СПОСОБ ОСТАНОВКИ РАБОТАЮЩЕЙ ТРЕХФАЗНОЙ БАРБОТАЖНОЙ РЕАКТОРНОЙ КОЛОННЫ СУСПЕНЗИОННОГО ТИПА
METHOD FOR STOPPING OPERATING THREE-PHASE BUBBLE COLUMN REACTOR OF SUSPENSION TYPE

Настоящее изобретение относится к способу остановки работающей трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа.
Одним из способов синтеза углеводородов, используемых для получения жидких топлив и химических веществ, является технология, известная как GTL (перевод газовой фазы в жидкую). Таким способом природный газ химически перерабатывают с получением синтез-газа, содержащего главным образом водород и монооксид углерода. Синтез-газ можно также получать в промышленном масштабе при помощи газификации угля. Затем, используя реакции синтеза углеводородов Фишера-Тропша, получают углеводороды путем контакта синтез-газа с катализатором Фишера-Тропша при условиях реакции с повышенным давлением и температурой. Реакции Фишера-Тропша часто проводят в трехфазной барботажной реакторной колонне суспензионного типа.
В этом типе реактора, когда его используют для синтеза Фишера-Тропша, твердый катализатор в виде частиц суспендирован в жидкой углеводородной фазе, при этом образуя суспензионный слой, а сырьевой газ для синтеза вводят в реактор на низкой высоте, обычно в нижней части реактора или вблизи нее. Газ барботирует через жидкую фазу и поддерживает катализатор в суспензии, пока происходят реакции синтеза углеводородов. Вследствие экзотермической природы реакций синтеза углеводородов Фишера-Тропша очень важно поддерживать катализатор в суспензии для устранения участков перегрева и последующего ухудшения активности катализатора.
Сырьевой газ для синтеза обычно вводят в трехфазную барботажную реакторную колонну суспензионного типа посредством газораспределителя. Газораспределитель может иметь повернутые вниз форсунки или распылители, расположенные по длине трубопровода или трубы, например, как показано в документе WO 2012/08933. В конструкции такого газораспределителя одной из задач является получение однородного распределения потока по длине трубы или трубопровода, из которого форсунки выступают вниз, для обеспечения того, что каждая форсунка выпускает газ с более или менее одинаковой скоростью относительно других форсунок. Одним из важных требований к газораспределителю, таким образом, является обеспечение одинакового распределения газа по всему поперечному сечению реактора.
Такой режим работы обычно предотвращает высокую концентрацию катализатора в одном месте или образование застойных зон в реакторе. Такие застойные зоны имеют плохие характеристики тепло- и массопереноса, что может приводить к участкам перегрева, образованию каналов и неконтролируемым реакциям.
Очень нежелательно позволять суспензии, особенно если она содержит катализатор, попадать в газораспределитель. Суспензия может блокировать течение газа через газораспределитель, а наличие катализатора может приводить к неконтролируемому росту температуры внутри газораспределителя.
Преимущества и принципы конструкции газораспределителя для обеспечения однородного распределения газа хорошо известны в данной области техники. Будет желательно разработать такой газораспределитель, чтобы все форсунки находились на одинаковом расстоянии от днища реактора. Этого можно достичь, например, установкой плоской пластины или второго днища или дна под газораспределителем, создавая плоскую горизонтальную поверхность, как сообщается, например, в документе GB 2410906. Затем просто сконструировать газораспределитель с форсунками равной длины, таким образом обеспечивая равное удаление от направленных вниз выпускных отверстий форсунок до плоской пластины, что таким образом определяет нижнюю границу объема суспензии.
Альтернативно, форсунки могут располагаться на различной высоте или могут иметь различную длину, обеспечивая равное удаление выпускных отверстий форсунок от полусферического днища реактора, как сообщается, помимо прочего, в документе WO 2005/094979.
Рекомендация, данная в хорошо известном Справочнике инженера-химика под ред. Перри, 5-ое издание, в отношении конструкции газораспределителя состоит в том, что для обеспечения должного распределения необходимо ограничивать поток газа из распределителя так, чтобы можно было поддерживать подходящий большой перепад давления в каждой форсунке. Согласно этому справочнику перепад давления в распределителе должен, таким образом, составлять по меньшей мере 30% перепада давления в слое. Хотя возможно удовлетворять этим требованиям при нормальной работе трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа, когда газ подают в реактор с постоянной и высокой скоростью, дело обстоит не так при плановой или аварийной остановке реактора, когда скорость сырьевого газа снижается, и, в конце концов, подача полностью прекращается. Одним словом, эти условия сложно поддерживать при условиях низкого расхода газа в распределителе, когда перепад давления в каждой форсунке естественно снижается. Если минимальный перепад давления не поддерживается, может происходить попадание суспензии в форсунки вследствие неравномерного распределения газа в распределителе.
Различные конструкции газораспределителей были предложены для использования в барботажных реакторных колоннах суспензионного типа. Среди них газораспределители, расположенные вблизи днища реактора, являются особенно распространенными. Обычно форсунки имеют отверстия одинакового размера для создания некоторого минимального перепада давления, когда газ впрыскивается в суспензионный слой. Этот перепад давления обеспечивает равномерное распределение потока газа через различные форсунки. Форсунки обычно также имеют трубку по существу большего диаметра, чем диаметр отверстия, расширяющуюся в направлении потока, например, вниз и от отверстия. Это снижает скорость потока газа перед тем, как газ входит в суспензионный слой, таким образом снижая момент и кинетическую энергию струи газа для предотвращения или снижения механического повреждения катализатора.
