DE60117803T2 - Fischer-tropsch verfahren - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft die Produktion höherer Kohlenwasserstoffe aus Synthesegas nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Produktion höherer Kohlenwasserstoffmaterialien aus Synthesegas, d.h. Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die allgemein als Fischer-Tropsch-Verfahren bekannt ist, wird seit vielen Jahren kommerziell eingesetzt. In solchen Verfahren wird die Synthesegasmischung mit geeignetem Fischer-Tropsch-Katalysator unter Bedingungen mit oder ohne CO-Konvertierung kontaktiert, vorzugsweise unter letzteren, unter denen wenig oder keine Konvertierung stattfindet. Geeignete Fischer-Tropsch-Katalysatoren umfassen ein oder mehrere katalytische Metalle der Gruppe VIII, wie Eisen, Kobalt und Nickel.
  • Es gibt viele Varianten der grundlegenden Herstellung von Fischer-Tropsch-Katalysatoren, wie beispielsweise Abscheidung von Legierungen auf einem vorgebildeten Träger durch Flammensprühen (US-A-4 089 812), Bildung der Legierung durch Oberflächendiffusion von Aluminium auf nicht auslaugbarem Metallsubstrat (US-A-2 583 619) und Bilden von Pellets aus den pulverisierten Legierungen zur Verwendung in Festbett-Reaktionsgefäßen (beispielsweise US-A-4 826 799, US-A-4 895 994 und US-A-5 536 694). Die Auswahl einer speziellen Katalysatorformulierung, die Wahl des Herstellungsverfahrens und des Aktivierungsverfahrens hängt wesentlich von der katalytischen Aktivität, dem gewünschten Produkt oder den gewünschten Produkten, ob der Katalysator regeneriert werden kann oder nicht sowie den speziellen Verfahrenskomponenten und -konfigurationen ab.
  • Die Herstellung von Kohlenwasserstoffen nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren kann in praktisch jedem Reaktortyp erfolgen, z.B. Festbett, Bewegtbett, Wirbelbett, Aufschlämmung, Bläschenbett und dergleichen. Ein bevorzugter Reaktor zur Durchführung derartiger Reaktionen ist die von Exxon Research & Engineering Company entwickelte Aufschlämmungsblasensäule. Dieser Reaktor, der in idealer Weise zur Durchführung hochexothermer dreiphasiger katalytischer Reaktionen geeignet ist, ist in US-A-5 348 982 beschrieben. In solchen Reaktoren wird der Festphasenkatalysator in einer flüssigen Phase durch eine Gasphase, die kontinuierlich durch die flüssige Phase perlt, dispergiert oder in Suspension gehalten. Die Katalysatorbeladung in Aufschlämmungsblasenreaktoren kann in einem breiten Bereich von Konzentrationen variieren, muss jedoch frei von der sogenannten "Schlammgrenze" gehalten werden, wo die Konzentration des Katalysators ein solches Niveau erreicht, dass Mischen und Pumpen der Aufschlämmung so schwierig wird, dass der praktische Betrieb unmöglich wird. Die Verwendung von Katalysatoren mit hoher Metallbeladung oder Massemetallkatalysatoren ist in Aufschlämmungs-Blasenreaktoren bevorzugt, um die Produktivität sowohl des Katalysators als auch des Reaktors zu maximieren.
  • Besonders geeignet zur Produktion von Kohlenwasserstoffen durch Fischer-Tropsch-Synthese aus Synthesegas sind Dispergierte Aktive Metalle ("DAM"), die vorwiegend, d.h. zu mindestens etwa 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 80 Gew.-% aus einem oder einer Mischung von Metallen wie oben beschrieben zusammengesetzt sind und ohne weitere Behandlung in der Lage sind, Fischer-Tropsch-Synthese zu katalysieren. DAM-Katalysatoren können nach jeglichen von einer Reihe in der Technik bekannter Verfahren hergestellt werden. Eine umfassende Erörterung von Verfahren zur Bildung von DAM-Katalysatoren findet sich in "Active Metals", herausgegeben von Alois Fürstner, veröffentlicht von VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Wein heim (Deutschland), 1996, und den dort zitierten Druckschriften. Zu den dort beschriebene Verfahren gehört das Rieke-Verfahren, die Verwendung von Ultraschall, Reduktion von Metallsalzen, Kolloiden, Clustern im Nanomaßstab und Pulvern. Zu anderen relevanten Druckschriften gehören beispielsweise die Herstellung von amorphem Eisenkatalysator durch Hochintensitätssonolyse von Eisenpentacarbonyl, Suslick et al., Nature, Band 414–416 (1991), und die Bildung von Einzeldomänen-Kobaltclustern durch Reduktion von Kobaltsalz mit Hydrazin, Gibson et el., Science, Band 267, Seiten 1338–1340, (1998). Schließlich können Intermetalllegierungen, insbesondere jene, die zur Bildung von Metallhydriden bekannt sind, wie LaCo5, durch Verwendung von Wasserstoffadsorptions-/-desorptionszyklen zu feinem Pulver verarbeitet werden. DAM-Katalysatoren können auch durch thermische oder chemische Zersetzung von Metallformiaten oder -oxalaten hergestellt werden. Diese Verfahren werden als Beispiele gegeben und sollen den Begriff "DAM", wie er im Kontext der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in keinerlei Weise einschränken.
  • In der Literatur gibt es viele wohl bekannte Verfahren zur Herstellung von DAM-Katalysatoren. 1924 stellte M. Raney einen Nickel-Hydrierkatalysator nach einem Verfahren her, das heute als Raney-Verfahren und Raney-Katalysatoren bekannt ist. Solche Katalysatoren sind beispielsweise in US-A-4 826 799 beschrieben und illustriert. Das Verfahren zur Herstellung dieser Katalysatoren ist im Wesentlichen die Bildung von mindestens einer Binärlegierung von Metallen, von denen mindestens eines extrahiert werden kann, und das Extrahieren desselben, wodurch ein poröser Rückstand des nicht-löslichen Metalls oder der nicht-löslichen Metalle zurückbleibt, der katalytische Aktivität besitzt. Diese Gruppen von Metallen sind Fachleuten wohl bekannt. Zu diesen Rückstandkatalysatormetallen gehören Ni, Co, Cu, Fe und die Edelmetalle der Gruppe VIII. Die auslaugbare oder lösliche Metallgruppe schließt Aluminium, Zink, Titan oder Silicium ein, in der Regel Aluminium. Nachdem die Legierungen gebildet worden sind, werden sie zu einem feinen Pulver gemahlen und behandelt, um das auslaugbare Metall zu extrahieren, in der Regel mit starkem Alkali wie Natriumhydroxid. Alternativ wird die Legierung auf einer geeigneten starren Trägerstruktur gebildet oder in diese imprägniert, die danach mit Alkali extrahiert wird, um einen porösen trägergestützten Katalysator zu bilden.
  • Der hohe Metallgehalt der DAM-Katalysatoren, d.h. mindestens 50% Metall, beeinträchtigt ihre wirtschaftliche Verwendung wesentlich, wenn nicht auch preisgünstige Rückgewinnungstechniken verwirklicht werden können. Durchschnittsfachleute wissen, dass Metalle, die DA-Katalysatoren bilden, insbesondere Raney-Katalysatoren, konventionell zurückgewonnen werden, indem die verwendeten oder gebrauchten Katalysatoren mehreren Verarbeitungsstufen unterzogen werden, hauptsächlich zur Reinigung des Metalls. Die spezielle zur Reinigung und Rückgewinnung des Metalls verwendete Methodik hängt größtenteils von der Art der Verunreinigungen und Kontaminationsstoffe ab, die sich während des Gebrauchs auf dem Katalysator abgesetzt haben. In den meisten Anwendungen sind drastische Behandlungen erforderlich, weil die Metalle durch ein oder mehrere von kohlenstoffhaltigen oder kohlenstoffartigen Ablagerungen, heteroorganischen Verunreinigungen, d.h. Verbindungen, die Schwefel und/oder Stickstoff enthalten, und andere Metalle erheblich kontaminiert sind.
