ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
HEAT EXCHANGER FOR PERFORMANCE OF EXOTHERMIC REACTION

Настоящее изобретение относится к модулю охлаждения и реактору для проведения экзотермической реакции, содержащему такой модуль. В частности, изобретение относится к модулю охлаждения и реактору, подходящим для использования при проведении реакции Фишера-Тропша, для получения углеводородов и топлив из этих углеводородов, в частности, путем гидрирования моноокиси углерода в технологическом процессе с использованием подходящих реактора и модулей охлаждения.
Для превращения исходного углеводородного сырья в жидкие и/или твердые углеводороды часто осуществляют процесс Фишера-Тропша. Исходное сырье (например, природный газ, попутный нефтяной газ, метан из угольных пластов, остаточные фракции нефти (сырую нефть) и/или уголь) на первой стадии этого процесса превращают в смесь водорода и окиси углерода (такую смесь часто называют синтез-газом). Затем на второй стадии при повышенных температуре и давлении и в присутствии подходящего катализатора синтез-газ превращают в парафиновые соединения в диапазоне от метана до высокомолекулярных соединений, содержащих до 200 атомов углерода, или, при определенных условиях, даже еще больше.
Для проведения реакции Фишера-Тропша разработано много типов реакционных аппаратов. Известные реакционные аппараты для проведения реакции Фишера-Тропша включают, например, реакторы с неподвижным слоем, в особенности, многотрубные реакторы с неподвижным слоем; реакторы с псевдоожиженным слоем, например, реакторы, функционирующие с уносом твердых частиц из псевдоожиженного слоя, и реакторы со стационарным псевдоожиженным слоем; реакторы со слоем катализаторной суспензии, например, реакторы с барботажными колоннами и трехфазной системой, включающей катализаторную суспензию, и реакторы со "вскипающим" слоем суспензии. Подходящий реактор для проведения реакции Фишера-Тропша описан в патентном документе US 5517473. Однако раскрытый в указанном источнике реактор характеризуется наличием крупногабаритной полностью стационарной системы охлаждения, которая затрудняет изготовление, транспортировку и ремонт (например, в случае утечек в системе охлаждения).
Реакция Фишера-Тропша является сильно экзотермической и температуро-чувствительной реакцией, что обуславливает необходимость точного регулирования температуры для поддерживания оптимальных условий работы и необходимой селективности углеводородного продукта. Принимая во внимание высокий тепловой селективности углеводородного продукта. Принимая во внимание высокий тепловой эффект, которым отличается реакция Фишера-Тропша, для данной реакции весьма важными представляются характеристики теплообмена и механизмы охлаждения.
Величина коэффициента теплопередачи в реакторах с неподвижным слоем ограничена из-за относительно низкой массовой скорости, небольших размеров частиц и низкой теплоемкости текучих сред. Однако если попытаться улучшить теплообмен за счет повышения скорости газа, то может быть достигнута более высокая степень превращения СО, но в этом случае в реакторе устанавливается избыточный перепад давления, что ограничивает его коммерческую жизнеспособность. Увеличение производительности реактора за счет повышения его пропускной способности по газу и степени химического превращения СО может привести к росту радиальных градиентов температуры. Для обеспечения температурной стабильности и эффективного отвода теплоты трубы реактора с неподвижным слоем, предназначенного для проведения реакции Фишера-Тропша, должны иметь диаметр менее 5 или 7 см. Еще больше осложняет ситуацию желательное использование в реакторах для проведения реакции Фишера-Тропша катализаторов с высокой активностью. Плохие характеристики теплопередачи обуславливают возможные неконтролируемые локальные отклонения температуры (образование горячих пятен), что может привести к дезактивации катализатора. Для того чтобы избежать прохождения реакции с неконтролируемыми отклонениями параметров, необходимо ограничить максимальную температуру внутри реактора. Однако наличие градиентов температуры в реакционной смеси означает, что значительное количество катализатора работает при субоптимальных уровнях.
В уровне техники описано использование рециркуляции жидкости в реакторе с неподвижным слоем как метода улучшения общей производительности. Такой аппарат называют также реактором с орошаемым слоем (входящим в подкласс реакционных аппаратов с неподвижным слоем), в который как реагирующий газ, так и жидкость вводят одновременно (предпочтительно в режиме опускного течения относительно катализатора). Движение реагирующего газа и жидкости в реакторе улучшает отвод теплоты и тепловое регулирование, и тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики реактора в части степени превращения СО и селективности продукта. Ограничением аппарата с орошаемым слоем (также как и любой другой конструкции с неподвижным слоем) является перепад давления, обусловленный высокими массовыми скоростями. Свободные объемы в неподвижных слоях, заполненные газом (как правило, составляющие менее 0,50 общего объема слоя), а также размеры и форма частиц катализатора не позволяют достигнуть высоких массовых скоростей при отсутствии избыточных перепадов давления.
Соответственно, массовое количество реагентов, пропускаемых через реактор и подвергающихся превращению, на единицу объема реактора ограничено скоростью передачи тепла. Увеличение размера частиц катализатора и повышение массовых скоростей улучшают теплопередачу (для заданной величины перепада давления) и позволяют повысить способность реагентов к превращению. Однако, потери избирательности катализатора и более низкая эффективность его действия могут свести на нет указанный эффект улучшения способности к превращению.
Реакторы с барботажной колонной и трехфазной системой обычно имеют преимущества в отношении характеристик теплопередачи по сравнению с конструкцией с неподвижным слоем. Такие реакторы обычно загружают небольшими частицами катализатора, взвешиваемыми в сплошной жидкой фазе восходящим потоком газа. В аппарате с трехфазной системой размещено большое количество труб охлаждения. Движение сплошной жидкой фазы обеспечивает достаточную теплопередачу для достижения высокорентабельной производительности. Частицы катализатора движутся в объеме сплошной жидкой фазы, что приводит к эффективной передаче теплоты, выделяющейся из частиц катализатора, к поверхностям охлаждения, в то же время большой запас жидкости в реакторе обеспечивает высокую тепловую инерцию, что помогает предотвратить быстрый рост температуры, который может привести к неконтролируемому отклонению теплового режима. Подробное описание реакторов с барботажной колонной и трехфазной системой приведено в книге: W.D.Decker, Bubble Column Reactors, John Wiley & Sons, Chichester, 1991.
