Способ обеспечения функционирования трехфазного шламового реактора
Изобретение относится к способам обеспечения функционирования трехфазного шламового реактора. На нижнем уровне осуществляется подача, по меньшей мере, одного газообразного реагента в вертикально расположенную массу шлама твердых частиц, суспендированную в жидкой суспензии. Масса шлама содержится во множестве вертикально идущих, горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов, расположенных внутри общей оболочки реактора. Шламовые каналы образованы между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами. Каждый шламовый канал имеет высоту, ширину и глубину, причем высота и глубина намного больше, чем ширина. Созданы условия для реакции газообразного реагента, когда он проходит вверх через массу шлама, присутствующую в шламовых каналах, в результате чего образуется негазообразный и/или газообразный продукт. Газообразный продукт и/или непрореагировавший газообразный реагент разделяется от массы шлама в указанном головном свободном пространстве над массой шлама. Обеспечиваются повышение способности более однородного распределения и отвода теплоты реактора и большая степень контроля при перемешивании. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 28 ил.
Настоящее изобретение имеет отношение к способу функционирования трехфазного шламового реактора и собственно к трехфазному шламовому реактору.
Существенный технологический риск связан с переходом от опытной установки к промышленной установке, чтобы за счет масштабирования получить экономическую выгоду. Трехфазные шламовые реакторы типично имеют зависящие от их размеров эффекты макроперемешивания, поэтому возникает упомянутый выше риск, когда масштабируют трехфазные шламовые реакторы. Поэтому важной задачей является создание способа, который позволяет существенно снизить риск, связанный с масштабированием трехфазных шламовых реакторов. Кроме того, важной задачей является создание конструкции реактора, картины перемешивания внутри которого легко могут быть смоделированы или прогнозированы при помощи экспериментов, позволяющих ограничить степень обычно нежелательного обратного перемешивания, за счет чего потенциально возможно получить оптимальную комбинацию желательных характеристик пробкового режима течения (обычно обеспечивающих высокую производительность и хорошую избирательность) и характеристик хорошего перемешивания (обычно необходимых для обеспечения желательного распределения твердых частиц и получения однородных температурных профилей).
Необходимо предложить решение, которое позволяет создавать зоны в реакторе, которые эффективно имитируют режим реактора при использовании меньшего характеристического диаметра. За счет этого можно в некоторой степени прогнозировать характеристики более крупного реактора, так как он эффективно образован совокупностью нескольких более мелких реакторов небольшой опытной установки. Однако при этом все еще существует большая зависимость от работы внутри границ картин макроперемешивания, которые образуются в реакторе меньшего характеристического диаметра. Было бы желательно найти способ, который дает проектировщику дополнительные степени свободы для осуществления, в некоторой степени, управления картинами перемешивания, которые установились в трехфазном шламовом реакторе.
Трехфазные шламовые реакторы обычно используют для осуществления высоко экзотермических реакций по причине их отличных характеристик отвода теплоты. Однако при использовании еще более активных катализаторов и при более интенсивном использовании объема реактора необходимо проверять способность отвода теплоты трехфазных шламовых реакторов.
В свете того, что было описано здесь выше, было бы желательно найти способ, который позволяет существенно снизить риск, связанный с масштабированием трехфазных шламовых реакторов, и который дает проектировщику дополнительные степени свободы для осуществления некоторого управления картинами перемешивания в реакторе, при одновременном повышении способности отвода теплоты реактора.
Заявителю известен патент США 6,375,921, в котором раскрыта барботажная колонна с перфорированными тарелками, позволяющая работать в противотоке. В этом патенте показано, что можно использовать пластинчатые теплообменники внутри барботажной колонны. В патенте США 6,375,921, однако, нет указаний относительно решения проблемы масштабирования трехфазных шламовых реакторов с непрерывно вертикально простирающимися (идущими) массами шлама.
Заявителю также известна публикация WO 02/096835. В этом документе раскрыт способ преобразования синтез-газа в более высокие углеводороды в массе шлама. Здесь используют перемешивание с высоким сдвигом, так что реактор, в котором осуществляют указанный способ, можно рассматривать как корпусной реактор с непрерывным перемешиванием. В публикации WO 02/096835, однако, нет указаний относительно решения проблемы масштабирования трехфазных шламовых реакторов с непрерывно вертикально простирающимися (идущими) массами шлама, работающими в пробковом режиме течения.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ обеспечения функционирования трехфазного шламового реактора, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
подача на низком уровне по меньшей мере одного газообразного реагента в вертикально расположенную массу шлама твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем масса шлама содержится во множестве вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов внутри общей оболочки реактора, при этом шламовые каналы образованы между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, причем каждый шламовый канал имеет такие высоту, ширину и глубину, что высота и глубина намного больше, чем ширина;
создание условий для реакции газообразного реагента, когда он проходит вверх через массу шлама, присутствующую в шламовых каналах, в результате чего образуется негазообразный и/или газообразный продукт;
создание условий для отделения газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента от массы шлама в головном свободном пространстве над массой шлама;
удаление газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента из головного свободного пространства;
при необходимости, поддержание массы шлама на желательном уровне за счет удаления шлама или жидкой суспензии, в том числе негазообразного продукта, если он есть, или за счет добавления шлама или жидкой суспензии.
Способ может предусматривать создание условий для прохождения шлама вниз от высокого уровня в массе шлама к более низкому уровню с использованием одной (одного) или нескольких зон стояков или стояков внутри оболочки реактора.
По меньшей мере некоторые из шламовых каналов могут иметь связь по потоку шлама над верхними концами шламовых каналов.
Разделительные стенки или пластины по меньшей мере некоторых из шламовых каналов могут отделять указанные шламовые каналы от смежных пространств для протекания среды теплопередачи. Способ может предусматривать пропускание среды теплопередачи через пространства для протекания среды теплопередачи, для теплообмена косвенным образом с массой шлама, присутствующей в шламовых каналах.
Поверхности теплопередачи реактора, такие как поверхности разделительных стенок или пластин, при необходимости могут быть профилированы или текстурированы для увеличения их площади поверхности теплопередачи или для улучшения коэффициентов теплопередачи, по сравнению с гладкими разделительными стенками или пластинами. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, например с использованием имеющих углубления или ребра разделительных стенок или пластин.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается способ обеспечения функционирования трехфазного шламового реактора, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
подача на низком уровне по меньшей мере одного газообразного реагента в вертикально расположенную массу шлама твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем масса шлама содержится во множестве вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов внутри общей оболочки реактора, при этом по меньшей мере некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама выше открытых верхних концов шламовых каналов, и по меньшей мере некоторые из шламовых каналов ограничены стенками, разделяющими шламовые каналы от пространства или пространств для протекания среды теплопередачи;
создание условий для реакции газообразного реагента, когда он проходит вверх через массу шлама, присутствующую в шламовых каналах, в результате чего образуется негазообразный и/или газообразный продукт;
пропускание среды теплопередачи через пространство или пространства для протекания среды теплопередачи, для теплообмена косвенным образом с массой шлама, присутствующей в шламовых каналах;
создание условий для прохождения шлама вниз от высокого уровня в массе шлама к более низкому уровню, с использованием одной(одного) или нескольких зон стояков или стояков внутри оболочки реактора;
создание условий для отделения газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента от массы шлама в головном свободном пространстве над массой шлама;
удаление газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента из головного свободного пространства;
при необходимости, поддержание массы шлама на желательном уровне за счет удаления шлама или жидкой суспензии, в том числе негазообразного продукта, если он есть, или за счет добавления шлама или жидкой суспензии.
Шламовые каналы преимущественно изолированы друг от друга между их открытыми верхними концами и открытыми нижними концами и преимущественно разделены друг от друга пространствами для протекания среды теплопередачи. Другими словами, способ преимущественно предусматривает предотвращение связи по потоку шлама на всех уровнях между открытыми верхними концами и открытыми нижними концами шламовых каналов, так что шламовые каналы являются дискретными и образуют полностью индивидуализированные реакционные камеры.
