CN102211002B - 一种热油循环和冷激式固定床费托合成反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定床费托合成反应器，该反应器主要由反应器壳体、换热元件、催化剂床层、气体入口以及气体出口导管组成；在所述催化剂床层底部设有下花板，上方设有上花板；其特征在于在初始填装的催化剂床层和上花板之间预留有自由膨胀空间；以及该反应器还设置有热油循环系统、轻油激冷系统和冷激气激冷系统，用于调节和控制反应床层的温度。本发明还公开了一种费托合成方法，该方法是在本发明所述的固定床反应器中进行的。应用本发明的设备和方法，采用直接和间接的移热方式，形成强化传热传质的反应环境，有效地解决了费托合成反应过程中反应热的循环利用问题，达到提高固定床费托合成生产能力的目的。

Description

一种热油循环和冷激式固定床费托合成反应器及其应用

技术领域

本发明涉及一种固定床费托合成反应器以及应用所述反应器进行费托合成的方法，具体地说，所述的反应器是一种具有热油循环系统、轻油激冷系统和冷气冷激系统的有限膨胀的固定床费托合成反应器。

背景技术

随着以石油为基础的液体燃料需求量的增大及石油资源可用储量的减少，由煤等固体燃料生产可用的液体燃料的方法越来越受到人们的重视。

费托合成过程作为一个能源过程已经经历了近一个世纪的不断开发，其主要特征是围绕催化剂和反应器开展以提高过程效率、降低成本的综合性技术开发。在反应器方面，早期(1920-1940s)的研究与开发已经确定了费托合成可以在固定床或气-液-固三相反应器中进行，最早于1930s在德国将固定床反应器投入了工业化生产，1940-1950年代，先后对气-液-固三相的浆态床、气-固两相的流化床反应器进行了大量开发，形成了多种反应器形式，由于该两类反应器可以实现大型化生产，而在Sasol得到大量应用，未来的大型费托合成工厂中上述两类反应器也是重点关注的技术形式；在固定床反应器开发方面，从1930s以后，加压列管式固定床反应器的发展使得该类反应器在Sasol和Shell的费托合成工厂得到了应用(A.P.Steynberg and M.E.Dry eds，Fischer-Tropsch Technology，in Studies in Surface Science andCatalysis，Elsvier，Amsterdam，2004；Burtron H.Davis，Overview of Reactorsfor Liquid Phase Fischer-Tropsch Synthesis，Catalysis Today，2002，71，249-300)。但是，到目前为止，工业化的固定床费托合成反应器存在着如下几个方面的问题：(1)传统的固定床反应器由于传热和传质的限制，催化剂的产能得不到最大限度的体现；(2)单台反应器的放大已经严重受到结构限制；(3)反应器的阻力加大，催化剂的破碎问题影响了系统的长期运行；(4)催化剂颗粒不能太小，催化剂颗粒内的传质使得催化剂的能力不易发挥(Yi-Ning Wang et al.Chemical Engineering Science，2003，58，867-875；Ing.Eng.Chem.Res.，2001，40，4324-4335)。上述问题使得固定床反应器在费托合成领域中的应用受到了限制，主要是其经济代价显著大于流化床和三相浆态床反应器。但是，固定床反应器系统操作和系统配套简单、放大容易的特点也是其在费托合成过程中不能完全被放弃的主要原因。

在固定床费托合成反应器的强化操作方面，一种技术方案采用气体和惰性液体循环形成滴流床操作状态(US.Pat.No.5786393)，该技术对传热性能得到了有限的强化，但带来的床层压差增加没有解决措施，强化效果有限。

US Pat.No.6262131B1描述了一种采用结构化的催化剂块体的固定床费托合成反应器和其强化传质传热操作过程的方案，该方案由于对催化剂的物理外形方面的限制，要求制备含平行管孔的催化剂块体，孔隙率大于0.4，制备较为困难，因此，对很多费托合成催化剂不适用；另外，该强化操作方法引入较大的、静置堆砌的结构化催化剂块体，对增加传递限制的问题没有得到有效的解决；合成气反应物混合有饱和的液态烃进入反应器的设计方案带来的最大问题是较大地限制了反应器的生产能力，同时对费托合成产生的大量反应热没有得到较好的利用，因此，该专利的设计方案基本没有实施的价值。

要彻底解决固定床费托合成反应器中催化剂的生产能力的限制，首先要解决的问题是选择合适的催化剂。通常优选催化剂是寿命较长的催化剂，更优选所述的催化剂具有较小的Thiele模数，该Thiele模数定义以CO扩散与反应转化参数为基础：

