CN107875980A - 一种固定床费托合成反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种固定床费托合成反应器，它包括壳体(1)，反应器入口(5)，反应器出口(6)，其特征在于壳体(1)由上封头，下封头和直管组成，在上封头有反应器入口(5)，下封头有反应器出口(6)，在直管内装有多个反应段(2)，相邻反应段(2)之间之间形成冷激区(3)，并安装有汽液分配器(4)，在冷激区(3)的汽液分配器(4)上方有冷激气入口(7)，在每个反应段(2)有壳程入口(8)和壳程出口(9)，壳程入口(8)与汽包(10)循环出口连接，壳程出口(9)与汽包(10)循环进口连接。本发明具有能使催化剂使用寿命长，提高费托合成固定床生产能力的优点。

Description

一种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及其应用。
背景技术
随着石油资源的日益枯竭和社会经济发展对能源需求的持续增长，能源供给与人类需求之间的矛盾越来越凸现。费托合成反应在催化剂作用下将合成气转化为烃类混合物，后者可进一步加工为液体燃料、润滑油、以及清洁化学品，因此，费托合成技术是解决能源/资源问题的重要途径之一。
自1920年代，德国化学家Fischer&Tropsch发现该反应起，费托合成反应研究已经历了近百年，其主要以催化剂研制和反应器开发的核心，以提高合成气转化率、C5+产物选择性和整体能效为目标。在反应器方面，1935年，由Ruhrchemie AG建设的第一套工业化费托装置在德国动工，不久之后，又有更多的费托装置相继建成。Ruhrchemie技术使用钴基催化剂，采用的反应器由若干管子和换热板组成，催化剂装填在换热板之间的壳侧，水在管中循环用于调节温度。继第二次世界大战之后，美国碳氢化合物研究所开发了Hydrocol工艺，该工艺采用固定流化床反应器，使用铁基催化剂，在纽约州中试，而后在德克萨斯州工业化，曾于1951～1957年工业化运转。在此基础上，先后对汽－液－固三相的浆态床、汽固两相的流化床反应器进行了大量开发，形成了多种形式的反应器。此两类反应器可实现大型化生产，并在南非Sasol公司得到大量应用。Sasol公司建厂之初选择了Arge工艺，其采用的循环流化床反应器在传热性能、反应温度控制方面要优于Arge固定床，但存在较高的放大风险；与流化床相比，后来开发的浆态床工艺更适用于生产柴油和蜡。目前的低温费托合成以生产称链烃类为主，其中的重质烃类会导致颗粒聚焦，影响流化效果，故不宜采用流化床；浆态床反应器内液相混合程度高，能实现很好的温度控制，但该工艺浆相中固体催化剂浓度不能过高，同时存在催化剂磨损和催化剂与产物分离问题。1930s以后，加压列管式固定床反应器的发展使得该反应器在Sasol和Shell公司的费托合成厂得到了应用。但是，到目前为止，工业化的固定床费托合成反应器存在如下问题：传统的固定床反应器受传热和传质限制，颗粒床层存在热点，催化剂产能得不到最大程度地发挥；催化剂颗粒强度与床层压降之间的矛盾，使得颗粒不能太小以保证系统的长期稳定运行；反应器放大的规模经济受到限制。
发明内容
针对传统固定床费托合成反应器受传热限制的问题，本发明的目的是提供一种能使催化剂使用寿命长，提高费托合成固定床生产能力的固定床费托合成反应器及应用。
本发明公开了一种固定床费托合成反应器。该反应器将结合轴向传热强化，采用循环气直接冷激降低每段反应后流体温度，采用循环液控制各段列管反应温度，将有效降低各床层温差，拉平床层温度，削弱床层热点，最终实现固定床费托合成反应的强化传热目的。
本发明固定床费托合成反应器，它包括壳体，反应器入口，反应器出口，其特征在于壳体由上封头，下封头和直管组成，在上封头有反应器入口，下封头有反应器出口，在直管内装有多个反应段，相邻反应段之间之间形成冷激区，并安装有汽液分配器，在冷激区的汽液分配器上方有冷激气入口，在每个反应段有壳程入口和壳程出口，壳程入口与汽包循环出口连接，壳程出口与汽包循环进口连接。
如上所述的固定床费托合成反应器使用的催化剂包括能用于费托合成反应的所有钴基催化剂。
如上所述反应段为4－5个。
如上所述的汽液分配器4为孔板，在孔板上的小孔孔径为20－40mm，开孔率为50-75％。
本发明固定床费托合成反应器的应用，包括如下步骤：
(1)新鲜合成气与冷激气的第一支流混合后进入第1个装有催化剂的反应段，从汽包给第1个反应段的壳程入口通入饱和水(饱和水：处于蒸汽－液相动态平衡状态下的液态水)，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，控制第1个反应段的温度为180～230℃；压力3～6MPa；
(2)从第1个冷激气入口喷入冷激气的第二支流，第1个反应段管程出来的物料与冷激气混合，控制温度为160～190℃，进入第2个反应段，同时给第2个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包；依次类推，从反应器出口出来的物料进入产物分离单元，从产物分离单元分离出来的尾气作为冷激气，经压缩后回流入反应段中。
