NO320224B1 - Fremgangsmate og anordning for a fremstille flytende og gassformige produkter fra gassformige reaktanter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåte ved fremstilling av flytende og eventuelt gassformige produkter fra gassformige reaktanter. Den vedrører også en anordning for fremstilling av flytende, og eventuelt gassformige, produkter fra gassformige reaktanter.

US 3,890,399 beskriver en destillasjonskolonne over en opp-slemmingsreaktor, en fribordsone, som ikke inneholder noen gass/væske-kontaktanordning, lokalisert mellom det normale sjiktnivået av reaktoren og den nederste platen av destillasjonskolonnen. Katalysatorpartiklene som er separert ut i destillasjonskolonnen passerer gjennom fribordsonen, dvs. i kontakt med gassfasen, ettersom de returnerer til oppslem-mingssj iktet.

US 5,080,871 beskriver en destillasjonskolonnereaktor delt i to seksjoner. Den øvre seksjonen har en nedre del pakket med destillasjonspakking og den øvre delen har konvensjo-nelle destillasjonsplater. Den nedre delen av den øvre seksjonen betraktes som en reaksjonssone, og det er ingen fribordsone mellom disse øvre og nedre delene. I tillegg kom-mer katalysator som separeres fra gassfasen i den øvre delen i kontakt med gassfasen som passerer fra den nedre delen til den øvre delen, ettersom katalysatoren returnerer til den nedre delen.

I henhold til et første trekk ved oppfinnelsen, er det til-veiebrakt en fremgangsmåte ved fremstilling av flytende og gassformige produkter fra gassformige reaktanter, hvilken fremgangsmåte omfatter

å innmate, ved et lavt nivå, en syntesegasstrøm omfattende hovedsakelig karbonmonoksid og hydrogen, som gassformige reaktanter, inn i et oppslemningssjikt av faste Fischer-Tropsch-katalysatorpartikler suspendert i en suspensjonsvæske, hvor oppslemningssjiktet er anordnet i en reaksjonssone,

• å tillate de gassformige reaktanter å reagere, via en Fischer-Tropsch-syntese, når de passerer oppad gjennom oppslemningssjiktet og derved danner flytende og gassformige produkter, hvor de gassformige reaktanter og gassformige produkter er behjelpelig med å bibeholde de faste katalysatorpartikler i suspensjon i suspensjonsvæsken, og hvor væskeproduktet danner, sammen med suspensjonsvæsken, væskefasen i oppslemningssjiktet, • å avtrekke en væskefase fra oppslemningssjiktet for å bibeholde oppslemningssjiktet ved et ønsket nivå, • å tillate de gassformige produkter og ikke-omsatte gassformige reaktanter til å avgå fra oppslemningssjiktet og passere oppad, sammen med medførte faste katalysatorpartikler og væskefase, som en gassfase inn i en fribordsone i topprommet over oppslemningssjiktet, hvor fribordsonen er lokalisert umiddelbart over reaksjonssonen, • å behandle gassfasen ved å underkaste den destillasjon og eventuelt vasking i et topprom hvor destillasjonen effektueres i en destillasjonssone i topprommet, og når vasking utføres, blir denne effektuert i en vaskesone i topprommet og hvor destillasjonssonen og den eventuelle vaskesone er atskilt fra reaksjonssonen av fribordsonen, for deretter å separere medførte faste katalysatorpartikler og væskefase fra gassfasen, og • å avtrekke den behandlede gassfase fra topprommet,

særpreget ved at de separerte, medførte faste katalysator-part ikler og væskefasen fra destillasjonssonen, eller når til stede, fra vaskesonen, returneres til oppslemningssjiktet via en leder, slik at det ikke er noen kontakt derav med gassfasen i fribordsonen.

Selv om det er antatt at fremgangsmåten i det minste i prinsipp kan ha en bredere anvendelse, så er det antatt at de faste partikler normalt vil være katalysatorpartikler for katalysering av reaksjonen mellom de gassformige reaktanter under dannelse av det flytende produkt, og når aktu-elt, det gassformige produkt. Suspensjonsvæsken vil normalt, men nødvendigvis ikke alltid, være væskeproduktet, og oppslemningssjiktet og topprommet vil normalt være anordnet i en opps1emningsreaktor eller boblekolonne.