Для отвода теплоты реакции промышленные реакторы с неподвижным слоем и реакторы с трехфазной системой, как правило, используют кипящую воду. В конструкциях с неподвижным слоем отдельные реакционные трубы размещены внутри корпуса реактора, в который подают воду/пар, как правило за счет наличия фланцев, имеющихся на стенке корпуса. Выделение теплоты в процессе реакции вызывает рост температуры слоя катализатора внутри каждой трубы. Эта тепловая энергия передается стенке трубы, вызывая кипение жидкости, находящейся внутри рубашки, окружающей стенку трубы. В конструкции реактора, в которой используют каталитическую суспензию, охлаждающие трубы размещают в объеме суспензии, и теплота реакции передается от сплошной жидкой фазы к стенкам труб. Происходящий в трубах процесс парообразования обеспечивает необходимое охлаждение. Пар, в свою очередь, используют в целях нагревания или для привода паровой турбины.
Синтез-газ, проникающий в систему охлаждения (что устанавливается посредством анализа выходящего пара), который нельзя отделить, представляет опасность и будет причиной вынужденной остановки и ремонта реактора, использующего суспензию. В свете экзотермического характера реакции и установленного типичного объема реакторов с суспензией процесс остановки реактора связан с затратами времени, а также является затратным в переводе на потери производственной мощности. Там, где используют известный реактор с единственным коллектором с большим количеством взаимосвязанных труб, идентификация и замена протекающей трубы затруднена. В связи с имеющими трудностями, как известно, протекающую трубу перекрывают, а не пытаются отремонтировать. Однако перекрытие относительно большого количества протекающих труб имеет недостаток, заключающийся в ухудшении охлаждающей способности, в результате чего часть реактора не охлаждается или будет охлаждаться недостаточно с возможным образованием горячих пятен. Кроме того, реактор, вследствие снижения охлаждающей способности, теряет свойственную ему безопасность.
Другой недостаток известных реакторов, использующих суспензию, заключается в том, что охлаждающие трубы фиксируют по месту внутри реактора в процессе его сооружения. Как правило, охлаждающие трубы приваривают к коллекторам, посредством которых трубы снабжаются хладагентом. Такое конструктивное выполнение смонтированного и готового к использованию реактора приводит к тому, что технический персонал во время осмотра и ремонта отдельных охлаждающих труб подвергается возможной опасности. Кроме того, промышленные реакторы вследствие их больших размеров в большинстве случаев должны транспортироваться в горизонтальном положении. Это создает трудности в обеспечении того, чтобы трубы внутри реакторов не повреждались или не смещались.
В связи с изложенным одна из задач настоящего изобретения заключается как раз в создании модуля охлаждения, предназначенного для применения в реакторе для проведения экзотермических реакций, простого и эффективного для сооружения, транспортировки и работы, и позволяющего устранить некоторые отмеченные выше недостатки, присущие системам охлаждения, используемым в известных реакторах.
Другая задача изобретения заключается в создании модуля охлаждения, который упрощает выявление и устранение утечек.
Еще одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы создать реактор для проведения экзотермической реакции, оборудованный системой охлаждения, которая направлена на устранение отмеченных выше недостатков, присущих известным реакторам.
Соответственно настоящее изобретение обеспечивает съемный модуль охлаждения, имеющий первый и второй концы, предназначенный для использования в реакторе для проведения экзотермической реакции, при этом модуль охлаждения содержит:
трубу для подачи хладагента, распределительную камеру, большое количество циркуляционных труб и коллекторную камеру;
причем на первом конце указанной трубы для подачи хладагента имеется входной патрубок, служащий для подачи в модуль охлаждения хладагента, а вторым концом труба сообщается с указанной распределительной камерой;
каждая из указанных циркуляционных труб сообщается с распределительной камерой первым концом и с названной коллекторной камерой - вторым концом;
коллекторная камера содержит выходной патрубок для отвода хладагента;
входной и выходной патрубки расположены на одном и том же конце модуля охлаждения, причем входной патрубок приспособлен для присоединения к подводящему трубопроводу с помощью разъемного соединения, а выходной патрубок приспособлен для присоединения с помощью разъемного соединения к отводящему трубопроводу.
th
Средства, которые могут быть использованы для обеспечения разъемного соединения, включают в себя известные в уровне техники средства, см., например, Perry's Chemical Engeneers' Handbook, 6 Edition, chapter, 6, 6-41/6-57. Такими подходящими средствами являются фланцы, резьбовые соединения (в том числе соединения с однозаходной или двухзаходной резьбами), стяжные соединения, соединения с уплотнительными кольцами, соединения с прижимным уплотнением, соединения с прижимной прокладкой и т.д. Предпочтительны стяжные соединения, в частности, соединения, в которых используют С-образные стяжные элементы.
Предпочтительно распределительная камера содержит участок, поверхность которого имеет коническую или сферическую форму, предпочтительно коническую форму, определяющий зону расположения отверстий, посредством которых распределительная камера сообщается с каждой из циркуляционных труб.
Предпочтительно коллекторная камера содержит участок с поверхностью конической или сферической формы, предпочтительно конической формы, в пределах которого расположены отверстия, посредством которых коллекторная камера сообщается с каждой из циркуляционных труб.
