一种具有高效气流分布的径向床设计方法及其径向床

技术领域

本发明涉及径向流容器，尤其涉及一种具有高效气流分布的径向床的设计方法和装置，用于周期性操作实现气流的高效均压分布。

背景技术

在化工过程中，经常使用到活性填料作为化工反应和/或分离的催化剂和/或吸附剂。盛装这些材料的容器很大一部分属于固定(填料)床。常用的固定床容器有轴向床和径向床。在生产规模较大时，气流分布成为制约产品收率和运行成本的关键问题。

填料床在用于化工催化和分离时，进出端口的气流分布区域不装或者装填惰性填料，这一部分的空隙叫做“死空间”，当作为稳态流的反应器时，它不会影响产品的收率。但作为周期性操作的分离或反应分离的容器时，吸附结束前在进料端的原料和产品端的产品物流都会被逆向放走，死空间的多少直接影响到产品的收率。轴向床的上下封头会产生很大的死空间，死空间的大小与直径的立方成正比，反应或分离的有效区域与直径的平方成正比，导致随直径的增大“死空间”增大幅度更大，所以在生产规模增大时会明显影响产品收率。

径向床是一种高效节能的反应器，具有优良的气流分布效果，常用于气流净化、分离、提纯、干燥、反应分离、粒子交换等领域，适用于气固、液固两项流的催化和/或吸附过程。已在石油化工、碳一化工、化工分离等化工过程工业中得到广泛应用。这种径向床容器包含：进口和出口，进口气流(原料流)分布的环形流通通道、出口气流(产品流)汇集的流通通道，流通通道与固定填料直接由环形的多孔板和/或丝网分隔开。多孔板和/或丝网根据工艺要求可以由多层不同直径的同心圆柱体构成。

径向床的“死空间”包括：入口的封头和环形流入通道，出口气流的汇集通道。环形通道的“死空间”可以通过控制环隙的宽度来控制，因为是径向床，控制容积不变的情况下可以增加高度来减小直径，大大减小了入口处封头的“死空间”。所以径向床能有效减小填料容器的死空间。专利US5759242使用内空的罐体来减少进气端死空间，使用内空的柱体减少产品气端死空间。专利CN102441350指出，内外通道的截面积之比可以通过进入或离开通道的总质量流率比来确定，希望保持这些通道内有相同的质量通量，这种设计适用于稳态操作；对于非稳态或者周期性操作来说，每个阶段在各通道的质量流率是变化的，而且变化幅度很大，远远超过专利CN102441350中给定的内外通道的面积比在质量流量比的0.7-1.4范围， 正因为质量流率变化幅度很大，导致设计内外通道的面积比不能通过进入或离开通道的总质量流率比来唯一确定。

上述专利CN102441350给出了一个利用计算填料床压降的Ergun方程来计算径向床压降的积分公式，做了一个在不同半径的截面上总的质量流率相等的假设，然后代入Ergun方程积分得到专利中的床层压降计算公式，按照该假设，不同半径上的流速等于总质量流率除以半径，半径越小流速就越大。这一假设偏离了变压吸附的实际情况，在吸附过程中，如图3所示，填料层流通截面不变化时，在流动方向上，质量流速变化是随吸附的进行越来越小的；而在解吸过程中，如图4所示，填料层流通截面不变化时流速变化随解吸的进行而越来越大，因此，该公式计算的填料层压降将会比实际压降大很多。

综上所述，现有技术对于非稳态或者周期性操作来说，存在的问题是：

1)在周期性或非稳态操作中，质量流率是变化的，无法解决内外通道的面积按照周期的哪个阶段来确定的问题。

2)在周期的某个阶段，产气气流远大于产品气的工艺气流，导致该阶段的产气通道实际压降大于按照工艺气流计算的压降。

3)填料层压降的计算值比实际压降偏差很大，导致设计出来的径向床容器的气流分布不均匀性比期望值偏大。

发明内容

为了满足周期性操作的径向床设计需要，本发明提供一种具有高效气流分布的径向床设计方法及其径向床，该设计方法利用周期和收率更为准确地计算径向床的床层压降并确定径向床各通道的面积，从而提高周期性操作的径向床的气流分布的均匀性。

