專利名稱：帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相漿態(tài)床反應(yīng)器，尤其涉及一種以合成氣為原料，制備碳氫化合物的帶氣體內(nèi)部循環(huán)和漿液外部換熱的三相漿態(tài)床反應(yīng)器型式。
背景技術(shù)：
所說的合成氣由煤、天然氣、石油等碳氫化合物制取，以H2、CO、CO2為主體組分，在化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、輕紡民用工業(yè)以及運輸行業(yè)等國民經(jīng)濟部門都有廣泛的用途。
由合成氣制取氣體或液體燃料，通常在三相漿態(tài)床中，在催化劑的存在下進行，反應(yīng)所產(chǎn)生熱量被惰性液體介質(zhì)所吸收，因而反應(yīng)能夠在等溫下進行。
三相漿態(tài)床反應(yīng)器在化工過程中得到廣泛的應(yīng)有。在現(xiàn)有的文獻和專利中有許多報道。如中國專利03151109.0提供了一種連續(xù)操作的氣液固三相漿態(tài)床工業(yè)反應(yīng)器；中國專利02808984.7提供了一種用于氣/液或氣/液/固反應(yīng)的反應(yīng)器；中國專利99127184.X提供了一種氣液固三相循環(huán)反應(yīng)器；南非Sasol公司已使?jié){態(tài)床反應(yīng)器技術(shù)工業(yè)化，且該技術(shù)適合高效轉(zhuǎn)化煤基合成氣，漿態(tài)床反應(yīng)器技術(shù)成為目前最受關(guān)注的合成油技術(shù)路線。但是這種漿態(tài)反應(yīng)器催化劑的裝填量有一定的限度，所以操作中空速不能太大。
同時，目前的三相漿態(tài)床的瓶頸問題還在于固體懸浮不均勻和催化劑的分離問題。由于漿態(tài)床反應(yīng)器中催化劑懸浮量過大時，會出現(xiàn)催化劑沉降和團聚現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是公開一種帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)裝置及其應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。
本發(fā)明所說的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)裝置，包括具有圓柱狀外殼的塔式氣液固三相漿態(tài)床反應(yīng)器；垂直設(shè)置在所說的反應(yīng)器內(nèi)的管狀過濾器，所說的過濾器上端封閉，，管體為過濾網(wǎng)，下端為出口；設(shè)置在所說的反應(yīng)器內(nèi)的與設(shè)置在反應(yīng)器下部的氣體入口相連通的銳孔氣體分布器；設(shè)置在所說的反應(yīng)器上側(cè)部的液體產(chǎn)品出口；設(shè)置在所說的反應(yīng)器頂部的氣體產(chǎn)品出口；設(shè)置在所說的反應(yīng)器下側(cè)部、銳孔氣體分布器上部的循環(huán)液入口；與所說的循環(huán)液入口通過管線相連接的換熱器；與所說的換熱器出口相連接的循環(huán)泵，循環(huán)泵的出口與所說的過濾器下部的出口相連接。
本發(fā)明的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)裝置，可以用于以氫氣和一氧化碳為主的合成氣，在催化劑和液態(tài)惰性介質(zhì)的存在下，反應(yīng)生成氣體或液體燃料，所說的燃料包括甲醇、二甲醚、液態(tài)烴等。
入口氣體通過銳孔氣體分布器向上進入反應(yīng)器上部，然后與催化劑一起，在惰性介質(zhì)的攜帶下，逆流向上，同時反應(yīng)生成液體燃料，含有催化劑的惰性介質(zhì)通過管狀過濾器過濾，大顆粒催化劑被管狀過濾器擋在管狀過濾器外，小顆粒催化劑和惰性介質(zhì)通過循環(huán)泵輸送至換熱器加熱后，通過循環(huán)液入口再次進入漿態(tài)床反應(yīng)器，可以有效地降低反應(yīng)器底部催化劑的濃度，提高反應(yīng)器上部催化劑的濃度，從而達到提高催化劑軸向分布不均的效果，有效地預(yù)防催化劑沉降；若生成的為液體產(chǎn)品由液體產(chǎn)品出口排出，若生成的為氣體產(chǎn)品則由氣體產(chǎn)品出口排出；從循環(huán)泵出來的小顆粒催化劑和惰性介質(zhì)經(jīng)過兩個換熱器換熱冷卻后返回反應(yīng)器底部，即在反應(yīng)器外部形成外循環(huán)，既可以促進固體懸浮均勻，又可以有效地移走反應(yīng)熱；冷卻介質(zhì)可以為水、氣體或?qū)嵊汀?br> 操作條件為溫度220～280℃，壓力2.0～5.0Mpa，反應(yīng)器表觀氣速為0.05～2.0m/s，氣含率為10％～80％，適用的催化劑粒度為1～100μm，催化劑在漿液中的質(zhì)量百分比濃度為1％～50％，銳孔氣體分布器的銳孔處出口氣速為150～200m/s。