氣液固多相流反應器及其過濾器的布置方法與流程

本發明涉及氣液固多相流反應器的過濾領域，具體地，涉及一種氣液固多相流反應器中過濾器的布置方法，以及使用該方法的氣液固多相流反應器。

背景技術：

氣液固多相流的反應體系中，如費托合成漿態床反應器，反應氣體從反應器底部進入，同固體催化劑和液態產物形成氣液固三相床層，為保持液位，這些液相產物需要采用過濾方法同固體催化劑進行分離并流出反應器。過濾方法又分為內置過濾和外過濾兩種技術。外過濾是指將反應器內的多相流物系部分引到反應器外的過濾器內進行分離，分離完成后剩余的包括固體顆粒催化劑在內的物料需要返回到反應器內參與反應，外過濾技術的優點是外過濾器可以在線更換維修，但缺點是結構復雜，操作和維護成本高。目前工業生產的大型多相流反應器大多采用內置過濾器技術，即將過濾組件放置到反應器內，采用錯流過濾的技術手段將漿液通過和濾芯連接的管道分離到反應器外，內過濾組件結構簡單，操作方便，但是需要足夠的過濾面積和合理的濾芯優化布置，保證內過濾組件能長期穩定濾出漿液，缺點是無法在線更換過濾組件。

同時，氣液固多相流反應器內要保證傳質、傳熱效果，還要求固體顆粒要處于懸浮狀態，在一定的空塔氣速條件下，即不會被夾帶出反應器，也不會發生大量沉積。一般要求顆粒平均粒徑50微米左右，同時小于20微米的顆粒<5％。在反應器的運行過程中，一小部分催化劑顆粒還會因物理磨損或化學應力等原因發生破碎，破摔的細顆粒有些甚至小于5微米，可能會堵塞 過濾器孔道，因此，對過濾器濾芯的結構和過濾空隙的規格都有很高的要求，一般需采用燒結金屬、燒結金屬絲網或陶瓷微孔過濾器等。

中國專利申請CN101396647A公開的內過濾濾芯基本上都在反應器內壁附近環形均勻布置。由于濾芯僅僅是靠近器壁均勻分布，并沒有充分利用整個反應器的截面面積，可能會造成過濾面積不足或布置間距不滿足要求等問題。另外由于考慮反應器內部多相流的因素較少，對過濾器的過濾穩定性會有影響。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提供一種氣液固多相流反應器，該反應器內的過濾器布置合理，能夠提升過濾器的過濾性能。

本發明的另一個目的是提供一種氣液固多相流反應器內過濾器的布置方法，該布置方法合理巧妙，能夠提升過濾器的過濾性能。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供一種氣液固多相流反應器，包括反應器本體和位于該反應器本體內的過濾器，所述過濾器包括所述反應器的周向呈多圈布置的多個過濾組件，其中每個過濾組件的中心均避開漿液流速較慢和/或固含率較高的區域，其中

所述漿液流速較慢的區域指：流速在0-10cm/s的區域；所述固含率較高的區域指：固體含量濃度比反應器中心固體含量濃度高5％以上區域。

優選地，所述漿液流速較慢的區域滿足：0.75R≤r_d≤0.85R，其中，R為所述反應器本體的半徑，r_d為漿液流速較慢的區域到所述反應器本體中心的距離。

優選地，所述固含率較高的區域滿足：0≤r_b≤40mm，r_b為所述過濾組件的外邊緣距離所述反應器本體的內側壁的最小徑向距離，其中所述反應器本體的半徑R＞300mm。

優選地，每個所述過濾組件整體均避開漿液流速較慢和/或固含率較高的區域。

優選地，所述多圈過濾組件包括位于最外層的第一圈和與該第一圈相鄰的第二圈，其中所述第一圈中每個過濾組件位于所述漿液流速較慢的區域外側并且每個過濾組件的中心避開固含率較高的固含率較高的區域，并且所述第二圈中每個過濾組件位于所述漿液流速較慢的區域內側。

優選地，所述第一圈布置在第一圓周，該第一圓周位于所述漿液流速較慢的區域和所述固含率較高的區域之間，所述第二圈布置在第二圓周，該第二圓周位于所述漿液流速較慢的區域內側，并且滿足：0.65R<r₂<0.75R，其中r₂為所述第二圓周到所述反應器本體中心的距離。

優選地，所述多圈過濾組件還包括第n圈，該第n圈布置的圓周滿足：[0.65-0.1(n-2)]R<r_n<[0.75-0.1(n-2)]R，其中n≥3，其中r_n為第n圈布置的圓周到所述反應器本體中心的距離。

