CN103962067B - 一种用来进行浆态床反应的方法 - Google Patents

Abstract

一种用来进行浆态床反应的方法，所述方法包括以下步骤：i)将气态组分引入所述浆态床反应器，使得所述气态组分上升，同时带动浆料随之上升,所述气态组分在所述浆料中发生反应；ii)所述反应的气态产物和未反应的气态组分上升离开浆态床层(3)，而至少一部分浆料从导流管(17)的上部开口进入所述导流管(17)，沿着所述导流管(17)向下流动，从导流管(17)的下部出口流出进入环形空间，且至少一个所述喷嘴喷射气体、液体或者浆液；(iii)重复上述步骤（i）和（ii）。本发明所述的方法可以促进浆态床反应体系内的物质和热量传递。

Description

一种用来进行浆态床反应的方法

技术领域：

本发明属于化工领域，涉及一种用于进行浆态床反应的方法。

背景技术

在有机化学合成工艺中，同时包含气态、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，例如费-托合成的浆态床反应器就是一种工业应用的三相反应器。费托合成过程是指将合成气(CO+H₂)转化为烃类和少量有机含氧化合物的化学转化过程，其主要特征为强放热。最初，人们尝试使用固定床和流化床反应器来进行费-托反应操作，但是这些反应器的传热效能并不理想，对反应控制会带来很大的困难。为此，人们开发出了新颖的浆态床反应器。浆态床反应器的特点在于，在反应器内包含悬浮有固体细粒的液体浆液层，而气体物料以鼓泡的形式从该液体浆液层中通过，使得固-液-气三相在合适的反应条件下接触，以完成三相反应。所述浆态反应器中的液相可以是反应物，也可以是悬浮固体催化剂的载液。与传统的固定床和流化床反应器相比，浆态床可以使反应温度得到有效控制，将反应热有效移除，同时更有利于实现大型化生产。

三相浆态床在化工过程中得到广泛的应用。在现有的文献和专利中有许多的报道。如中国专利99127184.X提供了一种气液固三相循环反应器；中国专利03151109.0提供了一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器；中国专利200710037008.5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；中国专利101396647A公布的“用于费-托合成的气液固三相悬浮床反应器”，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；而南非Sasol公司已基本实现了浆态床反应器技术工业化(A.M.Steynberg,M.E.Dry,B.H.Davisand B.B.Breman,表面科学和催化研究(Studies in Surface Science andCatalysisi)152,A.Steynbergand M.Dry(eds.),m64-195,Elsevier B.V.,2004)。

但是，以上这些现有技术中开发的费托浆态床反应器仍然停留在依靠自然鼓泡或者导流筒内外密度差来实现反应器内浆液的循环。一方面为了避免浆液循环不足情况下，导致的反应器内催化剂沉降、团聚以及失活，需要提高气体流速；同时，为了加强混合效果和传质传热效率，也需要反应器在较高气体流速下进行操作。另一方面，对于现有技术开发的装置来说，如果在较高气体流速下进行操作，气体与浆液相对滑移速度过大，从而引起严重返混，由此显著影响反应效率。因此，人们需要开发出一种新颖的三相内循环浆态床反应方法，通过提高浆液的循环速度，从而提高操作气体流速，进而提高反应器的空间利用率和时空产率，改进反应效率。

发明内容：

针对以上问题，本发明提供了一种新颖的用来进行浆态床反应的方法，该方法使用浆态床反应器，所述浆态床反应器包括反应器壳体1、设置在所述反应器壳体1之内或之上的以下部件：上部出口13、导流管17、下部入口12以及浆态床层3，其中，在所述导流管17中设置有至少一个喷嘴，所述喷嘴的开口方向朝向下方或斜下方，所述方法包括以下步骤：i)从所述下部入口12将气态组分引入所述浆态床反应器，使得所述气态组分在所述导流管17的外壁和所述反应器壳体1的内壁之间的环形空间上升，同时带动该空间内浆态床层3的浆料随之上升,所述气态组分在所述浆料中发生反应；ii)所述反应的气态产物和未反应的气态组分上升离开所述浆态床层3，从所述浆态床反应器的上部出口13排出，而至少一部分浆料从所述导流管17的上部开口进入所述导流管17，沿着所述导流管17向下流动，从导流管17的下部出口流出进入环形空间，且至少一个所述喷嘴喷射气体、液体或者浆液；(iii)重复上述步骤（i）和（ii）。

在本发明的一个实施方式中，所述导流管17中设置多个喷嘴19-1，所述喷嘴19-1穿过所述导流管17的管壁，喷嘴19-1的开口方向与轴向的夹角为0～90°，优选5～45°，更优选为25～30°。