反应段是列管式，内部装填有催化剂颗粒，通过隔板焊接等方式将列管与壳体连接；汽液分配器用于将上个反应段管程出来的物料聚集后均匀分配至下个反应段管程入口，冷激区用于提供冷激气与上个反应段管程出来的物料之间换热场所。
新鲜合成气与冷激气的第一支流合并后控制温度160～190℃、压力3～6MPa经反应器入口进入壳体，均匀分配后进入第1个反应段，反应物料在第1个反应段管程中与催化剂充分接触，反应生成富烃费托产物，此富烃产物在第1个反应段管程下端排出；为了保障第1个反应段中温度均匀分布并避免热点出现，在第1个反应段外侧壳程通过壳程入口通过饱和水，通过饱和水核状沸腾进行汽化移热，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包，实现汽－液分离；同时，由于第1个反应段下端排出的费托产物与反应温度相当，为了使控制第2反应段管程的入口温度以防止出现热点和避免飞温，在第1反应段下方布置冷激区作为冷凝区，在此冷激区中第1个反应段下端排出的高温费托产物受冷激气第二支流冷激降温至160～190℃，然后进入汽液分配器经均匀分配后进入第2个反应段；依次类推，如此反复经过多段列管，既保证了各段床层温度的均匀性，又防止热点和避免飞温。
所述的尾气即冷激气主要包括合成气、N2和CH4。所述的冷激气通过设置在反应器主体外的压缩机强制循环，在冷激区内冷激气与上一反应段出口物流接触换热，与此同时合成气浓度受到稀释作用，使上述物流温度降为适宜反应温度后进入下一反应段。具体地，所述冷激气的循环过程是从固定床反应器后续的深冷单元的气相中抽出部分气相，该冷激气通过循环压缩机增压后经冷却器冷却至40～80℃，使冷激气与新鲜合成气和上一反应段出口物料分别混合，将使每个反应段床层温度得到有效控制，延长催化剂的寿命，提高反应装置的安全稳定性。
第一支流与新鲜合成气的体积比例控制在2～3：1之间，以保证足够的循环量；第二支流与新鲜合成气的体积比控制在1/5～2/7之间，以保证40～80℃冷激气第二支流能够将第1个反应段2出口产物充分降至适宜反应温度，保证产物温降；第三支流与新鲜气合成气的体积比宜控制在1/4～5/16之间，以保证40～80℃冷激气第三支流能够将第2反应段出口产物充分降至适宜反应温度，保证产物温降；第四支流与新鲜合成气的体积比宜控制在2/7～1/3之间，以保证40～80℃冷激气第四支流能够将第3反应段出口产物充分降至适宜反应温度，保证产物适度的温降。第五支流与新鲜合成气的体积比宜控制在4/15～1/3之间，以保证40～80℃冷激气第五支流能够将第5反应段出口产物充分降至适宜反应温度，保证产物适度的温降。
通过饱和水对每个反应段壳程进行间接换热实现床层的温度均布和稳定操作，本发明与传统汽包换热方式的不同之外在于，饱和水采用分散方式分别打入各个反应段壳程，在各个壳程入口管路安装调节阀，根据每个反应段床层温度分布情况操作调节阀开度以增大/减小进入壳体饱和水流量，从而灵活精准地控制床层温度。具体地，饱和水的流量根据单管试验基础数据及放热量计算，例如：对工业示范装置，反应温度和进气流量一定时，对应的放热量为Q(单位：kJ/h)，则饱和水循环量范围为(1/200～1/50)×Q(单位：kJ/h)，各流股初始条件下可均匀分布总流量，即BWS1:BWS2:BWS3:BWS4＝1:1:1:1，在操作中若检测到某段列管内某处出现温度高点，可增大该段饱和水入口调节阀开度，以降低此段列管外壳程水的汽含率，强化该段列管径向移热。
具体操作中，当某段反应段(假设第2反应段)出现温度高点，或出现温度快速上升情况，通过增大第2反应段冷激气管路的调节阀开度，以增大冷激气流量，降低此冷激气与第1反应段产物混合后的流体温度，从而降低床层热点，并及时精准地抑制床层温度上涨势头。与此同时，增大第2反应段壳体入口管路的调节阀开度，以增大此段饱和水流量，从而提高单位时间饱和水汽化带走的热量，藉此从列管径向移走反应放热量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
在固定床费托合成反应器运行中通过改变管路调节阀开度，调节冷激气流量和饱和水流量，从反应段床层轴向和径向两方面同时提高移热速率，从而削弱甚至削除床层热点，使得床层温度更趋均匀，操作更加稳定安全。
附图说明
图1是本发明固定床费托合成反应器结构示意图。
图2是本发明固定床费托合成反应器应用工艺流程图。
图3是本发明实施例1两种固定床轴向温度分布的比较图。
图4是本发明实施例2两种固定床轴向温度分布的比较图。
图5是本发明实施例2两种固定床轴向温度分布的比较图。
如图所示，1为壳体，2为反应段，3为冷激区，4为汽液分配器，5为反应器入口，6为反应器出口，7为冷激气入口，8为反应器壳程入口，9为反应器壳程出口，10为汽包，11为新鲜合成气，12为循环冷凝气，13为锅炉给水，14为饱和水，15为汽液混合水，16为弛放蒸汽，17为循环气冷凝器，18为深冷器，CRS1是第一支流，CRS2是第二支流，CRS3是第三支流，CRS4是第四支流，CRS5是第五支流。
