CN101842153A - 商业化费-托反应器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种催化反应系统，包含：与至少两个料浆环路流体连接的催化反应器，其中所述反应器含有与料浆环路至少一样多的反应器产物出口和至少一样多的料浆返回管入口；其中每个料浆环路包含分离系统，分离系统含有分离系统入口、分离系统产物出口和浓缩催化剂料浆出口；料浆排放管将分离系统入口与一个反应器产物出口流体连通；并且料浆返回管将分离系统出口与一个料浆返回管入口流体连接。系统可以包含至少三个料浆环路。系统可以包含至少四个料浆环路。还公开了通过催化反应系统将合成气体转化成液体烃的方法。

Description

商业化费-托反应器
关于联邦资助的研究或开发的陈述
不适用。
发明背景
发明领域
总的来说，本发明涉及费-托(Fischer-Tropsch)合成领域。更具体来说，本发明涉及通过费-托合成将合成气转化成烃的系统和方法。系统和方法包括至少两个包含至少一个磁性动态沉降容器的料浆环路，或三个或以上用于将催化剂料浆从气态和液态费-托产物中分离的料浆环路。料浆环路与费-托反应器流体连通。
发明背景
天然气、煤藏和生物质是丰富的能量来源，经常作为燃料用于众多日常应用中，包括加热和发电。尽管含量丰富，但这些矿藏的位置远离工业化的商业基础设施，对于作为石油馏分的替代品增加应用构成了明显的障碍。此外，天然气必须通过昂贵和能量密集型工艺转化成液体。相比较而言，作为固体的煤和生物质对于它们的能量产率来说具有相当的体积，需要特殊的工具、包装和运输工具来运输它们。
容易长距离运输而不需昂贵的加工或包装的液体燃料，是非常有优势的。但是，当前的石油勘探和生产跟不上全球对燃料的需求。这种趋势预计在未来不会改变。结果，尽管对于终端消费者来说价格不断上升，但石油储量正被耗尽。因此增加了对开发将固体或气态燃料转化成液体燃料的技术的关注、兴趣和投资。
将可获得的材料转化成液体燃料的工艺过程，涉及材料部分氧化然后进行催化反应以产生液体燃料。费-托(FT)反应器包含了对合成的石油代用品液体燃料进行催化合成的关键步骤。该过程通过催化的化学反应进行，在反应中来自材料的一氧化碳和氢气被转化成液体烃。反应是高度放热的，需要冷却反应器以维持有利于继续合成的条件。商业FT反应器需要将冷却液通过热交换管道进行运输，以便从反应器中移除热量。
此外，所需的液体或蜡产物，必须从可以返回到反应器的反应料浆中的催化剂、烃中间产物和相关的气体中分离出来。目前的反应器系统在该分离步骤中使用了大量工艺方法，包括过滤和沉降。但是，从反应料浆中过滤固体材料和蜡的过程需要高的能量投入，因为混合物必须以超过产物抽取速度的速度被连续泵(循环)过系统。此外，这些系统的维护和清理需要完全停止反应器工艺过程。
沉降器是高度优选的分离方法。尽管相比较而言是较少维护的分离方法，但它们高度依赖于固体催化剂颗粒的尺寸、形状和稠度。通常需要较长的时间或多个连续或并行的步骤才能完全分离液体燃料。这些装置的数量决定了反应器可以生产适合的用于进一步加工的合成产物的速度。
因此，对于通过整合多个料浆环路和大的料浆床FT反应器，能够最大化反应器运行时间并从反应催化剂料浆中有效分离合成的液体产物的商业FT反应器设计，存在着需求。
发明简述
在一个实施方案中，通过一种商业FT反应器系统，其包含两个或以上、优选三个或以上料浆环路用于从反应器中移除所需合成产物用于进一步加工来解决本技术领域中的这些以及其他的需求。
料浆环路增加的数量和较小的尺寸可以为商业反应器提供操作灵活性、效率和增加的运行时间。多个料浆环路包含分离器，其可以单独地与反应器出口料流隔离以进行维护，同时其他的环路保持运转。
本文公开了一种催化反应系统，包含：与至少两个料浆环路流体连接的催化反应器，其中反应器包含与料浆环路至少一样多的反应器料浆出口和至少一样多的料浆返回管；其中每个料浆环路包含分离系统，分离系统包含至少一个用于将浓缩的催化剂料浆与液体产物分离的分离装置；与反应器产物的出口之一通过料浆排放管(offtake)流体连接的至少一个分离器的入口，与料浆返回入口之一通过料浆返回管流体连接的至少一个分离器的出口。在实施方案中，催化反应器是多相费-托浆液鼓泡塔反应器。在某些实施方案中，催化反应器具有圆柱形主体，其内径大于6英尺。在某些实施方案中，催化反应器具有圆柱形主体，其内径大于10英尺。在实施方案中，催化反应器的总垂直高度超过50英尺。在实施方案中，催化反应器的外壁可以经受大约10个大气压到大约40个大气压的内部压力。
催化反应器还可以包含具有多个喷嘴的合成气体入口。在实施方案中，多个喷嘴位于催化反应器的总垂直高度的下部20％中。在实施方案中，另外的多个喷嘴位于催化反应器的总垂直高度的下部50％中。在某些实施方案中，进料喷嘴基本上位于催化反应器的总垂直高度的中间附近。在实施方案中，反应器产物出口位于催化反应器总垂直高度的上部50％中。反应器产物出口的直径可以在大约6英寸到大约5英尺的范围内。反应器的产物出口的直径可以在大约4英寸到大约5英尺的范围内。在某些实施方案中，一个或多个料浆环路的至少一个分离系统包含2个或以上分离装置。每个分离系统可以包含一个或多个分离装置，分离装置选自过滤装置、磁性分离器、垂直沉降器、倾斜沉降器、动态沉降器、磁性动态沉降器及其组合。
