[发明专利]一种热油循环和冷激式固定床费托合成反应器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种固定床费托合成反应器以及应用所述反应器进行费托合成的方法，具体地说，所述的反应器是一种具有热油循环系统、轻油激冷系统和冷气冷激系统的有限膨胀的固定床费托合成反应器。

背景技术

随着以石油为基础的液体燃料需求量的增大及石油资源可用储量的减少，由煤等固体燃料生产可用的液体燃料的方法越来越受到人们的重视。

费托合成过程作为一个能源过程已经经历了近一个世纪的不断开发，其主要特征是围绕催化剂和反应器开展以提高过程效率、降低成本的综合性技术开发。在反应器方面，早期(1920-1940s)的研究与开发已经确定了费托合成可以在固定床或气-液-固三相反应器中进行，最早于1930s在德国将固定床反应器投入了工业化生产，1940-1950年代，先后对气-液-固三相的浆态床、气-固两相的流化床反应器进行了大量开发，形成了多种反应器形式，由于该两类反应器可以实现大型化生产，而在Sasol得到大量应用，未来的大型费托合成工厂中上述两类反应器也是重点关注的技术形式；在固定床反应器开发方面，从1930s以后，加压列管式固定床反应器的发展使得该类反应器在Sasol和Shell的费托合成工厂得到了应用(A.P.Steynberg and M.E.Dry eds，Fischer-Tropsch Technology，in Studies in Surface Science andCatalysis，Elsvier，Amsterdam，2004；Burtron H.Davis，Overview of Reactorsfor Liquid Phase Fischer-Tropsch Synthesis，Catalysis Today，2002，71，249-300)。但是，到目前为止，工业化的固定床费托合成反应器存在着如下几个方面的问题：(1)传统的固定床反应器由于传热和传质的限制，催化剂的产能得不到最大限度的体现；(2)单台反应器的放大已经严重受到结构限制；(3)反应器的阻力加大，催化剂的破碎问题影响了系统的长期运行；(4)催化剂颗粒不能太小，催化剂颗粒内的传质使得催化剂的能力不易发挥(Yi-Ning Wang et al.Chemical Engineering Science，2003，58，867-875；Ing.Eng.Chem.Res.，2001，40，4324-4335)。上述问题使得固定床反应器在费托合成领域中的应用受到了限制，主要是其经济代价显著大于流化床和三相浆态床反应器。但是，固定床反应器系统操作和系统配套简单、放大容易的特点也是其在费托合成过程中不能完全被放弃的主要原因。

在固定床费托合成反应器的强化操作方面，一种技术方案采用气体和惰性液体循环形成滴流床操作状态(US.Pat.No.5786393)，该技术对传热性能得到了有限的强化，但带来的床层压差增加没有解决措施，强化效果有限。

US Pat.No.6262131B1描述了一种采用结构化的催化剂块体的固定床费托合成反应器和其强化传质传热操作过程的方案，该方案由于对催化剂的物理外形方面的限制，要求制备含平行管孔的催化剂块体，孔隙率大于0.4，制备较为困难，因此，对很多费托合成催化剂不适用；另外，该强化操作方法引入较大的、静置堆砌的结构化催化剂块体，对增加传递限制的问题没有得到有效的解决；合成气反应物混合有饱和的液态烃进入反应器的设计方案带来的最大问题是较大地限制了反应器的生产能力，同时对费托合成产生的大量反应热没有得到较好的利用，因此，该专利的设计方案基本没有实施的价值。

要彻底解决固定床费托合成反应器中催化剂的生产能力的限制，首先要解决的问题是选择合适的催化剂。通常优选催化剂是寿命较长的催化剂，更优选所述的催化剂具有较小的Thiele模数，该Thiele模数定义以CO扩散与反应转化参数为基础：

φ_CO＝((ρ_pR_COR_p²)/(D_effC_CO))^1/2