CN109012508A - 一种费托合成固定床反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于费托合成技术领域，提供一种费托合成固定床反应器，包括：反应器塔体、内置散热器的反应管、内置散热器的中心管、热偶套管、反应器上封头、气体预分配器、气体分配板和反应器下封头；在塔体内，中心管位于反应器塔体的轴心，多根反应管环绕中心管均匀布置且沿轴向并行于中心管排列；反应管和中心管均被散热器分成6‑30个等面积空腔，在反应器塔体的顶端和底端，分别设有反应器上封头和反应器下封头；气体预分配器设于反应器塔体内并安装于反应器上封头开设的合成气入口上，气体分配板设于气体预分配器的下方、反应管和中心管顶部的上方。本发明的费托合成固定床反应器，反应管及中心管内轴向及径向温差可控制在2‑6℃范围内。

Description

一种费托合成固定床反应器
技术领域
本发明属于费托合成技术领域，具体涉及一种费托合成固定床反应器。
背景技术
费托合成是以合成气(氢气和一氧化碳)为原料在催化剂(铁系或钴系)和适当反应条件下，生成液体燃料的工艺过程，是非石油含碳资源高效转化利用的方法之一。
费托合成反应器主要有以下三种形式：列管式固定床、流化床和浆态床。其中，流化床反应器操作复杂、催化剂损耗大、容易积碳和堵塞，现在已很少有工业应用；浆态床反应器由于传热效果好、易于放大及控温方便，现已广泛应用于大型工业装置，但存在液固分离困难等问题；列管式固定床反应器不存在固液分离难题、操作简单等特点，非常适合中小型费托合成装置，著名的Arge工艺和SMDS工艺即以列管式固定床反应器为基础。
传热性能不佳是所有列管式固定床类型反应器的“通病”，加上费托合成又是强放热反应，所以在催化剂床层中会存在较大的温度梯度，一方面导致了产品选择性变差，另一方面使得固定床反应器的操作变得十分困难，床层容易出现热点和飞温，引起催化剂积碳，最终导致其失活。
为了减少催化剂床层轴向和径向温度梯度，现有技术中一方面在反应管外设置恒温的导热介质取走反应热，另一方面尽可能减少反应管的内径，缩短催化剂床层内反应热向外传递的距离，使得反应热尽快被导热介质取走。而由于反应管内径缩小导致的催化剂装填量的下降，依靠增加反应管数量加以弥补。随着催化剂技术的进步，催化剂的活性不断提高，单位体积催化剂床层内的反应放热量上升，因此为了减缓反应热点的产生，反应管内径还需要随之减少。现有技术的列管式固定床反应器的反应管内径大多设置为19-25mm，在将其应用于较大规模处理量的情况下，会存在反应管数量众多、安装复杂费时，催化剂装填困难、催化剂床层轴向测温精度不高，反应器体积庞大等诸多问题。同时，由于反应管直径细小，数量众多，在装填催化剂时极易造成管和管之间装填不均，引起反应物流经不同反应管内时产生的压降不同，这种差异导致不同反应管之间反应放热的差异，并极易在某反应管内产生热点，损害产品选择性。
为了提高催化剂床层的等温性能，例如，专利文件CN105148805A公开了一种适用于费托合成介质循环工艺的反应器，虽然公开了采用介质循环工艺来增强传质传热，但是，由于费托液体产物是一系列烃类混合物，成分复杂，控制床层温度的操作并不容易；此外，反应器内需额外设置喷淋系统，使反应器变得十分庞大，经济性差。
综上所述，设计新型的列管式固定床反应器来克服床层中会存在的较大温度梯度是发展中小型费托合成装置的重要途径之一。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有费托合成固定床反应器存在的问题，提供一种适用于中小型费托合成装置的费托合成固定床反应器；通过对反应器内结构的合理布置，能够减小催化剂床层的轴向及径向温差。
为了实现上述目的，本发明提供一种费托合成固定床反应器，该费托合成固定床反应器包括：反应器塔体、内置散热器的反应管、内置散热器的中心管、热偶套管、反应器上封头、气体预分配器、气体分配板和反应器下封头；
在反应器塔体内，所述中心管位于反应器塔体的轴心，所述热偶套管设于中心管和反应管内；多根所述反应管环绕中心管均匀布置且沿轴向并行于中心管排列；
每根反应管和中心管均被内置散热器分割成6-30个等横截面积的用于填装费托合成催化剂的空腔，每个空腔的横截面积为50-1200mm2；
在所述反应器塔体的顶端和底端，分别设置有反应器上封头和反应器下封头；所述反应器上封头的顶端开设有合成气入口；
所述气体预分配器设于反应器塔体内并安装于合成气入口上，所述气体分配板设于气体预分配器的下方且位于反应管和中心管顶部的上方。
根据本发明提供的费托合成固定床反应器，优选地，设于所述反应管和中心管内的散热器为放射状散热器；所述放射状散热器包括多个沿径向向外延伸并与反应管或中心管的内壁相连的散热片；所述放射状散热器的横截面呈“米”字形，“米”字形的核心处设置所述热偶套管。
每根反应管和中心管均被所述放射状散热器分割为6-30个空腔；费托合成催化剂填充在放射状散热器与反应管、放射状散热器与中心管形成的空腔内。根据不同的规格，每个空腔的横截面积可为50-1200mm2。
当反应管的内径较大(例如，反应管的内径大于等于60mm)时，更优选地，在放射状散热器的放射状散热片上，在热偶套管外壁与反应管内壁或中心管内壁之间再设置一个与反应管内壁或中心管内壁同轴心的环状筋板，用于将放射状散热器与反应管内壁或中心管内壁之间构成的空腔分成内环空腔和外环空腔，以保持每个空腔的横截面积相等并且不大于1200mm2。
