CN109847658B - 浆态床反应器及反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浆态床反应器及反应方法，所述浆态床反应器包括：用于容纳浆态床层的反应器壳体；用于将反应物气体分布为多尺度气泡的多级分形气体分布器，所述多级分形气体分布器浸没于所述浆态床层中；用于与反应物进行热交换并在反应过程中保持预设温度的换热管，所述换热管浸没于所述浆态床层中。本发明通过引入多级分形气体分布器产生多尺度气泡进行三相反应，克服了单一尺寸气泡所导致的气液接触面积低、流动死区大、催化剂沉积等问题。此外，还通过引入分形结构的换热管避免了气泡的返混现象，得到了一种流动可控和反应效率高的新型三相浆态床反应器。

Description

浆态床反应器及反应方法

技术领域

本发明涉及化工设备装置领域，特别是涉及一种浆态床反应器及反应方法。

背景技术

在化学工业、生物工程等领域，气-液-固三相反应体系是一种很重要的体系，通常采用鼓泡式浆态床反应器，其内部主要构件有分布器、换热管以及分离器等，常见用于生物发酵、CO₂吸收反应、费托合成及甲醇合成等过程。

目前，用于气液固三相反应的浆态床反应器普遍存在因气泡尺寸单一而导致反应效率低下的问题。例如，当气泡尺寸介于毫米级或厘米级时，较大的气泡尺寸将导致气液接触面积减小，降低传质反应效率；相对地，当气泡尺寸降至微米级时，因其特有的高比表面积、上升过程稳定不易聚并等特征将有利于传质和反应。然而，微米级气泡却存在因气泡尺寸小而导致动量低的缺点，无法将固相颗粒(如催化剂等)进行均匀的流态化，存在流动死区及沉积等问题，不利于反应的进行，无法发挥其传质反应高效的特点。此外，现有技术中浆态床反应器的内换热管大都采用传统的等边三角形等排布方式，这往往会导致气泡在上升过程中出现返混，严重影响气液固三相反应的正常进行。

因此，有必要提出一种新的浆态床反应器及反应方法，解决上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种浆态床反应器及反应方法，用于解决现有技术的浆态床反应器中单一尺寸气泡导致的气液接触面积低、返混严重、流动死区大、催化剂沉积等问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种浆态床反应器，其特征在于，包括：

用于容纳浆态床层的反应器壳体；

用于将反应物气体分布为多尺度气泡的多级分形气体分布器，所述多级分形气体分布器浸没于所述浆态床层中；

用于与反应物进行热交换并在反应过程中保持预设温度的换热管，所述换热管浸没于所述浆态床层中。

作为本发明的一种可选方案，所述多级分形气体分布器包括：

具有分形结构的多级分形管路，各级所述分形管路顺次连接，且第一级所述分形管路连接至反应物气源；

用于将所述反应物气体分布为微米级气泡的微孔膜管，所述微孔膜管设置于所述分形管路上；

用于将所述反应物气体分布为毫米级气泡的喷嘴，所述喷嘴设置于所述分形管路上。

作为本发明的一种可选方案，所述分形管路包括位于中心位置的主管路和连接所述主管路的多个分叉管路，非第一级所述分形管路的所述主管路与上一级所述分形管路的所述分叉管路相连接，第一级所述分形管路的所述主管路连接至反应物气源。

作为本发明的一种可选方案，所述分形管路至少包含两条所述分叉管路。

作为本发明的一种可选方案，所述分叉管路垂直于所述主管路的轴向方向且均匀分布于所述主管路的同一横截平面上。

作为本发明的一种可选方案，非第一级所述分形管路的所述分叉管路与上一级所述分形管路的所述主管路的长度之比的范围介于0.1至1之间且内径之比的范围介于0.1至0.8之间。

作为本发明的一种可选方案，所述微孔膜管连接于各级所述分形管路的所述主管路。

作为本发明的一种可选方案，所述喷嘴连接于最末级分形管路的末端。

作为本发明的一种可选方案，所述多级分形气体分布器包括至少两级分形管路。

作为本发明的一种可选方案，所述微孔膜管的微孔孔径范围介于0.1微米至10微米之间。

作为本发明的一种可选方案，所述喷嘴的孔径范围介于1毫米至5毫米之间。

作为本发明的一种可选方案，所述多级分形气体分布器位于所述换热管的下方。

作为本发明的一种可选方案，所述换热管包括用于容纳换热介质循环的换热介质循环管路；所述浆态床反应器还包括用于使所述反应物流通的流通通道，所述换热介质循环管路向所述流通通道提供热交换。