Предпочтительно распределительная камера и коллекторная камера не содержат каких-либо участков с плоской поверхностью. В этой связи следует отметить, что из-за наличия разности давления между внутренней поверхностью модуля и внешней поверхностью модуля (например, при его использования для охлаждения в химическом реакторе, включая режимы запуска и охлаждения, и прекращение работы реактора в случае какой-либо аварийной ситуации), необходимо, чтобы имеющиеся плоские участки поверхности модуля были изготовлены из более прочного материала и/или материала большей толщины, чем другие части модуля, что делает процесс изготовления более сложным и дорогостоящим, чем в тех случаях, когда используют только сферические и/или конические камеры.
В предпочтительном воплощении модуля труба для подачи хладагента расположена по существу центрально относительно распределительных труб и, при необходимости, может проходить сквозь коллекторную камеру. В частном случае выполнения труба подачи хладагента может быть размещена в коллекторной камере, и в этом случае подводящий трубопровод может быть по меньшей мере частично расположен внутри отводящего трубопровода. В таком случае необходимо меньшее количество каналов, проходящих через стенку реактора.
Модуль охлаждения может содержать любое количество циркуляционных труб, необходимых для обеспечения достаточного охлаждения, предпочтительно от 20 до 4000 циркуляционных труб и более предпочтительно от 100 до 400 труб. Модули охлаждения могут иметь поперечное сечение, которое обеспечивает эффективное размещение модулей охлаждения внутри, например, одного реактора. Сечение может иметь, например, форму квадрата, прямоугольника или многоугольника, предпочтительно выполнение сечения квадратным. Круглое поперечное сечение не является предпочтительным, поскольку два или большее количество модулей не могут полностью заполнить реактор цилиндрической формы.
Вообще, модуль охлаждения имеет удлиненный профиль. Вход трубы для подачи хладагента обычно расположен на первом конце модуля охлаждения. Распределительная камера как правило находится на втором конце модуля охлаждения. Таким образом, труба для подачи хладагента в целом будет проходить от первого конца модуля охлаждения до второго конца модуля охлаждения. Коллекторная камера обычно расположена на первом конце модуля охлаждения. Циркуляционные трубы и труба для подачи хладагента обычно образуют соединение, находящееся между первым концом и вторым концом модуля охлаждения, и по существу формируют удлиненную часть модуля охлаждения. При использовании модуль охлаждения обычно будет располагаться в вертикальном положении, при этом первый конец находится на той части модуля охлаждения, которая расположена на большей высоте, а второй конец образует нижнюю часть модуля. Следует принимать во внимание, что модуль охлаждения, в том виде как он охарактеризован выше не окружен корпусом реактора.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает реактор для проведения экзотермической реакции, содержащий
корпус реактора, средства для ввода реагентов внутрь корпуса реактора, средства для вывода продуктов из корпуса реактора и средства охлаждения;
при этом указанные средства охлаждения включают в себя по меньшей мере один съемный модуль (1) охлаждения, имеющий первый и второй концы, предназначенный для использования в реакторе (20) для проведения экзотермической реакции и содержащий трубу (2) для подачи хладагента, распределительную камеру (4), большое количество циркуляционных труб (5) и коллекторную камеру (6), причем труба (2) для подачи хладагента имеет на первом конце входной патрубок (3) для подачи хладагента в модуль (1) охлаждения и сообщается с указанной распределительной камерой (4) на втором конце, причем каждая из указанных циркуляционных труб (5) сообщается с распределительной камерой (4) первым концом, а вторым концом сообщается с коллекторной камерой (6), коллекторная камера (6) содержит выходной патрубок (7) для отвода хладагента, причем входной патрубок (3) и выходной патрубок (7) расположены на одном и том же конце модуля (1) охлаждения.
Предпочтительно входной патрубок приспособлен для присоединения к подводящему трубопроводу с помощью разъемного соединения, а выходной патрубок приспособлен для присоединения с помощью разъемного соединения к отводящему трубопроводу, или же верхние участки входного и/или выходного патрубков могут образовать подводящий и/или отводящий трубопроводы. Входной и выходной патрубки также могут быть присоединены с помощью неподвижного соединения, например, сварного соединения. В этом случае неподвижное соединение или сварной шов может быть вскрыт с помощью ацетиленокислородного резака. Предпочтительные типы разъемных соединений описаны выше.
Предпочтительно корпус реактора снабжен средствами доступа, например, люком, предназначенным для обеспечения доступа к средствам охлаждения. Более предпочтительно люк расположен на крышке реактора, вблизи центра или в центре крышки реактора. Следовательно, можно поднять и извлечь из реактора один или более чем один модуль охлаждения.
Предпочтительно реактор содержит опорные средства, предназначенные для создания опоры для средств охлаждения.
Как правило, средства ввода реагентов, в частности, газообразных реагентов внутрь корпуса реактора расположены в нижнем конце реактора, хотя небольшое количество реагентов может быть также введено в реактор и на более высоком уровне по высоте реактора. Приемлемо, чтобы средства ввода газообразных реагентов могли включать один или более чем один барботер, служащий для ввода газа, например, синтез-газа.
Как правило, средства отвода продуктов реакции из реактора могут включать в себя фильтр.
Предпочтительно реактор, кроме того, содержит один или больше экранов или перегородок, предназначенных для изменения направления движения реагентов и продуктов реакции внутри корпуса реактора.
Для каждого модуля охлаждения, при его использовании, входной патрубок обычно присоединен посредством разъемного соединения к подводящему трубопроводу, а каждый выходной патрубок как правило присоединен с помощью разъемного соединения к отводящему трубопроводу.
Предпочтительно соединение между входным патрубком и подводящим трубопроводом осуществляется с помощью фланца на входном патрубке и фланца подводящего трубопровода, скрепленных с помощью С-образной струбцины или других подходящих средств фиксации соединения. Подобным образом, соединение выходного патрубка и отводящего трубопровода предпочтительно осуществляется с помощью фланца на выходном патрубке и фланца на отводящем трубопроводе, скрепленных с помощью С-образной струбцины или других подходящих средств фиксации соединения.
