CN215277237U - 一种多段式固定床反应器及费托合成反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多段式固定床反应器及费托合成反应系统，反应器包括：上封头，上封头上设置有原料气进口；下封头；上封头和下封头之间设置若干段依次连接的反应器床层；反应器床层顶部和底部分别设置有第一隔板和第三隔板，第一隔板和第三隔板之间设置有第二隔板，第二隔板将反应器床层分隔为冷却水蒸发移热腔室和原料气体移热腔室；冷却水蒸发移热腔室底端设置有与冷却水蒸发移热腔室内部连通的循环冷水进口，顶端设置有与冷却水蒸发移热腔室内部连通的热汽水出口；原料气体移热腔室底端设置有与原料气体移热腔室内部连通的冷却循环气进口。该方案解决现有技术中反应器内温度不稳定，容易造成热点、飞温、催化剂结碳及堵塞床层的问题。

Description

一种多段式固定床反应器及费托合成反应系统

技术领域

本实用新型涉及化工设备技术领域，尤指一种多段式固定床反应器及费托合成反应系统。

背景技术

由煤炭制取液体燃料的煤间接液化(CTL)技术是当前C1化工的重要发展方向。煤炭间接液化合成油品具有清洁、环保、燃烧性能优异等优点，是化石液体燃料的直接替代品。煤炭间接液化技术在生产油品的同时还可副产大量化工产品，可延长产品产业链，增强市场适应性，成为当前洁净煤技术的发展热点。煤炭间接液化是以煤或天然气为原料制取的氢气和一氧化碳在催化剂的作用下经过费托合成反应来获取汽油、柴油、石蜡、轻质烃及石油类化工产品有效途径。费托合成技术始创于20世纪20年代，在1923年由德国科学家F.Fischer和H.Tropsch实用新型了利用合成气(H₂+CO)和铁催化剂，在15MPa、400℃的反应条件下制取液态烃的技术，被称为费托合成法。

由于费托合成反应为强放热反应，反应过程对温度及其的敏感。费托合成反应器是费托合成工艺装置的核心设备，费托合成反应器按其结构及操作方式的不同，可分为固定床反应器、鼓泡浆态床反应器、及固定或循环流化床反应器，其中固定床反应器最为常用，具有结构简单、操作方便、催化剂的机械磨损小和使用寿命长等特点。已有的固定床反应器最长用的是列管式结构，催化剂装填在列管内部，管外采用冷却介质进行换热。但对于放热量较大的费托合成反应，管内存在轴向和径向的温度分布，容易形成热点、飞温、催化剂结碳及堵塞床层现象。因此，需要一种能够稳定反应温度，解决移热、换热问题的反应器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多段式固定床反应器及费托合成反应系统，解决现有技术中反应器内温度不稳定，容易造成热点、飞温、催化剂结碳及堵塞床层的问题。

本实用新型提供的技术方案如下：

本实用新型提供一种多段式固定床反应器，包括：

上封头，所述上封头上设置有原料气进口；

下封头，所述下封头的底部设置有第一液体出口；

所述上封头和所述下封头之间设置有若干段依次连接的反应器床层；

所述反应器床层的顶部和底部分别设置有第一隔板和第三隔板，所述第一隔板和所述第三隔板之间设置有第二隔板，所述第二隔板将所述反应器床层的内部分隔为上方的冷却水蒸发移热腔室和下方的原料气体移热腔室；

所述冷却水蒸发移热腔室的底端设置有与所述冷却水蒸发移热腔室内部连通的循环冷水进口，所述冷却水蒸发移热腔室的顶端设置有与所述冷却水蒸发移热腔室内部连通的热汽水出口；

所述原料气体移热腔室的底端设置有与所述原料气体移热腔室内部连通的冷却循环气进口。

通过在上封头和下封头之间设置若干段依次连接的反应器床层，反应器床层的顶部和底部分别设置第一隔板和第三隔板，第一隔板和第三隔板之间设置有第二隔板，第二隔板能够将反应器床层的内部分隔为上方的冷却水蒸发移热腔室和下方的原料气体移热腔室，使得反应器内温度更稳定，避免造成热点、飞温、催化剂结碳及堵塞床层等现象。

具体的，每段反应器床层的高度按照一定的比例进行设置，优化的床层高度比例为1：(1～8.5)，即反应器的床层高度按该优化的比例从上到下依次设置。

在实施费托合成反应时，按照工艺设计组成的合成气体经加压并预热后，从反应器的顶部的原料气进口进入反应器，为保证气体可以均匀的进入反应器的床层进行反应，避免出现偏流，可在原料气进口处设置气体分布器。在每段的反应器床层中，采用三层隔板，均焊接在反应器的筒体上，起隔断和支撑的作用。

进一步地，所述第一隔板和所述第二隔板之间设置有若干个竖直分布的催化剂套管，

所述第二隔板和所述第三隔板之间通过竖直管填充有惰性瓷球，

所述催化剂套管内均设置有套管中心管，且所述套管中心管的外部填充有固体催化剂。

具体的，第一隔板设置在催化剂套管顶部边缘处，起到隔断催化剂套管与壳体的作用，同时对催化剂套管起悬挂支撑的作用。在反应器床层的中下部设置第二隔板，第二隔板将反应器床层的壳体分割为上下两个腔室，上部腔室为冷却水蒸发移热腔室，下部腔室为原料气体移热腔室。在催化剂套管的底部边缘处设置第三隔板，对催化剂套管起支撑作用。另外，在实施过程中，可根据强度的需要在反应器床层中的任意高度设置催化剂套管的支撑件。

在套管式的催化剂床层中，其中催化剂套管中装填固体颗粒状的催化剂，原料气在催化剂套管内进行费托合成反应，并释放出反应热。在套管中心管内为冷的循环原料气或沸腾水，从催化剂套管内侧对催化剂床层进行移热，同时冷的原料气得到预热。在反应器的壳体内，冷却水从冷却水蒸发移热腔室的下部进入，从催化剂套管外侧对催化剂床层进行移热，移热后的冷却水的汽水混合物从冷却水蒸发移热腔室的上部移出。

