CN113019268A - 一种惯性沉降器及包括其的气液固三相反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种惯性沉降器及包括其的气液固三相反应系统，惯性沉降器包括分离筒、进料管及螺旋组件；分离筒在延伸方向上包括相对设置的第一端和第二端，分离筒沿第一端至第二端的方向包括第一圆形筒体和异形筒体，异形筒体包括靠近第一端的第一开口和靠近第二端的第二开口；分离筒内套设有进料管，进料管沿分离筒的轴向往复运动，进料管的靠近第二端的开口位于异形筒体内；螺旋组件位于第一圆形筒体内，螺旋组件包括固定管和N个螺旋叶片，N个螺旋叶片沿固定管周向均匀分布且与固定管连接，固定管套设在进料管外。该惯性沉降器结构简单，利用待分离物流固液相间的密度差实现了固液两相的高效分离，保证了气液固三相反应器的稳定运行。

Description

一种惯性沉降器及包括其的气液固三相反应系统

技术领域

本发明涉及一种惯性沉降器及包括其的气液固三相反应系统，属于煤化工技术领域。

背景技术

浆态床反应器是一种气液固三相反应器，在浆态床反应器内气液固相间能够充分接触，传热和传质特性极好，而且设备结构简单、床层持液量大、床层内部温度梯度小，并且固相催化剂能在线连续加入与回收，更具有高效的可连续操作性，目前，广泛应用于费托合成、重油加氢、渣油加氢、废水生化处理、燃料油脱硫、聚合物合成、生物化工等工业领域。

在浆态床反应器中，固体催化剂颗粒悬浮在液态产品中，为满足后续加工要求，同时为使浆态床反应器中催化剂浓度保持一定水平，要将催化剂与液体产品进行固液分离，并将催化剂颗粒返回浆态床反应器内以循环利用。在工业实际投用中，常见的固液分离方法包括沉降、过滤以及磁分离等，沉降也分为重力沉降与离心沉降，尤其重力沉降分离，因其设备结构简单、投资少、操作弹性大等特点一直是非均相分离首选的分离工艺。

浆态床反应器内固体催化剂颗粒粒径均较小，尤其在运行一定时间后活性及物理强度的衰减更导致固体催化剂粒径进一步减小，加之液体具有一定粘度，因此在普通沉降器内的沉降过程将非常缓慢，对反应效率的提高造成了一定程度的阻碍。

中国专利CN101209403A公开了一种用于浆态床反应器的液固连续分离方法和设备，主要是在浆态床反应器的内部或外侧设置了包括斜板沉降器的分离单元，通过预处理与斜板重力沉降结合，提升了分离效率，实现气液固三相反应中的固液连续分离。其中，预处理可降低斜板沉降区浓度，但利用重力做预处理效果并不是很理想，并且重力沉降设备结构都相对固定，无法对某个结构参数进行调节来改变分离性能，因此分离效果并不理想。美国专利20090065437A1公开了一种用于费托合成浆态床反应器固液分离的磁性动态沉降器，主要是将磁分离单元与动态沉降器结合，待分离介质从动态沉降器边缘一侧的垂直进料通道连续涌入，利用磁场加速了固体颗粒在重力场中的沉降过程，同时在另一侧的液相出口前增设斜板来促进清液中夹带颗粒的再次沉降。其中的磁分离单元，不仅提高了设备复杂度，也增加了设备成本投入，尤其当分离完的催化剂颗粒一旦消磁不完全时会产生团聚影响浆态床反应器的正常操作。

发明内容

本发明提供一种惯性沉降器及包括其的气液固三相反应系统，该惯性沉降器的结构简单，通过利用待分离物流固液相之间的密度差，实现了待分离物流中固相和液相分离效率的提高，保证了反应器的稳定运行。

本发明提供一种惯性沉降器，所述惯性沉降器包括分离筒、进料管以及螺旋组件；

所述分离筒在延伸方向上包括相对设置的第一端和第二端，所述分离筒沿第一端至第二端的方向包括相互连通的第一圆形筒体和异形筒体，所述异形筒体包括靠近所述第一端的第一开口和靠近所述第二端的第二开口，所述第一开口的面积大于所述第二开口的面积；

所述分离筒内套设有所述进料管，所述进料管沿所述分离筒的轴向往复运动，所述进料管的靠近所述第二端的开口位于所述异形筒体内；

所述螺旋组件位于所述第一圆形筒体内部，所述螺旋组件包括固定管和N个螺旋叶片，所述N个螺旋叶片沿所述固定管周向均匀分布且与所述固定管连接，所述固定管套设在所述进料管外，N≥1。

如上所述的惯性沉降器，其中，所述进料管沿所述第一端至第二端的方向包括圆形管和锥形管，所述锥形管的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小。

如上所述的惯性沉降器，其中，所述异形筒体包括互相连通的锥形筒体和第二圆形筒体，所述锥形筒体靠近所述第一端，所述锥形筒体的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小。

