CN102626600A - 一种调变费托合成产物分布的反应器及应用 - Google Patents

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Abstract

一种调变费托合成产物分布的反应器及应用，属于超重力反应器技术领域，包括密闭的反应器壳体、固定有催化剂床层的转子、转轴、端盖、反应物的进口、产物的出口，主要在于旋转填充床催化反应器转子中布置有多层同心环式催化剂床层，每两层催化剂床层间分布有层间换热段，层间换热段为相间隔的多个套管或热管围绕转子中心组成的同心圆环，端盖上设有换热介质进口和出口装置，转子外缘设有叶片。采用本旋转填充床催化反应器，通过改变催化剂的种类、用量和超重力反应器的内结构及超重力水平等，可以高选择性地合成特定组分分布的产品。本发明中新型结构的超重力旋转填充床催化反应器具有定向生产目标产物，传质传热性能好，催化剂寿命长等优点。

Description

一种调变费托合成产物分布的反应器及应用
技术领域
本发明涉及一种调变费托合成产物分布的反应器，具体的说，涉及一种具有由同心环式催化剂层组成多层转子和换热段的旋转填充床催化反应器，属于超重力反应器技术领域。
技术背景
以天然气、沥青、煤、生物质等各种含碳氢的原料生产出合成气(CO，CO2和H2的混合气体)，再以合成气为原料通过费托合成生产液态烃类，是一条很好的石油替代技术。费托合成(Fischer-Tropsch process)，又称F-T合成，是以合成气为原料在催化剂和适当条件下合成以石蜡烃为主的液体燃料工艺过程。费托合成反应已有80余年历史，现在拥有较大规模费托合成生产能力的有Sasol，PetroSA，Shell和Oryx公司等。近年来，随着石油资源的逐渐耗竭以及世界范围内对新能源和资源需求的不断攀升，通过费托合成反应制备液体燃料或高附加值化学品的途径已经获得广泛认可。
已报道的费托合成反应器有多种形式，包括固定床、流化床和浆态床等。采用固定床反应器进行费托反应在半个世纪之前就已经实现了工业化，但反应热的移除和催化剂的失活问题尤为突出。由于费托合成反应是强放热反应，如果反应热没有及时移走，催化剂就容易出现局部热点，导致催化剂的失活和长链烷烃产品的选择性降低，严重情况下可出现反应器的瞬间飞温现象，装置不得不停车检修。采用浆态床反应器是解决费托合成反应移热问题的有效手段之一，尤其是对大型的装置来说更是如此，但是浆态床反应器的使用也带来新的问题。在浆态床反应器中，细小的催化剂颗粒与液体烃类产品混合在一起，它们的有效分离难度实际上并不亚于其他面临的技术难题，这是该类反应器面临的最主要问题。另外，人们对浆态床中的三相流体力学行为所知甚少，这也给浆态床反应器的放大带来一定的困难。
于1976年发展起来的超重力技术，其核心为超重力旋转填充床。填充床内部为一个装满填料的高速旋转转子，其离心加速度为重力加速度的数十至上千倍。超重力旋转床利用离心力场来模拟超重力场，其核心在于对传递过程和微观混合过程的极大强化。随着超重力技术的迅速发展，超重力技术已经在油田注水脱氧、超微颗粒制备、聚合物脱挥、二氧化碳捕集、精馏等领域(详见中国专利92102061、95105344.2、200710120712.7、200810103231等)得到了应用。但是现有的超重力旋转填充床在进行费托合成时，还是不能精确的控制反应条件，如反应热不能进一步移除，会使反应条件不均匀、不精确，不能很好地调控产物的分布；反应物在催化剂中的时间长，影响催化活性等。
发明内容
本发明提供了一种用于调变费托合成产物分布的新型结构旋转填充床催化反应器及应用方法，可以解决反应放热问题，从而精确控制条件，可以很好地调控反应产物的分布。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
