Способ и установка для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов - RU2190588C2

Чертежи

Описание

Изобретение имеет отношение к созданию способа получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов. Настоящее изобретение также связано с созданием установки для получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
подача на низком уровне газообразных реагентов в слой взвеси твердых частиц, взвешенных в жидкости суспензии;
создание возможности протекания реакции для газообразных реагентов при их прохождении вверх через слой взвеси, в результате чего образуются жидкие и, возможно, газообразные продукты, причем газообразные реагенты и любой газообразный продукт содействуют поддержанию твердых частиц во взвешенном состоянии в жидкости суспензии, при этом жидкий продукт образует совместно с жидкостью суспензии жидкостную фазу слоя взвеси;
отвод жидкостной фазы из слоя взвеси для поддержания желательного уровня слоя взвеси;
создание возможности для любого газообразного продукта и не вступивших в реакцию газообразных реагентов освобождаться из слоя взвеси и проходить вверх вместе с любыми увлеченными твердыми частицами и жидкостной фазой в свободное пространство над слоем взвеси;
обработка газовой фазы в указанном свободном пространстве за счет операций дистилляции (перегонки) и, возможно, промывки для отделения от газовой фазы любых увлеченных твердых частиц и, возможно, жидкостной фазы;
возврат любых отделенных увлеченных твердых частиц и, возможно, жидкостной фазы в слой взвеси;
отвод обработанной газовой фазы из указанного свободного пространства.

Несмотря на то, что можно полагать, что предлагаемый способ, по меньшей мере в принципе, может найти широкое применение, предусматривается, что твердые частицы нормально являются частицами катализатора для ускорения реакции газообразных реагентов с жидким и, если это применимо, с газообразным продуктом; причем жидкость суспензии обычно, но не обязательно, является жидким продуктом; при этом слой взвеси и пространство над слоем взвеси должны быть предусмотрены в реакторе взвеси (в реакторе с суспендированным катализатором) или в барботажной колонне.

Таким образом, слой взвеси содержится или предусмотрен в зоне реакции реактора с суспендированным катализатором или барботажной колонны, причем дистилляцию (перегонку) осуществляют в зоне дистилляции, отделенной от слоя взвеси зоной превышения (более высокого уровня). Другими словами, указанное свободное пространство включает в себя зону превышения, расположенную непосредственно над зоной реакции, и зону дистилляции, расположенную над зоной превышения.

Следовательно, в реакторе или в барботажной колонне использована трехфазная система, то есть система, которую образуют частицы твердого катализатора, жидкий продукт и газообразные реагенты, а также, возможно, газообразный продукт.

Более того, несмотря на то, что можно полагать, что предлагаемый способ, по меньшей мере в принципе, может найти широкое применение, предусматривается, что он найдет специфическое применение при синтезе углеводородов, когда газообразные реагенты способны вступать в реакцию каталитически в слое взвеси с образованием жидкого углеводородного продукта (продуктов) и, возможно, газообразного углеводородного продукта (продуктов). В частности, синтез углеводородов может представлять собой синтез Фишера-Тропша, когда газообразные реагенты имеют вид потока синтез-газа, образованного главным образом моноксидом углерода и водородом, причем в результате синтеза получают как жидкие, так и газообразные продукты.

В качестве материала частиц катализатора может быть использован любой желательный катализатор Фишера-Тропша, такой как катализатор на основе железа, катализатор на основе кобальта или любой иной катализатор Фишера-Тропша. Частицы катализатора могут иметь желательный диапазон размеров, например частицы катализатора могут иметь размер не более 300 мкм, причем менее 5% от массы частиц катализатора имеют размер менее 22 мкм.

В реакторе взвеси или в барботажной колонне поддерживают обычное повышенное давление и температуру, необходимые для протекания реакций синтеза Фишера-Тропша, например заданное рабочее давление в диапазоне от 10 до 50 бар и заданную температуру в диапазоне от 160 до 280^oС или даже выше, для получения продукта с более низкой температурой (точкой) кипения.

Частицы катализатора в слое взвеси поддерживаются во взвешенном состоянии за счет турбулентности, создаваемой потоком синтез-газа и любыми образовавшимися газообразными углеводородными продуктами, проходящими через указанный слой, то есть при барботаже (газа) через слой взвеси. Возможно использование перемешивания слоя взвеси, например, при помощи устройств для перемешивания, таких как отводящие трубы или стояки, которые содействуют поддержанию частиц катализатора во взвешенном состоянии. Выбирают скорость проходящего через слой взвеси газа достаточно высокой, чтобы поддерживать слой взвеси в состоянии турбулентности или во взвешенном состоянии. Отводящие трубы или стояки могут быть использованы для обеспечения более однородного распределения твердых частиц по всему объему слоя взвеси.

