度不存在泡 沫，测得的泡沫密度对应于所述气体滞留量，
[0015] 在气体滞留量高于70%的情况下，至少从密度计所在的反应器高度开始存在气 泡，测得的泡沫密度对应于所述气体滞留量，
[0016] ?最后，通过所述算法确定比率f和可能存在的泡沫的高度延伸，计算结果的高度 Hf〇
[0017] 高度（Hk)是反应器的"切线至切线"高度，即反应器圆柱形部分的高度。
[0018] 优选使用至少两个核密度计，更优选至少三个。
[0019] 在使用两个核密度计的情况中，它们优选位于H/4与H/6之间和H/10与H/5之间 的高度，H是反应器的"切线至切线"高度（反应器与分离器之间的管线）。
[0020] 在使用三个核密度计的情况中，它们优选位于反应器的H/4与H/5之间、H/9与 Η/ll之间和H/6与H/7之间的高度，H是反应器的"切线至切线"高度。
[0021] 在使用至少两个核密度计的情况中，采用优化过程为实验性反应混合物建立与泡 沫相关的参数，所述优化过程在于改变表面气体速度，以获得与较低密度计或更低密度计 的那些读数类似的较高密度计的密度读数，这是泡沫相的特征。
[0022] 该方法允许估算泡沫区的延伸和较高密度计上面的区的有效滞留量，当该密度计 提供了气泡相读数时也是如此。
[0023] 该方法开发用于特定的物理化学体系，可以用来在对重质残渣的加氢裂化鼓泡塔 按比例放大时考虑"泡沫"。
[0024] 本发明方法所基于的算法定义以下三个区（考虑将淤浆鼓泡塔分成这样三个区） 中的气体滞留量：第一上部区，其占据反应器的大部分，在这里建立气泡状态；第二区，与 操作条件相关，这里可以或可以不存在泡沫；最后，第三区，位于上部半球形部分，在这里由 于截面减小，多相混合物经过加速，这引起气体滞留量增大，直到达到输送管线典型的极限 值（约等于对应于气体与淤浆之间零相对速度的值）。对计算反应器中的液体体积有用的 平均气体滞留量由三个贡献值中每个的加权平均来给出。
[0025] 可以采用文献中存在的关系式/方程式用于该三个区。
[0026] 具体地，只要涉及下部区，数据就可以用具有两个气泡组的Krishna模型来解读 (Krishna, R.，''A Scale-up Strategy for a Commercial Scale Bubble Column Slurry Reactor for Fischer-Tropsch Synthesis''，Oil&Gas Science and Technology,Rev IFP， 第55卷，第4期，第359-393页，2000年），它的参数是小气泡的上升速度和过渡滞留量。小 气泡的上升速度由以下关系式来估算：
[0027]
[0028] 其中〇和p i分别是反应器内液相的表面张力（以N/m表不）和密度（以kg/m 3 表示），Pv是反应器内蒸气相的密度（以kg/m3表示），Η#Ρ ε f是上部区中可能存在的泡 沫相的高度和滞留量，a和b是两个待确定的参数。在该表达式中，由于存在泡沫，引入了 减缓效应：事实上，据假定，反应器的上部区中存在泡沫会引起一种障碍，所以引起小气泡 上升速度减缓，和因此气体滞留量增加。过渡气体滞留量由以下表达式来估算：
[0029]
[0030] 其中&是反应器中固体的体积分率，U屬淤浆速度，C、C JP C2是三个待确定的参 数。
[0031] 计算上部区的气体滞留量可以考虑反应器（具有高度Hk)由高至一定水平H f的特 征在于鼓泡流的区和特征在于存在泡沫的上部区（直至切线）组成。
[0032] 取决于流动条件（淤浆和气体流率），具有或多或少恒定密度（约180-200kg/mc) 的区建立在反应器的上部，然后，最后当多相混合物进入半球形区时，朝着出口条件快速下 降。
[0033] -旦多相混合物已经进入半球，它经过由于截面限制而产生的加速，和速度不断 增加：在该区中，气体滞留量将不断变化，从界面值（等于泡沫区的值ef，如果存在的话， 或者鼓泡区的值）到由半球形区的反应器出口处的值。
[0034] 考虑到该加速区中滑移速度保持恒定并且等于上部切线处的值，可以由几何学因 素计算半球中的气体滞留量。只要涉及泡沫相（滞留量和气泡/泡沫界面的位置），就应当 参考Guitian和Joseph对气体和淤浆同时进料的淤浆鼓泡塔中多相流的描述。
[0035] 可以由以下表达式获得泡沫相中的气体滞留量：
[0036]
[0037] 其中Ω是待确定的滑移参数，Ue是气体速度。
[0038] 为了获得气泡相和泡沫相之间的界面位置，可以使用以下步骤，其需要计算由于 形成泡沫而产生的耗散能量：泡沫相与气泡相的体积比等于耗散在泡沫中的能量与耗散在 鼓泡混合物中的能量之间的比率。通过记录对于泡沫相和气泡相的淤浆与气体的动量和能 量平衡，获得用于耗散在泡沫中的每单位体积的功率和耗散在气泡相和泡沫相中的每单位 体积的入口功率的以下表达式（参见参考文章获得细节）：
[0039]
[0040] Ib= g [ (U G+UL) ( p ν ε B+ p sl (1- ε B)) - p slUL- P VUG]
[0041 ] If= g [ (U G+UL) ( p v ε f+ p sl (I- ε f)) - p slUL- P VUG]
[0042] 所以，能够确定气泡-泡沫界面位置的方程式如下：
[0043]
[0044] 其中f是泡沫高度与反应器高度之间的比率（0〈f〈l)。如果f小于零，这意味着不 存在形成泡沫的条件；如果f>l，则整个反应器充满了泡沫。
[0045] 本模型预先假定气泡相和泡沫二者取决于淤浆和气体流率可以同时共存（类似 于热力