EA020289B1 - Способ получения углеводородов с2+, система и способ превращения синтез-газа в углеводороды с2+ - Google Patents

Способ получения углеводородов с2+, система и способ превращения синтез-газа в углеводороды с2+ Download PDF

Info

Publication number
EA020289B1
EA020289B1 EA200901336A EA200901336A EA020289B1 EA 020289 B1 EA020289 B1 EA 020289B1 EA 200901336 A EA200901336 A EA 200901336A EA 200901336 A EA200901336 A EA 200901336A EA 020289 B1 EA020289 B1 EA 020289B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
reactor
high shear
hydrocarbons
catalyst
liquid
Prior art date
Application number
EA200901336A
Other languages
English (en)
Other versions
EA200901336A1 (ru
Inventor
Аббас Хассан
Ибрагим Багхерзадех
Райфорд Г. Энтони
Грегори Босинге
Азиз Хассан
Original Assignee
ЭйчАДи КОПЭРЕЙШН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ЭйчАДи КОПЭРЕЙШН filed Critical ЭйчАДи КОПЭРЕЙШН
Publication of EA200901336A1 publication Critical patent/EA200901336A1/ru
Publication of EA020289B1 publication Critical patent/EA020289B1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
    • B01J19/1806—Stationary reactors having moving elements inside resulting in a turbulent flow of the reactants, such as in centrifugal-type reactors, or having a high Reynolds-number
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B01F27/271—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed radially between the surfaces of the rotor and the stator
    • B01F27/2711—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed radially between the surfaces of the rotor and the stator provided with intermeshing elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/80—Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/82—Combinations of dissimilar mixers
    • B01F33/821—Combinations of dissimilar mixers with consecutive receptacles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/0066—Stirrers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
    • B01J19/1862—Stationary reactors having moving elements inside placed in series
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0242—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical
    • B01J8/025—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical in a cylindrical shaped bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/20—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles with liquid as a fluidising medium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon
    • C10G2/30—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen
    • C10G2/32—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen with the use of catalysts
    • C10G2/34—Apparatus, reactors
    • C10G2/342—Apparatus, reactors with moving solid catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0436—Operational information
    • B01F2215/0481—Numerical speed values
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00004—Scale aspects
    • B01J2219/00006—Large-scale industrial plants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00076—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements inside the reactor
    • B01J2219/00083—Coils
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00761—Details of the reactor
    • B01J2219/00763—Baffles
    • B01J2219/00779—Baffles attached to the stirring means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/10—Feedstock materials
    • C10G2300/1011—Biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/10—Feedstock materials
    • C10G2300/1025—Natural gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/582—Recycling of unreacted starting or intermediate materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry
    • Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Способ получения углеводородов С2+ посредством образования дисперсии, содержащей пузырьки синтез-газа, диспергированные в жидкой фазе, содержащей углеводороды, в устройстве высокой скорости сдвига, в котором средний диаметр пузырьков синтез-газа составляет менее 1,5 мкм, введения дисперсии в реактор и выведения потока продукта, содержащего углеводороды С2+, из реактора. Система превращения газа, состоящего из оксида углерода и водорода, в углеводороды С2+, включающая по меньшей мере одно перемешивающее устройство высокой скорости сдвига, которое состоит по меньшей мере из одного ротора и по меньшей мере одного статора, разделенных сдвиговым зазором, в которой перемешивающее устройство высокой скорости сдвига способно вырабатывать окружную скорость по меньшей мере одного ротора больше 22,9 м/с (4500 футов/мин), и насос, установленный для доставки потока текучей среды, содержащей жидкую среду, к перемешивающему устройству высокой скорости сдвига.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к конверсии оксида углерода и водорода по ФишеруТропшу в углеводороды, содержащие 2 или более 2 атомов углерода (углеводороды С2+). Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу высокой скорости сдвига для улучшения конверсии синтез-газа (т.е. смеси оксида углерода и водорода) в углеводороды по Фишеру-Тропшу.
Сведения о предшествующем уровне техники
Процесс Фишера-Тропша применяется для конверсии углеродистого сырья, например угля или природного газа, в более ценное жидкое топливо или нефтепродукты. Большие запасы метана, основного компонента природного газа, доступны во многих частях мира. Метан может быть реформирован водой или частично окислен кислородом с образованием оксида углерода и водорода (т.е. синтетического газа или синтез-газа). В качестве исходных материалов для получения синтез-газа можно также использовать уголь и другие твердые материалы.
Получение углеводородов из синтез-газа хорошо известно в данной области техники и обычно называется синтезом Фишера-Тропша, процессом Фишера-Тропша или реакцией(ями) Фишера-Тропша. Катализаторы для использования в таком синтезе обычно содержат каталитически активный металл 8, 9, 10 групп (в новом варианте представления периодической системы химических элементов). В частности, в качестве каталитически активного металла можно использовать железо, кобальт, никель и рутений. Было обнаружено, что кобальт и рутений очень хорошо подходят для катализа процесса, в котором синтез-газ превращается в первичные углеводороды, содержащие 5 или более атомов углерода (т.е. в этом случае высока селективность катализатора в отношении С5+ углеводородов). Катализатор ФишераТропша может также активизироваться другими металлами.
При каталитическом гидрировании оксида углерода по Фишеру-Тропшу могут получаться разнообразные продукты начиная от метана и до высших алканов и алифатических спиртов. Реакции, происходящие в синтезе Фишера-Тропша, являются высокоэкзотермичными, поэтому конструируемые реакционные сосуды должны обладать достаточной теплообменной способностью. Поскольку реагентами в синтезе Фишера-Тропша являются газы и в то же время потоки продуктов включают жидкости и парафины, система обычно конструируется так, чтобы она могла обеспечивать непрерывную выработку и выведение из нее необходимого ряда жидких и парафиновых углеводородных продуктов.
Продолжаются исследования по разработке более эффективных каталитических систем ФишераТропша и реакционных систем, которые позволили бы повысить селективность в отношении более ценных углеводородов в потоке продуктов Фишера-Тропша. В частности, в ряде исследований описывается поведение катализаторов на основе железа, кобальта и рутения в различных типах реакторов наряду с разработкой каталитических композиций и препаратов.
Имеются существенные различия в молекулярно-массовом распределении углеводородных продуктов, получаемых из различных реакционных систем Фишера-Тропша. Распределение и/или селективность продуктов зависят от типа и структуры катализатора, а также от типа реактора и условий его эксплуатации. Однако, как правило, в процессе Фишера-Тропша образуется избыток воскоподобных соединений с высокой молекулярной массой. Проведение процесса Фишера-Тропша при пониженных температурах обычно приводит к образованию более тяжелых углеводородных продуктов. В традиционных процессах Фишера-Тропша материалы с более высокой молекулярной массой впоследствии подвергают крекингу низкомолекулярных жидкостей с целью использования их в качестве топлива и исходного химического сырья. Поэтому желательно повысить селективность синтеза Фишера-Тропша до максимально возможного значения с целью получения ценных жидких углеводородов, например углеводородов с 5 или более атомами углерода на одну углеводородную цепь.
Соответственно, в промышленности существует необходимость в улучшении производства жидких и газообразных углеводородов посредством конверсии синтез-газа по Фишеру-Тропшу.
Сущность изобретения
Раскрываются системы и способы высокой скорости сдвига для конверсии синтез-газа в жидкие или газообразные углеводороды по Фишеру-Тропшу. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления обеспечивается способ получения С2+ углеводородов, при этом способ включает в себя образование дисперсии, содержащей пузырьки синтез-газа, диспергированные в жидкой фазе, которая содержит углеводороды, в устройстве высокой скорости сдвига, при этом средний диаметр пузырьков синтез-газа составляет менее 1,5 мкм, а также включает в себя введение дисперсии в реактор и удаления из него потока продуктов, содержащего жидкие углеводороды. Средний диаметр пузырьков газа может составлять менее 400 нм. Средний диаметр пузырьков газа может составлять не более 100 нм. Синтез-газ можно генерировать посредством риформинга природного газа. Синтез-газ можно генерировать газификацией твердых веществ. В вариантах осуществления твердое вещество выбирают из группы, состоящей из угля, биомассы и биовосстанавливаемых ресурсов. Реактор может содержать катализатор Фишера-Тропша, а способ может дополнительно включать в себя циркуляцию по меньшей мере части потока продукта в устройство высокой скорости сдвига. Часть потока продукта, циркулирующая в устройство высокой скорости сдвига, может содержать катализатор Фишера-Тропша. Часть потока продукта, циркулирующая в устройство высокой скорости сдвига, может, по существу, не содержать катализатора Фишера-Тропша.
- 1 020289
В некоторых вариантах осуществления для образования дисперсии синтез-газ и жидкую фазу подвергают обработке скоростью сдвига более 20000 с-1. Устройство высокой скорости сдвига может включать по меньшей мере один ротор, который в процессе образования дисперсии вращается с окружной скоростью, составляющей по меньшей мере 22,9 м/с (4500 футов/мин), В вариантах осуществления устройство высокой скорости сдвига создает локальное давление, составляющее по меньшей мере 1034,2 МПа (150000 фунтов/кв.дюйм) на конце лопатки по меньшей мере одного ротора.
Расход энергии устройства высокой скорости сдвига может превышать 1000 Вт/м3. В вариантах осуществления способа катализатор содержит металл, выбранный из группы, состоящей из железа, кобальта и их комбинаций.
Также в этом документе раскрывается способ превращения синтез-газа в углеводороды С2+, который включает в себя образование жидкой смеси, содержащей синтез-газ и жидкость с углеводородами, обработку жидкой смеси скоростью сдвига более 20000 с-1 для получения дисперсии оксида углерода и пузырьков газообразного водорода в непрерывной жидкой фазе и введение дисперсии в реактор Фишера-Тропша, из которого выводится продукт реакции в реакторе. Способ может, кроме того, включать выведение потока газа, содержащего непрореагировавший синтез-газ, из верхней части реактора и образование дополнительной дисперсии, содержащей по меньшей мере часть непрореагировавшего синтез-газа. Средний диаметр пузырьков газа, состоящего из водорода и оксида углерода, в дисперсии может составлять менее 5 мкм. В вариантах осуществления дисперсия устойчива в течение по меньшей мере 15 мин при атмосферном давлении. Обработка жидкой смеси скоростью сдвига более 20000 с-1 может включать в себя введение жидкости в устройство высокой скорости сдвига, содержащее по меньшей мере два генератора.
В данном документе раскрывается система для превращения газа, состоящего из оксида углерода и водорода, в углеводороды С2+, при этом она включает в себя по меньшей мере одно перемешивающее устройство высокой скорости сдвига, которое состоит по меньшей мере из одного ротора и по меньшей мере одного статора, разделенных сдвиговым зазором, где сдвиговый зазор представляет собой минимальное расстояние между по меньшей мере одним ротором и по меньшей мере одним статором и где перемешивающее устройство высокой скорости сдвига способно вырабатывать окружную скорость по меньшей мере одного ротора, превышающую 22,9 м/с (4500 футов/мин), а также система включает в себя насос, выполненный для доставки потока текучей среды, содержащего жидкую среду, в перемешивающее устройство высокой скорости сдвига. Система может дополнительно включать реактор Фишера-Тропша, который связан текучей средой с выпускным отверстием внешнего устройства высокой скорости сдвига и имеет выпускное отверстие потока продукта, содержащего жидкие углеводороды. По меньшей мере одно перемешивающее устройство высокой скорости сдвига может быть выполнено для получения дисперсии пузырьков газа, состоящего из водорода и оксида углерода, в жидкой фазе, в которой средний диаметр пузырька составляет менее 5 нм. В вариантах осуществления по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига способно вырабатывать окружную скорость по меньшей мере одного ротора, составляющую, как минимум, 20,3 м/с (4000 футов/мин). Система может содержать по меньшей мере два перемешивающих устройства высокой скорости сдвига. А реактор может быть суспензионным. В вариантах осуществления система дополнительно включает сепаратор, поток продукта дополнительно содержит катализатор, а сепаратор имеет впускное отверстие, соединенное с выпускным отверстием потока продукта, и выпускным отверстием потока катализаторной суспензии, из которого выводится по меньшей мере часть жидких углеводородов, и выпускным отверстием потока, содержащего жидкие углеводороды. Способ может дополнительно включать рециркуляционный трубопровод, соединенный с выпускным отверстием потока катализаторной суспензии и со входом в реактор Фишера-Тропша.
Раскрывается усовершенствованная система превращения синтез-газа в углеводороды С2+, включающая реактор Фишера-Тропша и катализатор Фишера-Тропша, который катализирует конверсию синтез-газа в углеводороды, при этом улучшение заключается в размещении перед реактором внешнего устройства высокой скорости сдвига, содержащего впускное отверстие потока текучей среды, содержащего синтез-газ и жидкую среду, и по меньшей мере один генератор, состоящий из ротора и статора со сдвиговым зазором между ними, при этом расход энергии устройства высокой скорости сдвига превышает 1000 Вт/м3. Устройство высокой скорости сдвига может иметь по меньшей мере два генератора. В вариантах осуществления скорость сдвига, создаваемая одним генератором, превышает скорость сдвига, создаваемую другим генератором.