優選地，所述第n圈的圓周滿足：r_n>0.2R。

優選地，所述過濾組件內并聯有多個平行布置的濾芯，所述過濾組件的外接圓直徑為D，所述濾芯的直徑為d，同圈內或相鄰圈中相鄰的兩個所述過濾組件的中心距為L，并且滿足L≥D+2d。

優選地，所述過濾組件內的相鄰兩個所述濾芯的中心距為t，并且滿足t＜0.8D，且5d≥t≥2.5d。

根據本發明的另一方面，提供一種氣液固多相流反應器中過濾器的布置方法，所述布置方法包括：確定反應器本體內的漿液流速較慢的漿液流速較慢和/或固含率較高的區域，將所述過濾器中的多個過濾組件沿周向呈圈布置，并且使得每個過濾組件的中心均避開所述漿液流速較慢和/或固含率較高的區域布置。

優選地，所述漿液流速較慢的區域滿足：0.75R≤r_d≤0.85R，其中，R 為所述反應器本體的半徑，r_d為漿液流速較慢的區域到所述反應器本體中心的距離。

優選地，所述固含率較高的區域滿足：0≤r_b≤40mm，r_b為所述過濾組件的外邊緣距離所述反應器本體的內側壁的最短徑向距離，其中所述反應器本體的半徑R＞300mm。

優選地，使得每個所述過濾組件整體均避開漿液流速較慢和/或固含率較高的區域。

通過上述技術方案，本發明在進行過濾器的布置時，考慮到了反應器氣液固床層的流體力學狀態，其中避開了流動速度較慢的的區域，采用錯流過濾的過濾器上所形成的濾餅能夠得到及時得到漿液沖刷，而不會快速增厚，從而增加過濾器的過濾能力和穩定過濾的時間，過濾器的過濾性能得到顯著提升。而避開固含率較高的區域，也可以避免過濾組件上的濾餅將快速增厚，從而保證過濾組件的過濾效率。

另外對過濾器進行反吹后，從濾芯反吹下來的濾餅中含有大量的固體顆粒，如果過濾器組件布置在流速較低或固含率較高的區域，這些濾餅也不能被漿液或氣體快速分散參與反應，很有可能在過濾器反吹后重新實施過濾后很快吸附到濾芯外，造成濾餅厚度快速增加，這樣也會影響過濾器的正常過濾，降低其過濾能力。

本發明的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是本發明優選實施方式提供的氣液固多相流反應器的截面結構示意 圖；

圖2是本發明一種實施方式中提供的過濾組件的截面結構示意圖；

圖3是本發明另一種實施方式提供的過濾組件的截面結構示意圖；

圖4是本發明優選實施方式中通過總管連接的過濾組件的結構示意圖；

圖5是本發明優選實施例提供的氣液固多相流反應器的截面結構示意圖；

圖6是在空塔氣速為0.1、0.2和0.3m/s時測試的反應器本體內部漿液流速和區域的函數圖；

圖7是空塔氣速分別為0.1、0.2和0.3m/s時測試的反應器本體內部多相流的氣含量和區域的函數圖。

附圖標記說明

1 反應器本體 2 過濾器

21 過濾組件 22 濾芯

23 上匯管 24 下匯管

25 上總管 26 下總管

31 第一圈 32 第二圈

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。

在本發明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如“上、下”是以圖4的圖面方向為基準定義的，另外“內、外”是指相應部件輪廓的內和外。

如圖1至圖7所示，本發明提供一種氣液固多相流反應器中過濾器的布置方法和使用該布置方法的氣液固多相流反應器，例如費托合成漿態床反應器。其中，氣液固多相流反應器包括反應器本體1和位于該反應器本體1內的過濾器2，即該氣液固多相流反應器采用內部錯流過濾的方式對將漿液從反應器本體1的內部分離出。

為了提升過濾器2的過濾性能，本發明在進行過濾器的布置時，并非隨意在過濾器本體1內進行布置，而是考慮到了過濾器本體1中多相流的流體力學特性對過濾器2的過濾性能的影響，針對不同區域的采用差異化的布置方式，從而提升過濾器2的過濾性能。

具體地，本發明提供的布置方法包括：確定反應器本體1內的漿液流速較慢的區域，將過濾器中的多個過濾組件21沿反應器本體1的周向呈多圈布置，其中多圈過濾組件沿徑向間隔設置，并且同圈中的多個過濾組件21位于同一圓周。并且使得每個過濾組件21的中心均避開漿液流速較慢的區域布置。即，在本發明提供的氣液固多相流反應器中，過濾器2包括沿周向呈圈布置的多個過濾組件21，其中每個過濾組件21的中心均避開漿液流速較慢的區域。

