一种一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器及方法
阅读说明：本技术 一种一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器及方法 (External heating fluidized bed reactor and method for carbon monoxide isothermal transformation ) 是由 郝代军 刘丹禾 李治 沈方峡 俞安平 任潇航 李欣 刘林娇 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器及方法,该反应器通过在反应器外设置催化剂外循环取热通道,并在催化剂外循环取热通道内设置催化剂冷却取热器,在反应器内参与变换反应的催化剂加入沉降段并落入催化剂外循环取热通道进行降温,降温的催化剂再返回流化床反应器从而控制反应温度；不在反应器内部设置取热器,而在反应器外设置取热器除控制反应温度外,还能改善反应器内部催化剂的流化状态,促进一氧化碳变换反应；设置反应器外取热器通过控制外循环催化剂的循环量和取热量来精准调节反应器内部反应温度,能够保证装置的长周期运行,并且也方便装置检修。(The invention discloses an external heat-taking fluidized bed reactor and a method for carbon monoxide isothermal transformation, wherein the reactor is provided with a catalyst external circulation heat-taking channel outside the reactor, a catalyst cooling heat-taking device is arranged in the catalyst external circulation heat-taking channel, a catalyst participating in transformation reaction in the reactor is added into a settling section and falls into the catalyst external circulation heat-taking channel for cooling, and the cooled catalyst returns to the fluidized bed reactor so as to control the reaction temperature; the reactor is not internally provided with a heat extractor, and the heat extractor is arranged outside the reactor, so that the reaction temperature is controlled, the fluidization state of a catalyst in the reactor can be improved, and the carbon monoxide shift reaction is promoted; the reactor external heat remover is arranged to accurately adjust the reaction temperature in the reactor by controlling the circulation amount of the external circulation catalyst and the heat removal amount, so that the long-period operation of the device can be ensured, and the device is convenient to overhaul.)
技术领域
本发明涉及一氧化碳等温变换
技术领域
，具体而言，涉及一种一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器及方法。背景技术
现代煤化工多选用加压气化，CO含量高(水煤浆气化-45％、干粉气化-65％)，在变换炉内反应剧烈，温升高不易控制。多采用高汽气比和低汽气比两种工艺来解决这一难题，但是水汽比过高将会缩短催化剂使用寿命，增加床层阻力，CO停留时间缩短，变换率下降，操作难度增大，能耗高，还有可能导致催化剂反硫化而失活；而低汽气比，通过控制工艺气中的汽气比来控制第一变换炉的反应温度和反应深度，进行高CO浓度下的低汽气比反应，虽使变换反应条件温和，操作平稳，节省了蒸汽，但对于大型粉煤气化高CO含量的变换还存在很多的问题，流程复杂，设备较多，操作麻烦。
