CN112552964B - 一种基于微界面强化煤间接液化的系统及工艺 - Google Patents

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Abstract

一种基于微界面强化煤间接液化的系统及工艺，属于煤制油技术领域，其将固态床反应器换成浆态床反应器，浆态床反应器中充有煤间接液化后的液相产物；其在反应器中设置微界面发生器将粗煤气气体打碎成微米级别的微米级气泡，使其溶于液相产物中形成气液乳化物，增大了气液相界面积，能更好的与催化剂接触发生反应，从而提高产物收率；微界面发生器对气体进行打碎还可以有效地降低浆态床反应器中的反应压强，加强了装置的安全性；本发明还在浆态床反应器外部设置带有分离反应产物功能的循环单元，精简了反应装置的构造，降低了物料和能量的消耗。

Description

一种基于微界面强化煤间接液化的系统及工艺
技术领域
本发明涉及煤制油技术领域，尤其涉及一种基于微界面强化煤间接液化的系统及工艺。
背景技术
煤炭间接液化是指将煤炭经过气化净化后经过费托合成，产生气态烃、液态烃、合成蜡等粗产品。液态烃和合成蜡在经过加氢处理后生产出柴油、汽油石脑油和精制蜡等产品。
费托合成(Fischer-Tropsch Synthesis，FTS)是一种以煤炭、天然气、生物质等含碳资源为原料间接合成油品的方法。其产物一般由重质油、轻质油、合成水(含醇、醛、酮、酸、脂等有机含氧化合物)、CO2、甲烷、低碳烃(C6以下烷烯烃)、未反应的合成气(CO、H2)和氮气等组成。其中费托合成尾气主要有H2、CO、低碳烃(C6以下烷烯烃)、CO2、N2等组成。低碳烃以甲烷为主、其含量通常在20％～60％(mol)，还含有部分C2～C6烯烃，约为1％～10％(mol)。
现有的煤炭间接液化技术中的反应器多采用固定床反应器进行反应，催化剂不能充分利用，反应效率低，容易发生副反应。
发明内容
为此，本发明提供了一种基于微界面强化煤间接液化的系统及工艺，用以解决煤间接液化反应效率低的问题。
一方面，本发明提供了一种基于微界面强化煤间接液化的系统，包括：浆态床反应器、微界面发生器、循环单元和分离单元；
所述浆态床反应器内部填有煤液化后的液相产物，液相产物占整个反应器容积的4/5，用作煤间接液化反应的液相溶剂；
所述微界面发生器设置在所述浆态床反应器内部，其与进气管道相连，用以将粗煤气气泡破碎形成直径大于等于1μm、小于1mm的微米级气泡；
循环单元，其与所述浆态床反应器的物料出口相连，用以对反应产物进行初步分离和循环处理；
分离单元，其与所述循环单元相连，用于对来自循环单元的气相和液相物料进行分离。
进一步地，所述浆态床反应器设有至少一条催化剂加剂管道。
进一步地，所述浆态床反应器设有温度控制管道，管道上设有换热器。
进一步地，所述微界面发生器设置在浆态床反应器底部。
进一步地，所述微界面发生器为气动式发生器。
进一步地，所述循环单元包括热高压分离器和循环泵：
所述热高压分离器用于将来自所述浆态床反应器的反应物料分离成气相和液相；
所述循环泵用于将所述热高压分离器分离得到的部分液相物料送回所述浆态床反应器中。
进一步地，所述热高压分离器内设有从其底部向上延伸的第一挡板和第二挡板，两个挡板将所述热高压分离器分为三部分，包括第一部分，中间部分和第二部分；
所述第一部分的底部通过管道连接至所述循环泵，用以将物料输送回所述浆态床反应器；
所述中间部分顶部通过管道与所述管式反应器的物料出口相连，用以回收来自浆态床反应器的催化剂；
所述第二部分的底部通过管道与所述热低压分离器相连，用以将物料输送到所述分离单元中；
所述热高压分离器的顶部还设有气相出口管道，可以将气体排放至所述冷高压分离器中。
进一步地，所述分离单元包括：冷高压分离器、热低压分离器、冷低压分离器；
冷高压分离器，用于对来自所述热高压分离器并经冷却后的气相物料进行分离，并将分离出的液相减压后送去所述冷低压分离器，分离出的气相返回气体进气管道；