Шламовые каналы, которые используют в способе по второму аспекту настоящего изобретения, могут быть образованы вертикально идущими трубами, между трубными листами, с пространством для протекания среды теплопередачи, образованным между трубными листами и окружающими трубами. Трубы типично имеют диаметр по меньшей мере около 10 см.
Вместо этого шламовые каналы могут быть образованы вертикально идущими и имеющими горизонтальное смещение друг от друга разделительными стенками или пластинами, с пространствами для протекания среды теплопередачи, также образованными между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, причем по меньшей мере некоторые из шламовых каналов отделены от смежных пространств для протекания среды теплопередачи общими или совместно используемыми разделительными стенками или пластинами.
Разделительные стенки или пластины могут быть параллельными друг другу, и могут ограничивать шламовые каналы и пространства для протекания среды теплопередачи, с такой высотой, шириной и глубиной, что высота и глубина типично намного больше, чем ширина. Другими словами, каждая разделительная стенка имеет высоту и глубину, которые являются существенными, и относительно малую толщину, причем эта стенка имеет относительно малый промежуток от смежной разделительной стенки, в результате чего образуются вертикально идущие каналы в виде параллелепипеда или пространства, один размер которых намного меньше, чем два других размера.
Поверхности теплопередачи реактора, такие как поверхности разделительных стенок, пластин или труб, при необходимости могут быть профилированы или текстурированы для увеличения их площади поверхности теплопередачи или для улучшения коэффициентов теплопередачи, по сравнению с гладкими разделительными стенками или гладкими цилиндрическими трубами. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, например, с использованием имеющих углубления или ребра стенок, пластин или труб.
Когда шламовые каналы образованы при помощи разделительных стенок, шлам и среда теплопередачи могут присутствовать в шламовых каналах и в пространствах для протекания среды теплопередачи, которые расположены поочередно. Таким образом, каждый шламовый канал может быть фланкирован двумя пространствами для протекания среды теплопередачи или расположен между ними, за исключением радиально внешних шламовых каналов.
Нисходящий поток шлама в зонах стояков или в стояках может быть достаточно высоким, так что главным образом отсутствует нисходящий поток шлама в шламовых каналах.
Можно полагать, что способ может, по меньшей мере в принципе, иметь более широкое применение, несмотря на то, что в нем предусмотрено использование твердых частиц, которые обычно являются частицами катализатора, предназначенными для того, чтобы катализировать реакции газообразного реагента или газообразных реагентов в жидкий продукт и/или в газообразный продукт. Жидкой суспензией обычно, но не всегда обязательно, может быть жидкий продукт, причем жидкую фазу или шлам удаляют из массы шлама, чтобы поддерживать массу шлама на желательном уровне.
Более того, можно также полагать, что, в принципе, способ может иметь более широкое применение, несмотря на то, что он имеет особое применение в синтезе углеводорода, когда газообразные реагенты могут реагировать каталитически экзотермически в массе шлама, чтобы образовывать жидкий углеводородный продукт и, возможно, газообразный углеводородный продукт. В частности, реакцией или синтезом углеводорода может быть синтез Фишера-Тропша, с газообразными реагентами в виде потока синтез-газа, содержащего главным образом оксид углерода и водород, при этом получают как жидкие, так и газообразные углеводородные продукты, причем средой теплопередачи является охлаждающая среда, например котловая питательная вода.
Для синтеза углеводорода шламовые каналы типично имеют высоту по меньшей мере 0.5 м, преимущественно, по меньшей мере 1 м, а еще лучше, по меньшей мере 2 м, но могут иметь высоту даже 4 м или больше. Шламовые каналы типично имеют ширину по меньшей мере 2 см, преимущественно, по меньшей мере 3.8 см, а еще лучше, по меньшей мере 5 см. Ширина шламовых каналов типично не превышает 50 см, преимущественно, не превышает 25 см, а еще лучше, не превышает 15 см. Шламовые каналы типично имеют глубину в диапазоне ориентировочно от 0.2 м до 1 м. Оболочка реактора типично имеет диаметр по меньшей мере 1 м, преимущественно, по меньшей мере 2,5 м, а еще лучше, по меньшей мере 5 м, однако следует иметь в виду, что задачей настоящего изобретения является нейтрализация влияния диаметра реактора на параметры реактора.
Следует иметь в виду, что каждый шламовый канал, вне зависимости от того, образован он между разделительными стенками или образован при помощи трубы, функционирует независимо от оболочки реактора и может быть конфигурирован так. чтобы функционировать в значительной степени независимо от других шламовых каналов. Проектирование и испытание единственного шламового канала или небольшой подгруппы шламовых каналов в масштабе опытной установки легко может быть осуществлено, при этом переход к крупному реактору в масштабе промышленной установки, содержащему множество шламовых каналов, становится достаточно простым и менее рискованным, так как надлежащим образом могут быть исключены зависящие от масштаба эффекты макроперемешивания.
Более того, когда используют стояки или зоны стояков с достаточным нисходящим потоком шлама, так что при этом главным образом отсутствует нисходящий поток шлама в шламовых каналах, образование картин макроперемешивания, отличающихся от тех, которые диктуются заданными зонами нисходящего потока и восходящего потока, в объеме реактора становится практически невозможным.
Способ может предусматривать охлаждение газа из головного свободного пространства, чтобы конденсировать жидкий продукт, например жидкие углеводороды и воду реакции, а также может предусматривать разделение жидкого продукта от газов для создания остаточного газа, и может предусматривать рециркуляцию по меньшей мере части остаточного газа в массу шлама в качестве потока рециркулирующего газа.
Вертикально идущие (вертикально вытянутые), горизонтально расположенные зоны реактора могут быть образованы внутри оболочки реактора, причем каждая горизонтально расположенная зона реактора содержит множество шламовых каналов и, возможно, одно или несколько пространств для протекания среды теплопередачи. Способ может предусматривать предотвращение связи по потоку шлама между смежными вертикально идущими, горизонтально расположенными зонами реактора, на всех уровнях между верхними и нижними открытыми концами шламовых каналов в горизонтально расположенной зоне реактора. Это может быть осуществлено, например, за счет снабжения горизонтально расположенных зон реактора вертикально идущими боковыми стенками или за счет установки разделительных стенок в смежных горизонтально расположенных зонах реактора под перпендикулярными (прямыми) углами, так что торцевая разделительная стенка одной из горизонтально расположенных зон реактора в сущности образует боковую стенку смежной горизонтально расположенной зоны реактора.
Способ может предусматривать содержание (поддержание) массы шлама в вертикально смещенных друг от друга зонах реактора, каждая из которых содержит множество шламовых каналов и, возможно, одно или несколько пространств для протекания среды теплопередачи. Промежуточная шламовая зона может быть образована между вертикально смещенными друг от друга зонами реактора.
Способ может предусматривать подачу по меньшей мере одного газообразного потока в промежуточную зону между двумя вертикально смещенными друг от друга зонами реактора. Газообразным потоком может быть поток рециркулирующего газа. По желанию, газообразный поток может быть подан так, что участок площади поперечного сечения реактора не газирован газообразным потоком.
Одна(один) или несколько зон стояков или стояков могут идти от или выше открытых верхних концов шламовых каналов, или шламовых каналов в верхней вертикально смещенной зоне реактора, к (или ниже) открытым нижним концам шламовых каналов, или шламовых каналов в нижней вертикально смещенной зоне реактора.
Вместо этого, одна(один) или несколько зон стояков или стояков могут идти от или выше открытых верхних концов шламовых каналов в вертикально смещенной зоне реактора, к (или ниже) открытым нижним концам шламовых каналов в указанной вертикально смещенной зоне реактора, а часто в промежуточную зону ниже указанной вертикально смещенной зоны реактора. Более низкая или более высокая вертикально смещенная зона реактора может содержать аналогичную зону стояка или стояк, которые могут быть расположены уступами в виде сверху от зоны стояка или стояка в вертикально смещенной зоне реактора, расположенной выше или ниже, или которые могут быть совмещены с зоной стояка или со стояком в вертикально смещенной зоне реактора, расположенной выше или ниже.
