CN1691978A - 几个并联反应器单元的反应器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适合进行化学反应的反应器系统，其包括一个或多个共用的反应物进料管线、两个或多个单个的单元操作反应器区和一个或多个共用的产品排放管线。该反应器系统特别适合于在催化剂的作用下由合成气来制备烃。

Description

几个并联反应器单元的反应器系统
本发明涉及适合进行化学反应的反应器系统，所述系统包括两个或多个单个的单元操作反应器区。更具体地，本发明涉及在包含多个多管式固定床反应器区的反应器系统中使合成气催化转化为长链烃。
过去乃至今天很多注意力都集中在化学过程的放大问题上，在大多数情况下，这种放大都导致化学反应器的放大。通常应用一个大规模的反应器要比应用多个独立操作的小反应器更加有效(经济)。
在反应器的放大中，特别是化学反应器的放大中，一个重要的需求是大规模的工业反应器应该在可预测的模式下操作，所述反应器可能会比实验和开发用的反应器大10,000倍或更大。在安全条件下在预期成本下得到预期产量和质量的条件下操作反应器是很重要的。改变反应规模改变了反应区的热脱除和混合特性，从而有可能会造成温度和浓度分布的差异。而这可能会造成化学上的改变，从而影响反应器的产率、选择性、催化剂失活等。这意味着基于小反应器的操作性能，大反应器的操作性能很难预测。因此，为了放大新的和/或现存的化学反应器，以及放大新的和现存的化学反应，通常需要进行大量的放大试验、反应器模拟和基础反应器研究。
在化学反应器的放大过程中经常存在一个自然最大值。进一步的放大将会在基于已开发的反应器模型的外推过程中引入太多的不确定因素，和/或简单而言是不实际的。
本发明试图找到放大或进一步放大化学反应器的另一种方式。这种方式不是简单地增大现有反应器直径或高度的尺寸(包括反应器内件、催化剂床层、混合内件、冷却系统、进料管线/原料分配、产品采出等的调整)，而是组合两个或多个确定尺寸的反应器，并将其作为一个单个单元进行操作，其中所述确定尺寸优选为相同的尺寸。共用的进料管线，即气体和/或液体反应器系统的进料管线，被分为与反应器个数相同的多个等量物流并被引入不同的等量反应器中。在各个反应器间共用冷却和/或加热系统。将会有一个或多个共用的产品排放管线。多个反应器作为一个单个的单元进行操作。通过控制在一个或多个共用反应物进料管线中的原料物流(流量、温度、组成、压力等)而控制反应器系统的反应物进料。在单个的操作单元中对各反应器区没有单独的控制。通过控制在一个或多个共用的产品排放管线中的产品流量，来控制单个的单元操作的反应器系统的总产品流量。在这种类型的操作中，对各反应器区的产品排出没有单独的控制。这样就不可能使一个或多个反应器停止操作。只能使整个反应器系统停止操作。也不可能按与其它反应器不同的方式影响一个反应器的条件。切断一个反应物进料管线将会造成没有反应器能接再收到反应物进料物流。关闭一个产品排放管线将会造成没有反应器能再排出其产品。各个反应区独立的加热或冷却是不可能的。反应器的控制将依据从所有存在的反应器得到的信息进行。一个反应器的飞温不能通过关闭所涉及的反应器来解决。而是必须使整个系统停车。通过控制共用的进料气/液反应物进料管线而控制进料物流。
因此本发明涉及一种适合进行化学反应的反应器系统，该系统包括一个或多个共用的反应物进料管线、两个或多个单个的单元操作反应器区和一个或多个共用的产品排放管线。
