РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ, ТРЕХФАЗНЫЙ ШЛАМОВЫЙ РЕАКТОР И СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
REACTOR WITH AIR-FLUIDISED BED, THREE-PHASE REACTOR AND PROCEDURES FACILITATING THEIR OPERATIONS (VERSIONS)

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа функционирования реактора с псевдоожиженным слоем и собственно к реактору с псевдоожиженным слоем.
Существенный технологический риск связан с переходом от опытной установки к промышленной установке, чтобы за счет масштабирования получить экономическую выгоду. Реакторы с псевдоожиженным слоем, такие как трехфазные шламовые реакторы и двухфазные реакторы с псевдоожиженным слоем, типично имеют зависящие от их размеров эффекты макроперемешивания, поэтому возникает упомянутый выше риск, когда масштабируют реакторы с псевдоожиженным слоем. Поэтому важной задачей является создание способа, который позволяет существенно снизить риск, связанный с масштабированием реакторов с псевдоожиженным слоем. Кроме того, важной задачей является создание конструкции реактора, картины перемешивания внутри которого легко могут быть смоделированы или прогнозированы при помощи экспериментов, позволяющих ограничить степень обычно нежелательного обратного перемешивания, за счет чего потенциально возможно получить оптимальную комбинацию желательных характеристик пробкового режима течения (обычно обеспечивающих высокую производительность и хорошую избирательность) и характеристик хорошего перемешивания (обычно необходимых для обеспечения желательного распределения твердых частиц и получения однородных температурных профилей).
Заявителю известны следующие публикации: US 6,375,921, WO 99/00191, FR 1603546, US 2,853,369 и GB 728543. В патенте США 6,375,921 раскрыт трехфазный шламовый реактор с перфорированными тарелками, имеющими главным образом однородное распределение отверстий, который может быть использован при работе в противотоке. В публикации WO 99/00191 описаны способы регенерации на месте нахождения частично и реверсивно дезактивированных катализаторов, которые используют в реакторах с барботажной колонной. В этой публикации предлагается оболочка реактора, в которой по оси расположена вытяжная труба. В патенте FR 1603546 обсуждаются проблемы, связанные с получением дрожжей в промышленном масштабе, а более конкретно проблемы, связанные с обеспечением хорошего контакта дрожжей с окисляющим газом и двумя несмешивающимися жидкими фазами. В патенте FR 1603546 предложен реактор с трактом, имеющим встроенные концентрически расположенные каналы с восходящим потоком и с нисходящим потоком. В патенте США 2,853,369 сделана попытка решить проблему обратного перемешивания за счет разделения реактора на множество каналов. В патенте GB 728543 описан усовершенствованный процесс синтеза углеводорода в шламовом реакторе. В этом патенте предложено использовать реактор в виде башни, в котором охлаждение осуществляют в ряде вертикально смещенных друг от друга каскадов в реакторе. Ни одна из указанных публикаций не решает проблему снижения риска, связанного с переходом от опытной установки к промышленной установке, и не предлагает конструкцию реактора, картины перемешивания внутри которого легко могут быть смоделированы или прогнозированы при помощи экспериментов.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ обеспечения функционирования двухфазного реактора с псевдоожиженным слоем, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
подача на низком уровне по меньшей мере одного газообразного реагента в вертикально расположенную псевдоожиженую массу твердых частиц, причем псевдоожиженная масса находится по меньшей мере в двух вертикально идущих стволах, расположенных рядом друг с другом внутри общей оболочки реактора, при этом каждый ствол разделен на множество вертикально идущих каналов, по меньшей мере некоторые из которых имеют связь по потоку, причем псевдоожиженная масса присутствует по меньшей мере в некоторых из каналов, при этом по меньшей мере некоторые из стволов и/или каналов ограничены поверхностями теплообмена;
создание условий для реакции газообразного реагента, когда он проходит вверх через псевдоожиженную массу, присутствующую по меньшей мере в некоторых из каналов стволов, в результате чего образуется газообразный продукт;
создание условий для отделения газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента от псевдоожиженной массы в головном свободном пространстве над псевдоожиженной массой;
удаление газообразного продукта и непрореагировавшего газообразного реагента, если он есть, из головного свободного пространства.
Обычно удаленный газообразный продукт и непрореагировавший газообразный реагент содержат твердые частицы из псевдоожиженной массы. Поэтому способ может предусматривать отделение твердых частиц от газов, например, при помощи циклонов. Способ может также предусматривать возврат отделенных твердых частиц в псевдоожиженную массу.
Способ может предусматривать поддержание псевдоожиженной массы на желательном уровне за счет добавления или удаления твердых частиц, например, при помощи пневматических процессов. Преимущественно остаточный газ используют в таких пневматических процессах для псевдоожижения твердых частиц, если их добавляют в псевдоожиженную массу.