在催化反应系统的某些实施方案中，料浆返回入口位于催化反应器总垂直高度的底部50％中。料浆返回入口的直径可以在大约4英寸到大约5英尺的范围内。每个分离装置的内径可以在大约2英尺到大约催化反应器的内径的范围内。在实施方案中，每个分离装置的垂直高度小于催化反应器的总垂直高度。
在催化反应系统的某些实施方案中，从催化反应器的外壁到每个料浆环路的至少一个分离装置的外壁的距离，小于催化反应器的内径。由反应器垂直轴与每个料浆排放管形成的角度可以在大约30度到90度之间。由反应器垂直轴与每个料浆返回管形成的角度可以在大约30度到90度之间。
在某些实施方案中，反应器产物出口与料浆返回管入口之间的距离，大于催化反应器的总垂直高度的大约一半。反应器产物出口与每个料浆环路的料浆返回管入口之间的距离，可以大于催化反应器的总垂直高度的大约一半。在实施方案中，反应器产物(在典型反应压力和温度下是液体的产物)出口位于催化反应器的总垂直高度的下部90％中。
本文还公开了用于将合成气体转化成液体烃的方法。方法包括：将合成气体进料，以高于催化反应器中催化剂的平均沉降速度或高于催化反应器中催化剂的最小流化速度的表观气体速度，导入到本公开的费-托系统的费-托反应器中；通过本公开的至少两个料浆环路将浓缩的催化剂料浆从反应产物中分离出来；从至少两个料浆环路的每个的至少一个分离器中除去液体烃产物；以及将浓缩的催化剂料浆通过至少一样多的料浆返回管和至少一样多的料浆返回管入口返回到催化反应器中。在实施方案中，方法包含了至少三个料浆环路。在可选实施方案中，系统包含至少四个料浆环路。
在实施方案中，方法包括总体表观速度等于或大于大约5cm/s的合成气体进料到催化反应器。在实施方案中，方法包括总体表观速度等于或大于大约9cm/s的合成气体进料到催化反应器。在实施方案中，进料到催化反应器的合成气体总体表观速度等于或大于大约15cm/s。在方法的实施方案中，一个或多个料浆环路的至少一个分离器中液体的升流速度在大约15cm/h到大约100cm/h的范围内。在公开的方法的某些实施方案中，催化剂具有磁性和/或顺磁性性质，并且至少一个料浆环路包含磁性动态沉降器。在实施方案中，动态沉降器中的液体升流速度高于15cm/h；可选地，高于50cm/hr；可选高于大约90cm/h。
在实施方案中，磁性动态沉降器包含至少一个选自磁性外壁、磁性内壁、磁性内部挡板、磁性内部叶片、磁性内部杆、磁性内部板和其他磁化内部部件的磁性部件；磁性动态沉降器的料浆体中的至少一个磁场；和/或其组合。
所述至少一个磁性部件可以被一个或多个磁体磁化，或沉降器中的磁场由一个或多个磁体产生。磁体可以是永磁体、电线圈驱动的磁体或其组合。在至少一个料浆环路包含至少一个磁性动态沉降器的实施方案中，磁性动态沉降器中液体线性向上速度超过15cm/h。可选地，沉降器中液体线性向上速度超过大约30cm/h。可选地，沉降器中液体线性向上速度超过大约45cm/h。可选地，磁性动态沉降器中液体线性向上速度超过大约90cm/h。
因此，本发明包含了能够使它克服现有装置的各种不同问题的特点和优点的组合。上面已经相当宽泛地概述了本发明的特点和技术优点，以便可以更好地理解后面的本发明的详细描述。上面描述的各种不同特征以及其他的特点，对于本技术领域的专业人员来说，在阅读了下面本发明的优选实施方案的详细描述，并参考随附的图后，将变得显而易见。本技术领域的专业人员将会认识到，所公开的构思和具体实施方案可以容易地用作修改和设计用于执行与本发明相同目的的其他结构的基础。本技术领域的专业人员还应该认识到，这样的等同构建没有背离在随附的权利要求书中提出的本发明的精神和范围。
附图说明
为了详细地描述本发明的优选实施方案，现在将对随附的图进行参考，其中：
图1是本公开的实施方案的FT系统的侧视图示意图。
图2是本公开的FT系统的实施方案的顶视图示意图。
符号和命名
在整个下面的说明书和权利要求书中使用某些术语来指具体的系统部件。本文件不打算区别名称不同而不是功能不同的部件。
在下面的讨论和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，因此应该被解释为是指“包括，但不限于……”。术语“流体连通”或“与……流体连接”打算是指间接的或直接的连接。因此，如果第一个装置与第二个装置“流体连接”或“流体连通”，那么连接可以是直接连接，或经过其他装置和/或连接器的间接连接。
术语“表观速度”在本文中定义为体积气体流速除以反应器开口的横截面积。
详细描述
本文公开了料浆费-托系统，以及使用该系统进行合成气体(在后文中称为合成气，主要由H2和CO构成)向费-托产物烃的多相费-托(在后文中称为FT)转化的方法。料浆FT系统包含了用于从产物蜡中分离FT催化剂的分离器，以便蜡和气态产物可以回收以用于进一步加工/销售，和催化剂可以返回到反应器中(例如料浆鼓泡塔费-托反应器)。本文公开的FT系统包含FT反应器和多个料浆环路，它们将在下文中进一步描述。