При плановой или неплановой остановке трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа поток газа в газораспределителе уменьшается с течением времени, пока не прекратится. В течение этого периода времени, когда поток газа уменьшается, возникают условия низкого расхода газа, и перепад давления в газораспределителе снижается ниже требуемого минимума с получением неравномерного распределения газа в различных форсунках. В частности, те форсунки, которые получали наименьшее количество газа, затем очень подвержены попаданию суспензии, что может блокировать форсунки и вызывать термическую нестабильность или разрушение катализатора.
В документе GB 2410906 раскрывается газораспределитель с плоской пластиной с отверстиями под газораспределителем для удержания осевших твердых частиц. По меньшей мере, некоторые из форсунок газораспределителя повернуты вниз, что способствует перемещению некоторых частиц катализатора от пластины с отверстиями. В ссылке подтверждаются проблемы, связанные с прерыванием нормального потока газа в суспензионный реактор, а именно попадание суспензии в барботер и осаждение катализатора, что может вызывать участки перегрева. В ней предлагается техническое решение, которое предусматривает газораспределитель с впускным отверстием, к которому присоединен трубопровод для продувочной среды, и выпускным отверстием, которое присоединено к сборнику. Клапаны установлены на впускном трубопроводе, трубопроводе для продувочной среды и выпускном трубопроводе. В случае обратного потока суспензии в газораспределитель в результате перерыва в подаче газа суспензию можно выдувать при помощи продувочной среды из газораспределителя в сборник. В данной ссылке, таким образом, сообщается способ очистки газораспределителя от суспензии после того, как уже произошло попадание суспензии, и требуется сложная система трубопроводов, ряд клапанов, которые необходимо открывать и закрывать в определенной последовательности, и дополнительные емкости. В данной ссылке также упоминается возможность присутствия барботера для охлаждающей жидкости, обычно расположенного над газораспределителем, который может вводить охлаждающую жидкость в суспензионный слой для предотвращения резкого роста температуры.
В документе US 2012/0177539 раскрывается барботажная реакторная колонна суспензионного типа для синтеза углеводородов Фишера-Тропша, в которой резервная линия подачи газа присоединена к линии подачи синтез-газа. В случае, когда подача синтез-газа прекращается, первый двухпозиционный клапан срабатывает для отключения подачи синтез-газа. Затем второй двухпозиционный клапан открывается для обеспечения прохождения инертного газа по резервной линии подачи газа в газораспределитель. Инертный газ может находиться под давлением в емкости вне реактора и нагнетаться по резервной линии подачи газа в газораспределитель. В этой ссылке сообщается, что при сохранении потока инертного газа в реактор попадания суспензии в газораспределитель можно избежать. Содержимое реактора нагревают, чтобы избежать схватывания, и чтобы поспособствовать поддержанию катализатора в суспензии при помощи потока инертного газа. Согласно данной ссылке необходимо поддерживать поток инертного газа для предотвращения попадания суспензии в газораспределитель.
В документе WO 2007/086612 раскрывается газораспределитель с повернутыми вниз форсунками, с горизонтальным барьерным элементом, установленным под газораспределителем так, что газ, выталкиваемый из форсунок, способствует повторному диспергированию частиц катализатора, которые могли осесть на горизонтальный барьерный элемент. Не представлено решения проблемы попадания суспензии в газораспределитель при условиях, когда поток газа прерывается.
В документе WO 2005/094979 раскрывается газораспределитель с повернутыми вниз форсунками в реакторе с изогнутым или полусферическим днищем, отличающийся тем, что все форсунки расположены на одинаковом расстоянии от днища реактора. Однако, не представлено решения для предотвращения попадания суспензии в форсунки при прекращении подачи газа.
В документе WO 2005/084790 также признается проблема попадания суспензии в газораспределители в реакторах Фишера-Тропша суспензионного типа и предлагается использование повернутых вниз выпускных отверстий для газа, которые расположены значительно ниже основной части газораспределительной системы (предпочтительно от 1 до 3 метров), при этом предотвращая попадание суспензии в газораспределительную систему. Также раскрыто введение подходящих жидких сред в поток газа, который протекает через газораспределительную систему, для удаления частиц катализатора. Поскольку поток газа в газораспределительной системе по существу движется вниз, вводимая жидкость будет смывать частицы катализатора или отложения, которые могут находиться в газораспределительной системе. Хотя разность высот между выпускными отверстиями для газа и основной частью газораспределителя может препятствовать попаданию суспензии прямо в основную часть газораспределителя, суспензия неизбежно будет проникать в выпускные отверстия для газа или форсунки при низком расходе сырьевого газа. Когда возобновляется нормальная работа, суспензию необходимо вымыть из этих форсунок, что, помимо других проблем, может вызывать механическое напряжение в катализаторе или вызывать закупоривание форсунок. Чтобы обеспечить необходимую разность высот между основной частью газораспределительной системы и выпускными отверстиями для газа или форсунками, размер газораспределительной системы также расходует значительный объем реакторного пространства.
Одним словом, были предложены способы предупреждения попадания суспензии путем поддержания потока газа в форсунках газораспределителя. Способы удаления суспензии из газораспределителя уже после попадания суспензии также были предложены. Однако, все еще существует необходимость в способе остановки реактора, при котором предотвращается попадание суспензии в газораспределитель, но при котором не требуется поддержания потока газа в форсунках.
Согласно настоящему изобретению обеспечивается способ остановки работающей трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа с направленными вниз газораспределительными форсунками, погруженными в основную часть суспензии из твердого материала в виде частиц, суспендированного в жидкости суспензии, содержащейся в реакторной емкости, причем газораспределительные форсунки находятся в жидкостной связи с линией подачи газа, по которой газ подается в газораспределительные форсунки, посредством которых газ впрыскивается вниз в основную часть суспензии, причем способ предусматривает
внезапную остановку потока газа из линии подачи газа в газораспределительные форсунки для удержания газа в газораспределительных форсунках, чтобы таким образом воспрепятствовать попаданию суспензии вверх в газораспределительные форсунки.
