Способ получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов

 

Изобретение имеет отношение к созданию способа получения жидких и, опционно, газообразных продуктов из газообразных реагентов. Изобретение также связано с созданием установки для получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов. Способ получения жидких и/или газообразных продуктов из газообразных реагентов предусматривает подачу 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 газообразные продукты, причем газообразные реагенты и любой газообразный продукт содействуют поддержанию твердых частиц по взвешенном состоянии в жидкости суспензии. Жидкий продукт образует совместно с жидкостью суспензии жидкостную фазу слоя взвеси. Любой газообразный продукт и не вступившие в реакцию газообразные реагенты освобождаются из слоя взвеси в свободное пространство над слоем взвеси. Взвесь проходит вниз в слое взвеси через стояки, расположенные в первой и второй областях размещения стояков в слое взвеси, в результате чего происходит перераспределение твердых частиц в объеме слоя взвеси. Вторая область размещения стояка смещена по вертикали относительно первой области размещения стояка. Любой газообразный продукт и не вступившие в реакцию газообразные реагенты отводятся из указанного свободного пространства, а жидкостная фаза отводится из слоя взвеси. Преимущественно имеет место синтез Фишера-Тропша, когда газообразные реагенты имеют вид потока газа синтеза, образованного главным образом моноксидом углерода и водородом. Изобретение позволяет повысить эффективность процессов, имеющих широкое применение. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ получения жидких и, опционно, 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, опционно, 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; создание возможности для любого газообразного продукта и не вступивших в реакцию газообразных реагентов освобождаться из слоя взвеси в свободное пространство над слоем взвеси; создание возможности для взвеси проходить вниз от высокого уровня в слое взвеси к более низкому уровню, по меньшей мере, через один стояк, расположенный в первой области размещения стояка слоя взвеси, а также, по меньшей мере, через один дополнительный стояк, расположенный во второй области размещения стояка слоя взвеси, причем вторая область размещения стояка смещена по вертикали относительно указанной первой области, в результате чего происходит перераспределение твердых частиц в объеме слоя взвеси; отвод любого газообразного продукта и не вступивших в реакцию газообразных реагентов из указанного свободного пространства; и отвод жидкостной фазы из слоя взвеси для поддержания слоя взвеси на желательном уровне.

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.

Слой взвеси может находиться или может быть предусмотрен в зоне реакции реактора взвеси (шламового реактора) или барботажной колонны. При пропускании или рециркуляции некоторого объема взвеси через стояки получают более равномерное распределение катализатора в слое взвеси, чем в случае без стояков. Таким образом, в реакторе взвеси 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 и, опционно, газообразного углеводородного продукта. В частности, синтез углеводородов может представлять собой синтез Фишера-Тропша, когда газообразные реагенты имеют вид потока газа синтеза, образованного главным образом моноксидом углерода и водородом, причем в результате синтеза получают как жидкие, так и газообразные продукты.

Реакция синтеза Фишера-Тропша является высокоэкзотермической и заявитель неожиданно обнаружил, что более равномерное распределение теплоты достигается за счет рециркуляции части взвеси через стояки в первой и второй вертикально смещенных областях размещения стояков в соответствии с настоящим изобретением.

В качестве материала частиц катализатора может быть использован любой желательный катализатор Фишера-Тропша, такой как катализатор на основе железа, катализатор на основе кобальта, катализатор на основе железа и 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% (по массе) частиц катализатора имеют размер менее 22 мкм.

В реакторе взвеси или в барботажной колонне поддерживают обычное повышенное давление и температуру, необходимые для протекания реакции 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 газа синтеза, проходящим через указанный слой, то есть при барботаже (газа) через слой взвеси. Выбирают скорость проходящего через слой взвеси газа достаточно высокой, чтобы поддерживать слой взвеси в состоянии турбулентности или во взвешенном состоянии.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается установка для получения жидких и, опционно, газообразных продуктов из газообразных реагентов, причем эта установка включает в себя: реактор, в котором предусмотрена зона слоя взвеси, в которой при работе имеется слой твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости суспензии; впуск газа в реакторе на низком уровне в зоне слоя взвеси, предназначенный для ввода газообразных реагентов в реактор; выпуск газа в реакторе над зоной слоя взвеси, предназначенный для вывода не вступивших в реакцию газообразных реагентов и, если они есть, газообразных продуктов из реактора;
по меньшей мере, один стояк, расположенный в первой области размещения стояка зоны слоя взвеси, через который взвесь может проходить в направлении вниз;
по меньшей мере, один дополнительный стояк, расположенный во второй области размещения стояка зоны слоя взвеси, смещенной вертикально относительно указанной первой зоны, через который взвесь также может проходить в направлении вниз; и
выпуск жидкости в реакторе в зоне слоя взвеси, предназначенный для вывода жидкого продукта из реактора.