惰性介質(zhì)循環(huán)比為5～20；所說的循環(huán)比指的是反應(yīng)器內(nèi)惰性介質(zhì)總量與循環(huán)量之比；出口甲醇濃度5～15％，其中甲醇含量95％以上，H2O含量為5％以下。一氧化碳轉(zhuǎn)化率為10～40％，催化劑選擇性為95％以上，時空產(chǎn)率10～40t/m3/d，生產(chǎn)強度1～10t/m3/d。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于在反應(yīng)器底部存在氣體內(nèi)循環(huán)、反應(yīng)器內(nèi)部實現(xiàn)催化劑在線分離，反應(yīng)器上部小顆粒催化劑和惰性介質(zhì)形成塔外換熱；反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有通過阻力降來控制氣速的銳孔氣體分布器。本發(fā)明利用流體的攜帶作用，在反應(yīng)器內(nèi)部和外部分別形成內(nèi)循環(huán)和塔外換熱，即氣體在反應(yīng)器內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)，固體和小顆粒催化劑在反應(yīng)器外部形成外換熱返回反應(yīng)器底部，可以有效地防止催化劑沉降、促進催化劑在反應(yīng)器軸向分布均勻和改善塔內(nèi)溫度分布，空時產(chǎn)率高，移走反應(yīng)熱方便，能耗低，易于實現(xiàn)大型化。


圖1為帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為星形多孔氣體分配構(gòu)件示意圖。
圖3為圖2的A-A向視圖。
圖4為網(wǎng)格形多孔氣體分配構(gòu)件示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)裝置包括具有圓柱狀外殼的塔式氣液固三相漿態(tài)床反應(yīng)器12；垂直設(shè)置在所說的反應(yīng)器12內(nèi)的管狀過濾器11，所說的過濾器11上端封閉，并呈15～75°傾斜的弧形或圓錐形；管體為過濾網(wǎng)，下端為出口；設(shè)置在所說的反應(yīng)器12內(nèi)的、與設(shè)置在反應(yīng)器12下部的氣體入口103相連通的銳孔氣體分布器13；設(shè)置在所說的反應(yīng)器12側(cè)部的液體產(chǎn)品出口102；設(shè)置在所說的反應(yīng)器12頂部的尾氣或氣體產(chǎn)品出口104；設(shè)置在所說的反應(yīng)器12下側(cè)部、銳孔氣體分布器上部的循環(huán)液入口109；與所說的循環(huán)液入口109通過管線相連接的換熱器107；與所說的換熱器107出口相連接的循環(huán)泵106，循環(huán)泵106的出口與所說的過濾器11下部的出口相連接；進一步，所說的反應(yīng)器12設(shè)有冷卻夾套101，用于移走反應(yīng)放出的熱量，控制反應(yīng)溫度；進一步，所說的反應(yīng)器12由上而下設(shè)有多個過濾器11，優(yōu)選1～10個，并與所說的循環(huán)泵106通過管線相連接；進一步，參見圖2，所說的銳孔氣體分布器包括氣體入口管1、氣體導(dǎo)入管2、導(dǎo)氣管4、多孔氣體分配構(gòu)件5和撞擊底板3；所說的氣體入口管1與氣體入口103相連通，氣體導(dǎo)入管2設(shè)置在氣體入口管1的下側(cè)，并與氣體入口管1相連通，導(dǎo)氣管4的一端與多孔氣體分配構(gòu)件5相連通，所說的多孔氣體分配構(gòu)件5上開有多個開口朝下的銳孔7，撞擊底板3設(shè)置在多孔氣體分配構(gòu)件5的下方，以密封方式與反應(yīng)器的內(nèi)壁相固定，撞擊底板3與多多孔氣體分配構(gòu)件(5)之間的空腔為撞擊室8，撞擊底板3與氣體入口管1之間的空腔為氣體緩沖室9，導(dǎo)氣管4的另一端穿過撞擊底板3，與氣體緩沖室3相連通；入口氣體由氣體入口管1進入氣體導(dǎo)入管2，然后進入氣體緩沖室9，再由導(dǎo)氣管4進入多孔氣體分配構(gòu)件5，用于對氣體的初步分配，通過開口朝下的銳孔7，在撞擊室8內(nèi)完成氣體的撞擊，以強化傳質(zhì)，然后向上進入反應(yīng)器12上部；所說的多