Поступающая в указанное свободное пространство газовая фаза нормально включает в себя или содержит неконденсируемые не вступившие в реакцию газообразные реагенты, неконденсируемую газообразную углеводородную фракцию, увлеченные твердые частицы катализатора, увлеченный жидкий углеводородный продукт, превращенную в пар жидкую углеводородную фракцию, конденсируемую газообразную углеводородную фракцию и водяной пар. Увлеченные твердые частицы катализатора обычно объединяются с увлеченным жидким продуктом в виде капель взвеси. Обработанная газовая фаза, которая выводится из зоны дистилляции, обычно включает в себя или содержит неконденсируемые не вступившие в реакцию газообразные реагенты, неконденсируемую газообразную углеводородную фракцию, конденсируемую газообразную углеводородную фракцию и водяной пар.

Следовательно, газообразные углеводородные продукты включают в себя неконденсируемую газообразную углеводородную фракцию, превращенную в пар жидкую углеводородную фракцию, конденсируемую газообразную углеводородную фракцию и водяной пар.

Таким образом, процесс может предусматривать на стадии охлаждения охлаждение обработанного газа или паровой фазы после их выхода из зоны дистилляции (перегонки), в результате чего происходит конденсация по меньшей мере части конденсируемой газообразной углеводородной фракции и возврат по меньшей мере части полученного сконденсированного углеводородного продукта в зону дистилляции как потока орошения для дистилляции. Обработанный газ или паровая фаза могут быть охлаждены до 30-50^oС, а типично до 40^oС, при давлении, практически равном давлению реактора.

Под "неконденсируемой газообразной углеводородной фракцией" понимают углеводородный продукт, который находится в виде газа или пара при преобладающих в реакторе температурах и давлениях и который не конденсируется при температурах и давлениях, преобладающих в ступени охлаждения.

С другой стороны, под "конденсируемой газообразной углеводородной фракцией" понимают углеводородный продукт, который находится в виде газа или пара при преобладающих в реакторе температурах и давлениях и который конденсируется при температурах и давлениях, преобладающих в ступени охлаждения, с образованием сконденсированного углеводородного продукта, по меньшей мере часть которого возвращается в зону дистилляции как поток орошения. Под "превращенной в пар жидкой углеводородной фракцией" понимают углеводородный продукт, который находится в виде пара при преобладающих в зоне реакции реактора температурах и давлениях и который имеет жидкую форму при температурах и давлениях, преобладающих при выходе газовой фазы из зоны дистилляции. Следовательно, превращенная в пар жидкая углеводородная фракция является более тяжелой по ее молекулярной массе по сравнению с конденсируемой газообразной углеводородной фракцией. Так как превращенная в пар жидкая углеводородная фракция при ее выходе из зоны дистилляции имеет жидкую или сконденсированную форму, то она образует часть потока орошения зоны дистилляции. Сконденсированная превращенная в пар жидкая углеводородная фракция, которая выходит снизу из зоны дистилляции, именуется также "жидкой углеводородной фракцией".

Под "жидким углеводородным продуктом" понимают продукт, который находится в жидком виде при преобладающих в реакторе температурах и давлениях и который находится в твердом или желеобразном состоянии при атмосферном давлении и при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Обычно жидкий углеводородный продукт содержит молекулы углеводорода, которые содержит 20 или более атомов углерода и, следовательно, продукт содержит воск.

Дистилляция может быть осуществлена за счет пропускания газовой фазы вверх через по меньшей мере одну ступень дистилляции в зоне дистилляции реактора взвеси, в противотоке с потоком орошения сконденсированным углеводородным продуктом и с жидкой углеводородной фракцией.

Ступень дистилляции может содержать, по меньшей мере в принципе, любое подходящее контактное средство газ/жидкость, используемое для решения задач дистилляции, такое как клапанная ректификационная тарелка, сетчатая ректификационная или любая другая ректификационная тарелка, средство дистилляции со случайной упаковкой, средство дистилляции со структурированной упаковкой и т. п. ; однако предпочтительной является фиксированная клапанная ректификационная тарелка.