设置在反应器床层下部的冷却器为列管式，其中列管部分为反应器床层催化剂套管的外壁向下延伸的部分，而套管中心管在第二隔板的下部进行盲断。冷却器的壳体部分即为反应器床层壳体的气体移热腔室，在壳体的下部设置冷却循环气进口。在冷却器的列管内为从反应器床层中下来的反应后温度较高的气液混合物料，壳体内为温度较低的循环原料气体，两者在冷却器内换热，反应后的物料得到冷却降温，冷的循环原料气体得到预热提温，对床层下来的物料携带的热能进行回收利用；同时降温的物料对气液分离以及进入下一段床层继续进行费托合成反应也极为有利。

进一步地，所述套管中心管的顶端伸出所述第一隔板，且所述套管中心管的两端均为盲端，

所述套管中心管的顶端和底端均通过若干个第一连通管与所述冷却水蒸发移热腔室连接。

具体的，当套管中心管内为沸腾水时，套管中心管的两端均为盲端，且套管中心管的顶端和底端均通过若干个第一连通管与冷却水蒸发移热腔室连接，每个套管中心管的连通管可以设置多个并均匀分布，如在本方案中将联通管设置为三个，以120°的夹角均匀分布，相邻的套管中心管的连通管采用错列排布的方式，确保流体能够均匀分布。

进一步地，所述冷却水蒸发移热腔室内的中心位置设置有气体中心管，

所述气体中心管的顶端伸出所述第一隔板，且所述气体中心管伸出所述第一隔板的部分设置有若干个均匀分布的分布孔；

所述气体中心管的底端为敞开，并与设置在所述第二隔板下方的所述原料气体移热腔室连接。

另外，当套管中心管内为沸腾水时，需在冷却水蒸发移热腔室内的中心位置设置气体中心管，气体中心管是将下部冷却器中经过预热后的循环原料气体导流到反应器床层的入口位置，与入口物料混合后一并进入到套管内的催化剂床层进行费托合成反应。气体中心管应高出反应器床层的顶部隔板，并在高出部分均匀的设置多个分布孔。该气体中心管焊接在反应器床层的中下部的隔板上，且气体中心管的底端敞开，并与反应器床层下部的冷却器的原料气体移热腔室相连。

气体中心管设置在反应器床层的中心位置，将气体由床层的下部引流到床层的入口以上的位置。气体中心管的气体出口高出床层入口200～800mm，使得该股气体与反应器床层的入口物料有充足的空间混合均匀后一并进入催化剂床层进行费托合成反应。气体中心管出口设置圆形或椭圆形的顶帽或水平顶盖，在高出床层的部分开设多个

气体分布孔，优选

使气体中心管内的气体在水平向上的空间内均匀喷出，并与从上向下流动的反应器床层的进料进行均匀混合。

进一步地，所述套管中心管的顶端伸出所述第一隔板，所述套管中心管的顶端敞开，且底端为盲端，

所述套管中心管的底端均通过若干个第二连通管与所述原料气体移热腔室连接。

当套管中心管内为冷的循环原料气时，套管中心管的顶端伸出第一隔板，套管中心管的顶端敞开，且底端为盲端，在靠近底部盲端处设置第二联通管与反应器下部的冷却器的原料气体移热腔室相连，使得原料气体移热腔室内的循环原料气进入套管中心管继续参与反应器床层的换热，循环原料气进一步预热后从套管中心管的顶部与反应器床层的进料混合后进入套管内的催化剂床层进行反应。

进一步地，所述下封头的上部设置有第四隔板，所述第四隔板上设置有惰性瓷球，

所述第四隔板上方设置有第一导流隔板，且所述第一导流隔板呈倒圆台形，所述第一导流隔板上下边缘的直径比为(1～6):1，

所述第一导流隔板的顶端与对应的所述第三隔板连接，所述第一导流隔板的底端悬空，并没入所述第四隔板上的惰性瓷球中，所述第一导流隔板的底端没入深度为200～1200mm，

所述下封头的侧面设置有位于所述第四隔板上方的反应后气体出口，

所述下封头的最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(0.5～3)，且所述下封头的最大径向尺寸与所述第一导流板底端的直径比为(1.2～10):1。

本方案在反应器床层下方设置有气液分离及液体收集器。具体的，该气液分离及液体收集器设置在反应器床层下第三隔板的下方，由第一导流隔板、下封头(充当集液槽)、第四隔板和第一液体出口组成。其中第一导流隔板为倒置的圆台形结构，优选的，第一导流隔板上下边缘的直径比为(1～6):1，上端焊接在第三隔板上，下端悬空，并没入第四隔板上的惰性瓷球中，优选的，第一导流隔板的底端没入深度为200～1200mm。第四隔板上方装填的惰性材料，对反应器床层下来的气液混合物料进行分离，液体沿惰性材料的表面透过第四隔板进入下封头，气相通过填料间的空隙经过第一导流隔板与下封头间的空隙折流向上进行逃逸，并通过反应后气体出口移出反应器。优选的，下封头的最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(0.5～3)，且下封头的最大径向尺寸与第一导流板底端的直径比为(1.2～10):1。第一液体出口设置液体出口阀，控制液体输出量。下封头内应维持一定的液相高度以对气相形成液封，在下封头内可设置液位检测器并通过控制液体输出量维持集液槽的液位稳定。

