CN1600412A - 一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可以连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，该反应器包括由入口气体分布管组成的进行气体均布的入口气体分布部件，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，除去液沫和固体夹带的出口除尘除沫器部件；与现有技术相比，本发明能耗低，解决了堵塞或逆流问题，温度和液位控制良好，实现了反应器的平稳连续操作。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备装置领域，具体涉及一种可以连续操作的三相浆态床工业反应器。
背景技术
三相(气—液—固)浆态床反应器在化工过程中得到了广泛应用。在现有的文献和专利中多有报道。如中国专利99127184.X提供了一种气液固三相循环式反应器；中国专利99813677.8和97227653.X提供了一种射流式的三相反应器；中国专利02117348.6叙述的为不涉及催化过程的喷动床反应器，中国专利93236114.5和94241250.8为沉降式反应器；中国专利94222395.0和97227653.X为机械搅拌釜式反应器。
在中国专利98124535.8中提供了一种气流鼓泡悬浮的三相反应器，该反应器由以下几部分组成：一个带入口喷嘴的底部塔头，一个或多个浸没在合成段中的换热段；一排排出悬浮液的出口喷嘴，一个排出未反应气体的出口喷嘴和一组横向倾斜的隔膜以除尘除沫。
以上专利中所述反应器若用于工业反应过程，有以下问题：循环式、射流式或喷动床式反应器能耗较大，且易于造成催化剂的磨损(喷动床不适于催化反应过程)；沉降式反应器，适于间歇过程，一般更多用于废水处理的过程，不宜作连续生产；机械搅拌釜式反应器，由于能耗大对催化剂磨损高，常用作实验室反应器。
而对于中国专利98124535.8所述气流鼓泡悬浮反应器，存在的不足是：气体入口喷嘴设置在反应器底部，气体自下而上经过气体分布器，在出现故障断气时容易造成堵塞或逆流；固体悬浮液排出进行处理，如果需要将催化剂返回，需要较大的能耗和造成机械磨损。这些将不利于连续的工业生产。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，该反应器通过有效的结构设置，可以实现稳定连续的工业操作。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，该反应器至少包括以下四部分部件：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。
所述的入口气体分布部件为设置在反应器底部的一组气体分布管，该气体分布管上开孔并配置喷嘴，该喷嘴在反应器截面上均匀分布，且为向下或侧向开口，喷嘴内径的大小应确保气体通过每个喷嘴时所产生的压降在0.01MPa～0.1MPa之间。
所述的入口气体分布部件的入口总管靠近反应器处设置止逆阀；在止逆阀后设置一条高压N2事故吹扫管线，该管线上也设置止逆阀。
所述的反应器底部还可设置外盘管，进行放热反应时通入冷却水以维持一定的温度，若进行吸热反应时，则该盘管可通入蒸汽以维持反应器的操作温度。
所述的换热管部件为一层或多层换热管，换热管可以采取两种型式：一种是螺旋盘管式的换热管，是多圈与反应器同心的盘管，换热介质在盘管内自上而下螺旋式流动；另一种是迂回式多程换热管，多根垂直的换热管通过上下连接弯头组合在一起，每组换热管内液体上下迂回流动，这种型式的换热管在同一截面上可以设置多组换热管。使用螺旋盘管式的换热管，提供的换热面积较小，但结构简单；使用迂回式多程换热管，可充分利用反应器的容积，换热面积大，但结构较为复杂。
所述的换热管部件管内所流动介质根据需要可以是冷却介质，如锅炉给水；也可以是加热介质，如蒸汽。流动介质的选择一般取决于反应过程是吸热还是放热而定，对于某些特别的过程，如进行催化剂在线还原的过程，有可能出现吸热或放热的逆转；或者是开车时考虑用蒸汽直接预热的情况，盘管可以既走加热介质，又走冷却介质。但是，若迂回式多程换热管内走加热介质时，宜用高温液体导热介质进行循环，不宜使用蒸汽，否则蒸汽凝液将难以排出。