В соответствии с настоящим изобретением, предлагается также способ обеспечения функционирования описанного здесь выше трехфазного шламового реактора. В описании изобретения дополнительно сделана ссылка на массу шлама вместо псевдоожиженной массы. Однако следует иметь в виду, что признаки изобретения, описанного со ссылкой на массу шлама или шлам, применимы также к изобретению со ссылкой на псевдоожиженную массу твердых частиц, если только это применимо по мнению специалистов к реакторам с псевдоожиженным слоем.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается способ обеспечения функционирования трехфазного шламового реактора, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
подача на низком уровне по меньшей мере одного газообразного реагента в вертикально расположенную массу шлама твердых частиц, суспендированную в жидкой суспензии, причем масса шлама содержится по меньшей мере в двух вертикально идущих стволах, расположенных рядом друг с другом внутри общей оболочки реактора, при этом каждый ствол разделен на множество вертикально идущих каналов, по меньшей мере некоторые из которых имеют связь по потоку шлама, причем масса шлама присутствует по меньшей мере в некоторых из каналов, при этом по меньшей мере некоторые стволы и/или каналы ограничены поверхностями теплообмена;
создание условий для реакции газообразного реагента, когда он проходит вверх через массу шлама, присутствующую по меньшей мере в некоторых из каналов стволов, в результате чего образуется негазообразный или газообразный продукт;
создание условий для отделения газообразного продукта, если он есть, и/или непрореагировавшего газообразного реагента от массы шлама в головном свободном пространстве над массой шлама;
удаление газообразного продукта, если он есть, и/или непрореагировавшего газообразного реагента из головного свободного пространства;
при необходимости поддержание массы шлама на желательном уровне за счет удаления жидкой суспензии, в том числе и негазообразного продукта, если он есть, или за счет добавления жидкой суспензии.
Способ может предусматривать пропускание среды теплопередачи через некоторые из каналов стволов, причем содержащие среду теплопередачи каналы ствола имеют связь по потоку.
Каналы ствола могут находиться в параллельных плоскостях и могут поочередно содержать массу шлама и среду теплопередачи.
Вместо этого способ может предусматривать окружение каналов ствола средой теплопередачи. Каналы при этом могут иметь форму вертикально идущих труб, причем стволы ограничены вертикально идущими боковыми стенками, делящими реактор. Боковые стенки могут образовывать в виде сверху хорды оболочки, когда оболочка является кольцевой цилиндрической оболочкой.
Поверхности теплопередачи реактора, такие как поверхности труб и/или боковых стенок, при необходимости могут быть профилированы или текстурированы для увеличения их площади поверхности теплопередачи или для улучшения коэффициентов теплопередачи по сравнению с гладкими цилиндрическими трубами или гладкими боковыми стенками. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, например с использованием имеющих углубления или ребра пластин.
Связь по потоку шлама между каналами в стволе преимущественно имеется только на верхних и/или на нижних концах таких каналов.
Следует иметь в виду, что каждый ствол с его каналами действует как шламовый барботажный реактор или трехфазный шламовый реактор (или в случае реактора с псевдоожиженным слоем как двухфазный реактор с псевдоожиженным слоем). Можно легко произвести проектирование и испытание единственного ствола в масштабе опытной установки, а затем перейти к реактору в масштабе промышленной установки просто за счет использования множества стволов, в результате чего существенно снижается риск масштабирования.
Можно полагать, что способ в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения может по меньшей мере в принципе иметь более широкое применение, несмотря на то что в нем предусмотрено использование твердых частиц, которые обычно являются частицами катализатора, предназначенными для того, чтобы катализировать реакцию газообразного реагента или газообразных реагентов в продукт, то есть в жидкий продукт и/или в газообразный продукт. Жидкой суспензией обычно, но не обязательно, может быть жидкий продукт, причем жидкую фазу удаляют из массы шлама, чтобы поддерживать массу шлама на желательном уровне.
Более того, можно также полагать, что в принципе способ в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения может иметь более широкое применение, несмотря на то что он имеет особое применение в синтезе углеводорода, когда газообразные реагенты могут реагировать каталитически экзотермически в массе шлама, чтобы образовывать жидкий углеводородный продукт и, возможно, газообразный углеводородный продукт. В частности, реакцией или синтезом углеводорода может быть синтез Фишера-Тропша с газообразными реагентами в виде потока синтез-газа, содержащего главным образом оксид углерода и водород, при этом получают как жидкие, так и газообразные углеводородные продукты, причем средой теплопередачи является охлаждающая среда, например котловая питательная вода.
Способ может предусматривать создание условий для прохождения шлама вниз от высокого уровня в массе шлама до низкого уровня с использованием одного или нескольких каналов в стволах. Это может предусматривать предотвращение вхождения газообразного реагента или реагентов в один или несколько каналов в стволах, например, за счет использования перегородки, в результате чего эти каналы могут работать как стояки, и/или это может предусматривать дегазирование шлама в канале, например, за счет добавления дегазатора в верхний конец канала.
