專利名稱：一種調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的反應(yīng)器，具體的說，涉及一種具有由同心環(huán)式催化劑層組成多層轉(zhuǎn)子和換熱段的旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器，屬于超重力反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以天然氣、浙青、煤、生物質(zhì)等各種含碳?xì)涞脑仙a(chǎn)出合成氣(CO，CO2和H2的混合氣體)，再以合成氣為原料通過費托合成生產(chǎn)液態(tài)烴類，是一條很好的石油替代技術(shù)。費托合成(Fischer-Tropsch process),又稱F-T合成,是以合成氣為原料在催化劑和適當(dāng)條件下合成以石蠟烴為主的液體燃料工藝過程。費托合成反應(yīng)已有80余年歷史，現(xiàn)在擁有較大規(guī)模費托合成生產(chǎn)能力的有Sasol,PetroSA, Shell和Oryx公司等。近年來,隨著石油資 源的逐漸耗竭以及世界范圍內(nèi)對新能源和資源需求的不斷攀升，通過費托合成反應(yīng)制備液體燃料或高附加值化學(xué)品的途徑已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)可。已報道的費托合成反應(yīng)器有多種形式，包括固定床、流化床和漿態(tài)床等。采用固定床反應(yīng)器進(jìn)行費托反應(yīng)在半個世紀(jì)之前就已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，但反應(yīng)熱的移除和催化劑的失活問題尤為突出。由于費托合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，如果反應(yīng)熱沒有及時移走，催化劑就容易出現(xiàn)局部熱點，導(dǎo)致催化劑的失活和長鏈烷烴產(chǎn)品的選擇性降低，嚴(yán)重情況下可出現(xiàn)反應(yīng)器的瞬間飛溫現(xiàn)象，裝置不得不停車檢修。采用漿態(tài)床反應(yīng)器是解決費托合成反應(yīng)移熱問題的有效手段之一，尤其是對大型的裝置來說更是如此，但是漿態(tài)床反應(yīng)器的使用也帶來新的問題。在漿態(tài)床反應(yīng)器中，細(xì)小的催化劑顆粒與液體烴類產(chǎn)品混合在一起，它們的有效分離難度實際上并不亞于其他面臨的技術(shù)難題，這是該類反應(yīng)器面臨的最主要問題。另外，人們對漿態(tài)床中的三相流體力學(xué)行為所知甚少，這也給漿態(tài)床反應(yīng)器的放大帶來一定的困難。于1976年發(fā)展起來的超重力技術(shù)，其核心為超重力旋轉(zhuǎn)填充床。填充床內(nèi)部為一個裝滿填料的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，其離心加速度為重力加速度的數(shù)十至上千倍。超重力旋轉(zhuǎn)床利用離心力場來模擬超重力場，其核心在于對傳遞過程和微觀混合過程的極大強(qiáng)化。隨著超重力技術(shù)的迅速發(fā)展，超重力技術(shù)已經(jīng)在油田注水脫氧、超微顆粒制備、聚合物脫揮、二氧化碳捕集、精餾等領(lǐng)域(詳見中國專利92102061,95105344. 2,200710120712. 7、200810103231等)得到了應(yīng)用。但是現(xiàn)有的超重力旋轉(zhuǎn)填充床在進(jìn)行費托合成時，還是不能精確的控制反應(yīng)條件，如反應(yīng)熱不能進(jìn)一步移除，會使反應(yīng)條件不均勻、不精確，不能很好地調(diào)控產(chǎn)物的分布；反應(yīng)物在催化劑中的時間長，影響催化活性等。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供了一種用于調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的新型結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器，可以解決反應(yīng)放熱問題，從而精確控制條件，可以很好地調(diào)控反應(yīng)產(chǎn)物的分布。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下。