CN111790319A - 浆态床反应器及其系统和应用以及费托合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于费托合成的浆态床反应器领域，公开了一种浆态床反应器及应用和费托合成方法，其中浆态床反应器包括反应器主体，所述反应器主体内沿轴向自下而上设置有换热器构件、过滤构件和除沫构件，其中，换热器构件和过滤构件交替设置，并位于换热过滤区；其中，在所述换热过滤区内设置m个换热器和至少一个过滤器，并在所述反应器主体的内侧壁上，沿反应器主体的轴向自下而上按照从第一至第n的顺序设置n个挡板。该反应器能够改善床层流动，有效控制浆料的流动速度，降低催化剂床层中浆料混返产生的剪切力，减少催化剂损耗，同时能够减少泡沫层中的雾沫夹带，使得反应器运行更加稳定。

Description

浆态床反应器及其系统和应用以及费托合成方法

技术领域

本发明涉及用于费托合成的浆态床反应器领域，具体涉及一种浆态床反应器及其系统和应用以及费托合成方法。

背景技术

费托合成是指合成气在催化剂的作用下转化为烃类、水和氧化物等产物的过程。费托合成所用的反应器可以采用固定床反应器、流化床反应器和浆态床反应器，其中，浆态床反应器由于其结构简单、温度容易控制、容易操作的特点成为费托合成常用的反应器。

反应时，气体通常从塔底进入反应器中，与床层内的费托合成重质蜡以及固体催化剂颗粒混合形成气液固三相的反应器床层，未反应的气体以及气相产物从塔底流出，这些气体经过处理后可以作为循环气重新进入反应器中参与费托合成反应。

CN1600412A公开了一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，该反应器至少包括以下四个部件：入口气体分布部件、换热管部件、液固分离器部件、出口除尘除沫器部件。其通过换热管部件与液固分离器部件交替排布，控制反应器内温度稳定。在实际反应过程中，气液固三相形成的浆液在反应器中循环，容易造成反应器床层剪切力增加，对催化剂造成磨损。

CN101396647A公开了一种用于费托合成的气液固三相悬浮床反应器及其应用，该反应器包括：(1)垂直方向的直桶体高度为25-45米的反应器本体；(2)设置在反应器底部的直接导入型或隔板分布型气体分布器；(3)设置在反应区下部的主换热器和可以选择配置的跨越三相反应区与气相区上部的主换热器，以及在分离器区域上部设置的辅助换热器；(4)多组固体催化剂-液体重质产物分离器；(5)用于改善催化剂沿反应器轴向分布的一组或多组导流管；(6)设置在反应器内顶部的雾沫分离装置；以及(7)与上述设备配套的系统，包括设置于反应器底部用于处理沉积浆液的辅助系统；和任选地设置于反应器上部出口处的预冷凝-雾沫分离系统。浆料在反应器内流动时，靠近反应器壁面的流速较慢，靠近反应器中间的流速较快，其内部构件的设置为了增大床层内循环，但这样使得浆料在循环过程中容易形成一定的剪切力，对浆料中固体催化剂的强度造成一定影响。

CN101432394A公开了气泡塔型碳氢化合物合成反应器，该反应器包括：反应器主体，其用于收容使固体的催化剂粒子悬浮在液体碳氢化合物中而得到的浆料；合成气供给部，其设在所述反应器主体的下部，用于向所述浆液供给以氢及一氧化碳为主成分的合成气；多孔挡板部件，其设在反应器主体内，用于阻挡所述浆液的下降流，以期气体达到或接近活塞流，同时抑制浆液床层整体的返混。该专利中反应器内侧壁设置挡板，将反应器分割形成多个区段，并且限定相邻挡板的间距与反应器直径的比值在0.5-10之间，抑制相邻区段的气泡的逆流。该专利的挡板设置除抑制气泡在靠近器壁区域的逆流外，对靠近反应器截面中心床层的影响较小，床层整体主要还是返混形式，并不会形成活塞流，而且采用该结构，返混程度降低后气液固三相所形成的浆料中固体催化剂分散不均匀，而费托合成反应是强放热反应，进而造成反应器温度不均匀，更加不利于反应进行和反应器操作。

目前公开的三相浆态床反应器的内部结构不合理，容易造成浆料剪切力增大，反应温度不均匀，不利于反应进行。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的反应器结构中内构件的设置不合理容易造成浆料剪切力增大，增加催化剂损耗的问题，提供一种浆态床反应器及应用和费托合成方法，该反应器能够改善床层流动，有效控制浆料的流动速度，降低催化剂床层中浆料混返产生的剪切力，减少催化剂损耗，同时不影响整个床层的返混，以保证催化剂浓度分布均匀以及传质传热过程，进而维持催化剂的性能稳定，也能够减少泡沫层中的雾沫夹带，使得反应器运行更加稳定。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种浆态床反应器，所述反应器包括反应器主体，所述反应器主体内沿轴向自下而上设置有换热器构件、过滤构件和除沫构件，其中，换热器构件和过滤构件交替设置，并位于换热过滤区；其中，在所述换热过滤区内设置m个换热器和至少一个过滤器，并在所述反应器主体的内侧壁上，沿反应器主体的轴向自下而上按照从第一至第n的顺序设置n个挡板，所述挡板的设置使得浆液在经所述挡板的阻挡后继续向下流动。

