CN100512941C - 带内循环和外部换热的浆态床反应装置及其应用 - Google Patents
带内循环和外部换热的浆态床反应装置及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种带内循环和外部换热的浆态床反应装置及其应用。包括具有圆柱状外壳的塔式气液固三相浆态床反应器(12)、垂直设置在所说的反应器(12)内的管状过滤器(11)、锐孔气体分布器、换热器(107)和循环泵(106)。本发明的装置可以用于合成气在催化剂和液态惰性介质的存在下，反应生成气体或液体燃料。本发明在反应器底部存在气体内循环、反应器内部实现催化剂在线分离，并利用流体的携带作用，在反应器内部和外部分别形成内循环和塔外换热，可以有效地防止催化剂沉降、促进催化剂在反应器轴向分布均匀和改善塔内温度分布，空时产率高，移走反应热方便，能耗低，易于实现大型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相浆态床反应器，尤其涉及一种以合成气为原料，制备碳氢化合物的带气体内部循环和浆液外部换热的三相浆态床反应器型式。
背景技术
所说的合成气由煤、天然气、石油等碳氢化合物制取，以H2、CO、CO2为主体组分，在化学工业、医药工业、轻纺民用工业以及运输行业等国民经济部门都有广泛的用途。
由合成气制取气体或液体燃料，通常在三相浆态床中，在催化剂的存在下进行，反应所产生热量被惰性液体介质所吸收，因而反应能够在等温下进行。
三相浆态床反应器在化工过程中得到广泛的应有。在现有的文献和专利中有许多报道。如中国专利03151109.0提供了一种连续操作的气液固三相浆态床工业反应器；中国专利02808984.7提供了一种用于气/液或气/液/固反应的反应器；中国专利99127184.X提供了一种气液固三相循环反应器；南非Sasol公司已使浆态床反应器技术工业化，且该技术适合高效转化煤基合成气，浆态床反应器技术成为目前最受关注的合成油技术路线。但是这种浆态反应器催化剂的装填量有一定的限度，所以操作中空速不能太大。
同时，目前的三相浆态床的瓶颈问题还在于固体悬浮不均匀和催化剂的分离问题。由于浆态床反应器中催化剂悬浮量过大时，会出现催化剂沉降和团聚现象。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种带内循环和外部换热的浆态床反应装置及其应用，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明所说的带内循环和外部换热的浆态床反应装置，包括：
具有圆柱状外壳的塔式气液固三相浆态床反应器；
垂直设置在所说的反应器内的管状过滤器，所说的过滤器上端封闭，，管体为过滤网，下端为出口；
设置在所说的反应器内的与设置在反应器下部的气体入口相连通的锐孔气体分布器；
设置在所说的反应器顶部的气体产品出口；
设置在所说的反应器下侧部、锐孔气体分布器上部的循环液入口；
与所说的循环液入口通过管线相连接的换热器；
与所说的换热器入口相连接的循环泵，循环泵的入口与所说的过滤器下部的出口和液体产品出口相连接。
本发明的带内循环和外部换热的浆态床反应装置，可以用于以氢气和一氧化碳为主的合成气，在催化剂和液态惰性介质的存在下，反应生成气体或液体燃料，所说的燃料包括甲醇、二甲醚、液态烃等。
入口气体通过锐孔气体分布器向上进入反应器上部，然后与催化剂一起，在惰性介质的携带下，逆流向上，同时反应生成液体燃料，含有催化剂的惰性介质通过管状过滤器过滤，大颗粒催化剂被管状过滤器挡在管状过滤器外，小颗粒催化剂和惰性介质通过循环泵输送至换热器加热后，通过循环液入口再次进入浆态床反应器，可以有效地降低反应器底部催化剂的浓度，提高反应器上部催化剂的浓度，从而达到提高催化剂轴向分布不均的效果，有效地预防催化剂沉降；若生成的为液体产品由液体产品出口排出，若生成的为气体产品则由气体产品出口排出；
从循环泵出来的小颗粒催化剂和惰性介质经过两个换热器换热冷却后返回反应器底部，即在反应器外部形成外循环，既可以促进固体悬浮均匀，又可以有效地移走反应热；冷却介质可以为水、气体或导热油。
操作条件为：温度220～280℃，压力2.0～5.0Mpa，反应器表观气速为0.05～2.0m/s，气含率为10％～80％，适用的催化剂粒度为1～100μm，催化剂在浆液中的质量百分比浓度为1％～50％，锐孔气体分布器的锐孔处出口气速为150～200m/s。惰性介质循环比为5～20；
所说的循环比指的是反应器内惰性介质总量与循环量之比；
出口甲醇浓度5～15％，其中甲醇含量95％以上，H2O含量为5％以下。一氧化碳转化率为10～40％，催化剂选择性为95％以上，时空产率10～40t/m3/d，生产强度1～10t/m3/d。
