EA201890496A1 20180731 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2018\PDF/201890496 Полный текст описания [**] EA201890496 20160810 Регистрационный номер и дата заявки ZA2015/05974 20150819 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок IB2016/054806 Номер международной заявки (PCT) WO2017/029581 20170223 Номер публикации международной заявки (PCT) EAA1 Код вида документа [PDF] eaa21807 Номер бюллетеня [**] СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУСПЕНЗИОННОГО БАРБОТАЖНОГО КОЛОНОЧНОГО РЕАКТОРА Название документа [8] C10G 2/00, [8] B01J 8/18 Индексы МПК [NL] Боойсен Виллем Адриаан, [NL] Оортман Рубен Сведения об авторах [ZA] САСОЛ ТЭКНОЛОДЖИ ПРОПРИЭТЭРИ ЛИМИТЭД Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea201890496a*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

Способ пуска суспензионного барботажного колоночного реактора, который включает реакторный резервуар, содержащий осажденный или осевший слой частиц и жидкой фазы, из которой осели частицы, предусматривает введение потока ресуспендирующей жидкости в осажденный или осевший слой для разрыхления осажденного или осевшего слоя. Введение ресуспендирующей жидкости происходит до введения какого-либо газа в осажденный или осевший слой или вместе с введением газа в осажденный или осевший слой при том условии, что если газ введен вместе с ресуспендирующей жидкостью в осажденный или осевший слой до разрыхления осажденного или осевшего слоя, газ имеет поверхностную скорость газа в реакторе ниже 10 см/с. После разрыхления осажденного или осевшего слоя, по меньшей мере, ресуспендирующей жидкостью газ пропускают при поверхностной скорости газа выше 10 см/с через жидкую фазу.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Способ пуска суспензионного барботажного колоночного реактора, который включает реакторный резервуар, содержащий осажденный или осевший слой частиц и жидкой фазы, из которой осели частицы, предусматривает введение потока ресуспендирующей жидкости в осажденный или осевший слой для разрыхления осажденного или осевшего слоя. Введение ресуспендирующей жидкости происходит до введения какого-либо газа в осажденный или осевший слой или вместе с введением газа в осажденный или осевший слой при том условии, что если газ введен вместе с ресуспендирующей жидкостью в осажденный или осевший слой до разрыхления осажденного или осевшего слоя, газ имеет поверхностную скорость газа в реакторе ниже 10 см/с. После разрыхления осажденного или осевшего слоя, по меньшей мере, ресуспендирующей жидкостью газ пропускают при поверхностной скорости газа выше 10 см/с через жидкую фазу.


Евразийское (21) 201890496 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. C10G 2/00 (2006.01)
2018.07.31 B01J8/18 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2016.08.10
(54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУСПЕНЗИОННОГО БАРБОТАЖНОГО КОЛОНОЧНОГО РЕАКТОРА
(31) (32) (33)
(86) (87) (71)
(72)
(74)
2015/05974 2015.08.19
PCT/IB2016/054806
WO 2017/029581 2017.02.23
Заявитель:
САСОЛ ТЭКНОЛОДЖИ ПРОПРИЭТЭРИ ЛИМИТЭД (ZA)
Изобретатель:
Боойсен Виллем Адриаан, Оортман Рубен (NL)
Представитель:
Карпенко О.Ю., Лыу Т.Н., Угрюмов В.М., Дементьев В.Н., Глухарёва А.О., Строкова О.В., Христофоров А.А., Гизатуллина Е.М. (RU)
(57) Способ пуска суспензионного барботажного колоночного реактора, который включает реакторный резервуар, содержащий осажденный или осевший слой частиц и жидкой фазы, из которой осели частицы, предусматривает введение потока ресус-пендирующей жидкости в осажденный или осевший слой для разрыхления осажденного или осевшего слоя. Введение ресуспендирующей жидкости происходит до введения какого-либо газа в осажденный или осевший слой или вместе с введением газа в осажденный или осевший слой при том условии, что если газ введен вместе с ресус-пендирующей жидкостью в осажденный или осевший слой до разрыхления осажденного или осевшего слоя, газ имеет поверхностную скорость газа в реакторе ниже 10 см/с. После разрыхления осажденного или осевшего слоя, по меньшей мере, ре-суспендирующей жидкостью газ пропускают при поверхностной скорости газа выше 10 см/с через жидкую фазу.
СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУСПЕНЗИОННОГО БАРБОТАЖНОГО
КОЛОНОЧНОГО РЕАКТОРА
Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации суспензионного барботажного колоночного реактора. В частности, настоящее изобретение относится к способу пуска суспензионного барботажного колоночного реактора.
Суспензионные барботажные колоночные реакторы имеют превосходные характеристики теплопередачи и выравнивания температуры, а также обеспечивают высокие производственные мощности в одном реакторе. В суспензионных барботажных колоночных реакторах мелкодисперсные твердые вещества (типичные частицы катализатора обычно мельче 200 мкм) удерживаются в суспензии в жидкой фазе или среде в основном или полностью за счет турбулентности, создаваемой при подъеме пузырьков газа через слой суспензии внутри реактора. Поток газа обычно вводят в нижней или близкой к ней части слоя суспензии. Суспензионные барботажные колоночные реакторы обычно работают со слоем суспензии в гидродинамическом эмульсионном режиме двухфазного потока.
В отличие от суспензионного барботажного колоночного реактора, другой тип трехфазного реактора представляет собой реактор с кипящим слоем. Реакторы с кипящим слоем раскрыты, например, в заменяющем патенте US 2 987 465 (переиздание 25 770). Масса твердых частиц, удерживаемых в состоянии хаотического движения восходящим потоком жидкой фазы, описана как кипящая. Реакторы с кипящим слоем обычно работают в гидродинамическом режиме потока идеального смешения при значительно меньших скоростях газа, чем суспензионные барботажные колоночные реакторы. В реакторах с кипящим слоем сонаправленно восходящие потоки жидкофазного и газофазного материала вступают в контакт с массой твердых частиц в хаотическом движении внутри реактора. По сравнению с суспензионными барботажными колоночными реакторами, в реакторах с кипящим слоем обычно использованы более крупные частицы катализатора; как правило, в диапазоне от 100 до 5000 мкм, предпочтительно от 350 до 3000 мкм. Следует отметить, что в реакторах с кипящим слоем псевдоожижение катализатора в основном обеспечено потоком жидкой фазы, в то время как в суспензионных барботажных колоночных реакторах именно поток газовой фазы в основном обеспечивает псевдоожижение частиц катализатора.
