用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用權利要求

1、《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》反應器主要包括下述組件：

（1）垂直方向的直桶體高度為25-45米的反應器本體；

（2）設置在反應器底部的直接導入型或隔板分布型氣體分布器；

（3）一段或兩段主換熱器，以及輔助換熱器；

（4）設置于主換熱器上方或位于兩段主換熱器之間，分布在反應器壁面附近環(huán)形區(qū)域的多組液-固過濾分離裝置；

（5）靠近反應器壁面設置的用于改善催化劑沿反應器軸向分布的一組或多組導流管；

（6）設置在反應器內頂部的霧沫分離裝置；

（7）與上述設備配套的系統(tǒng)；

其特征在于所述的主換熱器設置在反應區(qū)下部和選擇性地配置在跨越三相反應區(qū)與氣相區(qū)上部，所述的輔助換熱器設置于所述液-固過濾分離裝置的上部；其中所述的換熱器是將換熱元件通過一組集總管件組成一組換熱組件，由多組換熱組件組成換熱器；所述換熱組件的集總管兩端設置支撐元件，支撐元件安裝在反應器壁的支撐構件上，形成懸掛結構；

所述反應器的配套系統(tǒng)包括：

（1）設置于反應器外的濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)；

（2）與反應器內設置的液固分離系統(tǒng)配套使用的、設置于反應器外的氣體清洗系統(tǒng)和/或液體清洗系統(tǒng)；

（3）用于處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)；

和/或（4）設置于該反應器上出口的預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)。

2、根據權利要求1所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的反應器采用一段主換熱器時，所述的主換熱器設置在反應區(qū)的下部；當所述的反應器采用兩段主換熱器時，所述的主換熱器設置于反應區(qū)的下部和液-固過濾分離裝置上部；其中設置于反應器下部的主換熱器的底端在氣體分布器上方0.1-3米處。

3、根據權利要求2所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中設置于反應器下部的主換熱器的底端在氣體分布器上方0.3-2.5米處。

4、根據權利要求1所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的換熱器采用U型管換熱元件或中心套管外加上升管的換熱元件。

5、根據權利要求1-4任一所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述設置于反應器外的濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)包括液體蠟接受罐及其液位調節(jié)系統(tǒng)、氣體壓力緩沖罐、穩(wěn)壓罐和精密壓力控制系統(tǒng)。

6、根據權利要求1-4任一所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述氣體清洗系統(tǒng)的主要設備包括氣體壓縮機、氣體加熱器和帶有加熱保溫功能的氣體緩沖罐，用合成氣、氮氣和來自F-T合成的合成氣作為為清洗介質；以及其中所述液體清洗系統(tǒng)的主要設備包括熱油泵和帶有加熱保溫功能的清洗液體計量罐，用液體石蠟、合成蠟或沸點大于300℃、小于380℃的F-T餾分油作為清洗介質。

7、根據權利要求1-4任一所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述用于處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)包括：在氣體分布器的分布管集總管的最低部設置連通管引出反應器外后使之與受液容器連通，并由液位控制系統(tǒng)調節(jié)和控制；或者將反應器底部封頭空間作為受液容器，并配置一套積液液位指示和控制系統(tǒng)，以便在積液達到一定水平時，通過自動控制或手動控制放出積液。

8、根據權利要求1-4任一所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述設置于該反應器上出口的預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)包括預冷凝器、氣-液分離器、小型液體接受容器和配套的閥門。

9、根據權利要求1-4任一所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，該反應器包括：

（1）垂直方向的直桶體高度為25-45米的反應器本體；

（2）設置在反應器內底部的直接導入型或隔板分布型氣體分布器，和與所述氣體分布器配套使用的處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)；

（3）分布在反應器壁面附近環(huán)形區(qū)域的多組液-固過濾分離裝置；

（4）設置在整個反應區(qū)下部的主換熱器，和可以選擇配置的、跨越三相反應區(qū)與氣相區(qū)的上部主換熱器；以及在多組液-固過濾分離裝置上部設置的輔助換熱器；

（5）靠近反應器壁面設置的一組或多組導流管；

（6）包括設置于反應器內頂部的一級冷凝型霧沫分離裝置和位于上部出口處的二級霧沫分離裝置的霧沫分離裝置，和任選地設置于反應器上部出口處的預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)、設置于反應器外的濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)和設置于反應器外的氣體清洗系統(tǒng)和/或液體清洗系統(tǒng)。

10、根據權利要求9所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的反應器本體在垂直方向的直桶體高度為28-40米，內徑為2-15米。

11、根據權利要求10所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的反應器的內徑為4-12米。

12、根據權利要求9所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的液-固過濾分離裝置垂直布置在反應器中上部，在只有一個主換熱器時，該過濾分離裝置位于主換熱器上方；在有兩個主換熱器的情況下，該過濾分離裝置位于兩段主換熱器之間；所述的液-固過濾分離裝置有多組，每組過濾分離裝置由12～60根過濾管件組成過濾管束，每根過濾管的兩端通過過渡連通導管按流體均勻分配原則與集總管連接引出反應器外，下端導出管和外部排蠟-穩(wěn)壓系統(tǒng)連接，用于移出過濾出的蠟液；上端導出管和清洗系統(tǒng)連接，用于過濾管的在線清洗。

13、根據權利要求12所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的液-固過濾分離裝置安排在靠近反應器壁的環(huán)形區(qū)域；其中所述每組過濾分離裝置由20～50根過濾管件組成過濾管束。

14、根據權利要求13所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述過濾管束的管外表面的最小間距在20-50毫米之間。

15、根據權利要求14所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述液-固過濾分離裝置的過濾管件是各種可反吹清洗的金屬過濾管，過濾部分長度為0.3-3.0米，孔徑為1-50微米。

16、根據權利要求15所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述液-固過濾分離裝置的過濾管件的過濾部分長度為0.5-2.5米，孔徑為10-30微米。

17、根據權利要求9所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的霧沫分離裝置包括設置于反應器內上部氣相區(qū)的一級霧沫分離裝置，和設置在反應器出口導管處的二級霧沫分離裝置；其中所述的二級霧沫分離裝置的結構為在反應器出口導管處連接了一個筒狀冷凝器，該冷凝器由1-8層緊密排列的換熱管圍成一個筒狀結構，下方設有錐形收集器和設置在錐底的回流導管。

18、根據權利要求9所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的一組或多組導流管設置在反應器三相懸浮床層內靠近反應器壁面的位置，用于兩段換熱器熱耦合并用來加大懸浮液循環(huán)量以達到改善催化劑沿反應器軸向分布。

19.、根據權利要求9所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的氣體分布器為直接導入型，分布在反應器底部封頭的表面，由多組環(huán)形結構組成，其向下的側面與反應器本體的底部封頭的內表面上方保持10-200毫米的距離；或者其中所述的氣體分布器是隔板式氣體分布器，其特征在于：在底部封頭上部的反應器截面設置隔板，將反應器底部封頭隔出一個自由空間，隔板上側的平面上布置氣體分布管件，分布管件通過向下的過渡管與隔板緊密連接、并穿過隔板與該自由空間連通，反應器的氣體入口位于隔板下部與該自由空間連通，進入該自由空間的入口氣體導管向下對準封頭中心內表面。

20、根據權利要求19所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的氣體分布器為直接導入型時，每組氣體分布器是在每個環(huán)形結構上帶有向側下方開設的氣體噴射孔的管件，氣體噴射孔徑在1.0-8.0毫米范圍；同時在每個環(huán)形元件之間設置有與封頭內表面連接有平行于反應器軸向的環(huán)形導流擋板，高度為10-300毫米，以保證最終上升氣流垂直向上流動；在一個圓或扇形區(qū)域的所有上述元件集總后，通過多根導管與該區(qū)域的導入反應的進氣管連通，形成一組氣體分布器。21.根據權利要求20所述的氣-液-固三相懸浮床反應器，其中所述的直接導入型氣體分布器包括1-8組所述的氣體分布器，在反應器整個底部形成均勻分布的氣體分布構件；其中所述的氣體分布器用于分布氣體的元件向下側面與反應器本體所屬的底部封頭的內表面上方保持30-150毫米的距離；所述氣體分布器向側下方開設的氣體噴射孔的孔徑為1.5-5毫米。

22、將合成氣轉化為烴類的費托合成方法，其特征在于所述方法是在權利要求1-21任意一項所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中，在費-托合成催化劑存在下進行的。

23、根據權利要求22所述的費托合成方法，其中所使用的催化劑是適用于反應溫度為240-250℃的低溫漿態(tài)床工藝使用的鐵基催化劑；或所使用的催化劑是適用于反應溫度為250-290℃的高溫漿態(tài)床工藝使用的鐵基催化劑。

24、根據權利要求23所述的費托合成方法，其中所述反應器中最大表觀氣速為0.50米/秒。

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》專利涉及F-T合成過程中使用的氣-液-固三相懸浮床反應器和其配套系統(tǒng)，尤其涉及反應器構造與尺寸設計、氣體分布器和換熱器的布局與設計、蠟與催化劑的過濾系統(tǒng)、反應器內部的導流裝置以及反應器頂部的霧沫消除裝置；以及所述的反應器在規(guī)模化費-托合成生產工藝中的應用。

圖1是《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》大型三相懸浮床反應器結構和工藝原理示意圖。

圖2是直接導入型氣體分布器在反應器底部的連接結構側面示意圖。

圖3是直接導入型氣體分布器在反應器底部截面的布置圖。

圖4是直接導入型氣體分布器在反應器底部截面的布置圖，

圖3和4給出了該反應器有4組氣體分布器的情況。

圖5是直接導入型氣體分布器的氣體分布管和其上的氣體噴射孔結構的示意圖。

圖6是隔板分布型氣體分布器在反應器底部的結構側面示意圖。

圖7是隔板分布型氣體分布器在反應器底部截面的布置圖。

圖8是下部換熱器結構示意圖，其中各換熱管合并后連接于總管。

圖9是下部換熱器結構示意圖，其中各換熱管分別連接于總管。

圖10是上部換熱器結構示意圖，其中各換熱管合并后連接于總管。

圖11是上部換熱器結構示意圖，其中各換熱管分別連接于總管。

圖12是反應器內部換熱區(qū)的截面示意圖（U形管結構）。

圖13是套管結構的換熱元件。

圖14是反應器內部換熱區(qū)的截面示意圖（套管結構）。

圖15是反應器中過濾空間的分布圖。

圖16是48根過濾管件組成的過濾器組的結構示意圖。

圖17是12根過濾管件組成的過濾器組的結構示意圖。

圖18是反應器內過濾器組的俯瞰示意圖。

圖19是過濾器組在反應器截面上的排布示意圖。

圖20是導流管的結構示意圖。

圖21是二次回流冷凝分離器的結構示意圖。

圖22是過濾-清洗系統(tǒng)的工藝流程示意圖。

圖23是預冷凝-分離系統(tǒng)的工藝流程示意圖。

圖24是導管式氣體分布器的返流漿液清理流程的結構示意圖。

圖25是隔板式氣體分布器的返流漿液清理流程的結構示意圖。

用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用專利目的

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》是提供一種適合于大型F-T合成過程的反應器系統(tǒng)，以及使用所屬反應器進行F-T合成的方法。