因此，在本發明的技術方案中，本發明考慮了漿液的流動速度的因素，由于避開了流動速度較慢的區域，采用錯流過濾的過濾器上所形成的濾餅能夠得到及時得到流動速度較快的漿液沖刷，而不會快速增厚，從而增加過濾器的過濾能力和穩定過濾的時間，過濾器的過濾性能得到顯著提升。另外對過濾器進行反吹后，從濾芯反吹下來的濾餅中含有大量的固體顆粒，如果過濾器組件布置在流速較低的區域，這些濾餅也不能被漿液或氣體快速分散參與反應，很有可能在過濾器實施反吹后重新過濾后很快吸附到濾芯外，造成濾餅厚度快速增加，這樣也會影響過濾器的正常過濾，降低其過濾能力。

此外，本發明還考慮了漿液中固含率的因素。這是由于，位于固含率較 高的區域中的過濾器外的濾餅將快速增厚，并且由于固含率高，漿液被分離的效率將大大降低，從而造成該區域內的過濾器過濾性能較差。因此，本發明提供的布置方法還包括：確定反應器本體1內的固含率較高的區域，并將每個過濾組件2的中心避開固含率較高的區域布置。即，在本發明提供的氣液固多相流反應器中，每個過濾組件2的中心還避開固含率較高的區域，從而提升過濾器2的過濾性能。

其中，本發明中的“漿液流速較慢”的區域指：流速在0-10cm/s區域，優選0-5cm/s區域，而固含率較高的區域指：固體濃度比反應器中心濃度高5％以上的區域，由于氣含率+固含量＝100％，也可以說氣含率比反應器中心氣含率低5％以上的區域。

另外，本發明中采用過濾組件2的中心避開漿液流速較低固含率較高的區域的說法，是考慮到過濾組件具有外接圓直徑D，即，該過濾組件本身還以中心為中點分別向反應器中心和反應器內壁延伸D/2，換言之，同一過濾組件同時具有了接近和遠離上述兩個應該避開的區域的兩個邊界，遠離這兩個區域的邊界效果更好。因此，取過濾組件2的中心為參照點是為了平均這個過濾組件的避開這兩個區域的效果。

又因此，在本發明的優選實施方式中，為了進一步解決過濾組件外接圓直徑D的影響，本發明在針對漿液流速較低和/或固含率較高的區域進行過濾組件的布置時，優選地，使得每個過濾組件整體避開漿液流速較慢和/或固含率較高的區域，即，過濾組件的任意位置均避開相應的上述區域，從而取得最好的效果。此時，如果在布置過濾組件21時，是以過濾組件21的中心為參照點來避開漿液流速較慢或者固含率較高的區域的話，則為了過濾組件整體均避開相應進行區域，則需要在以中心為基準定位的區域上，相應地加上或減去至少D/2，通常地為了保證效果，可優選地D≤0.1R。

進一步地，為了充分利用反應器本體1內部的空間，本發明提供的布置 方法還包括在反應器本體1內設置多圈沿徑向間隔布置的過濾組件21。即在本發明提供的氣液固多相流反應器中，過濾器2包括沿徑向間隔布置的多圈過濾組件21。因此多圈沿徑向間隔設置的過濾組件21可以充分利用反應器本體1內的空間，顯著增加過濾器2的過濾面積，從而進一步增加本發明提供的過濾器2的過濾性能。其中，優選地，多圈過濾組件21在布置時均應同時回避漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域，以保證過濾性能的提升。

基于本發明上述構思，可以通過試驗、理論推導等方式準確確定漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域。首先描述確定漿液流速較慢的區域的方式。

如圖6所示，以空塔氣速為0.1、0.2和0.3m/s為例進行試驗，漿液流速采用Pavlov管進行測量(參考文獻：張煜，王麗軍，李希.湍動漿態床流體力學研究(Ⅱ)軸向漿料速度的徑向分布[J].化工學報，2008，59(12):3003-3008)，在半徑為R的反應器本體1中，可以看出在不同的空塔氣速下，漿液流動速度在0.8R左右的區域時幾乎為零，當超過0.8R時，漿液又開始流動并且與之前的流動方向相反。因此可以得出本發明中所提及的漿液流速較低的區域位于0.8R左右，在這個區域內，過濾器2的過濾性能下降明顯。因此在布置過濾器2時，應該使得過濾組件21避開該區域。此外還可以進行其他空塔氣速下的試驗以驗證這一結論。