如上所述的惯性沉降器，其中，每个所述螺旋叶片的倾角θ相同，10°≤θ≤80°；

每个所述螺旋叶片的螺旋角α相同，α＝m×90°，m为正整数。

如上所述的惯性沉降器，其中，还包括液相出口，所述液相出口位于所述第一端和所述螺旋组件之间的分离筒的侧壁面上。

如上所述的惯性沉降器，其中，还包括溢流堰，所述溢流堰套设在所述进料管外部且与所述进料管之间具有第一环空区域，所述溢流堰的外周面与所述第一圆形筒体的内壁面之间具有第二环空区域；

所述溢流堰包括连接件，

所述连接件与所述分离筒的内壁面周向连接，且所述连接件与所述液相出口靠近所述第二端的一侧齐平；

在所述分离筒的轴向上，所述溢流堰的尺寸大于所述液相出口的尺寸。

如上所述的惯性沉降器，其中，所述分离筒的第一端具有盖体，所述盖体的中心孔的侧周面具有密封填料槽，所述盖体设置有气体出口。

如上所述的惯性沉降器，其中，还包括密封填料压盖，所述密封填料压盖位于所述分离筒的外部且与所述密封填料压盖可拆卸连接；

所述密封填料压盖具有与所述密封填料槽匹配的密封件。

如上所述的惯性沉降器，其中，待分离物料经所述进料管靠近所述第一端的开口流向所述进料管靠近所述第二端的开口并流出，流出速度为0.5-10m/s；

其中，所述进料管靠近所述第二端的开口的直径与所述异形筒体的直径之比为1：(1.5-15)。

本发明还提供一种气液固三相反应系统，所述气液固三相反应系统包括上述任一项所述的惯性沉降器和反应器，所述反应器的物料出口与所述惯性沉降器的进料管的靠近所述第一端的开口连通，所述第二开口与所述反应器的固相循环入口连通。

本发明提供的惯性沉降器，待分离物流经进料管靠近第一端的开口进入，当待分离物流经进料管的另一开口射出时，由于待分离物流中固相和液相的密度不同，因此固相和液相的惯性力亦不同；此外，当待分离物流经进料管射出时，相当于待分离物流从小空间进入了空间更大的区域，因此也会使待分离物流产生突扩回流现象，此时惯性力大的固相颗粒会在惯性力的作用下继续向射出方向运动，而惯性力小的液相会在突扩回流和射流边界层剪切的作用下折返运动，即沿射出反向的90～180°相反方向运动，从而实现了待分离物流的一段分离。

折返运动的物流中大部分为液相，也包括夹带在液相中的少部分固相，液固两相在折返运动中流经螺旋叶片区域，其中固相会因自身重力在相邻螺旋叶片形成的斜板沉降区域的作用下沉积并沿螺旋叶片最终向射出方向回落，而液相则继续向与射出方向相反的方向运动，从而实现了待分离物流的二段分离。

因此，本发明的惯性沉降器能够有效利用固液两相的密度差和由于待分离所处区域突扩产生的突扩回流现象，在无需预处理的条件下，以更为简易的构造、更为合理的成本实现了固液两相的有效分离。

本发明还提供一种气液固三相反应系统，该气液固三相反应系统包括反应器和上述惯性沉降器，反应器中输出的待分离物流进入惯性沉降器后能够发生有效的液固分离，并且能够将分离后的固相返回反应器中进行循环利用，保证了气液固三相反应系统的稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的惯性沉降器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的惯性沉降器中螺旋组件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的惯性沉降器中进料管的圆形管的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的惯性沉降器中进料管的锥形管的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的惯性沉降器中溢流堰的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的惯性沉降器中部分分离筒的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的惯性沉降器中密封填料压盖的结构示意图；

图8为本发明气液固三相反应系统一实施例的结构示意图；

图9为本发明气液固三相反应系统另一实施例的结构示意图；

图10为本发明提供的一种气液固三相反应系统实施例的结构示意图；

图11为本发明提供的另一种气液固三相反应系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的惯性沉降器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的惯性沉降器中螺旋组件的结构示意图。如图1和图2所示，本实施例提供的惯性沉降器100包括分离筒1、进料管2以及螺旋组件3；

分离筒1在延伸方向上包括相对设置的第一端a和第二端b，分离筒1沿第一端a至第二端b的方向包括相互连通的第一圆形筒体11和异形筒体12，异形筒体12包括靠近第一端a的第一开口和靠近第二端b的第二开口，第一开口的面积大于第二开口的面积；

分离筒1内套设有进料管2，进料管2沿分离筒1的轴向往复运动，进料管2的靠近第二端b的开口位于异形筒体12内；

螺旋组件3位于第一圆形筒体11内部，螺旋组件3包括固定管31和N个螺旋叶片32，N个螺旋叶片32沿固定管31周向均匀分布且与固定管31连接，固定管31套设在进料管2外，N≥1。

本发明中，进料管2用于接收待分离物流，并将待分离物流输入至分离筒1中进行固液分离。具体地，进料管2包括靠近第一端a的开口，和靠近第二端b的开口，其中，靠近第一端a的开口用于接收待分离物流(以下称为进料口)，待分离物流进入进料管2后经靠近第二端b的开口(以下称为出料口)输出并进入分离筒1内进行固液分离。

本发明的惯性沉降器100对待分离物流的固液分离包括一段分离和二段分离，其中，一段分离在分离筒1的异形筒体12内进行，二段分离在分离筒的第一圆形筒体11内与螺旋组件3配合完成。