一种用于调变费托合成产物分布的超重力旋转填充床催化反应器，包括密闭的反应器壳体、固定有催化剂床层的转子、转轴、端盖、反应物的进口、产物的出口，其特征在于，催化反应器转子中布置有多层同心环式催化剂床层，催化剂层和端盖之间密封，每两层催化剂床层间分布有同心环式的层间换热段，可及时移出反应热；间隔有层间换热段的两层催化剂床层是相通的，反应物是连续通过多个催化剂床层，从而使每层催化剂都能接触到反应物料，反应物的进口位于转子的中心，壳体上开有产物出口，转子外缘设有叶片，用于将未反应的气体物料及产物输送到气体出口管，避免返回催化剂层。层间换热段为相间隔的多个套管(图1中的41)或热管围绕转子中心组成的同心圆环，端盖上设有换热介质进口和出口装置，从而实现换热介质对套管或热管的温控。
上述催化剂床层分2层或多层固定在转子上，每两层环热层间均有层间换热段，换热段沿转子的径向同心分布；热管的外表面垂直于轴向布置有换热翅片(见图4的43)，套管亦优选带翅片的套管(见图3的42)。
同心环式催化剂床层为固定在转子上的包覆有催化剂颗粒的同心环式丝网层或者固载有催化剂活性组分的同心环整体结构式填料。
热管或套管的制备材料为：钢，蒙耐合金，英科耐尔合金，铝、钛、镍、铜、黄铜或任意前述金属的合金，高分子材料，陶瓷，玻璃，包含高分子材料和玻璃纤维的复合材料，石英，硅，上述物质中的一种、两种或几种的组合。
转子的制备材料为：钢、蒙耐合金、英科耐尔合金、铝、钛、镍、铜、黄铜、或任意前述金属的合金；高分子材料、陶瓷、玻璃、包含高分子材料和玻璃纤维的复合材料、石英、硅、或其两种或多种的结合。
上述层间换热段为套管时，换热介质的进口和出口装置为平行于端盖叠放着的两块与转子同心的圆板，两圆板和端盖相互之间有空间间隔，两圆板的周边固定并密封在端盖上，套管的最外层垂直密封地固定在端盖上，套管的内管端口穿过靠近端盖的圆板并密封固定在圆板上，并且在此圆板上开设有换热介质进口管，换热介质进口管穿过最外面的圆板，最外面的圆板上设有换热介质出口管，换热介质通过套管移除热。
上述层间换热段为热管时，换热介质的进口和出口装置为平行于端盖、四周密封固定于端盖的、与转子同心的圆板，在此圆板的直径的两端设有换热介质进口管和出口管，热管密封固定在端盖上，一端位于层间换热段，另一端位于端盖和圆板之间，换热介质通过端盖和圆板之间热管移出热。
本发明的超重力反应器包括卧式的和立式的。卧式超重力反应器，产物出口设在转子旋转的切向方向。在立式旋转填充床催化反应器在密封的壳体和转子之间设有下推叶片，产品出口设置在壳体上转轴的位置，并且在出口处设有轴流元件，以便于未反应的气体物料及产物及时离开反应器。
本发明的超重力反应器优选：套管换热卧式超重力反应器(见图1)，带翅片的套管换热卧式超重力反应器(图3)，热管换热卧式超重力反应器(图4)，热管换热立式超重力反应器(图5)。
产物和中间产物在催化剂上停留时间过长是催化剂积碳的原因之一，而积碳是费托反应催化剂失活的重要原因之一。因此，减少产物和中间产物在催化剂上的停留时间可以抑制的催化剂失活，延长催化剂的使用寿命。由于旋转填充床催化反应器可以强化传质和反应过程，在旋转填充床催化反应器中进行的上述转化反应，可以强化产物与催化剂之间的传质，减少产物扩散对催化反应过程的影响，通过在卧式旋转填充床催化反应器转子旋转的切向方向布置气体出口管，在立式旋转填充床催化反应器气体出口管中设置轴流元件，使反应物迅速离开反应环境，促使反应物向产物方向移动，从而克服常规反应器的缺点，达到提高催化剂利用效率，提高催化剂选择性，减少副产物生成，降低能耗的效果。同时，由于传热过程的强化使反应热迅速被移除，使催化反应更加长期平稳地运行。
由于费托合成反应是强放热反应，催化剂会因过热致使活性衰退，因此在反应进行的同时反应热必须及时移出催化剂床层，本发明的多段转子的换热段能够有效地将反应热移出催化剂床层，根据不同反应工艺条件，可选择使用不同的换热方式和换热介质(使用的换热介质包括气体、液体)，从而保障催化剂床层的温度精确可控，从而达到控制反应产物的分布。
