機械合金化與固液反應(yīng)球磨

第1章 機械合金化技術(shù)的發(fā)展概況

參考文獻

第2章 機械合金化球磨裝置和工作原理

2.1 機械合金化的球磨裝置

2.1.1 滾動球磨機

2.1.2 振動球磨機

2.1.3 行星球磨機

2.1.4 攪拌球磨機

2.2 機械合金化工藝參數(shù)的選擇

2.2.1 球磨機轉(zhuǎn)速和球磨時間

2.2.2 球磨介質(zhì)

2.2.3 球料比和填充系數(shù)

2.2.4 球磨氣氛

2.2.5 工藝控制劑

2.2.6 球磨溫度2100433B

本書全面而系統(tǒng)地介紹了機械合金化技術(shù)的最新研究成果，內(nèi)容包括機械合金化的球磨設(shè)備、球磨機理和理論模型以及機械合金化技術(shù)在制備彌散強化合金材料、平衡相材料、非平衡相材料和功能材料等方面的應(yīng)用。另外，本書還詳細地介紹了機械力化學(xué)的原理及應(yīng)用以及固液反應(yīng)球磨技術(shù)的原理及應(yīng)用。

鐵合金焦在礦熱爐中作為固態(tài)還原劑參予還原反應(yīng)，反應(yīng)主要在爐子中下部的高溫區(qū)進行。以冶煉硅鐵合金為例，其反應(yīng)式為SiO2(液) 2C(固)= Si(液) 2CO(氣)，隨著反應(yīng)的進行，焦炭中的固定碳不斷消耗，主要以CO形式從爐頂逸出。焦炭灰分中的Fe₂O₃、A_l2O3、CaO、 MgO和P₂O₅等，部分或大部分被還原出來，進入合金中，不參加反應(yīng)的部分進入爐渣。焦炭中的S與Si生成SiS和SiS₂后揮發(fā)掉。冶煉不同品種的鐵合金，對焦炭的質(zhì)量要求不一，生產(chǎn)硅鐵合金時對焦炭質(zhì)量要求最高，所以能滿足硅鐵合金生產(chǎn)的鐵合金焦，一般也能滿足其他鐵合金生產(chǎn)的要求 。

用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器及其應(yīng)用專利目的

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器及其應(yīng)用》是提供一種適合于大型F-T合成過程的反應(yīng)器系統(tǒng)，以及使用所屬反應(yīng)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(yīng)器及其應(yīng)用技術(shù)方案

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器及其應(yīng)用》發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)包括適用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)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(yīng)器，該反應(yīng)器用于合成氣（CO H2）的費-托合成反應(yīng)，所述反應(yīng)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(yīng)器主要包括：

1、垂直方向的直桶體高度為25-45米的反應(yīng)器本體；

2、設(shè)置在反應(yīng)器底部的直接導(dǎo)入型或隔板分布型氣體分布器；

3、設(shè)置在反應(yīng)區(qū)下部的主換熱器和可以選擇配置的跨越三相反應(yīng)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(shè)置的輔助換熱器；

4、多組固體催化劑-液體重質(zhì)產(chǎn)物分離器；

5、用于改善催化劑沿反應(yīng)器軸向分布的一組或多組導(dǎo)流管；

6、設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)頂部的霧沫分離裝置；

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

該發(fā)明反應(yīng)器的反應(yīng)器本體是根據(jù)設(shè)計的生產(chǎn)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(nèi)徑主要依據(jù)生產(chǎn)規(guī)模要求，在設(shè)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)過程中氣-液-固傳質(zhì)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(yīng)器的生產(chǎn)負荷；

（3）反應(yīng)器的生產(chǎn)負荷還應(yīng)滿足傳熱條件的限制，生產(chǎn)負荷越大，傳熱負荷越大，會造成反應(yīng)器內(nèi)傳熱面積設(shè)置增加從而增加反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性或造成副產(chǎn)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)器的表觀入塔氣速Uin一般為0.3-0.5米/秒。反應(yīng)器筒體內(nèi)徑可以由下式確定：