В документе US 6512017 раскрыт способ пуска суспензионного барботажного колоночного реактора, причем вышеупомянутый способ предусматривает помещение чистого расплавленного воска в реактор, установление потока газа через жидкую фазу
посредством рециркуляции газа вокруг реактора и последующее помещение суспензии частиц катализатора в реактор. В этом документе также раскрыт способ остановки суспензионного барботажного колоночного реактора, предусматривающий стадии прекращения подачи свежего синтез-газа в реактор таким образом, что реактор работает только в режиме рециркуляции, снижения температуры до уровня в диапазоне от 150°С до 200°С и последующего перемещения по меньшей мере части суспензии в разгрузочный резервуар при поддержании потока газа через реактор. Повторный пуск реактора включает повторную загрузку суспензии катализатора в реактор согласно способу, осуществляемому для обычного пуска реактора. В этом документе также раскрыт способ устранения нарушений производственного процесса, причем этот способ предусматривает прекращение подачи свежего синтез-газа в реактор таким образом, что реактор работает только в режиме рециркуляции, снижение температуры до уровня в диапазоне от 150°С до 200°С и последующее перемещение по меньшей мере части суспензии в разгрузочный резервуар при поддержании потока газа через реактор. Повторный пуск реактора обеспечен потоком пускового синтез-газа в реактор, увеличением температуры и последующей повторной загрузкой выгруженной части катализатора обратно в реактор. В этом документе также раскрыт способ устранения нарушений в системе рециркуляции газа вокруг реактора, причем вышеупомянутый способ предусматривает остановку подачи свежего синтез-газа в реактор, введение охлаждающей текучей среды в реактор для уменьшения температуры при одновременном необязательном уменьшении давления в реакторе, поддержание температуры от 150°С до 200°С и необязательную выгрузку некоторой части суспензии катализатора из реактора. Повторный пуск реактора обеспечен началом рециркуляции потока газа вокруг реактора до тех пор, пока осажденный слой катализатора не будет ресуспендирован, и частицы катализатора не будут возвращены в состояние псевдоожижения, и после этого также вводится свежий синтез-газ.
В документе ЕР 2692831 раскрыт способ пуска суспензионного барботажного колоночного реактора Фишера-Тропша, предусматривающий первоначальное введение и рециркуляцию инертного газа вокруг реактора для вытеснения других газов и псевдоожижения катализатора. На второй стадии синтез-газ поступает и рециркулирует вокруг реактора для вытеснения инертного газа и поддержания катализатора в состоянии псевдоожижения. На заключительной стадии подачу свежего синтез-газа в реактор постепенно увеличивают до приведения условий эксплуатации в стационарное состояние.
Документ US 2005/0209351 относится к способам предотвращения и восстановления после оседания или осаждения слоя катализатора в многофазном реакторе синтеза углеводородов. Реактор содержит слой катализатора, включающий частицы
катализатора, и зону нагнетания газа, подходящую для введения в реактор исходного газа. Реактор оборудован трубопроводом для введения исходного газа в реактор, и трубопровод для дополнительного введения газа присоединен к трубопроводу для введения исходного газа в реактор. В случае начала оседания слоя, вызванного потоком газа ниже требуемого уровня для диспергирования частиц катализатора, может быть активирован поток газа для предотвращения оседания слоя катализатора. Здесь также описано, что зона введения газа может быть отделена от слоя катализатора пористой плитой, расположенной над зоной введения газа, для предотвращения миграции частиц катализатора в зону введения газа в случае оседания слоя. Когда подача в реактор исходного газа или дополнительного газа становится достаточно высокой для обеспечения по меньшей мере минимальной скорости псевдоожижения, псевдоожижение частиц катализатора возобновляется потоком газа, проходящего через пористую плиту.
Таким образом, в документах предшествующего уровня техники раскрыт пуск суспензионных барботажных колоночных реакторов с использованием общих стадий образования суспензии частиц катализатора в жидкой среде внутри смесительного резервуара и перемещения суспензии в реактор при одновременном поддержании катализатора в состоянии псевдоожижения внутри реактора посредством подачи газа. Кроме того, в документах предшествующего уровня техники четко раскрыто, что следует предотвращать прекращение псевдоожижения частиц катализатора в течение нарушения технологического режима, такого как прерывание потока газа в реактор. Соответственно, в документах предшествующего уровня техники раскрыто, что поток газа в реактор следует поддерживать (за счет рециркуляции газа вокруг реактора или газа из внешнего источника), чтобы удерживать частицы катализатора в суспензии, и/или что по меньшей мере часть суспензии, содержащейся в реакторе, следует выводить из реактора. Очевидно, что в зависимости от характера неисправности такие средства ее устранения могут не всегда быть практически применимыми, и может возникать ситуация, где осаждение слоя катализатора внутри реактора становится неизбежным. В таком случае документы предшествующего уровня техники раскрывают, что следует ресуспендировать слой потоком пускового газа в реактор и, после достижения псевдоожижения катализатора, постепенно подходить к нормальным условиям синтеза.
За последние десятилетия промышленные суспензионные барботажные колоночные реакторы увеличились в размере. Для увеличения производительности в расчете на реактор диаметр реакторов может достигать нескольких метров, и масса содержащегося в них катализатора может составлять сотни тонн. Кроме того, способ дополнительного увеличения производственной мощности суспензионного барботажного
колоночного реактора представляет собой увеличение концентрации катализатора внутри реактора, приводящее к дополнительному повышению содержания катализатора.