本发明提供的技术方案是：

一种具有高效气流分布的径向床设计方法，所述径向床包括填料层、内通道、外通道、外层多孔板和内层多孔板，通过引入径向床操作的周期和收率来计算径向床的床层压降，以确定径向床内通道和外通道的设计面积，提高径向床的气流分布的均匀性，包括如下步骤：

1)设定径向床的外壳半径、内孔板半径、外孔板半径和高度的取值；若在内层多孔板的里面放置一个抵消死空间用的空心筒体作为内筒，还需设定内筒半径；

2)根据步骤1)中的取值，计算得到内通道面积和外通道面积，外通道面积为进气通道的截面积S_Feed，内通道面积为产气通道的截面积S_Product；

3)计算得到面积比S_Feed/S_Product，判断该面积比是否满足式3或式4：

进气通道与产气通道的截面积之比S_Feed/S_Product，在未知周期性操作中的周期时，通过式3中原料气体积流量和产品工艺气体积流量计算和判断；在已知周期性操作中的周期时，通过式4中周期总时间和周期总时间中的产气时间计算和判断：

$\frac{S_{\mathrm{Feed}}}{S_{\mathrm{Product}}}=K_v\times \frac{Q_{\mathrm{Feed}}}{Q_{\mathrm{Product}}}$     (式3)

式中，S_Feed为原料气流通通道的最大截面积；S_Product表示产气通道出口端的截面积；K_v为周期性操作中通道面积之比与原料气和工艺产品气体积流率之比的比例常数；Q_Product是周期性操作中产气时的气体流量，即产品工艺气流量；Q_Feed是原料气体积流量；

在本发明的实施例中，所述径向床为VPSA制氧装置，所述进气和产气通道的面积之比通过进气和产气的工艺流速之比来估算，所述面积之比与原料气和产品气体积流率之比的比例常数K_v为大于等于0.2且小于0.6。优选为0.35至0.45；

设计者对工艺熟悉的情况下，可以使用式4计算和判断进气和产气通道的面积比：

$\frac{S_{\mathrm{Feed}}}{S_{\mathrm{Product}}}=\frac{K_m}{a}$     (式4)

式4中，a为产气时产品气流量与原料气之间的比例关系：

$a=\frac{Q_{\mathrm{Pchannle}}}{Q_{\mathrm{Feed}}}=(1+K^{\prime })\frac{T}{T_p}\times \frac{x_{\mathrm{feed}}\times Y}{x_{\mathrm{product}}}$    (式5)

K′为回冲气与工艺产品气流流量的比率；T为周期总时间；T_p为周期总时间T中的产气时间；Y为产品收率，是目的产品中有效组分的量占原料气有效组分的量的百分比；x_feed为原料气中有用组分的百分含量；x_product为产品气中有用组分在气流中的百分含量；

式4中，K_m为周期性操作中通道面积之比与原料气和通道内产品气流量之比的比例常数：

$\frac{S_{\mathrm{Feed}}}{S_{\mathrm{Product}}}=K_m\times \frac{Q_{\mathrm{Feed}}}{Q_{\mathrm{Pchannle}}}$     (式6)

K_m的确定原则是：在设计通道内的压降时，尽量让内外通道的压降相等，上下浮动不超过1倍，换句话说，内外通道阻力降之比在0.5-2之间，优选0.66-1.5。进一步地，流动阻力与流速具有相关性的，气流在通道中的流动进入湍流区后流动阻力与流速的平方成正比。所以K_m的取值区间为0.5^0.5—2^0.5之间，即0.707—1.414之间，优选0.8—1.25之间。