具体实施方式
为了较好地说明本发明的优势，下面结合实例进一步说明本发明的应用效果。显然，所举实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明固定床费托合成反应器，它包括壳体1，反应器入口5，反应器出口6，其特征在于壳体1由上封头，下封头和直管组成，在上封头有反应器入口5，下封头有反应器出口6，在直管内分别装有5个反应段2，相邻反应段2之间之间形成冷激区3，并安装有汽液分配器4，在冷激区3的汽液分配器4上方有冷激气入口7，在每个反应段2壳程入口8和壳程出口9，，壳程入口8与汽包10循环出口连接，壳程出口9与汽包10循环进口连接。
所述的汽液分配器4为孔板，在孔板上的小孔孔径为32mm，开孔率为67.8％。
本实施例以H2/CO摩尔比为2的合成气为原料，费托合成生产烃类，采用专利CN103695022A的钴基催化剂，其中钴的含量为20wt％，孔容为0.35m3/g，比表面积260m2/g，堆密度1.05g/cm3，粒径范围2～5mm，应用本发明固定床费托合成反应器如下：
(1)从新鲜合成气11来的合成气与冷激气的第一支流CRS1混合后进入第1个装有催化剂的反应段2，从汽包10给第1个反应段2的壳程入口8通入饱和水产生的汽液混合水从壳程出口9排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度调节CRS1冷激气流量以控制进入第1个反应段2的进气温度，其中第1冷激气流股CRS1与新鲜合成气11的体积比在3/1，使CRS1与11混合后温度控制在187℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS1饱和水流量以调节反应段2壳程水的汽含率，以灵活精准地控制该段壳程饱和水移热性能，最终控制第1个反应段2的最高温度在190℃，第1个反应段2床层温度范围维持在185～195℃；
(2)从第2个冷激气入口7喷入冷激气CRS2，第1个反应段2管程出来的物料与冷激气CRS2混合，给第2个反应段的壳程入口8通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口9排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第2冷激气CRS2与新鲜合成气11的体积比在1/3.5，将CRS2与反应段1底部出口反应产物混合后温度控制在187℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS2饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS2与循环饱和水BWS2共同作用，最终控制该段反应最高温度在190℃，第2个反应段2床层温度范围维持在185～195℃；
(3)从第3个冷激气入口喷入冷激气CRS3，第2个反应段管程出来的物料与冷激气CRS3混合，给第3个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第3冷激气CRS3与新鲜合成气11的体积比在1/3.2，将CRS3与第2个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在187℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS3饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS3与循环饱和水BWS3共同作用，最终控制该段反应最高温度在190℃，第3个反应段2床层温度范围维持在185～195℃；
(4)从第4个冷激气入口喷入冷激气CRS4，第3个反应段管程出来的物料与冷激气CRS4混合，给第4个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第4冷激气CRS4与新鲜合成气11的体积比在1/3，将CRS4与第3个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在187℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS4饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS4与循环饱和水BWS4共同作用，最终控制该段反应最高温度在190℃，第4个反应段2床层温度范围维持在185～195℃；