本发明第二方面提供一种浆态床反应系统，包括第一方面所述的反应器，所述反应器的泡沫管线出口和料腿出口汇合且连接缓冲罐，缓冲罐的气体出口和反应器的反应器出口汇合且连接气液分离器。

本发明第三方面提供第一方面所述的浆态床反应器或第二方面所述的浆态床反应系统在费托合成中的应用。

本发明第四方面提供一种费托合成方法，该方法包括：

(1)将N₂和/或H₂充入本发明所述的反应器或反应系统中，并保持反应器的空塔气速为0.15-0.4m/s，反应器的压力为2-6MPa；

(2)用合成气置换N₂和/或H₂，并将液体石蜡和/或重柴以及催化剂加入反应器中，使得反应器内形成气液固三相的浆液层；

(3)将反应器的反应温度调整为200-280℃，压力为2-6MPa，空塔气速为0.2-0.5m/s，对催化剂进行预处理后进行反应，生产烃类产物。

本发明的浆态床反应器中，换热器和过滤器沿轴向交替排布，在反应器主体的侧壁对应于换热器和过滤器的位置处设置多个挡板，多个挡板与气体分布器、换热器和过滤器配合，使得反应器中的气液固三相混合均匀形成浆液，降低浆液的流动速度，减少浆液的剪切力，减少催化剂的损耗，同时也不影响整个浆态床层的返混程度，以保证催化剂浓度分布均匀以及传质传热过程，进而维持催化剂的性能稳定。除沫器和旋液分离器配合，有效提高浆态床层顶部到反应器出口空间的稳定性，减少反应器顶部泡沫层中的雾沫夹带，有效降低催化剂的损耗。

附图说明

图1是浆态床反应器的结构示意图；

图2是喷淋除沫器的俯视图；

图3是喷淋管中喷淋孔的位置关系示意图；

图4是喷淋管中喷淋孔的轴线夹角A的示意图；

图5是浆态床反应系统的连接关系示意图；

图6是现有技术中浆态床反应器不加挡板的浆液流动情况示意图；

图7是一个优选实施方式中浆态床反应器增加挡板后的浆液流动情况示意图。

附图标记说明

1、气体入口 2、挡板 3、换热器

4、过滤器 5、除沫器 6、泡沫出口

7、旋液分离器 8、料腿出口 9、反应器出口

10、反应器主体 11、喷淋主管 12、连接管

13、环状喷淋管 14、缓冲罐 15、气液分离器

16、循环压缩机 17、液体产物出口 18、液体入口

19、催化剂进口

具体实施方式

在本文中所披露的范围端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

本发明第一方面提供一种浆态床反应器，如图1所示，所述反应器包括反应器主体10，所述反应器主体10内沿轴向自下而上设置有换热器构件、过滤构件和除沫构件，其中，换热器构件和过滤构件交替设置；在所述换热器构件和过滤构件所在的区域内设置m个换热器3和至少一个过滤器4，并在所述反应器主体10的内侧壁上，沿反应器主体10的轴向自下而上按照从第一至第n的顺序设置n个挡板2，所述挡板2的设置使得浆液在经所述挡板2的阻挡后继续向下流动。

本发明中，反应器主体10的结构为圆柱形筒体，筒体的上下两个端头分别用封头密封。本发明中换热器构件和过滤构件所在的区域为反应器床层区域，其中，所述换热器构件由1-m个换热器3形成，所述过滤构件由至少一个过滤器4形成。所述反应器主体10的气体入口1位于反应器主体10的下方，所述反应器主体10的反应器出口9位于反应器主体10的上方。

当合成气、液体和催化剂进入反应器主体10，主要在反应器床层内形成气液固三相混合均匀的浆态床层，并进行反应。随反应时间的延续，部分细颗粒催化剂和容易形成泡沫的产物在床层的顶部形成一层泡沫层，泡沫层内的细颗粒催化剂和液体很容易夹带出反应床层，甚至夹带到反应器出口9。

为进一步提高反应床层的稳定性，并减少催化剂的磨耗，使得反应器主体10内反应温度恒定，优选地，换热器3和过滤器4设置在第1个挡板和第n个挡板之间；并且设置最接近第n个挡板的第m个换热器、最接近第1个挡板的第1个换热器，在所述第m个换热器和第1个换热器之间设置过滤器4、第2个至第m-1个换热器，且过滤器4与换热器3交替设置。

