CN111040798B - 一种煤制油低温费托反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应过程温度稳定、生产效率高的煤制油低温费托反应器，同时在反应器内部进行产物的分离，返回夹带的催化剂颗粒，能持续进行合成反应及产物分离，所述反应器包括环流反应段、三相分离段、进料口、排料口、底座；所述环流反应段包括合成气入口、内环气体分布器、外环气体分布器、支架、环流筒、沸水流入管、水蒸气排出管、折流板；所述三相分离段包括溢流堰、床层隔板、气体出口、液体出口、隔板、气液混合相切向入口、液固混合相切向入口、导叶、气体上升管、液体上升管、下降管。

Description

一种煤制油低温费托反应器

技术领域

本发明属于化工设备领域，具体涉及一种应用于煤制油的浆态床费托反应器，特别是一种煤制油低温费托反应器。

背景技术

世界经济快速增长，对汽油、柴油等油品的需求逐渐加大，以费托合成为核心的煤和天然气制油间接液化工艺越来越受到重视。费托合成油清洁、环保，同时燃烧性能优异，还副产高价值的化学品，经济效益高。

低温浆态床反应器通入含H₂、CO的合成气，在相对较低的温度下，通过催化作用与原料反应生成重质烃(费托蜡等)产品，输送至后续油品加工工艺。

浆态床费托反应器目前最为常见，反应过程中合成气在床层的扩散效果差，未反应即排出；主要产物为液相，夹带催化剂，还有气态副产品生成，导致分离过程复杂；反应放出的热如果不能及时移出，将会失去反应的选择性，生成大量气相产物。

中国专利CN 110180471A公布了一种用于费托合成的浆态床反应器，气体分布器设置在反应器主体底部，在主体内设置了若干组移热装置及配套的降液管，移热装置之间设有液固分离装置，反应器顶部设有气固分离装置，实现了良好的换热及气体分布，但是设置多组移热装置，占用了反应器内部大量空间，反应发生区域有限，减少了产量，且结构复杂增加了建设成本。

在浆态床费托反应器中，生成的重质烃类主要是过滤器分离催化剂后排出。由于滤芯拦截重质烃夹杂的催化剂，会附着在过滤器上减小流通面积，使产物积累在床层。为了避免此类情况的发生，通常会在反应进行一段时间后进行反吹，将过滤器上的催化剂清除返回床层。由于反应的连续性，管口催化剂滤层会快速形成，需要提高反吹的频率，生产效率大幅降低。

中国专利CN 110385089A公开的一种浆态床反应器，合成气经过气体分布器后均匀进入反应段，与催化剂和溶剂接触反应，浆料经过脱除气体后在反应段内强制返混，液相产物经过固液分离器后排出，尾气进行脱液和脱固后排出，脱除过程并未详细说明，在浆料强制返混过程中再次与气体接触，促进了循环反应，也会使液相产物夹带更多气体，在固液分离过程中减少过滤的有效面积，无法实现连续的气液、液固分离。

基于此，在专利CN 108815929A中，费托浆态床产物输出外部分离设备，流入多组旋风分离器进行气液分离，气相组分从气相上升管排出至壳体内腔的气相容纳区，液固相从液相下降管排出至底部的液相容纳区，再沉淀分离，通过杂质出料口排出催化剂，通过泵抽出液相产物，整个分离过程是连续进行的，但是残留的催化剂一同被吸入泵机会造成堵塞磨损，整个外分离设备体积巨大，配套设备要求高，不利于降低投资成本。由此可见，亟需开发一种低温费托反应器，能够稳定反应过程的温度，高效地进行合成反应，分离三相物质，同时结构简单紧凑可实现长周期运行，减少催化剂消耗。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种反应过程温度稳定、生产效率高的浆态床反应器，同时在反应器内部进行产物的分离，返回夹带的催化剂颗粒，能持续进行合成反应及产物分离。

本发明采用的技术方案如下：一种煤制油低温费托反应器，用于生成液相产物(费托蜡等)，移除反应过程放出的热，对各相产物及催化剂进行分离，主要由两部分组成：环流反应段、三相分离段，环流反应段和三相分离段安装在同一个罐体内，所述罐体安装在底座上；

所述反应器整体垂直于地面，底部设置排料口，反应器中部设置进料口，顶部设有气体出口，上部侧面设有液体出口。参与反应的合成气由底部进入向上流动，依次经过环流反应段、三相分离段，浆态床中含催化剂的混合物从中部进入反应器，与合成气充分接触反应。