Таким образом, стояки расположены на разных уровнях или при разном смещении по вертикали в слое взвеси или в зоне слоя взвеси. Указанная вторая область размещения стояка может быть расположена на более высоком уровне, чем первая область размещения стояка, причем по желанию могут быть предусмотрены дополнительные области, в каждой из которых имеется, по меньшей мере, один стояк или отводящая труба, при этом такие области расположены над указанной второй областью, причем третья и любая последующая область размещения стояков смещены вертикально друг от друга.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения вторая область размещения стояка может перекрывать первую область размещения стояка. Другими словами, нижний конец (концы) стояка (стояков) во второй области может перекрывать вертикально верхний конец (концы) стояка (стояков) в первой области размещения стояка. Однако в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения указанная вторая область может не перекрывать первую область. Вторая область размещения стояка расположена с отсутствием перекрытия первой области. Другими словами, нижний конец (концы) стояка (стояков) во второй области может иметь вертикальное смещение (зазор) от верхнего конца (концов) стояка (стояков) в первой области размещения стояка.

Стояк (стояки) во второй области могут быть расположены в шахматном порядке, смещен (смещены) в плане по отношению к стояку (стоякам) в первой области, если смотреть на реактор сверху. Другими словами, нижний конец (концы) стояка (стояков) во второй области преимущественно не служат для непосредственной разгрузки взвеси над верхним концом (концами) стояка (стояков) в первой области.

Каждый стояк может содержать нижнюю секцию транспортирования и верхнюю секцию освобождения или дегазации с большим поперечным сечением, чем в секции транспортирования. Указанные секции преимущественно имеют цилиндрическую форму и кольцевое поперечное сечение, причем сция освобождения соединена с секцией транспортирования при помощи расширяющегося наружу вверх соединительного компонента (патрубка). Однако по желанию сция освобождения может иметь и другую подходящую форму, например с прямоугольным или треугольным каналом, в зависимости от свободного пространства, имеющегося в реакторе.

Способ предусматривает обеспечение работы реактора взвеси таким образом, что слой взвеси находится в неоднородном или ксантотурбулентном ("сбивание масла") режиме течения и содержит разбавленную фазу, образованную быстро поднимающимися большими пузырьками газообразных реагентов и, возможно, газообразного продукта, причем эти пузырьки проходят зону реакции или слой взвеси фактически в пробковом (поршневом) режиме потока, а также содержит плотную фазу, то есть жидкий продукт, твердые частицы катализатора и увлеченные небольшие пузырьки газообразных реагентов и, возможно, газообразный продукт.

Секция освобождения или дегазации каждого стояка может быть устроена таким образом, чтобы позволить большей части газовых пузырьков, превышающих заданный размер, например пузырьков с диаметром ориентировочно 3 мм или больше, улетучиваться из ожиженной взвеси, которая поступает в стояк. Для этого диаметр секции дегазации может быть выбран таким образом, чтобы течение взвеси в направлении вниз в секции дегазации происходило медленнее, чем поднимаются вверх пузырьки заданного размера, например 3 мм. Площадь поперечного сечения секции дегазации каждого стояка в соответствующей области расположения стояка может составлять от 2 до 50%, а предпочтительно, от 6 до 25% площади поперечного сечения зоны реакции в области расположения стояка. Вертикальная высота секции дегазации может быть такой, чтобы позволить пузырькам с размером больше заданного иметь достаточное время для подъема и выхода из секции дегазации. Эта высота типично составляет от 0,23 до 0,61 м, а преимущественно составляет от 0, 31 до 0, 51 м.

