СПОСОБ СИНТЕЗА УГЛЕВОДОРОДОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ ИЗ ГАЗООБРАЗНЫХ РЕАГЕНТОВ
METHOD OF SYNTHESISING HYDROCARBONS FOR OBTAINING LIQUID AND GASEOUS PRODUCTS FROM GASEOUS REAGENTS

Настоящее изобретение относится к способу получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов.
Известен суспензионный реактор Фишера-Тропша, в котором катализатор и парафин разделяют с помощью первой фильтрационной системы внутри суспензионного реактора. В этом способе необходимо время от времени проводить обратную продувку для удаления осадка с фильтрующих поверхностей первой фильтрационной системы и достижения высоких скоростей фильтрации. Заявитель убедился, что в ситуациях, когда средство для обратной продувки недостаточно свободно от частиц катализатора, эти частицы могут забивать фильтрующие поверхности на нижней стороне первой фильтрационной системы, что постепенно ухудшает фильтрацию. Термин «нижняя сторона» используют для нормального потока жидкости во время обычной операции фильтрования. Решение указанной проблемы состоит в том, чтобы пропускать первый фильтрат из первой фильтрационной системы во вторую фильтрационную систему вне суспензионного реактора для удаления по меньшей мере части частиц катализатора, не задержавшихся в первой фильтрационной системе. Время от времени второй фильтрат из второй фильтрационной системы, т.е. парафин, затем используют в качестве средства для обратной продувки при удалении осадка на фильтрующих поверхностях первой фильтрационной системы. Недостатком такого подхода является то, что второй фильтрат, используемый в качестве средства для обратной продувки, следует снова фильтровать, что уменьшает эффективность способа фильтрования, т.к. объем фильтруемого вещества увеличивается.
Изобретение предлагает способ синтеза углеводородов для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов, который включает
подачу разбавленных газообразных реагентов в слой суспензии твердых частиц катализатора в суспензионной жидкости;
каталитическую реакцию газообразных реагентов по мере прохождения через слой суспензии с образованием жидких и газообразных углеводородов, причем реакцию катализируют частицы катализатора, а смесь продуктов содержит образовавшийся жидкий продукт и частицы катализатора;
фильтрование на стадии фильтрования полученной смеси путем пропускания жидкого продукта через фильтрующее средство в первом направлении для отделения частиц катализатора от жидкого продукта;
отбор газообразных продуктов из пространства над слоем суспензии;
охлаждение газообразных продуктов с образованием многофазного продукта, содержащего по меньшей мере конденсат углеводородов и остаточный газ;
разделение многофазного продукта для получения по меньшей мере потока углеводородного конденсата и потока остаточного газа;
обработка по меньшей мере части потока для удаления из него кислородсодержащих компонентов с образованием конденсата для обратной продувки;
периодическое прерывание пропускания жидкого продукта через фильтрующее средство на стадии фильтрования; и
обратную продувку фильтрующего средства со стадии фильтрования путем пропускания конденсата для обратной продувки через фильтрующее средство в направлении, противоположном первому, по меньшей мере во время части периодов, когда подачу жидкого продукта прерывают.
Обычно на стадии фильтрования осадку из частиц катализатора дают сформироваться на фильтрующем средстве в результате фильтрования жидкого продукта и проводят обратную продувку фильтрующего средства с последующим извлечением осадка из фильтрующего средства.
Хотя данный способ по меньшей мере в принципе имеет более широкое применение, предусматривается, что суспензионная жидкость, как правило, но не обязательно всегда, будет состоять по меньшей мере частично из жидкого продукта.
Синтез углеводородов может быть синтезом углеводородов по Фишеру-Тропшу, причем газообразные реагенты находятся в виде потока синтез-газа, состоящего в основном из монооксида углерода и водорода, частицы катализатора являются частицами катализатора Фишера-Тропша, а многофазный продукт содержит по меньшей мере указанный углеводородный конденсат, указанный остаточный газ и воду реакции, и многофазный продукт разделяют для получения указанного потока углеводородного конденсата, указанного потока остаточного газа и потока воды реакции.
Таким образом, слой суспензии можно поместить в подходящий сосуд, например в колонну, которая является реактором, причем из пространства над слоем суспензии отводят непрореагировавшие реагенты и газообразный продукт. Обычно сосуд поддерживают в условиях повышенного давления и температуры, типичных для синтеза Фишера-Тропша при получении низкокипящих продуктов, например предварительно установленного давления в интервале 10-50 бар и предварительно установленной температуры в интервале 180-280°С или даже выше.