Крупномасштабные суспензионные реакторы Фишера-Тропша могут успешно работать в течение нескольких лет без остановки. Однако по плану могут производиться регулярные технологические остановки, необходимые для проверок и ремонтных работ. Могут также возникать внеплановые остановки реакторов Фишера-Тропша. В условиях остановки может быть нарушено псевдоожижение катализатора в слое суспензии, что приводит к оседанию слоя катализатора. Как кратко сформулировано выше, когда должна быть возобновлена нормальная эксплуатация реактора, согласно документам предшествующего уровня техники, следует ресуспендировать осевший слой катализатора посредством введения в реактор газа, представляющего собой синтез-газ или некоторый другой газ (например, инертный газ).
Заявителем неожиданно обнаружено, что в течение ресуспендирования слоя, осуществляемого в соответствии с документами предшествующего уровня техники, действуют высокие подъемные силы, достигающие 200 кН/м2. Для ресуспендирования осажденного или осевшего слоя катализатора в суспензионном барботажном колоночном реакторе будет желательным способ, который приводит к существенному снижению подъемных сил в течение ресуспендирования слоя.
Согласно настоящему изобретению, предложен способ пуска суспензионного барботажного колоночного реактора, который включает реакторный резервуар, содержащий осажденный или осевший слой частиц и жидкой фазы, из которой осели частицы, при этом способ предусматривает:
введение потока ресуспендирующей жидкости в осажденный или осевший слой для разрыхления осажденного или осевшего слоя, причем введение ресуспендирующей жидкости происходит до введения какого-либо газа в осажденный или осевший слой или вместе с введением газа в осажденный или осевший слой при том условии, что если газ введен вместе с ресуспендирующей жидкостью в осажденный или осевший слой до разрыхления осажденного или осевшего слоя, газ имеет поверхностную скорость газа в реакторе ниже 10 см/с; и
после разрыхления осажденного или осевшего слоя по меньшей мере ресуспендирующей жидкостью пропускание газа при поверхностной скорости газа выше 10 см/с через жидкую фазу.
Как хорошо известно специалистам в области техники эксплуатации суспензионных барботажных колоночных реакторов, поток газа проходит вверх через
жидкую фазу от нижнего уровня, на котором вводится газ, находящегося, например, в нижней части реакторного резервуара или вблизи нее.
Согласно настоящему описанию, поверхностная скорость газа или поверхностная скорость жидкости определена, соответственно, как объемная скорость потока газа или жидкости в условиях давления и температуры реакторного резервуара, деленная на площадь поперечного сечения пустого реакторного резервуара. Это определение применимо как к холодной модельной схеме (используемой, например, в экспериментах лабораторного масштаба), так и к реальным установленным или спроектированным реакторам (например, промышленным суспензионным реакторам Фишера-Тропша).
При нормальном применении или эксплуатации в стационарном состоянии, когда поддерживается слой суспензии, частицы, т. е. твердые частицы, удерживаются в суспензии в жидкой фазе посредством турбулентности, создаваемой при восходящем движении газа через слой суспензии. Следовательно, частицы оседают, когда поток газа уменьшается до низких значений или прекращается. При нормальной эксплуатации суспензионный барботажный колоночный реактор обычно, но не обязательно всегда, работает со слоем суспензии внутри реакторного резервуара в эмульсионном режиме двухфазного потока. Этот режим потока характеризуют разбавленная фаза, состоящая из быстро восходящих крупных пузырьков газа, которые проходят вверх через слой практически в режиме идеального вытеснения, и плотная фаза, содержащая жидкую фазу, твердые частицы и захваченные мелкие пузырьки газа.
Средний диаметр частиц, определяемый по объему, составляет предпочтительно менее чем приблизительно 200 мкм, предпочтительнее менее чем приблизительно 100 мкм, наиболее предпочтительно менее чем приблизительно 80 мкм. Как правило, приблизительно 90% частиц по объему имеют диаметры менее приблизительно 200 мкм, предпочтительнее менее приблизительно 100 мкм, наиболее предпочтительно менее приблизительно 80 мкм.
Осажденный или осевший слой частиц в реакторном резервуаре может иметь высоту или глубину, составляющую по меньшей мере приблизительно 2,5 м, или по меньшей мере приблизительно 5 м, или даже по меньшей мере приблизительно 7 м, например по меньшей мере приблизительно 10 м. Масса твердых частиц в таком осажденном слое может быть высокой, составляя приблизительно 850 000 кг.
Обычно суспензионный барботажный колоночный реактор имеет газораспределитель на нижнем уровне внутри реакторного резервуара для введения исходного газа в реакторный резервуар. При эксплуатации газораспределитель обычно вводит исходный газ на уровне, который находится ниже или в пределах высоты
осажденного слоя. Безотносительно к теории, заявитель полагает, что осажденный слой уплотняется, образуя пробку, и что газ, введенный на нижнем уровне в реакторный резервуар, перемещает эту пробку вверх. Для сдвига пробки требуются значительные силы. Следовательно, перемещение пробки вверх приводит к действию больших сил на внутренние элементы реактора. Посредством введения ресуспендирующей жидкости пробка ослабляется в результате разрыхления осажденного или осевшего слоя, что предотвращает действие больших сил на внутренние элементы реактора.
Суспензионный барботажный колоночный реактор может быть использован для синтеза Фишера-Тропша и может, таким образом, представлять собой суспензионный барботажный колоночный реактор Фишера-Тропша. Тогда частицы будут включать твердые частицы катализатора Фишера-Тропша. В таком случае жидкая фаза будет обычно содержать углеводородный жидкий продукт синтеза Фишера-Тропша.
Ресуспендирующая жидкость может представлять собой любую подходящую жидкость. Ресуспендирующая жидкость может оставаться в основном в жидкой фазе после введения в реакторный резервуар, т. е. в осажденный или осевший слой, или ресуспендирующая жидкость может частично или полностью испаряться после введения. Предпочтительно ресуспендирующая жидкость остается в основном в жидкой фазе после введения в осажденный или осевший слой. В тех случаях, где суспензионный барботажный колоночный реакторный резервуар содержит частицы катализатора, в ресуспендирующей жидкости предпочтительно должны практически отсутствовать вещества, которые производят неблагоприятное воздействие на эксплуатационные характеристики катализатора, например, в ресуспендирующей жидкости предпочтительно должны практически отсутствовать катализаторные яды. В случае синтеза Фишера-Тропша ресуспендирующая жидкость предпочтительно представляет собой или содержит продукт, получаемый или производимый в синтезе Фишера-Тропша, такой как дизельное топливо или воск, получаемые или производимые в синтезе Фишера-Тропша.
