CN102416307B

CN102416307B - 一种内循环式浆态床反应器及其应用

Info

Publication number: CN102416307B
Application number: CN201110074590.9A
Authority: CN
Inventors: 吴治国; 申海平; 王卫平; 韩江华; 朱丙田; 王蕴
Original assignee: Sinopec Research Institute of Petroleum Processing; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: Sinopec Research Institute of Petroleum Processing; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: CN102416307A

Abstract

一种内循环式浆态床反应器及其应用。在反应器筒体内设置1～160根内置筒体，内置筒体的高度与反应器筒体的高度比为0.1～1.0，每根内置筒体下部设置有气体分配器。浆液在反应器内不断循环流动，无需浆液外循环，不需要外循环泵。此外，内置筒体采用合适的数量和直径比，所以不存在浆液短路问题和床层不稳定问题。所述浆态床反应器用于煤直接加氢液化工艺、油煤临氢共炼工艺或费托合成工艺中。

Description

一种内循环式浆态床反应器及其应用

技术领域

本发明涉及一种浆态床反应器，更具体地说，是一种内循环式浆态床反应器，以及其在煤直接加氢液化工艺、油煤临氢共炼工艺或费托合成工艺中的应用。

背景技术

浆态床反应器主要应用于生物化工、污水处理、医药化工、农副产品加工、精细化工、石油化工、煤化工、化工冶金等领域。由于反应器内可以存在各种气体、液体以及微粒尺寸的固体，所以此类反应器设计和操作参数很多。根据反应机理的不同，浆态床的设计要求差异很大。有的浆态床在常温常压下操作，有的在常温高压下操作，有的在常压加温下操作，有的在加温加压下操作。

在煤直接液化或油煤共炼工艺中，采用超细催化剂可以减少催化剂用量，从而提出了浆态床设计要求。反应特点要求反应器内浆液以较大的流速运动，从而增强热、质传递作用。采用外循环方式时需要循环泵。这种循环泵操作在高压、高温状态下，而且浆液中含有一定量的固体微粒，磨损现象无法避免，所以对循环泵的要求十分苛刻。内循环同样可以提高床层中液体流动速率，但需要解决死角问题、气体分配问题、内置气升管设计等问题。

申请号为200610083439.0和200610089023.x的专利分别公开了一种浆态床环流反应器和一种浆态床反应设备，两者均采用外循环形式实现浆液循环流动。

申请号为200710037008.5的专利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。其内循环是指反应器底部存在的气体内循环，该反应器主要用于合成气生产液体燃料。

申请号为200720155903的中国专利公开一种新型内循环浆态床反应器，用于合成气制取烃类、醇类、醚类、脂类等有机物。该反应器中心设置一上大下小的提升管，气体和浆液从中向上流动。提升管管壁缠绕盘管，用于移取反应释放热量。但是这种反应器在用于煤直接液化或油煤浆临氢转化时会存在很多问题：首先会遇到浆液短路问题，即入口浆液直接从底部出口流出，而不进入提升管；其次在工业化生产时，采用一个提升管，由于直径大，很难保证气体分布均匀；第三，气泡在一个提升管内向上流动，如果床层较高，由于气泡的聚散作用，会形成太多的大气泡，大气泡破裂时造成床层不稳定；第四，反应器底部设计没有考虑固体颗粒沉降问题，如果用于煤液化反应操作，容易形成死角，引发结焦。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有内循环作用的浆态床反应器及其应用。

本发明所提供的内循环式浆态床反应器，包括反应器筒体、顶部封头、底部封头、进料口和出料口，在反应器筒体内设置1～160根内置筒体，内置筒体的直径与反应器筒体的直径比例为0.05～0.95，内置筒体的高度与反应器筒体的高度比为0.1～1.0，每根内置筒体下部设置有气体分配器。

所述反应器筒体内设置7～120根轴向平行的内置筒体，内置筒体的直径与反应器筒体的直径比例为0.1～0.7，内置筒体的高度与反应器筒体的高度比为0.2～0.6。

用固定构件将所述内置筒体与反应器筒体固定在一起，该固定构件在满足必要的力学要求的同时尽可能减少对浆液流通面积的影响。内置筒体在反应器筒体横截面的布置可以是均匀的，也可以按照一定规则布置。同一反应器里，所有内置筒体的上端可以在同一水平面，也可以不在同一水平面。所有内置筒体的下端可以在同一水平面，也可以不在同一水平面，优选不在同一水平面。在同一反应器里，内置筒体可以是同样高度，也可以选择不同高度。