所述的液固分离器部件为置于反应器内的一层或多层液固分离装置(7)，该装置可以将液体产品或需要置换的液体与固体颗粒进行分离；每层液固分离装置包括一组或多组液固分离元件，每组液固分离元件又由一根或多根并列的液固分离元件组成，并列的液固分离元件通过上下两个连通管件组合在一起，再连接到反应器外的总管上；为了防止液固分离装置的堵塞，设置了专门的反冲控制程序来定期进行液固分离元件的反冲清洗，同时，为了控制液位，通过反冲控制程序投用的液固分离元件数量是可调的，反冲介质一般为液体，也可以采用气体。
所述的出口除尘除沫器部分为设置于顶部一个折流板式的除尘除沫器，它与出口管相连，该除尘除沫器可以内置在线冲洗装置，用氮气或反应气体进行冲洗。
所述的反应器中部设置一个在线添加管口，可以往里添加新鲜催化剂浆液，也可以添加作为惰性介质的液体；反应器底部设置一个在线排放管口，用于排放催化剂浆液，与在线添加管的操作配合，以保持一定液位和保持浆液浓度的稳定。
该反应器所适用的固体粒度为1～250μm，催化剂在浆液中的重量浓度为5～50％，操作入口线速为0.1～0.5m/s，相应的气含率在20％～70％之间。
与现有技术相比，本发明能耗低，解决了堵塞或逆流问题，温度和液位控制良好，实现了反应器的平稳连续操作。
附图说明
图1为一个合成气生成液体燃料的工业试验规模反应器的结构示意图；
图2为整个反应器系统的流程图；
图3为反应器换热管部件的另外一种型式结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例为合成气生成液体燃料过程，即费托合成过程的一个工业试验规模反应器例子，现结合图1～图3进行实例说明。
费托合成反应器是利用以氢气和一氧化碳为主的合成气，在催化剂的作用下和200～250℃、2.0～5.0MPa的操作条件下在浆态床中进行费托合成，生成一系列的烃类化合物。烃类化合物经激冷、闪蒸、分离、过滤后获得冷凝物和石蜡。其中石蜡既是作为反应器内的液体介质，又是合成的重要产物，因此需要予以回收，但催化剂需要留在反应器内。
费托合成过程为强放热过程，因此反应器温度需要控制良好。一方面需要足够有效的换热措施，另一方面需要反应器内流通的气体分布均匀。
如图1，该合成反应器分为六段，包括两层换热管4和两层液固分离装置7，各段之间用法兰予以连接。
其中，1为入口气体分布管，2为气体分布管上的喷嘴，3为浆液在线排放口，4为换热管，5为换热介质进口，6为换热介质出口，7为液固分离装置，8为反冲入口，9为过滤出口，10为浆液在线加入口，11为除尘除沫器，12为气相出口。
合成气从气体入口分布管1进入，在分布管1上进行分配，喷嘴2向下开口，所设计喷嘴内径的大小保证了气体通过分布管1喷嘴的压降不低于0.05MPa，从而使气体能够均匀的进入浆态床内。
从气体入口分布部件往上是第一层换热管4，该换热管型式为螺旋盘管，对于放热的费托合成反应，盘管内走锅炉给水，通过锅炉给水来将床层冷却。但是，在装置开车时，盘管内也可以通入蒸汽来对浆液进行预热。
第一层换热管4往上，是第一层液固分离装置7，由6组过滤元件组成，每组过滤元件为一根管式过滤元件。每个管式过滤元件上部管口为反冲液体入口8，下部管口为过滤后液体出口9，过滤出口9/反冲入口8在反应器外配备阀门，由另外专门的过滤/反冲程序来予以控制，确保反应器的液位维持在一定水平。
第一层液固分离装置7往上依次是第二层换热盘管4和第二层液固分离装置7，其结构配置作用与第一层是相同的。
在反应器第二层换热管4下端设置一个催化剂浆液在线加入口10，根据需要，将新鲜催化剂浆液加入。此过程需配合底部的催化剂浆液在线排放口3的浆液排放来进行，以保持一定液位和保证催化剂浓度的稳定。由于催化剂是在另外的还原反应器内进行还原，可以适时的进行在线更新，保证了平均活性的稳定。
正常操作时液面处于第二层液固分离装置7往上一些的位置，再往上是一段气液分离空间，夹带着液体和少量固体的气体通过此段空间进入顶部的折流板式除尘除沫器11，夹带液沫的气体与折流板撞击，将绝大部分液滴和固体捕获下来，气体由气相出口12排出。除尘除沫器内置在线冲洗装置，通过冲洗管口13用高压氮气对除尘除沫器定期冲洗。该除尘除沫器11可以将大于8微米以上的液滴100％去除而不出现堵塞，压降小于0.005MPa。
此反应器中的催化剂平均粒度为50μm，浆液重量浓度为45％。该套装置运行半年期间，气体分布状况良好，温度控制平稳，液固分离装置未出现堵塞，平均活性稳定，在240℃，3.0MPa，入口线速为0.45m/s的合成条件下，H2和CO的总转化率始终维持在80～90％的水平。
