一种费托合成固定床反应器热控制系统的制作方法

本发明涉及一种费托合成固定床反应器热控制系统。

背景技术

费托合成是以合成气(氢气和一氧化碳)为原料在催化剂(铁系或钴系)和适当反应条件下，生成液体燃料的工艺过程，是非石油含碳资源高效转化利用的方法之一。

固定床反应器是化工、石化和能源领域常见的传统反应器类型，具有形式灵活多样、操作简单等特点。在固定床反应器的工业应用中，催化剂一般装填在反应管内，原料气与之接触反应，而移热介质则从反应器的壳层通过，在反应管壁进行间壁换热，将反应热移出。

如果将固定床反应器应用于费托反应过程时，如果热量传导不及时，会在反应管轴向和径向产生较大的温度梯度，尤其是反应管中心容易形成热点，引起催化剂积碳，最终导致其失活，甚至出现“飞温”现象，反应过程难以控制。因此，必须采取有效措施将固定床反应器中产生的热量及时地移出。

为了减少催化剂床层轴向和径向温度梯度，现有技术一方面在反应管外设置恒温的导热介质取走反应热；另一方面尽可能减少反应管的内径，缩短催化剂床层内反应热向外传递的距离，使得反应热尽快被导热介质取走。对于大型固定床反应器，实现此过程通常会采用汽包系统：从汽包来的循环过热水进入固定床反应器的取热介质通道，吸收反应通道传热过来的反应热后汽化，汽化产生的蒸汽外排到公用工程系统。但现有的汽包系统需耗费大量水，且热量利用不充分；此外，固定床反应器的热量传导效果也有待进一步改善。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种费托合成固定床反应器热控制系统，利用该系统不仅可以减小反应器径向和轴向温差，及时移出反应热，而且还能实现系统内部热量的高效利用和能量回收，并实现系统内水的高效循环利用。

本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：

一种费托合成固定床反应器热控制系统，包括，

固定床反应器，用于将热合成气与催化剂接触发生费托合成反应，获得含有反应产物和未反应合成气的热物料；所述固定床反应器设有过热水入口，用于接收循环过热水；固定床反应器内设有与循环过热水入口连通的移热介质通道，部分所述循环过热水在所述移热介质通道内吸收费托合成反应所产生的反应热后被汽化为蒸汽，形成循环过热水和蒸汽的混合物；

合成气预热器，用于将待预热的合成气与蒸汽进行第一次热交换，获得初步预热的合成气和所述蒸汽经热交换而形成的冷凝水；

合成气热交换器，用于将所述合成气预热器所得到的所述初步预热的合成气与所述固定床反应器所得到的热物料进行第二次热交换，以获得用于供应至固定床反应器的热合成气；

汽包，用于向所述合成气预热器中供应用于所述第一次热交换的蒸汽和向固定床反应器供应所述循环过热水以吸收反应热，还用于接收所述合成气预热器中形成的所述冷凝水和接收所述固定床反应器中形成的所述循环过热水和蒸汽的混合物，并对循环过热水和蒸汽混合物进行汽液分离以及控制蒸汽压力；

优选地，在固定床反应器中，所述循环过热水流经所述移热介质通道时吸收反应热后被汽化的部分为1-90wt％，优选10-70wt％，更优选地为20-50wt％。

优选的，所述固定床反应器包括塔体，塔体内沿轴向方向设有多个间隔平行布置的反应管，且反应管内设有放射状散热器；所述热介质通道包括相邻反应管之间及反应管与塔体内壁之间的空间所形成的通道；所述放射状散热器整体沿反应管的轴向延伸布置，放射状散热器包括沿反应管径向方向延伸的多个散热片，并使反应管的内腔被分割为多个独立的催化剂装填空腔；进一步优选的，所述放射状散热器的材质为铝材、铜材、钢材或铝合金，更优选为铝材。