更优选地，由呈“米”字型的所述放射状散热器的散热片与反应管内壁、中心管内壁之间构成的每个空腔的横截面积为100-500mm2，进一步优选为120-350mm2；在本发明中，所述空腔的横截面积是指反应管和中心管的径向方向的横截面积。
更优选地，所述放射状散热器的高度与反应管相同。
所述放射状散热器需要通过高导热系数的材质进行制作；更优选地，所述放射状散热器的材质选自铝材、铜材、钢材或铝合金，进一步优选为铝材。
根据本发明提供的费托合成固定床反应器，优选地，所述中心管内径为10-90mm，更优选为35-85mm；其高度为0.5-20m，更优选为1-12m。反应管的高度根据催化剂的抗压强度进行设计，优选地，所述反应管的数量为5～25根，其内径及高度与中心管的内径及高度相同。
更优选地，所述反应管围绕中心管单排排列，或者所述反应管围绕中心管双排排列，且设于靠近中心管的反应管与设于靠近反应器塔体壁面的反应管的数量比为1:3～2:3；
更优选地，任意两根相邻的反应管的中心距为反应管内径的3-10倍，或者和中心管相邻的反应管与所述中心管的中心距为反应管内径的3-10倍。
本发明所述反应管的直径可远大于现有技术的固定床反应器设置的反应管，因此，每根反应管装填的催化剂量可数倍至十数倍高于现有技术的装填量，从而可减少反应管数量、降低催化剂装填的难度。同时，通过散热器又可以将催化剂床层内的反应热量快速地传递到反应管壁，进而被反应管外部的导热介质取走，提高了取热效果和催化剂床层的等温性能。
根据本发明提供的费托合成固定床反应器，优选地，所述气体分配板与所述气体预分配器底部的距离为100-500mm。
更优选地，所述气体预分配器的壁面上开设有4-12个长条形孔，气体预分配器的底部开设有2-6个圆形孔，且其底部开孔面积是壁面开孔面积的0.3-0.6倍；
更优选地，所述气体分配板上开设有直径0.1-6.0mm且整体呈均匀分布的圆形孔，所述圆形孔的直径进一步优选为1.0-3.0mm；所述气体分配板的开孔面积为反应器塔体横截面积的5％-70％，进一步优选为15％-55％。
根据本发明提供的费托合成固定床反应器，优选地，所述热偶套管的长度与中心管的高度相同。
更优选地，热偶套管为1/4英寸或3/8英寸的不锈钢管，位于反应管和中心管的轴心。在热偶套管内，每隔0.2-2.0m布置一根测温热偶，用于测定中心管和反应管内催化剂床层的反应温度。
根据本发明提供的费托合成固定床反应器，优选地，所述费托合成固定床反应器还包括：上盖板、催化剂支撑板和耳座；
所述上盖板位于所述气体分配板的下方，且设置于反应管和中心管的顶端；所述上盖板与气体分配板的间距为100-500mm；
所述催化剂支撑板位于反应器塔体的底部，所述耳座位于反应器塔体的外壁。
更优选地，所述上盖板上开设有与反应管和中心管直径相同、与反应管和中心管数量相等的圆孔，用于将中心管和反应管的内腔通过所述圆孔与上盖板上方的空间相联通。在本发明中，所述反应管和中心管均与上盖板连接，通过上盖板开设的与反应管直径相同、数量一致的圆孔，可使得反应物通过这些圆孔进入反应管和中心管。
更优选地，所述反应管和中心管的底端出口设置于所述催化剂支撑板上；
在催化剂支撑板上，对应于所述反应管和中心管排布的圆周内开设有直径为0.1-3.0mm并整体呈均匀分布的筛孔，所述筛孔的直径进一步优选为0.3-0.6mm；催化剂支撑板开孔面积为所述圆周面积的10％-80％，进一步优选为35％-55％。
通过将所有反应管和中心管坐落在催化剂支撑板上，催化剂不容易丢失；同时在催化剂支撑板上与反应管、中心管相连处又有筛孔，反应产物就可以从筛孔流入反应器下封头。
根据本发明提供的费托合成固定床反应器，优选地，在所述反应器塔体内部，除了反应管和中心管之外的空间为导热介质通道；导热介质在所述反应器塔体的侧壁径向引入。
更优选地，在所述反应器塔体的侧壁上开设有：导热介质引入口和导热介质出口；
所述导热介质引入口设置在所述反应器塔体的侧壁的下部，且位于催化剂支撑板上方0.05-0.2m高度的位置；所述导热介质出口设置在所述反应器塔体的侧壁的上部，且位于上盖板下方0.05-0.2m高度的位置。
本发明中，作为反应物的合成气从反应器入口管线进入反应器上封头，然后进入与上封头顶端连通的气体预分配器，在经过预分配器后反应物在反应器塔体的横截面内得到初次分散，初次分散后的反应物(合成气)再经过开设有筛孔的气体分配板进一步分散，使得反应物在反应器塔体的横截面上均匀分布。
由于上盖板的密封作用，经过均匀分布的合成气会以均匀分布的形式流入每一个反应管，反应物在催化剂的作用下生成产物，反应热被反应管内的散热器快速传出。反应器塔体的上部和下部分别设置有导热介质的入口管线接口和导热介质出口管线接口。反应管与反应器塔体内壁之间的空腔为导热通道。导热通道内的导热介质将反应热取走或者传出。
由于反应管和中心管中有内置散热器，优选为放射状散热器；特别是放射状散热器包括多个沿径向向外延伸并与反应管内壁相连的散热片，可将反应管和中心管分为分割为6-30个空腔，保证每个空腔的横截面积为50-1200mm2；这样的设置方式可以将中心管和反应管内难移出的轴心热量通过导热效果较好的散热材质向壁面方向导出，同时不会影响费托合成催化剂的填装和分散。通过严格限制内置散热器与反应管或中心管形成的空腔的横截面积，保证空腔内催化剂床层的反应热能够及时到达散热片，可以有效避免催化剂床层会出现热点的问题，达到保持催化剂床层尽量等温的目标。