图1是本公开的实施方案的FT系统10的侧视图示意图。FT系统10包含FT反应器20和至少两个用于将催化剂料浆与FT转化产物分离以及将料浆返回到FT反应器20中的料浆环路65。在某些实施方案中，FT系统10包含FT反应器20和至少三个用于将催化剂料浆与FT转化产物分离以及将料浆返回到FT反应器20中的料浆环路65。在图1中，绘出了一个料浆环路65。每个料浆环路65包含料浆排放管60，至少一个分离器30和料浆返回管70。每个料浆环路将FT反应器20的反应器产物出口61和料浆返回管入口75流体连接，其间具有移除蜡的分离设备。FT系统的部件将在下文中更详细地描述。
使用较多数量的较小直径的催化剂/蜡分离容器30，增加了FT系统10的操作灵活性和制造。
FT反应器
在实施方案中，FT反应器20包括料浆鼓泡塔反应器。在实施方案中，FT反应器20具有大约10英尺到大约40英尺的直径。在实施方案中，FT反应器20具有圆柱形体。在优选实施方案中，FT反应器20的金属壁的厚度能够经受大约10atm.到大约40atm的压力。FT反应器20含有至少一个合成气进料入口40和至少一个塔顶尾气出口50。在实施方案中，所述至少一个塔顶尾气出口50位于FT反应器20的顶部处或顶部附近。在实施方案中，塔顶尾气出口50按照本技术领域的专业人员所知，与产物收集系统流体连接，以便能够从FT尾气中移除产物(例如粗轻质馏分，粗中质馏分，FT水或其组合)的。
在实施方案中，气体入口40位于FT反应器20底部处或底部附近。在实施方案中，合成气进料入口40位于反应器20的总垂直高度L的下部20％中。在实施方案中，另外的合成气进料入口位于总反应器高度L的下部50％中(没有图示)。在某些实施方案中，气体入口40(以及任选的进料喷嘴)位于反应器20的总垂直高度的中间处或中间附近。
表观速度在本文中被定义为气体总的体积进料速度除以反应器主体的横截面积。在实施方案中，合成气进料入口40包含多个喷嘴，使得总的表观速度大于平均沉降速度或大于反应器20中固体催化剂的最小流化速度。在具体实施方案中，合成气进料入口40包含多个喷嘴，使得所获得的总的表观速度大于大约9cm/s；可选地，大于大约15cm/s；可选地，在大约5cm/s到25cm/s的范围内；可选地，在大约10cm/s到大约20cm/s的范围内；可选地，在大约12cm/s到大约18cm/s的范围内；可选地，在大约14cm/s到大约18cm/s的范围内。FT反应器20可以包含用于新鲜活化的催化剂料浆的入口和用于气体从至少一个分离器30返回的入口(图1中没有显示)。
FT反应器20中的FT转化是放热的。FT反应器20可以包含盘管以移除反应的热。在实施方案中，FT反应器20在圆柱形主体中包含至少一个盘管。在实施方案中，反应器20包含反应器内部的盘管。盘管将通过流体的蒸发移除反应放出的热。在实施方案中，盘管是产生蒸汽的盘管，被蒸发的流体包括水。在某些实施方案中，产生的蒸汽的压力在200psig到大约500psig的范围内。在最佳实施方案中，产生的蒸汽的压力在400psig到大约450psig。在实施方案中，反应器20包含一组以上的冷却盘管。在某些实施方案中，反应器20包含至少一个下部盘管和至少一个上部盘管。通过调整经过盘管的流速，可以从反应器20中移除不同量的热。可选地，通过直接或间接地调整盘管中流体的温度，可以从反应器20中移除不同量的热。典型地，由于在反应器的底部具有更高的反应速度和/或更高的催化剂浓度，下部冷却盘管将比上部盘管产生更多的蒸汽。这种较高的反应可能是由于与合成气在进入反应器时的初始反应，或由于催化剂装载得不均匀。例如，由于流化不理想而不能提供均匀的催化剂分布，因此靠近反应器20的底部处催化剂的装载可能较高。
在实施方案中，FT反应器20在反应器的主体中包含蒸汽盘管。在实施方案中，FT反应器20包含的盘管具有大约0.75英寸到6英寸的盘管外直径。在实施方案中，盘管横截面积占反应器20的主体的横截面积的累积分数在大约0.10到大约0.50的范围内。在实施方案中，反应器20包含基本上垂直安放在反应器20中的卡口管。在某些实施方案中，水在反应器20的顶部处或顶部附近进料到卡口管，蒸汽从反应器20的顶部处或顶部附近移除。在某些实施方案中，水在反应器20底部处或底附近进料，蒸汽在反应器20的顶部处或顶部附近的管的顶部移除。
在FT反应器20顶部附近，某些部分的料浆通过多个喷嘴抽出。在实施方案中，一部分料浆通过位于FT反应器20顶部附近的至少两个料浆排放管60抽出。在FT反应器20顶部附近，某些部分的料浆通过多个喷嘴抽出。在某些实施方案中，一部分料浆通过位于FT反应器20顶部附近的至少三个料浆排放管60抽出。在FT反应器20顶部附近，某些部分的料浆通过多个喷嘴抽出。在本公开的系统的其他变体中，一部分料浆通过位于FT反应器20顶部附近的至少四个料浆排放管60抽出。每个料浆排放管60将反应器产物出口61与分离器30的分离器入口45流体连接。
在实施方案中，反应器20包含至少两个反应器产物出口，位于反应器20的主体的总垂直高度L的上部50％中。在其他实施方案中，反应器20包含至少三个反应器产物出口，位于反应器20的主体的总垂直高度的上部50％中。在其他实施方案中，反应器20包含至少四个反应器产物出口，位于反应器20的主体的总垂直高度的上部50％中。
反应器产物出口61可以具有大于大约6英寸的直径。在实施方案中，反应器料浆出口61具有小于5英尺的直径。在实施方案中，反应器产物出口61具有大于6英寸而小于5英尺的直径。
料浆环路