φ_CO＝((ρ_pR_COR_p ²)/(D_effC_CO))^1/2

其中，ρ_p是催化剂颗粒的密度(kg/m³)，R_CO是CO在颗粒外表面条件下的转化速率(mol kg^-1s^-1)，R_p是催化剂颗粒的传质当量半径(m)，D_eff是CO在颗粒孔道内介质中的有效扩散系数(m²/s)，C_CO是CO在催化剂颗粒表面的浓度(mol/m³)。根据费托合成反应-传递相互作用的实验和理论分析，优选的Thiele模数小于10，更优选小于7，此时作为固定床的催化剂颗粒内传质限制因素已经得到了有效的降低，如果还需要进一步提高催化剂的生产能力，强化反应床层主体的其他因素，特别是反应热的移出就成为固定床反应器和反应系统需要强化的主要因素。

根据上述理论，本发明人对已知的固定床反应器进行了改造，在该反应器中增设了热油循环、轻油激冷和冷激气激冷系统，用于将反应器床层中的热量通过直接接触带出反应器，所形成的直接移热方式与原有换热器的间接移热共同形成有效的强化移热，可有效控制反应床层的温度。从而可大大提高催化剂的生产能力，并可有效提高本发明所述费托合成工艺过程的热效率。

本发明人所设计的固定床费托合成反应器可以采用任何固定床费托合成催化剂形状，优选利用能够降低催化剂颗粒内扩散Thiele模数的催化剂结构形式，该形式能够将内扩散的Thiele模数从目前的10-20降低到3-7。因此，可使催化剂颗粒的生产能力从目前的0.06-0.1提高到每小时0.12-0.3kg C₃+/kg催化剂，彻底解决固定床费托合成反应器中催化剂的生产能力的限制。在本发明中所述的催化剂填充在反应器壳体与反应器内的换热管之间的空间内，在此基础上，采用热油循环将催化剂床层浸泡在液体中，合成气鼓泡/雾化该液体通过该床层强化传热、提高床层内的换热原件的间接移热效率，同时采用在反应器床层内的条件下能够蒸发的轻油馏分对催化剂床层进行分段冷激，所形成的直接移热方式与换热器间接移热共同形成有效的强化移热，可有效控制反应床层的温度。本发明固定床反应器所产生的大量反应热通过间接移热的床层内换热器产生的蒸汽和设置在反应器出口的余热锅炉对携带大量可冷凝产物的出口气体流股进行冷凝产生的蒸汽而移出，上述蒸汽的充分利用将有效提高本发明所述费托合成工艺过程的热效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于费托合成反应的固定床反应器，该反应器通过热油循环和利用轻油馏分与冷激气对催化剂床层进行分段激冷形成的直接移热方式，与已知的换热器间接移热共同形成有效的强化移热，可有效控制反应床层的温度，提高固定床费托合成反应器中催化剂的生产能力；同时也有效提高所述费托合成工艺过程的热效率。

本发明提供了一种热油循环、有限膨胀和冷激式固定床费托合成反应器，所述的固定床反应器主要由反应器壳体、换热元件、催化剂床层、气体入口以及气体出口导管组成；其中所述的换热元件为悬挂式的内部换热器结构，所述的催化剂床层设置在反应器中换热元件与反应器壳体之间形成的空间；在所述催化剂床层底部设有下花板，用于支撑催化剂床层和用于调节流体分布的流体分布器；在所述催化剂床层上方设有上花板，用于约束催化剂床层的流化膨胀；在下花板下方和上花板上方各设有一个用于移出液体重质烃产物的分离器；其特征在于在初始填装的催化剂床层和上花板之间预留有自由膨胀空间；以及该反应器还设置有热油循环系统、轻油激冷系统和冷激气激冷系统，用于将反应器中的反应热带出反应器，以调节和控制反应床层的温度。

在上述固定床反应器中，所述的热油循环系统应用反应器中的重质液态烃作为传热介质，所述的重质烃在反应温度下为液态，在本发明的申请文件中将其简称为“热油”，所述的热油通过设置在反应器主体外的热油循环装置进行强制循环，使所述的催化剂床层完全浸泡于热油中，且热油的液面高出催化剂床层。

具体地，所述热油的循环过程是从固定床反应器中抽出部分重质液态烃，使其与合成气混合气混合并换热后经由反应器底部入口进入反应器，使催化剂床层完全浸泡在所述的液态中，并使热油的液面高出催化剂床层，以及通过合成气鼓泡/雾化所述的热油强化催化剂床层的传热，提高反应器内换热元件的间接移热效率。优选的，进入反应器前所述热油的温度低于反应器中的反应温度，至少为140℃。通过采用过滤方法将反应器中的重质产物移出反应器外而达到对反应器内液位高度的有效控制。

在上述固定床反应器中，所述的轻油激冷系统应用费托合成轻质油产物作为激冷介质，在本发明的申请文件中将所述的轻质油简称为“轻油”，所述的轻油在轻油激冷系统的入口温度(至少为140℃，大约为180℃以下)时是液态，进入反应器后，因反应温度较高而变为气态，由于所述蒸发过程吸收热量而形成蒸发激冷。所述轻油激冷系统是指从固定床反应器的顶部引出的费托合成气态轻油经换热后将部分冷凝下来的轻油通过分段注入的方式进入固定床反应器催化剂床层，形成蒸发激冷。