Частицы катализатора могут представлять собой, по меньшей мере в принципе, любой пригодный катализатор Фишера-Тропша, например, катализатор на основе железа, на основе кобальта или любой другой катализатор Фишера-Тропша.
Обработка по меньшей мере части потока углеводородного конденсата для удаления кислородсодержащих компонентов может включать гидрирование указанной части потока конденсата в присутствии катализатора гидрирования. Важно, что для каталитического гидрирования конденсата следует выбирать такой катализатор гидрирования, для поддержания активности которого не нужно вводить диметилдисульфид, т.к. сера является известным ядом для катализаторов синтеза Фишера-Тропша. Примерами подходящих катализаторов гидрирования являются никель-оксид-алюминиевые соосажденные катализаторы.
Вместо этого обработка по меньшей мере части потока углеводородного конденсата для удаления кислородсодержащих компонентов может включать экстракцию растворителем указанной части потока конденсата. Подходящий способ экстракции в системе жидкость-жидкость для удаления кислородсодержащих компонентов описан в документе WO 2004/080928, который включен здесь ссылкой.
Обработка по меньшей мере части потока углеводородного конденсата для удаления кислородсодержащих соединений может включать пропускание указанной части потока углеводородного конденсата через защитный слой для удаления кислородсодержащих соединений из конденсата до концентрации менее 200 м.д., предпочтительно менее 1 м.д. в зависимости от типа кислородсодержащих соединений. Обычно защитный слой можно использовать совместно с экстракцией растворителем, как было описано выше.
Следует подчеркнуть, что по меньшей мере значительная часть конденсата для обратной продувки выходит из реактора в виде паров и образует часть газообразного продукта. По мнению заявителя, не существенно, если конденсат для обратной продувки при пропускании через фильтрующее средство на стадии фильтрования во время обратной продувки находится в жидком состоянии. Однако может быть предпочтительно, чтобы основная часть конденсата для обратной продувки при пропускании через фильтрующее средство на стадии фильтрования во время обратной продувки находилась в жидком состоянии.
Таким образом, предлагаемый способ может включать отделение на стадии разделения более легких компонентов от конденсата для обратной продувки с образованием конденсата для обратной продувки, из которого удалены легкие компоненты, и затем использование такого конденсата для обратной продувки. Стадия разделения может включать по меньшей мере одну операцию перегонки.
Стадия фильтрования может быть первой или единственной стадией фильтрования, на которой получают первый или единственный фильтрат. Обычно способ также включает вторую стадию фильтрования первого фильтрата для отделения по меньшей мере части частиц катализатора, остающихся в первом фильтрате. Таким образом, первый фильтрат обычно содержит жидкий продукт и некоторое количество частиц катализатора.
На первой стадии фильтрования можно использовать, по меньшей мере в принципе, любое подходящее фильтрующее средство. Фильтрующее средство может быть частью картриджа фильтра или элементом, помещенным в сосуд, и оно может иметь вытянутую или цилиндрическую форму и включать на одном конце секцию для сбора фильтрата и отвода первого фильтрата. Таким образом, фильтрующее средство может быть фильтром в форме свечки. Предпочтительно, чтобы фильтрующее средство было такого типа или имело такую конструкцию, чтобы не было возможности его легко засорить или пропитать частицами катализатора. Таким образом, фильтрующее средство может быть в виде сита, например тканого сита; пористого материала, такого как керамика; перфорированного листа; скрученной по спирали проволоки, например, проволоки с клиновидными отверстиями, и т.п.
В одном варианте изобретения первую стадию фильтрования можно проводить снаружи, т.е. вне слоя суспензии, например вне реактора. Однако в другом варианте изобретения стадию первого фильтрования можно проводить внутри, т.е. в слое суспензии.
При проведении первой стадии внутреннего фильтрования можно использовать различные фильтрующие элементы, расположенные на одних и тех же или на разных уровнях в зоне фильтрования. Зону фильтрования можно расположить в любом месте ниже верхней поверхности слоя суспензии. Элементы фильтра можно поместить в множество батарей, причем каждая батарея фильтров будет содержать множество фильтрующих элементов.
В принципе элементы можно поместить под любым нужным углом наклона; однако предпочтительно располагать их вертикально и наиболее предпочтительно так, чтобы выходы первого фильтрата были направлены вниз.