在本发明的另一个实施方式中，所述多个喷嘴19-1沿导流管17内壁以分层螺旋形式设置，每层设置1～8个喷嘴，优选每层设置1个喷嘴；从所述导流管17的顶部观察的时候，所述多个喷嘴沿导流管17的周边均匀设置。优选地，从所述导流管17的顶部观察的时候，所述多个喷嘴19-1的开口方向与所述导流管17管壁的夹角为0～90°。

在本发明的另一个实施方式中，所述导流管17内部下端设置有一个莲蓬头形状的喷嘴19-2，所述喷嘴沿反应器轴线设置，开口向下。优选地，所述莲蓬头形状的喷嘴19-2的下缘距所述导流管17的下部出口0～1米，优选为0.5米，所述莲蓬头形状的开口所呈扇形的角度为10～90°，优选为60°。

在本发明的另一个实施方式中，所述导流管17包括位于其顶部的扩张口18，所述扩张口18的外表面上设置有多层平行的环状凸起结构，所述环状凸起结构与所述浆态床反应器轴向的夹角为30-80度，优选50-70度，最优选为60度。

在本发明的另一个实施方式中，所述浆态床反应器还包括：隔板23、扩展段24、换热管4、气体分布器11。

在本发明的另一个实施方式中，在所述导流管17下方设置有锥形挡板21。

在本发明的另一个实施方式中，所述气体分布器11包括分布在其上的多个短管22，每个短管具有侧向的开孔，所述开孔与轴向的夹角为45°-90°，优选为45°或90°。

在本发明的另一个实施方式中，所述换热管包括上段换热管4-1、中段换热管4-2和下段换热管4-3，所述上段换热管、中段换热管和下段换热管分别包括入口5,7,9和出口2,6,8。

在本发明的另一个实施方式中，所述导流管17上端包括扩张口18，该扩张口18的上缘位于所述浆料床层3液面以下0.1-1米的深度，优选0.1-0.5米的深度。

在本发明的另一个实施方式中，所述反应器还包括分离器14，所述分离器14下方延伸出一条下料腿16，所述下料腿16伸入所述导流管17之内。

在本发明的另一个实施方式中，从所述喷嘴喷射气体，优选喷射所述气态组分。优选地，所述浆态床反应是费-托反应。

本发明的另一个方面提供了一种用来进行浆态床反应的方法，该方法使用浆态床反应器，所述浆态床反应器包括反应器壳体、设置在所述反应器壳体之内或之上的以下部件：上部出口、导流管、下部入口以及浆态床层，且在所述导流管中设置有至少一个喷嘴，所述喷嘴的开口方向朝向下方或斜下方，所述方法包括以下步骤：i)从所述下部入口将气态组分引入所述浆态床反应器，使得所述气态组分在所述导流管17的外壁和所述反应器壳体1的内壁之间的环形空间上升，同时带动该环形空间内浆态床层的浆料随之上升,所述气态组分在所述浆料中发生反应；ii)所述浆态床层的至少一部分浆料通过所述导流管的上部开口进入所述导流管，并沿着所述导流管向下流动，从导流管的下部出口流出进入环形空间，且至少一个所述喷嘴喷射气体、液体或者浆液进入所述环形空间；(iii)重复上述步骤（i）和（ii）。

附图说明

图1是用来实施本发明方法的一种浆态床反应器的示意图；

图2是图1所示反应器的导流管的纵截面图；

图3是图1所示反应器的导流管的横截面图；

图4是用来实施本发明方法的另一种浆态床反应器的示意图；

图5是图4所示反应器的导流管的纵截面图；

图6是分离器以及相关部件的示意图；

图7是气体分布器的结构示意图；

图8(a)-8(d)是本发明实施例1-3所用喷嘴的设置方式的布置示意图。

附图标记：

扩展段 24

隔板 23

短管 22

锥形挡板 21

下料管 20

喷嘴 19-1，19-2

扩张口 18

导流管 17

下料腿 16

分离器出口 15

分离器 14

上部出口 13

下部入口 12

气体分布器 11

物料出口 10

上段换热管入口 5

中段换热管入口 7

下段换热管入口 9

上段换热管出口 2

中段换热管出口 6

下段换热管出口 8

换热管 4-1、4-2、4-3

浆态床层 3

壳体 1

具体实施方式

本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含和可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-80、60-110、80-120和110-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-2、1-3、1-4、1-5、2-3、2-4、2-5、3-4和4-5。在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，但是优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。

本发明所述的方法可以用来实施浆态床反应，浆态床反应是一种使得气态反应物与固体在液体物质的浆液中发生反应的体系。虽然以下结合附图描述了用来实施本发明方法的反应装置和体系，但是本领域技术人员可以在不背离本发明精神和范围的前提下对这些反应装置和体系进行修改和改良，以适应具体的要求。