其中Din是反應(yīng)器筒體內(nèi)徑（米）；G°是在反應(yīng)溫度和壓力下，反應(yīng)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(yīng)器的生產(chǎn)規(guī)模確定；Uin是入塔表觀氣速（米/秒）；As是在反應(yīng)器中的換熱器等內(nèi)構(gòu)件在反應(yīng)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(yīng)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(yīng)溫度和壓力下，以反應(yīng)器底部截面為基礎(chǔ)）為0.50米/秒，優(yōu)選表觀氣速在0.35-0.45米/秒范圍內(nèi)，適用的反應(yīng)器內(nèi)徑在2-15米范圍，優(yōu)選的內(nèi)徑在4-12米范圍。

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

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

所述的直接導(dǎo)入型氣體分布器設(shè)置于反應(yīng)器底部封頭的表面，由多組環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，其向下的側(cè)面與反應(yīng)器本體的底部封頭的內(nèi)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(cè)面與反應(yīng)器本體所屬的底部封頭的內(nèi)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(jié)構(gòu)上帶有向側(cè)下方開設(shè)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(yīng)器底部封頭內(nèi)表面，優(yōu)選的，所述氣體分布器向側(cè)下方開設(shè)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(yīng)器底部封頭的內(nèi)表面；同時在每個環(huán)形元件之間設(shè)置有與封頭內(nèi)表面連接有平行于反應(yīng)器軸向的環(huán)形導(dǎo)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(dǎo)管與該區(qū)域的導(dǎo)入反應(yīng)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(yīng)器可包括1-8組所述的氣體分布器，并在反應(yīng)器整個底部形成均勻分布的氣體分布構(gòu)件。在一個圓或扇形區(qū)域的所有元件集總后，通過多根導(dǎo)管與該區(qū)域的導(dǎo)入反應(yīng)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(yīng)器整個底部均勻分布的氣體分布構(gòu)件，為此，大型反應(yīng)器的氣體入口導(dǎo)管等分成1-8路實現(xiàn)對各組分布元件的氣體導(dǎo)入。氣體分布器的低端設(shè)置向下連出反應(yīng)器外部連通于設(shè)置在反應(yīng)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(yīng)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(yīng)器截面設(shè)置隔板，將反應(yīng)器底部封頭隔出一個自由空間，在隔板上側(cè)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(yīng)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(dǎo)管向下對準封頭中心內(nèi)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(shè)在反應(yīng)器封頭最底部的連通管件導(dǎo)出反應(yīng)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(yīng)器中經(jīng)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(yīng)器及其應(yīng)用》采取了相應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器底部的氣體分布器設(shè)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(shè)置液位檢測設(shè)施，并能有效實施將沉積漿液導(dǎo)出反應(yīng)器。另外，也可以將所述較大空間設(shè)置于反應(yīng)器外。

具體的，為反應(yīng)器設(shè)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(shè)置連通管引出反應(yīng)器外后使之與受液容器連通，并由液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制?；蛘?，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(yīng)器而言，例如不論是直接導(dǎo)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(yīng)器內(nèi)設(shè)置的換熱內(nèi)件可以是一段或兩段主換熱器。換熱器的設(shè)置主要是根據(jù)反應(yīng)器中進行F-T合成反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱效應(yīng)和反應(yīng)器的操作條件設(shè)計的，換熱管內(nèi)采用強制循環(huán)的帶壓沸騰水（生產(chǎn)蒸汽）作為換熱介質(zhì)，反應(yīng)熱以副產(chǎn)水蒸氣的方式間接移出反應(yīng)器的氣-液-固懸浮床層。當(dāng)采用一段主換熱器時，反應(yīng)區(qū)應(yīng)主要限制在換熱器分布的區(qū)域，并可加設(shè)小型換熱構(gòu)件組，起到對液-固過濾分離裝置所占空間的溫度調(diào)節(jié)的作用，或在氣-液界面附近上方加設(shè)同時起氣-液（固）分離作用的換熱構(gòu)件。