进一步地，相邻的两个反应器床层之间设置有集液槽，

所述集液槽上设置有第五隔板，所述第五隔板上设置有惰性瓷球，

所述第五隔板上方设置有第二导流隔板，且所述第二导流隔板呈倒圆台形，所述第二导流隔板上下边缘的直径比为(1～6):1，

所述第二导流隔板的顶端与对应的所述第三隔板连接，所述第二导流隔板的底端悬空，并没入所述第五隔板上的惰性瓷球中，所述第二导流隔板的底端没入深度为200～1200mm，

所述集液槽的底端连接有第二液体出口，且所述集液槽的内部最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(1.2～3)，所述集液槽的内部最大径向尺寸与所述第二导流板底端的直径比为(1.5～10):1。

另外，也可以在相邻的两个反应器床层之间设置气液分离及液体收集器。具体的，在相邻的两个反应器床层之间设置集液槽，集液槽上设置有第五隔板，第五隔板上设置有惰性瓷球，第五隔板上方设置有第二导流隔板，且第二导流隔板呈倒圆台形，第二导流隔板的顶端与对应的第三隔板连接，且第二导流隔板的底端悬空，并没入第五隔板上的惰性瓷球中，集液槽的底端连接有第二液体出口。

在本方案中，第二导流环形板的顶底部的直径比为(1～6):1。集液槽设置在导流环板的下方，集液槽的结构可以采用圆筒槽、方形槽或椭圆形槽结构等，其顶部为敞口，底部封闭并连接液体出口管线。集液槽的内部最大径向尺寸与反应器的筒体最大直径比为1:(1.2～3)，集液槽的内部最大径向尺寸与第二导流环板底部出口的直径比为(1.5～10):1。第一导流隔板的底端没入第五隔板上的惰性瓷球中的深度为200～1200mm；集液槽的高度设计为300～1200mm。

进一步地，所述反应器床层的上方均设置有测温装置；

和/或；

所述上封头和所述下封头之间的若干个所述反应器床层的高度依次按照1：(1～8.5)进行设置。

本方案的固定床费托合成反应器，具有规整外形的一定尺寸的铁基或钴基催化剂颗粒装填在每段床层的催化剂套管内。经过预热的原料气(CO+H₂)在上封头进入反应器内部，并通过在原料气进口处设置的分布器使得进入反应器的原料气在进入反应器床层前的空间内均匀分布。原料气与经过床层下部冷却器换热后的循环原料气气体混合后进入催化剂套管内催化剂床层进行费托合成反应，并释放出大量的反应热。催化剂套管内的反应热向外经过沸腾水移热，向内经过套管中心管内的沸腾水或循环原料气体移热。在套管内不同轴向高度设置温度检测点，通过控制沸腾水副产蒸汽的压力控制反应器催化剂床层的温度。反应后的物料经过设置在床层下部的冷却器与冷的循环原料气体换热后，经过分布器后进入下一段床层继续反应。物料中液相产物较多时，可在反应器的段间设置气液分离及液相收集器，进行气液分离，液相产物(蜡产品)移出反应器，气相进入下一段床层继续反应。在反应器的出口设置气液分离及液相收集器，进行气液分离，液相产物(蜡产品)从反应器的底部移出反应器，气相物料从反应器的下部移出反应器。

另外，本实用新型还提供一种费托合成反应系统，包括上述的多段式固定床反应器，还包括：

新鲜原料气管；

循环尾气管；

冷原料气管，与所述新鲜原料气管、所述循环尾气管连接，使所述新鲜原料气管内传输的新鲜原料气和所述循环尾气管内传输的循环尾气在所述冷原料气管内混合，形成冷原料气，部分所述冷原料气通过冷循环原料气管进入所述冷却循环气进口；

反应后气体管，与所述多段式固定床反应器连接，用于传输反应后气体；

原料气预热器，与所述冷原料气管、所述反应后气体管连接，使所述反应后气体和部分所述冷原料气通过所述原料气预热器换热，预热后的所述冷原料气通过进料气管与所述原料气进口连接；

重油分离器，与所述原料气预热器连接，使换热后的所述反应后气体通过所述重油分离器分离出重油产物和气相；

换热器，与所述重油分离器连接，使所述气相通过所述换热器进行降温；

三相分离器，与所述换热器连接，使所述气相通过所述三相分离器分离出轻油产物、水和尾气；

压缩机，用于压缩部分尾气至所述循环尾气管；

蜡产品排放管，用于排放蜡产品。

具体的，新鲜原料气与部分循环尾气混合后得到H₂和CO按一定比例组成的冷原料气，冷原料气在原料气预热器内与从反应器下部移出的反应后气体进行换热，预热后的冷原料气从顶部进入固定床反应器进行费托合成反应。反应后气体得到降温部分产物冷凝为液相并在重油分离器中分离出重油产物。气相从重油分离器顶部出来后经换热器进一步降温后进入三相分离器，进行气、水及轻油的分离，其中，轻油产物从三相分离器底部抽出，水从三相分离器中部抽出，气相从三相分离器顶部排出。三相分离器排出的气体一部分作为尾气放空，一部分经过压缩机提压后作为循环尾气。循环尾气为两路，一路与新鲜原料气混合，一路作为冷循环原料气进入固定床反应器的段间冷却器，经换热后与反应器床层进口物料混合后进入反应器床层进行费托合成反应。

另外，在本方案中，循环原料气可以采用固定床费托合成反应器的尾气，也可以采用浆态床费托合成反应系统的尾气，也可以采用流化床费托合成反应系统的尾气，或者其它化工装置中的富含H₂、CO的气体，亦或着是以上两种或多种气体的混合气体。

进一步地，所述多段式固定床反应器的数量为若干个，且若干个所述多段式固定床反应器通过串联、并联或串并联的方式进行连接；

所述多段式固定床反应器的操作温度为150～435℃，操作压力为1.0～5.8MPa，气体空速为150～4000h^-1，每段所述反应器床层的进料气中H₂/CO为(1.2～8.5):1。