По желанию, зона стояка может содержать пространство или пространства для протекания среды теплопередачи и/или фильтр для разделения твердых частиц от жидкой суспензии.
Разрешение прохождения шлама вниз в зоне стояка или в стояке может предусматривать предотвращение или запрет поступления газообразного реагента или реагентов в зону стояка, например, за счет использования перегородки и/или может предусматривать дегазирование шлама в зоне стояка или в стояке, например, за счет использования дегазатора на верхнем конце зоны стояка или стояка.
Способ может предусматривать разрешение связи по потоку шлама между горизонтально расположенными зонами реактора в одной или нескольких промежуточных зонах, и/или на дне реактора, ниже открытых нижних концов шламовых каналов.
Способ может предусматривать ограничение осевого перемешивания твердых частиц по всей длине реактора. Это может быть осуществлено за счет выбора вертикально смещенных друг от друга зон реакции и стояков, перекрывающих длину одной реакционной зоны.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предлагается трехфазный шламовый реактор, причем указанный реактор содержит:
оболочку реактора, которая содержит множество вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов, которые, в рабочем режиме, содержат шлам твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем шламовые каналы образованы между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, при этом каждый шламовый канал имеет такие высоту, ширину и глубину, что высота и глубина намного больше, чем ширина;
газовый впуск в оболочке реактора, предназначенный для введения газообразного реагента или газообразных реагентов в реактор;
газовый выпуск в оболочке, предназначенный для удаления газа из головного свободного пространства в оболочке над шламовыми каналами.
По меньшей мере некоторые из разделительных стенок или пластин могут образовывать пространства или каналы для протекания среды теплопередачи. Каналы для протекания среды теплопередачи также могут иметь такие высоту, ширину и глубину, что высота и глубина намного больше, чем ширина.
Поверхности теплопередачи реактора, такие как поверхности разделительных стенок или пластин, при необходимости могут быть профилированы или текстурированы для увеличения их площади поверхности теплопередачи или для улучшения коэффициентов теплопередачи. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, например, с использованием имеющих углубления или ребра стенок или пластин.
Каналы могут быть выполнены в соответствии с описанным здесь ранее.
Шламовые каналы расположены в шламовой зоне внутри оболочки реактора. Шламовая зона может иметь нормальный уровень шлама выше открытых верхних концов шламовых каналов, так что по меньшей мере некоторые из шламовых каналов могут иметь связь по потоку шлама выше их открытых верхних концов.
Реактор может содержать одну(один) или несколько зон стояков или стояков, через которые в рабочем режиме может проходить шлам от высокого уровня в шламовой зоне до более низкого уровня.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предлагается трехфазный шламовый реактор, причем указанный реактор содержит:
оболочку реактора, которая содержит множество вертикально идущих (вертикально вытянутых) и горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов, которые, в рабочем режиме, содержат шлам твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем шламовые каналы расположены в шламовой зоне внутри оболочки реактора, которая имеет нормальный уровень шлама выше открытых верхних концов шламовых каналов, так что по меньшей мере некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама выше их открытых концов;
пространство или пространства для протекания среды теплопередачи, образованные при помощи стенок шламовых каналов, разделяющих шламовые каналы от пространства или пространств для протекания среды теплопередачи, так что, в рабочем режиме, будет происходить теплообмен косвенным образом между шламом в шламовых каналах и средой теплопередачи в пространстве или пространствах для протекания среды теплопередачи;
одну(один) или несколько зон стояков или стояков, через которые шлам может проходить от высокого уровня в шламовой зоне к более низкому уровню;
газовый впуск в оболочке реактора, предназначенный для введения газообразного реагента или газообразных реагентов в реактор;
газовый выпуск в оболочке, предназначенный для удаления газа из головного свободного пространства в оболочке над шламовыми каналами;
при необходимости, впуск для жидкости, предназначенный для добавления или удаления шлама или жидкой суспензии в реактор или из реактора.
По меньшей мере некоторые из шламовых каналов могут иметь связь по потоку шлама ниже открытых нижних концов шламовых каналов. Шламовые каналы могут иметь конфигурацию стенок, предотвращающую течение шлама из шламовых каналов или в шламовые каналы кроме как через открытые верхние и нижние концы шламовых каналов. Другими словами, стенки типично предотвращают радиальное или поперечное течение шлама между шламовыми каналами, так что шламовые каналы представляет собой полностью индивидуализированные реакционные камеры.
Шламовые каналы в реакторе в соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения могут быть образованы при помощи вертикально идущих труб, между трубными листами, с пространством для протекания среды теплопередачи, образованным между трубными листами и окружающим трубы. Трубы типично имеют диаметр по меньшей мере около 10 см.
Вместо этого шламовые каналы могут быть образованы при помощи вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга разделительных стенок или пластин, с пространствами для протекания среды теплопередачи, образованными между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, причем по меньшей мере некоторые шламовые каналы отделены от смежных пространств для протекания среды теплопередачи при помощи общих или совместно используемых разделительных стенок или пластин.
Разделительные стенки или пластины могут быть параллельными друг другу и образуют шламовые каналы и пространства для протекания среды теплопередачи в соответствии с описанным здесь ранее. Типично разделительные стенки или пластины в виде сверху соответствуют хордам кольцевой цилиндрической оболочки реактора.
Когда шламовые каналы образованы при помощи разделительных стенок, шламовые каналы и пространства для протекания среды теплопередачи могут быть расположены поочередно. Таким образом, каждый шламовый канал может быть фланкирован двумя пространствами для протекания среды теплопередачи или расположен между ними, за исключением радиально внешних шламовых каналов.
Поверхности теплопередачи реактора, такие как поверхности разделительных стенок, пластин или труб, при необходимости могут быть профилированы или текстурированы для увеличения их площади поверхности теплопередачи или для улучшения коэффициентов теплопередачи, по сравнению с гладкими разделительными стенками или гладкими цилиндрическими трубами. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, например, с использованием имеющих углубления или ребра стенок, пластин или труб.
Шламовые каналы, при необходимости совместно с одним или несколькими пространствами для протекания среды теплопередачи, могут быть сгруппированы вместе в модулях реактора или в суб-реакторах. Суб-реакторы могут быть горизонтально расположены и распределены в поперечном сечении оболочки реактора. Суб-реактор может иметь вертикально идущие боковые стенки, разделяющие его от смежного и горизонтально смещенного от него суб-реактора. Вертикально идущая боковая стенка может иметь конфигурацию, предотвращающую связь по потоку шлама между смежными горизонтально расположенными суб-реакторами на всех уровнях между верхними и нижними открытыми концами шламовых каналов смежных горизонтально расположенных суб-реакторов.
Каждый из шламовых каналов горизонтально расположенных или горизонтально смещенных друг от друга смежных суб-реакторов может иметь ось глубины, когда шламовые каналы ограничены разделительными стенками или пластинами, причем оси глубины шламовых каналов смежных горизонтально расположенных суб-реакторов являются параллельными. Вместо этого оси глубины смежных горизонтально расположенных суб-реакторов могут быть перпендикулярными друг другу. В таком варианте торцевая разделительная стенка суб-реактора может образовывать боковую стенку, отделяющую суб-реактор от горизонтально расположенного смежного суб-реактора.
Реактор может содержать модули реактора или суб-реакторы, которые вертикально смещены друг от друга, с открытыми верхними концами шламовых каналов нижних суб-реакторов или суб-реакторов, расположенных ниже открытых нижних концов шламовых каналов верхнего суб-реактора или верхних суб-реакторов.
Реактор может содержать промежуточную зону между верхним (верхними) суб-реактором (суб-реакторами) и нижним (нижними) (суб-реакторами). Промежуточная зона может иметь связь по потоку со шламовыми каналами верхнего суб-реактора или верхних суб-реакторов, и со шламовыми каналами нижнего суб-реактора или нижних суб-реакторов. Другими словами, может быть разрешено поперечное или горизонтальное течение или перемешивание шлама в промежуточной зоне, так как промежуточная зона не имеет барьеров, которые могли бы препятствовать поперечному потоку между открытыми концами шламовых каналов, открытых в промежуточную зону.