Способ может предусматривать охлаждение газа из головного свободного пространства, чтобы конденсировать жидкий продукт, например жидкие углеводороды и воду реакции, а также предусматривать отделение жидкого продукта от газов для создания остаточного газа и предусматривать рециркуляцию по меньшей мере части остаточного газа в массу шлама в качестве потока рециркулирующего газа.
По меньшей мере некоторые индивидуальные стволы могут иметь впуск для газообразного реагента. Способ может предусматривать подачу газообразного реагента или реагентов или рециркулирующего газа в эти индивидуальные стволы. Газообразный реагент или реагенты могут быть поданы независимо от подачи в другой ствол, в особенности в другой ствол на этом же уровне.
По меньшей мере некоторые стволы могут иметь выпуск или впуск шлама или жидкой суспензии. Способ может предусматривать поддержание уровня массы шлама в этих стволах за счет добавления или удаления шлама или жидкой суспензии через впуск или выпуск для жидкости. Жидкая суспензия или шлам могут быть добавлены в один ствол или удалены из него независимо от другого ствола, в особенности от другого ствола на этом же уровне.
По меньшей мере некоторые стволы могут иметь зону фильтрации для удаления жидкой фазы из реактора. Жидкая фаза может быть удалена из одного ствола независимо от другого ствола.
По меньшей мере два вертикально идущих ствола могут иметь промежуток друг от друга в вертикальном направлении (могут быть вертикально смещены друг от друга), так что верхний конец нижнего ствола находится ниже нижнего конца верхнего ствола. Способ может предусматривать создание условий для прохождения шлама вниз от высокого уровня в массе шлама в верхнем стволе к более низкому уровню. Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет перераспределять или рециркулировать шлам по избранным вертикально идущим областям реактора, что менее вредно для желательного пробкового режима, чем рециркуляция шлама по всей высоте реактора. Одновременно за счет использования каналов получают высокое значение коэффициента формы (отношение длины к диаметру) для реактора. Однако по желанию способ может предусматривать создание условий для прохождения шлама вниз от высокого уровня в массе шлама в верхнем стволе к низкому уровню в массе шлама в нижнем стволе, например, за счет наличия каналов, которые вертикально совмещены или которые вертикально соединены так, что имеют связь по потоку, и действуют как стояки.
Способ может предусматривать подачу рециркулирующего газа на повышенном уровне в массу шлама, так что указанный рециркулирующий газ проходит только через верхний ствол или верхние стволы и огибает нижний ствол или нижние стволы.
Способ может предусматривать предотвращение связи по потоку шлама между смежными стволами или между всеми стволами на одном и том же уровне. Вместо этого способ может предусматривать разрешение связи по потоку шлама между смежными стволами на уровне верхних концов и нижних концов стволов, или же способ может предусматривать разрешение связи по потоку шлама между стволами на нижних концах стволов, в особенности на нижних концах нижних стволов. Способ может также предусматривать разрешение связи по потоку шлама между стволами в одной вертикальной области, но предотвращение связи по потоку шлама в другой вертикальной области между этими же стволами, для того чтобы препятствовать установлению картин макроперемешивания.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается реактор с псевдоожиженным слоем, причем указанный реактор содержит:
оболочку реактора, в которой размещены по меньшей мере два вертикально расположенных субреактора, в каждом из которых образовано множество вертикально идущих каналов, по меньшей мере некоторые из которых имеют связь по потоку и которые образуют зону псевдоожиженного слоя, которая в рабочем режиме содержит псевдоожиженную массу твердых частиц;
газовый впуск в оболочке реактора, предназначенный для введения газообразного реагента или газообразных реагентов в реактор;
газовый выпуск в оболочке реактора, предназначенный для удаления газа из головного свободного пространства в оболочке реактора над одним или несколькими субреакторами.
Реактор с псевдоожиженным слоем может содержать впуск для твердых частиц или выпуск для добавления или удаления твердых частиц в реактор или из реактора.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается трехфазный шламовый реактор, причем указанный реактор содержит:
оболочку реактора, в которой размещены по меньшей мере два вертикально расположенных субреактора, в каждом из которых образовано множество вертикально идущих каналов, по меньшей мере некоторые из которых имеют связь по потоку шлама и которые образуют зону шлама, которая в рабочем режиме содержит шлам твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии;
газовый впуск в оболочке реактора, предназначенный для введения газообразного реагента или газообразных реагентов в реактор;
газовый выпуск в оболочке реактора, предназначенный для удаления газа из головного свободного пространства в оболочке реактора над одним или несколькими субреакторами;
при необходимости впуск для жидкости или выпуск для жидкости, предназначенный для добавления или удаления шлама или жидкой суспензии в реактор или из реактора.