用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用技術方案

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》發(fā)明的反應器系統(tǒng)包括適用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其配套系統(tǒng)，是一種用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器，該反應器用于合成氣（CO H2）的費-托合成反應，所述反應是在費-托合成催化劑存在下，采用低溫漿態(tài)床工藝或高溫漿態(tài)床工藝合成費托合成油，該反應器主要包括：

1、垂直方向的直桶體高度為25-45米的反應器本體；

2、設置在反應器底部的直接導入型或隔板分布型氣體分布器；

3、設置在反應區(qū)下部的主換熱器和可以選擇配置的跨越三相反應區(qū)與氣相區(qū)上部的主換熱器，以及在分離器區(qū)域上部設置的輔助換熱器；

4、多組固體催化劑-液體重質產物分離器；

5、用于改善催化劑沿反應器軸向分布的一組或多組導流管；

6、設置在反應器內頂部的霧沫分離裝置；

7、與上述設備配套的系統(tǒng)，包括設置于反應器底部用于處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)；和任選地設置于反應器上部出口處的預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)。

該發(fā)明反應器的反應器本體是根據設計的生產規(guī)模、所使用催化劑的特點以及操作工藝約束條件確定尺寸的一個圓柱筒體，該筒體的內徑主要依據生產規(guī)模要求，在設計工藝條件下的氣體通量所確定，主要的約束條件為：

（1）反應器內氣體通過氣-液-固懸浮床形成氣-液-固鼓泡攪拌湍流狀態(tài)，造成充分的氣-液-固傳遞環(huán)境，強化反應過程中氣-液-固傳質和傳熱過程，一般要求氣體的表觀氣速大于0.20米/秒；

（2）大的氣速有利于增加反應器的生產負荷；

（3）反應器的生產負荷還應滿足傳熱條件的限制，生產負荷越大，傳熱負荷越大，會造成反應器內傳熱面積設置增加從而增加反應器的內部結構的復雜性或造成副產蒸汽壓力等級的降低；

（4）在有效的強化操作條件下，氣速的上限還會受到反應器內部上端出口處不形成過多的液固夾帶為宜，該發(fā)明要求入塔表觀氣速Uin小于0.50米/秒；

（5）過高的氣速和過大的傳熱面積也將造成催化劑的物理磨損加劇。在上述約束條件下，大型的F-T合成反應器的表觀入塔氣速Uin一般為0.3-0.5米/秒。反應器筒體內徑可以由下式確定：

其中Din是反應器筒體內徑（米）；G°是在反應溫度和壓力下，反應器底部入口處的氣體表觀體積流量（立方米/秒），一般由單臺反應器的生產規(guī)模確定；Uin是入塔表觀氣速（米/秒）；As是在反應器中的換熱器等內構件在反應器某一截面上所占的面積（平方米）；π＝3.1415926。

該發(fā)明用于F-T合成的三相懸浮床反應器本體在垂直方向的直桶體高度為25-45米，優(yōu)先選擇在28-40米范圍，適合的最大表觀氣速（反應溫度和壓力下，以反應器底部截面為基礎）為0.50米/秒，優(yōu)選表觀氣速在0.35-0.45米/秒范圍內，適用的反應器內徑在2-15米范圍，優(yōu)選的內徑在4-12米范圍。

該發(fā)明三相懸浮床反應器的反應器高度、最大表觀氣速和反應器內徑可根據用于懸浮床的系列F-T合成催化劑的轉化能力和反應器內部的流體力學行為來確定的，三者之間有相互制約和適應的關系，在優(yōu)先選擇的條件范圍內，該反應器產能以C3 烴產量計為，內徑5米時產能為16-25噸/小時，內徑8米時產能為45-70噸/小時，內徑10米時產能為70-100噸/小時，內徑為12米時產能為90-140噸/小時。

在該發(fā)明反應器的下部設置有氣體分布器，該氣體分布器可選用兩種設計方案：直接導入型或隔板分布型。

所述的直接導入型氣體分布器設置于反應器底部封頭的表面，由多組環(huán)形結構組成，其向下的側面與反應器本體的底部封頭的內表面上方保持10-200毫米的距離，優(yōu)選的，所述氣體分布器用于分布氣體的元件向下側面與反應器本體所屬的底部封頭的內表面上方保持10-200毫米，優(yōu)選30-150毫米的距離；該氣體分布器在每個環(huán)形結構上帶有向側下方開設的氣體噴射孔的管件，氣體噴射孔徑在1.0-8.0毫米范圍，優(yōu)選所述氣體噴射孔的孔徑為1.5-5毫米；該噴射孔可使氣體以20-100米/秒的氣速沖刷反應器底部封頭內表面，優(yōu)選的，所述氣體分布器向側下方開設的氣體噴射孔的孔徑為1.5-5毫米；所述氣體噴射孔可使氣體以30-90米/秒的氣速沖刷反應器底部封頭的內表面；同時在每個環(huán)形元件之間設置有與封頭內表面連接有平行于反應器軸向的環(huán)形導流擋板，高度為10-300毫米，以保證最終上升氣流垂直向上流動；在一個圓或扇形區(qū)域的所有上述元件集總后，通過多根導管與該區(qū)域的導入反應的進氣管連通，形成一組氣體分布器。

進一步地，所述的氣-液-固三相懸浮床反應器可包括1-8組所述的氣體分布器，并在反應器整個底部形成均勻分布的氣體分布構件。在一個圓或扇形區(qū)域的所有元件集總后，通過多根導管與該區(qū)域的導入反應的進氣管連通，形成一組氣體分布器。同樣的1-8組氣體分布器形成反應器整個底部均勻分布的氣體分布構件，為此，大型反應器的氣體入口導管等分成1-8路實現(xiàn)對各組分布元件的氣體導入。氣體分布器的低端設置向下連出反應器外部連通于設置在反應外部的一個小型容器，用于清除進入分布器的液體和催化劑顆粒，消除氣體分布器堵塞的問題。

該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中，所述的氣體分布器可以是隔板分布型的氣體分布器，該分布器的特征在于：在底部封頭上部的反應器截面設置隔板，將反應器底部封頭隔出一個自由空間，在隔板上側的平面上布置分布管件，分布管件通過向下的過渡管與隔板緊密連接、并穿過隔板與該自由空間連通，反應器的氣體入口位于隔板下部與該自由空間連通，進入該自由空間的入口氣體導管向下對準封頭中心內表面。漏入隔板型分布器的液體和催化劑顆粒直接進入下部自由空間，通過設在反應器封頭最底部的連通管件導出反應器外，從而保證在任何情況下氣體分布器不發(fā)生堵塞問題。

如前所述，反應器中經常發(fā)生漿液返流并在分布器中積累的問題，《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》采取了相應的措施以清理該積累漿液，保證分布器在任何情況下不被堵塞。

為克服反應器中可能發(fā)生的漿液返流并在分布器中積累，即漿液沉積的問題，該發(fā)明采取了相應的工藝措施，對該積累漿液進行清理，以保證分布器在任何情況下不被堵塞。為此，在該發(fā)明反應器底部的氣體分布器設置了處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特征是將氣體分布器的最低點與一個較大空間連通，該空間設置液位檢測設施，并能有效實施將沉積漿液導出反應器。另外，也可以將所述較大空間設置于反應器外。

具體的，為反應器設置的用于處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)包括：在分布管集總管的最低部設置連通管引出反應器外后使之與受液容器連通，并由液位控制系統(tǒng)調節(jié)和控制。或者，將底部封頭空間作為受液容器，并配置一套積液液位指示和控制系統(tǒng)，以便在積液達到一定水平時，通過自動控制或手動控制放出積液。

對于不同類型的反應器而言，例如不論是直接導入型，還是隔板式的氣體分布器，可以對上述消除漿液積累的裝置任意地進行選擇。

在該發(fā)明在反應器內設置的換熱內件可以是一段或兩段主換熱器。換熱器的設置主要是根據反應器中進行F-T合成反應所產生的反應熱效應和反應器的操作條件設計的，換熱管內采用強制循環(huán)的帶壓沸騰水（生產蒸汽）作為換熱介質，反應熱以副產水蒸氣的方式間接移出反應器的氣-液-固懸浮床層。當采用一段主換熱器時，反應區(qū)應主要限制在換熱器分布的區(qū)域，并可加設小型換熱構件組，起到對液-固過濾分離裝置所占空間的溫度調節(jié)的作用，或在氣-液界面附近上方加設同時起氣-液（固）分離作用的換熱構件。

在換熱元件的結構方面，首先考慮換熱器設計的基本工藝約束，包括工藝對換熱面積的要求、換熱管內流速（水 蒸汽兩相）、換熱管內的壓力（產生飽和蒸氣的壓力和溫度）、反應器床層溫度、反應器空間被換熱管所占比例的大小等。

在該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中，所述的反應器可設置一段主換熱器，也可以采用兩段主換熱器。在采用兩段主換熱器時，上部的主換熱器設置在液體蠟-催化劑過濾分離區(qū)域上部。設置于反應器下部的主換熱器的底端在氣體分布器上方0.1-3米處，優(yōu)選所述下部主換熱器的底端在氣體分布器上方0.3-2.5米處。

當采用兩段主換熱器時，上部換熱器設置在液體蠟-催化劑過濾分離區(qū)域上部。在過濾分離構件之間的較大空間上，考慮設置換熱元件，在兩段主換熱設計方案中，這可以與上部換熱器結合起來考慮；在一段主換熱器設計時，過濾區(qū)設置幾組小型換熱組件作為輔助換熱器，以保證過濾區(qū)域的溫度控制。

在該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中，所述換熱器可采用常規(guī)的換熱元件，例如U型管換熱元件，或是采用中心套管（內管為下降管，環(huán)隙為上升管）外加上升管的換熱元件。

根據本領域的常識，在該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中，要實現(xiàn)如此大規(guī)模的換熱，必須采用多組換熱組件，該換熱組件由所述的多組換熱元件通過一組集總管件組成，在換熱組件的集總管兩端設置支撐元件，支撐元件安裝在反應器壁的支撐構件上，形成懸掛結構，在結構上避免應力集中問題，多組換熱組件形成一段換熱器。用于移出反應熱的冷卻介質是熱水-蒸汽。該發(fā)明強調換熱器的有效設計以最大限度地回收反應產生的熱量。