  • Verbrauchte DAM-Katalysatoren werden in der Regel in dem Reaktor durch Oxidation behandelt, um sicheres Entladen und Transportieren zu einer Metallverarbeitungsanlage zu ermöglichen. Die Oxidation kann beispielsweise durch Luftoxidation der Katalysatoraufschlämmung oder durch Behandlung mit Bleiche erfolgen, wie von Katalysatorherstellern empfohlen wird. In der Metallverarbeitungsanlage werden die Katalysatoren allgemein in Luft geröstet, in starker Säure gelöst und die verschiedenen Metalle selektiv in Form von Salzen wieder ausgefällt. Die Metalle können in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Synthese in Form der Salze wiederverwendet werden oder wieder in die metallische Form überführt werden. Solche Behandlungen müssen wirksam und effizient sein, weil DAM-Katalysatoren allgemein gegenüber vergleichsweise geringen Mengen an Kontaminationsstoffen empfindlich sind, obwohl Kohlenmonoxidhydrierverfahren in einer außergewöhnlich sauberen Umgebung durchgeführt werden.
  • Durchschnittsfachleute erkennen, dass der wirtschaftliche Wert eines gegebenen Katalysators eine Funktion seiner ursprünglichen Kosten, seines Werts als verbrauchter Katalysator, z.B. zur Regenerierung von frischem Katalysator, seiner Aktivität und seiner Halbwertzeit in dem Reaktor ist. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Werts eines Katalysators ist seine Selektivität, die das Verhältnis der Prozent des Einsatzmaterials, das in gewünschte höhere Kohlenwasserstoffe umgewandelt worden ist, zu denjenigen der erzeugten kurzkettigen Kohlenwasserstoffe ist, vorwiegend Methan, die üblicherweise als "Methanselektivität" bezeichnet wird. Es ist klar, dass ein Verfahren, das die Nutzungsdauer eines Katalysators effektiv verlängert, bevor er durch konventionelle Metallrückgewinnung entsorgt werden muss, den Wert dieses Katalysators erheblich verbessert. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein verbessertes Fischer-Tropsch-Verfahren bereitgestellt, bei dem mehrere Reaktoren zur Verarbeitung von hereinkommendem Synthesegas verwendet werden, wobei die Effizienz in Form der Akti vität und Methanselektivität eines Katalysators zunimmt und daher die Gesamteffizienz des Verfahrens steigt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird die Fischer-Tropsch-Synthese höherer Kohlenwasserstoffe aus Synthesegas in einem System durchgeführt, das mehrere in Wirkbeziehung in Reihe verbundene Reaktoren umfasst, die mindestens einen Anfangsstufenreaktor und einen Endstufenreaktor umfassen, wobei der Katalysator in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor periodisch oder kontinuierlich erneuert wird, indem eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen und einem Teil davon abgezogen wird, der Kohlenwasserstoffgehalt der Mischung reduziert wird, eine Schmelze gebildet wird, indem auf die Schmelztemperatur von mindestens einem der Metalle in dem Katalysator erwärmt wird, jegliche sich auf der Schmelze bildende Schlacke entfernt wird, die Schmelze abgekühlt wird, um sie zu verfestigen, die Teilchengröße des Feststoffs zu feinpulverigem Katalysator reduziert wird und mindestens ein Teil davon in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt wird. Wenn der Katalysator in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor ein Raney-Katalysator ist, wird entweder der reduzierten Kohlenwasserstoff/Katalysator-Mischung oder der Schmelze auslaugbares Metall zugefügt, und der durch Abkühlen der Schmelze gebildete Feststoff wird zu feinem Pulver zerkleinert und danach mit Alkali extrahiert.
  • Der erneuerte Katalysator kann behandelt werden, um seine Aktivität und Selektivität durch Aufschlämmungs-Niedertemperaturoxidation zu erhöhen, und kann auch passiviert werden, bevor er in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgegeben wird. Die Behandlung des Katalysators in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor nach dem vorliegenden Verfahren er möglicht einem Katalysator mit maximaler Produktivität in dem Endstufenreaktor das Arbeiten mit hoher Effizienz für längere Zeiträume, weil die Verunreinigungen minimiert worden sind, denen er normalerweise ausgesetzt wäre. In Abhängigkeit von dem Katalysator in dem Endstufenreaktor kann der aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogene und erneuerte Katalysator mindestens teilweise in den Endstufenreaktor eingespeist werden. Ein DAM-Katalysator in dem Endstufenreaktor kann durch Aufschlämmungs-Niedertemperaturoxidation verstärkt werden und entweder als Ersatz in den Endstufenreaktor gegeben oder in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform gibt es mindestens einen Zwischenstufenreaktor, der erneuerten Katalysator von dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor erhalten und Katalysator dahin rückführen kann. Wenn der Katalysator in dem Endstufenreaktor DAM-Katalysator ist, beinhalten weitere Ausführungsformen Varianten der Katalysatorerneuerung, Verstärkung und Rückführung.
  • Kurze Zusammenfassung der Zeichnung
  • Die Figur (1) ist ein Blockdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren illustriert, das einen Anfangsstufenreaktor und einen Endstufenreaktor verwendet.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Dispergierte Aktive Metalle (DAM), die im Wesentlichen reduzierten Metallen entsprechen, werden in einem umfassenden Bereich von Anwendungen verwendet, wie der Hydrierung von Fetten und Spezialchemikalien. Hochfahrverfahren, zu denen spezielle Aktivierungssequenzen gehören können, hängen in hohem Maße von der katalytischen Reaktion, dem Verfahrensdesign und insbesondere dem Reaktionsgefäßdesign und der Konfiguration ab. Die bereits erörterte Aufschlämmungs-Blasensäule ist ein bevorzugtes Gefäß zur Durchführung von Kohlenmonoxid-Hydrierreaktionen und auch zur erfindungsgemäßen Katalysatorverstärkung. In solchen Reaktoren wird der Festphasenkatalysator in einer flüssigen Kohlenwasserstoffphase durch eine Gasphase, die kontinuierlich durch die flüssige Phase perlt, dispergiert oder in Suspension gehalten. Für solche Anwendungen brauchbare DAM-Katalysatoren haben einen Metallgehalt von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 80 Gew.-% in der reduzierten Metallform. Zu bevorzugten Katalysatoren gehören Intermetallverbindungen oder Raney-Katalysatoren, beispielsweise Raney-Kobalt. Bevorzugte Beispiele von den Intermetalllegierungen sind jene, die zur Bildung von Metallhydriden geeignet sind, wie LaCo5. Am meisten bevorzugt umfasst der DAM-Katalysator ein oder mehrere von Co, Ru, Fe und Cu.