Реактор может содержать газовый впуск в промежуточной зоне между верхними и нижними суб-реакторами. Газовым впуском может быть рециркуляционный газовый впуск. Газовый впуск может иметь конфигурацию, позволяющую вводить газ только в участок площади поперечного сечения оболочки реактора. Другими словами, газовый впуск в рабочем режиме позволяет вводить газ только в избранную область поперечного сечения реактора, например, только в некоторые суб-реакторы или некоторые из шламовых каналах.
Одна(один) или несколько зон стояков или стояков могут идти от или выше открытых верхних концов шламовых каналов, или шламовых каналов верхнего суб-реактора, к (или ниже) открытым нижним концам шламовых каналов, или шламовых каналов нижнего суб-реактора.
Вместо этого, одна(один) или несколько зон стояков или стояков могут идти от или выше открытых верхних концов шламовых каналов в одном суб-реакторе, к (или ниже) открытым нижним концам шламовых каналов указанного суб-реактора, а часто в промежуточную зону ниже указанного суб-реактора. Зоны стояков или стояки вертикально смещенных друг от друга суб-реакторов могут быть разнесены в виде сверху или могут быть совмещены.
Стояк или зона стояка могут быть заданы шламовыми каналами, приспособленными для работы в качестве стояка или зоны стояка. Такой приспособленный шламовый канал может быть объединен с устройством исключения газирования, или может иметь устройство исключения газирования, например перегородку, или может быть объединен с дегазатором, или может иметь дегазатор на своем верхнем конце.
Зона стояка или стояк могут содержать пространство или пространства для протекания среды теплопередачи и/или может содержать фильтр для разделения твердых частиц от жидкой суспензии.
Пространства для протекания среды теплопередачи, когда они образуют каналы, имеют закрытые концы, и снабжены устройствами для впуска и выпуска среды теплопередачи. Устройства для впуска и выпуска среды теплопередачи могут быть открыты в каналы через их закрытые концы, то есть по оси или вертикально, или же каналы или пространства для протекания среды теплопередачи могут иметь связь по потоку поперечно или горизонтально, подобно пластинчатому теплообменнику, в котором каждое второе пространство имеет связь по потоку, оставаясь герметичным по отношению к промежуточным (переходным) пространствам.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 схематично показано сечение одного из вариантов трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 схематично показано сечение другого варианта трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 схематично показано трехмерное изображение некоторых модулей реактора или суб-реакторов и стояков или зон стояков трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 схематично показан вид сверху модулей реактора и стояков, показанных на фиг.3.
На фиг.5 схематично показано трехмерное изображение некоторых верхних и нижних модулей или реакторов и стояков трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6-9 схематично показаны сечения различных вариантов трехфазных шламовых реакторов в соответствии с настоящим изобретением, со стояками или без стояков.
На фиг.10-12 схематично показаны сечения различных вариантов трехфазных шламовых реакторов в соответствии с настоящим изобретением, с каскадом введения газа и с различными построениями стояков.
На фиг.13-16 схематично показаны виды сверху различных построений разделительных стенок трехфазных шламовых реакторов в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.17-20 схематично показаны сечения различных вариантов трехфазных шламовых реакторов в соответствии с настоящим изобретением, где можно видеть различные построения стояков.
На фиг.21-28 схематично показаны сечения различных вариантов трехфазных шламовых реакторов в соответствии с настоящим изобретением, где можно видеть различные построения горизонтально расположенных модулей реактора или суб-реакторов и зон стояков.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой позицией 10 обозначен в общем виде один из вариантов трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением. Реактор 10 содержит оболочку 12 реактора, в которой размещено множество вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга параллельных разделительных стенок или пластин 14. Пластины 14 разграничивают множество шламовых каналов 16.
Оболочка 12 является кольцевой цилиндрической оболочкой и пластины 14 соответствуют хордам оболочки 12, в виде сверху. Каждый шламовый канал 16 имеет относительно малую ширину, то есть промежуток между пластинами 14, по сравнению с его высотой и его глубиной, причем его глубина идет вдоль оси, перпендикулярной к плоскости чертежа.
Хотя это и не показано на чертежах, по меньшей мере некоторые из разделительных стенок или пластин 14 могут быть профилированы или текстурированы для увеличения их площади поверхности теплопередачи или для улучшения коэффициентов теплопередачи, по сравнению с гладкими цилиндрическими трубами или гладкими боковыми стенками. Профилирование или текстурирование может быть осуществлено с использованием процессов, известных специалистам в данной области, например, с использованием имеющих углубления или ребра стенок или пластин.
Реактор 10 также содержит газовый впуск 18, ведущий в барботер 20, расположенный ниже шламовых каналов 16. Предусмотрен также газовый выпуск 22, который имеет связь по потоку с головным свободным пространством 24 над шламовыми каналами 16. Выпуск для жидкости отходит от дна реактора 10, ниже шламовых каналов 16, но он также может быть расположен в любом другом удобном месте.
Реактор 10 имеет зону шлама, идущую от дна реактора 10 до нормального уровня шлама, обозначенного позициями 28 и 30. Как это показано на фиг.1, нормальный уровень 28 шлама может быть ниже открытых верхних концов шламовых каналов 16 или же нормальный уровень 30 шлама может быть выше открытых верхних концов шламовых каналов 16, так что в рабочем режиме пластины 14 полностью погружены в шлам.
В шламовом реакторе, таком как реактор 10, ограничено или главным образом исключено взаимодействие между шламовыми каналами 16, в том месте, где они открыты к дну реактора 10. Реакционные пространства, образованные шламовыми каналами 16, являются главным образом двумерными, и, если шламовые каналы работают по существу независимо друг от друга, зависимость от диаметра оболочки реактора 12 в значительной степени или полностью исчезает. Это облегчает масштабирование, так как представительный блок, содержащий один или всего несколько шламовых каналов, может быть изучен отдельно и независимо от реактора крупной промышленной установки.
Когда пластины 14 полностью погружены в массу шлама, то есть когда нормальный уровень шлама представляет собой уровень 28, реактор 10 по существу работает как набор параллельных, вертикально идущих двумерных трехфазных шламовых колонн. При этом с успехом может быть использовано различие между этими двумерными колоннами и обычными трехмерными колоннами, связанное с перемешиванием, задержкой газа, теплопередачей и массопередачей.
Для полностью погруженных пластин 14, когда нормальный уровень шлама представляет собой уровень 30, возникает еще больше благоприятных возможностей. Могут быть установлены режимы циркуляции шлама в шламовых каналах 16, позволяющие обеспечивать лучшие характеристики пробкового режима течения для фаз в шламовых каналах 16, более однородное распределение твердых частиц в объеме шлама и более высокие коэффициенты теплопередачи (реакторы с устройствами теплопередачи обсуждается далее более подробно).
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой показан другой вариант трехфазного шламового реактора в соответствии с настоящим изобретением, обозначенный в общем виде позицией 100. Реактор 100 аналогичен реактору 10 во многих отношениях, причем аналогичные или идентичные элементы на фиг.1 и 2 имеют одинаковые позиционные обозначения, если специально не оговорено иное. В реакторе 100 каналы 32 для среды теплопередачи также образованы между некоторыми из пластин 14. Каналы 32 для среды теплопередачи имеют закрытые нижние концы и закрытые верхние концы, однако они имеют связь по потоку друг с другом на их концах и имеют связь по потоку с устройствами впуска и выпуска среды теплопередачи (не показаны). Таким образом, в рабочем режиме среда теплопередачи может проходить через каналы 32 для среды теплопередачи, вверх или вниз.
Шламовые каналы 16 и каналы 32 для среды теплопередачи расположены поочередно, так что каждый шламовый канал 16 фланкируется двумя каналами 32 для среды теплопередачи или расположен между ними, за исключением радиально внешних шламовых каналов 16, в зависимости от специфической конструкции реактора 100.
