专利名称：流化床变换反应器及具有其的流化床变换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤化工技术领域，具体而言，涉及一种流化床变换反应器及具有其的流化床变换系统。
背景技术：
一氧化碳与水蒸气在催化剂的作用下进行变换反应，生成氢气和二氧化碳，是煤化工合成气重要的预处理过程。在变换工序中可以控制合成气的变换深度来调节合成气中氢气和一氧化碳的比例，变换产品气经过下游的脱硫、脱碳工序后可以用于合成甲醇、合成氨、费托合成以及煤直接液化等工艺过程。目前世界上普遍采用的合成气变换技术是轴向固定床合成气变换工艺。由于合成 气变换是放热反应，反应床层的出口温度也就是变换反应的热点温度，为了保证催化剂在合适的温度下使用以及延长催化剂的使用寿命，需要及时将变换反应生成的热量移走，这对于固定床反应器来说相对困难。另外，对于目前大型煤化工，单系列的合成气变换负荷非常大，同时合成气中一氧化碳的含量也相对较高，因此需要两段或者更多的变换设备，每个变换设备为体积庞大的高压设备，一方面增加了变换工艺流程的复杂性，同时也增加了合成气变换率控制困难程度。总结目前的固定床变换工艺主要有以下缺点1)变换反应是强放热反应，一般如果合成气中的CO浓度超过15%，要达到较高的CO变换率，则需要设置两段或多段的固定床反应器，单元设备较多，工艺系统非常复杂；2)催化剂床层的换热效果差，催化剂在升温还原或硫化时，无论使用钴钥系低变催化剂，还是使用铁铬系中变催化剂，反应过程中产生的大量热量不易很快地从床层移出，因此操作不当容易造成反应器床层超温；3)固定床反应器为了控制进出口压差，只能选用粒径较大的催化剂颗粒，因此内、外扩散效应的存在降低了变换反应速率，这就需要更大的催化剂装填量，从而增加了操作成本；4)在固定床反应器中，催化剂床层将产生温度梯度，从而存在反应热点(一般该反应热点位于反应器的出口)，在热点处催化剂容易老化失活，对于钴钥系低变催化剂易反硫化失活。为了解决传统轴向固定床变换反应器床层压差阻力大、换热效果差、工艺流程复杂等技术难题，在轴向固定床反应器的基础上又相继开发出了轴径向固定床变换反应器和径向固定床变换反应器，这两种反应器由于合成气在反应器中呈径向流动，在一定程度上提高了变换反应效率，降低了变换催化剂床层进出口压差和催化剂的使用量，同时换热效果有所改善，但在实际运行过程中常出现合成气短路的现象，而且这两种反应器形式并没有从根本上解决固定床变换工艺流程复杂、反应移热困难以及反应热点不易控制等问题，且国内目前采用的轴径向固定床反应器核心内构件仍需从国外引进，成本较高，制造及维护周期较长。流化床反应器，传热传质性能优良、移热方便，反应温度易于控制，可实现等温操作，催化剂粒度小，传质传热效率高，气固接触面积大，允许合成气变换具有较高的CO单程转化率，大大缩小了变换反应器的体积。同时，流化床反应器中催化剂的装卸更为方便。采用流化床反应器后，反应器内变换催化剂呈流化状态，温度可以达到比较均匀的分布。在流化床反应器内设置取热盘管，可以方便地将反应热及时移走，从而防止催化剂区域出现超温现象以及催化剂超温所带来的各种问题，同时内置的换热器可以产生蒸汽。因此采用流化床反应器进行合成气的变换可以显著的提高变换效率，解决变换过程中反应热点难以控制的问题，同时，变换工艺流程将会大大缩减。申请号为99112426. X的中国发明专利公开了一种采用流化床反应器的变换工艺，合成气经过流化床变换反应器后，变换产品气将变换固体颗粒催化剂进行分离后进入下游工序。该发明中对变换催化剂和产品气的分离方法没有进行描述。 申请号为200810173645. X的中国发明专利公开了一种合成气流化床变换工艺，在该工艺中，从流化床出来的变换产品气经过旋风分离器将变换催化剂进行分离，分离出来的催化剂重新进入流化床反应器中。该工艺由于采用外置式变换催化剂分离方法，保证了反应器中的催化剂的含量，但是上述结构使得变换反应器结构变得相对复杂，同时可能存在催化剂分布不均和对管道磨蚀等问题。