在換熱元件的結(jié)構(gòu)方面，首先考慮換熱器設(shè)計的基本工藝約束，包括工藝對換熱面積的要求、換熱管內(nèi)流速（水 蒸汽兩相）、換熱管內(nèi)的壓力（產(chǎn)生飽和蒸氣的壓力和溫度）、反應(yīng)器床層溫度、反應(yīng)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(yīng)器中，所述的反應(yīng)器可設(shè)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(shè)置在液體蠟-催化劑過濾分離區(qū)域上部。設(shè)置于反應(yīng)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(dāng)采用兩段主換熱器時，上部換熱器設(shè)置在液體蠟-催化劑過濾分離區(qū)域上部。在過濾分離構(gòu)件之間的較大空間上，考慮設(shè)置換熱元件，在兩段主換熱設(shè)計方案中，這可以與上部換熱器結(jié)合起來考慮；在一段主換熱器設(shè)計時，過濾區(qū)設(shè)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(yīng)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(nèi)管為下降管，環(huán)隙為上升管）外加上升管的換熱元件。

根據(jù)本領(lǐng)域的常識，在該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)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(shè)置支撐元件，支撐元件安裝在反應(yīng)器壁的支撐構(gòu)件上，形成懸掛結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上避免應(yīng)力集中問題，多組換熱組件形成一段換熱器。用于移出反應(yīng)熱的冷卻介質(zhì)是熱水-蒸汽。該發(fā)明強調(diào)換熱器的有效設(shè)計以最大限度地回收反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。

在該發(fā)明的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器中，還包括用于分離固體催化劑和液體重質(zhì)蠟產(chǎn)物，并移出所述的重質(zhì)蠟產(chǎn)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(zhì)蠟產(chǎn)物，并移出所述的重質(zhì)蠟產(chǎn)物；所述的過濾分離裝置垂直布置在反應(yīng)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(shè)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(dǎo)管按流體均勻分配原則與集總管連接引出反應(yīng)器外，下端導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)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(jù)催化劑顆粒在反應(yīng)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(jié)/纏繞金屬絲網(wǎng)或粉末燒結(jié)多孔金屬、多孔陶瓷作為過濾元件的過濾介質(zhì)。

優(yōu)選的，在該發(fā)明所述的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器中，所述的液-固過濾分離裝置優(yōu)選安排在靠近反應(yīng)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(dǎo)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(zhì)，下端導(dǎo)管用于移出過濾出的蠟液。過濾器區(qū)還可選地設(shè)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(zhì)產(chǎn)物，即液蠟產(chǎn)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(zhì)產(chǎn)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(yīng)器中，所述的過濾分離裝置垂直布置在反應(yīng)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(yīng)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(jù)催化劑顆粒在反應(yīng)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(jié)/纏繞金屬絲網(wǎng)或粉末燒結(jié)多孔金屬、多孔陶瓷作為過濾元件的過濾介質(zhì)。

