РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ГАЗА ДЛЯ РЕАКТОРА
GAS DISTRIBUTOR FOR REACTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к распределительной системе, используемой в реакторе. В частности, это изобретение относится к системе распределения газа, пригодной для реактора, используемого при экзотермических реакциях, таких как реакции Фишера-Тропша, а также для углеводородов и топлив, извлекаемых из этих углеводородов, которые могут быть получены путем гидрогенизации оксида углерода в процессе, в котором используется этот реактор и эта система распределения газа.
Предшествующий уровень техники
Процесс Фишера-Тропша часто применяется для превращения исходного углеводородного сырья в жидкие и/или твердые углеводороды. Это исходное сырье (например, природный газ, попутный газ, метан угольных пластов, фракции остаточной (сырой) нефти и/или уголь) на первой стадии превращается в смесь водорода и оксида углерода (эта смесь часто упоминается как синтетический газ или сингаз). Затем, на второй стадии, этот сингаз подается в реактор, в котором он превращается под воздействием соответствующего катализатора при повышенных температуре и давлении в парафиновые соединения в диапазоне от метана до молекул с высокой молекулярной массой, содержащих до 200 атомов углерода или, при определенных условиях, даже больше.
Процесс Фишера-Тропша часто применяется для превращения исходного углеводородного сырья в жидкие и/или твердые углеводороды. Это исходное сырье (например, природный газ, попутный газ, метан угольных пластов, фракции остаточной (сырой) нефти и/или уголь) на первой стадии превращается в смесь водорода и оксида углерода (эта смесь часто упоминается как синтетический газ или сингаз). Затем, на второй стадии, этот сингаз подается в реактор, в котором он превращается под воздействием соответствующего катализатора при повышенных температуре и давлении в парафиновые соединения в диапазоне от метана до молекул с высокой молекулярной массой, содержащих до 200 атомов углерода или, при определенных условиях, даже больше.
Для осуществления реакции Фишера-Тропша были разработаны многочисленные реакторные системы. Например, системы реактора Фишера-Тропша включают в себя реакторы с неподвижным слоем катализатора, главным образом многотрубчатые реакторы с неподвижным слоем катализатора, реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора, такие как реакторы с увлеченным псевдоожиженным слоем катализатора и реакторы с неподвижным псевдоожиженным слоем катализатора, и реакторы со слоем катализаторной суспензии, такие как трехфазные суспензионные барботажные колонны и реакторы с барботируемым (ebulated) слоем катализатора.
Реакция Фишера-Тропша является в высокой степени экзотермической и термочувствительной, вследствие чего она требует тщательного температурного контроля для поддержания оптимальных рабочих условий и избирательности заданного углеводородного продукта.
Характеристики теплоотдачи для реакторов с неподвижным слоем катализатора, например многотрубчатых реакторов с неподвижным слоем катализатора, являются, как правило, низкими по причине относительно низкой массовой скорости, маленького размера частиц и низкой тепловой емкости текучих сред. Тем не менее, если попытаться улучшить теплоотдачу посредством увеличения скорости газа, может быть получено более высокое трансформирование окиси углерода, однако избыточный перепад давлений на противоположных концах реактора ограничивает устойчивость к коммерческим условиям использования. Для того чтобы получить заданное трансформирование окиси углерода и обеспечить пропускную способность газа, представляющую коммерческий интерес, эти условия приведут к существенным радиальным перепадам температуры. По этой причине трубы реакторов Фишера-Тропша с неподвижным слоем катализатора должны иметь диаметр не более 7 или даже 5 см во избежание чрезмерных эпюр распределения температур. Желательное использование высокоактивных катализаторов в реакторах Фишера-Тропша с неподвижным слоем катализатора еще более ухудшает положение. В результате низких характеристик теплоотдачи возможны локальные неконтролируемые отклонения (горячие точки), которые могут привести к локальной дезактивации катализатора. Во избежание реакции аварийного режима максимальная температура внутри реактора должна быть ограничена. Тем не менее наличие перепадов температуры в реагирующей смеси означает, что большое количество катализатора работает в пределах ниже оптимальных.
Использование рециркуляции жидкости в качестве средства для улучшения общей производительности в конструкции с неподвижным слоем катализатора уже описывалось. Такая система также называется реактором с орошаемым слоем катализатора (как часть комплекта систем реактора с неподвижным катализатором), в который и газовый реагент, и жидкость вводятся одновременно (в предпочтительном варианте в нисходящее направление потока по отношению к катализатору). Наличие фонтанирующего газового реагента и жидкости улучшает эксплуатационные характеристики реактора в отношении трансформирования окиси углерода и избирательности продукта. Недостатком системы с орошаемым слоем катализатора (как и любой конструкции с неподвижным слоем катализатора) является перепад давлений в сочетании с работой при высоких массовых скоростях. Газонаполненная пустотность в конструкциях с неподвижным слоем катализатора (обычно менее чем 0.50) и размер и форма частиц катализатора не позволяют развивать высокие массовые скорости без избыточных перепадов давления. Следовательно, пропускная способность массы на единицу объема реактора, которая подвергается трансформации, ограничивается показателями теплоотдачи. Увеличение размера частицы отдельного катализатора может незначительно улучшить теплоотдачу, давая возможность развития более высоких массовых скоростей (при определенном перепаде давлений), но снижение избирательности по отношению к продуктам с высокой температурой начала кипения и увеличение метана, избирательно комбинированное с увеличением активности катализатора, обычно компенсирует коммерческие стимулы более высокой теплоотдачи.