具體地，漿液流速較慢區域滿足：0.75R≦r_d≦0.85R，其中，r_d為流速較慢區域到反應器本體1中心的距離。更優選地，該區域滿足：0.77R≦r_d≦0.82R，特別是0.8R的區域，即，需要避免在此區域內的區域上布置過濾組件21。換言之，漿液流速較慢的徑向區域是以流速為0的區域為中心的區域，流速為零的區域大致在0.8R，以此處為中心，分別向反應器中心和反應器內壁方向各自延伸大致0.05R的區域定義則可以為本發明中優選的流速較 慢的區域，即0.75R≤r_d≤0.85R，在該區域內流速在0-10cm/s。

至于固含率較高的區域的確定，可以結合如圖7所示的多相流中氣含率的試驗進行驗證，其中氣含率和固含率大致呈反比具有參考價值。其中固含率的試驗結果和文獻結果類似，在反應器本體1的中心位置固含率較低，在反應器本體1的器壁附近固含率較高，具體地，在大于0.95R的區域固含率最高。其中為了進一步驗證該結論，按照流體力學的邊界層理論，在靠近反應器本體1的器壁處由于漿液邊界層的存在，氣含率還會較大降低，即此處的三相流中固含率會較高。并且如圖7所示，在空塔氣速為0.1、0.2和0.3m/s時，反應器徑向的的氣含率隨測量點的位置變化，在靠近反應器壁的徑向氣含率偏低，與之對應漿液或漿液濃度即固含率偏高。因此，在布置過濾組件時，需要使得過濾組件與反應器內壁間隔開，此時，本發明中所說的固含率較高的區域需要滿足，0≤r_b≤40mm，r_b為過濾組件外邊緣距離反應器器壁的最短徑向距離，在該區域內固體濃度比反應器中心濃度高5％以上。另外通常反應器的半徑R＞300mm。

從上述確定漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域的過程中可以看出，漿液流速較慢的區域位于固含率較高的區域的內側，為了使得多圈布置的過濾組件21中的每圈同時滿足避開漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域要求，優選地，多圈過濾組件21包括位于最外層的第一圈31和與該第一圈31相鄰的第二圈32，其中，將位于最外層的第一圈31中的每個過濾組件的中心布置在漿液流速較慢的區域外側并避開固含率較高的固含率較高的區域布置，即通過避開漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域，并且將與該第一圈31相鄰的第二圈32中的每個過濾組件的中心布置在漿液流速較慢的區域的內側，這樣該第二圈32中的每個過濾組件同樣能夠同時避開漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域。

其中作為一種優選實施方式，將第一圈31布置在第一圓周(過濾組件 21的中心沿第一圓周布置)，該第一圓周位于漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域之間，并且滿足：0.85R<r₁<0.95R，其中r₁為第一圓周到反應器本體1中的距離。并將第二圈32布置在第二圓周，該第二圓周位于漿液流速較慢的區域內側，并且滿足：0.65R<r₂<0.75R，其中r₂為第二圓周到反應器本體1中心的距離。這樣，可以使得兩圈過濾組件21的中心均可以同時滿足避開漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域的要求，并且能夠充分利用反應器本體1的空間，保證過濾性能。

此外，根據反應器本體1的規格尺寸，還可以設置更多圈過濾組件21，此時在本發明提供的布置方法中，布置第n圈過濾組件21的圓周滿足：[0.65-0.1(n-2)]R<r_n<[0.75-0.1(n-2)]R，其中n>2，其中r_n為第n圈布置的區域到反應器本體1中心的距離。例如如圖1所示，第三圈33中的每個過濾組件21的中心布置的圓周滿足：0.55<r₅<0.65。依次類推，以實現均勻充分地利用過濾器本體1內的空間。需要說明的是，本發明上述的第一圈、第二圈和第n圈的布置位置是指相應圈內每個過濾組件的中心的區域。

另外，由于反應器本體1中心的漿液流速過快，為了避免影響漿液進入過濾器2的效率，因此也應避免在中心區域布置過濾組件21。為此，優選地，第n圈的圓周滿足：r_n>0.2R。即，如圖1所示，所有過濾組件21的中心均應位于圖示中0.2R的外側。

