CN101809122A - 合成反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种合成反应系统，其通过以氢和一氧化碳作为主要成分的合成气体与在液体中悬浮有固体催化剂粒子的浆液之间的化学反应来合成碳氢化合物，并从上述浆液中取出该碳氢化合物，所述合成反应系统具备：反应器主体，其用于收容上述浆液；分离器，其用于使上述浆液所含有的上述碳氢化合物从上述浆液中分离；第1流路，其用于使含有上述碳氢化合物的上述浆液从上述反应器主体流入上述分离器；第2流路，其使上述浆液从上述分离器流入上述反应器主体；以及流体供给喷嘴，其用于朝着上述分离器、上述第1流路和上述第2流路中的至少之一供给流体。

Description

合成反应系统
技术领域
本发明涉及通过将以一氧化碳气体和氢气作为主要成分的合成气体吹入到在液态烃中悬浮有固体催化剂粒子的浆液中来合成碳氢化合物的碳氢化合物的合成反应系统。
本申请要求在2007年9月27日申请的日本专利申请第2007-252520号的优先权，这里援引其内容。
背景技术
作为从以氢和一氧化碳作为主要成分的合成气体生成碳氢化合物和水的费-托合成反应(以下，称为“FT合成反应”)的反应系统之一，有通过将合成气体吹入到在液态烃中悬浮有固体催化剂粒子的浆液中而进行FT合成反应的气泡塔型浆态床(也称为淤浆床)FT合成反应系统(例如参照专利文献1、2)。再有，通过FT合成反应合成的碳氢化合物被用作石脑油(粗汽油)、煤油、轻油等液体燃料制品的原料。
另外，该气泡塔型浆态床FT合成反应系统有外部循环式的系统，该外部循环式的系统具备：用于收容浆液的反应器主体；将合成气体吹入反应器主体的底部的气体供给部；以及将含有在反应器主体内所合成的碳氢化合物的浆液从反应器主体流出并使碳氢化合物从浆液分离而使浆液再次流入反应器主体中的外部循环部。在专利文献1、2中，浆液在外部循环部中的流动方面使用了泵，但使用泵等时，催化剂粒子有可能由于磨损而使性能降低。
因而，在该结构中，吹入反应器主体内的合成气体在浆液中上升时，在反应器主体内产生朝上的上升流(气体提升)，因此在反应器主体内沿其上下方向产生浆液的循环流。并且，浆液在外部循环部中的流动是由于反应器主体内的浆液的循环流而产生的。
专利文献1：美国专利申请公开2003/0018089号说明书
专利文献2：美国专利申请公开2007/0014703号说明书
不过，存在如下问题：在合成气体未被吹入的状态、即、合成反应系统的停止状态下，上述浆液的流动停止，因此含有催化剂粒子的浆液的固体成分沉降而易于沉淀在外部循环部的内部。
特别是，在合成反应系统由于停电等外部原因而停机时，在外部循环部的内部容易产生上述固体成分的附着、块化、架形成等，因此即使欲使浆液再次流动，直到使合成反应系统形成稳定的运行状态的时间变长。结果是，存在液体燃料制品的生产效率降低这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于，在实施FT合成反应的合成反应系统中，能够使合成反应系统从停止状态到运行状态顺畅地进行过渡，而且，实现其过渡时间的缩短，提高液体燃料制品的生产效率。
本发明的合成反应系统是通过以氢和一氧化碳作为主要成分的合成气体与在液体中悬浮有固体催化剂粒子的浆液之间的化学反应来合成碳氢化合物，并从上述浆液中取出该碳氢化合物，所述合成反应系统具备：反应器主体，其用于收容上述浆液；分离器，其用于使上述浆液所含有的上述碳氢化合物从上述浆液中分离；第1流路，其用于使含有上述碳氢化合物的上述浆液从上述反应器主体流入上述分离器；第2流路，其用于使上述浆液从上述分离器流入上述反应器主体；以及流体供给喷嘴，其用于朝着上述分离器、上述第1流路和上述第2流路中的至少之一供给流体。
