一种用于费托合成产物分离的激冷塔及其工艺系统
技术领域
本发明属于化工设备装置领域，具体涉及一种用于费托合成产物分离的激冷塔及其工艺系统。
背景技术
费托合成反应是一个典型的催化放热反应，目前普遍采用的催化剂一种为铁基催化剂，一种为钴基催化剂，两种催化剂形态均为细小的固体颗粒状，粒度为0～250μm。激冷塔是费托合成系统的重要设备之一，主要用于分离费托合成气相产物中的重质油和轻质油，并对费托合成气相产物中携带的热能进行回收。
由于费托合成气相产物一般温度比较高，并携带一些细小的固体催化剂颗粒，容易在分离系统中沉积、堵塞，影响分离效果。目前常规的激冷塔结构内构件存在不合理，流体分布不均匀，分离效果差，固体易堵塞。常规的分离流程中，一般在激冷塔前设置废热锅炉对气相产物进行预冷却、在激冷塔外设置换热器对循环液或采出的重质油进行冷却等方式，存在单体换热设备体积较大，热能利用效率低，废热锅炉和换热器易堵塞等问题，尤其对于大型、高温费托合成装置，此类问题更加突出，严重限制了费托合成工艺技术的规模化运行。
系统的解决上述问题对于实现费托合成装置的连续稳定操作以及规模化放大非常重要。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种用于费托合成产物分离的激冷塔及其工艺系统，以解决激冷塔内流体分布不均、产物分离不彻底、固体易沉积堵塞，以及系统热能回收利用率低，运行不稳定等问题，尤其适合于规模化费托合成产物分离设备及工艺的设计和运行。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于费托合成产物分离的激冷塔，包括激冷塔本体、主进料系统、辅助进料系统、换热元件、喷淋洗涤系统及塔盘系统，所述激冷塔本体内上部为气相区域，下部为液相区域，所述主进料系统设置在气相区域，所述喷淋洗涤系统与塔盘系统依次设置在所述主进料系统的上方，所述辅进料系统及换热元件设置在液相区域。
费托合成反应的气相产物由主进料系统及辅助进料系统进入激冷塔本体内，在激冷塔本体的气相区域，所述喷淋洗涤系统对塔中上升的气体进行洗涤、降温处理，气相产物中的部分重质油经冷凝变为液体进入洗涤液中，一并落入塔底的液相产物中，同时气相产物中夹带的固体催化剂颗粒也一并进入液相中；所述喷淋洗涤系统上方的塔盘系统对于上升的气体进行进一步的洗涤、降温及分离，其中塔盘系统中的每块塔盘上进行气液两相的传质，轻组分被不断蒸发进入气相，重组分被不断的冷凝进入液相，实现轻质油和重质油的有效分离；在激冷塔本体的液相区域，所述换热元件对热能进行了回收利用，辅助进料系统的气相产物对液相区域的上部进行鼓泡，强化换热元件的传热，提高换热效率。
本发明实现了费托合成反应的气相产物在激冷塔本体内进行多次洗涤、降温和蒸馏，实现费托合成轻质油和重质油的有效分离，且对费托合成气相产物中携带的热能进行了有效的回收利用。
作为优选的技术方案，所述的激冷塔本体为一圆柱筒体。本发明的激冷塔本体是根据设计的生产规模及工艺操作条件确定尺寸的一个圆柱筒体，根据不同区域的流体负荷及流体分布的需要，激冷塔的筒体直径可以是上下一致的，也可以是上下异径的。作为本发明的一个优化设计，下部直径扩大的激冷塔更适用于高温、大型费托合成装置的产物分离系统。