Преимущественно используют несколько ступеней дистилляции, например по меньшей мере две смещенные по вертикали ступени дистилляции. Однако предпочтительно используют от 3 до 5 таких ступеней дистилляции, каждая из которых содержит ректификационную тарелку или слой средства дистилляции.

Собирающая (накопительная) тарелка может быть расположена под самой нижней ступенью дистилляции, причем накопленная в собирающей тарелке жидкость может быть направлена, например, при помощи трубопровода, к слою взвеси и/или может быть выведена из реактора и/или может быть направлена к ступени промывки для использования в качестве промывочной жидкости в ступени промывки. Жидкая углеводородная фракция в основном состоит из жидкости, полученной при конденсации превращенной в пар жидкой углеводородной фракции. Поэтому отсутствует контакт любой возвращенной в слой взвеси жидкости с газовой фазой в зоне превышения, то есть нет промывки увлеченных частиц катализатора или капель взвеси из газовой фазы в зоне превышения. Любая выведенная жидкость по желанию может быть перемешана с любыми другими продуктами, выведенными из реактора.

Поверхностная скорость газа через фиксированную клапанную ректификационную тарелку (тарелки) может составлять от 0,2 м/с до 2,0 м/с, а преимущественно может составлять около 1 м/с. Поверхностная скорость газа через слой взвеси нормально ниже, чем поверхностная скорость газа через зону дистилляции, следовательно, эффективный диаметр или размер поперечного сечения реактора в зоне дистилляции будут меньше, чем в зоне реакции.

Процесс может включать в себя промывку газовой фазы. Промывка газовой фазы может быть произведена при помощи промывочной жидкости в зоне промывки между зоной превышения и зоной дистилляции. Таким образом, указанное свободное пространство включает в себя зону превышения, зону промывки и зону дистилляции. Указанная промывка служит для отделения увлеченных частиц катализатора от газовой фазы. Промывка может быть осуществлена за счет пропускания газовой фазы вверх через ступень промывки в зоне промывки в противотоке с промывочной жидкостью.

В качестве промывочной жидкости может быть использован жидкий углеводородный продукт. При этом процесс может предусматривать отделение твердых веществ на участке слоя взвеси для удаления большинства частиц катализатора из жидкого углеводородного продукта, в результате чего получают жидкий углеводородный продукт, который затем используют в качестве промывочной жидкости.

Так как состав и температура промывочной жидкости такие же, как и в жидкости слоя взвеси, то в зоне промывки не происходит дистилляция или фракционирование, если только жидкость из зоны дистилляции не поступает в зону промывки. В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения в зоне промывки может происходить как промывка увлеченных частиц катализатора или капель взвеси, так и дистилляция, причем в данном случае в дополнение к промывочной жидкости в зону промывки поступает жидкость из зоны дистилляции. В соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения жидкость из зоны дистилляции не поступает в зону промывки, так что в зоне промывки происходит только промывка увлеченных частиц катализатора или капель взвеси при помощи промывочной жидкости. В этом варианте жидкость из зоны дистилляции накапливается в собирающей тарелке зоны дистилляции, как описано выше, и возвращается в слой взвеси и/или выводится из реактора.

Ступень промывки может иметь всего одну тарелку промывки, с расположенной под ней собирающей тарелкой, причем промывочная жидкость вводится в зону или ступень промывки над тарелкой промывки, при этом промывочная жидкость и твердые вещества проходят из ступени промывки в слой взвеси без контакта с газовой фазой в зоне превышения, например, при помощи трубопровода, идущего из собирающей тарелки ступени промывки в слой взвеси. Преимущественно ступень промывки содержит несколько тарелок промывки, например 2 или 3 тарелки, смещенные друг от друга в вертикальном направлении. В качестве тарелок промывки могут быть использованы фиксированные клапанные тарелки.