  • Katalysatoren, die zur Verwendung in Aufschlämmungs-Säulenreaktorgefäßen am meisten geeignet sind, liegen in der Regel in feinteiliger Form mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 1 bis 1000 μm, vorzugsweise 10 bis 500 μm, am meisten bevorzugt 20 bis 100 μm vor. Die Verwendung von Katalysatoren mit hoher Metallbeladung und/oder Massenkatalysatoren ist bevorzugt, um die Produktivität der Reaktionen zu maximieren. Das vorliegende Verfahren kann auf andere konventionelle Reaktionsgefäße angewendet werden, die in der Technik bekannt sind, bei denen der Katalysator nicht immobilisiert ist, wie als Wirbelbett, Aufschlämmung, Bläschenbett und dergleichen. In solchen Bewegtbettreaktoren wird kontaminierter Katalysator in der Regel aus dem unteren Bereich des Gefäßes abgezogen, und Katalysator, der erfindungsgemäß verstärkt worden ist, wird von oben ersetzt.
  • Bei der Kohlenmonoxid-Hydrierreaktion wird Syngaseinsatzmaterial, das eine Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst, in die reaktive kohlenwasserstoffhaltige Aufschläm mung perlen gelassen, in der es unter Bedingungen mit oder ohne CO-Konvertierung, vorzugsweise letzteren, wobei wenig oder keine Konvertierung stattfindet, katalytisch in flüssige und gasförmige Produkte, vorzugsweise flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Dieses Kohlenwasserstoffsynthese-("HCS")-Verfahren wird allgemein bei Temperaturen von etwa 160°C und 260°C, Drücken von etwa 5 atm bis etwa 100 atm, vorzugsweise 10 atm bis 40 atm, und Gasraumgeschwindigkeiten von etwa 100 V/h/V bis etwa 40.000 V/h/V, vorzugsweise etwa 1000 V/h/V bis etwa 15.000 V/h/V durchgeführt, ausgedrückt jeweils als Standardvolumina der gasförmigen Mischungen von Kohlenmonoxid und Wasserstoff (25°C, 1 atm) pro Stunde pro Katalysatorvolumen. "Pro Volumen" des Katalysators bezieht sich auf das Volumen des gepackten Bettes einschließlich Inter- und Intrateilchenvolumen. Das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid zur Produktion höherer Kohlenwasserstoffe beträgt etwa 2,1:1. Dieses Verhältnis kann von etwa 1:1 bis 4:1, vorzugsweise 1,5:1 bis 2,5:1, insbesondere 1,8:1 bis 2,2:1 variieren. Diese Reaktionsbedingungen sind wohl bekannt, und Fachleute können aus den hier angegebenen Parametern leicht einen speziellen Satz von Reaktionsbedingungen bestimmen. Die in dem Verfahren gebildeten kohlenwasserstoffhaltigen Produkte sind im Wesentlichen frei von schwefel- und stickstoffhaltigen Verunreinigungen.
  • Die nach dem oben beschriebenen Verfahren produzierten Kohlenwasserstoffe werden in der Regel zu wertvolleren Produkten veredelt, indem alle oder ein Teil der C5+-Kohlenwasserstoffe Fraktionierung und/oder Umwandlung unterzogen werden. Mit "Umwandlung" sind ein oder mehrere Verfahrensschritte gemeint, in denen die Molekülstruktur von mindestens einem Teil des Kohlenwasserstoffs verändert wird, und schließt sowohl nicht-katalytische Verarbeitung, z.B. Dampfcracken, als auch katalytische Verarbeitung, z.B. katalytisches Cracken, ein, wobei der Teil oder die Fraktion mit einem geeigneten Katalysator kontaktiert wird. Wenn Wasserstoff als Reaktant vorhanden ist, werden solche Verfahrensstufen in der Regel als Hydroumwandlung und verschiedentlich als Hydroisomerisierung, Hydrocracken, Hydroentparaffinieren, Hydroraffinieren und dergleichen bezeichnet. Schärferes Hydroraffinieren wird in der Regel als Hydrotreating bezeichnet. Diese Reaktionen werden unter Bedingungen durchgeführt, die in der Literatur für die Hydroumwandlung von Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien gut dokumentiert sind, einschließlich paraffinreichen Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien. Illustrierende, jedoch nichteinschränkende Beispiele für wertvollere Produkte aus solchen Einsatzmaterialien durch diese Verfahren schließen synthetisches Rohöl, flüssigen Brennstoff, Emulsionen, gereinigte Olefine, Lösungsmittel, Monomere oder Polymere, Schmieröle, medizinische Öle, wachsartige oder wachshaltige Kohlenwasserstoffe, verschiedene Stickstoff- oder sauerstoffhaltige Produkte und dergleichen ein. Zu Beispielen für flüssigen Brennstoffe gehören Benzin, Dieselkraftstoff und Düsentreibstoff, während Schmieröl Automobilöl, Jetöl, Turbinenöl und dergleichen einschließt. Industrieöle schließen Brunnenbohrflüssigkeiten, Landwirtschaftöle, Wärmeübertragungsflüssigkeiten und dergleichen ein.
  • Das bei der Kohlenmonoxidhydrierung wie hier beschrieben verwendete Syngas kann nach verschiedenen Mitteln gebildet werden, die Durchschnittsfachleuten bekannt sind, wie in einer Wirbelbett-Syngaserzeugungsanlage, die beispielsweise in US-A-4 888 131 und US-A-5 160 456 offenbart ist. Unabhängig von der Quelle enthält Syngas in der Regel chemische Spezies wie Ammoniak und Cyanwasserstoff, die im Laufe der Zeit zur Deaktivierung des Katalysators führen. Andere deaktivierende chemische Spezies können während des Kohlenmonoxidhydrierverfahrens selbst gebildet werden. Fachleute sind sich der Tatsache bewusst, dass die Deaktivierung durch jene Kontaminationsstoffe allgemein reversibel ist und der Katalysator durch Behandlung mit Wasserstoff aufgefrischt werden kann. Katalysatordeaktivierung, die nicht durch Auffrischung behoben werden kann, kann jedoch durch die Bildung hitzebeständiger kohlenstoffhaltiger oder kohlenstoffartiger Rückstände und/oder permanente Gifte wie Schwefel, Phosphor, Halogenide und anderen Metallverunreinigungen, sowie den Aufbau von Feinteilchen in dem Reaktor hervorgerufen werden. Obwohl die Kriterien, nach denen Feinteilchenpartikel klassifiziert werden, mit dem Reaktor variieren können, werden Feinteilchen allgemein als Partikel kleiner als 10 μm angesehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung der Fischer-Tropsch-Synthese von höheren Kohlenwasserstoffen stellt im Vergleich mit konventionellen Verfahren eine signifikante Effizienzverbesserung dar. Im vorliegenden Verfahren werden mehrere Reaktoren verwendet, einschließlich mindestens eines Anfangsstufenreaktors und eines Endstufenreaktors, die in Reihe verbunden sind. Die Verwendung von mehr als zwei Anfangsstufenreaktoren für jeden Endstufenreaktor liegt innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. In der Regel werden auf jeden Endstufenreaktor mindestens zwei Anfangsstufenreaktoren verwendet. Es ist klar, dass es, wenn es wie nachfolgend erörtert mindestens einen Zwischenstufenreaktor in dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt, zwei Anfangsstufenreaktoren auf jeden Zwischenstufenreaktor und in der Regel auch zwei Zwischenstufenreaktoren auf jeden Endstufenreaktor gibt. Wenn für irgendeine Stufe des Systems der vorliegenden Erfindung mehrere Reaktoren verwendet werden, sind die Reaktoren innerhalb einer gegebenen Stufe in Wirkbeziehung parallel verbunden.