Реакторы с трехфазными суспензионными барботажными колоннами в большинстве случаев имеют преимущества над конструкцией с неподвижным слоем катализатора по характеристикам теплоотдачи. Такие реакторы обычно объединяют мелкие частицы катализатора, находящиеся во взвешенном состоянии в восходящем потоке газа, в жидкую непрерывную матрицу. В трехфазных суспензионных реакторах имеется большое количество охлаждающих труб. Движение жидкой непрерывной матрицы обеспечивает достаточную теплоотдачу для того, чтобы достичь высокой коммерческой производительности. Частицы катализатора движутся внутри жидкой непрерывной фазы, в результате чего достигается эффективная отдача производимого тепла от частиц катализатора к охлаждающим поверхностям, в то время как большие запасы жидкости в реакторе обеспечивают высокую тепловую инерцию, которая помогает предотвратить быстрые увеличения температуры, которые могут привести к неконтролируемым тепловым отклонениям.
Один или более распределитель газа, в типовом варианте выполнения расположенный в нижней части суспензионной зоны или рядом с ней, должен обеспечить отвечающее требованиям распределение подаваемого газа по всей суспензионной зоне. Примерами известных распределителей газа являются пористая пластина и устройство из пористых трубок. Поры в пластине или трубках достаточно крупные для того, чтобы обеспечить соответствующее прохождение газа, но и достаточно мелкие для предотвращения попадания в поры твердых частиц. Тем не менее может произойти существенное засорение пор, например, вследствие истирания твердых частиц или недостаточного поступления газа. Кроме того, относительно мелкие поры являются причиной перепадов высокого давления в порах.
Другой известный распределитель газа содержит динамические газовые форсунки, такие как эжекторные сопла и щелевые сопла. К проблемам, связанным с такими распределителями газа, относится опасность дренирования жидкой/твердой суспензии из суспензионной зоны в систему подачи газа в случае недостаточной подачи газа. Эта проблема имеет место в тех случаях, когда газопроводные выводы расположены над системой подачи газа или на одном уровне с системой подачи газа.
Обзор известных распределителей газа был опубликован в статье В.-Д.Деквера «Реакторы с барботажными колоннами», 1992, Джон Уилли и сыновья, стр.9-13. Распределители также описаны в EP-A-956126. В GB 787123 описана нагнетательная система с использованием нагнетательной линии, снабженной простой форсункой или соплами. Газопроводные выводы тем не менее расположены на одном уровне с нагнетательной линией. Таким образом, небольшой перепад давлений может послужить причиной прямого проникновения катализаторной суспензии в нагнетательную линию.
Раскрытие сущности изобретения
Распределитель газа по настоящему изобретению имеет целью решить проблемы, связанные с распределителями газа известного уровня техники. Таким образом, в распределительной системе, которую используют в реакторе, в соответствии с положением на настоящее время газопроводные выводы (то есть отверстия, через которые газ покидает распределительную систему и через которые газ вводится в катализаторную суспензию) располагаются намного ниже системы распределения газа, чтобы избежать проникновения катализаторной суспензии в распределительную систему. В этом отношении отмечается, что проникновение катализаторной суспензии может привести к отложениям частиц катализатора внутри распределительной системы. При отсутствии жидкой теплопередающей среды и в присутствии большого количества водорода и оксида углерода вышеупомянутые частицы катализатора или отложения катализатора продолжают катализировать экзотермическую реакцию. Таким образом, создаются горячие точки, которые могут повредить распределительную систему. Кроме того, могут образовываться углеродистые отложения. Главным образом, после периодов продолжительной работы, во время которых регулярно происходит проникновение катализаторной суспензии в распределительную систему, могут образовываться значительные количества углеродистых отложений, которые могут привести к (частичному) закупориванию одной или более трубы в распределительной системе. Этого следует избегать.
Таким образом, настоящим изобретением предусматривается распределительная система для использования в реакторе, т.е. распределительная система, включающая в себя газопроводный вывод для прохождения газа в реактор и систему распределения газа для подачи газа в газопроводный вывод, в которой система распределения газа, питающая распределитель газом, выпускаемым из газопроводного вывода, размещается в системе над распределительным выводом.
Типичным является то, что эта распределительная система полезна в реакторах для осуществления экзотермических реакций.