两个或多个料浆环路65中的每个，包含用于催化剂/蜡分离的至少一个分离器30、料浆排放管60和料浆返回管70。在具有两个料浆环路的实施方案中，至少一个料浆环路包含下文中进一步讨论的磁性动态沉降器，另一个料浆环路含有选自过滤装置、磁性分离器、沉降装置(例如垂直沉降器，倾斜沉降器)、动态沉降器和磁性动态沉降器的分离器。在含有3个或以上料浆环路65的实施方案中，每个分离器30可以是本技术领域的专业人员已知的任何适合用于将催化剂从产物蜡中分离出来的分离装置。在实施方案中，三个或以上料浆环路65的每个的至少一个分离器30，选自过滤装置、磁性分离器、沉降装置(例如垂直沉降器，倾斜沉降器)、动态沉降器、磁性动态沉降器及其组合。
在实施方案中，至少一个料浆环路65包含一个以上串联的分离器。在实施方案中，至少一个料浆环路65包含一个以上并联的分离器。在具体实施方案中，每个料浆环路包含至少一个动态沉降器。在实施方案中，至少一个料浆环路65包含两个或多个串联或并联的动态沉降器。
每个分离器30包含位于分离器顶部部分中的至少一个分离器入口45；浓缩的催化剂料浆出口71，与通过分离器入口45进入的催化剂料浆相比含有更高浓度固形物的催化剂料浆由此离开分离器30；以及净化的蜡的出口81，与通过分离器入口45进入分离器30的料浆相比具有更低浓度的固形物的流体流由此离开分离器30。催化剂料浆出口71位于分离器30的下方部分中，而液体产物出口81位于分离器30的顶部部分中。
在含有两个料浆环路的实施方案中，至少一个料浆环路含有至少一个由本发明人设计的磁性动态分离容器(MDSV)。在含有3个或以上沉降器的实施方案中，一个或多个沉降器可以是MDSV。当催化剂在操作温度下具有磁性或顺磁性性质时，MDSV将是有用的。在实施方案中，催化剂是含有铁、钴或二者的FT催化剂。
在实施方案中，至少一个MDSV在底部区域是近似锥形的形状。在某些实施方案中，至少一个MDSV包含垂直的上部壁和倾斜的下部壁。MDSV分离器30可以包含磁性部件，磁性部件选自但不限于磁性外壁，磁性内壁，磁性内部挡板，磁性内部叶片，磁性内部杆，磁性内部板，其他磁化内部部件，在沉降器的料浆体内产生的磁场，和/或其组合。至少一个磁性部件可以被磁化，或沉降器内的磁场由一个或多个磁体产生。磁体可以是永磁体，电线圈驱动的磁体，或其组合。在其中至少一个料浆环路包含至少一个MDSV的实施方案中，MDSV中的液体线性向上速度大于15cm/h。可选地，MDSV中的液体线性向上速度大于大约30cm/h。可选地，MDSV中的液体线性向上速度大于大约45cm/h。可选地，MDSV中的液体线性向上速度大于大约90cm/h。
在实施方案中，MDSV的磁化部件是内部部件。在实施方案中，磁化的内部部件是垂直放置的。在实施方案中，MDSV分离器30的至少一部分壁是磁化的。在实施方案中，MDSV分离器30的至少一部分下部部分，通过磁性表面或容器的料浆体内产生的磁场被磁化。在实施方案中，MDSV分离器30包含倾斜放置的磁化内部部件。在实施方案中，MDSV分离器30的至少一部分垂直的壁被磁化，和/或磁场在容器的该区域的料浆体内产生。在实施方案中，MDSV分离器30的至少一部分倾斜的壁被磁化。
正如本文提到的，MDSV分离器30可以包含磁化的外壁。在实施方案中，分离器的壁被至少一个磁体磁化。在实施方案中，MDSV分离器30的壁的至少一部分被多个磁体磁化。从料浆排放管60进入MDSV分离器30的催化剂颗粒具有磁性性质，因此被吸引到MDSV容器外壁的磁性表面、磁性内部部件和/或容器中的磁场中，从而可以从MDSV液体产物中分离催化剂颗粒。在实施方案中，MDSV分离器30还包含内部磁化的倾斜板。在实施方案中，MDSV分离器30中每个磁化板/杆的顶端部分被磁化。在实施方案中，MDSV分离器30包含垂直的磁化杆/板。一个或多个料浆环路65可以包含一个以上的MDSV。在实施方案中，料浆环路65包含一个以上的MDSV分离器30，其中至少一个MDSV分离器30的至少一部分具有磁化的壁。
MDSV可以是如美国专利No.6,068,760中描述的动态沉降容器，它被改造成包含至少一个磁性部件或至少一个磁场。MDSV包含了向下延伸进入密封的垂直动态沉降器室中一段相当长度的进料导管。在实施方案中，进料导管是垂直的进料导管。在实施方案中，进料导管延伸了MDSV长度的至少70％，使得来自反应器20的浓缩的催化剂料浆将料浆排放到MDSV的下部部分中。在实施方案中，进料导管延伸了MDSV长度的至少80％。在实施方案中，进料导管向下延伸到MDSV的底部的锥形区域中。在实施方案中，进料导管位于MDSV的几何中心。在具体的构造中，进料导管位于MDSV的一侧，并且容器还包含内部板，例如内部倾斜板。
正如上文中提到的，在实施方案中，进料导管位于MDSV的几何中心附近，并在室的内壁与进料导管之间形成了环形区域，因此当料浆流入沉降器底部的环状区域时，较重的催化剂颗粒在重力和MDSV中的磁场的帮助下沉降下来，在MDSV的底部作为浓缩的料浆通过浓缩的催化剂料浆出口71被移除。无磁性的蜡产品在环形部分中上升，净化的蜡通过蜡液体产物出口81和MDSV液体产物流80被移除。
