CN103769008A - 浆态床内环流反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浆态床内环流反应器，包括壳体、入口、出口，及设置在壳体内的隔板、气液分离器、导流管、浆态床层、换热管和气体分布器；隔板和气体分布器分别设置在壳体顶部和底部；导流管和换热管设置在气体分布器上方；导流管顶部在浆态床层液面以上，包括上部开孔段、中部扩张段和下部封闭段；换热管分为三段，分布密度从下往上依次递减；气液分离器设置在隔板下方，分离器出口伸至隔板上方，出料腿伸至浆态床层液面下，并伸入上部开孔段。本发明通过分段设计导流管和换热管，提高了气液分离效果，避免了高气速下的返混和分离问题及低气速下的循环不畅问题，从而提高了反应器的空间利用率和时空产率，以及反应器的操作弹性及稳定性。

Description

浆态床内环流反应器

技术领域

本发明属于化工设备领域，涉及用于气液或气液固多相反应的浆态床反应器，具体的说，是涉及一种具有气液分离性能的开孔式导流管的高效内循环浆态床反应器。

背景技术

气态、液态和固态反应物料的气-液-固三相反应体系是一种很重要的体系，为了减少返混、提高反应器效率等目的，常常采用气升式环流反应器，例如生物反应器、费-托合成及甲醇合成等过程。在现有的文献和专利中有许多的报道，如：专利号为ZL99127184.X的中国发明专利提供了一种气液固三相循环反应器；专利号为ZL03151109.0的中国发明专利提供了一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器；专利号为ZL200710037008.5的中国发明专利提供了一种带内循环和外部换热的浆态床反应装置及其应用；申请号为200810023266.2的中国发明专利申请提供了一种具有多孔导流筒用于提高气含率的环流反应器；名称为“用于费-托合成的气-液-固三相悬浮床反应器及其应用”（专利号ZL200710161575.1）的中国发明专利，其提供了反应器构造与尺寸设计、气体分布器和换热器的布局与设计、蜡与催化剂的过滤系统、反应器内部的导流装置以及反应器顶部的雾沫消除装置。

但是，目前现有技术中开发的环流浆态床反应器仍然停留在依靠自然鼓泡或者低气速下的环流反应过程，其反应器内返混严重，反应效率较低。为了提高反应器时空产率，需要在较高气体流速下进行操作。然而，高气速会引起气体与浆液相对滑移速度过大，导致严重返混。此外，较高气速还会使气液分离困难，导致气体大量进入导流筒，造成气体的升力阻碍浆液下降循环，由此显著影响反应效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种浆态床内环流反应器，它可以提高反应器的空间利用率和时空产率。

为解决上述技术问题，本发明的浆态床内环流反应器，包括壳体、入口、出口，以及设置在壳体内的隔板、气液分离器、导流管、浆态床层、换热管和气体分布器，其特征在于，

所述隔板设置在壳体顶部；所述气体分布器设置在壳体底部；

所述导流管设置在气体分布器上方，导流管的顶部位于浆态床层的液面以上；所述导流管包括上部开孔段、中部扩张段和下部封闭段，上部开孔段的内径大于下部封闭段的内径；

所述换热管设置在气体分布器上方，导流管与壳体之间的空间内，包括上、中、下三段，三段换热管的分布密度从下往上依次递减；每段换热管底部位置的壳体上，开有该段换热管的入口；每段换热管顶部位置的壳体上开有该段换热管的出口；相邻两段换热管之间的壳体上开有合成蜡抽出口；

所述气液分离器设置在隔板下方，气液分离器出口伸至隔板上方，气液分离器的出料腿伸至浆态床层液面以下，并伸入导流管的上部开孔段中。

与现有的气-液-固三相反应器相比，本发明的浆态床内环流反应器，具有以下优点和有益效果：

1.导流管采用分段式设计，上段开孔，使导流管内外连通，气体和浆液均可由开孔处流通，从而不仅显著提高了气液分离效果，而且减少了气体对浆液在导流管内下降的影响，保证了反应器内的液相循环速度及平推流的反应模式，避免了高气体流速下的返混和分离问题以及低气体流速下的循环不畅问题，进而提高了反应器的空间利用率和时空产率，以及反应器的操作弹性及稳定性。

2．换热管从下往上数量递减式布置，可以有效控制床层温度的稳定性。

3．气体分布器采用短管喷嘴板式结构，可以通入高气速，同时，短管喷嘴侧向开孔，可以避免催化剂颗粒掉入喷嘴导致堵塞。此外，环形带状分布板可以有效地把合成气均匀分布到反应区域。