在上述固定床反应器中，所述的冷激气激冷系统应用费托合成尾气与新鲜合成气混合形成的合成气混合流股作为激冷介质，在本发明的申请文件中，将所述的激冷介质简称为“冷激气”。通过该系统将激冷介质冷激气分段注入催化剂床层，所述的冷激气激冷系统设置于催化剂床层的入口至60％床层处。

具体的，所述的冷激气激冷系统是在反应过程中利用冷的合成混合气流股激冷反应器催化剂床层，作为强化移热的技术手段。所述的合成混合气通过分段式注入床层，形成冷激气激冷。在该反应器中，将所述的冷激气分段注入反应器的进气口，冷激气的进气口设置于催化剂床层的底端至60％床层高度之间，分段注入的优点是可以根据需要对进入反应器的冷激气进行分段控制。

在上述固定床反应器中，所述的换热元件为悬挂式的内部换热器结构，通常为列管式或套管式结构；优选使用套管式结构，避免使用列管管板式结构，这样可以不受管板式换热结构较难放大的限制。

在上述固定床反应器中，所述的气体入口带有导流挡板；所述气体出口导管可以带有雾沫捕集器。

为了进一步优化反应器进出物流的传热过程，本发明的固定床反应器还在反应器外设置了余热锅炉，应用常规的换热器和余热锅炉组成的联合的换热流程，可有效地回收带出反应器外的热量。

本发明的固定床反应器中，所述的“固定床”是限制性膨胀的固定床，在初始填装的催化剂床层和床层约束内件上花板之间需要预留自由膨胀空间，优选预留的自由膨胀空间是初始床层的20-40％。在反应条件下该催化剂床层膨胀填满整个自由空间，以增加催化剂之间的空隙率，所述的空隙率可达到60％。应用此技术可有效降低反应器床层的压力降；同时还可以限制催化剂的不均匀流态化而引起催化剂的物理损毁。

本发明的费托合成反应器可以采用任何固定床反应器常用的费托合成催化剂，包括铁基催化剂、钴基催化剂、钌基催化剂、钼基催化剂等，优选的催化剂是寿命较长的催化剂，需要定时再生时可以在该固定床内再生。所述催化剂的形状可以是常用的形式，如柱形、条形、球形等，优选利用能够降低催化剂颗粒内扩散Thiele模数的催化剂结构形式，例如三叶形柱状、四叶形柱状、环形柱状、外齿轮形柱状、内齿轮形柱状、微球状(直径30-500μm)等结构形式的催化剂，但不限于以上所列举的结构形式，任何可以降低催化剂颗粒内扩散Thiele模数的催化剂结构形式均为优选使用的催化剂结构。Thiele模数是描述催化剂内扩散性能的参数，Thiele模数越大，扩散速率相对的越小，内扩散的影响越严重。本发明固定床反应器使用的催化剂优选具有较小的Thiele模数，优选的Thiele模数小于10，更优选小于7。在这种情况下，可使催化剂颗粒的生产能力从目前的0.06-0.1提高到每小时0.12-0.3kgC₃+/kg催化剂，彻底解决固定床费托合成反应器中催化剂对生产能力的限制。

本发明的固定床反应器具有以下特点和优势：

(1)为了有效实现反应床层移热的强化操作，催化剂床层设置在反应器壳体和换热原件(管件)形成的空间中；

(2)用三种措施进行强化移热操作，第一种措施是应用所所配备的冷激气激冷系统，在催化剂床层的底端至催化剂床层60％处采用分段控制的冷激气激冷，以进行直接移热；第二种措施是应用轻油激冷系统，对催化剂床层进行分段控制的轻油激冷，以进行直接移热；第三种措施是应用重质烃产物循环使催化剂床层浸泡在所述的液态烃中，以强化换热元件的间接移热；

(3)其中的固定床层为限制性膨胀的固定床，以增加床层的空隙率(可达60％)，同时限制催化剂的不均匀流态化而引起催化剂的物理损毁；

(4)反应器外设置有余热锅炉，利用外部换热器和余热锅炉组成的联合流程，对反应器进出物流进行的传热优化，能有效地回收激冷带出反应器外的热量；

(5)采用过滤的方法将床层中的重质产物移出反应器外，并对反应器内重质产物的液位实施有效控制。

本发明的另一目的是提供了一种费托合成方法，其特征在于所述的费托合成反应在本发明所述的固定床反应器中进行。

按照本发明所述的费托合成方法，其中所述的费托合成反应是在费托合成催化剂的存在下，于适当的温度和压力下，采用低温浆态床工艺或高温浆态床工艺将合成气(CO+H₂)转化为烃类和少量有机含氧化合物(甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、丙酮、乙酸乙酯等)，作为轻质反应产物的热气流股从反应器的上出口排出，经过一系列的后处理，所得到的轻质产物送入与反应器配套的加工单元，将其加工成所需的产品。其中所述的低温浆态床工艺和高温浆态床工艺可采用本领域常规的工艺条件进行。