Внезапная остановка потока газа из линии подачи газа в направленные вниз газораспределительные форсунки обычно включает активацию быстродействующего клапана на линии подачи газа для перекрытия линии подачи газа к газораспределительным форсункам.
Быстродействующий клапан предпочтительно расположен насколько возможно близко к газораспределительным форсункам, например, насколько возможно близко к газораспределителю, который содержит газораспределительные форсунки. Обычно его будут размещать вблизи наружной стенки или корпуса реакторной емкости.
Газораспределитель предпочтительно оборудован направленными вниз газораспределительными форсунками с выпускными отверстиями, которые находятся на одной высоте, т.е. в одной горизонтальной плоскости. Эта конструкция обеспечивает особое преимущество. Если это не так, т.е. если выпускные отверстия газораспределительных форсунок находятся не на одной высоте, различия в гидростатическом давлении будут приводить к попаданию суспензии в форсунки, расположенные на малой высоте. Когда выпускные отверстия форсунок расположены на одной горизонтальной плоскости, этот вариант не происходит, или, по меньшей мере, предотвращается его возникновение.
Обычно рециркуляционный компрессор или вентилятор используют для рециркуляции газа из свободного пространства над продуктом реакторной емкости в линию подачи газа выше по потоку относительно быстродействующего клапана. Способ может предусматривать открытие обратного хода компрессора или рециркуляционного трубопровода компрессора со стороны выгрузки рециркуляционного компрессора на сторону всасывания рециркуляционного компрессора, обеспечивая продолжение работы рециркуляционного компрессора.
Способ может также предусматривать выпуск избытка газа, например, в факельную систему.
Твердый материал в виде частиц может представлять собой катализатор.
Как будет понятно, когда газ, подаваемый в направленные вниз газораспределительные форсунки, реакционноспособен в присутствии суспензии, например, когда газ представляет собой синтез-газ, а суспензия содержит катализатор синтеза углеводородов, реакционноспособный газ, удерживаемый в направленных вниз газораспределительных форсунках, дает только временную защиту от попадания суспензии вверх в направленные вниз газораспределительные форсунки, поскольку в реакционноспособном газе будет происходить каталитическая реакция на границе контакта между реакционноспособным газом и суспензией, приводя к уменьшению объема реакционноспособного газа, удерживаемого в направленных вниз газораспределительных форсунках, и возможному попаданию суспензии в направленные вниз газораспределительные форсунки с течением времени.
Таким образом, способ может предусматривать сначала замену потока реакционноспособного газа в направленных вниз газораспределительных форсунках на поток инертного газа, по меньшей мере, частично выдувая реакционноспособный газ из направленных вниз газораспределительных форсунок при помощи инертного газа, таким образом, по меньшей мере, частично заменяя реакционноспособный газ в направленных вниз газораспределительных форсунках перед внезапной остановкой потока инертного газа из линии подачи газа в направленные вниз газораспределительные форсунки с удержанием инертного газа в направленных вниз газораспределительных форсунках, чтобы таким образом предотвратить попадание суспензии вверх в направленные вниз газораспределительные форсунки. Предпочтительно инертный газ, удерживаемый в направленных вниз газораспределительных форсунках, обеспечивает лучшее сопротивление попаданию суспензии, чем реакционноспособный газ, возможно пока поток реакционноспособного газа не возобновится снова, и снова не запустится в работу трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа. Альтернативно или дополнительно, содержимое реактора можно охлаждать для остановки реакции.
Замена потока реакционноспособного газа в направленных вниз газораспределительных форсунках на поток инертного газа может предусматривать перекрытие потока реакционноспособного газа в направленные вниз газораспределительные форсунки и в то же время ввод инертного газа в направленные вниз газораспределительные форсунки. Это можно проводить путем одновременного закрытия клапана сырьевого газа на линии подачи сырьевого газа для остановки потока реакционноспособного газа по линии подачи сырьевого газа и открытия клапана на линии подачи инертного газа для подачи инертного газа в линию подачи сырьевого газа ниже по потоку относительно клапана сырьевого газа и выше по потоку относительно направленных вниз газораспределительных форсунок.
Быстродействующий клапан может располагаться на линии подачи сырьевого газа ниже по потоку относительно места, где линия подачи инертного газа входит в линию подачи сырьевого газа.
Замена потока реакционноспособного газа в направленных вниз газораспределительных форсунках на поток инертного газа может предусматривать образование жидкостной связи между емкостью под давлением, содержащей инертный газ, и линией подачи газа в находящиеся ниже газораспределительные форсунки.
Инертный газ должен представлять собой газ, которые не участвует в реакции или реакциях, происходящих в реакторной емкости при нормальных рабочих условиях реакторной емкости, который не изменяется химически и который не влияет на катализатор. Таким образом, следует понимать, что инертный газ должен быть инертным при условиях, при которых находится реактор во время ввода инертного газа. Водород, хвостовой газ или даже синтез-газ можно использовать в качестве инертного газа вместо обычного инертного газа, такого как нерадиоактивный благородный газ или азот, если содержимое реактора охлаждают достаточно для остановки дальнейшей реакции.