В реакторе 100 шламовые каналы 16 и каналы 32 для среды теплопередачи сгруппированы в верхнюю группу, которая образует верхний набор пластин или суб-реактор 34, и в нижнюю группу, которая образует нижний набор пластин или суб-реактор 36. Верхний суб-реактор 34 вертикально смещен от нижнего суб-реактора 36, так что открытые нижние концы шламовых каналов 16 верхнего суб-реактора 34 находятся выше открытых верхних концов шламовых каналов 16 нижнего суб-реактора 36. Между верхним суб-реактором 34 и нижним суб-реактором 36 образована промежуточная зона 38. Газовый впуск, который представляет собой рециркуляционный газовый впуск и который обозначен позицией 40, ведет в промежуточную зону 35 с двух диагонально противоположных сторон реактора 100. Каждый рециркуляционный газовый впуск 40 объединен с барботером 42.
Стояк 44 с дегазатором 46 предусмотрен по центру в оболочке 12 реактора и идет от точки выше открытых верхних концов шламовых каналов 16 верхнего суб-реактора 34 до точки ниже открытых нижних концов шламовых каналов 16 верхнего суб-реактора 34, то есть идет в промежуточную зону 38. Между оболочкой реактора 12 и пластинами 14 нижнего суб-реактора 36 образована кольцевая зона 48 стояка. Следует иметь в виду, что барботеры 42 выполнены так, чтобы не газировать стояк 44, а барботеры 18 выполнены так, чтобы не газировать зону 48 стояка. Можно видеть, что стояк 44 смещен относительно зоны 48 стояка, в результате чего обеспечивается рециркуляция или перераспределение потока шлама, как это показано стрелками 50.
Реактор 100 в принципе подходит для осуществления многих процессов, требующих использования трехфазного шламового реактора и обеспечения теплопередачи в шлам или из него. Однако далее для примера будет описан только один вид использования реактора, а именно синтез углеводорода.
В рабочем режиме свежий синтез-газ, который содержит главным образом оксид углерода и водород в качестве газообразных реагентов, поступает в дно реактора 100 через газовый впуск 18 и барботер 20. При помощи барботера 20 синтез-газ равномерно распределяют по всему объему шлама, присутствующего на дне реактора 100. Одновременно поток рециркулирующего газа (типично охлажденного), который содержит типично водород, оксид углерода, метан и диоксид углерода, возвращают в реактор 100 через рециркуляционные газовые впуски 40 и барботеры 42. Весь поток рециркулирующего газа может быть подан в промежуточную зону 38 с использованием рециркуляционных газовых впусков 40, или, по желанию, часть потока рециркулирующего газа может быть возвращена к дну реактора 100, с использованием газового впуска 18.
При помощи барботеров 42 шламовые каналы 16 верхнего суб-реактора 34 заполняются рециркулирующим газом, а стояк 44 газом не заполняется. Таким образом, за счет использования рециркуляционных газовых впусков 40 часть рециркулирующего газа может огибать шлам (не проходить через него), расположенный на участке реактора 100 ниже барботера 42. За счет этого полное время задержки газа в реакторе 100 может быть уменьшено, в результате чего удивительным образом повышается производительность реактора.
Газообразные реагенты, которые содержат свежий синтез-газ и любой рециркулирующий газ, проходят вверх через массу 52 шлама, которая занимает шламовые каналы 16 верхних и нижних суб-реакторов 34, 36 и которая простирается от дна реактора 100 до уровня 30. Масса 52 шлама содержит частицы катализатора Фишера-Тропша, который типично представляет собой катализатор на базе железа или кобальта, взвешенный в жидком продукте (главным образом в парафине). Массой 52 шлама управляют так, чтобы уровень 30 шлама находился выше открытых верхних концов шламовых каналов 16 верхних суб-реакторов 34, и над дегазатором 46.
Когда синтез-газ барботирует через массу 52 шлама, газообразные реагенты в ней вступают в реакцию каталитически и экзотермически, в результате чего образуется жидкий продукт, который является частью массы 52 шлама. Время от времени (периодически), или непрерывно, жидкую фазу или шлам, содержащие жидкий продукт, выгружают через выпуск 26 для жидкости, при этом контролируют уровень 30 шлама. Частицы катализатора отделяют от жидкого продукта в подходящей внутренней или внешней разделительной системе, например, с использованием фильтров (не показаны). Если используют разделительную систему, расположенную снаружи от реактора 100, то тогда используют также дополнительную систему (не показана) для возврата частиц отделенного катализатора в реактор 100.
Свежий синтез-газ и рециркулирующий газ вводят в реактор 100 со скоростью, достаточной для перемешивания и суспендирования всех частиц катализатора внутри реактора 100 без осаждения. Скорость подачи газа выбирают в зависимости от концентрации шлама, плотности катализатора, плотности и вязкости суспендирующей среды и размера использованных частиц. Подходящая скорость подачи газа составляет, например, ориентировочно от 5 до 50 см/сек. Однако в барботажных колоннах были проверены скорости подачи газа ориентировочно до 85 см/сек. Недостатком использования более высоких скоростей является то, что оно сопровождается большей задержкой газа в реакторе, что оставляет относительно меньшее пространство для содержащего катализатор шлама. Однако вне зависимости от того, какая скорость подачи газа выбрана, она должна быть достаточна для того, чтобы избежать осаждения и агломерации частиц в реакторе 100.
Некоторая часть шлама непрерывно проходит вниз через стояк 44 и зону 48 стояка, как это показано стрелками 50, что позволяет достичь перераспределения частиц катализатора в массе 52 шлама и способствует равномерному распределению теплоты в массе 52 шлама. Следует иметь в виду, что в зависимости от устройства стояков или зон стояков возможно перераспределение шлама в избранных вертикально идущих областях реактора 100.
Реактор 100 работает так, что слой 52 шлама в нем находится в гетерогенном или смешанном турбулентном режиме течения и содержит разбавленную фазу, содержащую быстро поднимающиеся крупные пузырьки газообразных реагентов и газообразного продукта, которые проходят через массу 52 шлама фактически в пробковом режиме течения, и плотную фазу, которая содержит жидкий продукт, твердые частицы катализатора и увлеченные мелкие пузырьки газообразных реагентов и газообразного продукта. За счет использования шламовых каналов 16 активируется пробковый режим течения всего реактора 100, так как каждый шламовый канал 16 имеет существенно более высокий коэффициент формы, зависящий от его высоты и ширины, чем коэффициент формы оболочки 12.
Преимущественно скорость нисходящего потока шлама в зонах 44 и 48 стояков является достаточно высокой, так что главным образом отсутствует нисходящий поток шлама в шламовых каналах 16. За счет этого главным образом предотвращается образование картины макроперемешивания, кроме как в областях ниже зон 44 и 48 стояков и выше шламовых каналов 16.
Масса 52 шлама присутствует в чередующихся, имеющих открытые концы шламовых каналов 16 верхнего суб-реактора 34 и нижнего суб-реактора 36. Котловая питательная вода в качестве охлаждающей среды циркулирует через имеющие закрытые концы каналы 32 для среды теплопередачи, что позволяет отводить теплоту экзотермических реакций. Можно видеть, что пластины 14 создают большие площади поверхности теплопередачи, позволяющие отводить теплоту из массы 52 шлама за счет косвенной теплопередачи в котловую питательную воду.
Легкие углеводородные продукты, такие как С20 и нижние фракции, выводятся из реактора 100 через газовый выпуск 22 и поступают в разделительный блок (не показан). Типично разделительный блок содержит серии охладителей и сепаратор пар-жидкость, и при необходимости может содержать дополнительные охладители и сепараторы и, возможно, также криогенный блок для удаления водорода, оксида углерода, метана и диоксида углерода из C20 и нижних углеводородных фракций. Могут быть использованы и другие технологии разделения, например, с использованием мембранных блоков, адсорбционных блоков с колебаниями давления и/или блоков для избирательного удаления диоксида углерода. Отделенные газы, содержащие азот, оксид углерода и другие газы, сжимают и рециркулируют при помощи компрессора (не показан), чтобы получить поток рециркулирующего газа. Конденсированные жидкие углеводороды и воду реакции выводят из разделительного блока для дальнейшей обработки.