优选的在反应管内布置放射状散热器：(i)可以将最难移出的轴心热量通过导热效果较好的散热材质向反应器塔体的壁面方向导出，解决了固定床反应器存在径向温度梯度大的问题；(ii)一根反应管(直径一般为10-80mm)可以当作是若干根传统列管反应器(直径一般是19-25mm)的集合，每个被散热器切割的单独区域均可视为一根独立的传统列管反应器，这种设置有助于减少反应管数量，降低反应器成本，并且反应器的放大也更方便。

优选的，所述放射状散热器的轴心设有热偶套管，所述放射状散热器包括同心的内环散热区和外环散热区，所述内环散热区内设有由所述轴心沿着径向向着外环散热区的方向延伸的多个散热片；所述外环散热区内设有多个沿着径向方向延伸的多个散热片；所述反应管的内腔被内环散热区和外环散热区的散热片分割为多个独立的催化剂装填空腔；

进一步优选的，所述反应管的内腔被分割为6-30个独立的催化剂装填空腔。

在优选的一些实施方式中，所述内环散热区的多个散热片整体呈“米”字形分布。

优选的，所述内环散热区被散热片均匀分割为多个径向截面面积相同的催化剂装填空腔；所述外环散热区被散热片分割为多个径向截面面积相同的催化剂装填空腔；进一步优选的，内环散热区和外环散热区的各个催化剂装填空腔的径向截面面积均相等；

进一步优选的，内环散热区的内半径r为整个反应管的内半径r的0.55-0.65倍。

优选的，多个反应管在塔体内均匀间隔布置；进一步优选的，多个反应管中的一根反应管沿塔体轴心布置作为中心管，其余反应管围绕该中心管均匀间隔布置；进一步优选的，任意的相邻两根反应管的中心轴线之间的距离l为反应管内半径r的3-10倍。

优选的一些具体实施方式中，所述塔体的上部或顶部设有用于输入所述热合成气的合成气入口；所述塔体的底部或下部设有用于排出所述热物料的热物料出口。

优选的，所述塔体内设有气体预分配器，气体预分配器直接与所述合成气入口连接；在所述气体预分配器和所述反应管顶部之间的空间内设有气体分配板；所述气体预分配器和气体分配板用于使由所述合成气入口输入的热合成气在进入反应管之前沿径向方向均匀分布。通过在反应器内设置气体预分配器和气体分配板，将合成气入口的合成气沿径向均匀分布后，再进入反应管参与反应，解决了合成气在反应器塔体内流动时，径向分布不均(中心气量大，壁面气量小)的问题，可提高催化剂利用率，减小反应器径向及轴向温差。

优选的，固定床反应器的循环过热水入口设于塔体侧壁靠近反应管下部的位置；

具体的，所述固定床反应器还设有过热水-蒸汽混合物出口，用于输出由所述移热介质通道出来的所述循环过热水和蒸汽混合物；优选所述过热水-蒸汽混合物出口设于塔体侧壁靠近反应管顶部的位置；

具体的，所述汽包设有与固定床反应器的所述过热水-蒸汽混合物出口相连接的蒸汽入口，以使固定床反应器中产生的所述循环过热水和蒸汽混合物循环至汽包中。

优选的，所述合成气预热器和所述汽包之间还设有冷凝水罐和汽包补水泵，所述冷凝水罐与所述合成气预热器的冷凝水出口相连，用于储存合成气预热器所得到的冷凝水；所述汽包补水泵用于将冷凝水罐中的冷凝水泵送至汽包中；

优选的，所述汽包和所述固定床反应器之间连接有过热水泵，用于将汽包中的循环过热水泵送至固定床反应器中。

在一些优选实施方式中，所述固定床反应器的合成气入口上连接有合成气入口温度控制回路，用于对将要进入所述合成气入口的合成气温度进行控制；所述汽包的蒸汽出口连接有压力控制阀门以及用于控制该阀门开度的固定床反应器温度控制回路；