Модульное построение системы охлаждения имеет преимущество, которое заключается в том, что отдельные модули охлаждения могут быть извлечены из корпуса реактора, например, для проведения осмотра, замены, технического обслуживания или в целях ремонта. Помимо того, корпус реактора и модули охлаждения могут изготавливаться и транспортироваться отдельно. Дополнительные преимущества модуля охлаждения и реактора, соответствующих настоящему изобретению, будут видны из приведенного ниже подробного описания изобретения.
Подводящий и отводящий трубопроводы могут проходить через стенку реактора. Это может быть осуществлено в любой части стенки реактора, но предпочтительно прохождение указанных трубопроводов через верхнюю часть реактора, причем предпочтительно через цилиндрическую часть реактора. В таком случае будет меньше проблем, связанных с возникновением напряжений в стенках реактора. Предпочтительно все проходы подводящих и отводящих трубопроводов через стенку расположены в пределах некоторой высоты реактора (см., например, фиг.2), что позволяет в месте расположения этих проходов усилить стенку реактора, например, за счет ее утолщения или используя дополнительное цилиндрическое кольцо, которое прикреплено к реактору (например, с помощью сварки). Подходящая высота такого кольца составляет до трех метров, предпочтительно до одного метра. Каналы выходного и входного патрубков предпочтительно расположены между верхней цилиндрической частью реактора и серединой этого цилиндра, более предпочтительно в верхней трети цилиндра, по меньшей мере на 1 м ниже перехода цилиндра в куполообразную поверхность. Подводящий трубопровод и отводящий трубопровод предпочтительно соединены с модулями охлаждения, предпочтительно над модулями охлаждения, посредством разъемных соединений. Кроме того, предпочтительно указанные трубопроводы имеют второе разъемное соединение, расположенное близко от стенки реактора. Наличие этих соединений позволяет крайне легко демонтировать все трубопроводы, находящиеся выше модулей охлаждения, с образованием выше модулей охлаждения пространства для осмотра и технического обслуживания, и позволяет также удалить один или большее количество модулей. В предпочтительном воплощении (см. например, фиг.2) подводящий и отводящий трубопроводы, при их пропускании через цилиндрическую часть реактора, ориентированы перпендикулярно стенке реактора. В случае, когда между модулями охлаждения и/или стенками реактора остаются какие-либо зазоры, эти открытые пространства могут быть использованы, например, для размещения отводящих труб, труб для регенерации катализатора, фильтров и т.д. Для того чтобы каналы для восходящих потоков газа не имели низкое гидравлическое сопротивление, в указанных зазорах, с целью увеличения гидравлического сопротивления, могут быть размещены заглушенные трубы или же в этих зазорах могут быть установлены одна или большее количество горизонтальных пластин или экранов.
В соответствии с еще одним аспектом данное изобретение обеспечивает способ проведения экзотермической реакции, включающий следующие стадии:
загрузку в реактор реагентов;
охлаждение содержимого реактора;
отвод из реактора продуктов реакции, при этом стадию охлаждения осуществляют с использованием средств охлаждения, включающих по меньшей мере один модуль охлаждения, такой как описан выше.
В соответствии с еще одним аспектом обеспечивается способ синтеза углеводородов с использованием типа реактора, обеспечиваемого настоящим изобретением.
Настоящее изобретение, не ограниченное конкретным примером воплощения, далее будет раскрыто со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - модуль охлаждения, соответствующий данному изобретению, вертикальный поперечный разрез.
Фиг.2 - иллюстрация размещения некоторого количества модулей охлаждения в реакторе.
Фиг.3 - реактор, внутри которого установлено большое количество модулей охлаждения, вид в плане.
Фиг.4 - вид с расположением входного и выходного трубопроводов выше модуля охлаждения.
Фиг.5 - иллюстрация размещения опоры модуля охлаждения на днище реактора.
На фиг.1 представлено первое воплощение модуля 1 охлаждения, соответствующего настоящему изобретению, содержащего трубу 2 для подачи хладагента, предназначенную для ввода хладагента в модуль, имеющую на первом конце входной патрубок 3, и сообщающуюся по текучей среде с распределительной камерой 4, расположенной на втором конце трубы 2. Распределительная камера 4, в свою очередь, сообщается по текучей среде с одной или более чем одной циркуляционной трубой 5 посредством первого конца каждой из указанных труб 5, при этом второй конец каждой циркуляционной трубы 5 сообщается с коллекторной камерой 6. Коллекторная камера 6 имеет выходной патрубок 7 для выпуска хладагента. Направление потока хладагента внутри модуля 1 охлаждения на чертеже показано стрелками. Конфигурация модуля 1 охлаждения такова, что входной патрубок 3 и выходной патрубок 7 находятся вблизи друг от друга на одном и том же конце модуля охлаждения.
При работе реактора входной патрубок 3 присоединен к подводящему трубопроводу 8 с помощью разъемного соединения, а выходной патрубок 7 посредством разъемного соединения присоединен к отводящему трубопроводу 9. Предпочтительно, разъемное соединение подводящего трубопровода 8 с входным патрубком 3 может быть обеспечено с помощью фланца 8а подводящего трубопровода и фланца 3а входного патрубка, которые могут быть снабжены съемным уплотнением, и с использованием С-образной струбцины (не показана) или других подходящих средств. Подобным образом разъемное соединение отводящего трубопровода 9 с выходным патрубком 7 может быть обеспечено с помощью фланца 9а отводящего трубопровода и фланца 7а выходного патрубка, которые могут быть снабжены съемным уплотнением, и с использованием С-образной струбцины (не показана) или тому подобных средств.
В принципе разъемное соединение может быть получено путем сварки рассматриваемых элементов конструкции, при этом после сварки они могут быть разобщены с помощью подходящих средств резки металла. Предпочтительно разъемное соединение включает фланцы, резьбовые соединения, зажимные соединения и т.п. соединения, отмеченные выше, в число которых не входят соединения, для разобщения которых необходимо использование подходящих средств резки, таких как ацетиленокислородный резак.