Таким образом, инертный газ можно выбирать из группы, состоящей из одного или нескольких благородных газов, азота и других газов, которые не принимают участие в реакции или реакциях, происходящих в реакторной емкости при нормальных рабочих условиях реакторной емкости, которые не изменяются химически и которые не влияют на катализатор, и их смесей.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения инертный газ выбирают из группы, состоящей из одного или нескольких благородных газов, азота и их смесей.
Трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа может представлять собой реактор синтеза углеводородов, в который подают синтез-газ по линии подачи газа. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа представляет собой реактор синтеза углеводородов Фишера-Тропша.
Если трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа представляет собой реактор синтеза углеводородов, инертным газом предпочтительно является азот.
Как указано выше в настоящем документе, направленные вниз газораспределительные форсунки обычно образуют часть газораспределителя. Газораспределитель обычно расположен в нижней части реакторной емкости, предпочтительно в нижней части реакторной емкости или вблизи нее.
Быстродействующий клапан может характеризоваться временем отклика от приблизительно 1 до приблизительно 10 секунд, предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 5 секунд от момента активации до полного закрытия клапана. В настоящем описании внезапная остановка потока газа из линии подачи газа в направленные вниз газораспределительные форсунки, таким образом, означает остановку потока газа из линии подачи газа в направленные вниз газораспределительные форсунки в течение не более чем приблизительно 10 секунд, предпочтительно не более чем приблизительно 8 секунд, более предпочтительно не более чем приблизительно 6 секунд, например, за время в пределах 5 секунд или менее.
Способ может предусматривать подачу охлаждающей среды в суспензию реакторной емкости трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа. Ряд хорошо известных конструкций, включая форсунки на корпусе реактора, можно использовать для ввода охлаждающей жидкости. Обычно охлаждающую среду подают через барботер для охлаждения около газораспределителя, например, сразу над газораспределителем. Барботер для охлаждения может, таким образом, представлять собой специальный барботер для охлаждения, используемый только для охлаждения суспензии при помощи охлаждающей среды при плановой или аварийной остановке реакторной емкости. Охлаждающую жидкость вводят таким образом, чтобы обеспечить хорошее перемешивание для снижения температуры содержимого реактора, особенно около распределителя сырьевого газа, для остановки дальнейшей реакции.
Охлаждающая среда может представлять собой жидкость при условиях окружающей среды.
Охлаждающая среда может представлять собой или может быть получена из продукта трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа. Если трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа представляет собой реактор синтеза углеводородов Фишера-Тропша, охлаждающая среда может представлять собой высокопарафинистый углеводород, обычно в диапазоне кипения дизеля.
Охлаждающая среда и инертный газ могут находиться в одинаковой или общей емкости под давлением. Например, охлаждающая среда, если она жидкая, может заполнять нижнюю часть общей емкости под давлением, а инертный газ может заполнять верхнюю часть или свободное пространство над продуктом общей емкости под давлением, причем инертный газ находится под давлением и, таким образом, обеспечивает движущую силу для перемещения охлаждающей среды и/или инертного газа из общей емкости под давлением.
Способ может предусматривать сначала подачу инертного газа в направленные вниз газораспределительные форсунки перед подачей охлаждающей среды в суспензию в реакторной емкости. Однако, при необходимости, способ может предусматривать одновременную подачу инертного газа в направленные вниз газораспределительные форсунки и подачу охлаждающей среды в суспензию в реакторной емкости. Обычно начальным действием является продувка газораспределителя азотом из указанного свободного пространства над продуктом указанной емкости под давлением. Барботирование азота обычно заканчивается, в частности в случае аварийной остановки, через приблизительно 5 секунд, что представляет собой время, требуемое для полного закрытия указанного быстродействующего клапана на линии подачи газа. Сразу после окончания барботирования азота, дизель из указанной емкости под давлением затем впрыскивают в нижнюю часть реакторной емкости через указанный специальный барботер для охлаждения, расположенный немного выше газораспределителя.
Трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа может работать в процессе, выбранном из группы, состоящей из ожижения угля, синтеза метанола, синтеза высших спиртов, процесса гидрирования и синтеза углеводородов из монооксида углерода и водорода. Однако, предполагается, что способ настоящего изобретения найдет конкретное применение при остановке трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа, используемой в процессе синтеза углеводородов, при котором углеводороды синтезируют из монооксида углерода и водорода с использованием железного или кобальтового катализатора, т.е. в процессе синтеза углеводородов Фишера-Тропша.
Трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа может содержать разделительный или барьерный элемент, перекрывающий реакторную емкость под направленными вниз газораспределительными форсунками. Преимущество такого разделителя при нормальных рабочих условиях состоит в том, что направленные вниз газораспределительные форсунки, впрыскивающие газ в основную часть суспензии в направлении разделителя, могут способствовать смыву катализатора, который осаждается на разделителе, таким образом предупреждая или предотвращая осаждение катализатора, как описано в документе WO 2012/080933.
Разделительный или барьерный элемент может быть непроницаемым для жидкости. Когда разделитель непроницаем для жидкости, трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа может содержать канал или патрубок передачи давления, проходящий через разделительного или барьерного элемента или вокруг него, обеспечивая передачу давления в донное пространство под разделительным или барьерным элементом и из него, причем канал передачи давления при использовании обеспечивает наличие гидравлической связи между донным пространством и свободным пространством над продуктом реакторной емкости над основной частью суспензии, чтобы таким образом поддерживать разность давлений через разделитель в предварительно определенных или предварительно выбранных границах путем регулирования или обеспечения изменений давления в донном пространстве. Такая конструкция также описана в документе WO 2012/080933.