根据本实用新型提供的一种多段式固定床反应器及费托合成反应系统，通过在上封头和下封头之间设置若干段依次连接的反应器床层，反应器床层的顶部和底部分别设置第一隔板和第三隔板，第一隔板和第三隔板之间设置有第二隔板，第二隔板能够将反应器床层的内部分隔为上方的冷却水蒸发移热腔室和下方的原料气体移热腔室，使得反应器内温度更稳定，避免造成热点、飞温、催化剂结碳及堵塞床层等现象。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本方案的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的另一结构示意图；

图3是本实用新型实施例的套管中心管内为冷却水的催化剂套管结构示意图；

图4是本实用新型实施例的套管中心管内为原料气的催化剂套管结构示意图；

图5是本实用新型实施例的连通管分布示意图；

图6是本实用新型实施例的气体中心管结构示意图；

图7是本实用新型实施例的气体中心管分布孔示意图；

图8是本实用新型实施例的反应器出口气液分离及液体收集器结构示意图；

图9是本实用新型实施例的段间气液分离及液体收集器结构示意图；

图10是本实用新型实施例的系统结构示意图。

图中标号：1-多段式固定床反应器；2-汽包；3-原料气预热器；4-重油分离器；5-换热器；6-三相分离器；7-压缩机；8-热水循环泵；9-新鲜原料气管；10-循环尾气管；11-冷原料气管；12-进料气管；13-冷循环原料气管；14-反应后气体管；15-气相；16-尾气；17-蜡产品排放管；18-重油产物；19-轻油产物；20-水；21-循环冷水管；22-循环热水管；23-蒸汽管；24-原料气进口；25-冷却循环气进口；26-反应后气体出口；271-第一液体出口；272-第二液体出口；28-循环冷水进口；29-热汽水出口；30-气体中心管；31-催化剂套管；32-冷却水蒸发移热腔室；33-原料气体移热腔室；341-第一导流隔板；342-第二导流隔板；35-惰性瓷球；361-第四隔板；362-第五隔板；37-集液槽；38-测温装置；39-固体催化剂；401-第一连通管；402-第二连通管；41-第一隔板；42-第二隔板；43-第三隔板；44-套管中心管；45-分布孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

实施例1

本实用新型的一个实施例，如图1所示，本实用新型提供一种多段式固定床反应器1，包括上封头和下封头，上封头上设置有原料气进口24，下封头的底部设置有第一液体出口271；上封头和下封头之间设置有若干段依次连接的反应器床层。优选的，反应器床层的上方均设置有测温装置38。

反应器床层的顶部和底部分别设置有第一隔板41和第三隔板43，第一隔板41和第三隔板43之间设置有第二隔板42，第二隔板42将反应器床层的内部分隔为上方的冷却水蒸发移热腔室32和下方的原料气体移热腔室33。

冷却水蒸发移热腔室32的底端设置有与冷却水蒸发移热腔室32内部连通的循环冷水进口28，冷却水蒸发移热腔室32的顶端设置有与冷却水蒸发移热腔室32内部连通的热汽水出口29；原料气体移热腔室33的底端设置有与原料气体移热腔室33内部连通的冷却循环气进口25。

通过在上封头和下封头之间设置若干段依次连接的反应器床层，反应器床层的顶部和底部分别设置第一隔板41和第三隔板43，第一隔板41和第三隔板43之间设置有第二隔板42，第二隔板42能够将反应器床层的内部分隔为上方的冷却水蒸发移热腔室32和下方的原料气体移热腔室33，使得反应器内温度更稳定，避免造成热点、飞温、催化剂结碳及堵塞床层等现象。

具体的，每段反应器床层的高度按照一定的比例进行设置，优化的床层高度比例为1：(1～8.5)，即反应器的床层高度按该优化的比例从上到下依次设置。

在实施费托合成反应时，按照工艺设计组成的合成气体经加压并预热后，从反应器的顶部的原料气进口24进入反应器，为保证气体可以均匀的进入反应器的床层进行反应，避免出现偏流，可在原料气进口24处设置气体分布器。在每段的反应器床层中，采用三层隔板，均焊接在反应器的筒体上，起隔断和支撑的作用。

实施例2

本实用新型的一个实施例，如图1、图3和图4所示，在实施例1的基础上，第一隔板41和第二隔板42之间设置有若干个竖直分布的催化剂套管31，第二隔板42和第三隔板43之间通过竖直管填充有惰性瓷球35，催化剂套管31内均设置有套管中心管44，且套管中心管44的外部填充有固体催化剂39。

具体的，第一隔板41设置在催化剂套管31顶部边缘处，起到隔断催化剂套管31与壳体的作用，同时对催化剂套管31起悬挂支撑的作用。在反应器床层的中下部设置第二隔板42，第二隔板42将反应器床层的壳体分割为上下两个腔室，上部腔室为冷却水蒸发移热腔室32，下部腔室为原料气体移热腔室33。在催化剂套管31的底部边缘处设置第三隔板43，对催化剂套管31起支撑作用。另外，在实施过程中，可根据强度的需要在反应器床层中的任意高度设置催化剂套管31的支撑件。

在套管式的催化剂床层中，其中催化剂套管31中装填固体颗粒状的催化剂，原料气在催化剂套管31内进行费托合成反应，并释放出反应热。在套管中心管44内为冷的循环原料气或沸腾水，从催化剂套管31内侧对催化剂床层进行移热，同时冷的原料气得到预热。在反应器的壳体内，冷却水从冷却水蒸发移热腔室32的下部进入，从催化剂套管31外侧对催化剂床层进行移热，移热后的冷却水的汽水混合物从冷却水蒸发移热腔室32的上部移出。