[0007]—種用于調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的超重力旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器，包括密閉的反應(yīng)器殼體、固定有催化劑床層的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、端蓋、反應(yīng)物的進(jìn)口、產(chǎn)物的出口，其特征在于，催化反應(yīng)器轉(zhuǎn)子中布置有多層同心環(huán)式催化劑床層，催化劑層和端蓋之間密封，每兩層催化劑床層間分布有同心環(huán)式的層間換熱段，可及時移出反應(yīng)熱；間隔有層間換熱段的兩層催化劑床層是相通的，反應(yīng)物是連續(xù)通過多個催化劑床層，從而使每層催化劑都能接觸到反應(yīng)物料，反應(yīng)物的進(jìn)口位于轉(zhuǎn)子的中心，殼體上開有產(chǎn)物出口，轉(zhuǎn)子外緣設(shè)有葉片，用于將未反應(yīng)的氣體物料及產(chǎn)物輸送到氣體出口管，避免返回催化劑層。層間換熱段為相間隔的多個套管(圖I中的41)或熱管圍繞轉(zhuǎn)子中心組成的同心圓環(huán)，端蓋上設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口和出口裝置，從而實現(xiàn)換熱介質(zhì)對套管或熱管的溫控。上述催化劑床層分2層或多層固定在轉(zhuǎn)子上，每兩層環(huán)熱層間均有層間換熱段，換熱段沿轉(zhuǎn)子的徑向同心分布；熱管的外表面垂直于軸向布置有換熱翅片(見圖4的43)， 套管亦優(yōu)選帶翅片的套管(見圖3的42)。同心環(huán)式催化劑床層為固定在轉(zhuǎn)子上的包覆有催化劑顆粒的同心環(huán)式絲網(wǎng)層或者固載有催化劑活性組分的同心環(huán)整體結(jié)構(gòu)式填料。熱管或套管的制備材料為鋼，蒙耐合金，英科耐爾合金，鋁、鈦、鎳、銅、黃銅或任意前述金屬的合金，高分子材料，陶瓷，玻璃，包含高分子材料和玻璃纖維的復(fù)合材料，石英，硅，上述物質(zhì)中的一種、兩種或幾種的組合。轉(zhuǎn)子的制備材料為鋼、蒙耐合金、英科耐爾合金、鋁、鈦、鎳、銅、黃銅、或任意前述金屬的合金；高分子材料、陶瓷、玻璃、包含高分子材料和玻璃纖維的復(fù)合材料、石英、硅、或其兩種或多種的結(jié)合。上述層間換熱段為套管時，換熱介質(zhì)的進(jìn)口和出口裝置為平行于端蓋疊放著的兩塊與轉(zhuǎn)子同心的圓板，兩圓板和端蓋相互之間有空間間隔，兩圓板的周邊固定并密封在端蓋上，套管的最外層垂直密封地固定在端蓋上，套管的內(nèi)管端口穿過靠近端蓋的圓板并密封固定在圓板上，并且在此圓板上開設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口管，換熱介質(zhì)進(jìn)口管穿過最外面的圓板，最外面的圓板上設(shè)有換熱介質(zhì)出口管，換熱介質(zhì)通過套管移除熱。上述層間換熱段為熱管時，換熱介質(zhì)的進(jìn)口和出口裝置為平行于端蓋、四周密封固定于端蓋的、與轉(zhuǎn)子同心的圓板，在此圓板的直徑的兩端設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口管和出口管，熱管密封固定在端蓋上，一端位于層間換熱段，另一端位于端蓋和圓板之間，換熱介質(zhì)通過端蓋和圓板之間熱管移出熱。本實用新型的超重力反應(yīng)器包括臥式的和立式的。臥式超重力反應(yīng)器，產(chǎn)物出口設(shè)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的切向方向。在立式旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器在密封的殼體和轉(zhuǎn)子之間設(shè)有下推葉片，產(chǎn)品出口設(shè)置在殼體上轉(zhuǎn)軸的位置，并且在出口處設(shè)有軸流元件，以便于未反應(yīng)的氣體物料及產(chǎn)物及時離開反應(yīng)器。本實用新型的超重力反應(yīng)器優(yōu)選套管換熱臥式超重力反應(yīng)器(見圖1)，帶翅片的套管換熱臥式超重力反應(yīng)器(圖3)，熱管換熱臥式超重力反應(yīng)器(圖4)，熱管換熱立式超重力反應(yīng)器(圖5)。產(chǎn)物和中間產(chǎn)物在催化劑上停留時間過長是催化劑積碳的原因之一，而積碳是費托反應(yīng)催化劑失活的重要原因之一。因此，減少產(chǎn)物和中間產(chǎn)物在催化劑上的停留時間可以抑制的催化劑失活，延長催化劑的使用壽命。