Пропускание первого фильтрата через фильтрующие средства можно осуществлять при разных давлениях в разных участках фильтрующих средств и слоев осадка на фильтре. Предпочтительно, чтобы разность давлений составляла до 8 бар, и обычно она равна 1-4 бар. Разница в давлениях достигается путем отбора первого фильтрата в сборник первого фильтрата, который находится при более низком давлении, чем сосуд реактора, причем выходы фильтрата из фильтрующих элементов связаны со сборником первого фильтрата с помощью подходящих трубопроводов для первого фильтрата. Трубопроводы могут включать трубопровод для первого фильтрата, ведущий от выхода фильтрата из каждого фильтрующего элемента; трубопровод для второго фильтрата, с которым связаны первые трубопроводы от всех фильтрующих элементов в конкретной батарее фильтрующих элементов; и трубопровод для третьего фильтрата, ведущий к сборнику первого фильтрата, при том, что все трубопроводы для второго фильтрата врезаны в трубопровод для третьего фильтрата.
Стадию второго фильтрования обычно проводят вне реактора. Стадию второго фильтрования можно осуществить с помощью любых фильтрующих средств, способных удалять по меньшей мере часть частиц катализатора, остающихся в первом фильтрате. Обычно это может быть пластинчатый фильтр, в частности вертикально или горизонтально расположенный пластинчатый фильтр.
Сборник второго фильтрата располагают ниже по ходу стадии второго фильтрования.
Обычно сосуд с конденсатом для обратной продувки служит для приема и хранения конденсата для обратной продувки, из которого конденсат для обратной продувки забирают для обратной продувки фильтрующего средства.
Обычно обратную продувку проводят в импульсном режиме. Так, обратная продувка может начаться с импульсной подачи конденсата для обратной продувки, оптимально с последующим одним или более импульсами конденсата для обратной продувки. Каждый импульс обратной продувки может включать быстрое инициирование обратной продувки, т.е. быстрый запуск потока конденсата для обратной продувки, и быструю обратную продувку фильтрующих элементов объемом конденсата для обратной продувки. Объем начального импульса конденсата для обратной продувки может быть сравнительно большим. Например, в одном варианте изобретения объем конденсата для обратной продувки в начальном импульсе может быть эквивалентен внутреннему объему фильтрующих элементов, которые подвергают обратной продувке. Однако в одном варианте изобретения в начальном импульсе можно использовать даже большие объемы конденсата для обратной продувки, например, превышающие более чем в три раза объединенный внутренний объем фильтрующих элементов, подвергаемых обратной продувке. Природа любых следующих импульсов обратной продувки может быть такой же, как в начальном импульсе, описанном выше. Объем конденсата для обратной продувки, используемый во время любого следующего импульса обратной продувки, может быть близким или меньше начального импульса обратной продувки.
Однако в некоторых случаях объем конденсата для обратной продувки, используемый в начальном импульсе обратной продувки, может быть меньше внутреннего объема фильтрующих элементов, например меньше половины их внутреннего объема. Объем конденсата для обратной продувки, используемого в следующем или втором импульсе, может быть близким к объему начального импульса. Природа любых следующих импульсов при их реализации и объемы конденсата для обратной продувки, используемые в таких импульсах, могут быть близки к объемам второго импульса.
Разница в давлении вдоль фильтрующих средств и любых осадков на фильтре, присутствующих во время обратной продувки, может доходить до 10 бар в зависимости от степени засорения или срока службы фильтрующих средств, и обычно она превышает разницу в давлениях фильтрования по меньшей мере на 1 бар.
2
2
2
Поток конденсата для обратной продувки во время обратной продувки может составлять по меньшей мере 6000 л/ч/м фильтрующих средств. Таким образом, поток конденсата для обратной продувки может составлять примерно 6000 л/ч/м фильтрующих средств при разнице давлений вдоль фильтрующих средств, равной 5 бар, и 10000-12000 л/ч/м при разнице давлений примерно 10 бар.
Для улучшения последующего фильтрования предпочтительно, чтобы способ включал период ожидания для фильтрующего средства после удаления с него осадка из частиц катализатора путем обратной продувки, во время которого не производят фильтрования или обратной продувки, т.е. во время которого через фильтрующие средства не пропускают поток жидкости. Период ожидания может составить до 60 мин или даже дольше, но обычно он равен менее 30 мин и даже может быть менее 1 мин.