作为本发明的一种可选方案，所述换热管包括多条构成分形结构排布的所述换热介质循环管路。

作为本发明的一种可选方案，多条所述换热介质循环管路具有不同的管径，不同管径之间的管径比的范围介于1至10之间。

作为本发明的一种可选方案，所述浆态床反应器还包括用于对气液固夹带进行气液固分离的气液固分离装置，所述气液固分离装置设置于所述浆态床层的液面上方。

作为本发明的一种可选方案，所述气液固分离装置包括：

用于对所述气液固夹带进行折流冷凝分离的折流冷凝分离模块；

用于对折流冷凝分离后的所述气液固夹带进行旋风分离的旋风分离模块，所述旋风分离模块连接所述折流冷凝分离模块；

用于将分离后的产物气体排出的分离出气管，所述分离出气管连接所述旋风分离模块。

作为本发明的一种可选方案，所述气液固分离装置还包括用于将折流冷凝分离及旋风分离后的固液流体送回所述浆态床层的下料腿；所述下料腿的一端连接所述折流冷凝分离模块及所述旋风分离模块，另一端伸入所述浆态床层中。

作为本发明的一种可选方案，所述浆态床反应器还包括：

用于向所述多级分形气体分布器供给所述反应物气体的进气管路，所述进气管路连接所述多级分形气体分布器与反应物气源；

用于将产物气体排出的排气管路，所述排气管路设置于所述浆态床层上方的反应器壳体上。

本发明还提供了一种浆态床反应器的反应方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一含有浆态床层的浆态床反应器，所述浆态床反应器还包含浸没于所述浆态床层中的多级分形气体分布器和换热管；

向所述多级分形气体分布器供给所述反应物气体，并通过所述多级分形气体分布器将所述反应物气体分布为微米级气泡和毫米级气泡；

使所述微米级气泡和所述毫米级气泡通过所述换热管所在区域，所述微米级气泡和所述毫米级气泡与所述换热管进行热交换并反应生成产物气体。

作为本发明的一种可选方案，所述浆态床反应器还包括气液固分离装置，所述反应方法还包括在所述产物气体离开所述浆态床层后，将所述产物气体通入所述气液固分离装置，将气液固分离后的所述产物气体排出所述浆态床反应器，并将气液固分离后的固液相送回所述浆态床层中的步骤。

如上所述，本发明提供了一种浆态床反应器及反应方法，通过引入多级分形气体分布器产生多尺度气泡进行三相反应，克服了单一尺寸气泡所导致的气液接触面积低、流动死区大、催化剂沉积等问题。此外，还通过引入分形结构的换热管避免了气泡的返混现象，得到了一种流动可控和反应效率高的新型三相浆态床反应器。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中所提供的浆态床反应器的正视图。

图2显示为本发明实施例一中所提供的气液固分离装置的示意图。

图3显示为本发明实施例一中所提供的多级分形气体分布器的示意图。

图4显示为本发明实施例一中所提供的多级分形气体分布器的俯视图。

图5显示为本发明实施例一中所提供的换热管的正视图。

图6显示为本发明实施例一中所提供的换热管的径向截面图。

图7显示为本发明实施例一中所提供的“四叶草”型仿生蜂窝几何排布换热管的局部截面图。

图8显示为本发明实施例一中所提供的“雪花”型仿生蜂窝几何排布换热管的局部截面图。

图9显示为本发明实施例二中所提供的一种浆态床反应器的反应方法流程图。

元件标号说明

101 浆态床层

102 反应器壳体

103 多级分形气体分布器

103a 分形管路

103b 微孔膜管

103c 喷嘴

104 换热管

104a 流通通道

104b 热介质循环管路

104c 循环入口

104d 循环出口

105 气液固分离装置

105a 折流冷凝分离模块

105b 旋风分离模块

105c 分离出气管

105d 下料腿

106 进气管路

107 排气管路

S1～S3 步骤1)～3)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供了一种浆态床反应器，如图1所示，包括：