在反应器的顶部封头和/或上部侧面设置1～2个出料口。气体和浆液可从一个出料口排出，也可以分别从气体出口和浆液出口排出。

在一个优选的方案中，所述的底部封头是椭圆封头或球形封头或圆锥体封头，在底部封头正中设置1个浆液原料进料口，在底部封头其他部位设置1～3气体进料口。

当底部封头是圆锥体封头，圆锥体的锥角小于120°，优选15°～75°。

在另一个优选的方案中，在底部封头仅设置1～3气体进料口，不设置浆液原料进料口。此浆态床反应器更适用于费托合成反应。

气体分配器置于内置筒体下部，高于内置筒体下端10～500mm，优选100～400mm。每根内置筒体配置一只气体分配器。每个内置筒体的气体分配器的气箱与总气箱连通，总气箱固定于反应器底部，并与反应器的气体进料口连通。

所述的气体分配器由树枝形状的管子、圆环形状的管子或二者的组合构成，树枝形状的管子和圆环形管子的内径为5～200mm，优选5～100mm，进一步优选10～60mm。树枝形状的管子和/或圆环形状的管子上分布一定数量出气小孔，小孔内径为0.5～90mm，优选0.5～60mm，进一步优选1.0～30mm。所述的小孔可以向上开，也可以向下开，还可以上、下混合开。

一种上述任意一个浆态床反应器的应用，所述浆态床反应器用于煤直接加氢液化工艺、油煤临氢共炼工艺或费托合成工艺中。

浆液进料由浆液原料进料口进入浆态床反应器，气体由气体进料口引入，经总气箱后进入各气体分配器，在反应器底部，浆液原料与循环浆液混合后从内置筒体下端进入，与气体分配器出来的气体一起向上流动，从内置筒体出来的气体继续向上运动，并由顶部出料口排出反应器，大部分浆液夹带少量气泡在内置筒体的外侧向下流动，形成内循环，剩余部分浆液向上流动，经浆液槽聚集后经出料口流出反应器。所述浆态床反应器内形成了内循环，使浆液流动速度增加，其内循环的推动力便是内置筒体内、外的静压差。

总气体进料流量与浆液进料流量的体积比为5～2000Nm³/m³，优选200～1200Nm³/m³。

所述浆液进料中挟带气体，其气液比为0.5～600Nm³/m³。

浆态床反应器用于煤直接加氢液化工艺或油煤临氢共炼工艺时，反应压力为3.0～30MPa，反应温度为300～510℃范围，浆液停留时间为5～100分钟，优选10～70分钟。

所述反应器可以单独使用，也可以组合使用。在有煤粉参与的反应过程中，优选多个反应器串联使用。

本发明提供的浆态床反应器，特点是浆液在反应器内不断循环流动，无需浆液外循环，不需要外循环泵。此外，内置筒体采用合适的数量和直径比，所以不存在浆液短路问题和床层不稳定问题。该反应器增强了装置的易操作性能，从而可延长操作周期，降低操作费用。所述内循环浆态床反应器应用于浆液停留时间较长的反应过程，如煤直接加氢液化工艺或油煤临氢共处理工艺过程。

附图说明

图1是本发明提供的内循环浆态床反应器结构示意图。

图2是本发明提供的内循环浆态床反应器运行情况示意图。

图3是内置筒体布置示意图。

图4是气体分配器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。

如图1所示，本发明提供的内循环浆态床反应器包括反应器筒体1、顶部封头2和底部封头3，在顶部封头2的中心处设置气体出料口4，反应器上部设置浆液槽5，并与反应器上部侧面的浆液出料口6连通。在底部封头3正中设置浆液原料进料口7，在底部封头其他部位设置气体进料口8。反应器筒体1内设置1～160根内置筒体9，每根内置筒体1下部设置有气体分配器10。每个内置筒体的气体分配器10的气箱经管线11与总气箱12连通，总气箱12固定于反应器底部，并经管线13与反应器的气体进料口8连通。

如图2所示，本发明提供的内循环浆态床反应器操作运行状况是这样的：在一定压力和一定温度下，气体从气体进料口8进入反应器，浆液挟带少量气体从反应器底部的浆液原料进料口7进入。在反应器底部，进料浆液与循环浆液混合后从内置筒体9下端进入，与气体分配器出来的气体一起向上流动。由于气速和液速都比较高，传质、传热作用增强。从内置筒体出来的气体继续向上运动，直到从反应器顶部气体出料口4排出反应器。大部分浆液夹带少量气泡向下流动，形成内循环。其余部分浆液向上流动，在上端的浆液槽聚集并由浆液出料口6流出反应器。

图3是在反应器筒体1内设置了12个内置筒体9的布置示意图，在反应器截面均匀布置。

图4是气体分配器结构示意图，由树枝形状的管子和圆环形状的管子组合构成。

下面通过实施例对本发明的内循环式浆态床反应器及其应用予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

采用本发明的内循环式浆态床反应器进行煤直接加氢液化反应。其中，反应器筒体内径1.5米，高度25米。内置筒体内径0.35米，高9.3米，内置筒体数量10根，在反应器截面均匀布置。内置筒体下端设置气体分配器，气体分配器管子的内径为20mm，管子上的小气孔直径为5mm，数量150个。