在該發(fā)明的氣-液-固三相懸浮床反應器中，還包括用于分離固體催化劑和液體重質蠟產物，并移出所述的重質蠟產物的液-固過濾分離裝置。所述的液-固過濾分離裝置用于分離固體催化劑和液體重質蠟產物，并移出所述的重質蠟產物；所述的過濾分離裝置垂直布置在反應器中上部，在只有一個主換熱器時，該過濾分離裝置在主換熱器上方；在有兩段主換熱器的情況下，該過濾分離裝置設置于兩段主換熱器之間；

每組過濾分離裝置由多根過濾管件，優(yōu)選由12～60根過濾管件組成過濾管束，每根過濾管的兩端通過過渡連通導管按流體均勻分配原則與集總管連接引出反應器外，下端導出管和外部排蠟-穩(wěn)壓系統(tǒng)連接，用于移出過濾出的蠟液；上端導出管和清洗系統(tǒng)連接，用于過濾管的在線清洗；

和所述過濾管件可以是各種金屬過濾管，優(yōu)選可反吹清洗的金屬過濾管，該過濾管的流體通過孔徑為1-50微米，過濾部分長度為0.3-3.0米；通過上述過濾裝置分離后可使液蠟產物中的催化劑含量降至100ppm以下。

過濾元件是各種可以反吹清洗的金屬或陶瓷過濾管，根據催化劑顆粒在反應運行過程中的尺度分布，要求其過濾元件的孔徑小于90％以上催化劑分布的顆粒尺度，一般選擇商用的孔徑在1-50微米的燒結/纏繞金屬絲網或粉末燒結多孔金屬、多孔陶瓷作為過濾元件的過濾介質。

優(yōu)選的，在該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中，所述的液-固過濾分離裝置優(yōu)選安排在靠近反應器壁的環(huán)形區(qū)域。

優(yōu)選的，每組過濾分離裝置由12～60根過濾管件組成過濾管束，更優(yōu)選的由20-50根過濾管件組成。過濾管件的過濾部分長度為0.3-3.0米，優(yōu)先選擇長度為0.5-2.5米的范圍；所述的過濾管件可采用商用1～50微米孔徑的金屬過濾管件，優(yōu)先選擇孔徑10-30微米的過濾管件。

過濾裝置的上端導出管用于過濾管的在線清洗，采用氣體或干凈的液體作為清洗介質，下端導管用于移出過濾出的蠟液。過濾器區(qū)還可選地設置有垂直管束組成的假件，用于保持過濾器周圍的高度湍流狀態(tài)，以提高過濾效率，該發(fā)明的過濾裝置可以保證穩(wěn)定連續(xù)地使F-T重質產物，即液蠟產物中的催化劑含量降至100ppm以下，優(yōu)選方案濾出的F-T重質產物中固含量小于50ppm，更優(yōu)選小于5ppm。

由于濾餅中的催化劑仍然處于高活性狀態(tài)，因此可將其清洗并使之回到三相床層繼續(xù)實施催化作用。

在所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中，所述的過濾分離裝置垂直布置在反應器中上部，在下部換熱器上方或兩段換熱器之間，優(yōu)選將所述的液-固過濾分離裝置安排在靠近反應器壁的環(huán)形區(qū)域。

該過濾裝置所用的過濾元件是各種可以反吹清洗的金屬或陶瓷過濾管，根據催化劑顆粒在反應運行過程中的尺度分布，要求其過濾元件的孔徑小于90％以上催化劑分布的顆粒尺度，一般選擇商用的孔徑在10-30微米的燒結/纏繞金屬絲網或粉末燒結多孔金屬、多孔陶瓷作為過濾元件的過濾介質。

根據試驗結果，在三相床操作條件下，過濾區(qū)需要冷卻以保證溫度與換熱區(qū)相同，為此，上部換熱器的設置使得在過濾環(huán)型區(qū)圍繞的中心空間布置了換熱管件。這樣的結構同時起到在過濾區(qū)的氣體流通和分布，保證三相流動對過濾元件的有效沖刷，提高過濾效率。同時根據中間試驗的結果，這樣的過濾空間在大型反應器中足夠分布實際運行過濾器面積的3-5倍的過濾器組，考慮到過濾器較易損毀，設計中考慮了過濾面積適當?shù)母辉Ａ亢驮诜磻鹘Y構方面實現(xiàn)方便維護的問題。在設計一段主換熱器的情況下，過濾器區(qū)域的移熱需要單獨考慮小型換熱器構件組依據過濾器的排布進行合理配置。

對于在一組中的過濾元件的安排，根據中間試驗的結果，過濾管束的管外表面的最小間距應在20-50毫米之間，過小的間距會造成過濾管之間形成濾餅架橋、難以靠反清洗和沖刷清理干凈，使過濾表面部分失效，影響過濾負荷的提高。

為確保催化劑和重質產物蠟過濾分離的需求，還可在該發(fā)明反應器外設置與上述內部液固分離系統(tǒng)配套使用的外部設施。這些設施包括為反應器內過濾分離器有效運行而設置的器外濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)，和與反應器內過濾分離器配套使用的、設置于反應器外的清洗系統(tǒng)。反應器內的過濾分離裝置通過集總管與反應器外的排蠟-穩(wěn)壓系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)連接，所述過濾分離裝置的下端導出管和外部排蠟-穩(wěn)壓系統(tǒng)連接，用于移出過濾出的蠟液；上端導出管和清洗系統(tǒng)連接，用于過濾管的在線清洗。

將所述反應器內、外的所述設施同時使用可使催化劑和蠟的過濾分離達到非常好的效果，例如使濾出的F-T重質產物中固含量小于5ppm，并可使過濾出來的催化劑得到有效利用。

為了加大液體循環(huán)量、促進催化劑均勻分布，在該發(fā)明的反應器中設置一組或多組液體導流管來增強整個三相床層的漿液的循環(huán)量，避免由于較高的反應床層和內構件在反應器中分段布置帶來的局部循環(huán)，改善三相懸浮床反應器中催化劑的軸向分布，同時導流管在兩段換熱器之間還起到熱交換作用，有利于強化整個反應器傳熱，保證下部換熱器與反應器底部封頭之間無換熱器的空間內的熱交換，避免底部入口附近空間的過熱或飛溫。

所述的導流裝置不僅可以加大液體循環(huán)量、促進催化劑均勻分布，而且可以克服由于分段內構件結構形成的器內局部循環(huán)，并能耦合兩段換熱器負荷。所述的導流裝置可以有一組或多組，設置在反應器三相懸浮床層內靠近反應器壁面的位置，用于兩段換熱器熱耦合并用來加大懸浮液循環(huán)量以達到改善催化劑沿反應器軸向分布的目的。

該導流管件的設計原則是：（1）合理的導流管內徑確保反應器的液-固相的大量循環(huán)；（2）導流管的循環(huán)可以有效地形成催化劑在反應器軸向分布的改善；（3）導流管的軸向位置考慮兩段換熱器之間的有效循環(huán)；（4）導流管從下部換熱器向反應器底部的絕熱空間供應大量的液體以實現(xiàn)下部換熱器對反應器入口處的移熱作用。

為提高氣、液、固三相的分離效率，特別是為了降低冷凝產物中催化劑的含量，在該發(fā)明的氣-液-固三相懸浮床反應器上部還設置了霧沫分離裝置。所述的霧沫分離裝置包括設置于反應器內上部氣相區(qū)的一級霧沫分離裝置，和設置在反應器出口導管處的二級霧沫分離裝置。

具體地，反應器內上部設置的一級霧沫分離裝置是在反應器上部氣相區(qū)，在上部換熱器的上端，利用集總管的排布形成回流冷凝擋板結構，結合換熱器對氣流股的冷凝作用，對氣流夾帶的含有固體催化劑的霧沫進行一次分離；在反應器出口導管處設置有二級霧沫分離裝置，其結構為在反應器出口導管處連接了一個筒狀冷凝器，該冷凝器由1-8層緊密排列的換熱管圍成一個筒狀結構，下方設有錐形收集器，當攜帶霧沫的氣體流股經過換熱管束的縫隙冷凝碰撞后，霧沫粒度長大并在換熱管壁面被捕獲，然后形成的液膜流入底部的錐形收集器，最后通過設置在錐底的回流導管向下流至上部換熱器頂部的集總管組成的一次分離擋板上方，在此形成較大的液體回流使分離效果增強。

通過采用上述霧沫分離裝置，可大大提高分離效率，可使在反應器外的較重的一次冷凝產物中的催化劑含量達到2ppm以下，為F-T合成產物的進一步加工利用提供保障。

為進一步提高氣、液、固三相的分離效率，降低冷凝產物中催化劑的含量，該發(fā)明的反應器還任選地設置了在反應器外部的相應配套裝置，即設置于反應器上部出口處的預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)。

關于上述預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)，作為該發(fā)明反應器的外部配套設施，該系統(tǒng)設置于該反應器出口處，該系統(tǒng)主要包括預冷凝器、氣-液分離器、小型液體接受容器和配套的閥門；通過該系統(tǒng)的氣流可降溫5-10℃，其下游的冷凝產物中固含量可小于2ppm。

具體地，在該發(fā)明反應器上部還可任選的設置位于反應器出口的預冷凝-分離系統(tǒng)，以對從反應器導出氣體進行預冷凝。其特征在于，使得氣流股降溫5-10℃，該預冷凝器是一個小型列管式換熱器-余熱鍋爐系統(tǒng)，冷凝后的氣流股經過一個氣-液分離器后送入下游，該分離器下部與一個小型液體接受容器連通，該連通管上設置一個手動切斷閥和一個自動切斷閥，該液體接受容器下部與反應器通過切斷閥連通，其中的液體可以被間斷地壓入反應器三相床層上部，或可選低壓入污染產品中間儲罐進一步處理，這種預冷凝系統(tǒng)確保下游大量可冷凝產物固含量小于2ppm，其作用與上述設置于反應器內頂部的霧沫分離裝置的作用類似。

在實際應用中，此預冷凝-分離系統(tǒng)和反應器內頂部霧沫分離裝置可擇一使用或共同使用。

優(yōu)選的，該發(fā)明氣-液-固三相懸浮床反應器的六個主要部分及其布局如下：（1）垂直方向的直桶體高度為25-45米的反應器本體；（2）設置在反應器內底部用于分布氣體和防止催化劑在反應器底部沉積的直接導入型或隔板分布型氣體分布器，和與所述的氣體分布器配套使用而設置的處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)；（3）設置在整個反應區(qū)的下部的主換熱器，和可以選擇配置的、跨越三相反應區(qū)與氣相區(qū)的上部主換熱器；或者在只設置一段主換熱器的情況下，在分離器區(qū)域上部設置的換熱構件深入到分離器組間的、用于過濾區(qū)移熱的輔助換熱器；（4）設置在下部換熱器上方或兩段主換熱器之間，并分布在反應器壁面附近環(huán)形區(qū)域的多組固體催化劑-液體重質產物分離器；（5）設置在反應器三相懸浮床層內、靠近反應器壁面的，用于改善催化劑沿反應器軸向分布的多組導流管；（6）與上部主換熱器或輔助換熱器集總管結合的一級冷凝型霧沫分離裝置和位于上部出口處的二級霧沫分離裝置，和任選地設置在反應器上部出口處的預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)；并且，該反應器還任選的設置有與反應器的上述構件配套使用的其它反應器外配套裝置。