В некоторых вариантах осуществления система дополнительно включает насос, выполненный для доставки жидкой среды и синтез-газа к перемешивающему устройству высокой скорости сдвига. Система включает реактор, выполненный для приема дисперсии из устройства высокой скорости сдвига. Некоторые варианты осуществления потенциально делают возможной конверсию синтез-газа в углеводороды без необходимости в реакторах Фишера-Тропша большого объема за счет использования внешнего реактора высокой скорости сдвига под давлением.
В отдельных вариантах осуществления вышеописанного способа или системы потенциально обеспечены более оптимальные условия по времени, температуре и давлению в сравнении с тем, что может быть достигнуто в иных способах, и в этих вариантах осуществления потенциально увеличена скорость газо-, жидко- или твердофазного процесса. Отдельные варианты осуществления вышеописанных спосо
- 2 020289 бов или систем потенциально обеспечивают снижение общей стоимости за счет эксплуатации при пониженной температуре и/или давлении, что повышает выход продукта на единицу используемого катализатора, снижает время реакции и/или сокращает капитальные и/или эксплуатационные расходы. Эти и другие варианты осуществления и возможные преимущества станут очевидны при рассмотрении следующего подробного описания и чертежей.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
Для более подробного описания предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения дается ссылка на прилагаемые чертежи, в которых фиг. 1 это схема технологического процесса системы Фишера-Тропша высокой скорости сдвига, предназначенной для конверсии синтез-газа в углеводороды С2+, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;
фиг. 2 это продольный разрез многоступенчатого устройства высокой скорости сдвига;
фиг. 3 это схема технологического процесса устройства, используемого для реакции СО и Н2, описанной в эксперименте примера 1.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Система обозначений и номенклатура
Используемый в этом документе термин дисперсия относится к сжиженной смеси, которая содержит два различимых вещества (или фазы), которые неохотно смешиваются или растворяются друг в друге. Используемый в этом документе термин дисперсия включает непрерывную фазу (или матрицу), которая удерживает внутри себя дискретные капли, пузыри и/или частицы другой фазы или вещества. Термин дисперсия, таким образом, может относиться к пенам, содержащим пузырьки газа, суспендированные в жидкую непрерывную фазу, эмульсиям, в которых капли первой жидкости диспергированы по непрерывной фазе, содержащей вторую жидкость, с которой не смешивается первая жидкость, и непрерывным жидким фазам, по которым распределены твердые частицы. Используемый в этом документе термин дисперсия охватывает непрерывные жидкие фазы, по которым распределены пузырьки газа, непрерывные жидкие фазы, по которым распределены твердые частицы (например, твердый катализатор), непрерывные фазы первой жидкости, по которым распределены капли второй жидкости, по существу нерастворимой в непрерывной фазе, и жидкие фазы, по которым распределены любые виды твердых частиц или комбинации этих частиц, не смешивающихся с жидкими каплями, и пузырьки газа. Следовательно, дисперсия может существовать в виде гомогенной смеси в некоторых случаях (например, фаза жидкость/жидкость) или в виде гетерогенной смеси (например, газ/жидкость, твердое вещество/жидкость или газ/твердое вещество/жидкость), в зависимости от природы материалов, выбранных для комбинации.
Общие сведения
Скорость химических реакций, включающих жидкости, газы и твердые вещества, зависит от продолжительности контакта, температуры и давления. В тех случаях, когда желательно, чтобы реагировали два или более исходных материала, находящихся в различных фазах (например, твердое вещество и жидкость; жидкость и газ; твердое вещество, газ и жидкость), одним из ограничивающих факторов, регулирующих скорость реакции, является продолжительность контакта реагентов. В случае гетерогенно катализируемых реакций имеется дополнительный фактор, ограничивающий скорость, заключающийся в удалении прореагировавших продуктов с поверхности катализатора, которые не позволяют катализатору катализировать реакцию оставшихся реагентов. Продолжительность контакта реагентов и/или катализатора часто регулируют перемешиванием, которое обеспечивает контакт между двумя или более реагентами, участвующими в химической реакции.
Реактор, который содержит внешнее устройство или смеситель высокой скорости сдвига, описанный в этом документе, дает возможность снизить ограничения на массоперенос и тем самым позволяет реакции подойти к кинетическим ограничениям более близко. При ускорении реакции возможно снижение продолжительности обработки, что тем самым повышает достигаемую пропускную способность. Также в результате использования системы или процесса высокой скорости сдвига может быть повышен выход продукта. В качестве альтернативы, в том случае, когда выход продукта в существующем процессе находится на приемлемом уровне, при уменьшении требуемой продолжительности обработки за счет установки высокой скорости сдвига возможно использование более низких температур и/или давлений, чем в традиционных процессах. Низкотемпературную конверсию по Фишеру-Тропшу можно использовать в тех случаях, когда желают получать более тяжелые углеводороды.
Более того, без каких-либо теоретических ограничений полагают, что условия высокой скорости сдвига, обеспечиваемые реактором, который содержит внешнее устройство или смеситель высокой скорости сдвига, описанный в данном документе, дает возможность проводить конверсию синтез-газа в жидкие углеводороды, содержащие обычно 5 или более атомов углерода (С5+ углеводороды), и газообразные углеводороды, содержащие обычно 2 или более атомов углерода (углеводороды С2+), по Фишеру-Тропшу при единых условиях эксплуатации, при которых обычно ожидают значительно большей глубины протекания реакции.
Система для конверсии синтез-газа в углеводороды по Фишеру-Тропшу
Далее описывается система конверсии по Фишеру-Тропшу высокой скорости сдвига в отношении
- 3 020289 фиг. 1, которая представляет собой схему технологического процесса для варианта осуществления конверсии синтез-газа в углеводороды с использованием системы 100 высокой скорости сдвига. К основным компонентам представленной системы относятся внешнее перемешивающее устройство 40 высокой скорости сдвига (Η8Ό), реактор 10 и насос 5. Как показано на фиг. 1, устройство 40 высокой скорости сдвига располагается снаружи от реактора 10. Каждый из этих компонентов, кроме того, описывается ниже более подробно. Линия 21 соединена с насосом 5 для введения жидкой среды в Η8Ό 40. Линия 13 соединяет насос 5 с Η8Ό 40, а линия 18 соединяет Η8Ό 40 с реактором 10. Линия 22 может быть соединена с линией 13 для введения газа, содержащего оксид углерод и водород (т.е. синтез-газа). В качестве альтернативы, линия 22 может быть напрямую соединена с Η8Ό 40. Линия 17 может быть соединена с реактором 10 для выведения непрореагировавшего оксида углерода, водорода и/или других поступающих газов или получаемых газообразных углеводородов С2+. В заявках линия 17 может быть соединена текучей средой с линией 22, посредством чего часть газа в линии 17 может возвращаться в Η8Ό 40. Дополнительные компоненты или технологические переходы могут быть размещены между реактором 10 и Η8Ό 40 либо перед насосом 5 или Η8Ό 40, при желании, что станет очевидно по мере прочтения описания процесса Фишера-Тропша высокой скорости сдвига, представленного далее в данном документе. Например, как указано на фиг. 1, теплообменники, например теплообменники 60 и 80, могут располагаться вдоль системы 100 для отведения тепла, выделяемого во время экзотермичной конверсии ФишераТропша. Линия 16 может быть соединена с линией 21 или линией 13 (например, от реактора 10) для обеспечения многопроходной работы, при желании.
В тех случаях, когда катализатор Фишера-Тропша циркулирует через Η8Ό 40 (например, когда реактор 10 работает как циркулирующий суспензионный петлевой реактор), система 100 Фишера-Тропша высокой скорости сдвига может дополнительно включать в себя сепаратор 30.
Сепаратор 30 может соединяться с реактором 10 посредством линий 16 и 45. Продукт из реактора 10 может поступать в сепаратор 30 через линию 16. Линия 45 может соединять сепаратор 30 с реактором 10 для возвращения катализаторной суспензии в реактор 10.
Система 100 Фишера-Тропша высокой скорости сдвига может дополнительно включать устройства последующей переработки для повышения качества жидких и газообразных продуктов, поступающих из реактора 10 (на фиг. 1 не показаны).
Перемешивающее устройство высокой скорости сдвига
Внешнее перемешивающее устройство 40 высокой скорости сдвига (Η8Ό), которое иногда называют также устройством высокой скорости сдвига или перемешивающим устройством высокой скорости сдвига, выполнено для приема входящего потока, содержащего жидкую среду и синтез-газ, через линию 13. В качестве альтернативы, Η8Ό 40 может быть выполнено для приема потоков жидкой среды и синтез-газа через отдельные подводящие линии (не показаны). Хотя на фиг. 1 показано только одно устройство высокой скорости сдвига, следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления системы могут использоваться два или более перемешивающих устройства высокой скорости сдвига, расположенных либо последовательно, либо параллельно. Η8Ό 40 это механическое устройство, в котором используется один или более генераторов, содержащих набор ротор/статор, каждый из которых имеет зазор между статором и ротором. Зазор между ротором и статором в каждой генераторной установке может быть зафиксирован или может регулироваться. Η8Ό 40 выполняют таким образом, чтобы он мог вырабатывать пузырьки газа субмикронного или микронного размера в смеси, протекающей через устройство высокой скорости сдвига. Устройство высокой скорости сдвига имеет кожух или корпус с тем, чтобы можно было контролировать давление и температуру реакционной смеси.
Устройства высокой скорости сдвига обычно подразделяют на три общих класса на основе их способности перемешивать текучие среды. Перемешивание это процесс уменьшения размера частиц или неоднородных веществ внутри текучей среды. Одной из мер степени или тщательности перемешивания является плотность энергии на единицу объема, которую создает перемешивающее устройство для разрыва частиц текучей среды. Классы отличаются по плотностям передаваемой энергии. К трем классам промышленных мешалок с плотностью энергии, достаточной для равномерного образования смесей или эмульсий с размером частиц в диапазоне от субмикрона до 50 мкм, относятся клапанные системы гомогенизации, коллоидные мельницы и высокоскоростные мешалки. В первом классе высокоэнергетических устройств, называемых клапанными системами гомогенизации, обрабатываемая текучая среда закачивается под очень высоким давлением через узкозонный клапан в оборудование с пониженным давлением. Перепады давления вдоль клапана и возникающие в результате турбулентность и кавитация разрушают любые частицы в текучей среде. Эти клапанные системы наиболее широко применяются при гомогенизации молока и могут давать частицы со средним размером в диапазоне от субмикрона до 1 мкм.
На противоположном конце спектра плотности энергии находится третий класс устройств, называемых низкоэнергетическими устройствами. У этих систем обычно имеются лопатки или жидкостные роторы, которые вращаются с высокой скоростью в резервуаре обрабатываемой текучей среды, которая во многих наиболее применяемых заявках является пищевым продуктом. Эти низкоэнергетические системы обычно используют в тех случаях, когда в обрабатываемой текучей среде допустимый средний размер частиц превышает 20 мкм.
- 4 020289
Между низкоэнергетическими устройствами и клапанными системами гомогенизации в показателях плотности энергии перемешивания, передаваемой текучей среде, находятся коллоидные мельницы и другие высокоскоростные роторно-статорные устройства, которые классифицируются как устройства с промежуточной энергией. Типовая конструкция коллоидной мельницы включает конический или дисковый ротор, который отделен от дополнительного статора с жидкостным охлаждением посредством точно регулируемого зазора между ротором и статором, величина которого обычно составляет от 0,0254 до 10,16 мм (0,001-0,40 дюйма). Роторы обычно приводятся в движение электрическим двигателем через непосредственный привод или ленточный механизм. По мере вращения ротора с высокими скоростями он прокачивает текучую среду между внешней поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора, при этом сдвиговые усилия, генерируемые в зазоре, обрабатывают текучую среду. Во многих коллоидных мельницах с надлежащей настройкой в обрабатываемой текучей среде средний размер частиц достигает 0,1-25 мкм. Такие возможности делают коллоидные мельницы пригодными для различных заявок, включая обработку коллоида и водомасляной эмульсии, например обработку, которая требуется для косметических средств, майонеза, кремниевой/серебряной амальгамы и для перемешивания кровельной мастики.
Окружная скорость - это расстояние по окружности, проходимое лопаткой ротора за единицу времени. Таким образом, окружная скорость является функцией диаметра ротора и частоты вращения. Окружная скорость (измеряемая, например, в м/мин) может быть рассчитана путем умножения расстояния на окружности, описываемой роторной лопаткой, 2 πΚ, где В - это радиус ротора (измеряемый, например, в метрах), на частоту вращения (измеряемую, например, количеством оборотов в минуту, об/мин). Окружная скорость коллодиной мельницы может составлять более 22,9 м/с (4500 футов/мин), а также может превышать 40 м/с (7900 футов/мин). С целью данного раскрытия термин высокая скорость сдвига относится к механическим роторно-статорным устройствам (например, к коллоидным мельницам или роторно-статорным диспергаторам), которые способны вырабатывать окружную скорость более 5,1 м/с (1000 футов/мин) и для которых требуется внешняя силовая установка с механическим приводом, подающая энергию в поток, содержащий жидкую среду и газообразные реагенты. Например, в Η8Ό 40 достигаемая окружная скорость может составлять более 22,9 м/с (4500 футов/мин), а также может превышать 40 м/с (7900 футов/мин). В некоторых вариантах осуществления пропускная способность Η8Ό 40 может составлять по меньшей мере 300 л/ч при окружной скорости, составляющей по меньшей мере 22,9 м/с (4500 футов/мин). Потребляемая мощность может составлять около 1,5 кВт. Η8Ό 40 сочетает в себе высокую окружную скорость с очень малым сдвиговым зазором, оказывая значительное сдвигающее усилие на обрабатываемый материал. Величина сдвигающего усилия будет зависеть от вязкости текучей среды. Соответственно, во время работы устройства высокой скорости сдвига на конце лопатки ротора создается локальный участок повышенных давления и температуры. В некоторых случаях локально повышенное давление составляет около 1034,2 МПа (150000 фунтов/кв.дюйм). В некоторых случаях локально повышенная температура составляет около 500°С. В некоторые случаях такие локальные повышения давления и температуры могут продолжаться в течение нано- или пикосекунд.