Секция транспортирования каждого стояка служит для перемещения дегазированной взвеси в нижнюю точку реактора. Течение взвеси через стояк вызывается разностью плотностей частично или полностью дегазированной взвеси в секции транспортирования стояка и псевдоожиженной (аэрированной) взвеси вне стояка. При условии, что эффективное дегазирование "разбавленной" газовой фазы имеет место в секции дегазации, длина и внутренний диаметр секции транспортирования становятся основными характеристиками стояка, определяющими скорость потока (расход) взвеси, достижимую в стояке при определенном наборе рабочих условий. Это вызвано тем фактом, что длина и внутренний диаметр секции транспортирования определяют потери на трение стояка. Обеспечиваемая в стояке скорость потока представляет собой баланс между плотностной силой приведения в действие (создания потока) (вызванной указанной разностью плотностей) и потерями на трение в секции транспортирования, а также потерями давления за счет эффектов при входе в секцию транспортирования и выходе из нее. Эффекты входа и выхода являются функцией только диаметра секции транспортирования.

Скорость потока взвеси в стояке не должна превышать ориентировочно 5 м/с, чтобы предотвратить как эрозию трубы стояка, так и физическую деградацию катализатора во взвеси. Скорость потока взвеси внутри стояка может составлять от 0,5 м/с до 10 м/с, а преимущественно от 2 м/с до 5 м/с. Минимальную скорость потока взвеси в стояке устанавливают таким образом, чтобы направленная вверх поверхностная скорость жидкости в зоне реакции реактора была достаточной для предотвращения существенного осаждения катализатора, то есть для поддержания слоя взвеси в состоянии турбулентности или во взвешенном состоянии, как упоминалось ранее. Направленная вверх поверхностная скорость жидкости вне стояка может составлять от 0,5 см/с до 10 см/с, а преимущественно от 2 см/с до 4 см/с.

Полная длина секции транспортирования стояка может составлять от 0,3 до 30 м, а преимущественно от 4 до 15 м.

В то время как нормально каждый стояк расположен полностью в слое взвеси, то есть внутри реактора, с секцией дегазации, типично совмещенной по оси с секцией транспортирования, вместо этого секция транспортирования и, опционно, часть секции дегазации могут быть расположены вне реактора, однако таким образом, что конец нижнего выпуска секции транспортирования и по меньшей мере конец верхнего впуска секции дегазации при этом остаются локализованными внутри реактора в слое взвеси или в зоне слоя взвеси.

В реакторе с относительно большой площадью поперечного сечения несколько стояков размещают в каждой из указанных областей в различных местах поперечного сечения реактора для достижения требуемой направленной вверх поверхностной скорости жидкости без превышения указанной ранее максимальной внутренней скорости потока. Аналогично в относительно длинном реакторе несколько более коротких стояков может быть использовано в более чем двух областях размещения стояков, которые смещены вертикально по длине реактора.

Положения выпусков на дне стояков могут быть выбраны таким образом, чтобы свести к минимуму соударение дегазированной взвеси со стенкой реактора или с его внутренними элементами. Такое соударение с течением времени может приводить к эрозии или к физической деградации катализатора. Положения выпусков стояка относительно впуска газа, который типично соединен с распределительной системой разбрызгивателя (барботера), должны быть выбраны таким образом, чтобы не было вредного влияния на равномерное распределение газа в слое взвеси.

Следует избегать осаждения катализатора в стояках. Поэтому углы секций стояка или его компонентов, в особенности соединительных компонентов, не должны превышать угол естественного откоса взвеси.

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 приведено продольное сечение установки в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предназначенной для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов.

На фиг.2 приведено продольное сечение установки в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предназначенной для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой позицией 10 показана в общем виде установка в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предназначенная для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов.

Установка 10 включает в себя прямой цилиндрический реактор взвеси или барботажную колонну 12 с впуском газа 14, ведущим в газовый распределитель (не показан) внутри реактора, и с выпуском газа 16, идущим от верхней части реактора. Выпуски жидкого продукта 18 могут быть предусмотрены в реакторе 12 на любом необходимом уровне.

Реактор 12 включает в себя первую область размещения стояка, обозначенную позицией 20. Область 20 содержит стояк, обозначенный в общем виде позицией 22. Стояк 22 содержит цилиндрическую секцию транспортирования 24 относительно малого диаметра, расширяющийся наружу соединительный компонент 26 у верхнего конца секции транспортирования 24, а также секцию дегазации большего диаметра 28, нижний конец которой соединен с соединительным компонентом 26. Таким образом, верхний конец секции дегазации 28 представляет собой впуск для взвеси, в то время как нижний конец секции транспортирования 24 представляет собой выпуск взвеси. В области стояка 20 предусмотрен также охлаждающий змеевик 29.