由于旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器可以強(qiáng)化傳質(zhì)和反應(yīng)過程，在旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器中進(jìn)行的上述轉(zhuǎn)化反應(yīng)，可以強(qiáng)化產(chǎn)物與催化劑之間的傳質(zhì)，減少產(chǎn)物擴(kuò)散對催化反應(yīng)過程的影響，通過在臥式旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的切向方向布置氣體出口管，在立式旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器氣體出口管中設(shè)置軸流元件，使反應(yīng)物迅速離開反應(yīng)環(huán)境，促使反應(yīng)物向產(chǎn)物方向移動，從而克服常規(guī)反應(yīng)器的缺點，達(dá)到提高催化劑利用效率，提高催化劑選擇性，減少副產(chǎn)物生成，降低能耗的效果。同時，由于傳熱過程的強(qiáng)化使反應(yīng)熱迅速被移除，使催化反應(yīng)更加長期平穩(wěn)地運(yùn)行。由于費托合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，催化劑會因過熱致使活性衰退，因此在反應(yīng)進(jìn)行的同時反應(yīng)熱必須及時移出催化劑床層，本實用新型的多段轉(zhuǎn)子的換熱段能夠有效地將反應(yīng)熱移出催化劑床層，根據(jù)不同反應(yīng)工藝條件，可選擇使用不同的換熱方式和換熱介質(zhì)(使用的換熱介質(zhì)包括氣體、液體)，從而保障催化劑床層的溫度精確可控，從而達(dá)到控制反應(yīng)產(chǎn)物的分布。上述調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的反應(yīng)器的應(yīng)用，費托合成反應(yīng)的催化劑安裝在轉(zhuǎn)子的催化劑床層中，反應(yīng)過程中催化劑床層始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，換熱介質(zhì)采用液體或 氣體，通過換熱介質(zhì)的進(jìn)口進(jìn)入，換熱后，通過換熱介質(zhì)出口排除，反應(yīng)物料由反應(yīng)物進(jìn)口進(jìn)入，通過高速旋轉(zhuǎn)的催化劑床層和層間換熱段，生成的產(chǎn)物由產(chǎn)物出口排出；反應(yīng)物料為煤基合成氣、天然氣基合成氣、煤層氣基合成氣或生物質(zhì)基合成氣，其組成為各種比例的C0+C02+H2，C0+H2, C02+H2 ;旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器的超重力水平為2-400g ;反應(yīng)溫度為1800C _500°C，反應(yīng)壓力為 Ι-lOOatm，氣體空速為 lOO-lOOOOOtT1。本實用新型的用于費托合成反應(yīng)的超重力反應(yīng)器具有如下優(yōu)勢通過改變催化劑的種類、用量和旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器的內(nèi)結(jié)構(gòu)及超重力水平和反應(yīng)的溫度等，可以選擇性地合成特定產(chǎn)品，費托反應(yīng)的催化劑包括各種方法制備的Co基、Ru基和Fe基等催化劑。反應(yīng)放熱被迅速帶出反應(yīng)區(qū)域，因此易于控制反應(yīng)溫度，適用于費托合成反應(yīng)并調(diào)控反應(yīng)物分布，費托合成反應(yīng)的傳質(zhì)，傳熱性能好，催化劑活性和產(chǎn)物選擇性穩(wěn)定，催化劑壽命長。

圖I是套管換熱臥式超重力反應(yīng)器示意圖；圖2是臥式超重力反應(yīng)器的側(cè)視圖；圖3是帶翅片的套管換熱臥式超重力反應(yīng)器示意圖；圖4是熱管換熱臥式超重力反應(yīng)器示意圖；圖5是熱管換熱立式超重力反應(yīng)器示意圖；I端蓋,2換熱介質(zhì)進(jìn)口，3反應(yīng)物進(jìn)口，41套管式換熱管,42外管帶翅片的套管式換熱管，43帶翅片的熱管式換熱管，5換熱介質(zhì)出口，6內(nèi)密封，7催化劑床層，8葉片，9殼體，10密封，11轉(zhuǎn)軸，12產(chǎn)物出口，13下推葉片，14軸流元件。
具體實施方式
