BR112018003216B1

BR112018003216B1 - Método para partida de um reator de coluna com bolhas de lama

Info

Publication number: BR112018003216B1
Application number: BR112018003216-6A
Authority: BR
Inventors: Ruben Oortman; Willem Adriaan Booysen
Original assignee: Sasol Technology Proprietary Limited
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2022-04-19
Also published as: US20200283685A1; EA201890496A1; CA2995432C; WO2017029581A1; US11505749B2; EP3337874A1; BR112018003216A2; ZA201801003B; CN108603123B; EP3337874B1; CN108603123A; CA2995432A1; EA033413B1

Abstract

MÉTODO PARA PARTIDA DE UM REATOR DE COLUNA COM BOLHAS DE LAMA. A presente invenção trata de um método para partida de um reator de coluna com bolhas de lama, que inclui um vaso de reator retendo um leito depositado ou quedado de partículas e uma fase líquida, a partir da qual as partículas se depositaram, inclui a introdução de um escoamento de um líquido de ressuspensão, no leito depositado ou quedado, para afrouxar o leito depositado ou quedado. A introdução do líquido de ressuspensão ocorre antes da introdução de qualquer gás no leito depositado ou quedado, ou em conjunto com a alimentação de gás no leito depositado ou quedado, contanto que, se o gás for alimentado em conjunto com o líquido de ressuspensão no leito depositado ou quedado, antes que o leito depositado ou quedado tenha sido afrouxado, o gás terá uma velocidade de gás superficial no reator abaixo de 10 cm/s. Uma vez que o leito depositado ou quedado tenha sido afrouxado pelo menos pelo líquido de ressuspensão, gás é passado em uma velocidade de gás superficial acima de 10 cm/s, através da fase líquida.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] Esta invenção se refere a um método de operação de um reator de coluna com bolhas de lama. Em particular, a invenção de refere a um método para partir um reator de coluna com bolhas de lama.

HISTÓRICO

[0002] Reatores de coluna com bolhas de lama apresentam características de transferência de calor e de equalização de temperatura superiores e também oferecem elevadas capacidades de produção em um único reator. Em reatores de coluna com bolhas de lama, sólidos finos (tipicamente, partículas de catalisador usualmente menores do que 200 micrômetros) são mantidos em suspensão em uma fase líquida ou meio líquido, principalmente ou completamente, por turbulência criada conforme bolhas de gás se elevem através de um leito de lama no lado de dentro do reator. Tipicamente, uma corrente de gás é introduzida no ou próximo ao fundo do leito de lama. Tipicamente, reatores de coluna com bolhas de lama operam com o leito de lama no regime de escoamento hidrodinâmico turbulento (churn-turbulent).

[0003] Um tipo diferente de reator com três fases para um reator de coluna com bolhas de lama é um reator com leito em turbulência (ebullating). Reatores com leito em turbulência são descritos, por exemplo, no documento reemitido U.S. 2.987.465 (re-emissão 25.770). Uma massa de partículas sólidas, mantida em um estado de movimento aleatório por uma fase líquida escoando para cima, é descrita como turbulenta (ebullated). Tipicamente, reatores com leito em turbulência operam no regime de escoamento hidrodinâmico bem misturado em velocidades de gás muito menores do que reatores de coluna com bolhas de lama. Em reatores com leito em turbulência, fase líquida escoamento para cima e material em fase de gás, em co-corrente, entram em contato com uma massa de partículas sólidas em movimento aleatório dentro do reator. Comparados aos reatores de coluna com bolhas de lama, os reatores com leito em turbulência usualmente empregam partículas de catalisador maiores; tipicamente, na faixa de 100 a 5.000 micrômetros, de preferência, 350 a 3.000 micrômetros. Deve ser observado que, em reatores com leito em turbulência, a fluidização do catalisador é grandemente conseguida pelo escoamento da fase líquida, enquanto que, em reatores de coluna com bolhas de lama, é grandemente o escoamento da fase de gás que fluidiza as partículas de catalisador.

[0004] O documento U.S. 6.512.017 descreve um método de partida de um reator de coluna com bolhas de lamas, o método incluindo a transferência de cera fundida limpa ao reator, estabelecendo um escoamento de gás através da fase líquida por reciclo de gás em torno do reator, e, então, a transferência de uma lama de partículas de catalisador para o reator. Ele ensina adicionalmente um método de interrupção de operação de um reator de coluna com bolhas de lama, que envolve as etapas de corte de um suprimento de gás de síntese (syngas) fresco ao reator, de modo que o reator seja somente operado sob reciclo, reduzindo a temperatura para dentro da faixa de 150°C a 200°C, e, então, a transferência de pelo menos uma porção da lama para um vaso de descarregamento, enquanto se mantém o escoamento de gás através do reator. A nova partida do reator envolve o recarregamento da lama de catalisador ao reator, de acordo com o método seguido por uma partida de reator normal. Ele ainda descreve adicionalmente um método de se lidar com transtornos na planta, método este que inclui o corte de suprimento de gás de síntese fresco ao reator, de modo que o reator seja operado somente sob reciclo, reduzindo a temperatura para dentro da faixa de 150°C a 200°C, e, então, a transferência de pelo menos uma porção da lama para um vaso de descarregamento, enquanto se mantém o escoamento de gás através do reator. O reator tem sua nova partida por partida do escoamento de gás de síntese para o reator, aumentando a temperatura e, então, recarregando a porção de catalisador descarregada de volta ao reator. Ele ainda descreve adicionalmente um método de se lidar com uma falha de um sistema de reciclo de gás em torno do reator, o método incluindo a parada de alimentação de gás de síntese fresco ao reator, a adição de um fluido de quenching ao reator para diminuir a temperatura, enquanto opcionalmente diminuindo a pressão do reator, mantendo a temperatura entre 150°C e 200°C, e opcionalmente descarregando alguma lama de catalisador a partir do reator. O reator tem sua nova partida por partida do escoamento de gás de reciclo em torno do reator até que o leito de catalisador depositado tenha sido ressuspenso e as partículas de catalisador estejam em um estado de fluidização, depois do quê gás de síntese fresco é também introduzido.