Несмотря на то, что в показанном реакторе 100 возможна рециркуляция газа, следует иметь в виду, что поток рециркулирующего газа не обязательно используют во всех вариантах настоящего изобретения.
За счет наличия пластин 14 может быть исключена связь по потоку шлама между шламовыми каналами 16, на всех уровнях между их открытыми верхними концами и их открытыми нижними концами. Однако выше открытых верхних концов шламовых каналов 16 верхнего суб-реактора 34 нет препятствий для протекания шлама. Аналогично в промежуточной зоне 38 и ниже открытых нижних концов шламовых каналов 16 нижнего суб-реактора 36 нет препятствий для протекания шлама.
Трехфазный шламовый реактор в соответствии с настоящим изобретением может содержать множество горизонтально расположенных модулей реактора или суб-реакторов, которые соответственно находятся на одном и том же уровне внутри оболочки 12 реактора, но распределены по площади поперечного сечения оболочки 12 реактора. На фиг.3 и 4 показаны некоторые из этих горизонтально расположенных модулей реактора, или суб-реакторов, или наборов пластин, которые обозначены позицией 60. С суб-реакторами 60 объединены зоны стояков, которые обозначены позицией 62. Барботер 64 предусмотрен ниже суб-реакторов 60 и зон 62 стояков.
Как уже было упомянуто здесь выше, зоны 62 стояков также содержат множество вертикально идущих разделительных стенок или пластин 14, аналогичных использованным в суб-реакторах 60. Однако барботер 64 не газирует зоны 62 стояков, что позволяет зонам 62 работать как стояки, а не как суб-реакторы.
Аналогично суб-реакторам 60 зоны 62 стояков имеют шламовые каналы и каналы для среды теплопередачи, которые чередуются.
На фиг.3 и 4 высоты суб-реакторов 60 и зон 62 стояков показаны равными. Однако следует иметь в виду, что они могут иметь различную высоту, ширину и глубину канала.
Как это показано скрещенными стрелками 61 на фиг.4, отсутствует обмен шлама между суб-реакторами 60 или между суб-реакторами 60 и зонами 62 стояков, за исключением областей выше открытых верхних концов шламовых каналов и ниже нижних открытых концов шламовых каналов.
Параллельные пластины суб-реактора или набор пластин могут образовывать каналы 16 с открытыми сторонами, как это показано на фиг.13, или же суб-реакторы могут иметь боковые стенки 63, как это показано на фиг.14. Когда стороны каналов 16 закрыты боковыми стенками 63, как это показано на фиг.14, отсутствует взаимодействие между шламом в каналах 16 одного такого суб-реактора со шламом в каналах 16 смежного суб-реактора, если только не предусмотрены отверстия в боковых стенках 63. Само собой разумеется, что боковые стенки могут закрывать несколько суб-реакторов или наборов пластин.
Когда два суб-реактора устроены так, что их пластины 14 являются параллельными, как это показано на фиг.15, а боковые стенки отсутствуют, шлам в каналах 16 одного суб-реактора может взаимодействовать со шламом в каналах 16 смежного суб-реактора. Когда пластины 14 смежных суб-реакторов являются перпендикулярными, как это показано на фиг.16, торцевая пластина одного суб-реактора в сущности образует боковую стенку, препятствующую взаимодействию между шламом в каналах 16 двух суб-реакторов.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.5, на которой показаны верхние суб-реакторы 34 и нижние суб-реакторы 36, а также два стояка или две зоны 62 стояков. Показаны также два барботера 64, один ниже верхних суб-реакторов 34 и один ниже нижних суб-реакторов 36. В компоновке реактора, показанной на фиг.5, стояки или зоны 62 стояков идут от открытых концов шламовых каналов верхних суб-реакторов 34 через промежуточную зону 38 до точки ниже открытых нижних концов нижних суб-реакторов 36, и фактически до точки ниже нижнего барботера 64. Известно, что при таком построении достигается существенная осевая циркуляция и может быть обеспечена контролируемая картина (картина перемешивания). Можно также обеспечить ограниченный обмен шламом между смежными суб-реакторами 34.а и 34.b или 36.а и 36.b. Следует иметь в виду, что шламовые каналы могут быть спроектированы так, чтобы иметь желательную площадь поверхности теплопередачи, гидравлический диаметр и т.п. По желанию, дополнительный барботаж газа может быть осуществлен между вертикально смещенными друг от друга суб-реакторами, в промежуточной зоне 38, причем внутренние устройства фильтрации могут быть установлены в промежуточной зоне 38, или в одном из стояков, или в одной из зон 62 стояков. Одним из преимуществ введения внутренних устройств, таких как фильтры, в стояк или в зону стояка является снижение задержки газа за счет относительно высоких скоростей в зоне стояка. За счет выбора местоположений стояков или зон 62 стояков и выбора их специфических положений на площади поперечного сечения оболочки 12 реактора можно существенным образом влиять на циркуляцию шлама, чтобы достичь желательных результатов.
Стояки или зоны стояков могут быть полезны в выравнивании профиля задержки твердых частиц и профиля температуры по высоте трехфазного шламового реактора. Однако, одновременно, они вызывают осевое перемешивание, которое иногда может быть нежелательным. За счет соответствующего проектирования осевое перемешивание может быть усилено (что приводит к режиму работы устройства в виде стояка) или может быть подавлено, чтобы способствовать установлению характеристик пробкового режима потока в реакторе.
На фиг.6-9 показаны различные варианты трехфазных шламовых реакторов в соответствии с настоящим изобретением, с различными построениями стояков. На фиг.6 реактор имеет четыре вертикально смещенных друг от друга суб-реактора или набора пластин, без стояка. На фиг.7 показан стояк, идущий по оси через суб-реакторы или наборы пластин. На фиг.8 показано, как могут быть расположены стояки в каждом суб-реакторе или в каждом наборе пластин, чтобы в виде сверху они имели смещение между верхними и нижними суб-реакторами или наборами пластин. На фиг.9 показан трехфазный шламовый реактор с разделительными стенками или пластинами, идущими главным образом по всей длине реактора, от области дна до области головного свободного пространства, с единственным стояком, идущим из головного свободного пространства в область дна.
Различные построения стояков или зон стояков показаны на фиг.17-20, на которых стояки или зоны стояков обозначены позицией 70. На фиг.17 зоны 70 стояков распределены по площади поперечного сечения оболочки 12 реактора. На фиг.18 зона 70 стояка, смежная с оболочкой 12 реактора, является ориентировочно кольцевой в виде сверху. Зона 70 стояка на фиг.19 находится у одной стороны оболочки 12 реактора, а на фиг.20 зона стояка 70 расположена по центру.
За счет выбора схемы расположения суб-реакторов и стояков или зон стояков можно позволять или исключать взаимодействие потока шлама между различными зонами восходящего потока в реакторе (образованными при помощи шламовых каналов) и предотвращать или исключать взаимодействие между этими зонами восходящего потока и зонами нисходящего потока (образованными при помощи стояков или зон стояков). Таким образом, в реакторе, таком как реактор 100, на специфическом уровне, таком как уровень, обозначенный позицией 72 на фиг.2, возможны множество конфигураций, некоторые из которых показаны на фиг.21-28.
На фиг.21 зоны 70 нисходящего потока находятся у стенок оболочки 12 реактора. Каждый суб-реактор, обозначенный позицией 74, имеет боковые стенки, за счет чего исключено шламовое взаимодействие между суб-реакторами 74, и между суб-реакторами 74 и зонами 70 нисходящего потока.