发明内容
本发明旨在提供一种能够进行催化剂分离并且结构简单的流化床变换反应器及具有其的流化床变换系统。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种流化床变换反应器，包括罐体，具有内腔，罐体的底部设有气体进口，顶部设有气体出口 ；第一换热器，设置在罐体内，流化床变换反应器还包括催化剂分离装置，催化剂分离装置包括过滤器，设置在罐体内并位于第一换热器的上方，过滤器包括多组滤芯；过滤器反吹装置，具有多个过滤器反吹口，每个过滤器反吹口与多组滤芯中的每个滤芯一一对应地设置，并且过滤器反吹口位于滤芯的上方。进一步地，对应于多组滤芯中的一组或多组滤芯的过滤器反吹口处于打开状态，对应于多组滤芯中的其余组的滤芯的过滤器反吹口处于关闭状态。进一步地，过滤器反吹装置还包括用于控制每个过滤器反吹口的打开或者关闭的多个阀门和与各阀门均电连接的控制器。进一步地，每组滤芯包括多根滤芯，气体进口和第一换热器之间依次设置有气体分布器和分布板。进一步地，罐体包括由下自上依次连接的第一罐体段、第二罐体段和第三罐体段，第一罐体段的直径小于第三罐体段的直径，第二罐体段的直径由下自上逐渐变大，第一换热器位于第一罐体段内，催化剂分离装置位于第二罐体段内。根据本发明的另一方面，提供了一种流化床变换系统，包括预处理器和与预处理器连接的流化床变换反应器，流化床变换反应器为权利要求I至5中任一项的流化床变换反应器，流化床变换反应器的气体出口连接有产品气出气管，产品气出气管上连接有用于给流化床变换反应器的过滤器反吹装置提供反吹气体的反吹管路，反吹管路与过滤器反吹装置连接。进一步地，反吹管路上设有压缩机。
进一步地，预处理器的气体入口连接有合成气进气管，流化床变换反应器的第一换热器包括冷却水过流管路，流化床变换系统还包括第二换热器和第三换热器，第二换热器位于第三换热器的上游，第二换热器用于合成气进气管和产品气出气管换热，第三换热器用于冷却水过流管路和产品气出气管的换热。进一步地，反吹管路连接在第二换热器的下游。进一步地，冷却水过流管路的出口分成两个支路，两个支路中的一个支路与流化床变换反应器的气体进口相连通。应用本发明的技术方案，在流化床变换反应器的罐体内设置了催化剂分离装置，该催化剂分离装置配置有过滤器和过滤器反吹装置，过滤器的滤芯用于催化剂的过滤，能够有效地进行催化剂的分离，滤器反吹装置用于给滤芯进行反吹。这样，本发明的流化床变换反应器通过催化剂分离装置能够进行催化剂的分离，同时，省略了现有技术中催化剂在 变换反应器外分离所需设备，使得流化床变换反应器的结构更加简单。
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I示出了根据本发明的流化床变换反应器的实施例的结构示意图；以及图2示出了根据本发明的流化床变换系统的实施例的结构示意图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。如图I所示，本实施例的流化床变换反应器包括罐体、第一换热器5以及催化剂分离装置。