优选的，由所述汽包供应至合成气预热器的蒸汽为中低压蒸汽，温度为200-285℃，压力为1.5-7.0mpa。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明的系统，利用汽包中的蒸汽与合成气进行第一次热交换来预热合成气，并将该合成气进一步用固定床反应器排出的热物料进行第二次热交换，得到用于费托合成反应的热合成气，使得系统中的热量得到充分利用。同时，在第一次热交换中，来自汽包的蒸汽与合成气进行热交换而被转化成冷凝水，冷凝水再被循环至汽包中，该冷凝水在汽包中达到过热温度后作为循环过热水输入到固定床反应器中吸收反应热，进而转变为蒸汽，利用该系统实现了系统内水的封闭式循环利用，同时使得系统内热量高效利用，能量得到回收，同时还预热了待进入固定床反应器的合成气，并移走反应热，控制固定床反应器的反应温度。

本发明利用汽包排出的蒸汽，特别是中低压蒸汽(温度220-285℃，压力1.5-7.0mpa)，以及利用反应器出口热物料先后对合成气进行预热，实现系统内部热量高效利用及能量回收，同时预热进入固定床反应器的合成气。

本发明的系统，优选固定床反应器的反应管内布置放射状散热器，将反应管的内腔分割为多个独立的催化剂装填空腔；更优选为包括同心的内环散热区和外环散热区，可以达到更佳的移热效果，更大程度的减小反应器径向和轴向温差。

附图说明

图1为一种实施方式中费托合成固定床反应器热控制系统的示意图；

图2为一种实施方式中反应管内放射状散热器的结构示意图；

图3为一种实施方式中固定床反应器中反应管的排布示意图。

图4为气体预分配器的侧视示意图；

图5为气体预分配器的俯视示意图；

图6为气体分配板俯视示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于以下实施例。

本发明提供的费托合成固定床反应器热控制系统，参见图1，主要包括固定床反应器1，合成气预热器3，汽包2和合成气热交换器7。其中，固定床反应器1，用于将热合成气与催化剂接触发生费托合成反应，获得含有反应产物和未反应合成气的热物料；固定床反应器1设有过热水入口，用于接收循环过热水；固定床反应器1内设有与循环过热水入口连通的移热介质通道，部分(例如1-90％，优选10-70％，更优选20-50％)循环过热水在移热介质通道内吸收费托合成反应所产生的反应热后被汽化为蒸汽，形成循环过热水和蒸汽的混合物。合成气预热器3，用于将待预热的合成气与来自汽包2的蒸汽进行第一次热交换，获得初步预热的合成气和由蒸汽经热交换而形成的冷凝水。合成气热交换器7，用于将合成气预热器3所得到的初步预热的合成气与固定床反应器1所得到的热物料进行第二次热交换，以获得用于供应至固定床反应器1的热合成气。汽包2，用于向合成气预热器3中供应用于第一次热交换的蒸汽，以及向固定床反应器供应循环过热水以吸收反应热，还用于接收合成气预热器中形成的冷凝水和接收固定床反应器中形成的循环过热水和蒸汽的混合物，并对循环过热水和蒸汽混合物进行汽液分离以及控制蒸汽压力。固定床反应器1内设有与过热水入口连通的移热介质通道，循环过热水经过热水入口进入至移热介质通道内，吸收费托合成反应所产生的反应热，在这一过程中，部分过热水被汽化为蒸汽，未汽化的过热水与汽化了的蒸汽形成水汽混合物(即循环过热水和蒸汽的混合物)通过反应器1内的移热介质通道的出口(或称为过热水-蒸汽混合物出口)流出反应器1。汽包2还设有与固定床反应器1的过热水-蒸汽混合物出口相连接的水汽混合物入口，以使固定床反应器1中流出的过热水和蒸汽循环至汽包2中进行利用。

