CN203291834U - 一种用于粉末状催化剂活化的流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，包括反应器壳体（1）和反应器盖（5），反应器盖（5）上设有进气管线（6），测温管（7），出料管线（8），加料管线（11），以及由气固分离过滤器（9）、气体出口管（12）和反吹系统组成的排气单元。本实用新型可用于粉末状催化剂还原活化的实验研究和工业生产中，具有结构简单，易于操作，催化剂还原活化效果好的优点。

Description

一种用于粉末状催化剂活化的流化床反应器

技术领域

本实用新型涉及一种用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，特别是涉及一种用于浆态床费托合成反应的粉末状钴基催化剂活化的流化床反应器。

背景技术

发展洁净煤技术是降低世界对石油资源依赖，减少环境污染的重要途径，将煤炭资源通过合成气经费托合成制液体燃料和化工产品，是洁净煤技术开发利用的重要方式之一。我国是“富煤、少油、贫气”的国家，开发费托合成方面的工艺技术并使之实现工业化生产，是保证我国能源安全和可持续发展、实现节能减排的重要战略部署，具有重大的经济和现实意义。

浆态床费托合成反应工艺具有以下优点：浆态床反应器结构简单，易于制造，价格便宜，且易于实现放大；传热效果好，床层温度均匀，反应易于控制；催化剂负荷高，操作弹性大，产品灵活性大；单程转化率高，C₅ ⁺烃选择性高。目前，浆态床反应工艺被认为是最有发展潜力的费托合成工艺。

用于费托合成反应的钴基催化剂具有催化反应活性高、生成C₅ ⁺液态烃选择性高、生成CO₂的选择性低、有利于CO₂减排、不易积碳和中毒的优点，是费托合成反应性能优越的催化剂体系。

浆态床费托合成反应所采用的粉末状钴基催化剂，需要在反应前进行还原活化。一般是在浆态床反应器中进行原位还原，也就是将粉末状催化剂和用作浆态液的液体石蜡进行充分混合并制成浆料加入到浆态床反应器中，然后通入氢气在一定条件下进行还原活化。钴的还原活化需要在400℃温度下进行才能比较完全充分。然而，液体石蜡的馏程一般高于300℃，受限于液体石蜡的馏程，催化剂还原温度不能太高，温度过高会造成部分液体石蜡被吹扫出反应器，而影响还原以及后续费托合成反应的正常进行。在氢气持续吹扫的情况下，在还原压力为1Mpa的条件下，还原温度不高于350℃。这样就造成实际还原温度低于所需还原温度，使得钴还原度低，导致费托合成反应活性和C₅ ⁺烃选择性偏低的问题。

鉴于此，需要考虑将粉末状钴基催化剂进行器外还原，即将其置于另外一个反应器（没有液体石蜡）中，实现在温度为400℃的条件下还原活化，然后将活化好的粉末状催化剂转移至装有液体石蜡的浆态床反应器中。由于钴基催化剂是粉末状的，在固定床反应中进行活化时床层气体压降比较大，不易进行操作，因此固定床反应器不适于粉末状催化剂还原活化。流化床反应器具有床层压降小的优点，物料处于“沸腾”流化状态，能够实现粉末状催化剂的还原活化。

常用流化床反应器主要部件为反应器壳体，其从下至上依次包括下段、反应段、上段，反应器壳体内从下至上依次为气体进口，气固分离过滤器和气体产品出口。这种常规的流化床反应器在用于粉末状钴基催化剂还原活化时存在两个问题。一是粉末状催化剂在过滤器上的堵塞问题。这主要是由于粉末状催化剂具有一定的粒度分布，存在一部分细粉的催化剂，在气流的作用下，其被夹带至金属烧结过滤器上，随着还原活化的进行，过滤器上集聚着越来越多的细粉的催化剂，使得气体阻力越来越大，还原活化的压力不断升高，影响还原活化的正常进行，从而影响催化剂的费托合成反应性能。二是活化好的催化剂的转移问题。由于活化好的催化剂活性高，必须在隔绝空气的条件下转移至浆态床反应器。而常用流化床反应器的催化剂卸料系统一般是在接触空气的情况下进行卸料操作，且卸料程序比较烦琐，因此无法满足上述要求。