上述调变费托合成产物分布的反应器的应用，费托合成反应的催化剂安装在转子的催化剂床层中，反应过程中催化剂床层始终处于高速旋转状态，换热介质采用液体或气体，通过换热介质的进口进入，换热后，通过换热介质出口排除，反应物料由反应物进口进入，通过高速旋转的催化剂床层和层间换热段，生成的产物由产物出口排出；反应物料为煤基合成气、天然气基合成气、煤层气基合成气或生物质基合成气，其组成为各种比例的CO+CO2+H2，CO+H2，CO2+H2；旋转填充床催化反应器的超重力水平为2-400g；反应温度为180℃-500℃，反应压力为1-100atm，气体空速为100-100000h-1。
本发明的用于费托合成反应的超重力反应器具有如下优势：
通过改变催化剂的种类、用量和旋转填充床催化反应器的内结构及超重力水平和反应的温度等，可以选择性地合成特定产品，费托反应的催化剂包括各种方法制备的Co基、Ru基和Fe基等催化剂。反应放热被迅速带出反应区域，因此易于控制反应温度，适用于费托合成反应并调控反应物分布，费托合成反应的传质，传热性能好，催化剂活性和产物选择性稳定，催化剂寿命长。
附图说明
图1是套管换热卧式超重力反应器示意图；
图2是卧式超重力反应器的侧视图；
图3是带翅片的套管换热卧式超重力反应器示意图；
图4是热管换热卧式超重力反应器示意图；
图5是热管换热立式超重力反应器示意图；
1端盖，2换热介质进口，3反应物进口，41套管式换热管，42外管带翅片的套管式换热管，43带翅片的热管式换热管，5换热介质出口，6内密封，7催化剂床层，8叶片，9壳体，10密封，11转轴，12产物出口，13下推叶片，14轴流元件。
具体实施方式
用于调变费托合成产物分布的超重力旋转填充床催化反应器，包括密闭的反应器壳体9(和转轴之间通过密封10进行密封)、固定有催化剂床层7的转子、转轴11、端盖1、反应物的进口3、产物的出口12，其特征在于，催化反应器转子中布置有多层同心环式催化剂床层，催化剂层和端盖之间通过内密封6密封，每两层催化剂床层间分布有同心环式的层间换热段，可及时移出反应热；间隔有层间换热段的两层催化剂床层是相通的，使反应物在多层催化剂床层间进行流动从而继续反应，反应物的进口位于转子的中心，壳体上开有产物出口，转子外缘设有叶片8，用于将未反应的气体物料及产物输送到气体出口管，避免返回催化剂层。层间换热段为相间隔的多个套管或热管围绕转子中心组成的同心圆环，端盖上设有换热介质进口2和出口5装置，从而实现换热介质对套管或热管的温控。
旋转填充床催化反应器是卧式或立式，卧式反应器气体出口管沿转子旋转的切向方向布置于壳体上；立式旋转填充床催化反应器在密封的壳体和转子之间设有下推叶片，见图5的13，气体出口管中设有轴流元件，见图5的14。
费托合成催化剂安装在超重力反应器的多段转子上，反应过程中催化剂床层始终处于高速旋转状态。合成气由超重力反应器的入口进入，通过高速旋转的催化剂床层。生成的产物由超重力反应器出口排出，并经气相色谱分析测定。在反应过程中放出的反应热可通过催化剂床层间的换热管从反应器中移出。根据催化剂和合成气转化率的不同，可以分别采用热管、套管及带翅片的套管进行换热，换热介质可使用液体或气体。
实施例1
利用超重力反应器进行费托合成制石蜡反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/2。将Co/SiO2费托催化剂放入网状支撑件内，固定于超重力反应器的转子上，采用套管换热卧式超重力反应器，见图1，侧视图见图2，套管为钢材料，换热介质为空气，换热介质的流速为1升/分钟。
反应的工艺条件如下：
合成气空速：1600h-1，反应温度：210℃，反应压力：2.2MPa
催化剂床层转速：10rpm，催化剂床层超重力水平：3g
超重力反应器进行费托合成制石蜡反应结果：
Figure BDA0000146730280000071
实施例2
利用超重力反应器进行费托合成制石蜡反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/2。将Ru/SiO2费托催化剂放入网状支撑件内，固定于超重力反应器的转子上，采用带翅片的套管换热立式超重力反应器，见图3。套管为铝材料，换热介质为空气换，热介质的流速为2升/分钟。