Обычно по меньшей мере некоторые из субреакторов шламового реактора содержат или образуют зону фильтрации для удаления жидкой фазы из реактора.
Субреакторы могут содержать множество вертикально идущих разделительных стенок, между которыми образованы вертикально идущие каналы. Одна или несколько вертикально идущих боковых стенок субреактора может быть образована разделительной стенкой одного или нескольких смежных субреакторов.
Типично по меньшей мере некоторые из каналов представляют собой каналы для протекания среды теплопередачи и имеют поверхности теплопередачи.
Вместо этого субреакторы могут содержать множество вертикально идущих труб, причем каждая труба образует канал. Вертикально идущие перегородки или боковые стенки могут образовывать стенки субреакторов. Два смежных субреактора могут иметь общую перегородку или боковую стенку. Боковые стенки может быть такими, как описанные здесь выше.
Типично трубы имеют диаметр по меньшей мере 10 см.
Поверхности теплопередачи реактора, такие как поверхности труб и/или боковых стенок, при необходимости могут быть профилированы или текстурированы, чтобы увеличить их площадь поверхности теплопередачи или улучшить коэффициенты теплопередачи, по сравнению с гладкими цилиндрическими трубами или гладкими боковыми стенками. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, например с использованием имеющих углубления или ребра пластин.
Когда субреакторы содержат множество вертикально идущих разделительных стенок, между которыми образованы вертикально идущие каналы, по меньшей мере некоторые из каналов могут быть каналами для протекания среды теплопередачи. Когда субреакторы содержат множество вертикально идущих труб, пространство для протекания среды теплопередачи может быть образовано между перегородками или боковыми стенками субреактора, при этом пространство для протекания среды теплопередачи окружает трубы.
Типично каналы для протекания среды теплопередачи или пространство для протекания среды теплопередачи имеют (имеет) связь по потоку с входным устройством среды теплопередачи и с выходным устройством среды теплопередачи. Входное устройство среды теплопередачи и выходное устройство среды теплопередачи могут служить в качестве каналов для протекания среды теплопередачи в субреакторе. Входное устройство среды теплопередачи или выходное устройство среды теплопередачи одного субреактора может иметь связь по потоку с входным устройством среды теплопередачи или с выходным устройством среды теплопередачи другого субреактора.
Каналы для протекания среды теплопередачи и каналы, образующие зоны слоя шлама или псевдоожиженного слоя, могут быть расположены поочередно.
Реактор может содержать один или несколько субреакторов, расположенных на более низком уровне в оболочке, и один или несколько субреакторов, расположенных на более высоком уровне в оболочке, так что нижние концы каналов верхнего (верхних) субреактора (субреакторов) находятся над верхними концами каналов нижнего (нижних) субреактора (субреакторов).
Реактор может содержать промежуточную зону между верхним (верхними) субреактором (субреакторами) и нижним (нижними) субреактором (субреакторами). Промежуточная зона может иметь связь по потоку с зоной слоя шлама или псевдоожиженного слоя каналов верхнего субреактора или верхних субреакторов и с зоной слоя шлама или псевдоожиженного слоя каналов нижнего субреактора или нижних субреакторов.
Может быть предусмотрен газовый впуск для подачи газообразного реагента или газообразных реагентов непосредственно по меньшей мере в некоторые из субреакторов на нижнем уровне в субреакторах. Типично газовый впуск предназначен для подачи газообразного реагента или газообразных реагентов непосредственно в каждый из нижних субреакторов на нижних уровнях в этих нижних субреакторах.
Реактор может содержать рециркуляционный газовый впуск. Рециркуляционный газовый впуск может служить для подачи рециркулирующего газа непосредственно по меньшей мере в некоторые из субреакторов. Рециркуляционный газовый впуск может служить для подачи рециркулирующего газа непосредственно в каждый из нижних субреакторов и/или в каждый из верхних субреакторов. Когда рециркуляционный газовый впуск служит для подачи рециркулирующего газа непосредственно в верхние субреакторы, тогда рециркуляционный газовый впуск может служить для подачи рециркулирующего газа в промежуточную зону.
Один или несколько каналов субреактора может быть выполнен как канал стояка. Канал стояка может иметь на своем нижнем конце устройство предотвращения газовыделения, например перегородку, и/или может иметь на своем верхнем конце дегазатор. Канал стояка в верхнем субреакторе может быть совмещен или может иметь связь по потоку с каналом стояка в нижнем субреакторе. Вместо этого канал стояка в верхнем субреакторе может быть горизонтально смещен от канала стояка в нижнем субреакторе, который находится непосредственно под верхним субреактором.
Преимущественно каждый субреактор имеет вертикально идущую стенку, обращенную к оболочке или образованную оболочкой. Это позволяет иметь трубы для входа в каждый субреактор или для выхода из него.