本发明的费托合成固定床反应器，可实现将反应管内轴向及径向温差控制在2-6℃范围内。
相对于现有技术，本发明技术方案带来的有益效果在于：
(1)通过设置气体预分配器和气体分配板，将反应器塔体入口的合成气沿径向均匀分布后，再进入反应管及中心管参与反应，解决了合成气在反应器塔体内流动时径向分布不均(中心气量大，壁面气量小)的问题，可提高催化剂利用率，减小反应器和催化剂床层的径向及轴向温差；
(2)通过在反应管和中心管内设置内置散热器，并且限制形成的空腔横截面积，保证空腔内催化剂床层的反应热能够及时到达散热片并移出；在优选实施方式中，通过在反应管和中心管内布置放射状散热器，“米”字型散热器的散热片与反应管内壁之间构成的空腔或者通过环状筋板使放射状散热器与反应管内壁之间构成内环空腔、外环空腔的横截面积相等且不大于1200mm2，可以将最难移出的轴心热量通过导热效果较好的散热材质向壁面方向导出，解决了列管式固定床反应器存在径向温度梯度大的问题；
(3)在优选实施方式中，一根反应管或中心管(直径35-85mm)可以当作是若干根传统的列管式反应器(直径一般是19-25mm)的集合，每个被放射状散热器切割的单独区域均可视为一根独立的传统列管式反应器，这种设置有助于减少反应器塔体内反应管的数量，降低反应器制造成本，并且反应器的放大和催化剂装填也更方便。
附图说明
图1为本发明所述费托合成固定床反应器的轴向剖视示意图；
图2为一种示例所示费托合成固定床反应器沿A-A线的径向剖视示意图；
图3为费托合成固定床反应器中上盖板的俯视结构示意图；
图4为费托合成固定床反应器中催化剂支撑板的俯视结构示意图；
图5为费托合成固定床反应器中气体预分配器的正视示意图；
图6为费托合成固定床反应器中气体分配板的俯视示意图；
图7为图2所示费托合成固定床反应器中放射状散热器的示意图；
图8为本发明实施例1所示费托合成固定床反应器中反应管的排布示意图；
图9为本发明实施例2所示费托合成固定床反应器中反应管的排布示意图；
图10为费托合成固定床反应器中气体预分配器的俯视示意图。
上述图中标号说明如下：
1-反应器塔体，2-反应管，3-中心管，4-热偶套管，5-反应器上封头，6-催化剂支撑板，7-气体预分配器，8-气体分配板，9-耳座，10-放射状散热器，11-导热介质通道，12-导热介质引入口，13-导热介质出口，14-反应器下封头，15-上盖板，16-环状筋板。
具体实施方式
下面将结合附图更详细地描述本发明的优选实施方式。应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
在本发明的一种示例中，所述的费托合成固定床反应器如图1所示，包括：反应器塔体1、内置散热器的反应管2、内置散热器的中心管3、热偶套管4、反应器上封头5、气体预分配器7、气体分配板8和反应器下封头14；
在反应器塔体1内，所述中心管3位于反应器塔体的轴心，所述热偶套管4设于中心管3和反应管2内；多根所述反应管2环绕中心管3均匀布置且沿轴向并行于中心管3排列；
每根反应管2和中心管3均被内置散热器分割成6-30个等横截面积的用于填装费托合成催化剂的空腔，每个空腔的横截面积为50-1200mm2；
在所述反应器塔体1的顶端和底端，分别设置有反应器上封头5和反应器下封头14；所述反应器上封头5的顶端开设有合成气入口；
所述气体预分配器7设于反应器塔体1内并安装于合成气入口上，所述气体分配板8设于气体预分配器7的下方且位于反应管2和中心管3顶部的上方。
本发明中，合成气从反应器上封头5的顶端开设的合成气入口引入；生成的产物和未反应的气体从反应器下封头14开设的出口流出。
在本发明中，可以将若干个反应管中的一个看作是中心管，并将其位于反应器塔体1的轴心位置，剩余的其他反应管围绕中心管在反应器塔体的横截面上整体呈均匀分布。
本发明针对传统固定床传热性能不佳的缺点以及为了解决反应器径向及轴向温度梯度较大的问题，通过设置散热器排除反应管2和中心管3中的热量。在优选实施方式中，设于所述反应管2和中心管3内的散热器为放射状散热器10，如图2所示；所述放射状散热器10包括多个沿径向向外延伸并与反应管或中心管的内壁相连的散热片；所述放射状散热器10的横截面呈“米”字形，如图7所示；“米”字形的核心处设置所述热偶套管4。
每根反应管2和中心管3均被所述放射状散热器10分割为6-30个空腔，形成催化剂床层；当空腔的横截面积增大时，空腔内催化剂床层中的反应热传递给散热片或反应管内壁的距离增长。由于所述放射状散热器的散热片金属热传导性能和效率的限制，催化剂床层内的反应热将不能及时传出，又将形成床层热点，破坏催化剂床层的等温性能，进而影响产品分布和催化剂寿命；因此，本发明中，散热器的散热片与反应管内壁和中心管内壁构成的每个空腔的横截面积为50-1200mm2；费托合成催化剂填充在放射状散热器10与反应管2、中心管3形成的空腔内。根据中心管和反应管的不同规格，每个空腔的横截面积可为50-1200mm2。