  • Obwohl die in dem erfindungsgemäßen System verwendeten Reaktoren jegliche konventionelle Reaktorkonfiguration haben können, ist es wie bereits gesagt bevorzugt, dass mit Aufschlämmungs-Blasensäulenreaktoren gearbeitet wird. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von mehreren Reaktoren in dem vorliegenden Verfahren unabhängig von dem verwendeten Reaktortyp die Gebrauchsdauer der verwendeten Katalysatoren und die Gesamteffizienz des Verfahrens signifikant erhöht. Erfindungsgemäß wird eine Mischung von Kohlenwasserstoff, in der Regel geschmolzenem Wachs, und einem Teil des Katalysators aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor in dem System abgezogen, das verwendet wird, um das Verfahren der Anmelder durchzuführen. Obwohl die entfernte Katalysatormenge innerhalb eines eher weiten Bereichs variieren kann, ist klar, dass sich immer ausreichend Katalysator in dem Reaktor befinden muss, um das gewünschte Produktivitätsniveau aufrechtzuerhalten. Allgemein werden aus einem gegebenen Reaktor zu einem gegebenen Zeitpunkt während der Produktion etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Katalysator abgezogen. Es ist nicht vorgesehen, dass eine derartige Katalysatormenge als Einzelmenge entfernt wird. Stattdessen befinden sich zu jeder gegebenen Zeit Portionen des abgezogenen Katalysators in unterschiedlichen Stufen des Erneuerungsprozesses wie nachfolgend beschrieben, so dass, wenn ein Teil in den Reaktor zurückgeführt oder in diesem ersetzt wird, eine geschätzte ähnliche Menge abgezogen werden kann. Dies gilt unabhängig davon, ob Katalysator in einen Einstufenreaktor oder -reaktoren zurückgeführt wird oder innerhalb von zwei oder drei Stufen rückgeführt wird, wie nachfolgend beschrieben wird.
  • Da ein Reaktor in der Regel eine erhebliche Zeit läuft, bevor sich ausreichend Kontaminationsstoffe und/oder Feinteilchen ansammeln, um die Verwirklichung der Erneuerung oder Ver stärkung des Katalysators wie hier beschrieben erforderlich zu machen, kann er, nachdem berechnet worden ist, dass im Wesentlichen der gesamte Katalysator in einem Reaktor erneuert oder verstärkt worden ist, wieder für eine Zeitspanne betrieben werden, bevor wieder mit der Behandlung begonnen wird. Es ist jedoch bevorzugt, das Verfahren zur Erneuerung des Katalysators in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor kontinuierlich durchzuführen, nachdem es initiiert worden ist. Obwohl es in der Theorie möglich wäre, den Reaktor anzuhalten, um den Katalysator wie hier beschrieben zu erneuern, hätte man daraus keinen praktischen Nutzen, da dies effektiv während der Produktion durchgeführt werden kann. Der aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogene Katalysator kann durch rückgeführten erneuerten Katalysator, durch aus dem Endstufenreaktor abgezogenem Katalysator, wenn er DAM-Katalysator enthält, oder durch Frischkatalysator ersetzt werden, so dass die effiziente Produktion kontinuierlich aufrechterhalten wird.
  • In der Figur ist gezeigt, dass in dem erfindungsgemäßen System Syngaseinsatzmaterial (1) in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor (2) eingebracht wird, der effektiv so wirkt, dass sowohl ein Teil der Synthese darin durchgeführt wird als auch ein wesentlicher Teil der Verunreinigungen davon entfernt wird. Dies ermöglicht, dass in der Endstufe ein Katalysator mit hoher Produktivität effizient mit hoher Aktivität und niedriger Methanselektivität für längere Zeiträume arbeitet. In einem System, das nicht dargestellt ist und das zwei Anfangsstufenreaktoren enthält, würden sie parallel verbunden, und das Einsatzmaterialgas würde in beide eingebracht. Eine Ausflussleitung (3) wird aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogen und Kühlen und Flüssig/Gas-Trennverfahren (4) unterzogen, was Flüssigkeiten, die abgezogen werden (5), und Restgas (6) ergibt, das in den Endstufenreaktor einge bracht wird. In dem Endstufenreaktor (7) wird die Umwandlung eines optimalen Prozentsatzes des Einsatzmaterialgases durchgeführt, und das resultierende Produkt (8) wird wie gezeigt abgezogen.
  • Die Betriebsbedingungen für den mindestens einen Anfangsstufenreaktor und Endstufenreaktor können auf Werte gesetzt werden, die für Kohlenwasserstoffsynthese typisch sind, vorzugsweise etwa 10 bis 40 atm Druck und 170°C bis etwa 260°C. Es ist bevorzugt, dass der mindestens eine Anfangsstufenreaktor mit einer höheren Temperatur als der Endstufenreaktor betrieben wird, d, h. der mindestens eine Anfangsstufenreaktor wird mit etwa 230°C bis etwa 260°C betrieben, während der Endstufenreaktor mit etwa 200°C bis etwa 230°C betrieben wird. Die Synthese in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor kann in Gegenwart von Giften durchgeführt werden, wie Cyanwasserstoff, Kohlenstoffoxysulfid und Ammoniak, die mit dem Einsatzmaterialgas eingebracht werden können, und möglicherweise Spurenmengen von Schwefelwasserstoff. In dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor werden diese Gifte effektiv entfernt und durch den Katalysator zurückgehalten. In dem erfindungsgemäßen System werden mindestens 30%, vorzugsweise etwa 35 bis 85% des Syngaseinsatzmaterials in Produkt überführt. Der Betrieb der Anfangsstufenreaktoren in dieser Weise ermöglicht den Wegfall des Cyanidkonverters, der typischerweise in Fischer-Tropsch-Reaktoren verwendet wird, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeutet.
  • Der Katalysator in dem Endstufenreaktor kann derselbe wie oder ein anderer als derjenige sein, der in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor verwendet wird. Der Endstufenreaktor erhält den Ausfluss aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor, der die Gas/Flüssig-Trennung durchlaufen hat und aus dem Flüssigkeiten abgezogen wurden, die im Wesentlichen frei von Katalysatorgiften sind. Die darin gebildeten Kohlenwasserstoffprodukte sind also im Wesentlichen frei von Schwefel und Stickstoff enthaltenden Verunreinigungen. Der Endstufenreaktor arbeitet in der Regel mit hochaktivem Raney- oder anderem konventionellen Katalysator mit hohem Metallgehalt, beispielsweise Co/Re/Ti-Katalysator oder konventionellem trägergestütztem Kobaltkatalysator. In dem erfindungsgemäßen System kann es auch einen (nicht gezeigten) Zwischenstufenreaktor geben, der Einsatzmaterial von dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor enthält, einen anderen Prozentsatz davon umwandelt und den Rest des Einsatzmaterials, das nun in hohem Maße gereinigt ist, an den Endstufenreaktor abgibt. Der Katalysator in dem mindestens einen Zwischenstufenreaktor ist vorzugsweise derselbe wie der in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor. Wenn der Katalysator in dem Endstufenreaktor ein hochaktiver Raney- oder anderer konventioneller Katalysator ist, der sich von demjenigen in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor unterscheidet, wird es, selbst wenn das hereinkommende Einsatzmaterial außergewöhnlich sauber ist, an irgendeinem Betriebspunkt erforderlich sein, den Endstufenreaktor zum Reinigen und Ersetzen des Katalysators herunterzufahren. Ein dedizierter Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das Intervall zwischen diesen Herunterfahrvorgängen wegen der Gesamteffizienz des Systems erheblich verlängert wird.