根據(jù)試驗結(jié)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jù)中間試驗的結(jié)果，這樣的過濾空間在大型反應(yīng)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(shè)計中考慮了過濾面積適當(dāng)?shù)母辉Ａ亢驮诜磻?yīng)器結(jié)構(gòu)方面實現(xiàn)方便維護的問題。在設(shè)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(gòu)件組依據(jù)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(jù)中間試驗的結(jié)果，過濾管束的管外表面的最小間距應(yīng)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(zhì)產(chǎn)物蠟過濾分離的需求，還可在該發(fā)明反應(yīng)器外設(shè)置與上述內(nèi)部液固分離系統(tǒng)配套使用的外部設(shè)施。這些設(shè)施包括為反應(yīng)器內(nèi)過濾分離器有效運行而設(shè)置的器外濾出蠟接受-和過濾穩(wěn)壓系統(tǒng)，和與反應(yīng)器內(nèi)過濾分離器配套使用的、設(shè)置于反應(yīng)器外的清洗系統(tǒng)。反應(yīng)器內(nèi)的過濾分離裝置通過集總管與反應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)器內(nèi)、外的所述設(shè)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(zhì)產(chǎn)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(yīng)器中設(shè)置一組或多組液體導(dǎo)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(yīng)床層和內(nèi)構(gòu)件在反應(yīng)器中分段布置帶來的局部循環(huán)，改善三相懸浮床反應(yīng)器中催化劑的軸向分布，同時導(dǎo)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(yīng)器傳熱，保證下部換熱器與反應(yīng)器底部封頭之間無換熱器的空間內(nèi)的熱交換，避免底部入口附近空間的過熱或飛溫。

所述的導(dǎo)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(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形成的器內(nèi)局部循環(huán)，并能耦合兩段換熱器負荷。所述的導(dǎo)流裝置可以有一組或多組，設(shè)置在反應(yīng)器三相懸浮床層內(nèi)靠近反應(yīng)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(yīng)器軸向分布的目的。

該導(dǎo)流管件的設(shè)計原則是：（1）合理的導(dǎo)流管內(nèi)徑確保反應(yīng)器的液-固相的大量循環(huán)；（2）導(dǎo)流管的循環(huán)可以有效地形成催化劑在反應(yīng)器軸向分布的改善；（3）導(dǎo)流管的軸向位置考慮兩段換熱器之間的有效循環(huán)；（4）導(dǎo)流管從下部換熱器向反應(yīng)器底部的絕熱空間供應(yīng)大量的液體以實現(xiàn)下部換熱器對反應(yīng)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(chǎn)物中催化劑的含量，在該發(fā)明的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器上部還設(shè)置了霧沫分離裝置。所述的霧沫分離裝置包括設(shè)置于反應(yīng)器內(nèi)上部氣相區(qū)的一級霧沫分離裝置，和設(shè)置在反應(yīng)器出口導(dǎo)管處的二級霧沫分離裝置。

具體地，反應(yīng)器內(nèi)上部設(shè)置的一級霧沫分離裝置是在反應(yīng)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(jié)構(gòu)，結(jié)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(yīng)器出口導(dǎo)管處設(shè)置有二級霧沫分離裝置，其結(jié)構(gòu)為在反應(yīng)器出口導(dǎo)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(jié)構(gòu)，下方設(shè)有錐形收集器，當(dāng)攜帶霧沫的氣體流股經(jīng)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(shè)置在錐底的回流導(dǎo)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(yīng)器外的較重的一次冷凝產(chǎn)物中的催化劑含量達到2ppm以下，為F-T合成產(chǎn)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(chǎn)物中催化劑的含量，該發(fā)明的反應(yīng)器還任選地設(shè)置了在反應(yīng)器外部的相應(yīng)配套裝置，即設(shè)置于反應(yīng)器上部出口處的預(yù)冷凝-霧沫分離系統(tǒng)。

關(guān)于上述預(yù)冷凝-霧沫分離系統(tǒng)，作為該發(fā)明反應(yīng)器的外部配套設(shè)施，該系統(tǒng)設(shè)置于該反應(yīng)器出口處，該系統(tǒng)主要包括預(yù)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(chǎn)物中固含量可小于2ppm。