Приблизительную величину энергии, подводимой к текучей среде (кВт/(л-мин)), можно оценить измерением мощности двигателя (кВт) и количества выходящей текучей среды (л/мин). Как упоминалось выше, окружная скорость - это скорость (в футах/мин или м/с), связанная с концом одного или нескольких вращающихся элементов, т.е. создающих механическое усилие, оказываемое на реагенты. В вариантах осуществления расход энергии у Η8Ό 40 составляет более 1000 Вт/м3. В вариантах осуществления расход энергии у Η8Ό 40 составляет от 3000 до 7500 Вт/м3.
Скорость сдвига - это окружная скорость, деленная на ширину сдвигового зазора (минимального промежутка между ротором и статором). Скорость сдвига, генерируемая в Η8Ό 40, может составлять более 20000 с-1. В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига составляет по меньшей мере 40000 с-1. В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига составляет по меньшей мере 100000 с-1. В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига составляет по меньшей мере 500000 с-1. В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига составляет по меньшей мере 1000000 с-1. В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига составляет по меньшей мере 1600000 с-1. В вариантах осуществления скорость сдвига, генерируемая Η8Ό 40, находится в диапазоне от 20000 до 100000 с-1. Например, в одной заявке окружная скорость ротора составляет около 40 м/с (7900 футов/мин), а ширина сдвигового зазора - 0,0254 мм (0,001 дюйма), что дает скорость сдвига в 1600000 с-1. Например, в другой заявке окружная скорость ротора составляет около 22,9 м/с (4500 футов/мин), а ширина сдвигового зазора 0,0254 мм (0,001 дюйма), что дает скорость сдвига в 901600 с-1.
Η8Ό 40 способно тщательно диспергировать или переносить синтез-газ в основную жидкую фазу (непрерывную фазу), содержащую жидкую среду, с которой он при обычных условиях не смешивается. В вариантах осуществления жидкая среда дополнительно содержит циркулирующий катализатор. В некоторых вариантах осуществления Η8Ό 40 включает коллоидную мельницу. Подходящие коллоидные мельницы производятся, например, фирмами ΙΚΑ® АогШ. 1пс. Айш1пд1оп, ЫС, и АРУ ΝογΙΙι Ашепса, 1пс. Айш1пд1оп, МА. В некоторых случаях Η8Ό 40 представляет собой реактор ЭБрах РеасЮг® фирмы ΙΚΑ® Аогкз, 1пс.
- 5 020289
Устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере один вращающийся элемент, который создает механическое усилие, оказываемое на реагенты. Устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере один статор и по меньшей мере один ротор, разделенные зазором. Например, роторы могут иметь форму конуса или диска и могут быть отделены от статора со стыкующейся формой. В вариантах осуществления как ротор, так и статор имеют множество зубцов, расположенных на одной окружности. В некоторых вариантах осуществления возможна регулировка статора(ов) с целью установки необходимого сдвигового зазора между ротором и статором каждого генератора (набора ротор/статор). Пазы между зубцами ротора и/или статора могут менять направление на меняющихся ступенях с целью повышения турбулентности. Каждый генератор может приводиться в движение любой подходящей системой привода для обеспечения необходимого вращения.
В некоторых вариантах осуществления минимальный зазор (ширина сдвигового зазора) между статором и ротором находится в диапазоне от 0,0254 мм (0,001 дюйма) до 3,175 мм (0,125 дюйма). В отдельных вариантах осуществления минимальный зазор (ширина сдвигового зазора) между статором и ротором составляет около 1,52 мм (0,060 дюйма). В отдельных конструкциях минимальный зазор (ширина сдвигового зазора) между статором и ротором составляет по меньшей мере 1,78 мм (0,07 дюйма). Скорость сдвига, выдаваемая устройством высокой скорости сдвига, может варьироваться в зависимости от положения по направлению потока. В некоторых вариантах осуществления ротор настраивают так, чтобы он вращался со скоростью, соизмеримой с диаметром ротора и желаемой окружной скоростью. В некоторых вариантах осуществления устройство высокой скорости сдвига имеет фиксированный зазор (ширину сдвигового зазора) между статором и ротором. В качестве альтернативы, устройство высокой скорости сдвига имеет регулируемый зазор (ширину сдвигового зазора).
В некоторых вариантах осуществления Η8Ό 40 содержит одноступенчатую камеру диспергирования (т.е. одиночный набор ротор/ статор, одиночный генератор). В некоторых вариантах осуществления устройство 40 высокой скорости сдвига представляет собой многоступенчатый диспергатор, встроенный в линию, и имеет несколько генераторов. В отдельных вариантах осуществления Η8Ό 40 содержит по меньшей мере два генератора. В других вариантах осуществления устройство 40 высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере три генератора высокой скорости сдвига. В некоторых вариантах осуществления устройство 40 высокой скорости сдвига представляет собой многоступенчатый смеситель, посредством которого скорость сдвига (которая, как было упомянуто выше, изменяется пропорционально окружной скорости и обратно пропорционально ширине зазора между ротором и статором) варьируется в зависимости от продольного расположения по направлению потока, как дополнительно описывается далее в этом документе.
В некоторых вариантах осуществления каждая ступень внешнего устройства высокой скорости сдвига имеет взаимозаменяемые перемешивающие приспособления, придающие устройству эксплуатационную гибкость. Например, реактор ЭК 2000/4 Όίφοχ КеасЮт® фирм ΙΚΑ® \Уог1<5. 1пс. Χνίΐιηίπφοη. ЫС, и ΑΡν ΝοΠίι Атенса, 1пс. νίΐιηίηβίοη, ΜΑ, содержит трехступенчатое устройство диспергирования. Это устройство может содержать вплоть до трех наборов ротор/статор (генераторов) с возможностью выбора мелких, средних, крупных и супермелких частиц для каждой ступени. Это позволяет создавать дисперсии с узким распределением желаемого размера пузырьков (например, пузырьков синтез-газа). В некоторых вариантах осуществления каждая из ступеней подключена к генератору супермелких частиц. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из генераторных наборов имеет минимальный зазор между ротором и статором (ширину сдвигового зазора), который составляет более 5,08 мм (0,20 дюйма). В альтернативных вариантах осуществления по меньшей мере в одном из генераторных наборов минимальный зазор между ротором и статором составляет более 1,78 мм (0,07 дюйма).
Что касается фиг. 2, то на ней представлен продольный разрез подходящего устройства 200 высокой скорости сдвига. Устройство 200 высокой скорости сдвига фиг. 2 - это диспергирующее устройство, содержащее три ступени или набора ротор/статор. Устройство 200 высокой скорости сдвига - диспергирующее устройство, содержащее три ступени или набора ротор/статор, 220, 230 и 240. Наборы ротор/статор могут, в частности, называться генераторами 220, 230, 240 или ступенями. Три набора ротор/статор или три генератора 220, 230 и 240 расположены последовательно вдоль приводного вала 250.
Первый генератор 220 содержит ротор 222 и статор 227. Второй генератор 230 содержит ротор 223 и статор 228. Третий генератор 240 содержит ротор 224 и статор 229. В каждом генераторе ротор приводится во вращение приводным валом 250 и вращается вокруг оси 260 в направлении, указанном стрелкой 265. Направление вращения может быть противоположным тому, что показано стрелкой 265 (например, по часовой или против часовой стрелки вокруг оси вращения 260). Статоры 227, 228 и 229 неподвижно соединены со стенкой 255 устройства 200 высокой скорости сдвига.
Как упоминалось выше, каждый генератор имеет некую ширину сдвигового зазора, которая представляет собой минимальное расстояние между ротором и статором. В варианте осуществления фиг. 2 первый генератор 220 содержит первый сдвиговый зазор 225, второй генератор 230 содержит второй сдвиговый зазор 235, а третий генератор 240 содержит третий сдвиговый зазор 245. В вариантах осуществления ширина сдвиговых зазоров 225, 235, 245 находится в диапазоне от 0,025 до 10,0 мм. В качестве альтернативы, используется устройство высокой скорости сдвига, в котором ширина зазоров 225, 235,
- 6 020289
245 находится в диапазоне от 0,5 до 2,5 мм. В отдельных случаях ширина сдвигового зазора поддерживается около значения 1,5 мм. В качестве альтернативы, ширина сдвиговых зазоров 225, 235, 245 в генераторах 220, 230, 240 имеет различные значения. В отдельных случаях ширина сдвигового зазора 225 первого генератора 220 превышает ширину сдвигового зазора 235 второго генератора 230, которая, в свою очередь, превышает ширину сдвигового зазора 245 третьего генератора 240. Как упоминалось выше, генераторы каждой ступени могут взаимозаменяться, придавая устройству эксплуатационную гибкость. Устройство 200 высокой скорости сдвига может быть выполнено так, чтобы скорость сдвига повышалась постепенно вдоль направления потока 260.
Генераторы 220, 230 и 240 могут характеризоваться крупной, средней, мелкой и очень мелкой шириной зазора. Роторы 222, 223 и 224 и статоры 227, 228 и 229 могут иметь зубчатую конструкцию. Каждый генератор может содержать два или более двух наборов роторно-статорных зубцов. В вариантах осуществления роторы 222, 223 и 224 содержат более десяти роторных зубцов, расположенных на одной окружности каждого ротора. В вариантах осуществления роторы 227, 228 и 229 содержат более десяти статорных зубцов, расположенных на одной окружности каждого статора. В вариантах осуществления внутренний диаметр ротора составляет около 12 см. В вариантах осуществления внутренний диаметр ротора составляет около 6 см. В вариантах осуществления внутренний диаметр статора составляет около 15 см. В вариантах осуществления внутренний диаметр статора составляетоколо 6,4 см. В некоторых вариантах осуществления диаметр ротора равен 60 мм, а диаметр статора - 64 мм, что дает зазор размером около 4 мм. В некоторых вариантах осуществления каждая из трех ступеней подключена к высокодисперсному генератору со сдвиговым зазором, составляющим от 0,025 до 4 мм. В заявках, в которых частицы твердого катализатора пропускают через устройство 40 высокой скорости сдвига, возможен выбор надлежащей ширины сдвигового зазора (минимального зазора между ротором и статором) с целью надлежащего снижения размера частиц и повышения площади поверхности частиц. В вариантах осуществления увеличение площади поверхности катализатора путем сдвигового деформирования или диспергирования частиц может оказаться полезным.
Устройство 200 высокой скорости сдвига выполняют для приема жидкой смеси, поступающей из линии 13, к входному отверстию 205. Смесь содержит газ, состоящий из оксида углерода и водорода, в качестве диспергируемой фазы и жидкую среду в качестве непрерывной фазы. В вариантах осуществления жидкая смесь дополнительно содержит измельченный компонент твердого катализатора. Питающий поток, поступающий во входное отверстие 205, периодически прокачивается через генераторы 220, 230, а затем через генератор 240 с целью образования дисперсии продукта. Дисперсия продукта выходит из устройства 200 высокой скорости сдвига через выпускное отверстие 210 (и линию 18 фиг. 1). Роторы 222, 223, 224 каждого генератора вращаются с высокой скоростью относительно неподвижных статоров 227, 228, 229, обеспечивая высокую скорость сдвига. Роторы за счет вращения прокачивают текучую среду, например питающий поток, поступающий во входное отверстие 205, снаружи через сдвиговые зазоры (и при наличии через пространства между зубцами ротора и через пространства между зубцами статора), создавая локализованное состояние высокой скорости сдвига. За счет больших сдвиговых усилий, оказываемых на текучую среду в сдвиговых зазорах 225, 235 и 245 (и при наличии в зазорах между зубцами ротора и зубцами статора), через которые протекает текучая среда, которая перерабатывается и образуется дисперсия продукта. Дисперсия продукта выходит из устройства 200 высокой скорости сдвига через выпускное отверстие 210 (и линию 18 фиг. 1).
Дисперсия продукта, содержащая пузырьки синтез-газа и необязательно частицы катализатора в непрерывной жидкой фазе, может именоваться эмульсией. Средний размер пузырьков газа в дисперсии продукта составляет менее 5 мкм. В вариантах осуществления Η8Ό 40 вырабатывает дисперсию со средним размером пузырьков менее 1,5 мкм. В вариантах осуществления Η8Ό 40 вырабатывает дисперсию со средним размером пузырьков менее 1 мкм, предпочтительно пузырьки имеют субмикронный диаметр. В отдельных случаях средний размер пузырьков составляет от 0,1 до 1,0 мкм. В вариантах осуществления Η8Ό 40 вырабатывает дисперсию со средним размером пузырьков менее 400 нм. В вариантах осуществления Η8Ό 40 вырабатывает дисперсию со средним размером пузырьков менее 100 нм. Устройство 200 высокой скорости сдвига вырабатывает дисперсию, содержащую пузырьки газа, которые при атмосферном давлении сохраняются в диспергированном состоянии в течение по меньшей мере 15 мин.
Не стремясь ограничиться теорией, в химии эмульсий известно, что субмикронные частицы или пузырьки, диспергированные в жидкости, претерпевают движение, в основном, за счет эффектов броуновского движения. Пузырьки в дисперсии продукта, создаваемой устройством 200 высокой скорости сдвига, могут обладать большей подвижностью через пограничные слои частиц твердого катализатора, облегчая и ускоряя тем самым каталитическую реакцию за счет улучшенного переноса реагентов.
В отдельных случаях устройство 200 высокой скорости сдвига включает реактор Окрах РеасЮг® фирмы ΙΚΑ® \Уог1<5. 1пс. \νί1ιηίη§1οη. ЫС, и реактор фирмы АРУ Νοιίΐι Атенса, 1пс. \νί1ιηίη§1οη. МА. Доступно несколько моделей с различными входными/выходными соединениями, мощностью (в л.с.), окружной скоростью (измеряемой в фунтах/кв. дюйм) и скоростью потока.
Выбор устройства высокой скорости сдвига будет зависеть от требований по пропускной способности
- 7 020289 и желаемого размера частиц катализатора и/или пузырьков в дисперсии в линии 18 (фиг. 1), выходящей из выпускного отверстия 210 устройства 200 высокой скорости сдвига. Например, модель ΌΚ 2000/4 фирмы ΙΚΑ® включает в себя ременной привод, 4М генератор, уплотняющее кольцо из политетрафторэтилена (ПТФЭ), санитарный зажим для впускного фланца размером 25,4 мм (1 дюйм), санитарный зажим для выпускного фланца размером 19 мм (3/4 дюйма), имеет мощность 1,5 кВт (2 л.с.), частоту вращения выходного вала 7900 об/мин, пропускную способность (для воды) 300-700 л/ч (в зависимости от генератора), окружную скорость 9,4-41 м/с (1850-8070 футов/мин).
Реактор 10
Реакция Фишера-Тропша это гетерогенная каталитическая реакция, в которой участвует твердый катализатор, газообразные реагенты - оксид углерода и водород - и жидкий продукт. Реактором 10 может являться любой тип реактора, в котором можно проводить реакцию Фишера-Тропша. Например, можно использовать корпусной реактор с непрерывным или полунепрерывным перемешиванием либо один или несколько реакторов периодического действия, которые располагаются последовательно или параллельно. В вариантах осуществления реактор 10 включает один или несколько корпусных или трубчатых реакторов, расположенных последовательно или параллельно. Реактор 10 Фишера-Тропша может работать в качестве многотрубного реактора с неподвижным слоем, реактора с неподвижным суспензионным слоем, реактора с неподвижным псевдоожиженным слоем или в качестве циркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем, которые известны специалистам в данной области техники.