Разделитель, кроме непроницаемого для жидкости, может быть в виде опорной плиты с отверстиями для удержания осевших твердых частиц. Обычно при использовании отверстия опорной плиты с отверстиями достаточно небольшие, чтобы предотвращать прохождение через нее по меньшей мере 90 масс. %, предпочтительно по меньшей мере 96 масс. %, например, приблизительно 98 масс. %, твердых частиц из основной части суспензии. Впускное отверстие для жидкости можно предусматривать ниже опорной плиты с отверстиями для обеспечения ввода жидкости в реакторную емкость ниже опорной плиты с отверстиями для поддержания частиц катализатора, которые проходят через отверстия, в суспензии и для предотвращения концентрирования катализатора на дне реакторной емкости. Такая конструкция описана в документе US 7575730.
Разделительный или барьерный элемент может быть плоским и может быть расположен в горизонтальной плоскости.
Настоящее изобретение будет теперь описано для примера со ссылкой на одно схематическое изображение, на котором показана трехфазная барботажная реакторная колонна суспензионного типа, приспособленная для обеспечения остановки трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа при помощи способа настоящего изобретения.
Ссылаясь на фигуру, увидим, что номер позиции 10 в общем показывает трехфазную барботажную реакторную колонну суспензионного типа, которая переделана так, чтобы трехфазную барботажную реакторную колонну суспензионного типа можно было останавливать или плановым образом, или неплановым или аварийным образом, используя способ настоящего изобретения.
Трехфазная барботажная реакторная колонна 10 суспензионного типа содержит вертикальную круглую цилиндрическую емкость 12 трехфазного реактора суспензионного типа для синтеза углеводородов Фишера-Тропша с диаметром обычно по меньшей мере 1 метр, предпочтительно по меньшей мере 7,5 метров, более предпочтительно по меньшей мере 9 метров, и газораспределитель 14, расположенный в нижней части реакторной емкости 12 около днища реакторной емкости 12. Линия 16 отвода газообразных продуктов выходит сверху реакторной емкости 12. Горизонтально расположенный твердый непроницаемый для жидкости плоский разделительный или барьерный элемент 18 обеспечен в нижней части реакторной емкости 12 под газораспределителем 14. Разделитель 18 разделяет реакторную емкость 12 на пространство 19 для суспензии над разделителем 18 и донное пространство 36 под разделителем 18. Линия 20 отвода жидкой фазы предусмотрена ниже выпускного отверстия, ведущего к линии 16 отвода газообразных продуктов, но выше разделителя 18. Пучок 22 трубок охлаждения расположен над газораспределителем 14, но ниже выпускного отверстия к линии 16 отвода газообразных компонентов.
Газораспределитель 14 находится в жидкостной связи с линией 26 подачи газа. Газораспределитель 14 может иметь любую подходящую конструкцию для подачи газа в слой суспензии при условии, что он содержит направленные вниз газораспределительные форсунки или распылители 30. Газораспределитель 14 может, например, быть изготовлен из или содержать радиально выступающие патрубки, присоединенные к концентрическим кольцам или трубчатым тороидам, или быть изготовлен из или содержать систему горизонтальных распределительных трубок, разветвляющихся на более мелкие горизонтальные трубки, или быть изготовлен из или содержать трубку, закрученную в спираль в горизонтальной плоскости. Согласно варианту осуществления, показанному на фигуре, газораспределитель 14 содержит коллектор 27 в жидкостной связи с множеством поперечных трубок 28 и с линией 26 подачи газа. Множество газораспределительных форсунок или распылителей 30 выступают вниз из каждой из поперечных трубок 28, причем каждая форсунка или распылитель 30 определяют направленное вниз выпускное отверстие 32 для газа, и причем все выпускные отверстия 32 равноудалены от разделителя 18. Выпускные отверстия 32, таким образом, находятся в общей горизонтальной плоскости. Каждая форсунка или распылитель 30 связаны с отверстием в трубе 28, от которой они зависят, причем каждое отверстие и его связанная форсунка или распылитель 30 определяют инжектор для газа, и причем инжекторы для газа, таким образом, распределены по площади поперечного сечения реакторной емкости 12. Однако, следует иметь в виду, что конкретная конструкция газораспределителя 14 будет изменяться в зависимости от применения, и что можно использовать достаточно сложные конструкции. Различные дополнительные возможные конструкции для газораспределителя трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа, однако, не попадают в объем настоящего изобретения и подробно не обсуждаются.
Разделитель 18 приварен к реакторной емкости 12 при помощи привариваемого расширительного кольца обычным образом и может содержать дополнительные опоры, такие как двутавровые профили, также приваренные к реакторной емкости 12. Конструкция и изготовление реакторной емкости 12 с ложным днищем или разделителем 18 находятся в области знаний специалиста в данной области техники, но вне объема настоящего изобретения, и эти варианты также подробно не обсуждаются. Обычно разделитель 18 содержит по меньшей мере одно смотровое отверстие (не показано) с крышкой для обеспечения доступа к донному пространству 36 под разделителем 18.
При использовании в пространстве 19 для суспензии находится слой 37 суспензии. Слой 37 суспензии имеет увеличенную высоту с верхней поверхностью 38 выше пучка 22 охлаждающих трубок, но ниже выпускного отверстия, ведущего к линии 16 отвода газообразных продуктов, оставляя свободное пространство над продуктом 40 для выделения газообразных компонентов из слоя 37 суспензии.
Канал 34 передачи давления предусмотрен для регулирования или обеспечения изменений рабочего давления в донном пространстве 36, таким образом ограничивая разность давлений через разделитель 18. Канал 34 передачи давления проходит между линией 16 отвода газообразных продуктов и донным пространством 36, обеспечивая при использовании уравнивание давления в донном пространстве 36 с давлением в линии 16 отвода газообразных продуктов, т.е. по существу с давлением в свободном пространстве 40 над продуктом. Такая конструкция раскрыта в документе WO 2012/080933.