设置在反应器床层下部的冷却器为列管式，其中列管部分为反应器床层催化剂套管31的外壁向下延伸的部分，而套管中心管44在第二隔板42的下部进行盲断。冷却器的壳体部分即为反应器床层壳体的气体移热腔室，在壳体的下部设置冷却循环气进口25。在冷却器的列管内为从反应器床层中下来的反应后温度较高的气液混合物料，壳体内为温度较低的循环原料气体，两者在冷却器内换热，反应后的物料得到冷却降温，冷的循环原料气体得到预热提温，对床层下来的物料携带的热能进行回收利用；同时降温的物料对气液分离以及进入下一段床层继续进行费托合成反应也极为有利。

实施例3

本实用新型的一个实施例，如图1和图3所示，在实施例2的基础上，套管中心管44的顶端伸出第一隔板41，且套管中心管44的两端均为盲端，套管中心管44的顶端和底端均通过若干个第一连通管401与冷却水蒸发移热腔室32连接。

具体的，当套管中心管44内为沸腾水时，套管中心管44的两端均为盲端，且套管中心管44的顶端和底端均通过若干个第一连通管401与冷却水蒸发移热腔室32连接。如图5所示，每个套管中心管44的第一连通管401可以设置多个并均匀分布，如在本方案中将联通管设置为三个，以120°的夹角均匀分布，相邻的套管中心管44的连通管采用错列排布的方式，确保流体能够均匀分布。

优选的，如图6和图7所示，冷却水蒸发移热腔室32内的中心位置设置有气体中心管30，气体中心管30的顶端伸出第一隔板41，且气体中心管30伸出第一隔板41的部分设置有若干个均匀分布的分布孔45，气体中心管30的底端为敞开，并与设置在第二隔板42下方的原料气体移热腔室33连接。

另外，当套管中心管44内为沸腾水时，需在冷却水蒸发移热腔室32内的中心位置设置气体中心管30，气体中心管30是将下部冷却器中经过预热后的循环原料气体导流到反应器床层的入口位置，与入口物料混合后一并进入到套管内的催化剂床层进行费托合成反应。气体中心管30应高出反应器床层的顶部隔板，并在高出部分均匀的设置多个分布孔45。该气体中心管30焊接在反应器床层的中下部的隔板上，且气体中心管30的底端敞开，并与反应器床层下部的冷却器的原料气体移热腔室33相连。

气体中心管30设置在反应器床层的中心位置，将气体由床层的下部引流到床层的入口以上的位置。气体中心管30的气体出口高出床层入口200～800mm，使得该股气体与反应器床层的入口物料有充足的空间混合均匀后一并进入催化剂床层进行费托合成反应。气体中心管30出口设置圆形或椭圆形的顶帽或水平顶盖，在高出床层的部分开设多个

气体分布孔45，优选

使气体中心管30内的气体在水平向上的空间内均匀喷出，并与从上向下流动的反应器床层的进料进行均匀混合。

实施例4

本实用新型的一个实施例，如图4所示，在实施例2的基础上，套管中心管44的顶端伸出第一隔板41，套管中心管44的顶端敞开，且底端为盲端，套管中心管44的底端均通过若干个第二连通管402与冷却水蒸发移热腔室32连接。

当套管中心管44内为冷的循环原料气时，套管中心管44的顶端伸出第一隔板41，套管中心管44的顶端敞开，且底端为盲端，在靠近底部盲端处设置第二联通管与反应器下部的冷却器的原料气体移热腔室33相连，使得原料气体移热腔室33内的循环原料气进入套管中心管44继续参与反应器床层的换热，循环原料气进一步预热后从套管中心管44的顶部与反应器床层的进料混合后进入套管内的催化剂床层进行反应。

实施例5

本实用新型的一个实施例，如图1和图8所示，在上述任一实施例的基础上，下封头的上部设置有第四隔板361，第四隔板361上设置有惰性瓷球35，第四隔板361上方设置有第一导流隔板341，且第一导流隔板341呈倒圆台形，第一导流隔板上下边缘的直径比为(1～6):1，第一导流隔板341的顶端与对应的第三隔板43连接，第一导流隔板341的底端悬空，并没入第四隔板361上的惰性瓷球35中，第一导流隔板341的底端没入深度为200～1200mm，下封头的侧面设置有位于第四隔板361上方的反应后气体出口26，下封头的最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(0.5～3)，且下封头的最大径向尺寸与第一导流板341底端的直径比为(1.2～10):1。

本方案在反应器床层下方设置有气液分离及液体收集器。具体的，该气液分离及液体收集器设置在反应器床层下第三隔板43的下方，由第一导流隔板341、下封头(充当集液槽)、第四隔板361和第一液体出口271组成。其中第一导流隔板341为倒置的圆台形结构，优选的，第一导流隔板上下边缘的直径比为(1～6):1，上端焊接在第三隔板43上，下端悬空，并没入第四隔板上的惰性瓷球中，优选的，第一导流隔板的底端没入深度为200～1200mm。第四隔板361上方装填的惰性材料，对反应器床层下来的气液混合物料进行分离，液体沿惰性材料的表面透过第四隔板361进入下封头，气相通过填料间的空隙经过第一导流隔板341与下封头间的空隙折流向上进行逃逸，并通过反应后气体出口26移出反应器。优选的，下封头的最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(0.5～3)，且下封头的最大径向尺寸与第一导流板底端的直径比为(1.2～10):1。第一液体出口271设置液体出口阀，控制液体输出量。下封头内应维持一定的液相高度以对气相形成液封，在下封头内可设置液位检测器并通过控制液体输出量维持集液槽37的液位稳定。

实施例6

本实用新型的一个实施例，如图2和图9所示，在上述任一实施例的基础上，相邻的两个反应器床层之间设置有集液槽37，集液槽37上设置有第五隔板362，第五隔板362上设置有惰性瓷球35。

