CN114225844A - 一种多级浆态床反应器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级浆态床反应器及其工作方法，涉及一种气体经催化剂生成液体产物的三相浆态床及其反应器化工等领域，该多级浆态床反应器包括下外壳体、上外壳体、气体分布器、多个换热器、多个过滤器、分离器、出口管、循环气入口器和锥形气体分布器；下外壳体依次向上套设于气体分布器、换热器和过滤器外，上外壳体依次向上套设于换热器、过滤器和分离器内构件外；顶盖在出口管和上外壳体之间；下外壳体和上外壳体之间设有锥形气体分布器；上外壳体下端布置了呈圆周布置的循环气入口器。该多级浆态床反应器通过增加多级反应段提高反应物转化率，通过增加管式分离器减少液体产物顶部排出和催化剂颗粒逃脱堵塞后续分离系统。

Description

一种多级浆态床反应器及其工作方法
技术领域
本发明涉及浆态床反应器设备领域，具体而言，涉及一种多级浆态床反应器及其工作方法。
背景技术
浆态床反应器是将天然气或煤制合成气变为液体燃料的核心技术设备，浆态床反应器基本构造流程为：合成气从反应器底部进入气液固三相的浆态床层，在固体催化剂颗粒的作用下发生合成反应，生成的液体产物从反应器中部或下部抽出，未反应的合成气及反应条件下的气体产物等从反应器顶部流出，分离后一部分气体经循环系统返回到反应器继续进行反应，另一部分气体作为尾气排出工艺系统。专利CN1233451C中公开了可以连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，该反应器包括入口气体分布器和一层或多层对床层进行加热/冷却的换热管部件，一层或多层可以自动清洗的液固分离器部件以及除沫器。专利CN100548459C公开了一种浆态床设备及应用方法，该设备包括上升反应器和扩大段沉降管，上升管底部设有进料口和气体分布器，在扩大段设有出浆液口和出气口，出去的浆液进入磁分离装置，分离下部连接一个锥形喷口和回流管，分离的颗粒通过回流管返回上升管中。相关反应器的专利采用底部进气方式、没有考虑循环气从底部进入占用了新鲜气的体积而降低新鲜气的转化率，也没有考虑失去活性或活性极低的细催化剂颗粒从顶部排除然后分离的影响以及细颗粒会堵塞过滤器等问题。上述专利和传统反应器虽已得到广泛应用，但反应形式单一、循环气体反应路线过长、单程反应转化率不高，顶部出去气体携带液滴和催化剂堵塞尾部设备。
发明内容
为了解决现有费托合成三相浆态床及其反应器中反应效率不高、催化剂易形成稀相区、催化剂从顶部排出堵塞外置过滤器等问题，本发明涉及一种气体经催化剂生成液体产物的三相浆态床及其反应器化工、环保等领域，通过增加扩大端和其内部构件设计了二级反应，提供一种多级浆态床反应器及其工作方法。该多级浆态床反应器设置了包含上外壳体和下外壳体的两端反应区间，1)循环气分别从锥形气体分布器和扩大段底部入口进入反应器，不再从底部进入而降低下部反应段新鲜气的转化率，新鲜气从反应器底部进入；2)扩大段由于减小气速和增加气液(固)分离器可以减少活性较高的粗催化剂从气体出口排除，防止堵塞后续工艺或降低其寿命；3)循环气扩大段降低了反应的剧烈程度不仅可以防止局部过热出现非温而且能减小了移除热量。4)整个反应器分多段取热，下部反应段一段和上部两至三段，液蜡过滤装置两个，上下各一个。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种多级浆态床反应器，包括下外壳体、上外壳体；所述下外壳体内设置有气体分布器、第一过滤器，所述气体分布器和第一过滤器之间设有第一换热器；
所述上外壳体内设置有第三换热器和第四换热器，第三换热器和第四换热器之间设有第二过滤器；
所述上外壳体一端与设有顶盖，顶盖上设有出口管。
优选地，所述上外壳体一端通过气体分布器与下外壳体连接。
优选地，所述气体分布器为锥形气体分布器，所述锥形气体分布器包括若干个气孔，气孔呈圆柱状和倒圆台状。
优选地，所述上外壳体靠近气体分布器的一端布置有循环气入口器。
优选地，所述循环气入口器包括风管，所述风管上设有若干个向上伸出的风帽或若干个向下伸出的下孔。
优选地，每个风帽包括芯管和位于芯管上的顶帽，所述顶帽上设有帽孔。
优选地，所述出口管下方设有分离器组件，所述分离器组件包括若干个管式分离器，每个管式分离器包括内筒、套设于内筒外的外筒；内筒中设有叶轮，所述叶轮包括叶片和轮轴，轮轴上设有中心棒；所述内筒远离叶轮的一端表面设置有若干小孔。
优选地，所述第一过滤器上方设有第二换热器。
优选地，所述上外壳体直径大于下外壳体且在下外壳体上方，下外壳体和上外壳体呈圆柱形，所述下外壳体、上外壳体以及所有内部构件之间均有间隙。
所述的多级浆态床反应器的工作方法，气体从气体分布器后，经第一换热器、第一过滤器，再与从气体分布器进入的循环气体、从循环气入口器进入的气体、循环气体混合，然后，经过第三换热器、第二过滤器、第四换热器、分离器组件、出口管排出，生成的液体从第一过滤器和第二过滤器排出。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1)本发明不在只单一地考虑底部的进气方式，而是一种费托合成反应器进气方式从中间部分进去的方式，而且把循环气和新鲜气体配比从锥形分布器进入、循环气进气方式从中部入口进入；
