[发明专利]用于费-托合成的气-液-固三相悬浮床反应器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及F-T合成过程中使用的气-液-固三相悬浮床反应器和其配套系统，尤其涉及反应器构造与尺寸设计、气体分布器和换热器的布局与设计、蜡与催化剂的过滤系统、反应器内部的导流装置以及反应器顶部的雾沫消除装置；以及所述的反应器在规模化费-托合成生产工艺中的应用。

背景技术

F-T合成过程是指将合成气(CO+H₂)转化为烃类和少量有机含氧化合物(甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、丙酮、乙酸乙酯等)的化学转化过程，在合成气转化成为上述化合物的化学反应过程中需要在催化剂的作用下、并在适合的温度和压力下进行，于此同时反应过程还伴随大量的反应热的释放。与传统的固定床反应器技术相比，采用气-液-固三相悬浮床反应器技术可以实现反应温度的有效控制和反应热的有效移出，同时在催化剂的产能方面得到强化，有利于实现单系列的大型化生产。与传统的流化床反应器技术相比，催化剂的反应环境得到改善，有利于降低催化剂的损失，同时有利于选择性地合成重质馏分产物，进而有利于提高中间馏份油特别是柴油的选择性。

德国科学家Frans Fischer等在上世纪初发现F-T反应后不久，用于该反应的气-液-固三相悬浮床反应器就已开始进行研究开发(F.Fischer and K.Peters，Brenst.Chem.12 286-293，1931；and H.Küster，Brenstoff-Chemie，14，3-8，1933；F.Fischer and H.Pichler，Brendstof-Chemie，20，1939，247.)。早期由于对该反应过程的认识及技术条件的局限性，开发的F-T合成三相反应器在实验室得到了验证，但进一步放大则是不合适的，主要存在的问题是：1)实验的结果不比传统固定床反应结果好；2)三相悬浮床需要更大的反应器容积；3)反应器需要耐酸；4)为了形成充分的搅拌，需要大的循环量，能耗高；5)反应产物移出反应器较为困难。在1940-1950年代，德国的一些研究机构以及美国矿业局等在三相悬浮床F-T合成反应器方面进行了大量的放大开发工作(H.Klbel，P.Ackermann and F.Engelhardt，Erdl u.Kohle，9(153)225-303，1956；B.H.Davis，Catalysis Today，71，249-300，2002.)，验证了采用这种合成气通过悬浮在液相石蜡中的催化剂床层发生F-T合成反应过程放大的基本规律、特别是在较低温度(180-250℃)下F-T的重质产物可以充当液相介质的可能性，由于对三相悬浮床系统在基本流体力学和F-T工艺基础问题方面认识的局限性，早期的技术开发采用很低的空塔气速，致使反应器的处理能力不适用于规模化的工业生产(A.P.Steynberg，M.E.Dry，B.H.Davis and B.B.Breman，in Studies in Surface Science and Catalysis 152，A.Steynberg and M.Dry(eds.)，p64-195，Elsevier B.V.，2004.；M.E.Dry，inCatalysis Science and Technology，J.R.Anderson and M.Boudart(eds.)，Springer Verlag，p 159，1981；M.E.Dry，Applied Catalysis A：General，138，319，1996.)。

除了F-T合成反应本身的工艺技术约束之外，在F-T合成的气-液-固三相悬浮床反应器开发方面起到重要作用的是对该类反应器操作状态下的流体流动模式和诸如空塔气速、三相鼓泡反应器内径的有效关联研究结果，1980年代后期到1990年代，一些研究结果事实上已经指明了满足工业化反应器放大设计的中间试验装置的最小尺度，也使开发者认识到过低的反应器高度和过低的入塔气速对工业化装置的开发缺乏工程指导意义。1990年代，南非Sasol公司建设并运行了内径为1米的中间放大试验和内径为5米的工业规模的三相悬浮床F-T合成反应器，南非Sasol公司的上述开发基本实现了这类反应器在工业中应用的目标(A.P.Steynberg，M.E.Dry，B.H.Davisand B.B.Breman，in Studies in Surface Science and Catalysis 152，A.Steynbergand M.Dry(eds.)，p64-195，Elsevier B.V.，2004.)。