本发明所述的费托合成方法可采用任何固定床反应器常用的费托合成催化剂，包括铁基催化剂、钴基催化剂、钌基催化剂、钼基催化剂等，优选的催化剂是寿命较长的催化剂，需要定时再生时可以在该固定床内再生。所述催化剂的形状可以是常用的形式，如柱形、条形、球形等，优选利用能够降低催化剂颗粒内扩散Thiele模数的催化剂结构形式，包括三叶形柱状、四叶形柱状、环形柱状、外齿轮形柱状、内齿轮形柱状、微球状(直径30-500μm)等结构形式的催化剂，但不限于以上所列举的结构形式，任何可以降低催化剂颗粒内扩散阻力的催化剂结构形式均为优选使用的催化剂结构。使用所述的催化剂的结构形式能够将内扩散Thiele模数从目前的10-20降低到3-7。

优选的，本发明的费托合成方法所使用的催化剂是具有较小Thiele模数的催化剂，更优选的Thiele模数小于10，最优选小于7。在这种情况下，可使催化剂颗粒的生产能力从目前的0.06-0.1提高到每小时0.12-0.3kgC₃+/kg催化剂，彻底解决固定床费托合成反应器中催化剂对生产能力的限制。

在本发明所述的方法中，采取了多种强化移热措施控制反应床层的温度，其中包括：

(1)应用该反应器中设置的冷激气激冷系统，以冷激气作为激冷介质对催化剂床层进行分段激冷；

(2)应用该反应器中设置的轻油激冷系统，以轻油作为激冷介质对催化剂床层进行分段激冷；和

(3)应用该反应器中所设置的热油循环系统，从固定床反应器中抽出部分重质液态烃，使其与合成气混合气混合并换热，然后经由反应器底部入口进入反应器，使催化剂床层完全浸泡在所述的液态中，以强化反应器内换热元件的间接移热。

其中前二种措施为直接移热方式，后一种为间接间接移热方式。

另外，由于本发明的反应器设置了外部换热器和余热锅炉组成的联合流程，对反应器进出物流进行的传热优化，能够有效回收所述的激冷措施带出反应器外的热量；进一步的提高了本发明方法的热效率。

与常规的费托合成方法相比，应用本发明的设备和方法，通过上述直接移热方式与间接强化移热方式的结合形成有效的强化移热措施，在反应器中形成强化传热、传质的反应环境，可高效率的移出费托合成反应所产生的大量反应热，从而有效地控制反应床层的温度，可大大提高催化剂的生产能力，彻底解决了常规固定床费托合成反应器存在的催化剂限制生产能力的问题；同时也有效地解决了费托合成反应热的循环利用问题，有效地提高了费托合成工艺过程的热效率。

在上述反应器中进行费托合成反应时，由于采取了上述措施，提高了催化剂的时空产率，且反应器更容易大型化，单台反应器产能得到提高。

附图说明

附图1是本发明热油循环和冷激式固定床费托合成反应器及其工艺流程示意图，其中的设备及管线说明如下：

1-反应器壳体；2-反应器内的换热器；3-催化剂床层；4-下花板；5-上花板；6-重质产物分离器，用于移出液态重质产物；7-气体入口；8-气体出口导管；9-携带重质液体产物的热合成气；10-反应器的下部自由鼓泡空间；11-反应器出口下方的气相区；12-热气体流股；13-液位控制器；14-重质产物流股；15-冷却水进口；16-冷却水汽出口；17-冷激气激冷系统；18-轻油激冷系统；19-重质烃液体循环泵；20-换热器；21-从反应器上部液相区抽出的重质烃液体增压后的热液体流股；22-合成混合气；23-气-液两相组成的热流股；24-余热回收锅炉或称余热锅炉；25-气相流股；26-冷凝的轻质油流股；27-泵；28-轻质油抽出流股；29-换热器；30-在换热器29中冷却/冷凝后的热流股；31-气液分离系统；32-气体流股；33-尾气；34-压缩机；35-气体流股(32的一部分经增压后形成的流股)；36-新鲜合成气；37-循环尾气与新鲜合成气混合形成的合成气混合流股；38-合成混合气37的一部分；39-合成混合气37的另一部分；40-更轻的液态烃；41-含水产物；42-余热锅炉循环水流股；43-余热锅炉蒸汽流股；44-余热锅炉循环水汽流股；45-余热锅炉补充水流股。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法进行进一步的说明。