Реактор может иметь любое количество подводящих линий, при этом три такие линии показаны на фиг. 1 (линии 15, 18 и 45). Линия 18 обеспечивает доставку дисперсии реагирующего газа, состоящего из оксида углерода и водорода, в реактор 10. Через линию 18 дисперсия может поступать в нижнюю половину реактора 10, в качестве альтернативы, нижнюю 1/4 часть реактора 10. Подводящая линия 15 может быть соединена с реактором 10 для приема раствора или суспензии катализатора во время работы и/или во время запуска системы. Когда реактор 10 работает в качестве циркуляционного суспензионного реактора, подводящая линия 45 может соединяться с сепаратором 30 с целью введения концентрированной суспензии катализатора, из которой жидкие продукты были выведены в реактор 10. Реактор 10 может содержать выпускную линию 17 для извлечения газа из верхней части реактора 10. Линия 16 соединяется с нижней частью реактора 10 для выведения жидкого продукта из реактора 10. В вариантах осуществления, в которых используется неподвижный слой катализатора, т.е. если реактор 10 это многотрубный реактор с неподвижным слоем, реактор с неподвижным псевдоожиженным слоем или реактор с неподвижным суспензионным слоем, выпускная линия 16 может не содержать катализатора, а сепаратор может служить для отделения жидкой среды от получаемых углеводородов либо в некоторых заявках сепаратор 30 может отсутствовать. Предполагается, что реактор 10 может иметь множество линий 16 для продуктов реактора.
Конверсия Фишера-Тропша будет протекать при подходящих условиях по времени, температуре и давлению. В данном смысле конверсия синтез-газа может происходить в любой точке на схеме технологического процесса фиг. 1 при подходящих значениях температуры и давления. При использовании циркулирующего суспензионного катализатора (т.е. когда линия 21 содержит частицы катализатора) реакция более вероятно происходит в точках, расположенных снаружи от реактора 10, показанного на фиг. 1, чем в случае, когда поступление катализатора в реактор 10 ограничено. Тем не менее, часто необходимо использовать дискретный реактор 10, который позволяет увеличить продолжительность обработки, улучшить перемешивание, нагрев и/или охлаждение.
Реактор 10 может включать один или несколько следующих компонентов: систему перемешивания, систему терморегулирования, приборы для измерения давления, температуры, одну или несколько точек инжекции и регулятор уровня (не показан), известных в области конструирования реакционных сосудов. Например, система перемешивания может включать мешалку с приводом от двигателя. Система терморегулирования может содержать, например, теплообменник 70 с охлаждающими змеевиками или теплообменными трубками. В качестве альтернативы, поскольку в некоторых вариантах осуществления значительная часть реакции конверсии может происходить внутри Η8Ό 40, то в некоторых случаях реактор 10 может служить в качестве резервуара для хранения. Хотя обычно этого не особо желают, в некоторых заявках реактор 10 можно не включать, в частности, если используют несколько последовательно расположенных устройств 40 высокой скорости сдвига, что описывается ниже.
Сепаратор 30
Сепаратором 30 может являться любое устройство, подходящее для отделения концентрированной суспензии катализатора от жидких углеводородных продуктов, образующихся в системе 100, и от любой жидкой среды, загружаемой в систему. Например, сепаратор 30 может быть выбран из гидроциклонов, гравитационных сепараторов, фильтров и магнитных сепараторов. В некоторых вариантах осуществления сепаратором 30 может являться дистилляционная колонна, посредством которой жидкие углеводороды и загружаемая жидкость могут быть отделены от катализатора Фишера-Тропша. В тех вариантах осуществления, в которых газ выводится вместе с жидким углеводородным продуктом в линии 16, для отделения газообразного продукта и непрореагировавших оксида углерода и водорода от жидкого углеводородного продукта и жидкой среды может служить дополнительный сепаратор. Непрореагировавшие
- 8 020289 оксид углерода и водород могут быть отделены от низкокипящих газообразных углеводородов и рециркулированы в Η8Ό 40. Если продукт в линии 16 содержит катализатор, то отделенный жидкий углеводород можно далее вводить в сепаратор 30 для удаления концентрированного потока катализатора из жидкого углеводородного продукта.
Устройства теплопередачи
В дополнение к вышеупомянутым нагревательным/охлаждающим возможностям реактора 10 в вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг. 1, предполагаются также другие внешние или внутренние устройства теплопередачи для нагрева или охлаждения технологического потока. Поскольку конверсия Фишера-Тропша является высокоэкзотермичной, тепло может отводиться от реактора 10 по любому способу, известному специалисту в данной области техники. Например, реактор 10 может содержать один или несколько внутренних устройств 70 теплопередачи. Также предполагается использование внешних нагревательных и/или охлаждающих устройств теплопередачи. Некоторые подходящие места расположения для одного или нескольких таких устройств теплопередачи находятся между насосом 5 и Η8Ό 40, между Η8Ό 40 и реактором 10 и перед насосом 5. В варианте осуществления фиг. 1 устройство 60 теплопередачи расположено на линии 50 рециркуляции газа. В вариантах осуществления устройство 60 теплопередачи - это холодильник. Вариант осуществления фиг. 1 также содержит устройство 80 теплопередачи, расположенное на линии 21. Устройство 80 теплопередачи может представлять собой, например, холодильник. Некоторыми неограничивающими примерами таких устройств теплопередачи являются холодильники и кожуховые, трубчатые, пластинчатые и змеевиковые теплообменники, известные в данной области техники.
Насосы
Насос 5, выполненный либо для непрерывной, либо для полунепрерывной работы, может представлять собой любое подходящее насосное устройство, которое способно создавать давление более 202,65 кПа (2 атм), предпочтительно более 303,975 кПа (3 атм), что позволяет регулировать поток через Η8Ό 40 и систему 100. Например, одним из подходящих насосов может являться шестеренчатый насос Корег 1 типа, Корег Ритр Сотрапу (Соттегсе Сеогща). насос для повышения давления Эау1оп. модель 2Р372Е, Эау1оп Е1ес1пс Со. (ЫНек, 1Ь). Предпочтительно все контактирующие детали насоса изготовлены из нержавеющей стали, например нержавеющей стали марки 316. В некоторых вариантах осуществления системы насос 5 способен создавать давления, превышающие 2026,5 кПа (20 атм). В дополнение к насосу 5 в систему, показанную на фиг. 1, может быть включен один или несколько дополнительных насосов высокого давления (не показаны). Например, насос высокого давления, который похож на насос 5, может быть размещен между Η8Ό 40 и реактором 10 для повышения давления внутри реактора 10. Такой насос высокого давления способен создавать давления от 500 кПа (72,5 фунтов/кв.дюйм) до 1500 кПа (725 фунтов/кв.дюйм), от 1500 кПа (218 фунтов/кв.дюйм) до 3500 кПа (508 фунтов/кв.дюйм) или от 2000 кПа (290 фунтов/кв.дюйм) до 3000 кПа (435 фунтов/кв.дюйм). В качестве другого примера, дополнительный подающий насос, который похож на насос 5, может быть размещен для введения дополнительных реагентов или катализатора в реактор 10, например, через линию 15.
Получение углеводородов конверсией синтез-газа по Фишеру-Тропшу
Теперь обсудим работу системы 100 конверсии синтез-газа высокой скорости сдвига со ссылкой на фиг. 1. Систему сначала загружают подходящей жидкой средой, внутри которой будут диспергировать газы, вступающие в реакцию Фишера-Тропша. Первоначальная загрузка жидкой среды может быть различных типов. К подходящим углеводородным жидкостям относятся любые алифактические или ароматические органические жидкости с низкой вязкостью. Также можно использовать любой инертный носитель, такой как силиконовое масло. Кроме того, можно использовать и другие жидкости, например воду; однако в результате диссоциации воды возможно образование побочных продуктов - спиртов и альдегидов. В общем, присутствие любых источников кислорода нежелательно вследствие возможного окисления СО до СО2. Выбор жидкости будет зависеть от желаемых продуктов реакции, образующихся в процессе Фишера-Тропша, и от их растворимости в выбранной органической жидкости. Желательно, чтобы первоначальная загрузка жидкой среды включала в себя один или несколько жидких углеводородных продуктов, образующихся в реакции Фишера-Тропша, с целью устранения необходимости в отделении жидких углеводородных продуктов, образующихся в системе 100 высокой скорости сдвига, от первоначально загружаемой жидкой среды.
Линия 22 диспергируемого газа содержит синтез-газ, превращаемый посредством конверсии Фишера-Тропша в углеводороды С2+. Синтез-газ можно приготавливать или получать, используя любой способ, известный в данной области техники, включая неполное окисление углеводородов, паровой риформинг и автотермический риформинг. На длину углеводородной цепи продуктов, получаемых конверсией Фишера-Тропша, влияет состав (или соотношение водорода к оксиду углерода) синтез-газа, условия реакции и селективность катализатора. В вариантах осуществления соотношение Щ:СО в потоке диспергируемого синтез-газа, поступающего в линию 22, составляет от 1:1 до 5:1. В вариантах осуществления соотношение Щ:СО в потоке диспергируемого синтез-газа, поступающего в линию 22, составляет от 1,7:1 до 3:1. В вариантах осуществления соотношение Щ:СО равно 2. Как правило, синтез-газ получают риформингом газа или газификацией твердых веществ, в зависимости от доступного исходного материа
- 9 020289 ла или сырья. В вариантах осуществления газ, состоящий из оксида углерода и водорода, в линии 22 диспергирования получают риформингом или неполным окислением природного газа. В вариантах осуществления синтез-газа в линии 22 получают газификацией твердого материала, такого как уголь, биомасса и биовосстанавливаемые ресурсы (но перечень этим не ограничивается).
В вариантах осуществления диспергируемый газ подают прямо в Η8Ό 40 вместо объединения его с потоком жидких реагентов (например, жидкой средой) в линии 13. Насос 5 может использоваться для прокачки жидкого потока (который будет содержать жидкую среду и может также содержать углеводородные продукты при работе в циклическом режиме, а в режиме работы с циркуляцией суспензии также может содержать углеводородные продукты и катализатор) через линию 21, для создания давления и для загрузки Η8Ό 40, обеспечивая регулируемый поток через Η8Ό 40 и систему 100 высокой скорости сдвига. В некоторых вариантах осуществления насос 5 повышает давление потока, входящего в Η8Ό, более чем на 200 кПа (29 фунтов/кв.дюйм), более чем на 300 кПа (43,5 фунтов/кв.дюйм), более чем на 500 кПа (72,5 фунтов/кв.дюйм), более чем на 1000 кПа (145 фунтов/кв.дюйм) или более чем на 1500 кПа (218 фунтов/кв.дюйм). Таким образом, система 100 высокой скорости сдвига может сочетать в себе высокую скорость сдвига с давлением, улучшая тщательное перемешивание реагентов.
Устройство теплопередачи может располагаться на линии 21 или на линии 13 для охлаждения жидкой среды. В варианте осуществления фиг. 1 теплообменник 80 расположен на линии 21.
После прокачки диспергируемый газ из линии 22 и жидкость из линии 13 смешиваются внутри Η8Ό 40, которое служит для создания тонкой дисперсии газа, состоящего из оксида углерода и водорода, в жидкости. В закрытом, внешнем Η8Ό 40 синтез-газ и жидкость диспергируются в высокой степени, так что образуются нанопузырьки, субмикронные пузырьки и/или микропузырьки газообразных реагентов в жидкой среде, превосходно растворяющиеся в растворе, что позволяет улучшить перемешивание реагентов. Для создания дисперсии газообразных реагентов - оксида углерода и водорода - в жидкой среде, содержащей углеводороды, можно использовать, например, диспергатор ΙΚΑ®, модель ΌΚ. 2000/4, трехступенчатое диспергирующее устройство высокой скорости сдвига, имеющее три ротора и три статора, расположенные последовательно. Наборы ротор/статор могут быть выполнены, например, так, как показано на фиг. 2. Диспергированные реагенты поступают в устройство высокой скорости сдвига через линию 13 и на первую ступень набора ротор/статор. Роторы и статоры первой ступени могут иметь роторные и статорные зубцы, расположенные на одной окружности, соответственно. Грубая суспензия, выходящая из первой ступени, поступает во вторую роторно-статорную ступень. Ротор и статор второй ступени могут также содержать роторные и статорные зубцы, расположенные на одной окружности, соответственно. Дисперсия с уменьшенным размером пузырей, выходящая из второй ступени, поступает в третью ступень набора ротор/статор, которая включает ротор и статор с роторными и статорными зубцами, соответственно. Дисперсия выходит из устройства высокой скорости сдвига через линию 18. Дисперсия может дополнительно содержать частицы катализатора в вариантах осуществления, в которых катализатор циркулирует через Η8Ό 40. В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига повышается постепенно вдоль направления потока 260.
Например, в некоторых вариантах осуществления скорость сдвига на первой роторно-статорной ступени превышает скорость сдвига на последующей(их) ступени(ях). В других вариантах осуществления скорость сдвига, по существу, постоянна вдоль направления потока, при этом скорость сдвига на каждой ступени является, по существу, одинаковой.
Если устройство 40 высокой скорости сдвига имеет ПТФЭ уплотнение, то уплотнение можно охлаждать по любой подходящей методике, известной в данной области техники. Например, свежую суспензию катализатора или необязательно закачиваемые потоки низкокипящих углеводородов можно использовать для охлаждения уплотнения и при желании можно предварительно подогревать перед входом в систему 100 высокой скорости сдвига, например перед входом в устройство 40 высокой скорости сдвига.
Скорость вращения ротора(ов) в Η8Ό 40 можно настраивать до значения, сопоставимого с диаметром ротора и с необходимой окружной скоростью. Как описано выше, зазор между статором и ротором в устройстве высокой скорости сдвига (например, в коллоидной мельнице или диспергаторе с зубчатыми венцами) может иметь фиксированное или настраиваемое значение. Η8Ό 40 предназначено для тщательного перемешивания синтез-газа и жидкой среды (т.е. жидкого потока в линии 13, содержащего жидкую среду и необязательно содержащего жидкие углеводороды и/или катализатор). В некоторых вариантах осуществления процесса сопротивление переноса реагентов снижается при эксплуатации устройства высокой скорости сдвига так, что скорость реакции повышается более чем на 5%. В некоторых вариантах осуществления процесса сопротивление переноса реагентов снижается при эксплуатации устройства высокой скорости сдвига так, что скорость реакции увеличивается более чем в 5 раз. В некоторых вариантах осуществления скорость реакции увеличивается по меньшей мере в 10 раз. В некоторых вариантах осуществления скорость реакции увеличивается в 10-100 раз.
