CN101116803A - 一种浆态床反应设备及其应用方法 - Google Patents

Abstract

一种浆态床反应设备及其应用方法，该设备包括上升管反应器1和沉降管4，上升管反应器1的下部为反应区14，上部为管径扩大的沉降区2，沉降区2的顶部设有排气口6，上升管1的底部设有进料口3和气体分布器5，管线7用于连接沉降区2和沉降管4，且开口位置处于在沉降管4的内部，沉降管4下部为磁分离区15，其下端通过锥形喷口10、回流管11与上升管反应器1的下端相连通，沉降管4上部设置液体出料口13。采用本发明的设备和分离方法，提高了反应器的空间利用率；同时采用沉降、磁分离与过滤组合的分离技术，使得分离部分的设备体积小、效率高并且节省空间。

Description

一种浆态床反应设备及其应用方法

技术领域

本发明涉及将固体微粒从液体中分离出来的设备和方法，更具体地说，涉及一种用于浆态床反应系统中液体与固体颗粒连续分离的设备及其应用方法。

背景技术

费托(Fischer-Tropsch)合成是将合成气经催化剂作用转化为液态烃的重要方法。近年来，随着石油资源的日益短缺，天然气资源与煤炭资源成为替代石油的重要选择，因而费托合成技术显示出良好的应用前景。费托合成反应器类型主要包括：固定床反应器、流化床反应器与浆态床反应器等三类。其中，浆态床反应器结构简单，易于移热，能够在较低的温度下合成优质石蜡，合成的石蜡产品用途广泛，附加值高。因此利用浆态床反应器进行低温费托合成成为一条重要的合成油生产路线。

采用浆态床反应技术存在的问题主要为：浆液中物质传递较慢，为了消除内扩散的影响，增大催化剂与反应物的接触面积，催化剂一般采用几十微米甚至更细的颗粒，因而使得反应产物与催化剂颗粒难于分离。

如何有效地实现液固分离，成为使用浆态床反应过程的关键技术。目前，在浆态床反应系统中实现固液分离较为通用的是沉降技术，其分离的原理为在沉降装置内，利用悬浮的固体颗粒的本身的重力使其下沉而与液体产物分离。

US 6068760、WO 02/097007 A2均公开了采用沉降技术实现浆态床反应液固分离的方法，将反应后的浆液引出反应器，通过一根沉降管后，浆液进入沉降管进行沉降，上层清液排出作为产品，而下层含有大量催化剂颗粒的稠浆返回反应器循环。

EP 1405664 A1公开的分离方法是将引出反应器主体的浆液直接引入沉降罐。沉降罐中设有挡板，且挡板高度高于沉降罐中液位高度，因此浆液流过挡板与罐体底部的缝隙后，清液缓慢上升在沉降罐上方流出，而含有颗粒的浓浆在沉降罐底部的出口返回反应器主体。

利用单一的沉降技术实现较为完全的固液分离，得到固体含量极小的液体产物则要求沉降装置必须体积很大以保证足够的沉降时间，这就造成了设备的大部分面积与空间被沉降装置占用，生产效率较低。此外粒径越小的催化剂，越有利于费托合成进行，而同时在反应过程中催化剂磨损会产生粒径极小的固体粉末，但是对于粒径为几微米或者粒径更小的催化剂颗粒沉降技术的分离效果不佳。

CN 1433838A公开了一种浆态床反应器中液体合成油与固体催化剂的分离方法和设备，该方法将含催化剂颗粒的油浆引入一组分离单元，进行沉降分离后，在沉降单元的底部施加强磁场以加速固液分离速度，但其申请的分离设备处于反应器主体内，由于费托合成反应器直径往往在5米以上，反应器内很难产生均匀的磁场，且设备笨重，造价昂贵；同时无法对产生磁化的催化剂进行消磁，造成磁化催化剂的团聚，进而使得反应器不能正常操作；另外对于催化剂磨损产生的粒径极小的非磁性粉末的分离，该专利并未提出有效的分离方法。

WO 94/16807公开了一种在反应器内过滤浆液实现固液分离的方法，但是一旦催化剂颗粒堵塞过滤组件，则过滤组件的再生困难，因而不利于大规模连续生产。因此必须采用更为有效的固液分离技术应用于费托合成此类浆态床反应过程，实现催化剂颗粒与合成油产品的完全分离。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便有效地实现气液固三相连续分离的浆态床反应设备。

本发明的另一个目的是提供一种浆态床反应设备应用于浆态床反应实现气液固三相连续分离的方法。

本发明提供的浆态床反应设备包括上升管反应器1和沉降管4，上升管反应器1的下部为反应区14，上部为管径扩大的沉降区2，沉降区2的顶部设有排气口6，上升管反应器1的底部设有进料口3和气体分布器5，管线7用于连接沉降区2和沉降管4，且开口位置处于在沉降管4的内部，沉降管4下部为磁分离区15，其下端通过锥形喷口10、回流管11与上升管反应器1的下端相连通，沉降管4上部设置液体出料口13。