优选地，每个换热器3和过滤器4对应的位置处至少设置一块挡板2。根据本发明具体是指，每个换热器3和过滤器4对应的所述反应器10的内侧壁上至少设置一块挡板2。

本发明中，第1个挡板至第n个挡板沿反应器主体10的轴向自下而上设置，第1个挡板位于反应器主体10的下方，第n个挡板位于反应器主体10的上方。所述第1个挡板和所述第n个挡板之间的挡板全部设置在换热器3和过滤器4所在的区域内，挡板2的数量和位置主要取决于反应器的直径以及换热器3和过滤器4的布置高度和层数，优选地，n＞2，更优选地，n为5-8。

相邻两个挡板2之间的距离可以根据反应器的直径以及换热器3和过滤器4的高度进行调整。相邻两个挡板2之间的距离可以相等也可以不等，优选地，当反应器的直径＜1000mm时，相邻两个挡板2的间距L1满足100mm≤L1＜1000mm；当反应器的直径≥1000mm时，相邻两个挡板2的间距L1满足L1≥1000mm。

目前，现有技术中浆态床反应器内部不加挡板，其浆态床反应器内部浆液的流动状态如图6所示。浆态床反应器中间的浆液总体是被气体推动向上流动，但靠近反应器器壁周围的浆液则变为向下流动；而且随反应器直径的增加，向下流动浆液的速度越大，因此会增加对催化剂颗粒的磨损。

根据本发明，在浆态床反应器内部增加挡板后，其内部浆液流动状态如图7所示。浆液在浆态床反应器中总体还是中间向上流动，靠近反应器壁的区域向下流动，但是由于挡板的存在，在相邻挡板之间靠近器壁的区域浆液流动方向有一定变化，局部出现涡流使得该区域浆液向下流动的速度降低，同时也就减小了对催化剂的磨损。

为了进一步提高反应器的运行稳定性，并减少催化剂的磨耗，优选地，所述挡板2的从反应器内壁向中心延伸的宽度为H，所述反应器主体10的横截面半径为R，H和R满足：0.01R≤H≤0.15R；优选地，0.05R≤H≤0.1R。

根据本发明，如果挡板向反应器中心深入的长度太大，不仅影响反应器其他内构件的设计，而且挡板间会形成明显的局部环流，会对浆态床的整体流型造成影响，进而影响整体反应器的操作和催化剂性能发挥，因此本发明挡板2的设置必须使得在靠近反应器器壁区域内流动的绝大部分浆液在经所述挡板2的阻挡后继续向下流动，而非向上逆流形成区间环流，浆液在反应器内的流动方向仍然为中心区域由下而上流动，靠近反应器器壁区域由上而下流动。

反应器以直径1m为界，当直径大于1m后，挡板之间的距离要增加，使得增加挡板能起到降低浆液流速的作用，又不会因挡板太多，增加反应器结构的复杂性。此外，挡板2从反应器内壁向中心延伸的宽度H最大不超过0.15R，一方面反应器内还设置有换热器3等内构件，留给挡板2的距离有限；另一方面如果延伸距离超过0.15R，则挡板2占据反应器横截面的面积比例将会超过30％，这样就会影响整个床层的返混效果，所述返混包括气相、液相和固体颗粒所有三个相态的返混，从而影响反应以及催化剂性能发挥。

更优选地，本发明设计的挡板2延伸宽度H在0.05R-0.1R之间，占据反应器截面的比例低于20％，对整个反应器床层的返混和颗粒分布影响较小，也就不影响反应器和催化剂的性能，只是降低了浆液的流动速度，减小了催化剂的磨耗，从而减小了催化剂的消耗。

为了进一步提高床层稳定性，并使得反应器内的浆液分布均匀，挡板2固定在反应器的内侧壁，挡板2的形状和结构没有特别的限定，优选地，挡板2为自反应器的侧壁起向反应器内部延伸的呈环状的板。

本发明中，若挡板2的形状为圆环形，挡板2的宽度是指挡板2向反应器内部延伸的距离，挡板2的宽度满足上述关系时，能够进一步在保持反应器整体流体力学状态稳定的前提下降低靠近反应器壁附近的浆液流动的速度，避免催化剂磨损。

为进一步控制反应器内部浆料的流动速度，降低催化剂床层中浆料混返产生的剪切力，减少催化剂的损耗，优选地，当反应器直径＜1000mm时，所述挡板2远离反应器主体10内壁的端部与换热器3/过滤器4的外壁的最小距离L2满足30mm≤L2≤60mm；当反应器的直径≥1000mm时，所述挡板2的端部与换热器3/过滤器4的外壁的最小距离L2满足50mm≤L2≤500mm。