Oppslemningssjiktet er således inneholdt i eller anordnet i en reaksjonssone i en oppslemningsreaktor eller boblekolonne, hvor destillasjonen effektueres i en destillasjonssone i denne, atskilt fra oppslemningssjiktet av en fribordsone. Med andre ord, topprommet omfatter en fribord sone umiddelbart over reaksjonssonen, og destillasjonssonen over fribordsonen.

Oppslemningsreaktoren eller boblekolonnen utnytter således et trefasesystem, det vil si faste katalysatorpartikler, væskeprodukt og gassformige reaktanter og eventuelt gassformige produkter.

Ytterligere, selv om det er antatt at foreliggende fremgangsmåte i prinsippet kan ha en bedre anvendelse, så er det antatt at den vil ha spesiell anvendelse i hydrokarbon-syntese, hvor gassformige reaktanter er i stand til å reagere katalytisk i oppslemningssjiktet under dannelse av flytende hydrokarbonprodukt(er) og eventuelt gassformige hydrokarbonprodukt(er). Mere spesielt kan hydrokarbonsynte-sen være Fischer-Tropsch-syntese, hvor de gassformige reaktanter foreligger i form av en syntesegass-strøm omfattende hovedsakelig karbonmonoksid og hydrogen og både flytende og gassformige hydrokarbonprodukter dannes.

Katalysatoren i katalysatorpartiklene kan være en hvilken som helst ønsket Fischer-Tropsch-katalysator, så som en jernbasert katalysator, en koboltbasert katalysator, eller enhver annen Fischer-Tropsch-katalysator. Katalysatorpartiklene kan ha et ønsket partikkelstørrelsesområde, eksempelvis ingen partikler større enn 300 |am og mindre enn 5 vekt% av partiklene er mindre enn 22 nm.

Oppslemningsreaktoren eller boblekolonnen vil således bli bibeholdt ved normale forhøyede trykk og temperaturbeting-elser assosiert med Fischer-Tropsch-syntesereaksjoner, eksempelvis et forhåndsbestemt driftstrykk i området 10-50 bar og en forhåndsbestemt temperatur i området 160-280 °C, eller til og med høyere ved fremstilling av lavtkokende produkter.

Katalysatorpartiklene i oppslemningssjiktet blir således holdt i suspensjon av turbulensen dannet av syntesegass-strømmen og eventuelle gassformige hydrokarbonprodukter som dannes og som passerer opp gjennom oppslemningssjiktet, det vil si bobler gjennom oppslemningssjiktet. Eventuelt kan oppslemningssjiktet også blandes, eksempelvis under anvendelse av blandeanordninger så som stigerør og nedstrøm-ningsrør, for å være behjelpelig med å bibeholde katalysatorpartiklene i suspensjon. Gasshastigheten gjennom oppslemningssjiktet er således tilstrekkelig høy til å bibeholde oppslemningssjiktet i en tilstand av turbulens eller suspensjon. Stigerør og nedføringsrør kan anvendes for å sikre en mer jevn suspensjon av faststoffene i oppslemningssj iktet.

Gassfasen som inngår i topprommet vil normalt omfatte eller bestå av ikke-kondenserbare, ikke-omsatte gassformige reaktanter, en ikke-kondenserbar gassformig hydrokarbonfraksjon, medførte faste katalysatorpartikler, medført flytende hydrokarbonprodukt, en fordampet hydrokarbonvæskefraksjon, en kondenserbar gassformig hydrokarbonfraksjon, og vanndamp. De medførte faste katalysatorpartikler vil normalt være assosiert med det medførte flytende produkt i form av oppslemningsdråper. Den behandlede gassfase som trekkes av fra destillasjonssonen vil normalt omfatte eller bestå av de ikke-kondenserbare, ikke-omsatte gassformige reaktanter, den ikke-kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon, samt vanndamp.