用于容纳浆态床层101的反应器壳体102；

用于将反应物气体分布为多尺度的反应物气泡的多级分形气体分布器103，所述多级分形气体分布器103浸没于所述浆态床层101中；

用于与反应物进行热交换并在反应过程中保持预设温度的换热管104，所述换热管104浸没于所述浆态床层101中。

作为示例，如图1所示，所述浆态床反应器至少包括：反应器壳体102、多级分形气体分布器103和换热管104。其中，所述反应器壳体102用于容纳浆态床层101，所述多级分形气体分布器103和所述换热管104浸没于所述浆态床层101中。具体地，在本实施例中，所述浆态床反应器为垂直放置的筒型结构，所述浆态床层101占据所述反应器壳体102的下半部分空间，所述换热管104垂直放置并浸没于所述浆态床层101中，且所述换热管104填满筒型结构在垂直方向的截面。所述多级分形气体分布器103位于所述换热管104的下方，将反应物气体分布为多尺度气泡后，所述气泡从所述换热管104的下方进入所述换热管104所在区域，在与所述换热管104进行热交换并完成费托合成等三相反应后，生成的产物气体从所述换热管104的上方排出。需要指出的是，本实施例所述筒型结构仅是本发明所述浆态床反应器的一种实现结构，在本发明的其他实施案例中，还可以采用釜式或环流式等其他布局结构，只需要确保反应物气体在进入所述换热管104所在区域并发生反应前，由所述多级分形气体分布器103分布为多尺度的反应物气泡即可。

作为示例，如图1和图2所示，所述浆态床反应器还包括用于对气液固夹带进行气液固分离的气液固分离装置105，所述气液固分离装置105设置于所述浆态床层101的液面上方。设置于所述浆态床层101的液面上方的所述气液固分离装置105可以收集包含产物气体的气液固夹带，并进行气液固分离，并输出分离后的得到的产物气体。在本发明中，所述气液固夹带指的是包含了少量液相和固相的气体，是气液固三相混合的，但液相和固相的含量较少。所述浆态床层101包含浆液及催化剂颗粒，如所述气液固夹带未进行气液固分离就直接排出，将额外增加催化剂损耗，提高生产成本。具体地，如图2所示，所述气液固分离装置105包括：用于对所述气液固夹带进行折流冷凝分离的折流冷凝分离模块105a；用于对折流冷凝分离后的所述气液固夹带进行旋风分离的旋风分离模块105b，所述旋风分离模块105b连接所述折流冷凝分离模块105a；用于将分离后的产物气体排出的分离出气管105c，所述分离出气管105c连接所述旋风分离模块105b。所述折流冷凝分离模块105a用于对所述气液固夹带进行折流冷凝后的初步分离，再通过所述旋风分离模块105b将产物气体与固液流体进行彻底分离，并通过所述分离出气管105c将所述产物气体输出。如图1和图2所示，所述气液固分离装置105还包括用于将折流冷凝分离及旋风分离后的固液流体送回所述浆态床层101的下料腿105d；所述下料腿105d的一端连接所述折流冷凝分离模块105a及所述旋风分离模块105b，另一端伸入所述浆态床层101中。通过所述下料腿105d可以将分离后的固液流体送回所述浆态床层101中，从而起到节省反应催化剂的作用。需要指出的是，图2中因篇幅所限仅展示了所述下料腿105d与所述折流冷凝分离模块105a及所述旋风分离模块105b连接的部分，其伸入所述浆态床层101中的部分并未展示。

作为示例，如图1所示，所述浆态床反应器还包括：用于向所述多级分形气体分布器103供给所述反应物气体的进气管路106，所述进气管路106连接所述多级分形气体分布器103与反应物气源；用于将产物气体排出的排气管路107，所述排气管路107设置于所述浆态床层上方的反应器壳体102上。在图1中，所述进气管路106连接所述多级分形气体分布器103，并向所述多级分形气体分布器103供给反应物气体。所述排气管路107连接所述反应器壳体102，用于输出反应生成的产物气体。可选地，所述排气管路107连接所述分离出气管105c，用于输出通过所述气液固分离装置105分离后的产物气体。