2)中部进气处在扩大段和锥形处，循环气的反应主要发生在反应器的上部，这样换热器所取走的热量就会少一点，下部的换热器由于是新鲜气反应这样产生的热量较多，换热器取走的热量多一点，分两部分能量消耗会少一点；
3)由于增加了新型气液固分离器，减少了催化剂和液滴从顶部排出，避免后续工艺系统堵塞而影响长周期运行；
4)本多级进气方式的浆态床反应器单程反应的效率会提高，热量的控制较简单，能量损失较小，同时可以实现细小无活性的催化剂从过滤器排出以免堵塞过滤器。
附图说明
图1是本发明实施例中多级浆态床反应器的结构示意图；
图2是本发明实施例中多级浆态床反应器包括第二换热器的结构示意图；
图3是本发明图1中管式分离器结构示意图；
图4是本发明图1中锥形分布器结构示意图；
图5是本发明图1中内置气体分布器结构一示意图；
图6是本发明图1中内置气体分布器结构二示意图；
图中：下外壳体-1、上外壳体-2、气体分布器-3、第一换热器-4、第三换热器-5、第四换热器-6、第一过滤器-7、第二过滤器-8、管式分离器-9、顶盖-10、出口管-11、循环气入口器-12、锥形气体分布器-13、第二换热器-14、气管-121、风帽-122、下孔-123、帽孔-1221、帽顶-1222、芯管-1223、气孔-131、柱状气孔-1311、倒圆台状气孔-1312、内筒-91、外筒-92、叶轮-93、中心棒-95、孔-96、底端出口-97、顶棚-98、叶片-931、轮轴-932。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1至图4，本实施例中的一种多级浆态床反应器，包括下外壳体1、上外壳体2、气体分布器3、第一换热器4、第三换热器5、第四换热器6、第一过滤器7、第二过滤器8、管式分离器组件、顶盖10、出口管11、循环气入口器12和锥形气体分布器13；
下外壳体1依次向上套设于气体分布器3、第一换热器4和第一过滤器7等内构件；
上外壳体2依次向上套设于第三换热器5、第二过滤器8、第四换热器6和管式分离器组件等内构件；
所述上外壳体(2)直径大于下外壳体(1)且在下外壳体(1)上方，下外壳体(1)和上外壳体(2)呈圆柱形，所述下外壳体(1)、上外壳体(2)以及所有内部构件之间均有间隙。
所述上外壳体2一端通过气体分布器13与下外壳体1连接，另一端与设有顶盖10，顶盖10上设有出口管11，出口管11位于分离器组件上方；
下外壳体1和上外壳体2之间设有锥形气体分布器13，锥形气体分布器13呈风帽形式，开孔率低于1％；上外壳体2下端布置循环气入口器12，循环气入口器12呈圆周布置于上外壳体2下方。
作为优选的实施例，如图4所示，所述气体分布器(13)为锥形气体分布器(13)，所述锥形气体分布器(13)包括若干个气孔(131)，气孔(131)呈圆柱状(1311)和倒圆台状(1312)。
作为优选的实施例，如图5、图6所示，所述循环气入口器(12)包括风管(121)，所述风管(121)上设有若干个向上伸出的风帽(122)或若干个向下伸出的下孔(123)，入口数量为2～20个，主要进入从顶部循环回来的气体。
作为优选的实施例，所述循环气入口器(12)有多个循环气入口，循环气入口位于所述上外壳体2下端并沿其侧壁的周向均匀布置，呈对冲布置或呈切向布置或伸入到反应器内部形成孔状分布器，数量为2～20个。
如图3所示，所述管式分离器组件包括多个分离器9为多个呈均匀布置，多个管式分离器9包括内筒91、外筒92、叶轮93、中心棒95、底端出口97和顶棚98，所述外筒92套设于内筒91外，所述叶轮包括叶片931和轮轴932，叶片个数为3～12个，所述中心棒95连接叶轮轮轴932且设于内筒91中间，所述内筒的上部布置了呈缝隙形状的孔96。
以费托合成为例，新鲜气体CO和H2从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与从锥形气体分布器13进入的新鲜气体成比例配置的气体和循环气入口12进入的循环气混合，进入扩大端，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，气体带出的生成液体和催化剂通过上部分离器9分离下来以减少催化剂逃脱并减缓催化剂的尾部分离器的分离压力，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
作为优选的实施例，下外壳体1可以布置单独的内第一换热器4，也可以在所述第一过滤器(7)上方设置第二换热器(14)。
下外壳体(1)、上外壳体(2)分别开设流体入口、流体出口，所述流体入口、流体出口分别位于第一换热器4、第二换热器14、第三换热器5、第四换热器6周围。
为了把过滤的催化剂滤饼吹进反应器内，以重新参与反应且防止滤饼过厚影响过滤性能，第一过滤器7和第二过滤器8含有流体反吹，通过压缩N2或者反应气体吹扫过滤背面反方向吹扫，把附着在过滤器上催化剂固体吹进反应器。
该多级浆态床反应器采用先进的设计理念，设计了两级反应段，增加了顶部气液(固)分离器、锥形气体分布器和循环气入口，提高了反应效率，系统单程反应的效率会提高，热量的控制较简单，能量损失可以尽量较小，同时可以避免催化剂细小颗粒堵塞过滤器和其它的内结构原件；改变了单一地底部进气方式，而且把循环气进气方式从中部进去并减少了上部截面气速，提高整个反应器反应效率。
