CN102316968A - 淤浆法中细粒管理的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供一种用于控制三相淤浆泡罩塔反应器中细粒的量的方法和系统。该方法包括将一部分淤浆引入旋液分离器中，所述旋液分离器适于回收旋液分离器底流料流中超过98重量％的粗粒催化剂和提供含催化剂细粒的溢流料流。使底流料流返回淤浆塔中，同时转移含细粒的溢流料流以清除或进一步处理。通过提供底流料流开口大于溢流料流开口的旋液分离器，将含高固体负载细粒的淤浆与粗粒固体分离，由此有效地控制淤浆塔中的细粒含量。

Description

淤浆法中细粒管理的方法和系统

发明领域

本发明涉及一种用于管理或控制三相淤浆反应器中细粒的量的方法和系统。更特别地，本发明涉及用于控制三相烃合成淤浆泡罩塔反应器中所含催化剂细粒的量的改进方法和系统。

发明背景

三相淤浆方法，特别地在泡罩塔中进行的那些广泛报告于科学文献中，因此是本领域技术人员已知的。这种三相淤浆法的实例为通过费-托法制备烃。

通常，费-托法通过使合成气(氢气和一氧化碳)料流与固体催化剂的液体悬浮液接触而进行。气相通常具有1∶1至3∶1的H₂/CO摩尔比。分散液体主要为线性烃反应产物。将气体通过气体分布器供入“泡罩塔反应器”底部，这产生促使催化剂颗粒悬浮在液体中的小气泡。当合成气上升通过塔时，它主要转化成在反应温度和压力条件下为液体的烃产物。形成的那些气态产物上升到反应器顶部，从那里将它们除去。

由于需要保持反应器中的淤浆在恒定水平，将液体产物连续或间歇地从反应器中除去。然而，这样做时，重要的是将分散的催化剂颗粒与待除去的液体分离以保持反应器中恒定的催化剂存量。通常，分离在位于淤浆床中的过滤区进行。过滤区通常包含圆柱形过滤介质，液体产物通过所述过滤介质从外部进入内部，在那里将液体产物收集并从反应器中除去。在一些反应器设计中，在外部过滤区中过滤液体产物，并将分离的催化剂返回反应器中。

与过滤器系统相关的问题之一是过滤器效率随时间降低，这需要补救措施如反洗涤过滤介质、除去和清洁过滤器元件或置换它。过滤器效率降低主要是由于液体产物中存在称为“细粒”的非常小的催化剂颗粒，其导致过滤器阻塞。反应器中催化剂细粒的存在是由于在反应器容器中存在的湍流流体动力学条件下随时间过去发生的催化剂磨耗。因此，需要将淤浆反应器中的催化剂细粒浓度保持在避免操作问题如过滤阻力提高的水平下。

美国专利6,096,789公开了一种在费-托淤浆法中不使用过滤器，而使用旋液分离器将液体产物与固体催化剂分离的方法。在所公开的方法中，将液体产物淤浆顺序地送入两个旋液分离器中，将在各个旋液分离器中回收的固体催化剂返回费-托反应器中。

据所知，旋液分离器使用离心力原理基于密度、大小或形状分离固体颗粒和流体。存在两类旋液分离器，轴向和切向。两类旋液分离器基于相同原理工作并类似地进行，它们之间的区别是将进料引入旋液分离器中的方式。切向旋液分离器具有圆形主室和用于将进料成切线地引入室中的入口。旋液分离器还包括称为涡淋(vortex finder)的管，其由上透入主室。在一些设计中，圆锥向下延伸并在称为顶点的开口处终止。在其它设计中，主室与在用于除去底流料流的开口中终止的直管部分连通。当将进料成切线地引入主室中时，赋予进料漩涡运动，导致更密相作为底流料流向外和向下进行通过顶点或管开口，同时较小密相作为溢流料流向上移动通过涡淋。轴向旋液分离器具有圆形主室和用于通过赋予进料旋转运动的一系列叶片将进料轴向地引入室中的入口。这些旋液分离器还包括称为涡淋的管，其透入主室。与切向流旋液分离器一样，轴向流旋液分离器也可由主室在圆锥或直管部分中终止，所述圆锥或直管部分在称为顶点的开口处终止。当将进料引入主室中时，通过入口处的一系列叶片赋予进料涡流运动，导致更密相作为底流料流向外和向下进行通过顶点，同时较小密相移动进入主室中心处的涡淋并通过连接在涡淋上的导管除去。