4)若面积比S_Feed/S_Product不满足式3或式4，则调整设定外壳半径或内筒半径，重复步骤2)～4)；若面积比S_Feed/S_Product满足式3或式4，则进入步骤5)；

5)通过管道内压力计算公式计算得到内通道压降ΔP_ichannel和外通道压降ΔP_ochannel：

$\mathrm{\Delta P}=(\lambda \frac{L}{d}+K_R)\times \frac{{\mathrm{\rho \upsilon }}^2}{2}$    (式50)

式50中，ΔP为内通道压降ΔP_ichannel或外通道压降ΔP_ochannel；相应地，λ为内通道阻力系 数或外通道阻力系数，因为一侧开孔，可按照粗糙度高来考虑，取值为0.02～0.15，优化取值为0.06～0.1；L为内通道长度或外通道长度；d为内通道的水力学直径或外通道的水力学直径；K_R为进口阻力系数或出口阻力系数，根据局部阻力的定义，流入时取-0.5，流出时取1；ρ为气流密度，单位是kg/m3；υ为内通道或外通道的气流流速，单位是m/s：

$\upsilon =\frac{Q_{\mathrm{Feed}}}{S_{\mathrm{Feed}}}$或$\upsilon =\frac{Q_{\mathrm{Pchannel}}}{S_{\mathrm{Product}}}$    (式51)

式51中，S_Feed为进气通道的面积值，S_Product为产气通道的面积值；Q_Feed是原料气体积流量；Q_Pchannel为通道内产品气体积流量：

$Q_{\mathrm{Pchannel}}=(Q_{\mathrm{Product}}+Q_{\mathrm{Refulx}})\times \frac{T}{T_p}$    (式52)

式52中，T为周期总时间；T_p为周期总时间T中的产气时间；Q_Pchannel为通道内产品气体积流量；Q_Product是周期性操作中产气时的气体流量，即产品工艺气体积流量；Q_Refulx为产品气回充或冲洗的气量：

Q_Refulx＝K′×Q_Product         (式53)

式53中，K′为回冲气与工艺产品气流流量的比率，因工艺要求需要使用产品气回充或冲洗，在空气干燥工艺中K＇取值范围是0.03～0.3，在变压吸附制氧工艺中取值为0.2～0.6；

6)设填料层各截面的流量为等比例减少，通过Ergun方程得到填料层的压降△p_bed：

$\Delta p_{\mathrm{bed}}=150\frac{{(1-ϵ)}^2}{{ϵ}^3}\frac{\mu }{{\mathrm{dp}}^2}\times [\mathrm{CA}\ln \frac{\mathrm{ro}}{\mathrm{ri}}+\mathrm{CB}(\mathrm{ro}-\mathrm{ri})]+1.75\frac{(1-ϵ)}{{ϵ}^3}\times \frac{\rho }{\mathrm{dp}}{C}^2[A^2(\frac{1}{\mathrm{ro}}-\frac{1}{\mathrm{ri}})+$

$\mathrm{AB}\ln \frac{\mathrm{ro}}{\mathrm{ri}}+B^2(\mathrm{ro}-\mathrm{ri})]$       (式60)

式60中，△p_bed：填料层的压降；ε：床层空隙率；μ：气流粘度；dp：活性填料的颗粒直径；ρ：气流密度，单位为kg/m3；ro：外层多孔板的半径；ri：内层多孔板的半径；A、B和C为系数：

A＝(a×r_o-r_i)          (式61)

B＝(1-a)          (式62)

$C=\frac{Q_{\mathrm{feed}}}{2\mathrm{\pi H}·(r_o-r_i)}$         (式63)

式61～式63中，H为填料层高度；Q_feed为原料气的体积流量；a为产气时产品气流量与原料气之间的比例关系，通过式5计算得到；ro：外层多孔板的半径；ri：内层多孔板的半径；