反应的工艺条件如下：
合成气空速：5000h-1，反应温度：190℃，反应压力：6.0MPa
催化剂床层转速：80rpm，催化剂床层超重力水平：10g
超重力反应器进行费托合成制石蜡反应结果：
Figure BDA0000146730280000072
实施例3
利用超重力反应器进行费托合成制石蜡反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/1。将铁基费托催化剂放入网状支撑件内，固定于超重力反应器的转子上，采用热管换热立式超重力反应器，见图5。热管为钢材料换，热介质为导热油，换热介质的流速为1升/分钟。
反应的工艺条件如下：
合成气空速：2000h-1，反应温度：280℃，反应压力：3.0MPa
催化剂床层转速：100rpm，催化剂床层超重力水平：20g
超重力反应器进行费托合成制石蜡反应结果：
Figure BDA0000146730280000081
实施例4
利用超重力反应器进行费托合成制柴油反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/2。将Ru/SiO2费托催化剂放入网状支撑件内，固定于超重力反应器的转子上。采用热管换热立式超重力反应器，见图5。热管为钢材料，换热介质为空气，换热介质的流速为1升/分钟。
反应的工艺条件如下：
合成气空速：600h-1，反应温度：190℃，反应压力：5MPa
催化剂床层转速：500rpm，催化剂床层超重力水平：60g
超重力反应器进行费托合成制柴油反应结果：
Figure BDA0000146730280000082
实施例5
利用超重力反应器进行费托合成制汽油反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/2。将Ru/SiO2费托催化剂放入网状支撑件内，固定于超重力反应器的转子上。采用热管换热立式超重力反应器，见图5。热管为钢材料，换热介质为空气，换热介质的流速为1升/分钟。
反应的工艺条件如下：
合成气空速：500h-1，反应温度：210℃，反应压力：0.5MPa
催化剂床层转速：2500rpm，催化剂床层超重力水平：150g
超重力反应器进行费托合成制汽油反应结果：
Figure BDA0000146730280000091
实施例6
利用超重力反应器进行费托合成制低碳烯烃反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/2。将Ru/SiO2费托催化剂放入网状支撑件内固定于超重力反应器的转子上。采用热管换热立式超重力反应器，见图5。热管为铜材料，换热介质为空气，换热介质的流速为1升/分钟。
反应的工艺条件如下：
合成气空速：7500h-1，反应温度：250℃，反应压力：2.5MPa
催化剂床层转速：5000rpm，催化剂床层超重力水平：250g
超重力反应器进行费托合成制低碳烯烃反应结果：
实施例7
利用超重力反应器进行费托合成制炔烃反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/2。将Co/SiO2费托催化剂放入网状支撑件内，固定于超重力反应器的转子上，采用热管换热立式超重力反应器，见图5。热管为铜材料，换热介质为空气，换热介质的流速为3升/分钟。
反应的工艺条件如下：
合成气空速：3000h-1，反应温度：350℃，反应压力：0.6MPa
催化剂床层转速：8500rpm，催化剂床层超重力水平：400g
超重力反应器进行费托合成制炔烃反应结果：
Figure BDA0000146730280000102
实施例8
利用超重力反应器进行费托合成制炔烃反应。合成气为CO+H2的混合气，CO/H2＝1/1。将铁基费托催化剂放入网状支撑件内，固定于超重力反应器的转子上。采用热管换热立式超重力反应器，见图5。热管为铜材料换热介质为空气换热介质的流速为2升/分钟
反应的工艺条件如下：
合成气空速：1000h-1，反应温度：210℃，反应压力：2.0MPa