作为示例，如图3和图4所示，所述多级分形气体分布器103包括：

具有分形结构的多级分形管路103a，各级所述分形管路103a顺次连接，且第一级所述分形管路103a连接至反应物气源；

用于将所述反应物气体分布为微米级气泡的微孔膜管103b，所述微孔膜管103b设置于所述分形管路103a上；

用于将所述反应物气体分布为毫米级气泡的喷嘴103c，所述喷嘴103c设置于所述分形管路103a上。

在本实施例中，所述多级分形管路103a具有自相似的分形结构，各级所述分形管路103a顺次连接。所述分形管路103a至少包含两条所述分叉管路，且所述多级分形气体分布器103包括至少两级分形管路103a。如图3和图4所示，本实施例中的所述分形管路103a包含6条分叉管路，且分形级数为3。可选地，第一级所述分形管路103a通过所述进气管路106连接至反应物气源。所述微孔膜管103b用于将所述反应物气体分布为微米级气泡；所述喷嘴103c用于将所述反应物气体分布为毫米级气泡。为了促进反应器内气液固混合、传质和反应，克服单一尺寸气泡存在的缺陷，本发明中的气体分布器采用了多级分形气体分布器的设计，能够同时产生毫米级和微米级的反应物气泡，毫米级的反应物气泡具有较大的动量，可以带动床层中的浆液、催化剂、微米级的反应物气泡向上流动进入所述换热管104中。因此，多尺度混合气泡同时具备了微米级气泡气液接触面积大以及毫米级气泡动量大防止沉积的优点。在所述换热管104的限域作用下，气液固三相流体发生三相反应，当所述气液固三相流体到达液面后所述产物气体夹带液固雾沫颗粒逸出，进入反应器顶部的气液固分离装置105中进行气液固分离，可减少催化剂损耗，提高产物气体的纯度，从而使整个反应器对于气液固三相反应体系的性能大大提高。

作为示例，如图3和图4所示，所述分形管路103a包括位于中心位置的主管路和连接所述主管路的多个分叉管路，非第一级所述分形管路的所述主管路与上一级所述分形管路的所述分叉管路相连接，第一级所述分形管路的所述主管路连接至反应物气源。所述分叉管路垂直于所述主管路的轴向方向且均匀分布于所述主管路的同一横截平面上。非第一级所述分形管路的所述分叉管路与上一级所述分形管路的所述主管路的长度之比的范围介于0.1至1之间且内径之比的范围介于0.1至0.8之间。需要指出的是，图3和图4所示的仅是本发明中所述分形管路103a的一种实现形式，在本发明的其他实施方案中，多级分形管路的具体结构可以根据实际需要灵活调整，并不局限于本实施例所例举的多级分形管路。例如，分叉管路的分叉数可以不局限为6，也可以是5或7；或者多级分形管路的分形级数也可以大于3。

作为示例，如图3和图4所示，所述微孔膜管103b连接于各级所述分形管路103a的所述主管路。所述微孔膜管103b的微孔孔径范围介于0.1微米至10微米之间。所述喷嘴103c连接于最末级分形管路103a的末端。所述喷嘴103c的孔径范围介于1毫米至5毫米之间。在图3和图4中，所述微孔膜管103b连接于各级所述分形管路103a的所述主管路上，用于将所述反应物气体分布为微米级气泡；所述喷嘴103c连接于最末级分形管路103a的末端，用于将所述反应物气体分布为毫米级气泡。通过采用分形结构多尺度气泡耦合式进气方式，分形结构有利于产生自相似均匀布气。所述微孔膜管103b产生用于强化传质反应的微米级气泡，而所述喷嘴103c产生用于流态化的毫米级气泡，从而达到均匀流态化和高效传质强化的双重功效，提高浆态床反应器的性能。