在实施方案中，MDSV还包含在美国专利No.6,730,221中描述的多通道挡板。挡板可以帮助防止湍流和/或增加固体颗粒的持留。多通道挡板可用于将环形体积分成多个通道。在实施方案中，通道的最大横截面尺寸足够地小，使得天然的对流流动被最小化，并促进了颗粒沉降。在某些实施方案中，多通道挡板位于容器壁与MDSV的进料导管之间的环形体积中。在这些实施方案中，蜡液体产物出口81与多通道挡板上方的环形体积相通，MDSV浓缩的催化剂料浆出口71与多通道挡板下方的环状体积相通。在实施方案中，多通道挡板的通道具有六边形的横截面。可选地，通道的横截面是圆形的。
每个分离器30包含至少一个净化的蜡的出口81，由此将固体内含物中还原的蜡产物经分离的产物流80从分离器30中移除。在实施方案中，净化的蜡的出口81位于分离器30的顶部附近。在实施方案中，每个分离器30还含有至少一个分离器气体出口91，通过它将气体从反应器催化剂/蜡分离器气体流90移除。分离器气体出口91位于分离器30的顶部处或顶部附近。在实施方案中，至少一部分经气体出口90离开分离器30的气体重新循环到FT反应器20。每个料浆环路65还包含料浆返回管70，催化剂料浆通过它返回到反应器20。在实施方案中，每个料浆返回管70将反应器料浆返回管入口75与分离器30的浓缩催化剂料浆出口71流体连接。在实施方案中，反应器20包含至少两个料浆返回管入口75，它们位于反应器主体的总垂直高度L的底部50％中。在实施方案中，反应器20包含至少三个料浆返回管入口75，它们位于反应器主体的总垂直高度的底部50％中。在实施方案中，反应器20包含至少四个料浆返回管入口75，它们位于反应器主体的总垂直高度的底部50％中。料浆返回管入口75可以具有大于4英寸的直径。在实施方案中，料浆返回管入口75具有小于5英尺的直径。在实施方案中，料浆返回管入口75的直径大于6英寸而小于5英尺。
在其中料浆环路65包含一个以上串联的分离器30的实施方案中，料浆返回管70将反应器20的料浆返回管入口75与串联的最后一个分离器30的出口浓缩催化剂料浆出口71流体连接。在其中料浆环路65包含一个以上并联的分离器30的实施方案中，料浆返回管70将反应器20料浆返回管入口75与分离器30的浓缩的催化剂料浆出口71流体连接。
在实施方案中，浓缩的料浆经浓缩的催化剂料浆出口71从分离器30中移除。至少一部分从分离器30回收的催化剂经料浆返回管70重新循环到FT反应器20。在实施方案中，浓缩的料浆从分离器30的下部部分移除。在某些实施方案中，分离器浓缩的料浆流，净化的蜡液体分离产物流80，或二者，经历进一步的沉降或过滤过程。正如上面提到的，分离器30可以进一步包含至少一个挡板，它可以帮助防止湍流和/或增加固体颗粒的持留。在实施方案中，至少一个挡板是多通道挡板。
在实施方案中，浓缩的料浆按照本技术领域的专业人员已知的方法进行处理，以进一步从其中分离液体，和/或在重新循环到反应器20之前将催化剂再生。费-托催化剂可以通过例如用惰性气体或使用再生气体吹扫催化剂一段时间来进行再生，正如本技术领域的专业人员所知的。
在实施方案中，浓缩的料浆通过重力驱动的环路经料浆返回管70返回到FT反应器20。在可选实施方案中，浓缩的料浆经泵辅助的环路返回到反应器20。
在实施方案中，反应器产物出口61包含将它与料浆排放管60相连的喷嘴。在实施方案中，每个料浆返回管70与带有喷嘴的料浆返回管入口75相连。
相对几何形状
图2是本公开的FT系统10的实施方案的顶视图的示意图。FT系统包含2个以上料浆环路65。在优选实施方案中，FT系统10包含3个以上料浆环路65。在图2的实施方案中，FT系统10包含4个分离器：沉降器1(30a)，沉降器2(30b)，沉降器3(30c)和沉降器4(30d)，各构成料浆环路65的至少一个分离器30。在优选实施方案中，FT系统10包含四个料浆环路65。正如上文提到的，每个料浆环路65包含一个或多个分离器30；在其中料浆环路65包含2个或以上分离器30的实施方案中，两个或以上的分离器30可以串联和/或并联取向。
在实施方案中，FT反应器20的内径Dr大于或等于6英尺并小于60英尺。例如，生物质气化厂可以使用与煤气化工艺过程中使用的相比具有相对小的直径的FT反应器20。在实施方案中，FT反应器20的内径Dr大于或等于10英尺并小于60英尺。在可选实施方案中，FT反应器20的内径Dr大于或等于12英尺。在某些实施方案中，例如中试规模的装置中，FT反应器20的内径Dr可以大于或等于1.3英尺。在可选实施方案中，FT反应器20的内径Dr大于或等于10英尺并小于50英尺。在某些实施方案中，FT反应器20的内径Dr大于或等于10英尺。在实施方案中，反应器20的总垂直高度L大于50英尺。在实施方案中，反应器20的总垂直高度L大于60英尺。反应器20的总垂直高度L大于50英尺并小于200英尺。
在实施方案中，每个分离器30的内径Ds大于2英尺。在实施方案中，每个分离器30的内径Ds小于或等于反应器直径Dr。在实施方案中，每个分离器30的内径Ds大于2英尺并小于或等于反应器直径Dr。在其他情况下，例如中试工厂系统中，反应器直径Dr可以小于或等于大约1.5英尺，并且每个分离器30的内径Ds可以小于或等于反应器直径Dr。
选择料浆环路的高度H(每个反应器产物出口61与相应料浆环路65的相应料浆返回管入口之间的距离)，使得压力平衡驱动所需的流动通过料浆环路65。