所述最小距离是指挡板2远离反应器主体10内壁的端部与换热器3/过滤器4的外壁沿轴向所在平面之间的距离。根据本发明，“所述挡板2的端部与换热器3/过滤器4的外壁的最小距离”具体是指，所述挡板2的端部与换热器3的外壁的最小距离，或者，所述挡板2的端部与过滤器4的外壁的最小距离。根据本发明，挡板2按照上述结构进行设置，浆液在相邻两个挡板2之间形成的局部流动变化不会对浆液在反应器内的整体流型造成较大影响。

本发明中，挡板2可以呈水平设置，也可以向上或者向下倾斜设置，优选地，所述挡板2与水平面的夹角为α，-15°≤α≤15°。

挡板2与水平方向的夹角在上述范围内，能够有效提高浆液的稳定性，降低浆液内部的剪切力。

本发明中，挡板2上可以开设过流孔，也可以不开设过流孔，为进一步提高反应器内浆液的稳定性，优选地，所述挡板2上开设若干过流孔，过流孔的目的是防止催化剂在挡板上沉积。

所述过流孔的形状可以是圆形，也可以是多边形，例如矩形。过流孔可以按照矩阵的方式进行排列，也可以按照其他的规则形状进行排布。

若过流孔的形状是圆形，该过流孔的直径

满足

优选地，

满足

若圆形的过流孔呈矩阵排列，每行过流孔中相邻的两个过流孔的中心间距为m1，每列过流孔中相邻的两个过流孔的中心间距为n1。m1和n1分别满足：

若过流孔的形状是矩形，矩形的长度和宽度均为3-30mm，优选为5-10mm。若矩形的过流孔呈矩阵形式排布，每行过流孔的两个过流孔的间距为m2，每列过流孔中相邻的两个过流孔的间距为n2。m2和n2分别满足：10mm≤m2≤50mm，10mm≤n2≤50mm。

换热器3和过滤器4设置在第1个挡板和第n个挡板之间，换热器3和过滤器4的数量没有特别的限定，其可以根据反应器主体10的高度进行调节，换热器3自下而上按照第1个换热器至第m个换热器的顺序依次排布，且在相邻的两个换热器3之间设置过滤器4。为了进一步提高反应器运行稳定性，使得反应温度恒定，优选地，所述反应器包括至少两层换热器3，相邻的两层换热器3之间设置过滤器4。

为进一步提高反应器的运行稳定性，同时有效控制浆料的局部流动速度，降低催化剂床层中浆料混返产生的剪切力，减少催化剂磨耗，优选地，每个换热器3和过滤器4对应的位置处至少设置一块挡板2。即每个过滤器4所在的区域至少有一个挡板2，每个换热器3所在的区域也至少有一个挡板2。

为了进一步提高反应器内的气液固三相所形成的床层稳定性，并降低催化剂的磨耗，优选地，所述第1个挡板与所述第1个换热器的底部的垂直距离为100-800mm，优选为300-500mm；所述第n个挡板与所述第m个换热器的顶部的垂直距离为500-1000mm，优选为600-800mm。

本发明中，在反应器主体10内设置换热器3和过滤器4，换热器3可以选择列管式换热器或者其他能够起到换热作用、且适合用于反应器内的换热器3。换热器3的作用主要是将反应热移出反应器，保持反应器温度均匀和稳定，避免催化剂因温度不均匀和局部高温造成失活，换热器3的换热面积由换热强度和需要的换热面积决定。为进一步提高反应器的稳定性，优选地，所述换热器3的横截面积低于反应器的横截面积的10％。

相邻两个换热器3之间的过滤器4的个数根据反应器的内径进行调整，可以是一个或多个。如果过滤器4为多个，则多个过滤器4均匀排布在相邻的两个换热器3之间。所述过滤器4的内部设置滤芯用于将反应器内生产的液体产物滤出反应器，保持反应器的液位，同时将催化剂留在反应器内继续参与反应。

本发明中的换热器3、过滤器4和挡板2结合，能够进一步提高反应床层的稳定性，减少催化剂的磨耗。

为进一步降低催化剂的损耗，并减少泡沫层的雾沫夹带，优选地，所述除沫构件包括除沫器5和泡沫出口6，所述除沫器5为喷淋除沫器和/或换热列管，所述反应器主体10的侧壁在与除沫器5对应的位置处设置一个或多个泡沫出口6。

本发明中，除沫器5位于反应床层顶部的泡沫区内，除沫器5可以单独采用喷淋除沫器，也可以单独采用换热列管，也可以是两者的结合。若采用喷淋除沫器，喷淋除沫器中通入的液体温度低于反应器的反应温度。若采用换热列管，则在该换热列管内通入的加热介质的温度低于反应器的反应温度。