Было установлено, что очистка поверхности фильтрующих элементов существенно улучшается и в последующем повышается их фильтрующая способность, если обратную продувку проводить по меньшей мере в течение длительного времени для вытеснения практически всего первого фильтрата из фильтрующих элементов и убедиться в том, что проведена существенная обратная продувка фильтрующих элементов конденсатом для обратной продувки. Как показано выше, этого можно достичь, осуществляя обратную продувку в течение длительного времени, с тем чтобы общий объем конденсата для обратной продувки в три раза превышал объединенный внутренний объем всех фильтрующих элементов, подвергающихся обратной продувке.
Обратную продувку можно осуществлять с помощью оборудования для обратной продувки. В некоторых вариантах изобретения трубопроводы для первого фильтрата могут входить в оборудование для обратной продувки, образуя продуваемые трубопроводы, через которые пропускают конденсат для обратной продувки. Естественно, при желании оборудование для обратной продувки может вместо этого включать отдельную систему или компоновку продуваемых трубопроводов, по которым подают конденсат для обратной продувки к фильтрующим элементам.
Для осуществления импульсов обратной продувки оборудование для обратной продувки может включать в одном из продуваемых трубопроводов по меньшей мере один быстро открывающийся кран и т.п., а также средства для повышения давления в сосуде с конденсатом для обратной продувки. Таким образом, обратную продувку можно проводить путем подъема давления в сосуде с конденсатом для обратной продувки, когда он там содержится, и затем включения быстро открывающегося крана, для того чтобы нужный объем конденсата для обратной продувки прошел через фильтрующие элементы батареи из фильтрующих элементов в другом направлении. Вместо сосуда с жидкостью под давлением для подачи конденсата обратной продувки к фильтрующим элементам можно использовать насос.
Для предотвращения оседания частиц катализатора в слое суспензии способ может включать взмучивание слоя суспензии. Взмучивание может включать перенос суспензии вниз с высокого уровня на нижний уровень через по меньшей мере одну переточную трубку. Предпочтительно, чтобы суспензия проходила вниз через по меньшей мере одну переточную трубку, расположенную в области первого перетока слоя суспензии, а также через по меньшей мере одну следующую переточную трубку в области второго перетока слоя суспензии, которая расположена вертикально в шахматном порядке по отношению к области первого перетока, так что достигается перераспределение частиц катализатора в слое суспензии, как показано в ZA 98/5992 / PCT/IB 98/02070, который включен здесь ссылкой. Таким образом, переточные трубки служат для передачи скорости вверх в слой суспензии для жидкости в областях слоя суспензии вне переточных трубок, что поддерживает состояние катализатора, близкое к однородной суспензии.
Данный способ может включать такой режим работы колонны, при котором слой суспензии находится в виде гетерогенного или перемешивающего турбулентного потока и включает разбавленную фазу, состоящую из быстро поднимающихся вверх более крупных пузырьков газообразных реагентов и возможно газообразных продуктов, которые проходят зону реакции или слой суспензии в режиме идеального вытеснения, и плотную фазу, которая состоит из жидкой фазы, т.е. жидкого продукта, твердых частиц катализатора и захваченных более мелких пузырьков газообразных реагентов и газообразных продуктов.
При пропускании или рециркуляции суспензии через переточные трубки достигается более однородное перераспределение катализатора в слое суспензии, чем в отсутствие переточных трубок. В результате частицы катализатора в слое суспензии поддерживаются в суспензии благодаря турбулентности, создаваемой потоком синтез-газа, проходящего через слой суспензии, в сочетании с импульсом скорости вверх для жидкости, индуцируемым в присутствии переточных трубок. Было установлено, что при выборе оптимального распределения частиц катализатора использование переточных трубок для поддержания частиц катализатора в состоянии однородной суспензии позволяет избежать оседания катализатора.
Далее изобретение описано с помощью примера со ссылкой на сопровождающие чертежи.
На чертежах:
фигура 1 показывает упрощенную схему способа по данному изобретению для получения жидких и газообразных углеводородов из газообразных реагентов;
фигура 2 показывает увеличенное боковое изображение одного фильтрующего элемента, приведенного на фигуре 1;
фигура 3 показывает часть увеличенного изображения в разрезе по линии III-III на фигуре 2; и
фигура 4 показывает часть изображения в разрезе по линии IV-IV на фигуре 2.
Ссылка номер 10 на рисунках указывает способ по данному изобретению для получения жидких и газообразных углеводородов из газообразных реагентов.
В способе 10 используют сосуд вертикального цилиндрического суспензионного реактора синтеза Фишера-Тропша 12.