7)判断内通道压降ΔP_ichannel和外通道压降ΔP_ochannel之和是否小于填料层压降△p_bed的5％；若不满足，重新步骤1)～步骤7)，得到满足上述条件的内通道的面积值S_Product和外通道的面积值S_Feed，分别作为内通道和外通道的设计面积值，从而得到径向床设计尺寸。

在本发明实施例中，所述径向床为VPSA制氧装置。所述径向床周期性操作中产气时的气体体积流量Q_Pchannel与工艺产气体积流量Q_Product的比例常数为1.5～3.5。优选为2.0～2.5。

本发明还提供利用上述径向床设计方法实现的用于周期性操作的具有高效气流分布的径向床，包括外壳、原料气进口、产品气出口、外通道预分布封头、外通道、内通道、外层多孔板或丝网、活性填料层和内层多孔板或丝网，其特征是，在同一个操作周期内，原料气流速等于工艺流速；所述原料气进口端为外通道截面积最大；所述产品气出口处为内通道截面积最大；内通道压降ΔP_ichannel和外通道压降ΔP_ochannel之和小于填料层压降△p_bed的5％。

上述用于周期性操作的具有高效气流分布的径向床中，进一步地，

所述外壳是中心对称的圆柱形或圆锥台形结构，包含上封头和下封头。

所述原料气进口包括渐阔口；渐阔口为锥形封头、椭圆封头和蝶形封头中的一种或几种的组合。

所述多孔板或丝网至少有两块，所述多块多孔板或丝网围成同心圆柱，所述多孔板或丝网至少有一端是固定的。

所述多孔板或丝网围成的同心圆柱的环形空间内装填一种或多种活性吸附剂或催化剂。

所述内通道沿流动方向截面积可以是固定的，也可以是逐渐扩大的，产品气出口处的截面积是最大的。在内层多孔板的里面可放置一个抵消死空间用的筒体，如空心圆柱、空心圆锥台或空心圆锥体。

所述用于周期性操作的具有高效气流分布的径向床可以为VPSA或PSA工艺的制氧装置、制氢装置、提纯一氧化碳装置、分离二氧化碳或空气干燥装置。

根据上述设计方法，本发明提供一种用于周期性操作的具有高效气流分布的径向床，最外层多孔板或丝网与外壳之间的通道为外通道，最里层多孔板或丝网之内的通道为内通道；外通道沿流动方向的截面积可以不变，也可以是逐渐缩小的，也就是说原料气进口处的截面积是最大的；内通道沿流动方向截面积可以是固定的，也可以是逐渐扩大的，换句话说，产品气出口处的截面积是最大的。本发明提供的径向床呈同心圆柱形，同心的圆柱的最外和最里侧用于气体的流入或流出。为了保证气流在通道内分布的均匀性，就要保证通道内的压降 相对于填料层的压降小得多。而通道里面的压降与最大流速的平方成正比。进一步地，流动阻力与流速具有相关性的，气流在通道中的流动进入湍流区后流动阻力与流速的平方成正比。但是，要确定通道内的流速相对比较困难，同时由于周期性操作，各个阶段的流速也是不一样的。所以可以通过使用工艺流速比较方便地来确定内外通道的截面积之比。由操作的周期性引入周期概念，在同一个周期内，原料气流速等于工艺流速，即可确定通道内产品气流速。本发明把径向床内外通道的截面积通过与周期及产品收率关联起来进行计算。通过确定内外通道的截面积、通道长度、填料层厚度，提高周期性操作的径向床的气流分布的均匀性，即可通过计算得到满足在工作状态下内外通道压降小于填料层压降的5％情况下的内外通道的截面积、通道长度和填料层厚度，进而利用Ergun方程计算得到其流速不均匀性小于2.5％，使得周期性操作的径向床的气流分布的均匀性大为提高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设计一种实现气流均压分布的周期性操作使用的径向床，通过利用周期概念和收率概念更为准确地计算径向床的床层压降，从而确定径向床各通道的面积。本发明的技术方案能用于吸附分离、净化、干燥、粒子交换、反应和吸附分离一体等周期性操作的活性填料容器的设计。本发明通过使用气流流过通道的阻力降来设计气流分布的均匀性，把进出口通道的压降之和控制为填料层压降的5％，根据流速平方与阻力成正比的关系，从而计算到穿过填料层的流速在整个通道上的变化小于2.5％，使得流速分布的不均匀性控制在2.5％以内，也就是，气流流过填料层任何位置的速度波动控制在2.5％以内。