在該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應器外還設置了與上述內部設施相應的配套設施。這些設施包括例如：（1）為反應器內過濾分離器有效運行設置的器外濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)；（2）與反應器內設置的液固分離系統(tǒng)配套使用的、設置于反應器外的清洗系統(tǒng)；（3）將反應器內上部氣體導出的、與上部換熱構件耦合的回流分離構件，例如設置于反應器出口的預冷凝-分離系統(tǒng)等；和（4）為反應器底部的氣體分布器設置的處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)。

具體地，上文所述“與反應器的上述構件配套使用的其它反應器外配套裝置”是指下述外部配套設施：

（1）為反應器內過濾分離器有效運行設置的器外濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)；

和（2）與反應器內設置的液固分離系統(tǒng)配套使用的、設置于反應器外的清洗系統(tǒng)。

該發(fā)明反應器為蠟過濾設計了外部配套設施，為器外濾出蠟接受-過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括液體蠟接受罐及其液位調節(jié)系統(tǒng)、氣體壓力緩沖罐、穩(wěn)壓罐和精密壓力控制系統(tǒng)；該系統(tǒng)的啟動可采用自動或手動兩種方式。

具體地，在F-T合成過程中，反應器內的三相床層的液位必須維持在一定范圍，以此為前提，設置在反應器內的多組過濾裝置和器外的輔助系統(tǒng)可按適當?shù)某绦蜻M行液體蠟和催化劑的分離。

在反應器運行過程中，F(xiàn)-T液體蠟和部分夾帶的氣體通過導出管和開啟的切斷閥進入到液體蠟接受罐，并在其中完成氣-液分離，液體停留在該接受罐的下部，氣體經過導管進入氣體壓力緩沖罐；下部的液體送到下游進一步處理；通過液位調節(jié)系統(tǒng)使液蠟接受罐中保持一定的液位。維持此工藝正常運行所需要的壓力調節(jié)功能由精密壓力控制系統(tǒng)完成。所述的氣體壓力緩沖罐內的積液由其中設置的自動控制系統(tǒng)控制適時排出。

該發(fā)明反應器還設置了與反應器內的液固分離系統(tǒng)配套使用的、設置于反應器外的清洗系統(tǒng)，所述的清洗系統(tǒng)包括氣體清洗系統(tǒng)和/或液體清洗系統(tǒng)。

所述氣體清洗系統(tǒng)的主要設備包括氣體壓縮機、氣體加熱器和帶有加熱保溫功能的氣體緩沖罐，可用合成氣、氮氣氣體等氣體介質作為清洗介質；優(yōu)選以來自F-T合成的干凈合成氣為清洗氣體。

所述液體清洗系統(tǒng)的主要設備包括熱油泵和帶有加熱保溫功能的清洗液體計量罐，可用液體石蠟、合成蠟等作為清洗介質，優(yōu)選以合成蠟為清洗介質，更優(yōu)選采用在下游加氫以后沸點大于300℃，小于380℃的F-T餾分油作為清洗介質。

具體地，關于上述清洗系統(tǒng)，可采用合成氣、氮氣氣體介質或液體石蠟、合成蠟的液體介質，優(yōu)先選擇合成氣和合成蠟介質，且合成氣和合成蠟介質作為清洗介質可互作備用，交替使用。

所述的清洗系統(tǒng)包括一臺提供高于（最大0.8兆帕）反應器壓力的合成氣的壓縮機，氣體加熱器和氣體緩沖罐，該罐與該發(fā)明反應器中所述的分離裝置的上部引出管連通，連通管線配置至少一個自動切斷閥用于清洗氣源的啟用與關閉。包括分離出的液體產物的接受容器和與此接受容器上部氣相通過管道連通的氣體壓力緩沖容器，該壓力緩沖容器頂部設置帶有節(jié)流孔板的從合成回路引入的連續(xù)供氣管線和帶有自動調節(jié)閥以及自動切斷閥的排放氣體管線，以實現(xiàn)對過濾壓差的精密控制；該壓力緩沖容器一方面起穩(wěn)定過濾器清液側壓力的作用，另一方面對進入液體接受容器的過濾液釋放氣中夾帶的重質蠟微滴起到分離作用，以使上述排氣管線上的調節(jié)閥不受重質冷凝物的干擾。

當采用液體清洗時，該發(fā)明優(yōu)先采用可以方便得到的加氫后的F-T餾分油（如300-370℃餾分）作為清洗介質，此時，同樣地需要一臺液體介質輸送泵和一個液體緩沖罐，實現(xiàn)對過濾元件的在線清洗。

該過濾分離系統(tǒng)可以方便地通過過濾器組的啟用數(shù)量、過濾時間長短以及過濾壓差的調整來控制反應器內的液位和實現(xiàn)產物分離。

在《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》所述的氣-液-固三相懸浮床反應器中進行費-托合成反應時所使用的催化劑可以是用于此類反應的常規(guī)催化劑，包括現(xiàn)有技術中已有的此類催化劑或它們的改進型號，或用于此類反應的新催化劑，例如適用于反應溫度為240-250℃的低溫漿態(tài)床工藝使用的鐵基催化劑，其性能可達到0.3-0.6kgC3 /kgh，甲烷選擇性為2.0-5wt％，C2-C4選擇性4-12wt％；以及適用于反應溫度為250-290℃的高溫漿態(tài)床工藝使用的鐵基催化劑，其性能可達到0.4-0.9kgC3 /kgh，甲烷選擇性為2.0-4wt％，C2-C4選擇性3-10wt％。

例如，中國科學院山西煤炭化學研究所發(fā)明，中科合成油技術有限公司生產的、用于懸浮床F-T合成的系列漿態(tài)床催化劑，所述催化劑可適用于較低溫度（反應溫度為240-250℃）的低溫漿態(tài)床工藝，也可適用于較高溫度的（反應溫度為250-290℃）的高溫漿態(tài)床工藝。低溫漿態(tài)床工藝使用的專利鐵基催化劑可參見中國專利：CN1128667C、CN1159098C、CN1245255C、CN1260007C及其后續(xù)改進的催化劑；以及高溫漿態(tài)床工藝使用的專利鐵基催化劑可參見中國專利CN1199730C和CN1270822C及其后續(xù)改進的催化劑。但該發(fā)明所涉及的費-托合成反應催化劑并不局限于上述催化劑，還包括現(xiàn)有技術中所有的用于費-托合成反應的催化劑，例如依據上述催化劑而改進的漿態(tài)床催化劑，以及后續(xù)新的F-T合成催化劑系列。

基于配套使用的上述催化劑具有優(yōu)良的轉化能力，該發(fā)明的反應器可達到上限氣體處理量（合成回路90-96％的合成氣轉化率），同時催化劑在三相懸浮床中的重量濃度最大不超過35％，采用上述催化劑一般在10-20％，這是確定反應器口徑-生產規(guī)模的基本約束條件。

用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用改善效果

與現(xiàn)有技術已知的同類反應器相比，《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》反應器具有的特點：

1、入口氣體分布器的簡單結構及其配套系統(tǒng)實現(xiàn)了氣體分布、漿液有效流化，并可防止任何情況下分布器的堵塞；

2、靈活的換熱-溫度控制系統(tǒng)可保障漿態(tài)床反應器中進行充分有效的F-T合成反應；

3、結合反應器整體結構的、分布在一層的高效液-固分離系統(tǒng)可以實現(xiàn)有效的固-液分離，濾出的F-T重質產物中固含量很??；且濾餅中的催化劑在線回收到反應器床層、并保持高活性；

4、和三相懸浮床F-T合成反應器設計采用強化的催化劑分布和有效的霧沫分離等措施，保證了該發(fā)明的F-T合成反應器在可靠完成F-T合成各種工藝技術功能的同時，簡化了結構和操作、降低了反應器的造價和操作成本。

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》的反應器可用于在催化劑的作用下，和在適合的溫度和壓力下，采用低溫漿態(tài)床工藝或高溫漿態(tài)床工藝將合成氣（CO H2）轉化為烴類和少量有機含氧化合物（甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、丙酮、乙酸乙酯等）的F-T合成過程。

因此，該發(fā)明另一目的是提供了一種應用該發(fā)明的反應器有效進行費-托合成的方法，該方法是在該發(fā)明的反應器中，在費-托合成催化劑存在下，于所需的溫度和壓力下使合成氣進行費-托合成反應。

充分考慮到三相懸浮床操作時的流體力學特性以及所使用的F-T合成催化劑的特點，《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》反應器采用了湍流操作狀態(tài)，反應器的合理適用高度在30米以上，工業(yè)可操作的反應器內徑在0.28米以上，同時考慮到解決液-固分離、換熱和反應器的溫度控制、氣體分布以及消除皂沫效應和控制反應器出口氣體流股中霧沫夾帶等一系列技術問題，實現(xiàn)系統(tǒng)配套裝置的優(yōu)化布局。

例如，在進行為獲取工業(yè)化流程數(shù)據為目的小型F-T合成系統(tǒng)設計時，要實施F-T合成的結果能夠對應大型化的流程數(shù)據（包括反應器內部流體力學行為、反應器中設置的換熱部件、分離部件、氣體分布部件對反應造成的結果）有對應關系，最小反應器內徑應大于0.28米，一般選用0.3米以上，而過低的反應器高度將會使反應器的穩(wěn)定運行和液位的準確控制、防止液泛造成對運行結果的破壞性控制變得困難，因此，反應器高度應至少選用30米的規(guī)模。對此目的的項目，過大的反應器尺寸只能增加項目的運行成本。

又如，一個工業(yè)化過程的設計需要盡可能增加單臺反應器的生產規(guī)模，而經濟上理想的規(guī)模應該在50萬噸/年可液化產物以上，但同時受到反應器制造和現(xiàn)場條件的限制，為此，對該發(fā)明的反應器的規(guī)模確定需要按照需求以及各方面的實施工程條件進行。

按照上述設計思路，經過應用小型反應器和過渡性工業(yè)示范項目的中型反應器進行開發(fā)煤制油產業(yè)的各種試驗，取得了良好的結果。

F-T合成過程是指將合成氣（CO H2）轉化為烴類和少量有機含氧化合物（甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、丙酮、乙酸乙酯等）的化學轉化過程，在合成氣轉化成為上述化合物的化學反應過程中需要在催化劑的作用下、并在適合的溫度和壓力下進行，于此同時反應過程還伴隨大量的反應熱的釋放。與傳統(tǒng)的固定床反應器技術相比，采用氣-液-固三相懸浮床反應器技術可以實現(xiàn)反應溫度的有效控制和反應熱的有效移出，同時在催化劑的產能方面得到強化，有利于實現(xiàn)單系列的大型化生產。與傳統(tǒng)的流化床反應器技術相比，催化劑的反應環(huán)境得到改善，有利于降低催化劑的損失，同時有利于選擇性地合成重質餾分產物，進而有利于提高中間餾份油特別是柴油的選擇性。