本发明提供的设备中，所述的上升管反应器1上部的沉降区2通过锥形体与下部反应区14相连。其中沉降区2的高度为上升管反应器1总高的0.1～0.5，沉降区2和反应区14的管径比为1.1～10∶1，优选1.5～4∶1。

本发明提供的设备中，还可以在所述的上升管反应器1上部的沉降区2和沉降管4之间设置换热器，可以是一个或多个，目的在于将反应过程中生成的部分热量移出上升管反应器1，并与换热设备交换热量，有利于保持上升管反应器1内温度稳定。

本发明提供的设备中，所述的管线7在沉降管4内部的开口位置可以处于沉降管4内的任何位置，优选开口处于沉降管4的底部。

本发明提供的设备中，所述的磁分离区15外设置磁分离系统8。磁分离系统8可以是在磁分离区15外壁上缠绕通电电磁线圈和/或设置永磁铁的方式实现。所述的磁分离区15下部设计锥形喷口10连接回流管11，在此，催化剂加速运动，返回上升管反应器1循环使用。磁分离区15后还可以设置消磁区，使在磁分离区15磁化聚集的催化剂颗粒消磁，以分散催化剂颗粒；消磁区可以通过在回流管11外壁缠绕金属线圈，定期通高频交流电流产生高频交变磁场实现消磁功能。

本发明提供的设备中，所述的沉降管4的底部设置催化剂进料口和催化剂卸料口。催化剂进料口和催化剂卸料口用于在线置换催化剂，如：投入新鲜催化剂，卸去磨损、磁化或者失活的催化剂。

本发明提供的设备中，所述的液体出料口13还可以连接过滤系统。过滤系统为一套以上独立工作的包括过滤介质与反吹系统的过滤设备。

本发明还提供了上述的浆态床反应设备的应用方法，反应后的浆液经两次沉降、磁分离、过滤操作后实现气固液三相连续分离。具体步骤包括：反应物料由进料口3进入设备，在上升管反应器1中与循环浆液混合，混合后的浆液在上升管反应器1中反应，然后向上流动至沉降区2进行气液分离，气体从顶部的排气口6排出，较粗的催化剂颗粒依靠重力沉降返回到反应区14，而含有较细催化剂颗粒的浆液从沉降区2经管线7进入沉降管4中再次沉降，沉降管4中下层稠密浆液中的催化剂颗粒借助磁分离区8外加磁场的作用，加速运动通过锥形喷口10、回流管11返回到上升管反应器1内循环使用；沉降管4中上层清液经液体出料口13排出作为液体产品。

本发明提供的方法中，所述的沉降管4中上层清液还可以经液体出料口13后再经过滤系统9过滤后作为液体产品。上层清液引入过滤系统9，经过滤后，除去残存的由于催化剂磨损产生的微量粒径极小的固体粉末，得到合格的液体产品。可以选用两台过滤设备交替过滤，一台过滤器过滤催化剂粉末的同时，另一台过滤器进行反吹再生。

本发明中对过滤系统9中的过滤介质的材质没有限制，可以使用烧结金属丝网微孔过滤材料、烧结金属粉末微孔过滤材料、金属微孔膜材料、烧结金属纤维微孔材料、微孔陶瓷材料、陶瓷膜材料或其它类型的过滤材料。

本发明提供的方法中，所述的催化剂为磁场下可被磁化的铁基、镍基、钴基催化剂。催化剂可以是负载型的，也可以是非晶态合金类的全金属催化剂。固体催化剂颗粒的粒径优选在10μm～200μm范围内。

本发明提供的浆态床反应设备采用外循环方式实现反应后浆液的气固液三相连续分离，使得浆态床反应系统中的上升管反应器完全用于反应过程，提高了反应器的空间利用率；同时采用两次沉降、磁分离与过滤组合的分离技术，使得分离部分的设备体积小、效率高并且节省空间。

本发明提供的浆态床反应设备的应用方法使得反应后的浆液经两次沉降、磁分离、过滤操作后实现气固液三相连续分离，可以实现固体催化剂颗粒、液态产品和反应气体的连续高效分离，连续出料。

附图说明

附图为本发明提供的设备的示意图。

其中：1-上升管反应器；2-沉降区；3-进料口；4-沉降管；5-气体分布器；6-排气口；7-上升管反应器上端排液管线；8-磁分离系统；9-过滤系统；10-锥形喷口；11-回流管；12-消磁线圈；13-管线；14-反应区；15-磁分离区。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明提供的浆态床环流反应器用于费托合成过程中液体和固体颗粒的连续分离方法，但本发明并不因此而受到限制。