图1显示了用来实施本发明方法的一种浆态床反应器，此反应器包括壳体1，在壳体1之内从顶部到底部依次包括隔板23、扩展段24、导流管17、三段式换热管4-1、4-2、4-3、以及气体分布器11。包含液体以及固体物质的浆态床层3位于反应器中，在进行反应的过程中，使得气态反应物从壳体1下端的入口12进入反应器，经气体分布器11均匀化分布，如图1中两侧向上的箭头所示上升通过浆态床层3，根据具体的反应种类选择温度、压力等反应条件，从而进行反应，生成所需的产物。在浆态床层3上方设置有分离器14，该分离器可以是任何适合用来将气相产物与浆液分离的任何已知的分离装置或者以后可能开发的分离装置，例如可以使用旋液分离器。

为了改进反应器内浆液和气体物料的循环以及热量的转移，本发明在导流管17内设置了至少一个喷嘴，所述喷嘴的开口方向朝向下方或斜下方，优选使得所述开口方向与所述反应器轴向的夹角为0～90°。在本发明中，所谓“轴向”表示通过反应器中线的方向，如图1中向下的箭头所示的方向。如图2所示，所述导流管17内设置有四个喷嘴19-1，这些喷嘴穿过所述导流管17的管壁，开口方向为倾斜向下，与轴向的夹角为5～45°，优选为10～40°，更优选为15～35°，更优选为20～33°，更优选为25～30°。这些喷嘴相对于导流管17呈分层螺旋形式设置，每层设置一个喷嘴，从顶视图3可以看到，四个喷嘴是沿着导流管的圆周均匀设置。但是本领域技术人员可以理解，根据具体的工艺要求，可以在导流管17内设置任意数量的喷嘴19-1，并在每层（每个水平高度）设置不同数量喷嘴，优选设置1-8个喷嘴，更优选设置1-6个喷嘴，更优选设置1-4个喷嘴，更优选设置1-2个喷嘴，更优选设置1个喷嘴。因此，从俯视图来看，这些沿导流管圆周设置的喷嘴之间可以采取各种均匀或不均匀的设置方式，优选各个喷嘴是沿着导流管圆周以均匀方式设置的。在导流管的俯视图中，例如图3、图8(c)和图8(d)所示，所述喷嘴19-1的开口方向与导流管壁的夹角可以是任意合适的方向，优选0-90度，本文所述的喷嘴19-1的开口方向与导流管壁的夹角表示与该位置导流管壁横截面上的圆周切线的夹角，例如图8(c)显示了0度的情况，即喷嘴19-1的开口方向沿着导流管内壁切向。而在图8(d)中，喷嘴19-1从导流管壁向内延伸，与导流管内壁呈0-90度之间的特定夹角。

在本发明的一个优选实施方式中，所述喷嘴19-1在导流管内向斜下方喷射气体、液体或者浆液，所述气体可以是任意的不会对反应造成负面影响的气体，例如空气、氧气、氮气、稀有气体或者该反应具体使用的气体原料中的一种或多种组分。在本发明的一个优选的实施方式中，所述喷嘴中喷射的气体是反应使用的气体原料中的一种或多种组分。在本发明的一个优选的实施方式中，在本发明的反应器内进行费-托反应，喷嘴中喷射的气体是原料合成气。

在本发明的浆态床反应器中，所述喷嘴19-1与气体供应装置相连，用来向导流管内喷射气体，这些气体供应装置可以是本领域已知的任意气体供应装置，为了简化起见，在附图中省略了这些与喷嘴相连的气体供应装置。

图4显示了本发明的另一个实施方式，在此实施方式中，导流管17中不是使用多个以螺旋分层方式设置在内壁周边的喷嘴，而是使用沿着反应器中线设置的一个莲蓬头形状的喷嘴19-2，所述喷嘴开口沿轴向设置，开口向下，距所述导流管的下部出口0～1米，更优选0.1～0.9米，更优选0.2～0.8米，更优选0.3～0.7米，更优选0.4～0.6米，更优选为0.5米，所述莲蓬头形状的开口所呈扇形的角度为10～90°，优选为20～80°，更优选为30～70°，更优选为60°。所述喷嘴中喷射的气体与图1所示装置的喷嘴喷射的气体是相同的。所述喷嘴19-2也是与本领域已知的任意气体供应装置相连，在附图同样中省略了这些与喷嘴相连的气体供应装置。