Сосуд 12 содержит зону слоя суспензии, включающую слой суспензии 14 частиц катализатора, суспендированных в жидком продукте, через который пропускают газ, как более подробно описано выше. Слой суспензии 14 имеет верхнюю поверхность 16.
Линия потока синтез-газа или трубопровод 18 связан с распределителем газа 20, помещенным на дне сосуда 12, в то время как линия отводимого потока или трубопровод 23 отходит от вершины сосуда 12.
Множество фильтрующих элементов в виде свечей 30 (показаны только некоторые) помещены в зоне фильтрования 22 в слое суспензии 14 в виде нескольких батарей. Каждый фильтрующий элемент 30 имеет вытянутую цилиндрическую форму и представляет собой цилиндрическое фильтрующее средство 32, включающее зону сбора фильтрата или жидкости 33. Фильтрующее средство 32 расположено между концевой пластиной 34 и поддерживающим кольцом 36. Вмонтированный стержень 38 выступает из концевой пластины 34, в то время как фланец для выхода жидкости 40 находится на поддерживающем кольце 36. Таким образом, с помощью выхода 40 первый фильтрат можно отвести из зоны со сборником 33 из элемента или картриджа 30. Элементы 30 закреплены в сосуде 12 с помощью стержней 38 и фланцевых выходов 40. Такой монтаж не показан подробно на чертежах, но обычно осуществляется путем соединения стержня 38 с решеткой или сеткой, стягивающей сосуд 12, в то время как выход связывают с трубопроводом, как описано ниже.
Фильтрующее средство 32 включает спирально намотанную проволоку 42, помещенную или присоединенную к расположенным по окружности вытянутым носителям 44, находящимся между конечными пластинами 34, 36. Таким образом, отверстия для фильтрования или щели 46 находятся между соседними петлями проволоки 42. Рядом с отверстиями или щелями 46 проволока 42 имеет поверхности 47, которые сужаются на конус друг от друга в направлении зоны со сборником 33. Таким образом, проволока 42 также имеет поверхности 48, на которых образуется осадок частиц катализатора (не показан), как подробно описано ниже, при фильтровании жидкого продукта через элементы 30 при его прохождении через щели 46 в направлении стрелки 49. В результате сужения на конус поверхностей 47 при прохождении первого фильтрата в направлении стрелки 49 твердые частицы катализатора не смогут легко и непрерывно забивать или пропитывать отверстия или щели 46.
Обычно фильтрующие элементы 30 имеют внешний диаметр 2-12 см, а проволока 42 сделана из нержавеющей стали. Ширина проволоки 42 у ее основания обычно составляет примерно 1,2 мм, но предпочтительно 0,8 мм или 0,5 мм. Это приводит к меньшим изменениям ширины щелей и уменьшает число отверстий размером больше средней ширины щели. Средняя ширина щелей или отверстий 46 обычно составляет 10-25 мкм, но предпочтительно не более 20 мкм. Чем больше различие в величине зазора и чем больше максимальная величина зазора в фильтрующем средстве 32, тем больше возможность прохождения частиц больше средней величины зазора через фильтрующее средство 32. Специалистам в области фильтрования известно, что это уменьшает эффективность разделения в фильтрующей системе. Было установлено, что это изменение также увеличивает вероятность засорения фильтров во время обратной продувки, когда частицы катализатора необратимо оседают на нижней стороне фильтрующих средств 32.
Вместо фильтрующих элементов 30 можно использовать любые другие подходящие фильтрующие элементы или картриджи, такие как фильтрующие элементы из керамики или спеченных металлов.
Предпочтительно, чтобы зона фильтрования 22 находилась в слое суспензии 14 на достаточно высоком уровне, так чтобы фильтрующие элементы 30 располагались вне зоны отстоя катализатора, если поток газа через трубопровод 18 прерывают. В результате они не попадут в отстой твердых веществ или катализатора из слоя 14. Однако было установлено, что зона фильтрования 22 необязательно должна находиться на вершине слоя суспензии 14, а вместо этого может быть локализована ниже, т.к. если такой отстой из слоя произойдет, фильтрующие элементы 30 не будут непрерывно и с легкостью забиваться, даже если элементы 30 будут полностью окружены отстоем твердых веществ или катализатора. Предпочтительно, чтобы фильтрующие элементы 30 находились на достаточной высоте, чтобы не погружались в жидкость и не контактировали с газом, если подачу газа прерывают, но контакт с фильтром остается приемлемым, если поверхность фильтра имеет такую форму, чтобы избежать отложения катализатора.