孔氣體分配構(gòu)件5可以采用多種形式，如底部設(shè)有銳孔7的環(huán)管、如圖2所示3～30根底部設(shè)有銳孔7的直管構(gòu)成的星形或如圖4所示的底部設(shè)有銳孔7的直管構(gòu)成的網(wǎng)格形；銳孔7的直徑為0.4～10mm，開孔率為0.01～2.0％；優(yōu)選的，應(yīng)器底部到撞擊底板3的距離H1為氣體入口管1直徑的2～8倍；優(yōu)選的，撞擊底板3形狀為弧形或圓弧形，弧度為120°～150°；優(yōu)選的，導(dǎo)氣管4的直徑與氣體入口管1的直徑之比為0.5～5；優(yōu)選的，所說的過濾器為一種大孔徑的多孔陶瓷或金屬材料或多層金屬網(wǎng)。
實施例1采用圖1的反應(yīng)器和圖2的銳孔氣體分布器。
三相漿態(tài)床反應(yīng)器有效直徑為3.2m，有效高度10m，銳孔氣體分布器的銳孔直徑10mm，銳孔出口氣速為180m/s，內(nèi)置3層過濾器，銳孔7的直徑為3mm，開孔率為0.33％；反應(yīng)器底部到撞擊底板3的距離H1為200mm；氣體入口管1直徑為80mm；反應(yīng)器底部到撞擊底板3的距離H1的為200mm；撞擊底板3形狀為弧形，弧度為135°；導(dǎo)氣管4的直徑為80mm；所說的過濾器為一種孔徑為0.01mm的金屬網(wǎng)。
以年產(chǎn)30萬噸的甲醇合成為例，原料氣組成H2＝68％，CO＝27％，CO2＝3％，CH4+N2+Ar＝2％。進入三相漿態(tài)床反應(yīng)器的合成氣的壓力5.0Mpa，溫度260℃，表觀氣速0.368m/s，流量3.055×105Nm3/h；催化劑濃度10％(kg/kg)，以液體石蠟作為惰性介質(zhì)，催化劑采用南化集團研究院生產(chǎn)的C307型中低壓甲醇合成催化劑，催化劑粒度為50μm，惰性介質(zhì)循環(huán)比為10；
出口甲醇濃度11％，其中甲醇含量99％，H2O含量為1％。一氧化碳轉(zhuǎn)化率為30％，催化劑選擇性為98％，時空產(chǎn)率20t/m3/d，生產(chǎn)強度3.4t/m3/d。
實施例2采用圖1的反應(yīng)器和圖4的銳孔氣體分布器，合成氣經(jīng)費托合成得到相關(guān)烴類產(chǎn)品。
三相漿態(tài)床反應(yīng)器有效直徑為3m，有效高度12m，銳孔氣體分布器的銳孔直徑2mm，銳孔出口氣速為150m/s，內(nèi)置4層過濾器，銳孔(7)的直徑為2mm，開孔率為0.13％；反應(yīng)器底部到撞擊底板(3)的距離H1為150mm；氣體入口管(1)直徑為60mm；反應(yīng)器底部到撞擊底板(3)的距離H1的為150mm；撞擊底板(3)形狀為弧形，弧度為150°；導(dǎo)氣管(4)的直徑為60mm；所說的過濾器為一種孔徑為0.001mm的金屬網(wǎng)。原料氣組成CO/H2＝3/2，進入三相漿態(tài)床反應(yīng)器的合成氣的壓力2.5Mpa，溫度270℃，空速10000h-1，催化劑濃度10％Kg/Kg，以液體石蠟作為惰性介質(zhì)，催化劑采用中國專利200410025515.3公開的銅助劑沉淀鐵基催化劑，催化劑粒度為50μm，惰性介質(zhì)循環(huán)比為6；費托合成的評價指標(biāo)主要有CO和H2的轉(zhuǎn)化率，CH4和CO2的選擇性等。一氧化碳轉(zhuǎn)化率為91.3％，氫氣轉(zhuǎn)化率為66.5％，CH4選擇性為14.1％，CO2選擇性為29.6％。
權(quán)利要求
1.一種帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，包括具有圓柱狀外殼的塔式氣液固三相漿態(tài)床反應(yīng)器(12)；垂直設(shè)置在所說的反應(yīng)器(12)內(nèi)的管狀過濾器(11)，所說的過濾器(11)上端封閉，管體為過濾網(wǎng)，下端為出口；設(shè)置在所說的反應(yīng)器(12)內(nèi)的與設(shè)置在反應(yīng)器(12)下部的氣體入口(103)相連通的銳孔氣體分布器；設(shè)置在所說的反應(yīng)器(12)側(cè)部的液相產(chǎn)品出口(102)；設(shè)置在所說的反應(yīng)器(12)頂部的尾氣或氣相產(chǎn)品出口(104)；設(shè)置在所說的反應(yīng)器(12)下側(cè)部、銳孔氣體分布器上部的循環(huán)液入口(109)；與所說的循環(huán)液入口(109)通過管線相連接的換熱器(107)；與所說的換熱器(107)出口相連接的循環(huán)泵(106)，循環(huán)泵(106)的出口與所說的過濾器(11)下部的出口相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，所說的反應(yīng)器(12)設(shè)有冷卻夾套(101)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，所說的反應(yīng)器(12)內(nèi)由上而下設(shè)有多個過濾器(11)，并與所說的循環(huán)泵(106)通過管線相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，所說的銳孔氣體分布器包括氣體入口管(1)、氣體導(dǎo)入管(2)、導(dǎo)氣管(4)、多孔氣體分配構(gòu)件(5)和撞擊底板(3)。