根据反应器大小，“米”字形结构的放射状散热片上可以设置环状筋板16，形成内环空腔和外环空腔，其目的是保证形成的每一个空腔相等且其横截面积均不大于1200mm2。在一种示例中，当反应管2的内径较大(例如，反应管的内径大于等于60mm)时，在放射状散热器10的放射状散热片上，在热偶套管4外壁与反应管2内壁或中心管3内壁之间再设置一个与反应管2内壁或中心管3内壁同轴心的环状筋板16，用于将放射状散热器10与反应管2内壁或中心管3内壁之间构成的空腔分成内环空腔和外环空腔，以保持每个空腔的横截面积相等并且不大于1200mm2。
优选地，由呈“米”字型的所述放射状散热器10的散热片与反应管2内壁、由呈“米”字型的所述放射状散热器10的散热片与中心管3内壁之间构成的每个空腔的横截面积为100-500mm2，更优选为120-350mm2。
本发明中，所述放射状散热器10的散热片的长度可与反应管或中心管的半径R相等。如图7所示，每根反应管2和中心管3的通过环状筋板16分割为内环和外环，内环通过“米”字被均匀切割为8个面积相同的催化剂装填区(空腔)，外环通过“米”字被均匀切割为16个面积相同的催化剂装填区(空腔)。当反应管更大时，为了保持每个空腔的横截面积在不大于1200mm2，从环状筋板16处开始，在相邻的两个散热片与环状筋板之间的中心位置处再向反应管内壁伸出一个近似半长的散热片，再形成32个等面积的外外环空腔。
上述所有空腔的径向方向的横截面积均相等，内环半径r是整个反应管或中心管半径R的0.55-0.65倍。例如，反应管或中心管内径为35-85mm，每个空腔横截面积可为100-500mm2，优选可为120-350mm2。
优选地，所述放射状散热器10的高度与反应管2相同。
所述放射状散热器10需要通过高导热系数的材质进行制作；优选地，所述放射状散热器10的材质选自铝材、铜材、钢材或铝合金，更优选为铝材。散热器将最难移出的轴心热量通过导热效果较好的材质向壁面方向导出，可以解决径向温度梯度大的问题。
在优选实施方式中，所述中心管3内径为10-90mm，更优选为35-85mm；其高度为0.5-20m，更优选为1-12m。反应管的高度根据催化剂的抗压强度进行设计。优选地，所述反应管2的数量为5～25根，其内径及高度与中心管3的内径及高度相同。
在一种示例中，如果反应管2在反应器塔体中分布的数量较少，例如不少过10根，所述反应管2可以围绕中心管3单排排列；在另一种示例中，如果反应管2在反应器塔体中分布的数量较多，例如超过了10根，为了保证反应器内的中心热量及时移出，所述反应管2可以围绕中心管3双排或多排排列。双排或多排排列时，在靠近中心管3的位置分布的反应管2的数量，少于靠近反应器塔体1壁面的反应管2的数量。只要遵循该分布原则的反应管的所有排列方式都可以实施。优选地，所述反应管2围绕中心管3单排排列，或者所述反应管2围绕中心管3双排排列，且设于靠近中心管3的反应管2与设于靠近反应器塔体1壁面的反应管2的数量比为1:3～2:3。
优选地，任意两根相邻的反应管2的中心距为反应管2内径的3-10倍，如4倍、6倍、8倍；或者和中心管3相邻的反应管2与所述中心管3的中心距为反应管2内径的3-10倍，如4倍、6倍、8倍。例如，如图8和图9所示，反应管2内径为R，和中心管3相邻的反应管2与所述中心管3的中心距为L，L＝4R；中心管3的内径与反应管的内径R相同。
在优选实施方式中，所述气体分配板8与所述气体预分配器7底部的距离为100-500mm，例如，可以为200mm、300mm、400mm。
更优选地，如图5和图10所示，所述气体预分配器7的壁面上开设有4-12个长条形孔(如，各个长条形孔为形状相同、面积相等的矩形孔)，气体预分配器7的底部开设有2-6个圆形孔，且其底部开孔面积是壁面开孔面积的0.3-0.6倍；
更优选地，如图6所示，所述气体分配板8上开设有直径0.1-6.0mm且整体呈均匀分布的圆形孔，所述圆形孔的直径进一步优选为1.0-3.0mm；所述气体分配板8的开孔面积为反应器塔体1横截面积的5％-70％，进一步优选为15％-55％。
在优选实施方式中，所述热偶套管4的长度与中心管3的高度相同。例如，热偶套管4为1/4英寸或3/8英寸的不锈钢管，位于反应管2和中心管3的轴心。在热偶套管内，每隔0.2-2.0m布置一根测温热偶，用于测定中心管和反应管内催化剂床层的反应温度。在中心管3和反应管2内设置热偶套管4并且插入热电偶的目的在于：监测反应管2和中心管3内催化剂床层的温度在轴向的分布状态。
在优选实施方式中，所述费托合成固定床反应器还包括：上盖板15、催化剂支撑板6和耳座9。所述上盖板15位于所述气体分配板8的下方，且设置于反应管2和中心管3的顶端；所述上盖板15与气体分配板8的间距为100-500mm，例如，可以为200mm、300mm、400mm；所述催化剂支撑板6位于反应器塔体1的底部，所述耳座9位于反应器塔体1的外壁。本发明中，所述耳座9用于吊装、垂直安装和固定时所用的。
更优选地，如图3所示，所述上盖板15上开设有与反应管2和中心管3直径相同、与反应管2和中心管3数量相等的圆孔，用于将中心管3和反应管2的内腔通过所述圆孔与上盖板15上方的空间相联通。在本发明中，所述反应管2和中心管3的顶端均与上盖板15连接，通过上盖板15开设的与反应管直径相同、数量一致的圆孔，可使得反应物通过这些圆孔进入反应管2和中心管3。
更优选地，如图4所示，所述反应管2和中心管3的底端出口设置于所述催化剂支撑板6上。在催化剂支撑板6上，对应于所述反应管2和中心管3排布的圆周内开设有直径为0.1-3.0mm并整体呈均匀分布的筛孔，所述筛孔的直径进一步优选为0.3-0.6mm；催化剂支撑板6开孔面积为所述圆周面积的10％-80％，进一步优选为35％-55％。