以下该多级浆态床反应器的工作方法：
方式一：如图1所示，未反应的新鲜气体从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，未反应的气体和生成的气体依次进入第一换热器4、第一过滤器7和第二换热器14，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与从锥形气体分布器13进入的新鲜气体成比例配置的气体和循环气入口12进入的循环气混合，进入扩大端，并依次进入第三换热器5、第二过滤器8、第四换热器6和管式分离器9，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，气体带出的生成液体和催化剂经过上部分离器9分离下来以减少催化剂逃脱并减缓催化剂的尾部分离器的分离压力，未反应和生成的气体从顶部排出，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
方式二：如图2所示，未反应的新鲜气体从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，未反应的气体和生成的气体依次进入第一换热器4和第一过滤器7，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与从锥形气体分布器13进入的新鲜气体成比例配置的气体和循环气入口12进入的循环气混合，进入扩大端，并依次进入第三换热器5、第二过滤器8、第四换热器6和分离器9，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，气体带出的生成液体和催化剂通过上部管式分离器9分离下来以减少催化剂逃脱并减缓催化剂的尾部分离器的分离压力，未反应和生成的气体从顶部排出，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
方式三：未反应的新鲜气体从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，未反应的气体和生成的气体依次进入第一换热器4、第一过滤器7和第二换热器14，如图1，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与从锥形气体分布器13进入的新鲜气体成比例配置的气体和循环气入口12进入的循环气混合，进入扩大端，并依次进入第三换热器5、第二过滤器8、第四换热器6和管式分离器9，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，未反应和生成的气体从顶部排出，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
方式四：未反应的新鲜气体从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，未反应的气体和生成的气体依次进入第一换热器4和第一过滤器7，如图2，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与从锥形气体分布器13进入的新鲜气体成比例配置的气体和循环气入口12进入的循环气混合，进入扩大端，并依次进入第三换热器5、第二过滤器8和第四换热器6，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，未反应和生成的气体从顶部排出，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
方式五：未反应的新鲜气体从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，未反应的气体和生成的气体依次进入第一换热器4、第一过滤器7和第二换热器14，如图1，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与从锥形气体分布器13进入的新鲜气体成比例配置的气体，进入扩大端，并依次进入第三换热器5、第二过滤器8、第四换热器6和管式分离器9，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，气体带出的生成液体和催化剂经过上部分离器9分离下来以减少催化剂逃脱并减缓催化剂的尾部分离器的分离压力，未反应和生成的气体从顶部排出，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
方式六：未反应的新鲜气体从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，未反应的气体和生成的气体依次进入第一换热器4和第一过滤器7，如图2，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与从锥形气体分布器13进入的新鲜气体成比例配置的气体，进入扩大端，并依次进入第三换热器5、第二过滤器8、第四换热器6和管式分离器9，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，气体带出的生成液体和催化剂通过上部分离器9分离下来以减少催化剂逃脱并减缓催化剂的尾部分离器的分离压力，未反应和生成的气体从顶部排出，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