如圖2、圖3和圖4所示，在本發明優選實施方式中，過濾組件21內并聯有多個平行布置的濾芯22，每個組件21內的濾芯22的數量為1-12個，具體地多個濾芯22可以采用金屬或陶瓷微孔膜管等制成，同一過濾組件21內的多個濾芯22通過上匯管23和下匯管24并聯在一起，以通過上、下匯管實現同一過濾組件21的過濾工作和反吹工作。另外，同一圈內的多個過濾組件21還可以通過上總管25和下總管26并聯在一起，以同時進行過濾和反吹工作。在具體布置過程中，每個過濾組件21內的濾芯22的上下兩個 出口分別連接到同一過濾組件21的上、下匯管上，如果每一圈過濾組件21的數量為3-6個，則這些匯管可以直接連接反應器外的過濾或反吹管道，如果過濾組件21超過6個，則需要至少2個過濾組件21(最大不超過10個)成為一個大組，每個大組的過濾組件21的上、下匯管需要再連接到上、下總管上后再引出反應器本體1。

其中，過濾組件21的外接圓直徑為D，濾芯22的直徑為d，為了充分發揮每個過濾組件21的功能，優選地，同圈內或相鄰圈中相鄰的兩個過濾組件21的中心距為L，并且滿足L≥D+2d。這樣，每個過濾組件21均可以充分對其周圍的區域進行過濾，而不需布置過多的過濾組件21造成對反應器本體1內部空間的過度占用。另外為了充分發揮每個濾芯22的功能，優選地，同一過濾組件21內的相鄰兩個濾芯22的中心距為t，并且滿足t＜0.8D，且5d≥t≥2.5d，這樣不論如圖2所示的三個濾芯一組還是如圖3所示的四個濾芯一組，均能夠充分揮發每個濾芯22的功效，而不需過多布置濾芯。另外，過濾組件21的外接圓直徑優選為0.05R≤D≤0.1R，以使得過濾組件21在中心避免漿液流速較慢的區域和固含率較高的區域時，其整體的過濾性能更好。

此外，位于不同圈的過濾組件21的外接圓直徑可不同，過濾組件中所設濾芯數量也可不同，例如外圈中可以設置較少濾芯數量，如圖2所示的三個，內圈則設置較多濾芯如圖3所示的四個，這樣可以使得內圈和外圈濾芯上的過濾效率和濾餅增厚速度相近。

在本發明的優選實施方式中，反應器本體1的半徑R>300mm，這樣，為了保證過濾效率，相鄰兩圈的過濾組件21的中心距L≥60mm，濾芯22的直徑15mm≥d≥50mm。從而通過有限的過濾濾芯完成對反應器本體1內的多相流完成高效過濾。

以下結合實施例進一步說明本發明。

實施例1

采用內過濾分離方法的氣液固多相流反應器的反應器本體1的半徑R＝1000mm。濾芯22和過濾組件21的規格以及過濾組件21在反應器同一徑向截面下的排列見圖5。

其中，采用兩圈的布置方式。第一圈31中每個過濾組件21的中心布置的第一圓周滿足r₁＝900mm。第二圈32中的每個過濾組件21的中心布置的第二圓周滿足r₂＝700mm。第一圈31和第二圈32中相鄰的過濾組件21之間最小的中心距L_min＝220mm。

其中第一圈和第二圈的每個過濾組件21的中心均避開了0.75R≤r_d≤0.85R(即，750mm-850mm)的漿液流速較慢的區域，另外第一圈31的過濾組件的外邊緣距離反應器內側壁的徑向距離為r_b＝45mm，滿足0≤r_b≤40mm需要避開的固含率較高的區域的要求。

所使用的濾芯22的過濾孔徑規格為20μm，外徑d＝20mm，長度為1.2m。濾芯22中間的中心距t＝60mm，過濾組件21的外接圓直徑D為95mm。這樣，不論第一圈還是第二圈中的過濾組件，除中心避開了漿液流速較慢的區域，其整體也都避開了漿液較慢的區域，效果好。

由于第一圈的濾芯組數量為12個(超過6個)，因此分成4個大組，每大組由3個濾芯組構成，每組的上、下匯管再連接到上下總管上，最后連接反應器外的過濾反吹管道。

第二圈的濾芯組數量為8個，(超過6個)，因此分成2個大組，每大組由4個濾芯組構成，每組的上、下匯管再連接到上下總管上，接到反應器本體1外。

在本實施例中，反應器在250-270℃，3.0MPa下進行操作，過濾器按照設定的過濾參數和程序進行過濾操作，漿液過濾能力能夠穩定在2.5-3.0t/h 之間，過濾能力穩定，過濾器使用周期能達到6000小時以上。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。