Хладагент, поступающий по подводящему трубопроводу 8, вводят в модуль 1 охлаждения через входной патрубок 3, и он протекает через трубу 2 для подачи хладагента в распределительную камеру 4. Затем хладагент распределяется по циркуляционным трубам 5 и поступает по ним в коллекторную камеру 6, где собирается и удаляется через выходной патрубок 7 и отводящий трубопровод 9. Теплота передается от суспензии, окружающей модуль 1 охлаждения, хладагенту по мере его прохождения через модуль, в частности, когда хладагент протекает по циркуляционным трубам 5 и, в меньшей степени, при прохождении по трубе 2 для подачи хладагента.
Предпочтительно модуль 1 охлаждения выполнен так, что входной патрубок 3 и выходной патрубок 7 расположены относительно близко друг к другу, тем самым обеспечивая удобство доступа.
Подходящие хладагенты известны специалистам в данной области техники и включают, например, воду/пар или охлаждающие масла.
Могут быть использованы любые конфигурации трубы 2 для подачи хладагента, распределительной камеры 4, циркуляционных труб 5 и коллекторной камеры 6, которые обеспечивают эффективное охлаждение. Предпочтительно размещение трубы 2 для подачи хладагента по существу центрально относительно циркуляционных труб 5, как это показано на фиг.1. Такое взаимное расположение повышает механическую прочность модуля 1 охлаждения и облегчает распределение и сбор хладагента. В примере воплощения, иллюстрируемом на фиг.1, труба 2 для подачи хладагента проходит через коллекторную камеру 4. Распределительная камера 4 и коллекторная камера 6 могут иметь любую форму, которая способствует эффективному распределению и сбору хладагента внутри модуля 1. Например, распределительная камера 4 и коллекторная камера 6 могут быть сферическими или с криволинейной поверхностью (полусферическими). Предпочтительно избегать конструкций камер с плоскими поверхностями, в частности, в отношении распределительной камеры 4, где могут накапливаться частицы катализатора, находящиеся в суспензии, окружающей модуль охлаждения. Предусмотрена также возможность подсоединения циркуляционных труб 5 непосредственно к нижнему концу трубы 2 для подачи хладагента. В этом случае нижний конец (то есть конец, наиболее удаленный от входного патрубка 3) трубы 2 для подачи хладагента представляет собой распределительную камеру. Предпочтительно, чтобы как распределительная камера 4, так и коллекторная камера 6, была выполнена с коническим участком, посредством которого каждая из названных камер 4 и 6 сообщается с соответствующими концами циркуляционных труб 5. Предпочтительно распределительная камера 4 и коллекторная камера 6 содержат конический участок, криволинейная поверхность которого образует с вертикальной осью угол от 0 до 45°. Понятно, что в том случае, когда этот угол равен 0, циркуляционные труб 5 будут подсоединены непосредственно к нижнему концу (то есть, концу, наиболее удаленному от входного патрубка 3) трубы 2 для подачи хладагента. Модуль 1 охлаждения содержит большое количество протяженных циркуляционных труб 5, что улучшает циркуляцию хладагента внутри модуля 1. Предпочтительно циркуляционные трубы 5 расположены по существу параллельно и эквидистантно относительно друг друга.
Количество и размеры циркуляционных труб 5 в модуле 1 охлаждения ограничены только требованиями охлаждения, зависящими от конкретных внешних условий и физических ограничений для изготовления. Обычно модуль охлаждения содержит приблизительно от 10 до 4000 циркуляционных труб, предпочтительно приблизительно от 100 до 400. В зависимости от объема и производительности реактора каждая охлаждающая труба может иметь длину приблизительно от 4 до 40 м. Предпочтительно длина труб 5 охлаждения составляет приблизительно от 10 до 25 м. Циркуляционные трубы обычно включают в себя пучок протяженных, параллельных прямых труб. Предпочтительно труба для подачи хладагента также представляет собой протяженную прямую трубу, предпочтительно параллельную циркуляционным трубам. Наряду с тем, что трубы охлаждения сохраняют прочность и физическую целостность при рабочих условиях, предпочтительно они выполнены как можно более тонкостенными с тем, чтобы обеспечивать эффективную передачу тепла и минимизировать общий вес модуля 1 охлаждения. Для получения максимального реакционного объема в реакторе диаметр каждой циркуляционной трубы должен быть как можно меньше, например, приблизительно от 1 до 10 см, предпочтительно приблизительно от 2 до 5 см.
2
Форма, размеры, конфигурация модулей охлаждения и их расположение внутри реактора будут определяться главным образом такими факторами, как производительность, условия работы и требования к охлаждению реактора. Модуль охлаждения может иметь такое поперечное сечение, которое обеспечивает эффективное размещение модулей охлаждения в реакторе, например, модуль охлаждения может иметь поперечное сечение в форме квадрата, треугольника, прямоугольника, трапеции (в частности, вмещающей в себя три равносторонних треугольника) или многоугольника. Конструкция модуля охлаждения с квадратным сечением является предпочтительной с точки зрения размещения модулей внутри реактора и равномерного охлаждения всего внутреннего объема реактора. Поперечное сечение модулей охлаждения может быть одинаковым или может быть различным. Предпочтительно модули имеют одинаковое сечение. Однако может быть целесообразным использовать отличающиеся формы сечения (и, возможно, различное количество труб охлаждения) для модулей охлаждения, размещенных вблизи стенок реактора, с тем, чтобы полностью заполнить все пространство в реакторе с целью улучшения процесса охлаждения и предотвращения образования объемов с низким сопротивлением для восходящих потоков газа. Конкретную форму модуля охлаждения получают путем изготовления и использования труб охлаждения, согнутых с образованием различных профилей, и крепления этих труб охлаждения к распределительной и коллекторной камерам. При этом трубы охлаждения будут иметь различное расстояние до центральной оси модуля охлаждения. Площадь поперечного сечения модуля охлаждения обычно может составлять приблизительно от 0,2 до 2,00 м в зависимости от количества и конфигурации используемых труб охлаждения и необходимой их охлаждающей способности. Круговой или эллиптический профили сечения менее желательны, т.к. большое число таких модулей охлаждения не заполняет все сечение реактора цилиндрической формы. Это может создать обводные пути течения восходящих потоков газа.