Как правило, распределительный вывод размещается как можно ближе к нижней части реактора, в типовом варианте на расстоянии не более 20 см, а в более предпочтительном варианте на расстоянии не более 10 см. Кроме того, в приемлемых вариантах выполнения все газопроводные распределительные выводы располагаются, по меньшей мере, на 15 см ниже системы распределения, а в предпочтительном варианте выполнения все распределительные выводы располагаются, по меньшей мере, на 30 см ниже системы распределения. В обычном варианте распределительные выводы находятся на расстоянии между 0.5 и 5 м ниже системы распределения, в предпочтительном варианте между 1 и 3 м. Обычно распределитель и распределительные выводы располагаются в реакторе приблизительно на одном и том же уровне. В приемлемом варианте разница по высоте в (вертикальном) реакторе между центральной точкой центрального пространства распределителя составляет менее 40 см, в предпочтительном варианте менее 30 см, в более предпочтительном варианте менее 20 см.
Соответствующим образом, система распределения газа включает в себя устройство из трубок для подачи газа в распределители. Примером является (большая) горизонтальная распределительная труба, оснащенная большим количеством (маленьких) горизонтальных боковых трубок, с каждой стороны оснащенными одной или более вертикальными трубками, которые присоединяются к распределителям, а эти распределители размещаются близко к нижней части реакторов. Другим примером является горизонтальная кольцевая распределительная труба, оснащенная большим количеством вертикальных трубок, которые оканчиваются близко к нижней части реактора; концы этих вертикальных трубок присоединяются, например, к двум или четырем горизонтальным трубам, которые присоединяются к распределителям. Другие примеры представлены на чертежах. Системы распределения газа оснащены трубой подачи газа, которая соединяется через стенку реактора с внешней системой подачи газа. В приемлемом варианте выполнения соединение через стенку реактора находится на том же уровне, что и, например, горизонтальная распределительная труба, а в предпочтительном варианте выполнения - на более высоком уровне. В приемлемом варианте выполнения соединение системы подачи газа через стенку реактора находится выше распределительных выводов на расстоянии от 0.3 до 8 м, в предпочтительном варианте от 0.5 до 5 м, в более предпочтительном варианте от 1 до 3 м. В исключительном случае можно использовать длинную продолговатую трубу, которая входит в реактор в верхней его части. В некоторых случаях можно использовать одну трубу подачи газа, в других случаях можно использовать несколько, например 2-10. Реактор может быть оснащен одной распределительной системой или несколькими распределительными системами, например от 2 до 16, главным образом от 4 до 12.
В настоящей заявке распределитель является устройством, которое вводит газ через один или более распределительные выводы в катализаторную суспензию. В нем есть центральное пространство, которое имеет подвижное соединение с устройством распределения газа, и подвижное соединение с распределительными выводами (или газопроводными выводами). Устройство распределения газа включает в себя систему распределения газа и в большинстве случаев средство распределительной разводки. Распределители могут присоединяться непосредственно к системе распределения или, в предпочтительных вариантах, через распределительные разводки. В большинстве случаев система распределения располагается в (горизонтальной) плоскости, перпендикулярно к (вертикальной) оси реактора. Распределитель не является частью системы распределения. Таким образом, система распределения, состоящая из центральной распределительной трубы, оснащенной средством вывода газа, не попадает в границы настоящей формулы изобретения, поскольку распределитель не является ее частью.
Преимуществом распределительных систем согласно настоящему изобретению является то, что они не требуют наличия внутри реактора каких-либо движущихся деталей. Поток газа может контролироваться снаружи реактора. Таким образом, предпочтительным является то, что в реакторе не присутствуют какие-либо движущиеся детали, или другими словами, все используемые элементы являются элементами статическими.
Далее, поскольку место подсоединения через реактор подачи газа, которое является высшей точкой системы распределения газа, располагается над распределительными выводами, образуется естественное препятствие против втекания катализаторной суспензии в распределители и систему распределения газа. В следующем предпочтительном варианте выполнения места подсоединения подачи газа через стенку реактора располагаются в вертикальной цилиндрической стенке реактора, в предпочтительном варианте на расстоянии 0.2 м, в более предпочтительном варианте на расстоянии от 0.3 до 2 м выше места перехода вертикальной цилиндрической стенки в нижнюю часть реактора, в большинстве случаев имеющую куполообразную или сферическую форму.
Изобретением также предусматривается реактор, включающий в себя распределитель в соответствии с описанной выше особенностью изобретения.
В некоторых вариантах выполнения распределительный вывод помещается в концевой части распределителя, который, в свою очередь, находится в конце распределительной разводки, питающей распределитель газом.
В типовом варианте выполнения газопроводный вывод приспособлен для впрыскивания газа по днищу реактора.