由于进料管2的出料口位于异形筒体12的内部，因此当待分离物流经出料口射出时，待分离物流会首先进入异形筒体12。在射出的过程中，待分离物流会由于所处区域的突然扩张(即待分离物流从小区域的进料管2进入大区域的异形筒体12)而产生突扩回流现象。待分离物流中的大部分固相由于密度较大具有较大的惯性力，因此不会受到突扩回流现象的影响，会在射出后继续向射出方向运动；而待分离物流中的液相由于密度较小惯性力较小，会受到突扩回流现象的影响，此外，在射流边界层处还会受到周围介质的剪切作用(边界剪切力的作用)，因此液相在突扩回流和边界层剪切力的作用下会携带少部分小粒径的固相发生背离射出方向90°-180°的折返运动。因此，在异形筒体12内完成了待分离物流中大部分固相与液相的分离，即实现了一段分离。

进一步地，由于进料管2能够在分离筒1内沿分离筒1的轴向往复运动，并且异形筒体12轴向方向上的横截面面积会发生变化，因此可以通过调节进料管2出料口在异形筒体12内的位置(即，使出料口在异形筒体12靠近第一端a的开口与靠近第二端b的开口之间的区域进行轴向运动)而控制突扩比(出料口直径与异形筒体12横截面直径比)进而控制突扩回流的程度，从而进一步实现对一段分离的控制，例如控制继续向射出方向运动的物流(固相为主)与发生折返运动的物流(液相为主)的质量比或体积比。

可选地，为了便于控制进料管2在分离筒1内沿分离筒1的轴向往复运动，可以使进料管2在轴向上的尺寸大于分离筒1在轴向上的尺寸，从而保证进料管2靠近第一端a的部分位于分离筒2的外部，便于对进料管2进行轴向上的驱动。

随着惯性沉降器100的运行，发生折返运动的物流越来越多进而会进入螺旋组件3。如前述，进入螺旋组件3的物流以液相为主，其中夹杂的固相受限于螺旋叶片32的导向作用，固相在螺旋组件3中受到液相的拖曳力沿螺旋叶片32延伸方向向上。除拖曳力和重力的合力作用，固相还会受到相邻螺旋叶片32下表面的挡落，两者共同作用下，固相会下行并沉积在螺旋叶片32的上表面，当沉积到一定程度后会沿着螺旋32叶片向逐渐靠近第二端b的方向运动，即向射出方向发生回落；而液相由于密度较小，因此会沿着螺旋通道(相邻螺旋叶片32下表面与当前螺旋叶片32上表面形成的通道)继续上行。至此，经出料口发生折返的物流在螺旋组件3内完成了二段分离，具体地，折返物流中的大部分固相从螺旋组件3中按照射出方向回落至异形筒体12，并且可以将其与一段分离中得到的固相收集，折返物流中的液相会继续在螺旋组件3内向背离射出方向的方向运动并收集。

本发明的螺旋组件包括固定管31以及与固定管31连接的N个彼此相同的螺旋叶片32，其中，固定管1的内径大于进料管2的外径，从而能够保证螺旋组件3和进料管2的套设关系。每个螺旋叶片32为曲面结构，包括四个边缘，分别为第一边缘、第二边缘、第三边缘以及第四边缘，其中，第一边缘与固定管31连接(例如可以通过镶嵌、焊接或者一体的成型的方式)，第二边缘靠近第一圆形筒体11的内壁面且与第一圆形筒体11的内壁面间隙配合(例如在分离筒1的圆周方向上，控制第一边缘与第二边缘之间的尺寸小于等于固定管31的外壁面与第一圆形筒体11内壁面之间的距离)，第三边缘靠近第一端a，第四边缘靠近第二端b。每个螺旋叶片32沿固定管31的周向均匀分布(相邻两个螺旋叶片32的角度为360/N)在固定管31的外壁面，且螺旋叶片32的螺距小于等于固定管31的高度。每个螺旋叶片32之间的区域相当于流通面积较小的轴向通道，而每个轴向通道在第一圆形筒体11内均相当于一个沉降单元，不仅增加了第一圆形筒体11内的沉降面积，缩短了沉降距离，更是可以降低惯性沉降器100内的对流现象对固相沉降过程中的流场的扰动。

合理控制螺旋组件内螺旋叶片的个数，有利于进一步优化二段分离的分离效率。具体地，随着螺旋叶片的个数在一定范围内的增加，二段分离的分离效率呈现上升的趋势，后出现缓慢下降。原因可能在于，当螺旋叶片的数量超出一定范围后，相邻的螺旋叶片的间距过小，不利于对折返物流的接收。此外，螺旋叶片的数量过多，加工难度和加工成本也会过高。因此，螺旋叶片的个数M为8-16。

在一种实施方式中，每个螺旋叶片32的倾角θ相同，10°≤θ≤80°，进一步为40-70°；每个螺旋叶片32的螺旋角α相同，α＝m×90°，m为正整数，m可选为2或4。

本发明惯性沉降器100的螺旋组件3，每个螺旋叶片32为曲面且与第一圆形筒体11的内壁面契合，因此可有效提高螺旋叶片32的空间利用率，并且每个螺旋叶片32的结构尺寸相同，便于加工，降低了生产成本。

