CN101142015A - 源自气态反应物的液态产物以及可选的气态产物的制造 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于由气态反应物制造液态产物并可选地制造气态产物的方法，所述方法包括：将处于低水平高度的气态反应物进给到竖直延伸的料浆床中，该料浆床容纳悬浮在悬浮液中的固体颗粒，并且该料浆床围绕多个竖直延伸的封套式管道定位，每个所述封套式管道包括内管道以及外管道或者封套管道，在所述内管道和所述外管道之间限定封套空间，所述料浆床也位于所述内管道内部。随着所述气态反应物向上经过所述料浆床，允许所述气态反应物进行放热反应，从而形成液态产物，并可选地形成气态产物，并且随着所述液态产物与所述悬浮液形成在一起，还形成所述料浆床的液相，因此，在所述封套式管道外部和所述内管道内部发生反应。使冷却介质经过所述封套式管道的封套空间，从而从所述料浆床去除反应热。

Description

源自气态反应物的液态产物以及可选的气态产物的制造
技术领域
本发明涉及源自气态反应物的液态产物以及可选的气态产物的制造。具体而言，本发明涉及一种从气态反应物制造液态产物以及可选地制造气态产物的方法，并且涉及一种从气态反应物制造液态产物并可选地制造气态产物的设备。
背景技术
料浆相反应器由于其优良的传热性能并且在料浆相中形成热点的风险较小而优选地用于高放热反应。不过，当前流行的催化剂活性日渐增高，从而导致每单位反应器容积的放热速率较高。这就需要使料浆相反应器中的散热能力更高。
发明内容
根据本发明的一方面，提供、一种用于由气态反应物制造液态产物并可选地制造气态产物的方法，所述方法包括：
将处于低水平高度的气态反应物进给到竖直延伸的料浆床中，该料浆床容纳悬浮在悬浮液中的固体颗粒，并且该料浆床围绕多个竖直延伸的封套式管道定位，每个所述封套式管道包括内管道以及外管道或者封套管道，在所述内管道和所述外管道之间限定封套空间，所述料浆床也位于所述内管道内部；
随着所述气态反应物向上经过所述料浆床，允许所述气态反应物进行放热反应，从而形成液态产物，并可选地形成气态产物，并且随着所述液态产物与所述悬浮液形成在一起，还形成所述料浆床的液相，因此，在所述封套式管道外部和所述内管道内部发生反应；
使冷却介质经过所述封套式管道的封套空间，从而从所述料浆床去除反应热；
允许气态产物和未反应的气态反应物从所述料浆床释放而进入所述料浆床上方的顶部空间；
从所述顶部空间抽出气态产物和未反应的气态反应物；和
从所述料浆床抽出液相或料浆，以将所述料浆床保持在所希望的高度。
所述冷却介质可为锅炉进给水，所述方法因而还提供可用于产生蒸汽的热加压锅炉进给水。
所述封套式管道的所述内管道通常端部全开口，所述内管道的至少底开口端部位于所述料浆床内。
与仅使用光滑圆柱状表面而获得的传热表面相比，由所述封套式管道限定的传热表面可被成形或构造为增大传热表面面积或提高传热系数。所述成形或构造方案可包括使用波纹状、棱纹状或鳍状的管道，以及本领域普通技术人员公知的其它方法。
所述方法优选地包括：允许使用料浆再分配装置或料浆再分配器将料浆从料浆床中的高高度传送到其中的低高度，从而在料浆床中再分配固体颗粒。
虽然可以相信所述方法至少在理论上能够具有较广泛的应用，不过，可以想象的是，所述固体颗粒将通常为催化剂颗粒，用于催化由气态反应物生成液态产物并在可行时生成气态产物这一反应；所述悬浮液通常但不必总是包括液态产物。
而且，虽然也可以相信理论上所述方法能够具有较广泛的应用，不过，可以想象的是，该方法在烃合成中具有特定应用，其中气态反应物能够在料浆床中进行催化放热反应以形成液态烃产物并可选地形成气态烃产物。具体而言，烃合成可为费希尔-托罗普施(Fischer-Tropsch)合成，气态反应物的形式为主要包含一氧化碳和氢气的合成气流，并且液态烃产物和气态烃产物均产生。
所述方法可包括：冷却来自所述顶部空间的气体以凝结出液态产物，例如液体烃和反应水；将液态产物从气体中分离出以提供尾气；和将至少一些尾气作为再循环气流再循环至料浆床。