De gassformige hydrokarbonprodukter omfatter således den ikke-kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon, den fordampede hydrokarbonvæskefraksjon, den kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon, samt vanndamp.

Fremgangsmåten kan innbefatte, i et kjøletrinn, avkjøling av den behandlede gass eller dampfase etter at denne har forlatt destillasjonssonen for derved å kondensere noe av den kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon og returnere i det minste noe av dette kondenserte hydrokarbonprodukt til destillasjonssonen som tilbakeløp for destillasjon. Således vil den behandlede gass eller dampfasen typisk avkjøles til 30-50 °C, typisk ca. 40 °C, ved et trykk så nær som praktisk mulig til reaktortrykket.

Med "ikke-kondenserbar gassformig hydrokarbonfraksjon" menes hydrokarbonprodukter som er i gass eller dampform ved de herskende temperatur- og trykkbetingelser i reaktoren og som ikke kondenseres ved temperatur- og trykkbetingelsene som hersker i kjøletrinnet.

På den annen side menes med "kondenserbar gassformig hydrokarbonf r aks jon" et hydrokarbonprodukt som er i gass eller dampform ved temperatur- og trykkbetingelsene som hersker i reaktoren og som kondenseres ved temperatur- og trykkbetingelser som hersker i kjøletrinnet, til å danne det kondenserte hydrokarbonprodukt hvorav minst en del returneres til destillasjonssonen som tilbakeløp.

Med "fordampet hydrokarbonvæskefraksjon" menes hydrokarbonprodukter som er i dampform ved temperatur- og trykkbetingelsene som hersker i reaksjonssonen i reaktoren og som foreligger i væskeform ved temperatur- og trykkbetingelsene i gassfasen som utgår fra destillasjonssonen. Den foredampede hydrokarbonvæskefraksjon er således tyngre, med hensyn til molekylvekt, enn den kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon. Siden den fordampede hydrokarbonvæskefraksjon foreligger i væske eller i kondensert form ved utløpsbe-tingelsene for destillasjonssonen, så utgjør den en del av tilbakeløpet i destillasjonssonen. Den kondenserte fordampede hydrokarbonvæskefraksjon som utgår fra bunnen av destillasjonssonen, er også omtalt som "væskehydrokarbonfrak-sjonen".

Med "flytende hydrokarbonprodukt" menes produktet som foreligger i væskeform ved temperatur- og trykkbetingelser som hersker i reaktoren, og som foreligger i fast og gelet form ved atmosfæretrykk og en temperatur nær omgivelsestempera-turen. Således vil det flytende hydrokarbonprodukt omfatte hydrokarbonmolekyler som inneholder 20 eller flere karbon-atomer og således innbefatte voks.

Destillasjonen kan utføres ved å føre gassfasen oppad over i det minste ett destillasjonstrinn i destillasjonssonen i oppslemningsreaktorens destillasjonssone, i motstrøm med det tilbakeførte kondenserte hydrokarbonprodukt og den flytende hydrokarbonf raks j on.

Destillasjonstrinnet kan omfatte i det minste i prinsipp, ethvert egnet gass-/væskekontaktmiddel som anvendes for destillasjonsformål, så som en ventildestillasjonsplate, en siktdestillasjonsplate eller enhver annen alternativ destillasjonsplate, tilfeldig pakket destillasjonsmedia, strukturelt pakket destillasjonsmedia eller lignende, imidlertid er en fast ventildestillasjonsplate foretrukket.

Fortrinnsvis blir mere enn ett slikt trinn anvendt, eksempelvis minst to i vertikalretningen adskilte trinn. Imidlertid er 3-5 slike trinn som hver omfatter en destillasjonsplate eller lag av media, foretrukket.