作为优选的技术方案，所述主进料系统包括激冷塔外部的管线和伸入激冷塔内部的管线，激冷塔内部的管线沿塔的径向中心线由一端伸入到另一端，并在内部管段上向下开出一个或多个缺口，一个或多个缺口相对于塔截面的中心对称设置并均匀分布，使气体在管线内向下流出并均匀的充满塔截面后折流转为向上流动。
作为优选的技术方案，所述的辅助进料系统包括辅助进料管线、气体分布器及其支撑件，所述气体分布器采用管式分布结构，包括进气总管，鱼刺结构的气体分布支管和焊接在支管上的气体喷嘴。
作为优选的技术方案，所述气体喷嘴的方向设计为垂直向下，所述喷嘴内径的大小确保气体通过分布管每个喷嘴所产生的压降在0.005～0.05MPa之间，所述的气体喷嘴孔径为5～25mm。气体以2～10m/s的速度从喷嘴流出后折流向上，在激冷塔的下部液相区域中呈均匀细小的气泡向上流动，对液相区域形成良好的扰动，增强液体的传质和传热。
作为优选的技术方案，所述的辅助进料系统的进气量为费托合成气相产物总气量的5～50％，优选10～30％，控制气体在塔下部液相中的上升速度为0.1～0.6m/s。
作为优选的技术方案，所述换热元件为换热管，设置一层或多层，多层换热管由上到下，换热管的数量逐渐递减，以适应不同区域的移热负荷。
所述的换热管包括螺旋盘管式换热管、迂回式多程换热管或列管式换热管中的一种或多种组合。
换热元件全部设置在激冷塔本体的液相区域，通过在换热管内采用冷却介质对激冷塔下部的重质油进行冷却降温。所述的换热管的型式可以采取但不限于以下三种型式：一种是螺旋盘管式的换热管，是多圈与激冷塔同心的盘管，或多个轴线与塔中心轴线平行的多圈盘管，换热介质在盘管内进行自下而上的螺旋式流动；一种是迂回式多程换热管，多根垂直或水平的换热管通过连接弯头组合在一起，每组换热管内液体上下或左右迂回流动，这种型式的换热管可设置多组；另一种是列管式换热管，多根换热管连接在一根布水管线上，换热后再汇集到一根总管上，换热介质在管内做由下向上的单程流动。迂回式多程和列管式换热管可以采用螺旋扁管、波纹管、针翅管或翅片管等形式进行强化换热。本发明中的多层换热管也可以是以上型式的任意组合。
所述换热管的冷却介质及冷却方式可以但不限于是对锅炉冷却水加热，通过设置汽包副产蒸汽、对原料气进行升温预处理、采用循环冷却水降温，其中，优先采用可回收热能的方式对重质油进行冷却降温。
作为优选的技术方案，所述喷淋洗涤系统设置为一层或多层，所述喷淋洗涤系统包括液体分布管，所述液体分布管的中下部开设若干液体喷射孔。为保证产物分离的有效性，应优先采用与重质油组分相近的液体作为洗涤液，如激冷塔底部的重质油、洁净的重质油、洁净的轻质油，但不限于以上几种液体；
作为优选的技术方案，所述液体分布管采用鱼翅结构形式，上下相邻两层的分布管进行错列排布，所述液体喷射孔均匀的分布在分布管的中心线两侧，相邻两层的液体分布管夹角为90°，可有效的防止气体沟流，强化气液接触；
分布在液体分布管中心线两侧的喷射孔中心线的夹角为20～140°，优选的设计夹角为30～90°，液体喷射孔对洗涤液体起到雾化和均匀分布的作用，洗涤液体经喷射孔雾化并倾斜向下高速喷出，与塔内上升的气相物料进行充分的接触，洗涤气相物料中夹带的固体颗粒，并对气相物料进行降温，同时气相产物中的重质油经冷却变为液体随洗涤液向下流动。