Во втором варианте исключен контакт между твердыми частицами катализатора и жидкостью орошения, то есть между орошающим сконденсированным углеводородным продуктом и жидкой углеводородной фракцией. Удивительным образом было обнаружено, что контакт между твердыми частицами катализатора и жидкостью орошения в некоторых случаях приводит к нарушению и/или к потере каталитической активности частиц катализатора. Другими словами, такой контакт в некоторых случаях оказывает вредное влияние на желательные свойства частиц катализатора. Использование ступени промывки позволяет решить эту проблему или по меньшей мере снизить ее влияние, однако при сохранении преимуществ зоны дистилляции, основной задачей которой при этом является удаление жидкого углеводородного продукта и большей части жидкой углеводородной фракции из газовой фазы, ранее выхода из зоны дистилляции газов и паров газовой фазы.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается установка для получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов, причем эта установка включает в себя:
реактор, в котором предусмотрена зона реакции, в которой при работе имеется слой твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости суспензии, и зона дистилляции над зоной реакции;
впуск газа в реакторе на низком уровне в зоне реакции, предназначенный для ввода газообразных реагентов в реактор;
выпуск газа в реакторе в зоне дистилляции, предназначенный для вывода газовой фазы, содержащей не вступившие в реакцию газообразные реагенты и, если они есть, парообразные продукты из реактора;
выпуск жидкости в реакторе в зоне реакции, предназначенный для вывода жидкого продукта из реактора;
возможно, ступень промывки в зоне промывки, расположенной под зоной дистилляции;
ступень дистилляции в зоне дистилляции, в которой при работе газовая фаза подвергается дистилляции, ранее выхода из зоны дистилляции через выпуск газа.

Установка может содержать ступень охлаждения, оперативно соединенную с выпуском газа реактора при помощи первого трубопровода, причем второй трубопровод ведет из ступени охлаждения назад в ступень дистилляции для возврата сконденсированного продукта из ступени охлаждения в ступень дистилляции в качестве потока орошения.

Может быть использована описанная выше ступень дистилляции, причем множество таких ступеней дистилляции может быть предусмотрено в зоне дистилляции, которая смещена от зоны реакции при помощи зоны превышения, выполненной так, как это упоминалось ранее, то есть не имеющей средств контакта газ/жидкость, таких как ректификационные тарелки или промывочные тарелки.

Установка может содержать ступень промывки, которая расположена между зоной превышения и зоной дистилляции, которая построена в соответствии с ранее описанным.

Указанные ранее и другие характеристики настоящего изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 показано схематично продольное сечение части реактора взвеси, который входит в состав экспериментальной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, предназначенной для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов.

На фиг. 2 показана блок-схема установки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, предназначенной для получения жидких и газообразных или парообразных продуктов из газообразных реагентов.

На фиг. 3 показано схематично продольное сечение части реактора взвеси в соответствии с фиг. 2.

На фиг. 4 показано схематично продольное сечение части реактора взвеси, который входит в состав экспериментальной установки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показан реактор взвеси 10, который входит в состав установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, предназначенной для получения жидких и газообразных или парообразных продуктов из газообразных реагентов.

Установка 10 включает в себя прямой цилиндрический реактор взвеси 12, который имеет в своей зоне реакции 14 слой взвеси 16, содержащий частицы катализатора Фишера-Тропша, причем таким катализатором обычно является катализатор на основе железа или кобальта, частицы которого находятся во взвешенном состоянии в жидком углеводородном продукте. В реакторе 12 предусмотрен впуск газа 13 на низком уровне, то есть на дне слоя взвеси 16, а также выпуск газа 15, предназначенный для вывода взвеси из слоя взвеси 16.

Реактор 12 также включает в себя зону дистилляции, обозначенную в общем виде позицией 18, расположенную в свободном пространстве реактора над слоем взвеси 16. Между зоной реакции 14 слоя взвеси 16 и зоной дистилляции 18 предусмотрена зона превышения 17. Таким образом, свободное пространство включает в себя зону превышения 17 и зону дистилляции 18. В зоне дистилляции 18 установлены пять фиксированных клапанных ректификационных тарелок 20, 22, 24, 26 и 28, причем тарелка 28 является самой верхней. Ниже самой нижней тарелки 20 расположена собирающая тарелка 30, выполненная в виде вытяжной трубы. Тарелка 30 имеет отстойник 32, из которого идет вниз трубопровод 34 так, что его нижний конец 35 расположен ниже уровня 36 слоя взвеси 16, например ориентировочно на 200 мм ниже нормального уровня слоя взвеси. Обычно поддерживают максимальный уровень слоя взвеси ориентировочно на 1 м ниже нижнего конца отстойника 32. Тарелки 20-30 установлены на опорных стойках 38, закрепленных на кронштейнах 40, предусмотренных внутри реактора 12.

Диаметр реактора 12 в его зоне дистилляции 18 составляет около 870 мм, в то время как длина зоны дистилляции 18 составляет около 8,4 м, с промежутком между смежными тарелками около 460 мм.