第五隔板362上方设置有第二导流隔板342，且第二导流隔板342呈倒圆台形，第二导流隔板342上下边缘的直径比为(1～6):1，第二导流隔板342的顶端与对应的第三隔板43连接，第二导流隔板342的底端悬空，并没入第五隔板362上的惰性瓷球35中，第二导流隔板342的底端没入深度为200～1200mm，集液槽37的底端连接有第二液体出口272，且集液槽37的内部最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(1.2～3)，集液槽37的内部最大径向尺寸与第二导流板342底端的直径比为(1.5～10):1。

另外，也可以在相邻的两个反应器床层之间设置气液分离及液体收集器。具体的，在相邻的两个反应器床层之间设置集液槽37，集液槽37上设置有第五隔板362，第五隔板362上设置有惰性瓷球35，第五隔板362上方设置有第二导流隔板342，且第二导流隔板342呈倒圆台形，第二导流隔板342的顶端与对应的第三隔板43连接，且第二导流隔板342的底端悬空，并没入第五隔板362上的惰性瓷球中，集液槽37的底端连接有第二液体出口272。

在本方案中，第二导流环形板的顶底部的直径比为(1～6):1。集液槽37设置在导流环板的下方，集液槽37的结构可以采用圆筒槽、方形槽或椭圆形槽结构等，其顶部为敞口，底部封闭并连接液体出口管线。集液槽37的内部最大径向尺寸与反应器的筒体最大直径比1:(1.2～3)，集液槽37的内部最大径向尺寸与第二导流环板底部出口的直径比为(1.5～10):1。第一导流隔板的底端没入第五隔板上的惰性瓷球中的深度为200～1200mm；集液槽37的高度设计为300～1200mm。

本方案的固定床费托合成反应器，具有规整外形的一定尺寸的铁基或钴基催化剂颗粒装填在每段床层的催化剂套管31内。经过预热的原料气(CO+H₂)在上封头进入反应器内部，并通过在原料气进口24处设置的分布器使得进入反应器的原料气在进入反应器床层前的空间内均匀分布。原料气与经过床层下部冷却器换热后的循环原料气气体混合后进入催化剂套管内催化剂床层进行费托合成反应，并释放出大量的反应热。催化剂套管内的反应热向外经过沸腾水移热，向内经过套管中心管44内的沸腾水或循环原料气体移热。在套管内不同轴向高度设置温度检测点，通过控制沸腾水副产蒸汽的压力控制反应器催化剂床层的温度。反应后的物料经过设置在床层下部的冷却器与冷的循环原料气体换热后，经过分布器后进入下一段床层继续反应。物料中液相产物较多时，可在反应器的段间设置气液分离及液相收集器，进行气液分离，液相产物(蜡产品)移出反应器，气相进入下一段床层继续反应。在反应器的出口设置气液分离及液相收集器，进行气液分离，液相产物(蜡产品)从反应器的底部移出反应器，气相物料从反应器的下部移出反应器。

实施例7

本实用新型的一个实施例，本实用新型提供一种多段式固定床反应器1，费托合成固定床反应器为

米，反应器床层分为两段，两段反应器床层套管内均装填钴基催化剂，催化剂外形尺寸

的圆柱形。两段床层的高度比例采用1:2。该固定床费托合成反应器的操作条件为：入口原料气中H₂/CO摩尔比1.8，进气空速2500h^-1，反应温度215℃，反应压力2.8MPa。在该操作条件下的CO单程转化率为31.6％，产物中C₅₊的选择性为89.85％。在该固定床反应器的上下两段床层中，上段床层的套管中心管及套管外侧均采用沸腾水冷却移热；下段床层的套管中心管采用循环原料气冷却移热，套管外侧采用沸腾水冷却移热。两段床层下部均设置冷却器采用循环原料气为反应后的物料冷却降温。上段床层中心位置设置循环原料气的气体中心管将床层下部的冷却器换热后的循环原料气引入床层的入口，与从反应器顶部进入的新鲜原料气混合后进入套管内的催化剂床层进行反应。下段床层下部冷却器换热后的循环原料气通过套管中心管上升与床层入口物料混合后进入套管内的催化剂床层进行反应。下段反应器床层入口处设置分布板，将上段床层下来的物料(产物及未反应器的原料气)重新分布均匀后进入下段床层。反应器的出口(第二段床层的下方)设置气液分离及液体收集器，分离出液体蜡产品在反应器底部排出，气体产物从下部侧面排出。在反应器外通过设置汽包副产1.4MPa的蒸汽。循环原料气采用本固定床反应器的气相产物分离后的尾气。

实施例8

本实用新型的一个实施例，本实用新型提供一种多段式固定床反应器1，费托合成固定床反应器为

米，反应器床层分为三段，其中，上部两段反应器床层采用套管形式，下部一段采用列管的形式。反应器内三段床层均装填铁基催化剂，其中上部两段床层催化剂外形尺寸

的圆柱形，下段床层催化剂外形尺寸

的圆柱形。三段床层的高度比例为1:1.5:1.8。该固定床费托合成反应器的操作条件为：入口原料气中H₂/CO摩尔比2.2，进气空速2000h^-1，反应温度240℃，反应压力2.6MPa。在该操作条件下的CO单程转化率为34.5％，产物中C₅₊的选择性为91.36％。在该固定床反应器的上中下三段床层中，上段床层的套管中心管及套管外侧均采用沸腾水冷却移热；中段床层的套管中心管采用循环原料气冷却移热，套管外侧采用沸腾水冷却移热。下段床层壳体采用沸腾水冷却移热。三段床层下部均设置冷却器采用循环原料气为反应后的物料冷却降温。上段和下段床层中心位置设置循环原料气的气体中心管将床层下部的冷却器换热后的循环原料气引入床层的入口，与床层的进料混合后进入催化剂床层进行反应。中段床层下部冷却器换热后的循环气通过套管中心管上升与床层入口物料混合后进入套管内的催化剂床层进行反应。在中段床层入口处设置分布板，将上段床层下来的物料(产物及未反应器的原料气)重新分布均匀后进入中段床层。中段与下段之间设置气液分离及液体收集器，将中段反应后的物料分离出液体蜡产品并排出，气相进入下段床层继续进行反应。在反应器的出口(第三段床层的下方)设置气液分离及液体收集器，分离出液体蜡产品在反应器底部排出，气体产物从下部侧面排出。在反应器外通过设置汽包副产1.6MPa的蒸汽。循环原料气采用本固定床反应器的气相产物分离后的尾气和浆态床反应器系统的部分尾气。