其中，喷淋除沫器的结构如图2所示，其包括喷淋主管11，喷淋主管11的下端固定呈十字型的连接管12，连接管12下端固定多个同心排布的环状喷淋管13。环状喷淋管13下端开设多排喷淋孔，并在喷淋孔上连接喷嘴。

单根环状喷淋管13的横截面的直径为20-50mm，其中最外圈的环状喷淋管13所围成圆环的半径≤0.9R(R为反应器的横截面半径)。如图3所示，环状喷淋管13上设置的喷淋孔的直径d为2-10mm，优选为4-6mm。每个环状喷淋管13上均设置多排喷淋孔，喷淋孔的开孔角度和间距见图3和图4，以喷淋孔设置3排为例，同一排内相邻的两个喷淋孔的距离L不小于5d，同一根环状喷淋管13中的第一排和第三排对称分布，如图4所示的轴线夹角A为120°-180°，优选为135°-150°。

泡沫出口6与除沫器5配合，用于控制泡沫层的高度，并将多余的泡沫排出反应器，在此过程中，泡沫层中的雾沫夹带或者细小的固体催化剂颗粒也随之排出反应器。

为提高除沫效果，并使得除沫器5与泡沫出口6配合，对泡沫层的高度进行控制，优选地，所述喷淋除沫器和/或换热列管在反应器横截面正投影所能达到除沫边界的半径是0.7R-0.9R，R为反应器的横截面半径。

其中，所述喷淋除沫器和/或换热列管在反应器横截面正投影所能达到除沫边界是指，采用喷淋除沫器和/或换热列管在除沫区进行除沫处理时所能达到的除沫范围。

为了进一步提高泡沫出口6和除沫器5的配合效果，优选地，所述泡沫出口6伸入反应器主体10内部的距离为B，0.1R≤B≤0.3R。

除沫器5的内构件按照上述结构排布，能够有效控制液位，控制泡沫层的高度，减少泡沫层的夹带，提高反应器的运行稳定性，延长反应器内过滤器4的使用寿命。

为了进一步降低催化剂的夹带，延长反应器的使用寿命，优选地，所述反应器顶部设置旋液分离器7，所述旋液分离器7包括料腿出口8，所述料腿出口8穿过所述反应器主体10向外延伸。

反应过程中，液体或者包含催化剂的液体容易被夹带到反应器的顶部，在该位置处设置旋液分离器7，反应器顶部的浆料经过分离后，较重的浆液通过料腿出口8排出反应器，气体流出反应器。

优选地，所述反应器主体10上还开设有气体入口1，所述气体入口1处还设置有气体分布器。

本发明中，反应器底部的气体分布器的形状和结构没有特别的限定，可以采用现有技术中的气体分布器，只要能够实现气体在反应器内均匀分布即可。本发明中的一个具体实施方式中，所述气体分布器包括一根通入反应器的主通气管，主通气管再分出若干支管，每个支管上设置若干喷头，合成气经过主通气管由喷头均匀喷洒进入反应器内。

合成气穿过气体分布器进入反应器内，并与液体石蜡和/或重柴、催化剂均匀混合形成气液固三相混合的浆态床层，进行费托反应。

反应过程中，反应床层的顶部聚集泡沫形成泡沫层，泡沫层内夹带少量液体和固体催化剂。除沫器5位于泡沫层内，用于控制泡沫层的高度和去除部分泡沫。

此外，反应过程中夹带出反应床层的液体或者包含催化剂的浆液会被夹带到反应器顶部，这些液体进入旋液分离器7进行分离，分离后夹带催化剂的浆液排出反应器，采用该结构，能够进一步提高反应器中床层的稳定性，减少细颗粒催化剂的量，延长过滤器的使用寿命。

本发明第二方面提供一种浆态床反应系统，如图5所示，包括第一方面所述的反应器，所述反应器的泡沫管线出口6和料腿出口8汇合且连接缓冲罐14，缓冲罐14的气体出口和反应器的反应器出口9汇合且连接气液分离器15。

本发明中，泡沫管线出口6和料腿出口8每隔4-24h打开一次，将夹带的液体和催化剂浆液排入缓冲罐14中，在缓冲罐14中进行气液分离后，分离的浆液以渣蜡形式排出，从缓冲罐14的气体出口排出的气体和反应器出口9的气体汇合，一起进入气液分离器15进一步进行气液分离，分离后的液体排出气液分离器15，分离后的气体可以作为循环气，循环气经过循环压缩机16压缩后与合成气混合再进入反应器参加反应。

