[發明專利]漿態床反應器及其使用方法

在審

• 申請號: 201310050833.4
• 申請日: 2013-02-08
• 公開（公告）號: CN103977746A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 張小莽;羅艷寧;蔣正興;王江峰;鮑清華;陳延;黃亮;劉斌;黃巍;馮永發;孫予罕;劉小浩;廖波;安杰邏·阿莫里
• 申請（專利權）人: 上海碧科清潔能源技術有限公司;山西潞安環保能源開發股份有限公司;中國科學院上海高等研究院;碧辟(中國)投資有限公司
• 主分類號: B01J8/22
• 分類號: B01J8/22
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 江磊

技術領域

本發明涉及化工領域，尤其涉及用來通過物料外循環來強化反應器內顆粒懸浮、液固混合、及傳熱傳質的新穎的漿態床反應器，本發明還具體涉及使用該漿態床反應器進行漿態床反應的方法。

背景技術

隨著世界范圍內石油資源的日益減少，替代能源技術的開發逐漸受到重視。通過煤、天然氣、生物質等含有碳、氫資源的原料生產合成氣，再通過水煤氣變換和凈化等工藝處理合成氣，以此合成氣為原料通過費托合成技術生產烴類，同時副產含氧化合物，然后采用成熟的石油加工技術可生產出高清潔燃料、及高品質蠟等產品。這一技術路線的核心是費托合成技術。

以煤或天然氣為原料經費托合成生產液體燃料的催化劑包含兩類，一類為鐵基催化劑，另一類為鈷基催化劑。鐵基催化劑穩定性較差，70~100天就需要進行一次催化劑的更換工作，頻繁地更換催化劑導致該技術的發展受到限制。而鈷基催化劑穩定性好，可以避免頻繁更換催化劑，因此鈷基催化劑可應用于費托合成固定床反應器。但費托合成反應是一種放熱量很大的反應，固定床反應器易產生熱點和結焦問題，這使得固定床費托合成反應器的放大比較困難。在此之后，費托合成反應器又發展到循環流化床、固定流化床、和漿態床。循環流化床的流化過程難以控制，催化劑利用率低磨損嚴重，而且生產能力仍然偏低。固定流化床結構簡單，解決了催化劑利用率低和磨損問題，但只適用于高溫費托合成，不適用于生產高附加值的清潔柴油和蠟等重質餾分。

與傳統的氣固流化床相比，包含氣-液-固三相的鼓泡漿態床反應器技術在以下方面具有優勢：(1)反應熱可以有效移出，采用高活性催化劑(即高產率催化劑)仍可有效控制反應溫度，這樣反應器放大相對容易，有利于實現單系列的大型工業化生產；(2)反應器近似等溫操作，通過選擇合適的催化劑和反應溫度，可主產高附加值的清潔柴油和重質蠟等液態烴產品；(3)催化劑的運行環境得以改善，催化劑的磨損會有所降低。通過有規律地替換催化劑，平均催化劑壽命易于控制。因此，漿態床反應器技術成為費托合成生產以柴油和蠟為主要產品的主導技術。除了費-托合成工藝以外，漿態床反應器在別的包括氣-液-固三相的反應工藝中也有很廣闊的應用前景。

漿態床反應涉及到氣-液-固三相之間的傳質、傳熱及反應，其微觀尺度上顆粒的均勻懸浮、及液固均勻混合是整體反應的基礎。否則，漿態床反應器將因為顆粒團聚產生與固定床反應器相似的反應熱點問題，從而影響反應器整體的操作熱穩定性。鑒于此，漿態床反應器的設計需滿足以下兩點基本要求：(1)為了保持漿態床特性，催化劑需經特定的成型工藝制備成具有足夠機械強度的細小顆粒，以保證均勻懸浮于液體漿料中。(2)反應器直徑選取需滿足原料氣體以一定的空塔氣速鼓泡通過漿態床床層。原料氣體通過漿態床床層的氣速過小將引起催化劑顆粒沉積和團聚，而氣速過高則將造成嚴重的尾氣霧沫和顆粒夾帶。

但相比于液體介質，氣體介質的密度有限，鼓泡漿態床的空塔氣速也僅限于有限的范圍，這樣一定氣速的氣泡所提供的動能對顆粒的懸浮以及強化傳質、傳熱作用也有限。對于漿態床費托合成反應器的設計，如何設計強化的湍流和合適的內構件來強化整個反應器內的顆粒懸浮、液固均勻混合、以及三相之間的傳質、傳熱、和反應仍是其核心技術之一。

因此，本領域技術人員仍然希望能夠開發出一種漿態床反應器，其具有更好的顆粒懸浮性及液-固混合效果。

發明內容

為了解決以上問題，本發明提供了一種反應器的物料外循環裝置的新設計，同時對噴射器和下降管的位置也進行了進一步改進。優選地，物料外循環噴射進入反應器的噴射器安裝位置、個數和角度與漿態床反應器內中心布置的下降管匹配，并且噴射器出口液體具有足夠的速度頭（工程術語，動能），以此保證足夠的推力和螺旋切向攪拌作用力，由此顯著改善了漿態床反應器中顆粒懸浮及液固混合的效果。

在本發明的一個方面，提供了一種漿態床反應器，所述漿態床反應器包括：反應器筒體，設置在所述反應器筒體之內的至少一個中心下降管、設置在所述中心下降管內的至少一個中央噴射器、多個沿反應器筒體內壁設置的周邊噴射器、設置在反應器筒體底部的氣體分布器，中部外循環裝置和/或頂部外循環裝置，所述中部外循環裝置用來將反應器筒體內的至少一部分漿態物料引出并至少一部分外循環回反應器筒體，所述頂部外循環裝置用來將反應器筒體內的至少一部分氣態物料引出并將至少一部分從氣態物料中分離出的液體物質外循環回反應器筒體，其中，所述周邊噴射器沿著所述反應器筒體內壁設置，所述周邊噴射器開口方向朝向斜上方，與水平面的夾角為5°~80°，優選為10°~60°，所述周邊噴射器開口方向的水平分量沿著反應器筒體內壁的切向。