如上所述，美国专利6,096,789的方法使用两个旋液分离器将固体催化剂与液体产物分离。然后将分离的固体催化剂返回费-托反应器中。因此，没有尝试将淤浆反应器中的催化剂细粒浓度控制在避免操作问题如过滤阻力提高的水平下。相反，本发明以通过使用特殊设计的旋液分离器控制淤浆反应器中的催化剂细粒浓度为目的。

尽管旋液分离器在结构上简单，但经验已显示出，当用于三相系统的处理中时，发生的涡流多相流充其量代表对具有任何合理置信度的数学模型的明显挑战。

发明概述

本发明提供一种用于控制三相淤浆泡罩塔反应器中细粒含量的方法和系统。所述方法包括将一部分淤浆引入旋液分离器中，所述旋液分离器适于除去在旋液分离器的底流中超过98重量％、优选约98.5重量％或更多粗粒催化剂，并提供含催化剂细粒的溢流料流。包含粗粒催化剂的底流料流保留在反应器中的淤浆中，同时转移含细粒的溢流料流以清除或进一步处理。

在本发明一个实施方案中，所用旋液分离器具有用于除去底流料流的开口，所述开口的面积大于涡淋开口的面积。

本发明各个实施方案描述于以下详述中。

附图简述

图1为用于本发明三相淤浆法的细粒管理系统的示意图。

图2、3和4为用于系统中的旋液分离器的示意图。

图5为本发明细粒管理系统的另一实施方案的示意图。

图6和7为显示具有不同几何的旋液分离器的负载20重量％固体的淤浆的分离效率的图。

图8和9为显示具有不同几何的旋液分离器的负载50重量％固体的淤浆的分离效率的图。

发明详述

本发明适用于在三相淤浆反应器中进行的化学反应。这种化学反应的具体实例为费-托合成法，为了方便，特别参考费-托烃合成法描述本发明。

适当地，用于费-托合成法的反应器为包含用于含悬浮于液相中的催化剂的垂直容器的泡罩塔反应器，合成气通过所述容器起泡。

还适当地，反应器包括一个或多个气体脱离垂直降液管，其帮助淤浆循环通过反应器。

通常，反应器还含有包含一种或多种多孔过滤介质的过滤系统，所述过滤介质容许液体产物通过以除去。当然，任选过滤器系统可位于反应器的外部。在任一情况下，一般将滤液送入另外的加工和提升。

如前所述，合成气包含摩尔比为1∶1至3∶1、优选2.1∶1的H₂和CO。

任何能在费-托反应中为活性的催化剂可用于本发明中。优选催化剂包含在合适无机载体材料上的有效量Co和Re、Ru、Fe、Ni、Th、Zr、Hf、U、Mg和La中一种或多种。在反应条件下为液体的那些线性烃反应产物包含在反应器中的淤浆液体。

费-托反应在分别为约320-850°F、80-600psi和100-40,000V/hr/V的温度、压力和气时空速下进行，气时空速表示为标准体积的合成气混合物(0℃，1atm)/小时/体积催化剂。

为了方便，通过参考图1所示切向旋液分离器描述方法和系统；然而，此处涉及的原理同样适用于轴向旋液分离器，因此，本发明不限于切向旋液分离器。如图1所示，细粒除去系统包含位于泡罩塔反应器容器10内的降液管9。降液管9包含具有气体脱离顶杯12的段11。旋液分离器14在其切向顶开口处经由导管15与降液管11的气体脱离杯12可操作地连通。

如图1所示，旋液分离器14具有用于除去溢流料流的顶部导管16和用于除去底流料流的底部导管17。

任选，旋液分离器14可位于反应器10内，但优选，如图1所示，它位于反应器10的外部。

还如图1所示，导管17与容器10可操作地连通。

如果需要，可如所示提供阀19和20以从杯12将脱气淤浆计量加入通过旋液分离器14。

在操作中，将例如含约0.05重量％至约1.00重量％催化剂细粒的负载细粒料流从气体脱离杯12中取出并供入旋液分离器14中。基本上，从杯12中取出的速率为降液管水力学的函数。在任何情况下，将富含细粒的溢流料流从旋液分离器中除去以进一步浓缩并分离，同时将富含大催化剂的底流料流返回反应器10中。