本发明提供了一种热油循环和有限膨胀冷激式固定床费托合成反应器，所述的固定床反应器主要由反应器壳体、换热元件、催化剂床层、气体入口以及气体出口导管组成。更具体地，如附图1所示，本发明的固定床反应器主要包括反应器壳体1、反应器内的换热元件即换热器2、催化剂床层3、用于支撑催化剂床层和气体分布的下花板4、用于约束催化剂床层流化膨胀的上花板5、用于移出液态重质产物的分离器6、带有导流挡板的气体入口7以及带有雾沫捕集器的气体出口导管8；其特征在于该反应器还设置有热油循环系统、轻油激冷系统18和冷激气激冷系统17，用于将反应器床层中的热量通过直接接触带出反应器；以及在初始填装的催化剂床层和上花板之间预留自由膨胀空间，优选的，其中所述的初始填装的催化剂床层和上花板之间预留的自由膨胀空间为初始床层的20-40％。

该反应器中所述的换热元件为悬挂式的内部换热器结构，所述的催化剂床层设置在反应器中换热元件与反应器壳体之间形成的空间。

在所述的固定床反应器中还设置有热油循环系统，该系统主要包括设置在反应器上部和下部液相区的分离器和设置在反应器主体外的热油循环装置；所述的热油循环过程是：费托合成反应器所生成的重质产物通过液位控制器13的自动控制经由设置在反应器上部和下部液相区的分离器6分离出少量固体杂质后作为重质产物流股14导出反应器，用于后续油品加工单元生产成品油；重质烃液体循环泵19将反应器上部液相区的热液体抽出并增压后形成热液体流股21，将其作为循环热油送入换热器20与合成混合气22换热，得到携带重质液体产物的热合成气9作为费托合成反应的原料气送入反应器入口。

在所述的固定床反应器中还设置有冷激气激冷系统，通过该系统将激冷介质冷激气分段注入催化剂床层，所述的冷激气激冷系统设置于催化剂床层的入口至60％床层处。其中所述的冷激气是通过下述流程获得的：从反应器上部的导出口8导出的热气体流股12经换热得到的气相产物25经换热、气液分离和加压后，所得到的气相流股35与新鲜合成气36混合形成合成混合气37，经换热后，其中的一部分流股39作为反应器催化剂床层的激冷介质经冷激气激冷系统17分段进入催化剂床层。

在所述的固定床反应器中还设置有轻油激冷系统，所述的轻油激冷系统是指通过该系统从固定床反应器的顶部引出的费托合成气态轻质油产物经换热后，部分冷凝下来的轻油通过分段注入的方式经由轻油激冷系统进入固定床反应器催化剂床层，形成蒸发激冷。其中所述的轻油是通过下述流程获得的：从反应器上部的导出口8导出的热气体流股12中分离出的轻质油液相产物的一部分冷凝轻油流股26经过泵27循环回反应器床层作为反应器催化剂床层的激冷介质经轻油激冷系统18分段进入催化剂床层。

本发明通过在上述反应器内和反应器外部的配套设计方案综合考虑了反应器的强化传热的问题，特别是在反应器内增设了轻油激冷系统和冷激气激冷系统，实现了将反应器床层中的热量通过直接接触带出反应器的强化移热目的。上述换热系统的优点是：

(1)在反应器内部，采用换热元件的间接移热，热油循环和轻油激冷均有利于强化催化剂床层与换热元件之间的传热效率，所增加的传热效率为传统固定床的2-5倍；

(2)在床层中分段控制的合成混合气和轻油的冷激，将大量的反应热以合成混合气的显热或轻油的潜热被吸收；

(3)在上述两个强化效果的作用下，反应器内的换热器回收的部分余热品位得到了大大提高；

(4)带出反应器的大量反应热采用换热、余热回收得到利用，同时在换热器20中将合成混合气22与循环热油21混合，提高了合成混合气22的换热效率，有利于热回收和换热设备的简化。

本发明还提供了一种费托合成方法，其特征在于所述的费托合成反应在本发明所述的固定床反应器中进行。

在本发明上述的费托合成方法中，为了有效地调节和控制催化剂床层的温度，采用了多种强化移热措施，包括：

(1)应用该反应器中设置的冷激气激冷系统，以冷激气作为激冷介质对催化剂床层进行分段激冷；

(2)应用该反应器中设置的轻油激冷系统，以轻油作为激冷介质对催化剂床层进行分段激冷；和

(3)应用该反应器中所设置的热油循环系统，从固定床反应器中抽出部分重质液态烃，使其与合成气混合气混合并换热，然后经由反应器底部入口进入反应器，使催化剂床层完全浸泡在所述的液态中，以强化反应器内换热元件的间接移热。