热低压分离器，用于对来自所述热高压分离器并经减压后的部分液相物料进行分离，并将分离出的液相残渣送去下游装置，分离出的气相冷却后送入所述冷低压分离器；
冷低压分离器，用于对来自所述冷高压分离器和所述热低压分离器的物料进行分离，以分离出产品油。
另一方面，本发明提供了一种基于微界面强化煤间接液化的工艺，包括如下步骤：
设置在浆态床反应器中的微界面发生器将来自气体输送管道的粗煤气打碎成微米级气泡，粗煤气微米级气泡通过微界面发生器上的小孔扩散到浆态床反应器的液相中，形成气液乳化物，并在催化剂的作用下发生反应；
反应产物通过物料出口进入循环单元，并在循环单元中经热高压分离器分离，分离得到的气相和另一部分液相物料进入分离单元；所述分离单元中的冷高压分离器将来自所述热高压分离器的气相物料进行分离，并将分离出的液相减压后送去冷低压分离器，分离出的气相作为循环气体返回进气管道；热低压分离器对来自所述热高压分离器并经减压后的部分液相物料进行分离，并将分离出的液相残渣送去下游装置，分离出的气相冷却后送入所述冷低压分离器；
所述冷低压分离器对来自所述冷高压分离器和所述热低压分离器的物料进行分离，从而得到产品油。
进一步地，所述热高压分离器分离得到的一部分液相产物返回到所述浆态床反应器中，以保证粗煤气的液化反应始终在液体中进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明将传统的固定床反应器换成浆态床反应器，这样使得气体在反应床内不需要加压就可以相互混合，并且气体与催化剂的接触面积更大，提高了反应效率。
尤其，在浆态床反应器中设置至少一个微界面发生器，粗煤气在微界面发生器中被打碎成为微米级别的小气泡，这些微米级气泡具有附加压力，它们之间彼此碰撞时不容易相互聚并，因此相对于未打碎前的气体具有更大的相界面积，从而更容易在催化剂的作用下发生反应。
尤其，微界面发生器可以将排入的氢气打碎成微米级气泡使得气压大大降低，从而降低了所述沸腾床反应器中的反应压力，节约了能耗，使得整个反应装置更安全。
进一步地，所述循环单元的热高压分离器采用卧式罐状设计，且其罐状壳体内设有挡板，可以有效防止催化剂粉末及其他固体颗粒进入循环泵系统，从而降低了对循环泵的磨损，延长了使用寿命。
尤其，所述热高压分离器会将分离出的一部分液相产物返回浆态床反应器中，以保证反应器中有足够液体作为粗煤气的反应溶剂。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1所示，其为本发明提供的一种基于微界面强化煤间接液化的结构示意图，此系统包括：浆态床反应器1、微界面发生器2、换热器3、循环单元4、分离单元5和加剂管道6。
继续参阅图1所示，微界面发生器2设置在浆态床反应器2的内部，用以打碎来自输气管道的粗煤气，气体被微界面发生器打碎成微米级别的微小气泡，使其相对于没有打碎之前更容易溶于液相中形成气液乳化物，进而增大了与催化剂的接触面积，从而提高了反映效率。浆态床反应器2中设有至少一条催化剂加剂管道6；浆态床反应器2外部设有温度控制管道，管道上设有换热器3，通过将反应器内的液体导入温度控制管道，使用换热器对液体进行加热或冷却，达到控制温度的目的。本领域技术人员可以理解的是，本发明所述的微界面发生器2可以设置一个也可以设置多个，只要保证反应器内压强在规定范围内即可，本发明对此不作具体限制，催化剂加剂管道6可以设置一条也可以设置多条，本发明对此不作具体限制。
继续参阅图1所示，循环单元4包括热高压分离器41和循环泵42。其中，所述热高压分离器41用于将来浆态床反应器2顶部的反应物料分离成气相和液相，循环泵42用于将热高压分离器41分离得到的液相物料的一部分送回浆态床反应器2，以维持浆态床反应器内反应物料的正常流动。