[0005] O documento EP 2692831 ensina um método de partida de um reator Fischer-Tropsch de coluna com bolhas de lama, que envolve primeiramente a introdução e o reciclo de um gás inerte em torno do reator, a fim de deslocar outros gases e para fluidizar o catalisador. Em uma segunda etapa, gás de síntese é introduzido e reciclado em torno do reator, para deslocar o gás inerte e para manter o catalisador em um estado de fluidização. Em uma etapa final, a alimentação de gás de síntese fresco ao reator é gradualmente aumentada até condições de operação em estado estacionário.

[0006] O documento U.S. 2005/0209351 se refere a métodos para prevenção de e de recuperação a partir de queda ou deposição do leito de catalisador, em um reator de síntese de hidrocarbonetos multifásico. O reator contém um leito de catalisador compreendendo partículas de catalisador e uma zona de injeção de gás adequada para injeção de uma alimentação de gás de reator. O reator é equipado com uma linha de suprimento de alimentação de gás de reator e uma linha de alimentação de gás suplementar está conectada à linha de suprimento de alimentação de gás de reator. No início de um evento de queda de leito, causado por escoamento de gás abaixo daquele necessário para dispersar as partículas de catalisador, alimentação de gás suplementar pode ser ativada para prevenir a queda do leito de catalisador. Ele adicionalmente ensina que a zona de injeção de gás seja separada do leito de catalisador com uma placa porosa, situada acima da zona de injeção de gás, para prevenir a migração das partículas de catalisador para a zona de injeção de gás, no caso em que o leito se quede. Uma vez que o suprimento de gás de alimentação de reator ou de gás suplementar seja suficientemente elevado para fornecer velocidade de fluidização pelo menos mínima, a fluidização de partículas de catalisador é restaurada pelo escoamento de gás que passe através da placa porosa.

[0007] Portanto, a técnica anterior ensina a partida de reatores de coluna com bolhas de lama usando etapas genéricas de formação de uma lama de partículas de catalisador em um meio líquido, do lado de dentro de um vaso de mistura, e de transferência da lama para o reator, enquanto se mantém o catalisador em um estado de fluidização do lado de dentro do reator por meio de uma alimentação de gás. Também existem ensinamentos claros na técnica anterior de que a defluidização de partículas de catalisador durante condições de transtorno, tais como quando a taxa de alimentação de gás ao reator seja interrompida, deve ser evitada. Consequentemente, a técnica anterior ensina que um escoamento de gás para o reator seja mantido (ou via gás de reciclo em torno do reator ou via gás a partir de uma fonte externa) para manter as partículas de catalisador em suspensão, e/ou que pelo menos uma parte do estoque de lama do reator seja transferida para fora do reator. Claramente, dependendo da natureza da condição de transtorno, tais remédios nem sempre podem ser práticos e pode surgir uma situação, na qual a deposição do leito de catalisador do lado de dentro do reator seja inevitável. Em um tal caso, a técnica anterior ensina que o leito deve ser ressuspenso por partida de escoamento de gás para o reator e, depois de se conseguir a fluidização do catalisador, aproximando-se gradualmente das condições de síntese normais.

[0008] Nas décadas passadas, reatores de coluna com bolhas de lama comerciais tornaram-se maiores em tamanho. A fim de aumentar a capacidade de um único reator, os reatores podem apresentar diâmetros de vários metros e o estoque de catalisador pode compreender centenas de toneladas. Além disso, um método para aumentar adicionalmente a capacidade de produção de um reator de coluna com bolhas de lama é aumentar a concentração de catalizador do lado de dentro do reator, resultando em carregamento de catalisador ainda mais elevado.

[0009] Reatores Fischer-Tropsch com lama de grande escala podem ser operados, de maneira bem sucedida, durante vários anos sem interrupção de operação. No entanto, interrupções de operação para manutenção de rotina, necessárias para inspeções e reparos necessitam ser conduzidas conforme programado. Também podem ocorrer interrupções de operação não programadas de reatores Fischer-Tropsch. Em situações de interrupção de operação, a fluidização do catalisador no leito de lama pode ser rompida, resultando em um leito de catalisador quedado. Conforme resumido acima, quando a operação normal do reator deva ser restaurada, a técnica anterior ensina que o leito de catalisador quedado seja ressuspenso por introdução de gás ao reator, seja aquele gás de síntese ou algum outro gás (por exemplo, um gás inerte).

RESUMO DA INVENÇÃO

[0010] De maneira inesperada, a requerente constatou que elevadas forças de elevação (uplift forces), que se aproximam de 200 KN/m2, são experimentadas durante a ressuspensão do leito, quando realizada de acordo com o ensinamento da técnica anterior. Será desejável um método de ressuspensão de um leito de catalisador depositado ou quedado, em um reator de coluna com bolhas de lama, que resulte em forças de elevação substancialmente mais baixas durante a ressuspensão do leito.

[0011] De acordo com a invenção, é fornecido um método para partida de um reator de coluna com bolhas de lama, que inclua um vaso de reator retendo um leito depositado ou quedado de partículas e uma fase líquida, a partir da qual as partículas tenha se depositado, o método incluindo a introdução de um escoamento de um líquido de ressuspensão no leito depositado ou quedado, para afrouxar o leito depositado ou quedado, a introdução do líquido de ressuspensão ocorrendo antes da introdução de qualquer gás no leito depositado ou quedado, ou em conjunto com a alimentação de gás ao leito depositado ou quedado, contanto que, se o gás alimentado em conjunto com o líquido de ressuspensão ao leito depositado ou quedado, antes que o leito depositado ou quedado tenha sido afrouxado, o gás apresente uma velocidade de gás superficial no reator abaixo de 10 cm/s; e uma vez que o leito depositado ou quedado tenha sido afrouxado por pelo menos o líquido de ressuspensão, a passagem de gás em uma velocidade de gás superficial acima de 10 cm/s através da fase líquida.