膨大的料浆高度是反应器20中催化剂、蜡和气体混合物的高度。气体进料和气态产物“膨大”了混合物的体积。该膨大由可以被称为“气体抬升”所引起。经反应器产物出口61的料浆排放管低于反应器20的膨大的料浆床高度。因此，在这样的实施方案中，料浆环路高度H加上反应器底座高度Hb小于反应器总垂直高度L的大约0.9倍，即H+Hb＜0.9L(在膨大的床高度上方，将存在一定长度的自由蒸汽空间或分离空间，它们典型地可以在10-15英尺的范围内。分离空间用于促进固体和液滴返回到反应器床)。
在实施方案中，料浆环路高度H大于反应器20的总长度L的0.5倍，即H＞0.5L。在实施方案中，料浆环路高度H大于分离器高度Hs，即H＞Hs。
正如在图1中看到的，在实施方案中，反应器20的垂直的外壁与每个料浆返回管70之间的角度Ф1小于90°并大于30°。正如在图1中看到的，在实施方案中，反应器20的外壁与每个料浆排放管60之间的角度Ф2小于90°并大于30°。在某些实施方案中，从FT反应器20的外壁到分离器30的外壁的距离Drs被最小化。在优选实施方案中，Drs小于Dr，即Drs＜Dr。
分离器30的直径Ds，理想是被选择成使得分离器30中的向上液体速度大于15cm/hr而小于100cm/hr。在其中使用了动态磁性分离容器的实施方案中，向上液体速度大于15cm/h，更优选大于30cm/h，最优选大于50cm/h。在实施方案中，分离器30不包含明显的内部零件，并且分离器高度与分离器直径的比例Hs/Ds大于0.9并小于10。在某些实施方案中，一个或多个分离器30具有与至少一个其他分离器30不同的高度Hs。在某些实施方案中，一个或多个分离器30具有与至少一个其他分离器30不同的直径Ds。例如，假设分离器1到4的直径分别是Ds1、Ds2、Ds3和Ds4，分离器1-4的高度分别是Hs1、Hs2、Hs3和Hs4，在某些实施方案中，选自Ds1、Ds2、Ds3和Ds4的至少一个直径与至少一个其他直径不相等。同样地，在实施方案中，选自Hs1、Hs2、Hs3和Hs4的至少一个分离器高度与其他分离器的高度不相等。
在可选的实施方案中，上文中描述的FT反应器20被围绕反应器区段圆周周围的环状分离容器所环绕。
方法
本文公开了使用本公开的FT系统10，将合成气FT转化成烃产物的方法。在实施方案中，所公开的FT系统被用作煤、石油焦、生物质或液化天然气(XtL)工厂的费-托部分。例如，通过合成气进料入口40导入到FT反应器20的合成气进料可以在XTL工厂中形成。合成气经合成气进料入口20进入反应器20。在实施方案中，气体入口40包含多个气体喷嘴，调整进料气体流使得总的表观气体速度大于流化床料浆中固体催化剂的平均沉降速度。在某些实施方案中，运行FT系统，使得总的表观速度大于大约9cm/s。可选地，运行FT系统，使得总的表观气体速度大于大约15cm/s。在实施方案中，运行FT系统，使得总的表观气体速度在大约5cm/s到大约25cm/s的范围内；在大约10cm/s到大约20cm/s的范围内，或在大约12cm/s到大约14cm/s的范围内。
费-托催化剂
FT反应器20含有有效催化一氧化碳和氢气转化成C2+烃的费-托、或FT催化剂。FT催化剂可以包括本技术领域的专业人员已知的任何FT催化剂。在实施方案中，费-托催化剂是基于金属的催化剂。在实施方案中，FT催化剂是铁基催化剂。在实施方案中，FT催化剂是钴基催化剂。最优选费-托催化剂是碳化铁催化剂。
依赖于预先选择的α值，即所需的聚合概率，沉淀的铁催化剂可以具有的钾(例如作为碳酸盐)与铁的重量比率在大约0.005到大约0.015的范围内，更优选在0.0075到0.0125的范围内，最优选为大约0.010。更大量的碱金属助催化剂(例如钾)可以导致产物分布移向更长链的分子，而少量的碱金属可以产生主要为气体的烃产物。
在铁费-托催化剂中，铜与铁的重量比率可以在大约0.005到0.050的范围内，更优选在大约0.0075到0.0125的范围内，最优选为大约0.010。铜可以用作诱导助催化剂。在优选实施方案中，Cu∶Fe的重量比例为大约1∶100。
催化剂可以是包含结构助催化剂的铁费-托催化剂。结构助催化剂可以显著减少催化剂在SBCR(浆液鼓泡塔反应器)中的破裂。结构助催化剂可以包含二氧化硅，可以在催化剂的活化和操作过程中增加结构完整性。在实施方案中，催化剂包含的SiO2∶Fe的质量比例，当结构助催化剂包含二氧化硅时低于大约1∶100，当结构助催化剂包含二氧化硅溶胶时低于大约8∶100。
在实施方案中，至少一种结构助催化剂选自金属和类金属的氧化物及其组合。结构助催化剂可以被称为粘合剂、载体材料或结构载体。
取决于含有硅酸盐的结构助催化剂的水平以及预先选定的α值、即所需的聚合概率，K∶Fe的重量比例可以为大约0.5∶100到大约6.5∶100。更优选，K∶Fe的重量比例为大约0.5∶100到大约2∶100。在某些实施方案中，K∶Fe的重量比例为大约1∶100。
在其中结构助催化剂包含二氧化硅溶胶的某些实施方案中，铁与钾的重量比例在大约100∶1到大约100∶5的范围内。在某些实施方案中，铁与钾的重量比例在大约100∶2到大约100∶6的范围内。在更优选实施方案中，铁与钾的重量比例在大约100∶3到大约100∶5的范围内。在某些实施方案中，铁与钾的重量比例在大约100∶4到大约100∶5的范围内。在某些优选实施方案中，铁与钾的重量比例在大约100∶2到大约100∶4的范围内。在某些具体实施方案中，铁与钾的重量比例为大约100∶3。在其他某些实施方案中，铁与钾的重量比例为大约100∶5。