Ресуспендирующая жидкость предпочтительно имеет вязкость, составляющую менее чем приблизительно 10 сП, предпочтительнее менее чем приблизительно 4 сП при температуре осажденного или осевшего слоя в реакторном резервуаре.
Аналогичным образом, следует также учитывать вязкость жидкой фазы в суспензионном барботажном колоночном реакторном резервуаре. Таким образом, способ, как правило, включает, до введения потока ресуспендирующей жидкости, обеспечение такой температуры жидкой фазы в реакторе, что жидкая фаза имеет вязкость, составляющую менее чем приблизительно 10 сП, предпочтительно менее чем
приблизительно 4 сП. Это может включать нагревание реакторного резервуара, т. е. содержимого реакторного резервуара.
В тех случаях, где суспензионный барботажный колоночный реактор использован в синтезе Фишера-Тропша, жидкая фаза обычно содержит воскообразные углеводородные продукты синтеза Фишера-Тропша. Тогда реакторный резервуар обычно нагревают до температуры, составляющей по меньшей мере приблизительно 150°С, до введения ресуспендирующей жидкости. Если реакторный резервуар чрезмерно охлаждается, и, например, температура приближается к температуре затвердевания воска Фишера-Тропша, вязкость может быть достаточно высокой для создания более высоких подъемных сил по сравнению с силами, наблюдаемыми при использовании менее вязких жидкостей. Таким образом, рекомендовано предотвращение избыточного охлаждения реакторного резервуара в течение периодов остановки.
Экспериментальные данные показывают, что подъемные силы значительно увеличиваются при увеличении вязкости ресуспендирующей жидкости. Ресуспендирующая жидкость с вязкостью 2,4 сП ведет себя аналогично ресуспендирующей жидкости с вязкостью 1 сП лишь с минимальным увеличением подъемных сил. Однако в случае ресуспендирующей жидкости с вязкостью около 140 сП подъемные силы могут увеличиваться в 3-4 раза.
Поток ресуспендирующей жидкости может быть введен в осажденный или осевший слой любым подходящим устройством для введения текучей среды, таким как распределитель или разбрызгиватель. Предпочтительно устройство для введения текучей среды сконструировано для равномерного распределения ресуспендирующей жидкости по поперечному сечению реакторного резервуара
Предпочтительно объем ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный или осевший слой до введения газа при поверхностной скорости выше 10 см/с, составляет по меньшей мере приблизительно 5% межчастичного объема осажденного или осевшего слоя, предпочтительнее по меньшей мере приблизительно 15% межчастичного объема осажденного или осевшего слоя и наиболее предпочтительно по меньшей мере приблизительно 30% межчастичного объема осажденного или осевшего слоя. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, осевший или осажденный слой, таким образом, считается разрыхленным ресуспендирующей жидкостью или сочетанием ресуспендирующей жидкости и газа при поверхностной скорости газа ниже 10 см/с, когда объем ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный или осевший слой, составляет по меньшей мере приблизительно 5% межчастичного объема осажденного или осевшего слоя, предпочтительнее по меньшей мере приблизительно 15% межчастичного
объема осажденного или осевшего слоя и наиболее предпочтительно по меньшей мере приблизительно 30% межчастичного объема осажденного или осевшего слоя.
Предпочтительно поток ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный или осевший слой, имеет поверхностную скорость жидкости в реакторном резервуаре, которая составляет более чем минимальная скорость псевдоожижения частиц осажденного или осевшего слоя в жидкой фазе в реакторном резервуаре.
Как упомянуто выше в настоящем документе, поверхностную скорость жидкости ресуспендирующей жидкости определяют делением полного жидкого объемного потока ресуспендирующей жидкости на площадь поперечного сечения реакторного резервуара. В случае синтеза Фишера-Тропша поток ресуспендирующей жидкости предпочтительно вводят при поверхностной скорости жидкости в реакторном резервуаре, составляющей по меньшей мере приблизительно 0,4 мм/с, предпочтительнее по меньшей мере приблизительно 0,5 мм/с и наиболее предпочтительно по меньшей мере приблизительно 0,8 мм/с.
В пределах объема настоящего изобретения можно останавливать или поддерживать поток ресуспендирующей жидкости после введения газа в реакторный резервуар.
Как упомянуто выше в настоящем документе, способ может включать, после или одновременно с введением потока ресуспендирующей жидкости в осажденный или осевший слой, введение газа в осажденный или осевший слой при поверхностной скорости газа в реакторе ниже 10 см/с. Этот газ можно рассматривать как пусковой газ. Использование пускового газа может потенциально способствовать разрыхлению осажденного или осевшего слоя и может содействовать постепенному ресуспендированию осевшего слоя.
Поверхностная скорость пускового газа в реакторном резервуаре составляет предпочтительно не более чем приблизительно 5 см/с, предпочтительнее не более чем приблизительно 2 см/с. Если использован пусковой газ, подачу пускового газа поддерживают в течение предпочтительно по меньшей мере приблизительно 3 минут, предпочтительнее по меньшей мере приблизительно 10 минут и наиболее предпочтительно по меньшей мере приблизительно 15 минут до введения газа при поверхностной скорости выше 10 см/с.
Ресуспендирующая жидкость и пусковой газ могут иметь одно или более общих устройств для введения текучей среды (т. е. они могут быть введены или поданы в реакторный резервуар через одни и те же устройства для введения или подачи), или они могут иметь раздельные устройства для введения или подачи текучей среды.
Пусковой газ может быть введен таким образом, что введение пускового газа сопровождается потоком ресуспендирующей жидкости, или пусковой газ может быть введен только после остановки потока ресуспендирующей жидкости.