作为示例，如图5和图6所示，所述换热管104包括用于容纳换热介质循环的换热介质循环管路104b；所述浆态床反应器还包括用于使所述反应物流通的流通通道104a，所述换热介质循环管路104b向所述流通通道104a提供热交换。可选地，在本实施例中，所述流通通道104a设置于所述换热介质循环管路104b之间，由所述换热介质循环管路104b的布局所定义。其中，图5是所述换热管104的正视图，图6是所述换热管104的径向截面图。图6中为了展示流通通道104a。可选地，在图5中，所述热介质循环管路104b为在垂直方向平行排列的若干首尾互连的管路，所述管路的终端分别连接至循环入口104c及循环出口104d，换热介质在外部热源加热后，通过所述循环入口104c进入所述换热介质循环管路104b，并从所述循环出口104d回收至外部热源再加热，形成换热介质的循环，以使所述换热管104内维持三相反应所需的反应温度。可选地，所述换热管104包括多条构成分形结构排布的所述换热介质循环管路104b。所述流通通道104a由所述换热介质循环管路104b的阵列所定义，如图6所示，所述换热介质循环管路104b的排布结构采用具有限域作用的蜂窝型分形几何结构。可选地，如图7所示，所述换热介质循环管路104b的排布结构采用不变径“四叶草”型仿生蜂窝几何排布。此外，多条所述换热介质循环管路104b也可以具有不同的管径，不同管径之间的管径比的范围介于1至10之间。可选地，如图8所示，为变径“雪花”型仿生蜂窝几何排布。在如图7或图8中所示的分形蜂窝几何结构布置的限域作用下，气液固流动返混减少，流动传质及反应在每个限域空间内呈现自相似特征，实现多尺度气泡在每个限域空间内呈现自相似的精确流控、高效传质、传热和反应的过程。

实施例二

本实施例提供了一种浆态床反应器的反应方法，如图9所示，包括以下步骤：

1)提供一含有浆态床层的浆态床反应器，所述浆态床反应器还包含浸没于所述浆态床层中的多级分形气体分布器和换热管；

2)向所述多级分形气体分布器供给所述反应物气体，并通过所述多级分形气体分布器将所述反应物气体分布为微米级气泡和毫米级气泡；

3)使所述微米级气泡和所述毫米级气泡通过所述换热管所在区域，所述微米级气泡和所述毫米级气泡与所述换热管进行热交换并反应生成产物气体。

在步骤1)中，请参阅图9的S1步骤及图1，提供一含有浆态床层101的浆态床反应器，所述浆态床反应器还包含浸没于所述浆态床层中的多级分形气体分布器103和换热管104。需要指出的是，本实施例中所述浆态床反应器的反应方法是基于实施例一中所述的浆态床反应器的，而在本发明的其他实施案例中，也可以基于其他实现形式的浆态床反应器，并不局限于实施例一中所具体描述的浆态床反应器。

在步骤2)中，请参阅图9的S2步骤及图1，向所述多级分形气体分布器103供给所述反应物气体，并通过所述多级分形气体分布器103将所述反应物气体分布为微米级气泡和毫米级气泡。通过同时产生毫米级和微米级的气泡，同时具备了微米级气泡气液接触面积大以及毫米级气泡动量大防止沉积的优点，使整个气液固三相反应体系的性能大大提高。

在步骤3)中，请参阅图9的S3步骤及图1，使所述微米级气泡和所述毫米级气泡通过所述换热管104所在区域，所述微米级气泡和所述毫米级气泡与所述换热管104进行热交换并反应生成产物气体。可选地，如图5至图8所示，所述换热管104包括多条构成分形结构排布的所述换热介质循环管路104b，所述换热介质循环管路104b的排布结构采用具有限域作用的蜂窝型分形几何结构。如图7所示，为不变径“四叶草”型仿生蜂窝几何排布；如图8所示，为变径“雪花”型仿生蜂窝几何排布。通过所述分形蜂窝几何结构布置的限域作用，气液固流动返混减少，流动传质及反应在每个限域空间内呈现自相似特征，实现多尺度气泡在每个限域空间内呈现自相似的精确流控、高效传质、传热和反应的过程。

作为示例，如图1和图2所示，所述浆态床反应器还包括气液固分离装置105，所述反应方法还包括在所述产物气体离开所述浆态床层101后，将所述产物气体通入所述气液固分离装置105，将气液固分离后的所述产物气体排出所述浆态床反应器，并将气液固分离后的固液相送回所述浆态床层101中的步骤。所述产物气体在离开所述浆态床层101时，会夹带液固雾沫颗粒，形成气液固三相流体。通过采用所述气液固分离装置105，可以有效分离出产物气体，减少催化剂损耗，提高出口产物的纯度。

实施例三

本实施例将基于实施例一所述浆态床反应器及实施例二所述浆态床反应器的反应方法例举一种典型的钴基费托合成反应过程。

在本实施例中，所述浆态床反应器的反应器壳体内径为2米，轴向高度为35米，所述浆态床反应器的顶部设置有气液固分离装置，换热管的换热介质循环管路采用图7所示的“四叶草”型仿生蜂窝几何结构，所述浆态床反应器的底部设置有多级分形气体分布器。