Фиг.2 иллюстрирует одно конкретное воплощение другого аспекта данного изобретения, а именно реактор 20 для проведения экзотермической реакции. Реактор 20 содержит корпус 21 реактора, средства для подвода реагентов (не показаны), средства отвода продуктов (не показаны) и систему охлаждения, включающую в себя большое количество модулей 1 охлаждения, описанных выше. Каждый модуль 1 охлаждения зафиксирован на месте с возможностью съема за счет использования походящих средств. Например, могут быть использованы опоры 23, установленные на днище реактора 20. На верхнем конце или вблизи верхнего конца каждого модуля 1 охлаждения могут быть установлены дополнительные средства (не показаны) для удерживания модулей внутри реактора в заданном положении внутри реактора 20.
Средства доступа в реактор, например люк 22, обеспечивают возможность проникновения во внутренний объем реактора 20, в том числе к модулям 1 охлаждения. Форма и размеры средств доступа будут определяться главным образом размерами элементов конструкции, размещенных внутри реактора. Предпочтительно в корпусе 21 реактора может быть выполнен люк диаметром приблизительно от 0,5 до 3,0 м, при этом выбранный диаметр должен быть согласован с размерами используемых модулей 1 охлаждения.
В конструкции известных реакторов трубы охлаждения, как правило, приваривают по месту при сооружении реакторов. Промышленные реакторы установленного размера, работающие с суспензией, как правило, не представляется возможным транспортировать в вертикальном положении. В то же время транспортировка такого реактора в горизонтальном положении вызывает значительные деформации труб охлаждения, размещенных внутри корпуса реактора, что может привести к их повреждению во время транспортировки. Поэтому модульная конструкция системы охлаждения согласно данному изобретению обладает значительными преимуществами в том, что модули 1 охлаждения и корпус 21 реактора могут быть изготовлены и транспортированы отдельно для последующей сборки в необходимом месте. Кроме того, модули 1 охлаждения могут быть опущены внутрь корпуса 21 реактора и установлены в заданное положение при отсутствии необходимости для обслуживающего персонала находиться на днище реактора. Это исключает потенциальную опасность, связанную с необходимостью для технического персонала работать внутри реактора, как это имеет место в том случае, когда трубы охлаждения должны быть приварены, например, приварены по месту к трубной доске или коллектору, расположенному на днище корпуса реактора.
В процессе сооружения, когда реактор, как правило, лежит в горизонтальном положении, могут быть использованы подходящие средства создания опоры для модулей охлаждения. Например, между модулями охлаждения или фактически между циркуляционными трубами 5 каждого модуля 1 могут быть размещены одна или большее количество диафрагм или опорных решеток. Такие средства опоры могут быть при желании оставлены на месте в процессе функционирования реактора, чтобы сохранить промежутки между рассматриваемыми элементами конструкции и, в частности, для сохранения положения циркуляционных труб друг относительно друга.
Обычно подводящий трубопровод 8 и выпускной трубопровод 9 подсоединены с помощью разъемного соединения к подводящей и выпускной трубам 24 и 25, которые проходят сквозь корпус 21 реактора и могут быть присоединены к элементам, внешним по отношению к реактору. Подводящий и отводящий трубопроводы 8 и 9 могут быть соединены с подводящей и выпускной трубами 24 и 25 с использованием вышеупомянутых С-образных струбцин или других подходящих средств соединения.
На фиг.4 показаны разъемные соединения подводящего трубопровода 8 с входным патрубком 3, отводящего трубопровода 9 с выходным патрубком 7, подводящего трубопровода 8 с подводящей трубой 24 и отводящего трубопровода 9 с выпускной трубой 25, наличие которых облегчает удаление по отдельности каждого индивидуального модуля 1 охлаждения из корпуса 21 реактора. Из фиг.2, 3 и 4 видно, что после демонтажа всех указанных выше разъемных соединений, подводящий трубопровод 8 и отводящий трубопровод 9 могут быть удалены, что позволяет извлечь модуль 1 охлаждения путем подъема вертикально вверх из его опоры 23. Внешние средства подъема (не показаны), размещенные над реактором 20, могут быть прикреплены через люк 22 к такелажному приспособлению (не показано), которым снабжен модуль 1 охлаждения.
Обращаясь, в частности, к фиг.3, следует обратить внимание, что после разъединения центральный, наибольший модуль охлаждения может быть непосредственно поднят из реактора 20 через люк 22. Пространство, освобожденное центральным модулем, облегчает перестановку или перемещение остальных модулей 1 охлаждения внутри корпуса 21 реактора. Для облегчения перестановки модулей внутри реактора могут быть установлены средства подъема (не показаны), например, лебедка, закрепленная в пространстве между верхом модуля 1 охлаждения и куполом корпуса 21 реактора.
На фиг.5 показано устройство днища корпуса 21 реактора, где могут быть установлены опоры 23, воспринимающие вес каждого модуля 1 охлаждения. Опоры 23, кроме того, служат для сохранения положения каждого модуля 1 охлаждения внутри реактора 20. Конец модуля 1, внутрь которого входит опора 23, предпочтительно выполнен таким, чтобы модуль 1 охлаждения можно было опустить сверху в положение установки без необходимости нахождения в реакторе какого-либо персонала. Это характеризует дополнительную особенность - безопасность, обеспечиваемую в соответствии с настоящим изобретением.