其中前二种措施为直接移热方式，可将反应器床层中的热量通过直接接触带出反应器，以达到强化移热的目的。

本发明公开了一种费托合成方法，该方法以携带重质烃液体产物的热合成气9作为费托合成反应原料，在所述的固定床反应器中进行费托合成反应；所述的费托合成反应是使原料气9经过入口导管进入反应器的下部自由鼓泡空间10，该气体和部分液体经过下花板4进入催化剂床层进行费托合成反应，反应后的气体和产物(夹带少量未反应气体的气相产物)经过上花板5离开床层，进入反应床层上部由重质产物组成的液相区，鼓泡离开该区进入反应器出口下方的气相区11，然后经过液态重质产物的分离器6和出口导管8以热气体流股12的形式离开反应器，优选所述的出口导管8带有雾沫捕集器(未示出)；所述的热气体流股经过换热器20和余热锅炉24换热后，分离出的气相产物为气相流股25；分离出的液相产物的一部分为冷凝的轻质油流股26，另一部分轻质油抽出流股28作为合成产物送入下游油品加工装置制备所需油品。

在本发明所述的费托合成方法中，所述气相流股25的温度大约为160-180℃，该流股进入换热器29与冷的合成混合气38换热后，将合成混合气38加热到至少120℃得到合成混合气22，换热后的22与循环热油21混合后送入换热器20进一步换热，加热得到至少140℃的热合成气9，作为费托合成反应的原料气进入反应器入口。

在上述方法中，应用反应器设置的轻油激冷系统对反应器的催化剂床层进行分段激冷，具体方法是：从反应器上部的导出口8导出的热气体流股12中分离出的轻质油液相产物12经换热器20和余热锅炉24换热后，一部分冷凝轻质油流股26经过泵27加压循环回反应器床层作为反应器催化剂床层的激冷介质经轻油激冷系统18分段进入催化剂床层进行分段激冷。

在上述方法中，应用反应器设置的冷激气激冷系统对反应器的催化剂床层进行分段激冷，具体方法是：从反应器上部的导出口8导出的热气体流股12经换热后得到气相产物25，经换热、气液分离和加压，所得到的气相流股35与新鲜合成气36混合形成合成混合气37，经换热后，其中的一部分流股39作为反应器催化剂床层的激冷介质经冷激气激冷系统17分段进入催化剂床层进行分段激冷。通常，所述的合成混合气39的温度很低，接近于常温，因此，具有较强的激冷作用。

在上述方法中，应用反应器设置的热油循环系统使催化剂床层完全浸泡于热油中，并使热油的液面高出催化剂床层。所述热油的循环过程是：费托合成反应器所生成的重质产物通过液位控制器13的自动控制经由设置在反应器上部和下部液相区的分离器6分离出少量固体杂质后作为重质产物流股14导出反应器，用于后续油品加工单元生产成品油；重质烃液体循环泵19将反应器上部液相区的热液体抽出并增压后形成热液体流股21，将其作为循环热油送入换热器20与合成混合气22换热，得到携带重质液体产物的热合成气9作为费托合成反应的原料气送入反应器入口。

反应器内部换热器的换热介质的进出口流股分别为冷却水15及汽水混合物16。反应器中重质产物形成的液位通过液位控制器13的自动控制，并通过设置在反应器上部和下部液相区的分离器6分离可能的少量固体杂质后导出反应器，即为重质产物流股14。重质液体循环泵19将反应器上部液相区的热液体抽出并增压后的热液体流股21送入换热器20的冷流体入口处，然后与需要进入的冷流体22混合进入换热器20。

从反应器1的出口8导出的热气体流股12中携带大量的轻质产物蒸汽，为了更好地利用该部分余热，首先设置换热器20将循环回来的和新鲜的合成气组成的混合物22和循环热油21的混合流股进一步加热到反应器入口流股9所需要的温度；此时进入换热器20管程的热气体流股只发生部分冷凝，经过换热器20后的气-液两相组成的热流股23进入余热回收锅炉24产生蒸汽，分离出大部分较重产物后形成的气相流股25进入下一个换热器进一步回收余热；余热回收锅炉循环水流股42通过吸收热量后形成汽水混合物44，进入汽包进行分离，产生蒸汽流股43，该系统通过不断补充去离子水45来平衡蒸汽流股43带走的水量。

从余热锅炉分离出的液相产物大部分为160-180℃的冷凝轻油流股26，经过泵27加压后循环回反应器床层的轻油激冷系统18，另一部分冷凝轻油抽出流股28作为合成产品送下游油品加工装置。

在上述工艺过程中，在所述换热器29中与热的气相流股25换热的反应混合物流股22与循环热油21混合后进入换热器20，进一步加热到反应器入口前所述的温度。具体地，经过余热锅炉24回收较高位的蒸发潜热的合成气流股处在160-180℃，该流股进入换热器29与冷的合成混合气38换热后，将合成混合气38加热到至少120℃，换热后的合成混合气流股22与循环热油21混合后送入换热器20进一步换热，加热到反应器入口前所需要的温度，至少为140℃，形成携带重质液体产物的热合成气9作为反应原料进入反应器入口7。