大催化剂意指直径等于或为约10μm以上，例如约10-200μm，优选20-150μm的催化剂颗粒。

细粒意指直径为约10μm以下，通常直径为小于约1μm的固体颗粒。

如图1所示，当将淤浆从降液管中取出时，提供阀21用于控制。

用于固体/液体分离的典型旋液分离器使用小于涡淋直径的顶点直径设计。这可产生大于底流料流的溢流料流流率，如果太多液体通过溢流除去，则旋液分离器锥形部分中的粗粒催化剂浓度可达到类似于沉降催化剂的浓度。在这些高浓度下，底流通过顶点的流率可降低或甚至停止。这迫使粗粒催化剂离开溢流，降低粗粒催化剂回收。

如前所述，本发明一个方面为使用旋液分离器，所述旋液分离器适于在淤浆固体负载范围内，例如旋液分离器进料料流中约11重量％-约55重量％的固体负载范围和至少0.10重量％催化剂的细粒水平，优选约0.40重量％催化剂或更多的细粒水平，除去旋液分离器底流料流中超过约98重量％、优选约98.5重量％或更多的粗粒催化剂。

在本发明的具体实施方案中，用于控制三相淤浆塔中的细粒浓度的旋液分离器具有用于除去底流料流的末端开口，所述开口的面积大于涡淋开口的面积。这种合适的旋液分离器显示于图2中。

如图2所示，用于本发明中的旋液分离器14包含用于将细粒和粗粒的液体淤浆引入圆柱形主室26中的切向入口25。主室26具有顶部27，轴向管或涡淋28通过该顶部27延伸至室26中。从室26下垂着在底部开口或顶点30处终止的圆锥部分29。涡淋28用于除去含悬浮细粒的溢流料流，而顶点30用于除去含粗粒催化剂颗粒的底流料流。本发明还可使用轴向旋液分离器实现。

显示涡淋具有面积为A1的开口和顶点开口具有面积A2。在本发明中，A2与A1之比为大于1.00，优选为大于约1.56，例如至多约2.25以便当淤浆含有高固体负载时有效地分离粗粒固体。事实上，具有必须面积比的旋液分离器适于在固体负载范围为约11重量％-约55重量％的淤浆固体负载下控制淤浆反应器细粒含量，特别优选在约40重量％以上的固体负载下，尤其是在约50重量％-约55重量％的负载下使用。

反过来参考图1，图2中的旋液分离器用于控制淤浆反应器10中的催化剂细粒的聚集。因此，淤浆反应器系统包括用于经由管15接收反应器淤浆的旋液分离器14。旋液分离器14适于提供含大于约98重量％和大于98.5重量％粗粒催化剂的底流料流，理想地操作以提供从进料至底流或溢流大于约5psi，优选大于约10psi，至多约35psi的压降。该底流料流经由管17返回反应器10中。来自旋液分离器14的溢流料流经由管16除去以清除或进一步处理，例如在该料流中将细粒与液体分离。有利地，如果有的话，则很少的粗粒催化剂含在溢流料流中，因此避免需要另外的加工步骤以除去粗粒催化剂。此外，反应器中催化剂细粒的浓度保持在可接收的低水平，从而容许主产物/催化剂分离系统的有效操作。

在图1实施方案中，主催化剂/产物分离系统显示为位于反应器10中的过滤器管束32。过滤器管束32包含强制通风系统33，其具有连接和通向强制通风系统33的多个垂直布置的伸长空心过滤元件34。提供收集导管35以从反应器10中除去滤液。

图3阐述也适用于本发明中的切向流旋液分离器。在这种情况下，旋液分离器不具有圆锥部分。如所示，旋液分离器314具有切向入口325和圆柱形主室326。主室326具有顶部327，涡淋328通过顶部327具有面积为A1的开口。室326在用于除去底流料流的开口中的远端终止，所示开口具有面积A2。

图4示意性地阐述用于本发明中的一类轴向流旋液分离器。如所示，旋液分离器414具有用于将进料引入旋液分离器中的轴向入口425。一系列叶片431位于主室426的入口端以赋予进料漩涡运动。涡淋428位于主室426内。涡淋428中的开口具有面积A1，主室426在其远端具有开口，所述开口具有用于除去底流料流的具有面积D2的开口。

在图5所示本发明可选择和优选的实施方案中，含催化剂的淤淤浆流经由管15从容器10的顶部除去。除去的淤浆然后在脱气容器50中脱气，其中气体经由顶部管51除去，脱气淤浆经由管52供入旋液分离器14中。如图1实施例一样，旋液分离器14具有用于除去溢流料流的顶部导管16和用于除去底流料流的底部导管17。提升器53与导管17和容器10连通，以通过将含氢气体或惰性气体经由管54注入提升器53中而使底部料流17返回容器10中。