(5)从第5个冷激气入口喷入冷激气CRS5，第4个反应段管程出来的物料与冷激气CRS5混合，给第5个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第5冷激气CRS5与新鲜合成气11的体积比在1/3，将CRS5与第4个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在187℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS5饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS5与循环饱和水BWS5共同作用，最终控制该段反应最高温度在190℃，第5个反应段2床层温度范围维持在185～195℃；
(6)从反应器出口6的物料进入产物分离单元，从产物分离单元分离出来的尾气，经压缩、冷却器17冷却后，分配为五股冷激气CRS1、CRS2、CRS3、CRS4和CRS5，每股冷激气管路上设有流量调节阀；
(7)从汽包10流出的饱和水，分配为五股饱和水BWS1、BWS2、BWS3、BWS4和BWS5，每股饱和水管路上设有流量调节阀。
表格1使用专利CN103695022A完全相同钴基催化剂的传统固定床与本发明的反应器的结果对比
图3给出了反应最高温度为190℃、压力5Mpa条件下，使用专利CN103695022A完全相同的钴基催化剂颗粒时(钴含量为20wt％，孔容为0.35m3/g，比表面积260m2/g，堆密度1.05g/cm3，粒径范围2～5mm)，传统列管式固定床反应器和本发明提出的分散式循环冷激与饱和水移热固定床反应器进行费托合成的床层温度分布。可以看出，传统固定床费托合成反应器的温度高点(热点)在于床层约1/3处，热点温度与最低点温度相比，高达10℃。在改用本发明提出的新型固定床反应器后，由于壳体内催化剂装填管体分段布置且采用循环气冷激系统，即使每反应段2内温度上升达10℃，由于反应段2下部高温产物与循环后的冷激气接触，在冷激区充分换热，使得这股混合物流降至适宜的进气温度，进入下一反应段2继续反应，如此反复经过多段反应、冷激过程，确保每段反应段2的床层温度在187～190℃范围内分布，使得整个反应器床层温度趋于平坦，最大温度差减小到5℃以内，最终实现强化反应器换热、提高CO转化率和C5+选择性、降低甲烷选择性的目的，表格1列出的试验结果确证了本发明的这些有益效果。费托合成反应在190℃、5Mpa条件下在本发明的反应器中进行。新鲜合成气经预热达到一定温度约185℃，进入本发明的固定床反应器第1反应段2，经过床层在催化剂的作用下反应生成烃类产物，反应产生的热量大部分经该段壳程的饱和水汽化移走，未能及时散走的热量使得反应段2列管内物流升温(约5℃)，物流温度未待进一步上涨时流出反应器进入冷激区，与40～80℃左右的循环气换热，混合物流被冷激至186℃后，经汽液收集分配器进入第2段反应段2；由于被循环物流略微稀释，使得混合物流中合成气有效浓度减小，在第2段反应段2中随着反应的进行，反应放热大部分由颗粒床内部径向透过床层与管壁传递给壳程的饱和水，未能及时散走的热量使得物流升温，物流温度未待进一步上涨时流出并进入其下部冷激区，与40～80℃的循环气换热，混合物流被冷激至187℃，再经汽液收集分配器进入第三段反应段2；如此反复，经过多段“反应——冷激”过程，床层温度始终维持在略低于热点的范围。需要指出的是，理论上多段“反应——冷激”过程的段数越多越好，一定的总床层高度下，段数越多，每段温升幅度越小，愈能使床层温度更趋于平坦。然而，需要综合权衡设备加工难度、投资费用与床层温度均布的情况下，以4-5段过程即四段反应段2为较佳。
一方面，固定床费托合成反应为汽－液－固三相过程，其中液相较少在200℃左右已为雾化状态，而汽－固相在固定床中换热本身存在总传热系数低的不足。另一方面，随着反应的进行，尤其是下段固定床颗粒内部孔道内被油蜡包裹，管内壁出现液膜，这进一步增加了总的传热阻力，使得热量难以从径向移出。综上，反应放热从径向通过饱和水汽化和自身物流温升两方面移除，但随着反应的进行，径向移热受限迫使自身物流温升移热的强化，最显著的表现是床层温度的提升。因此，将单段长列管分解缩短为多段短列管，可以在床层温升还不显著时，物料即流出床层与循环气换热，削弱了温度的快速上涨和恶化。
从动态控制角度讲，本发明由于引入较多流股的冷激气和多股的饱和水，增大了过程自由度，提高了操作弹性。在操作中如果发现某段床层温度出现较高热点(如：200℃)，可通过增大循环气入口调节阀开度以增大循环气流量，使得被冷激后的混合物降温，从而减小床层热点温度，使之尽可能地接近预定的反应温度190℃。与此同时，增大该段壳程入口调节阀开度以提高循环饱和水的流速，以提高床层径向移热速率。因此，本发明的分散式循环冷激与饱和水移热式固定床反应器大大提高了费托合成的操作弹性。
实施例2
本发明固定床费托合成反应器同实施例1。
本实施例以H2/CO摩尔比为2的合成气为原料，费托合成生产烃类，采用专利CN103695022A的钴基催化剂，其中钴的含量为20wt％，孔容为0.35m3/g，比表面积260m2/g，堆密度1.05g/cm3，粒径范围2～5mm。应用本发明固定床费托合成反应器如下：