固定床反应器1主要包括塔体，塔体内沿轴向方向设有多个反应管10，这些反应管10间隔平行布置。而且每个反应管10内均设有放射状散热器23。放射状散热器23在反应管10内整体沿反应管10的轴向延伸布置，放射状散热器23包括多个散热片16、17，而且这些散热片沿反应管10的径向方形延伸，纵向上沿反应管10轴向延伸，使得反应管10的内腔被分割为多个独立的催化剂装填空腔12(或称为催化剂装填区)，这些催化剂装填空腔12用于装填催化剂。一些具体实施方式中，放射状散热器23的高度和反应管10的高度相同。在反应管10内布置放射状散热器23，反应管10的内腔被分割为多个独立的催化剂装填空腔，可以将最难移出的轴心热量通过导热效果较好的散热材质向壁面方向导出，解决了列管式固定床反应器1存在径向温度梯度大的问题；一根反应管10可以当作是若干根传统的列管式反应器(直径一般是19-25mm)的集合，每个被放射状散热器23切割的单独区域均可视为一根独立的传统列管式反应器，这种设置有助于减少反应器塔体内反应管10的数量，降低反应器制造成本，并且反应器的放大和催化剂装填也更方便。

优选的一些实施方式中，放射状散热器23的轴心设有热偶套管15，而放射状散热器23具体包括内环散热区14和外环散热区13，且这两个散热区同心布置。优选放射状散热器23与反应管10是同轴的。其中，内环散热区14内设有多个散热片17，且这些散热片由放射状散热器23的轴心沿着径向向着外环散热区的方向延伸，延伸至内环散热区和外环散热区二者衔接的边缘，即内环散热区14的外边缘；优选内环散热区14的散热片之间整体呈“米”字形分布，而该“米”字的核心即为设有热偶套管的轴心。外环散热区13内也设有多个散热片16，而且这些散热片均沿着径向方向延伸，由内环散热区的外边缘延伸至反应管10的内壁。由此，反应管10的内腔被内环散热区和外环散热区内的散热片分割为多个独立的催化剂装填空腔12。较优选的实施方式中，反应管10内腔被分割为6-30个独立的催化剂装填空腔。更优选的实施方式中，内环散热区被散热片均匀分割为多个径向(指反应管径向)截面面积相同的催化剂装填空腔；外环散热区被散热片分割为多个径向(指反应管径向)截面面积相同的催化剂装填空腔；更佳的，内环散热区和外环散热区的各个催化剂装填空腔的径向(指反应管径向)截面面积均相等。在一些优选实施方式中，内环散热区的内半径r为整个反应管10的内半径r的0.55-0.65倍，使得内环散热区催化剂装填空腔和外环散热区催化剂装填空腔的径向截面积基本相同，有利于催化剂床层径向温度均匀。具体的，可以在放射状散热器上设有环状筋板，该环状筋板位于反应管的内壁和其轴心之间，且与反应管同轴，从而将放射状散热器的散热区整体分隔为内环散热区和外环散热区。

放射状散热器23的材质优选采用为铝材、铜材、钢材或铝合金，更优选为铝材，以获得较佳的散热效果。在一些具体实施方式中，热偶套管15的长度和中心管的高度相同；优选的，热偶套管为不锈钢管，例如为1/4英寸或3/8英寸不锈钢管。热偶套管用于在其中插入测温热偶，用于测定中心管和反应管10内催化剂床层的反应温度，监测反应管10内催化剂床层的温度在轴向的分布状态。

优选的实施方式中，固定床反应器1塔体内的多个反应管10之间是均匀间隔平行布置的。优选的一些实施方式中，参见图2，多个反应管10中的一根反应管10沿塔体轴心布置作为中心管10-1，其余反应管10围绕该中心管10-1均匀间隔布置；在一种较佳的具体实施方式中，相邻两根反应管10的中心轴线之间的距离l为反应管10内半径r的3-10倍，具体如4倍等，可确保移热通道的流通面积需求，同时又提高反应器体积的有效利用，使得反应器整体结构紧凑，节省投资。

具体的，本发明的固定床反应器1，其合成气入口设于塔体的上部或顶部，该合成气入口用于输入热合成气，用作费托合成反应。该合成气入口上还优选连接有合成气入口温度控制回路9，用于对来自合成气热交换器7的合成气的温度进行控制。在塔体的底部或下部设热物料出口，用于排出反应获得的产物以及未反应的合成气。该热物料出口连接至合成气热交换器7，用于与来自合成气预热器3的初步预热的合成气ii进行热交换，从而对该合成气ii进一步预热。