另外，本发明还对导流管17进行了进一步的改进，具体来说，如图2所示，导流管17包括顶部的扩张口18、下料管20、锥形档板21以及设置在所述下料管20之内的多个喷嘴19-1。所述扩张口18的外表面上设置有多层平行的环状凸起结构，所述环状凸起结构与所述浆态床反应器轴向的夹角为30-80度，优选50-70度，最优选为60度。在图1所示的反应器中，分离器14、导流管17、气体分布器11、气体入口12、气体出口13、隔板23等部件都是相对于该反应器的中线为中心设置的，但是本领域技术人员能够理解，根据具体的工艺要求，这些部件中的一个或多个也可以采取偏离中线设置的方式。

在所述导流管17下方设置有锥形挡板21，该锥形挡板是一个圆锥形的结构，尖头向上，朝向导流管17下端的开口。

图1的反应器包括三段式换热管，该三段式换热管包括上段换热管4-1、中段换热管4-2和下段换热管4-3。在反应过程中，热交换流体通过这三个换热管的入口5、7和9流入，在通过换热管壁与反应器内的物料进行热交换之后，分别从出口2、6和8流出。根据反应工艺是放热反应或吸热反应，所述换热管内可以使用冷却流体或加热流体，用来将热量从反应体系中移走，或者用来对反应体系进行加热。可以使用本领域工艺的任意热交换流体，例如空气、水、油、醇类等。该实施方式中使用三段式换热管结构，其中可以看到，从下到上，换热管的尺寸逐渐变粗，数量逐渐减少，也即是说，换热管的总体换热能力从下到上逐渐减小。这是由于考虑到气体反应物从反应器底部的气体入口12输入，在底部的浓度较高，此处的反应也最为剧烈，随着气体反应物的上升，其逐渐发生反应而被消耗，使得气体反应物的浓度降低，由此导致反应放热或吸热在纵向方向上呈现不均匀的状态，故换热管分布密度由下往上递减，以保证反应器内不同高度处的总体温度处于较稳定的状态。

所述反应器的气体分布器11包括设置在其上的多个短管22，如图7所示，这些短管沿着不同的同心圆以环形带状形式分布。如图7所示，在短管的处于分布器圆盘平面上方的部分设置着沿横向方向的开口，这样的设计可以有效地避免沉降的催化剂对这些开口造成堵塞。图7显示开口这些短管开口的方向是与轴向相垂直的方向，但是也可以采取向着侧下方开口的倾斜方向。例如，与轴向的夹角可以为45°-90°，优选为45°或90°。

分离器14设置在所述导流管17的上方，其包括分离器出口15以及下料腿16。其中分离器出口15设置在隔板23的上方，而分离器本体14和下料腿16位于隔板23的下方。出料腿向下延伸到浆态床层3的液面以下，并延伸入导流管17的扩张口18之内。这种作法能使气液分离器分离出的液体直接导入密度较大的导流管内，促进导流管内外的流体循环。在本发明的这个实施方式中，所述分离器优选是旋液分离器，该旋液分离器的切向入口的气体流速在10至30米/秒范围。

在所述的反应器中部的三层换热管之间的位置设置有物料出口10，用来在反应过程中抽出浆态床层中形成的液态产物、副产物、中间产物或失活的催化剂。例如，当使用图1所示的反应器进行费-托反应的时候，可以从所述物料出口10将浆料中包含的合成油蜡产物抽出。

所述导流管顶端的高度与浆态床层液面的高度接近，并淹没在浆态床液面位的下方。在本发明的一个实施方式中，所述扩张口的上缘位于所述浆料床层液面以下0.1-1米的深度，优选0.1-0.9米的深度，更优选0.1-0.8米的深度，更优选0.1-0.7米的深度，更优选0.1-0.6米的深度，更优选0.1-0.5米的深度。

以图1为例，本发明的方法按照以下方式进行操作：在反应之前，在反应器内装入浆料，形成浆态床层，使得浆态床层的液面没过导流管的扩张口顶面。然后使得反应器处于合适的反应条件之下，从反应器下部入口通入气态反应物。所述反应物气体经气体分布器喷出，在所述导流管和反应器外壳之间的空间内向上流动，同时带动导流管外部的床层中的浆液向上流动，形成气液固三相并流向上的浆态床层。当所述气液固三相流体到达扩张口高度时，气体因密度小浮力大保持向上流动直至脱离浆态床层的液面，而液体和催化剂因密度大翻流入扩张口内，从导流管向下流动，从导流管下部出口流出，重新回到导流管外部的空间之内，在来自气体分布器的气体反应物的作用之下向上流动。由于在导流管下方设置有锥形挡板，可以有效地防止来自气体分布器的气体反应物从导流管下部出口直接进入导流管，由此造成导流管内外流体形成了循环流动，循环的液体和催化剂间接成为反应器补充的流体。但由于导流管占用的反应器空间远小于该导流管外形成的流体循环体积，因此如果不使用喷嘴，而仅靠密度差进行上述循环，所得效果不佳。鉴于此，本发明人在导流管中设置了多个向斜下方喷气的气体喷嘴。从气体供应装置输送的气体物料经过所述气体喷嘴喷射入导流管内，为导流管内的浆液提供向下的推动力，从而使整个反应器内产生更好的循环效果。而另一方面，由于申请人在导流管的上端添加了扩张口，并在扩张口外表面上设置了多层平行的环状凸起结构，在上文所述浆液翻入导流管的扩张口内的时候，带有此种结构的扩张口能够更好地促进气-液分离，尽可能降低翻入导流管内的浆液中挟带的气泡，进一步减小了挟带入导流管的气泡对浆液循环产生的阻力。此外，为了防止来自气体分布器的原料气体在上升过程中从导流管底部开口直接进入导流管，发明人在导流管出口下方设置了一个锥形挡板，有效地防止原料气体从导流管底部开口直接进入导流管。发明人发现，如果原料气体从导流管底部开口直接进入导流管，会对反应器循环造成阻力，降低反应器空间利用率，而该锥形挡板则使反应器内浆液实现顺利循环。