Преимуществом очищения днища реактора с помощью газа, выталкиваемого из распределительного вывода, является улучшение распределения катализатора внутри реактора, улучшение смешивания в нижней части реактора, что способствует улучшению передачи тепла охлаждающим модулям и препятствует образованию локальных горячих точек. Оно также разгоняет с днища любые частицы катализатора, что предотвращает локализованное накопление катализатора и локализованные горячие точки, которые могут иметь место в этой зоне.
В реакторах, предназначенных главным образом для осуществления экзотермических реакций и которые оснащены охлаждающими средствами для контролирования тепла, вырабатываемого в результате экзотермических реакций, вычищение катализатора с днища реактора приводит к циркуляции катализатора только в зоне, расположенной выше распределительных выводов, где количество циркуляционных трубок с охлаждающим средством в подобных реакторах обычно численно преобладает, и таким образом большинство экзотермических реакций проходит в тех зонах реактора, в которых имеется большое количество охлаждающих циркуляционных трубок. Это облегчает осуществление контроля над реакцией и уменьшает предрасположенность к образованию горячих точек в зонах, которые не контролируются охлаждающими средствами.
Размещение распределительного вывода ниже системы распределения газа также способствует процессу смешивания и перемещению тепла в нижние зоны реактора, расположенные рядом с днищем реактора, предотвращает накопление там парафинов или побочных продуктов, а также предотвращает осаждение катализатора.
В типовом варианте газопроводные выводы располагаются параллельно нижней внутренней поверхности реактора или направлены к ней. Каждое распределительное устройство в типовом варианте имеет множество выводов (например, 6-12), направленных в наружную сторону от распределительной головки, и эти выводы в типовом варианте расположены на одинаковом расстоянии один от другого вокруг периметра распределительной головки таким образом, что газовые струи, вытекающие из выводов, равномерно прочищают близлежащую зону. В некоторых вариантах выполнения возможно ориентирование газовых струй, вытекающих из вывода, непосредственно по направлению к поверхности днища.
Распределительные головки в типовом варианте выполнения располагаются равномерно на расстоянии друг от друга. Конфигурация и плотность размещения распределительных головок, как и скорость струй газа, вытекающего из распределительных головок, в типовом варианте подбираются таким образом, что газовые струи имеют достаточную способность радиального проникновения в катализаторную суспензию, которая окружает головки, чтобы обеспечить достаточный охват поперечного сечения реактора, и в то же время так, что скорость впрыскивания газа ограничивается во избежание истощения катализатора.
В типовом варианте выполнения газопроводные выводы включают в себя средства контроля потока, такие как отверстие для регулирования скорости истечения газовой струи через вывод. В типовом варианте такие отверстия являются отверстиями типа трубок Вентури, и по усмотрению они могут включать в себя контрольный клапан для ограничения потока катализаторной суспензии в выводе. Чтобы ограничить скорость впрыскивания газа из вывода и, следовательно, уменьшить истощение катализатора, отверстие вывода в типовом варианте выполнения прикрывается защитной трубкой большего диаметра, которая выступает под отверстием на минимальное расстояние, зависящее от заданной скорости впрыскивания и размеров распределителя, так что кинетическая энергия газовой струи, исходящей из отверстия, до некоторой степени рассеивается в защитной трубке до попадания струи в катализаторную суспензию. В типовом варианте выполнения днище реактора вогнутое и в результате размещения прямых защитных трубок газопроводных выводов, как правило, параллельно касательной к кривой линии днища, происходит вовлечение струй газа, направленных в сторону днища, по мере их истечения из вывода, тем самым улучшая осуществление функции прочистки.
В соответствии со следующим аспектом настоящее изобретение предусматривает метод осуществления реакции, включающий в себя стадии загрузки реактора реагентами и удаления продуктов реакции из реактора, в котором, по меньшей мере, несколько реагентов подаются в реактор через распределительное устройство, которое впрыскивает реагенты через вывод и в котором реагенты подаются в распределительное устройство через систему распределения, расположенную над распределителем.
Другая возможность удаления любых частиц катализатора, присутствующих в распределительной системе, заключается во впрыскивании подходящих жидкостей в поток газа, который протекает через распределительную систему. Это можно осуществлять периодически или постоянно. Пригодными для впрыскивания жидкостями являются углеводороды, особенно углеводороды, полученные в результате процесса Фишера-Тропша. Могут использоваться и углеводороды, полученные без промежуточных ступеней, например реакторный парафин, полученный путем фильтрования катализаторной суспензии, или фракции дистиллята, очищаемые в диапазоне от 120 до 500°С, главным образом в диапазоне от 150 до 360°С. Также могут использоваться гидрогенизированные фракции и/или фракции гидрокрекинга, обработанные кипячением при температуре в диапазоне от 120 до 500°С, главным образом в диапазоне от 150 до 360°С. Эти жидкости для впрыскивания в предпочтительном варианте выполнения впрыскиваются через впрыскивающее сопло, расположенное вне реактора. Вследствие того что конфигурация потока газа в распределительной системе направлена по нисходящей линии, впрыскиваемая жидкость смоет любые частицы катализатора и/или отложения катализатора, которые могут присутствовать в системе. В предпочтительном варианте выполнения впрыскиваемая жидкость нагревается до температуры от 100 до 250°С, в более предпочтительном варианте до температуры от 150 до 225°С.