德國科學家FransFischer等在上世紀初發(fā)現(xiàn)F-T反應后不久，用于該反應的氣-液-固三相懸浮床反應器就已開始進行研究開發(fā)。早期由于對該反應過程的認識及技術條件的局限性，開發(fā)的F-T合成三相反應器在實驗室得到了驗證，但進一步放大則是不合適的，主要存在的問題是：

1、實驗的結果不比傳統(tǒng)固定床反應結果好；

2、三相懸浮床需要更大的反應器容積；

3、反應器需要耐酸；

4、為了形成充分的攪拌，需要大的循環(huán)量，能耗高；

5、反應產物移出反應器較為困難。

在1940-1950年代，德國的一些研究機構以及美國礦業(yè)局等在三相懸浮床F-T合成反應器方面進行了大量的放大開發(fā)工作，驗證了采用這種合成氣通過懸浮在液相石蠟中的催化劑床層發(fā)生F-T合成反應過程放大的基本規(guī)律、特別是在較低溫度（180-250℃）下F-T的重質產物可以充當液相介質的可能性，由于對三相懸浮床系統(tǒng)在基本流體力學和F-T工藝基礎問題方面認識的局限性，早期的技術開發(fā)采用很低的空塔氣速，致使反應器的處理能力不適用于規(guī)?；墓I(yè)生產。

除了F-T合成反應本身的工藝技術約束之外，在F-T合成的氣-液-固三相懸浮床反應器開發(fā)方面起到重要作用的是對該類反應器操作狀態(tài)下的流體流動模式和諸如空塔氣速、三相鼓泡反應器內徑的有效關聯(lián)研究結果，1980年代后期到1990年代，一些研究結果事實上已經指明了滿足工業(yè)化反應器放大設計的中間試驗裝置的最小尺度，也使開發(fā)者認識到過低的反應器高度和過低的入塔氣速對工業(yè)化裝置的開發(fā)缺乏工程指導意義。1990年代，南非Sasol公司建設并運行了內徑為1米的中間放大試驗和內徑為5米的工業(yè)規(guī)模的三相懸浮床F-T合成反應器，南非Sasol公司的上述開發(fā)基本實現(xiàn)了這類反應器在工業(yè)中應用的目標。

用于F-T合成的三相懸浮床反應器技術的開發(fā)主要基于早期的三相床中可以進行F-T合成反應的基本概念驗證，圍繞強化操作以及實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行方面的有效的技術展開的，有關技術發(fā)展的背景主要有如下幾個方面：

1、氣體分布問題：氣-液-固三相F-T合成反應器的氣體分布器的研發(fā)與反應器本體的開發(fā)緊密相關，學術界所關注的主要是如何使氣體分布均勻，并盡量產生小氣泡，忽略了在高度湍流條件下大型反應器的氣體分布器對氣體的分布只對該分布器上方有限空間起作用，整個床層是靠湍流和內構件實現(xiàn)再混合-分布這一基本事實。在實際反應器應用中，氣體分布器的作用除了將反應器入口氣體均勻分布在反應器底部的截面上的作用以外，在很大程度上要求在反應底部的催化劑通過氣體分布器噴射出的氣體的攪動而不發(fā)生沉積，氣體分布器不會因為偶然的漿液進入而造成堵塞，這方面的問題在公開的資料中沒有得到考慮，例如：USP5905094涉及了一種氣體分布器，該分布器采用了在反應器封頭上方設計的隔板上加工一系列口徑向上放大的開孔，這種設計主要的問題是開孔加工難度較大、同時對隔板的強度問題沒有明確的設計補強方法，同時當反應器入口氣體偶然停止時，催化劑顆粒在上述孔中形成堆積，系統(tǒng)再啟動將遇到困難，部分孔可能不會開通而引起反應器內氣體分布不均勻等等，為此該技術的實施需要有一系列的配套手段，以保證反應器在各種情況下不發(fā)生對運行的破壞性后果，但還沒有有關這方面需要配套的工藝措施的公開資料；涉及了一種總體結構在工程設計手冊上可以查到的較為簡單的氣體分布器設計方案，氣體的導入分布也是依靠在反應器封頭上方設置隔板的方式實現(xiàn)的，氣體通過連接在一次分布管件上向下的小型噴嘴噴射進入隔板上方的三相反應區(qū)，這種設計的主要的問題是噴嘴加工仍然較為復雜，同時噴嘴的堵塞風險仍然很大，并且沒有相應防止堵塞措施的公開資料。

2、換熱系統(tǒng)的有效設計：F-T合成過程是一個典型的能源形式的轉化過程，從能量轉化角度，轉化的合成氣一方面形成烴類產物，同時會有輸入反應器能量的15-25％轉化成反應熱，為此在F-T合成中進行有效的換熱設計以保證，

（1）實現(xiàn)反應器床層的有效溫度控制；

（2）實現(xiàn)反應熱的有效移出；

（3）在啟動時實現(xiàn)熱量的供入。在大型懸浮床反應器中，換熱器的分布原則的最基本工藝要求是對反應器內的流體力學分布有利，同時能夠實現(xiàn)反應熱的有效移出。F-T合成的懸浮床反應器的換熱構件沒有系統(tǒng)可實施的設計方案，例如USP6201031B1專利中示意的采用多重U型管串聯(lián)的結構，以及專利CN1233451C提及的螺旋盤管式或迂回式多程換熱管以及有些專利提及列管式結構等均存在反應器中布置困難的問題，換熱器件結構和布置不當將引起一系列問題，其一是對流場形成不均勻干擾，其二是容易形成局部空間的過度阻塞不利于漿液循環(huán)，其三是換熱面積布置受到限制進而影響反應熱回收效率，其他的問題諸如結構震動問題、應力集中問題等均沒有形成系統(tǒng)的方案。

3、液體石蠟產品和催化劑的有效分離：F-T合成中的重質產物在反應條件下處于液態(tài)，并在三相懸浮床中會不斷積累，必須將其在線地移出反應器外。由于該重質液態(tài)石蠟與F-T合成催化劑以漿態(tài)的形式存在，為此實現(xiàn)這種操作的主要手段是需要進行液固的連續(xù)分離。由于F-T合成反應所用催化劑粒度一般為：30-200微米之間占有90％以上，適宜于采用過濾方法實現(xiàn)液-固分離。液-固的過濾分離問題是一個十分傳統(tǒng)的工程問題，在標準的化學工程手冊和出版物中均可找到作為標準單元操作的各種過濾分離技術，其中，適合于三相懸浮床（漿態(tài)床）反應器中催化劑分離的技術是管式壓濾（燭型設計或列管式設計）。與傳統(tǒng)過濾器相比，反應器自然地作為壓濾的高壓端容器，多孔過濾管件外表面用來承載濾餅、并通過處在湍流狀態(tài)下三相流體的沖刷和采取反吹清洗等措施達到濾餅進入三相床繼續(xù)發(fā)揮正常的催化作用。在公開的專利中，如USP6462098B1針對特定的F-T合成催化劑和反應器體系對過濾器的工藝原理進行了驗證，所采用的過濾裝置類似于燭型結構，下部安裝引出管，用于將分離后的重質蠟導出反應器外，同時也可以實施反吹清洗操作；報道了一套自動過濾裝置，采用列管式結構，配有上下引出管件，上部用于反吹，下部用于將過濾液導出，這種過濾設施可以設置到5層。在上述過濾裝置的技術資料中，沒有提及這種過濾裝置在反應器中集成時的結構優(yōu)化設計以滿足如下合成反應器中重要的工藝要求：

（1）過濾裝置的結構對流體力學條件的影響進而對過濾環(huán)境的影響；

（2）由于過濾裝置的固定和引出導管等對流場的干擾，有可能使得過濾裝置部分過濾介質暴露在持久的大氣泡中從而使得過濾失效問題如何避免；

（3）過濾組件的組合結構如何對過濾器組各過濾原件實現(xiàn)流體力學的均勻分配；

（4）如何有機地集成反應器中的過濾分離構件和換熱構件，以避免過濾區(qū)域較弱的移熱功能而使過濾區(qū)域、特別是濾餅上的催化劑處在過高溫度、加速整個反應床層催化劑的失效問題。

4、三相反應器中的液-固強化混合問題：對F-T合成反應器，由于換熱器、過濾分離裝置等內構件在整個反應器空間中的結構沒有完整的設計方案，因此，公開資料中對流體力學特性強化手段的有效性是不同的。沿反應器軸向往往會分段設置不同的內構件，這些內構件的合理設置會使一些流體力學特性得到強化，避如氣泡尺度分布會更有利于合成反應的有效進行，沿反應器截面徑向的流體力學分布特性得到改善等等。但是，這些內構件的存在使流場在反應器軸向存在很多復雜的結構因素，在一段內構件的主體部分流場結構具有均勻性，在兩端附近往往會有流場結構的蛻變問題，造成在三相反應區(qū)內的局部循環(huán)，影響諸如催化劑在整個床層分布的均勻性、以及換熱和分離原件的有效性。專利USP5382748、USPRE37229E、USP6201031B1報道的有關設置垂直下降管能夠增強反應器軸向的漿液循環(huán)，有利于催化劑顆粒在反應器軸向的均勻分布，驗證了三相流體化反應器通用原理的正確性，資料中沒有考慮反應器整體結構和下降管布置以及結構的關系，不具備優(yōu)化設計的基本要求。

5、反應器出口的霧沫夾帶導致冷凝產物固含量偏高的問題：在過去的研究中，反應器頂部的設計上沒有合理的方案，這可能造成的問題是反應系統(tǒng)的氣相流股中液相和催化劑夾帶過多，后續(xù)冷凝的重質油中固含量偏高，影響產品加工技術的有效實現(xiàn)，造成了產品二次凈化的難度，特別是在反應器氣-液界面偶然發(fā)生過多的泡沫甚至液泛時，還沒有系統(tǒng)解決夾帶問題的設計方案，USP6265452B1報道了在反應器氣相空間設置多塊類似于精餾塔板的構件來解決固體夾帶以及抽出部分冷凝物的方案，造成反應器的結構更加復雜，同時這些塔板能否在固體夾帶情況下正常操作沒有得到驗證，特別是夾帶的固體將使溢流堰等構件失效，一旦發(fā)生液泛事故（系統(tǒng)突然失壓大于0.1兆帕將會發(fā)生），后果將更加嚴重。