而在图4所示的反应器中，发明人在导流管17内沿着中轴线设置了一个开口向下的莲蓬头形式的喷嘴，其工作原理和效果与图1的喷嘴类似，同样促进了导流管内外浆液沿着图中箭头所示的循环流动。

由此可见，发明人对导流管进行了全方位的系统改进，其中在顶部设置的外表面上具有多层平行的环状凸起结构的扩张口以及导流管下方的锥形板都是用来消除以不当的方式混入导流管中的气泡产生的阻力；而向下喷气的喷嘴则用来提供额外的向下流动的动力。三者相结合，可以显著提高导流管内的浆料流动，促进反应器内循环的效率。

另外，在现有技术中，气体分布器的开口往往是向上的，使得这些开口很容易被沉降的固体催化剂以及其它的组分堵塞。对此，申请人还对气体分布器进行了进一步的改进。如以上结合图7进行的论述，在本发明的气体分布器中包括多个短管采用环形结构分布的短管，这些短管向着侧向或侧下方的方向开孔进行喷气。这种技术方案的优点是短管式高气速喷嘴提高了反应器内气液固三相混合，同时侧向开孔避免催化剂颗粒掉入开孔中导致堵塞。此外，环形带状分布器能够有效地把反应气体均匀分布到反应区域。

因此，与现有的技术相比，本发明的技术效果是：

1.导流管内部设置了向着下方或斜下方喷射气体的气体喷嘴，同时顶部设置的外表面具有多层平行的环状凸起结构的扩张口提高了气液分离效果，出口锥形挡板也有利于加速液体循环流动，提高了反应器内的空速以及空间利用率，降低了反应器投资；

2.在环形带状均匀分布短管的气体分布器中，通过短管侧面开孔的方式，解决了开孔易被催化剂堵塞的问题，从而保证了在反应过程中，该气体分布器能够始终保持较高的气体流速，对循环反应器的气体与浆液的混合均匀度更有保证；

3.另外，通过上述结构设计促进导流管内外浆液的循环，有效地将浆态床层顶部的催化剂重新循环到反应器底部，避免催化剂因一直停留在氧化气氛下的浆态床层顶部而失活；由于导流管内的喷嘴提供一部分原料反应气体，进一步保证了催化剂处于不易被氧化的气氛之下，改善了催化剂微反应环境，从而提高了催化剂的稳定性。

本发明的反应器可以用来进行任意的气-液-固三相浆态床反应。例如，在本发明的一个优选实施方式中，使用该反应器进行费-托反应，以包含一氧化碳和氢气的合成气气体为原料，将固体催化剂悬浮在惰性液体溶剂中形成浆态床层，在适当的反应条件下使得合成气气流在导流管外部通过所述浆液，在与浆液的物料一起上升的过程中反应生成包括蜡和烃油在内的烃类并伴随大量放热。反应产生的热量通过反应器内的上中下三端换热管的热交换作用移除。具体来说，在一个实施方式中，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通入冷却水，通过换热管4-1、4-2、4-3的管壁与浆态床层进行热交换，然后从上段换热管出口2、中段换热管出口6以及下段换热管出口8流出。在所述三段换热管之间的位置设置物料出口10，用来将床层中生成的产物蜡和烃油抽出，对蜡和烃油产物的抽出量进行控制并随时注意补充惰性溶剂，以使得浆态床的液面高度保持在高于导流管顶端的合适范围之内。