在反应开始前，在所述反应器壳体内预先设置浆态床层，所述浆态床层的液面位于所述多级分形气体分布器上方15米处，所述浆态床层采用液体石蜡作为溶剂，催化剂为钴基催化剂，催化剂的质量分数为5％。

在反应过程中，所述反应物气体通过所述浆态床反应器底部的进气管路通入所述多级分形气体分布器中，经所述多级分形气体分布器分布为毫米级气泡及微米级气泡，由大尺寸的毫米级气泡带动所述浆态床层中的浆液、催化剂及微米级气泡向上流动进入中部的换热管区域。在所述换热管区域中，反应物气泡与液体石蜡和催化剂三者组成气液固三相混合物。反应物气体在催化剂的作用下发生费托合成反应生成蜡与烃油，同时产生部分轻质烃类的副产物。

表1是所述浆态床反应器的温度、压力、反应物气体组分和表观气速等反应参数。

表2是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，得到的产物气体的具体组分及其含量，以及本实施例反应结果与传统的管式气体分布器和正三角形分布换热管的反应结果的对比。

从表2的结果对比中可以看出，本实施例通过采用具有多级分形气体分布器和“四叶草”型蜂窝几何分布的换热管的反应器，相比传统的管式气体分布器和正三角形分布换热管的情况，具有更高效的传质反应效果，CO转化率获得显著的提高。

表1费托合成鼓泡浆态床反应器的反应条件

表2反应结果及对比

实施例四

本实施例将基于实施例一所述浆态床反应器及实施例二所述浆态床反应器的反应方法例举一种非典型的钴基费托合成直接制烯烃的反应过程。

在本实施例中，所述浆态床反应器的反应器壳体内径为2米，轴向高度为35米，所述浆态床反应器的顶部设置有气液固分离装置，换热管的换热介质循环管路采用图8所示的变径“雪花”型仿生蜂窝几何排布，所述浆态床反应器的底部设置有多级分形气体分布器。

在反应开始前，在所述反应器壳体内预先设置浆态床层，所述浆态床层的液面位于所述多级分形气体分布器上方12.5米处。反应条件：SV＝2000h^-1，P＝0.5Mpa，T＝255℃，H/C＝1。反应气体在催化剂的作用下，发生非典型的费托合成反应直接生成低碳烯烃为主的产物，结果如表3和表4所示。从表3和表4中可以看出，通过本发明所提供的浆态床反应器及反应方法，本实施例通过钴基费托合成直接制烯烃的选择性好、反应效率高，且CO转化率也保持在较高水平。

表3实施例四中产物收率和选择性

表4实施例四中烃类产物中烃选择性及烯烷比

综上所述，本发明提供了一种浆态床反应器及反应方法，所述浆态床反应器包括：用于容纳浆态床层的反应器壳体；用于将反应物气体分布为多尺度的反应物气泡的多级分形气体分布器，所述多级分形气体分布器浸没于所述浆态床层中；用于使所述反应物气泡流通并反应的换热管，所述换热管浸没于所述浆态床层中。所述反应方法包括以下步骤：提供一含有浆态床层的浆态床反应器，所述浆态床反应器还包含浸没于所述浆态床层中的多级分形气体分布器和换热管；向所述多级分形气体分布器供给所述反应物气体，并通过所述多级分形气体分布器将所述反应物气体分布为微米级气泡和毫米级气泡；使所述微米级气泡和所述毫米级气泡通过所述换热管所在区域，所述微米级气泡和所述毫米级气泡与所述换热管进行热交换并反应生成产物气体。本发明通过引入多级分形气体分布器产生多尺度气泡进行三相反应，克服了单一尺寸气泡所导致的气液接触面积低、流动死区大、催化剂沉积等问题。此外，还通过引入分形结构的换热管避免了气泡的返混现象，得到了一种流动可控和反应效率高的新型三相浆态床反应器。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种浆态床反应器，其特征在于，包括：

用于容纳浆态床层的反应器壳体；

用于将反应物气体分布为多尺度气泡的多级分形气体分布器，所述多级分形气体分布器浸没于所述浆态床层中；

用于与反应物进行热交换并在反应过程中保持预设温度的换热管，所述换热管浸没于所述浆态床层中；

所述多级分形气体分布器包括具有分形结构的多级分形管路、用于将所述反应物气体分布为微米级气泡的微孔膜管，所述微孔膜管设置于所述分形管路上及用于将所述反应物气体分布为毫米级气泡的喷嘴，各级所述分形管路顺次连接，且第一级所述分形管路连接至反应物气源；所述喷嘴设置于所述分形管路上。