为了解决上述问题，适合大型煤气化装置的等温变换技术应运而生。等温变换反应技术是在一个反应器内利用物理方法及时将变换反应热移出，保持床层基本处于恒温状态，温度较低，反应程度加深，转化率高，延长了催化剂的使用寿命，使催化剂的性能得到最大程度的发挥，适合高CO变换反应。等温变换反应器主要靠反应器内部安装的列管或者蛇管取热器取走反应过程产生的热量，从而保证反应器内的基本均匀。从应用实践看，列管式换热效果好,但结构比较复杂,建造和维修比较困难，并且压降较高，不易大型化。蛇管式结构简单，但换热效果较差，当反应器较大时，等高度床层截面上明显存在温度差，存在着控制不准确，部分催化剂有过热的危险。为了实现一氧化碳等温变换，往往需要多步固定床反应过程，造成投资高、操作费用多等结果。
流化床反应器是在化工过程中应用非常广泛的一类反应器，特别适合于放热效应显著或对温度控制要求严格的体系。催化剂以微米级的颗粒形式存在于流化床反应器中，微米级固体颗粒具有非常大的表面积并且易于在反应器内流动返混，剧烈运动着的颗粒可以迅速使系统内的热量均匀分布，整个反应体系处于等温环境，取热方便，比固定床的换热效果好，反应温度容易控制，操作简便。发明一种一氧化碳耐硫等温变换的流化床以及取热设施是实现流化床一氧化碳耐硫等温变换工艺过程的关键。其优点一是等温操作有利于严格控制一氧化碳变换的转化率；二是有利于扩大反应器处理能力，利用装置大型化；三是良好的操作稳定性和安全性。
CN 101723320 A公开了一种合成气流化床变换工艺。以粒度5-200μm的微球变换催化剂，经过急冷和除尘的合成气进入流化床反应器进行变换，反应热经流化床内换热器产生高中压蒸汽控制反应温度。其优点是：(1)相对于固定床变换催化剂，微球变换催化剂流化态气固接触面积大，传质传热效率高，反应速度高；(2)通过合成气的流化床流速的变化可以调节CO变换率，满足后续化工过程的需要；(3)反应温度易于控制，移热方便，可实现等温操作，CO变换率高，副产大量高温高压蒸汽；(4)设备处理能力成倍提高，设备体积大大减少，节约大量的钢材和投资。反应温度易于控制，移热方便，可实现等温操作，CO变换率高，副产大量高温高压蒸汽。但是利用内取热来调节反应温度存在以下问题，一是反应器内的取热管占据大量反应器空间，影响反应器的原料处理能力和压降；二是反应器内大量催化剂的快速流动与取热管频繁摩擦，既对催化剂造成磨损，增加催化剂的消耗，又对取热管造成磨损，严重影响开工周期，并且不方便检修；三是反应器内大量取热管干扰催化剂和气体流动，影响催化剂和气体的均匀分布，从而造成反应器内温度不均，影响一氧化碳变换的转化率。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器及方法。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器，包括用于一氧化碳变换反应的流化床反应器壳体，反应器壳体底部设置有合成气进口，粗合成气从合成气进口进入反应器的密相反应区，密相反应区上部为反应器稀相沉降区，在稀相沉降区下部与流化床反应器密相反应区上部的结合处设置催化剂外循环取热管，催化剂外循环取热管与流化床反应器密相区底部相连，形成催化剂外循环取热通道，催化剂外循环取热管内还设置有催化剂冷却取热器，以使在反应器的密相反应区中参与变换反应的催化剂在离开密相反应区后通过稀相区沉降进入催化剂外循环取热通道进行取热降温。
本发明还提供一种利用上述流化床反应器进行一氧化碳等温变换的方法，包括：通入流化床反应器的粗合成气在催化剂作用下于流化床反应器密相反应段内进行变换反应；反应完成后的催化剂离开密相反应区进入稀相沉降区，一部分催化剂沉降进入密相反应区继续催化一氧化碳变换反应，另一部分催化剂沉降到外循环取热管后进行降温再加入密相反应区底部，以此方式使催化剂循环降温并参与变换反应。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器及等温变换的方法，利用流化床反应器能够实现反应区内的一氧化碳变换等温操作，避免使用多台固定床反应器；通过在反应器外设置催化剂外循环取热通道，并在催化剂外循环取热通道内设置催化剂冷却取热器，在反应器内参与变换反应的催化剂在沉降阶段落入其中并进行降温，将高温催化剂从反应器移出，降温的催化剂再返回流化床反应器从而控制反应温度；不在反应器内部设置取热器，而在反应器外设置取热器除控制反应温度外，还能改善反应器内部催化剂的流化状态，促进一氧化碳变换反应；设置反应器外取热器通过控制外循环催化剂的循环量和取热量来精细调节反应器内部反应温度，能够保证装置的长周期运行，并且也方便装置检修。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器的剖面示意图；
附图编号：粗合成气进料管线-1，粗合成气进料分布器-2，流化床反应器密相反应段-3，流化床反应器稀相沉降段-4，气固分离器-5，变换合成气出口-6，催化剂外循环取热通道-7，催化剂冷却取热器-8，催化剂控制滑阀-9。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