在延伸方向上，作为一种较佳的实现方式，本发明的进料管2在延伸方向上的内径可以发生变化，图3为本发明实施例提供的惯性沉降器中进料管的圆形管的结构示意图，图4为本发明实施例提供的惯性沉降器中进料管的锥形管的结构示意图。在延伸方向上，进料管2包括互相连通的圆形管21和锥形管22，具体地，圆形管21靠近第一端a，锥形管22靠近第二端b，其中，锥形管22的内径沿第一端a至第二端b的方向逐渐减小，此时，圆形管21靠近第一端a的出口即为进料管2的进料口，锥形管22的小出口即为进料管2的出料口。

在待分离物料经进料口进入进料管2内并向出料口方向发生流动时，一旦待分离物料经进料管2的圆形管21进入进料管2的锥形管22时，由于锥形管22内径逐渐缩小，因此待分离物料会受到挤压并最终以更快的速度经出料口射出，从而更有利于使更多的固相在惯性力作用下继续向射出方向运动，提高固液分离的效率。

需要说明的是，圆形管21和锥形管22的连接方式可以是焊接、螺接、卡接或者一体成型。在具体实施过程中，优选圆形管21和锥形管22为可拆卸的连接关系，原因在于，可以通过更换不同型号的锥形管22而实现对待分离物流经出料口射出的射出速度，从而实现对固液分离效果的进一步控制。例如，圆形管21靠近第二端b的开口具有内螺纹，锥形管22靠近第一端a的开口具有外螺纹，通过内螺纹和外螺纹的螺接实现圆形管21和锥形管22的连通关系。

为了进一步保证分离效果以及折返物流对周围流场的扰动程度，可以通过选择合适的锥形管或者适宜的进料管的出料口的结构，使待分离物流经出料口(即进料管靠近第二端的开口)射出的速度为0.5-10m/s，进一优选为1-6m/s。在具体实施过程中，出料口的直径与其外部的分离筒(与出料口位于同一平面的分离筒截面)的直径之比为1：(1.5-15)，进一步优选为1：(2.5-10)。

同时参考图1，可选地，还包括套设在进料管2内部的承插管4，且两者间隙配合，承插管4的一端在进料管2的内部，承插管4的另一端位于进料管2的外部用于接收待分离物料，例如可以与反应器的物料出口连通。具体地，承插管4的一端经进料管2的进料口套设在进料管2的内部。

由于二者间隙配合，因此在惯性沉降器100的工作过程中可以使进料管2在轴向上运动，通过调节出料口在异形筒体12的内部的具体位置而实现对固液分离效果的进一步控制。进一步地，为了保证承插管4和进料管2之间的密封性，进料管2中的圆形管21的内壁还设置有迷宫密封和密封槽21a，例如，迷宫密封的个数不少于3，密封槽21a的个数大于等于1。当承插管4插入进料管2后，承插管4的外壁面会和放置于密封槽21a中的密封填料配合，从而保证承插管4与进料管2内壁面之间存在轴向运动时的密封性。

为了便于控制进料管2在轴向上的运动，可以在进料管2的位于分离筒1外部的外壁上设置手持部件，例如手柄或手轮，进而通过手持部件驱动进料管在轴向上的运动。本发明不限制手持部件与进料管的连接关系，例如可以通过卡接、焊接或者一体成型等方式。

在一种具体实施方式中，以图1为例，异形筒体12包括互相连通的锥形筒体12a和第二圆形筒体12b，锥形筒体12a靠近第一端a，锥形筒体12a的内径沿第一端a至第二端b的方向逐渐减小。其中，锥形筒体12a的大开口(第一开口)直接与第一圆形筒体11连通，锥形筒体12a的小开口用于和第二圆形筒体12b的一端连通，第二圆形筒体12b的另一端(第二开口)为分离筒1的第二端。

或者，异形筒体12可以仅为单独的锥形筒体，该锥形筒体的大开口(第一开口)直接与第一圆形筒体连通，该锥形筒体的小开口(第二开口)为分离筒的第二端。

上述第一圆形筒体和异形筒体之间的连接方式例如是螺接或一体成型。

上述与第一圆形筒体11连通的锥形筒体12a不仅为一段分离提供了场所，也能够由于其内径小于第一圆形筒体11的内径而对螺旋组件3进行了限位作用，保证螺旋组件3位于第一圆形筒体11的内部。

无论异形筒体12的具体结构如何，只要异形筒体12的第二开口的面积小于异形筒体12第一开口的面积即可。值得注意的是，为了能够通过调节进料管2的出料口在异形筒体12中的不同位置实现对固液分离效果的控制，异形筒体12在轴向上的尺寸不得小于锥形管22的轴向尺寸。

进一步地，如图1所示，分离筒1的第二端b还连接有内径小于第二端内径的固相出口管A，该固相出口管A能够和反应器连通用于将收集的固相返回反应器中。为了保证异形筒体12和固相出口管A的顺利连接，异形筒体12和固相出口管A之间还设置有连通二者的锥形过渡管B。

