CN102049222B - 一种采用新型过滤组件的浆态床环流反应器应用方法 - Google Patents

Abstract

一种采用新型过滤组件的浆态床环流反应器应用方法，合成气由底部进入浆态床环流反应器上升管中，与其中的浆液混合进行反应，上升管内部设置过滤组件，所述的过滤组件内部流道上端采用20°-70°锥角的倒锥型结构，浆液沿上升管向上流动，部分浆液流入过滤组件的内部流道，清液穿过过滤管管壁作为产品由出料口引出浆态床反应器；经过滤浓缩的浆液继续向上流动，进入上部管径扩大的沉降区，在沉降区内脱除大部分气泡的浆液进入下降管中，经下降管循环回到上升管继续反应。本发明提供的方法过滤组件工作周期长，液固分离效率高；同时有利于均匀分配上升管反应区内气液相流体，提高了反应器利用效率。

Description

一种采用新型过滤组件的浆态床环流反应器应用方法

技术领域

本发明涉及一种气液固三相浆态床反应器及将固体微粒从液体产品中分离出来的设备和方法，更具体地说，涉及一种浆态床环流反应器，并实现液体产品与固体颗粒连续分离的设备及其应用方法。

背景技术

浆态床反应器是一种常用的气液(浆)接触反应设备，具有极高的储液量。对于反应热很大的催化反应过程，使用浆态床反应器可以有效地移走反应热，实现反应器的等温操作，保证反应器的正常运行，因此在当今的化工过程中得到了广泛应用。而浆态床环流反应器是在浆态床鼓泡反应器的基础上发展起来的一种高效多相反应器。浆态床环流反应器除了具有浆态床鼓泡反应器所具有的全部优点外，还能够使其内部的流体做有规则的循环流动，因而增强了反应物之间的混合、扩散、传热和传质。

在浆态床反应器中为了消除扩散的影响，一般采用几十微米甚至更细颗粒的催化剂，但随之也带来了反应产物与催化剂颗粒分离这一难题。如何有效的实现液固分离，成为在使用浆态床反应过程中的关键技术。

浆态床反应器催化剂浆液的液固分离一般在反应器外进行，含有催化剂的浆液必须使用特殊泵进行输送，分离出来的催化剂仍需要以浆液形式送回到反应器中。该过程易于造成催化剂颗粒的破损，因而对反应器的长时间连续操作带来问题。

过滤技术是获取高分离效率的常用方法。按流动形式，过滤分为死端过滤和错流过滤，相比传统的死端过滤，错流过滤滤饼不易堆积，过滤周期长，是目前研究的重点。

WO 94/16807公开了在反应器内使用过滤组件实现液固分离的方法，但是一旦催化剂颗粒堵塞过滤组件，则过滤组件的再生困难，因而不适于大规模连续生产。

CN1589957A公开了在反应器内部设置一级分离单元，在反应器外设置二级分离单元来实现液固分离的方法，并且在反应器外设置反冲单元以实现过滤的连续操作，这样不仅占用了反应器内的反应空间，还导致设备结构复杂，操作繁复。

US 2005/0027021公开了一种液固分离***，通过在反应器外设置竖直放置的过滤元件来实现液固分离，起主要过滤作用的是沉积在过滤元件上的滤饼，通过调节浆液流动速度来调节滤饼的厚度。但是由于元件所处空间大小是设计确定了的，单纯通过调节元件外部浆液流速来控制过滤速率使得调节范围非常有限，且细颗粒容易堵塞过滤管而没有有效的反冲洗方法使过滤过程难以实现连续化。

US 2005/0000861公开了一种可以放置在反应器内部和/或外部的过滤元件，这种元件分为粗滤区和细滤区，且二者同轴同径竖直放置，上部粗滤区将大颗粒的催化剂拦在过滤区外，再返回反应器重新循环使用，而经过粗滤的滤液会直接进入设在粗滤区下面的细滤区进行进一步过滤分离。这种液固分离方法需要借助外界动力，且没有提供详细的反冲洗方法，难以实现液固的连续有效分离。