  • Wie in der Figur gezeigt ist wird deaktivierter Katalysator aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogen (9), erneuert (10) und mindestens ein Teil in diesen zurückgeführt (11). Ein Gifte enthaltender Spülstrom (14) kann aus dem Erneuerungs/Verstärkungsverfahren (10) entfernt werden. In diesem Verfahren wird die aus dem Reaktor abgezogene Katalysator-Kohlenwasserstoffmischung anfangs behandelt, um ihren Kohlenwasserstoffgehalt zu reduzieren. Dies kann nach einer oder mehreren von etlichen Techniken durchgeführt werden. Die Trennung kann beispielsweise durch Schwerkraft- oder Zentrifugaltrennung bewirkt werden, wodurch der Kohlenwasserstoff dekantiert oder durch Filtration entfernt werden kann, wobei jeweils erforderlich ist, dass sich die Kohlenwasserstoffe in einem fließfähigen Zustand befinden. Die Mischung kann auch mit Lösungsmittel oder überkritischem Fluid behandelt werden, das die Wechselwirkung des Kohlenwasserstoffs mit der Katalysatoroberfläche effektiv schwächt, so dass die flüssigen und festen Phasen leicht in derselben Weise getrennt werden können. Zu geeigneten Lösungsmitteln gehören beispielsweise Paraffinlösungsmittel oder Naphthas, Alkohole und aromatische Lösungsmittel. Zu überkritischen Fluids gehören beispielsweise Kohlendioxid, leichte Paraffine und Cyclopropan. Ein weiteres Mittel zum Reduzieren des Kohlenwasserstoffgehalts der Mischung besteht darin, sie mit wasserstoffhaltigem Gas bei einer Temperatur von mindestens 20°C, vorzugsweise mindestens 50°C über derjenigen des Reaktors zu kontaktieren. Der Wasserstoffdruck ist in der Regel von atmosphärischem bis etwa 1000 psi, vorzugsweise 10 bis 400 psi. Die Mischung kann auch mit sauerstoffhaltigem Gas oder Wasserdampf bei erhöhter Temperatur kontaktiert werden, um den Kohlenwasserstoffgehalt effektiv zu reduzieren.
  • Es können mehrere der vorhergehenden Methoden zum Reduzieren des Kohlenwasserstoffgehalts der Mischung sequentiell in jedweder Reihenfolge verwendet werden. Man würde eine Kombination der oben beschriebenen Methoden verwenden, weil das Kohlenwasserstoffprodukt sowohl flüssig als auch fest ist. Bei einer Mischung, die 1 bis 50%, in der Regel 2 bis 40% Wachs enthält, kann beispielsweise physikalische Trennung, d.h. Zentrifugieren/Dekantieren oder Filtration zur Entfernung von flüssigem Kohlenwasserstoff, vorteilhaft mit Behandlung mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhter Temperatur kombiniert werden, um die Katalysatorteilchen wie oben beschrieben zu entparaffinieren. Die Dauer der Entparaffinierungsbehandlung wird so eingestellt, dass ein Restkohlenstoffgehalt von weniger als etwa 5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 2 Gew.-% erzeugt wird.
  • Die reduzierte Kohlenwasserstoffmischung wird in einen DAM-Metall- oder Metalllegierungsvorläufer umgewandelt. Die erste Stufe der Umwandlung ist Erwärmen über den Schmelzpunkt von mindestens einem der Metalle darin in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise einer reduzierenden Atmosphäre, für eine ausreichende Zeit, um eine Schmelze zu bilden. Diese Erwärmungsstufe entfernt im Wesentlichen alle der nicht-metallischen Verunreinigungen, wie Kohlenstoff und Schwefel, durch die Bildung von flüchtigen Verbindungen. Diese Erwärmungsstufe ist für DAM-Katalysatoren besonders vorteilhaft, die im Wesentlichen aus dem Metall oder der Legierung selbst zusammengesetzt sind, während derartige Temperaturen im Unterschied dazu für konventionelle trägergestützte Katalysatoren schädlich wären, da ihre Struktur, Morphologie oder physikalische Integrität irreversibel zerstört würde. Jegliche vorhandenen hitzebeständigen Metalloxide können abgetrennt oder als Schlacke entfernt werden, die auf der Oberfläche der Schmelze schwimmt. Andere reduzierbare Metallverunreinigungen, einschließlich in der Regel Eisen und Nickel, jedoch nicht darauf begrenzt, die sich auf der Oberfläche des Katalysators abgesetzt haben können, werden während der Erwärmungsstufe wieder in der Masse der Metallschmelze verteilt, wodurch ihre Konzentration auf der Katalysatoroberfläche und ihre schädliche Wirkung daher deutlich abnimmt. Diese Metalle haben in Gegenwart von Kohlenmonoxid die Fähigkeit, Metallcarbonyle zu bilden, die eine negative Wirkung auf die Wirksamkeit des Ka talysators haben. Wenn in dem Katalysator eine ungewöhnlich große Schwefelmenge als Verunreinigung vorhanden ist, werden typischerweise in der Stahlindustrie verwendete Methoden zur Verbesserung der Schwefelentfernung in der Regel eingesetzt. Zu solchen Maßnahmen gehören die Zugabe von basischer Schlakke, beispielsweise Calciumoxid, Calciumhydroxid, Calciumcarbonat, Dolomit oder vorzugsweise Calciummagnesiumsilikat. Ein Fließfähigkeitsverbesserungsmittel für Schlacke, wie Calciumfluorid, kann zur Verbesserung der Schwefelentfernung sowie zur Entfernung von hitzebeständigen Oxiden zugesetzt werden. Temperaturen im Bereich von 1500°C bis 1600°C können das Reinigungsverfahren noch verstärken.
  • Die Schmelze wird danach durch konventionelle Techniken abgekühlt und/oder gequencht, um eine feste Masse zu bilden, die danach zum Reduzieren ihrer Teilchengröße zu einem feinen Pulver aus erneuertem Katalysator behandelt wird. Bei von Metallhydrid abgeleiteten DAM-Katalysatoren erfolgt dies durch konventionelle mehrfache Wasserstoff-Absorptions-/Desorptions-Zyklen. Die auf den Metallhydridkatalysator angewendeten Wasserstoff-Absorptions-/Desorptions-Zyklen erfüllen gleichzeitig sowohl die Anforderungen, ihn zu feinem Pulver zu zerkleinern als auch, Metallhydrid zu erhalten, das dem DAM-Katalysator entspricht.
  • Wenn der DAM-Katalysator vom Raney-Typ ist, z.B. Kobaltkatalysator, wird unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre auslaugbares Metall wie Aluminium, Titan, Silicium oder Zink, vorzugsweise Aluminium, zu der Schmelze gegeben und die Temperatur für eine ausreichende Zeit gehalten, um gründliches Mischen der Schmelze zu gewährleisten. Alternativ kann der aus dem Reaktor abgezogenen Mischung oder der reduzierten Kohlenwasserstoffmischung und der resultierten gezündeten Mischung, wie mit Oxyflamme oder Lichtbogen gezündeten Mischung, metal lisches Aluminium zugefügt werden, um DAM-Metall oder Metalllegierungsvorläufer und Schlacke wie oben beschrieben zu bilden, die vor der weiteren Verarbeitung entfernt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das auslaugbare Metall zu der Mischung mit reduziertem Kohlenwasserstoffgehalt gegeben, bevor die Schmelze gebildet wird. Nach der Entfernung von jeglicher Schlacke, die sich gebildet hat, wird die Schmelze wie oben abgekühlt oder gequencht. Der resultierende Feststoff wird danach durch physikalisches Zerkleinern, d.h. Zerdrücken oder Mahlen, zu einer reduzierten Teilchengröße behandelt, in der Regel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 1 bis 500 μm, vorzugsweise 20 bis 150 μm. Der erneuerte Raneymetall- oder DAM-Katalysator wird danach durch Extraktion des auslaugbaren Metalls mit Alkali erhalten, vorzugsweise einer konzentrierten wässrigen Lösung von Natriumhydroxid. Es können jedwede der verschiedenen in der Literatur verfügbaren Extraktionsverfahren zur Entfernung des auslaugbaren Metalls verwendet werden. Jegliche Feinteilchen, die aus der Zerkleinerungsstufe resultieren, werden durch physikalische Trennung, d.h. Sieben, entfernt und können zu einer nachfolgenden Schmelze zurückgeführt werden.