如前述，一段分离后发生折返运动的物流在螺旋组件3中进行二段分离，其中，密度小的液相会沿着螺旋叶片32继续上行。因此，本发明的惯性沉降器100还包括液相出口5，该液相出口5位于第一端a和所螺旋组件3之间的分离筒1的侧壁面上，用于将上行的液相导出分离筒1并进行收集。能够理解，可以在液相出口5处连通一管道C以便于对液相收集。此处需要强调的是，经本发明液相出口5输出的液相中也会夹带有部分颗粒极小的固相，这是由于这些小颗粒的液相拖曳力大于重力，故而会在液相拖曳力的作用下被液相携带上行。可选地，若对固液分离的效果具有较高要求，可以对经液相出口5收集的物流进行例如过滤等操作而完成纯液相的收集。

也就是说，本发明的惯性沉降器100还能够在实现固液分离的基础上实现不同粒径固体颗粒之间的分选。具体地，待分离物流流经出料口射出后，大部分固相(主要为大于临界粒径的固相颗粒)在惯性力作用下继续向射出方向运动，而少部分固相(主要为小于临界粒径的固相细粉)会随液相一起折返向上运动至螺旋组件3，加之折返向上运动的液相具有一定向上的流化速度，在螺旋叶片32中固相颗粒将受到上行液相带来的向上的拖曳力与重力的合力，除拖曳力和重力的合力作用，还会受到相邻螺旋叶片32下表面的挡落，两者共同作用下，大于临界粒径的固相颗粒受到的合力向下最后重新落入异形筒体12，而小于临界粒径的固相颗粒受到的合力向上，在液相的携带下随液相从液相出口5一起流出，进而实现了对固相细粉的分选。

能够理解，在上述分选过程中，大于临界粒径的固相颗粒在下行的过程中也会携带部分小于临界粒径的固相细粉进入异形筒体12内部，此时具有一定流化速度的折返物流会将被携带进入异形筒体12内部部分小于临界粒径的固相细粉重新带入螺旋组件3，尤其通过控制液相出口5的流出量大小以及调节出料口在异形筒体12内的具体位置还可进一步控制调节流化速度与折返物流中固相颗粒的量，从而更精确的实现固相细粉的分选。

图5为本发明实施例提供的惯性沉降器中溢流堰的结构示意图。请同时参考图1和图5，本发明惯性沉降器100内部还包括溢流堰6，溢流堰6套设在进料管2外部且与进料管2之间具有第一环空区域，溢流堰6的外周面与第一圆形筒体11的内壁面之间具有第二环空区域；溢流堰6包括连接件61，连接件61与分离筒1的内壁面周向连接，且连接件61与液相出口5靠近第二端b的一侧齐平；在分离筒1的轴向上，溢流堰6的尺寸大于液相出口5的尺寸。

在二段分离的过程中，由于分离筒1内部存在压力梯度差，液相在沿着轴向上行的过程中会集中朝向分离筒1具有液相出口5的一侧流动，因此会造成螺旋组件3内部区域流场的不均匀性，影响分离效果。

该溢流堰6包括两端开口的圆形筒体62以及位于一端的环形凸缘。其中，该环形凸缘即为连接件61，该环形凸缘与分离筒1的内壁面周向连接，并且该环形凸缘所在的平面与液相出口5靠近第二端b的一侧齐平。

具体地，溢流堰6的圆形筒体62套设在进料管2的外部，并且环形凸缘封闭了液相经溢流堰6外壁面与分离筒1之间的空间上行的路径，因此液相会经溢流堰6和进料管2之间的第一环空区域上行随后进入溢流堰6与分离筒1之间的第二环空区域被收集，并最终经液相出口5输出。

由于溢流堰6为上行的液相构造了一个相对封闭的空间，因此进一步避免上行的液相趋向液相出口5而导致的流场失衡，有利于二段分离效率的进一步改善。

图6为本发明实施例提供的惯性沉降器中部分分离筒的结构示意图。请同参考图1和图6，分离筒1的第一端设置盖体7。该盖体7具有用于穿设进料管的中心孔71，具体地，可以通过对中心孔71的内径和进料管2的外径进行匹配使中心孔71和进料管2间隙配合，从而既实现了对进料管2的定位，也满足了进料管2在轴向上的相对移动。此外，盖体71上还设置有气相出口72。由于来自于反应器的待分离物流中除了包括固相和液相之外还夹杂有气相，因此折返物流在螺旋组件3上行的过程中，其中的气相会在螺旋组件3和第一端a之间的空间汇集并经气相出口72输出。为了便于气相的收集可以在气相出口72设置一气相收集管道D。

需要强调的是，在中心孔71的侧周面还具有密封填料槽73，该密封填料槽73用于填放密封填料，例如石墨密封料，从而有利于保证进料管2在轴向运动时的密封性。

图7为本发明实施例提供的惯性沉降器中密封填料压盖的结构示意图。请同参考图1和图7，进一步地，还包括密封填料压盖8，该密封填料压盖8也具有用于穿设进料管2的中心孔81。该密封填料压盖8位于分离筒1的外部且与盖体7可拆卸连接，例如，密封填料压盖8可以设置螺孔82，进而通过螺栓与盖体连接。密封填料压盖8具有与密封填料槽73匹配的密封件83，通过紧固密封填料压盖8与盖体7，可以使密封件83紧密压实填放在密封填料槽73中的密封填料，保证了进料管2在轴向运动时的顺滑性和密封性。