由以上分析可知利用过滤的方法难以实现连续操作，即使实现了连续操作也会造成固体催化剂颗粒磨损严重，还会使设备复杂，投资和操作费用增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效防止固相颗粒沉积堵塞在过滤组件上端、延长过滤组件工作周期的浆态床环流反应器应用方法。

本发明提供的采用新型过滤组件的浆态床环流反应器应用方法，浆态床反应器包括两端连通的上升管1和下降管2，合成气经入口3和气体分布器4进入浆态床环流反应器的上升管1中，与浆液混合进行反应生成液态烃，浆态床环流反应器的上升管内部设置过滤组件9，过滤组件9内部流道上端开口采用倒锥型结构，浆液沿上升管1向上流动，部分浆液流入过滤组件的内部流道，清液穿过滤管管壁并作为产品由出料口10引出浆态床反应器；经过滤浓缩的浆液继续向上流动，进入上升管上部管径扩大的沉降区6，在沉降区内气液分离，脱除大部分气泡的浆液进入下降管2，经下降管循环回上升管1中继续反应；所述的倒锥型结构与水平面形成的圆锥角13的范围为20°-70°。

本发明提供的方法中，所述的过滤组件的结构为两种形式，如附图1所示，第一种过滤组件由圆筒体11、倒圆锥形上部隔离板12、下部隔离板14和内部的至少一根过滤管15组成，过滤管15入口开口于上部隔离板12，出口开口于下部隔离板14，圆筒体壁连接出料管10，所述的上部隔离板的圆锥角13的范围为20°-70°。

所述的内部过滤管为一根时，上部倒锥形隔离板12上可以有一个或多个开口以使带有固体颗粒的浆液通过过滤管。

另一种过滤组件(如附图4所示)由圆筒体和圆筒体内部的至少两根过滤管25组成，所述的圆筒体包括圆筒体壁21、上部隔离板22、下部隔离板24，过滤管25上端为倒圆锥结构，开口于上部隔离板22，下端开口于下部隔离板24，圆筒体壁连接出料管10，所述的倒圆锥结构的圆锥角23的范围为20°-70°。

本发明提供的方法中，所述的反应温度为200-300℃、优选230-280℃，反应压力为1.0-5.5Mpa、优选1.7-3.5Mpa，原料体积空速为1.0-5.0h^-1、优选2.0-4.0h^-1。

本发明提供的方法中，所述的催化剂为粒径小于100μm的铁基催化剂或者钴基催化剂。

本发明提供的方法中，所述的过滤组件9的内部流道横截面积与浆态床上升管的横截面积之比为(0.01-1)∶10。

本发明提供的方法中，所述的上升管1顶部设有管径扩大的沉降区6，使得从上升管流入的浆液流速变慢，浆液所夹带的气泡得以脱除，实现气液(浆)分离，气体从上升管顶部的排气口5排出反应器。所述的沉降区6直径与其下部上升管1直径比范围为(1-10)∶1、优选为(1.2-3)∶1。

本发明提供的方法中，所述过滤组件9的圆筒体壁连接液体出料口10，液体出料口可以经阀门连接用于冲洗过滤元件的反冲洗管线。

本发明提供的方法中，上升管1与过滤组件9之间的环隙为反应器的反应区。原料气经入口3和气体分布器4进入反应区，与浆液混合反应。由于在沉降区6浆液流速降低，气泡破碎脱除，使得下降管2中的气泡的含量远远少于其在上升管1中的含量，因此导致了上升管1内的流体与下降管2中的流体之间存在密度差，借助流体的密度差可以实现浆液在上升管1与下降管2之间的定向循环流动。下降管2可以有一根也可以有多根，多根下降管可以通过切换使至少一根处于工作状态，如图1所示为单根下降管浆态床环流反应器的示意图。下降管2的作用不仅是实现浆液的定向运动，还可以及时将反应热移出反应区，通过换热维持浆液的温度，此外还可以通过下降管在线实现催化剂固体颗粒的更换。