附图说明

图1是本发明实施例1的浆态床内环流反应器的结构示意图。

图2是本发明实施例1的浆态床内环流反应器的导流管的纵截面图。

图3是本发明的浆态床内环流反应器的导流管的另两种可行结构的纵截面图。（1）上部开孔段的开孔形式为环形带状条纹孔；（2）上部开孔段的开孔形式为内接延长短管式开孔。

图4是本发明实施例1的浆态床内环流反应器的气液分离器的结构示意图。

图5是本发明实施例1的浆态床内环流反应器的气体分布器的结构示意图。

图中附图标记说明如下：

1：壳体

2：上段换热管出口

3：浆态床层

41：上段换热管

42：中段换热管

43：下段换热管

5：上段换热管入口

6：中段换热管出口

7：中段换热管入口

8：下段换热管出口

9：下段换热管入口

10：合成蜡抽出口

11：气体分布器

12：入口

13：出口

14：气液分离器

15：气液分离器出口

16：出料腿

17：导流管

18：下部封闭段

19：中部扩张段

20：上部开孔段

21：锥形挡板

22：短管喷嘴

23：隔板

24：扩展段

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图，对本发明详述如下：

如图1所示，本发明的浆态床内环流反应器，主要包括反应器壳体1、浆态床层3、三段式换热管、气体分布器11、入口12、出口13、气液分离器14、导流管17、隔板23。其中：

入口12位于反应器底部，是气态反应物进入反应器的入口。出口13位于反应器顶部，作为反应后气态物质离开反应器的出口。隔板23位于壳体1的顶部。

壳体1分为上、中、下三段，上段内径大于下段，中间扩展段24连接上、下两段。

三段式换热管位于壳体1下段内部，包括上段换热管41、中段换热管42和下段换热管43。由于气体在反应器底部的浓度较高，随着反应，气体在上升过程中浓度降低，反应剧烈程度下降，反应放热也逐步下降，因此换热管的分布密度由下往上递减，可以保证反应器内温度处于较稳定状态。在壳体1上，对应于每段换热管的底部位置，开设有该段换热管的入口；对应于每段换热管的顶部位置，开设有该段换热管的出口；相邻的两段换热管之间则开设有合成蜡抽出口10。

气体分布器11位于下段换热管43下方，采用短管喷嘴板式结构，喷嘴短管呈环形带状均匀分布在板上，且喷嘴短管侧向开孔，如图4所示。开孔与轴向的夹角为45～90度，优选45度。

浆态床层3位于气体分布器11上方（气体分布器11下方为气相空间），内部填充反应所需要的浆料（包括液体反应物和固体催化剂等）。

导流管17的高度与浆态床层3的高度接近，其底部位于气体分布器11的上方，顶部位于浆态床层3的液面以上。导流管17分为上部开孔段20、中部扩张段19和下部封闭段18三部分。上部开孔段20的高度和导流管的总高度之比为0.3～0.7。中部扩张段19连接上部开孔段20和下部封闭段18。上部开孔段20和下部封闭段18的直径之比为1.2～2。上部开孔段20的管壁上开有不同形状、大小、数量的孔，上部开孔段20的开孔面积和上部开孔段20的表面积之比为0.1～0.7。下部封闭段18的底部出口下方设置有锥形挡板21，用于防止来自气体分布器11的气态反应物在上升过程中从导流管17底部出口直接进入导流管17内。下部封闭段18的底部出口和锥形挡板21均位于气体分布器11中间上方。

气液分离器14设置在反应器壳体1的上段内，反应器横截面的中心位置。气液分离器出口15伸至隔板23上方。气液分离器14的出料腿16伸入浆态床层3的料位以下，并伸入导流管17的上部开孔段20中，这种结构能使气液分离器14分离出的液体直接倒入密度较大的导流管17内，促进导流管17内外的流体循环。气液分离器14可以是任何适合用来将气相产物与浆液分离的已知的或以后可能开发的分离装置，例如可以使用旋液分离器。

以下对本发明的浆态床内环流反应器的操作过程进行详细地说明。

反应前，在反应器内装入浆料，形成浆态床层3。浆态床层3的液面在导流管17中部扩张段19或下部封闭段18区域。

反应时，根据具体的反应种类，选择温度、压力等反应条件，让反应器处于合适的反应条件之下，然后从反应器底部入口12通入气态反应物。气态反应物经气体分布器11均匀化分布后，高速喷出，向上流动（如图1中两侧向上的箭头所示），通过浆态床层3，在浆态床层3中发生合成反应，生成烃类（包括蜡和油）等产物，并带动浆态床层3中的浆液向上流动，形成气液固三相流体。合成反应释放的大量热量通过三段式换热管撤出，操作中是分别从上段换热管入口5、中段换热管入口7以及下段换热管入口9通入用于控制反应热的水，通过换热管与浆态床层发生热交换后，分别从上段换热管出口2、中段换热管出口6以及下段换热管出口8流出。合成反应生成的蜡从合成蜡抽出口10抽出，抽出量以维持正常的浆态床层3料位高度进行控制。向上流动的气液固三相流体在到达扩展段24以上时，一部分气体因密度小浮力大，保持向上流动，直至脱离浆态床层3的液面。这部分合成尾气中携带少量合成油等液体和催化剂固体，当这部分合成尾气到达反应器顶部后，进入气液分离器14（气液分离器14的切向入口的气体流速在10～30m/s范围），在气液分离器14实现气体与合成油液体和催化剂固体的分离，净化后的气体从气液分离器出口15流出，在隔板23上方被收集，经反应器顶部出口13流出；经气液分离器14分离出的合成油等液体和催化剂固体，因密度大，翻流入扩展段24内。另一部分气体则随浆液一起翻入导流管17，在上部开孔段20的开孔的作用下，发生二次气液分离，气体溢出导流管17，浆液则在导流管17内向下流动，从导流管17底部出口流出，重新回到导流管17外部的空间内，在来自气体分布器11的气态反应物的作用下向上流动。