Реактор 12 также включает в себя вторую область размещения стояка, обозначенную в общем виде позицией 30. Область 30 содержит стояк, обозначенный в общем виде позицией 32. Стояк 32 также содержит цилиндрическую секцию транспортирования 34 относительно малого диаметра, расширяющийся наружу соединительный компонент 36 у верхнего конца секции транспортирования 34 и секцию дегазации большего диаметра 38 у верхнего конца секции транспортирования 34. Нижний конец секции дегазации 38 соединен с соединительным компонентом 36. Верхний конец секции дегазации 38 представляет собой впуск для взвеси, в то время как нижний конец секции транспортирования 34 представляет собой выпуск взвеси. В области стояка 30 предусмотрен также охлаждающий змеевик 39.

Нижний конец стояка 32 смещен с вертикальным зазором относительно верхнего конца стояка 22. Более того, стояк 32 не совмещен по оси со стояком 22. Другими словами, стояк 32 сдвинут (в сторону) относительно стояка 22, если смотреть на реактор 12 сверху.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой позицией 100 обозначена в общем виде установка в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предназначенная для получения жидких и газообразных продуктов из газообразных реагентов.

Узлы установки 100, которые являются такими же или аналогичными показанным на фиг.1, имеют одинаковые позиционные обозначения.

Реактор 12 установки 100 главным образом соответствует реактору 12 установки 10, за исключением того, что нижний конец стояка 32 перекрывает вертикально верхний конец стояка 22.

При работе установки фиг.1 и 2 подают газ синтеза, который в основном включает в себя моноксид углерода и водород в качестве газообразных реагентов, к основанию реактора 12 через газовый впуск 14, причем газ обычно равномерно распределяется внутри реактора при помощи разбрызгивающей системы (не показана). Газообразные реагенты проходят вверх через слой взвеси 40, который содержит частицы катализатора Фишера-Тропша, причем обычно используют взвесь катализатора на основе железа или кобальта в жидком продукте. Слой взвеси должен иметь нормальный уровень 42, расположенный выше области второго стояка 30, а также свободное пространство 44 над слоем взвеси. При барботаже газа синтеза через слой взвеси его газообразные реагенты вступают в реакцию каталитически с образованием жидкого продукта, который при этом образует часть слоя взвеси 40. Время от времени или непрерывно через выпуск 18 удаляют жидкостную фазу, содержащую жидкий продукт, причем частицы катализатора отделяют от жидкого продукта при помощи соответствующей внутренней системы фильтрации (не показана). Альтернативно система фильтрации может быть расположена снаружи от реактора и в этом случае соединена с дополнительной системой (не показана), предназначенной для возврата отделенных частиц катализатора в реактор.

Некоторый объем взвеси непрерывно проходит в направлении вниз через стояки 32, 22, в результате чего достигается однородное перераспределение частиц катализатора внутри слоя взвеси 40, а также обеспечивается равномерное распределение теплоты по всему объему слоя взвеси, что далее описано более подробно.

Реактор 12 работает таким образом, что его слой взвеси 40 находится в неоднородном (гетерогенном) или ксантотурбулентном ("сбивание масла") режиме течения и содержит разбавленную фазу, образованную быстро поднимающимися большими пузырьками газообразных реагентов и газообразного продукта, причем эти пузырьки проходят слой взвеси фактически в пробковом (поршневом) режиме потока, а также содержит плотную фазу, которая включает в себя жидкий продукт, твердые частицы катализатора и увлеченные небольшие пузырьки газообразных реагентов и газообразный продукт.

Плотная фаза даже при отсутствии стояков 32, 22 имеет существенную степень обратного перемешивания. Эксперименты с динамическим освобождением газа могут быть использованы для определения газовой пустотности (объема, свободного от газа, gas voidage) в разбавленной и плотной фазах. Газовая пустотность в плотной фазе практически не зависит от диаметра реакторной колонны. С другой стороны, газовая пустотность в разбавленной фазе уменьшается при увеличении диаметра реактора 12.

Заявитель установил, что зависимость газовой пустотности в разбавленной фазе от диаметра реакторной колонны ограничена диаметрами колонны меньше максимального диаметра порядка 0,5 м. Например, практически одинаковые газовая пустотность или газовый захват были получены для реакторов с диаметрами от 0,87 до 5,0 м.