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》發(fā)明考慮到三相懸浮床操作時的流體力學特性以及所使用的F-T合成催化劑的特點，提出采用湍流操作狀態(tài)，同時反應器的合理適用高度在30米以上，工業(yè)可操作的反應器內徑在0.28米以上，同時考慮到解決液-固分離、換熱和反應器的溫度控制、氣體分布以及消除皂沫效應和控制反應器出口氣體流股中霧沫夾帶等一系列技術問題，實現(xiàn)系統(tǒng)配套裝置的優(yōu)化布局，從而發(fā)明了適用于F-T合成的三相懸浮床反應器及其相關的配套裝置。

該發(fā)明的特點是：

（1）采用高度湍流的操作條件，可以使三相懸浮床F-T合成反應器突破氣體處理量的制約，增加其產能，這種突破是基于配套該發(fā)明的催化劑（見中國專利：CN1128667C、CN1159098C、CN1245255C、CN1260007C、CN1199730C、CN1270822C，以及依上述專利而后續(xù)改進的F-T合成催化劑），催化劑優(yōu)良的轉化能力使得實現(xiàn)上限氣體處理量（合成回路90-96％的合成氣轉化率）有了保障，同時催化劑在三相懸浮床漿液中的重量濃度最大不超過35％（采用上述催化劑一般在10-25％），這是確定反應器口徑-生產規(guī)模的基本約束條件；

（2）入口氣體分布器的簡單結構以及配套系統(tǒng)實現(xiàn)了氣體分布、漿液有效流化、和防止任何情況下分布器的堵塞。

（3）靈活的換熱-溫度控制系統(tǒng)可保障漿態(tài)床反應器中進行充分有效的F-T合成反應；

（4）結合反應器整體結構的、分布在一層的高效液-固分離系統(tǒng)可以實現(xiàn)有效的固-液分離，濾出的F-T重質產物中固含量小于100ppm、一般在5ppm以下的情況下，濾餅中的催化劑仍然處于高活性狀態(tài)、被清洗并回到三相床層繼續(xù)實施催化作用；

（5）三相懸浮床F-T合成反應器設計采用強化的催化劑分布和有效的霧沫分離等措施。上述特點保證了該發(fā)明的F-T合成反應器在可靠完成F-T合成各種工藝技術功能的同時，簡化了結構和操作、降低了反應器的造價和操作成本。

該發(fā)明的三相懸浮床（也稱“漿態(tài)床”）F-T合成（Fischer-Tropsch合成，簡稱F-T合成）反應器及其配套系統(tǒng)，在工藝和工程上進行了嚴密的優(yōu)化，方案在中試規(guī)模反應器、和冷態(tài)大型試驗裝置中進行了系統(tǒng)驗證、結合計算流體力學（CFD）研究，形成了完善的反應器及其配套系統(tǒng)方案，反應器和配套系統(tǒng)的優(yōu)化配置保證反應器可以實現(xiàn)長期連續(xù)運行的基本目標。

用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用操作內容

下面結合附圖對《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》的三相懸浮床F-T合成反應器及其應用進行詳細的說明，但它們不以任何方式限制該發(fā)明。

該發(fā)明的三相懸浮床F-T合成反應器是根據生產規(guī)模和催化劑特性設計的漿態(tài)床反應器和其配套系統(tǒng)，圖-1是三相懸浮床F-T合成反應器一種組裝結構原理圖，如圖1所示該反應器和其配套系統(tǒng)（圖22-25）包括：（1）大型F-T合成反應器本體1，（2）反應器內底部用于分布氣體和防止催化劑在反應器底部沉積的氣體分布器2，和防止該分布器堵塞的器外配套系統(tǒng)（圖24、25）；（3）反應器內部設置的用于換熱的下部3，和可選的上部4換熱器或者必要的用于過濾區(qū)移熱的輔助換熱器，（4）反應器內中上部在兩段換熱構件之間設置的液固分離系統(tǒng)5，和其引出反應器后的配套穩(wěn)壓排液以及清洗系統(tǒng)（圖22），（5）設置于反應器內部的用于克服由于分段內構件結構形成的器內局部循環(huán)、加大液體循環(huán)量、促進催化劑均勻分布并能耦合兩段換熱器負荷的導流裝置6；（6）反應器內上部氣體導出空間中與上部換熱構件耦合的回流分離構件7，以及設置于反應器外氣體流股出口處的預冷凝-霧沫分離系統(tǒng)（圖23）。

如圖-1所示的是三相懸浮床F-T合成反應器一種組裝結構。在實施F-T合成反應時，按工藝設計組成的合成氣（CO H2）8通過反應氣體導入管進入設置在反應器底部的氣體分布器2，經過該分布器的氣體噴射孔形成對底部封頭表面的較強沖刷，并反彈形成均勻分布于反應器整個截面的向上的以鼓泡方式的氣流16，經過換熱器3、4以及分離裝置5等內構件的二次分布，在整個反應器氣-液-固懸浮床層中形成攪拌湍流的流場，完成傳質、F-T合成反應和傳熱，生成包括重質蠟在內的烴類產物，同時產生大量的反應熱。在上部換熱器4的中上部，包括未反應的合成氣以及反應生成的氣相產物的氣體流股通過反應器中的氣-液界面17處離開氣-液-固懸浮床層，進入反應器上部的氣相空間。并在通過上部換熱器4的頂部集總管形成的擋板結構（12-13）時對霧沫夾帶進行初步分離。初步分離霧沫夾帶的該氣流股繼續(xù)向反應器出口方向流動，并在設置于反應器頂部出口附近的回流分離構件處通過該構件的側面冷凝管束組成的環(huán)形側面進入連通于反應器頂部出口的分離構件7，在通過該構件的環(huán)形側面過程中，氣流被冷卻、形成較高沸點組分的部分冷凝，并在氣流與管束的碰撞過程中夾帶的液沫和冷凝產生的液體在冷卻管束上形成向下流動的液膜，實現(xiàn)出口氣流中霧沫的有效分離，分離霧沫和冷凝液體后的氣體流股9經過反應器頂部出口導出反應器。在F-T合成反應過程中，除了產生上述隨氣體流股帶出反應器外的產物外，重質產物將在反應器中積累，使液位17上升，為了穩(wěn)定三相懸浮床的液位，必須將懸浮液體中的F-T產物導出反應器外，同時又不希望懸浮在三相床中的固體催化劑離開反應器；該發(fā)明在兩段主換熱器的設計方案中，在下部和上部換熱器之間設置了多組固-液分離過濾器5，液體通過該過濾器組的多孔過濾表面被導出反應器外10，用調節(jié)過濾量實現(xiàn)對液位17的控制。過濾器在程序控制下可以停止過濾并進行必要的清洗，清洗流體11可以是清潔的熱氣體或熱液體。該發(fā)明采用在兩段換熱器3、4和反應器頂部回流冷凝分離構件7的換熱管束中通入加壓循環(huán)熱水12、14實現(xiàn)移熱，在管束中所產生的蒸汽13、15引出反應器外進入蒸汽包。

根據反應器的口徑，該發(fā)明的氣體分布器2（圖-1）可以分成一組或多組，圖-2、圖-3和圖-4分別示出了直接導入型氣體分布器的結構示意圖。所述的分布器在反應器橫截面上形成扇形依據反應器底部封頭形成的內表面形狀分布在反應器底部整個橢球或球面上，每組分布器通過多組氣體導管18分別連接于其進氣總管19。圖-3所示的分布器由多組管件20組成，這些分布管件首先連接于其總管21（圖-4），并通過多組氣體導管18與進氣管19連接，如圖-3、圖-4所示。為均勻的分配進氣，在該氣體分布器上分布著面向反應器底部封頭內表面的、用于氣體分布的開孔（氣體噴射孔）22，如圖-5所示。所述的氣體噴射孔開孔的大小和數(shù)量由氣體通過開孔的氣速確定，為了確保氣體分布和形成有效的對反應器底部內表面的氣流沖刷以避免催化劑在反應器底部的沉積，氣體通過開孔的流速一般大于25米/秒，但為了限制氣體分布器引起的阻力降，該發(fā)明限制該氣體流速小于100米/秒，一般取30-90米/秒，此時氣體分布器的阻力降為0.03-0.25兆帕，另外該發(fā)明的氣體噴射孔徑優(yōu)化為1.5-5.0毫米，過大的開孔容易在反應器操作波動或開停車中造成催化劑進入管件內并沉積形成局部或全部堵塞，過小的孔徑會造成加工方面的復雜性。

該發(fā)明大型三相懸浮床反應器的氣體分布器的另外一種設計方案是采用隔板分布型氣體分布器，該氣體分布器在反應器底部的連接結構及截面分布的示意圖分別如圖67所示，其中隔板23將反應器底部封頭與上部反應床層分隔開來，利用隔板進行氣體的一次分布進入在隔板上部安裝的氣體分布器20，上述隔板可以是合理設計的平面隔板或者按受壓情況設計的一個橢球封頭。對平面隔板結構，設計方案見圖-6和圖-7。

在本設計方案中，進入反應器入口導管19的氣體向下進入反應器底部被隔板23分隔出的空間，然后通過與隔板上部的氣體分布元件20連通的導管24進入氣體分布器元件，通過在分布元件的側下噴射孔進入反應器的三相反應床層。對于大型反應器，對平面隔板應進行加強處理，梁26和立柱25是用于加強隔板的重要結構部件。大型隔板在消除熱應力方面采用有關機械規(guī)范設計。

關于該發(fā)明反應器的換熱系統(tǒng)，各部分的換熱器結構如圖8-14所示。

如圖1所示，該發(fā)明在反應器內設置的換熱內件可以是一段或兩段主換熱器3、4，換熱器的設置主要是根據反應器中進行F-T合成反應（包括水煤氣變換反應）所產生的反應熱效應和反應器的操作條件設計的，換熱管內采用強制循環(huán)的帶壓沸騰水（生產蒸汽）作為換熱介質，反應熱以副產水蒸氣的方式間接移出反應器的氣-液-固懸浮床層。當采用一段主換熱器時，反應區(qū)應主要限制在換熱器分布的區(qū)域，并可加設小型換熱構件組，起到對液-固過濾裝置所占空間的溫度調節(jié)的作用，或在氣-液界面附近上方加設同時起氣-液（固）分離作用的換熱構件。

在換熱元件的結構方面（參見圖-8，圖-9，圖-10，圖-11），考慮了換熱器設計的基本工藝約束，包括管內流速（水 蒸汽兩相）、換熱管內的壓力（產生飽和蒸氣的壓力和溫度）、反應器床層溫度、反應器空間被換熱管所占比例的大小等。