[0012] Conforme é bem conhecido pelos técnicos especializados no assunto de operação de reatores de coluna com bolhas de lama, o gás escoa para cima através da fase líquida, a partir de um nível baixo, no qual o gás é introduzido, por exemplo, no ou próximo ao fundo do vaso do reator.

[0013] Neste relatório descritivo, velocidade de gás superficial ou velocidade de líquido superficial é definida, respectivamente, como a vazão volumétrica de gás ou líquido, nas condições de pressão e de temperatura do vaso do reator, dividida pela área da seção transversal do vaso do reator vazio. Essa definição se aplica tanto a uma configuração de modelo frio (por exemplo, conforme usada em experimentos em escala de laboratório) quanto a reatores instalados ou projetados reais (por exemplo, reatores Fischer-Tropsch com lama comerciais).

[0014] Em uso normal ou em operação em estado estacionário, quando um leito de lama for mantido, as partículas, isto é, sólidos, forem mantidas em suspensão na fase líquida por turbulência criada conforme o gás passe para cima através do leito de lama. Consequentemente, as partículas de depositam quando o escoamento de gás for reduzido para valores baixos ou for interrompido. O reator de coluna com bolhas de lama está em uso normal tipicamente, mas não necessariamente sempre, operado com o leito de lama, do lado de dentro do vaso do reator, no regime de escoamento turbulento. Esse regime de escoamento é caracterizado por uma fase diluída, consistindo em bolhas de gás grandes que se elevam rapidamente, que atravessam o leito de lama na direção ascendente, virtualmente em escoamento contínuo (plug flow), e uma fase densa, compreendendo fase líquida, partículas sólidas e bolhas de gás menores arrastadas.

[0015] De preferência, o diâmetro médio das partículas, determinado em uma base volumétrica, é menor do que cerca de 200 micrômetros, mais preferivelmente, menor do que cerca de 100 micrômetros, muitíssimo preferivelmente, abaixo de cerca de 80 micrômetros. Tipicamente, cerca de 90% das partículas, em uma base em volume, apresentam diâmetros abaixo de cerca de 200 micrômetros, mais preferivelmente, abaixo de cerca de 100 micrômetros, muitíssimo de preferência, abaixo de 80 micrômetros.

[0016] O leito depositado ou quedado de partículas no vaso do reator pode apresentar uma altura ou profundidade de pelo menos cerca de 2,5 m, ou pelo menos cerca de 5 m, ou mesmo pelo menos cerca de 7 m, por exemplo, pelo menos cerca de 10 m. O peso dos sólidos, em tal leito depositado, pode ser tão elevado como cerca de 850.000 Kg.

[0017] Tipicamente, o reator de coluna com bolhas de lama apresenta um distribuidor de gás em um nível baixo do lado de dentro do vaso do reator, para introdução da alimentação de gás no vaso do reator. O distribuidor de gás em uso, tipicamente, introduzirá a alimentação de gás em um nível que está abaixo ou dentro da altura do leito depositado. Não se desejando estar preso à teoria, a requerente acredita que o leito depositado está compactado em um plugue e que o gás introduzido em um nível baixo no vaso do reator desloca este plugue para cima. Elevadas forças são necessárias para cisalhar o plugue. O deslocamento para cima do plugue consequentemente resulta em grandes forças sendo exercidas no interior do reator. Por alimentação de um líquido de ressuspensão, o plugue é enfraquecido como um resultado do afrouxamento do leito depositado ou quedado, evitando, assim, que grandes forças sejam exercidas no interior do reator.

[0018] O reator de coluna com bolhas de lama pode ser usado para síntese de Fischer-Tropsch e pode, portanto, ser um reator de coluna com bolhas de lama de Fischer- Tropsch. As partículas, então, incluirão partículas de catalisador de Fischer-Tropsch sólidas. A fase líquida, tipicamente, então, compreenderá produto líquido de hidrocarboneto da síntese de Fischer-Tropsch.

[0019] O líquido de ressuspensão pode ser qualquer líquido adequado. O líquido de ressuspensão pode permanecer principalmente na fase líquida depois de ser introduzido no vaso do reator, isto é, ao leito depositado ou quedado, ou o líquido de ressuspensão pode se vaporizar, parcialmente ou completamente, depois da introdução. De preferência, o líquido de ressuspensão permanece principalmente na fase líquida depois de ser introduzido no leito depositado ou quedado. Em casos, nos quais o vaso do reator de coluna com bolhas de lama contiver partículas de catalisador, o líquido de ressuspensão deve, de preferência, ser substancialmente livre de substâncias que tenham um efeito adverso sobre o desempenho do catalisador, por exemplo, o líquido de ressuspensão deve, de preferência, ser substancialmente livre de venenos do catalisador. No caso de síntese de Fischer-Tropsch, o líquido de ressuspensão, de preferência, é ou compreende um produto obtido por ou derivado da síntese de Fischer-Tropsch, tal como diesel ou cera produzidos por ou derivados da síntese de Fischer-Tropsch.

[0020] De preferência, o líquido de ressuspensão apresenta uma viscosidade menor do que cerca de 10 cP, mais preferivelmente, menor do que cerca de 4 cP, na temperatura do leito depositado ou quedado no vaso do reator.

[0021] Similarmente, a viscosidade da fase líquida, no vaso do reator de coluna com bolhas de lama, também deve ser considerada. Portanto, o método tipicamente inclui, antes da introdução do escoamento do líquido de ressuspensão, assegurar que a fase líquida no reator esteja em uma temperatura tal que a fase líquida apresente uma viscosidade menor do que cerca de 10 cP, de preferência menor do que cerca de 4 cP. Isso pode incluir o aquecimento do vaso do reator, isto é, do conteúdo do vaso do reator.