如附图所示：合成气反应物从上升管反应器1的底部进料口3经气体分布器5进入反应器，与其中的浆液混合进入反应区14，在上升过程中与浆液中的催化剂颗粒接触反应生成液态烃，液态烃和未反应的气体与催化剂颗粒一起上升到反应器上部的沉降区2，由于沉降区2的截面积大于反应器下部反应区14的截面积，在这里浆液的流速降低，较大的催化剂颗粒借助重力沉降返回反应区14，浆液中的气泡破裂，未反应的气体与浆液分离，从顶部的排气口6排出；而较细颗粒的催化剂则随液体一起经管线7进入沉降管4中，管线7开口于沉降管4的底部，在此，浆液再次沉降，催化剂颗粒与液态烃分离，得到上层清液与下层稠密浆液；沉降管4下部的稠密浆液中的催化剂颗粒的在磁分离装置8提供的外加磁场的作用下，定向加速通过锥形喷口10进入回流管11，回流管11外壁缠绕消磁线圈，定期通高频交流电流产生高频交变磁场实现消磁功能。经消磁后的催化剂流入上升管反应器1的底部循环使用；沉降管4上部的上层清液经管线13进入过滤系统9，经过滤除去其中粒径极小的催化剂粉末，得到液态烃产品。

下面的实施例对本发明提供的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。

实施例

反应器高为10m，反应区的管径为300mm，沉降区的管径为600mm，沉降区高度为反应器总高的25％；反应原料为合成气，其中体积百分含量为：氢气为66％，一氧化碳为34％，体积空速为：1200h^-1；催化剂为DEGUSSA公司生产的钴基催化剂，牌号为B2112Z，催化剂平均粒径80微米；反应器反应温度为260℃，压力为1.8MPa；沉降管下部磁分离区磁场强度为20千安培/米，消磁区采用150千赫兹的交变电流；过滤系统采用平均孔径0.5微米的陶瓷膜为过滤介质，采用本发明提供的方法进行反应，产品中固体颗粒粒径经检测在1微米以下，在此粒径范围内的固体颗粒含量为催化剂总量的0.1％，因此本发明提供的分离方法的固液分离效率为99.9％。

Claims (13)

1.一种浆态床反应设备，其特征在于该设备包括上升管反应器(1)和沉降管(4)，上升管反应器(1)的下部为反应区(14)，上部为管径扩大的沉降区(2)，沉降区(2)的顶部设有排气口(6)，上升管反应器(1)的底部设有进料口(3)和气体分布器(5)，管线(7)用于连接沉降区(2)和沉降管(4)，且开口位置处于沉降管(4)的内部，沉降管(4)下部为磁分离区(15)，其下端通过锥形喷口(10)、回流管(11)与上升管反应器(1)的下端相连通，沉降管(4)上部设置液体出料口(13)。

2.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的上升管反应器(1)上部的沉降区(2)与下部反应区(14)通过锥形体相连。

3.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的上升管反应器(1)上部的沉降区(2)和下部反应区(14)的管径比为1.1～10。

4.按照权利要求3的设备，其特征在于所述的管径比为1.5～4。

5.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的上升管反应器(1)上端和沉降管(4)之间设置换热器。

6.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的管线(7)在沉降管(4)内部的开口处于沉降管的底部。

7.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的磁分离区(15)外设置磁分离系统(8)。

8.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的磁分离区(15)后设置消磁区。

9.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的液体出料口(13)连接过滤系统(9)。

10.按照权利要求1的设备，其特征在于所述的沉降管(4)的底部设置催化剂进料口和催化剂卸料口。

11.权利要求1的设备的应用方法，其特征在于反应物料由进料口(3)进入设备，在上升管反应器(1)中与循环浆液混合，混合后的浆液在上升管(1)中反应，然后向上流动至沉降区(2)进行气液分离，气体从顶部的排气口(6)排出，较粗的催化剂颗粒依靠重力沉降返回到反应区(14)，而含有较细催化剂颗粒的浆液从沉降区(2)经管线(7)进入沉降管(4)中再次沉降，沉降管(4)中下层稠密浆液中的催化剂颗粒借助磁分离区(8)外加磁场的作用，加速运动通过锥形喷口(10)、回流管(11)返回到上升管反应器(1)内循环使用；沉降管(4)中上层清液经液体出料口(13)排出作为液体产品。

12.按照权利要求11的方法，其特征在于将沉降管(4)中上层清液经液体出料口(13)后再经过滤系统(9)过滤后作为液体产品。

13.按照权利要求11的方法，其特征在于所述的催化剂为磁场下可被磁化的铁基、镍基或钴基催化剂。

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