一些优选实施方式中，在塔体内还设有气体预分配器21和气体分配板22。其中，气体预分配器21直接与合成气入口连接，而气体分配板22设于气体预分配器21和反应管10顶部之间的空间内，即，设于该空间内的塔体内腔。通过气体预分配器21和气体分配板22的作用，使得合成气由合成气入口进入塔体后，在进入反应管10之前在径向方向得到均匀分布；合成气沿径向均匀分布后，再进入反应管10参与反应，解决了合成气在反应器塔体内流动时，径向分布不均(中心气量大，壁面气量小)的问题，可提高催化剂利用率，减小反应器径向及轴向温差。气体预分配器和气体分配板的具体结构不作特别限定，只要能达到在径向方向均匀分配气体的效果均可。比如，在一些优选实施方式中，参见图4-5，在气体预分配器21的侧壁开设有长条形孔18，数量可以是4-12个等，在底部开设有圆形孔19，数量可以是2-6个孔，优选底部开孔面积是侧壁开孔面积的0.3-0.6倍；参见图6，气体分配板上可以为开设有多个均匀分布的圆形孔20，这些孔的直径可以是0.1-6.0mm，更优选1.0-3.0mm，优选开孔面积为固定床反应器1横截面积的5-70％，更优选15-55％；采用这些优选结构的气体预分配器和气体分配板，可以达到较佳的气体分配效果。

具体的，循环过热水入口设在在塔体侧壁靠近反应管10下部的位置；过热水-蒸汽混合物出口设在塔体侧壁靠近反应管10顶部的位置，过热水从位于下部的循环过热水入口进入塔体后，进入反应管10之间或反应管10和塔体侧壁之间的通道11(即移热介质通道11)，进而吸收反应管10内传热过来的反应热并被气化为蒸汽，从位于上部的过热水-蒸汽混合物出口输出。具体的，过热水-蒸汽混合物出口是和汽包2连接的，具体为与汽包2的水汽混合物入口连接，因而，该循环过热水和蒸汽混合物将循环至汽包2中进一步利用。汽包2和固定床反应器1的过热水入口之间连接有过热水泵，汽包2中的过热水(或称为循环过热水)通过过热水泵泵入至固定床反应器1内。

具体的，在合成气预热器3和汽包2之间还设有冷凝水罐4和汽包补水泵5，冷凝水罐4与合成气预热器3的冷凝水出口相连，用于储存合成气预热器3所得到的冷凝水；汽包补水泵5用于将冷凝水罐中的冷凝水泵送至汽包2中进行循环利用，该冷凝水在汽包2内达到过热温度后可进一步产生过热水，用作固定床反应器1内的移热介质。

在一些具体实施方式中，汽包2的蒸汽出口连接有压力控制阀门以及固定床反应器温度控制回路8，该压力控制阀门的开度通过压力控制回路8进行控制，汽包2内的蒸汽压力超过设定值后，压力控制阀门打开，汽包2内的蒸汽通过阀门离开汽包2，进而输入至合成气预热器3中与合成气进行第一次热交换。利用压力控制回路来控制压力控制阀门开度为本领域常规技术，对此不作赘述。优选的，由所述汽包2供应至合成气预热器3的蒸汽为中低压蒸汽，温度为220-285℃，压力为1.5-7.0mpa。

本发明的费托合成固定床反应器热控制系统，其主要工作过程如下：待预热的合成气从合成气预热器3引入，与汽包2排出来的蒸汽进行第一次热交换后，继续与固定床反应器1排出的热物料在合成气热交换器7中进行第二次热交换。第一次热交换后的蒸汽冷凝后形成冷凝水并进入冷凝水罐4，然后由汽包补水泵5送回汽包2，回到汽包2的冷凝水在汽包2中达到过热温度，与汽包内的过热水一起成为循环过热水。由过热水泵6将循环过热水送入固定床反应器1，部分循环过热水在吸收反应热后汽化，变成蒸汽，未汽化的循环过热水与蒸汽的混合物从固定床反应器1上方进入回到汽包2，实现系统内部水的循环利用以及达到移热目的。