2.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述分形管路包括位于中心位置的主管路和连接所述主管路的多个分叉管路，非第一级所述分形管路的所述主管路与上一级所述分形管路的所述分叉管路相连接，第一级所述分形管路的所述主管路连接至反应物气源。

3.根据权利要求2所述的浆态床反应器，其特征在于：所述分形管路至少包含两条所述分叉管路。

4.根据权利要求2所述的浆态床反应器，其特征在于：所述分叉管路垂直于所述主管路的轴向方向且均匀分布于所述主管路的同一横截平面上。

5.根据权利要求2所述的浆态床反应器，其特征在于：非第一级所述分形管路的所述分叉管路与上一级所述分形管路的所述主管路的长度之比的范围介于0.1至1之间且内径之比的范围介于0.1至0.8之间。

6.根据权利要求2所述的浆态床反应器，其特征在于：所述微孔膜管连接于各级所述分形管路的所述主管路。

7.根据权利要求2所述的浆态床反应器，其特征在于：所述喷嘴连接于最末级分形管路的末端。

8.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述多级分形气体分布器包括至少两级分形管路。

9.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述微孔膜管的微孔孔径范围介于0.1微米至10微米之间。

10.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述喷嘴的孔径范围介于1毫米至5毫米之间。

11.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述多级分形气体分布器位于所述换热管的下方。

12.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述换热管包括用于容纳换热介质循环的换热介质循环管路；所述浆态床反应器还包括用于使所述反应物流通的流通通道，所述换热介质循环管路向所述流通通道提供热交换。

13.根据权利要求12所述的浆态床反应器，其特征在于：所述换热管包括多条构成分形结构排布的所述换热介质循环管路。

14.根据权利要求12所述的浆态床反应器，其特征在于：多条所述换热介质循环管路具有不同的管径，不同管径之间的管径比的范围介于1至10之间。

15.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述浆态床反应器还包括用于对气液固夹带进行气液固分离的气液固分离装置，所述气液固分离装置设置于所述浆态床层的液面上方。

16.根据权利要求15所述的浆态床反应器，其特征在于：所述气液固分离装置包括：

用于对所述气液固夹带进行折流冷凝分离的折流冷凝分离模块；

用于对折流冷凝分离后的所述气液固夹带进行旋风分离的旋风分离模块，所述旋风分离模块连接所述折流冷凝分离模块；

用于将分离后的产物气体排出的分离出气管，所述分离出气管连接所述旋风分离模块。

17.根据权利要求15所述的浆态床反应器，其特征在于：所述气液固分离装置还包括用于将折流冷凝分离及旋风分离后的固液流体送回所述浆态床层的下料腿；所述下料腿的一端连接所述折流冷凝分离模块及所述旋风分离模块，另一端伸入所述浆态床层中。

18.根据权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于：所述浆态床反应器还包括：

用于向所述多级分形气体分布器供给所述反应物气体的进气管路，所述进气管路连接所述多级分形气体分布器与反应物气源；

用于将产物气体排出的排气管路，所述排气管路设置于所述浆态床层上方的反应器壳体上。

19.一种依权利要求1-18任一项所述的浆态床反应器的反应方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一含有浆态床层的浆态床反应器，所述浆态床反应器还包含浸没于所述浆态床层中的多级分形气体分布器和换热管；

向所述多级分形气体分布器供给所述反应物气体，并通过所述多级分形气体分布器将所述反应物气体分布为微米级气泡和毫米级气泡；

使所述微米级气泡和所述毫米级气泡通过所述换热管所在区域，所述微米级气泡和所述毫米级气泡与所述换热管进行热交换并反应生成产物气体。

20.根据权利要求19所述的浆态床反应器的反应方法，其特征在于：所述浆态床反应器还包括气液固分离装置，所述反应方法还包括在所述产物气体离开所述浆态床层后，将所述产物气体通入所述气液固分离装置，将气液固分离后的所述产物气体排出所述浆态床反应器，并将气液固分离后的固液相送回所述浆态床层中的步骤。

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