Чтобы не ограничиваться рамками отдельного варианта выполнения, настоящее изобретение описывается далее более подробно со ссылками на чертежи, в которых:
фиг.1 - вид сбоку на общую схему реактора, оснащенного распределительной системой;
фиг.2 - горизонтальная проекция распределителей в основании реактора согласно фиг.1;
фиг.3 - вид сбоку на распределители согласно фиг.2;
фиг.4 - горизонтальная проекция системы трубопроводов распределителя;
фиг.5 - вид сбоку на системы трубопроводов распределителя;
фиг.6 - вид сбоку на головку распределителя.
На фиг.1 реактор 20 имеет внешнюю оболочку 21, определяющую границы отсека, в который подаются реагенты. Реактор в этом варианте выполнения обычно используется для осуществления трехфазных реакций в каталитической суспензии, таких как, например, реакции типа Фишера-Тропша. Реагенты жидкой фазы и твердый корпускулярный катализатор подаются в отсек реактора из подводящих труб (не показаны), и реагенты газообразной фазы доставляются в реактор с помощью приспособления из распределителей газа 15, размещенных на днище реактора. Распределители 15 имеют выходы, из которых выделяются пузырьки газа, которые поднимаются в жидкой фазе и взаимодействуют с твердым корпускулярным катализатором в жидкой фазе с целью образования продуктов реакции, которые удаляются из реактора.
Поскольку реакция Фишера-Тропша является экзотермической, в реакторе 20 размещается некоторое количество охлаждающих модулей 1 (для ясности показан только один) для подачи холодильного агента и его циркуляции в циркулирующей системе охлаждающих труб внутри оболочки реактора 21. Охлаждающие модули 1 поддерживаются снизу подкладками, опирающимися на днище оболочки реактора 21. Тепло от катализаторной суспензии, окружающей охлаждающие модули 1, передается к холодильному агенту по мере того, как он проходит через циркулирующую систему модуля. Подходящие холодильные агенты должны быть известны лицам, имеющим опыт в этой технологии; к ним, например, относится вода/пар или холодильные агенты на основе масел.
Синтетический газ (или сингаз) в предпочтительном варианте выполнения подается в реактор на нижнем уровне реактора, по усмотрению как можно ближе к зоне вогнутого днища реактора, имеющей малый радиус действия, как показано на фиг.3, но обязательно выше выводов синтетического газа в реактор 20. Трубы, подводящие внешний синтетический газ, могут присоединяться к фланцам на оболочке 21 в месте входа в реактор с помощью хомутов 5, выполненных в виде С-образной формы, той же конструкции, что используется для присоединения системы охлаждающих трубопроводов, доводя таким образом до минимума разновидности в конструкции по всему реактору. Затем синтетический газ подается по распределительным трубам 10 (стянутым вместе на фланцах с помощью хомутов 5, выполненных в виде С-образной формы) в газовый коллектор 11, расположенный на днище реактора 20. В каждый коллектор 11 подводится единственная распределительная труба, показанная на примере, но единственная распределительная труба по желанию может питать несколько коллекторов. Каждый коллектор 11 присоединяется к нескольким распределителям 15 (например, к четырем); он поддерживает их и питает синтетическим газом по подводящим трубам 12 распределителя. Подводящие трубы 12 распределителя присоединяются к распределителям с помощью хомутов 5, выполненных в виде С образной формы.
Распределители 15 расположены равномерно над днищем реактора 20, как показано на фиг.5, и в типовом варианте выполнения они размещены вокруг подкладок 23. Каждый распределитель 15 имеет центральную камеру 16 с восемью отверстиями 17. Каждое из этих отверстий присоединяется через узкую горловину типа трубки Вентури к защитной трубке 18 с более широким диаметром и имеет вывод 19 к реактору. Каждая защитная трубка 18 расположена параллельно днищу оболочки реактора 21. В некоторых предпочтительных вариантах выполнения защитные трубки 18 могут быть направлены под малым углом по направлению к днищу реактора 21.
В процессе работы синтетический газ подается по распределительным трубам 10 в коллектор 11, в подводящие трубы 12 распределителя и в распределители 15. Синтетический газ равномерно распределяется по центральной камере 16 распределителя и подается через отверстия 17 и трубки Вентури в защитные трубки 18. Трубка Вентури ограничивает доступ катализаторной суспензии (и, главным образом, катализатора) в отверстия.