該發(fā)明的換熱器的換熱管件可采用U型管或套管結構。

U型管結構（參見圖-8，圖-9，圖-10，圖-11）簡化了在反應器截面上充分均勻分布換熱管時帶來的分配和集總管件（29，30）設計的復雜性。U型管合并后（圖-8，圖-10）/或分別（圖-9，圖-11）連接到入口分布管（對下降換熱管28，可以采用單管）或出口集總管（對上升換熱管27）上。集總管29，30通過過渡導管連接到與反應器外部水-蒸汽系統(tǒng)連通的引入（31）和引出（32）導管。在運行過程中，來自循環(huán)水泵的熱水由引入導管31進入、經過過渡管件分別進入各組熱水總管29、由此分布并進入換熱管束28向下流動被加熱和部分蒸發(fā)產生蒸汽，下流到底部后經過U型彎頭進入上升管束27向上流動至蒸汽-熱水集總管30、然后經過過渡管后至蒸汽-熱水導出管32通向反應器的器壁接管導出到反應器外的蒸汽-熱水系統(tǒng)。

圖-10和圖-11所示的上部換熱器的集總管29、30被排布在反應器的同一截面上，形成該截面上小的自由空間，這種結構相當于一塊塔板形成對上升的氣相流股的氣-液分離，而換熱器構件具有造成對氣體流股的冷卻作用，使得氣流股產生部分冷凝，增加液體的聚集，強化分離效果。另外，如上設置的換熱器在反應器截面上形成均勻分布的排列（圖-12），有利于反應器中上升氣泡的分散，起到強化混合、傳質和傳熱的作用。

套管結構（圖-13、14）更利于換熱原件在反應器界面上的均勻分布并在流體力學方面有利于實現(xiàn)下降管熱水少產生蒸發(fā)的工藝要求（下降管產生太多蒸汽會引起系統(tǒng)的震動）。

套管式換熱器的主要結構見圖-13，其主要特征是：（1）換熱元件由處在中心處的套管33和以等邊三角形分布（見38）在其周圍的3支上升管34組成；（2）套管中內管是下降管，內管與外管間的環(huán)隙與上升管34具有同樣功能，來自套管式結構的集總管29，30的內管的熱水向下流經此下降管，上升的汽液介質經過該3支上升管和33的環(huán)隙進入集總套管29，30的內外管間環(huán)隙，中心套管環(huán)隙內設置用于保證環(huán)隙間距均勻的固定在內管表面的彈性支撐結構（見35、37）；（3）集總管的內管連接來自反應器外的熱水循環(huán)泵或蒸汽包的下降管，外管（環(huán)隙）連接與反應器外部的蒸汽包上升管；（4）多組上述換熱元件連接在一根集總套管上形成一組換熱組件，多組換熱組件排列形成換熱管件在反應器空間上的均勻分布（見圖-14）。

關于該發(fā)明反應器的液-固過濾系統(tǒng)，其結構如圖15-19所示。

如圖1和圖15所示，該發(fā)明在反應器內設置了多組液-固過濾分離構件5。每組過濾構件的集總管通過過渡管件（圖-15）39、40穿過反應器壁與反應器外部設備連通。

每組過濾構件由多根過濾元件組成的過濾管束41、42、43和必要的支撐盲管47構成，過濾管分組通過過渡管件44、45集總實現(xiàn)上部和下部的分別連通，最終一組由48根過濾管件組成的過濾器在上部和下部分別匯總到集總管件46后引出反應器（圖-15、圖-16）。同樣，由12根過濾管件組成的過濾器組的結構見圖-17。圖-18給出典型過濾組件（分別為12根過濾管和48根過濾管）的俯瞰示意圖。這種結構使得過濾構件組含有的過濾管數(shù)目以3、6、12、24、48、96、152任意變化，同時實現(xiàn)了對每一根過濾管件從集總管角度看，該發(fā)明的結構在流體阻力分配方面嚴格均勻。實踐證明，該發(fā)明的結構避免了過濾元件之間濾餅的架橋，非常有利于濾餅的徹底清除。對兩段主換熱器的設計，下部換熱管束（例如圖-8或圖-9所示的結構）完全處在氣-液-固三相反應區(qū)。上部換熱器（圖-1，圖-10或圖-11）部分處在三相區(qū)，部分處在氣相區(qū)。處在氣相區(qū)的設置充分考慮了反應器上部空間形成部分冷凝的環(huán)境，同時上部換熱器的集總管件設計為一個在反應器截面上占有較大（70-90％）面積的排列，該排列可以采用連接于集總管件上的擋板構件，起消除離開反應區(qū)的氣流股中的霧沫夾帶的一級分離作用，在反應器上部的換熱器分布在氣相空間的面積以使氣相流股在反應器的出口溫度與反應床層溫度差值保持在一定值（2-6℃）確定，這一溫差可以在實際操作中通過調節(jié)反應器的液位高度來實現(xiàn)優(yōu)化。換熱器的換熱管束形成在反應器整個換熱空間中的均勻分布（圖-12）。對兩段換熱方案，該發(fā)明的換熱空間考慮了兩段之間的耦合，這是通過設置在反應空間上可以強化兩段換熱空間的液體循環(huán)的垂直分布在反應器壁附近的導流管6（見圖-1）實現(xiàn)的。在整個反應器中，下部換熱器是最為重要的移熱裝置，在典型的工業(yè)化反應器中，攪拌湍流操作條件下，約55-75％的反應熱是由下部換熱器移出的。為此，該發(fā)明對下部換熱器的換熱面積進行了充分優(yōu)化，目標是在反應器中布置較大的換熱面積的同時，考慮上部和下部換熱器的熱耦合，設置在換熱區(qū)的液-固相導流管6（圖-1）的作用之一就是實現(xiàn)這種熱耦合的重要措施，由于導流管6強化了液-固懸浮相的循環(huán)，使得上下部換熱器的負荷差別減小，同時增加了反應器操作的彈性。上部換熱器所在的空間由于需要布置液-固分離裝置而使得可設置的換熱面積比下部換熱器小，這在結構約束方面自然實現(xiàn)了F-T合成反應器內部反應熱在整個反應區(qū)分布的特點，而該發(fā)明強化換熱耦合的設計使得本反應器在溫度控制方面有非常大的靈活性，特別是在這種情況下，兩段換熱器移出反應熱產生的蒸汽（對該發(fā)明所針對的系列F-T合成催化劑，產生蒸汽到過濾元件是各種適合在三相懸浮床F-T合成環(huán)境下并可以反吹清洗的過濾管），根據催化劑顆粒在反應運行過程中的尺度分布，要求其過濾元件的孔徑小于90％以上催化劑分布的顆粒尺度，一般選擇商用的孔徑在10-30微米的燒結/纏繞金屬絲網或粉末燒結多孔金屬、多孔陶瓷作為過濾元件的過濾介質。上述過濾構件分別與器外導管連接。在反應器外每一組過濾構件的引出導管上分別連接一個手動切斷閥和一個自動切斷閥，手動切斷閥用于特殊維護時使用，自動切斷閥受特殊的過濾程序通過DCS系統(tǒng)進行控制，這樣的設置實現(xiàn)了對每一組過濾構件實施單獨的控制，此后各組的引出導管匯總于總管，下端引出總管與反應器外的受液罐和穩(wěn)壓系統(tǒng)連通，作為濾出蠟的通路。構件上端的總管與清洗系統(tǒng)連通，作為過濾構件反洗的通路，在過濾操作中可以采用衡壓過濾或程序增壓過濾。過濾構件定期實施清洗。

根據中間試驗結果，在三相懸浮床操作條件下，過濾區(qū)需要冷卻以保證溫度與換熱區(qū)相同，為此，上部換熱器的設置使得在過濾環(huán)型區(qū)圍繞的中心空間布置了換熱管件。這樣的結構同時起到在過濾區(qū)的氣體流通和分布，保證三相流動對過濾元件的有效沖刷，提高過濾效率。同時根據中間試驗的結果，這樣的過濾空間在大型反應器中足夠分布實際運行過濾器面積的3-5倍的過濾器組，考慮到過濾器較易損毀，設計中考慮了過濾面積適當?shù)母辉Ａ亢驮诜磻鹘Y構方面實現(xiàn)方便維護的問題。在設計一段主換熱器的情況下，過濾器區(qū)域的移熱需要單獨考慮小型換熱器構件組依據過濾器的排布進行合理配置。

對于在一組中的過濾元件安排，根據中間試驗的結果，過濾管束的管外表面的最小間距應在20-50毫米之間，過小的間距會造成過濾管之間形成濾餅架橋、難以靠反清洗和沖刷清理干凈，使過濾表面部分失效，影響過濾負荷的提高；另外，在過濾元件上部連接較長的過渡管（密實-非過濾區(qū)）41（圖-16，圖-17），以避免由于上部集總管的遮擋引起的局部富氣泡區(qū)（氣含率大于70％）處在過濾表面上，引起液體排出量減少，本設計要求與上部集總管連接的過渡管41的長度大于300毫米，過濾管過濾面長度為1000-3000毫米。一組過濾器依靠上下的集總管和連接管組成的多邊形結構與中心的支撐盲管47連接，形成一個剛性整體，增加了過濾器的整體剛性，實現(xiàn)了對過濾元件的有效保護。

上述過濾器在大型反應器中的排布可以根據反應器的尺度和過濾器的生產能力進行設計，圖-19給出30組過濾器在大型反應器中的排布。在過濾器組之間的間隙可以設置輔助換熱構件，用于對過濾區(qū)形成有效的溫度控制。

如圖1所示，該發(fā)明在反應器氣-液-固三相區(qū)設置了多組液（固）導流管6，且所述的導流管件固定在反應器的壁面上，其作用是：（1）形成強化的液-固相循環(huán)，改善催化劑在反應區(qū)內的分布（增加上部反應區(qū)內催化劑的含量）；（2）實現(xiàn)沿反應器軸向傳熱耦合，增加兩段換熱器移熱操作的彈性。

該導流管件的設計原則是：（1）合理的導流管內徑確保反應器的液-固相的大量循環(huán)；（2）導流管的循環(huán)可以有效地形成催化劑在反應器軸向分布的改善；（3）導流管的軸向位置考慮兩段換熱器之間的有效循環(huán)；（4）導流管從下部換熱器向反應器底部的絕熱空間供應大量的液體以實現(xiàn)下部換熱器對反應器入口處的移熱作用。

該導流管結構見圖-20。導流管的上端入口是一個擴大的受液口48，下降管是一根在反應器內部垂直的直管，下端出口是面向反應器軸心的側孔49。導流管的口徑是按照設計循環(huán)量確定的，受液口48的口徑一般要求大于導流管口徑1.5～5倍。一段導流管的長度應大于5000毫米，以保證較大的液-固下落量。[0138]為了解決反應器出口的霧沫夾帶導致冷凝產物固含量偏高的問題，在該發(fā)明的反應器上部氣相區(qū)設置了一個固定于反應器出口管下部的器內冷凝分離器7（見圖1），以實現(xiàn)二次除沫分離。