该反应器系统的一个主要优点是放大变得更容易。例如，当已经证实确定尺寸的反应器能够很好地实施其任务时，则不再需要进一步放大该反应器。组合多个相似的反应器并作为利用共用的反应物进料管线和共用的产品排放管线的一个单个的单元进行操作可以实现所希望的放大。或者，当对一个特定的反应器需要一定程度的(较大)放大时，反应器的放大可能仅限于应用三个或四个反应器区作为一个单个的单元进行操作。则放大被降低至三或四倍。进一步的优点是反应器的重量较小，使得运输/操作/吊装更加容易。应理解的是反应器尺寸可能会受车间限制、道路限制、桥梁限制、吊装设备限制等因素限制。反应器尺寸较小将会使更多的公司都能制备所述反应器。一个或多个制造商同时生产也是可能的。因为反应器系统是单个的操作单元，在控制室内不需要更多的人力来操作该单元。从工艺控制的角度来看，大规模反应器与本发明的反应器系统没有区别：本发明的反应器系统与单个大反应器以相同的方式进行操作。通常，本发明的反应器系统的加热/冷却速率要比单个大反应器的加热/冷却速率快。可能会需要更多一些的维修工作，同时在某种程度上可能会需要更大的布置空间。但是，很清楚这些小的缺点已经被其优点所抵销。另外，因为工作被分散到几个位置，所以反应器内的维修可能会做得更快一些。
上述反应器系统对强放热反应来说特别有用。一个例子为合成气转化为甲醇或烃，所述合成气为二氧化碳和氢的混合物。因为这些转化是强放热的，因此应理解其需要大量的冷却。而这会造成反应器内有相当多的冷却内件，从而造成反应器很快达到放大的自然极限。另一个例子是(低级)烯烃的氧化，例如在多管式固定床反应器中使乙烯催化转化为环氧乙烷。所述反应器系统也适合于生化反应。
本发明的反应器系统适当包含两个至二十个单个的单元操作反应器区，优选为三个至八个单个的单元操作反应器区，更优选为包含四个反应器区。一个反应器区通常将包含一个或多或少的常规反应器，即延长的圆柱形反应器，该反应器在应用时为立式反应器。合适的反应器区为公知的化学反应器，如罐式反应器、(多)管式反应器、塔式反应器、流化床反应器和浆液相反应器。例如参考Perry的《化学工程师手册》(“Chemical Engineers′Handbook”)(MgGraw-Hill BookCompany，6th edition，4-24-4-27)和《化学反应器设计与操作》(“Chemical Reactor Design and Operat ion”)(Westerterp，VanSwaaij an Beenackers，John Wiley & Sons，1984)。也可能各个反应器区放置于一个大的反应器中。这将克服与放大有关的许多问题，但是，上述一些优点会消失。所有反应器区优选具有相同的尺寸。但是，这不是很关键，可以应用不同尺寸的反应器。应理解此时需要采取措施使原料按希望的比在各个反应器之间分配。同样冷却/加热系统也需要进行调整。单个的单元操作反应器区将并联操作。反应器系统不包含串联操作的反应器区。每个反应器区优选为分开的、单个的化学反应器，其适当包含一个壳(或容器)和一个或多个反应区。
在大多数情况下，每个反应器区将包含一个或多个催化剂床层。也可以应用浆液反应器。鉴于由合成气合成烃的过程中产生大量的热，浆液反应器在传热方面可能比固定床反应器有优势。另一方面，与浆液反应器相关的主要技术问题包括流体力学和固体的处理。在一个优选的实施方案中，反应器区包含多管式固定床催化剂设置。管子填充有催化剂颗粒，并且被冷却介质、特别是水和蒸汽的混合物所包围。这样，每个反应器区包括间接的换热系统，所述换热系统联合操作。优选应用公知的热虹吸系统。
根据所要实施的化学反应，向反应器中引入气相和/或液相原料。可以应用各种可能的反应器流动方案，例如上流和/或下流、并流和/或逆流。也可以应用气体和/或液体循环。在烃合成方案中，一个共用的气体反应物进料管线向反应器系统中引入合成气。该原料被分为多个相连反应器区所必须的多股物流，并进料至不同的反应器区。当必须向反应器区中引入气体和液体物流时，优选的是单独的气体进料线和单独的液体进料线。在本发明的系统中，推荐应用相同类型的反应器，并且优选为相同的尺寸。在多相催化反应的情况下，在所有反应器区中优选应用相同的催化剂，虽然这一点并不是很关键。