本发明的惯性沉降器100，将普通进料方式改为射流进料，利用密度差产生的不同惯性力、射流边界层剪切作用以及突扩回流作用，使得进料过程也具备了分离功能，实现了固液分离的同时也起到了预处理效果，尤其通过调节出料口在异形筒体12内的位置(伸入异形筒体12内的深度)，还可进一步精准控制分离效率。同时，分离筒内的螺旋组件3可与第一圆形筒体11更好契合，通过螺旋叶片32不仅可使惯性分离过程中随液相折返的部分固相颗粒在重力作用下进一步分离，而且还可有效降低自然对流现象对固相颗粒沉降过程中流场的扰动。

图8为本发明气液固三相反应系统一实施例的结构示意图，该气液固三相反应系统包括前述惯性沉降器100和反应器200，反应器200的物料出口与惯性沉降器100连通，具体地，反应器200的物料出口与进料管靠近第一端的开口(进料口)连通，第二开口与反应器的固相循环入口连通。

反应器可以为浆态床反应器，浆态床反应器的物料出口与惯性沉降器进料管的进料口连通，用于对浆态床反应器输出的待分离物流(包括液体石油蜡和催化剂颗粒)进行固液分离，或者固相催化剂细粉的分选，随后将固液分离后的催化剂或者固相催化剂分选后的大粒径催化剂经反应器底部的固相循环入口返回，使催化剂重新参与反应。具体地，将惯性沉降器中分离筒的第二开口与浆态床反应器的催化剂入口连通，从而将经分离出的固相催化剂颗粒返回浆态床反器中循环利用。例如，通过固相出口管实现分离筒的第二端与浆态床反应器的催化剂入口的连通。为保证颗粒沉积过程不受扰动，液相出口流出液体量与固相出口管返回浆态床反应器的流量比控制在(0.05-0.1)：1。

本发明不限定浆态床反应器的类型，可以是工业中常见的例如三相鼓泡塔式反应器或搅拌釜式反应器，均可通过外循环管线将三相鼓泡塔式反应器或搅拌釜式反应器与惯性沉降器耦合，三相鼓泡塔式反应器利用反应器内外介质密度差产生的循环流动将待分离物流导入惯性沉降器内，搅拌釜式反应器则利用搅拌桨旋转产生的循环流动将待分离物流导入惯性沉降器内。

图9为本发明气液固三相反应系统另一实施例的结构示意图，气液固三相反应系统还包括脱气罐300。反应器200通过脱气罐300和惯性沉降器100连通。来自于反应器200的待分离物流进入脱气罐300脱除大部分气相后再进入惯性沉降器100中进行固液分离或固固分选。

图10为本发明提供的一种气液固三相反应系统实施例的结构示意图，请同时参考图1和图10。

该气液固三相反应系统包括浆态床反应器210(鼓泡塔式)、脱气罐300以及惯性沉降器100。其中，浆态床反应器210的物料出口与脱气罐300的入口连通，脱气罐300的底部出口通过承插管4与惯性沉降器100的进料管2的入口连通，惯性沉降器100的固相出口管A与浆态床反应器210的催化剂入口210a连通。其中，惯性沉降器100的固相出口管A与浆态床反应器210的催化剂入口210a之间具有两路连通管路，一路连通管路中设置有阀门，一路连通管路中设置有驱动泵。当气液固三相反应系统内外的密度差足以产生循环动力时，可以通过控制阀门的开合实现惯性沉降器100的固相出口管A与浆态床反应器210的催化剂入口210a的连通；当气液固三相反应系统内外的密度差不足以产生循环动力时，可以以驱动泵加以辅助，实现惯性沉降器100的固相出口管A与浆态床反应器210的催化剂入口210a的连通。

工作时，合成气体(主要为一氧化碳和氢气)经浆态床反应器210的原料入口210b进入浆态床反应器210与固体催化剂颗粒接触后发生催化反应生成液相产品，液相产品与固体催化剂颗粒混合物(称为待分离物流)中会夹带部分未反应完全的合成气体，待分离物流在流量控制阀的控制下首先经脱气罐的入料口流入脱气罐300进行脱气，脱除大部分合成气体后的待分离物流经脱气罐的底部出口输出并在流量控制阀的控制下流入惯性沉降器100。

待分离物流在流经承插管4、进料管2后从进料管2出口加速射出进入异形筒体12，经射流产生的惯性分离后，待分离物流中的大部分固体催化剂颗粒被分离并下行至固相出口管A，而少部分固体催化剂颗粒以及未脱净的夹带合成气体在边界层剪切与突扩回流作用下随液相产品折返向惯性沉降器100上部运动进入螺旋组件3。