Из экспериментов с динамическим освобождением газа, таких как описанные в книге Van Vuuren, D.S. "Hydrodynamic studies on slurry bubble column", CSIR, CENER 8840 (1988), неясно, каким образом следует проектировать секции дегазации 38, 28 соответствующих стояков 32, 22, чтобы произвести дегазирование существенной пропорции небольших газовых пузырьков плотной фазы. Однако в секциях дегазации легко отделяются большие газовые пузырьки плотной фазы, обычно имеющие диаметр более ориентировочно 3 мм.

Объем, свободный от газа в секциях транспортирования 34, 24 стояков 32, 22, представляет газовую пустотность в плотной фазе, которая может быть определена при помощи экспериментов по разрушению (колапсу) слоя взвеси. В конкретных экспериментах, которые были проведены на опытной установке Works Pilot Plant, удалось получить (вывести) газовую пустотность по результатам измерения падения давления в секции транспортирования стояка. Полученные результаты подтверждают, что газовая пустотность в стояке не зависит от скорости газа в реакторе. Газовая пустотность плотной фазы является функцией свойств рабочего тела и концентрации катализатора. Отсутствуют надежные расчетные методы получения газовой пустотности плотной фазы и этот параметр следует определять экспериментально, например так, как это было описано выше. Значения газовой пустотности плотной фазы в проведенных тестах лежали в диапазоне от 0, 25 до 0, 35, а типично это значение составляло 0,3.

Был предложен приемлемый вычислительный метод определения проектного значения скорости взвеси в секции транспортирования. При учете эффектов входа и выхода и потерь на трение о стенку (в стояке) было получено следующее выражение:

в котором
α = (-2gh)/[β²-2,32-(fʹh/d_d)], (2)
β = d_d/d_e (3)
причем u - скорость взвеси, м/с,
ρ_B - плотность газированного слоя взвеси, кг/м³;
g - гравитационная постоянная, м/с²;
ΔP - измеренная разность давлений опытной установки, кПа;
L - расстояние между штуцерами для измерения давления опытной установки, м;
f - коэффициент трения о стенку трубы (стояка);
d_d - диаметр секции транспортирования стока, м;
d_e - диаметр секции освобождения стояка, м;
h - длина стояка, м.

Полученные результаты были признаны аппроксимацией, которая является достаточно точной для надежного проектирования, если вычисленная скорость преимущественно лежит в диапазоне от 2 м/с до 5 м/с. Для оптимизации проекта и нахождения места расположения стояков может быть использована более продвинутая техника вычислений, такая как техника расчетного динамического моделирования рабочего тела (жидкости или газа) (CFD).

При использовании расположения стояков на различной высоте может быть уменьшена степень обратного перемешивания газа плотной фазы, в результате чего улучшаются характеристики преобразования (конверсии) реактора. Можно полагать, что обратное перемешивание небольших пузырьков снаружи от стояка не имеет существенного значения, так как существует быстрый массоперенос между газом и фазой взвеси для таких небольших пузырьков. Это было подтверждено экспериментами с газовым индикатором с использованием реактора диаметром 0,87 м, которые показали, что при отсутствии стояков газовый поток через слой взвеси реактора главным образом имеет пробковый (поршневой) режим потока, при числах Пекле (Peclet), превышающих 20, для поверхностных скоростей газа в диапазоне от 13 до 60 см/с. Однако они (стояки) могут способствовать существенному обратному перемешиванию газа из областей, близких к выходной концентрации, с газом из областей, близких к входной концентрации. Этот эффект может быть уменьшен за счет использования стояков, установленных на разной высоте.

ПРИМЕР 1
В реактор с фазой взвеси Фишера-Тропша с внутренним диаметром 0,87 м и высотой слоя взвеси 18 м был введен стояк, имеющий полную длину 14,7 м, внутренний диаметр секции освобождения 0,354 м и внутренний диаметр секции транспортирования 0,102 м. Разность давлений ΔР 33,35 кПа была измерена при помощи штуцеров для измерения давления, установленных на расстоянии 6 м друг от друга вдоль стояка. Объемная плотность реактора составляла 470 кг/м³. Если принять коэффициент трения о стенку 0,02, то можно получить следующие значения.