附图说明

图1是本发明径向床设计方法的流程框图。

图2是本发明径向床的结构示意图；

其中：(a)为产品气出口在底部的径向床；(b)为产品气出口在顶部的径向床；1—原料气进口；2—产品气出口；3—外通道预分布封头；4—外通道；5—内通道；6—外层多孔板或丝网；7—活性填料层；8—内层多孔板或丝网。

图3是周期性操作径向床在吸附过程填料层流通截面不变化时流速变化图。

图4是周期性操作径向床在解吸过程填料层流通截面不变化时流速变化图。

图5是外通道预分布封头图；

其中，(a)为锥形封头；(b)为椭圆或碟形封头；(C)为椭圆或碟形与锥形封头的组合。

图6是内通道截面图；

其中，(a)为中空结构；(b)内孔板内放置空心圆柱体；(c)为内孔板内放置空心圆锥台；(d)为内孔板内放置空心圆锥体。

图7是外通道的截面图；

其中：(a)为外通道的外壳为圆柱体；(b)为外通道的外壳为圆锥台。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种实现气流均压分布的周期性操作使用的径向床吸附器设计方法，可设计用于吸附分离、净化、干燥、粒子交换、反应和吸附分离一体等周期性操作的活性填料容器。

本发明径向床设计方法的流程框图如图1所示，使用气流流过通道的阻力降来设计气流分布的均匀性，使得流速分布的不均匀性控制在2.5％以内，也就是说，气流流过填料层任何位置的速度波动控制在2.5％以内。设计的关键是要把进出口通道的压降之和控制为填料层压降的5％，根据流速平方与阻力成正比的关系，从而计算到穿过填料层的流速在整个通道上的变化小于2.5％。

图2是本发明径向床的结构示意图，其中：(a)为产品气出口在底部的径向床；(b)为产品气出口在顶部的径向床。本发明设计提供的径向床包括原料气进口1；产品气出口2；外通道预分布封头3；外通道4；内通道5；外层多孔板或丝网6；活性填料层7；内层多孔板或丝网8，还包括外壳；其中，原料气进口1包括渐阔口；渐阔口为锥形封头或锥形封头、椭圆封头和蝶形封头的任意组合，渐阔口利用椭圆或蝶形封头逐渐扩大流通面积；如图5中外通道预分布封头图所示，其中，(a)为锥形封头；(b)为椭圆或碟形封头；(C)为椭圆或碟形与锥形封头的组合。外壳包含上、下封头，是中心对称的圆柱形或圆锥台形结构；如图7外通道的截面图所示，其中：(a)为外通道的外壳为圆柱体；(b)为外通道的外壳为圆锥台。容器内部是以多孔板或丝网做成的同心圆柱，多孔板或丝网至少有一端是固定的；至少有两块多孔板或丝网；最外层多孔板或丝网与外壳之间的通道为外通道，最里层多孔板或丝网之内的通道为内通道；多孔板或丝网之间围成的环形空间内装填一种或多种活性吸附剂或催化剂；外通道沿流动方向的截面积可以不变，也可以是逐渐缩小的，也就是说原料气进口处的截面积是最大的；内通道沿流动方向截面积可以是固定的，也可以是逐渐扩大的，换句话说，产品气出口处的截面积是最大的。如图6内通道截面图所示，其中，(a)为中空结构；(b)内孔板内放置空心圆柱体；(c)为内孔板内放置空心圆锥台；(d)为内孔板内放置空 心圆锥体。