在螺旋组件3内部，液体夹带的固体催化剂颗粒在液体拖曳力和重力的合力以及相邻螺叶片32下表面挡落的共同作用下下落至螺旋叶片32表面，当累积到一定量之后沿螺旋叶片32重新回落至惯性沉降器100底部，随少部分液相产品以及惯性分离的大部分固体催化剂颗粒一起从惯性沉降器100底部的固相出口管A流出后，在流量控制阀的控制下经浆态床反应器的催化剂入口210a返回浆态床反应器210继续参与反应，而去除固体催化剂颗粒与合成气体的液相产品则从螺旋组件3上部经溢流堰6的集中收集后从液相出口5输出继续后面的改质加工，在脱气罐300内未脱净的夹带合成气在惯性沉降器100顶部聚集后从气相出口72逸出，与经脱气罐的顶部出口300a脱出的气体汇合后一起并入浆态床反应器210顶部脱气管线210c。

此外，当惯性沉降器100主要用于固体催化剂细粉的分选时，待分离物流从进料管2出口加速射出进入异形筒体12时，大部分固体催化剂颗粒(大部分大于临界粒径的固体催化剂颗粒携带少部分小于临界粒径的固体催化剂细粉)在惯性力作用下继续向射出方向运动，而少部分固体催化剂颗粒(大部分小于临界粒径的固体催化剂细粉夹杂少部分大于临界粒径的固体催化剂颗粒)将随液相产品一起折返向上运动至螺旋组件3区域，加之折返向上运动的液体相产品本身具有一定向上的流化速度，在螺旋组件4区域固体催化剂颗粒将受到上行液相带来的向上的拖曳力与重力的合力，折返的固体催化剂颗粒中大于临界粒径的固体催化剂颗粒受到的合力向下，同时受到相邻螺旋叶片32下表面的挡落作用，会下行落到螺旋叶片32表面最后重新滑落入固相出口管A。由于大于临界粒径的固体催化剂颗粒在下行的过程中也会携带部分小于临界粒径的固体催化剂细粉进入固相出口管A，此时具有一定流化速度的折返液相产品会对小于临界粒径的固体催化剂细粉施加大于重力的拖曳力，受到向上合力的固体催化剂细粉被重新带入螺旋组件3区域，最后在液相产品的携带下随液相从液相出口5流出，进而实现了对固体催化剂细粉的分选。

在惯性沉降器100工作过程中，通过实时调节进料管2的出料口在异形筒体12内的具体位置(出料口截面进入异形筒体12的轴向深度)、固相出口管内的物流返回浆态床反应器的流量与液相出口5的流量，可进一步精确控制调节折返物流的流化速度与折返物流中固体催化剂颗粒的量与粒度组成，从而更彻底、更精确的实现固体催化剂细粉的分选。

图11为本发明提供的另一种气液固三相反应系统实施例的结构示意图。

与图10所示实施例的差异在于，图11中的反应器为搅拌釜式浆态床反应器220。搅拌釜式浆态床反应器220主要是利用电机带动搅拌桨旋转来驱动料液产生循环为固液分离过程提供动力。具体的固液分离及固体催化剂细粉分选过程如图10所示的气液固三相反应系统相同，此处不再赘述。

本发明中的气液固三相反应系统，由于包括了前述惯性沉降器，在较小的操作空间即能够实现费托合成反应物流中固相催化剂以及液态产品的连续有效分离和催化剂细粉的连续分选，尤其当来自于浆态床反应器的待分离物流中固含量较高时(体积百分数大于50％)，惯性沉降器的一段分离过程可分离出大部分固体颗粒(大于临界粒径颗粒占大部分)，显著降低螺旋组件内的固含量，能够充分发挥螺旋组件二段分离过程的分离和分选作用，获得高效的分离与分选效果。

实施例

本实施例的气液固三相反应系统的结构请具体参考图1和图10。

本实施例的气液固三相反应系统包括浆态床反应器210(鼓泡塔式)、脱气罐300以及惯性沉降器100。其中，浆态床反应器210的物料出口与脱气罐300的入口连通，脱气罐300的底部出口通过承插管4与惯性沉降器100的进料管2的入口连通，惯性沉降器100的固相出口管A与浆态床反应器210的催化剂入口210a连通。

惯性沉降器100包括分离筒1、进料管2以及螺旋组件3。

其中，

分离筒1在延伸方向上包括相对设置的第一端a和第二端b，分离筒1沿第一端a至第二端b的方向包括相互连通的第一圆形筒体11和异形筒体12，异形筒体12包括靠近第一端a的第一开口和靠近第二端b的第二开口，第一开口的面积大于第二开口的面积。其中，异形筒体包括互相连通的锥形筒体12a和第二圆形筒体12b，锥形筒体12a靠近第一端，锥形筒体的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小，第二圆形筒体12b的直径为90mm。

分离筒1的第一端具有盖体7，盖体7的中心孔的侧周面具有密封填料槽(密封填料槽中填放有密封填料)，盖体设置有气体出口72。密封填料压盖8位于分离筒1的外部，密封填料压盖8具有与密封填料槽匹配的密封件。

分离筒1内套设有进料管2，进料管2沿分离筒1的轴向往复运动，进料管2的靠近第二端b的开口位于异形筒体12内。进料管2沿第一端a至第二端b的方向包括圆形管和锥形管，锥形管的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小，锥形管第二端的直径为25mm。分离筒1的轴向上，进料管2的尺寸大于分离筒1的尺寸。进料管2内部设置承插管4，且两者间隙配合，承插管4的一端在进料管2的内部，承插管4的另一端与脱气罐300的底部出口连通。