所說的氣體入口管(1)與氣體入口(103)相連通，氣體導(dǎo)入管(2)設(shè)置在氣體入口管(1)的下側(cè)，并與氣體入口管(1)相連通，導(dǎo)氣管(4)的一端與多孔氣體分配構(gòu)件(5)相連通，所說的多孔氣體分配構(gòu)件(5)上開有多個開口朝下的銳孔(7)，撞擊底板(3)設(shè)置在多孔氣體分配構(gòu)件(5)的下方，以密封方式與反應(yīng)器的內(nèi)壁相固定，撞擊底板(3)與多孔氣體分配構(gòu)件(5)之間的空腔為撞擊室(8)，撞擊底板(3)與氣體入口管(1)之間的空腔為氣體緩沖室(3)，導(dǎo)氣管(4)的另一端穿過撞擊底板(3)，與氣體緩沖室(3)相連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，所說的多孔氣體分配構(gòu)件(5)為底部設(shè)有銳孔(7)的環(huán)管、3～30根底部設(shè)有銳孔(7)的直管構(gòu)成的星形或底部設(shè)有銳孔(7)的直管構(gòu)成的網(wǎng)格形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，銳孔(7)的直徑為0.4～10mm，開孔率為0.01～2.0％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，反應(yīng)器底部到撞擊底板(3)的距離H1為氣體入口管(1)直徑的2～8倍，撞擊底板(3)形狀為弧形或圓弧形，弧度為120°～150°，導(dǎo)氣管(4)的直徑與氣體入口管(1)的直徑之比為0.5～5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，所說的過濾器為一種大孔徑的多孔陶瓷或金屬材料或多層金屬網(wǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8任一項所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器的應(yīng)用，其特征在于，用于以氫氣和一氧化碳為主的合成氣，在催化劑和液態(tài)惰性介質(zhì)的存在下，反應(yīng)生成氣體或液體燃料。所說的惰性介質(zhì)為惰性礦物介質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)器，其特征在于，所說的過濾器(11)上端封閉，并呈15～75°傾斜的弧形或圓錐形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶內(nèi)循環(huán)和外部換熱的漿態(tài)床反應(yīng)裝置及其應(yīng)用。包括具有圓柱狀外殼的塔式氣液固三相漿態(tài)床反應(yīng)器(12)、垂直設(shè)置在所說的反應(yīng)器(12)內(nèi)的管狀過濾器(11)、銳孔氣體分布器、換熱器(1 07)和循環(huán)泵(106)。本發(fā)明的裝置可以用于合成氣在催化劑和液態(tài)惰性介質(zhì)的存在下，反應(yīng)生成氣體或液體燃料。本發(fā)明在反應(yīng)器底部存在氣體內(nèi)循環(huán)、反應(yīng)器內(nèi)部實現(xiàn)催化劑在線分離，并利用流體的攜帶作用，在反應(yīng)器內(nèi)部和外部分別形成內(nèi)循環(huán)和塔外換熱，可以有效地防止催化劑沉降、促進催化劑在反應(yīng)器軸向分布均勻和改善塔內(nèi)溫度分布，空時產(chǎn)率高，移走反應(yīng)熱方便，能耗低，易于實現(xiàn)大型化。
文檔編號B01J8/22GK101036865SQ200710037008
公開日2007年9月19日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月31日
發(fā)明者王亦飛, 于遵宏, 蘇宜豐, 于廣鎖, 龔欣, 王輔臣, 劉海峰, 周志杰, 代正華, 王興軍, 李建輝 申請人:華東理工大學(xué)