Смежные субреакторы на специфическом уровне в оболочке могут быть изолированы друг от друга в том, что касается связи по потоку массы шлама или псевдоожиженной массы. Однако в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения связь по потоку массы шлама или псевдоожиженной массы между смежными субреакторами обеспечена ниже нижних субреакторов, то есть в дне реактора. Кроме того, в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения связь по потоку массы шлама или псевдоожиженной массы обеспечена между смежными верхними субреакторами ниже верхних субреакторов, но выше нижних субреакторов. Типично это обеспечено за счет протекания массы шлама или псевдоожиженной массы между смежными верхними субреакторами в промежуточной зоне.
Типично, когда разрешена связь по потоку массы шлама или псевдоожиженной массы между субреакторами на некотором уровне, связь по потоку массы шлама или псевдоожиженной массы не разрешена между субреакторами, которые совмещены с субреакторами, между которыми разрешена связь по потоку массы шлама или псевдоожиженной массы, но которые расположены на другом уровне.
Типично запрещена связь по потоку массы шлама или псевдоожиженной массы между верхними концами смежных верхних субреакторов. Таким образом, несмотря на то что головное свободное пространство над верхними субреакторами является общим для верхних субреакторов, масса шлама или псевдоожиженная масса типично не может вытекать из верхнего конца канала одного субреактора в другой соседний субреактор, что обеспечено, например, за счет боковых стенок субреакторов, выступающих в головное свободное пространство над нормальным уровнем слоя шлама или псевдоожиженного слоя в каждом верхнем субреакторе.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 схематично показано вертикальное сечение трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан вид сверху в разрезе шламового реактора, показанного на фиг.1.
На фиг.3 схематично показано вертикальное сечение другого варианта трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 показан вид сверху в разрезе шламового реактора, показанного на фиг.3.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1 и 2, на которых показан трехфазный шламовый реактор в соответствии с настоящим изобретением, обозначенный в общем виде позицией 10. Реактор 10 подходит для синтеза углеводорода в способе, в котором газообразные реагенты в виде синтез-газа вступают в реакцию в массе шлама или в слое шлама, которые содержат жидкую суспензию продукта и частицы катализатора.
Реактор 10 содержит оболочку 12 реактора, в которой размещены 24 субреактора 14 в виде параллелепипедов. Субреакторы 14 объединены в группы по двенадцать штук, причем одна из групп, которая обозначена в общем виде позицией 16, представляет собой группу нижних субреакторов, а другая группа, которая обозначена в общем виде позицией 18, представляет собой группу верхних субреакторов. Верхние субреакторы вертикально смещены от нижних субреакторов, так что остается промежуточная зона 20 между верхними субреакторами 18 и нижними субреакторами 16.
Каждый субреактор 14 содержит множество вертикально идущих металлических разделительных стенок или пластин 22, между которыми образованы вертикально идущие каналы 24. Субреакторы 14 также имеют боковые стенки 26. Как это четко показано на фиг.2, боковые стенки 26 некоторых субреакторов 14 образованы за счет разделительной стенки 22 смежного субреактора 14, причем указанные разделительные стенки 22 этих двух субреакторов 14 расположены перпендикулярно друг другу.
Хотя это и не показано на фиг.1 и 2, по меньшей мере некоторые из разделительных стенок или пластин 22 могут быть профилированы или текстурированы для увеличения площади поверхности теплопередачи или для повышения коэффициентов теплопередачи. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, с использованием имеющих углубления или ребра пластин.
Реактор 10 также содержит газовый впуск 28 на нижнем уровне ниже нижних субреакторов 16 и газовый выпуск 30 на верхнем уровне. Газовый выпуск 30 имеет связь по потоку с головным свободным пространством 32 в оболочке 12 над верхними субреакторами 18. Рециркуляционный газовый впуск 34 ведет в промежуточную зону 20, а выпуск 36 для жидкости или шлама находится ниже нижних субреакторов 16.
Каналы 24 каждого субреактора 14 представляют собой чередующиеся шламовые каналы и охлаждающие каналы. Другими словами, в рабочем режиме каналы 24 субреактора 14 содержат либо шлам, либо котловую питательную воду в качестве среды теплопередачи или охлаждающей среды, причем шлам и котловая питательная вода находятся в чередующихся каналах. Каждый субреактор 14 снабжен впускным устройством для среды теплопередачи (не показано) и выпускным устройством для среды теплопередачи (не показано). Впускное устройство среды теплопередачи субреактора 14 в рабочем режиме подает котловую питательную воду во все охлаждающие каналы субреактора 14 на одном его конце. Выпускное устройство среды теплопередачи выпускает котловую питательную воду из всех охлаждающих каналов на другом конце субреактора 14. Поток котловой питательной воды через охлаждающие каналы может протекать вверх или вниз, то есть параллельно или в противотоке в рабочем режиме газообразным реагентам и пузырькам газообразного продукта, которые поднимаются вверх через шламовые каналы.