另外，上述流体只要是不影响合成气体和浆液之间的化学反应的流体即可，优选例如氮、氩等不活泼气体。另外，也可以是煤油、轻油等液体燃料制品。
在本发明的合成反应系统中，从合成气体未被供给到浆液中的状态、即、在反应器主体内未产生浆液的循环流的停止状态启动合成反应系统，形成合成气体被供给到浆液而产生该浆液的循环流的运行状态的情况下，从流体供给喷嘴向分离器、第1流路、第2流路供给流体即可。由此，该流体的流动使在分离器、第1流路、第2流路中沉降、附着了的浆液的固体成分浮起，因此能促进浆液在分离器、第1流路、第2流路中的流动。因而，能使合成反应系统从停止状态到运行状态顺畅地进行过渡，而且，能实现其过渡时间的缩短。
另外，合成反应系统因某些原因被停机而使反应器主体内的循环流停止时，通过从流体供给喷嘴向分离器、第1流路、第2流路供给流体，能够抑制浆液的固体成分在分离器、第1流路、第2流路中沉降、附着，由于能防止分离器、第1流路、第2流路被浆液的固体成分堵塞，因此能够快速地实现合成反应系统的再启动。
另外，在上述合成反应系统中，也可以具有流动辅助喷嘴，该流动辅助喷嘴用于朝着上述反应器主体内供给流体以促进上述反应器主体内的浆液的流动。
在这种情况下，使合成反应系统从停止状态启动而处于运行状态时，通过从流动辅助喷嘴向反应器主体内供给流体，反应器主体内的浆液的循环流被促进，因此能够迅速地得到稳定的循环流。
再有，在上述合成反应系统中，也可以至少将上述流体加热到上述碳氢化合物所含有的蜡馏分的析出温度以上。
在该构成中，合成反应系统成为停止状态时，浆液变得比蜡馏分的析出温度低，即使在反应器主体、分离器、第1流路、第2流路的内部析出了碳氢化合物的蜡馏分，在启动合成反应系统时，通过将上述流体供给到外部循环喷嘴或反应器主体中，也能够利用上述流体的热来加热蜡馏分。因此，在合成反应系统停机时供给了上述流体的情况下，能抑制浆液的冷却，因此能够防止蜡馏分的析出。另外，即使在万一析出了蜡馏分的情况下，也能够使析出的蜡馏分溶解。
因而，能够进一步缩短从使合成反应系统再启动开始到成为蜡馏分熔融的运行状态的时间。
根据本发明，通过在启动或停止合成反应系统时向分离器、第1流路、第2流路供给流体，能够缩短使合成反应系统从停止状态到运行状态的时间，因此能够提高碳氢化合物和以碳氢化合物为原料的液体燃料制品的生产效率。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的合成反应系统的整体构成的概略图。
图2是表示构成图1的合成反应系统的反应器的剖视图。
符号说明
1、合成反应系统，5、外部循环部，10、反应器主体，12、浆液，20、分配器(合成气体供给部)，50、流动辅助喷嘴，60、第1浆液流路(第1流路)，64、静置分离器，65、第3管路(第2流路)，68、69、流体供给喷嘴，122、液态烃(碳氢化合物)，124、催化剂粒子
具体实施方式
下面，参照图1、2来说明本发明的最佳的实施方式。
如图1所示，本实施方式的合成反应系统1是气泡塔型浆态床FT合成反应系统，其具备：产生FT合成反应的反应器3；以及取出FT合成反应的产物的外部循环部5。
如图1和图2所示，反应器3主要具备反应器主体10、分配器20、冷却管40、以及流动辅助单元50。