Для выражения (3):
β=0, 289.

Для выражения (2):
α=56, 42.

Затем была вычислена с использованием выражения (1) направленная вниз скорость взвеси в секции транспортирования стояка, которая составила 4, 24 м/с. Эта скорость ниже верхнего предпочтительного предела скорости 5 м/с. Таким образом, расчет стояка позволяет использовать его в качестве стояка 22 или 32 в установке 10, 100 в соответствии с настоящим изобретением.

ПРИМЕР 2
В реактор с фазой взвеси Фишера-Тропша с внутренним диаметром 0,87 м и высотой слоя взвеси 18 м были введены два стояка 32 и 22, имеющие полную длину 7 м и 8,3 м соответственно. Оба стояка имели секции освобождения с внутренним диаметром 0,354 м и секции транспортирования с внутренним диаметром 0,102 м. Два стояка имели перекрытие 1 м, при этом конфигурация реактора соответствовала показанной на фиг.2.

Разность давлений ΔР 35,7 кПа была измерена при помощи штуцеров для измерения давления, установленных на расстоянии 6 м друг от друга вдоль стояка 32. Объемная плотность реактора составляла 470 кг/м³. Если принять коэффициент трения о стенку 0,02, то можно получить следующие значения.

Для выражения (3):
β=0,289.

Для выражения (2):
α=38, 05.

Затем была вычислена с использованием выражения (1) направленная вниз скорость взвеси в секции транспортирования стояка 32, которая составила 3,49 м/с. Эта скорость ниже верхнего предпочтительного предела скорости 5 м/с.

Разность давлений ΔР 35,2 кПа была измерена при помощи штуцеров для измерения давления, установленных на расстоянии 6 м друг от друга вдоль стояка 22. Объемная плотность реактора составляла 470 кг/м³. Если принять коэффициент трения о стенку 0,02, то можно получить следующие значения.

Для выражения (3):
β=0,289.

Для выражения (2):
α=42,14.

Затем была вычислена с использованием выражения (1) направленная вниз скорость взвеси в секции транспортирования стояка 22, которая составила 3,67 м/с. Эта скорость ниже верхнего предпочтительного предела скорости 5 м/с.

Установки 10, 100 годятся для проведения в высшей степени экзотермических трехфазных каталитических реакций, в особенности реакций Фишера-Тропша. За счет применения стояков 22, 32, которые являются неограниченными, например не имеют отражательных перегородок у нижних концов своих секций транспортирования, может быть получено однородное перераспределение катализатора во взвеси реактора и, следовательно, обеспечено более эффективное использование катализатора.

Реакторы с фазой взвеси, такие как реакторы Фишера-Тропша, обеспечивают улучшенные характеристики теплопередачи для экзотермических реакций в результате барботажа газа в реакторе, позволяющего поддерживать частицы катализатора во взвешенном состоянии. Змеевики теплопереноса внутри реактора также поглощают теплоту, выделяемую за счет экзотермической реакции. Однако представляет проблему обеспечение однородного распределения теплоты в слое взвеси реакторов, которые используют для органического синтеза, предусматривающего проведение реакции Фишера-Тропша с очень активным порошковым катализатором, таким как кобальт, за счет чего реакция становится еще более экзотермической.

Заявитель удивительным образом обнаружил, что использование стояков 22, 32, установленных на различных уровнях, содействует разрешению проблемы однородного распределения теплоты для таких высокоэкзотермических реакторов. Использование установленных на различных уровнях стояков в соответствии с настоящим изобретением приводит к одинаковому значению температуры (с отклонением в пределах ^oС) для всей фазы взвеси при использовании коммерческого реактора взвеси любого диаметра.