目前，等温变换反应器主要靠固定床反应器内部安装的列管或者蛇管取热器取走反应过程产生的热量，从而保证反应器内的基本均匀。从应用实践看，列管式换热效果好,但结构比较复杂,建造和维修比较困难，并且压降较高，不易大型化。蛇管式结构简单，但换热效果较差，当反应器较大时，等高度床层截面上明显存在温度差，存在着控制不准确，部分催化剂有过热的危险。另外，采用内取热的流化床反应器需要在流化床反应器内设置大量内取热管等内构件，不仅影响催化剂的流化，造成反应器内温度分布不均匀，还会占用大量反应器体积，同时反应器内大量催化剂的流动也会对内取热管磨损和催化剂磨损，影响安全生产和催化剂使用效率。
为了解决上述技术问题，本发明实施例采用的一氧化碳等温变换流化床反应器和催化剂外循环取热的方式来解决固定床等温变换反应器轴向和径向温度不均匀的问题。在外取热流化床反应器内，由于反应物料和催化剂均处于完全返混的状态，并且没有大量内取热管等内构件影响催化剂的流动，在反应器内部无论是轴向还是径向的温度是一样的，保证了反应区的均匀性。另外，一氧化碳变换过程是强放热反应，并且在高温下一氧化碳的转化率低。通过设立催化剂外循环取热管的方法，将高温催化剂从反应器移出，在外循环管内设置取热器来降低催化剂的温度，降温的催化剂再返回流化床反应器从而控制反应温度。通过控制取热器的取热量来调节催化剂的温度，通过外循环管的滑阀来控制返回催化剂的量，从而有效调节流化床反应器的反应温度。
本发明实施例的方案采用的一氧化碳等温变换外取热流化床反应器和催化剂外循环取热的方式来改善流化床反应器的流化状态。一氧化碳等温变换一般是进料空速较低、反应压力高，为了满足一氧化碳转化率需要增加气体停留时间，即增加反应器的高度，造成反应器高径比大，从而影响催化剂的返混和流化状态。利用催化剂循环再返回的方式形成环流来促进催化剂的流化性能，进一步改善反应器内的温度分布，提高了一氧化碳的转化率。
基于此，本发明实施例提供一种适用于一种一氧化碳等温变换外取热流化床反应器和用此反应器进行一氧化碳等温变换的方法。本发明实施例提供的反应器是一种催化剂外循环的流化床反应器，通过催化剂的外循环能够有效改善流化床反应器内部的催化剂流化状态，通过控制外循环催化剂的循环量和取热量来精细调节反应器内部温度，通过控制外循环催化剂的速率来减少催化剂和取热管的磨损。
为实现本发明的上述目的，特采用以下的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供的一氧化碳等温变换的外取热流化床反应器如图1所示，包括流化床反应器密相反应段，反应器密相反应段底部设置有合成气进口，合成气进口和气体分布器连通；反应器密相反应段上方设置稀相沉降区，以使在流化床反应器中参与变换反应的催化剂在离开密相反应区后通过沉降进入催化剂外循环取热通道进行取热降温；稀相沉降段下部设置催化剂外循环取热通道，催化剂外循环取热通道内还设置有催化剂冷却取热器，催化剂外循环取热通道还设置催化剂输送控制阀，最后催化剂外循环取热通道与流化床反应器密相反应段底部连接。
在可选的实施方式中，流化床反应器整体为变径圆柱形，稀相沉降区的圆柱直径大于密相反应区的圆柱直径。
在可选的实施方式中，催化剂冷却取热器为一组或者多组，更优选为多组。两组以上的催化剂外循环管更便于调节催化剂循环量和催化剂取热量，并且便于工业运行和检修。
在可选的实施方式中，催化剂外循环取热通道的底部还设置有催化剂循环量控制滑阀，通过滑阀调节其进入流化床反应器的催化剂量。
在可选的实施方式中，反应器壳体内的顶部设置有气固分离器。
优选地，气固分离器为旋风分离器，旋风分离器的料腿末端悬挂在密相反应段中。
优选地，稀相沉降段气固分离器为气固旋风分离器、多孔材料过滤器或者旋风分离器与多孔材料过滤器串联使用，更优选地，旋风分离器和多孔过滤器为一组或者多组。
在可选的实施方式中，进气口设置在反应器壳体底部的轴心处，进气口上端连接有气体分布板。
第二方面，本发明实施例还提供一种利用上述流化床反应器进行一氧化碳等温变换的方法，包括：通入流化床反应器的粗合成气在催化剂作用下于流化床反应器密相反应段内进行变换反应；反应完成后的催化剂离开密相反应区进入稀相沉降区一部分催化剂沉降进入密相反应区继续催化一氧化碳变换反应，另一部分催化剂沉降到外循环取热管后进行降温再加入密相反应区底部，以此方式使催化剂循环降温并参与变换反应。
在可选的实施方式中，采用本发明图1所提供的流化床反应器进行一氧化碳等温变换的方法，具体步骤如下：
经过除尘后适宜温度的粗合成气通过粗合成气进料管线1进入粗合成气进料分布器2，然后在微球变换催化剂作用下合成气在一定条件下于流化床反应器密相反应段3内进行变换反应；达到变换要求的合成气进入流化床反应器稀相沉降段4，再通过气固分离器5排出装置；离开流化床反应器密相反应段3的催化剂通过沉降作用进入催化剂外循环取热管7，利用催化剂冷却取热器8内的冷却介质来降低催化剂温度，通过调节冷却介质流量和进出口温度及催化剂停留时间来控制催化剂冷却温度；冷却的催化剂通过滑阀9调节其进入反应器的催化剂量，从而精细调节反应温度。