Верхний конец реактора 12 закрыт куполом 42, в котором предусмотрены отверстия для выхода газа 44, 46. Через отверстие 44 выступает трубопровод орошения 48, который заканчивается выше самой верхней тарелки 28. На выпускном конце трубопровода 48 предусмотрена вертикальная распределительная труба (не показана), имеющая длину около 450 мм, по длине которой предусмотрено множество расположенных со смещением по вертикали выпускных отверстий, каждое из которых имеет диаметр около 8 мм. Преимущественно предусмотрено 10, а еще лучше, 15 таких отверстий.

Через выпуск газа 46 выступает насосный трубопровод 50, который заканчивается выше тарелки 24. На выпускном конце трубопровода 50 также предусмотрена вертикальная распределительная труба (не показана), по длине которой предусмотрено множество равномерно расположенных со смещением по вертикали выпускных отверстий, каждое из которых имеет диаметр около 8 мм. Преимущественно предусмотрено 10, а еще лучше, 15 таких отверстий.

В ходе описанных ниже испытательных прогонов реактор 10 вырабатывал газообразные и жидкие углеводородные продукты из синтез-газа, подаваемого через впуск газа 13 на дне реактора, причем указанный синтез-газ содержал моноксид углерода и водород. При этом синтез-газ непрерывно поступал к основанию слоя взвеси 16, в то время как в реакторе поддерживался постоянный уровень катализатора слоя взвеси. Условия в зоне реакции 14 приведены ниже, причем управление температурой обычно производят при помощи змеевиков охлаждения, расположенных в слое взвеси или вокруг него.

Газовая фаза включает в себя неконденсируемые не вступившие в реакцию газообразные реагенты, водяной пар, неконденсируемую газообразную углеводородную фракцию, конденсируемую газообразную углеводородную фракцию, превращенную в пар жидкую углеводородную фракцию, жидкий углеводородный продукт, увлеченный газо- или парообразными компонентами, и твердые частицы катализатора, также увлеченные газо- или парообразными компонентами. Указанная газовая фаза проходит от слоя взвеси через зону превышения 17 и поступает в зону дистилляции 18. В зоне превышения 17 отсутствует контакт газовой фазы с любой жидкостью и, следовательно, в зоне превышения нет промывки частиц катализатора или увлеченной жидкости из газовой фазы. В зоне дистилляции 18 газовая фаза подвергается дистилляции при помощи потоков орошения и/или насосных потоков, вводимых по соответствующим трубопроводам 48, 50, при условиях, указанных ниже. Указанная дистилляция служит для удаления главным образом всех увлеченных частиц катализатора или увлеченного жидкого углеводородного продукта из газовой фазы, а также служит для отгонки из газовой фазы жидкой углеводородной фракции, которая находится в жидком виде при температурах и давлениях, преобладающих на выпусках газа 44, 46.

Выходящая через выпуски газа 44, 46 обработанная газовая фаза подвергается одноступенчатому процессу охлаждению/конденсации, при котором происходит конденсация конденсируемой углеводородной фракции, причем полученный конденсат возвращают в реактор как поток орошения по трубопроводу 48 и/или по трубопроводу 50. При проведении отдельного испытания, предназначенного для демонстрации эффективности удаления увлеченных твердых веществ за счет промывки, ввод жидкого углеводородного продукта в качестве жидкости промывки производился через трубопровод 50.

Диаметр реактора 12 в зоне дистилляции 18 выбран таким образом, что поверхностная скорость газа через секцию дистилляции 18 обычно превышает 0,2 м/с. Трубная вытяжная собирающая тарелка 30 имеет стандартную конструкцию и предназначена для накопления жидкого продукта, проходящего вниз из тарелок 20-28.