以下通过一具体实施例，对本发明的浆态床内环流反应器再做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的浆态床内环流反应器，壳体1内径为1.2米，反应器轴向高度为35米。气液分离器14采用气液旋风分离器。浆态床层3的液面位于气体分布器11上方18米处，导流管17的上部开孔段20的区域内。导流管17的上部开孔段20的顶部上缘位于气体分布器11上方20米处，导流管17的下部封闭段18的底部位于气体分布器11上方0.2米处。导流管17的下部封闭段18的内径为0.36米，高度为10米。导流管17的中部扩张段19的高度为0.2米。导流管17的上部开孔段20的内径为0.6米，高度为10米。

导流管17的上部开孔段20处设置了3840个均匀分布的离散式圆孔，圆孔的孔径为50mm，开孔总面积占导流管17上部开孔段20圆柱体表面积的40%，如图2所示。这种开孔式导流管可以对气液混合物起到气液分离作用，防止气体随浆液翻入导流管17后形成反升力，对浆液沉降造成不利影响，因此可以将导流管内的浆液流速提高25%。

用本实施例的浆态床内环流反应器进行费-托合成时，加热至220～250℃的合成气（主要成分为一氧化碳和氢气）在1.5～3.5MMa压力下从反应器底部入口12进入反应器，通过气体分布器11上的短管喷嘴22的侧向开孔后，上升并均匀分布于导流管17与反应器壁面之间的反应区。合成气在浆态床层3中的催化剂的作用下发生费托合成反应，合成出蜡与油，伴生部分轻烃气体，形成气液固三相混合物。

由于合成反应为强放热反应，为了将热量及时撤出反应器，需要从上段换热管入口5、中段换热管入口7以及下段换热管入口9通入水，通过控制换热管内通入的水量和温度（优选水温260℃），将浆态床层3的温度维持在250～300℃范围内（典型的优选温度为255～265℃）。合成反应释放的热量从上段换热管出口2、中段换热管出口6及下段换热管出口8导出反应器。

未反应的合成气以及伴生的轻烃气体，上升至气液分离器14后，由气液分离器14分离出其中携带的液体及催化剂，然后由气液分离器出口15到达隔板23上部的空间，最终从反应器顶部的出口13流出。分离出的液体则沿下料腿16流入导流管17，这也将有助于导流管17内外的循环。

合成出的蜡与油从反应器中部的合成蜡抽出口10抽出，必要时可以调整抽出量，以改变浆态床层3的料位高度。

Claims (11)

1.浆态床内环流反应器，包括壳体、入口、出口，以及设置在壳体内的隔板、气液分离器、导流管、浆态床层、换热管和气体分布器，其特征在于，

所述隔板设置在壳体顶部；所述气体分布器设置在壳体底部；

所述导流管设置在气体分布器上方，导流管的顶部位于浆态床层的液面以上；所述导流管包括上部开孔段、中部扩张段和下部封闭段，上部开孔段的内径大于下部封闭段的内径；

所述换热管设置在气体分布器上方，导流管与壳体之间的空间内，包括上、中、下三段，三段换热管的分布密度从下往上依次递减；每段换热管底部位置的壳体上，开有该段换热管的入口；每段换热管顶部位置的壳体上开有该段换热管的出口；相邻两段换热管之间的壳体上开有合成蜡抽出口；

所述气液分离器设置在隔板下方，气液分离器出口伸至隔板上方，气液分离器的出料腿伸至浆态床层液面以下，并伸入导流管的上部开孔段中。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述气体分布器上分布有多个短管，每个短管侧向开孔。

3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述短管呈环形带状均匀分布。

4.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，短管的开孔与短管轴向的夹角为45-90度。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述上部开孔段的高度和所述导流管的总高度之比为0.3～0.7。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述中部扩张段和下部封闭段的直径之比为1.2～2。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述上部开孔段的开孔面积和上部开孔段的表面积之比为0.1～0.7。

8.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述上部开孔段的开孔形式包括离散孔、环形带状条纹孔和内接延长短管式开孔。

9.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述开孔数由下向上递增。

10.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述开孔大小由下向上递增。

11.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述下部封闭段的底部出口下方设置有锥形挡板，所述锥形挡板位于气体分布器上方。

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