所述环流反应段包括合成气入口、气体分布器、环流筒、沸水流入管、水蒸气排出管、折流板；所述合成气入口设置在罐体下部的侧面，连通所述气体分布器；所述气体分布器通过支架固定在所述反应器的罐体底部，包括内环气体分布器和外环气体分布器，内外环气体分布器处于同一水平面，并均与合成气入口管连通，外环气速更大，内环气速较小，将进入反应器的合成气垂直向上喷出，由于外环气速足够大，使气体能够推动混合物料向上流动，内环气体能够增加进气量，提高反应的速度，在内外环气速的差异下，反应器壁面附近与中心区域物料形成环流。

所述环流筒固定在气体分布器上方，由两个相同的半环形筒组成，每个半环形筒的两端均连接有沸水流入管和水蒸气排出管，沸水流入管和水蒸气排出管均连接至反应器外，半环形筒的内部沿着周向上下交错安装有多道折流板，将每个半环形筒的内部均遮挡成上下迂折流动的流道形式，所述两个半环形筒将反应器的罐体截面分割成外部环形和内部圆心两个区域，从而使环流筒能够配合气体分布器形成环流通道，在壁面附近，床层受到气体的推动向上运动，在中心区域下降。两个半圆筒体内移热流体流动方向相反。

两个半环形筒内部通入移热的流体，可以将反应过程中产生的热量移出，避免温度超出反应区间，生成大量非目标产物。本发明将移热装置与环流筒合并，从而省略了常规反应器中的换热管等换热设备，能减少换热管对反应器内部空间的占用，降低对物料流动的阻碍，减少死区的存在。

所述三相分离段包括溢流堰、床层隔板、上隔板、下隔板以及气液固三相分离器，所述上隔板与反应器罐体的椭圆顶部之间作为气相容纳区，上、下隔板之间形成液相容纳区，气相容纳区与液相容纳区暂时储存单个分离器流出的产物，所述产物从气液固三相分离器的气体出口、液体出口分别引出。

所述床层隔板将三相分离段与环流反应段分开，溢流堰固定在床层隔板两端，高度约为气液固三相分离器的一半。所述气液固三相分离器共六个，对称分布在床层隔板与下隔板之间，包括液固分离段、气液分离段，所述液固分离段包括液固混合相切向入口、液体上升管、液固分离腔、底流口；所述气液分离段包括气液混合相切向入口、气体上升管、气液分离腔、导叶；所述液固分离段最上端与气液分离段最下端直接相连，所述导叶位于气液分离段与液固分离段的连接部位，所述液体上升管从液固分离腔向上穿过导叶延伸至气体上升管内，并从气体上升管侧面穿出至液相容纳区，所述气体上升管从气液分离腔向上延伸至气相容纳区，所述底流口位于液固分离腔下方与下降管连通。

所述液固混合相切向入口均朝向两端溢流堰，反应器内床层液面略高于溢流堰，使得产物能够流过堰体，进入气液固三相分离器，所述气液固三相分离器的下降管插入床层，其出口靠近环流筒。所述气液固三相分离器的液固混合相切向入口固定在床层隔板之上，气液混合相切向入口固定在下隔板下方。三相分离器中导叶位于气液分离腔和液固分离腔之间，旋向与切向进入的混合相一致。气体上升管与液体上升管形成夹套，分离后的气体由夹套环形空间轴向向上流动，进入气相容纳区；分离后的液体由夹套中心轴向向上流动，进入液相容纳区。

工作过程如下：浆态床中物料在催化剂作用下与合成气反应，在气体分布器与环流筒的作用下形成环流，环流筒同时起到移热的作用。反应完成的产品漫过溢流堰后切向进入气液固三相分离器，气体在液面上方聚集，夹带着少量液滴，通过气液混合相切向入口来到气液分离腔，依靠离心作用，使液滴沿着壁面下落，气体经气体上升管轴向运动进入气相容纳区引出；壁面上的液体通过导叶形成旋转运动，与经液固混合相切向入口切向进入的液体混合，在离心运动下，固体颗粒集中在壁面附近的液体里，中心的液体由液体上升管轴向运动到液相容纳区引出。携带大量固体的液体从底部下降管返回床层，实现气、液、固三相的分离。

与现有的浆态床反应器相比，本发明具有以下优点：

1、内部形成环流充分搅拌混合物，增强了接触混合反应效率；

2、环流筒与换热设备一体设置，同时起到良好的导流与移热作用，极大节省了反应器安装空间，且省去了额外的换热管等换热设备，降低了对物料流动的阻碍，减少死区的存在；

3、气液固三相分离器实现反应器内部的反应分离一体化，不需要外分离设备；

4、重设计了气液固三相分离器的结构，包括液固分离段和气液分离段，可以实现气相脱液和液相脱固一体化过程，整个三相分离器结构紧凑，内部件少，分离器腔体足够大，避免了催化剂颗粒附着堵塞，且不需要进行反冲洗，可保证浆态床反应器平稳长周期运行。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为三相分离段A-A截面三相分离器的布置示意图；