由于上升管1内的浆液具有向上的定向运动，因此浆液会向上流经过滤组件9的过滤管中，清液经过滤管管壁进入滤液区，并作为产品由液体出料口10排出反应器。过滤管中经过滤浓缩的浆液继续向上流动进入沉降区6。由于过滤过程为错流过滤，浆液的轴向流动不断冲刷过滤管内壁有效抑制了滤饼的生成。

过滤组件9上端采用倒锥形的导流结构，倒锥型结构与水平面形成圆锥角，圆锥角角度范围为20°～70°，同时其角度应大于固相颗粒的休止角。采用倒锥形结构，可以有效抑制固相颗粒由于返混沉积在过滤组件9的上端，避免了过滤组件中的过滤管被堵塞，延长了过滤组件的工作周期，提高了液固分离效率。

本发明提供的方法中，所述的过滤组件内部流道的横截面积与上升管3的流道面积之比优选为(0.01-1)∶10。对于气相的流动过程而言，气相会选择流道横截面积大、流动阻力小的流道流动，因此可防止气相经过所述的过滤组件的内部流道，所述的过滤组件还具有选择流体通过的作用。这样可以避免气泡经过滤组件过滤后与滤液一起被排出反应器。另外，对于大型浆态床反应器而言，通常在反应器中心位置的气相通量明显高于其它位置特别是边壁位置的通量，将过滤组件9放置于反应器的中心部位可以驱使气相向其它方向分布，因此本发明提供的方法不仅具有实现固液分离的功能，还具有均匀分布反应区气泡的作用，从而提高了反应器的反应性能，节省了反应器内部有限的反应空间。

本发明提供的方法中，所述的过滤管的材质不受限制，可以为烧结金属丝网微孔过滤材料、烧结金属粉末微孔过滤材料、金属微孔膜材料、烧结金属纤维微孔材料、微孔陶瓷材料或陶瓷膜材料。过滤材质的孔径范围可以由具体使用的催化剂颗粒的种类、反应器的规模以及所进行的反应类型而发生变化，例如可以在微滤、超滤、纳滤等过滤范围之内。

本发明提供的方法中，进入反应器的气体在上升管内的表观气速为0.01～1.0米/秒，优选0.04～0.5米/秒。其中表观气速指气流的在上升管内的空管气速，控制气速在此范围内可以使浆液搅动、混合均匀，并提供浆液在上升管和下降管之间循环流动的推动力，维持反应器内反应压力。所述的过滤组件9的上部隔离板、下部隔离板、圆筒体内壁和过滤管外壁围成的区域为过滤组件的滤液区，在工作周期内，清液径向穿过过滤管管壁进入过滤组件的滤液区，并作为产品经液体出料口引出浆态床反应器。反应器上升管内部相对较高的压力和滤液区内较低的压力形成过滤管管壁两侧的压差，推动浆液穿过过滤管管壁实现固液分离。通过本发明提供的安装新型过滤组件的浆态床反应器的应用方法，可以实现浆液在由上升管和下降管所构成的反应器主体中循环流动，同时完成有效的气液固三相分离，并且在所述下降管部分并不加入附加的外力推动。

本发明可以使用现有技术中任何合适的反冲洗工艺，典型的过程是：随反应进行，所述过滤管的管壁两侧的压差随着滤饼的增厚而上升，当压差高于第一设定值时，反冲洗***开始工作，将滤液区切换到与反冲管线连通，反冲洗介质在外加的反向压差推动下由滤液区向浆液区反向冲洗过滤管管壁，随滤饼的脱除反向压差不断降低，当低于第二设定值时，冲洗过程结束，此时反冲洗介质引入管上的阀门关闭，***恢复到正常操作状态。其中所述的反冲洗介质可以是气体，也可以是液体，优选产品清液或反应尾气，更优选产品清液。其中开始启动反冲洗***的压差第一设定值为0.1-1.0Mpa，关闭反冲时的压差第二设定值为0.05-0.8Mpa，根据不同的过滤材料其过滤压差范围也不一样，不同的材料对应不同的反冲洗压力，对同一个滤芯和设备，第一设定值必定大于第二设定值，对于正常操作的过滤过程，两侧压差范围为0.05-1.0MPa。所述反冲洗过程的开启和结束可以自动也可以手动进行。