[0022] Em casos, nos quais o reator de coluna com bolhas de lama seja empregado na síntese de Fischer- Tropsch, tipicamente, a fase líquida inclui produtos de hidrocarboneto cerosos da síntese se Fischer-Tropsch. Tipicamente, o vaso do reator é, então, aquecido para uma temperatura de pelo menos cerca de 150°C, antes da introdução do líquido de ressuspensão. Se o vaso do reator se resfriar em demasia, quando a temperatura se aproximar do ponto de congelamento da cera de Fischer- Tropsch, por exemplo, é possível se ter uma viscosidade suficientemente elevada para provocar forças de elevação mais elevadas, comparadas àquelas observadas quando líquidos com viscosidades mais baixas forem usados. Portanto, recomenda-se prevenir o resfriamento excessivo do vaso do reator durante períodos de interrupção de operação.

[0023] Dados experimentais mostram que as forças de elevação aumentam, de maneira substancial, com um aumento na viscosidade do líquido de ressuspensão. Um líquido de ressuspensão com uma viscosidade de 2,4 cP se comporta de maneira similar a um líquido de ressuspensão com uma viscosidade de 1 cP com somente aumento mínimo nas forças de elevação. No entanto, com um líquido de ressuspensão com uma viscosidade em torno de 140 cP, as forças de elevação podem aumentar de 3 a 4 vezes.

[0024] O escoamento de líquido de ressuspensão pode ser introduzido no leito depositado ou quedado com qualquer meio de introdução de fluido adequado, tal como um distribuidor ou aspersor. De preferência, o meio de introdução de fluido é projetado de maneira uniforme, para distribuir o liquido de ressuspensão através de uma seção transversal do vaso do reator.

[0025] De preferência, o volume do líquido de ressuspensão, introduzido no leito depositado ou quedado antes da introdução de gás em uma velocidade superficial acima de 10 cm/s, é pelo menos cerca de 5% de um volume interpartículas do leito depositado ou quedado, mais preferivelmente, pelo menos cerca de 15% do volume interpartículas do leito depositado ou quedado e, muitíssimo preferivelmente, pelo menos cerca de 30% do volume interpartículas do leito depositado ou quedado. Em uma modalidade da invenção, o leito depositado ou quedado é, portanto, considerado como estando afrouxado pelo líquido de ressuspensão, ou por uma combinação do líquido de ressuspensão e gás em uma velocidade de gás superficial abaixo de 10 cm/s, quando o volume de líquido de ressuspensão alimentado ao leito depositado ou quedado for de pelo menos cerca de 5% do volume interpartículas do leito depositado ou quedado, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de 15% do volume interpartículas do leito depositado ou quedado e, muitíssimo de preferência, de pelo menos cerca de 30% do volume interpartículas do leito depositado ou quedado.

[0026] De preferência, o escoamento do líquido de ressuspensão introduzido no leito depositado ou quedado apresenta uma velocidade de líquido superficial no vaso do reator que é maior do que a velocidade de fluidização mínima das partículas do leito depositado ou quedado na fase líquida no vaso do reator.

[0027] Conforme mencionado aqui anteriormente, a velocidade de líquido superficial do líquido de ressuspensão é determinada por divisão do escoamento volumétrico de líquido total do líquido de ressuspensão pela área de seção transversal do vaso do reator. No caso da síntese de Fischer-Tropsch, o escoamento do líquido de ressuspensão é, de preferência, introduzido em uma velocidade de líquido superficial, no vaso do reator, de pelo menos cerca de 0,4 mm/s, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de 0,5 mm/s e, muitíssimo de preferência, de pelo menos cerca de 0,8 mm/s.

[0028] Dentro do escopo desta invenção, é possível ou parar ou manter o escoamento do líquido de ressuspensão depois que o gás for introduzido no vaso do reator.

[0029] Conforme mencionado aqui anteriormente, o método pode incluir, subsequente à ou simultaneamente com a introdução do escoamento do líquido de ressuspensão no leito depositado ou quedado, a alimentação de um gás ao leito depositado ou quedado em uma velocidade de gás superficial no reator abaixo de 10 cm/s. Esse gás pode ser considerado como sendo um gás de partida. O uso de um gás de partida pode potencialmente auxiliar com o afrouxamento do leito depositado ou quedado e pode auxiliar na partida da ressuspensão do leito quedado de maneira gradual.

[0030] A velocidade superficial de gás de partida, no vaso do reator, é, de preferência, não maior do que cerca de 5 cm/s, mais preferivelmente, não maior do que cerca de 2 cm/s. Se o gás de partida for usado, a alimentação do gás de partida será, de preferência, mantida durante pelo menos cerca de 3 minutos, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de 10 minutos e, muitíssimo de preferência, de pelo menos cerca de 15 minutos, antes da introdução de gás em uma velocidade superficial acima de 10 cm/s.

[0031] O líquido de ressuspensão e o gás de partida podem compartilhar um ou mais meios de introdução de fluido (isto é, podem ser introduzidos ou alimentados no vaso do reator através do mesmo meio de introdução ou de alimentação), ou podem ter meios de introdução ou de alimentação de fluido separados.

[0032] O gás de partida pode ser introduzido, de modo que a alimentação do gás de partida se sobreponha ao escoamento do líquido de ressuspensão, ou o gás de partida pode ser introduzido somente depois que o escoamento do líquido de ressuspensão tenha cessado.

[0033] O gás de partida pode ser qualquer gás adequado. Em casos, nos quais o vaso do reator de coluna com bolhas de lama contenha partículas, o gás de partida deve, de preferência, ser substancialmente livre de substâncias que tenham um efeito adverso sobre o desempenho do catalisador, por exemplo, ele deve ser substancialmente livre de venenos do catalisador. O gás de partida é, de preferência, um gás inerte, tal como nitrogênio. Alternativamente, o gás de partida pode ser o mesmo ou similar a um gás de alimentação de reator ou um gás rico em hidrogênio, por exemplo, gás de síntese.