Пусковой газ может представлять собой любой подходящий газ. В тех случаях, где суспензионный барботажный колоночный реакторный резервуар содержит частицы катализатора, в пусковом газе предпочтительно должны практически отсутствовать вещества, которые производят неблагоприятное воздействие на эксплуатационные характеристики катализатора, например, в нем предпочтительно должны практически отсутствовать катализаторные яды. Пусковой газ предпочтительно представляет собой инертный газ, такой как азот. В качестве альтернативы, пусковой газ может быть идентичным или аналогичным исходному газу реактора или представлять собой газ, обогащенный водородом, например, синтез-газ.
Когда пусковой газ является идентичным или аналогичным исходному газу реактора, или когда пусковой газ представляет собой газ, обогащенный водородом, способ может включать поддержание температуры реакторного резервуара, т. е. температуры содержимого реакторного резервуара, ниже температуры начала реакции в течение разрыхления осажденного или осевшего слоя для ингибирования или предотвращения выделения или поглощения тепла в процессе реакции. Как правило, суспензионные барботажные колоночные реакторы используют для экзотермических реакций.
Для синтеза Фишера-Тропша температура реакторного резервуара в течение ресуспендирования предпочтительно должна быть достаточно высокой, чтобы предотвращать полное или частичное затвердевание жидкой среды внутри реакторного резервуара, но достаточно низкой, чтобы предотвращать значительное выделение тепла от химической реакции, т. е. синтеза углеводородов. Таким образом, в случае синтеза Фишера-Тропша желательная температура реакторного резервуара обычно составляет от приблизительно 150°С до приблизительно 200°С в течение ресуспендирования осажденного слоя.
Способ настоящего изобретения может включать постепенное увеличение скорости потока пускового газа до поверхностной скорости газа в реакторном резервуаре выше 10 см/с.
Реактор со слоем суспензии может содержать устройства для перераспределения суспензии или перераспределители суспензии в реакторном резервуаре. В настоящем описании термин "устройства для перераспределения суспензии" или "перераспределители суспензии" предназначен для описания физического устройства, используемого для вертикального перераспределения суспензии и частиц катализатора
внутри реакторного резервуара и не означает перераспределение суспензии и частиц катализатора под действием газа, проходящего вверх через слой суспензии. Таким образом, устройства для перераспределения суспензии могут включать стояки или отводящие трубы или механические перераспределительные устройства, такие как трубы и насосы, а также фильтры. Предпочтительно перераспределители суспензии включают стояки. Стояки позволяют суспензии перемещаться вниз с высокого уровня в слое суспензии на ее нижний уровень и в результате этого перераспределять тепло, жидкую фазу и частицы катализатора внутри слоя суспензии.
Каждый стояк может включать нижнюю транспортную секцию и верхнюю разделительную или дегазационную секцию с большей площадью поперечного сечения, чем транспортная секция. Секции предпочтительно имеют круглое поперечное сечение и цилиндрическую форму с расширенным наружу и вверх соединительным компонентом, присоединяющим разделительную секцию к транспортной секции. Однако разделительная секция может, если это желательно, иметь другую подходящую форму, например, форму канала с прямоугольным или треугольным сечением, что определено доступным пространством внутри реакторного резервуара.
Далее настоящее изобретение будет описано и проиллюстрировано более подробно и посредством примера со ссылкой на эксперименты, представленные ниже, и сопровождающие схематические фигуры.
Описание фигур
На фиг. 1 представлено схематическое изображение суспензионного барботажного колоночного реактора;
на фиг. 2 представлена диаграмма, иллюстрирующая влияние высоты осажденного слоя на подъемные силы;
на фиг. 3 представлена диаграмма, иллюстрирующая влияние объема ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный слой, на подъемные силы;
на фиг. 4 представлена диаграмма, иллюстрирующая влияние вязкости ресуспендирующей жидкости на подъемные силы; и
на фиг. 5 представлена диаграмма, иллюстрирующая полученную корреляцию подъемных сил в расчете на площадь проекции между стеклянными шариками и промышленным катализатором.
Согласно фиг. 1 из числа фигур, условный номер 10 в целом означает устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 10 включает вертикальный цилиндрический суспензионный барботажный колоночный реакторный резервуар 12 Фишера-Тропша, имеющий газовый барботер, обозначенный в
целом условным номером 14, на нижнем уровне в реакторном резервуаре 12. Газовый барботер 14 присоединен к подающему газопроводу 15. Реакторный резервуар 12 также имеет разбрызгиватель ресуспендирующей жидкости, обозначенный в целом условным номером 24, на нижнем уровне в реакторном резервуаре 12. Вместо одного разбрызгивателя 24 ресуспендирующей жидкости может также присутствовать множество разбрызгивателей ресуспендирующей жидкости (не показано). Разбрызгиватель 24 присоединен к подающему ресуспендирующую жидкость трубопроводу 26. Отводящий газопровод 20 и отводящий жидкость трубопровод 30 выходят из реакторного резервуара 12.
При нормальной эксплуатации реакторный резервуар 12 содержит слой 16 суспензии частиц катализатора, суспендированных в жидкой среде (обычно это жидкий продукт реакции Фишера-Тропша). Исходный газ (включая синтез-газ), поступающий по подающему газопроводу 15, распределяется в слой 16 суспензии барботером 14. Частицы катализатора удерживаются в суспензии в основном посредством турбулентности, создаваемой при прохождении вверх исходного газа и газообразных продуктов через слой суспензии. Слой 16 суспензии работает в эмульсионном режиме двухфазного потока. Этот режим потока характеризуют разбавленная фаза, содержащая быстро восходящие крупные пузырьки газа, которые проходят вверх через слой 16 суспензии практически в режиме идеального вытеснения, и плотная фаза, содержащая жидкую фазу, твердые частицы и захваченные мелкие пузырьки газа. Как правило, 90% частиц по объему имеют диаметры, составляющие менее 200 мкм, предпочтительнее менее 100 мкм и наиболее предпочтительно менее 80 мкм.