作为优选的技术方案，所述塔盘系统包括一层或多层塔盘，所述塔盘形式可以但不限于采用固阀塔板、浮阀塔板或筛板塔板，所述塔盘的上方设置液体进料管线，进料液体可以但不限于是激冷塔底部的重质油、液体轻质油、经过滤处理后的洁净的重质油液相物料。在每个塔盘上，液体和气体通过充分的接触进行良好的传质和传热，轻组分被不断蒸发进入气相，重组分被不断的冷凝进入液相，实现轻质油和重质油的有效分离。进一步的，洗涤分离的塔盘系统优选的塔盘数为3～9块。
作为优选的技术方案，在所述激冷塔本体液相区域的下部还设置液固分离槽，所述液固分离槽包括底板、顶板、外隔板及内隔板，所述底板、外隔板和激冷塔的筒体形成上部敞口的积液室，所述积液室的下部连接液体出料口；
所述顶板、内隔板和激冷塔的筒体组成一个下部敞口的罩体，并设于所述积液室的上部，且所述内隔板与外隔板之间形成入口位于积液室底部的液体流道。
在激冷塔下部的液相区域中，液体夹带固体由上向下流动，在内、外隔板之间形成的液体流道中，液体转为向上流动进入积液室，其中夹带的固体颗粒在重力的作用下继续向下流动，有效实现了液固分离。积液室内不含固体的液体可以由液体出料口流出，进入液体循环系统。
作为优选的技术方案，所述内隔板与外隔板均竖直设置且二者之间留有间距，所述外隔板的上部与顶板之间留有间距，所述顶板和底板采用钢板焊接在塔壁上，所述内隔板焊接在顶板上，所述外隔板焊接在底板上，所述顶板的投影大于底板的投影，所述顶板为水平或倾斜设置，对于含固的液体，优先采用向下倾斜的顶板，有利于含固液体的流动，防止固体沉积；竖直隔板的形式可以采用圆弧形隔板也可以采用方形隔板，优先采用圆形隔板。
作为优选的技术方案，所述的液固分离槽顶部和激冷塔的气相区域之间设置压力平衡管。压力平衡管可以设置在塔的内部，也可以设置在塔的外部，压力平衡管在激冷塔的气相区域的管口既可以设计为水平的，也可以设计为倾斜向下的或竖直向上的。当采用竖直向上的管口时，应在管口的上方设置顶帽，以防止气体倒流或液体倒灌。
作为优选的技术方案，该激冷塔还设置一组或多组液体循环系统，所述液体循环系统包括循环管线及提压泵，所述循环管线的入口连接激冷塔底部的液相区域或者液固分离槽的液体出料口，所述循环管线的出口连接所述喷淋洗涤系统和/或塔盘系统。
该液体循环系统将激冷塔底部的重质油重新输送到激冷塔的中、上部作为喷淋洗涤系统及塔盘系统的洗涤液，对气相物料进行洗涤降温；其中，液体出料口设置在激冷塔下部的液相区域，可根据对循环液体温度的不同，设置在换热元件的上方、中间或下方的位置；液体进料口设置在激冷塔中上部的气相区域，连接液体喷淋装置或塔盘上方的液体进料管线，采用塔底的重质油为洗涤喷淋装置和/或分离塔盘供液。
作为优选的技术方案，所述激冷塔在顶部设置轻质油出料系统，包括除雾器和出料管线，所述除雾器设置在激冷塔顶部内侧。除雾器的型式可以包括但不限于采用丝网式、叶片式、板式(折流板、平板等)、管束式等，本发明中优先采用丝网除雾器。激冷塔顶部的轻质油及尾气经过除雾器除去夹带的液体后从顶部的出料口送往后工序继续加工。
作为优选的技术方案，所述激冷塔在底部设置重质油出料系统，包括重质油出料口及管线、闪蒸槽、过滤器、储罐及提压泵。
一种用于费托合成产物分离的工艺系统，该工艺系统包含上述的激冷塔，还包括闪蒸器、过滤器、重质油储罐、提压泵，具体工艺为：