用于調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的超重力旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器，包括密閉的反應(yīng)器殼體9 (和轉(zhuǎn)軸之間通過密封10進(jìn)行密封)、固定有催化劑床層7的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸11、端蓋I、反應(yīng)物的進(jìn)口 3、產(chǎn)物的出口 12，其特征在于，催化反應(yīng)器轉(zhuǎn)子中布置有多層同心環(huán)式催化劑床層，催化劑層和端蓋之間通過內(nèi)密封6密封，每兩層催化劑床層間分布有同心環(huán)式的層間換熱段，可及時移出反應(yīng)熱；間隔有層間換熱段的兩層催化劑床層是相通的，使反應(yīng)物在多層催化劑床層間進(jìn)行流動從而繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)物的進(jìn)口位于轉(zhuǎn)子的中心，殼體上開有產(chǎn)物出口，轉(zhuǎn)子外緣設(shè)有葉片8，用于將未反應(yīng)的氣體物料及產(chǎn)物輸送到氣體出口管，避免返回催化劑層。層間換熱段為相間隔的多個套管或熱管圍繞轉(zhuǎn)子中心組成的同心圓環(huán)，端蓋上設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口 2和出口 5裝置，從而實現(xiàn)換熱介質(zhì)對套管或熱管的溫控。旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器是臥式或立式，臥式反應(yīng)器氣體出口管沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的切向方向布置于殼體上；立式旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器在密封的殼體和轉(zhuǎn)子之間設(shè)有下推葉片，見圖5的13，氣體出口管中設(shè)有軸流元件，見圖5的14。費托合成催化劑安裝在超重力反應(yīng)器的多段轉(zhuǎn)子上，反應(yīng)過程中催化劑床層始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。合成氣由超重力反應(yīng)器的入口進(jìn)入，通過高速旋轉(zhuǎn)的催化劑床層。生成的產(chǎn)物由超重力反應(yīng)器出口排出，并經(jīng)氣相色譜分析測定。在反應(yīng)過程中放出的反應(yīng)熱可通過催化劑床層間的換熱管從反應(yīng)器中移出。根據(jù)催化劑和合成氣轉(zhuǎn)化率的不同，可以分別采用熱管、套管及帶翅片的套管進(jìn)行換熱，換熱介質(zhì)可使用液體或氣體。實施例I利用超重力反應(yīng)器進(jìn)行費托合成制石蠟反應(yīng)。合成氣為CCHH2的混合氣，C0/H2 =1/2。將Co/Si02費托催化劑放入網(wǎng)狀支撐件內(nèi)，固定于超重力反應(yīng)器的轉(zhuǎn)子上，采用套管換熱臥式超重力反應(yīng)器，見圖1，側(cè)視圖見圖2，套管為鋼材料，換熱介質(zhì)為空氣，換熱介質(zhì)的流速為I升/分鐘。反應(yīng)的工藝條件如下合成氣空速160( -1,反應(yīng)溫度210°C，反應(yīng)壓力2. 2MPa催化劑床層轉(zhuǎn)速10rpm，催化劑床層超重力水平3g超重力反應(yīng)器進(jìn)行費托合成制石蠟反應(yīng)結(jié)果
權(quán)利要求1.ー種調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的反應(yīng)器，該反應(yīng)器為超重力旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器，包括密閉的反應(yīng)器殼體、固定有催化劑床層的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、端蓋、反應(yīng)物的進(jìn)ロ、產(chǎn)物的出ロ，其特征在于，催化反應(yīng)器轉(zhuǎn)子中布置有多層同心環(huán)式催化劑床層，催化劑層和端蓋之間密封，每兩層催化劑床層間分布有同心環(huán)式的層間換熱段；間隔有層間換熱段的兩層催化劑床層是相通的，反應(yīng)物是連續(xù)通過多個催化劑床層，從而使每層催化劑都能接觸到反應(yīng)物料，反應(yīng)物的進(jìn)ロ位于轉(zhuǎn)子的中心，殼體上開有產(chǎn)物出口，轉(zhuǎn)子外緣設(shè)有葉片，用于將未反應(yīng)的氣體物料及產(chǎn)物輸送到氣體出口管，層間換熱段為相間隔的多個套管或熱管圍繞轉(zhuǎn)子中心組成的同心圓環(huán)，端蓋上設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口和出口裝置。