Суммируя, можно сказать, что экспериментальный реактор 10 при проведении испытательных прогонов имел следующие параметры:
Параметр - Значение
Высота слоя взвеси 16, м - От 17 до 19
Внутренний диаметр зоны дистилляции 18, см - 87
Высота зоны разделения за счет увлечения или высота зоны дистилляции 18, м - От 20 до 24
Высота зоны превышения 17, м - 1-2
Тип тарелок (20, 22, 24, 26, 28) - Фиксированные клапанные
Число тарелок - 5
Тарелка подачи конденсата углеводорода - Верхняя (25) или третья (24)
Температура верхней тарелки,^oС - ±180
Температура зоны реакции 14,^oС - От 220 до 250
Давление зоны реакции 14, бар - ±20
При проведении испытательных прогонов экспериментальной установки конденсат углеводородного продукта подавали на верхнюю тарелку 28 или на тарелку 24, причем в обоих случаях эффективность была одинаковой. В приведенных далее примерах 1 и 2 конденсат углеводородного продукта подавали только на верхнюю тарелку 28. Тарелки 20-28 служат для отгонки жидкого углеводородного продукта и сконденсированного газообразного углеводородного продукта, то есть жидкой углеводородной фракции, от орошающего углеводородного конденсата, при этом через верхнюю часть реактора выводится более легкая обработанная газовая фаза или фракция, а также предотвращается перенос катализатора, увлеченного жидким углеводородным продуктом и более легким жидким углеводородным продуктом, то есть жидкой углеводородной фракцией, с верхней части реактора 10. Углеводородный конденсат постоянно подкачивают с переменным расходом с верхней части реактора для промывки тарелок 20-28. Температуру тарелки 28 поддерживают около 180^oС, при этом каждая последовательная тарелка в нижнем направлении имеет увеличенную эквивалентную температуру и состав.

При проведении испытательных прогонов с использованием реактора 10 были получены результаты, указанные в следующих примерах и не имеющие ограничительного характера.

Пример 1
Синтез-газ подавали в трехфазный реактор взвеси 10 с расходом 6000 м³/час. Был использован катализатор на основе железа, находящийся во взвешенном состоянии в расплавленном воске (использованном как агент образования взвеси) при концентрации 35 вес.%. Проходящий через реактор газ растворялся в реакторной жидкости или в агенте образования взвеси и достигал поверхности катализатора, где имела место реакция Фишера-Тропша. Поддерживали уровень содержащего газ слоя взвеси на расстоянии 17,4 м от дна реактора 12, причем капли взвеси проходили над этим уровнем в зону превышения 17 свободного пространства над слоем взвеси, а оттуда в зону дистилляции 18. Такой процесс перемещения капель именуют "уносом". В зоне дистилляции были использованы пять тарелок для отделения капель от газовой фазы и для сведения к минимуму потерь катализатора через верхнюю часть реактора. В данном конкретном примере унос катализатора хвостовым погоном газа, выходящим из реактора, составлял 2,15 мг твердых веществ на м³/час, в то время как обычно эта величина составляет 10,4 мг/м³/час, если в реакторе 10 не используют разделение за счет уноса.

Пример 2
Синтез-газ подавали в трехфазный реактор взвеси 10 с расходом 8800 м³/час. Был использован катализатор на основе кобальта, находящийся во взвешенном состоянии в расплавленном воске (использованном как агент образования взвеси) при концентрации 30 вес.%. Остальные условия протекания процесса были идентичны описанным для примера 1. В данном конкретном примере унос катализатора хвостовым погоном газа, выходящим из реактора, составлял 0,015 мг/м³/час, в то время как обычно эта величина составляет около 0,074 мг/м³/час, если в реакторе 10 не используют разделение за счет уноса.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 2 и 3, на которых позицией 100 показана в общем виде установка в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, предназначенная для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов.

Установка 100 включает в себя реактор 102, который аналогичен описанному ранее со ссылкой на фиг. 1 реактору 10. Части реактора 102, которые аналогичны частям реактора 10, имеют одинаковые позиционные обозначения.

Однако реактор 102 содержит в своей зоне дистилляции 16 всего три фиксированные клапанные ректификационные тарелки 104, 106, 108, причем тарелка 108 является самой верхней и трубопровод орошения 48 заканчивается над тарелкой 108. Реактор 102 также содержит собирающую тарелку 30, расположенную под самой нижней ректификационной тарелкой 104, с трубопроводом 34, отходящим непосредственно от собирающей тарелки 30.