Шламовые каналы имеют открытые концы. В отличие от шламовых каналов охлаждающие каналы имеют закрытые верхние и нижние концы, однако имеют связь по потоку друг с другом на своих концах и с устройствами впуска и выпуска среды теплопередачи в конструкции, напоминающей пластинчатый теплообменник.
В варианте изобретения, показанном на фиг.1 и 2, боковые стенки 26 нижних субреакторов 16 идут в направлении вниз до оболочки 12, где они прикреплены к оболочке 12. Другими словами, ниже каналов 24 нижних субреакторов 16 нижние субреакторы 16 не имеют связи по потоку. Таким образом, газовый впуск 28 идет индивидуально к каждому из нижних субреакторов 16. Типично регулятор (не показан) потока газообразного реагента предусмотрен в каждом из нижних субреакторов 16. Аналогично выпуск 36 для жидкости идет снизу индивидуально из каждого из нижних субреакторов 16. Типично регулятор (не показан) уровня массы шлама или слоя шлама объединен с каждым из верхних субреакторов 18 для управления удалением жидкости или шлама из нижних субреакторов 16.
Как это показано на фиг.1, в промежуточной зоне 20 также нет горизонтальной связи по потоку шлама между нижними субреакторами 16 или между верхними субреакторами 18, за счет того что боковые стенки 26 верхних или нижних субреакторов 16, 18 образуют барьеры в промежуточной зоне 20. Однако нижние субреакторы 16 имеют связь по потоку шлама с верхними субреакторами 18, расположенными непосредственно над ними. Другими словами, один субреактор 14, который представляет собой нижний субреактор и который вертикально совмещен с другим субреактором 14, который представляет собой верхний субреактор, имеет связь по потоку с верхним субреактором.
Боковые стенки 26 верхних субреакторов 18 идут вверх в головное свободное пространство 32 и выступают вверх над нормальным уровнем шлама, обозначенным позицией 38. В результате на своих верхних концах верхние субреакторы 18 также не имеют горизонтальной связи по потоку шлама, несмотря на то что они совместно используют общее головное свободное пространство 32.
Рециркуляционный газовый впуск 34 подключен индивидуально к каждому из верхних субреакторов 18, как это схематично показано на фиг.1. По желанию регулятор потока рециркулирующего газа может быть предусмотрен для каждого из верхних субреакторов 18. Построение (устройство) рециркуляционного газового впуска 34 на фиг.1 показано только схематично. На практике по той причине, что каждый из субреакторов 14 типично имеет по меньшей мере одну боковую стенку 26, обращенную к оболочке 12, обычно легко предусмотреть в каждом из верхних субреакторов 18 индивидуальный рециркуляционный газовый впуск, идущий через оболочку 12. Аналогично, если нежелательно, чтобы выпуск 36 для жидкости и газовый впуск 28 проходили через дно оболочки 12, эти трубные конструкции могут проходить через кольцевую цилиндрическую оболочку 12, так как каждый из нижних субреакторов 16 также имеет по меньшей мере одну боковую стенку 26, обращенную к оболочке 12.
По меньшей мере некоторые из шламовых каналов 24 верхних субреакторов 18 и нижних субреакторов 16 имеют конфигурацию, позволяющую им функционировать как каналы стояка. Эти каналы снабжены на своих нижних концах устройством предотвращения газовыделения, таким как перегородка (не показана), и/или на своих верхних концах дегазатором (не показан). Канал стояка в верхнем субреакторе 16 может быть расположен непосредственно над каналом стояка нижнего субреактора 16 или может быть совмещен с ним. По желанию эти два канала стояка также могут быть соединены физически, так что при этом они имеют прямую связь по потоку друг с другом. Вместо этого канал стояка в верхнем субреакторе 18 может быть горизонтально смещен или сдвинут от канала стояка в нижнем субреакторе 16.
Реактор 10 подходит для осуществления многих процессов, для которых требуется трехфазный шламовый реактор и требуется теплопередача в шлам или из шлама. Однако далее для примера будет описано только одно применение, а именно синтез углеводорода.
В рабочем режиме свежий синтез-газ, который содержит главным образом оксид углерода и водород в качестве газообразных реагентов, подают через газовый впуск 28 в дне реактора 10. Синтез-газ подают индивидуально в каждый из нижних субреакторов 16 и типично равномерно распределяют через систему барботирования (не показана) внутри каждого из нижних субреакторов 16. Одновременно поток рециркулирующего газа (типично охлажденного), который типично содержит водород, оксид углерода, метан и диоксид углерода, возвращают в реактор 10 через рециркуляционный газовый впуск 34. Весь поток рециркулирующего газа может быть подан в верхние субреакторы 18 при помощи рециркуляционного газового впуска 34, или по желанию часть потока рециркулирующего газа может быть возвращена к дну реактора 10, как это показано линией 34.1, ведущей к газовому впуску 28.
