一种适于稳定生产的费托合成反应器、反应系统及方法与流程

本发明属于费托合成，涉及集成了催化剂活化单元的费托合成反应器，具体涉及一种适于稳定生产的费托合成反应器、反应系统及方法。

背景技术：

1、我国能源结构的特点是富煤、贫油和少气。因此将原始的煤炭转化为优质的液体燃料和高附加值的化学品，一直受到高度关注。煤炭间接液化即是以煤炭为原料，经过气化和净化工艺变成干净的合成气后，通过费托合成反应变成大分子的烃类和醇类的过程，是实现煤炭合理、高效和洁净利用的一条重要途径。

2、费托合成反应是煤炭间接液化过程的核心部分，是合成气(h2+co)在铁、钴、钌等金属催化剂存在条件下合成烃类产物的过程。

3、对于工业应用的费托合成铁基催化剂，受到催化剂制备成型工艺、储存运输及催化剂加料工艺等的要求，出厂时铁都为氧化态，需要在进行费托合成反应前，采用氢气、一氧化碳、低碳烯烃等还原性气体进行活化反应处理后，才能使催化剂形成稳定的费托合成反应活性相。

4、活化反应过程，就是把起主要催化作用的氧化铁组分转化为单质铁和碳化铁组分的过程。现有催化剂的活化方法有整个活化过采用相同气体、相同温度的单一过程，也有将活化过程分为两个或多个活化阶段，并在不同活化阶段采用不同活化用气、活化温度。如cn112569984a中，制备负载型θ碳化铁组合物，是将前驱体先用氢气还原，再用合成气还原；cn112569983a制备负载型x碳化铁组合物，是将前驱体先用氢气还原，再用氧气钝化，然后再用合成气还原；

5、对于活化过程分需要两个或多个活化阶段的反应过程，若采用单台反应器气体切换置换需要较长时间，影响产率，如果采用两台或多台反应器，则装置投资较大，且存在反应器之间催化剂转移工序复杂的问题。

6、此外，目前工业上进行上述活化操作时都采用的是间歇式操作，即一批一批活化，无法连续进料待活化的催化剂，也无法连续生产活化催化剂。间歇式活化会导致活化反应器床层空置，利用率不足；并且间歇式活化需要频繁调整活化反应器的压力、流量等参数、操作复杂，且会造成批次活化催化剂之间性能不均一；同时，间歇式活化还导致部分阀门需要经常进行开合操作，降低效率并容易产生故障。

7、另外，受制于催化剂间歇活化，费托合成反应器的催化剂更新也是间歇式进行催化剂置换，即隔一段时间卸出一部分催化剂，然后补充一批活化的催化剂，如目前工业费托合成反应器单批次催化剂置换量为10％左右，持续时间2-3个小时，置换过程需要调整工艺参数调整配合置换，对费托合成装置连续运转的稳定性造成较大，最终影响经济性。

8、最后，当前工业应用的催化剂活化反应器是独立于费托合成反应器的一套独立的，带有加热和取热体系的反应器，如果采用两台或多台反应器，则装置投资会成倍增加，且存在反应器之间催化剂转移工序复杂的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种适于稳定生产的费托合成反应器、反应系统及方法，将催化剂活化反应器与费托合成反应器融为一体，以实现费托合成中催化剂的连续活化以及费托合成反应的稳定进行，取消反应器之间催化剂的转移工序，同时可以满足多阶段活化过程对气体种类、温度变化的需求。

2、为实现上述发明目的的一个方面，本发明采用的技术方案如下：

3、一种适于稳定生产的费托合成反应器，包括反应器筒体和设置于所述反应器筒体内的内构件，其中，所述内构件包括气体分布器和催化剂活化单元：所述气体分布器设置在反应器筒体底部，以使进行费托合成反应的入塔气在费托合成反应器内均匀分布；所述催化剂活化单元设置在所述气体分布器上方，包括多个沿活化过程中催化剂流动方向串联连接的旋风分离器；所述旋风分离器的进料口用于进料待活化催化剂以及活化用气，所述旋风分离器顶部的出气口用于排出活化尾气，所述旋风分离器底部的出料口用于排出与活化用气反应后的分离催化剂并将所述分离催化剂输送至串联的下一级旋风分离器的进料口；所述催化剂活化单元用于在依次串联的旋风分离器内进行催化剂活化并通过最末级的旋风分离器将活化后的催化剂通过出料口连续进料至费托合成反应器内以催化费托合成反应。

4、根据本发明的费托合成反应器，优选地，所述费托合成反应器还包括进气管和出气管，所述进气管的一端连接外部气源、另一端连接至各旋风分离器的进料口，以输送活化用气至旋风分离器；所述出气管的一端连接外部尾气处理单元、另一端连接至各旋风分离器的出气口，以将活化尾气输送至外部尾气处理单元以便回收利用。