通过将所有反应管2和中心管3坐落在催化剂支撑板6上，催化剂不容易丢失；同时在催化剂支撑板上与反应管、中心管相连处又有筛孔，反应产物就可以从筛孔流入反应器下封头14。
根据本发明提供的费托合成固定床反应器，在所述反应器塔体1内部，除了反应管2和中心管3之外的空间为导热介质通道11；导热介质11在所述反应器塔体1的侧壁径向引入。导热介质引入反应器后，吸收费托合成反应放出的热量。
在所述反应器塔体1的侧壁上开设有：导热介质引入口12、和导热介质出口13；所述导热介质引入口12设置在所述反应器塔体1的侧壁的下部，且位于催化剂支撑板6上方0.05-0.2m高度的位置；所述导热介质出口13设置在所述反应器塔体1的侧壁的上部，且位于上盖板15下方0.05-0.2m高度的位置。
在本发明的一些实施方式中，所提供的费托合成固定床反应器更适合用于年产量为100-1200吨油品/年费托合成反应。
基于如上所述的费托合成固定床反应器，一些实施方式中进行费托合成反应的工艺流程如下：
1)反应管2和中心管3内装填放射状散热器10和催化剂，首先将催化剂进行活化，使其具备费托合成反应活性；
2)合成气从反应器塔体1顶部设置的反应器上封头开设的入口进入气体预分配器7，导热介质从导热介质引入口12进入反应器塔体1内；费托合成反应放出的反应热通过导热介质通道11与导热介质进行热交换；
3)合成气经过气体预分配器7后到达气体分配板8，进入若干反应管2和中心管3内，在催化剂床层内发生费托合成反应，产生的反应热通过放射状散热器10传向管壁，进而与管外的导热介质进行热交换，完成反应热的转移；
导热介质吸收热量汽化后从反应器塔体1侧面上方的导热介质出口13流出；
4)费托合成反应的产物和未反应的合成气沿反应管2和中心管3向下流动，流向下封头14后经出口离开反应器。
一些实施方式中，通过本发明所述费托合成固定床反应器进行费托合成反应的工艺条件包括：温度为210-270℃；压力为1.0-4.0MPa，优选为2.0-4.0MPa；原料气H2/CO＝1.0-3.0，优选为1.2-2.2，空速为500-10000h-1，优选为3000-10000h-1。
反应管2和中心管3内的费托合成催化剂可以是含金属铁或钴的催化剂，其载体可以是氧化硅、氧化铝和活性炭中的一种或几种。
以下实施例中，所用如下原料来源：
费托合成催化剂PSFT06，由山东齐创化工有限公司制造。
实施例1：
该实施例所采用的费托合成固定床反应器沿着A-A线的径向剖视图如图2所示。其反应器塔体1的直径为0.42m，反应器的总高度为2.5m。环绕于中心管3均匀布置且沿轴向并行于中心管3排列的反应管2的管长为2.0m，直径为60mm，反应管2的数量为6根，其排列方式如图8(反应管2围绕中心管3单排排列)；和中心管3相邻的反应管2与所述中心管3的中心距L为反应管2内径R的4倍。位于中心管3和反应管2内的热偶套管4的直径为1/4英寸，长度为2.0m，每隔0.45m设置一根测温热偶。导热介质通道11中的导热介质为去离子水，导热介质引入口12分布在反应器塔体1的侧壁的下部，且位于催化剂支撑板6上方0.1m高度的位置。导热介质出口13设置在反应器塔体1的侧壁的上部，且位于上盖板15下方0.1m高度的位置。
在所述反应器塔体1的顶端和底端，分别对应设置反应器上封头5和反应器下封头14，所述反应器上封头5的顶端开设有合成气入口。
所述气体预分配器7设于反应器塔体1内并安装于合成气入口上，所述气体分配板8设于气体预分配器7的下方且位于反应管2顶部的上方，且所述气体分配板8与所述气体预分配器7底部的距离为300mm。如图5和图10所示，所述气体预分配器7的壁面上开设有8个形状相同、面积相等的矩形孔，气体预分配器7的底部开设有3个圆形孔，且其底部开孔面积是壁面开孔面积的0.35倍。如图6所示，所述气体分配板8上开设有直径3mm且整体呈均匀分布的圆形孔；其开孔面积为反应器塔体1横截面积的35％。
上盖板15位于所述气体分配板8的下方，且设置于反应管2和中心管3的顶端；所述上盖板15与气体分配板8的间距为150mm。如图3所示，上盖板15上开设有与反应管2和中心管3直径相同、与反应管2和中心管3数量相等的圆孔，用于将中心管3和反应管2的内腔通过所述圆孔与上盖板15上方的空间相联通。
所述反应管2和中心管3的底端出口设置于所述催化剂支撑板6上；如图4所示，在催化剂支撑板6上，对应于所述反应管2和中心管3排布的圆周内开设有直径为0.5mm并整体呈均匀分布的筛孔；催化剂支撑板6开孔面积为所述圆周面积的45％。
设于所述反应管2和中心管3内的散热器为放射状散热器10，其横截面呈“米”字形，如图7所示，“米”字形的核心处设置所述热偶套管4。所述放射状散热器10包括18个沿径向向外延伸并与反应管内壁或中心管内壁相连的散热片，每根反应管2和中心管3的通过环状筋板16分割为内环和外环，内环通过“米”字被均匀切割为8个面积相同的催化剂装填区(空腔)，外环通过“米”字被均匀切割为16个面积相同的催化剂装填区(空腔)，每根反应管2和中心管3均被所述放射状散热器10一共分割为24个空腔，每个空腔的横截面积为235.5mm2。
在反应器塔体1的外壁上，设置的两个耳座9用于吊装、垂直安装和固定时所用。
基于如上所述费托合成固定床反应器的费托合成反应步骤如下：