Установка 100 содержит трубопровод 110 для отвода газа, который идет от выпуска газа 44 в одноступенчатую ступень охлаждения и конденсации 112. Сконденсированная углеводородная фракция (или продукт) подводится по линии 114 из ступени 112 к насосу 116. От насоса 116 идет трубопровод орошения 48, от которого отходит линия 118, предназначенная для вывода по желанию сконденсированного углеводородного продукта. От ступени 112 также идет трубопровод 120 для отвода воды. Кроме того, от ступени 112 также идет трубопровод хвостового погона газа 122, предназначенный для отвода как не вступившего в реакцию синтез-газа, так и неконденсируемой углеводородной фракции (или продукта) газа. Трубопровод рециркуляции газа 124 отходит от трубопровода 122 и идет в компрессор 126, а от компрессора 126 идет трубопровод рециркуляции газа 128 к впуску газа 13 на дне реактора 102. Трубопровод 128 соединен с трубопроводом подачи свежего синтез-газа 130. Трубопровод вывода взвеси 132 идет от выпуска взвеси 15 реактора.

Реактор 102 работает главным образом аналогично реактору 10, когда сконденсированная углеводородная фракция подступает в виде потока орошения сверху на тарелку 108 по трубопроводам 114, 48. Хвостовой погон газа отводят из установки по линии 122 или рециркулируют его обратно в реактор по линиям 124, 128, 130.

Максимальный уровень слоя взвеси обычно поддерживают на расстоянии от 1 м до 2 м ниже уровня, на котором участок в виде раструба реакционного сосуда 12 соединен с цилиндрическим участком реактора.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 4, на которой позицией 200 показан в общем виде реактор взвеси, который является частью установки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, предназначенной для получения жидких и газо- или парообразных продуктов из газообразных реагентов.

Части реактора 200, которые аналогичны частям реактора 10, имеют одинаковые позиционные обозначения.

Свободное пространство реактора 200 содержит в дополнение к зоне превышения 17 и зоне дистилляции 18 зону промывки 202. Зона промывки 202 расположена между зоной превышения 17 и зоной дистилляции 18.

Зона дистилляции 18 реактора 200 содержит всего только три фиксированные клапанные ректификационные тарелки 20, 22 и 24, причем на самую верхнюю тарелку 24 поступает сконденсированный углеводородный продукт орошения по трубопроводу орошения 48. Кроме того, трубопровод 34, который идет от отстойника собирающей тарелки 30, предназначен для вывода жидкой углеводородной фракции из реактора, а не для ее возврата в слой взвеси 16.

Зона промывки 202 содержит ступень промывки с тремя смещенными по вертикали фиксированными клапанными тарелками промывки 204, 206 и 208, причем тарелка 208 является самой верхней. Трубопровод жидкости промывки 210 предназначен для ввода жидкого углеводородного продукта как жидкости промывки на самую верхнюю тарелку 208. Используемый в качестве жидкости промывки жидкий углеводородный продукт получают в результате отделения твердых веществ из части слоя взвеси при удалении из нее большинства частиц катализатора. Под самой нижней тарелкой промывки 204 установлена собирающая тарелка 212, снабженная отстойником 214. От отстойника 214 в слой взвеси ведет трубопровод возврата жидкости промывки 216, который позволяет возвращать в слой взвеси 16 использованную жидкость промывки, отделенную от газовой фазы в зоне промывки 202, которая содержит частицы катализатора.

Реакторы взвеси, такие как реакторы 10, 102 и 200 представляют собой хорошо известные трехфазные реакторы, которые содержат жидкостную фазу, в которой диспергированы или находятся во взвешенном состоянии (в суспензии), в виде пузырьков газовой фазы, частицы катализатора. Жидкость и взвешенная твердая фаза образуют взвесь. Каталитическая дисперсия может быть также усилена за счет создания направленной вверх скорости жидкостной фазы.

Когда газовые пузырьки достигают верхней поверхности слоя взвеси, они прорываются через верхнюю поверхность с энергией, достаточной для увлечения некоторой части взвеси. За счет совместного действия влекущей силы протекающего вверх газа и направленной вниз силы тяжести более крупные капли возвращаются на поверхность слоя взвеси, однако более мелкие и легкие капли уносятся вверх. Поток уноса взвеси увеличивается при увеличении скорости и вязкости газа. Содержание твердых веществ в уносимой взвеси увеличивается при увеличении общей концентрации твердых веществ во взвеси, а особенно при увеличении концентрации частиц твердых веществ, имеющих размер мене 10 мкм.

Потери взвеси из реактора возрастают при более высоких скоростях уноса взвеси, так что в известных реакторах, которые не имеют зоны дистилляции 16, диаметр области превышения над поверхностью взвеси больше, чтобы избежать образования высоких скоростей в этой области.