本发明第三方面提供第一方面所述的浆态床反应器或第二方面所述的浆态床反应系统在费托合成中的应用。

本发明第四方面提供一种费托合成方法，该方法包括：

(1)将N₂和/或H₂充入第一方面所述的反应器或者第二方面所述的反应系统中，并保持反应器的空塔气速为0.15-0.4m/s，反应器的压力为2-6MPa；

(2)用合成气置换N₂和/或H₂，并将液体石蜡和/或重柴以及催化剂加入反应器中，使得反应器内形成气液固三相的浆液层；

(3)将反应器的反应温度调整为200-280℃，压力为2-6MPa，空塔气速为0.2-0.5m/s，对催化剂进行预处理后进行反应，生产烃类产物；

采用本发明的浆态床反应器用于费托合成，按照上述步骤进行，能够有效提高反应器操作的稳定性，减少催化剂磨耗，提高CO转化率的稳定周期，降低甲烷选择性。本发明中催化剂的预处理过程没有特别的限定，按照本领域常规的条件进行处理即可。

为了进一步降低反应器中除沫器的雾沫夹带，优选地，除沫器5所在区域的温度比反应器的床层温度低5-15℃，优选为5-10℃。

本发明中，床层温度是指反应器内形成气液固三相的浆液层稳定后的温度。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，合成气中CO总转化率、甲烷选择性、C5+烃类产物的产率通过色谱分析和对应的物料流量计计算得到、催化剂损耗测量过滤后费托合成产物中固体含量的方法测得。

实施例1

本实施例用于提供一种浆态床反应器及其系统和费托合成方法。

如图1所示，浆态床反应器包括反应器主体10，所述反应器主体10内部沿轴向自下而上依次设置有气体分布器(图中未示出)、第1个换热器、过滤器4、第2个换热器、除沫器5和旋液分离器7。

反应器主体10的半径R为2.9m，筒体高度为40m，包括泡沫区在内的反应器床层控制高度在30-32米。反应器主体10的底部开设气体入口1，供合成气进入反应器内。反应器主体10的顶部开设反应器出口9，供气体流出。反应器主体10的侧壁开设液体入口18，供液体石蜡或者重柴进入反应器，反应器主体10的侧壁开设催化剂进口19，供固体催化剂进入反应器中，反应器主体10的侧壁还开设液体产物出口17，反应生成的液体产物从产物出口17排出。

气体分布器包括一根通入反应器的主通气管，主通气管上设置若干喷头，气体入口1与气体分布器相连。合成气经过主通气管由喷头均匀喷洒进入反应器内。

本实施例中，第1个换热器和第2个换热器均采用列管式换热器。过滤器4的滤芯过滤精度为40微米。第1个换热器与气体分布器的距离为500mm。

本实施例中，除沫器5选择喷淋除沫器，在反应器主体10的侧壁连接4个泡沫出口6，泡沫出口6位于除沫器5的下方，泡沫出口6靠近泡沫区的上层，定期将泡沫排出反应器，进而可用于调控泡沫区的高度。泡沫出口6与除沫器5下端部的距离为500mm，泡沫出口6的直径为25mm，其伸入反应器的长度B为400mm。

结合图2，除沫器5包括喷淋主管11，喷淋主管11的下端固定呈十字型的连接管12，连接管12下端固定5个同心排布的环状喷淋管13。喷淋管下端开设两排喷淋孔，并在喷淋孔上连接喷嘴。最外圈的环状喷淋管13的半径为2.2m，相邻的环状喷淋管13的间距为500mm，喷淋孔的直径为5mm，喷淋孔的轴线夹角A为150°(如图3和图4所示)。除沫器5在反应器横截面的正投影所能达到除沫边界的半径为2.32m。

旋液分离器7的下方出料口连接料腿出口8，料腿出口8穿过反应器向外延伸。

反应器主体10的内侧壁沿反应器主体10的高度排布5个挡板2，这5个挡板2自下而上依次分别命名为第1个挡板、第2个挡板、第3个挡板、第4个挡板和第5个挡板。第1个挡板位于第1个换热器底部和气体分布器之间，第1个挡板与第1个换热器的底部之间的距离为200mm。第2个挡板位于第1个换热器的中部，第3个挡板位于过滤器4的中部，第4个挡板位于第2个换热器的中部；第5个挡板位于第2个换热器顶部之上500mm处。第1个挡板与第2个挡板之间的距离L1为10m，第2个挡板与第3个挡板之间的距离L1为11m，第3个挡板与第5个挡板之间相连两个挡板的距离L1均匀分布为5m。每个挡板与换热器3/过滤器4的外壁的最小距离L2为100mm。

以上各个挡板2与水平面的夹角α均为0°，其宽度H为145mm，挡板2上设置3排过流孔，过流孔是直径

为8mm的圆孔，每行过流孔中相邻的两个过流孔的中心间距m1为30mm，每列过流孔中相邻的两个过流孔的中心间距n1为30mm。

结合图5，浆态床反应系统包括上述的浆态床反应器，泡沫出口6和料腿出口8产生的混合物通过管线送入缓冲罐14内，经过气液分离后，液体和催化剂混合物渣蜡排出到渣蜡处理单元进行处理，气体与反应器出口9的气体汇合进入气液分离器15中进行分离得到液体组分和循环气，液体组分排出进入下游流程，循环气经过循环压缩机16压缩后与合成气混合进入反应器中。