При желании, в каком-либо месте системы подачи газа или системы распределения (в типовом варианте выполнения вне реактора, чтобы движущиеся детали находились за пределами оболочки реактора) можно расположить контрольный клапан (не показан) для предотвращения проникновения катализатора в систему распределения синтетического газа.
В предпочтительном варианте выполнения воздерживаются от применения патрубков в коллекторе, но в некоторых случаях они необходимы для присоединения коллектора с каждым из распределителей 15. В таком случае, в типовом варианте выполнения патрубки устанавливаются не на вертикальной плоскости коллектора, а на горизонтальной, как показано на фиг.5. Это максимально увеличивает нисходящий поток в распределительной системе подачи газа к распределителям 15, преимуществом чего является уменьшение доступа катализаторной суспензии в систему подачи. Более того, это ограничивает доступ катализатора в систему подачи газа и, как следствие, засорения, закупорки и неконтролируемую выработку тепла, происходящую в результате экзотермической реакции между жидкими реагентами в катализаторной суспензии и синтетическим газом системы подачи. С небольшими обратными поступлениями катализаторной суспензии в распределители 15 или подводящие трубы можно бороться поддержанием давления газа на уровне выше атмосферного и очищением системы подачи газа.
3
Струи газа по их истечении из трубки Вентури до некоторой степени рассеиваются в защитных трубках 18 вследствие большего диаметра и длины защитной трубки 18, пока в защитной трубке 18 не образуется нормальный нисходящий поток к трубке Вентури. Можно использовать трубы большего размера, чтобы уменьшить соответственно скорость впрыскивания и давление. Диаметр и длина защитной трубки 18 подбираются в зависимости от заданной скорости впрыскивания и конфигурации и количества распределителей так, чтобы уменьшить входящую скорость из вывода трубки 18 до приемлемого уровня, который должен быть достаточно высоким для обеспечения соответствующего радиального проникновения газа в катализаторную суспензию, чтобы достичь эффекта рассеивания катализатора с днища реактора, и в то же время достаточно низким, чтобы избежать чрезмерного истощения катализатора. В этом примере, который является представительным для стандартного использования реактора и распределительной системы, синтетический газ протекает во входном отверстии в систему распределения с интенсивностью около 5-10 м/сек в условиях проведения реакции. Диаметр отверстия 17 составляет около 30-40 мм, а защитная трубка 18 имеет длину, по меньшей мере, 200 мм и внутренний диаметр приблизительно 40-60 мм. Максимальное значение скорости подачи газа через распределители ограничивается приблизительно до 5-15 м/сек. Следует понимать, что эти данные являются приблизительными, а не ограничительными.
В этом варианте выполнения распределители 15, каждый из которых имеет восемь выводов 19, расположены в равномерном порядке из 32 распределителей по днищу реактора 20. Таким расположением достигается равномерная подача синтетического газа в основном по всей поверхности днища реактора, при незначительном избыточном давлении по отношению к остальному объему реактора, что позволяет избежать осаждения катализатора.
В предпочтительных вариантах выполнения распределители располагаются на одинаковом расстоянии от нижней части реактора, например, они или физически поддерживаются на днище реактора, или (что предпочтительно) поддерживаются на расстоянии нескольких миллиметров сверху от него, располагаясь на подводящих трубах 12. Это означает, что, вследствие того, что днища оболочек реактора имеют вогнутую форму, будет иметь место небольшой перепад гидростатических давлений между теми распределителями, которые расположены около центральной оси реактора, где вогнутость поверхности наибольшая, и теми, которые расположены по периметру днища, около перехода поверхности днища в стенку оболочки реактора 21. Этот перепад гидростатических давлений может привести к нарушению равномерности распределения газа от распределителя 15, и, чтобы компенсировать это нарушение, днище оболочки реактора 21 в типовом варианте выполнения имеет отношение высоты к диаметру, равное 1:2. Кроме того, отверстия распределителей 15 в центральной части реактора (или в любом другом месте) в типовом варианте выполнения скорректированы так, чтобы уравнять скорость струи газа и давление во всех распределителях 15 реактора 20.
В типовом варианте выполнения подводящие трубки 11 распределителя имеют относительной широкий диаметр для того, чтобы избежать потерь давления в системе распределения, которые отрицательно влияют на скорость истечения струи газа из распределителей 15.
В предпочтительных вариантах выполнения распределители располагаются между подкладками 3 для поддержания охлаждающих модулей, как показано на фиг.5, и питаются сверху с помощью подводящих труб 10, которые выполняются, насколько возможно, прямыми. Такая конфигурация выводам распределителя 19 размещаться очень близко к днищу оболочки реактора 21, поскольку отпадает необходимость помещать какую-либо систему трубопроводов или поддерживающих конструкций между распределителем и днищем реактора. В этом примере выводы распределителя 19 расположены на расстоянии меньше 10 см (например, 5 см) над уровнем днища оболочки 21. Принцип размещения системы распределения на днище реактора 20 в типовых вариантах выполнения выбран для того, чтобы соответствовать, насколько это возможно, конфигурации охлаждающих модулей в реакторе (показано схематично на фиг.4), так, чтобы реакция между впрыскиваемым синтетическим газом и другими реагентами в присутствии катализатора во взвешенном состоянии проходила как можно ближе к охлаждающим модулям. Это помогает уменьшить риск горячих точек там, где в одну конкретную зону поступает слишком много синтетического газа, чтобы охлаждающая способность этой зоны могла контролировать ход реакции.