En oppsamlingsplate kan være lokalisert under det nederste destillasjonstrinn og væsken oppsamlet på oppsamlingstrin-net kan således føres eksempelvis ved hjelp av en rørled-ning til oppslemningssjiktet og/eller kan avtrekkes fra reaktoren og/eller kan føres til toppen av vasketrinnet for anvendelse av vaskevæske i vasketrinnet. Denne flytende hydrokarbonf r aks jon vil hovedsakelig bestå av væske dannet ved kondensasjon av den fordampede flytende hydrokarbonfraksjon. Det er således ingen kontakt med noen væske som blir returnert til oppslemningssjiktet med gassfasen i fribordsonen, det er for eksempel ingen vasking av medførte katalysatorpartikler eller oppslemningsdråper fra gassfasen i fribordsonen. Om ønsket, kan enhver væske som trekkes av blandes med hvilke som helst av de andre produkter som trekkes av fra reaktoren.

Den fiktive gasshastighet gjennom den eller de faste ven-tildestillasjonsplaten(e) kan ligge i området 0,2-2,0 m/s, fortrinnsvis cirka 1 m/s. Den fiktive gasshastighet igjen-nom oppslemningssjiktet er normalt lavere enn den fiktive gasshastighet gjennom destillasjonssonen, følgelig vil den effektive reaktordiameter eller tverrsnittdimensjon være mindre i destillasjonssonen, enn i reaksjonssonen.

Fremgangsmåten kan innbefatte vasking av gassfasen. Vaskingen av gassfasen kan effektueres ved hjelp av en vaskevæske, i en vaskesone mellom fribordsonen og destillasjonssonen. Topprommet vil således da omfatte fribordsonen, vaskesonen og destillasjonssonen. Slik vasking vil tjene til å separere medførte katalysatorpartikler fra gassfasen. Vaskingen kan effektueres ved å føre gassfasen oppad gjennom et vasketrinn i vaskesonen motstrøms til vaskevæsken.

Vaskevæsken kan være det flytende hydrokarbonprodukt. Fremgangsmåten kan således innbefatte å underkaste en del av oppslemningssjiktet for faststoffseparasjon for å fjerne hoveddelen av katalysatorpartiklene fra det flytende hydrokarbonprodukt og derved danne et flytende hydrokarbonprodukt som deretter kan anvendes som vaskevæske.

Da sammensetningen og temperaturen for vaskevæsken er den samme som den for suspensjonsvæsken i oppslemningssjiktet, så vil ingen destillasjon eller fraksjonering finne sted i vaskesonen hvis ikke væske fra destillasjonssonen tillates å inngå i vaskesonen.

Således, i en første utførelsesform, kan både vasking av medbårede katalysatorpartikler eller oppslemningsdråper og destillasjon finne sted i vaskesonen, i hvilket tilfelle væske fra destillasjonssonen tillates å gå inn i vaskesonen i tillegg til vaskevæsken.

I en andre foretrukket utførelsesform, tillates imidlertid ikke væske fra destillasjonssonen å inngå i vaskesonen, slik at den eneste vasking av katalysatorpartiklene eller oppslemningsdråpene med vaskevæsken finner sted i vaskesonen. I denne utførelsesformen, blir væske fra destillasjonssonen oppsamlet på oppsamlingsplaten i destillasjonssonen, som beskrevet tidligere, og returnert til oppslemningssjiktet og/eller trekkes av fra reaktoren.

Vasketrinnet kan omfatte minst én vaskeplate og med en oppsamlingsplate under vaskeplaten, hvor vaskevæsken innføres inn i vaskesonen eller trinnet over vaskeplaten og vaskevæske, og faststoffer passerer fra vasketrinnet til oppslemningssjiktet uten kontakt med gassfasen i fribordsonen, eksempelvis ved hjelp av en rørledning som fører fra vaske-trinnoppsamlingsplaten til oppslemningssjiktet. Fortrinnsvis vil vasketrinnet omfatte mere enn én vaskeplate, eksempelvis 2 eller 3 vaskeplater atskilt i vertikalretningen. Vaskeplatene kan være faste ventilplater.