图3为环流反应段B-B截面环流筒的布置示意图；

图4为环流筒内部结构三维透视图；

图5为环流筒内移热流体流动示意图；

图6为环流反应段C-C截面气体分布器的布置示意图；

图7为本装置三维立体示意图；

图中，1-气体上升管；2-液体上升管；3-气液混合相切向入口；4-导叶；5-液固混合相切向入口；6-进料口；7-合成气入口；8-底座；9-气体出口；10-上隔板；11-液体出口；12-下隔板；13-溢流堰；14-床层隔板；15-下降管；16-排料口；17-三相分离器；18-环流筒；19-水蒸气排出管；20-沸水流入管；21-折流板； 22-内环气体分布器；23-支架；24-外环气体分布器。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1为本发明装置结构示意图，如图所示，一种煤制油低温费托反应器，主要由两部分组成：环流反应段、三相分离段，环流反应段和三相分离段安装在同一个罐体内，所述罐体安装在底座8上；

所述反应器整体垂直于地面，底部设置排料口16，反应器中部设置进料口6，顶部设有气体出口9，上部侧面设有液体出口11。参与反应的合成气由反应器底部侧面的合成气入口7进入向上流动，依次经过环流反应段、三相分离段，浆态床中含催化剂的混合物从中部进料口6进入反应器，与合成气充分接触反应。

所述环流反应段包括合成气入口7、气体分布器、环流筒18、沸水流入管20、水蒸气排出管19、折流板21；如图6所示，为环流反应段C-C截面气体分布器的布置示意图，所述气体分布器通过支架23固定在所述反应器的罐体底部，包括内环气体分布器22和外环气体分布器24，内外环气体分布器处于同一水平面，并均与合成气入口7的进管连通，外环气速更大，内环气速较小，将进入反应器的合成气垂直向上喷出，由于外环气速足够大，使气体能够推动混合物料向上流动，内环气体能够增加进气量，提高反应的速度，在内外环气速的差异下，反应器壁面附近与中心区域物料形成环流。

如图3、图4和图5所示，分别为环流反应段B-B截面环流筒的布置示意图、环流筒内移热流体流动示意图和环流筒内部结构三维透视图，所述环流筒18固定在气体分布器上方，由两个相同的半环形筒组成，每个半环形筒的两端均连接有沸水流入管20和水蒸气排出管19，半环形筒的内部沿着周向上下交错安装有多道折流板21，将每个半环形筒的内部均遮挡成上下迂折流动的流道形式，所述两个半环形筒将反应器的罐体截面分割成外部环形和内部圆心两个区域，从而使环流筒18能够配合气体分布器形成环流通道，在壁面附近，床层受到气体的推动向上运动，在中心的圆心区域下降。两个半圆环筒体内移热流体流动方向相反。

两个半环形筒内部通入移热的流体，可以将反应过程中产生的热量移出，避免温度超出反应区间，生成大量非目标产物。本发明将移热装置与环流筒合并，从而省略了常规反应器中的换热管等换热设备，能减少换热管对反应器内部空间的占用，降低对物料流动的阻碍，减少死区的存在。

结合图1，所述三相分离段包括溢流堰13、床层隔板14、上隔板10、下隔板12以及气液固三相分离器，所述上隔板10与反应器罐体的椭圆顶部之间作为气相容纳区，上、下隔板之间形成液相容纳区，气相容纳区与液相容纳区暂时储存单个分离器流出的产物，所述产物从气液固三相分离器的气体出口、液体出口分别引出。

所述床层隔板14将三相分离段与环流反应段分开，溢流堰13固定在床层隔板14两端，高度约为气液固三相分离器的一半。图2为三相分离段A-A截面三相分离器的布置示意图，所述气液固三相分离器共六个，对称分布在床层隔板14与下隔板12之间，包括液固分离段、气液分离段，所述液固分离段包括液固混合相切向入口5、液体上升管2、液固分离腔、底流口；所述气液分离段包括气液混合相切向入口3、气体上升管1、气液分离腔、导叶4；所述液固分离段最上端与气液分离段最下端直接相连，所述导叶4 位于气液分离段与液固分离段的连接部位，所述液体上升管2从液固分离腔向上穿过导叶4延伸至气体上升管1内，并从气体上升管1侧面穿出至液相容纳区，所述气体上升管1从气液分离腔向上延伸至气相容纳区，所述底流口位于液固分离腔下方与下降管15连通。

所述液固混合相切向入口5均朝向两端溢流堰13，反应器内床层液面略高于溢流堰13，使得产物能够流过堰体，进入气液固三相分离器，所述气液固三相分离器的下降管15插入床层，其出口靠近环流筒 18。所述气液固三相分离器的液固混合相切向入口5固定在床层隔板14之上，气液混合相切向入口3固定在下隔板12下方。三相分离器中导叶4位于气液分离腔和液固分离腔之间，旋向与切向进入的混合相一致。气体上升管1与液体上升管2形成夹套，分离后的气体由夹套环形空间轴向向上流动，进入气相容纳区；分离后的液体由夹套中心轴向向上流动，进入液相容纳区。