Как отмечено выше, утечка синтез-газа в систему охлаждения может быть выявлена посредством анализа отводимого хладагента. В известных реакторах ремонт протекающих труб охлаждения может быть затруднен, а в некоторых случаях вообще невозможен, и в таком случае протекающая труба должна быть по возможности заглушена, а не отремонтирована. Перекрытие труб охлаждения приводит к нежелательному снижению охлаждающей способности и может привести к нежелательному образованию горячих пятен или прекращению реакции в зонах нахождения реакционной смеси, которые не охлаждаются соответствующим образом. В случае реакции Фишера-Тропша предпочтительно вести эту реакцию при давлении более высоком, чем давление пара в модулях охлаждения. Предпочтительно эта разность составляет по меньшей мере 1 бар, предпочтительно по меньшей мере 5 бар и более предпочтительно 10 бар. И в этом случае наличие утечки в какой-либо трубе всегда будет приводить к проникновению синтез-газа/углеводородов в модуль охлаждения. Путем размещения детекторов во всех отдельных выходных патрубках всех модулей охлаждения можно крайне легко установить, когда модуль охлаждения протекает. Такой модуль охлаждения может быть блокирован, или же может быть остановлен реактор, после чего поврежденный модуль охлаждения может быть заменен.
Настоящее изобретение обеспечивает модуль охлаждения, который может быть использован в системе модулей, в которой отдельные модули 1 охлаждения могут быть отсоединены и по отдельности извлечены из реактора 20 для проведения осмотра, замены или в целях ремонта. Такой модульный подход к решению поставленной задачи имеет дополнительное преимущество, состоящее в том, что ремонт протекающего модуля охлаждения может быть проведен вне корпуса реактора. Тем самым исключаются опасности, связанные с необходимостью для персонала входить внутрь реактора для проведения ремонтных работ. Настоящее изобретение позволяет обеспечить простой и быстрый ремонт модулей охлаждения, что сокращает время простоя реактора по сравнению с периодом времени, необходимым для ремонта известных реакторов, и дает преимущества в части обеспечения возможности минимизации потери производственного времени.
Как правило, реактор можно использовать для проведения реакций в трехфазной системе с суспензией, таких, например, как реакция Фишера-Тропша. Средства ввода реагентов могут включать в себя один или большее количество барботеров, размещенных в нижней части корпуса 21 реактора, а средства для удаления продуктов могут включать в себя один или более фильтров. Специалисту в данной области техники хорошо известны подходящие системы барботеров и фильтров, применяемые в реакторах с трехфазной системой, включающей суспензию.
Средний размер частиц катализатора может изменяться в широких пределах, в зависимости, в том числе, от условий в зоне нахождения суспензии. Обычно средний размер частиц может изменяться от 1 мкм до 2 мм, предпочтительно от 1 мкм до 1 мм.
Если средний размер частиц катализатора превышает 100 мкм, и эти частицы не удерживаются в суспензии с помощью механического приспособления, режим, реализуемый в зоне нахождения суспензии, обычно называют режимом "вскипающего" слоя. Предпочтительно средний размер частиц в режиме "вскипающего" слоя составляет менее чем 600 мкм, более предпочтительно от 100 до 400 мкм. Следует принимать во внимание, что, в общем, чем больше размер частиц, тем меньше вероятность их выхода из зоны суспензии в зону выше уровня суспензии. Поэтому, если устанавливается режим "вскипающего" слоя, то в зону выше уровня суспензии будут выноситься главным образом мелкие фракции частиц катализатора.
Если средний размер частиц составляет не более 100 мкм, и частицы не удерживаются в объеме суспензии с помощью механического приспособления, режим в зоне с суспензией обычно называют "режимом фазы суспензии". Предпочтительно средний размер частиц в "режиме фазы суспензии" составляет более 5 мкм, более предпочтительно в интервале от 10 до 75 мкм.
Если частицы удерживаются в суспензии с помощью механического приспособления, то режим в зоне нахождения суспензией называют режимом смешения. Следует принимать во внимание, что в принципе в пределах указанных интервалов может быть использован любой средний размер частиц. Предпочтительно средний размер частиц находится в интервале от 1 до 200 мкм.
Концентрация частиц катализатора в суспензии может находиться в интервале от 5 до 45 об.%, предпочтительно от 10 до 35 об.%. Может быть желательным дополнительно добавить в суспензию другие частицы, как это описано, например, в опубликованной заявке на европейский патент №0450859. Обычно общая концентрация твердых частиц в суспензии не превышает 50 об.%, предпочтительно составляет не более 45 об.%.
Подходящие жидкости для формирования суспензии известны специалистам в данной области техники. Как правило, по меньшей мере часть жидкой фазы суспензии представляет собой продукт экзотермической реакции. Предпочтительно входящая в состав суспензии жидкость по существу полностью является продуктом реакции.
Экзотермическая реакция представляет собой реакцию, которую проводят в присутствии твердого катализатора и которая может быть осуществлена в реакторе с трехфазной системой, включающей суспензию. Как правило, по меньшей мере один из реагентов экзотермической реакции является газообразным реагентом. Примерами экзотермических реакций служат реакции гидрогенизации, гидроформилирования, синтез алканола, получение ароматических уретанов с использованием окиси углерода, синтез Кельбеля-Энгельгардта, синтез полиолефина, синтез Фишера-Тропша. В соответствии с предпочтительным воплощением настоящего изобретения экзотермическая реакция представляет собой синтез с реакцией Фишера-Тропша.
Процесс синтеза Фишера-Тропша хорошо известен специалистам в данной области техники и включает в себя синтез углеводородов из газообразной смеси водорода и окиси углерода, осуществляемый путем контактирования этой смеси в условиях, необходимых для проведения реакции, и с использованием катализатора Фишера-Тропша.