Трехфазная барботажная реакторная колонна 10 суспензионного типа также содержит парциальный конденсатор 36 с линией 50 отвода жидкого продукта и линией 52 рециркуляции газа. Компрессор 54 рециркулирующего газа обеспечивают на линии 52 рециркуляции газа. Линия 56 обратного хода проходит со стороны выгрузки компрессора 54 рециркулирующего газа назад на сторону всасывания компрессора 54 рециркулирующего газа, причем выпускная линия 58 отходит от линии 56 обратного хода.
Трехфазная барботажная реакторная колонна 10 суспензионного типа также содержит емкость 60 для охлаждающей среды с приемной линией 62 для азота и приемной линией 64 для дизеля. При использовании емкость 60 для охлаждающей среды содержит дизель 66 в ее нижней части, причем верхняя часть или свободное пространство 68 над продуктом емкости 60 для охлаждающей среды занято газообразным азотом под давлением. Обычно емкость 60 для охлаждающей среды содержит азот под давлением на приблизительно 10-12 бар выше нормального рабочего давления в нижней части реакторной емкости 12, и достаточное количество дизеля для заполнения реакторной емкости на высоту по меньшей мере 0,15 м.
Линия 70 для охлаждающего дизеля проходит от днища емкости 60 для охлаждающей среды до распределителя 72 охлаждающего дизеля, который расположен между пучком 22 охлаждающих змеевиков и газораспределителем 14.
Линия 74 подачи газообразного азота проходит от свободного пространства 68 над продуктом емкости 60 для охлаждающей среды и соединяется с линией 26 подачи газа.
Открытый при нормальной работе быстродействующий клапан 76 предусмотрен на линии 26 подачи газа ниже по потоку относительно места, где линия 74 подачи газообразного азота соединяется с линией 26 подачи газа. Открытый при нормальной работе быстродействующий запорный клапан 78 для синтез-газа предусмотрен на линии 26 подачи газа выше по потоку относительно места, где линия 74 подачи газообразного азота соединяется с линией 26 подачи газа.
На линии 74 подачи газообразного азота предусмотрен закрытый при нормальной работе регулирующий клапан 80 для азота, а на линии 70 для охлаждающего дизеля предусмотрен закрытый при нормальной работе регулирующий клапан 82 для дизеля. На линии 56 обратного хода также предусмотрен закрытый при нормальной работе клапан 84 обратного хода, тогда как на выпускной линии 58 предусмотрен выпускной клапан 86.
Трехфазная барботажная реакторная колонна 10 суспензионного типа может содержать множество дополнительных элементов, обычно обеспечиваемых в или на барботажных реакторных колоннах суспензионного типа или аналогичных устройствах с суспензионной фазой, таких как средства для загрузки и выгрузки катализаторов, средства для дренирования пространств, средства для отфильтровывания катализатора из жидкой фазы, устройства перемешивания, такие как циркуляционные трубы или отводящие трубы, и подобное. Однако, такие элементы будут обычно общепринятыми и известными специалистам в данной области техники и не нуждаются в подробном описании.
Трехфазную барботажную реакторную колонну 10 суспензионного типа, показанную на фигуре, используют в процессе Фишера-Тропша для синтеза углеводородов из синтез-газа, который содержит монооксид углерода и водород, с использованием подходящего катализатора, такого как железный катализатор или кобальтовый катализатор на подложке. Синтез-газ, содержащий главным образом монооксид углерода и водород, таким образом поступает в погруженный газораспределитель 14 из линии 26 подачи газа и впрыскивается в слой 37 суспензии через направленные вниз выпускные отверстия 32 для газа направленных вниз газораспределительных форсунок или распылителей 30 для поддержания слоя 37 суспензии в перемешанном турбулентном состоянии. Газ, таким образом, впрыскивается вниз через газораспределительные форсунки или распылители 30 и наружу через выпускные отверстия 32 для газа в направлении разделителя 18.
Слой 37 суспензии содержит частицы катализатора, суспендированные в жидком продукте, т.е. жидком воске Фишера-Тропша, полученном в реакторной емкости 12 при действии газообразных реагентов. Частицы катализатора поддерживаются в суспендированном состоянии в слое 37 суспензии посредством турбулентности, создаваемой в нем газом, проходящим или барботирующим вверх через него из газораспределителя 14 в направлении свободного пространства 40 над продуктом.
Для экзотермических реакций синтеза углеводородов Фишера-Тропша реакторную емкость 12 обычно поддерживают при рабочем давлении от приблизительно 10 бар до приблизительно 40 бар, более предпочтительно от приблизительно 20 бар до приблизительно 30 бар, и при рабочей температуре от приблизительно 180°С до приблизительно 280°С, обычно от приблизительно 220°С до приблизительно 280°С. Выбранные рабочее давление и рабочая температура могут зависеть от природы и распределения газов и требуемого жидкого продукта и типа используемого катализатора. Конечно, в трехфазной барботажной реакторной колонне 10 суспензионного типа предусматриваются подходящие средства регулирования температуры, такие как пучок 22 охлаждающих трубок, для регулирования температур реакции, а также подходящие средства регулирования давления, такие как один или несколько клапанов регулирования давления.