具體地，在該發(fā)明反應(yīng)器上部還可任選的設(shè)置位于反應(yīng)器出口的預(yù)冷凝-分離系統(tǒng)，以對從反應(yīng)器導(dǎo)出氣體進行預(yù)冷凝。其特征在于，使得氣流股降溫5-10℃，該預(yù)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(jīng)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(shè)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(yīng)器通過切斷閥連通，其中的液體可以被間斷地壓入反應(yīng)器三相床層上部，或可選低壓入污染產(chǎn)品中間儲罐進一步處理，這種預(yù)冷凝系統(tǒng)確保下游大量可冷凝產(chǎn)物固含量小于2ppm，其作用與上述設(shè)置于反應(yīng)器內(nèi)頂部的霧沫分離裝置的作用類似。

在實際應(yīng)用中，此預(yù)冷凝-分離系統(tǒng)和反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)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(yīng)器本體；（2）設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)底部用于分布氣體和防止催化劑在反應(yīng)器底部沉積的直接導(dǎo)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(shè)置的處理沉積漿液的輔助系統(tǒng)；（3）設(shè)置在整個反應(yīng)區(qū)的下部的主換熱器，和可以選擇配置的、跨越三相反應(yīng)區(qū)與氣相區(qū)的上部主換熱器；或者在只設(shè)置一段主換熱器的情況下，在分離器區(qū)域上部設(shè)置的換熱構(gòu)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(shè)置在下部換熱器上方或兩段主換熱器之間，并分布在反應(yīng)器壁面附近環(huán)形區(qū)域的多組固體催化劑-液體重質(zhì)產(chǎn)物分離器；（5）設(shè)置在反應(yīng)器三相懸浮床層內(nèi)、靠近反應(yīng)器壁面的，用于改善催化劑沿反應(yīng)器軸向分布的多組導(dǎo)流管；（6）與上部主換熱器或輔助換熱器集總管結(jié)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(shè)置在反應(yīng)器上部出口處的預(yù)冷凝-霧沫分離系統(tǒng)；并且，該反應(yīng)器還任選的設(shè)置有與反應(yīng)器的上述構(gòu)件配套使用的其它反應(yīng)器外配套裝置。

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

具體地，上文所述“與反應(yīng)器的上述構(gòu)件配套使用的其它反應(yīng)器外配套裝置”是指下述外部配套設(shè)施：

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

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

該發(fā)明反應(yīng)器為蠟過濾設(shè)計了外部配套設(shè)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(diào)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(yīng)器內(nèi)的三相床層的液位必須維持在一定范圍，以此為前提，設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的多組過濾裝置和器外的輔助系統(tǒng)可按適當(dāng)?shù)某绦蜻M行液體蠟和催化劑的分離。

在反應(yīng)器運行過程中，F(xiàn)-T液體蠟和部分夾帶的氣體通過導(dǎo)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(jīng)過導(dǎo)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(diào)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(diào)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(nèi)的積液由其中設(shè)置的自動控制系統(tǒng)控制適時排出。

該發(fā)明反應(yīng)器還設(shè)置了與反應(yīng)器內(nèi)的液固分離系統(tǒng)配套使用的、設(shè)置于反應(yīng)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(shè)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(zhì)作為清洗介質(zhì)；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(shè)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(zhì)，優(yōu)選以合成蠟為清洗介質(zhì)，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(zhì)。

具體地，關(guān)于上述清洗系統(tǒng)，可采用合成氣、氮氣氣體介質(zhì)或液體石蠟、合成蠟的液體介質(zhì)，優(yōu)先選擇合成氣和合成蠟介質(zhì)，且合成氣和合成蠟介質(zhì)作為清洗介質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(guān)閉。包括分離出的液體產(chǎn)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(shè)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(diào)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(cè)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(zhì)蠟微滴起到分離作用，以使上述排氣管線上的調(diào)節(jié)閥不受重質(zhì)冷凝物的干擾。

當(dāng)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(zhì)，此時，同樣地需要一臺液體介質(zhì)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(diào)整來控制反應(yīng)器內(nèi)的液位和實現(xiàn)產(chǎn)物分離。