料浆床因而可容纳于或设置在形式为料浆反应器或鼓泡塔的容器的反应区中。料浆反应器或鼓泡塔因而使用三相系统，即，固态催化剂颗粒、液态产物和气态反应物(包括任何再循环气体)，并可选地包括气态产物和惰性气体。
催化剂颗粒的催化剂可为任何所希望的费希尔-托罗普施催化剂，例如铁基催化剂、钴基催化剂或任何其它的费希尔-托罗普施催化剂。催化剂颗粒可具有所希望的颗粒尺寸范围，例如，催化剂颗粒均不大于300微米，而且小于22微米的催化剂颗粒的重量百分比低于5％。
料浆反应器或鼓泡塔因而可保持在与费希尔-托罗普施合成反应相关的正常的高压高温状态下，例如，预定工作压力在10-50bar的范围内，而预定温度在160℃-280℃的范围内，或者如果生产较低沸点产品，则压力值和温度值甚至更高。
合成气流(新气体和任何可选的再循环气体)经过料浆床，即通过料浆床起泡，从而形成涡流，因而，在料浆床中的催化剂颗粒通过所述涡流而保持处于悬浮状态。通过料浆床的气体的速度因而高得足以使料浆床保持处于涡流或悬浮状态。
根据本发明的另一方面，提供一种用于由气态反应物制造液态产物并可选地制造气态产物的设备，所述设备包括：
反应容器，其具有竖直延伸的料浆床区，在使用时该料浆床区将包含料浆床，该料浆床容纳悬浮在悬浮液中的固体颗粒；
在所述容器中的气体入口，其在所述料浆床区中处于低水平高度，用于将气态反应物引入所述容器中；
在所述容器中的气体出口，其处于所述料浆床区的上方，用于将气体从在所述料浆床区上方的顶部空间抽出；
在所述容器中的液体出口，其处于所述料浆床区内，用于将液态产物或料浆从所述容器抽出；和
在所述料浆床区中的多个竖直延伸的封套式管道，每个所述封套式管道包括内管道以及外管道或者封套管道，在所述内管道和所述外管道之间限定封套空间，所述封套式管道中的至少一些的封套空间流体连通，以容纳公共传热流体并排放所述公共传热流体，所述内管道在使用时端部开口以允许所述料浆床占据所述内管道，而所述外管道的外表面在使用时暴露于所述料浆床区以接触所述料浆床。
所述内管道的至少底开口端部因而位于所述料浆床区内。所述内管道的上开口端部可位于所述料浆床区内或可突出至料浆床区上方而进入顶部空间。
内管道和外管道优选地为圆柱状，并优选同心。这样，封套式管道的封套空间的横截面通常为环形。
与仅使用光滑圆柱状表面而获得的传热表面相比，由所述封套式管道限定的传热表面可被成形或构造为增大传热表面面积或提高传热系数。所述成形或构造方案可包括使用波纹状、棱纹状或鳍状的管道，以及本领域普通技术人员公知的其它方法。
优选地，所述内管道的内直径至少为大约5厘米，更优选地至少为大约7.5厘米，例如，在大约7厘米-16厘米之间。
优选地，所述外管道具有的外直径至少为大约7厘米，更优选地至少为大约10厘米，例如，在大约10厘米-22厘米之间。
优选地，至少两束封套式管道位于所述料浆床内，所述束竖直隔开。也可以设计成单一束的封套式管道。
所述封套式管道的长度或者所述竖直隔开的各束封套式管道束在组合时的长度，可等于所述料浆床区的高度的至少大约50％，优选的至少大约60％，例如，在料浆床区的高度的大约65％-大约80％之间。
所述封套式管道可排布并在尺寸上被设置为，每立方米的料浆床区提供大约10平方米-大约50平方米的传热表面面积，优选地，每立方米的料浆床区提供大约12平方米-大约15平方米的传热表面面积，例如，每立方米的料浆床区提供大约13平方米的传热表面面积。
通常，对于商业化规模的费希尔-托罗普施合成设备，至少大多数所述封套式管道每个均提供至少0.38m2/m的传热表面面积，优选至少大约0.55m2/m，例如大约0.85m2/m。
优选地，所述设备包括料浆再分配装置或一个或多个料浆再分配器，在工作中，通过上述装置设备，料浆可从料浆床中的高高度再分配至其较低高度，从而在料浆床中再分配固体颗粒。