图7为本装置三维立体示意图，结合图1和图7对本发明装置工作过程解释如下：浆态床中物料在催化剂作用下与合成气反应，在气体分布器与环流筒的作用下形成环流，环流筒同时起到移热的作用。反应完成的产品漫过溢流堰后切向进入气液固三相分离器，气体在液面上方聚集，夹带着少量液滴，通过气液混合相切向入口来到气液分离腔，依靠离心作用，使液滴沿着壁面下落，气体经气体上升管轴向运动进入气相容纳区引出；壁面上的液体通过导叶形成旋转运动，与经液固混合相切向入口切向进入的液体混合，在离心运动下，固体颗粒集中在壁面附近的液体里，中心的液体由液体上升管轴向运动到液相容纳区引出。携带大量固体的液体从底部下降管返回床层，实现气、液、固三相的分离。

本发明具备如下优点：内部形成环流充分搅拌混合物，增强了接触混合反应效率；环流筒与换热设备一体设置，同时起到良好的导流与移热作用，极大节省了反应器安装空间，且省去了额外的换热管等换热设备，降低了对物料流动的阻碍，减少死区的存在；气液固三相分离器实现反应器内部的反应分离一体化，不需要外分离设备；气液固三相分离器包括液固分离段和气液分离段，可以实现气相脱液和液相脱固一体化过程，整个三相分离器结构紧凑，内部件少，分离器腔体足够大，避免了催化剂颗粒附着堵塞，且不需要进行反冲洗，可保证浆态床反应器平稳长周期运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种等效结构或等效流程的修改或变形，或直接或间接运用到其他相关的技术领域，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种煤制油低温费托反应器，其特征在于，包括环流反应段和三相分离段，环流反应段和三相分离段安装在同一个罐体内；反应器底部设置排料口，中部设置进料口，顶部设有气体出口，上部侧面设有液体出口；

所述环流反应段包括合成气入口、气体分布器、环流筒、沸水流入管、水蒸气排出管、折流板；所述合成气入口设置在罐体下部的侧面，连通所述气体分布器；所述环流筒固定在气体分布器上方；

所述三相分离段包括溢流堰、床层隔板、上隔板、下隔板以及多个气液固三相分离器，所述上隔板与反应器罐体的椭圆顶部之间作为气相容纳区，上、下隔板之间形成液相容纳区，所述床层隔板将三相分离段与环流反应段分开，溢流堰固定在床层隔板两端，所述多个气液固三相分离器对称分布在床层隔板与下隔板之间，包括液固分离段、气液分离段，所述液固分离段包括液固混合相切向入口、液体上升管、液固分离腔、底流口；所述气液分离段包括气液混合相切向入口、气体上升管、气液分离腔、导叶；所述液固分离段最上端与气液分离段最下端直接相连，所述导叶位于气液分离段与液固分离段的连接部位，所述液体上升管从液固分离腔向上穿过导叶延伸至气体上升管内，并从气体上升管侧面穿出至液相容纳区，所述气体上升管从气液分离腔向上延伸至气相容纳区，所述底流口位于液固分离腔下方与下降管连通，所述气液固三相分离器的液固混合相切向入口固定在床层隔板之上，气液混合相切向入口固定在下隔板下方；

所述环流筒由两个相同的半环形筒组成，每个半环形筒的两端均连接有沸水流入管和水蒸气排出管，半环形筒的内部沿着周向上下交错安装有多道折流板，所述两个半环形筒将反应器的罐体截面分割成外部环形和内部圆心两个区域。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征还在于，所述气体分布器通过支架固定在所述反应器的罐体底部，包括内环气体分布器和外环气体分布器，内外环气体分布器处于同一水平面，并均与合成气入口管连通。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征还在于，所述反应器的罐体安装在底座上，反应器整体垂直于地面。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征还在于，所述溢流堰的高度为所述气液固三相分离器的一半。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征还在于，所述气液固三相分离器的数量选择为偶数个。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征还在于，所述导叶造旋方向与混合相切向入口造旋方向一致。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征还在于，所述气液固三相分离器的下降管插入床层，出口靠近环流筒。

8.一种煤制油低温费托反应器的环流筒，其特征在于，所述环流筒由两个相同的半环形筒组成，每个半环形筒的两端均连接有沸水流入管和水蒸气排出管，半环形筒的内部沿着周向上下交错安装有多道折流板，将每个半环形筒的内部均遮挡成上下迂折流动的流道形式，所述两个半环形筒将反应器的罐体截面分割成外部环形和内部圆心两个区域。

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