5、根据本发明的费托合成反应器，优选地，所述串联连接的旋风分离器中上一级旋风分离器的出料口的位置高于下一级旋风分离器的进料口。

6、根据本发明的费托合成反应器，优选地，所述催化剂活化单元的旋风分离器沿所述反应器筒体内壁布设。

7、根据本发明的费托合成反应器，优选地，所述费托合成反应器为浆态床费托合成反应器；所述串联连接的旋风分离器中的至少部分或全部旋风分离器位于浆态床费托合成反应器的浆体内。

8、根据本发明的费托合成反应器，优选地，所述费托合成反应器为气固流化床费托反应器；优选地，所述串联连接的旋风分离器中的至少部分或全部旋风分离器位于气固流化床费托合成反应器的气固相床层内。

9、为实现上述发明目的的另一个方面，本发明还提供了一种用于费托合成的反应系统，所述反应系统包含上述费托合成反应器，以及用于供应活化用气的气源和用于对活化尾气进行处理的尾气处理单元。

10、根据本发明的反应系统，在一种实施方式中，所述气源为一种或多种，所述进气管为一组或多组，连接同种气源的每组进气管对应连接一组旋风分离器，每组旋风分离器对应连接一组出气管，以使来自同种气源的活化用气进入同组旋风分离器并经同组出气管送出；

11、优选地，所述气源包括氢气源、co气源、氮气源、氧气源以及它们中至少两种混合所形成的混合气源中的一种或多种。

12、根据本发明的反应系统，在一种实施方式中，所述气源包括氢气源和co气源；所述进气管包括第一组进气管和位于第一进气管下游的第二组进气管，所述出气管包括第一组出气管和第二组出气管；

13、所述第一组进气管连接至所述氢气源，用于将氢气作为第一活化用气送入与第一组进气管对应连接的第一组旋风分离器；所述第一组出气管用于输送来自第一组旋风分离器的第一活化尾气；

14、所述第二组进气管连接至所述氢气源和co气源，用于将氢气和co的混合气作为第二活化用气送入与第二组进气管对应连接的第二组旋风分离器；所述第二组出气管用于输送来自第二组旋风分离器的第二活化尾气。

15、所述尾气处理单元包括第一尾气处理单元和第二尾气处理单元；其中，所述第一尾气处理单元用于脱除第一活化尾气中的水并将处理后的第一活化尾气作为第一活化用气循环送入第一组进气管；

16、所述第二尾气处理单元用于脱除第二活化尾气中的水、二氧化碳和有机物并将处理后的第二活化尾气的部分作为第二活化用气循环送入第二组进气管、部分作为弛放气。

17、为实现上述发明目的的再一方面，本发明还提供了利用上述反应系统进行费托合成的方法，其中，在进行费托反应时，持续向所述催化剂活化单元中进料待活化的催化剂，并利用所述催化剂活化单元持续向所述费托合成反应器内补充活化后的催化剂，同时，从费托合成反应器中持续卸出催化剂，以维持费托合成反应器中催化剂的总量稳定。

18、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

19、1).本发明的催化剂活化为连续进行，因此可以相应减少催化剂活化单元的设备体积，从而由于有利于将其集成在费托合成反应器内，相比于目前催化剂活化反应器与费托合成反应器通常为两套装置导致投资大、操作复杂的问题，本装置将二者合为一个反应器，不必单独建设活化反应器；

20、2).本发明解决了现有气固流化床间歇式活化过程，实现了催化剂连续进出料，解决了间歇式活化反应器降温等待等空置时间，提高了反应的稳定性和效率；

21、3).本发明的催化剂活化单元为串联连接的多个旋风分离器，从而可以对将不同数量的旋风分离器分组进气，满足不同进气种类的复杂需要，操作灵活，如分成三段(或三组)，上段的旋风分离器进氢气，中段进含氧气体，下段进氢气与co的混合气，或者分为两段，上段进氢气、下段进氢气与co的混合气，或者全部为一段，均进氢气或氢气与co的混合气。

22、4).本发明活化后催化剂出料后连续进入费托合成反应器，能够同时解决费托合成反应器催化剂无法连续自动置换的问题，解决了现有费托合成装置间歇置换带来的操作复杂，装置运行不稳定的问题，提高费托合成装置的反应性能。

23、5).本发明将催化剂活化集成在费托反应器内，可以利用放热的费托反应为催化剂活化供热，有利于节能减排，减轻费托合成反应器内设置的专门移热器的操作压力。