实施例9

本实用新型的一个实施例，本实用新型提供一种多段式固定床反应器1，费托合成固定床反应器为

米，反应器床层分为上中下三段，三段反应器床层均采用套管形式，在反应器床层的下部设置扩大端，直径为2.8米。反应器内上段和中段床层均装填铁基催化剂，催化剂外形尺寸

的球形；下段床层装填钴基催化剂外形尺寸

的圆柱形。三段床层的高度比例为1:1.5:2。该固定床费托合成反应器的操作条件为：入口原料气中H₂/CO摩尔比2.0，进气空速2800h^-1，反应温度230℃，反应压力3.0MPa。在该操作条件下的CO单程转化率为36.29％，产物中C₅₊的选择性为92.29％。在该固定床反应器的上中下三段床层的套管中心管及套管外侧均采用沸腾水冷却移热。三段床层下部均设置冷却器采用循环原料气为反应后的物料冷却降温。上段、中段和下段床层中心位置设置循环气的气体中心管将床层下部的冷却器换热后的循环气引入床层的入口，与床层的进料混合后进入催化剂床层进行反应。在中段床层入口处设置分布板，将上段床层下来的物料(产物及未反应器的原料气)重新分布均匀后进入中段床层。中段与下段之间设置气液分离及液体收集器，将中段反应后的物料分离出液体蜡产品并排出，气相进入下段床层继续进行反应。在反应器的床层下部扩大端部分(第三段床层的下方)设置气液分离及液体收集器，分离出液体蜡产品在反应器底部排出，气体产物从下部侧面排出。在反应器外通过设置汽包副产1.5MPa的蒸汽。循环原料气采用本固定床反应器的气相产物分离后的尾气和浆态床反应器系统的部分尾气。

实施例10

本实用新型的一个实施例，如图10所示，在上述任一实施例的基础上，本实用新型还提供一种费托合成反应系统，包括上述的多段式固定床反应器1，还包括新鲜原料气管9、循环尾气管10、冷原料气管11、反应后气体管14、原料气预热器3、重油分离器4、换热器5、三相分离器6、压缩机7和蜡产品排放管17。蜡产品排放管17，用于排出蜡产品。

冷原料气管11，与新鲜原料气管9、循环尾气管10连接，使新鲜原料气管9内传输的新鲜原料气和循环尾气管10内传输的循环尾气在冷原料气管11内混合，形成冷原料气，部分冷原料气通过冷循环原料气管13进入冷却循环气进口25。

反应后气体管14与多段式固定床反应器1连接，用于传输反应后气体。

原料气预热器3，与冷原料气管11、反应后气体管14连接，使反应后气体和部分冷原料气通过原料气预热器3换热，预热后的冷原料气通过进料气管12与原料气进口24连接。

重油分离器4与原料气预热器3连接，使换热后的反应后气体通过重油分离器4分离出重油产物18和气相15。

换热器5与重油分离器4连接，使气相15通过换热器5进行降温。

三相分离器6与换热器5连接，使气相15通过三相分离器6分离出轻油产物19、水和尾气；压缩机7用于压缩部分尾气至循环尾气管10；

具体的，新鲜原料气与部分循环尾气混合后得到H₂和CO按一定比例组成的冷原料气，冷原料气在原料气预热器3内与从反应器下部移出的反应后气体进行换热，预热后的冷原料气从顶部进入固定床反应器进行费托合成反应。反应后气体得到降温部分产物冷凝为液相并在重油分离器4中分离出重油产物18。气相15从重油分离器4顶部出来后经换热器5进一步降温后进入三相分离器6，进行气、水20及轻油的分离，其中，轻油产物19从三相分离器6底部抽出，水20从三相分离器6中部抽出，气相从三相分离器6顶部排出。三相分离器6排出的气体一部分作为尾气16放空，一部分经过压缩机7提压后作为循环尾气。循环尾气为两路，一路与新鲜原料气混合，一路作为冷循环原料气进入固定床反应器的段间冷却器，经换热后与反应器床层进口物料混合后进入反应器床层进行费托合成反应。

另外，在本方案中，循环原料气可以采用固定床费托合成反应器的尾气，也可以采用浆态床费托合成反应系统的尾气，也可以采用流化床费托合成反应系统的尾气，或者其它化工装置中的富含H₂、CO的气体，亦或着是以上两种或多种气体的混合气体。

优选的，本实用新型还提供一种费托合成反应系统还包括汽包2，汽包2连接蒸汽管23，且汽包2通过循环热水管22与热汽水出口29连接，汽包2还通过热水循环泵8连接有循环冷水管21，循环冷水管21与循环冷水进口28连接。

通过在反应器外部设置汽包2，从冷却水蒸发移热腔室32的上部移出的汽水混合物经过汽包2分离出蒸汽，冷却水经过泵提压后返回反应器进行循环使用。

优选的，在本方案中，多段式固定床反应器的数量可以为若干个，且若干个多段式固定床反应器可以通过串联、并联或串并联的方式进行连接。另外，在费托合成反应系统中，多段式固定床反应器还可以与浆态床反应器、流化床反应器以串联、并联或串并联的形式进行组合。

在本实施例中，多段式固定床反应器的操作温度为150～435℃，操作压力为1.0～5.8MPa，气体空速为150～4000h^-1，每段反应器床层的进料气中H₂/CO为(1.2～8.5):1，在其它实施例中，可以根据实际生产需求进行调整。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种多段式固定床反应器，其特征在于，包括：