再次参见图1，从流化床反应器底部的进气口进入的粗合成气，在与流化床反应器密相反应段3内的催化剂接触之后进行变换反应，催化剂在反应器底部喷入的气体的推动作用下，向反应器内部上方移动，与此同时，在反应区内粗合成气进行变换反应，达到变换要求的气体和催化剂离开反应器之后，遇到扩颈结构的流化床反应器沉降段4，催化剂的速度迅速下降，一部分落入流化床反应器密相反应段3内，一部分落入催化剂外循环取热通道7内，然后利用催化剂外循环取热管7内催化剂冷却取热器8对催化剂进行降温，降温后的催化剂还可以通过控制阀流回反应器的流化床反应器反应段3中再次参与反应。整个反应过程，催化剂在反应器内不断的上升过程中参与变换反应，达到变换要求的合成气进入反应器稀相沉降段通过气固分离器排出装置，离开反应器密相反应段的催化剂通过沉降进入反应器密相段内继续催化反应和进入外取热器进行降温，催化剂循环降温以重新参与变换反应。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一氧化碳外取热等温变换的流化床反应器如图1所示，主要包括粗合成气进料管线1、粗合成气进料分布器2、流化床反应器密相反应段3、流化床反应器稀相沉降段4、稀相沉降段气固分离器5、变换合成气出口6、催化剂循环取热通道7、催化剂冷却取热器8和催化剂循环量控制滑阀9。
反应器包括用于一氧化碳变换反应的流化床反应器壳体，反应器壳体底部设置有合成气进口，粗合成气从合成气进口进入反应器的密相反应区，密相反应区上部为反应器稀相沉降区，在稀相沉降区下部设置催化剂外循环取热管，催化剂外循环取热管与流化床反应器密相区底部相连，形成催化剂外循环取热通道，催化剂外循环取热管内还设置有催化剂冷却取热器，以使在反应器的密相反应区中参与变换反应的催化剂在离开密相反应区后通过稀相区沉降进入催化剂外循环取热通道进行取热降温。
经过除尘后适宜温度的粗合成气通过粗合成气进料管线1进入粗合成气进料分布器2，然后在微球变换催化剂作用下合成气在一定条件下于流化床反应器密相反应段3内进行变换反应；达到变换要求的合成气进入流化床反应器稀相沉降段4，再通过气固分离器5排出装置；离开流化床反应器密相反应段3的催化剂在上升进入反应器稀相沉降段4内并且速度下降，通过重力作用在缩颈处沿着反应器内壁沉降进入催化剂外循环管7，利用催化剂取热器8内的冷却介质来降低催化剂温度，通过调节冷却介质流量和进出口温度及催化剂停留时间来控制催化剂冷却温度；冷却的催化剂通过催化剂循环量控制滑阀9调节其进入反应器的催化剂量，从而精细调节反应温度。
实施例2
在粗合成气(干气)进料量20×104Nm3/h、进料空速2000h-1、H2O:干气＝1.0(摩尔比)、H2S浓度0.3v％、变换温度250℃、系统压力4.MPa的条件下，利用图1反应器(密相段有效高度18.0m、内径3.0m)进行粗合成气等温耐硫变换反应。反应器内的催化剂C、D经过硫化后通入粗合成气，试验结果见表1，其中一氧化碳变换率计算如下式。
变换率计算公式为：XCO＝(YCO-YCO’)/[YCO(1+YCO’)]×100％；
YCO：反应器进口气体CO的摩尔分数(干基)；
YCO’：反应器出口气体CO的摩尔分数(干基)；
另外，反应器密相段径向温度分布250℃±2℃、轴向温度分布250℃±3℃，远低于固定床等温变换过程的进出口温差。
实施例3
在粗合成气(干气)进料量20ⅹ104Nm3/h、进料空速2000h-1、H2O:干气＝1.0(摩尔比)、H2S浓度0.3v％、变换温度350℃、系统压力4.MPa的条件下，利用图1反应器(密相段有效高度21.0m、内径3.0m)进行粗合成气等温耐硫变换反应。反应器内的催化剂C、D经过硫化后通入粗合成气，试验结果见表1，其中一氧化碳变换率计算如下式。
变换率计算公式为：XCO＝(YCO-YCO’)/[YCO(1+YCO’)]×100％；
YCO：反应器进口气体CO的摩尔分数(干基)；
YCO’：反应器出口气体CO的摩尔分数(干基)。
另外，反应器密相段径向温度分布350℃±2℃、轴向温度分布350℃±3℃，远低于固定床等温变换过程的进出口温差。
以下表1为本发明实施例2-3中的一氧化碳变换试验结果。
表1
注：C、D是由中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心研制的微球形等温耐硫变换催化剂。
由以上的表1可以看出，粗合成气的变换率在90％以上。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下有益效果：
(1)、本发明实施例提供的流化床反应器，通过控制外循环催化剂的循环量和取热量来精细调节反应器内部反应温度；
(2)、本发明实施例提供的流化床反应器，通过催化剂的外循环能够有效改善流化床反应器内部的催化剂流化状态，保证反应器内温度分布均匀；
(3)、本发明实施例提供的流化床反应器，通过控制外循环催化剂的循环速率来减少催化剂和取热管的磨损，来保证装置的长周期运行，并且也方便装置检修。
(4)、本发明实施例提供的一氧化碳流化床等温变换的方法具有投资少，操作费用低的优势。
以上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。
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