Использование стояка для перераспределения теплоты создает, как уже упоминалось, дополнительное преимущество, заключающееся в том, что происходит однородное перераспределение порошкового катализатора, однако недостатком такого решения является обратный поток газа в виде небольших пузырьков, идущий от впуска у верхней части стояка до выпуска у его основания. Однако заявитель также неожиданно обнаружил, что за счет выбора конкретного выполнения стояка в соответствии с настоящим изобретением этот недостаток может быть, по меньшей мере, уменьшен, что приводит к более эффективной работе реактора со слоем взвеси. При проведении экспериментов с газовым индикатором были получены значения чисел Пекле более 3 для установки 100 (как это показано в примере 2) в диапазоне поверхностных скоростей газа от 15 до 30 см/с при рабочем давлении 20 бар. Настоящее изобретение позволяет также устранить и другие известные недостатки реакторов со слоем взвеси, даже при использовании известной конфигурации с единственным стояком, такие как:
i) В реакторах со слоем взвеси, оборудованных известным образом единственным стояком, возникают высокие температуры на дне реактора со слоем взвеси, в том случае, когда уровень (высота) слоя взвеси падает ниже верхней части стояка; этого можно избежать за счет использования нескольких стояков в соответствии с настоящим изобретением, так как такие высокие температуры не возникают при падении уровня взвеси 42 ниже верхнего конца или верхней части стояка 32 во второй области размещения стояка 30; и
ii) высокие скорости взвеси в секциях транспортирования стояка, которые в противном случае могли бы приводить к эрозии стояка и/ или к износу катализатора, по меньшей мере, могут быть уменьшены за счет использования стояков в смещенных друг от друга вертикально областях размещения стояков в соответствии с настоящим изобретением.

Формула изобретения

1. Способ получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов, включающий следующие операции: подача на низком уровне газообразных реагентов в слой взвеси твердых частиц, взвешенных в суспензии; создание возможности протекания реакции для газообразных реагентов при их прохождении вверх через слой взвеси для образования жидких и, возможно, газообразных продуктов; создание возможности для любого газообразного продукта и не вступивших в реакцию газообразных реагентов освобождаться из слоя взвеси в свободное пространство над слоем взвеси; создание возможности для прохождения взвеси твердых частиц в жидкости от высокого уровня в слое взвеси к более низкому уровню; отвод любого газообразного продукта и не вступивших в реакцию газообразных реагентов из указанного свободного пространства; отвод жидкостной фазы из слоя взвеси, отличающийся тем, что протекание реакции осуществляют с возможностью содействия поддержанию твердых частиц во взвешенном состоянии в жидкой суспензии газообразными реагентами и любыми газообразными продуктами, при этом жидкий продукт образует совместно с жидкостью суспензии жидкостную фазу слоя взвеси, создание возможности для взвеси проходить вниз от высокого уровня в слое взвеси к более низкому уровню осуществляют по меньшей мере через один стояк, расположенный в первой области размещения стояка слоя взвеси, а также по меньшей мере через один дополнительный стояк, расположенный во второй области размещения стояка слоя взвеси, причем первая и вторая области размещения стояков смещены по вертикали, а отвод жидкой фазы из слоя взвеси осуществляют для поддержания слоя взвеси на уровне, расположенном выше области второго стояка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердые частицы представляют собой частицы катализатора для ускорения реакции газообразных реагентов с жидким и, возможно, с газообразным продуктом, причем жидкость суспензии представляет собой жидкий продукт, а в зоне реакции реактора взвеси или в барботажной колонне использована трехфазная система, которую образуют частицы твердого катализатора, жидкий продукт и газообразные реагенты, а также, возможно, газообразный продукт.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что газообразные реагенты способны вступать в реакцию каталитически в слое взвеси с образованием жидкого углеводородного продукта и газообразного углеводородного продукта за счет синтеза Фишера-Тропша, когда газообразные реагенты имеют вид потока газа синтеза, образованного главным образом моноксидом углерода и водородом.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что катализатором является катализатор Фишера-Тропша на основе железа, катализатор Фишера-Тропша на основе кобальта или катализатор Фишера-Тропша на основе железа и кобальта, причем частицы катализатора могут иметь размер не более 300 мкм, причем менее 5% по массе частиц катализатора имеют размер менее 22 мкм.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что каждый стояк содержит нижнюю секцию транспортирования и верхнюю секцию освобождения с большим поперечным сечением, чем в секции транспортирования, причем секция освобождения соединена с секцией транспортирования при помощи расширяющегося наружу вверх соединительного компонента.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанный способ предусматривает обеспечение работы реактора взвеси таким образом, что слой взвеси находится в неоднородном или ксантотурбулентном режиме течения и содержит разбавленную фазу, образованную быстро поднимающимися большими пузырьками газообразных реагентов и газообразного продукта, причем эти пузырьки проходят зону реакции или слой взвеси в пробковом режиме потока, а также содержит плотную фазу, которая включает в себя жидкий продукт, твердые частицы катализатора, увлеченные небольшие пузырьки газообразных реагентов и газообразный продукт.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что секция освобождения каждого стояка выполнена таким образом, чтобы позволить большей части газовых пузырьков с диаметром более 3 мм улетучиваться из ожиженной взвеси, которая поступает в стояк, причем для этого диаметр секции дегазации выбран таким образом, что взвесь протекает в направлении вниз в секции дегазации медленнее, чем поднимаются вверх пузырьки размером 3 мм.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения секции освобождения каждого стояка в соответствующей области расположения стояка составляет 2 - 50% площади поперечного сечения зоны реакции в области расположения стояка, причем вертикальная высота секции освобождения составляет 0,23 - 0,61 м, что позволяет пузырькам с размером 3 мм иметь достаточное время для подъема и выхода из секции освобождения.