Как и свежий синтез-газ, рециркулирующий газ подают в каждый из верхних субреакторов 18 индивидуально и типично равномерно распределяют внутри верхних субреакторов 18 через систему барботирования (не показана). Таким образом, за счет использования рециркуляционного газового впуска 34 возможно позволить части рециркулирующего газа обходить шлам, находящийся в нижних субреакторах 16. За счет этого полная задержка газа в реакторе 10 может быть уменьшена, в результате чего удивительным образом повышается производительность реактора.
Газообразные реагенты, которые содержат свежий синтез-газ и любой рециркулирующий газ, проходят вверх через массу 40 шлама, которая занимает шламовые каналы верхних и нижних субреакторов 18, 16 и которая простирается от дна реактора 10 до уровня 38. Масса 40 шлама содержит частицы катализатора Фишера-Тропша, который типично представляет собой катализатор на базе железа или кобальта, взвешенный в жидком продукте. Массой 40 шлама управляют так, чтобы уровень 38 шлама находился выше открытых верхних концов шламовых каналов 24 верхних субреакторов 18, но ниже верхних концов боковых стенок 26 верхних субреакторов 18, которые выступают в головное свободное пространство 32.
Когда синтез-газ барботирует через массу 40 шлама, газообразные реагенты в ней вступают в реакцию каталитически и экзотермически, в результате чего образуется жидкий продукт, который является частью массы 40 шлама. Время от времени (периодически) или непрерывно жидкую фазу или шлам, содержащие жидкий продукт, выгружают через выпуск 36 для жидкости, при этом уровень 38 шлама в каждом из верхних субреакторов 18 контролируют индивидуально. Частицы катализатора отделяют от жидкого продукта в подходящей внутренней или внешней разделительной системе, например, с использованием фильтров (не показаны). Если используют разделительную систему снаружи от реактора 10, то тогда используют также дополнительную систему (не показана) для возврата частиц отделенного катализатора в реактор 10.
Свежий синтез-газ и рециркулирующий газ вводят в реактор 10 со скоростью, достаточной для перемешивания и суспендирования всех частиц катализатора внутри реактора 10 без осаждения. Скорость подачи газа выбирают в зависимости от концентрации шлама, плотности катализатора, плотности и вязкости суспендирующей среды и размера использованных частиц. Подходящая скорость подачи газа составляет, например, ориентировочно от 5 см/с до 50 см/с. Однако в барботажных олоннах были проверены скорости подачи газа ориентировочно до 85 см/с. Недостатком использования более высоких скоростей является то, что оно сопровождается большей задержкой газа в реакторе, что оставляет относительно меньшее пространство для содержащего катализатор шлама. Однако вне зависимости от того, какая скорость подачи газа выбрана, она должна быть достаточна для того, чтобы избежать осаждения и агломерации частиц в субреакторах 14.
Некоторая часть шлама непрерывно проходит вниз через каналы стояка, что позволяет достичь перераспределения частиц катализатора в массе 40 шлама и способствует равномерному распределению теплоты в массе 40 шлама. Следует иметь в виду, что в зависимости от устройства каналов стояка в верхних субреакторах 18 и в связанных с ними нижних субреакторах 16 возможно перераспределение шлама в избранных вертикально идущих областях реактора 10.
Каждый субреактор 14 работает так, что слой 40 шлама в нем находится в гетерогенном или смешанном турбулентном режиме течения и содержит разбавленную фазу, содержащую быстро поднимающиеся крупные пузырьки газообразных реагентов и газообразного продукта, которые пересекают массу 40 шлама фактически в пробковом режиме, и плотную фазу, которая содержит жидкий продукт, твердые частицы катализатора и увлеченные мелкие пузырьки газообразных реагентов и газообразного продукта. За счет использования субреакторов 14 активируется пробковый режим всего реактора 10, так как каждый субреактор 14 имеет существенно более высокий коэффициент формы, чем коэффициент формы оболочки 12.
Масса 40 шлама присутствует в чередующихся или имеющих открытые концы каналах 24 каждого субреактора 14. Котловая питательная вода в качестве охлаждающей среды циркулирует через остальные, имеющие закрытые концы, каналы 24, что позволяет отводить теплоту экзотермических реакций. Можно видеть, что разделительные стенки 22 создают большие площади поверхности теплопередачи, позволяющие отводить теплоту из массы 40 шлама.
