一種具有高效氣流分布的徑向床設(shè)計(jì)方法及其徑向床的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及徑向流容器，尤其涉及一種具有高效氣流分布的徑向床的設(shè)計(jì)方法和 裝置，用于周期性操作實(shí)現(xiàn)氣流的高效均壓分布。
【背景技術(shù)】
[0002] 在化工過(guò)程中，經(jīng)常使用到活性填料作為化工反應(yīng)和/或分離的催化劑和/或吸 附劑。盛裝這些材料的容器很大一部分屬于固定（填料）床。常用的固定床容器有軸向床 和徑向床。在生產(chǎn)規(guī)模較大時(shí)，氣流分布成為制約產(chǎn)品收率和運(yùn)行成本的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0003] 填料床在用于化工催化和分離時(shí)，進(jìn)出端口的氣流分布區(qū)域不裝或者裝填惰性填 料，這一部分的空隙叫做"死空間"，當(dāng)作為穩(wěn)態(tài)流的反應(yīng)器時(shí)，它不會(huì)影響產(chǎn)品的收率。但 作為周期性操作的分離或反應(yīng)分離的容器時(shí)，吸附結(jié)束前在進(jìn)料端的原料和產(chǎn)品端的產(chǎn)品 物流都會(huì)被逆向放走，死空間的多少直接影響到產(chǎn)品的收率。軸向床的上下封頭會(huì)產(chǎn)生很 大的死空間，死空間的大小與直徑的立方成正比，反應(yīng)或分離的有效區(qū)域與直徑的平方成 正比，導(dǎo)致隨直徑的增大"死空間"增大幅度更大，所以在生產(chǎn)規(guī)模增大時(shí)會(huì)明顯影響產(chǎn)品 收率。
[0004] 徑向床是一種高效節(jié)能的反應(yīng)器，具有優(yōu)良的氣流分布效果，常用于氣流凈化、分 離、提純、干燥、反應(yīng)分離、粒子交換等領(lǐng)域，適用于氣固、液固兩項(xiàng)流的催化和/或吸附過(guò) 程。已在石油化工、碳一化工、化工分離等化工過(guò)程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。這種徑向床容器 包含：進(jìn)口和出口，進(jìn)口氣流（原料流）分布的環(huán)形流通通道、出口氣流（產(chǎn)品流）匯集的 流通通道，流通通道與固定填料直接由環(huán)形的多孔板和/或絲網(wǎng)分隔開(kāi)。多孔板和/或絲 網(wǎng)根據(jù)工藝要求可以由多層不同直徑的同心圓柱體構(gòu)成。
[0005] 徑向床的"死空間"包括：入口的封頭和環(huán)形流入通道，出口氣流的匯集通道。環(huán) 形通道的"死空間"可以通過(guò)控制環(huán)隙的寬度來(lái)控制，因?yàn)槭菑较虼?，控制容積不變的情況 下可以增加高度來(lái)減小直徑，大大減小了入口處封頭的"死空間"。所以徑向床能有效減小 填料容器的死空間。專利US5759242使用內(nèi)空的罐體來(lái)減少進(jìn)氣端死空間，使用內(nèi)空的柱 體減少產(chǎn)品氣端死空間。專利CN102441350指出，內(nèi)外通道的截面積之比可以通過(guò)進(jìn)入或 離開(kāi)通道的總質(zhì)量流率比來(lái)確定，希望保持這些通道內(nèi)有相同的質(zhì)量通量，這種設(shè)計(jì)適用 于穩(wěn)態(tài)操作；對(duì)于非穩(wěn)態(tài)或者周期性操作來(lái)說(shuō)，每個(gè)階段在各通道的質(zhì)量流率是變化的，而 且變化幅度很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)專利CN102441350中給定的內(nèi)外通道的面積比在質(zhì)量流量比的 0. 7-1. 4范圍，正因?yàn)橘|(zhì)量流率變化幅度很大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)內(nèi)外通道的面積比不能通過(guò)進(jìn)入 或離開(kāi)通道的總質(zhì)量流率比來(lái)唯一確定。
[0006] 上述專利CN102441350給出了一個(gè)利用計(jì)算填料床壓降的Ergun方程來(lái)計(jì)算徑 向床壓降的積分公式，做了一個(gè)在不同半徑的截面上總的質(zhì)量流率相等的假設(shè)，然后代入 Ergun方程積分得到專利中的床層壓降計(jì)算公式，按照該假設(shè)，不同半徑上的流速等于總質(zhì) 量流率除以半徑，半徑越小流速就越大。這一假設(shè)偏離了變壓吸附的實(shí)際情況，在吸附過(guò)程 中，如圖3所示，填料層流通截面不變化時(shí)，在流動(dòng)方向上，質(zhì)量流速變化是隨吸附的進(jìn)行 越來(lái)越小的；而在解吸過(guò)程中，如圖4所示，填料層流通截面不變化時(shí)流速變化隨解吸的進(jìn) 行而越來(lái)越大，因此，該公式計(jì)算的填料層壓降將會(huì)比實(shí)際壓降大很多。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于非穩(wěn)態(tài)或者周期性操作來(lái)說(shuō)，存在的問(wèn)題是：
