CN103920430A - 生物质焦油的沸腾床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种生物质焦油的沸腾床反应器，至少包括用于容纳反应物料的反应器壳体，所述反应器壳体内下部固定设置有分布器，所述反应器上部设置有防止催化剂逸出的设备，所述反应器壳体设置有原料入口和产品出口，所述原料入口至少包括生物质焦油入口，所述生物质焦油入口设置于所述反应器壳体的侧壁下部且位于所述分布器的上方，本发明的沸腾床反应器，通过从分布器的上方布置生物质焦油入口，利用从分布器下方进入的氢气以及循环液的冲击作用有效地沸腾，并且能够保证催化剂与生物质焦油充分接触混合并迅速发生反应，进而防止生物质焦油的聚合反应而产生的结焦现象。

Description

生物质焦油的沸腾床反应器

技术领域

本发明涉及一种沸腾床反应器，尤其涉及一种生物质焦油的沸腾床反应器。

背景技术

随着社会的发展，人类对液态能源的需求越来越大，然而现有的石油储量日益短缺，因此急需寻找新的能源，而生物质能源是一种可再生能源并成为可替代石油、煤炭等化石燃料的重要能源之一。

在生物质能源领域中，将生物质经过裂解、液化等过程产生生物质焦油（俗称为木焦油），然后再通过对生物质焦油进行提炼生产出汽油、柴油或者航空燃油等，生物质焦油具有如下特点：①分子量较大，裂化比较困难；②常温下液体的粘度较大；③含有较高比例的固体，在反应中还易生成大量的胶质类固体物质；④在高温反应时容易发生缩聚反应而结焦，降低催化剂活性，增大反应设备的压降；因此，现有的生物质焦油提炼设备很难长时间的连续运行将生物质焦油提炼出汽油、柴油。

沸腾床反应器在石油工业中得到广泛应用，沸腾床反应器应用于石油工业中具有如下优点：沸腾床反应器实现了反应器内物料的高度混合，在此沸腾状态下操作，在控制得当的情况下基本不存在因反应器系统结焦而产生堵塞的问题；②沸腾床反应器的剧烈搅拌作用和返混现象，促进了传质和传热过程，保持了沸腾床反应器内各物料性质、操作压力与温度的高度均匀，从而防止固定床工艺易发生的因局部过热产生的飞温现象；③原料油、氢气与催化剂颗粒充分接触，提高了加氢反应深度；④反应器内温度较高，且处于充分流化状态，因此为直接加工杂质含量大或粘度大的油品创造了必要的条件；⑤系统操作非常灵活，可根据原料的变化和目的产品的要求灵活调整反应参数；⑥由于实现了催化剂在线置换，生产装置连续运转周期延长。由于沸腾床反应器在石油工业中具有上述中的优点，因此，人们开始将沸腾床反应器应用到生物质焦油的提炼中，然而，由于上述中的生物质焦油的物质特性，现有的沸腾床反应器在生物质焦油的提炼过程中仍然有如下问题存在：首先，现有的沸腾床反应器均采用底部入料的方式，通过这种方式使物料在反应器中获得足够的动力来沸腾并充分混合，然而在生物质焦油进入到反应器后，由于生物质焦油在反应器的底部有一定的置换滞留时间，而生物质焦油在高温、缺乏催化剂的情况下发生剧烈的聚合放映而产生严重的结焦现象，造成设备的堵塞甚至损坏，使得生产不能够长时间连续进行，产能低，远不能满足需要；需要对生物质焦油进行预处理（包括过滤、脱碳等处理），增加了生产工艺，提高了生产成本；现有的设备为了有效地实现沸腾，往往通过减小催化剂粒径和提高氢气和生物质焦油的比值，从而增加了催化剂和液体的分离难度，对后续工艺设备造成破坏性影响，而且提高生产成本；因此，如何将沸腾反应器用于生物质焦油的提炼中；并能够解决生物质焦油自身的特点造成生产障碍成为了一个亟待解决的难点，尤其是如何避免生物质焦油在提炼中出现的结焦现象。