反应容器主体10是大致圆筒形的金属制容器，其直径是1～20m左右，优选是2～10m左右。反应器主体10的高度是10～50m左右，优选是15～45m左右。在反应器主体10的内部收容有使固体催化剂粒子124悬浮在液态烃(FT合成反应的产物)122中而得到的浆液12。在该反应器主体10上形成有：使浆液12的一部分从反应器主体10的上部流出到外部循环部5中的浆液流出口14；以及使浆液12从外部循环部5流入到反应器主体10的下部的浆液流入口16。
分配器20是本实施方式的合成气体供给部的一个例子，被配设在反应器主体10的内部的下部位置，将氢和一氧化碳作为主要成分的合成气体供给到浆液12中。该分配器20由合成气体供给管22、被安装在合成气体供给管22的顶端部的喷嘴联箱24、以及设于喷嘴联箱24的侧部的多个合成气体供给喷嘴26构成。
从外部通过合成气体供给管22供给的合成气体通过喷嘴联箱24的内部，从设于合成气体供给喷嘴26的下部(反应器主体10的底部侧)的合成气体供给口(未图示)，例如朝着下方(图中的细箭头所示的方向)喷射到反应器主体10内部的浆液12中。这样从分配器20吹入浆液12中的合成气体成为气泡28而在浆液12中沿着反应器主体10的高度方向(垂直方向)从下方向上方流动。在该过程中，合成气体溶解在液态烃122中，通过与催化剂粒子124接触，进行液态烃的合成反应(FT合成反应)。再者，在本实施方式中，合成气体向下方喷射，但是合成气体也可以向反应器主体10的上方喷射。
另外，合成气体从设在反应器主体10内部的下部位置的分配器20吹入浆液12中，被吹入的合成气体成为气泡28而在反应器主体10内上升，从而在反应器主体10的内部，在反应器主体10内部的中央及其附近(反应器主体10的中心轴线附近)产生浆液12的上升流(气体提升)，在反应器主体10的内壁附近(圆周部附近)产生浆液12的下降流。由此，如图2中粗箭头所示，在反应器主体10内部产生浆液12的循环流。
冷却管40沿着反应器主体10的高度方向设在反应器主体10的内部，对由于FT合成反应产生的热而使温度上升了的浆液12进行冷却。如图2所示，该冷却管40例如也可以弯曲1根管而沿着垂直方向上下多次往返(例如在图2中往返2次)地形成。但是，冷却管的形状和根数并不限于上述形状和根数，只要均等地配置在反应器主体10内部，能有助于均等地使浆液12冷却即可。例如，也可以将多个被称为卡口型双层管构造的冷却管配置在反应器主体10的内部。
在该冷却管40内流通有被从冷却管入口42导入的冷却水(例如与反应器主体10内的温度之差为-50～0℃左右的水)。该冷却水在冷却管40内流通的过程中，隔着冷却管40的管壁与浆液12进行热交换，从而反应器主体10内部的浆液12被冷却。冷却水的一部分成为水蒸气而被从冷却管出口44排出。再者，作为用于对浆液12进行冷却的介质，不限于上述那样的冷却水，例如能够使用C4～C10的直链、支链状的链烷烃、环烷、烯烃、低分子量硅烷、硅醚、硅油等。
如图1所示，流动辅助单元50以将流体从外部供给到反应器主体10内的方式在反应器主体10的外侧设置有多个。并且，各流动辅助单元50具备与反应器主体10的内壁(周壁部)连接的流动辅助喷嘴51，利用该流动辅助喷嘴51，流体以沿着反应器主体10的内壁面的方式朝着反应器主体10喷出。另外，各流动辅助单元50具备被配置在流体的供给源(未图示)和流动辅助喷嘴51之间来控制流体的供给的开闭阀52，通过打开开闭阀52，流体被供给到反应器主体10内。
再者，作为从上述流动辅助喷嘴51供给到反应器主体10内的流体，例如既可以是从分配器20供给的同样的合成气体，也可以是不影响FT合成反应的气体(例如氮、氩等不活泼气体)或液体(例如液态烃、将液态烃作为原料而生成的煤油、轻油等液体燃料制品)。另外，既可以从流动辅助喷嘴51将上述气体和液体中的一种供给到反应器主体10内，也可以供给这两者。
