复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器

本发明涉及化工反应器，具体是一种复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器。

背景技术：

1、费托合成（fts）能够从生物质、城市固体废物或捕获的二氧化碳和绿色氢气中提取可持续合成气原料生产清洁的液态碳氢化合物燃料，因此该技术在减少碳排放方面发挥着至关重要的作用。

2、目前的fts反应器主要包括固定床、流化床和浆料床，其中，由于没有用于催化剂回收的复杂固液分离系统，催化剂磨损小，且能够实现更高的单位体积催化剂负载量，固定床反应器目前工程应用最广。然而传统固定床反应器传热性能差，易在床层中心形成热点，导致催化剂失活、产物选择性下降。因此如何综合提升催化剂活性与产物选择性十分重要。

3、现有技术中，虽有个别研究尝试通过引入内构件来改善传热，但仍难以在提高反应效率的同时有效控制压降与温度分布。同样，一些类似费托合成的其他强放热及强吸热反应也面临着相似的问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中颗粒固定床反应器中现存的温度分布不均、目标产物选择性低、压降高的问题，提供了一种复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，结构简单、易于实施，能协同优化反应器内的传热、传质与压降，有效抑制热点形成，提高费托合成反应效率与长链烃产物选择性。

2、本发明提供一种复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，包括圆柱形反应管，反应管内沿轴向设有催化剂填充段，填充段沿轴向两端设有支撑与分布层。

3、所述填充段内设有一同轴布置的圆柱形金属网，该金属网将填充段分隔为外环形区域与内圆柱区域；所述外环形区域填充小粒径催化剂颗粒，内圆柱区域填充大粒径催化剂颗粒，形成由外向内粒径逐级增大的径向分层结构；所述圆柱形金属网上设有通孔，其孔径小于外环形区域所填充的小粒径催化剂颗粒的直径，除实现物理分隔，更关键的作用在于调控流体分布：该结构迫使部分流体在流经高空隙率的中心区域与低空隙率的环形区域之间进行再分配，此过程有效诱导了径向流动，从而显著强化了床层内部的径向传热与混合效率。

4、进一步改进，所述外环形区域与内圆柱区域的催化剂装填体积比为（5~7）:1，优选6:1。

5、进一步改进，所述圆柱形金属网的内径与所述圆柱形反应管的内径之比为（1:2.5）至（1:2.7），圆柱形金属网的内径优选为13.5毫米，反应管内径优选为36毫米。

6、进一步改进，所述反应器内填充钴基费托合成催化剂。

7、进一步改进，所述小粒径催化剂颗粒直径为3毫米，大粒径催化剂颗粒直径为4毫米。

8、进一步改进，所述催化剂填充区沿轴向两端装有石英砂及石英棉，利于确定圆柱形金属网的轴向位置。

9、进一步改进，所述金属网材质为耐高温、耐腐蚀且不参与费托合成反应的不锈钢或合金，优选13-8mo不锈钢。

10、进一步改进，所述复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器在其他工况下依然有效。

11、本发明使用时，在反应器入口连接三个气体质量流量计、一个预热混合气，反应器出口连接有两个气液分离装置和一个气相色谱。反应器由电加热达到恒温壁面的条件，进口气体为一氧化碳、氢气、氮气。

12、本发明有益效果在于：

13、1、强化传热：外层小颗粒增强近壁区导热，内层大颗粒缓解中心反应强度，协同抑制热点形成；

14、2、优化压降：通过合理粒径配比与分层结构，在提升反应效率的同时控制床层压降；

15、3、提高产物选择性：改善温度分布有利于长链烃（c5+）的生成，提升目标产物收率；

16、4、结构简单、易于实施：无需复杂内构件或特殊加工工艺，适用于现有反应器的改造与放大。

1.一种复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，包括圆柱形反应管，反应管内沿轴向设有催化剂填充段，填充段沿轴向两端设有支撑与分布层；其特征在于：所述填充段内同轴设置有圆柱形金属网，圆柱形金属网将填充段分隔为外环形区域与内圆柱区域；所述外环形区域填充小粒径催化剂颗粒，所述内圆柱区域填充大粒径催化剂颗粒，从而构成催化剂粒径由外向内逐渐增大的径向分层结构。

2.根据权利要求1所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述圆柱形金属网上开设有多处通孔，所述通孔的孔径小于所述外环形区域所填充的小粒径催化剂颗粒的直径。

3.根据权利要求1所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述外环形区域与内圆柱区域的催化剂装填体积比为（5~7）:1。

4.根据权利要求3所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述外环形区域与内圆柱区域的催化剂装填体积比为6:1。

5.根据权利要求1所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述圆柱形金属网的内径与所述圆柱形反应管的内径之比为（1:2.5）至（1:2.7）。

6.根据权利要求5所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述圆柱形金属网的内径为13.5毫米，所述圆柱形反应管的内径为36毫米。

7.根据权利要求1所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述小粒径催化剂颗粒的直径为3毫米，所述大粒径催化剂颗粒的直径为4毫米。

8.根据权利要求1所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述圆柱形金属网的材质为耐高温、耐腐蚀的13-8mo不锈钢。

9.根据权利要求1所述的复合颗粒径向分层填充的费托合成固定床反应器，其特征在于：所述支撑与分布层为石英棉和/或石英砂。