从费托合成反应器顶部来的气相产物经过主、辅进料系统进入激冷塔，轻质油及反应后的尾气以气相产物的形式经激冷塔的塔顶出料系统送往后工序处理；
激冷塔塔底的液相重质油一部分送入液体循环系统作为激冷塔喷淋洗涤系统和/或塔盘系统的洗涤液，一部分在塔底采出进入塔底出料系统，经过闪蒸器去除轻组分、过滤器去除固体颗粒后进入重质油储罐，经提压泵加压后送往精制工序，和/或将部分洁净的重质油送回激冷塔上部作为激冷塔喷淋洗涤系统和/或塔盘系统的洗涤液。
作为优选的技术方案，以费托合成反应的原料气作为换热介质，与激冷塔的塔顶气相的轻质油及尾气进行换热，回收部分热能，再送入激冷塔下部的换热器回收重质油的热能，经预热的原料气送费托合成反应器进行反应。
作为优选的技术方案，费托合成反应的气相产物进料的温度为210～430℃，操作压力1.5～5.0MPa，激冷塔顶温度为120～230℃，冷却后重质油的温度为120～200℃，激冷塔的阻力小于70KPa。
本发明的激冷塔及内构件设计结构合理，流体分布均匀、传质、传热效果好，热能回收率高，工艺流程简洁、操作稳定可靠，系统的解决了现有产物分离系统的单体换热器体积庞大，热效率低、易堵塞、分离效果差、运行不稳定等问题，更适合于费托合成装置的大型化、规模化的设计和运行。
附图说明
图1为费托合成产物分离系统工艺流程示意图；
图2为激冷塔结构示意图；
图3为异径及带塔外平衡管的激冷塔结构示意图；
图4为辅助进料系统的气体分布器俯视图；
图5为相邻两层的喷淋洗涤系统的俯视图；
图6为液固分离装置的结构示意图；
图7为一种激冷塔外不设换热器的费托合成产物分离系统工艺流程示意图；
图8为一种激冷塔内塔外同时设置换热器的费托合成产物分离系统工艺流程示意图。
具体实施方式
下面实施案例为以合成气生产液体燃料的费托合成产物分离系统，现结合附图进行实例说明。如下实施案例及附图仅用于理解本发明，而不以任何形式限制本发明。
图1为一种用于费托合成产物分离的激冷塔系统及工艺流程，该系统包括：激冷塔、提压泵、闪蒸槽、过滤器和重质油储罐等，从费托合成反应器顶部来的气相产物经过主、辅进料系统2,3进入激冷塔，在激冷塔中经喷淋洗涤、降温及塔盘洗涤、降温冷凝分离后，重质油从气相产物中经冷凝、分离后进入塔底，气相产物中夹带的固体颗粒经喷淋洗涤液洗涤后进入塔底液相产物中。轻质油及反应后的尾气以气相产物的形式经塔顶出料系统送往后工序处理。塔底的液相重质油经换热元件5,6冷却后部分送入液体循环系统作为激冷塔喷淋洗涤液和塔盘洗涤液，部分在塔底采出进入塔底出料系统，经过闪蒸器去除轻组分、过滤器去除固体颗粒后进入重质油储罐，经提压泵加压后送往精制工序，也可将部分洁净的重质油送回激冷塔上部作为塔盘的洗涤液。
图2、3为激冷塔的设计结构示意图，图2中所示的激冷塔下部的液相区域中设置了两层换热元件5,6，其中一层换热元件采用锅炉水蒸发副产蒸汽的形式进行换热，二层换热元件采用对原料气进行预热的方式进行换热，两层换热元件均对热能进行了回收利用。进料系统的主进料系统2设置在激冷塔的液相区域的上方，辅进料系统3设置在液相区域的一层、二层换热元件之间，辅助进料系统的气相产物对液相区域的上部进行鼓泡，可以强化一层换热元件的传热，提高换热效率。主进料系统的上方设置了两组喷淋洗涤系统7，8，9，10，对塔中上升的气体进行洗涤、降温处理，气相产物中的部分重质油经冷凝变为液体进入洗涤液中一并落入塔底的液相产物中。