在《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器及其應(yīng)用》所述的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器中進行費-托合成反應(yīng)時所使用的催化劑可以是用于此類反應(yīng)的常規(guī)催化劑，包括現(xiàn)有技術(shù)中已有的此類催化劑或它們的改進型號，或用于此類反應(yīng)的新催化劑，例如適用于反應(yīng)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(yīng)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(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所發(fā)明，中科合成油技術(shù)有限公司生產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)催化劑并不局限于上述催化劑，還包括現(xiàn)有技術(shù)中所有的用于費-托合成反應(yīng)的催化劑，例如依據(jù)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(zhuǎn)化能力，該發(fā)明的反應(yīng)器可達到上限氣體處理量（合成回路90-96％的合成氣轉(zhuǎn)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(yīng)器口徑-生產(chǎn)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(yīng)器及其應(yīng)用改善效果

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

1、入口氣體分布器的簡單結(jié)構(gòu)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(yīng)器中進行充分有效的F-T合成反應(yīng)；

3、結(jié)合反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)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(zhì)產(chǎn)物中固含量很??；且濾餅中的催化劑在線回收到反應(yīng)器床層、并保持高活性；

4、和三相懸浮床F-T合成反應(yīng)器設(shè)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(yīng)器在可靠完成F-T合成各種工藝技術(shù)功能的同時，簡化了結(jié)構(gòu)和操作、降低了反應(yīng)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(yīng)器及其應(yīng)用》的反應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)用該發(fā)明的反應(yīng)器有效進行費-托合成的方法，該方法是在該發(fā)明的反應(yīng)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(yīng)。

充分考慮到三相懸浮床操作時的流體力學(xué)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(yīng)器及其應(yīng)用》反應(yīng)器采用了湍流操作狀態(tài)，反應(yīng)器的合理適用高度在30米以上，工業(yè)可操作的反應(yīng)器內(nèi)徑在0.28米以上，同時考慮到解決液-固分離、換熱和反應(yīng)器的溫度控制、氣體分布以及消除皂沫效應(yīng)和控制反應(yīng)器出口氣體流股中霧沫夾帶等一系列技術(shù)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(jù)為目的小型F-T合成系統(tǒng)設(shè)計時，要實施F-T合成的結(jié)果能夠?qū)?yīng)大型化的流程數(shù)據(jù)（包括反應(yīng)器內(nèi)部流體力學(xué)行為、反應(yīng)器中設(shè)置的換熱部件、分離部件、氣體分布部件對反應(yīng)造成的結(jié)果）有對應(yīng)關(guān)系，最小反應(yīng)器內(nèi)徑應(yīng)大于0.28米，一般選用0.3米以上，而過低的反應(yīng)器高度將會使反應(yīng)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(jié)果的破壞性控制變得困難，因此，反應(yīng)器高度應(yīng)至少選用30米的規(guī)模。對此目的的項目，過大的反應(yīng)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(shè)計需要盡可能增加單臺反應(yīng)器的生產(chǎn)規(guī)模，而經(jīng)濟上理想的規(guī)模應(yīng)該在50萬噸/年可液化產(chǎn)物以上，但同時受到反應(yīng)器制造和現(xiàn)場條件的限制，為此，對該發(fā)明的反應(yīng)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(shè)計思路，經(jīng)過應(yīng)用小型反應(yīng)器和過渡性工業(yè)示范項目的中型反應(yīng)器進行開發(fā)煤制油產(chǎn)業(yè)的各種試驗，取得了良好的結(jié)果。

《用于費-托合成的氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器及其應(yīng)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(yīng)器和其配套系統(tǒng)，尤其涉及反應(yīng)器構(gòu)造與尺寸設(shè)計、氣體分布器和換熱器的布局與設(shè)計、蠟與催化劑的過濾系統(tǒng)、反應(yīng)器內(nèi)部的導(dǎo)流裝置以及反應(yīng)器頂部的霧沫消除裝置；以及所述的反應(yīng)器在規(guī)?；M-托合成生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用。