在换热器29中冷却/冷凝后的热流股30经过气-液分离系统31进一步冷却/冷凝和分离后分别分离出轻油40、含水产物41和液体冷凝物的气体流股32；所述的气体流股32分成两部分，一部分进入压缩机34增压后得到的流股35与新鲜合成气36混合后形成合成混合气37；另一部分排出合成回路形成尾气33；所述的合成混合气37分成两部分，一部分合成混合气38进入换热器29与来自余热锅炉24的热气相流股25换热，另一部分合成混合气39则作为反应器床层的激冷气体直接送到冷激气激冷系统17。

下面通过费托合成方法的具体实例更详细的说明本发明，所提供的实施例仅用于示例本发明，不以任何方式限制本发明的保护范围。

实施例

采用本发明所述的固定床反应器系统，该反应器内径5米，反应时床层高度12米(膨胀后高度)，共填装催化剂180m³。所采用催化剂是一种已知的、用于固定床费托合成的工业化纯硅中孔分子筛担载的钴基催化剂20wt％Co/HMS(中国专利ZL01111583.1)，所述钴基催化剂为三叶草柱状颗粒，其当量直径为1.8mm，柱长3mm，催化剂比表面积420m²/g，孔体积0.35cm³/g，堆密度0.81g/cm³。

所述费托合成反应条件为：反应温度215℃，反应压力50bar，原料气H₂/CO为2.0，原料气空速722Nm³/m³催化剂/小时。根据催化剂的反应数据估算其Thiele模数为6.2。反应器床层压降3-5bar，新鲜气量130000Nm³/h，循环比为2，合成气总转化率为93％，生产C3+23.4吨/小时，时空产率0.16kg/kg催化剂·小时。

上述实施例实施表明，与通常的固定床反应器相比，采用设置有轻油激冷系统和冷激气激冷系统的可有限膨胀的固定床反应器装置，可减小反应器内的换热器面积，增加催化剂反应空间，显著提高反应热的移出效率，使反应器的反应温度更易于控制，反应温度浮动范围不超过±5℃，能有效防止传统固定床反应器飞温现象的发生，使所述的反应平稳进行，使催化剂时空产率得到提高；由于催化剂反应空间增加，催化剂装填量比传统列管式固定床反应器多。综合上述各种有利因素，可使单台反应器产能大大提高，且反应器更容易大型化。

以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种固定床反应器，所述的固定床反应器主要由反应器壳体、换热元件、催化剂床层、气体入口以及气体出口导管组成；其中所述的换热元件为悬挂式的内部换热器结构，所述的催化剂床层设置在反应器中换热元件与反应器壳体之间形成的空间；在所述催化剂床层底部设有下花板，所述催化剂床层上方设有上花板；在下花板下方和上花板上方各设有一个用于移出液体重质烃产物的分离器；其特征在于在初始填装的催化剂床层和上花板之间预留有自由膨胀空间；以及该反应器还设置有热油循环系统、轻油激冷系统和冷激气激冷系统，用于调节和控制反应床层的温度；其中所述热油循环系统的传热介质热油是反应器中的液体重质烃产物；所述轻油激冷系统的激冷介质轻油是费托合成的轻质油产物；和所述冷激气激冷系统的激冷介质冷激气是费托合成尾气与新鲜合成气混合形成的第一合成混合气(37)流股；第二合成混合气(38)是第一合成混合气(37)的一部分，第二合成混合气(38)加热到至少120℃得到第三合成混合气(22)。

2.根据权利要求1所述的固定床反应器，其中所述的气体入口带有导流挡板；所述的气体出口导管带有雾沫捕集器，和/或其中所述的换热元件是列管式或套管式结构的换热器。

3.根据权利要求2所述的固定床反应器，其中所述反应器外还设置了余热锅炉。

4.根据权利要求3所述的固定床反应器，其中所述的初始填装的催化剂床层和上花板之间预留的自由膨胀空间为初始床层的20-40％。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的固定床反应器，其中用所述的催化剂床层完全浸泡于热油中，且热油的液面高出催化剂床层。

6.根据权利要求5所述的固定床反应器，其中所述的热油循环系统主要包括设置在反应器上部和下部液相区的分离器和设置在反应器主体外的热油循环装置；所述的热油循环过程是：费托合成反应所生成的重质产物通过液位控制器(13)的自动控制经由设置在反应器上部和下部液相区的分离器(6)分离出少量固体杂质后作为重质产物流股(14)导出反应器，用于后续油品加工单元生产成品油；重质烃液体循环泵(19)将反应器上部液相区的热液体抽出并增压后形成热液体流股(21)，将其作为循环热油送入换热器(20)与第三合成混合气(22)换热，得到携带重质液体产物的热合成气(9)作为费托合成反应的原料气送入反应器入口。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的固定床反应器，其中所述的反应器设置有冷激气激冷系统，通过该系统将激冷介质冷激气分段注入催化剂床层，所述的冷激气激冷系统设置于催化剂床层的入口至60％床层处。