具体而言，在热高压分离器41内分别设有从其底部向上延伸的第一挡板411和第二挡板412，从而将热高压分离器41分为上部连通的三部分(即第一、第二挡板411、412并不延伸至热高压分离器41的顶部)：位于第一挡板411与第二挡板412之间的中间部分413、位于第一档板411一侧的第一部分414以及位于第二挡板412一侧的第二部分415。第一部分414的底部通过管道连接至循环泵42。所述中间部分413的顶部通过管道与浆态床反应器2顶部的物料出口相连。第二部分415的底部通过管道与分离单元5相连，以分离出目标产物。同时热高压分离器41的顶部还设有气相出口管道416。本领域设计人员可以理解的是，热高压分离器41为卧式罐状的分离器，当然热高压分离器41也可以是其它适合类型的分离器。
来自浆态床反应器2的物料进入热高压分离器41后，气相物料自气相出口管道416离开，夹带有固体催化剂的液相物料首先落入中间部分413，然后分别通过第一挡板411、第二档板412溢流进入第一部分414和第二部分415。此时，催化剂颗粒大部分沉积在中间部分413。第一部分414将溢入的液相物料送回浆态床反应器2，第二部分415将溢入的液相物料送到下一个处理单元。
继续参阅图1所示，分离单元5包括：冷高压分离器51、热低压分离器52和冷低压分离器53；冷高压分离器51将来自热高压分离器41的气相出口管道416排出的气相物料进行分离，并将分离出的液相减压后排入冷低压分离器53中，分离出的气相作为循环气体返回进气管道；热低压分离器52与热高压分离器41的第二部分415相连，对来自热高压分离器41并经减压后的部分液相物料进行分离，并将分离出的液相残渣送去下游装置，分离出的气相冷却后送入冷低压分离器53；冷低压分离器53用于对来述冷高压分离器51和热低压分离器的物料52进行分离，以分离出产品油，分离所得油品可以进入下游精馏系统进一步处理。
在本实施例中，反应条件和反应性能如表1所示；
表1
温度(℃) 270
压力(MPa) 0.7
空速(ml/g/h) 18000
原料气H<sub>2</sub>/CO 1.4
CO转化率(％) 85.62
CH<sub>4</sub>(wt％) 2.48
C<sub>2～</sub>C<sub>4</sub>(wt％) 6.41
C<sub>5</sub><sup>+</sup>(wt％) 90.69
对比例1
对比上述实施例，本对比例的反应器为固定床反应器，其它条件不变，反应条件和反应性能如表2所示；
表2
温度(℃) 270
压力(MPa) 1.3
空速(ml/g/h) 15000
原料气H<sub>2</sub>/CO 1.8
CO转化率(％) 73.23
CH<sub>4</sub>(wt％) 3.20
C<sub>2～</sub>C<sub>4</sub>(wt％) 8.11
C<sub>5</sub><sup>+</sup>(wt％) 88.69
对比例2
对比上述实施例，本对比例的反应器为浆态床反应器，但反应器中未设置微界面发生器，其它条件不变，反应条件和反应性能如表3所示；
表3
温度(℃) 270
压力(MPa) 2.3
空速(ml/g/h) 16000
原料气H<sub>2</sub>/CO 1.5
CO转化率(％) 78.73
CH<sub>4</sub>(wt％) 2.97
C<sub>2～</sub>C<sub>4</sub>(wt％) 7.68
C<sub>5</sub><sup>+</sup>(wt％) 90.04
将上述实施例和三个对比例中的反应条件和反应性能进行统计，统计结果如表4所示：
表4
反应条件和性能 对比例1 对比例2 实施例
温度(℃) 270 270 270
压力(MPa) 3 2.3 0.7
空速(ml/g/h) 15000 16000 18000
原料气H<sub>2</sub>/CO 1.8 1.5 1.4
CO转化率(％) 73.23 78.73 85.62
CH<sub>4</sub>(wt％) 3.20 2.97 2.48
C<sub>2～</sub>C<sub>4</sub>(wt％) 8.11 7.68 6.41
C<sub>5</sub><sup>+</sup>(wt％) 88.69 90.04 90.69