  • Die erneuerten DAM-Katalysatorteilchen, deren ursprüngliche Aktivität zu einem erheblichen Teil wiederhergestellt wurde, werden danach wie oben beschrieben mindestens teilweise in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgegeben. Dies kann erfolgen, indem eine Aufschlämmung der DAM-Teilchen in flüssigem Kohlenwasserstoff, zweckmäßig der aus dem Reaktor abgezogenen Kohlenwasserstoffmischung, gebildet wird, um das Verfahren zu initiieren, von dem der Katalysator abgetrennt wurde, oder indem die Teilchen in nicht-oxidierendem Gas, vorzugsweise reduzierendem Gas, suspendiert werden, oder durch Schwerkraft oder Druckgradient, oder jedwede Kombination da von. Die Katalysatorteilchen können vorzugsweise ferner durch Aufschlämmungs-Niedertemperaturoxidation wie bereits beschrieben verstärkt werden, bevor sie in den Reaktor zurückgeführt werden, um einen oxidierten Katalysatorvorläufer zu bilden, der eine Mischung von metallischen und oxidischen Spezies ist. Die oxidierten Katalysatorvorläuferteilchen werden behandelt, um den aktiven Katalysator durch Reduktion mit wasserstoffhaltigem Gas bei Temperaturen von etwa 200°C bis 600°C, vorzugsweise etwa 300°C bis 450°C, am meisten bevorzugt etwa 340°C bis 400°C, erneut zu bilden. Der Wasserstoffpartialdruck liegt während der Reduktion im Bereich von etwa 1 bis 100 Atmosphären, vorzugsweise etwa 1 bis 40 Atmosphären.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens werden die Katalysatorteilchen, bevor sie in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt werden, durch Kontaktieren derselben mit Kohlenmonoxid oder Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendem Gas unter Bedingungen passiviert, unter denen sich das Kohlenmonoxid nicht erheblich zersetzt und nicht in wesentlichem Maße hydriert wird. Solche Bedingungen sind beispielsweise eine Temperatur unter etwa 150°C, vorzugsweise zwischen etwa 25°C und 100°C, und ein Druck unter etwa 20 atm, insbesondere zwischen etwa 1 und 10 atm. Durchschnittsfachleute werden jedoch erkennen, dass eine gewisse Zersetzung beziehungsweise Hydrierung des Kohlenmonoxids unabhängig von den durch den Betreiber ergriffenen Vorsichtsmaßnahmen stattfinden kann. "Bedeutsam" bedeutet somit, dass diese Zersetzung/Hydrierung 5 Vol.% des Einsatzmaterialgases nicht überschreitet. Es hat sich herausgestellt, dass Katalysatoren, die auf diese Weise passiviert worden sind, in der Regel höhere anfängliche Kohlenmonoxid-Hydrieraktivität zeigen als ähnliche, jedoch nicht passivierte Katalysatoren. Zu anderen Passivierungsmitteln gehören beispielsweise Spuren von Sauerstoff oder Kohlendioxid.
  • In einer anderen Ausführungsform der Katalysatorbehandlung wird der aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogene Katalysator erneuert und auch behandelt, um seine Eigenschaften zu modifizieren und/oder zu verstärken. Dies kann durch die Zugabe von einer oder mehreren Metallen oder Metallverbindungen bewirkt werden, die ohne Einschränkung unter jenen ausgewählt worden sind, die als solche zur Kohlenmonoxid-Hydrierung wirksam sind oder Promotoren für die Aktivität oder die Selektivität des Katalysators sind. Zu geeigneten Metallen gehören beispielsweise die Gruppe VIII-Metalle Mo, W, Cu, Si, Cr, Ti, Mg, Mn, Zn, Hf, Al, Th und dergleichen. Das Metall oder die Metallverbindungen kann (können) vor der Bildung der Schmelze zu der Kohlenwasserstoff/Katalysatormischung gegeben werden, oder wie oben beschrieben zu der Schmelze selbst gegeben werden.
  • Alle oder ein Teil der aktiven DAM-Katalysatorteilchen werden wie oben beschrieben behandelt und können in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt oder in den Endstufenreaktor geleitet werden, wenn der Katalysator darin von demselben Typ wie in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor ist. Die Figur stellt einen alternativen Katalysatorfluss (12) dar, wobei aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogener und erneuerter Katalysator in den Endstufenreaktor eingespeist wird. Der erneuerte Katalysator wird möglicherweise nur teilweise in den Endstufenreaktor eingespeist, wobei der Rest wie gezeigt in den Anfangsstufenreaktor/(die Anfangsstufenreaktoren) zurückgeführt wird. Das Aufteilen des erneuerten Katalysators erfolgt in der Regel, wenn mehrere Anfangsstufenreaktoren mit einem einzigen Endstufenreaktor verwendet werden, oder wenn es nur zwei Reaktoren gibt, jedoch der Anfangsstufenreaktor viel größer als der Endstufenreaktor ist. Um den Katalysator auszugleichen, der in den Endstufenreaktor eingespeist wird, wird Katalysator von diesem abgezogen und in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt, wie in (13) in der Figur dargestellt ist. Aus dem Endstufenreaktor abgezogener Katalysator kann direkt in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingespeist werden oder kann durch Aufschlämmungs-Niedertemperaturoxidation wie oben beschrieben, jedoch nicht in der Figur gezeigt, verstärkt werden, vorzugsweise mit Passivierung, bevor er in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird aus dem Endstufenreaktor abgezogener und wie oben beschrieben verstärkter Katalysator in diesen zurückgeführt, und der aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogene und erneuerte Katalysator wird in diesen zurückgeführt.
  • Das System der vorliegenden Erfindung kann ferner mindestens einen Zwischenstufenreaktor einschließen, der in Reihe zwischen dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor und dem Endreaktor verbunden ist und der unter Bedingungen betrieben wird, die zwischen jenen liegen, die oben für den mindestens einen Anfangsstufenreaktor beziehungsweise Endstufenreaktor angegeben wurden. Der aus dem mindestens einen Zwischenstufenreaktor abgezogene Ausflussstrom wird Abkühl- und Gas/Flüssig-Trennverfahren wie oben beschrieben unterzogen, um einen zweiten flüssigen Strom, der abgezogen wird, und einen Einsatzmaterialstrom mit sehr hoher Reinheit zu produzieren, der in den Endstufenreaktor eingebracht wird. Die Anwesenheit des mindestens einen Zwischenstufenreaktors führt zu einer Reihe weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems, die verschiedene Strömungswege zur Rückführung, Erneuerung und/oder Verstärkung des Katalysators umfassen. Wenn sich der Katalysa tor in dem Endstufenreaktor von demjenigen in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor und demjenigen in dem mindestens einen Zwischenstufenreaktor unterscheidet, wird er nicht in einen der vorhergehenden, stromaufwärts liegenden Reaktoren zurückgeführt, sondern kann stattdessen in den Endstufenreaktor zurückgeführt werden. Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass die Anwesenheit des mindestens einen Zwischenreaktors das Betreiben des Endstufenreaktors sogar für noch längere Zeitspannen zwischen den Herunterfahrvorgängen zulässt.