(1)从新鲜合成气11来的合成气与冷激气第一支流混合后与进入第1个装有催化剂的反应段2，从汽包10给第1个反应段2的壳程入口8通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口9排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度调节CRS1冷激气流量以控制进入第1个反应段2的进气温度，其中第1冷激气流股CRS1与新鲜合成气11的体积比在2.5/1之间，使CRS1与11混合后温度控制在205℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS1饱和水流量以调节反应段2壳程水的汽含率，以灵活精准地控制该段壳程饱和水移热性能，最终控制第1个反应段2的最高温度为210℃，第1反应段2床层温度范围维持在205～210℃；
(2)从第2个冷激气入口7喷入冷激气CRS2，第1个反应段2管程出来的物料与冷激气CRS2混合，给第2个反应段的壳程入口8通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口9排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第2冷激气CRS2与新鲜合成气11的体积比在1/4.12之间，将CRS2与反应段1底部出口反应产物混合后温度控制在205℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS2饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS2与循环饱和水BWS2共同作用，最终控制该段反应最高温度在210℃，第2反应段2床层温度范围维持在205～210℃；
(3)从第3个冷激气入口喷入冷激气CRS3，第2个反应段管程出来的物料与冷激气CRS3混合，给第3个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第3冷激气CRS3与新鲜合成气11的体积比在1/3.56，将CRS3与第2个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在205℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS3饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS3与循环饱和水BWS3共同作用，最终控制该段反应最高温度在210℃，第3反应段2床层温度范围维持在205～210℃；
(4)从第4个冷激气入口喷入冷激气CRS4，第3个反应段管程出来的物料与冷激气CRS4混合，给第4个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第4冷激气CRS4与新鲜合成气11的体积比在1/3.23，将CRS4与第3个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在205℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS4饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS4与循环饱和水BWS4共同作用，最终控制该段反应最高温度在210℃，第4反应段2床层温度范围维持在205～210℃；
(5)从第5个冷激气入口喷入冷激气CRS5，第4个反应段管程出来的物料与冷激气CRS5混合，给第5个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第5冷激气CRS5与新鲜合成气11的体积比在1/3.23，将CRS5与第4个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在205℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS5饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS5与循环饱和水BWS5共同作用，最终控制该段反应最高温度在210℃，第5反应段2床层温度范围维持在205～210℃；
(6)从反应器出口6的物料进入产物分离单元，从产物分离单元分离出来的尾气，经压缩、冷却器17冷却后，分配为五股冷激气CRS1、CRS2、CRS3、CRS4和CRS5，每股冷激气管路上设有流量调节阀；
(7)从汽包10流出的饱和水，分配为五股饱和水BWS1、BWS2、BWS3、BWS4和BWS5，每股饱和水管路上设有流量调节阀。
表格2使用专利CN103695022A完全相同钴基催化剂的传统固定床与本发明的反应器的结果对比