1、每个反应管2及中心管3内设置有放射状散热器10，将总量为17.3L的费托合成催化剂PSFT06装填在各个反应管2及中心管3与散热器形成的空腔中，催化剂为三叶草挤条，催化剂颗粒的外形尺寸为当量直径1.2mm，长度3-8mm；催化剂预处理的过程是在温度为250℃、压力为2.0MPa，H2/CO＝20.0，空速为5000h-1的条件下活化24小时；
2、合成气(氢气21.8Nm3/h，一氧化碳7.3Nm3/h)从反应器上封头5开设的合成气入口进入，反应器内的压力为2.3MPa(表压)，导热介质(循环过热水)从导热介质引入口12进入反应器塔体1内；汽化后的水蒸气和未汽化的循环过热水从反应器侧面上方的导热介质出口13流出；
3、合成气(29.1Nm3/h)反应器上封头5开设的合成气入口进入后，到达反应器的气体预分配器7进行径向预分布后，再进入气体分配板8内再次进行径向分布，然后在反应管2和中心管3的催化剂床层内发生费托合成反应，反应温度为245℃，空速为8000h-1，产生的反应热通过放射状散热器10传向壁面，进而与反应管2及中心管3外的导热介质通道11中的导热介质(过热水)进行热交换，完成反应热在反应管2和中心管3轴向和径向的转移；反应器内的中心管3和所有反应管2中，反应管的轴向温差最大的为4.0℃，其同一横截面径向温差最大的2.6℃。
4、费托合成反应的产物和未反应的合成气沿反应管2及中心管3向下流向反应器下封头14，然后通过出口离开反应器。
费托合成反应情况如下：CO转化率为69.1％，CO2选择性为20.2％，CH4选择性为1.3％，C3+摩尔选择性为96.2％。
实施例2
该实施例所采用的费托合成固定床反应器的轴向剖视图如图1所示。其反应器塔体1的直径为0.50m，反应器的总高度2.5m。环绕于中心管3均匀布置且沿轴向并行于中心管3排列的反应管2的管长为2.0m，直径为40mm，反应管2的数量18根，其排列方式如图9(靠近中心管3的反应管2的数量为6根，靠近反应器塔体1壁面的反应管2的数量为12根，两者比例为6:12)；和中心管3相邻的反应管2与所述中心管3的中心距L为反应管2内径R的4倍。位于中心管3内的热偶套管4的直径为1/4英寸，长度为2.0m，每隔0.45m设置一根测温热偶。导热介质通道11中的导热介质为去离子水，导热介质引入口12分布在反应器塔体1的侧壁的下部，且位于催化剂支撑板6上方0.1m高度的位置。导热介质出口13设置在反应器塔体1的侧壁的上部，且位于上盖板15下方0.1m高度的位置。
在所述反应器塔体1的顶端和底端，分别对应设置反应器上封头5和反应器下封头14，所述反应器上封头5的顶端开设有合成气入口。
所述气体预分配器7设于反应器塔体1内并安装于合成气入口上，所述气体分配板8设于气体预分配器7的下方且位于反应管2顶部的上方，且所述气体分配板8与所述气体预分配器7底部的距离为300mm。所述气体预分配器7的壁面上开设有12个形状相同、面积相等的矩形孔，气体预分配器7的底部开设有5个圆形孔，且其底部开孔面积是壁面开孔面积的0.35倍。所述气体分配板8上开设有直径3mm且整体呈均匀分布的圆形孔；其开孔面积为反应器塔体1横截面积的35％。
上盖板15位于所述气体分配板8的下方，且设置于反应管2和中心管3的顶端；所述上盖板15与气体分配板8的间距为200mm。上盖板15上开设有与反应管2和中心管3直径相同、与反应管2和中心管3数量相等的圆孔，用于将中心管3和反应管2的内腔通过所述圆孔与上盖板15上方的空间相联通。
所述反应管2和中心管3的底端出口设置于所述催化剂支撑板6上；在催化剂支撑板6上，对应于所述反应管2和中心管3排布的圆周内开设有直径为0.5mm并整体呈均匀分布的筛孔；催化剂支撑板6开孔面积为所述圆周面积的45％。
设于所述反应管2和中心管3内的散热器为放射状散热器10，其横截面呈“米”字形，“米”字形的核心处设置所述热偶套管4。所述放射状散热器10包括6个沿径向向外延伸并与反应管内壁或中心管内壁相连的散热片，每根反应管2和中心管3均被所述放射状散热器10分割为6个空腔，每个空腔的横截面积为209.3mm2。
在反应器塔体1的外壁上，设置的两个耳座9用于吊装、垂直安装和固定时所用。
基于如上所述费托合成固定床反应器的费托合成反应步骤如下：
1、每根反应管2及中心管3内设置有放射状散热器10，将总量为51.9L的费托合成催化剂PSFT06装填在各个反应管2及中心管3与散热器之间的空间中，催化剂为三叶草挤条，催化剂颗粒的外形尺寸为当量直径1.2mm，长度3-8mm；催化剂预处理的过程是在250℃、2.0MPa、H2/CO＝20.0，空速5000h-1条件下活化24小时；
2、合成气(氢气65.4Nm3/h，一氧化碳21.8Nm3/h)从反应器上封头5开设的合成气入口进入，反应器内的压力为2.3MPa(表压)，导热介质(循环过热水)从导热介质引入口12进入反应器塔体1内；汽化的水蒸气和未汽化的循环过热水从反应器侧面上方的导热介质出口13流出；
3、合成气(87.2Nm3/h)反应器上封头5开设的合成气入口进入后，到达反应器的气体预分配器7进行径向预分布后，进入气体分配板8内再次进行径向分布，然后在反应管2和中心管3的催化剂床层内发生费托合成反应，反应温度245℃，空速8000h-1，产生的反应热通过放射状散热器10传向反应器塔体1的壁面，进而与反应管2及中心管3外的导热介质通道11中的导热介质(过热水)进行热交换，完成反应热在反应管2轴向和径向的转移；反应器内的中心管3和所有反应管2中，反应管轴向温差最大的为3.5℃，同一横截面径向温差最大的为2.2℃。