发明内容

本实用新型将流化床反应器引入到浆态床费托合成反应的粉末状钴基催化剂活化的应用之中，并解决流化床反应器气固分离过滤器易堵的问题，以及通过对流化床进行设计，使得其满足催化剂转移的要求，从而提供一种适合于粉末状费托合成催化剂还原活化的流化床反应器。该流化床反应器也可应用于其它需要在器外还原活化的粉末状催化剂的还原活化。

为解决上述技术问题，提供一种适合于粉末状催化剂活化的流化床反应器，本实用新型采用的技术方案如下：一种用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，包括反应器壳体和反应器盖，反应器盖上设有进气管线，测温管，出料管线，加料管线，以及由气固分离过滤器、气体出口管和反吹系统组成的排气单元。

所述的反应器壳体和反应器盖通过法兰连接，反应器盖也是反应器的上法兰，反应器壳体开口端设置与作为反应器盖的上法兰相匹配的下法兰。上下法兰之间加石墨缠绕垫片，通过紧固螺栓来密封。

所述的反应器壳体和反应器盖所构成的反应腔体自下而上依次包括下段，反应段和上段，下段底部为可均匀分布进料气体平滑曲面。作为优选的方式，所述的反应腔体下段底部可设置为倒置的圆锥台与半圆球面平滑连接所构成的平滑曲面。

本实用新型所述的流化床反应器的反应器盖上设置相互独立的2～5组排气单元。每一个独立的排气单元由气固分离过滤器、气体出口管和反吹系统组成。其中所述及的反吹系统在现有技术中有所应用，包括反吹装置和用于反吹的介质（即反吹气体）。反吹装置由反吹气体钢瓶、压力控制器、质量流量计、连接管线和阀门所构成。排气单元中的气固分离过滤器出口管线通过三通接头分别与气体出口管线和反吹系统相连接。

该排气单元的设计在现有技术中有所应用，本领域的技术人员应当能够根据现有技术实现。本实用新型，具体地使用了由金属过滤棒、气体出口、截止阀、三通、气体出口管线和反吹管线组成的排气单元。其中过滤棒为金属烧结过滤器，其孔隙低于3μm，各个金属过滤棒之间有金属挡板，可以实现组装在一起形成一个整体过滤器，过滤器用螺丝栓固定在反应器盖上，气体出口与金属过滤棒相连通。排气单元优选为3组，其中2组为一开一备，另1组为紧急情况时使用，在还原活化的过程中，启用1组排气单元，关闭另两组排气单元。细粉催化剂在气流的作用下在当前使用的过滤棒上不断集聚，形成较厚的催化剂层，阻力不断增大，当其达到一定值：0.05～0.3MPa，优选0.1MPa，开启另1组排气单元，使气体从该单元通过。排气系统与反应器外反吹系统相连接，在确保系统还原活化正常进行的情况下，对堵塞的过滤棒进行反吹，反吹气体与还原活化气体为同一气体，反吹气将堵塞在过滤器上的细粉催化剂吹落，然后与还原活化气体一同从当前使用的排气单元里通过。待其疏通后，关闭该排气单元，以待下次切换使用。

本实用新型所述的流化床反应器的进气管线穿过反应器盖，沿反应腔体中心轴线设置，其下端开口接近反应腔体下段底部。从进气管线流进的气体在平滑曲面的反射作用下，均匀地流向各个方向，可以在不设气体分布板的情况下，使进料气体分布均匀，使得催化剂保持良好的悬浮流动性，改善粉末催化剂的流化状态，避免了在还原活化过程中催化剂的沟流和湍流现象的发生。

本实用新型所述的流化床反应器的出料管线穿过反应器盖，下端延至反应腔体下段，其下端开口略高于进气管线下端开口。该设计使得活化好的催化剂在高速气体吹扫下能够全部从出料管线中转移至浆态床反应器。另一端从反应器盖上面引出，通过球阀与浆态床反应器连接。采用球阀的目的主要是由于其开孔大，便于催化剂物料的吹扫转移。出料管线内径大于6mm。

本实用新型所述的流化床反应器的测温管在反应腔体内长度为反应器腔体整体高度的78～80%；测温管中设置三根热电偶分别测量反应腔体下段，反应段和上段的温度。所述的测温管内径与热电偶外径比例为4～20:1，优选6～10:1。