[0008] 1)在周期性或非穩(wěn)態(tài)操作中，質(zhì)量流率是變化的，無(wú)法解決內(nèi)外通道的面積按照 周期的哪個(gè)階段來(lái)確定的問(wèn)題。
[0009] 2)在周期的某個(gè)階段，產(chǎn)氣氣流遠(yuǎn)大于產(chǎn)品氣的工藝氣流，導(dǎo)致該階段的產(chǎn)氣通 道實(shí)際壓降大于按照工藝氣流計(jì)算的壓降。
[0010] 3)填料層壓降的計(jì)算值比實(shí)際壓降偏差很大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的徑向床容器的氣流 分布不均勻性比期望值偏大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為了滿足周期性操作的徑向床設(shè)計(jì)需要，本發(fā)明提供一種具有高效氣流分布的徑 向床設(shè)計(jì)方法及其徑向床，該設(shè)計(jì)方法利用周期和收率更為準(zhǔn)確地計(jì)算徑向床的床層壓降 并確定徑向床各通道的面積，從而提高周期性操作的徑向床的氣流分布的均勻性。
[0012] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：
[0013] 一種具有高效氣流分布的徑向床設(shè)計(jì)方法，所述徑向床包括填料層、內(nèi)通道、外通 道、外層多孔板和內(nèi)層多孔板，通過(guò)引入徑向床操作的周期和收率來(lái)計(jì)算徑向床的床層壓 降，以確定徑向床內(nèi)通道和外通道的設(shè)計(jì)面積，提高徑向床的氣流分布的均勻性，包括如下 步驟：
[0014] 1)設(shè)定徑向床的外殼半徑、內(nèi)孔板半徑、外孔板半徑和高度的取值；若在內(nèi)層多 孔板的里面放置一個(gè)抵消死空間用的空心筒體作為內(nèi)筒，還需設(shè)定內(nèi)筒半徑；
[0015] 2)根據(jù)步驟1)中的取值，計(jì)算得到內(nèi)通道面積和外通道面積，外通道面積為進(jìn)氣 通道的截面積s Frad，內(nèi)通道面積為產(chǎn)氣通道的截面積SPMduc;t;
[0016] 3)計(jì)算得到面積比SFMd/SProduc;t，判斷該面積比是否滿足式3或式4 :
[0017] 進(jìn)氣通道與產(chǎn)氣通道的截面積之比sFMd/sPMduc;t，在未知周期性操作中的周期時(shí)， 通過(guò)式3中原料氣體積流量和產(chǎn)品工藝氣體積流量計(jì)算和判斷；在已知周期性操作中的周 期時(shí)，通過(guò)式4中周期總時(shí)間和周期總時(shí)間中的產(chǎn)氣時(shí)間計(jì)算和判斷：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有高效氣流分布的徑向床設(shè)計(jì)方法，所述徑向床包括填料層、內(nèi)通道、外通 道、外層多孔板和內(nèi)層多孔板，其特征是，所述徑向床設(shè)計(jì)方法通過(guò)引入徑向床操作的周期 和收率來(lái)計(jì)算徑向床的床層壓降，以確定徑向床內(nèi)通道和外通道的設(shè)計(jì)面積，包括如下步 驟： 1) 設(shè)定徑向床的外殼半徑、內(nèi)孔板半徑、外孔板半徑和高度的取值； 2) 根據(jù)步驟1)中的取值，計(jì)算得到內(nèi)通道面積和外通道面積，外通道面積為進(jìn)氣通道 的截面積sFrad，內(nèi)通道面積為產(chǎn)氣通道的截面積S PMduc;t; 3) 計(jì)算得到面積比SFrad/SPMduc;t，判斷該面積比是否滿足式3或式4 :
式中，SFrad為原料氣流通通道的最大截面積；Sprotet表示產(chǎn)氣通道出口端的截面積；K v 為周期性操作中通道面積之比與原料氣和工藝產(chǎn)品氣體積流率之比的比例常數(shù)； 周期性操作中產(chǎn)氣時(shí)的氣體流量，即產(chǎn)品工藝氣流量；QFMd是原料氣體積流量；
式4中，a為產(chǎn)氣時(shí)產(chǎn)品氣流量與原料氣之間的比例關(guān)系：
C為回沖氣與工藝產(chǎn)品氣流流量的比率；T為周期總時(shí)間；TP為周期總時(shí)間T中的產(chǎn) 氣時(shí)間；Y為產(chǎn)品收率，是目的產(chǎn)品中有效組分的量占原料氣有效組分的量的百分比；XfMd 為原料氣中有用組分的百分含量；xpMduc;tS產(chǎn)品氣中有用組分在氣流中的百分含量；