同时气相产物中夹带的固体催化剂颗粒也一并进入液相中。图2中激冷塔在喷淋洗涤系统的上方设置了6块塔盘13，对于上升的气体进行进一步的洗涤、降温及分离。在塔盘的上部设置了两个洗涤液的进口11、12，为塔盘提供洗涤液体。同时在每块塔盘上进行气液两相的传质，轻组分被不断蒸发进入气相，重组分被不断的冷凝进入液相，实现轻质油和重质油的有效分离。在塔顶设置了轻质油和尾气的出口15，塔底设置了重质油的出口20。在塔顶出口前设置了除雾器14，用于进行气液分离，防止塔顶气相夹带液体。在图2中，激冷塔的液体循环系统设置了两组，激冷塔筒体1的液相区域开有两个循环液出口，一个为塔中循环液出口17，一个为塔底循环液出口19，其中在塔中循环液出口17前设置了液固分离槽16，具体结构如图6所示。
在本发明的设计中，根据激冷塔不同区域的气相负荷及塔内构件布置的需要，激冷塔的局部可以扩大或缩小直径。图3所示的是下部直径大，上部直径小的激冷塔的结构示意图。
图4所示的是辅助进料系统分布管的俯视图，气体分布管的设计应考虑气体分布均匀性，防止气体在液相中产生旋流、沟流或短流。根据激冷塔直径的大小，气体分布板4可以设置一组或多组，图4中所示的为1组。气体分布板4包括主进气管21、鱼翅状分布管22、气体喷嘴23和支撑件24。主进气管21和鱼翅状分布管22水平布置，鱼翅分布管22是在主进气管线上左右对称开出的多组分支管线，鱼翅分布管线22与主进气管线2的中心线在同一水平面上。气体喷嘴23是焊接在鱼翅分布管线22上的多个垂直向下短管，垂直向下的喷嘴中心线与鱼翅分布管22中心线垂直相交，气体喷嘴在塔截面上进行均匀分布，气体喷嘴孔径的大小及数量应确保气体通过分布管每个喷嘴所产生的压降在0.005～0.05MPa之间。气体通过喷嘴垂直向下进入激冷塔，在液相中以细小气泡的形式均匀分布，并折流向上流动，对换热区域的液相进行有效的扰动，提高换热效率。支撑件24焊接固定在激冷塔壳体上，主要对主进气管21和鱼翅状分布管22起到支撑和固定的作用。在本发明中，支撑件24可选的材料包括但不限于工字钢、槽钢或其它型钢。
图5所示的是相邻两层的液体喷淋洗涤装置的俯视图，喷淋液进料管线及支管呈90°交叉。
图6示出的是液固分离装置16的结构示意图，液固分离装置16包括顶板25、底板26、内隔板27、外隔板28、积液室29和平衡管线18。顶板25和底板26焊接在激冷塔筒体1上，内隔板27焊接在顶板25上，外隔板28焊接在底板26上。
在本发明中，液固分离装置16的外隔板28、底板26和激冷塔筒体1形成一个顶部敞口的容器，该容器即为积液室29。内隔板27、顶板25和激冷塔筒体1形成一个底部敞口的容器，该容器从上方罩在积液室29的上方。在积液室29上方和顶板25之间留有间隙，在内隔板27和外隔板28之间留有间隙，间隙的大小应满足积液室29内循环液体流动的需要。积液室29的下部或底部连接液体循环系统的液体出料口。图6还示出了液固分离槽16的流体方式，在激冷塔内的液相区域，液体由上向下流动，在液固分离装置16处，含固的液体沿着顶板25和内隔板27向下流动，经内隔板27和外隔板28的间隙中，液体转为向上流动，所含固体在重力的作用继续向下流动，实现液固的分离，液体沿着内外隔板之间的间隙及积液室和顶板之间的间隙流入积液室，固体则沉积到塔底。