在本申请文件中，用语“料浆再分配装置”意在表示用于在反应容器中竖直地再分配料浆和催化剂颗粒的实体设备，而不是表示向上经过料浆床的气体的料浆和催化剂颗粒再分配行为。料浆再分配装置或料浆再分配器因而可包括降液管或者导管，或者诸如软管、泵和过滤器的机械再分配设备。
附图说明
现在将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中：
图1示意性显示了根据本发明的一种用于由气态反应物制造液态产物以及气态产物的设备的纵向截面图；
图2显示了切过图1中设备的料浆鼓泡塔的水平截面图，其中为了清晰而对一些部件进行省略，而对一些部件进行尺寸放大；和
图3示意性显示了图1设备的料浆鼓泡塔的一部分的纵向截面图，其中为了清晰而对一些部件进行省略，而对一些部件进行尺寸放大。
具体实施方式
参见附图中的图1，附图标记10概括性地表示根据本发明的用于由气态反应物制造液态和气态产物的设备。
设备10包括竖立的圆柱状料浆反应器或者鼓泡塔12，其具有引导至反应器12内部的气体分配器(未示出)中的底部气体入口14以及从反应器12的顶部引出的气体出口16。液态产物出口18从反应器12在任意方便的水平高度处引出。
虽然未在附图中示出，不过，反应器12通常还包括一个或多个降液管区域，每个降液管区域包括至少一个降液管。具体而言，降液管包括直径相对较小的筒状传输节段、在该传输节段的上端处向外张开的连接构件、大直径脱气节段，该脱气节段的下端连接到所述连接构件。脱气节段的上端因而提供料浆入口，而传输节段的下端提供料浆出口。
各降液管区域通常竖直隔开，其中上方的降液管区域的降液管的下端与下方的降液管区域的降液管的上端以竖直间隙隔开。而且，上方的降液管区域的降液管通常并不轴向对准下方的降液管区域的降液管。换句话说，当以俯视图的方式观察反应器12时，上方区域的降液管相对于下方区域的降液管交错开。
设备10进一步包括与气体出口16流体连通的分离单元20以及与分离单元20流体连通的压缩器22。循环气流管线24从压缩器22引出，而尾气管线26构建分离单元20与压缩器22之间的流体连通。
在鼓泡塔或者反应器12内部设置有多个竖直延伸的封套式管道28。每个封套式管道28包括内管道28.1以及外管道或者封套管道28.2，这可在附图中的图2和3中清晰观察到。内管道28.1和外管道28.2为圆柱状或管状，而且，每个封套式管道28的内管道28.1和外管道28.2同心。因此，每个封套式管道28的内管道28.1与外管道28.2之间限定横截面为环形的封套空间30。
如附图中的图2中所示，封套式管道28被设置成遍及反应器12的横截面。不过，应认识到的是，可以根据希望采用任何形式在反应器12的横截面上排布封套式管道28，例如，在反应器12的特定区域中提供更大的传热区域，或者，在反应器12中设置针对降液管的某些区域。
管道28.1和28.2的传热表面可以可选地被成形或构造以增大它们的传热表面面积或提高传热系数。上述成形或构造方案可包括使用波纹状、棱纹状或鳍状的管道，以及本领域普通技术人员所公知的其它方法。
内管道28.1的竖直隔开的端部32.1或32.2是开口的。与此相反的是，外管道或者封套管道28.2的竖直隔开的端部是封闭的，不过，封套式管道28的各封套空间30在它们的下端处和上端处通过管道34相连。锅炉进给水入口36和锅炉进给水出口38与管道34流体连通，以允许锅炉进给水循环穿过封套空间30。
在使用时，作为气态反应物的主要含一氧化碳和氢气的新合成气体通过气体入口14进给到反应器12的底部中，所述气体通常通过喷淋系统(未示出)而均匀分布于反应器12中。同时，通常包含氢气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳的再循环气流(通常被冷却)通过再循环气流管线24返回反应器12。