  • Wenn sich der Katalysator in dem Endstufenreaktor von demjenigen in den anderen Reaktoren unterscheidet, kann aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogener und erneuerter Katalysator mindestens teilweise in derselben Weise wie oben in Bezug auf den Endstufenreaktor beschrieben in den mindestens einen Zwischenstufenreaktor eingebracht werden. Der Rest wird in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt. Aus dem mindestens einen Zwischenstufenreaktor abgezogener Katalysator kann ferner wie oben in Bezug auf das zweistufige System beschrieben in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt werden. Dieser Katalysator wird vorzugsweise wie oben beschrieben verstärkt, bevor er in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird. Schließlich kann aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogener Katalysator in diesen zurückgeführt werden, und der aus dem mindestens einen Zwischenstufenreaktor abgezogene Katalysator kann auch in diesen zurückgeführt werden.
  • Eine weitere Gruppe von Ausführungsformen wird verwirklicht, wenn der Katalysator in dem Endstufenreaktor derselbe wie in den vorhergehenden zwei Stufen ist. In diesem Fall wird mindestens ein Teil des aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogenen und wie oben beschrieben erneuerten Katalysators sowohl in den mindestens einen Zwischenstufenreak tor als auch den Endstufenreaktor eingebracht, aus dem Endstufenreaktor abgezogener Katalysator wird in den mindestens einen Zwischenstufenreaktor zurückgeführt, und daraus abgezogener Katalysator wird in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht. Der aus dem Endstufenreaktor oder dem mindestens einen Zwischenstufenreaktor, oder beiden, abgezogene Katalysator wird vorzugsweise wie oben beschrieben verstärkt, bevor er in den Reaktor der nächstniedrigeren Stufe eingebracht wird. Aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogener und erneuerter Katalysator kann teilweise auch in diesen zurückgeführt werden. Obwohl andere Rückführungspermutationen hier in Betracht kommen können, haben die beschriebenen den maximalen praktischen Wert und sind bevorzugt.
  • Das erfindungsgemäß bereitgestellte System umfasst mehrere Reaktoren, die aus mindestens einem Anfangsstufenreaktor und einem Endstufenreaktor bestehen, die in Wirkbeziehung in Reihe verbunden sind, so dass das Synthesegas in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird und der Ausfluss aus diesem in den Endstufenreaktor eingebracht wird. Das System schließt Mittel zum Abziehen einer Mischung von Kohlenwasserstoffen und einem Teil des Katalysators aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor und Behandeln des Katalysators ein, um ihn zu erneuern oder zu erneuern und zu verstärken und ihn mindestens teilweise in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückzuführen. Das System kann auch Mittel zur Rückführung von behandeltem Katalysator zwischen dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor und dem Endreaktorstufenreaktor einschließen. Das System ist vorteilhaft, da es in jeder Stufe eine effizientere Verwendung des Katalysators erleichtert und die Effizienz der Umwandlung des Synthesegases in die gewünschten Produkte erhöht. Das erfindungsgemäße System erleichtert auch die Verwendung von unterschiedlichen Typen von Katalysatoren innerhalb des Verfahrens, um die einzigartigen Eigenschaften von jedem in effizienterer Weise zur Durchführung der Synthese zu nutzen. Es ist klar, dass verschiedene Modifikationen des Systems wie oben beschrieben durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Derartige in der Technik bekannte Modifikationen werden als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung angesehen.

Claims (19)

  1. Verfahren zur katalytischen Hydrierung von Kohlenmonoxid zur Bildung einer Mischung von Kohlenwasserstoffen in mehreren Reaktoren, die in Wirkbeziehung in Reihe verbunden sind, bei dem Einsatzmaterialgas, das Kohlenmonoxid und Wasserstoff umfasst, in mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird und der Ausfluss davon in einen Endstufenreaktor eingebracht wird, so dass unumgewandeltes Einsatzmaterialgas darin umgesetzt wird, wobei der Katalysator in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor ein Dispergierter Metallkatalysator (DAM) ist und nicht immobilisiert ist, wobei der Katalysator ein oder ein oder mehrere Mitglieder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gruppe VIII-Metallen und Kupfer umfasst und der Katalysator in dem Endstufenreaktor der gleiche wie oder ein anderer als derjenige in dem Anfangsstufenreaktor ist, wobei das Verfahren zusätzlich die Stufen einschließt, in denen: a) eine Mischung, die Kohlenwasserstoffe und einen Teil des Katalysators umfasst, aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor während seines Betriebs abgezogen wird, b) die Katalysatormischung behandelt wird, um ihren Kohlenwasserstoffgehalt herabzusetzen, c) die resultierende Mischung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von mindestens einem der Metalle erwärmt wird, wodurch im Wesentlichen nicht-metallische Verunreinigungen von diesem entfernt werden und eine Schlacke aus irgendwelchen darin befindlichen hitzebeständigen Metalloxiden auf der resultierenden Schmelze gebildet wird, d) die Schlacke, falls vorhanden, entfernt wird, e) die Schmelze abgekühlt wird, um sie zu verfestigen, f) der Feststoff behandelt wird, um seine Teilchengröße zu einem feinen Pulver aus erneuertem Katalysator zu reduzieren, und g) mindestens ein Teil des Katalysators in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Teilchengröße des in Stufe e) gebildeten Feststoffs durch mehrere Wasserstoffabsorptions/-desorptionszyklen reduziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der DAM-Katalysator Raney-Katalysator ist, und das Verfahren zusätzlich die Stufen einschließt, in denen der in Stufe b) gebildeten reduzierten Kohlenwasserstoffmischung oder der in Stufe c) gebildeten Schmelze auslaugbares Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Titan, Silicium oder Zink zugefügt wird, und der in Stufe e) gebildete Feststoff durch physikalisches Zerkleinern zur Reduktion der Teilchengröße, gefolgt von chemischer Extraktion oder Auflösung des auslaugbaren Metalls, zu einem feinen Pulver aus erneuerten Katalysator reduziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ausfluss aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor behandelt wird, um davon Flüssigkeiten zu entfernen, bevor er in den Endstufenreaktor eingebracht wird.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, das ferner die Stufe einschließt, in der die Aktivität des erneuerten Katalysators modifiziert oder verstärkt wird, indem der in Stufe b) gebildeten reduzierten Kohlenwasserstoffmischung oder der in Stufe c) gebildeten Schmelze ein oder mehrere Metalle ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Re, Ru, Co, Pt, Pd, Mo, W, Cr, Ni, Mg, Zr, Hf, Mn, Fe, Cu und Ce zugefügt werden.