Предпочтительно такое расположение элементов 30, при котором выходы из них 40 были бы направлены вниз, что даст возможность собирать любой катализатор, который проходит через щели 46 с фильтратом (жидкий продукт), на дне зон со сборниками 33 фильтрующих элементов 30, откуда его вымывают первым фильтратом.
Выход 40 из каждого фильтрующего элемента 30 связан сужающейся диафрагмой 50 с первым трубопроводом 51. Трубопроводы 51 от всех фильтрующих элементов 30, образующих батарею элементов, объединены в общий второй трубопровод 53 с выключающим краном 52. Все трубопроводы 53 связаны в общий третий трубопровод 54 с быстро открывающимся краном 56.
Трубопровод 54 ведет к сосуду сброса первого фильтрата или барабану 58 и снабжен выключающим краном 60. Трубопровод 62 ведет от барабана 58 на вторую стадию фильтрования 64, где используют горизонтально расположенные пластинчатые фильтры, такие как фильтры Шенка (торговая марка). Линия отвода осадка 66 ведет со стадии 64, так же как линия отвода второго фильтрата 68. На линии 68 установлен запирающий кран 70.
Трубопровод 68 ведет к сосуду сброса второго фильтрата 72. Трубопровод отвода жидкости 74 с запирающим краном 76 ведет от сосуда 72.
Сосуд 12 включает по меньшей мере одну переточную трубку 90, расположенную в слое суспензии 14. В сосуде 12 в слое суспензии 14 имеется также охлаждающий змеевик 92.
При желании в области первого перетока можно поместить переточную трубку 90, причем сосуд 12 также включает область второго перетока (не показана), расположенную вертикально в шахматном порядке по отношению к первой области перетока. В области второго перетока находится по меньшей мере одна переточная трубка (не показана), которая не соосна с переточной трубкой 90.
Линия потока отходящего газа 23 ведет к холодильнику 78. Трубопровод 80 связывает холодильник 78 с трехфазным разделителем или сепаратором 82. От сепаратора 82 отходят линия остаточного газа 84, линия конденсата 88 и линия воды реакции 86. Линия конденсата 88 ведет через насос 94 к стадии удаления кислородсодержащих соединений 96. Линия отвода конденсата 98 ведет от линии конденсата 88 до стадии удаления кислородсодержащих соединений 96. Линия конденсата для обратной продувки 100 ведет от стадии удаления кислородсодержащих соединений 96 к третьему трубопроводу 54. На линии конденсата для обратной продувки имеется закрывающий кран 102.
На практике синтез-газ, содержащий в основном монооксид углерода и водород, подают в реактор 12 по линии 18. Скорость потока газа в сосуд 12 выбирают такой, чтобы поверхностная скорость газа в зоне фильтрования 22 в расчете на открытую площадь поперечного сечения зоны фильтрования 22 составляла 5-70 см/с, обычно примерно 30-40 см/с.
В реакторе 12 поддерживают слой суспензии 14. Слой суспензии 14 включает частицы катализатора, суспендированные в жидком продукте, т.е. жидких парафинах, полученных в сосуде 12 по реакции газообразных реагентов. Частицы катализатора поддерживают в суспендированном состоянии в слое суспензии 14 и, в частности, в зоне фильтрования 22 с помощью турбулентности, создаваемой пропусканием через нее газа, направленного вверх. Эта турбулентность также препятствует отложению избыточного осадка на фильтрующих средствах 32 и таким образом улучшает фильтрацию через средства 32.
В сосуде 12 поддерживают рабочее давление 20-30 бар, обычно примерно 25 бар, и рабочую температуру 180-260°С, обычно примерно 220-240°С. Однако рабочее давление может быть выше на 25 бар и рабочая температура выше 240°С или ниже 220°С, как описано выше, в зависимости от природы и состава необходимых газообразных и жидких продуктов и типа катализатора. Естественно, сосуд 12 снабжен нужными средствами регулирования температуры, такими как охлаждающий змеевик 92, для регулирования температуры реакций, а также средствами регулирования давления, такими как кран регулировки давления.