I den andre utførelsesformen, unngås kontakt mellom de faste katalysatorpartikler og tilbakeløpsvæsken, det vil si tilbakeløpt kondensert hydrokarbonprodukt og den flytende hydrokarbonfraksjon. Det er overraskende funnet at kontakt mellom de faste katalysatorpartiklene og tilbakeløpsvæsken i visse tilfeller resulterer i oppbrytning og/eller tap av katalysatorpartiklenes katalytiske aktivitet. Med andre ord er en slik kontakt i visse tilfeller en ødeleggende effekt på de ønskede egenskaper for katalysatorpartiklene. Anvendelse av vasketrinnet overkommer eller i det minste minsker dette problem, men bibeholder fordelene ved destillasjonssonen, hvis hovedformål er da å fjerne det flytende hydrokarbonprodukt og størstedelen av den flytende hydrokarbonfraksjon fra gassfasen, før gasser og damper i gassfasen forlater destillasjonssonen.

I henhold til et annet trekk ved oppfinnelsen, er det til-veiebrakt en anordning for fremstilling av væske og gassformige produkter fra gassformige reaktanter, omfattende: • et reaktorkammer med en reaksjonssone som under bruk inneholder et oppslemningssjikt av faste katalysatorpartikler suspendert i en suspensjonsvæske, og en destillasjonssone over reaksjonssonen, • et gassinnløp til kammeret ved dets nedre nivå inne i reaksjonssonen for innføring av gassformige reaktanter i kammeret, • et gassutløp i kammeret i destillasjonssonen, for avtrekning av en gassfase omfattende ikke-omsatte gassformige reaktanter og eventuelt dampformige produkter fra kammeret, • et væskeutløp i kammeret inne i reaksjonssonen for avtrekning av væskeprodukt fra kammeret, • eventuelt et vasketrinn i en vaskesone lokalisert under destillasjonssonen, • et destillasjonstrinn i destillasjonssonen, i hvilken gassfasen, under bruk, underkastes destillasjon før den utgår fra destillasjonssonen gjennom gassutløpet, og

en fribordssone mellom destillasjonssonen, eller en

eventuell vaskesone, og reaksjonssonen,

særpreget ved at en leder fører fra destillasjonssonen, eller eventuelt vaskesonen, til reaksjonssonen slik at katalysatorpartikler, under bruk, kan returneres fra destillasjonssonen, eller når til stede, fra vaskesonen til reaksjonssonen uten å komme i kontakt med gassfasen i fribordssonen.

Installasjonen kan innbefatte et kjøletrinn, operativt forbundet med gassutløpet fra kammeret ved hjelp av en første leder, og en andre leder som fører fra kjøletrinnet tilbake til destillasjonstrinnet, for returnering av kondensert produkt fra kjøletrinnet som tilbakeløp til destillasjonstrinnet .

Destillasjonstrinnet kan være som tidligere beskrevet. Et antall destillasjonstrinn kan også som tidligere beskrevet, være anordnet i destillasjonssonen, som således er atskilt fra reaksjonssonen av en fribordsone, som tidligere beskrevet, det vil si ikke inneholdende noen gass-/væskekontakt-anordninger, så som i destillasjon eller i vaskeplatene.

Installasjonen kan også innbefatte vasketrinnet, som da er lokalisert mellom fribordsonen og destillasjonssonen. Vasketrinnet kan være som tidligere beskrevet.

Oppfinnelsen skal beskrives ved hjelp av eksempel, under henvisning til de vedlagte skjematiske tegninger: Figur 1 viser skjematisk et lengdetverrsnitt av en del av en oppslemningsreaktor som utgjør en del av en arbeidende pilotanleggsinstallasjon i henhold til en første utførel-sesform av oppfinnelsen, for fremstilling av væske og gassformige produkter fra gassformige reaktanter. Figur 2 viser flytskjema for en installasjon i henhold til en andre utførelsesform av oppfinnelsen, for fremstilling av væske og gassformige eller dampprodukter fra gassformige reaktanter. Figur 3 viser skjematisk et lengdesnittbilde av en del av oppslemningsreaktoren vist i figur 2. Figur 4 viser skjematisk et lengdetverrsnittbilde av en del av en oppslemningsreaktor som utgjør en del av installasjonen i henhold til en tredje utførelsesform av oppfinnelsen.