В реакторной емкости 12, поскольку синтез-газ проходит или барботирует вверх через слой 37 суспензии, монооксид углерода и водород реагируют с образованием ряда продуктов согласно известным реакциям синтеза углеводородов Фишера-Тропша. Некоторые из этих продуктов находятся в газообразной форме при рабочих условиях реакторной емкости 12 и отводятся вместе с непрореагировавшим синтез-газом по линии 16 отвода газообразных продуктов. Некоторые из полученных продуктов, такие как уже упомянутый воск, находятся в жидкой форме при рабочих условиях емкости 12 и выступают в качестве суспензионной среды для частиц катализатора. Как только образуется жидкий продукт, уровень 38 слоя 37 суспензии, конечно, стремится расти, и жидкий продукт при этом отводят посредством линии 20 отвода жидкой фазы для поддержания уровня 38 слоя суспензии на желаемом уровне и для обеспечения достаточного свободного пространства 40 над продуктом. Частицы катализатора можно выделять из жидкой фазы или внутри реакторной емкости 12, используя подходящие фильтры (не показаны), или снаружи. Конечно, если выделение происходит снаружи, катализатор предпочтительно возвращают в слой 37 суспензии.
Как результат контроля, или регулирования, или уравновешивания давления посредством канала 34 передачи давления разделитель 18 может не образовывать часть компонента под давлением трехфазной барботажной реакторной колонны 10 суспензионного типа, поскольку разницу давлений через разделитель 18 можно поддерживать в заранее определенных пределах, которая имеет величину на порядок меньше, чем рабочее давление реакторной емкости 12. Расчетное давление разделителя 18 определяют максимальной разностью давлений сразу над разделителем 18 и под ним для различных режимов работы (например, осевший слой суспензии) в направлении вверх и вниз, соответственно. Таким образом, например, все еще необходимо сконструировать разделитель 18, чтобы он выдерживал массу слоя суспензии при условиях осаждения в направлении вниз. При нормальных рабочих условиях, однако, разность давлений через разделитель 18 можно ограничить, например, до менее чем приблизительно 50-150 кПа, посредством канала 34 передачи давления.
При нормальной работе трехфазной барботажной реакторной колонны 10 суспензионного типа присутствует достаточно большой поток синтез-газа через газораспределитель 14 и его газораспределительные форсунки или распылители 30, чтобы предотвращать вхождение суспензии из слоя 37 суспензии в газораспределительные форсунки или распылители 30, коллектор 27 и поперечные трубки 28. Когда по какой-либо причине расход синтез-газа через газораспределительные форсунки или распылители 30 значительно снижается, минимальный перепад давлений через газораспределитель 14 больше не поддерживается, и возможно, что суспензия из слоя 37 суспензии может поступать в газораспределитель 14 через направленные вниз газораспределительные форсунки или распылители 30. Обычно, такая ситуация с низким потоком синтез-газа происходит, когда трехфазную барботажную реакторную колонну 10 суспензионного типа останавливают плановым образом, или при аварийной остановке трехфазной барботажной реакторной колонны 10 суспензионного типа.
Для предупреждения или предотвращения поступления суспензии в газораспределитель 14 способ согласно настоящему изобретению для остановки трехфазной барботажной реакторной колонны 10 суспензионного типа согласно предпочтительному варианту осуществления предусматривает сначала замену потока синтез-газа в линии 26 подачи газа в газораспределитель 14 на газообразный азот из емкости 60 для охлаждающей среды. Таким образом, при остановке трехфазной барботажной реакторной колонны 10 суспензионного типа или в плановом, или в аварийном режиме регулирующий клапан 80 для азота открывается для подачи газообразного азота в линию 26 подачи газа, а запорный клапан 78 для синтез-газа закрывается для предотвращения дальнейшего течения синтез-газа в газораспределитель 14. Газообразный азот из свободного пространства 68 над продуктом, находящегося под давлением, таким образом, выталкивает синтез-газ из линии 26 подачи сырьевого газа и из газораспределителя 14 и поступает в слой 37 суспензии через направленные вниз газораспределительные форсунки или распылители 30, откуда азот барботирует вверх и удаляется посредством линии 16 отвода газообразных продуктов.
Для охлаждения или быстрого охлаждения слоя 37 суспензии дизель в качестве охлаждающей среды подают из емкости 60 для охлаждающей среды в распределитель 72 для охлаждающего дизеля путем открытия регулирующего клапана 82 для дизеля на линии 70 для охлаждающего дизеля. Охлаждение дизелем может происходить сразу после продувки азотом или даже одновременно с продувкой азотом. Поскольку емкость 60 для охлаждающей среды поддерживают под давлением, которое выше, чем рабочее давление реакторной емкости 12, и поскольку продувка азотом останавливается, если давление в емкости 60 для охлаждающей среды падает на 2 бар, при этом обеспечивая достаточное давление для охлаждения дизелем, дизель выталкивается из емкости 60 для охлаждающей среды в слой 37 суспензии и быстро охлаждает слой 37 суспензии. Для большой промышленной трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа, такой как реактор 10, объем дизеля, эквивалентный по меньшей мере 0,15 м высоты реактора, достаточен для предотвращения роста температуры в слое осевшего катализатора вследствие реакции остаточного синтез-газа. Дизель перемещается в реактор 10 в течение, по меньшей мере, минуты, например, приблизительно 50 секунд, для обеспечения быстрого охлаждения реактора 10.