上封头，所述上封头上设置有原料气进口；

下封头，所述下封头的底部设置有第一液体出口；

所述上封头和所述下封头之间设置有若干段依次连接的反应器床层；

所述反应器床层的顶部和底部分别设置有第一隔板和第三隔板，所述第一隔板和所述第三隔板之间设置有第二隔板，所述第二隔板将所述反应器床层的内部分隔为上方的冷却水蒸发移热腔室和下方的原料气体移热腔室；

所述冷却水蒸发移热腔室的底端设置有与所述冷却水蒸发移热腔室内部连通的循环冷水进口，所述冷却水蒸发移热腔室的顶端设置有与所述冷却水蒸发移热腔室内部连通的热汽水出口；

所述原料气体移热腔室的底端设置有与所述原料气体移热腔室内部连通的冷却循环气进口。

2.根据权利要求1所述的一种多段式固定床反应器，其特征在于：所述第一隔板和所述第二隔板之间设置有若干个竖直分布的催化剂套管，

所述第二隔板和所述第三隔板之间通过竖直管填充有惰性瓷球，

所述催化剂套管内均设置有套管中心管，且所述套管中心管的外部填充有固体催化剂。

3.根据权利要求2所述的一种多段式固定床反应器，其特征在于：所述套管中心管的顶端伸出所述第一隔板，且所述套管中心管的两端均为盲端，

所述套管中心管的顶端和底端均通过若干个第一连通管与所述冷却水蒸发移热腔室连接。

4.根据权利要求3所述的一种多段式固定床反应器，其特征在于：所述冷却水蒸发移热腔室的中心位置设置有气体中心管，

所述气体中心管的顶端伸出所述第一隔板，且所述气体中心管伸出所述第一隔板的部分设置有若干个均匀分布的分布孔；

所述气体中心管的底端为敞开，并与设置在所述第二隔板下方的所述原料气体移热腔室连接。

5.根据权利要求2所述的一种多段式固定床反应器，其特征在于：所述套管中心管的顶端伸出所述第一隔板，所述套管中心管的顶端敞开，且底端为盲端，

所述套管中心管的底端均通过若干个第二连通管与所述原料气体移热腔室连接。

6.根据权利要求1所述的一种多段式固定床反应器，其特征在于：所述下封头的上部设置有第四隔板，所述第四隔板上设置有惰性瓷球，

所述第四隔板上方设置有第一导流隔板，且所述第一导流隔板呈倒圆台形，所述第一导流隔板上下边缘的直径比为(1～6):1，

所述第一导流隔板的顶端与对应的所述第三隔板连接，所述第一导流隔板的底端悬空，并没入所述第四隔板上的惰性瓷球中，所述第一导流隔板的底端没入深度为200～1200mm，

所述下封头的侧面设置有位于所述第四隔板上方的反应后气体出口，

所述下封头的最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(0.5～3)，且所述下封头的最大径向尺寸与所述第一导流板底端的直径比为(1.2～10):1。

7.根据权利要求1所述的一种多段式固定床反应器，其特征在于：相邻的两个反应器床层之间设置有集液槽，

所述集液槽上设置有第五隔板，所述第五隔板上设置有惰性瓷球，

所述第五隔板上方设置有第二导流隔板，且所述第二导流隔板呈倒圆台形，所述第二导流隔板上下边缘的直径比为(1～6):1，

所述第二导流隔板的顶端与对应的所述第三隔板连接，所述第二导流隔板的底端悬空，并没入所述第五隔板上的惰性瓷球中，所述第二导流隔板的底端没入深度为200～1200mm，

所述集液槽的底端连接有第二液体出口，且所述集液槽的内部最大径向尺寸与反应器筒体最大直径比为1:(1.2～3)，所述集液槽的内部最大径向尺寸与所述第二导流板底端的直径比为(1.5～10):1。

8.根据权利要求1～7任一所述的一种多段式固定床反应器，其特征在于：所述反应器床层的上方均设置有测温装置；

和/或；

所述上封头和所述下封头之间的若干个所述反应器床层的高度依次按照1：(1～8.5)进行设置。

9.一种费托合成反应系统，包括权利要求1～8任一所述的多段式固定床反应器，其特征在于，还包括：

新鲜原料气管；

循环尾气管；

冷原料气管，与所述新鲜原料气管、所述循环尾气管连接，使所述新鲜原料气管内传输的新鲜原料气和所述循环尾气管内传输的循环尾气在所述冷原料气管内混合，形成冷原料气，部分所述冷原料气通过冷循环原料气管进入所述冷却循环气进口；

反应后气体管，与所述多段式固定床反应器连接，用于传输反应后气体；

原料气预热器，与所述冷原料气管、所述反应后气体管连接，使所述反应后气体和部分所述冷原料气通过所述原料气预热器换热，预热后的所述冷原料气通过进料气管与所述原料气进口连接；

重油分离器，与所述原料气预热器连接，使换热后的所述反应后气体通过所述重油分离器分离出重油产物和气相；

换热器，与所述重油分离器连接，使所述气相通过所述换热器进行降温；

三相分离器，与所述换热器连接，使所述气相通过所述三相分离器分离出轻油产物、水和尾气；

压缩机，用于压缩部分尾气至所述循环尾气管；

蜡产品排放管，用于排放蜡产品。

10.根据权利要求9所述的一种费托合成反应系统，其特征在于：所述多段式固定床反应器的数量为若干个，且若干个所述多段式固定床反应器通过串联、并联或串并联的方式进行连接；

所述多段式固定床反应器的操作温度为150～435℃，操作压力为1.0～5.8MPa，气体空速为150～4000h^-1，每段所述反应器床层的进料气中H₂/CO为(1.2～8.5):1。

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