图4给出了反应最高温度为210℃、压力为5Mpa条件下，使用专利CN103695022A中完全相同的钴基催化剂颗粒时(钴含量为20wt％，孔容为0.35m3/g，比表面积260m2/g，堆密度1.05g/cm3，粒径范围2～5mm)，传统列管式固定床反应器和本发明提出的分散式循环冷激与饱和水移热固定床反应器进行费托合成的床层温度分布对比。可以看出，传统固定床费托合成反应器的温度高点(热点)在于床层1/3处，热点温度与最低点温度相比，超过20℃。在改用本发明提出的新型固定床反应器后，由于壳体内催化剂装填管体分段布置且采用循环气冷激系统，即使每段反应段2内温度上升达10℃，由于管体下部高温产物与循环后的冷激气接触，在冷激区充分换热，使得这股混合物流降至适宜的进气温度，进入下一段第2反应段2继续反应，如此反复经过多段反应、冷激过程，确保每段第2反应段2的床层温度在205～215℃范围内分布，使得整个反应器床层温度趋于平坦，最大温度差减小到10℃左右，最终实现强化反应器换热、提高CO转化率和C5+选择性、降低甲烷选择性的目的，表格2的试验结果确证了本发明提供的这些有益效果。
实施例3
本发明固定床费托合成反应器同实施例1，所述反应段为4个。
本实施例以H2/CO摩尔比为2的合成气为原料，费托合成生产烃类，采用专利CN103695022A的钴基催化剂，其中钴的含量为20wt％，孔容为0.35m3/g，比表面积260m2/g，堆密度1.05g/cm3，粒径范围2～5mm，，应用本发明固定床费托合成反应器如下：
(1)从新鲜合成气11来的合成气与冷激气第一支流CRS1混合后与进入第1个装有催化剂的反应段2，从汽包10给第1个反应段2的壳程入口8通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口9排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度调节CRS1冷激气流量以控制进入第1个反应段2的进气温度，其中第1冷激气流股CRS1与新鲜合成气11的体积比在2/1，使CRS1与11混合后温度控制在220℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS1饱和水流量以调节反应段2壳程水的汽含率，以灵活精准地控制该段壳程饱和水移热性能，最终控制第1个反应段2的最高温度为230℃，第1反应段2床层温度范围维持在220～230℃；
(2)从第2个冷激气入口7喷入冷激气CRS2，第1个反应段2管程出来的物料与冷激气CRS2混合，给第2个反应段的壳程入口8通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口9排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第2冷激气CRS2与新鲜合成气11的体积比在1/5，将CRS2与反应段1底部出口反应产物混合后温度控制在220℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS2饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS2与循环饱和水BWS2共同作用，最终控制该段反应最高温度在230℃，第2反应段2床层温度范围维持在220～230℃；
(3)从第3个冷激气入口喷入冷激气CRS3，第2个反应段管程出来的物料与冷激气CRS3混合，给第3个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第3冷激气CRS3与新鲜合成气11的体积比在1/4，将CRS3与第2个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在220℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS3饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS3与循环饱和水BWS3共同作用，最终控制该段反应最高温度在230℃，第3反应段2床层温度范围维持在220～230℃；
(4)从第4个冷激气入口喷入冷激气CRS4，第3个反应段管程出来的物料与冷激气CRS4混合，给第4个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包10，通过改变调节阀开度，使第4冷激气CRS4与新鲜合成气11的体积比在1/3.5，将CRS4与第3个反应段底部出口反应产物混合后温度控制在220℃，另外，通过改变调节阀开度调节BWS4饱和水流量以调节该反应段壳程水的汽含率，以灵活精准地控制饱和水的移热性能，通过冷激气CRS4与循环饱和水BWS4共同作用，最终控制该段反应最高温度在230℃，第4反应段2床层温度范围维持在220～230℃；
(5)从反应器出口6的物料进入产物分离单元，从产物分离单元分离出来的尾气，经压缩、冷却器17冷却后，分配为五股冷激气CRS1、CRS2、CRS3和CRS4，每股冷激气管路上设有流量调节阀；