4、费托合成反应的产物和未反应的合成气沿反应管2及中心管3向下流向反应器下封头14，然后通过出口离开反应器。
费托合成反应情况如下：CO转化率70.6％，CO2选择性22.8％，CH4选择性1.8％，C3+摩尔选择性95.1％。
对比例1
该对比例所采用的所述费托合成固定床反应器与实施例1基本相同，其不同之处在于，该反应器内没有设置气体预分配器7和气体分配板8，合成气从反应器上封头5的入口直接进入反应器塔体1内。
基于如上所述费托合成固定床反应器的费托合成反应步骤如下：
1、每个反应管2和中心管3内填装三叶草挤条催化剂PSFT06(与实施例1相同)，催化剂在250℃、2.0MPa、H2/CO＝20.0，空速5000h-1条件下活化24小时；
2、合成气(氢气21.8Nm3/h，一氧化碳7.3Nm3/h)从反应器上封头5开设的合成气入口进入，反应器内的压力为2.3MPa(表压)，导热介质(去离子水)从导热介质引入口12进入反应器塔体1内；汽化后的水蒸气从反应器侧面上方的导热介质出口13流出封头；
3、合成气(29.1Nm3/h)反应器上封头5开设的合成气入口进入后，直接进入反应管2和中心管3内，在反应管2及中心管3的催化剂床层内发生费托合成反应，反应温度245℃，空速8000h-1，产生的反应热通过放射状散热器10传向壁面，进而与反应管2及中心管3外的导热介质通道11中的导热介质(热水)进行热交换，完成反应热在反应管2和中心管3轴向和径向的转移；反应器内中心管和所有反应管中，反应管轴向温差最大的为5.8℃，其同一横截面的径向温差最大的为5.5℃。
4、费托合成反应的产物和未反应的合成气沿反应管2及中心管3向下流向反应器下封头14，然后通过出口离开反应器。
费托合成反应情况如下：CO转化率69.6％，CO2选择性24.5％，CH4选择性2.3％，C3+摩尔选择93.1％。
从实施例1与对比例1的比较可以看出：当反应器中不设置气体预分配器7和气体分配板8时，反应器内物流分布不均，进入各反应管和中心管的反应物数量不等，造成反应放热不均，反应器内各反应管和中心管内温度轴向和径向温差明显增加，导致非目标产物CO2和CH4的选择性增加，催化剂性能变差。
对比例2
该对比例所采用的费托合成固定床反应器与实施例2中的反应器基本相同，不同之处在于，反应管2及中心管3内，没有布置放射状散热器10。
基于如上所述费托合成固定床反应器的费托合成反应步骤如下：
1、每个反应管2及中心管3内装填三叶草挤条催化剂PSFT06(与实施例2相同)，催化剂在250℃、2.0MPa、H2/CO＝20.0，空速5000h-1条件下活化24小时；
2、合成气(氢气65.4Nm3/h，一氧化碳21.8Nm3/h)从反应器上封头5开设的合成气入口进入，反应器内的压力为2.3MPa(表压)，导热介质(去离子水)从导热介质引入口12进入反应器塔体1内；汽化的水蒸气从反应器侧面上方的导热介质出口13流出；
3、合成气(87.2Nm3/h)反应器上封头5开设的合成气入口进入后，到达反应器的气体预分配器7进行径向预分布后，进入分配板8内再次进行径向分布，然后在反应管2和中心管3的催化剂床层内发生费托合成反应，反应温度245℃，空速8000h-1；反应器内中心管和所有反应管中，反应管的轴向温差最大的为5.2℃，其同一截面径向温差最大的为5.9℃。
4、费托合成反应的产物和未反应的合成气沿反应管2及中心管3向下流向反应器下封头14，然后通过出口离开反应器。
费托合成反应情况如下：CO转化率70.8％，CO2选择性24.6％，CH4选择性2.7％，C3+摩尔选择93.6％。
从实施例2与对比例2的比较可以看出：当反应管2及中心管3不设置放射状散热器10时，最难移出的轴心热量不能很好的移除，反应器内中心管和反应管轴向和径向温差明显增加，导致非目标产物CO2和CH4的选择性增加，催化剂性能变差。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离本发明主旨的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种费托合成固定床反应器，其特征在于，该费托合成固定床反应器包括：反应器塔体(1)、内置散热器的反应管(2)、内置散热器的中心管(3)、热偶套管(4)、反应器上封头(5)、气体预分配器(7)、气体分配板(8)和反应器下封头(14)；
在反应器塔体(1)内，所述中心管(3)位于反应器塔体的轴心，所述热偶套管(4)设于中心管(3)和反应管(2)内；多根所述反应管(2)环绕中心管(3)均匀布置且沿轴向并行于中心管(3)排列；
每根反应管(2)和中心管(3)均被内置散热器分割成6-30个等横截面积的用于填装费托合成催化剂的空腔，每个空腔的横截面积为50-1200mm2；
在所述反应器塔体(1)的顶端和底端，分别设置有反应器上封头(5)和反应器下封头(14)；所述反应器上封头(5)的顶端开设有合成气入口；
所述气体预分配器(7)设于反应器塔体(1)内并安装于合成气入口上，所述气体分配板(8)设于气体预分配器(7)的下方且位于反应管(2)和中心管(3)顶部的上方。