罐体具有内腔，罐体的底部设有气体进口 6，顶部设有气体出口 7 ;第一换热器5设置在罐体内；催化剂分离装置包括过滤器2和过滤器反吹装置，过滤器2设置在罐体内并位于第一换热器5的上方，过滤器2包括多组滤芯，优选地，过滤器2包括至少两组滤芯，每组滤芯包括多根滤芯；过滤器反吹装置，具有多个过滤器反吹口 1，每个过滤器反吹口 I与多组滤芯中的每个滤芯一一对应地设置，并且过滤器反吹口 I位于滤芯的上方；其中，多组滤芯中的一组或多组滤芯处于与过滤器反吹装置配合的反吹状态时多组滤芯中的其他组滤芯处于不与过滤器反吹装置配合的过滤状态。在本实施例中，在流化床变换反应器的罐体内设置了催化剂分离装置，该催化剂分离装置配置有过滤器2和过滤器反吹装置，过滤器2的滤芯用于催化剂的过滤，能够有效地进行催化剂的分离，滤器反吹装置用于给滤芯进行反吹。这样，本实施例的流化床变换反应器通过催化剂分离装置能够进行催化剂的分离，同时，省略了现有技术中催化剂在变换反应器外分离所需设备，使得流化床变换反应器的结构更加简单。在本实施例中，为了保证流化床变换反应器的连续运行，滤芯处于过滤状态还是反吹状态可以预先进行设定，但最好可以保证，对应于多组滤芯中的一组或多组滤芯的过滤器反吹口 I处于打开状态以使该组或多组的滤芯处于反吹状态，对应于多组滤芯中的其余组的滤芯的过滤器反吹口 I处于关闭状态，以使其余组的滤芯处于过滤状态。即，过滤和反吹可以同时进行。需要说明的是，在流化床变换反应器运行的初期，也可以全部滤芯均处于过滤状态。过滤器反吹装置还包括用于控制每个过滤器反吹口 I的打开或者关闭的多个阀门和与各阀门电连接的控制器。阀门控制过滤器反吹口 I的开关，从而控制过滤器2的滤芯的反吹，同时，通过控制器控制各阀门的开启和关闭。该控制器优选为PLC (programmablelogic controller,可编程自动化控制器)或者DCS (distributed control system,分散控制系统)。当其中一组滤芯处于反吹状态，该滤芯对应的过滤器反吹口 I的阀门打开，由压缩机过来的反吹气对改组滤芯进行反吹，优选在2-5分钟内反吹完毕，然后关闭阀门，该组滤芯重新进入过滤状态；接着下一组过滤滤芯进入反吹状态，周而复始。当然，作为本领域技术人员可以知道的替代方案，也可以设置数量小于过滤器反吹口 I数量的阀门，由一个阀门去控制一组过滤器反吹口 I (该组过滤器反吹口 I对应一组滤芯)。此时，只需将阀门设置在主路上，再在主路上连接多个支路分别连接到一组过滤器反吹口I中的每个过滤器反吹口I即可。 优选地，过滤器反吹气体采用经过加压的变换产品气。具体地，如图2所示，在流化床变换反应器的气体出口 7连接有产品气出气管71，产品气出气管71上连接有用于给流化床变换反应器的过滤器反吹装置提供反吹气体的反吹管路72，反吹管路72与过滤器反吹装置连接。在本实施例中,气体进口 6和第一换热器5之间依次设置有气体分布器4和分布板3。其中分布板3优选采用孔板、丝网或者泡罩形式。在本实施例中，罐体包括由下自上依次连接的第一罐体段、第二罐体段和第三罐体段，第一罐体段的直径小于第三罐体段的直径，第二罐体段的直径由下自上逐渐变大，第一换热器5位于第一罐体段内，催化剂分离装置位于第二罐体段内。第一换热器5将变换反应生成的热量移走，控制流化床变换反应器床层的温度。上述的变径设计使得气体进入第三罐体段后能够降低催化剂的夹带速度，从而便于催化剂的分离。优选地，本实施例的过滤器2的滤芯优选采用精度为5um的烧结金属过滤滤芯。优选地，本实施例可以处理CO含量为5-65%的合成气。本实施例适用的操作温度180-300°C，压力l-10MPa。本实施例的变换催化剂的平均粒径为10-200um，催化剂采用宽温耐硫钴钥系变换催化剂，催化剂的装填量为空床体积的10-30%。操作的空床气速控制在0. 2-0. 8m/s，保证催化剂床层的流化效果。