图2为本实施例的反应器系统图，其中14、16为止逆阀，防止了气体逆流 15为高压氮气事故管线，用于处理合成气中断或压力不稳时分布管喷嘴堵塞的情形。
图3是换热管的另外一种型式的例子，为迂回式的多程换热管4′。该换热部件由四根垂直的换热管通过上下连接弯头17组合在一起，液体在每组换热管内上下迂回流动。其中管口5′为介质进口，管口6′为介质出口。此型式换热管在另外一套工业试验装置中使用，虽然增加了加工成本但实现更佳的温度控制效果。
Claims (10)
1.一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，该反应器至少包括以下四部分部件：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。
2.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的入口气体分布部件为设置在反应器底部的一组气体分布管(1)，该气体分布管(1)上开孔并配置喷嘴(2)，该喷嘴(2)在反应器截面上均匀分布，且为向下或侧向开口，喷嘴(2)内径的大小应确保气体通过分布管每个喷嘴所产生的压降在0.01MPa～0.1MPa之间。
3.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的入口气体分布部件的入口总管靠近反应器处设置止逆阀(14)；在止逆阀后设置一条高压N2事故吹扫管线(15)，该管线(15)上也设置止逆阀(16)。
4.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的反应器底部还可设置外盘管，进行放热反应时通入冷却水以维持一定的温度，若进行吸热反应时，则该盘管可通入蒸汽以维持反应器的操作温度。
5.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的换热管部件为一层或多层换热管，换热管可以采取两种型式：一种是螺旋盘管式的换热管(4)，是多圈与反应器同心的盘管，换热介质在盘管内自上而下螺旋式流动；另一种是迂回式多程换热管(4′)，多根垂直的换热管通过上下连接弯头组合在一起，每组换热管内液体上下迂回流动，这种型式的换热管在同一截面上可以设置多组换热管。
6.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的换热管部件内所流动介质可以是冷却介质，也可以是加热介质；对于迂回式多程换热管，加热介质使用高温液体导热介质。
7.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的液固分离器部件为置于反应器内的一层或多层液固分离装置(7)，该装置可以将液体产品或需要置换的液体与固体颗粒进行分离；每层液固分离装置包括一组或多组液固分离元件，每组液固分离元件又由一根或多根并列的液固分离元件组成，并列的液固分离元件通过上下两个连通管件组合在一起，再连接到反应器外的总管上；为了防止液固分离装置的堵塞，设置了专门的反冲控制程序来定期进行液固分离元件的反冲清洗，同时，为了控制液位，通过反冲控制程序投用的液固分离元件数量是可调的，反冲介质一般为液体，也可以采用气体。
8.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的出口除尘除沫器部分为设置于顶部一个折流板式的除尘除沫器(11)，它与出口管相连，该除尘除沫器(11)可以内置在线冲洗装置，用氮气或反应气体进行冲洗。
9.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，所述的反应器中部设置一个在线添加管口(10)，可以往里添加新鲜催化剂浆液，也可以添加作为惰性介质的液体；反应器底部设置一个在线排放管口(3)，用于排放催化剂浆液，与在线添加管的操作配合，以保持一定液位和保持浆液浓度的稳定。
10.根据权利要求1所述的一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器，其特征在于，该反应器所适用的固体粒度为1～250μm，催化剂在浆液中的重量浓度为5～50％，操作入口线速为0.1～0.5m/s，相应的气含率在20％～70％之间。
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