在上述浆态床反应器中进行费托合成反应，该费托合成方法包括：

(1)反应器首先通入氮气进行置换，之后通入H₂置换使得反应器为H₂气氛。保持反应器的空塔气速为0.15m/s，实现气体循环，并将反应器压力调整到3MPa。

(2)将液体石蜡或重柴通入反应器中，再通入合成气和催化剂(铁基费托合成催化剂，Fe-Cu-K/SiO₂)，使得反应器内形成气液固三相的浆态床层，固体浓度为10％；

(3)调整反应器的温度为220-265℃，对催化剂进行预处理；调整合成气进料量使得其体积空速为5000h^-1，反应器的反应温度维持在270℃，压力为3MPa，反应器床层主体控制在30m，泡沫层维持在30-32m之间。同时保持循环气的量可保证反应器底部气体入口1的空塔气速稳定在0.3m/s。

费托合成反应体系稳定运行1500h后，经分析，CO总转化率为98％，甲烷选择性为2.8％，C5+产物的产率为170g/Nm³合成气；过滤后费托合成蜡的固含量低于100ppm，过滤器4的使用寿命为8000h，催化剂的消耗量为1kg催化剂/吨产品。

实施例2

本实施例的浆态床反应器与实施例1的区别在于：

除沫器5选择喷淋除沫器，在反应器主体10的侧壁连接4个泡沫出口6，泡沫出口6位于除沫器5的下方，泡沫出口6靠近泡沫区的上层，定期将泡沫排出反应器，进而可用于调控泡沫区的高度。泡沫出口6与除沫器5下端部的距离为500mm，泡沫出口6的直径为25mm，其伸入反应器的长度B为290mm。

除沫器5包括喷淋主管11，喷淋主管11的下端固定呈十字型的连接管12，连接管12下端固定5个同心排布的环状喷淋管13。喷淋管下端开设两排喷淋孔，并在喷淋孔上连接喷嘴。最外圈的环状喷淋管13的半径为2.32m，相邻的环状喷淋管13的间距为500mm，喷淋孔的直径为6mm，喷淋孔的轴线夹角A为135°。除沫器5在反应器横截面的正投影所能达到除沫边界的半径为2.61m。

反应器主体10的内侧壁沿反应器主体10的高度排布8个挡板2，这8个挡板2自下而上依次分别命名为第1个挡板、第2个挡板、第3个挡板、第4个挡板、第5个挡板、第6个挡板、第7个挡板和第8个挡板。靠近气体分布器的为第1个挡板，第1个挡板位于第1个换热器的下方，第1个挡板与第1个换热器的底部之间的距离为300mm，第2个挡板、第3个挡板和第4个挡板位于第1个换热器处，其中第4个挡板位于第1个换热器的上部，第2个挡板和第3个挡板在第1个挡板和第4个挡板之间均匀排布。第5个挡板位于过滤器4的下端部处，第6个挡板位于过滤器4的上端部处，第7个挡板位于第2个换热器的中部，第8个挡板位于第2个换热器的顶部之上600mm处，第6个挡板和第7个挡板在第5个挡板和第8个挡板之间均匀排布。第1个挡板与第5个挡板之间相邻两个挡板的间距L1为5.0m，第5个挡板和第6个挡板之间的距离为3.0m，第6个挡板和第8个挡板之间相邻两个挡板的间距L1为4.0m。每个挡板与换热器3/过滤器4的外壁的最小距离L2为100mm。

挡板2的宽度H为290mm，挡板2与水平面的夹角α＝-15°。

挡板2上开设呈阵列分布的3排

的过流孔，每行过流孔中相邻的两个过流孔的中心间距m1＝70mm，每列过流孔中相邻的两个过流孔的中心间距n1＝70mm。

在上述浆态床反应器中进行费托合成反应，该费托合成方法与实施例1中的合成方法相同。

系统稳定运转1500h后，经分析，CO总转化率为98％，甲烷选择性为2.5％，C5+产物的产率为175g/Nm³合成气；过滤后费托合成蜡的固含量低于100ppm，过滤器4的使用寿命为8900h，催化剂的消耗量为0.95kg催化剂/吨产品。

对比例1

该对比例用于提供一种浆态床反应器及费托合成方法，不同的是，浆态床反应器与实施例1的反应器相比，其反应器主体10的内侧壁无挡板。

系统稳定运转1500h后，经分析，CO总转化率为97％，甲烷选择性为3.2％，C5+产物的产率为162g/Nm³合成气；催化剂的损耗为1.3kg催化剂/吨产品，过滤器的使用寿命为6000h，运行后期产物中固体催化剂的含量大于100ppm。