本实用新型所述的流化床反应器的出料管线上设有球阀。出料管线和球阀构成出料系统，可以在气体高速吹扫的情况下，将还原活化好的催化剂“安全”和“高效”地转移至浆态床反应器。

所述的加料管穿过反应盖，伸入反应器上段，采用焊接方式与反应器盖连接密封。加料管的内径为10～100mm，优选20～50mm，加料口通过一个密封帽进行密封，加料口与密封帽两者之间添加紫铜垫片，通过螺丝对接紧固密封。

本实用新型所述的流化床反应器还包括包裹反应器壳体的加热部件，所述的加热部件由3段加热单元组成，每段独立控温加热，采用电加热元件进行加热。加热单元外面安装保温层。

本实用新型可用于粉末状催化剂还原活化的实验研究和工业生产中，具有结构简单，易于操作，催化剂还原活化效果好的优点。

附图说明

图1是本实用新型的一种实施的流化床反应器结构示意图。

图中：1.反应器壳体，2.下段，3.反应段，4.上段，5.反应器盖，6.进气管线，7.测温管，8.出料管线，9.气固分离过滤器，10.下法兰，11.加料管线，12.气体出口管，13.球阀。

具体实施方式

图1所示了本实用新型的一种实施方式的结构示意图。反应器包括反应器壳体1，反应器下法兰10，反应器盖（上法兰）5，反应器盖上设有实现多种功能的管件，另外还有加热部件用于对整个反应器壳体进行加热。通过在上、下法兰之间加石墨缠绕垫片，并拧紧法兰上的螺栓，实现反应器的密封。

反应器壳体1通过下法兰10和作为反应器盖5的上法兰所构成的反应腔体自下而上依次包括下段2，反应段3和上段4，下段（2）底部为可均匀分布进料气体平滑曲面，本实施例中使用倒置的圆锥台与半圆球面平滑连接所构成的平滑曲面，以保证流入的气体能够在平滑球面的反射的作用下均匀分布；3为反应腔体的反应段，催化剂主要在该段进行还原活化；4为反应腔体的上段，包括一段喇叭口的变径与反应段3的上部进行焊接，该段内径大于反应段，可以减少流化速度，一些较细颗粒的催化剂在该段还原活化，反应器的下法兰10通过焊接方式与反应器上段的上部连接在一起。

各种功能的管件包括以下几部分。进气管线6，位于反应器的中心轴线上，且进气口接近反应器的底部，使得通入的气体能够在在反应器下段圆锥面反射作用下，均匀地流向各个方向；测温管7用于插入热电偶，分别检测反应器下段、反应段和上段在还原活化过程中的温度；8为出料管线，出料管线一端伸入到反应器的下段，接近反应器的底部，略高于进气口，该管线内径较粗，以便于吹扫，对于实验室规模的流化床装置来说，其内径不小于6mm。13是出料管线出口处安装的球阀，球阀的另一接口连接去浆态床反应器的管线，在气体高速吹扫的状态下，可以将活化好的催化剂转移至浆态床反应器；11是加料管线，加料口通过一个密封帽进行密封，加料口与密封帽两者之间添加紫铜垫片，通过螺丝对接紧固密封。在还原活化之前，通过加料管线将催化剂加入到反应器中；排气系统包括气固分离过滤器9和气体出口12。气固分离过滤器一共为3组，分别为a、b和c组，各组之间有金属隔板，以避免在反吹堵塞的过滤器时，将其中的催化剂颗粒吹扫至另两组过滤器上。三组过滤单元通过组装在一起形成一个过滤器，过滤器用螺丝固定在反应器盖上（反应器盖上焊接有螺丝，该螺丝可以与金属过滤器上的螺丝对接），过滤器的材料为金属粉末，在高温下烧结制备而成。气体出口分为3组，分别为A、B和C组，分别与a、b和c组金属过滤器相连通，形成3套独立的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组过滤出气单元。A、B和C组出口管线分别接有阀门，再通过三通接头和阀门与反吹管线和总出口管线相连接，构成3套相互独立的排气单元。每个排气单元既可以独立排气，也可以在另外一套排气时进行反吹。