包含新合成气体和再循环气体的气态反应物向上经过料浆床40，料浆床40包含费希尔一托罗普施(Fischer-Tropsch)催化剂颗粒，该催化剂颗粒通常为铁基或钴基的催化剂并悬浮在液态产物中。料浆床40被操作而具有高于内管道28.1上开口端部32.2的正常高度42。在料浆床40的上方设置顶部空间44。随着合成气体经过料浆床40而起泡，其中的气态反应物进行催化放热反应而生成液态产物和气态产物，该液态产物因而形成了料浆床40的一部分。含液态产物的液相或料浆间歇地或持续地经出口18抽出，在适合的内部或外部分离系统中例如采用过滤器(未示出)从液态产物中分离出催化剂颗粒。如果所述分离系统位于反应器12的外部，那么就提供另装的系统(未示出)以将分离出的催化剂颗粒返回到反应器12。
新合成进给气体和再循环气体被引入反应器12中，引入速度足以搅动和悬浮系统中的所有催化剂颗粒而不会使这些颗粒沉淀。气体流速的选择取决于料浆浓度、催化剂密度、悬浮介质密度和粘度、所使用的特定颗粒尺寸。适合的气体流速涵盖了例如从大约5厘米/秒至大约50厘米/秒的范围。不过，在鼓泡塔中已经测试过高达大约85厘米/秒的气体速度。采用较高气体速度的缺点在于，其伴随着反应器中的更高的气体滞留(hold-up)，从而导致容纳含催化剂的料浆的空间相对较小。不过，气体流速无论如何选择，都应该足以避免颗粒沉淀和结块。
一些料浆持续向下经过降液管(未示出)，从而实现催化剂颗粒在料浆床40中的均匀再分配，并且也确保遍及料浆床40的均匀热量再分配。
反应器12的运行使得其中的料浆床40处于不均匀或汹涌搅动的流动状态，并且该料浆床40包括稀释相和稠密相，稀释相包括实质上以栓塞流方式穿过料浆床的气态反应物和气态产物的快速上升的较大气泡，稠密相包括液态产物、固态催化剂颗粒以及所含的气态反应物和气态产物的较小气泡。
在图2和3中可清晰观察到，料浆床40围绕外管道或者封套管道28.2，并且还占据或填充内管道28.1。因此，料浆床40与每个内管道28.1的圆柱状内表面接触，还与每个外管道或者封套管道28.2的圆柱状外表面接触。这些表面用作传热表面。作为热交换或热传导介质的锅炉进给水循环通过封套空间30。锅炉进给水通过锅炉进给水入口36和管道34进入封套空间30，并如箭头42所示向上流动通过封套空间30，随后通过在封套式管道28上端处的管道34和锅炉进给水出口38离开反应器12。这样，热量从料浆床40传导至锅炉进给水而形成水汽混合物。
诸如C20和低于其的馏分之类的轻质烃产物通过气体出口16从反应器中抽出并传送到分离单元20。具体而言，为了从C20和低于其的烃馏分中去除氢气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳，分离单元20包含一系列冷却器和气液分离器，并可以可选地包括另外的冷却器和分离器，还可能包括低温单元。还可采用其它分离技术，例如，膜单元、压力回转吸收单元和/或用于选择性地去除二氧化碳的单元。包括氮气、一氧化碳和其他气体的分离气体被压缩器22压缩且再循环，以提供再循环气流。凝结的液态烃和反应水通过流动管线44从分离单元20中抽出以进行进一步工作。
应认识到的是，虽然设备10如所叙述的表明再循环气流返回反应器12，不过没有必要一定通过如此作为来使用再循环气流。还应认识到的是，反应器12可包括分组为多束的封套式管道28，而这些管道束竖直隔开。因此，在管道束之间可限定中间区域。优选地，至少一部分再循环气流可引入到在封套式管道28的束之间的中间区域中，使得所述一部分再循环气流绕过下方的封套式管道28的束。
如文中所述，本发明的一个优点在于，以优良且经济有效的方式增大在料浆鼓泡塔中的散热能力。与传统的冷却线圈相比，诸如管道28的竖直延伸的封套式管道采用在封套空间中的冷却介质，显著增大管道中每单位长度的可用的传热表面面积。

Claims (15)

1.一种用于由气态反应物制造液态产物并可选地制造气态产物的方法，所述方法包括：
将处于低水平高度的气态反应物进给到竖直延伸的固体颗粒的料浆床中，所述固体颗粒悬浮在悬浮液中，并且该料浆床围绕多个竖直延伸的封套式管道定位，每个所述封套式管道包括内管道以及外管道或者封套管道，在所述内管道和所述外管道之间限定封套空间，所述料浆床也位于所述内管道内部；