另外，在本实施方式中，流动辅助喷嘴51被配设在反应器主体10和开闭阀52之间，但是，例如也可以被配设在与反应器主体10一起夹着开闭阀52的位置。再者，流动辅助喷嘴51设在促进浆液12的下降流的位置，但例如也可以设在促进浆液12的上升流的位置。即，流动辅助喷嘴51例如也可以设在使流体从反应器主体10内的中心轴线附近向上方喷出的位置。
如图1所示，外部循环部5主要具备脱气器62和静置分离器64。
脱气器62经由第1管路61与反应器主体10的浆液流出口14相连接，用于对从反应器主体10流入的浆液12所含有的未反应的合成气体等(气泡28)进行脱气。另外，在第1管路61的中途部设有对第1管路61进行开闭的隔离阀61a，通过对该隔离阀61a进行开闭，能控制浆液12从反应器主体10向脱气器62流入。然后，该脱气器62的下部经由第2管路63与静置分离器64相连接。因而，由第1管路61、脱气器62和第2管路63构成用于使浆液12从反应器主体10流到静置分离器64的第1流路60。
另外，静置分离器64的下部经由第3管路65与反应器主体10的浆液流入口16相连接。即，在本实施方式中，第3管路65构成用于使浆液12从静置分离器64流到反应器主体10的第2流路。并且，在该第3管路65的中途部相互间隔开地设有对第3管路65进行开闭的隔离阀65a和回流阀65b。
再者，在上述构成中，第2管路63优选从脱气器62朝着静置分离器64而向下方侧倾斜，另外，优选第3管路65从静置分离器64朝着反应器主体10向下方侧倾斜。由此，浆液12不用泵等动力源，就能够在其自身重力的作用下从脱气器62朝着静置分离器64或者从静置分离器64朝着反应器主体10流动。
并且，上述静置分离器64通过利用从脱气器62流入的浆液12所含有的催化剂粒子124的比重大于液态烃122的比重而使催化剂粒子124沉降到静置分离器64的下部，从而对浆液12的液态烃122、催化剂粒子124进行分离处理。然后，通过预先打开设在第3管路65上的隔离阀65a和回流阀65b，使含有大量催化剂粒子124的浆液12从静置分离器64的下部流入到反应器主体10内。
再者，在上述分离处理中，也可以例如在位于静置分离器64侧的第2管路63的顶端设有用于减少浆液12的流动的扩散器，使得在静置分离器64内不会由于从脱气器62流向静置分离器64的浆液12的流动而产生浆液12的流动。
另外，在这样构成的静置分离器64中，也可以与脱气器62同样地对未反应的合成气体进行脱气。
并且，在静置分离器64的下部设有从静置分离器64内的下方朝着上方供给流体的第1流体供给单元66。第1流体供给部66具备：与静置分离器64的下部连接的第1流体供给喷嘴68；和被设置在流体的供给源(未图示)和第1流体供给喷嘴68之间的开闭阀70。
另外，位于隔离阀65a和回流阀65b之间的第3管路65的中途部设有将流体供给到第3管路65内的第2流体供给单元67。该第2流体供给单元67与第1流体供给单元66同样地具备：与第3管路65连接的第2流体供给喷嘴69；和被设置在流体的供给源(未图示)和第2流体供给喷嘴69之间的开闭阀71。
因而，在各流体供给单元66、67中，通过打开开闭阀70、71，能将流体从各流体供给喷嘴68、69供给到静置分离器64、第3管路65的中途部。