下面结合图1说明本实用新型的具体操作过程。流化床反应器密封后，将一定量的用于浆态床费托合成反应粉末状钴基催化剂从加料管线11中加入到反应器中，完毕后密封加料口。关闭出料口的球阀13，打开排气系统12的气体出口A组上连接的阀门，启用Ⅰ组过滤出气单元，关闭气体出口B、C组上连接的阀门。将三根热电偶插入到测温管7中，分别位于反应器的下段、反应段和反应器的上段。通入H₂气，其流速确保粉末催化剂处于“沸腾”流化状态。启动加热部件，按还原活化升温方案进行程序升温加热。

在还原活化过程中，气流不断夹带细粉催化剂至当前使用的排气系统中的过滤器9上，随着活化时间的延长，过滤器上集聚着越来越多的细粉粒子，使得气体阻力越来越大，还原活化的压力不断升高，气体流速有所下降。为了使进气处于一定的流速，确保催化剂“沸腾”流化状态，避免过大阻力降对催化剂还原活化进程的影响，当气体通过过滤器的阻力降达到0.1MPa时，打开排气系统12气体出口B连接的阀门，关闭排气系统12气体出口连接的阀门A，启用Ⅱ组过滤出气单元，气体由该通道流出。

在还原活化正常进行的同时，启用连接气体出口A的反吹系统，对a组金属过滤器进行反吹，将集聚在过滤器上的细粉催化剂吹落，消除a组过滤器的堵塞状况。反吹气与还原活化气体为同一气体，通过反吹气体的压力、流量以及反应器气体出口流量的变化，来确认a组过滤器的疏通状态。反吹完成后，关闭Ⅰ组排气单元，以待下次切换使用。Ⅲ组过滤出气单元为在紧急情况下使用，比如，Ⅰ或Ⅱ组过滤出气单元都出现堵塞，难于在短时间内消除a或b组金属过滤器的堵塞情况，及时启用Ⅲ组过滤出气单元。这样通过以上三组过滤出气单元的反吹和切换使用，可以确保催化剂还原活化的正常进行，由此可以获得高催化活性的催化剂。

还原活化结束后，关闭排气系统11气体出口连接的3个阀门，打开出料管线上的球阀13，在气体高速吹扫（2倍于还原活化的流速）的状态下，将催化剂从出料管8，经球阀13吹扫至浆态床反应器。浆态床反应器预先装有浆态液，并经N₂气置换其中的空气。从催化剂转移过程看，该过程不仅操作简单，最重要的是，高催化活性的粉末催化剂转移在密闭管线中进行，可直接转移到浆态液中，不会接触空气，避免还原活化好的催化剂的催化活性位遭到破坏，从而为浆态床费托合成催化反应工艺提供重要保障。

Claims (10)

1.一种用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，包括反应器壳体（1）和反应器盖（5），反应器盖（5）上设有进气管线（6），测温管（7），出料管线（8），加料管线（11），以及由气固分离过滤器（9）、气体出口管（12）和反吹系统组成的排气单元。

2.根据权利要求1所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的反应器壳体（1）和反应器盖（5）所构成的反应腔体自下而上依次包括下段（2），反应段（3）和上段（4），下段（2）底部为可均匀分布进料气体平滑曲面。

3.根据权利要求2所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的反应腔体下段（2）底部为倒置的圆锥台与半圆球面平滑连接所构成的平滑曲面。

4.根据权利要求1所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的反应器盖（5）上设置相互独立的2～5组排气单元。

5.根据权利要求1所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的进气管线（6）穿过反应器盖（5），沿反应腔体中心轴线设置，其下端开口接近反应腔体下段底部。

6.根据权利要求1所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的出料管线（8）穿过反应器盖（5），下端延至反应腔体下段（2），其下端开口略高于进气管线（6）下端开口。

7.根据权利要求1所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的测温管（7）在反应腔体内长度为反应器腔体整体高度的78～80%；测温管（7）中设置三根热电偶分别测量反应腔体下段（2），反应段（3）和上段（4）的温度。

8.根据权利要求7所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的测温管（7）内径与热电偶外径比例为4～20:1。

9.根据权利要求8所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的测温管（7）内径与热电偶外径比例为6～10:1。

10.根据权利要求1所述的用于粉末状催化剂活化的流化床反应器，其特征在于，所述的出料管线（8）上设有球阀（13）。

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