5
Продукты синтеза Фишера-Тропша могут меняться от метана до тяжелых твердых парафинов. Предпочтительно получение метана минимизировано, и существенная часть производимых углеводородов имеет длину углеродной цепи по меньшей мере из пяти атомов углерода. Предпочтительно количество С+ углеводородов составляет по меньшей мере 60 масс.% от общей массы продукта, более предпочтительно - по меньшей мере 70 масс.%, еще более предпочтительно - по меньшей мере 80 масс.%, и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 85 масс.%. Продукты реакции, которые в условиях проведения реакции находятся в жидкой фазе, могут быть отделены и удалены с использованием подходящих средств, например, одного или более фильтров. При этом могут быть использованы фильтры, размещенные внутри или снаружи реактора, или их комбинация. Продукты в газообразной фазе, например, легкие углеводороды и водяной пар, могут быть извлечены с использованием подходящих средств, известных специалистам в данной области техники.
Катализаторы реакции Фишера-Тропша известны в уровне техники и обычно включают металлы группы VIII, предпочтительно кобальт, железо и/или рутений, более предпочтительно кобальт. Как правило, эти катализаторы включают носитель катализатора. Носитель катализатора предпочтительно пористый, например, пористый неорганический огнеупорный окисел, более предпочтительно окись алюминия, окись кремния, двуокись титана, двуокись циркония или их смесь.
Оптимальное количество каталитически активного металла, находящегося на носителе, зависит в числе прочего от конкретного каталитически активного металла. Обычно, количество кобальта, находящегося в катализаторе, может находиться в пределах от 1 до 100 массовых частей на 100 массовых частей материала носителя, предпочтительно от 10 до 50 массовых частей на 100 массовых частей материала носителя.
Каталитически активный металл может находиться в катализаторе вместе с одним или более металлами-промотерами или совместно действующими катализаторами. Промотеры могут присутствовать в виде металлов или окислов металла, в зависимости от конкретного используемого промотера. Подходящие промотеры включают в себя окислы металлов, выбранных из групп IIА, IIIB, IVB, VB, VIB и/или VIIB периодической таблицы, окислы лантанидов и/или актинидов. Предпочтительно, катализатор содержит по меньшей мере один из элементов групп IVB, VB и/или VIIB периодической таблицы, в частности титан, цирконий, марганец и/или ванадий. В качестве альтернативы или дополнительно к промотеру - окислу металла, катализатор может содержать металл-промотер, выбранный из групп VIIB и/или VIII периодической таблицы. Предпочтительными металлами промотерами являются рений, платина и палладий.
Наиболее подходящий катализатор содержит кобальт в качестве каталитически активного металла и цирконий в качестве промотера. Другой наиболее подходящий катализатор включает кобальт как каталитически активный металл и марганец и/или ванадий в качестве промотера.
Количество промотера, если он входит в состав катализатора, составляет от 0,1 до 60 масс. частей на 100 масс. частей материала носителя. Однако следует учитывать, что оптимальное количество промотера может изменяться в зависимости от выбора промотера. Если катализатор включает кобальт в качестве каталитически активного металла и марганец и/или ванадий в качестве промотера, то атомное отношение "кобальт:(марганец + ванадий)" предпочтительно составляет по меньшей мере 12:1.
Синтез Фишера-Тропша предпочтительно проводят при температуре в интервале от 125 до 350°С, более предпочтительно - от 175 до 275°С, наиболее предпочтительно - от 200 до 260°С. Давление предпочтительно находится в интервале от 5 до 150 абс. бар, более предпочтительно от 5 до 80 абс. бар.
Водород и окись углерода (синтез-газ), как правило, подают в реактор с трехфазной системой с суспензией, при молярном отношении в интервале от 0,4 до 2,5. Предпочтительно молярное отношение водорода и окиси углерода находится в интервале от 1,0 до 2,5.
Объемный почасовой расход газа может изменяться в широком интервале значений и, как правило, составляет от 1500 до 10000 Нл/л/час, предпочтительно от 2500 до 7500 Нл/л/час.
Синтез Фишера-Тропша предпочтительно осуществляют в режиме "фазы суспензии" или в режиме "вскипающего" слоя, при котором частицы катализатора поддерживаются в суспензии за счет скорости восходящего потока газа и/или жидкости, обтекающего эти частицы.
Понятно, что специалист может подобрать наиболее подходящие условия для конкретного конструктивного выполнения реактора и режима проведения реакции.
Предпочтительно приведенная скорость газа в случае синтез-газа составляет от 0,5 до 50 см/сек, более предпочтительно - от 5 до 35 см/сек.
Обычно приведенную скорость жидкости поддерживают в интервале от 0,001 до 4,0 см/сек, включая скорость жидкого продукта. Следует принимать во внимание, что предпочтительный интервал скорости может зависеть от предпочтительного режима работы.
В соответствии с одним предпочтительным воплощением приведенную скорость жидкости поддерживают в интервале от 0,005 до 1,0 см/сек.
Данное изобретение, кроме того, относится к получению углеводородных соединений за счет проведения реакции окиси углерода с водородом в присутствии катализатора - железа или кобальта, предпочтительно кобальтого катализатора, при этом катализатор предпочтительно содержит носитель в виде огнеупорного окисла, процесс проводят при повышенных температуре и давлении, причем для проведения указанного процесса используют реактор с трехфазной системой, включающей суспензию, снабженный одним или большим количеством модулей охлаждения, соответствующих настоящему изобретению и раскрытых выше в данном описании.
Изобретение также касается углеводородов, полученных в описанном выше процессе. Кроме того, изобретение относится к углеводородам, полученным путем гидрирования, особенно гидрогенизации, гидроизомеризации и/или гидрокрекинга, к углеводородным соединениям, полученным при описанной выше каталитической гидрогенизации окиси углерода. В частности, вид углеводородов включает в себя n-парафины (растворители, исходное сырье для детергентов, буровые растворы и т.д.), лигроин, керосин, газойль, очищенный парафинистый нефтепродукт и сырую нефть.