[0034] Quando o gás de partida for o mesmo que ou similar a um gás de alimentação de reator, ou quando o gás de partida for um gás rico em hidrogênio, o método pode incluir a manutenção da temperatura do vaso do reator, isto é, a temperatura do conteúdo do vaso do reator, abaixo de uma temperatura de início da reação durante o afrouxamento do leito depositado ou quedado, para inibir ou evitar a geração ou o consumo de calor a partir da reação. Tipicamente, reatores de coluna com bolhas de lama são usados para reações exotérmicas.

[0035] Para síntese de Fischer-Tropsch, a temperatura do vaso do reator, durante a ressuspensão, de preferência, deve ser suficientemente elevada para prevenir o congelamento, total ou parcial, do meio líquido no nado de dentro do vaso do reator, mas baixa o bastante para evitar a geração de calor significativa a partir da reação química, isto é, a partir da síntese de hidrocarbonetos. Portanto, no caso da síntese de Fischer-Tropsch, é desejável uma temperatura do vaso do reator tipicamente entre cerca de 150°C e cerca de 200°C, durante a ressuspensão do leito depositado.

[0036] O método da invenção pode incluir o aumento, de maneira gradual, da vazão do gás de partida para uma velocidade de gás superficial no vaso do reator acima de 10 cm/s.

[0037] O reator com leito de lama pode incluir meios de redistribuição de lama ou redistribuidores de lama no vaso do reator. Neste relatório descritivo, as expressões “meios de redistribuição de lama” ou “redistribuidores de lama” pretendem se referir ao aparelho físico usado para redistribuir partículas de lama e de catalisador verticalmente no lado de dentro do vaso do reator, e não se referem à ação de redistribuição de partículas de lama e de catalisador do gás que passa para cima através do leito de lama. Os meios de redistribuição de lama podem, assim, incluir tubos de queda (downcomers) ou tubos de aspiração ou aparelho de redistribuição mecânica, tais como tubos e bombas e filtros. De preferência, os redistribuidores de lama incluem tubos de queda. Os tubos de queda permitem que a lama passe de maneira descendente, a partir de um nível elevado no leito de lama, para um nível mais baixo do mesmo, por meio disto a redistribuir o calor, a fase líquida e as partículas de catalisador dentro do leito de lama.

[0038] Cada tubo de queda pode compreender uma seção de transporte inferior e uma seção de desengate ou de degaseificação superior de área de seção transversal maior do que a seção de transporte. As seções são, de preferência, de seção transversal circular, são de forma cilíndrica, com um componente de conexão de queima (flaring) que se voltam para fora e para cima, conectando a seção de desengate à seção de transporte. No entanto, a seção de desengate pode, se desejado, estar em outra forma adequada, por exemplo, na forma de um canal com seção retangular ou triangular, conforme determinado pelo espaço disponível no lado de dentro do vaso do reator.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0039] A invenção será agora descrita e ilustrada em mais detalhes e por meio de exemplo com referência aos experimentos estabelecidos abaixo e aos desenhos diagramáticos acompanhantes.

[0040] Nos desenhos:

[0041] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de um reator de coluna com bolhas de lama;

[0042] A Figura 2 mostra um diagrama ilustrando o efeito de uma altura de leito depositado sobre forças de elevação;

[0043] A Figura 3 mostra um diagrama ilustrando o efeito do volume de um líquido de ressuspensão injetado em um leito depositado sobre forças de elevação;

[0044] A Figura 4 mostra um diagrama ilustrando o efeito da viscosidade de um líquido de ressuspensão sobre forças e elevação; e

[0045] A Figura 5 mostra um diagrama ilustrando a correlação entre forças de elevação por área projetada obtida com contas de vidro e catalisador comercial.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0046] Com referência à Figura 1 dos desenhos, o número de referência 10, de maneira geral, indica um aparelho para implementação do método de acordo com a invenção. O aparelho 10 inclui um vaso de reator de coluna com bolhas de lama de Fischer-Tropsch cilíndrico vertical 12 apresentando um aspersor de gás, de maneira geral indicado pelo número de referência 14, em um nível baixo no vaso do reator 12. O aspersor de gás 14 está conectado a uma linha de suprimento de gás. O vaso do reator 12 também apresenta um aspersor de líquido de ressuspensão, de maneira geral indicado pelo número de referência 24, em um nível baixo no vaso do reator 12. Ao invés de um único aspersor de líquido de ressuspensão 24, também podem ser implementados múltiplos aspersores de líquido de ressuspensão (não mostrados). O aspersor 24 está conectado a uma linha de suprimento de líquido de ressuspensão 26. Uma linha de saída de gás 20 e uma linha de retirada de líquido 30 partem do vaso do reator 12.

[0047] Em uso normal, o vaso do reator 12 contém um leito de lama 16 de partículas de catalisador suspensas em um meio líquido (tipicamente produto líquido da reação de Fischer-Tropsch). Gás de alimentação (incluindo gás de síntese), suprido ao longo da linha de entrada de gás 15, é distribuído no leito de lama 16 pelo aspersor 14. As partículas de catalisador são mantidas em suspensão principalmente pela turbulência criada como gás de alimentação e produtos gasosos passam de maneira ascendente através do leito de lama. O leito de lama 16 é operado no regime de escoamento turbulento. Esse regime de escoamento é caracterizado por uma fase diluída compreendendo bolhas de gás grande que se elevam rapidamente, que atravessam o leito de lama 16 de maneira ascendente virtualmente em escoamento contínuo, e uma fase densa compreendendo fase líquida, partículas de catalisador sólidas e bolhas de gás menores arrastadas. Tipicamente, 90% das partículas em uma base em volume apresentam diâmetros abaixo de 200 micrômetros, mais preferivelmente, abaixo de 100 micrômetros e, muitíssimo de preferência, abaixo de 80 micrômetros.