本发明还提供了一种流化床变换系统，如图2所示，根据本发明的流化床变换系统的实施例包括预处理器11和与预处理器11连接的流化床变换反应器，流化床变换反应器为上述的流化床变换反应器，流化床变换反应器的气体出口 7连接有产品气出气管71，产品气出气管71上连接有用于给流化床变换反应器的过滤器反吹装置提供反吹气体的反吹管路72，反吹管路72与过滤器反吹装置连接。本实施例的流化床变换系统能够进行催化剂分离并且结构简单。优选地，反吹管路上设有压缩机13。在本实施例中，预处理器的气体入口连接有合成气进气管14，流化床变换反应器的第一换热器5包括冷却水过流管路16,流化床变换系统还包括第二换热器12和第三换热器18，第二换热器12位于第三换热器18的上游，第二换热器12用于合成气进气管14和产品气出气管71换热，第三换热器18用于冷却水过流管路16和产品气出气管71的换热。优选地，反吹管路72连接在第二换热器12的下游。优选地，冷却水过流管路16的出口分成两个支路，两个支路中的一个支路17与流化床变换反应器的气体入口 6相连通。支路17内的水和/或水蒸气可以用于调整进入流化床变换反应器的合成气的水汽比。本实施例的流化床变换系统的变换工艺过程如下来自上游单元的合成气(温度150_300°C，压力I-IOMPa)，与变换产品气(从流化床变换反应器的气体出口 7流出)经第三换热器18换热后进入预处理器11，进一步脱除有毒有害物质，出来的气体与蒸气(从支路17流出)混合后，控制温度为180-300°C (高于合成气露点温度25°C )，通过气体进口 6进入流化床变换反应器的底部，经气体分布器4和分布板3后，进入装有钴钥系变换催化剂的流化床(位于分布板3和第一换热器5之间)内，一氧化碳和水蒸气在装有变换催化剂的流化床内发生变换反应，生成二氧化碳和氢气，反应所放出的热量由第一换热器5移走。在第一换热器5中采用中高压饱和水，副产中高 压饱和水蒸气。经过变换反应生成的气体经内置过滤器2将催化剂颗粒过滤后得到干净的变换产品气，部分变换产品气经压缩机13压缩后进入过滤器反吹口 I对过滤器2的滤芯进行反吹，然后进入后序工段。控制过滤器反吹气体的压力与过滤器处压差不超过0. 5MPa，优选为0. 3-0. 5Mpa。该压差控制保证了反吹效果，同时对滤芯不会造成损坏。通过对反应器床层温度、变换产品气组成的测量，来控制进入流化床反应器的合成气负荷，蒸汽与合成气的配比以及合成气进料温度等操作参数。从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果。I、流化床变换反应器中的催化剂呈流化状态，催化剂与反应气体的混合效果更好，而且催化剂床层阻力不会随操作时间的延长而增加。2、流化床变换反应器中第一换热器的换热效果和调控温度的效果更好，可以显著降低催化剂床层发生超温现象的概率，防止催化剂的烧结和反硫化失活。3、流化床变换反应器可以选用小颗粒催化剂，增加了单位体积催化剂的总几何表面积，可以使单位体积催化剂的变换活性有明显提高，单位体积催化剂的利用率大大提高，催化剂的用量可以显著降低。4、流化床变换反应器可以根据原料气组成及工艺需要调整变换反应催化剂量，从而达到控制变换反应深度的要求；同时变换催化剂的装卸更加方便容易。5、流化床变换反应器将变换反应和催化剂分离装置设在其罐体内，省略了原有流化床变换工艺中催化剂在变换反应器外分离所需设备，保证了在不同操作条件下，反应器内催化剂含量，同时简化了变换工艺流程。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种流化床变换反应器，包括 罐体，具有内腔，所述罐体的底部设有气体进口出)，顶部设有气体出口(7)； 第一换热器(5)，设置在所述罐体内， 其特征在于，所述流化床变换反应器还包括催化剂分离装置，所述催化剂分离装置包括 过滤器(2)，设置在所述罐体内并位于所述第一换热器(5)的上方，所述过滤器(2)包括多组滤芯； 过滤器反吹装置，具有多个过滤器反吹口(I)，每个所述过滤器反吹口(I)与所述多组滤芯中的每个滤芯一一对应地设置，并且所述过滤器反吹口(I)位于所述滤芯的上方。