催化剂床层超重力水平：350g
超重力反应器进行费托合成制炔烃反应结果：
Figure BDA0000146730280000111

Claims (9)

1.一种用于调变费托合成产物分布的超重力旋转填充床催化反应器，包括密闭的反应器壳体、固定有催化剂床层的转子、转轴、端盖、反应物的进口、产物的出口，其特征在于，催化反应器转子中布置有多层同心环式催化剂床层，催化剂层和端盖之间密封，每两层催化剂床层间分布有同心环式的层间换热段，可及时移出反应热；间隔有层间换热段的两层催化剂床层是相通的，反应物是连续通过多个催化剂床层，从而使每层催化剂都能接触到反应物料，反应物的进口位于转子的中心，壳体上开有产物出口，转子外缘设有叶片，用于将未反应的气体物料及产物输送到气体出口管，层间换热段为相间隔的多个套管或热管围绕转子中心组成的同心圆环，端盖上设有换热介质进口和出口装置。
2.按照权利要求1的反应器，其特征在于，催化剂床层分2层或多层固定在转子上，每两层环热层间均有层间换热段，换热段沿转子的径向同心分布；热管的外表面垂直于轴向布置有换热翅片，套管为带翅片的套管。
3.按照权利要求1的反应器，其特征在于，同心环式催化剂床层为固定在转子上的包覆有催化剂颗粒的同心环式丝网层或者固载有催化剂活性组分的同心环整体结构式填料。
4.按照权利要求1的反应器，其特征在于，层间换热段为套管时，换热介质的进口和出口装置为平行于端盖叠放着的两块与转子同心的圆板，两圆板和端盖相互之间有空间间隔，两圆板的周边固定并密封在端盖上，套管的最外层垂直密封地固定在端盖上，套管的内管端口穿过靠近端盖的圆板并密封固定在圆板上，并且在此圆板上开设有换热介质进口管，换热介质进口管穿过最外面的圆板，最外面的圆板上设有换热介质出口管，换热介质通过套管移除热；
层间换热段为热管时，换热介质的进口和出口装置为平行于端盖、四周密封固定于端盖的、与转子同心的圆板，在此圆板的直径的两端设有换热介质进 口管和出口管，热管密封固定在端盖上，一端位于层间换热段，另一端位于端盖和圆板之间，换热介质通过端盖和圆板之间热管移出热。
5.按照权利要求1的反应器，其特征在于，热管或套管的制备材料为：钢，蒙耐合金，英科耐尔合金，铝、钛、镍、铜、黄铜或任意前述金属的合金，高分子材料，陶瓷，玻璃，包含高分子材料和玻璃纤维的复合材料，石英，硅，上述物质中的一种、两种或几种的组合；
转子的制备材料为：钢、蒙耐合金、英科耐尔合金、铝、钛、镍、铜、黄铜、或任意前述金属的合金；高分子材料、陶瓷、玻璃、包含高分子材料和玻璃纤维的复合材料、石英、硅、或其两种或多种的结合。
6.按照权利要求1的反应器，其特征在于，为卧式的，产物出口设在转子旋转的切向方向。
7.按照权利要求1的反应器，其特征在于，为立式的，在立式旋转填充床催化反应器在密封的壳体和转子之间设有下推叶片，产品出口设置在壳体上转轴的位置，并且在出口处设有轴流元件。
8.按照权利要求1-7所述的任一的反应器，其特征在于，为套管换热卧式超重力反应器、带翅片的套管换热卧式超重力反应器、热管换热卧式超重力反应器或热管换热立式超重力反应器。
9.利用权力要求1所述的反应器调变费托合成产物分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：费托合成反应的催化剂安装在转子的催化剂床层中，反应过程中催化剂床层始终处于高速旋转状态，换热介质采用液体或气体，通过换热介质的进口进入，换热后，通过换热介质出口排除，反应物料由反应物进口进入，通过高速旋转的催化剂床层和层间换热段，生成的产物由产物出口排出；反应物料为煤基合成气、天然气基合成气、煤层气基合成气或生物质基合成气，其 组成为各种比例的CO+CO2+H2，CO+H2，CO2+H2；旋转填充床催化反应器的超重力水平为2-400g；反应温度为180℃-500℃，反应压力为1-100atm，气体空速为100-100000h-1。 
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