根据所要实施的化学反应，必须从反应器排出气体和/或液体。在某些情况下，必须从反应器中排出浆液，例如催化剂和液体的混合物。当必须从反应器中排出气体和液体时，可以通过单个的排放管线来完成这一操作，但是优选的是反应器系统包含一个共用的气体产品排放管线和一个共用的液体反应物排放管线。上述反应器系统在共用的产品排放管线和共用的反应物进料管线间可以包含一个气体和/或液体循环管线。
在本发明的反应器系统中各反应器区合适为相同的反应器区。尺寸、催化剂、设计、冷却能力等都是类似的。这是一种优选的选择，因为在这种情况下，反应器的制造只是简单的复制过程。但是，相同的反应器区并不是关键因素。可以应用不同的尺寸，也可以应用不同类型的催化剂。应理解必须采取措施根据设计、催化剂等的不同来校正原料在反应器之间的分配。另外，每个反应器的冷却容量可能相互不同，从而造成反应器系统的各反应器区中的条件不同。应该考虑的是一旦在本发明的系统的一个或多个反应器区中形成不同的条件，则不可能再改变一个或多个反应器区内的条件，因为所述系统是作为一个单个的单元而进行操作的。
上面提到的烃合成可以是本领域的熟练技术人员已知的任何合适的烃合成步骤，但是优选为费-托反应。用于烃合成反应，特别是费-托反应，的合成气由烃质原料制得，特别是通过部分氧化、催化部分氧化和/或蒸气/甲烷重整而得到。在一个合适的实施方案中，应用自热重整器，或者应用一种方法，其中向重整区中加入烃质原料，然后部分氧化所得到的产品，而将部分氧化的产品用于加热重整区。烃质原料合适为甲烷、天然气、伴生气或C1-4烃的混合物，特别是天然气。
为了调节合成气中的H2/CO比，可以向部分氧化方法和/或重整方法中加入二氧化碳和/或蒸汽。合成气的H2/CO比适当为1.3-2.3，优选为1.6-2.1。如果需要，通过蒸汽甲烷重整，优选与水气变换反应组合，可以制备(少的)附加量的氢气。在其它方法如加氢裂解中也可以应用这股附加氢气。
以上述方法得到的合成气的温度通常为900-1400℃，其被冷却至100-500℃，合适为150-450℃，优选为300-400℃，优选同时进行发电，例如以蒸汽形式发电。在常规换热器中，特别是在管式换热器中进一步冷却至40-130℃，优选为50-100℃。
在催化转化阶段，主要包含氢和一氧化碳的纯化气体混合物与合适的催化剂接触，在其中形成通常为液体的烃。
用于使含氢和一氧化碳的混合物催化转化为烃的催化剂在本领域中是已知的，并通常被称为费-托催化剂。在这一过程中应用的催化剂通常包括元素周期表的第VIII族金属作为催化活性组分。特别的催化活性金属包括钌、铁、钴和镍。钴是优选的催化活性金属。
催化活性金属优选在多孔载体上载带。多孔载体可以选自本领域已知的任何合适的难熔金属氧化物或硅酸盐或其组合物。优选的多孔载体的特定例子包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、二氧化铈、氧化镓(gallia)及其混合物，特别是二氧化硅、氧化铝和二氧化钛。
载体上的催化活性金属的量优选为每100pbw载体材料3-300pbw，更优选为10-80pbw，特别是20-60pbw。
如果需要，催化剂也可以包含一种或多种金属或金属氧化物作为促进剂。合适的金属氧化物促进剂可以选自元素周期表的IIA、IIIB、IVB、VB和VIB族或锕系和镧系元素。具体地，镁、钙、锶、钡、钪、钇、镧、铈、钛、锆、铪、钍、铀、钒、铬和锰的氧化物是非常合适的促进剂。对于在本发明中用于制备蜡的催化剂来说，特别优选的金属氧化物促进剂是锰和锆的氧化物。合适的金属促进剂可以选自元素周期表的第VIIB或VIII族元素。铼和第VIII族贵金属是特别合适的，并且铂和钯是特别优选的。在催化剂中存在的促进剂的量合适为每100pbw载体0.01-100pbw，优选为0.1-40pbw，更优选为1-20pbw。最优选的促进剂选自钒、锰、铼、锆和铂。