Суб-реакторы 74, показанные на фиг.22, не имеют боковых стенок и шламовые каналы смежных суб-реакторов 74 являются параллельными. Таким образом, возможно шламовое взаимодействие в этих шламовых каналах. В отличие от этого, на фиг.23 показано, что шламовые каналы смежных суб-реакторов 74 являются перпендикулярными. Индивидуальные суб-реакторы 74 не имеют боковых стенок, однако группа из 25 суб-реакторов имеет боковые стенки 76. Суб-реакторы 74 несколько смещены друг от друга, что позволяет иметь ограниченное шламовое взаимодействие между смежными суб-реакторами 74, однако перпендикулярное расположение пластин исключает более свободное шламовое взаимодействие между смежными суб-реакторами 74. Не допускается шламового взаимодействия между зонами восходящего потока, то есть между суб-реакторами 74 и зонами 70 стояков.
На фиг.24 показаны суб-реакторы 74, которые имеют боковые стенки и распределенные зоны 70 стояков. Таким образом, в этом случае отсутствует шламовое взаимодействие между суб-реакторами 74 или между суб-реакторами 74 и зонами 70 стояков. В отличие от этого, на фиг.25 показаны суб-реакторы 74, которые не имеют боковых стенок, а зоны 70 стояков находятся только у оболочки 12. В этом случае может быть существенное шламовое взаимодействие между суб-реакторами 74, и между суб-реакторами 74 и зонами 70 стояков. На фиг.26 вновь показаны суб-реакторы 74 без боковых стенок, однако во многих из них шламовые каналы являются перпендикулярными шламовым каналам смежных суб-реакторов 74. Несмотря на то, что в этом случае имеется некоторое взаимодействие между смежными суб-реакторами 74 и между суб-реакторами 74 и зонами 70 стояков, шламовое взаимодействие будет более ограничено, чем в случае реактора, показанного на фиг.25.
На фиг.27 показан реактор, аналогичный реактору, показанному на фиг.26, но в котором зоны 70 стояков распределены по площади поперечного сечения реактора.
На фиг.28 зона 70 стояка вновь расположена у одной из стенок оболочки 12 реактора. В этом случае имеется ограниченное шламовое взаимодействие между суб-реакторами 74 в результате небольшого смещения между суб-реакторами 74, несмотря на то, что они расположены перпендикулярно друг другу. Барьер или боковая стенка 76 главным образом исключает взаимодействие между шламом в суб-реакторах 74 и шламом в зоне 70 стояка.
Различные стратегии барботажа газа показаны на фиг.10-12. На фиг.10 газ вводят в две ступени, причем одна часть газа поступает в донную область реактора, а другая часть газа поступает в промежуточную зону между двумя суб-реакторами или наборами пластин. На фиг.11 и 12 газовые барботеры показаны в сочетании со стояками или зонами стояков. Легко можно понять, что можно вводить газ только в один участок площади поперечного сечения реактора как на его дне, так и в промежуточных зонах.
Таким образом, способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяют намного снизить риск при масштабировании шламовых реакторов, так как образование картин макроперемешивания в существенной степени исключается за счет наличия шламовых каналов. Кроме того, и особенно при наличии в реакторе стояков или зон стояков, зона реакции содержит несколько шламовых каналов, в которых имеются известная скорость восходящего поверхностного потока жидкости и известная скорость восходящего поверхностного потока газа. Эти шламовые каналы поддаются макетированию и моделированию, что дает проектировщику большую степень контроля картинами перемешивания крупного (промышленного) реактора. Более того, шламовые каналы образованы при помощи поверхностей теплообмена. Это позволяет обеспечивать намного более высокую способность отвода теплоты по сравнению со стандартными конструкциями, в которых используют охлаждающие змеевики. При этом возрастает не только площадь поверхности для отвода теплоты, но и обеспечивается более однородное распределение (теплоты) в объеме реактора.
1. Способ обеспечения функционирования трехфазного шламового реактора, который включает в себя следующие операции:
подача на низком уровне через оболочку реактора, по меньшей мере, одного газообразного реагента в вертикально расположенную массу шлама твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем масса шлама содержится во множестве вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов внутри указанной оболочки реактора, которая является общей оболочкой реактора, причем шламовые каналы образованы между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, при этом каждый шламовый канал имеет высоту, ширину и глубину, причем высота и глубина намного больше, чем ширина, при этом масса шлама идет непрерывно от дна до нормального уровня шлама ниже головного свободного пространства так, что пузырьки проходят через непрерывную массу шлама, за счет чего газообразный реагент вводится в нормальный уровень шлама;
создание условий для реакции газообразного реагента, когда он проходит вверх через массу шлама, присутствующую в шламовых каналах, в результате чего образуется негазообразный и/или газообразный продукт;
создание условий для отделения газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента от массы шлама в указанном головном свободном пространстве над массой шлама;
удаление газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента из головного свободного пространства.
2. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама над верхними концами шламовых каналов.
3. Способ по п.1 или 2, в котором разделительные стенки или пластины, по меньшей мере, некоторых из шламовых каналов отделяют указанные шламовые каналы от смежных пространств для протекания среды теплопередачи, причем способ предусматривает пропускание среды теплопередачи через пространства для протекания среды теплопередачи, для теплообмена косвенным образом с массой шлама, присутствующей в шламовых каналах.
4. Способ обеспечения функционирования трехфазного шламового реактора, который включает в себя следующие операции:
подача на низком уровне через оболочку реактора, по меньшей мере, одного газообразного реагента в вертикально расположенную массу шлама твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем масса шлама содержится во множестве вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов внутри указанной оболочки реактора, которая является общей оболочкой реактора, причем, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама выше открытых верхних концов шламовых каналов, и, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов образованы при помощи стенок, отделяющих шламовые каналы от пространства или пространств для протекания среды теплопередачи, при этом масса шлама идет непрерывно от дна до нормального уровня шлама ниже головного свободного пространства так, что пузырьки проходят через непрерывную массу шлама, за счет чего газообразный реагент вводится в нормальный уровень шлама в пробковом режиме;
создание условий для реакции газообразного реагента, когда он проходит вверх через массу шлама, присутствующую в шламовых каналах, в результате чего образуется негазообразный и/или газообразный продукт;
пропускание среды теплопередачи через пространство или пространства для протекания среды теплопередачи для теплообмена косвенным образом с массой шлама, присутствующей в шламовых каналах;
создание условий для прохождения шлама вниз от высокого уровня в массе шлама к более низкому уровню с использованием одной или нескольких зон стояков или одного или нескольких стояков внутри оболочки реактора;
создание условий для отделения газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента от массы шлама в указанном головном свободном пространстве над массой шлама;
удаление газообразного продукта и/или непрореагировавшего газообразного реагента из головного свободного пространства.
5. Способ по п.4, в котором, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама ниже открытых нижних концов шламовых каналов, причем способ предусматривает предотвращение связи по потоку шлама на всех уровнях между открытыми верхними концами и открытыми нижними концами шламовых каналов.
6. Способ по п.4 или 5, в котором шламовые каналы образованы при помощи вертикально идущих труб между трубными листами с пространством для протекания среды теплопередачи, образованным между трубными листами и окружающим трубы.
7. Способ по п.4 или 5, в котором шламовые каналы образованы при помощи вертикально идущих, и горизонтально смещенных друг от друга разделительных стенок или пластин с пространствами для протекания среды теплопередачи, также образованными между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, причем, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов отделены от смежных пространств для протекания среды теплопередачи при помощи общих или совместно используемых разделительных стенок или пластин, при этом, по меньшей мере, некоторые из разделительных стенок или пластин, которые являются параллельными друг другу, образуют шламовые каналы и пространства для протекания среды теплопередачи с такой высотой, шириной и глубиной, что высота и глубина намного больше, чем ширина.
8. Способ по п.4, в котором нисходящий поток шлама в зонах стояков или в стояках является достаточно высоким так, что главным образом отсутствует нисходящий поток шлама в шламовых каналах.
9. Способ по п.1 или 4, в котором твердые частицы представляют собой частицы катализатора, предназначенные для того, чтобы катализировать реакцию газообразного реагента или газообразных реагентов в жидкий продукт и/или в газообразный продукт, причем жидкая суспензия содержит жидкий продукт, если он есть.