在本发明中，还在液固分离装置16的顶部与激冷塔的气相区域之间设立了压力平衡管线18，图1和图6中平衡管线18设置在激冷塔的内部，在气相区域的出口为竖直向上的，并在出口上方设置了顶帽30，设计时顶帽30的投影要大于平衡管线的投影，以防止气体或液体倒流，顶帽的形式不限。图2中所示的平衡管线18是设置在激冷塔的外侧，平衡管线在气相区域的出口为竖直向下的。
实施例1
一种用于费托合成产物分离的工艺系统，工艺流程如图7所示，从费托合成反应器顶部来的温度为320℃左右的气相产物经过主、辅进料系统进入激冷塔，在激冷塔中经喷淋洗涤、降温及塔盘洗涤、降温冷凝分离后，重质油从气相产物中经冷凝、分离后进入塔底，气相产物中夹带的固体颗粒经喷淋洗涤也洗涤后进入塔底液相产物中。轻质油及反应后的尾气以气相产物的形式经塔顶出料系统送往后工序处理。塔底的液相重质油经换热元件冷却后部分送入液体循环系统作为激冷塔喷淋洗涤液和塔盘洗涤液，部分在塔底采出进入塔底出料系统，经过闪蒸器去除轻组分、过滤器去除固体颗粒后进入重质油储罐，经提压泵加压后送往精制工序，部分洁净的重质油送回激冷塔上部作为塔盘的洗涤液。
在该流程中，采用原料气和汽包补充水进行回收热量，降低重质油的温度。原料气首先与塔顶气相的轻质油及尾气进行换热，然后与设置在激冷塔内部的一级换热器进行换热，降低塔底重质油的温度，换热后的气体去费托合成反应器，与反应热一并通过汽包副产4.4MPa蒸汽。在激冷塔内部的二级换热器中采用汽包补充水继续对重质油进行降温，104℃汽包补充水经换热升温后再送汽包，用于提高汽包产汽率。汽包补充水设置副线，通过调节汽包补充水流量调节塔底重质油的温度。该流程经过分级换热回收热量，将反应器入口的原料气温度提升，在反应器内将回收的热量转化为高品质蒸汽。
实施例2
一种用于费托合成产物分离的工艺系统，流程如图8所示，从费托合成反应器顶部来的温度为345℃左右的气相产物经过主、辅进料系统进入激冷塔，在激冷塔中经喷淋洗涤、降温及塔盘洗涤、降温冷凝分离后，重质油从气相产物中经冷凝、分离后进入塔底，气相产物中夹带的固体颗粒经喷淋洗涤也洗涤后进入塔底液相产物中。轻质油及反应后的尾气以气相产物的形式经塔顶出料系统送往后工序处理。塔底的液相重质油经换热元件冷却后部分送入液体循环系统作为激冷塔喷淋洗涤液和塔盘洗涤液，部分在塔底采出进入塔底出料系统，经过闪蒸器去除轻组分、过滤器去除固体颗粒后进入重质油储罐，经提压泵加压后送往精制工序，也可将部分洁净的重质油送回激冷塔上部作为塔盘的洗涤液。
在该流程中，采用原料气和汽包补充水进行回收热量，降低重质油的温度。原料气分为两路，一路首先与塔顶气相的轻质油及尾气进行换热，然后与设置在激冷塔内部的换热器进行换热，降低塔底重质油的温度，另一路原料气去塔外的循环冷却器，两股气体换热后合并去费托合成反应器，与反应热一并通过汽包副产4.4MPa蒸汽。在塔外的循环冷却器后再串连一个冷却器，采用汽包补充水或循环热水进行冷却，以调控重质油的温度。激冷塔底部重质油出料设置冷却器控制温度，采用热水循环冷却。104℃汽包补充水经换热升温后再送汽包，用于提高汽包产汽率。汽包补充水设置副线，通过调节汽包补充水流量调节塔底重质油的温度。该流程经过分级换热回收热量，将反应器入口的原料气温度提升，在反应器内将回收的热量转化为高品质蒸汽。