20
20
Легкие углеводородные продукты, такие как С и нижние фракции, выводятся из реактора 10 через газовый выпуск 30 и поступают в разделительный блок (не показан). Типично разделительный блок содержит серии охладителей и сепаратор пар-жидкость и при необходимости может содержать дополнительные охладители и сепараторы и, возможно, также криогенный блок для удаления водорода, оксида углерода, метана и диоксида углерода из С и нижних углеводородных фракций. Могут быть использованы и другие технологии разделения, например с использованием мембранных блоков, адсорбционных блоков с колебаниями давления и/или блоков для избирательного удаления диоксида углерода. Отделенные газы, содержащие азот, оксид углерода и другие газы, сжимают и рециркулируют при помощи компрессора (не показан), чтобы получить поток рециркулирующего газа. Конденсированные жидкие углеводороды и воду реакции выводят из разделительного блока для дальнейшей обработки.
Следует иметь в виду, что несмотря на то что показанный реактор 10 позволяет рециркулировать в него газ, поток рециркулирующего газа не обязательно используют во всех вариантах настоящего изобретения.
В варианте настоящего изобретения, показанном на фиг.1 и 2, возможно отсутствие связи по потоку шлама между субреакторами 14, находящимися на одном и том же уровне. Однако достаточно легко изменить режим реактора, чтобы получить поперечную или горизонтальную связь по потоку шлама на выбранных уровнях внутри реактора 10. Так, например, за счет удаления или изменения участков боковых стенок 26 нижних субреакторов 16, идущих вниз ниже нижних субреакторов 16, можно разрешить связь по потоку шлама между нижними субреакторами 16 в дне реактора 10. Аналогичным образом связь по потоку шлама между нижними субреакторами 16 или между верхними субреакторами 18 может быть создана в промежуточной зоне 20.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3 и 4, на которых показан другой вариант трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением, обозначенный в общем виде позицией 100. Реактор 100 осуществляет такие же концепции, что и реактор 10, и поэтому содержит такие же или аналогичные детали. Эти детали на фиг.3 и 4 имеют одинаковые позиционные обозначения с фиг.1 и 2, если специально не оговорено иное.
В реакторе 100 боковые стенки 26 каждого субреактора образуют хорды оболочки 12, как это четко показано на фиг.4. Вместо разделительных стенок 22 реактора 10 реактор 100 в каждом из субреакторов 14 имеет множество вертикально идущих труб 102, расположенных между верхними и нижними трубными пластинами 104. Между боковыми стенками 26 и трубами 102 образовано пространство 106 для протекания среды теплопередачи (пространство для котловой питательной воды).
Реактор 100 работает аналогично реактору 10, причем масса 40 шлама занимает трубы 102. В варианте, показанном на фиг.3 и 4, как и в случае реактора 10, нет связи по потоку шлама между смежными нижними субреакторами 16 на дне реактора 100 или между смежными верхними субреакторами 18 над верхними субреакторами 18 в головном свободном пространстве 32. Однако в промежуточной зоне 20 разрешена связь по потоку шлама между смежными субреакторами 14.
Хотя это и не показано на фиг.3 и 4, по меньшей мере некоторые из труб 102 могут быть профилированы или текстурированы, чтобы увеличить их площадь поверхности теплопередачи или улучшить коэффициенты теплопередачи. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, с использованием имеющих углубления или ребра пластин.
В рабочем режиме котловая питательная вода, которая циркулирует через пространства 106 протекания котловой питательной воды, типично входит в каждый субреактор 14 на нижнем уровне и выходит из него на верхнем уровне.
Как и в реакторе 10, каждый субреактор 14 реактора 100 легко может быть снабжен системой труб, так как каждый субреактор 14 имеет боковую стенку, образованную оболочкой 12.
Можно полагать, что описанные со ссылкой на чертежи реакторы 10, 100 имеют такую конструкцию, которая позволяет существенно снизить риск увеличения масштаба при переходе от опытной установки к промышленной установке, так как они имеют меньшее макроперемешивание, зависящее от масштаба. Можно также полагать, что такие конструкции реакторов легче моделировать или проектировать по результатам экспериментов, что позволяет обеспечивать лучшую комбинацию желательных характеристик пробкового режима и характеристик хорошего перемешивания реагентов и продуктов. Возможно проектирование и испытание единственного субреактора опытной установки, при этом масштабирование сводится просто к добавлению других таких же субреакторов. Описанные конструкции реакторов также имеют большие площади поверхности теплопередачи и общие (не индивидуальные) для всех действующих субреакторов виды обработки, такие как фильтрация. Эти конструкции позволяют также вертикально устанавливать друг над другом стояки, за счет чего снижается вредное влияние на пробковый режим стояков, воздействующее по всей высоте реактора. Катализаторы также могут быть разделены вертикально в большей степени, чем в известных ранее конструкциях реакторов, известных заявителю. Это может быть использовано выгодным образом особенно в случае катализаторов на базе железа, чтобы открывать меньшую площадь катализатора в области реактора с высоким парциальным давлением воды, которое отрицательно влияет на активность катализатора, что в результате ведет к повышению производительности реактора.