与现有的技术相比，本发明的显著优点在于：在反应器底部存在气体内循环、反应器内部实现催化剂在线分离，反应器上部小颗粒催化剂和惰性介质形成塔外换热；反应器内部设有通过阻力降来控制气速的锐孔气体分布器。本发明利用流体的携带作用，在反应器内部和外部分别形成内循环和塔外换热，即气体在反应器内形成内循环，固体和小颗粒催化剂在反应器外部形成外换热返回反应器底部，可以有效地防止催化剂沉降、促进催化剂在反应器轴向分布均匀和改善塔内温度分布，空时产率高，移走反应热方便，能耗低，易于实现大型化。
附图说明
图1为带内循环和外部换热的浆态床反应装置的结构示意图。
图2为星形多孔气体分配构件示意图。
图3为图2的A-A向视图。
图4为网格形多孔气体分配构件示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的带内循环和外部换热的浆态床反应装置包括：
具有圆柱状外壳的塔式气液固三相浆态床反应器12；
垂直设置在所说的反应器12内的管状过滤器11，所说的过滤器11上端封闭，并呈15～75°倾斜的弧形或圆锥形；管体为过滤网，下端为出口；
设置在所说的反应器12内的、与设置在反应器12下部的气体入口103相连通的锐孔气体分布器13；
设置在所说的反应器12顶部的尾气或气体产品出口104；
设置在所说的反应器12下侧部、锐孔气体分布器上部的循环液入口109；
与所说的循环液入口109通过管线相连接的换热器107；
与所说的换热器107入口相连接的循环泵106，循环泵106的入口与所说的过滤器11下部的出口105和液体产品出口102相连接；
进一步，所说的反应器12设有冷却夹套101，用于移走反应放出的热量，控制反应温度；
进一步，所说的反应器12由上而下设有多个过滤器11，优选1～10个，并与所说的循环泵106通过管线相连接；
进一步，参见图2，所说的锐孔气体分布器包括：
气体入口管1、气体导入管2、导气管4、多孔气体分配构件5和撞击底板3；
所说的气体入口管1与气体入口103相连通，气体导入管2设置在气体入口管1的下侧，并与气体入口管1相连通，导气管4的一端与多孔气体分配构件5相连通，所说的多孔气体分配构件5上开有多个开口朝下的锐孔7，撞击底板3设置在多孔气体分配构件5的下方，以密封方式与反应器的内壁相固定，撞击底板3与多孔气体分配构件5之间的空腔为撞击室8，撞击底板3与气体入口管1之间的空腔为气体缓冲室9，导气管4的另一端穿过撞击底板3，与气体缓冲室9相连通；
入口气体由气体入口管1进入气体导入管2，然后进入气体缓冲室9，再由导气管4进入多孔气体分配构件5，用于对气体的初步分配，通过开口朝下的锐孔7，在撞击室8内完成气体的撞击，以强化传质，然后向上进入反应器12上部；
所说的多孔气体分配构件5可以采用多种形式，如底部设有锐孔7的环管、如图3所示的3～30根底部设有锐孔7的直管构成的星形或如图4所示的底部设有锐孔7的直管构成的网格形；
锐孔7的直径为0.4～10mm，开孔率为0.01～2.0％；优选的，反应器底部到撞击底板3的距离H1为气体入口管1直径的2～8倍；
优选的，撞击底板3形状为弧形或圆弧形，弧度为120°～150°；
优选的，导气管4的直径与气体入口管1的直径之比为0.5～5；
优选的，所说的过滤器为一种大孔径的多孔陶瓷或金属材料或多层金属网。
实施例1
采用图1的反应器和图2的锐孔气体分布器。
三相浆态床反应器有效直径为3.2m，有效高度10m，锐孔气体分布器的锐孔直径10mm，锐孔出口气速为180m/s，内置3层过滤器，
锐孔7的直径为3mm，开孔率为0.33％；
反应器底部到撞击底板3的距离H1为200mm；
气体入口管1直径为80mm；反应器底部到撞击底板3的距离H1的为200mm；
撞击底板3形状为弧形，弧度为135°；
导气管4的直径为80mm；
所说的过滤器为一种孔径为0.01mm的金属网。
以年产30万吨的甲醇合成为例，原料气组成H2＝68％，CO＝27％，CO2＝3％，CH4+N2+Ar＝2％。进入三相浆态床反应器的合成气的压力5.0Mpa，温度260℃，表观气速0.368m/s，流量3.055×105Nm3/h；催化剂浓度10％(kg/kg)，以液体石蜡作为惰性介质，催化剂采用南化集团研究院生产的C307型中低压甲醇合成催化剂，催化剂粒度为50μm，惰性介质循环比为10；
出口甲醇浓度11％，其中甲醇含量99％，H2O含量为1％。一氧化碳转化率为30％，催化剂选择性为98％，时空产率20t/m3/d，生产强度3.4t/m3/d。
实施例2
采用图1的反应器和图4的锐孔气体分布器，合成气经费托合成得到相关烃类产品。
三相浆态床反应器有效直径为3m，有效高度12m，锐孔气体分布器的锐孔直径2mm，锐孔出口气速为150m/s，内置4层过滤器，