(6)从汽包10流出的饱和水，分配为五股饱和水BWS1、BWS2、BWS3和BWS4，每股饱和水管路上设有流量调节阀。
表格3使用专利CN103695022A完全相同钴基催化剂的传统固定床与本发明的反应器的结果对比
图5给出了反应最高温度为230℃、压力5Mpa条件下，使用专利CN103695022A中完全相同的钴基催化剂颗粒时(钴含量为20wt％，孔容为0.35m3/g，比表面积260m2/g，堆密度1.05g/cm3，粒径范围2～5mm)，传统列管式固定床反应器和本发明提出的分散式循环冷激与饱和水移热固定床反应器进行费托合成的床层温度分布对比。可以看出，传统固定床费托合成反应器的温度高点(热点)在于床层1/3处，热点温度与最低点温度相比，高近30℃。在改用本发明提出的新型固定床反应器后，由于壳体内催化剂装填管体分段布置且采用循环气冷激系统，即使每段反应段2内温度上升达10℃，由于管体下部高温产物与循环后的冷激气接触，在冷激区充分换热，使得这股混合物流降至适宜的进气温度，进入下一段反应段2继续反应，如此反复经过多段反应、冷激过程，确保每段反应段2的床层温度在220～230℃范围内分布，使得整个反应器床层温度趋于平坦，最大温度差减小到15℃左右，最终实现强化反应器换热、提高CO转化率和C5+选择性、降低甲烷选择性的目的，表格3的试验结果确证了本发明提供的这些有益效果。

Claims (14)

1.一种固定床费托合成反应器，它包括壳体(1)，反应器入口(5)，反应器出口(6)，其特征在于壳体(1)由上封头，下封头和直管组成，在上封头有反应器入口(5)，下封头有反应器出口(6)，在直管内装有多个反应段(2)，相邻反应段(2)之间之间形成冷激区(3)，并安装有汽液分配器(4)，在冷激区(3)的汽液分配器(4)上方有冷激气入口(7)，在每个反应段(2)有壳程入口(8)和壳程出口(9)，壳程入口(8)与汽包(10)循环出口连接，壳程出口(9)与汽包(10)循环进口连接。
2.如权利要求1所述的一种固定床费托合成反应器，其特征在于所述反应段(2)为4－5个。
3.如权利要求1所述的一种固定床费托合成反应器，其特征在于所述的汽液分配器(4)为孔板，在孔板上的小孔孔径为20－40mm，开孔率50-75%。
4.如权利要求1所述的一种固定床费托合成反应器，其特征在于反应段(2)是列管式的。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于包括如下步骤：
(1)新鲜合成气与冷激气的第一支流混合后进入第1个装有催化剂的反应段，从汽包给第1个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包，控制第1个反应段的温度为180~230℃；压力3~6 MPa；
(2)从第1个冷激气入口喷入冷激气的第二支流，第1个反应段管程出来的物料与冷激气混合，控制温度为160~190℃，进入第2个反应段，同时给第2个反应段的壳程入口通入饱和水，产生的汽液混合水从壳程出口排出后返回汽包；依次类推，从反应器出口出来的物料进入产物分离单元，从产物分离单元分离出来的尾气作为冷激气，经压缩后回流入反应段中。
6.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于所述的固定床费托合成反应器使用的催化剂为能用于费托合成反应的钴基催化剂。
7.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于新鲜合成气与冷激气的第一支流合并后控制温度160~190℃、压力3~6 MPa 。
8.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于所述冷激气通过循环压缩机增压后经冷却器冷却至40~80℃。
9.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于第一支流与新鲜合成气的体积比例控制在2~3：1之间。
10.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于第二支流与新鲜合成气的体积比控制在 1/5~2/7之间。
11.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于第三支流与新鲜合成气的体积比控制在 1/4~5/16之间。
12.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于第四支流与新鲜合成气的体积比控制在 2/7~1/3之间。
13.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于第五支流与新鲜合成气的体积比控制在 4/15~1/3之间。
14.如权利要求5所述的一种固定床费托合成反应器的应用，其特征在于反应放热量为Q，则饱和水总循环量范围为(1/200~1/50)×Q。
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