Для уменьшения потерь катализатора в известных реакторах разделение за счет уноса обычно выполняют при помощи внутренних сепараторов. Существует ряд известных конструкций сепараторов (разделителей), которые основаны на изменении направления газообразного потока, когда газ или пар движется при высокой скорости. В таких конструкциях используют технику разделения за счет уноса, когда увлеченные капли взвеси коалесцируют (слипаются) и падают назад в слой взвеси. В таких устройствах предусмотрен также свободный дренаж, который позволяет предотвращать накопление частиц катализатора и возможную закупорку. Типичным примером такого устройства является сепаратор унесенной жидкости лопастного типа. В таких сепараторах капли жидкости соударяются с металлической поверхностью, что вызывает быстрое изменение направления газового потока. Однако известные сепараторы унесенной жидкости не являются эффективными на 100% при отделении увлеченной взвеси. Более того, при рабочих условиях, существующих в реакторах взвеси, используемых для осуществления процессов Фишера-Тропша, некоторые из жидких компонентов находятся в парообразном состоянии, как это описано здесь ранее, и поэтому не могут быть отделены при помощи таких известных устройств.

Основная реакция Фишера-Тропша соответствует выражению:
nCO + 2nН₂ --> (--СН₂--)_n + nH₂O + 160 кДж/г/моль СО
В этой экзотермической реакции теплоту реакции обычно удаляют за счет накачки котловой воды через змеевики, погруженные в слой взвеси. При нормальной работе реактора со слоем взвеси при осуществлении процесса синтеза Фишера-Тропша было обнаружено, что около 50 вес.% синтезированных углеводородов являются слишком тяжелыми для того, чтобы выйти из реактора вместе с не вступившим в реакцию газом, что составляет большую часть жидкостной фазы реактора. Имеется возможность отделения большей части остающихся продуктов от не вступившего в реакцию газа за счет многоступенчатой конденсации, позволяющей образовывать некоторые компоненты жидкости реактора, легкие углеводородные продукты и воду реакции.

Заявители неожиданно обнаружили, что за счет использования фиксированных клапанных ректификационных тарелок, которые обычно используют в ректификационных колоннах для разделения жидкости, может быть достигнуто главным образом более эффективное отделение как реакторной жидкости, так и катализатора от газовой фазы.

Более конкретно, заявители обнаружили, что при использовании ректификационных тарелок в соответствии с настоящим изобретением эффективное разделение может быть обеспечено при наличии всего только трех фиксированных клапанных ректификационных тарелок. Настоящее изобретение имеет дополнительные преимущества, а именно позволяет полностью отделить увлеченную реакторную жидкость и катализатор от газовой фазы; позволяет конденсировать и удерживать в реакторе Фишера-Тропша все фракции реакторной жидкости, которые присутствуют в парообразной (паровой) фазе; и позволяет снизить диаметр реактора в области превышения над поверхностью раздела взвеси в реакторе Фишера-Тропша, так как эффективность разделения не определяется скоростью уноса взвеси.

Удержание в реакторе Фишера-Тропша всей реакторной жидкости позволяет производить отделение более легких углеводородных продуктов от реакторных газов и паров за счет единственной операции конденсации вместо минимум двух операций конденсации, которые требуются в известных устройствах. В известных реакторах две операции требуются для того, чтобы избежать забивания (блокирования) поверхностей теплообмена твердым воском при температурах, которые требуются для конденсации всех желательных жидких продуктов.

Реферат

Использование: нефтехимия. Сущность: способ предусматривает подачу газообразных реагентов в слой взвеси частиц, взвешенных в жидкости. Газообразные реагенты вступают в реакцию в слое взвеси, в результате чего образуются жидкие и, возможно, газообразные продукты. Жидкий продукт образует совместно с жидкостью суспензии жидкостную фазу слоя взвеси. Газообразный продукт и не вступившие в реакцию газообразные реагенты освобождаются из слоя взвеси и проходят вверх вместе с увлеченными твердыми частицами и жидкостной фазой в качестве газовой фазы в свободное пространство над слоем взвеси. Газовую фазу подвергают обработке при помощи дистилляции (перегонки) и, возможно, промывки в свободном пространстве для отделения от газовой фазы увлеченных твердых частиц и жидкостной фазы. Отделенные увлеченные твердые частицы и, возможно, жидкостную фазу возвращают в слой взвеси. Обработанную газовую фазу выводят из свободного пространства. Технический результат: упрощение процесса отделения углеводородных продуктов. 2 с. и 18 з.п. ф-лы. 4 ил.

Формула