8.根据权利要求7所述的固定床反应器，其中所述的冷激气是通过下述流程获得的：从反应器上部的导出口(8)导出的热气体流股(12)经换热得到的气相产物(25)经换热、气液分离和加压后，所得到的气相流股(35)与新鲜合成气(36)混合形成第一合成混合气(37)，经换热后，其中的一部分流股(39)作为反应器催化剂床层的激冷介质经冷激气激冷系统(17)分段进入催化剂床层。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的固定床反应器，其中所述的反应器还设置有轻油激冷系统，所述的轻油激冷是指从固定床反应器的顶部引出的费托合成气态轻质油产物经换热后，部分冷凝下来的轻油通过分段注入的方式经由轻油激冷系统进入固定床反应器催化剂床层，形成蒸发激冷。

10.根据权利要求9所述的固定床反应器，其中所述的轻油是通过下述流程获得的：从反应器上部的导出口(8)导出的热气体流股(12)中分离出的轻质油液相产物(12)经换热器(20)和余热锅炉(24)换热后，一部分冷凝轻质油流股(26)经过泵(27)加压循环回反应器床层作为反应器催化剂床层的激冷介质经轻油激冷系统(18)分段进入催化剂床层。

11.一种用于生产烃的费托合成方法，其特征在于所述的费托合成方法是在权利要求1-10任意一项所述的固定床反应器中进行的。

12.根据权利要求11所述的费托合成方法，其中所述方法中所采取的强化移热措施是：

(1)应用该反应器中设置的冷激气激冷系统，以冷激气作为激冷介质对催化剂床层进行分段激冷；

(2)应用该反应器中设置的轻油激冷系统，以轻油作为激冷介质对催化剂床层进行分段激冷；和

(3)应用该反应器中所设置的热油循环系统，从固定床反应器中抽出部分重质液态烃，使其与第三合成混合气(22)混合并换热，然后经由反应器底部入口进入反应器，使催化剂床层完全浸泡在所述的液态中，以强化反应器内换热元件的间接移热。

13.根据权利要求12所述的费托合成方法，该方法以携带重质烃液体产物的热合成气(9)作为费托合成反应原料，在所述的固定床反应器中进行费托合成反应；所述的费托合成反应是使原料气(9)经过入口导管进入反应器的下部自由鼓泡空间(10)，该气体和部分液体经过下花板(4)进入催化剂床层进行费托合成反应，反应后的气体和产物经过上花板(5)离开床层，进入反应床层上部由重质产物组成的液相区鼓泡离开该区进入反应器出口下方的气相区(11)，然后经过液态重质产物的分离器(6)和出口导管(8)以热气体流股(12)的形式离开反应器，经过换热器(20)和余热锅炉(24)换热后，分离出的气相产物为气相流股(25)；分离出的液相产物的一部分为冷凝的轻质油流股(26)，另一部分轻质油抽出流股(28)作为合成产物送入下游油品加工装置制备所需油品。

14.根据权利要求13所述的费托合成方法，其中所述气相流股(25)的温度大约为160-180℃，该流股进入换热器(29)与冷的第二合成混合气(38)换热后，将第二合成混合气(38)加热到至少120℃得到第三合成混合气(22)，换热后的第三合成混合气(22)与循环热油(21)混合后送入换热器(20)进一步换热，加热得到至少140℃的热合成气(9)，作为费托合成反应的原料气进入反应器入口。

15.根据权利要求12所述的费托合成方法，其中应用所述轻油激冷系统对反应器的催化剂床层进行激冷的方法是：从反应器上部的导出口(8)导出的热气体流股(12)经换热器(20)和余热锅炉(24)换热后，分离出一部分冷凝轻质油流股(26)经过泵(27)加压循环回反应器床层作为反应器催化剂床层的激冷介质经轻油激冷系统(18)分段进入催化剂床层。

16.根据权利要求12所述的费托合成方法，其中应用所述冷激气激冷系统对反应器的催化剂床层进行激冷的方法是：从反应器上部的导出口(8)导出的热气体流股(12)经换热后得到气相产物(25)，经换热、气液分离和加压，所得到的气相流股(35)与新鲜合成气(36)混合形成第一合成混合气(37)，经换热后，其中的一部分流股(39)作为反应器催化剂床层的激冷介质经冷激气激冷系统(17)分段进入催化剂床层。

17.根据权利要求13所述的费托合成方法，其中所述热油循环系统所用热油的循环过程是：费托合成反应器所生成的重质产物通过液位控制器(13)的自动控制经由设置在反应器上部和下部液相区的分离器(6)分离出少量固体杂质后作为重质产物流股(14)导出反应器，用于后续油品加工单元生产成品油；重质烃液体循环泵(19)将反应器上部液相区的热液体抽出并增压后形成热液体流股(21)，将其作为循环热油送入换热器(20)与第三合成混合气(22)换热，得到的热合成气(9)作为费托合成反应的原料气送入反应器入口。

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