В сосуде 12 по мере прохождения синтез-газа через слой суспензии 14 монооксид углерода и водород взаимодействуют с образованием известных продуктов реакции Фишера-Тропша. Некоторые из этих продуктов являются газообразными при рабочих условиях сосуда 12, и их отводят вместе с непрореагировавшим синтез-газом по проточной линии 23. Некоторые полученные продукты, такие как уже упоминавшиеся парафины, являются жидкими при рабочих условиях сосуда 12 и образуют суспензионную среду для частиц катализатора. По мере образования жидких продуктов, естественно, уровень 16 слоя суспензии поднимается и поэтому для поддержания уровня слоя суспензии жидкий продукт отводят в виде первого фильтрата в зоне фильтрования с помощью фильтрующих элементов 30 и сосуда для перетока 58. Обычно давление в сосуде 58 устанавливают таким, чтобы разница в давлении вдоль фильтрующих средств 32 фильтрующих элементов 30 и образовавшегося осадка на фильтре составляла примерно 2-4 бар. Эта внутренняя фильтрация представляет собой первую стадию рабочего цикла фильтрующих элементов 30.
Таким образом поддерживают сравнительно постоянный уровень слоя суспензии в реакторе 12. Однако, когда слой осадка на фильтре становится достаточно большим, его надо подвергнуть обратной продувке из фильтрующих средств на второй стадии рабочего цикла фильтрующих элементов 30.
Обычно используют катализатор на основе железа или кобальта, и в слое суспензии образуется смесь продуктов, включающая жидкие продукты и частицы катализатора разных размеров. Смесь продуктов содержит частицы катализатора разных размеров. Крупные частицы катализатора не пройдут через фильтрующие отверстия 46 фильтрующих элементов 30 и останутся в виде осадка на наружной стороне фильтрующих элементов 30. Первый фильтрат, содержащий жидкий продукт и частицы катализатора, которые прошли через фильтрующие отверстия, попадает по трубопроводам 53 и 54 в сосуд 58. Оттуда он проходит через вторую стадию фильтрования 64, где по меньшей мере часть частиц катализатора в первом фильтрате удаляют из первого фильтрата с образованием второго фильтрата. Второй фильтрат проходит со второй стадии фильтрования 64 по линии 68 в сосуд барабана 72. В сосуде 72 поддерживают повышенное давление.
Газообразные продукты и непрореагировавший синтез-газ, отведенный по проточной линии 23, поступают в холодильник 78, где газ охлаждают и образуется смесь углеводородного конденсата, так называемой воды реакции и несконденсированного остаточного газа. Смесь пропускают в трехфазный сепаратор 82, в котором разделяют конденсат, воду реакции и остаточный газ. Остаточный газ отбирают по линии остаточного газа 84, а воду реакции по линии воды реакции 86. Конденсат проходит по линии конденсата 88 через насос 94 на стадию удаления кислородсодержащих соединений 96.
На стадии удаления кислородсодержащих соединений 96 кислородсодержащие соединения типа карбоновых кислот и спиртов, которые могут разрушить катализатор Фишера-Тропша, удаляют из части конденсата до концентрации, которая не опасна для катализатора Фишера-Тропша, а оставшийся конденсат отбирают по линии отбора конденсата 98. В некоторых вариантах изобретения из конденсата удаляют практически все кислородсодержащие соединения. В одном варианте изобретения для удаления кислородсодержащих соединений конденсат гидрируют на стадии удаления кислородсодержащих соединений 96. При выборе катализатора гидрирования следует позаботиться о том, чтобы это не был катализатор, требующий для поддержания каталитической активности добавления диметилдисульфида, т.к. гидрированный конденсат будет содержать серу, которая является известным ядом для катализаторов Фишера-Тропша.
В другом варианте изобретения кислородсодержащие соединения можно удалить из конденсата на стадии удаления кислородсодержащих соединений 96 способом экстракции растворителем с последующим использованием защитного слоя для удаления кислородсодержащих соединений до очень низких концентраций в м.д. Можно использовать способ экстракции жидкость-жидкость в колонне экстракции с применением смеси метанола и воды в качестве растворителя. Такой способ может привести к суммарному выделению более 90% олефинов и парафинов, а углеводородный конденсат после удаления кислородсодержащих соединений будет пригоден для использования в качестве средства для обратной продувки.