在其中结构助催化剂包含二氧化硅溶胶的某些实施方案中，铁与铜的重量比例可以在大约100∶1到大约100∶7的范围内。在某些实施方案中，铁与铜的重量比例在大约100∶1到大约100∶5的范围内。更优选，铁与铜的重量比例在大约100∶2到大约100∶6的范围内。更加优选，铁与铜的重量比例在大约100∶3到大约100∶5的范围内。在某些优选实施方案中，铁与铜的重量比例在大约100∶2到大约100∶4的范围内。在其他具体实施方案中，铁与铜的重量比例为大约100∶5。在另外的其他具体实施方案中，铁与铜的重量比例为大约100∶3。
广义地说，在其中结构助催化剂是二氧化硅溶胶的实施方案中，铁与SiO2的重量比例可以在大约100∶1到大约100∶8的范围内；可选地，可以在100∶1到100∶7的范围内。更优选，在其中结构助催化剂是二氧化硅的某些实施方案中，铁与SiO2的重量比例可以在大约100∶2到大约100∶6的范围内。更加优选，铁与二氧化硅的重量比例在大约100∶3到大约100∶5的范围内。在其中结构助催化剂是二氧化硅的某些优选实施方案中，铁与SiO2的重量比例为大约100∶5。在其中结构助催化剂是二氧化硅的实施方案中，铁与SiO2的重量比例可以在大约100∶3到大约100∶7的范围内；可选在大约100∶4到大约100∶6的范围内。在某些优选实施方案中，Fe∶Cu∶K∶SiO2质量比例为大约100∶4∶3∶5。
新鲜的活化FT催化剂可以按需经活化催化剂入口(未显示)进入反应器20。在反应器20中，合成气的FT转化通过FT反应产生了产物烃。FT反应是放热的。在实施方案中，反应的热通过流体流过的盘管移除。在实施方案中，盘管中的流体是水。在实施方案中，盘管产生压力在大约200psig到大约500psig范围内的蒸汽。在实施方案中，盘管产生的蒸汽在大约400psig到大约450psig的范围内。在FT系统10的运行过程中，流体通过盘管的流速可以被调整，以便从反应器20移除不同量的热。可选地，通过直接或间接地调整盘管中流体的温度，可以从反应器20移除不同量的热。通过FT系统10产生的蒸汽，可以以本技术领域的专业人员已知的任何方式使用。例如，蒸汽可用于产生电力，对流体流进行预加热，或其组合。
在FT反应过程中产生的塔顶尾气，通过至少一个塔顶尾气出口50移除。正如本技术领域的专业人员所知，塔顶尾气可以被送去进一步加工。例如，塔顶尾气可以经历进一步加工/分离，以获得粗轻质馏分、粗中质馏分、FT水、从中移除了产物的FT尾气，或其组合。一部分其中移除了产物的尾气，可以与入口合成气进料一起例如经合成气进料入口40返回到FT反应器20中。
在FT系统10的运行过程中，催化剂料浆经至少两个料浆环路65从反应器20中产生的FT产物中分离。在方法的其他实施方案中，催化剂料浆经至少三个料浆环路65从反应器20中产生的FT产物中分离。在方法的其他实施方案中，催化剂料浆经至少四个料浆环路65从反应器20中产生的FT产物中分离。
部分料浆产物经反应器产物出口61和料浆排放管60从反应器20中移除。含有经每个料浆排放管60移除的产物的料浆，进入能够将液体产物从浓缩的催化剂料浆中分离的至少一个分离器30中。在实施方案中，每个分离器30中的向上液体速度大于15cm/h。在实施方案中，每个分离器30中的向上液体速度小于大约100cm/h。在实施方案中，每个分离器30中的向上液体速度大于大约15cm/h并小于大约100cm/h。在其中使用了动态磁性分离容器的实施方案中，向上液体速度大于15cm/h，更优选大于30cm/h，最优选大于50cm/h。
在实施方案中，在分离器30中移除的气态产物经分离器气体流90和分离器气体出口91被送去进一步加工。例如，来自每个料浆环路65的至少一部分分离器气体流90可以返回到反应器20，送去进一步加工，或其组合。
分离的产物流80通过净化的蜡出口81离开每个分离器30。正如本技术领域的专业人员所知，该液体产物可以进一步加工。例如，分离的产物流80可以进一步分离成粗蜡和用过的催化剂/蜡，其可以处置、重新循环或其组合。
浓缩的催化剂料浆经浓缩的催化剂料浆出口71离开每个料浆环路65的所述至少一个分离器30，并经料浆返回管70和料浆返回管入口75返回到反应器20。用过的催化剂可以从分离器30、反应器20或其组合中移除，用于重新活化和再循环、处置或其组合。
至少一部分FT液体烃产物可以进一步加工。例如，至少一部分FT液体烃产物可以氢化成饱和的烯属和氧化的成分。至少一部分从料浆环路移除的液体烃产物可以进行加氢裂解、加氢异构或二者。通过这种方式，产物中的平均碳原子数可以被调整到某个范围之内，以最大化柴油和/或喷气燃料范围内的液体燃料的生产。
尽管已经对本发明的优选实施方案进行了显示和描述，但本技术领域的专业人员可以对其进行修改，而不背离本发明的精神和讲述。本文描述的实施方案仅仅是示例性的，而不打算是限制性的。本文公开的发明的许多变化和修改是可能的，并且也在本发明的范围之内。当数值范围或限度被明确陈述时，这些表述范围或限度应该被理解为包含了在明确陈述的范围或限度内的类似量级的迭代范围或限度(例如，从大约1到大约10，包括了2、3、4等；大于0.10包括了0.11、0.12、0.13等)。对于要求权利的任何要素来说，术语“任选地”的使用，打算意味着对象要素是需要的，或者可选地是不需要的。这两种选择方案都打算包含在要求权利的范围之内。更宽泛的术语例如包含、包括、具有等的使用，应该被理解为对较狭窄的术语例如由……构成、基本上由……构成、基本上包含等提供了支持。