2.根据权利要求1所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，设于所述反应管(2)和中心管(3)内的散热器为放射状散热器(10)；所述放射状散热器(10)包括多个沿径向向外延伸并与反应管或中心管的内壁相连的散热片；所述放射状散热器(10)的横截面呈“米”字形，“米”字形的核心处设置所述热偶套管(4)；
优选地，在放射状散热器(10)的放射状散热片上，在热偶套管(4)外壁与反应管(2)内壁或中心管(3)内壁之间再设置一个与反应管(2)内壁或中心管(3)内壁同轴心的环状筋板(16)，用于将放射状散热器(10)与反应管(2)内壁或中心管(3)内壁之间构成的空腔分成内环空腔和外环空腔，以保持每个空腔的横截面积相等并且不大于1200mm2；
优选地，由呈“米”字型的所述放射状散热器(10)的散热片与反应管(2)内壁、中心管(3)内壁之间构成的每个空腔的横截面积为100-500mm2，更优选为120-350mm2；
优选地，所述放射状散热器(10)的高度与反应管(2)相同；
优选地，所述放射状散热器(10)的材质选自铝材、铜材、钢材或铝合金，更优选为铝材。
3.根据权利要求1或2所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，所述中心管(3)内径为10-90mm，优选为35-85mm；其高度为0.5-20m，优选为1-12m；所述反应管(2)的数量为5～25根，其内径及高度与中心管(3)的内径及高度相同；
优选地，所述反应管(2)围绕中心管(3)单排排列；或者所述反应管(2)围绕中心管(3)双排排列，且设于靠近中心管(3)的反应管(2)与设于靠近反应器塔体(1)壁面的反应管(2)的数量比为1:3～2:3；
优选地，任意两根相邻的反应管(2)的中心距为反应管(2)内径的3-10倍，或者和中心管(3)相邻的反应管(2)与所述中心管(3)的中心距为反应管(2)内径的3-10倍。
4.根据权利要求1所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，所述气体分配板(8)与所述气体预分配器(7)底部的距离为100-500mm；
优选地，所述气体预分配器(7)的壁面上开设有4-12个长条形孔，气体预分配器(7)的底部开设有2-6个圆形孔，且其底部开孔面积是壁面开孔面积的0.3-0.6倍；
优选地，所述气体分配板(8)上开设有直径0.1-6.0mm且整体呈均匀分布的圆形孔，所述圆形孔的直径更优选为1.0-3.0mm；所述气体分配板(8)的开孔面积为反应器塔体(1)横截面积的5％-70％，更优选为15％-55％。
5.根据权利要求1所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，所述热偶套管(4)的长度与中心管(3)的高度相同；
优选地，所述热偶套管(4)为1/4英寸或3/8英寸的不锈钢管，位于反应管(2)和中心管(3)的轴心。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，所述费托合成固定床反应器还包括：上盖板(15)、催化剂支撑板(6)和耳座(9)；
所述上盖板(15)位于所述气体分配板(8)的下方，且设置于反应管(2)和中心管(3)的顶端；所述上盖板(15)与气体分配板(8)的间距为100-500mm；
所述催化剂支撑板(6)位于反应器塔体(1)的底部，所述耳座(9)位于反应器塔体(1)的外壁。
7.根据权利要求6所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，所述上盖板(15)上开设有与反应管(2)和中心管(3)直径相同、与反应管(2)和中心管(3)数量相等的圆孔，用于将中心管(3)和反应管(2)的内腔通过所述圆孔与上盖板(15)上方的空间相联通。
8.根据权利要求6所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，所述反应管(2)和中心管(3)的底端出口设置于所述催化剂支撑板(6)上；
在催化剂支撑板(6)上，对应于所述反应管(2)和中心管(3)排布的圆周内开设有直径为0.1-3.0mm并整体呈均匀分布的筛孔，所述筛孔的直径优选为0.3-0.6mm；催化剂支撑板(6)开孔面积为所述圆周面积的10％-80％，优选为35％-55％。
9.根据权利要求1所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，在所述反应器塔体(1)内部，除了反应管(2)和中心管(3)之外的空间为导热介质通道(11)；导热介质在所述反应器塔体(1)的侧壁径向引入。
10.根据权利要求9所述的费托合成固定床反应器，其特征在于，在所述反应器塔体(1)的侧壁上开设有：导热介质引入口(12)和导热介质出口(13)；
所述导热介质引入口(12)设置在所述反应器塔体(1)的侧壁的下部，且位于催化剂支撑板(6)上方0.05-0.2m高度的位置；所述导热介质出口(13)设置在所述反应器塔体(1)的侧壁的上部，且位于上盖板(15)下方0.05-0.2m高度的位置。
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