显然，由以上实施例和对比例进行比较可以得出，实施例中应用浆态床反应器和微界面发生器，可以使气体在催化剂的作用下充分反应，减少了副反应的发生，提高了产物收率；由于气体被打碎成微米级别的气泡，降低了浆态床反应器内部的反应压力，增加了整个装置的安全性。

Claims (6)

1.一种基于微界面强化煤间接液化的系统，其特征在于，包括：浆态床反应器、微界面发生器、循环单元和分离单元；
所述浆态床反应器内部填有煤液化后的液相产物，液相产物占整个反应器容积的4/5，用作煤间接液化反应的液相溶剂；
至少一个所述微界面发生器设置在所述浆态床反应器内部，其与进气管道相连，用以将粗煤气气泡破碎形成直径大于等于1μm、小于1mm的微米级气泡，微米级气泡溶于所述浆态床反应器内的液化产物中，形成气液乳化物；
循环单元，其与所述浆态床反应器的物料出口相连，用以对反应产物进行初步分离和循环处理；
分离单元，其与所述循环单元相连，用于对来自循环单元的气相和液相物料进行分离;
所述微界面发生器设置在浆态床反应器底部;
所述微界面发生器为气动式发生器;
所述循环单元包括热高压分离器和循环泵；
所述热高压分离器用于将来自所述浆态床反应器的反应物料分离成气相和液相；
所述循环泵用于将所述热高压分离器分离得到的部分液相物料送回所述浆态床反应器中;
所述分离单元包括：冷高压分离器、热低压分离器、冷低压分离器；
冷高压分离器，用于对来自所述热高压分离器并经冷却后的气相物料进行分离，并将分离出的液相减压后送去所述冷低压分离器，分离出的气相返回气体进气管道；
热低压分离器，用于对来自所述热高压分离器并经减压后的部分液相物料进行分离，并将分离出的液相残渣送去下游装置，分离出的气相冷却后送入所述冷低压分离器；
冷低压分离器，用于对来自所述冷高压分离器和所述热低压分离器的物料进行分离，以分离出产品油。
2.根据权利要求1所述的基于微界面强化煤间接液化的系统，其特征在于，所述浆态床反应器设有至少一条催化剂加剂管道。
3.根据权利要求1所述的基于微界面强化煤间接液化的系统，其特征在于，所述浆态床反应器设有温度控制管道，管道上设有换热器。
4.根据权利要求1所述的基于微界面强化煤间接液化的系统，其特征在于，所述热高压分离器内设有从其底部向上延伸的第一挡板和第二挡板，两个挡板将所述热高压分离器分为三部分，包括第一部分，中间部分和第二部分；
所述第一部分的底部通过管道连接至所述循环泵，用以将物料输送回所述浆态床反应器；
所述中间部分顶部通过管道与管式反应器的物料出口相连，用以回收来自浆态床反应器的催化剂；
所述第二部分的底部通过管道与所述热低压分离器相连，用以将物料输送到所述分离单元中；
所述热高压分离器的顶部设有气相出口管道，用以将气体输送至所述冷高压分离器中。
5.一种基于微界面强化煤间接液化的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
设置在浆态床反应器中的微界面发生器将来自气体输送管道的粗煤气打碎成微米级气泡，粗煤气微米级气泡通过微界面发生器上的小孔扩散到浆态床反应器的液相中，形成气液乳化物，并在催化剂的作用下发生反应；
反应产物通过物料出口进入循环单元，并在循环单元中经热高压分离器分离，分离得到的气相和另一部分液相物料进入分离单元；
所述分离单元中的冷高压分离器将来自所述热高压分离器的气相物料进行分离，并将分离出的液相减压后送去冷低压分离器，分离出的气相作为循环气体返回进气管道；
热低压分离器对来自所述热高压分离器并经减压后的部分液相物料进行分离，并将分离出的液相残渣送去下游装置，分离出的气相冷却后送入所述冷低压分离器；
所述冷低压分离器对来自所述冷高压分离器和所述热低压分离器的物料进行分离，从而得到产品油。
6.根据权利要求5所述的基于微界面强化煤间接液化的工艺，其特征在于，所述热高压分离器分离得到的一部分液相产物返回到所述浆态床反应器中，用以保证粗煤气的液化反应始终在液体中进行。
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