因此，需要提出一种生物质焦油的沸腾床反应器，能够有效避免由于生物质焦油的自身特点而在提炼过程中产生的结焦现象，从而避免对反应器及配套设备造成堵塞甚至破坏性影响，保证生物质焦油能够长时间连续稳定地进行提炼。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种生物质焦油的沸腾床反应器，能够有效避免由于生物质焦油的自身特点而在提炼过程中产生的结焦现象，从而避免对反应器及配套设备造成堵塞甚至破坏性影响，保证生物质焦油能够长时间连续稳定地进行提炼。

本发明提供的一种生物质焦油的沸腾床反应器，至少包括用于容纳反应物料的反应器壳体，所述反应器壳体内下部固定设置有分布器，所述反应器壳体内部上部设置有防止催化剂逸出设备，所述反应器壳体设置有原料入口和产品出口，所述原料入口至少包括生物质焦油入口，所述生物质焦油入口设置于所述反应器壳体的侧壁下部且位于所述分布器的上方。

进一步，所述生物质焦油入口与所述分布器的垂直距离为2-100cm。

进一步，所述产品出口包括反应器气体出口和出液口，所述反应器气体出口位于所述反应器壳体的顶部，所述出液口位于所述反应器壳体的侧壁的上端部；

所述原料入口还包括设置于所述反应器壳体顶部的催化剂入口、设置于反应器壳体的并位于分布器下方的氢气入口和循环油入口。

进一步，所述沸腾床反应器还包括设置于反应器壳体外并与反应器壳体连通的循环分离系统，所述循环分离系统包括气液分离器和循环泵，所述气液分离器的侧壁上端设置有进液口，气液分离器的侧壁中下部设置有出油口，位于气液分离器的底部设置有排液口，位于气液分离器的顶部设置有气体出口，所述出油口与循环泵的入口连通，所述进液口与所述出液口连通，所述循环泵的出口与所述循环油入口连通。

进一步，所述沸腾床反应器还包括设置于反应器壳体外并与反应器壳体连通的循环分离系统，所述循环分离系统包括气液分离器和循环泵，所述气液分离器的侧壁上端设置有进液口，位于气液分离器的底部设置有排液口，位于气液分离器的顶部设置有气体出口，所述反应器壳体的侧壁上端还设置有循环液出口，所述循环泵的入口与循环液出口连通，所述循环泵的出口与所述循环油入口连通，所述进液口与所述出液口连通。

进一步，所述循环分离系统还设置有液位控制器并使气液分离器内的液位保持在气液分离器的进液口与出油口之间。

进一步，所述反应器壳体设置有催化剂移出管，所述催化剂移出管的上端伸入到分布器并上端端部与分布器上表面齐平，催化剂移出管的下端从反应器壳体的底部伸出。

进一步，所述反应器壳体的出液口设置有过滤器或者旋流分离器。

进一步，所述生物质焦油入口设置有进油管，所述进油管外套有冷却水套。

本发明的有益效果：本发明的沸腾床反应器，通过从分布器的上方布置生物质焦油入口，利用从分布器下方进入的氢气以及循环液的冲击作用有效地沸腾，并且能够保证催化剂与生物质焦油充分接触混合并迅速发生反应，进而防止生物质焦油的聚合反应而产生的结焦现象；本发明能够有效地对生物质焦油的中的固体物质以及失活的催化剂进行移除，减少反应器内部的固体沉积；生物质焦油在进入沸腾床反应器前无需经过预处理，大大简化了加工工艺，降低生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的第一实施例结构示意图。

图2为本发明的第二实施例结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的第一实施例结构示意图，图2为本发明的第二实施例结构示意图，如图所示，本发明提供的一种生物质焦油的沸腾床反应器，至少包括用于容纳反应物料的反应器壳体1，所述反应器壳体1内下部固定设置有分布器14，所述反应器壳体1设置有原料入口和产品出口，所述原料入口至少包括生物质焦油入口20，所述生物质焦油入口20设置于所述反应器壳体1的侧壁下部且位于所述分布器14的上方，所述分布器14的作用在于可以更好的让原料、循环的液体和氢气均匀混合并与催化剂均匀接触发生反应，分布器可以采用泡帽式、格栅板式、孔板式等，位于分布器的下方为混合腔体设置防止上方的催化剂进入设备，传统的沸腾床反应器在生物质焦油提炼中，当生物质焦油进入到混合腔体后存在置换滞留时间，生物质焦油在高温以及缺乏催化剂的情况极易容易发生聚合反应而产生结焦现象，从而堵塞分布器，破坏分布器的均与分布，严重影响生产效率，本发明的沸腾床反应器，通过从分布器的上方布置生物质焦油入口，利用从分布器下方进入的氢气以及循环液的冲击作用有效地沸腾，并且能够保证催化剂与生物质焦油充分接触混合并迅速发生反应，进而防止生物质焦油的聚合反应而产生的结焦现象。