在反應器上部氣相區(qū)，當反應器換熱系統(tǒng)為兩段時，分離系統(tǒng)設置是將上部換熱器和霧沫分離結構結合起來，在上部換熱器的氣相換熱區(qū)形成部分冷凝并在換熱器的最上端形成一塊塔板，造成回流分離效應，此后氣流經過一個固定于反應器的出口管50（參見圖-21）下部的器內冷凝分離器7，實現(xiàn)二次除沫分離，其具體結構見圖-21：處于反應器氣相空間的氣體必須通過一個由多層排布換熱管52圍成的桶狀側面的縫隙（見圖-21），氣流通過被冷卻-冷凝并與換熱管束52發(fā)生碰撞，達到增大液滴粒度并在換熱管表面上形成下降的液膜，進而捕獲霧沫、特別是催化劑細粒子的目的。捕獲的液體和催化劑粒子沿換熱管束下降到受液器54，經過導流管55流到二次換熱器的上部（或三相空間中），在導流管下部設置一個擋流機構（可以是滑閥58），以避免上升氣流短路引起分離效果的降低。可選地，可以在該冷凝器換熱管束的內外設置桶狀擋板59、60以強化冷凝和霧沫捕集效果。頂部冷凝分離器的冷卻介質是與反應器主換熱器的熱水-蒸汽系統(tǒng)結合起來的，但熱水循環(huán)泵單獨配置，來自熱水泵的熱水經過與反應器外部連通的導管53進入到下部集箱57，熱水經過換熱管束52部分蒸發(fā)，形成的汽-液混合介質匯總到上部集箱56，然后由導管51導出反應器到外部的蒸汽包。該發(fā)明的塔頂冷凝分離技術與已有技術相比，采用簡單結構，實現(xiàn)了回流分離，實踐證明可以確保氣體流股的一次冷凝液中固體催化劑含量降低到小于2ppm，使得F-T合成高溫冷凝分離液相產物對后續(xù)加氫催化劑的污染接近徹底消除。

為將該發(fā)明的反應器有效應用于F-T合成流程，該發(fā)明的反應器還配備了如下的器外配套的關鍵流程系統(tǒng)：（1）為反應器內過濾分離器的有效運行設置的器外濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)；（2）與反應器內設置的液固分離系統(tǒng)配套使用的、設置于反應器外的清洗系統(tǒng)；（3）將反應器內上部氣體導出的、與上部換熱構件耦合的回流分離構件，例如設置于反應器出口的換熱預冷凝-分離系統(tǒng)等；和（4）為反應器底部的氣體分布器設置的處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)。

圖-22示出了上述濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)和過濾-清洗系統(tǒng)的工藝流程示意圖。具體地說，在F-T合成過程中，反應器內的三相床層的液位維持在一定范圍作為前提條件，設置在反應器內的多組過濾裝置5按適當?shù)某绦蜻M行液體蠟和催化劑的分離。在過濾過程中，切斷閥61處于開啟狀態(tài)，切斷閥82處于關閉狀態(tài)，三相床層的固體催化劑被阻擋在反應器內，在施加在過濾原件外表面與內表面的壓差作用下，F(xiàn)-T液體蠟和部分夾帶的氣體通過過濾裝置進入到過濾元件的管內，該液體F-T蠟和夾帶氣體經過導出管和設置的切斷閥（自動和手動各一個）61進入到液體蠟接受罐62，并在62中完成氣-液分離，液體停留在該接受罐的下部，氣體經過導管64進入氣體壓力緩沖罐63。液蠟接受罐62中液體F-T石蠟（初級過濾蠟）在該罐中保持一定的液位，并經過液位調節(jié)系統(tǒng)68減壓通過管線67送到下游進一步處理。在氣體壓力緩沖罐63中，來自62的夾帶-解吸氣體進一步分離少量夾帶液體后，經過精密壓力控制系統(tǒng)69減壓后進入管線65排出本單元，該氣體壓力緩沖罐內的積液由自動控制系統(tǒng)83適時排出、并并入管線67。穩(wěn)壓罐63壓力的穩(wěn)定控制是靠從外界以恒定流量66引入的合成氣和壓力控制系統(tǒng)69聯(lián)合實現(xiàn)的。當過濾裝置實施一段時間的過濾操作后，過濾器外表面積累的固體濾餅需要被清除，此時，關閉61，停止過濾，按過濾系統(tǒng)控制程序安排清洗。過濾裝置的清洗系統(tǒng)主要由氣體清洗和液體清洗兩種方式。氣體清洗系統(tǒng)由氣體壓縮機71、氣體加熱器72和帶有加熱保溫功能的氣體緩沖罐73等主要設備組成。來自F-T合成的干凈合成氣70經過71加壓和72加熱（與反應器溫度相同）后，進入帶有加熱保溫功能的氣體緩沖罐73，該緩沖罐在壓力控制系統(tǒng)75的控制下處在設定的清洗壓力。液體清洗系統(tǒng)主要由熱油泵78和帶有加熱保溫功能的清洗液體計量罐84等主要設備組成。計量罐84總處在儲液備用狀態(tài)。補充的熱油77優(yōu)先采用在下游加氫以后沸點大于300℃小于380℃的F-T餾分油。計量罐與氣體清洗系統(tǒng)的氣體緩沖罐通過帶有自動切斷閥85的管線連接，以便在清洗時保證計量罐有足夠的壓力將液體壓入反應器內的過濾裝置。

對停止過濾的過濾器組在實施清洗時，自動閥門61關閉，自動閥門82開啟；采用氣體反吹清洗時，80、85關閉，開啟81實施反吹清洗。采用液體清洗時，關閉81，開啟80和85實施液體清洗。圖-23示出了為該發(fā)明的反應器設計的器外預冷凝-分離系統(tǒng)。在該發(fā)明反應器頂部導出的F-T合成混合氣體流股86進入主要的熱交換流程之前，可選擇地進入設置于反應器外的換熱預冷凝-分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于分離出口氣體流股中的液-固夾帶物，使下游冷凝產品不受催化劑夾帶的污染。其特征在于：對三相反應器的出口氣流股86利用一個小型換熱器（或小型余熱鍋爐）87降溫（5-10℃），冷凝出少部分重油，再經過一個氣-液分離器89，將從反應器中夾帶和冷凝下的液體分離出該氣體流股，保證進入下游的氣體流股90夾帶液-固物不會對合成重油產品造成催化劑污染，保證從氣流股冷凝下的主要合成油品的質量，為進一步加工提供基礎。在正常操作過程中，89與一個小型受液罐92連通，分離出的污染重油通過開啟的自動切斷閥91進入該受液罐保存，自動閥93關閉。當受液罐92液位處于高限時，控制系統(tǒng)關閉自動切斷閥91，開啟切斷閥94對92充壓，同時開啟93將受液罐中的污染重質油壓入反應器，可選地，這部分重質油也可以通過管線送到下游污染重質油處理系統(tǒng)實施凈化。小型換熱器87的冷流股95、96可以是主換熱流程對應的進入反應器預熱前的合成氣流股。設置本系統(tǒng)的情況下，可以取消反應器頂部的冷凝回流裝置7。

為克服可能發(fā)生漿液返流并在分布器中積累的問題，該發(fā)明采取了相應的工藝措施，以清理該積累漿液，保證分布器在任何情況下不被堵塞。圖-24和圖-25所示的設備及流程說明了所采取的技術措施。圖24和25分別是氣體分布器為直接導入型和隔板分布型的情況。對于直接導入型的氣體分布器，返流漿液的清理流程如圖24所示：該發(fā)明在分布管集總管21的最低部設置連通管98引出反應器外后與一個受液容器97通過一個球形切斷閥99連通，在正常運轉時，99常開，這樣，任何返到分布器中的漿液將及時導入受液容器97，保證分布器不被堵塞。在必要時，99可以使該受液容器與反應器隔離，以便清理漿液。該返流漿液可以從97通過管線101導入到催化劑還原處理單元。97中的積液情況可以由液位控制系統(tǒng)100調節(jié)和控制。對隔板式分布器，返流漿液的清理流程如圖25所示。在此情況下是一種簡化處理方式，即是將底部封頭空間作為受液容器，所配置的是一套積液液位指示和控制系統(tǒng)；當積液達到一定水平時，通過自動控制或手動控制放出積液。

用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用實施案例

實施例1

以下為按照該發(fā)明的技術方案用小型反應器進行中間試驗的結果。

所述的小型反應器具有以上所述反應器內和器外的各種功能構件，其中所述的換熱裝置為兩個主換熱器；所述的氣體分布器為直接導入型；所述反應器底部的氣體分布器設置的處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)為上述反應器內的設計方案。

中間試驗的小型反應器設計內徑為349毫米，高度為34米；所使用的催化劑為實施例1所公開的低溫漿態(tài)床F-T合成催化劑。最大處理合成氣量為500標準立方米/小時（氫氣 一氧化碳含量為98.8％），合成回路轉化率為94-96％，可液化產物89千克/小時。在線過濾蠟產物催化劑含量0.5-4ppm。重質冷凝產物催化劑含量＜2ppm，輕質產物催化劑含量＜0.5ppm。

實施例2

以下為按照該發(fā)明的技術方案用中型反應器進行試驗的結果。

所述的反應器具有以上所述反應器內和器外的各種功能構件，其中所述的換熱裝置為兩個主換熱器；所述的氣體分布器為直接導入型；所述反應器底部的氣體分布器設置的處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)為上述反應器外的設計方案。

所述工業(yè)示范型的中型F-T合成反應器內徑為5.3米，高度為45米。反應器內設置了該發(fā)明的上述各種功能構件。所使用的催化劑為實施例1所公開的低溫漿態(tài)床F-T合成催化劑。最大處理合成氣量為140000標準立方米/小時（氫氣 一氧化碳含量為98.6％）。合成回路轉化率94-96％，最大可液化產物產能為25噸/h，設計處理合成氣量為125000標準立方米/小時（氫氣 一氧化碳含量為98.6％），設計合成回路轉化率94％，設計可液化產物22噸/小時。該反應器各部件采取保守設計原則，預計各項指標將達到或超過設計要求。

以上已詳細描述了《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》的實施方案，對本領域技術人員來說很顯然可以做很多改進和變化而不會背離該發(fā)明的基本精神。所有這些變化和改進都在該發(fā)明的保護范圍之內。

2020年7月14日，《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應器及其應用》獲得第二十一屆中國專利獎金獎。 2100433B

2018年7月13日，《煤基費托合成—汽油組分油》發(fā)布。

2019年2月1日，《煤基費托合成—汽油組分油》實施。

2018年7月13日，《煤基費托合成—石腦油》發(fā)布。

2019年2月1日，《煤基費托合成—石腦油》實施。

圖1為《懸浮床油品加氫裝置及其應用》所述懸浮床油品加氫裝置應用的流程圖；圖2為該發(fā)明所述懸浮床反應器的主視圖。