Under henvisning til figur 1, så angir 10 generelt en pi-lotanlegg oppslemningsreaktor som utgjør en del av en installasjon i henhold til en første utførelsesform av oppfinnelsen, for fremstilling av væske og gass eller dampformige produkter fra gassformige reaktanter.

Reaktoren 10 innbefatter et sylindrisk reaktorkammer 12 inneholdende en reaksjonssone 14, et oppslemningssjikt 16 omfattende Fischer-Tropsch-katalysatorpartikler, typisk en jern- eller koboltbasert katalysator, suspendert i et flytende hydrokarbonprodukt. Kammeret 12 er forsynt med et gassinnløp 13 i det nedre nivå, det vil si i bunnen av oppslemningssjiktet 16, så vel som et oppslemningsutløp 15 for avtrekning av oppslemning fra oppslemningssjiktet 16.

Kammeret 12 innbefatter også en destillasjonssone, generelt indikert med 18 i kammerets topprom over oppslemningen 16. En fribordsone 17 er anordnet mellom reaksjonssonen 14 og oppslemningssjiktet 16 og destillasjonssonen 18. Topprommet omfatter således fribordsonen 17 og destillasjonssonen 18. I destillasjonssonen 18 er det montert fem faste ventildestillasjonsplater 20, 22, 24, 26 og 28, hvor platen 28 er den øverste. Under det nederste platen 20 er det lokalisert en pipeoppsamlingsplate 30. Platen 30 er forsynt med en sump eller brønn 32 fra hvilken lederen 34 utgår. Lederen 34 er ført nedad og dens nedre ende 35 er lokalisert under nivået 36 for oppslemningssjiktet 16, det vil si cirka 200 mm under det normale nivå for oppslemningssjiktet. Typisk er det maksimale oppslemningssjiktnivå kontrollert til cirka 1 m under den nederste ende av sumpen 32. Platene 20-30 er støttet opp av bærebein 38, montert til braketter 40 festet til innsiden av kammeret 12.

Diameteren av kammeret 12, i destillasjonssonen 18 er cirka 870 mm, mens lengden av destillasjonssonen 18 er cirka 8,4 m, mens avstanden mellom tilstøtende plate er cirka 460 mm.

Den øvre ende av kammeret 12 er lukket med et klokkeformet lokk 42 med gassutløpsåpninger 44 og 46. Gjennom utløpsåp-ningen 44 utstikker det seg en tilbakeløpsleder 48, hvor tilbakeløpslederen 48 avsluttes over den øverste plate 28. Utløpsenden av lederen 48 er forsynt med et vertikalt for-delingsrør (ikke vist), med en lengde på omtrent 450 mm, langs hvis lengde er lokalisert et antall vertikalt atskilte utløpsåpninger, hver med en diameter på cirka 8 mm. Fortrinnsvis er det anordnet 10 slike åpninger, mere foretrukket 15.

Gjennom gassutløpet 46 utstikker det seg en sirkulasjons-(pumparound) leder 50) som avsluttes over platen 24). Utløpsenden av lederen 50) er på samme måte forsynt med et oppadrettet fordelingsrør langs lengden av hvilken det er lokalisert et antall jevnt vertikalt atskilte hull med 8 mm diameter. Fortrinnsvis er det anordnet 10 slike hull, mer foretrukket 15.

Under prøveforsøkene som beskrevet i det etterfølgende, arbeidet reaktoren 10) til å produsere gassformige og lette hydrokarbonprodukter fra en syntesegassinnmatning gjennom gassinnløpet 13) inn i bunnen av reaktoren, hvilken syntesegass omfatter karbonmonoksid og hydrogen. Syntesegassen ble således kontinuerlig innmatet i bunnen av oppslemningssjiktet 16) mens reaktoren arbeidet slik at det ble bibeholdt et konstant nivå i katalysatoroppslemningssjiktet. Betingelsene i reaksjonssonen 14) er gjengitt i tabell 1, hvor temperaturen typisk ble kontrollert ved hjelp av kjø-lespiraler lokalisert i og rundt oppslemningssjiktet.