作为从这些流体供给喷嘴68、69供给到静置分离器64内和第3管路65内的流体，例如能列举出氮、氩等不活泼气体、液态烃、或以液态烃作为原料而生成的煤油、轻油等液体燃料制品，只要是不影响FT合成反应的气体、液体，都可以使用。另外，既可以将上述气体和液体中的一种从流体供给喷嘴68、69供给到静置分离器64内或第3管路65内，也可以供给上述气体和液体这两者。
再者，在本实施方式中，各流体供给喷嘴68、69被配置在静置分离器64、第3管路65和开闭阀70、71之间，但也可以被配置在例如与静置分离器64和第3管路65一起夹着开闭阀70、71的位置。
接着，对以上那样构成的合成反应系统1的动作进行说明。
在该合成反应系统1运行的状态下，合成气体被供给到浆液12中，该浆液12被收容成液面位于比浆液流出口14高的位置，与其相伴，在反应器主体10内部产生浆液12的循环流。另外，在该状态下，利用合成气体和催化剂粒子124之间的化学反应而合成液态烃122。并且，利用冷却管40对由该化学反应产生的热进行冷却。
另外，在该合成反应系统1的运行状态下，利用浆液12的循环流，浆液12的一部分从浆液流出口14经由第1管路61、脱气器62、第2管路63、静置分离器64和第3管路65循环到浆液流入口16。即，在该运行状态下，第1管路61的隔离阀61a、第3管路65的隔离阀65a和回流阀65b打开。
另外，在该运行状态下，流动辅助单元50和各流体供给单元66、67的开闭阀52、70、71关闭，未将流体供给到反应器主体10内、静置分离器64内和第3管路65内。
并且，上述合成反应系统1的运行由于停电等某些原因被停机，使反应器主体10内的循环流停止时，第1管路61的隔离阀61a、第3管路65回流阀65b关闭，对由反应器主体10、和外部循环部5构成的浆液12的循环路径进行切断。另外，打开各流体供给单元66、67的开闭阀70、71，将流体从各流体供给喷嘴68、69供给到静置分离器64的下部和第3管路65的中途部。
另外，在合成反应系统1中，在从合成气体未被供给到浆液12中的状态、即、反应器主体10内未产生浆液12的循环流的停止状态使合成反应系统1启动并使其恢复到上述运行状态的情况下，将合成气体供给到反应器主体10内的浆液12中。另外，在供给该合成气体的前后或者供给该合成气体的同时打开流动辅助单元50的开闭阀52，将流体从流动辅助喷嘴51供给到反应器主体10内。由此，反应器主体10内的浆液12的循环流被促进，能够在短时间内得到稳定的循环流。
不过，在合成反应系统1的停止状态下，浆液12的固体成分有时沉降、附着在外部循环部5内，特别是沉降、附着在静置分离器64的下部、第3管路65的下游侧。
因此，在该合成反应系统1中，在供给上述合成气体的前后或者在供给上述合成气体的同时打开各流体供给单元66，67的开闭阀70、71，将流体从各流体供给喷嘴68、69供给到静置分离器64的下部和第3管路65的中途部。由此，上述流体的流动使沉降、附着在静置分离器64的下部和第3管路65内的浆液12的固体成分浮起，因此能促进浆液12在外部循环部5内流动。
根据本实施方式的合成反应系统1，在停止合成反应系统1时，通过将流体供给到静置分离器64内的下部或第3管路65内，因此能防止静置分离器64的下部或第3管路65的堵塞。另外，启动合成反应系统1时，由于将流体供给到静置分离器64内的下部或第3管路65内，因此使沉降、附着在静置分离器64的下部或第3管路65内的浆液12的固体成分浮起，能促进浆液12在外部循环部5内流动。因此，在启动合成反应系统1时，能够实现缩短使合成反应系统1从停止状态到运行状态的过渡时间，结果是，能提高液态烃122和以液态烃122作为原料的液体燃料制品的生产效率。