[0048] Tipicamente, o vaso do reator 12 é mantido em uma pressão de operação de entre cerca de 1.000 kPa (10 bar) e cerca de 4.000 kPa (40 bar), e em uma temperatura de operação de entre cerca de 180°C e cerca de 280°C. Durante a operação normal, gás de alimentação (gás de síntese), a partir da linha de suprimento de gás 15, é introduzido no vaso do reator 12, tipicamente, em velocidades de gás superficial acima de cerca de 30 cm/s, mantendo o leito de lama. Conforme o gás de alimentação passa de maneira ascendente através do leito de lama 16, as partículas de catalisador catalisam a reação do gás de síntese para formar uma gama de produtos, de acordo com reações de Fischer-Tropsch conhecidas. Os produtos incluem produtos gasosos e líquidos. O leito de lama 16 apresenta um nível superior 18, acima do qual produtos gasosos e gás de alimentação não reagido se acumulam em uma espaço vazio (head space) do vaso do reator 12. Esse gás é evacuado através da linha de saída de gás 20 para processamento ulterior ou para reciclo. Conforme o produto liquido é formado, o nível 18 do leito de lama é mantido pela retirada de líquido ao longo da linha de retirada de líquido 30.

[0049] No caso, em que o escoamento de gás de alimentação, ao longo da linha de entrada de gás 15, é reduzido para valores baixos ou interrompido por qualquer razão, o leito de lama 16 se deposita ou se queda. Sob a influência da gravidade, as partículas de catalisador se separam por deposição da fase líquida e se recolhem no fundo do vaso do reator 12, formando um leito depositado ou quedado de partículas de catalisador. O leito depositado se estende até um nível de leito depositado indicado pela linha interrompida 22, na Figura 1. O volume interpartículas do leito depositado pode ser determinado por subtração do volume real das partículas de catalisador, no vaso do reator 12, do volume do vaso do reator 12, até o nível do leito depositado 22, isto é, por subtração do volume real de partículas de catalisador do volume real ocupado pelas partículas de catalisador depositadas. Como o aspersor de gás 14 está localizado em um nível baixo no vaso do reator 12, o nível do leito depositado 22 está acima do aspersor de gás 14. Não se desejando estar preso à teoria, a requerente acredita que o leito depositado está compactado em um plugue e que o gás introduzido usando o aspersor de gás 14 desloca este plugue para cima. Elevadas forças são, então, transferidas para o interior do vaso do reator 12 (por exemplo, espirais de resfriamento, que não são mostradas, e o aspersor de gás 14), a fim de cisalhar o plugue.

[0050] De acordo com o método da invenção, a ressuspensão do leito depositado é realizada por introdução de um escoamento de um líquido de ressuspensão, e não simplesmente por reintrodução de gás de escoamento, conforme ensinado pela técnica anterior. O escoamento do líquido de ressuspensão é suprido ao longo da linha de líquido de ressuspensão 26 e introduzido no vaso do reator 12, isto é, no leito quedado ou depositado, através do aspersor líquido 24. O aspersor 24 está localizado em um nível baixo no vaso do reator 12 e abaixo do nível do leito depositado 22, de modo que o líquido de ressuspensão seja alimentado no leito depositado ou quedado.

[0051] De preferência, o aspersor de líquido 24 está posicionado tão baixo no vaso do reator 12 tão praticamente quanto possível. Em uma das modalidades desta invenção (não mostrada), o aspersor de líquido 24 está posicionado abaixo do aspersor de gás 14. O líquido de ressuspensão também pode ser introduzido ao vaso do reator 12 em mais do que um nível usando-se aspersores de líquido adicionais (não mostrados) posicionados ao longo da altura do leito depositado. É também possível introduzir o líquido de ressuspensão usando o aspersor de gás 14.

[0052] O escoamento de líquido de ressuspensão é mantido pelo menos até que a quantidade de líquido de ressuspensão injetada no leito depositado ou quedado seja maior do que a quantidade de líquido necessária para afrouxar o leito, calculada a partir do volume interpartículas do leito de catalisador quedado, por exemplo, pelo menos cerca de 5%, de preferência, de pelo menos cerca de 10% e, muitíssimo preferivelmente, de pelo menos 30% do volume interpartículas. Nesse ponto, em uma modalidade da invenção, gás é introduzido no vaso do reator 12 em uma velocidade superficial de mais do que 10 cm/s através do aspersor de gás 14.

Exemplos

[0053] Foram realizados experimentos em colunas de modelo frio operando em pressão ambiente e em temperatura ambiente. As colunas, com diâmetros internos de 38 cm e 15 cm, respectivamente, foram carregadas com contas de vidro (mais do que 90% das quais eram menores do que 100 μm em uma base volumétrica) e água para formar lama. Essas colunas foram usadas para estudar as forças de elevação em leitos depositados de partículas, sob diferentes condições operacionais. Na coluna com diâmetro interno de 15 cm, foi também realizada pesquisa com partículas de catalisador de Fischer-Tropsch oxidadas reais e meios líquidos parafínicos representativos de cera de Fischer-Tropsch em condições operacionais de Fischer-Tropsch. As forças de elevação foram medidas com o auxílio de uma estrutura pendente livre instalada nas colunas e conectadas a células de carga. A estrutura pendente livre foi colocada em um nível baixo nas colunas, de modo que ela fosse submersa no leito depositado. As células de carga medem a força de massa (Kg), que foi convertida em uma força corrigida de área (N) com a seguinte equação: Força (N) = 9,81 (Leitura de massa do sensorvalor de pico [Kg] — Leitura de massa do sensory [Kg]) Área de seção transversal na direção axial do interior conectado à célula de carga [mm2] (1)

[0054] A coluna com diâmetro interno de 38 cm era equipada com um aspersor principal instalado em um nível baixo na coluna. Um aspersor secundário foi instalado acima do aspersor principal e foi algumas vezes usado para introduzir fluidos de ressuspensão na coluna.

[0055] A vazão em estado estacionário de ar para a coluna (isto é, a analogia da vazão de gás de alimentação ao reator de um sistema reativo) era uma velocidade de gás superficial de pelo menos 10 cm/s do lado de dentro da coluna em todos os experimentos em ambas as colunas.