实施例

在以下实施例中，使用三种不同的切向旋流器几何进行一系列固体分离。每个具有如图2所示在顶点开口处终止的圆锥部分。顶点开口面积与涡淋开口面积之比分别为0.88、1.56和2.56。

实施例1

在该系列分离中，以20重量％固体负载将固体在液体中浆化。测试结果在图5和6中给出。

图5显示各个旋液分离器的溢流细粒除去效率。可以看出，所有旋液分离器几何可以以类似的效率从系统中除去细粒。图6显示各个旋液分离器的底流粗粒固体保持效率。图6说明用顶点面积大于涡淋面积的旋液分离器实现较高的粗粒保持效率。数据还说明在大于约5psi的压降下操作旋液分离器对于实现高粗粒固体回收率而言是理想的。

实施例2

进行类似于实施例1的一系列分离，不同之处在于淤浆具有50重量％的固体负载。如在图7中可以看出，所有旋液分离器几何以类似的效率从系统中除去细粒。然而，图8显示当在大于约10psi的压降下操作时，仅顶点面积大于涡淋面积的旋液分离器能实现约98重量％的粗粒催化剂回收率。

Claims (15)

1.一种用于控制淤浆中催化剂细粒含量的三相淤浆泡罩塔反应器系统，其包括：

包含具有在液体中的固体催化剂颗粒的淤浆的反应器，

用于接收一部分淤浆以在其中分离成含催化剂细粒的溢流料流和含粗粒催化剂的底流料流的旋液分离器，所述旋液分离器适于回收超过98重量％在旋液分离器中接收的底流料流中的粗粒催化剂并用于使粗粒催化剂返回淤浆中；和

用于除去旋液分离器溢流料流的装置，由此控制淤浆中的催化剂细粒含量。

2.根据权利要求1的系统，其中所述旋液分离器适于回收大于约98.5重量％的粗粒催化剂。

3.根据权利要求2的系统，其中所述旋液分离器具有底流除去开口和涡淋开口，且其中底流开口面积大于涡淋开口面积。

4.根据权利要求3的系统，其中所述底流开口面积与涡淋面积之比为大于1.00。

5.根据权利要求4的系统，其中所述比为大于约1.5。

6.根据权利要求5的系统，其包括用于将液体产物与控制细粒含量的淤浆分离的过滤器装置。

7.根据权利要求6的系统，其中所述旋液分离器位于淤浆反应器的外部。

8.根据权利要求7的系统，其中所述旋液分离器位于淤浆反应器内。

9.根据权利要求6的系统，其中所述过滤器装置位于淤浆反应器中。

10.一种费-托烃合成方法，其中使合成气在含悬浮在液体产物中的催化剂颗粒的淤浆泡罩塔反应器中反应，且其中通过过滤器装置将液体产物与催化剂颗粒分离，所述过滤器装置定期地被细催化剂颗粒堵塞，其中改进包括通过将淤浆料流在足以提供大于约5psi的压降的条件下引入旋液分离器中以提供催化剂细粒溢流料流和含粗粒催化剂的底流料流而控制反应器淤浆中的催化剂细粒含量，所述旋液分离器适于在底流料流中回收在旋液分离器中引入料流中的大于98重量％粗粒催化剂并用于使粗粒催化剂返回淤浆中，由此控制淤浆中的催化剂细粒含量，从而使过滤器装置的堵塞最小化。

11.根据权利要求10的改进方法，其中所述淤浆包含约11重量％-约55重量％的催化剂负载，且其中底流开口面积与涡淋开口面积之比为大于约1.00。

12.根据权利要求11的改进方法，其中所述底流开口面积与涡淋开口面积之比为约1.5-约2.5，且催化剂负载为约50重量％-约55重量％。

13.一种控制淤浆泡罩塔反应器中催化剂细粒含量的方法，其中所述淤浆含高固体负载，所述方法包括：

将一部分反应器淤浆给料通过旋液分离器以提供催化剂细粒溢流料流和粗粒催化剂底流料流，所述给料在足以提供由进料至底流料流的压降为大于约10psi的条件下进行，且所述旋液分离器适于回收在底流料流中大于98重量％的粗粒催化剂；

将底流料流返回到反应器中的淤浆中；

使溢流料流进入不同于淤浆反应器的点，由此控制淤浆反应器中的细粒含量。

14.根据权利要求14的方法，其中所述旋液分离器具有面积为A2、用于除去底流料流的开口，所述面积A2大于用于除去溢流料流的开口的面积A1。

15.根据权利要求15的方法，其中A2与A1之比为大于约1.5。

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