В предпочтительных вариантах выполнения распределители 15 являются идентичными и взаимозаменяемыми, и используются одинаковые соединения, выполненные в виде С-образной формы, которые используются на фланцевых трубках по всему реактору.
Модификации и усовершенствования можно вводить, не отклоняясь от цели настоящего изобретения. Например, средний размер частиц катализатора может варьироваться в широких пределах, в зависимости, в числе прочего, от типа режима суспензионной зоны. В типовом варианте выполнения средний размер частиц может колебаться в пределах от 1 микрона до 2 мм, в предпочтительных вариантах от 1 микрона до 1 мм.
Если средний размер частиц больше 100 микрон и частицы не поддерживаются в состоянии суспензии механическим приспособлением, то такой режим суспензионной зоны в большинстве случаев относят к режиму с барботируемым слоем катализатора. В предпочтительном варианте в режиме с барботируемым слоем катализатора средний размер частиц не превышает 600 микрон, в более предпочтительном варианте он варьируется в диапазоне от 100 до 400 микрон. Следует принимать во внимание, что, в общем, чем больше размер частицы, тем меньше риск того, что эта частица ускользнет из суспензионной зоны в зону над уровнем суспензии. Таким образом, если применяется режим с барботируемым слоем катализатора, то первоначально мелкие фракции частиц катализатора ускользнут в зону над уровнем суспензии.
Если средний размер частиц не превышает 100 микрон и частицы не поддерживаются в состоянии суспензии механическим приспособлением, то такой режим суспензионной зоны в большинстве случаев относят к режиму суспензионной фазы. Предпочтительным является то, что в режиме суспензионной фазы средний размер частиц превышает 5 микрон, более предпочтительным является его колебание в диапазоне от 10 до 75 микрон.
Если частицы не поддерживаются в состоянии суспензии механическим приспособлением, то такой режим суспензионной зоны в большинстве случаев относят к режиму резервуара с мешалкой. Следует принимать во внимание, что, в принципе, можно применять любой средний размер частиц в рамках упомянутых выше пределов колебания. Предпочтительным является то, что средний размер частиц поддерживается в пределах от 1 до 200 микрон.
Концентрация присутствующих в суспензии частиц катализатора может колебаться в пределах от 5 до 45% по объему, предпочтительно в пределах от 10 до 35% по объему. Может возникнуть желание дополнительно добавить в катализаторную суспензию другие частицы, как изложено, например, в Европейской публикации патентных заявок №0450859. Общая концентрация твердых частиц в катализаторной суспензии в типовом варианте выполнения не превышает 50% по объему, в предпочтительных вариантах не превышает 45% по объему.
Пригодные жидкости катализаторной суспензии известны тем, кто имеет опыт в этой технологии. В типовом варианте выполнения, по меньшей мере, часть жидкости катализаторной суспензии является продуктом экзотермической реакции. В предпочтительных вариантах выполнения жидкость катализаторной суспензии в значительной степени полностью является продуктом реакции.
Экзотермической реакцией является реакция, которая осуществляется в присутствии твердого катализатора и которую можно проводить в трехфазном суспензионном реакторе. В типовом варианте выполнения, по меньшей мере, один из реагентов экзотермической реакции является газообразным. К примерам экзотермических реакций относятся реакции гидрогенизации, гидроформилирование, синтез алканола, приготовление ароматических уретанов с использованием окиси углерода, синтез Кельбеля-Энгерхарта, синтез полиолефина и синтез Фишера-Тропша. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения экзотермической реакцией является реакция синтеза Фишера-Тропша.
Синтез Фишера-Тропша хорошо известен тем, кто имеет опыт в этой технологии; он включает в себя синтез углеводородов из газообразной смеси водорода и оксида углерода посредством контактирования этой смеси в условиях реакции с катализатором Фишера-Тропша, в ходе которой оксид углерода и водород вводятся в реактор с помощью распределительной системы.
5
Продукты синтеза Фишера-Тропша могут варьироваться от метана до тяжелых парафинов. Предпочтительным является то, что производство метана сводится к минимуму, а значительная часть производимых углеводородов имеет длину углеродной цепочки, по меньшей мере, из 5 атомов углерода. В предпочтительном варианте выполнения количество C + углеводород составляет, по меньшей мере, 60% от общего продукта в весовом отношении, в более предпочтительном варианте по меньшей мере, 70% в весовом отношении, в еще более предпочтительном варианте по меньшей мере, 80% в весовом отношении и в самом предпочтительном варианте по меньшей мере, 85% в весовом отношении.