2.根据权利要求I所述的流化床变换反应器，其特征在于，对应于所述多组滤芯中的一组或多组滤芯的过滤器反吹口(I)处于打开状态，对应于所述多组滤芯中的其余组的滤芯的过滤器反吹口(I)处于关闭状态。
3.根据权利要求2所述的流化床变换反应器，其特征在于，所述过滤器反吹装置还包括用于控制每个所述过滤器反吹口(I)的打开或者关闭的多个阀门和与各所述阀门均电连接的控制器。
4.根据权利要求I所述的流化床变换反应器，其特征在于，每组滤芯包括多根滤芯，所述气体进口(6)和第一换热器(5)之间依次设置有气体分布器(4)和分布板(3)。
5.根据权利要求I所述的流化床变换反应器，其特征在于，所述罐体包括由下自上依次连接的第一罐体段、第二罐体段和第三罐体段，所述第一罐体段的直径小于所述第三罐体段的直径，所述第二罐体段的直径由下自上逐渐变大，所述第一换热器(5)位于所述第一罐体段内，所述催化剂分离装置位于所述第二罐体段内。
6.一种流化床变换系统，包括预处理器(11)和与所述预处理器(11)连接的流化床变换反应器，其特征在于，所述流化床变换反应器为权利要求I至5中任一项所述的流化床变换反应器，所述流化床变换反应器的气体出口(7)连接有产品气出气管(71)，所述产品气出气管(71)上连接有用于给所述流化床变换反应器的过滤器反吹装置提供反吹气体的反吹管路(72)，所述反吹管路(72)与所述过滤器反吹装置连接。
7.根据权利要求6所述的流化床变换系统，其特征在于，所述反吹管路上设有压缩机(13)。
8.根据权利要求6所述的流化床变换系统，其特征在于，所述预处理器的气体入口连接有合成气进气管(14)，所述流化床变换反应器的第一换热器(5)包括冷却水过流管路(16)，所述流化床变换系统还包括第二换热器(12)和第三换热器(18)，所述第二换热器(12)位于所述第三换热器(18)的上游，所述第二换热器(12)用于所述合成气进气管(14)和所述产品气出气管(71)换热，所述第三换热器(18)用于所述冷却水过流管路(16)和所述产品气出气管(71)的换热。
9.根据权利要求8所述的流化床变换系统，其特征在于，所述反吹管路(72)连接在所述第二换热器(12)的下游。
10.根据权利要求8所述的流化床变换系统，其特征在于，所述冷却水过流管路(16)的出口分成两个支路，所述两个支路中的一个支路(17)与所述流化床变换反应器的气体进口(6)相连通。
全文摘要
本发明提供了一种流化床变换反应器及具有其的流化床变换系统，其中，流化床变换反应器包括罐体，具有内腔，罐体的底部设有气体进口(6)，顶部设有气体出口(7)；第一换热器(5)，设置在罐体内，流化床变换反应器还包括催化剂分离装置，催化剂分离装置包括过滤器(2)，设置在罐体内并位于第一换热器(5)的上方，过滤器(2)包括多组滤芯；过滤器反吹装置，具有多个过滤器反吹口(1)，每个过滤器反吹口(1)与多组滤芯中的每个滤芯一一对应地设置，并且过滤器反吹口(1)位于滤芯的上方。本发明的流化床变换反应器能够进行催化剂分离并且结构简单。
文档编号B01J8/24GK102730638SQ20121025441
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者单贤根, 李克健, 李永伦, 章序文 申请人:中国神华煤制油化工有限公司, 中国神华煤制油化工有限公司上海研究院, 神华集团有限责任公司