В некоторых вариантах осуществления Η8Ό 40 выпускает поток по меньшей мере 300 л/ч при окружной скорости, которая составляет по меньшей мере 4500 футов/мин (22,8 м/с) и может превышать 7900 футов/мин (40 м/с). Потребляемая мощность может составлять около 1,5 кВт. Хотя измерение мгновенных значений температуры и давления на конце лопатки вращающегося устройства скорости
- 10 020289 сдвига или вращающегося элемента в Η8Ό 40 затруднено, по оценкам, локализованная температура, наблюдаемая в тщательно смешиваемых реагентах, превышает 500°С при давлениях более 500 кг/см2 в кавитационном режиме. Перемешивание высокой скоростью сдвига приводит к образованию дисперсии пузырьков синтез-газа микронного или субмикронного размера. В некоторых вариантах осуществления средний размер пузырьков в получаемой дисперсии составляет менее 1,5 мкм. Соответственно, дисперсия, выходящая из Η8Ό 40 через линию 18, содержит пузырьки газа микронного и/или субмикронного размера. В некоторых вариантах осуществления средний размер пузырьков находится в диапазоне от 0,4 до 1,5 мкм. В некоторых вариантах осуществления средний размер пузырьков в получаемой дисперсии составляет менее 1 мкм. В некоторых вариантах осуществления средний размер пузырьков составляет менее 400 нм и в некоторых случаях может составлять менее 100 нм. Во многих вариантах осуществления микропузырьковая дисперсия способна сохраняться в диспергированном виде в течение по меньшей мере 15 мин при атмосферном давлении.
После диспергирования полученная дисперсия газожидкостной смеси или дисперсия смеси газа, жидкости и твердого вещества выходит из Η8Ό 40 через линию 18 и поступает в реактор 10, как показано на фиг. 1. Необязательно, дисперсию можно дополнительно обрабатывать (например, охлаждать) перед входом в реактор 10. В реакторе 10 конверсия Фишера-Тропша происходит/продолжается при контакте с катализатором Фишера-Тропша.
В вариантах осуществления жидкая среда и катализатор вначале смешиваются в реакторе 10. Жидкая среда и катализатор могут поступать в реактор 10 в виде суспензии, например, через подводящую линию 15. Предполагается, что реактор может иметь любое количество подводящих линий, при этом три такие линии показаны на фиг. 1 (линии 15, 18 и 45). В варианте осуществления реактор 10 загружают катализатором и катализатор при необходимости активируют по методикам, рекомендованным производителем(ями) катализатора, перед введением диспергируемого газа, состоящего из оксида углерода и водорода, в Η8Ό 40.
В вариантах осуществления, показанных на фиг. 1, катализаторная суспензия реактора 10 циркулирует через Η8Ό 40. В таких вариантах осуществления продукт в линии 16 содержит катализатор вместе с жидкими углеводородными продуктами и жидкую среду (которую используют, например, при запуске). В некоторых вариантах осуществления реактор 10 содержит неподвижный слой катализатора (например, неподвижный суспензионный слой), при этом катализатор выводится вместе с жидким продуктом в линии 16 и не циркулирует через Η8Ό 40. В вариантах осуществления с неподвижным слоем катализатора, в которых катализатор не циркулирует через Η8Ό 40, продукт в линии 16 содержит полученный углеводород и жидкую среду. Такой продукт можно сразу направлять для дальнейшей технологической обработки или возвращать, например, через линию 21 в Η8Ό 40 в случае многопроходного режима работы.
В варианте осуществления фиг. 1 поток газа выводится через линию 17 из газовой шапки над уровнем 75 катализаторной суспензии или слоя катализатора внутри реактора 10. В других случаях непрореагировавший синтез-газ и образующиеся газы (например, углеводороды, содержащие менее 6 атомов углерода) выводятся из реактора 10 через линию 16 в виде потока, смешанного с жидким углеводородным продуктом. В таких заявках газообразные и жидкие углеводородные продукты могут быть отделены от газа, состоящего из непрореагировавших оксида углерода и водорода, в устройстве, расположенном снаружи от реактора 10. В таких вариантах осуществления продукт, выводимый через линию 16, может содержать газообразный углеводородный продукт и непрореагировавший синтез-газ помимо жидкого углеводородного продукта и, необязательно, катализатора.
Как упоминалось выше, в таких случаях для отделения синтез-газа с целью повторного возвращения в Η8Ό 40 можно использовать сепаратор (не показан).
В результате тщательного перемешивания газообразных реагентов до поступления их в реактор 10 в том случае, когда катализатор циркулирует через систему 100, в Η8Ό 40 может протекать значительная часть химической реакции. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления реактор 10 можно использовать, в основном, для нагрева/охлаждения и отделения получаемых углеводородов от непрореагировавших реагентов и получаемых газов. В качестве альтернативы или дополнения, реактор 10 может служить в качестве основного реакционного сосуда, в котором образуется основная часть углеводородных продуктов, особенно в тех случаях, когда катализатор не циркулирует через систему 100, но связан с реактором 10. Например, в вариантах осуществления реактор 10 представляет собой реактор с неподвижным слоем (например, реактор с неподвижным псевдоожиженным слоем, реактор с неподвижным суспензионным слоем или многотрубный реактор с неподвижным слоем), содержащим катализатор, который не циркулирует через Η8Ό 40. В таких вариантах осуществления, несмотря на то что катализатор не циркулирует через Η8Ό 40, его (или суспензию) можно, кроме того, добавлять в реактор 10 или выводить оттуда либо он может быть замкнут в петлю около реактора 10. Т.е. хотя в некоторых вариантах осуществления катализатор не циркулирует через Η8Ό 40, он может, помимо этого, циркулировать внутри реактора 10 или может быть замкнут в петлю, помещен в реактор 10 или удален оттуда.
Реактор 10 может работать в режиме либо непрерывного, либо полунепрерывного потока, или он может работать в обоих режимах. Содержимое реактора 10 может поддерживаться при определенной температуре реакции с помощью нагревательных и/или охлаждающих средств (например, охлаждающих змеевиков) и средств для измерения температуры. Поскольку реакция Фишера-Тропша высоко экзотер
- 11 020289 мична, то реактор 10 может содержать внутренний теплообменник 70. Внутренним теплообменником 70 могут являться, например, один или несколько ожлаждающих змеевиков/теплообменных трубок, расположенных внутри реактора 10. За давлением в реакторе 10 можно наблюдать с помощью подходящего средства для измерения давления, уровень катализаторной суспензии в реакторе 10 можно регулировать с помощью регулятора уровня (не показан), используя методики, известные специалистам в данной области техники. Содержимое реактора можно перемешивать непрерывно или полунепрерывно.
Катализатор
Система 100 свысокой скорости сдвига содержит подходящий катализатор Фишера-Тропша, известный в данной области техники. В вариантах осуществления катализатор циркулирует по системе через линии 16, 21, 13 и 18. В других вариантах осуществления используется неподвижный катализатор, который удерживается внутри реактора 10. В любом случае используют подходящий катализатор Фишера-Тропша. Например, катализатор Фишера-Тропша может содержать нанесенный или ненанесенный метал VIII, IX или X группы. В вариантах осуществления метал VIII группы выбирают из железа, кобальта, рутения, никеля и их комбинаций. Активность никелевого и рутениевого катализаторов обычно недостаточно высока для коммерческого использования, а стоимость рутения часто делает его непривлекательным. Как правило, железо намного дешевле, а преимуществом кобальта является его повышенная активность и более длительный срок службы. Поскольку устройство высокой скорости сдвига дает возможность работать при пониженных температурах и использовать катализатор с большей эффективностью, раскрываемая система и способ могут сделать более привлекательным использование рутения и никеля. Металл катализатора можно наносить на неорганический огнеупорный оксид, например на оксид алюминия, кремния, алюмосиликаты, диоксид титана и оксиды IV группы. Катализатор может, дополнительно содержать металл-ускоритель, выбранный из рутения, платины, палладия, рения, церия, гафния, циркония, лантана, меди и их комбинаций.
Подходящий катализатор Фишера-Тропша можно вводить в реактор 10 через линию 15 в виде суспензии катализатора в жидкой среде или в виде потока катализатора. В некоторых вариантах осуществления катализатор непрерывно добавляют в реактор 10 через линию 15. В вариантах осуществления реактор 10 содержит неподвижный слой подходящего катализатора. В вариантах осуществления катализатор вводят в реактор 10 и активируют согласно протоколу производителя до инициирования конверсии синтез-газа. В качестве альтернативы или дополнения, свежий катализатор можно добавлять в другое место системы 100 Фишера-Тропша высокой скорости сдвига. Например, свежую суспензию катализатора впрыскивают в линию 21 или в линию 45. Отработанный катализатор можно выводить из системы 100 и заменять свежим катализатором при необходимости. Например, можно выводить часть катализатора линии 45 и вводить новый катализатор в реактор 10, например, через линию 15. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления линия 21 содержит углеводородный продукт, жидкую среду (которой может являться углеводородный продукт) и катализатор, а в других вариантах осуществления по линии 21 переносится жидкий поток, содержащий углеводородный продукт и жидкую среду, без катализатора.
Синтез-газ на линии 22 диспергирования газа превращается в газообразные и жидкие углеводороды (например, олефины, парафины и окисленные продукты) при контакте с катализатором Фишера-Тропша. Процесс Фишера-Тропша можно проводить либо как высокотемпературный процесс Фишера-Тропша (НТРТ), или, пожалуй, что более желательно, как низкотемпературный процесс Фишера-Тропша (ЬТРТ). В вариантах осуществления конверсия Фишера-Тропша проводится как процесс ЬТРТ, а рабочая температура находится в диапазоне от 180 до 240°С. В вариантах осуществления конверсия Фишера-Тропша проводится как процесс НТРТ, а температура находится в диапазоне от 300 до 350°С. В вариантах осуществления выбирают процесс НТРТ, а катализатор содержит железо. В вариантах осуществления выбирают процесс ЬТРТ, а катализатор содержит железо и кобальт. В вариантах осуществления температура реактора 10 поддерживается в диапазоне от 180 до 280°С, в качестве альтернативы, в диапазоне от 190 до 240°С.
В вариантах осуществления давление в реакторе 10 может составлять от 500 кПа (72,5 фунтов/кв.дюйм) до 1500 кПа (725 фунтов/кв.дюйм). В вариантах осуществления давление в реакторе 10 может составлять от 1500 кПа (218 фунтов/кв.дюйм) до 3500 кПа (508 фунтов/кв.дюйм). В вариантах осуществления давление в реакторе 10 может составлять от 2000 кПа (290 фунтов/кв. юйм) до 3000 кПа (435 фунтов/кв.дюйм). В вариантах осуществления реактор 10 работает приблизительно при атмосферном давлении.
Углеводородные продукты могут производиться либо непрерывно, полунепрерывно, либо частями, в зависимости от конкретной заявки. Непрореагировавший и получаемый газы могут выходить из реактора 10 через газовую линию 17. Этот газовый поток может содержать непрореагировавшие оксид углерода и водород, а также низкокипящие углеводородные продукты, водяной пар и инертный газ. Газ реакционной среды, выводимый через линию 17, можно, кроме того, перерабатывать, а его компоненты при желании можно рециркулировать. Например, часть газа в линии 17 можно удалять продувкой. Газообразные углеводороды С2+ (обычно содержащие менее 6 атомов углерода) можно отделять от продувочного потока и возвращать обратно в систему 100 высокой скорости сдвига или отправлять для дальнейшей переработки. Часть газа в линии 17 можно рециркулировать в качестве реагента в Н8Б 40 через линию 50. Тепло, выделяющееся при экзотермичной реакции Фишера-Тропша, необходимо отводить от части газа в линии 17, возвращаемой обратно в Н8Б 40. В вариантах осуществления низкокипящие угле
- 12 020289 водородные продукты и водяной пар можно удалять из реагирующего газа и газообразных углеводородов с 1-3 атомами углерода (например, метана, этана, пропана) посредством введения газа в холодильник 60. Конденсированные жидкости, содержащие воду и низкокипящие углеводороды, могут таким образом отделяться (и выводиться из системы 100 высокой скорости сдвига) от потока газа, содержащего оксид углерода, водород и газообразные углеводороды с 1-3 атомами углерода. Поток газа из холодильника 60 может рециркулироваться в реактор 10 через линию 22. Если газообразные реагенты в линии 22 не были предварительно охлаждены, то линию 22 можно ввести в линию 50 с тем? чтобы свежие газообразные реагенты охлаждались в теплообменнике 60.
Жидкие углеводородные продукты с 5 и более атомами углеродов извлекают из системы 100 Фишера-Тропша высокой скорости сдвига через выпускную линию 16 для продуктов. Выпускная линия 16 для продуктов может располагаться в пределах нижней половины реактора 10, в качестве альтернативы, в пределах нижней 1/5 части реактора 10. Текучая среда может непрерывно циркулировать через линию 21, и конверсия Фишера-Тропша продолжается на протяжении периода времени, достаточного для получения желаемого углеводородного продукта, после которого реакцию прекращают по способам, известным специалистам в данной области техники. Реактивацию катализатора можно выполнять средствами, известными опытным специалистам в данной области техники.
В вариантах осуществления поток продукта в линии 16 содержит получаемые углеводороды, жидкую среду и катализатор. В вариантах осуществления поток продукта в линии 16 содержит получаемые углеводороды и жидкую среду. При использовании циркулирующей суспензии катализатора углеводородный продукт, содержащий получаемые углеводороды, жидкую среду и катализатор, можно вводить в сепаратор 30 для отделения продукта от катализатора. Отделенная концентрированная суспензия катализатора может обратно возвращаться в реактор 10, например, через линию 45. Продукт, свободный от катализатора, направляют на дальнейшую переработку, например, через линию 35.
В вариантах осуществления по меньшей мере часть реакторной выгрузки в линии 16 поступает в линию 21 насоса 5 и циркулирует в Η8Ό 40. В таких вариантах осуществления теплообменник 80 можно использовать для снижения температуры в линии 21. В вариантах осуществления реактор 10 содержит суспензию катализатора, и часть суспензии выходит из реактора 10 через линию 16 и поступает в насос 5 через впускную линию 21 насоса. Воду можно выводить из части реакторной выгрузки в линии 16, которая повторно возвращается в систему 100, по способам, известным в данной области техники. Холодильник 80 можно использовать для удаления воды и отведения тепла, выделяемого при реакции, от жидкости в линии 21. После прокачки суспензию под давлением смешивают с синтез-газом через линию 22 диспергирования газа в устройстве 40 высокой скорости сдвига, которое предназначено для тщательного перемешивания реагентов и катализатора. В вариантах осуществления реактор 10 содержит нециркулирующий слой (суспензионный, неподвижный или псевдоожиженный) катализатора, а линия 21 содержит поток жидких углеводородов, свободных от катализатора, из линии 16 реактора 10.