合成气上升至浆态床层的液面处并从该液面处逸出时，其中携带有少量液态的产物蜡或合成油、溶剂以及固体催化剂，这些尾气上升进入分离器14，在此优选实施方式中为旋液分离器。所述尾气中的合成气在旋液分离器内与蜡和合成油液体、溶剂以及催化剂固体分离，净化后的气体从旋液分离器出口15排出，分离出的液体和催化剂沿着下料腿16向下流入导流管17内，从而促进导流管17内外的流体循环。

旋液分离器的出口15伸至隔板23上方，脱除液体和催化剂之后的净化气体在隔板上方经反应器上部出口13排出。

虽然在以下实施例中以费-托反应为例具体描述了本发明方法的具体操作步骤，但是应当理解，本发明的方法可以类似地用于其它任意的三相浆态床反应，例如使用合成气一步法合成二甲醚，三相浆态床合成甲醇等工艺。

以下实施例用来具体说明本发明，但是本发明的保护范围不限于此。

实施例

实施例1：

该实施例使用图1所示的反应器进行费-托合成，浆态床不锈钢反应器壳体内径为1.2米，反应器轴向高度为35米，反应器内布置1个导流管，反应器顶部布置1个旋液分离器。浆态床液面位于合成气分布器上方18米处。导流管的顶部的扩张口上缘位于合成气分布器上方14.5米高度，导流管的下料管底部位于合成气分布板上方0.2米高度，导流管17的下料管20的内径为0.36米。

导流管完全淹没在浆态床层液面下方，导流管17上端扩展口外表面上包括六排环状凸起结构，这些环形凸起结构的高度为0.25米，与轴向的夹角为60°；导流管的下料管内设置8个向着斜下方开口的螺旋排列的喷嘴，喷嘴的直径为0.02米，这些喷嘴与合成气供应装置(图中未显示)相连，每个喷嘴以10米/秒的气体流速喷射合成气。如图8(a)所示，喷嘴与轴向呈30°的夹角，喷嘴穿过导流管17的管壁，8个喷嘴分层设置，每层设置一个，从沉降管扩张段下方1米处自上而下设置，各层之间的垂直间距为1米，如图8(c)的俯视图所示，相邻各层喷嘴沿着导流管圆周以均匀的方式设置，并且在水平方向上沿导流管管壁的切向方向开口，通过此种螺旋形式的喷气使导流管内浆液形成螺旋向下的吸力，从而产生更好的循环效果。由表2可知，与未开启这些喷嘴的情况相比，在开启喷嘴喷气之后，导流管内的液体流速提高83%。此外，为了防止合成气在上升过程中从导流管底端进入导流管内，所以在导流管底端下方设置了一个锥形挡板，使反应器内浆液顺利循环。

旋液分离器位于反应器顶部，在此旋液分离器中，将未反应的合成气以及作为副产物形成的轻质烃类气体与气体中所携带的液体及催化剂分离，然后使得气体从旋液分离器出口流出，到达隔板上部的空间，最终从反应器顶部的出口流出，分离出的液体和催化剂沿下料腿流入导流管，这也将有助于导流管内外的循环。

反应生成的产物蜡与烃油从反应器中部的物料出口10抽出，必要时可以调整抽出量以改变浆态床层的高度。

在该实施例中，反应器内的温度、压力、从反应器下端输入的合成气组成和表观气速如以下表1所示，在导流管内通过喷嘴输入组成相同的合成气原料。采用的溶剂为液体石蜡油，其为碳原子数约18～30的烃类混合物，主要组分为直链烷烃（约为80%～95%），还有少量带个别支链的烷烃和带长侧链的单环环烷烃（两者合计含量20%以下），使用费-托反应常规的钴基催化剂，浆液中催化剂的质量分数为15%。关于本发明使用的浆液的详细描述可参见常杰等，催化学报，26（10），859-868，2005。

原料合成气自反应器底部的合成气入口送入反应器中，通过气体分布器上的短管侧向开孔进行气体分布后，在导流管与反应器壁面之间的反应区内均匀分布并上升。由于费-托合成反应为强放热反应，需要通过三段式换热管及时除去热量，将维持浆态床层温度在表1所示的预定温度。为了实现该目的，换热管内通入冷却水，控制通入的水量和温度，优选的通入水的温度为180～200℃。在此反应区内，浆态床中的合成气、合成的蜡与烃油、催化剂三者组成气-液-固三相混合物。合成气在催化剂的作用下发生费托合成反应生成蜡与烃油，同时产生部分副产物轻质烃类，并通过岛津公司生产的GC-14C型气相色谱分析仪进行产物的表征及分析，得到具体组分及其含量等，结果汇总列于表1。