Катализаторы Фишера-Тропша в этой технологии известны и в типовом варианте выполнения они содержат металлический компонент группы VIII, предпочтительно кобальт, железо и/или рутений, более предпочтительно кобальт на инертном носителе. В типовом варианте выполнения катализаторы содержат носитель катализатора. В предпочтительных вариантах носитель катализатора пористый, например пористый неорганический жаростойкий окисел, в более предпочтительных вариантах это оксид алюминия, диоксид кремния, двуокись титана, двуокись циркония или приготовленные из них смеси.
Оптимальное количество каталитически активного металла, присутствующего в носителе, зависит, в частности, от конкретного каталитически активного металла. В типовом варианте выполнения количество кобальта, присутствующего в катализаторе, может варьироваться от 1 до 100 весовых частей на 100 весовых частей материала носителя, в предпочтительных вариантах от 10 до 50 весовых частей на 100 весовых частей материала носителя.
Каталитически активный металл может присутствовать в катализаторе вместе с одним или более промоторами металла или совместно действующими катализаторами. Промоторы могут присутствовать в виде металлов или окислов металла, в зависимости от конкретного задействованного промотора. К пригодным промоторам относятся окислы металлов из групп IIA, IIIB, IVB, VB, VIB и/или VIIB периодической системы химических элементов Менделеева и окислы лантаноидов и/или актинидов. Предпочтительным является то, что катализатор содержит, по меньшей мере, по одному из элементов групп IVB, VB и/или VIIB периодической системы химических элементов, в частности титан, цирконий, марганец и/или ванадий. В другом варианте, или в добавление к промотору окисла металла, катализатор может содержать промотор металла, выбранный из групп VIIB и/или VIII периодической системы химических элементов. К предпочтительным промоторам металла относятся рений, платина и палладий.
Наиболее подходящий катализатор содержит кобальт на инертном носителе в качестве каталитически активного металла и цирконий в качестве промотора. Другой наиболее подходящий катализатор содержит кобальт в качестве каталитически активного металла и марганец и/или ванадий в качестве промотора.
Если промотор добавляется в катализатор, то в типовом варианте он присутствует в количестве от 0.1 до 60 весовых частей на 100 весовых частей материала носителя. Тем не менее следует принимать во внимание, что оптимальное количество промотора может варьироваться в зависимости от соответствующих элементов, действующих в качестве промоторов. Если катализатор содержит в качестве каталитически активного металла кобальт, а в качестве промотора марганец и/или ванадий, то благоприятным является атомное отношение кобальт: (марганец + ванадий), по меньшей мере, 12:1.
Синтез Фишера-Трошпа осуществляется при температуре, варьирующейся в предпочтительном варианте от 125 до 350°С, в более предпочтительном варианте от 175 до 275°С, в наиболее предпочтительном варианте от 200 до 260°С. Давление в предпочтительном варианте варьируется от 5 до 150 абсолютных бар, а в более предпочтительном варианте от 5 до 80 абсолютных бар.
В типовом варианте выполнения водород и оксид углерода (синтетический газ) подаются в трехфазный суспензионный реактор в молярном отношении, варьирующемся от 0.4 до 2.5. В предпочтительном варианте выполнения молярное отношение водорода к оксиду углерода варьируется от 1.0 до 2.5.
Среднечасовая скорость подачи газообразного продукта может варьироваться в широких пределах, и в типовом варианте выполнения она колеблется в диапазоне от 1500 до 10000 Nl/l/h, а в предпочтительном варианте выполнения в диапазоне от 2500 до 75000 Nl/l/h.
В предпочтительном варианте синтез Фишера-Тропша осуществляется в режиме суспензионной фазы или в режиме с эбулированным слоем катализатора, в котором частицы катализатора поддерживаются во взвешенном состоянии быстродействием восходящего вверх поверхностного газа и/или жидкости.
Понятно, что квалифицированный специалист в состоянии выбрать наиболее подходящие условия для конкретной конфигурации реактора и режима реакции.
В предпочтительном варианте скорость поверхностного сингаза колеблется в диапазоне от 0.5 до 50 см/сек, в более предпочтительном варианте в диапазоне от 5 до 35 см/сек.
В типовом варианте скорость поверхностной жидкости поддерживается в диапазоне от 0.001 до 4.00 см/сек, включая выработку жидкости. Следует принимать во внимание, что предпочтительный диапазон может зависеть от предпочтительного режима работы.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения скорость поверхностной жидкости поддерживается в диапазоне от 0.005 до 1.0 см/сек.
В соответствии со способом обработки углеводородов в реакторе дополнительно осуществляют гидрогенизацию и/или гидрокрекинг, а затем дистилляцию для получения бензина-растворителя, керосина, газойля, воскообразного рафината и/или базового масла.