Углеводородный продукт, полученный с использованием системы и процесса высокой скорости сдвига, может содержать смесь углеводородов с длиной цепи, состоящей из более 5 атомов углерода. Жидкий углеводородный продукт может содержать смесь углеводородов с длиной цепи, состоящей из 590 атомов углерода. В вариантах осуществления большая часть углеводородов в жидком углеводородном продукте имеет длину цепи в диапазоне от 5 до 30 атомов углерода. Модернизация производства позволяет получать широкий круг коммерческих продуктов, таких как бензин, свечной парафин и средние дистиллятные топлива, включая дизельное топливо, тяжелый бензин и керосин.
Однопроходной режим работы
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, система выполнена для многопроходного режима работы, в котором часть потока, выходящего из реактора 10, направляется обратно в Η8Ό 40. В вариантах осуществления желателен однопроходной режим работы. В данном случае продукт в линии 16 (в случае обработки неподвижным слоем катализатора) или в линии 35 (в случае обработки циркулирующим катализатором) может направляться сразу для дальнейшей обработки с целью извлечения желаемых продуктов. В некоторых вариантах осуществления желательно пропускать содержимое линии 16 или ее жидкую фракцию через Η8Ό 40 за несколько проходов, как это описывалось выше. В данном случае линия 16 может быть соединена с линией 21, как указано на фиг. 1, с тем, чтобы по меньшей мере часть содержимого линии 16 рециркулировалась из реактора 10 и нагнеталась насосом 5 в линию 13, а оттуда в Η8Ό 40. Дополнительную часть синтез-газа можно вводить через линию 22 в линию 13 или ее можно добавлять непосредственно в устройство высокой скорости сдвига (не показано).
Составные перемешивающие устройства высокой скорости сдвига
В некоторых вариантах осуществления два или несколько устройств высокой скорости сдвига, подобных Η8Ό 40 или выполненных отличными от него, располагают последовательно и используют для дополнительного ускорения реакции. Эксплуатация последовательных устройств 40 высокой скорости сдвига может осуществляться либо в пакетном, либо в непрерывном режиме. В некоторых случаях, когда катализатор циркулирует через Η8Ό 40 через линию 21, использование составных устройств высокой скорости сдвига, расположенных последовательно, позволяет осуществлять меньшее число проходов через систему с целью достижения желаемых характеристик продукта. Например, в вариантах осуществ
- 13 020289 ления дисперсия 18 на выходе может поступать во второе устройство высокой скорости сдвига. При последовательной работе составных устройств 40 высокой скорости сдвига дополнительную часть синтезгаза можно вводить в каждое устройство высокой скорости сдвига через впускное отверстие питающего потока. В некоторых вариантах осуществления составные устройства 40 высокой скорости сдвига работают параллельно, а выходящие из них дисперсии поступают в один или несколько реакторов 10.
Последовательная переработка
Жидкие углеводородные продукты, отделенные от линии 16 продукта или отделенные и сконденсированные из газовой линии 17, могут быть подвергнуты гидрокрекингу. Гидрокрекинг может представлять собой каталитический гидрокрекинг, в котором жидкий углеводородный продукт контактирует с катализатором гидрокрекинга.
Подходящий катализатор гидрокрекинга может содержать металл, выбранный из никеля, молибдена, кобальта, вольфрама или их комбинаций. Металлический катализатор может быть нанесен на подложку, выбранную из оксида кремния, алюмосиликатов и цеолитов.
Увеличение площади поверхности пузырьков синтез-газа микрометрового и/или субмикрометрового размера в дисперсии в линии 18, образующейся внутри устройства 40 высокой скорости сдвига, приводит к ускорению и/или к более полному завершению реакции водорода и оксида углерода внутри реактора 10 и, если выбран режим работы с циркулирующим катализатором, по всей системе 100 высокой скорости сдвига. Как упоминалось выше, возможными преимуществами являются способность реактора 10 работать при пониженных температурах и давлениях, что приводит к снижению эксплуатационных и капитальных расходов. Эксплуатация реактора 10 Фишера-Тропша при пониженной температуре может повышать выработку тяжелых углеводородов. К преимуществам настоящего изобретения могут относиться (но перечень этим не ограничивается) более быстрое время цикла, повышенная пропускная способность, сниженные эксплуатационные и/или капитальные расходы благодаря возможности конструирования меньшего реактора 10 Фишера-Тропша, эксплуатация реактора 10 при пониженной температуре и/или давлении конверсии Фишера-Тропша и/или возможное снижение количества катализатора.
Применение усиленного перемешивания реагентов посредством Η8Ό 40 дает возможность повысить конверсию синтез-газа по Фишеру-Тропшу. В некоторых вариантах осуществления усиленное перемешивание дает возможность повысить пропускную способность для обрабатываемого потока. В некоторых вариантах осуществления перемешивающее устройство высокой скорости сдвига внедряют в установившийся процесс, обеспечивая тем самым увеличение производительности (т.е. более высокую пропускную способность). Возможными преимуществами отдельных вариантов осуществления раскрытых способов являются снижение эксплуатационных расходов и увеличение производительности существующего процесса. Отдельные варианты осуществления раскрытых процессов, кроме того, дают преимущество снижения капитальных расходов на проектирование новых процессов. В вариантах осуществления за счет диспергирования синтез-газа в жидкую среду внутри устройства 40 высокой скорости сдвига уменьшается количество непрореагировавшего синтез-газа в линии 17. Не стремясь ограничиться частной теорией, предполагают, что уровень или степень перемешивания с высокой скоростью сдвига достаточны для повышения скорости массопереноса, а также дают локализованные неидеальные условия, обеспечивающие протекание таких реакций, которых по-другому нельзя ожидать, исходя из предваригельных оценок свободной энергии Г иббса. Локализованные неидеальные условия, которые, как полагают, возникают внутри устройства высокой скорости сдвига, приводят к повышенным температурам и давлениям, при этом полагают, что наиболее существенное увеличение происходит в значениях локализованного давления. Увеличение значений давления и температуры внутри устройства высокой скорости сдвига является мгновенным и локализованным, и эти параметры возвращаются в основное или среднее состояние системы после выхода потока из устройства высокой скорости сдвига. В некоторых случаях перемешивающее устройство высокой скорости сдвига вызывает кавитацию с интенсивностью, достаточной для диссоциации одного или нескольких реагентов на свободные радикалы, которые могут ускорять химическую реакцию или способствовать протеканию реакции при менее жестких условиях, которые могли бы потребоваться в иных способах. Кавитация может также повышать скорость процессов переноса за счет порождения локальной турбулентности и микроциркуляции жидкости (акустический поток). Обзор по применению явления кавитации в приложениях по химической/физической обработке дается в работе Сода1с с1 а1., Сауйайои: А 1ес11по1оду оп Не Ιιοπζοη. Сиггеи! 8с1епсе 91 (Νο. 1):35-46 (2006). Перемешивающее устройство высокой скорости сдвига в отдельных вариантах осуществления настоящей системы и способов вызывает кавитацию, посредством которой водород и оксид углерода диссоциируют на свободные радикалы, которые далее реагируют с образованием углеводородных продуктов.
В настоящих способах и системах конверсии синтез-газа в углеводороды С2+ по реакции ФишераТропша используется внешнее механическое устройство высокой скорости сдвига, обеспечивающее быстрый контакт и перемешивание химических ингредиентов в регулируемой среде реактора/устройства высокой скорости сдвига. Устройство высокой скорости сдвига снижает ограничения по массопереносу на реакцию и тем самым снижает суммарную скорость реакции, а также может способствовать существенному протеканию реакции оксида углерода и водорода при единых рабочих условиях, при которых нельзя ожидать существенного протекания реакции.
- 14 020289
В вариантах осуществления система и процесс настоящего раскрытия обеспечивают более высокую селективность к углеводородам С5+, чем в традиционных процессах Фишера-Тропша, в которых внешнее устройство высокой скорости сдвига отсутствует. В вариантах осуществления степень перемешивания во внешнем устройстве 40 высокой скорости сдвига изменяется с целью достижения желаемых характеристик выходящего продукта. В случае конверсии Фишера-Тропша понижение рабочей температуры уменьшает выход тяжелых углеводородов. Поскольку конверсия Фишера-Тропша высоко экзотермична, часто возникает проблема достаточного охлаждения реактора 10 Фишера-Тропша с целью получения углеводородов с более длинной цепью. Для инициации и поддержания реакции Фишера-Тропша требуется определенное количество энергии (а именно, тепловой энергии). Как правило, рабочая температура будет превышать 180°С. В вариантах осуществления процесс Фишера-Тропша высокой скорости сдвига, раскрытый в настоящем изобретении, позволяет эксплуатировать реактор 10 Фишера-Тропша при пониженной температуре, при которой получаются углеводороды с более длинной цепью. В вариантах осуществления использование настоящей системы и способа для получения углеводородов С2+ по Фишеру-Тропшу делает экономически возможным использование рутениевого и/или никелевого катализаторов в коммерческом масштабе за счет увеличения контакта реагентов с катализатором (за счет уменьшения сопротивления массопереносу).
Пример 1. Реакция оксида углерода и водорода при перемешивании с высокой скоростью сдвига.
Следующий пример демонстрирует способность устройства высокой скорости сдвига облегчать реакцию между оксидом углерода и водородом в процедуре конверсии синтез-газа, схожей с общеизвестной реакцией Фишера-Тропша, в которой синтезируются углеводороды с высокой молекулярной массой.
Внешнюю мельницу 40 ΙΚΑ МК 2000 (торговая марка фирмы ΙΚΑ \Уог1<5. 1пс \νί1ιηίη§1οπ. ЫС) соединяют с 10-литровым смешивающим реактором. Устройства, используемые для проведения реакции СО и Н2 в процессе 400 высокой скорости сдвига, показаны схематически на фиг. 3 в качестве примера.
10-литровый реактор 10 формируют сваркой секций труб из нержавеющей стали диаметром 10 дюймов (254 мм) с опорной плитой и верхней плитой, снабженной валом мешалки и уплотнением. Реактор 10 содержит внутреннюю лопастную мешалку 110 и охлаждающий змеевик 125. Реактор 10 также содержит клапан сброса давления, выпускную линию 21, температурный датчик 2 и манометр 3. Для нагрева реактора 10 во время запуска используют нагревательный кожух 120.
Реактор 10 загружают 8 л метанола (безводного, 99,8%), используемого в качестве жидкостиносителя, и 5 г катализатора на основе додекакарбонила трирутения (99%), оба реагента поставляются фирмой 8щта-Л1бпс11 СотротаДоп, 8). Ьош8, МНкоип.
Реактор 10 уплотняют и продувают водородом. Циркуляцию катализаторной суспензии начинают вместе с нагревом. Рециркуляционный насос 5 представляет собой шестеренчатый насос Корег 1 типа, Корег Ритр Сотрапу (Соттегсе Оеогд1а).
Поток диспергируемого газа, содержащий поток смешанного газа с молярным соотношением Н2:СО, равным 2, подают через диспергирующую подводящую линию 22 к впускному отверстию устройства 40 ΙΚΑ при температуре окружающей среды и поток газа регулируют с помощью клапана сброса давления (не показан), расположенного между распределительным коллектором (не показан) и реакторным устройством 40 ΙΚΑ. Затем проводят реакцию, поддерживая поступление потока смешанных газов в реактор. Значения давления и температуры представлены в табл. 1.
Таблица 1
Значения давления и температуры для примера 1
Время (мин) Давление насоса 5 Давление в реакторе 10 Температура (’С) Поток смешанного газа (см3/мин)
(фунтов/кв, дюйм, манометриче ское) кПа (фунтов/кв. дюйм, манометриче ское) кПа
0 80 552 23 159 61 50
60 122 841 70 531 77 81
120 162 1117 115 538 78 183
180 193 1331 154 545 79 200
Чрезмерно летучие вещества вентилируют по реактору 10 через холодильник 130, который охлаждается водой. Вентиляционную газовую линию 17 реактора 10 используют для выпуска избытка водоро- 15 020289 да, СО и летучих продуктов реакции. Частоту устройства 40 высокой скорости сдвига устанавливают при значении 60 Гц. Через 180 мин прекращают пропускание потока смешанного газа в линии 22, давление реактора 10 снижается, и систему 400 высокой скорости сдвига оставляют охлаждаться до комнатной температуры. Вынимают образец из реактора 10 и анализируют его методом газовой хроматографии. Результаты анализа представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты газовой хроматографии для образца из примера 1
Результаты указывают на то, что система вырабатывает несколько углеводородных продуктов реакции с высокой молекулярной массой (С5+).
Несмотря на то что показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления, специалист в данной области техники может осуществить их модификации, не отклоняясь от сути и идей изобретения. Варианты осуществления, описанные в данном документе, приведены лишь в качестве примера и не предназначены для ограничения. Многие вариации и модификации изобретения, раскрытого в этом документе, являются возможными и находятся в пределах объема изобретения. В тех случаях, когда числовые диапазоны и пределы установлены точно, следует понимать, что такие точные диапазоны и пределы включают повторяющиеся диапазоны и пределы схожей величины, попадающей в пределы точно заданных диапазонов и пределов (например, диапазон от 1 до 10 включает 2, 3, 4 и т.д.; значения более 0,10 включают 0,11, 0,12, 0,13 и т.д.). Использование термина необязательно по отношению к какому-либо элементу формулы изобретения означает, что элемент предмета является необходимым или, в качестве альтернативы, не является необходимым. Предполагается, что обе альтернативы находятся в пределах объема формулы изобретения. Следует понимать, что использование более широких терминов, таких как содержит, включает, имеет и т.д., обеспечивает поддержку более узких терминов, таких как состоит из, состоящий, в основном, из, состоящий, по существу, из и т.п.
Соответственно, объем охраны не ограничивается вышеизложенным описанием, а только ограничивается следующей формулой изобретения, при этом объем охраны включает все эквиваленты предмета формулы изобретения. Каждый и любой пункт формулы изобретения включается в описание в виде варианта осуществления настоящего изобретения. Таким образом, формула изобретения является дополнительным описанием и дополнением к предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения. Раскрытия всех патентов, патентных заявок и изданий, цитированных в этом документе, включаются по ссылке, в пределах даваемых ими примерных, процедурных или других деталей, дополняющих детали, изложенные в этом документе.