本发明提供的方法中，所述的浆态床环流反应器内部可以采用一个过滤组件的形式，也可以采用多个过滤组件并联的方式。所述经液体出料口引出的滤液可以经进一步的固液分离措施如磁分离、沉降、二次过滤等手段进行处理，以达到更高的产品要求。

本发明提供的采用新型过滤组件的浆态床环流反应器应用方法的有益效果为：

利用在过滤组件上部的倒锥型结构，有效的避免了固相由于返混在过滤组件上端沉积导致堵塞过滤组件，延长了工作周期提高了分离效率。浆态床内部安装的过滤组件还具有选择流体通过的作用。避免气泡与液体产品一起被排出反应器；还具有均匀分配反应区流体(特别是气相)的作用，从而提高了反应器的反应性能，节省了反应器内部有限的反应空间。

附图说明

图1为安装第一种过滤组件的浆态床环流反应器流程示意图；

图2为第一种过滤组件中含有多根过滤管的立体结构示意图；

图3为第一种过滤组件中含有一根过滤管的立体结构示意图；

图4为安装第二种过滤组件的浆态床环流反应器的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明提供的采用新型过滤组件的浆态床环流反应器用于费托合成的方法，但本发明并不因此而受到限制。

如附图1所示：环流反应器的上升管1与过滤组件9之间的区域为浆态床反应区，反应物合成气从上升管1的下部气体入口3进入，经气体分布器4均布后进入反应器反应区，与浆液混合后向上运动同时完成化学反应。产物和多余的反应物与催化剂一起上升到反应器的气泡脱除区6，此处由于流道截面扩大，降低了浆液的湍动，从而使气泡得以大量脱除。脱出的气泡以气体形式从气体出口5排出，而夹带着催化剂的浆液则进入下降管2中，从上而下回流至上升管1的底部。上升管1中的一部分浆液通过过滤组件9，由下而上流动，在过滤管15管壁两侧压差推动下，实现错流过滤。滤液沿径向通过过滤管15管壁进入滤液区，并最终作为产品引出。固体颗粒则被阻滞在过滤管15的管壁内侧，由于浆液的冲刷作用，壁上的部分滤饼不断脱落并随浆液向上流动返回到上升管1中。部分不易脱落的滤饼会滞留在过滤管的内壁上，随着滤饼的不断增厚，过滤管内外之间的压差上升，当压差高于0.5MPa时，反冲洗***开始工作。此时位于液体放料口10上游的阀7关闭，阀8打开，在外加反向压差的推动下，反冲洗介质引入滤液区中，并沿径向由外向内通过过滤管15管壁，滤饼被反冲到浆液中，并随着浆液返回上升管1中。当过滤管管壁两侧压差低于0.1MPa时，冲洗过程结束，此时反冲洗介质引入管上的阀门8关闭，液体放料口后的阀门7打开，***恢复到正常操作状态。

下面的实施例对本发明提供的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。

实施例

采用附图1所示的浆态床环流反应器，其中浆态床环流反应器的沉降区和上升管下部的管径比为1.5∶1，上升管与下降管的管径之比为4∶1，过滤组件与上升管管径之比为1∶10。过滤组件内部结构见附图2，过滤组件上部隔离板的圆锥角13为45°。每个滤管的直径为50mm，长为1000mm，过滤管的材质为烧结多孔金属滤管，平均孔径为1μm。浆液区11所采用的催化剂为铁基催化剂，其粒径范围为1～100μm。