经过两次热交换后得到的热合成气从固定床反应器1的上部合成气入口进入，在固定床反应器1内进行费托合成反应，反应产物和未反应合成气(热物料)从固定床反应器1的下部流出，经过合成气热交换器7与合成气换热后排出系统。循环过热水中的部分吸收费托合成反应热量后汽化，进入汽包2，保证了固定床反应器1的恒温操作，未汽化的循环过热水和汽化后的蒸汽一起进入汽包2并进行水和蒸汽的分离，当汽包内的压力超过设定值后蒸汽通过压力控制阀门离开汽包(由固定床反应器压力控制回路8控制阀门开度)，开始蒸汽-冷凝-汽包补水系统内部的水循环。汽包内的过热水(即循环过热水)由过热水泵送至反应器移热介质通道，开始反应器取热系统的循环。

为了便于理解，下面对一种具体实施方式中，利用本发明的系统进行费托合成固定床反应器进行热量调控的过程进行示例说明，但不应理解为本发明的技术方案局限于此：

固定床反应器1直径0.42m，总高度2.5m，反应管10长2.0m，直径60mm，反应管10数量为7根，排列方式如图2。反应管10内布置放射状铝材散热器，结构如图3所示。

将总量为17.3l已活化的球形催化剂sft814(浙江泰德新材料有限公司制造)装填在反应管10中，其粒度范围为30-120μm，常温合成气(氢气21.8nm³/h，一氧化碳7.3nm³/h)从合成气预热器3的上部引入，与汽包2排出来的蒸汽进行第一次热交换后，温度达到160℃，继续与固定床反应器1排出的热物料(产物)在合成气热交换器7中进行第二次热交换，合成气温度达到235℃(合成气入口温度控制回路9通过控制阀门开度25-30％)。

与水一起存在的蒸汽压力即水的饱和蒸汽压与温度存在一一对应关系，即控制一定的蒸汽压力就决定了水的汽化温度。汽包的原理就是通过控制饱和水蒸气的压力从而控制过热水的温度。而循环过热水在反应器内作为移热介质，一旦作为低温端的移热介质的温度固定了，根据热传递特性，作为高温端的催化剂床层的温度也就会固定在一个相应的值。汽包的作用正是根据上述原理，采用汽包的饱和蒸汽压来控制费托合成的反应温度的。汽包的工作原理是本领域技术人员所熟知的现有技术，对此不作一一赘述。

合成气在催化剂的作用下进行费托合成反应，同时放出大量的热。为了控制反应器内的反应温度在一定的值，采用调节汽包压力的方法使蒸汽温度产生变化。本实施例下反应器温度控制在250℃，汽包压力控制在3.1mpa，循环过热水温度为235℃，循环过热水流量为1.5t/h，循环过热水经过反应器后吸收反应热，其中的41kg过热水被汽化成为与过热水同温度的蒸汽。

第一次热交换后的蒸汽冷凝后形成的冷凝水进入冷凝水罐4，然后由汽包补水泵5送回汽包2，回到汽包2的冷凝水在汽包2中达到过热温度(235℃)后由过热水泵6送入固定床反应器1；部分过热水吸收反应热后汽化变成蒸汽，从固定床反应器1上方排出并进入汽包2，实现系统内部水的循环利用。

经过两次热交换后的热合成气从固定床反应器1的上部的合成气入口进入固定床反应器1中，进行费托合成反应(温度235℃)，反应产物从反应器1的下部流出(热物料)。费托合成反应产生的热量被过热水汽化吸热带走，从而保证固定床反应器的恒温操作，循环过热水及汽化后的蒸汽进入汽包2，蒸汽在汽包内的压力超过设定值(例如3.1mpa)后通过阀门离开汽包(由固定床反应器温度控制回路8控制阀门开度)。

经检测，固定床反应器最大径向温差为2.4℃，最大轴向温差为3.7℃。

本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。