分离筒1的第二端b还连接有内径小于第二端内径的固相出口管A，具体地，异形筒体12和固相出口管A之间设置有连通二者的锥形过渡管B。

螺旋组件3位于第一圆形筒体内部，螺旋组件包括固定管和12个螺旋叶片，12个螺旋叶片沿固定管周向均匀分布且与固定管连接，固定管套设在进料管外。每个螺旋叶片的倾角θ为60°，螺旋角α为180°。

惯性沉降器100还包括：液相出口5，液相出口5位于第一端a和螺旋组件3之间的分离筒1的侧壁面上；

还包括溢流堰6，溢流堰套设在进料管2外部且与进料管2之间具有第一环空区域，溢流堰6的外周面与第一圆形筒体11的内壁面之间具有第二环空区域，溢流堰6包括连接件，连接件与分离筒1的内壁面周向连接，且连接件与液相出口5靠近第二端b的一侧齐平；在分离筒1的轴向上，溢流堰6的尺寸大于液相出口的尺寸。

工作时，合成气体(主要为一氧化碳和氢气)经浆态床反应器210的原料入口210b进入浆态床反应器210与固体催化剂颗粒接触后发生催化反应生成液相产品，随后该气液固三相反应系统的工作过程如前所述(图10气液固三相反应系统的工作过程)，此处不再赘述。在工作过程中，控制液相出口5流出液体量与固相出口管A返回浆态床反应器210的流量比控制在1：16。

经过该实施例的气液固三相反应系统的处理，固液分离效率高达98％，分离获得的液体石油蜡产品中固体颗粒含量可小于0.08％。

若以22μm为临界粒径，对22μm以下的催化剂细粉的去除率可达70％，22μm以上的催化剂颗粒回收率可达95％。

因此，本发明的气液固三相反应系统能够显著提高费托合成的生产效益和操作稳定性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种惯性沉降器，其特征在于，所述惯性沉降器包括分离筒、进料管以及螺旋组件；

所述分离筒在延伸方向上包括相对设置的第一端和第二端，所述分离筒沿第一端至第二端的方向包括相互连通的第一圆形筒体和异形筒体，所述异形筒体包括靠近所述第一端的第一开口和靠近所述第二端的第二开口，所述第一开口的面积大于所述第二开口的面积；

所述分离筒内套设有所述进料管，所述进料管沿所述分离筒的轴向往复运动，所述进料管的靠近所述第二端的开口位于所述异形筒体内；

所述螺旋组件位于所述第一圆形筒体内部，所述螺旋组件包括固定管和N个螺旋叶片，所述N个螺旋叶片沿所述固定管周向均匀分布且与所述固定管连接，所述固定管套设在所述进料管外，N≥1。

2.根据权利要求1所述的惯性沉降器，其特征在于，所述进料管沿所述第一端至第二端的方向包括圆形管和锥形管，所述锥形管的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小。

3.根据权利要求1或2所述的惯性沉降器，其特征在于，所述异形筒体包括互相连通的锥形筒体和第二圆形筒体，所述锥形筒体靠近所述第一端，所述锥形筒体的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小。

4.根据权利要求1-3任一项所述的惯性沉降器，其特征在于，每个所述螺旋叶片的倾角θ相同，10°≤θ≤80°；

每个所述螺旋叶片的螺旋角α相同，α＝m×90°，m为正整数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的惯性沉降器，其特征在于，还包括液相出口，所述液相出口位于所述第一端和所述螺旋组件之间的分离筒的侧壁面上。

6.根据权利要求5所述的惯性沉降器，其特征在于，还包括溢流堰，所述溢流堰套设在所述进料管外部且与所述进料管之间具有第一环空区域，所述溢流堰的外周面与所述第一圆形筒体的内壁面之间具有第二环空区域；

所述溢流堰包括连接件，

所述连接件与所述分离筒的内壁面周向连接，且所述连接件与所述液相出口靠近所述第二端的一侧齐平；

在所述分离筒的轴向上，所述溢流堰的尺寸大于所述液相出口的尺寸。

7.根据权利要求1-6任一项所述的惯性沉降器，其特征在于，所述分离筒的第一端具有盖体，所述盖体的中心孔的侧周面具有密封填料槽，所述盖体设置有气体出口。

8.根据权利要求7所述的惯性沉降器，其特征在于，还包括密封填料压盖，所述密封填料压盖位于所述分离筒的外部且与所述盖体可拆卸连接；

所述密封填料压盖具有与所述密封填料槽匹配的密封件。

9.根据权利要求1所述的惯性沉降器，其特征在于，待分离物料经所述进料管靠近所述第一端的开口流向所述进料管靠近所述第二端的开口并流出，流出速度为0.5-10m/s；

其中，所述进料管靠近所述第二端的开口的直径与所述异形筒体的直径之比为1：(1.5-15)。

10.一种气液固三相反应系统，其特征在于，所述气液固三相反应系统包括权利要求1-9任一项所述的惯性沉降器和反应器，所述反应器的物料出口与所述惯性沉降器的进料管的靠近所述第一端的开口连通，所述第二开口与所述反应器的固相循环入口连通。

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