因此，保护范围不限于上面提出的说明书，而只受限于下面的权利要求书，其范围包括了要求权利的主题内容的所有等价物。每个和所有的权利要求作为本发明的实施方案整合在说明书中。因此，权利要求书是进一步的描述，是对本发明的优选实施方案的添加。所有本文中引用的专利、专利申请和出版物的公开内容，在它们为本文中提出的情况提供示例性的、程序性的或其他细节补充的程度上，在此引为参考。

Claims (31)

1.一种催化反应系统，包含：
与至少两个料浆环路流体连接的催化反应器，其中反应器包含与料浆环路至少一样多的反应器产物出口和至少一样多的料浆返回管入口；其中每个料浆环路包含分离系统，其含有至少一个用于将浓缩的催化剂料浆与液体产物分离开的分离装置；与反应器产物出口之一通过料浆排放管流体连接的至少一个分离器的入口，与料浆返回入口之一通过料浆返回管流体连接的至少一个分离器的出口，以及用于从其中除去液体产物的至少一个分离器的产物出口。
2.权利要求1的系统，其包含至少3个料浆环路。
3.权利要求2的系统，其包含至少4个料浆环路。
4.权利要求1的系统，其中催化反应器是多相费-托浆液鼓泡塔反应器。
5.权利要求4的系统，其中催化反应器具有圆柱形主体，其内径大于6英尺。
6.权利要求4的系统，其中催化反应器的总垂直高度超过50英尺。
7.权利要求1的系统，其中催化反应器的外壁可以经受大约10个大气压到大约40个大气压的内部压力。
8.权利要求1的系统，其中催化反应器还包含含有多个喷嘴的合成气体入口。
9.权利要求8的系统，其中另外的多个喷嘴位于催化反应器的总垂直高度(L)的下部50％中。
10.权利要求9的系统，其中所述多个喷嘴位于催化反应器的总垂直高度的下部20％中。
11.权利要求1的系统，其中反应器产物出口位于催化反应器总垂直高度的上部50％中。
12.权利要求1的系统，其中反应器产物出口的直径在大约4英寸到大约5英尺的范围内。
13.权利要求1的系统，其中至少两个料浆环路的至少一个分离系统包含2个或以上分离装置。
14.权利要求1的系统，其中每个分离系统包含至少一个分离装置，所述分离装置选自过滤装置、磁性分离器、垂直沉降器、倾斜沉降器、动态沉降器、动态磁性沉降器及其组合。
15.权利要求14的系统，其中催化反应器具有内径，并且其中每个分离装置的内径大于大约2英尺并小于催化反应器的内径。
16.权利要求15的系统，其中每个分离装置的垂直高度小于催化反应器的总垂直高度。
17.权利要求16的系统，其中从催化反应器的外壁到每个料浆环路的至少一个分离装置的外壁的距离，小于催化反应器的内径。
18.权利要求1的系统，其中料浆返回管入口位于催化反应器的总垂直高度的底部50％中。
19.权利要求18的系统，其中料浆返回管入口的直径在大约4英寸到大约5英尺的范围内。
20.权利要求1的系统，其中由反应器垂直轴与每个料浆排放管形成的角度，在大约30度到90度之间。
21.权利要求20的系统，其中由反应器垂直轴与每个料浆返回管形成的角度在大约30度到90度之间。
22.权利要求1的系统，其中反应器产物出口与料浆返回管入口之间的距离，大于催化反应器的总垂直高度的大约一半。
23.权利要求1的系统，其中反应器产物出口与每个料浆环路的料浆返回管入口之间的距离，大于催化反应器的总垂直高度的大约一半。
24.权利要求1的系统，其中反应器产物出口位于催化反应器的总垂直高度的下部90％中。
25.用于将合成气体转化成液体烃的方法，方法包括：
将合成气体进料，以高于催化反应器中催化剂的平均沉降速度和/或高于催化反应器中催化剂的最小流化速度的表观气体速度，导入到权利要求1的费-托系统的费-托反应器中；
通过权利要求1的至少两个料浆环路将浓缩的催化剂料浆与反应产物分离开；
从至少两个料浆环路的每个的至少一个分离器中除去液体烃产物；以及
将浓缩的催化剂料浆通过至少一样多的料浆返回管和至少一样多的料浆返回管入口返回到催化反应器中。
26.权利要求25的方法，包含至少3个料浆环路。
27.权利要求25的方法，其中进料到催化反应器的合成气体的总体表观速度为大约9cm/s。
28.权利要求25的方法，其中至少两个料浆环路的至少一个包含动态沉降器，所述动态沉降器含有至少一个磁性部件，所述磁性部件选自磁性外壁、磁性内壁、磁性内部挡板、磁性内部叶片、磁性内部杆、磁性内部板和其他磁化内部部件；沉降器中的至少一个磁场；及其组合。
29.权利要求28的方法，其中至少三个料浆环路中的每个的至少一个分离器中的液体升流速度，在大约15cm/h到大约100cm/h的范围内。
30.权利要求25的方法，还包含将至少一部分FT液体烃产物氢化成饱和的烯属和氧化的成分。
31.权利要求25的方法，还包括对至少一部分液体烃产物进行加氢裂解、加氢异构或二者。
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