本实施例中，所述生物质焦油入口20与所述分布器14的垂直距离为2-100cm，通过这种结构，能够保证生物质焦油在进入到沸腾床反应器中能够立即与催化剂以及氢气充分接触，并且具有足够的接触及反应时间和空间，有效避免出现聚合反应而产生的结焦现象。

本实施例中，所述产品出口包括反应器气体出口3和出液口4，所述反应器气体出口3位于所述反应器壳体1的顶部，所述出液口4位于所述反应器壳体1的侧壁的上端部；

所述原料入口还包括设置于所述反应器壳体1顶部的催化剂入口2、设置于反应器壳体1的并位于分布器14下方的氢气入口17和循环油入口15，通过这种结构，能够使氢气以及循环液成为沸腾的动力，保证催化剂、生物质焦油以及氢气能够充分接触及快速反应。

本实施例中，所述沸腾床反应器还包括设置于反应器壳体1外并与反应器壳体1连通的循环分离系统，所述循环分离系统包括气液分离器10和循环泵13，所述气液分离器10的侧壁上端设置有进液口7，气液分离器10的侧壁中下部设置有出油口12，位于气液分离器10的底部设置有出水口11，位于气液分离器10的顶部设置有气体出口8，所述出油口12与循环泵13的入口连通，所述进液口7与所述出液口4连通，所述循环泵13的出口与所述循环油入口15连通，通过气液分离器的作用，对液体产品进行再次的气液分离，而且由于反应后会产生水，在气液分离中器中会产生水的沉降，并通过出水口将水及油排出并进入到后续处理中，通过循环泵的作用将油从气液分离器中再次吸入到沸腾床反应器中，为反应沸腾提供动力，并且通过上述结构形成外循环分离系统，便于设备的维护，降低维护成本。

本实施例中，所述沸腾床反应器还包括设置于反应器壳体1外并与反应器壳体1连通的循环分离系统，所述循环分离系统包括气液分离器10和循环泵13，所述气液分离器10的侧壁上端设置有进液口7，位于气液分离器10的底部设置有出水口11，位于气液分离器10的顶部设置有气体出口8，所述反应器壳体1的侧壁上端还设置有循环液出口21，所述循环液出口21设置有过滤器或者旋流分离器5，所述循环泵13的入口与循环液出口21连通，所述循环泵13的出口与所述循环油入口15连通，所述进液口7与所述出液口4连通，通过这种结构，可以有效地减小气液分离器的体积，并且通过上述结构形成外循环分离系统，便于设备的维护，降低维护成本。

本实施例中，所述循环分离系统还设置有液位控制器9并使气液分离器10内的液位保持在气液分离器10的进液口7与出油口12之间，通过这种结构，确保气体不会进入循环泵，防止循环泵工作失常或损坏，从而防止了循环流速的改变对反应床层稳定性的破坏。

本实施例中，所述反应器壳体1设置有催化剂移出管16，所述催化剂移出管16的上端伸入到分布器14并上端端部与分布器14上表面齐平，催化剂移出管16的下端从反应器壳体1的底部伸出，通过这种结构，可以有效地将失活的催化剂移出，并且同样能够对生物质焦油中的固体物质进行有效地移出，无需在进入反应器前对生物质焦油进行预处理，简化加工工艺。