Обратную продувку проводят, закрывая быстро открывающийся кран 56 и кран 60 и подавая конденсат для обратной продувки под давлением, например, с помощью насоса (не показан), по линии конденсата для обратной продувки 100. Обратную продувку осуществляют однократно в импульсном режиме на одной батарее фильтрующих элементов 30, используя конденсат для обратной продувки из линии конденсата 100. Таким образом, во время обратной продувки один из кранов 52 будет открыт, а остальные краны 52 закрыты. Кран 102 будет открыт. На первой стадии обратной продувки быстро открывающийся кран 56 быстро открывают менее чем за 0.8 с; объем конденсата для обратной продувки, обычно по меньшей мере эквивалентный внутреннему объему фильтрующих элементов 30, образующих батарею продуваемых элементов, и более предпочтительно превышающий более чем в 3 раза суммарный внутренний объем продуваемых фильтрующих элементов 30, пропускают из линии конденсата для обратной продувки 100 в третий трубопровод 54; этот конденсат для обратной продувки протекает по трубопроводам 54, 53 и 51 и образует жидкость для продувки, которая проходит через батарею элементов 30 в другом направлении, противоположном направлению потока продуктов при фильтровании. Это обычно требует времени до 30 с. Затем быстро открывающийся кран 56 снова закрывают.
Если нужна вторая стадия обратной продувки, то снова быстро открывают кран 56. Затем кран 56 снова закрывают. При желании на конкретной батарее фильтрующих элементов можно провести по меньшей мере еще одну такую же стадию обратной продувки.
Затем аналогично можно провести обратную продувку остальных батарей элементов путем открывания и закрывания соответствующих кранов 52.
Далее, на третьей стадии рабочего цикла каждой батареи фильтрующих элементов 30 фильтрующие элементы оставляют в режиме ожидания, во время которого через них не пропускают жидкость. Заявитель установил, что когда фильтрующие элементы 30 снова включают в работу по фильтрованию, как описано выше, скорость фильтрации возрастает по мере увеличения длительности ожидания или неактивного периода. Однако следует принять во внимание, что простой фильтрующих элементов 30 во время периодов ожидания является недостатком. Было установлено, что период ожидания в 10-30 мин дает хорошие результаты. Однако период ожидания также должен быть короче 10 мин. Полагают, что во время ожидания осадок катализатора, который отделился от фильтрующих средств 32 в элементах 30 и частично разрушился во время обратной продувки, и далее эффективно разрушается, удаляется с поверхности фильтрующих средств и снова перемешивается на удалении от фильтров 30 благодаря турбулентности в слое суспензии 14. Кроме того, полагают, что поверхностная скорость газа через зону фильтрования 22 может влиять на оптимальную длительность периода ожидания.
Часть суспензии непрерывно протекает вниз через переточную трубку 90, что позволяет достичь равномерного перераспределения частиц катализатора в слое суспензии 14 и обеспечивает равномерное распределение тепла по слою суспензии, что также описано более подробно ниже.
Сосуд 12 работает так, что слой суспензии находится в режиме гетерогенного или перемешивающего турбулентного потока и включает разбавленную фазу, состоящую из быстро поднимающихся более крупных пузырьков газообразных реагентов и газообразных продуктов, которые проходят слой суспензии реально в режиме идеального вытеснения, и плотную фазу, которая состоит из жидкого продукта, твердых частиц катализатора и захваченных более мелких пузырьков газообразных реагентов и газообразных продуктов.
Линия конденсата для обратной продувки 100 вместе с трубопроводами 54, 53 и 51 и кранами 102, 56 и 52 образует оборудование для обратной продувки. Однако следует подчеркнуть, что вместо использования для обратной продувки трубопроводов 54 и 53 и кранов 56 и 52, используемых для фильтрования, можно предложить другое оборудование для обратной продувки (не показано) с подачей конденсата для обратной продувки со стадии удаления кислородсодержащих продуктов 96 на фильтрующие элементы 30 вместе с необходимыми кранами.
Преимущество способа 10 состоит в том, что углеводородный конденсат не содержит частиц катализатора, что заметно уменьшает риск засорения поверхностей первого фильтрования на их нижней стороне. Удачным является то, что поскольку по меньшей мере основная часть углеводородного конденсата снова уходит из сосуда 12 в виде пара, он не оказывает отрицательного влияния на эффективность фильтрования. Также привлекает то, что испарение конденсата из сосуда 12 сопровождается отводом тепла из слоя суспензии 14. Однако естественно, что это приводит к повышенной роли холодильника 78.
Углеводородный конденсат из сепаратора 82 содержит кислородсодержащие компоненты, такие как карбоновые кислоты и спирты, которые могут разрушать катализатор. Преимуществом способа является то, что на стадии удаления кислородсодержащих соединений 96 эти компоненты удаляются с образованием конденсата для обратной продувки, который безопасно использовать в сосуде 12.