Для того, чтобы избежать избыточного давления в реакторной емкости 12, выпускной клапан 86 на выпускной линии 58 открывают (если он еще не открыт для выпуска газа из реактора 10 для поддержания желаемого давления в реакторе 10) и выпускают синтез-газ и азот, обычно в факельную систему (не показана), в то время как компрессор 54 рециркулирующего газа замедляет работу и, в конце концов, останавливается. Для защиты компрессора 54 рециркулирующего газа от помпажа, клапан 84 обратного хода на линии 56 обратного хода также открывают. Степень, до которой газ выпускают из реактора 10, может зависеть от ситуации. Если в реакторе 10 следует снизить давление, например, из-за длительной остановки, тогда ясно, что из реактора 10 будут полностью выпускать газ через выпускную линию 58, и можно использовать больше продувочного азота. Это может предусматривать подачу азота в реакторную емкость 12 посредством приемной линии 62 для азота и линии 74 подачи газообразного азота через емкость 60 для охлаждающей среды в течение длительного периода времени перед внезапным закрытием быстродействующего клапана 76. Если предполагается снова запускать реактор 10 насколько это возможно быстро, тогда будут обеспечивать только ограниченный выпуск для поддержания в реакторе 10 высокого давления. Продувку азотом затем минимизируют путем немедленного закрытия быстродействующего клапана 76, чтобы, таким образом, лишь заменить синтез-газ из газораспределителя 14 на азот, а не разбавлять чрезмерно синтез-газ в реакторе 10.
Как только трехфазная барботажная реакторная колонна 10 суспензионного типа была по существу продута синтез-газом (например, в случае остановки реактора 10 на длительный период), или как только, по меньшей мере, газораспределитель 14 был по существу продут синтез-газом (например, в случае аварийной остановки), быстродействующий клапан 76 при этом быстро закрывают, таким образом внезапно останавливая поток газообразного азота из линии 26 подачи газа в направленные вниз газораспределительные форсунки или распылители 30. Обычно в случае короткой или аварийной остановки азот подают в газораспределитель 14 только в течение времени, которое занимает полное закрытие быстродействующего клапана 76, т.е. обычно не больше чем приблизительно 5 секунд, или пока давление в емкости 60 для охлаждающей среды не упадет на приблизительно 2 бар. Согласно этому варианту осуществления регулирующий клапан 80 для азота при этом быстро открывается, и в то же время быстродействующий клапан 76 активируется для своего закрытия. Это достаточное время, чтобы по существу очистить газораспределитель 14 от синтез-газа с заменой синтез-газа на азот в газораспределителе 14. Нереакционноспособный или инертный газообразный азот при этом удерживается в направленных вниз газораспределительных форсунках или распылителях 30 и препятствует попаданию суспензии вверх в направленные вниз газораспределительные форсунки или распылители 30 из слоя 37 суспензии, который в то же время будет оседать на разделитель 18.
Когда быстродействующий клапан 76 закрыт, регулирующий клапан 80 для азота также закрыт, и, как только слой 37 суспензии охлаждается достаточно, или доступный дизель переместился в реактор 10 при возможном давлении, регулирующий клапан 82 для дизеля на линии 70 для охлаждающего дизеля также закрывается. Как указано выше в настоящем документе, обычно в пределах минуты начинается охлаждение дизелем. В емкости 12 трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа можно затем снизить давление посредством линии 56 обратного хода и выпускной линии 58, если необходимо или желательно (например, в случае длительной плановой остановки), все время поддерживая неподвижные пузырьки газообразного азота в направленных вниз газораспределительных форсунках или распылителях 30. Как будет понятно, если в реакторной емкости 12 снижено давление, некоторая часть азота будет покидать форсунки или распылители 30, поскольку давление в реакторной емкости 12 падает, а пузырьки азота увеличиваются. Неподвижные пузырьки газообразного азота будут, однако, оставаться удерживаемыми внутри направленных вниз газораспределительных форсунок или распылителей 30 в результате гидростатического давления, оказываемого опустившимся слоем катализатора.
Перед повторным запуском трехфазной барботажной реакторной колонны 10 суспензионного типа емкость 60 для охлаждающей жидкости повторно заполняют дизелем при помощи приемной линии 64 для дизеля и повторно нагнетают давление газообразным азотом при помощи приемной линии 62 для азота. Для удаления азота из трехфазной барботажной реакторной колонны 10 суспензионного типа с целью повторного запуска реактора 10 азот выдувают синтез-газом при помощи линии 16 отвода газообразных продуктов, линии 56 обратного хода и выпускной линии 58.
Используя способ настоящего изобретения трехфазную барботажную реакторную колонну суспензионного типа, такую как трехфазная барботажная реакторная колонна 10 суспензионного типа, можно останавливать плановым или аварийным образом, в то же время предупреждая или, по меньшей мере, значительно снижая риск попадания суспензии в направленные вниз газораспределительные форсунки или распылители. При помощи способа настоящего изобретения, как показано, избегают периода времени при плановой или аварийной остановке трехфазной барботажной реакторной колонны суспензионного типа, когда снижается поток газа через газораспределитель 14. Неравномерное распределение газа в направленных вниз газораспределительных форсунках или распылителях, таким образом, минимизируется, при этом предотвращая или предупреждая попадание суспензии в направленные вниз газораспределительные форсунки или распылители.
Предпочтительно путем продувки газораспределителя 14 инертным газом, таким как азот, перед внезапной остановкой потока газа в газораспределитель 14, реакционноспособный синтез-газ в газораспределителе 14, по меньшей мере, разбавляется, если по существу полностью не удаляется, обеспечивая длительное нахождение удерживаемых неподвижных пузырьков инертного газа в направленных вниз газораспределительных форсунках или распылителях.
Также предпочтительно способ настоящего изобретения обеспечивает полное прекращение потока инертного газа в трехфазную барботажную реакторную колонну суспензионного типа, как только реактор был остановлен. Это снижает время, необходимое для повторного запуска реактора, поскольку никакая дополнительная выдувка инертного газа из реактора не нужна, как в случае, когда инертный газ непрерывно подают в газораспределитель в течение периода остановки с целями предотвращения попадания суспензии в газораспределитель.