Exemplo 1: Efeito de altura de leito depositado

[0056] Foram realizados experimentos na coluna, na qual as contas de vidro foram deixadas separar por deposição a partir de um estado fluidizado por corte do escoamento de ar para a coluna. O escoamento de ar foi, então, restaurado para a coluna por abertura da válvula automatizada (abertura em uma taxa de 0,15%/s), permitindo que ar seja introduzido na coluna através do aspersor principal, isto é, o leito depositado foi ressuspenso por um método que recaia dentro do escopo dos ensinamentos da técnica anterior. A força de elevação máxima, medida durante a ressuspensão do leito depositado, foi registrada. Por uso de diferentes quantidades de contas de vidro, o efeito de diferentes alturas do leito depositado variando desde 0,5 m a 2,5 m, poderia ser investigado. Para cada altura de leito depositado, inúmeros experimentos foram realizados e os valores médios, assim como a faixa de valores medidos, foram relatados na Figura 2, para cada altura.

[0057] Os valores médios indicam um forte aumento na força de elevação com uma altura do leito depositado crescente. Além disso, os experimentos se tornam muito menos reprodutíveis quanto mais elevado ou mais profundo o leito de catalisador depositado, isto é, a faixa de valores medida se torna mais larga, conforme a altura do leito depositado aumentou. Provavelmente, é mais importante considerar o valor mais elevado registrado em cada altura estudada ao invés da média, uma vez que o valor mais elevado representa o evento que pode causar o maior dano a um vaso do reator de Fischer-Tropsch com lama em grande escala real. Isso mostra que aumentando- se a carga de catalisador no vaso do reator com lama em grande escala real, que resultará em um leito depositado mais elevado durante transtornos no processo, pode-se aumentar, de maneira significativa o risco de se danificar o interior do reator, se o procedimento da técnica anterior para partir um reator com um escoamento de gás de produção normal for seguido para ressuspender um leito de catalisador depositado.

Exemplo 2: Efeito da quantidade de líquido de ressuspensão expresso como uma fração do volume interpartículas do leito depositado

[0058] Foram realizados experimentos na coluna, na qual as contas de vidro foram suspensas em água em velocidades de gás superficial elevadas acima de 30 cm/s, durante cerca de 45 minutos. O escoamento de gás foi interrompido e as contas de vidro foram deixadas depositar, durante pelo menos 2 horas. Depois que o leito tinha se depositado completamente, isto é, todas as partículas tinham se separado por deposição, o leito foi refluidizado primeiramente por introdução de um escoamento de líquido de ressuspensão na coluna, através do aspersor secundário, em uma velocidade de líquido superficial de 0,5 mm/s. Enquanto ainda continuando a bombear o líquido de ressuspensão através do aspersor secundário, o escoamento de gás em uma velocidade de gás superficial de 10 cm/s foi introduzido na coluna através do aspersor principal.

[0059] A partir da Figura 3, é evidente que existe uma diminuição exponencial nas forças de elevação com a quantidade de líquido de suspensão injetada. Uma diminuição substancial nas forças de elevação medidas é observada quando a quantidade de líquido de ressuspensão injetada for pelo menos igual a 20% a 30% do volume interpartículas do leito depositado (ver a Figura 3).

[0060] Os valores dos picos de força de elevação foram normalizados por divisão dos valores obtidos experimentalmente no Exemplo 2 pelo valor de força de elevação médio obtido quando a partida foi realizada usando somente um gás.

Exemplo 3: Procedimento de partida envolvendo primeiramente a alimentação de líquido de ressuspensão, então, de um gás de partida em uma baixa vazão e, então, começando a vazão de gás de alimentação

[0061] Nestes experimentos, as contas de vidro foram deixadas separar por deposição a partir de um estado fluidizado por corte do escoamento de ar para a coluna. Depois que o leito tinha se depositado completamente, isto é, todas as partículas tinham se separado por deposição, o leito foi refluidizado primeiramente por introdução de um escoamento de líquido de ressuspensão na coluna através do aspersor secundário, durante um certo período de tempo. Imediatamente depois disso, foi introduzido um gás de partida na coluna através do aspersor secundário em uma vazão baixa, isto é, uma vazão menor do que 10 cm/s. Seguindo isso, o escoamento de gás de alimentação normal (velocidade de gás superficial de 10 cm/s) foi introduzido através do aspersor principal. Foi registrada a força de elevação do leito máxima medida durante o procedimento de partida.

[0062] Para uma velocidade de líquido superficial de 0,8 mm/s alimentada à coluna durante cerca de 160 segundos, seguida por um escoamento de gás de partida em uma velocidade de gás superficial de 1,5 cm/s durante 15 minutos antes da partida do escoamento de gás normal, as forças de elevação, medidas sobre o interior pendente livre durante a partida, foram quase que completamente eliminadas.

Exemplo 4: Efeito da viscosidade do líquido de ressuspensão sobre as forças de elevação

[0063] Três líquidos diferentes foram usados para investigar o impacto da viscosidade de líquido sobre as forças de elevação. Água com uma viscosidade de cerca de 1 cP, uma parafina Isopar M com viscosidade em torno de 2,4 cP e óleo Tellus grau 68 com viscosidade de 138 cP foram usados nos experimentos. Água e Isopar M foram usados para a maioria do trabalho experimental e resultados similares foram obtidos para as forças de elevação com os dois líquidos. Para o cenário extremo, as forças de elevação foram medidas para o óleo Tellus altamente viscoso. Para a mesma densidade de empacotamento de leito, forças de elevação muito mais elevadas foram medidas com óleo Tellus, conforme ilustrado na Figura 4. Esses experimentos, portanto, mostram que a viscosidade do líquido de ressuspensão é importante, já que líquido com viscosidade mais elevada produzirá forças de elevação mais elevadas.