Реакторный резервуар 12 обычно поддерживают при рабочем давлении от приблизительно 10 бар до приблизительно 40 бар и при рабочей температуре от приблизительно 180°С до приблизительно 280°С. В течение обычной эксплуатации исходный газ (синтез-газ) из подающего газопровода 15 поступает в реакторный резервуар 12 при поверхностной скорости газа, обычно превышающей приблизительно 30 см/с, поддерживая слой суспензии. Когда исходный газ проходит вверх через слой 16 суспензии, частицы катализатора катализируют реакцию синтез-газа с образованием разнообразных продуктов в соответствии с известными реакциями Фишера-Тропша. Продукты включают газообразные и жидкие продукты. Слой 16 суспензии имеет верхний уровень 18, выше которого газообразные продукты и непрореагировавший исходный газ накапливаются в верхнем свободном пространстве реакторного резервуара 12. Этот газ выпускают через отводящий газопровод 20 для последующей переработки или для
рециркуляции. Когда образуется жидкий продукт, уровень 18 слоя суспензии поддерживают посредством отвода жидкости через отводящий жидкость трубопровод 30.
В том случае, где поток исходного газа через подающий газопровод 15 уменьшается до низких значений или останавливается по какой-либо причине, слой 16 суспензии осаждается или оседает. Под действием силы тяжести частицы катализатора осаждаются из жидкой фазы и собираются на дне реакторного резервуара 12, образуя осажденный или осевший слой частиц катализатора. Осажденный слой распространяется вплоть до уровня осажденного слоя, обозначенного штриховой линией 22 на фиг. 1. Межчастичный объем осажденного слоя может быть определен вычитанием реального объема частиц катализатора в реакторном резервуаре 12 из объема реакторного резервуара 12 вплоть до уровня 22 осажденного слоя, т. е. вычитанием реального объема частиц катализатора из реального объема, занимаемого осажденными частицами катализатора. Поскольку газовый барботер 14 расположен на низком уровне в реакторном резервуаре 12, уровень 22 осажденного слоя находится выше газового барботера 14. Безотносительно к теории, заявитель полагает, что осажденный слой уплотняется с образованием пробки, и что газ, введенный с использованием газового барботера 14, перемещает эту пробку вверх. При этом высокие силы воздействуют на внутренние элементы реакторного резервуара 12 (например, охлаждающие змеевики, которые не показаны, и газовый барботер 14) для сдвига пробки.
В соответствии со способом настоящего изобретения, ресуспендирование осажденного слоя осуществлено посредством введения потока ресуспендирующей жидкости, а не просто посредством повторного введения потока газа согласно документам предшествующего уровня техники. Поток ресуспендирующей жидкости поступает по подающему ресуспендирующую жидкость трубопроводу 26 и входит в реакторный резервуар 12, т. е. в осевший или осажденный слой, через разбрызгиватель 24 жидкости. Разбрызгиватель 24 расположен на низком уровне в реакторном резервуаре 12 и ниже уровня 22 осажденного слоя, таким образом, что ресуспендирующая жидкость поступает в осажденный или осевший слой.
Разбрызгиватель 24 жидкости предпочтительно расположен на наиболее низком из практически возможных уровней в реакторном резервуаре 12. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения (не показано), разбрызгиватель 24 жидкости расположен ниже газового барботера 14. Ресуспендирующая жидкость может также быть введена в реакторный резервуар 12 на более чем одном уровне с использованием дополнительных разбрызгивателей жидкости (не показаны),
расположенных по высоте осажденного слоя. Кроме того, ресуспендирующая жидкость может быть введена с использованием газового барботера 14.
Поток ресуспендирующей жидкости поддерживают по меньшей мере до тех пор, пока количество ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный или осевший слой, не становится больше, чем количество жидкости, требуемое для разрыхления слоя, вычисленное по отношению к межчастичному объему осевшего слоя катализатора и составляющее, например, по меньшей мере приблизительно 5%, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 10% и наиболее предпочтительно по меньшей мере приблизительно 30% межчастичного объема. Здесь, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, газ вводят в реакторный резервуар 12 при поверхностной скорости, превышающей 10 см/с, через газовый барботер 14.
Примеры:
Эксперименты осуществляли в колоннах холодной модели, работающих при атмосферном давлении и комнатной температуре. В колонны с внутренними диаметрами, составляющими 3 8 см и 15 см, соответственно, загружали стеклянные шарики (из которых более чем 90% по объему были мельче 100 мкм) и воду с образованием суспензии. Указанные колонны использовали для исследования подъемных сил в осажденных слоях частиц в различных технологических условиях. В колонне с внутренним диаметром 15 см исследование также осуществляли с частицами реального окисленного катализатора Фишера-Тропша и парафиновыми жидкими средами, представляющими собой воск Фишера-Тропша, в технологических условиях Фишера-Тропша. Подъемные силы измеряли с помощью свободно подвешенной конструкции, установленной в колоннах и присоединенной к динамометрам. Свободно подвешенную конструкцию помещали на низком уровне в колоннах таким образом, что она была погружена в осажденный слой. Динамометры измеряли массовую силу (кг), которую пересчитывали в силу (Н) с поправкой на площадь согласно следующему уравнению:
Сила (Н) = 9,81 (Показание датчика массымаксималыюе значение [кг] - Показание датчика массыштапше значение [кг])/(Площадь поперечного сечения в аксиальном направлении внутреннего элемента, присоединенного к динамометру [м2])
Колонну с внутренним диаметром 38 см оборудовали главным разбрызгивателем, установленным на низком уровне в колонне. Вторичный разбрызгиватель устанавливали выше главного разбрызгивателя и иногда использовали для введения ресуспендирующих текучих сред в колонну.
Скорость потока воздуха в колонну в стационарном состоянии (т. е. аналог скорости потока исходного газа реактора реакционной системы) представляла собой поверхностную скорость газа, составляющую по меньшей мере 10 см/с внутри колонны во всех экспериментах с обеими колоннами.
Пример 1: Влияние высоты осажденного слоя.