Claims (18)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Способ получения углеводородов С2+, включающий образование дисперсии, содержащей пузырьки синтез-газа, диспергированные в жидкой фазе, содержащей углеводороды, в устройстве высокой скорости сдвига, причем средний диаметр указанных пузырьков синтез-газа составляет менее 1,5 мкм, введение дисперсии в реактор и выведение потока продукта, содержащего жидкие углеводороды, из реактора,
    - 16 020289 причем при образовании дисперсии воздействуют на смесь синтез-газа и жидкой фазы указанным устройством, имеющим скорость сдвига более 20000 с-1.
  2. 2. Способ по п.1, в котором синтез-газ генерируют риформингом природного газа, газификацией твердых веществ или их комбинацией.
  3. 3. Способ по п.2, в котором указанное твердое вещество выбирают из группы, включающей уголь, биомассы и биовосстанавливаемые ресурсы.
  4. 4. Способ по п.1, который дополнительно включает стадию рециркуляции по меньшей мере части потока продукта в устройство высокой скорости сдвига, причем указанный реактор содержит катализатор Фишера-Тропша.
  5. 5. Способ по п.4, в котором по меньшей мере часть потока продукта, рециркулируемого в устройство высокой скорости сдвига, содержит катализатор Фишера-Тропша.
  6. 6. Способ по п.4, в котором по меньшей мере в части потока продукта, рециркулируемого в устройство высокой скорости сдвига, по существу, отсутствует катализатор.
  7. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере один ротор, который при образовании дисперсии вращается с окружной скоростью на конце по меньшей мере 22,9 м/с.
  8. 8. Способ по п.1, в котором устройство высокой скорости сдвига создает локальное давление на конце по меньшей мере одного ротора по меньшей мере 1034,2 МПа.
  9. 9. Способ по п.1, в котором расход энергии устройства высокой скорости сдвига составляет более 1000 Вт/м3.
  10. 10. Способ превращения синтез-газа в углеводороды С2+, включающий образование жидкой смеси, содержащей синтез-газ и жидкость с углеводородами, обработку жидкой смеси устройством высокой скорости сдвига, имеющим скорость сдвига более 20000 с-1, для получения дисперсии пузырьков монооксида углерода и водорода со средним диаметром менее 1,5 мкм в непрерывной жидкой фазе и введение дисперсии в реактор Фишера-Тропша, из которого выводят продукт реактора.
  11. 11. Способ по п.10, который дополнительно включает выведение потока газа, содержащего непрореагировавший синтез-газ и газообразные углеводородные продукты С2+, из верхней части реактора и образование дополнительной дисперсии по меньшей мере с частью непрореагировавшего синтез-газа.
  12. 12. Способ по п.10, в котором средний диаметр пузырьков газа, содержащего водород и монооксид углерода, в дисперсии составляет менее 5 мкм.
  13. 13. Система превращения синтез-газа в углеводороды С2+, включающая по меньшей мере одно перемешивающее устройство высокой скорости сдвига, снабженное по меньшей мере одним ротором и по меньшей мере одним статором, разделенными сдвиговым зазором, значение которого составляет от 0,025 до 3,175 мм, и выполненное с возможностью вырабатывания окружной скорости на конце по меньшей мере одного ротора более 22,9 м/с, насос, выполненный с возможностью нагнетания потока текучей среды, содержащего жидкую среду, в перемешивающее устройство высокой скорости сдвига, и реактор Фишера-Тропша, соединенный текучей средой с выходом устройства высокой скорости сдвига и имеющий выпускное отверстие потока продукта, содержащего жидкие углеводороды.
  14. 14. Система по п.13, в которой по меньшей мере одно перемешивающее устройство высокой скорости сдвига выполнено с возможностью получения дисперсии пузырьков газа, содержащего водород и монооксид углерода, в жидкой фазе, со средним диаметром пузырьков менее 5 нм.
  15. 15. Система по п.13, в которой реактором является суспензионный реактор, а поток продукта дополнительно содержит катализатор, при этом система дополнительно включает сепаратор, снабженный впускным отверстием, соединенным с выпускным отверстием потока продукта и выпускным отверстием потока катализаторной суспензии, из которого выводится по меньшей мере часть жидких углеводородов, и выпускным отверстием потока, содержащего жидкие углеводороды.
  16. 16. Система по п.15, которая дополнительно включает рециркуляционный трубопровод, соединенный с выпускным отверстием потока катализаторной суспензии и со входом в реактор Фишера-Тропша.
  17. 17. Система по п.13, в которой по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере два генератора.
  18. 18. Система по п.17, в которой скорость сдвига, создаваемая одним генератором, больше скорости сдвига, создаваемой другим генератором.
EA200901336A 2007-06-27 2008-06-24 Способ получения углеводородов с2+, система и способ превращения синтез-газа в углеводороды с2+ EA020289B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US94646807P 2007-06-27 2007-06-27
PCT/US2008/067970 WO2009002957A1 (en) 2007-06-27 2008-06-24 System and process for fischer-tropsch conversion