选用一种次烟煤作为原料，其性质见表1。将煤样磨细到平均粒径为60μm，在105℃温度、高纯氮气的保护下干燥30分钟。选用以稠环芳烃为主要组分的溶剂油，经加氢处理后与煤粉配成油煤浆，浆液中固含量45％。在制浆过程中加入铁催化剂，活性组分含量1.5％。

用纯度为99％的氢气作为原料气体，气、液体积比为810Nm³/m³。煤浆经预热后泵入反应器，流量为45m³/h。在反应器压力18MPa、温度450℃操作条件下进行反应。

采集物流数据的同时，对气体、浆液采样分析。结果表明，干燥无灰基煤的转化率达到75％，汽、柴油馏分总收率为43％。

实施例2

采用和实施例1相同的浆态床反应器进行油煤临氢共炼，其他条件和煤原料与实施例1相同，只是将以稠环芳烃为主要组分的溶剂油改换为初馏点310℃的重质石油(密度1.011g/cm³)，与煤粉制成油煤浆。结果表明，干燥无灰基煤的转化率达到63％，汽、柴油馏分总收率为52％。

表1

表1中M_ad是含水量，A_d是灰分，V_daf是挥发分。ad表示空气干燥基；d表示干燥基；daf表示干燥无灰基。

实施例3

采用两个和实施例1相同的浆态床反应器串联操作的方式进行煤直接加氢液化反应。原料和操作条件与实施例1相同，结果表明，干燥无灰基煤的转化率达到93％，汽、柴油馏分收率为53％。

实施例4

采用本发明的内循环式浆态床反应器进行费托合成反应，反应器其他参数与实施例1相同，只是液体出料口向下移动5米，同时每根内置筒体中内置了换热器。以一定量石蜡为初始液体流动相，反应器底部无浆液进料口。原料气组成以一氧化碳和氢气为主，其摩尔比为CO/H₂＝1.5。原料气流量9750Nm³/h。催化剂为平均粒径60μm的铁系催化剂，催化剂重量含量为7％。反应器操作压力3.0MPa，温度260℃操作条件下CO转化率为92.7％，氢气转化率67.2％。

Claims

1.一种内循环式浆态床反应器，包括反应器筒体、顶部封头、底部封头、进料口和出料口，其特征在于，在所述反应器筒体内设置7～120根轴向平行的内置筒体，内置筒体的直径与反应器筒体的直径比例为0.05～0.23，内置筒体的高度与反应器筒体的高度比为0.1～1.0，每根内置筒体下部设置有气体分配器，所述的气体分配器由树枝形状的管子、圆环形状的管子或二者的组合构成，树枝形状的管子和圆环形管子的内径为5～200mm，所述树枝形状的管子和/或圆环形状的管子上分布出气小孔，小孔内径为0.5～90mm。

2.按照权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于，在反应器的顶部封头和/或上部侧面设置1～2个出料口。

3.按照权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于，所述的底部封头是椭圆封头或球形封头或圆锥体封头，在底部封头正中设置1个浆液原料进料口，在底部封头其他部位设置1～3气体进料口。

4.按照权利要求3所述的浆态床反应器，其特征在于，所述底部封头是圆锥体封头，圆锥体的锥角小于120°。

5.按照权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于，在底部封头设置1～3气体进料口。

6.按照权利要求1所述的浆态床反应器，其特征在于，每个内置筒体的气体分配器的气箱与总气箱连通，总气箱固定于反应器底部，并与反应器的气体进料口连通。

7.一种权利要求1-6任意一个浆态床反应器的应用，其特征在于，所述浆态床反应器用于煤直接加氢液化工艺、油煤临氢共炼工艺或费托合成工艺中。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，浆液进料由浆液原料进料口进入浆态床反应器，气体由气体进料口引入，经总气箱后进入各气体分配器，在反应器底部，浆液原料与循环浆液混合后从内置筒体下端进入，与气体分配器出来的气体一起向上流动，从内置筒体出来的气体继续向上运动，并由顶部出料口排出反应器，大部分浆液夹带少量气泡在内置筒体的外侧向下流动，形成内循环，剩余部分浆液向上流动，经浆液槽聚集后经出料口流出反应器。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，总气体进料流量与浆液进料流量的体积比为500～2000Nm³/m³。

10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述浆液进料中挟带气体，其气液比为0.5～600Nm³/m³。

11.按照权利要求7所述的方法，所述浆态床反应器用于煤直接加氢液化工艺或油煤临氢共炼工艺时，反应压力为3.0～30MPa，反应温度为300～510℃范围，浆液停留时间为5～100分钟。