随着所述气态反应物向上经过所述料浆床，允许所述气态反应物进行放热反应，从而形成液态产物，并可选地形成气态产物，并且随着所述液态产物与所述悬浮液形成在一起，还形成所述料浆床的液相，因此，在所述封套式管道外部和所述内管道内部发生反应；
使冷却介质经过所述封套式管道的封套空间，从而从所述料浆床去除反应热；
允许气态产物和未反应的气态反应物从所述料浆床脱离而进入所述料浆床上方的顶部空间；
从所述顶部空间抽出气态产物和未反应的气态反应物；以及
从所述料浆床抽出液相或料浆，以将所述料浆床保持在所希望的高度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却介质为锅炉进给水。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述封套式管道的各内管道端部全开口，所述内管道的至少底开口端部位于所述料浆床内。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中与仅使用光滑圆柱状表面而获得的传热表面相比，由所述封套式管道限定的传热表面被成形或构造为增大它们的传热表面面积或提高传热系数。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中由所述固体颗粒为催化剂颗粒，用于催化由所述气态反应物生成为所述液态产物并在可行时生成所述气态产物的反应，并且所述悬浮液包含所述液态产物。
6.根据权利要求5所述的方法，该方法为费希尔-托罗普施烃合成方法。
7.一种用于由气态反应物制造液态产物并可选地制造气态产物的设备，所述设备包括：
反应容器，其具有竖直延伸的料浆床区，在使用时该料浆床区将包含固体颗粒的料浆床，所述固体颗粒悬浮在悬浮液中；
在所述容器中的气体入口，其在所述料浆床区中处于低水平高度，用于将气态反应物引入所述容器中；
在所述容器中的处于所述料浆床区的上方的气体出口，用于将气体从在所述料浆床区上方的顶部空间抽出；
在所述容器中的处于所述料浆床区内的液体出口，用于将液态产物或料浆从所述容器抽出；和
在所述料浆床区中的多个竖直延伸的封套式管道，每个所述封套式管道包括内管道，以及外管道或者封套管道，在所述内管道和所述外管道之间限定封套空间，至少一些所述封套式管道中的封套空间流体连通，以容纳公共传热流体并排放所述公共传热流体，所述内管道在使用时端部开口以允许所述料浆床占据所述内管道，所述外管道的外表面在使用时暴露于所述料浆床区以接触所述料浆床。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述内管道的底开口端部位于所述料浆床区内。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其中所述内管道的上开口端部位于所述料浆床区内。
10.根据权利要求7-9中任一权利要求所述的设备，其中与仅使用光滑圆柱状表面所限定的传热表面相比，由所述封套式管道限定的传热表面被成形或构造为增大它们的传热表面面积或提高传热系数。
11.根据权利要求7-10中任一权利要求所述的设备，其中所述内管道的内直径至少为大约5厘米，所述外管道的外直径至少为大约7厘米。
12.根据权利要求7-11中任一权利要求所述的设备，其中至少两束封套式管道位于所述料浆床内，所述束竖直隔开。
13.根据权利要求7-12中任一权利要求所述的设备，其中所述封套式管道的长度或者在组合时的所述竖直隔开的封套式管道束的长度等于所述料浆床区的高度的至少大约50％。
14.根据权利要求7-13中任一权利要求所述的设备，其中所述封套式管道在排布和尺寸上被设置为，每立方米的料浆床区提供大约10平方米-大约50平方米的传热表面面积。
15.根据权利要求7-14中任一权利要求所述的设备，其中所述封套式管道每个均提供至少0.38平方米的传热表面面积。
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