9. Способ по одному из пп.5-8, отличающийся тем, что скорость потока взвеси в стояке не превышает 5 м/с, чтобы предотвратить как эрозию трубы стояка, так и физическую деградацию катализатора во взвеси.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что скорость потока взвеси внутри стояка составляет 2 - 5 м/с.

11. Способ по одному из пп.5-10, отличающийся тем, что направленная вверх поверхностная скорость жидкости вне стояка составляет 2 - 4 см/с.

12. Установка для получения жидких и, возможно, газообразных продуктов из газообразных реагентов, содержащая реактор, в котором предусмотрена зона слоя взвеси, в которой при работе имеется слой твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости суспензии, впуск газа в реакторе на низком уровне слоя взвеси, предназначенный для ввода газообразных реагентов в реактор, по меньшей мере один стояк, расположенный в зоне слоя взвеси, через который взвесь может проходить в направлении вниз, выпуск газа в реакторе над зоной слоя взвеси, предназначенный для вывода не вступивших в реакцию газообразных реагентов и, если он есть, газообразного продукта из реактора, по меньшей мере один стояк, расположенный в зоне слоя взвеси, через который взвесь может проходить в направлении вниз, выпуск жидкости в реакторе в зоне слоя взвеси, предназначенный для вывода жидкого продукта из реактора, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере один стояк, расположенный в первой области размещения стояков в зоне взвеси, через который взвесь может проходить в направлении вниз, по меньшей мере один дополнительный стояк, расположенный во второй области размещения стояка в зоне слоя взвеси, через который взвесь также может проходить в направлении вниз, причем первая и вторая области размещения смещены по вертикали.

13. Установка по п.12, отличающаяся тем, что вторая область размещения стояка расположена на более высоком уровне, чем первая область размещения стояка, причем дополнительные области, в каждой из которых имеется по меньшей мере один стояк или отводящая труба, расположены над указанной второй областью, при этом третья и любая последующая область размещения стояков также смещены вертикально друг от друга.

14. Установка по п.13, отличающаяся тем, что вторая область размещения стояка перекрывает первую область размещения стояка таким образом, что нижний конец стояка во второй области размещения стояка перекрывает вертикально верхний конец стояка в первой области размещения стояка.

15. Установка по п.13, отличающаяся тем, что вторая область размещения стояка расположена с отсутствием перекрытия первой области размещения стояка таким образом, что нижний конец стояка во второй области имеет вертикальное смещение от верхнего конца стояка в первой области размещения стояка.

16. Установка по п.14 или 15, отличающаяся тем, что стояк во второй области размещения стояка смещен в плане по отношению к стояку или стоякам в первой области таким образом, что нижний конец стояка во второй области размещения стояка не служит для непосредственной разгрузки взвеси над верхним концом стояка в первой области размещения стояка.

17. Установка по одному из пп.12-16, отличающаяся тем, что каждый стояк содержит нижнюю секцию транспортирования и верхнюю секцию освобождения с большим поперечным сечением, чем в секции транспортирования, причем секция освобождения соединена с секцией транспортирования при помощи расширяющегося наружу вверх соединительного компонента.

18. Установка по п.17, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения секции освобождения каждого стояка в соответствующей области расположения стояка составляет 2 - 50% площади поперечного сечения зоны реакции в области расположения стояка, причем вертикальная высота секции освобождения составляет 0,23 - 0,61м.

19. Установка по любому из пп.12-18, отличающаяся тем, что в каждой области размещения предусмотрено несколько стояков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2