锐孔(7)的直径为2mm，开孔率为0.13％；反应器底部到撞击底板(3)的距离H1为150mm；气体入口管(1)直径为60mm；反应器底部到撞击底板(3)的距离H1的为150mm；撞击底板(3)形状为弧形，弧度为150°；导气管(4)的直径为60mm；所说的过滤器为一种孔径为0.001mm的金属网。原料气组成CO/H2＝3/2，进入三相浆态床反应器的合成气的压力2.5Mpa，温度270℃，空速10000h-1，催化剂浓度10％Kg/Kg，以液体石蜡作为惰性介质，催化剂采用中国专利200410025515.3公开的铜助剂沉淀铁基催化剂，催化剂粒度为50μm，惰性介质循环比为6；
费托合成的评价指标主要有CO和H2的转化率，CH4和CO2的选择性等。一氧化碳转化率为91.3％，氢气转化率为66.5％，CH4选择性为14.1％，CO2选择性为29.6％。
Claims (10)
1.一种带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，包括：
具有圆柱状外壳的塔式气液固三相浆态床反应器(12)；
垂直设置在所说的反应器(12)内的管状过滤器(11)，所说的过滤器(11)上端封闭，管体为过滤网，下端为出口；
设置在所说的反应器(12)内的与设置在反应器(12)下部的气体入口(103)相连通的锐孔气体分布器；
设置在所说的反应器(12)顶部的尾气或气相产品出口(104)；
设置在所说的反应器(12)下侧部、锐孔气体分布器上部的循环液入口(109)；
与所说的循环液入口(109)通过管线相连接的换热器(107)；
与所说的换热器(107)入口相连接的循环泵(106)，循环泵(106)的入口与所说的过滤器(11)下部的出口(105)和液相产品出口(102)相连接。
2.根据权利要求1所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，所说的反应器(12)设有冷却夹套(101)。
3.根据权利要求1所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，所说的反应器(12)内由上而下设有多个过滤器(11)，并与所说的循环泵(106)通过管线相连接。
4.根据权利要求1所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，所说的锐孔气体分布器包括：
气体入口管(1)、气体导入管(2)、导气管(4)、多孔气体分配构件(5)和撞击底板(3)；
所说的气体入口管(1)与气体入口(103)相连通，气体导入管(2)设置在气体入口管(1)的下侧，并与气体入口管(1)相连通，导气管(4)的一端与多孔气体分配构件(5)相连通，所说的多孔气体分配构件(5)上开有多个开口朝下的锐孔(7)，撞击底板(3)设置在多孔气体分配构件(5)的下方，以密封方式与反应器的内壁相固定，撞击底板(3)与多孔气体分配构件(5)之间的空腔为撞击室(8)，撞击底板(3)与气体入口管(1)之间的空腔为气体缓冲室(9)，导气管(4)的另一端穿过撞击底板(3)，与气体缓冲室(9)相连通。
5.根据权利要求4所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，所说的多孔气体分配构件(5)为底部设有锐孔(7)的环管、3～30根底部设有锐孔(7)的直管构成的星形或底部设有锐孔(7)的直管构成的网格形。
6.根据权利要求5所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，锐孔(7)的直径为0.4～10mm，开孔率为0.01～2.0％。
7.根据权利要求6所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，反应器底部到撞击底板(3)的距离H1为气体入口管(1)直径的2～8倍，撞击底板(3)形状为弧形或圆弧形，弧度为120°～150°，导气管(4)的直径与气体入口管(1)的直径之比为0.5～5。
8.根据权利要求1所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，所说的过滤器为一种大孔径的多孔陶瓷或金属材料或多层金属网。
9.根据权利要求1或3所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器，其特征在于，所说的过滤器(11)上端封闭，并呈15～75°倾斜的弧形或圆锥形。
10.根据权利要求1～8任一项所述的带内循环和外部换热的浆态床反应器的应用，其特征在于，用于以氢气和一氧化碳为主的合成气，在催化剂和液态惰性介质的存在下，反应生成气体或液体燃料。
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