Эксперименты осуществляли в колонне, где допускали осаждение стеклянных шариков из псевдоожиженного состояния, прекращая поток воздуха в колонну. Поток воздуха в колонну затем восстанавливали, открывая автоматический клапан (открытие при скорости 0,15%/с) и допуская введение воздуха в колонну через главный разбрызгиватель, т. е. осажденный слой ресуспендировали способом, который соответствует описанию предшествующего уровня техники. Регистрировали максимальную подъемную силу, измеряемую в течение ресуспендирования осажденного слоя. Путем использования стеклянных шариков в различных количествах можно было исследовать влияние изменения высоты осажденного слоя в диапазоне от 0,5 м до 2,5 м. Для каждой высоты осажденного слоя проводили ряд экспериментов, причем средние значения, а также диапазон измеряемых значений представлены на фиг. 2 для каждой высоты.
Средние значения показывают резкое увеличение подъемной силы при увеличении высоты осажденного слоя. Кроме того, воспроизводимость экспериментов значительно уменьшалась при увеличении высоты или глубины осажденного слоя катализатора, т. е. диапазон измеряемых значений расширялся при увеличении высоты осажденного слоя. Вероятно, важнее рассматривать максимальное, а не среднее значение, регистрируемое при каждой исследуемой высоте, поскольку максимальное значение представляет собой случай, в котором может быть нанесен наибольший ущерб реальному крупномасштабному суспензионному реакторному резервуару Фишера-Тропша. Это показывает, что увеличение загрузки катализатора в реальный крупномасштабный суспензионный реакторный резервуар, которое приводит к увеличению высоты осажденного слоя в течение технологических нарушений, может значительно повышать риск повреждения внутренних элементов реактора, если процедура предшествующего уровня техники выполняется при пуске реактора с нормальным потоком производственного газа для ресуспендирования осажденного слоя катализатора.
Пример 2: Влияние количества ресуспендирующей жидкости, выраженного как доля межчастичного объема осажденного слоя.
Эксперименты проводили в колонне, где стеклянные шарики были суспендированы в воде при высоких поверхностных скоростях газа, превышающих 30 см/с, в течение приблизительно 45 минут. Поток газа останавливали, оставляя стеклянные шарики для осаждения в течение по меньшей мере 2 часов. После полного осаждения слоя, т. е. осаждения всех частиц, осуществляли повторное псевдоожижение слоя, вводя сначала поток ресуспендирующей жидкости в колонну через вторичный разбрызгиватель при
поверхностной скорости жидкости 0,5 мм/с. Продолжая нагнетание ресуспендирующей жидкости через вторичный разбрызгиватель, поток газа при поверхностной скорости газа 10 см/с вводили в колонну через главный разбрызгиватель.
Из фиг. 3 очевидно, что происходит экспоненциальное уменьшение подъемных сил в зависимости от введенного количества ресуспендирующей жидкости. Существенное уменьшение измеряемых подъемных сил наблюдали, когда введенное количество ресуспендирующей жидкости составляло по меньшей мере от 20% до 30% межчастичного объема осажденного слоя (см. фиг. 3).
Значения пиков подъемной силы нормировали путем деления значений, полученных экспериментально в примере 2, на среднее значение подъемной силы, получаемое при осуществлении пуска с использованием только газа.
Пример 3: Процедура пуска, включающая введение сначала ресуспендирующей жидкости, затем пускового газа при низкой скорости потока и последующего потока исходного газа.
В этих экспериментах стеклянные шарики оставляли для осаждения из псевдоожиженного состояния, прекращая поток воздуха в колонну. После полного осаждения слоя, т. е. осаждения всех частиц, осуществляли повторное псевдоожижение слоя, вводя сначала поток ресуспендирующей жидкости в колонну через вторичный разбрызгиватель в течение определенного периода времени. Немедленно после этого пусковой газ вводили в колонну через вторичный разбрызгиватель при низкой скорости потока, т. е. при скорости потока менее 10 см/с. После этого нормальный поток исходного газа (поверхностная скорость газа составляла 10 см/с) вводили через главный разбрызгиватель. Регистрировали максимальную подъемную силу слоя, измеряемую в течение процедуры пуска.
В случае введения в колонну жидкости при поверхностной скорости 0,8 мм/с в течение приблизительно 160 секунд и последующего потока пускового газа при поверхностной скорости газа 1,5 см/с в течение 15 минут до начала нормального потока газа были почти полностью устранены подъемные силы, измеряемые на свободно подвешенном внутреннем элементе в течение пуска.
Пример 4: Влияние вязкости ресуспендирующей жидкости на подъемные
силы.
Для исследования влияния вязкости жидкости на подъемные силы использовали три различные жидкости. В экспериментах были использованы вода с вязкостью около 1 сП, парафин Isopar М с вязкостью около 2,4 сП и масло Tellus марки 68 с вязкостью 138 сП. Для большинства экспериментальных работ использовали воду и Isopar М, и с этими
двумя жидкостями были получены аналогичные результаты для подъемных сил. В предельной ситуации подъемные силы измеряли для масла Tellus с высокой вязкостью. Как проиллюстрировано на фиг. 4, при одинаковой плотности упаковки слоя значительно более высокие подъемные силы были измерены для масла Tellus. Таким образом, эти эксперименты показывают, что имеет значение вязкость ресуспендирующей жидкости, поскольку жидкость повышенной вязкости будет производить более высокие подъемные силы.
Пример 5: Корреляция между результатами, полученными со стеклянными шариками и с катализатором.
В указанных экспериментах подъемные силы, полученные с использованием частиц окисленного катализатора Фишера-Тропша на основе кобальта, сравнивали с подъемными силами, полученными с использованием системы стеклянных шариков при аналогичных высотах слоя. Выбранные стеклянные шарики и частицы окисленного катализатора на основе кобальта имеют аналогичное распределение частиц по размерам. Аналогично экспериментам, описанным выше, частицы катализатора и стеклянные шарики оставляли для осаждения из псевдоожиженного состояния, прекращая поток воздуха в колонну. После полного осаждения слоя, т. е. осаждения всех частиц, осуществляли повторное псевдоожижение слоя, вводя сначала поток ресуспендирующей жидкости в колонну через главный разбрызгиватель в течение определенного периода времени. Немедленно после этого пусковой газ вводили в колонну через главный разбрызгиватель.