本实施例中，所述反应器壳体1的出液口4设置有过滤器5，或者采用旋流分离器代替过滤器；在沸腾床反应器中，催化剂存在的区域为加氢反应区域，催化剂膨胀床层界面以上至气液界面（气液界面通常为反应器壳体的出液口的高度）以下的区域为沉降区域，该区域的液体物质的加氢反应很慢而聚合反应发生较快；通常该沉降区域体积越小对反应越有利，而且该区域体积的减小导致了整个反应器总体积的减小，可以降低设备成本和操作成本；但是沉降区域过小会造成破损的催化剂颗粒通过循环进入循环泵从而对循环泵造成损伤或者随液体流出反应器造成催化剂流失以及对后续工艺设备造成损伤，本发明通过过滤器或者旋流分离器的设置，既能保证系统的正常运行又可以大大的降低该沉降区域占反应器总体积的比例，而且能够避免破损催化剂的流失以及对循环泵以及后续设备的损坏。在传统反应器中，沉降区域站反应器容积的20%-40%，通过设置过滤器或者旋流分离器，可以使沉降区域的体积降低到占反应器总体积的5%以下，甚至降为0%，所述过滤器与反吹设备配套使用，反吹设备是指因在过滤器表面积累了一定固体颗粒而导致两端压差超过0.5MPa的情况下，通过反向的、瞬间的比反应器压力更高的气体或液体的流动将过滤器上积累的固体颗粒去除，所述过滤器和反吹设备均可采用现有设备，所述旋流分离器是指通过流入的介质的高速旋转，将相对密度较大的催化剂固体颗粒分离并返回或留在反应器中的现有设备。

本实施例中，所述生物质焦油入口20设置有进油管18，所述进油管18外套有冷却水套19，通过这种结构，能够降低生物质焦油的温度，避免温度过高增强聚合反应。

以下通过三个实验进行说明：

实验一

所述沸腾床反应器内径为100mm、直段高度为1500mm、总高度为1600mm的中型冷模试验装置中装入静置床层高度为950mm的催化剂，反应器侧壁每300mm设置有一个测压孔。反应器的有效体积为11.8升，催化剂的体积为7.5升，催化剂占反应器有效体积的64%。催化剂为直径为1mm、长度为3-5mm的三叶形，催化剂的堆密度为0.6g/ml，骨架密度为2.5g/ml。试验中采用乙醇作为液体介质，空气作为气体介质。试验参数和结果见表1。

表1：原料进料量、循环液体流量、气体流量和床层膨胀率的关系

床层膨胀率是指膨胀后催化剂床层高度除以静置时催化剂床层高度减去100%。

表1中所列各试验中，各反应的沸腾状况都良好，催化剂膨胀后的床层高度稳定，各测压点压力稳定。经过仔细的观察，在反应床层中未发现死区，也未发现沟流和腾涌现象。

从表1的试验结果来看，影响催化剂床层膨胀率的主要因素是液体的总的流速；在原料油进口流量波动，即反应的体积空速变化（LHSV=1.6～4.0），通过调整循环液体流量，仍能很好的控制床层膨胀状态的稳定；气体流量的波动，即气体和生物质焦油的体积比变化（氢油比=150:1～3000:1），对催化剂床层膨胀率的影响较小。由于在液体出口处设置了过滤器，没有催化剂被带出的现象，即使在沉降区域体积与反应器有效体积的比值在5%的情况下，也没有发生催化剂被带出的现象。

从该系列试验看出：催化剂量占总体积量的64%的反应器中，在原料的进料流速和反应中的氢油比发生较大范围变化情况下，各条件下的沸腾状况都良好，催化剂膨胀后的床层高度稳定，各测压点压力稳定，也未发现死区、沟流和腾涌现象，也没有催化剂带出的现象；说明该反应器有很强的适应性，而且反应器的体积利用率(即沸腾时反应区的体积占反应器总体积的比例)很高，可以高达95%。

实验二

所述沸腾床反应器内径为100mm、直段高度为1500mm、总高度为1600mm的中型试验装置中装入静置床层高度为700mm的催化剂，反应器侧壁每300mm设置有一个测压孔。反应器的有效体积为11.8升，催化剂的体积为5.5升。催化剂为直径为0.5mm的球形，催化剂的堆密度为0.65g/ml，骨架密度为2.5g/ml。试验中采用柴油作为起始液体介质，用生物质焦油作为原料油从原料管道1进入，氢气作为气体介质。试验条件和结果见表2。

表2：生物质焦油在沸腾床反应器中的反应条件

原料	生物质焦油
		反应温度，oC	200-450
反应压力，Mpa	10-20
		体积空速，hr-1	0.2-5.0
氢油比，v/v	300-1500
		运行持续时间，hr	300