方式七：未反应的新鲜气体从气体分布器3进入下层反应器，与催化剂接触反应生成液体燃料，未反应的气体和生成的气体依次进入第一换热器4、第一过滤器7和第二换热器14，如图1，反应生成的热量经第一换热器4和第二换热器14把热量导出去保持催化剂活性且防止其烧焦失活，反应后的CO和H2气体与循环气入口12进入的循环气混合，进入扩大端，并依次进入第三换热器5、第二过滤器8、第四换热器6和管式分离器9，反应生成的热量经第三换热器5和第四换热器6导出以保持催化剂活性，气体带出的生成液体和催化剂经过上部分离器9分离下来以减少催化剂逃脱并减缓催化剂的尾部分离器的分离压力，未反应和生成的气体从顶部排出，生成的液体燃料经第一过滤器7和第二过滤器8排出。
实施例：20万吨费托合成反应器对比情况
按照原始的同一直径、底部进气的浆态床反应器进行了工业运转试验，浆态床反应器的温度255℃，压力2.9MPa，反应器入口空塔气速0.25m/s，该技术的单程转化率为31％，其中所进气体是新鲜合成气和循环气，循环气从底部进入占用了新鲜气所占有的体积，造成新鲜气转化率降低，而且反应器顶部会夹带少量的固体细颗粒，会造成这些固体颗粒进入并可能堵塞过滤器，甚至造成过滤器寿命减少，而且细催化剂活性较低，理论上需要除去。本专利的反应器增加了扩大段和改变了进气方式，在扩大段部分锥形处增加了气体分布器气速以0.03-0.1m/s进入，在边壁处增加对称的进气口，进气形式以喷射或者加入内部气体分布器，注意分布口孔的布置需要均匀，一般为1-5mm，上述进气主要是循环气，底部进气以新鲜气为主，气速0.2-0.3m/s，整个反应器有效反应容积相等情况下，依照理论计算单程转化率为40％，而且具备以下优点：扩大段减缓了底部进气的速度和比较大颗粒的沉降，在中间增加循环气后，减少了反应截面速度，增加了反应时间，提高了转化率，最后出去气液混合物进入塔顶分离器进行气液(固)分离，减少了生成物从顶部出口流出。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多级浆态床反应器，其特征在于：包括下外壳体(1)、上外壳体(2)；所述下外壳体(1)内设置有气体分布器(3)、第一过滤器(7)，所述气体分布器(3)和第一过滤器(7)之间设有第一换热器(4)；所述上外壳体(2)内设置有第三换热器(5)和第四换热器(6)，第三换热器(5)和第四换热器(6)之间设有第二过滤器(8)；
所述上外壳体(2)一端与设有顶盖(10)，顶盖(10)上设有出口管(11)。
2.根据权利要求1所述的多级浆态床反应器，其特征在于：所述上外壳体(2)一端通过气体分布器(13)与下外壳体(1)连接。
3.根据权利要求2所述的多级浆态床反应器，其特征在于：所述气体分布器(13)为锥形气体分布器(13)，所述锥形气体分布器(13)包括若干个气孔(131)，气孔(131)呈圆柱状(1311)和倒圆台状(1312)。
4.根据权利要求2所述的多级浆态床反应器，其特征在于：所述上外壳体(2)靠近气体分布器(13)的一端布置有循环气入口器(12)。
5.根据权利要求4所述的多级浆态床反应器，其特征在于：所述循环气入口器(12)包括风管(121)，所述风管(121)上设有若干个向上伸出的风帽(122)或若干个向下伸出的下孔(123)。
6.根据权利要求5所述的多级浆态床反应器，其特征在于：每个风帽(122)包括芯管(1221)和位于芯管(1221)上的顶帽(1222)，所述顶帽(1222)上设有帽孔(1223)。
7.根据权利要求1所述的多级浆态床反应器，其特征在于：所述出口管(11)下方设有分离器组件，所述分离器组件包括若干个管式分离器(9)，每个管式分离器(9)包括内筒(91)、套设于内筒(91)外的外筒(92)；内筒(91)中设有叶轮(93)，所述叶轮包括叶片(931)和轮轴(932)，轮轴(932)上设有中心棒(95)；所述内筒(91)远离叶轮(93)的一端表面设置有若干小孔(96)。
8.根据权利要求1～7任一项所述的多级浆态床反应器，其特征在于：所述第一过滤器(7)上方设有第二换热器(14)。
9.根据权利要求8所述的多级浆态床反应器，其特征在于：所述上外壳体(2)直径大于下外壳体(1)且在下外壳体(1)上方，下外壳体(1)和上外壳体(2)呈圆柱形，所述下外壳体(1)、上外壳体(2)以及所有内部构件之间均有间隙。
10.权利要求4所述的多级浆态床反应器的工作方法，其特征在于：气体从气体分布器(3)后，经第一换热器(4)、第一过滤器(7)，再与从气体分布器(13)进入的循环气体、从循环气入口器(12)进入的气体、循环气体混合，然后，经过第三换热器(5)、第二过滤器(8)、第四换热器(6)、分离器组件、出口管(11)排出，生成的液体从第一过滤器(7)和第二过滤器(8)排出。
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