Как можно видеть на фиг. 5, существует хорошее согласование между результатами, полученными при использовании реального катализатора и использовании стеклянных шариков с аналогичным распределением частиц по размерам. Таким образом, можно сделать вывод, что результаты, полученные в экспериментах, проведенных с системой, где использованы стеклянные шарики, могут быть применены для аналогичной системы с использованием промышленного катализатора, такого как промышленный катализатор Фишера-Тропша.
Настоящее изобретение в проиллюстрированном виде преимущественно обеспечивает ресуспендирование осажденного или осевшего слоя катализатора в суспензионном барботажном колоночном реакторном резервуаре без приложения больших подъемных сил, например, подъемных сил, достигающих 200 кН/м2, к реакторному резервуару и/или внутренним элементам реакторного резервуара. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, в способе настоящего изобретения может быть преимущественно использовано существующее устройство,
такое как газовый барботер, для введения потока ресуспендирующей жидкости в осажденный или осевший слой, и/или использована ресуспендирующая жидкость, которая может оставаться в суспензионном барботажном колоночном реакторном резервуаре как часть жидкой фазы слоя суспензии после начала работы реакторного резервуара с восстановленным слоем суспензии.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ пуска суспензионного барботажного колоночного реактора, который включает реакторный резервуар, содержащий осажденный или осевший слой частиц и жидкой фазы, из которой осели частицы, при этом способ предусматривает:
введение потока ресуспендирующей жидкости в осажденный или осевший слой для разрыхления осажденного или осевшего слоя, причем введение ресуспендирующей жидкости происходит до введения какого-либо газа в осажденный или осевший слой или вместе с введением газа в осажденный или осевший слой при том условии, что, если газ введен вместе с ресуспендирующей жидкостью в осажденный или осевший слой до разрыхления осажденного или осевшего слоя, газ имеет поверхностную скорость газа в реакторе ниже 10 см/с; и
после разрыхления осажденного или осевшего слоя по меньшей мере ресуспендирующей жидкостью пропускание газа при поверхностной скорости газа выше 10 см/с через жидкую фазу.
2. Способ по п. 1, в котором суспензионный барботажный колоночный реактор использован для синтеза Фишера-Тропша, и в котором частицы включают твердые частицы катализатора Фишера-Тропша.
3. Способ по п. 1 или п. 2, в котором ресуспендирующая жидкость имеет вязкость менее 10 сП при температуре осажденного или осевшего слоя в реакторном резервуаре.
4. Способ по п. 3, в котором ресуспендирующая жидкость имеет вязкость менее 4 сП при температуре осажденного или осевшего слоя в реакторном резервуаре.
5. Способ по любому из пп. 1-4, который предусматривает, до введения потока ресуспендирующей жидкости, обеспечение такой температуры жидкой фазы в реакторном резервуаре, что жидкая фаза имеет вязкость менее 10 сП.
6. Способ по п. 5, который предусматривает, до введения потока
ресуспендирующей жидкости, обеспечение такой температуры жидкой фазы в реакторном
резервуаре, что жидкая фаза имеет вязкость менее 4 сП.
7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором объем ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный или осевший слой до введения газа при поверхностной скорости выше 10 см/с, составляет по меньшей мере 5% межчастичного объема осажденного или осевшего слоя.
8. Способ по п. 7, в котором объем ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный или осевший слой до введения газа при поверхностной скорости выше 10
7.
см/с, составляет по меньшей мере 15%, предпочтительно по меньшей мере 30% межчастичного объема осажденного или осевшего слоя.
9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором поток ресуспендирующей жидкости, введенной в осажденный или осевший слой, имеет поверхностную скорость жидкости в реакторном резервуаре, превышающую минимальную скорость псевдоожижения частиц осажденного или осевшего слоя в жидкой фазе в реакторном резервуаре.
10. Способ по любому из пп. 1-9, который предусматривает введение потока ресуспендирующей жидкости в осажденный или осевший слой для разрыхления осажденного или осевшего слоя вместе с введением газа в осажденный или осевший слой, причем вышеупомянутый газ представляет собой пусковой газ с поверхностной скоростью газа в реакторе ниже 10 см/с.
11. Способ по п. 10, в котором пусковой газ имеет поверхностную скорость газа в реакторном резервуаре, которая составляет не более 5 см/с.
12. Способ по п. 10 или п. 11, который предусматривает постепенное увеличение скорость потока пускового газа до поверхностной скорости газа в реакторном резервуаре выше 10 см/с.
13. Способ по любому из пп. 10-12, в котором пусковой газ представляет собой инертный газ.
14. Способ по любому из пп. 10-12, в котором пусковой газ является идентичным или аналогичным исходному газу реактора, или в котором пусковой газ представляет собой газ, обогащенный водородом, причем способ предусматривает поддержание температуры реакторного резервуара ниже температуры начала реакции в течение разрыхления осажденного или осевшего слоя для ингибирования или предотвращения выделения или поглощения тепла в процессе реакции.
15. Способ по п. 2, в котором поток ресуспендирующей жидкости введен при поверхностной скорости жидкости в реакторном резервуаре, составляющей по меньшей мере 0,4 мм/с, предпочтительно по меньшей мере 0,5 мм/с, предпочтительнее по меньшей мере 0,8 мм/с.
9.
9.
80 -70 -60 -50 -40
у= 0.3287 х R2= 0.9209
Высота слоя [см]
А - Среднее значение подъемных сил
Планки погрешностей показывают максимальные и минимальные значения
5 5
а к
п "
Э о Ч Е
S и
я а о
2.5-ми-
2 -
1.5-
0.5-
0.2 0.4 Нормированное количество введенной жидкости
ФИГ. 3
0.6
• - Нормальный пуск: стеклянные шарики в воде
о - Нормальный пуск: стеклянные шарики в Isopar М
х - Нормальный пуск: стеклянные шарики в масле Tellus марки 68
(19)
(19)
2/5
1/5
Фиг. 2
2/5
1/5
Фиг. 2
2/5
1/5
Фиг. 2
2/5
3/5
Фиг. 2
2/5
3/5
Фиг. 2
4/5
3/5
Фиг. 4
4/5
5/5
Фиг. 4