本发明人使用实施例1所述的浆态床反应器进行费-托反应，使用气相色谱检测上部出口处的CO浓度，计算CO转化率，根据CO转化率评价反应器装置的效率。同时还在不开启导流管内的喷嘴的情况下，在相同的反应条件进行了反应，计算CO转化率作为对照实验。另外，还在导流管内设置了流速检测计，测定反应过程中浆料向下的流动速度。另外，发明人还持续进行费-托反应，根据气相反应对产物CO的检测结果调节催化剂的更新速率，具体来说，当CO转化率降至初始值的80％的时候，就从反应体系内移出催化剂，加入新鲜的催化剂，直至CO转化率升高到初始值的95％以上为止。随着时间的推移不断重复上述操作，当补充加入的新的催化剂的量与初始催化剂的量相等的时候，则认为100％的催化剂已经被替换，以此时的小时数作为催化剂的寿命。以上结果汇总见表2。

实施例2：使用与实施例1相同的反应装置，但是区别在于，如图8(b)所示，对导流管内的喷嘴的设置方式进行了以下改变：将8个喷嘴分为两层设置，两层之间的垂直间距为4米，每一层设置4个喷嘴，在导流管扩张段下方4米以及8米处设置，这些喷嘴围绕导流管圆周均匀设置，每个喷嘴与轴向之间的夹角为30°，喷嘴水平方向上的设置方式仍然如图8(c)所示，即喷嘴开口方向沿导流管管壁的切向方向，相关实验结果见表2。

实施例3：反应器设置方式与实施例1相同，区别在于，在俯视图中，喷嘴按照图8(d)所示的方式进行设置，使得喷嘴的开口更靠近导流管中部的位置，开口方向与喷嘴穿过导流管管壁处切向方向的夹角约为60度，此种设置方式可以避免喷气受到反应器壁面的阻碍，相关实验结果见表2。

实施例4：在保持反应器其他装置不变的情况下，改变导流管17上安置的喷嘴布置，采用如图5所示的莲蓬头形状的喷嘴19-2，所述喷嘴开口沿轴向向下设置，距所述导流管的下部出口0.5米，所述莲蓬头形状的开口所呈扇形的角度为60°。其喷嘴直径大小为0.02米。喷嘴与外部合成气供应装置相连，供应的合成气与反应器下部入口引入的合成气相同，合成气进气速度为10米/秒，相关实验结果见表2。

表1.费托合成鼓泡浆态床反应器的反应条件和产物烃类组成

表2.各种浆态床反应器进行费托反应的测试结果

	无喷嘴	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
						催化剂寿命/h	1800	3500	3800	4000	2500
导流管内流速/m/s	3	5.5	5.8	6	4.2
						CO转化率/%	50	58.1	60.2	63.7	54.3

从表2可以看到，通过在导流管内使用喷嘴，使得导流管内浆料流的流速显著提高，相应地使得CO转化率获得显著的提高，这表明本发明的浆态床反应器中能够实现更流畅的物料循环，由此促使反应更有效地进行。另外，由于导流管内外循环的效率显著提高，使得在导流管外部上升至浆料的液面附近的催化剂颗粒能够更有效地循环回到反应器底部附近，有效地抑制了催化剂聚集在浆液的顶部液面附近，受到氧化气氛的氧化而失活，由此显著延长了催化剂寿命。

在以上实施例1-4中的不同反应器结构中，实施例3的反应器获得最优的导管内流速和CO转化率，这是因为与实施例1和2相比，在横截面图中，实施例3的喷嘴不是沿着导流管内壁切向方向设置的，有效减少了导流管内壁对喷嘴喷射的气体的阻力，最大程度地利用喷嘴射出的气流来促进反应器内物料的循环。实施例4的导管内流速和CO转化率相对于对比实验的改进程度最小，但是仍然实现了比较大幅度的改进，具有工业实用价值。

Claims (25)

1.一种用来进行浆态床反应的方法，该方法使用浆态床反应器，所述浆态床反应器包括反应器壳体(1)、设置在所述反应器壳体(1)之内或之上的以下部件：上部出口(13)、导流管(17)、下部入口(12)以及浆态床层(3)，其中，在所述导流管(17)中设置有至少一个喷嘴，所述喷嘴的开口方向朝向下方或斜下方，所述方法包括以下步骤：

i)从所述下部入口(12)将气态组分引入所述浆态床反应器，使得所述气态组分在所述导流管(17)的外壁和所述反应器壳体(1)的内壁之间的环形空间上升，同时带动该空间内浆态床层(3)的浆料随之上升,所述气态组分在所述浆料中发生反应；

ii)所述反应的气态产物和未反应的气态组分上升离开所述浆态床层(3)，从所述浆态床反应器的上部出口(13)排出，而至少一部分浆料从所述导流管(17)的上部开口进入所述导流管(17)，沿着所述导流管(17)向下流动，从导流管(17)的下部出口流出进入环形空间，且至少一个所述喷嘴喷射气体、液体或者浆液；