  6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, bei dem die aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogene Katalysatormischung zur Reduktion ihres Kohlenwasserstoffgehalts mit einer oder mehreren der folgenden Stufen in beliebiger Abfolge behandelt wird: Gravitations- oder Zentrifugaltrennung der Katalysatorteilchen von den Kohlenwasserstoffen und Dekantieren der Kohlenwasserstoffe davon, Filtration der Mischung, Behandeln der Mischung mit Lösungsmittel oder überkritischem Fluid, das die Wechselwirkung zwischen den Teilchen und den Kohlenwasserstoffen schwächt, gefolgt von Trennung der flüssigen und festen Phasen, Kontaktieren der Mischung mit wasserstoffhaltigem Gas bei einer Temperatur über derjenigen, die für die Hydrierung von Kohlenmonoxid erforderlich ist, und Kontaktieren der Mischung mit sauerstoffhaltigem Gas oder Wasserdampf bei erhöhter Temperatur.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, bei dem Katalysator in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor durch ein oder mehrere der Folgenden zurückgeführt wird: Bilden einer Aufschlämmung des Katalysators mit flüssigen Kohlenwasserstoffen und Einbringen der Aufschlämmung in den Reaktor, Bilden einer Suspension des Katalysators in nicht-oxidierendem Gas und Einbringen der Suspension in den Reaktor, und Überführen des Katalysators in den Reaktor durch Schwerkraft oder Druckgradienten.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem die Aktivität des Katalysators, bevor er in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor zurückgeführt wird, weiter nach einem Verfahren verstärkt wird, bei dem: eine Aufschlämmung der Katalysatorteilchen in geeigneter Flüssigkeit gebildet wird, der Katalysator mit Oxidationsmittel bei Temperaturen unter 200°C kontaktiert wird, wodurch ein oxidierter Katalysatorvorläufer gebildet wird, der Metalle und mindestens eines der Hydroxide derselben und Oxide derselben umfasst, und der oxidierte Katalysatorvorläufer mit wasserstoffhaltigem Gas bei einer Temperatur oberhalb von etwa 200°C reduziert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Katalysator, bevor er wieder in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird, passiviert wird, indem er mit kohlenmonoxidhaltigem Gas unter Bedingungen behandelt wird, unter denen das Kohlenmonoxid nicht in erheblichem Maße zersetzt wird, oder er mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendem Gas unter Bedingungen behandelt wird, unter denen das Kohlenmonoxid nicht in erheblichem Maße zersetzt wird.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, bei dem mindestens ein Teil der gebildeten Kohlenwasserstoffe durch mindestens eines von Fraktionier- und Umwandlungsverfahren zu wertvolleren Produkten veredelt wird.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, bei dem der Katalysator in dem Endreaktor DAM-Katalysator ist, mindestens ein Teil des in Stufe f) gebildeten erneuerten Katalysators in den Endstufenreaktor eingebracht wird und der DAM-Katalysator aus dem Endstufenreaktor abgezogen und in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, das zusätzlich das Verstärken des Katalysators vor dem Einbringen desselben in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor einschließt, indem eine Aufschlämmung der Katalysatorteilchen in geeigneter Flüssigkeit gebildet wird, der Katalysators mit Oxidationsmittel bei Temperaturen unter 200°C kontaktiert wird, wodurch ein oxidierter Katalysatorvorläufer gebildet wird, der Metalle und mindestens eines der Hydroxide derselben und Oxide derselben umfasst, und der oxidierte Katalysatorvorläufer mit wasserstoffhaltigem Gas bei einer Temperatur oberhalb von etwa 200°C reduziert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der aus dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor abgezogene Ausfluss in mindestens einen Zwischenstufenreaktor eingebracht wird, so dass unumgewandeltes Einsatzmaterialgas darin weiter umgesetzt wird, und der Ausfluss aus dem mindestens einen Zwischenreaktor in den Endstufenreaktor eingebracht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Ausfluss aus sowohl dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor als auch dem mindestens einen Zwischenstufenreaktor vor der Einbringung in den Reaktor der nächstfolgenden Stufe behandelt werden, um davon Flüssigkeiten zu entfernen.
  15. System zur katalytischen Hydrierung von Kohlenmonoxid zur Bildung einer Mischung von Kohlenwasserstoffen, das mehrere Reaktoren umfasst, die aus mindestens einem Anfangsstufenreaktor und einem Endstufenreaktor bestehen, die in Wirkbeziehung in Reihe verbunden sind, so dass Einsatzmaterialgas in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird und der Ausfluss davon in den Endstufenreaktor eingebracht wird, so dass unumgewandeltes Einsatzmaterialgas darin umgesetzt wird, wobei der Katalysator in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor ein Dispergierter Metallkatalysator (DAM) ist und nicht immobilisiert ist, wobei der Katalysator ein oder ein oder mehrere Mitglieder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Kupfer, Eisen und den Gruppe VIII-Metallen umfasst und der Katalysator in dem Endstufenreaktor der gleiche wie oder ein anderer als derjenige in dem Anfangsstufenreaktor ist, wobei das System Mittel zum Abziehen einer Mischung von Kohlenwasserstoffen und einem Teil des Katalysators von dem mindestens einen Anfangs stufenreaktor während des Betriebs des Systems und Erneuern desselben, indem a) sein Kohlenwasserstoffgehalt reduziert wird, b) die resultierende Mischung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von mindestens einem der Metalle erwärmt wird, wodurch im Wesentlichen nicht-metallische Verunreinigungen von diesem entfernt werden und eine Schlacke aus irgendwelchen darin befindlichen hitzebeständigen Metalloxiden auf der resultierenden Schmelze gebildet wird; c) die Schlacke, falls vorhanden, entfernt wird, d) die Schmelze abgekühlt wird, um sie zu verfestigen, e) der Feststoff behandelt wird, um seine Teilchengröße zu einem feinen Pulver aus erneuertem Katalysator zu reduzieren, und Mittel zum Rückführen von mindestens einem Teil des Katalysators in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor einschließt.
  16. System nach Anspruch 15, bei dem der Katalysator in dem Endreaktor der gleiche wie in dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor ist, und das System zusätzlich Mittel zur Einbringung von mindestens einem Teil des erneuerten Katalysators in den Endstufenreaktor und Mittel zum Abziehen einer Mischung von Kohlenwasserstoff und Katalysator aus dem Endstufenreaktor und Einbringung desselben in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor einschließt.
  17. System nach Anspruch 16, das zusätzlich Mittel zur Verstärkung der Aktivität des aus dem Endstufenreaktor abgezogenen Katalysators einschließt, bevor er in den mindestens einen Anfangsstufenreaktor eingebracht wird, indem eine Aufschlämmung der Katalysatorteilchen in geeigneter Flüssigkeit gebildet wird, der Katalysators mit Oxidationsmittel bei Temperaturen unter 200°C kontaktiert wird, wodurch ein oxidierter Katalysatorvorläufer gebildet wird, der Metalle und mindestens eines der Hydroxide derselben und Oxide derselben umfasst, und der oxidierte Katalysatorvorläufer mit wasserstoffhaltigem Gas bei einer Temperatur oberhalb von etwa 200°C reduziert wird.
  18. System nach Anspruch 15, das ferner mindestens einen Zwischenstufenreaktor in Reihe zwischen dem mindestens einen Anfangsstufenreaktor und dem Endreaktor verbunden und Mittel zur Rückführung von Katalysator innerhalb aller dieser Reaktoren einschließt.
  19. System nach Anspruch 18, bei dem es zwei Zwischenstufenreaktoren auf jeden Endstufenreaktor und zwei Anfangsstufenreaktoren auf jeden Zwischenstufenreaktor gibt, wobei die Stufen des Systems in Reihe verbunden sind und die Zwischenreaktoren beziehungsweise die Anfangsreaktoren in Wirkbeziehung parallel verbunden sind.
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