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA200901336A1 EA200901336A1 (ru) 2010-02-26
EA020289B1 true EA020289B1 (ru) 2014-10-30

Family

ID=40160273

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA200901336A EA020289B1 (ru) 2007-06-27 2008-06-24 Способ получения углеводородов с2+, система и способ превращения синтез-газа в углеводороды с2+

Country Status (6)

Country Link
US (2) US8133925B2 (ru)
EP (1) EP2114843B1 (ru)
CN (1) CN101668725A (ru)
CA (1) CA2679470C (ru)
EA (1) EA020289B1 (ru)
WO (1) WO2009002957A1 (ru)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8026403B2 (en) * 2007-06-27 2011-09-27 H R D Corporation System and process for production of liquid product from light gas
US8394861B2 (en) 2007-06-27 2013-03-12 Hrd Corporation Gasification of carbonaceous materials and gas to liquid processes
BRPI0919583A2 (pt) * 2008-10-01 2015-12-08 H R D Corp sistema para aplicar tensão de cisalhamento ex-situ a um fluido, e, métodos para preparar um fluido para administração intravenosa a um paciente, e para realizar terapia celular em um paciente.
CN102317422B (zh) 2009-02-11 2013-04-24 Hrd有限公司 蜡和油混合物的高剪切加氢
EP2459482A4 (en) * 2009-07-28 2013-09-04 H R D Corp PRODUCTION OF HIGH GRADE OF ADDED PRODUCT FROM REFINED GAS
US8821713B2 (en) * 2009-12-17 2014-09-02 H R D Corporation High shear process for processing naphtha
EP2555752B1 (en) 2010-04-09 2019-06-26 Pacira Pharmaceuticals, Inc. Method for formulating multivesicular liposomes
CN103842487A (zh) 2011-03-29 2014-06-04 富林纳技术有限公司 混合燃料及其制备方法
AU2013235208B2 (en) * 2012-03-21 2015-09-17 H R D Corporation Apparatus, system, and method for converting a first substance into a second substance
JP5841874B2 (ja) 2012-03-28 2016-01-13 独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 気泡塔型スラリー床反応器の触媒充填装置及び気泡塔型スラリー床反応器の触媒充填方法
US8912367B2 (en) 2012-06-21 2014-12-16 H R D Corporation Method and system for liquid phase reactions using high shear
US20140316180A1 (en) * 2013-04-23 2014-10-23 Quantum Vortex, Inc. Apparatuses and methods for hydrodynamic cavitation treatment of liquids
WO2015038300A1 (en) * 2013-09-10 2015-03-19 Hrd Corporation Enhanced processes to produce value-added products from light gases
CN107208385B (zh) * 2014-08-19 2020-02-07 阿特拉斯·詹姆斯·拉塞尔 用于再利用沥青油毡瓦以及生产沥青混合物的系统、方法和设备
AU2015358565B2 (en) 2014-12-03 2020-11-05 Drexel University Direct incorporation of natural gas into hydrocarbon liquid fuels
CN106635117B (zh) * 2015-10-30 2019-01-08 中国石油化工股份有限公司 一种费托合成反应方法
CN111482136A (zh) * 2019-01-29 2020-08-04 南京大学 上置式气液强化乳化固定床反应装置及方法
CN111482142A (zh) * 2019-01-29 2020-08-04 南京延长反应技术研究院有限公司 下置式气液强化乳化固定床反应装置及方法
CN111482135A (zh) * 2019-01-29 2020-08-04 南京大学 侧置式气液强化乳化固定床反应装置及方法
CN109967002A (zh) * 2019-04-26 2019-07-05 河南百优福生物能源有限公司 生物质热解液沸腾床反应器的三相分离器及其应用
CN111773770A (zh) * 2020-06-12 2020-10-16 吕波 一种碳纤维复合材料预浸孔隙去除搅拌机构
CN114699939B (zh) * 2022-04-11 2023-08-29 北京化工大学 一种逐级切割气泡的超重力混气装置及其应用
GB202208694D0 (en) * 2022-06-14 2022-07-27 New Heat Development Ltd A gas generator

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5844005A (en) * 1997-05-02 1998-12-01 Exxon Research And Engineering Company Hydrocarbon synthesis using reactor tail gas for catalyst rejuvenation
US6096789A (en) * 1998-04-23 2000-08-01 Agip Petroli S.P.A. Process for the preparation of hydrocarbons from synthesis gas
US6147126A (en) * 1998-02-10 2000-11-14 Exxon Research And Engineering Company Gas conversion using hydrogen from syngas gas and hydroconversion tail gas
US6262131B1 (en) * 1998-12-07 2001-07-17 Syntroleum Corporation Structured fischer-tropsch catalyst system and method

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06102684B2 (ja) 1989-12-26 1994-12-14 株式会社巴川製紙所 懸濁重合法
DE4428018A1 (de) * 1994-08-08 1996-02-15 Bayer Ag Verfahren zur Herstellung von aromatischen Aminen
US6368367B1 (en) * 1999-07-07 2002-04-09 The Lubrizol Corporation Process and apparatus for making aqueous hydrocarbon fuel compositions, and aqueous hydrocarbon fuel composition
US6368366B1 (en) 1999-07-07 2002-04-09 The Lubrizol Corporation Process and apparatus for making aqueous hydrocarbon fuel compositions, and aqueous hydrocarbon fuel composition
US6383237B1 (en) * 1999-07-07 2002-05-07 Deborah A. Langer Process and apparatus for making aqueous hydrocarbon fuel compositions, and aqueous hydrocarbon fuel compositions
JP2000290308A (ja) * 1999-04-09 2000-10-17 Shin Etsu Chem Co Ltd 塩化ビニル系重合体の製造方法
US7538237B2 (en) * 1999-07-02 2009-05-26 Kreido Laboratories Process for high shear gas-liquid reactions
US6471392B1 (en) * 2001-03-07 2002-10-29 Holl Technologies Company Methods and apparatus for materials processing
US6530964B2 (en) * 1999-07-07 2003-03-11 The Lubrizol Corporation Continuous process for making an aqueous hydrocarbon fuel
GB9928132D0 (en) * 1999-11-26 2000-01-26 Bp Amoco Plc Process
US7034062B2 (en) * 2001-05-25 2006-04-25 BP Exploration Operatiing Company Limited Fischer-tropsch process
EP1390445B1 (en) * 2001-05-25 2005-06-29 Bp Exploration Operating Company Limited Fischer-tropsch synthesis process
BR0209981A (pt) * 2001-05-25 2004-04-06 Bp Exploration Operating Processo fischer-tropsch
JP2004534874A (ja) 2001-05-25 2004-11-18 ビーピー　エクスプロレーション　オペレーティング　カンパニー　リミテッド フィッシャートロプシュ法
GB0112786D0 (en) * 2001-05-25 2001-07-18 Bp Exploration Operating Process
JP2005538832A (ja) * 2002-09-11 2005-12-22 クレイド ラボラトリーズ 材料の高せん断混合及び反応のための装置及び方法
US6868366B1 (en) * 2003-09-16 2005-03-15 General Electric Company Method for measuring piping forces acting on a turbine casing
US7556679B2 (en) * 2005-08-04 2009-07-07 Xerox Corporation Processes for preparing phase change inks

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5844005A (en) * 1997-05-02 1998-12-01 Exxon Research And Engineering Company Hydrocarbon synthesis using reactor tail gas for catalyst rejuvenation
US6147126A (en) * 1998-02-10 2000-11-14 Exxon Research And Engineering Company Gas conversion using hydrogen from syngas gas and hydroconversion tail gas
US6096789A (en) * 1998-04-23 2000-08-01 Agip Petroli S.P.A. Process for the preparation of hydrocarbons from synthesis gas
US6262131B1 (en) * 1998-12-07 2001-07-17 Syntroleum Corporation Structured fischer-tropsch catalyst system and method

Also Published As

Publication number Publication date
CA2679470C (en) 2013-08-06
CN101668725A (zh) 2010-03-10
US20120136075A1 (en) 2012-05-31
WO2009002957A1 (en) 2008-12-31
EP2114843B1 (en) 2014-09-03
US20090003126A1 (en) 2009-01-01
US8133925B2 (en) 2012-03-13
EP2114843A1 (en) 2009-11-11
CA2679470A1 (en) 2008-12-31
EP2114843A4 (en) 2011-05-11
EA200901336A1 (ru) 2010-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA020289B1 (ru) Способ получения углеводородов с2+, система и способ превращения синтез-газа в углеводороды с2+
JP5579601B2 (ja) 軽質ガスから液体生成物を製造するシステム及び方法
US8394861B2 (en) Gasification of carbonaceous materials and gas to liquid processes
US7914745B2 (en) Method of hydrogenating aldehydes and ketones
US8912367B2 (en) Method and system for liquid phase reactions using high shear
US9850437B2 (en) Enhanced processes to produce value-added products from light gases
AU2014200169B2 (en) Gasification of carbonaceous materials and gas to liquid processes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): RU