在本发明中，为了气流流过多孔板后流速不会明显变化，一般选择多孔板的开孔率不能小于填料装填空隙率的50％，否则会出现径向流速增大很多，而流入填料层流速又变小，这样会产生较大阻力，优选多孔板开孔率大于填料层的空隙率的80％。空隙率指的是填料的颗粒体积除以填料的装填体积。

本发明不对填料的装填体积或装填方式做严格限制，可以是紧密装填、也可以是模块化的活性填料。颗粒填料直径不应小于设计径向气速下的流化速度，模块化的填料有效颗粒直径应不影响气固传质速度为宜。

为了本发明的设计的目的，需要对内外通道的压降进行估算，也需要对填料层的压降进行估算，一般需要控制内外通道压降之和不超过床层压降的10％，更进一步，控制内外通道各自压降小于床层压降的5％。对于床层压降的估算是本发明设计的重点，实际中由于吸附、或者反应导致流通体积在不同截面处是不一样的，因此，不能直接简单地用一个固定地使用一个入口体积除以各个截面的面积。一般来说，对于净化来说体积流量基本固定，变化不大；对于分离提纯来说，由于吸附的量比较大，所以向产品气端的走向流速会越来越小，如图3所示周期性操作径向床在吸附过程填料层流通截面不变化时流速变化。在解吸时，流量会随气量的方向越来越大，如图4所示周期性操作径向床在解吸过程填料层流通截面不变化时流速变化情况，负号表示与进气方向相反。

本实施例中，利用本发明提供上述方法设计的径向床为一真空变压吸附(VPSA)制氧装置，该装置中，径向速度指的是气流通过填料层的表观速度，单位是m/s。通道速度指的是气流在内外通道内的速度，以IC表示内通道内的速度，以OC表示外通道内的速度。在计算填料层压降的时候，把填料层各截面的流量做简单处理，设定流量是等比例减少。根据Ergun方程积分得到填料层压降。

设定该VPSA制氧装置的尺寸为：外壳半径Ro:1.6m厚度15mm；外孔板半径r_o：1.485m；内孔板半径ri：0.375m；按照图6(b)的结构设置半径为250mm的空心柱；装填有效高度H：2.632m；分子筛空隙率：0.39。

经过计算得到，外通道环缝宽度d_o＝1600-15-1485＝100mm；外通道截面积S_o＝0.964m²；内通道环缝宽度d_i＝375-250＝125mm；内通道通道截面积S_i＝0.332m²；So/Si＝2.9。

上述真空变压吸附(VPSA)制氧装置的操作运行参数为：鼓风机气量Q_feed为270m³/min，即4.5m³/s；周期T为50s(包括4s放空)；周期产氧时间T_产为30s；回氧气量占产品气量的比率为0.6；氧气收率Y为0.6；产品氧浓度x_product为90％；空气中氧气浓度x_feed为21％。得 到产品气量Q_product为2088m³/h；产品瞬时产气量Q_pchannel为5806m³/h。Q_feed/Q_product＝4.5/0.58＝7.76；

通过本发明提供的径向床设计方法，得到：

1)外通道最大流速u_o＝4.67m/s；

2)外通道压降△P_o＝22.6pa

3)内通道最大流速u_i＝4.86m/s

4)内通道压降△P_i＝44.7pa

5)So/Si＝0.374Q_feed/Q_product

6)床层压降△P_bed＝2.37kpa；

最后得到内外通道压降之和△P_o+△P_i为67.3pa，占填料层压降的2.8％。因此，设定的径向床尺寸符合条件，各参数取值为：

外壳半径Ro为1.6m，厚度为15mm；外孔板半径r_o为1.485m；内孔板半径ri为0.375m；按照图6(b)的结构设置的空心柱半径为250mm；装填有效高度H为2.632m；分子筛空隙率为0.39。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。