2.按照權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，催化劑床層分2層或多層固定在轉(zhuǎn)子上，每兩層環(huán)熱層間均有層間換熱段，換熱段沿轉(zhuǎn)子的徑向同心分布；熱管的外表面垂直于軸向布置有換熱翅片，套管為帶翅片的套管。
3.按照權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在干，同心環(huán)式催化劑床層為固定在轉(zhuǎn)子上的包覆有催化劑顆粒的同心環(huán)式絲網(wǎng)層或者固載有催化劑活性組分的同心環(huán)整體結(jié)構(gòu)式填料。
4.按照權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在干，層間換熱段為套管時，換熱介質(zhì)的進(jìn)ロ和出口裝置為平行于端蓋疊放著的兩塊與轉(zhuǎn)子同心的圓板，兩圓板和端蓋相互之間有空間間隔，兩圓板的周邊固定并密封在端蓋上，套管的最外層垂直密封地固定在端蓋上，套管的內(nèi)管端ロ穿過靠近端蓋的圓板并密封固定在圓板上，并且在此圓板上開設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)ロ管，換熱介質(zhì)進(jìn)ロ管穿過最外面的圓板，最外面的圓板上設(shè)有換熱介質(zhì)出口管，換熱介質(zhì)通過套管移除熱； 層間換熱段為熱管時，換熱介質(zhì)的進(jìn)口和出口裝置為平行于端蓋、四周密封固定于端蓋的、與轉(zhuǎn)子同心的圓板，在此圓板的直徑的兩端設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)ロ管和出口管，熱管密封固定在端蓋上，一端位于層間換熱段，另一端位于端蓋和圓板之間，換熱介質(zhì)通過端蓋和圓板之間熱管移出熱。
5.按照權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，為臥式的，產(chǎn)物出ロ設(shè)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的切向方向。
6.按照權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，為立式的，在立式旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器在密封的殼體和轉(zhuǎn)子之間設(shè)有下推葉片，產(chǎn)品出口設(shè)置在殼體上轉(zhuǎn)軸的位置，并且在出ロ處設(shè)有軸流元件。
7.按照權(quán)利要求1-6任一所述的反應(yīng)器，其特征在于，為套管換熱臥式超重力反應(yīng)器、帶翅片的套管換熱臥式超重力反應(yīng)器、熱管換熱臥式超重力反應(yīng)器或熱管換熱立式超重力反應(yīng)器。
專利摘要一種調(diào)變費托合成產(chǎn)物分布的反應(yīng)器，屬于超重力反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，包括密閉的反應(yīng)器殼體、固定有催化劑床層的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、端蓋、反應(yīng)物的進(jìn)口、產(chǎn)物的出口，主要在于旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器轉(zhuǎn)子中布置有多層同心環(huán)式催化劑床層，每兩層催化劑床層間分布有層間換熱段，層間換熱段為相間隔的多個套管或熱管圍繞轉(zhuǎn)子中心組成的同心圓環(huán)，端蓋上設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口和出口裝置，轉(zhuǎn)子外緣設(shè)有葉片。采用本旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器，通過改變催化劑的種類、用量和超重力反應(yīng)器的內(nèi)結(jié)構(gòu)及超重力水平等，可以高選擇性地合成特定組分分布的產(chǎn)品。本實用新型中新型結(jié)構(gòu)的超重力旋轉(zhuǎn)填充床催化反應(yīng)器具有定向生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物，傳質(zhì)傳熱性能好，催化劑壽命長等優(yōu)點。
文檔編號B01J8/10GK202638399SQ20122011686
公開日2013年1月2日 申請日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者陳建峰, 張燚, 初廣文, 鄒?？?申請人:北京化工大學(xué), 北京中超海奇科技有限公司