对比例2

该对比例用于提供一种浆态床反应器及费托合成方法，不同的是，该对比例中的浆态床反应器的反应器主体10的内侧壁的挡板数为2，且第1个挡板与第1个换热器底部的距离为300mm，第2个挡板与第1个挡板之间的距离为31m。

系统稳定运转1500h后，经分析，CO总转化率为98％，甲烷选择性为3.0％，C5+产物的产率为165g/Nm³合成气；催化剂的损耗为1.2kg催化剂/吨产品，过滤器的使用寿命为6000h，后期运转时产物中固体催化剂的含量大于100ppm。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种浆态床反应器，其特征在于：所述反应器包括反应器主体(10)，所述反应器主体(10)内沿轴向自下而上设置有换热器构件、过滤构件和除沫构件，其中，换热器构件和过滤构件交替设置；在所述换热器构件和过滤构件所在的区域内设置m个换热器(3)和至少一个过滤器(4)，并在所述反应器主体(10)的内侧壁上，沿反应器主体(10)的轴向自下而上按照从第一至第n的顺序设置n个挡板(2)，所述挡板(2)的设置使得浆液在经所述挡板(2)的阻挡后继续向下流动。

2.根据权利要求1所述的反应器，其中，换热器(3)和过滤器(4)设置在第1个挡板和第n个挡板之间；并且设置最接近第n个挡板的第m个换热器、最接近第1个挡板的第1个换热器，在所述第m个换热器和第1个换热器之间设置过滤器(4)、第2个至第m-1个换热器，且过滤器(4)与换热器(3)交替设置。

3.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，每个换热器(3)和过滤器(4)对应的位置处至少设置一块挡板(2)。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的反应器，其中，所述第1个挡板与所述第1个换热器的底部的垂直距离为100-800mm，所述第n个挡板与所述第m个换热器的顶部的垂直距离为500-1000mm；

优选地，当反应器的直径＜1000mm时，相邻两个挡板的间距L1满足100mm≤L1＜1000mm；当反应器的直径≥1000mm时，相邻两个挡板的间距L1满足L1≥1000mm。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的反应器，其中，所述挡板(2)的从反应器内壁向中心延伸的宽度为H，所述反应器主体(10)的横截面半径为R，H和R满足：0.01R≤H≤0.15R；优选地，0.05R≤H≤0.1R；

优选地，当反应器直径＜1000mm时，所述挡板(2)远离反应器主体(10)内壁的端部与换热器(3)/过滤器(4)的外壁的最小距离L2满足30mm≤L2≤60mm；当反应器的直径≥1000mm时，所述挡板(2)的端部与换热器(3)/过滤器(4)的外壁的最小距离L2满足50mm≤L2≤500mm。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的反应器，其中，所述挡板(2)与水平面的夹角为α，-15°≤α≤15°；

优选地，所述挡板(2)上开设若干过流孔。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的反应器，其中，所述除沫构件包括除沫器(5)和泡沫出口(6)，所述除沫器(5)为喷淋除沫器和/或换热列管，所述反应器主体(10)的侧壁在与除沫器(5)对应的位置处设置一个或多个泡沫出口(6)。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的反应器，其中，所述反应器顶部设置旋液分离器(7)，所述旋液分离器(7)包括料腿出口(8)，所述料腿出口(8)穿过所述反应器主体(10)向外延伸；

优选地，所述反应器主体(10)上还开设有气体入口(1)，所述气体入口(1)处还设置有气体分布器。

9.一种浆态床反应系统，包括权利要求8所述的反应器，所述反应器的泡沫管线出口(6)和料腿出口(8)汇合且连接缓冲罐(14)，缓冲罐(14)的气体出口和反应器的反应器出口(9)汇合且连接气液分离器(15)。

10.权利要求1-8中任意一项所述的浆态床反应器或权利要求9所述的浆态床反应系统在费托合成中的应用。

11.一种费托合成方法，其中，该方法包括：

(1)将N₂和/或H₂充入反应器或反应系统中，并保持反应器的空塔气速为0.15-0.4m/s，反应器的压力为2-6MPa；

(2)用合成气置换N₂和/或H₂，并将液体石蜡和/或重柴以及催化剂加入反应器中，使得反应器内形成气液固三相的浆液层；

(3)将反应器的反应温度调整为200-280℃，压力为2-6MPa，空塔气速为0.2-0.5m/s，对催化剂进行预处理后进行反应，生产烃类产物；

所述反应器为权利要求1-9中任意一项所述的浆态床反应器，所述反应系统为权利要求10所述的浆态床反应系统；

优选地，除沫器(5)所在区域的温度比反应器的床层温度低5-15℃，优选为5-10℃。

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