(iii)重复上述步骤(i)和(ii)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)中设置多个喷嘴(19-1)，所述喷嘴(19-1)穿过所述导流管(17)的管壁，喷嘴(19-1)的开口方向与浆态床反应器轴向的夹角为0～90°。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)中设置多个喷嘴(19-1)，所述喷嘴(19-1)穿过所述导流管(17)的管壁，喷嘴(19-1)的开口方向与浆态床反应器轴向的夹角为5～45°。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)中设置多个喷嘴(19-1)，所述喷嘴(19-1)穿过所述导流管(17)的管壁，喷嘴(19-1)的开口方向与浆态床反应器轴向的夹角为25～30°。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个喷嘴(19-1)沿导流管(17)内壁以分层螺旋形式设置，每层设置1～8个喷嘴；从所述导流管(17)的顶部观察的时候，所述多个喷嘴沿导流管(17)的周边均匀设置。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个喷嘴(19-1)沿导流管(17)内壁以分层螺旋形式设置，每层1个喷嘴；从所述导流管(17)的顶部观察的时候，所述多个喷嘴沿导流管(17)的周边均匀设置。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，从所述导流管(17)的顶部观察的时候，所述多个喷嘴(19-1)的开口方向与所述导流管(17)管壁的切线的夹角为0～90°。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)内部下端设置有一个莲蓬头形状的喷嘴(19-2)，所述莲蓬头形状的喷嘴(19-2)沿反应器轴线设置，开口向下。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述莲蓬头形状的喷嘴(19-2)的下缘距所述导流管(17)的下部出口0～1米，所述莲蓬头形状的开口所呈扇形的角度为10～90°。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述莲蓬头形状的喷嘴(19-2)的下缘距所述导流管(17)的下部出口0.5米，所述莲蓬头形状的开口所呈扇形的角度为60°。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)包括位于其顶部的扩张口(18)，所述扩张口(18)的外表面上设置有多层平行的环状凸起结构，所述环状凸起结构与所述浆态床反应器轴向的夹角为30-80度。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)包括位于其顶部的扩张口(18)，所述扩张口(18)的外表面上设置有多层平行的环状凸起结构，所述环状凸起结构与所述浆态床反应器轴向的夹角为50-70度。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)包括位于其顶部的扩张口(18)，所述扩张口(18)的外表面上设置有多层平行的环状凸起结构，所述环状凸起结构与所述浆态床反应器轴向的夹角为60度。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆态床反应器还包括：隔板(23)、扩展段(24)、换热管(4)、气体分布器(11)。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述导流管(17)下方设置有锥形挡板(21)。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述气体分布器(11)包括分布在其上的多个短管(22)，每个短管具有侧向的开孔，所述开孔与浆态床反应器轴向的夹角为45°-90°。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述气体分布器(11)包括分布在其上的多个短管(22)，每个短管具有侧向的开孔，所述开孔与浆态床反应器轴向的夹角为45°或90°。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述换热管包括上段换热管(4-1)、中段换热管(4-2)和下段换热管(4-3)，所述上段换热管、中段换热管和下段换热管分别包括入口(5,7,9)和出口(2,6,8)。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)上端包括扩张口(18)，该扩张口(18)的上缘位于所述浆料床层(3)液面以下0.1-1米的深度。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流管(17)上端包括扩张口(18)，该扩张口(18)的上缘位于所述浆料床层(3)液面以下0.1-0.5米的深度。

21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应器还包括分离器(14)，所述分离器(14)下方延伸出一条下料腿(16)，所述下料腿(16)伸入所述导流管(17)之内。

22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述喷嘴喷射气体。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述喷嘴喷射所述气态组分。

24.如权利要求1-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述浆态床反应是费-托反应。

25.一种用来进行浆态床反应的方法，该方法使用浆态床反应器，所述浆态床反应器包括反应器壳体、设置在所述反应器壳体之内或之上的以下部件：上部出口、导流管、下部入口以及浆态床层，且在所述导流管中设置有至少一个喷嘴，所述喷嘴的开口方向朝向下方或斜下方，所述方法包括以下步骤：

i)从所述下部入口将气态组分引入所述浆态床反应器，使得所述气态组分在所述导流管(17)的外壁和所述反应器壳体(1)的内壁之间的环形空间上升，同时带动该环形空间内浆态床层的浆料随之上升,所述气态组分在所述浆料中发生反应；

ii)所述浆态床层的至少一部分浆料通过所述导流管的上部开口进入所述导流管，并沿着所述导流管向下流动，从导流管的下部出口流出进入环形空间，且至少一个所述喷嘴喷射气体、液体或者浆液进入所述环形空间；

(iii)重复上述步骤(i)和(ii)。