10. Способ по п.9, в котором реакция представляет собой синтез углеводорода Фишера-Тропша.
11. Способ по п.10, в котором шламовые каналы имеют высоту, по меньшей мере, 0,5 м и образованы при помощи горизонтально смещенных друг от друга разделительных стенок или пластин, при этом шламовые каналы имеют ширину в диапазоне от 2 до 50 см.
12. Способ по п.11, в котором шламовые каналы имеют глубину в диапазоне от 0,2 м до 1 м.
13. Способ по п.11 или 12, в котором оболочка реактора имеет диаметр, по меньшей мере, 1 м.
14. Способ по п.1 или 4, в котором вертикально идущие, горизонтально расположенные зоны реактора образованы внутри оболочки реактора, причем каждая горизонтально расположенная зона реактора содержит множество шламовых каналов и, возможно, одно или несколько пространств для протекания среды теплопередачи, причем способ предусматривает предотвращение связи по потоку шлама между смежными вертикально идущими, горизонтально расположенными зонами реактора и на всех уровнях между верхними и нижними открытыми концами шламовых каналов в горизонтально расположенной зоне реактора.
15. Способ по п.14, в котором шламовые каналы образованы при помощи горизонтально смещенных друг от друга разделительных стенок или пластин, причем горизонтально расположенные зоны реактора образованы за счет установки разделительных стенок или пластин в смежных горизонтально расположенных зонах реактора под перпендикулярными углами так, что торцевая разделительная стенка или пластина в одной из горизонтально расположенных зон реактора фактически образует боковую стенку для смежной горизонтально расположенной зоны реактора.
16. Способ по п.1 или 4, который предусматривает нахождение массы шлама в вертикально смещенных зонах реактора, каждая из которых содержит множество шламовых каналов и, возможно, одно или несколько пространств для протекания среды теплопередачи, причем промежуточная шламовая зона образована между указанными вертикально смещенными зонами реактора.
17. Способ по п.16, в котором одна или несколько зон стояков или один или несколько стояков идут от или выше открытых верхних концов шламовых каналов или шламовых каналов в верхней вертикально смещенной зоне реактора, если она есть, к или ниже открытым нижним концам шламовых каналов или шламовых каналов в нижней смещенной зоне реактора, если она есть, и/или в котором одна или несколько зон стояков или один или несколько стояков идут от или выше открытых верхних концов шламовых каналов одной зоны реактора к или ниже открытым нижним концам шламовых каналов указанной зоне реактора.
18. Трехфазный шламовый реактор, который содержит
оболочку реактора, которая содержит множество вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга и имеющих открытые концы шламовых каналов, которые в рабочем режиме содержат шлам твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем шламовые каналы образованы между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, при этом каждый шламовый канал имеет такие высоту, ширину и глубину, что высота и глубина намного больше, чем ширина, причем шламовые каналы сгруппированы вместе в модули реактора или суб-реакторы;
газовый впуск в оболочке реактора для введения газообразного реагента или газообразных реагентов в реактор;
газовый выпуск в оболочке для удаления газа из головного свободного пространства в оболочке над шламовыми каналами.
19. Реактор по п.18, в котором, по меньшей мере, некоторые из разделительных стенок или пластин, по меньшей мере, частично разграничивают пространства для протекания среды теплопередачи или каналы.
20. Реактор по п.18 или 19, в котором шламовая зона имеет нормальный уровень шлама выше открытых верхних концов шламовых каналов так, что, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама выше их открытых верхних концов.
21. Трехфазный шламовый реактор, который содержит
оболочку реактора, которая содержит множество вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга шламовых каналов, которые в рабочем режиме содержат шлам твердых частиц, суспендированных в жидкой суспензии, причем шламовые каналы расположены в шламовой зоне внутри оболочки реактора, которая имеет нормальный уровень шлама выше открытых верхних концов шламовых каналов, так, что, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама выше их открытых концов, при этом шламовые каналы сгруппированы вместе в модули реактора или в суб-реакторы;
пространство или пространства для протекания среды теплопередачи, образованные при помощи стенок шламовых каналов, отделяющих шламовые каналы от пространства или пространств для протекания среды теплопередачи, так, что в рабочем режиме теплопередача в виде косвенной теплопередачи имеет место между шламом в шламовых каналах и средой теплопередачи в пространстве или пространствах для протекания среды теплопередачи;
одну или несколько зон стояков или один или несколько стояков, через которые шлам может проходить от высокого уровня в шламовой зоне к более низкому уровню;
газовый впуск в оболочке реактора для введения газообразного реагента или газообразных реагентов в реактор;
газовый выпуск в оболочке для удаления газа из головного свободного пространства в оболочке над шламовыми каналами.
22. Реактор по п.21, в котором, по меньшей мере, некоторые из шламовых каналов имеют связь по потоку шлама ниже открытых нижних концов шламовых каналов, причем шламовые каналы имеют стенки с конфигурацией, предотвращающей течение шлама в шламовые каналы или из них, кроме как через открытые верхние и открытые нижние концы шламовых каналов.
23. Реактор по п.21 или 22, в котором шламовые каналы в реакторе образованы при помощи вертикально идущих труб между трубными листами с пространством для протекания среды теплопередачи, образованным между трубными листами и окружающим трубы.
24. Реактор по п.21 или 22, в котором шламовые каналы образованы при помощи вертикально идущих и горизонтально смещенных друг от друга разделительных стенок или пластин с пространствами для протекания среды теплопередачи, также образованными между вертикально идущими и горизонтально смещенными друг от друга разделительными стенками или пластинами, причем, по меньшей мере, некоторые из разделительных стенок или пластин, которые являются параллельными друг другу, образуют шламовые каналы и пространства для протекания среды теплопередачи с такими высотой, шириной и глубиной, что высота и глубина намного больше, чем ширина.
25. Реактор по п.18 или 21, в котором модули реактора или суб-реакторы расположены горизонтально и распределены по площади поперечного сечения оболочки реактора.
26. Реактор по п.25, в котором суб-реакторы имеют вертикально идущие боковые стенки, отделяющие их от смежных и горизонтально смещенных друг от друга суб-реакторов, причем вертикально идущие боковые стенки имеют конфигурацию, позволяющую предотвращать связь по потоку шлама между смежными и горизонтально смещенными друг от друга суб-реакторами на всех уровнях между верхними и нижними открытыми концами шламовых каналов смежных горизонтально расположенных суб-реакторов.
27. Реактор по п.26, в котором шламовые каналы образованы при помощи разделительных стенок или пластин, которые являются параллельными внутри каждого суб-реактора, так, что каждый из смежных суб-реакторов имеет ось глубины, причем оси глубин смежных горизонтально расположенных суб-реакторов являются перпендикулярными друг другу.
28. Реактор по п.27, который содержит модули реактора или суб-реакторы, которые являются вертикально смещенными друг от друга, с открытыми верхними концами шламовых каналов нижнего суб-реактора или нижних суб-реакторов, которые находятся ниже открытых нижних концов шламовых каналов верхнего суб-реактора или верхних суб-реакторов.
29. Реактор по п.28, который содержит промежуточную зону между верхним суб-реактором или верхними суб-реакторами и нижним суб-реактором или нижними суб-реакторами, причем указанная промежуточная зона имеет связь по потоку со шламовыми каналами верхнего суб-реактора или верхних суб-реакторов и со шламовыми каналами нижнего суб-реактора или нижних суб-реакторов.
30. Реактор по п.29, который содержит газовый впуск в указанную промежуточную зону между верхними и нижними суб-реакторами.
31. Реактор по п.18 или 21, в котором одна или несколько зон стояков или один или несколько стояков идут от или выше открытых верхних концов шламовых каналов, или шламовых каналов верхнего суб-реактора, если он есть, к открытым нижним концам шламовых каналов, или шламовых каналов нижнего суб-реактора, если он есть, или ниже их, и/или в котором одна или несколько зон стояков или один или несколько стояков идут от или выше открытых верхних концов шламовых каналов в суб-реакторе к открытым нижним концам шламовых каналов указанного суб-реактора или ниже их.