合成气由上升管底部的气体入口3引入，通过气体分布器4以气泡的形式进入浆态床反应器的反应区，合成气与固体催化剂颗粒接触，在反应温度为260℃，反应压力为2.5Mpa，原料体积空速为2.4h^-1的条件下反应生成液态烃。当浆液上升进沉降区6时，未反应的合成气和气体产品与浆液分离，并由排气口5排出；浆液则进入下降管2，向下回流至上升管1的底部。一部分上升管1内的浆液向上流经过滤组件9的过滤管内，清液径向穿过过滤管壁进入滤液区，并由液体出料口10作为产品引出反应器。液体出料口10还连接反冲洗装置，当压差超过0.5MPa时，切换到反冲洗***进行冲洗，当过滤管管壁两侧压差低于0.1MPa时，***恢复到正常操作状态。

在此过程中，液态产品中固体颗粒的含量小于5μg/ml，颗粒的最大直径为2μm。分离效率在99％以上。其中分离效率由下式计算：

η＝(S_m-S_f)/S_m

其中：S_m＝过滤前浆液中的固含量；S_f＝滤液区引出的清液中的固含量。

Claims (9)

1.一种采用新型过滤组件的浆态床环流反应器应用方法，其特征在于，浆态床反应器包括两端连通的上升管(1)和下降管(2)，合成气经入口(3)和气体分布器(4)进入浆态床环流反应器的上升管(1)中，与浆液混合进行反应生成液态烃，浆态床环流反应器的上升管内部设置过滤组件(9)，过滤组件(9)内部流道上端开口采用倒锥型结构，浆液沿上升管(1)向上流动，部分浆液流入过滤组件的内部流道，清液穿过滤管管壁并作为产品由出料口(10)引出浆态床反应器；经过滤浓缩的浆液继续向上流动，进入上升管上部管径扩大的沉降区(6)，在沉降区内气液分离，脱除大部分气泡的浆液进入下降管(2)，经下降管循环回上升管(1)中继续反应；所述的倒锥型结构与水平面形成的圆锥角(13)的范围为20°-70°；

所述的过滤组件(9)由圆筒体(11)、倒圆锥形上部隔离板(12)、下部隔离板(14)和内部的至少一根过滤管(15)组成，过滤管(15)入口开口于上部隔离板(12)，出口开口于下部隔离板(14)，圆筒体壁连接出料管(10)，所述的上部隔离板的圆锥角(13)的范围为20°-70°；

或者，所述的过滤组件(9)由圆筒体和圆筒体内部的至少两根过滤管(15)组成，所述的圆筒体包括圆筒体壁(21)、上部隔离板(22)、下部隔离板(24)，过滤管(15)上端为倒圆锥结构，开口于上部隔离板(22)，下端开口于下部隔离板(24)，圆筒体壁(21)连接出料管(10)，所述的倒圆锥结构的圆锥角(23)的范围为20°-70°。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的反应温度为200-300℃，反应压力为1.0-5.5MPa，原料体积空速为1.0-5.0h^-1。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于所述的反应温度为230-280℃，反应压力为1.7-3.5MPa，原料体积空速为2.0-4.0h^-1。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的催化剂为粒径小于100μm铁基催化剂或者钴基催化剂。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的过滤组件(9)的内部流道横截面积与浆态床上升管的横截面积之比为(0.01-1)∶10。

6.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的沉降区(6)直径与其下部上升管(1)直径比范围为(1-10)∶1。

7.按照权利要求6的方法，其特征在于所述的沉降区(6)直径与其下部上升管(1)直径比范围为(1.2-3)∶1。

8.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的内部过滤管为一根时，上部倒锥形隔离板(12)上有至少一个开口以使带有固体颗粒的浆液通过过滤管。

9.按照权利要求1的方法，所述的过滤管的材质为烧结金属丝网微孔过滤材料、烧结金属粉末微孔过滤材料、金属微孔膜材料、烧结金属纤维微孔材料、微孔陶瓷材料、陶瓷膜材料。

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