Exemplo 5: Correlação entre resultados obtidos com contas de vidro e com catalisador

[0064] Nesses experimentos, as forças de elevação geradas usando partículas de catalisador de Fischer-Tropsch de cobalto oxidado foram comparadas com as forças de elevação geradas usando um sistema com contas de vidro para alturas de leito similares. As contas de vidro selecionadas apresentam uma distribuição de tamanhos de partícula similar em relação ao catalisador de cobalto oxidado. Similar aos experimentos descritos acima, as partículas de catalisador e as contas de vidro foram deixadas separar por deposição a partir de um estado fluidizado, por corte do escoamento de ar para a coluna. Depois que o leito tinha se depositado completamente, isto é, todas as partículas tinham se separado por deposição, o leito foi refluidizado primeiramente por introdução de um escoamento de líquido de ressuspensão na coluna através do aspersor principal, durante um certo período de tempo. Imediatamente depois disso, foi introduzido um gás de partida na coluna através do aspersor principal.

[0065] Conforme pode ser visto a partir da Figura 5, existe uma boa concordância entre os resultados gerados quando se usa catalisador real e quando se usa contas de vidro com uma distribuição de tamanhos de partículas similar. Portanto, pode-se concluir que os resultados obtidos nos experimentos conduzidos com o sistema, no qual foram usadas contas de vidro, podem ser aplicados a um sistema similar, usando um catalisador comercial, tal como um catalisador de Fischer-Tropsch comercial.

[0066] A invenção, conforme ilustrada, de maneira vantajosa, permite a ressuspensão de um leito de catalisador depositado ou quedado, em um vaso de reator de coluna com bolhas de lama, sem introdução de grandes forças de elevação, por exemplo, forças de elevação que se aproximam de 200 KN/m2, no vaso do reator e/ou intervalor do vaso do reator. Em algumas modalidades da invenção, o método da invenção pode empregar, de maneira vantajosa, aparelho existente, tal como um aspersor de gás, para introduzir um escoamento de um líquido de ressuspensão no leito depositado ou quedado, e/ou empregar um líquido de ressuspensão que possa permanecer no vaso de reator de coluna com bolhas de lama, como parte da fase líquida do leito de lama, depois que a operação do vaso de reator com um leito de lama reconstituído tenha começado.

Claims

1. Método para partida de um reator de coluna com bolhas de lama, que inclui um vaso de reator retendo um leito depositado ou quedado de partículas, as partículas tendo um diâmetro médio das partículas determinado em uma base volumétrica menor do que de 200 micrômetros, e uma fase líquida a partir da qual as partículas se depositaram, o método caracterizado por incluir: assegurar que a fase líquida, no vaso do reator, esteja em uma temperatura tal que a fase líquida apresente uma viscosidade menor do que 10 cP; a seguir, introduzir um escoamento de um líquido de ressuspensão no leito depositado ou quedado de maneira uniforme através de uma seção transversal do vaso do reator por um distribuidor ou aspersor em um nível baixo no reator de modo a afrouxar o leito depositado ou quedado, a introdução do líquido de ressuspensão ocorrendo antes da introdução de qualquer gás no leito depositado ou quedado, ou em conjunto com a alimentação de gás no leito depositado ou quedado, contanto que, se o gás for alimentado em conjunto com o líquido de ressuspensão no leito depositado ou quedado, antes que o leito depositado ou quedado tenha sido afrouxado, o gás terá uma velocidade de gás superficial no reator abaixo de 10 cm/s, em que o volume do líquido de ressuspensão introduzido no leito depositado ou quedado, antes da introdução de gás em uma velocidade superficial acima de 10 cm/s é pelo menos 5% de um volume interpartículas do leito depositado ou quedado, o escoamento do líquido de ressuspensão é introduzido em uma velocidade de líquido superficial no vaso do reator, que é maior do que a velocidade de fluidização mínima das partículas do leito depositado ou quedado na fase líquida do vaso do reator, e o líquido de ressuspensão apresenta uma viscosidade menor do que 10 cP na temperatura do leito depositado ou quedado no vaso do reator; e uma vez que o leito depositado ou quedado tenha sido afrouxado, pelo menos, pelo líquido de ressuspensão passando-se gás em uma velocidade de gás superficial acima de 10 cm/s através da fase líquida.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator de coluna com bolhas de lama é usado para síntese de Fischer-Tropsch e sendo que as partículas incluem partículas de catalisador de Fischer-Tropsch.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o líquido de ressuspensão apresenta uma viscosidade menor do que 4 cP, na temperatura do leito depositado ou quedado no vaso do reator.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de incluir, antes da introdução do escoamento do líquido de ressuspensão, assegurar que a fase líquida, no vaso do reator, esteja em uma temperatura tal que a fase líquida apresente uma viscosidade menor do que 4 cP.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o volume do líquido de ressuspensão introduzido no leito depositado ou quedado, antes da introdução de gás em uma velocidade superficial acima de 10 cm/s, é pelo menos 15%, de preferência, pelo menos 30%, do volume interpartículas do leito depositado ou quedado.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de incluir a introdução do escoamento do líquido de ressuspensão no leito depositado ou quedado, para afrouxar o leito depositado ou quedado com alimentação de gás no leito depositado ou quedado, o gás sendo um gás de partida com uma velocidade de gás superficial no reator abaixo de 10 cm/s.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o gás de partida apresenta uma velocidade de gás superficial, no vaso do reator, que não é maior do que 5 cm/s.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de incluir o aumento de maneira gradual da vazão do gás de partida para uma velocidade de gás superficial, no vaso do reator, acima de 10 cm/s.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de o gás de partida é um gás inerte.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que o gás de partida é o mesmo que ou é similar a um gás de alimentação ao reator, ou de que o gás de partida é um gás rico em hidrogênio, o método incluindo a manutenção da temperatura do vaso do reator abaixo de uma temperatura de início da reação, durante o afrouxamento do leito depositado ou quedado, para inibir ou evitar a geração ou o consumo de calor a partir da reação.

11. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o escoamento do líquido de ressuspensão é introduzido em uma velocidade de líquido superficial, no vaso do reator, de pelo menos 0,4 mm/s, de preferência, de pelo menos 0,5 mm/s, mais preferivelmente, de pelo menos 0,8 mm/s.