催化活性金属和如果存在的促进剂可以通过任何合适的处理方法如浸渍、捏合和挤出而沉积在载体材料上。在载体材料上沉积金属和促进剂(如果合适)后，通常对负载的载体进行煅烧。煅烧处理的作用是脱除结晶水，从而分解挥发性分解产品，并将有机和无机化合物转化为各自的氧化物。煅烧后，通常通过在温度为约200-350℃下使催化剂与氢气或含氢气体接触而使所得到的催化剂活化。制备费-托催化剂的其它方法包括捏合/研磨，通常接着进行挤压、干燥/煅烧和活化步骤。
催化转化过程可以在本领域已知的常规合成条件下实施。通常催化转化可以在温度为150-300℃下实现，优选为180-260℃。催化转化过程的典型总压力为1-200bar绝压，更优选为10-70bar绝压。在催化转化过程中，具体形成75 wt％以上的C5 +烃，优选形成85wt％以上的C5 +烃。根据催化剂和转化条件，重蜡(C20 +)的量可以为至多60wt％，有时至多70wt％，甚至有时高达85wt％。优选应用钴催化剂，应用低的H2/CO比，并应用低的温度(190-230℃)。为了避免任何焦炭的形成，优选应用至少0.3的H2/CO比。特别优选在一定条件下实施费-托反应，从而对于所得到的具有至少20个碳原子的产品来说，SF-α值为至少0.925，优选为至少0.935，更优选为至少0.945，甚至更优选为至少0.955。
优选应用费-托催化剂，其能产生大量链烷烃，更优选为大量非支链链烷烃。为实现此目的最合适的催化剂为含钴的费-托催化剂。这种催化剂在文献中有描述，例如参考AU 698392和WO 99/34917。
费-托方法可以为浆液FT法或固定床FT法，特别是多管固定床法。
本发明还涉及一种烃的制备方法，所述方法在高温和高压下在催化剂的存在下通过一氧化碳和氢气反应而实施，其中应用上述反应器系统。另外，本发明涉及在费-托方法中制备的产品。本发明还涉及甲醇的制备和所制备的甲醇，以及使乙烷催化转化为环氧乙烷的方法。

Claims (10)

1.一种适合进行化学反应的反应器系统，包括一个或多个共用的反应物进料管线、两个或多个单个的单元操作反应器区和一个或多个共用的产品排放管线。
2.权利要求1的反应器系统，该系统包括3-8个单个的单元操作反应器区，优选为4个，并且每个反应器区优选为分开的单个化学反应器。
3.权利要求1或2的反应器系统，其中每个反应器区包括一个或多个催化剂床层，其中在所述反应器系统中每个反应器区优选包括多管式固定床催化剂设置。
4.权利要求1-3任一项的反应器系统，其中每个反应器区包括间接的换热系统，所述换热系统联合操作，在所述反应器系统中换热系统优选包括热虹吸系统。
5.权利要求1-4任一项的反应器系统，所述系统包括一个共用的气体反应物进料管线。
6.权利要求1-5任一项的反应器系统，所述系统包括一个共用的气体产品排放管线。
7.权利要求1-6任一项的反应器系统，所述系统包括一个共用的液体反应物排放管线或者所述系统包括一个共用的液体产品排放管线。
8.前述权利要求任一项的反应器系统，该系统用于费-托合成，在所述反应系统中反应器区优选包含钴催化剂。
9.权利要求1-8任一项的反应器系统，其中每个反应器区由单个反应器组成。
10.一种烃的制备方法，所述方法通过在高温和高压下在催化剂的存在下使一氧化碳与氢反应而进行，其中应用权利要求1-9任一项的反应器系统。
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