再者，在上述实施方式中，合成反应系统1停机时或者启动合成反应系统1时，也可以将被加热到比液态烃122所含有的蜡馏分(主要是C21以上)的熔点(析出温度、大约为100℃)高的温度的流体从流动辅助喷嘴51和各流体供给喷嘴68、69供给到反应器主体10、静置分离器64的下部、第3管路65。
即，在合成反应系统1停机时供给被加热的流体的情况下，能抑制浆液12的冷却，因此能防止蜡馏分的析出。另外，在启动合成反应系统1时供给被加热的流体的情况下，在停止状态的合成反应系统1中，即使万一浆液12变得比蜡馏分的析出温度低而蜡馏分析出在反应器主体10内和外部循环部5内，也能够利用流体的热加热蜡，因此能使蜡熔化。因而，能够进一步缩短从启动合成反应系统到蜡熔化的运行状态的时间。
另外，在上述实施方式中，流体供给单元66、67被设置于静置分离器64的下部和第3管路65的中途部。不过，流体供给单元66、67至少被设在外部循环部5的任意位置即可。例如，也可以在脱气器62的下部或第2管路63的中途部设有与上述实施形态同样的流体供给单元66、67。但是，优选流体供给单元如上述实施方式那样，设置在外部循环部5中的、静置分离器64的下部等那样的含有大量催化剂粒子124的浆液12的固体成分容易沉淀、附着的部分上。
再者，在上述实施方式中，流动辅助单元50和流体供给单元66、67具备开闭阀52、70、71，但是至少具备流动辅助喷嘴51和流体供给喷嘴68、69即可。
另外，在反应器3中，合成气体从分配器20吹入浆液12中，但只要产生浆液12的循环流，也可以吹入例如氮气等其他气体。
以上说明了本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式。在不脱离本发明的主旨的范围，能够进行构成的附加、省略、置换、和其他变更。本发明不被上述说明限定，只被所附的权利要求书的范围限定。
本发明的合成反应系统是通过以氢和一氧化碳作为主要成分的合成气体与在液体中悬浮有固体催化剂粒子的浆液之间的化学反应来合成碳氢化合物，并从上述浆液中取出该碳氢化合物，所述合成反应系统具备：反应器主体，其用于收容上述浆液；分离器，其用于使上述浆液所含有的上述碳氢化合物从上述浆液中分离；第1流路，其用于使含有上述碳氢化合物的上述浆液从上述反应器主体流入上述分离器；第2流路，其用于使上述浆液从上述分离器流入上述反应器主体；以及流体供给喷嘴，其用于朝着上述分离器、上述第1流路和上述第2流路中的至少之一供给流体。
根据本发明的合成反应系统，能提高碳氢化合物和以碳氢化合物为原料的液体燃料制品的生产效率。

Claims (3)

1.一种合成反应系统，其通过以氢和一氧化碳作为主要成分的合成气体与在液体中悬浮有固体催化剂粒子的浆液之间的化学反应来合成碳氢化合物，并从所述浆液中取出该碳氢化合物，所述合成反应系统具备：
反应器主体，其用于收容所述浆液；
分离器，其用于使所述浆液所含有的所述碳氢化合物从所述浆液中分离；
第1流路，其用于使含有所述碳氢化合物的所述浆液从所述反应器主体流入所述分离器；
第2流路，其用于使所述浆液从所述分离器流入所述反应器主体；以及
流体供给喷嘴，其用于朝着所述分离器、所述第1流路和所述第2流路中的至少之一供给流体。
2.根据权利要求1所述的合成反应系统，其中，所述合成反应系统具备流动辅助喷嘴，该流动辅助喷嘴用于将流体朝着所述反应器主体内供给以促进所述反应器主体内的浆液的流动。
3.根据权利要求1或2所述的合成反应系统，其中，所述流体至少被加热到所述碳氢化合物所含有的蜡馏分的析出温度以上。
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