表2中所列试验中，该反应器分别应用于处理木焦油在以上的反应操作条件范围，各反应的沸腾状况都良好，催化剂膨胀后的床层高度稳定，各测压点压力稳定。由于设置有旋流分离器，经过300小时后，没有催化剂从反应器3上部侧壁的液体出口11流出现象，反应过程中系统稳定；所得产品性能也很稳定，且能满足试验中产品性能的要求。

从该试验看出：该反应器适用于处理木焦油的提炼，经过长时间的运行，反应系统各项指标稳定，反应能持续运行，没有出现结焦现象，没有发现催化剂随液体流出现象。

实验三

所述沸腾床反应器的内径为100mm、直段高度为2500mm、总高度为1600mm的中型试验装置中装入静置床层高度为1500mm的催化剂，反应器侧壁每500mm设置有一个测压孔。催化剂为粒径为0.3-0.5mm的NiMo/SiO2颗粒，催化剂的堆密度为1.5g/ml，骨架密度为2.8g/ml。反应器内温度为300oC，压力为16Mpa的条件下，用高压输液泵将生物质焦油通过冷却水套以1500ml/hr的速度持续的从原料管道1注入反应器，氢气以25升/分钟的速度进入反应器。在反应运行10小时、100小时、500小时、1000小时时，分别从气液分离器8分离后的管路10处取液体样品进行性能分析。分析结果见表3。

表3：不同时间时生物质焦油提炼所得液体样品的性能分析结果比较

从试验结果可以看出：该反应系统能用于处理生物质焦油的提炼工艺，而且各项指标参数稳定，在该反应系统运行不同周期后，所得到的产品性能一致，说明该系统在长时间运行后，反应系统仍然稳定，证明了该反应系统适用于的生物质焦油的提炼工艺。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：至少包括用于容纳反应物料的反应器壳体，所述反应器壳体内下部固定设置有分布器，所述反应器壳体内部上部设置有防止催化剂逸出设备，所述反应器壳体设置有原料入口和产品出口，所述原料入口至少包括生物质焦油入口，所述生物质焦油入口设置于所述反应器壳体的侧壁下部且位于所述分布器的上方。

2.根据权利要求1所述生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：所述生物质焦油入口与所述分布器的垂直距离为2-100cm。

3.根据权利要去2所述生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：所述产品出口包括反应器气体出口和出液口，所述反应器气体出口位于所述反应器壳体的顶部，所述出液口位于所述反应器壳体的侧壁的上端部；

所述原料入口还包括设置于所述反应器壳体顶部的催化剂入口、设置于反应器壳体的并位于分布器下方的氢气入口和循环油入口。

4.根据权利要求3所述生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：所述沸腾床反应器还包括设置于反应器壳体外并与反应器壳体连通的循环分离系统，所述循环分离系统包括气液分离器和循环泵，所述气液分离器的侧壁上端设置有进液口，气液分离器的侧壁中下部设置有出油口，位于气液分离器的底部设置有排液口，位于气液分离器的顶部设置有气体出口，所述出油口与循环泵的入口连通，所述进液口与所述出液口连通，所述循环泵的出口与所述循环油入口连通。

5.根据权利要求3所述生物质焦油的沸腾反应器，其特征在于：所述沸腾床反应器还包括设置于反应器壳体外并与反应器壳体连通的循环分离系统，所述循环分离系统包括气液分离器和循环泵，所述气液分离器的侧壁上端设置有进液口，位于气液分离器的底部设置有排液口，位于气液分离器的顶部设置有气体出口，所述反应器壳体的侧壁上端还设置有循环液出口，所述循环泵的入口与循环液出口连通，所述循环泵的出口与所述循环油入口连通，所述进液口与所述出液口连通。

6.根据权利要求4所述生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：所述循环分离系统还设置有液位控制器并使气液分离器内的液位保持在气液分离器的进液口与出油口之间。

7.根据权利要求5或6所述生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：所述反应器壳体设置有催化剂移出管，所述催化剂移出管的上端伸入到分布器并上端端部与分布器上表面齐平，催化剂移出管的下端从反应器壳体的底部伸出。

8.根据权利要求7所述生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：所述反应器壳体的出液口设置有过滤器或者旋流分离器。

9.根据权利要求8所述生物质焦油的沸腾床反应器，其特征在于：所述生物质焦油入口设置有进油管，所述进油管外套有冷却水套。