En gassfase omfattende ikke-kondenserbare, ikke-omsatte gassformige reaktanter, vanndamp, en ikke-kondenserbar gassformig hydrokarbonfraksjon, en kondenserbar gassformig hydrokarbonfraksjon, en fordampet flytende hydrokarbonfraksjon, flytende hydrokarbonprodukt medført med de gassformige eller dampformige komponenter, samt faste katalysatorpartikler som også er medført med de gassformige eller dampformige komponenter, føres fra oppslemningssjiktet, gjennom fribordsonen 17), og inn i destillasjonskolonnen 18.

I fribordsonen 17) finner det ikke sted noen kontakt mellom gassfasen og væske, og følgelig skjer det ingen vasking av katalysatorpartiklene og medbåret væske fra gassfasen inne i fribordsonen 17).

I destillasjonssonen 18), blir gassfasen underkastet destillasjon ved hjelp av tilbakeløpet og/eller sirkulasjons-strømmene som inngår langs henholdsvis lederene 48 og 50, under de betingelser som er gjengitt i tabell 1. Denne destillasjon tjener til å gjenvinne i det vesentlige alt av de medførte katalysatorpartikler og medførte flytende hydrokarbonprodukt fra gassfasen, samt også å tjene til å des-tillere fra gassfasen den flytende hydrokarbonfraksjon som er i væskeform ved temperatur- og trykkbetingelsene som hersker ved gassutløpene 44 og 46) .

Den behandlede gassfasen som går ut gjennom gassutløpene 44 og 46), ble underkastet ett-trinns kjøle/kondensasjon, hvorved den kondenserbare hydrokarbonfraksjonen kondenserte, og kondensatet ble returnert til reaktoren som tilbake-løp gjennom lederen 48) og/eller gjennom kanalen 50) som tilbakeløp. I et separat forsøk for å demonstrere den effektive fjerning av medførte faststoffer ved vasking, ble det flytende hydrokarbonprodukt introdusert, gjennom lederen 50), som vaskevæske.

Diameteren av kammeret 12) i destillasjonssonen 18) er slik at den fiktive gasshastighet gjennom destillasjonsseksjonen 18) vanligvis er større enn 0,2 m/s. Pipeoppsamlingsplaten 30) er av standard konstruksjon for skitten service og tjener for å oppsamle væskeprodukter som passerer ned fra platene 20-28.

Sammenfatningsvis hadde pilotanleggsreaktoren 10) de føl-gende parametre under prøveforsøkene:

Under prøveforsøkene for pilotanlegget, ble hydrokarbonproduktkondensatet innmatet til topplaten 28 eller til plate 24. Når kondensatet ble ført til plate 24, var dette like effektivt som når det ble ført til plate 28. I de etterføl-gende eksempler 1 og 2, ble hydrokarbonproduktkondensatet kun innmatet til topplaten 28. Platene 20 og 28 tjente til å slippe det flytende hydrokarbonprodukt og det kondenserte gassformige hydrokarbonprodukt, det vil si den flytende hydrokarbonf raks jon, fra det tilbakeløpende hydrokarbonkon-densat, slik at den behandlende gassfase eller fraksjonen fratrukket fra toppen av reaktoren er lettere, samt også for å forhindre overføring av katalysator, medført flytende hydrokarbonprodukt og lettere flytende hydrokarbonprodukt, det vil si den flytende hydrokarbonfraksjon, med gassfasen fra toppen av reaktoren 10. Hydrokarbonkondensatet ble konstant pumpet inn med variabel hastighet ved toppen av reaktoren for å vaske platene 20-28. Temperaturen i plate 28 ble kontrollert til rundt en temperatur på 180 °C og hver påfølgende plate i nedadretningen hadde en øket like-vekts temperatur og sammensetning.

De følgende ikke-begrensende eksempler ble utført i prøve-forsøkene i reaktoren 10:

EKSEMPEL 1

Syntesegass ble innmatet til reaktoren 10 for trefase oppslemningssjikt med en strømningshastighet på 6000 N m<3>/time. Det ble anvendt en jernbasert katalysator, suspendert som en oppslemning i smeltet voks som oppslemningsmid-del, i en konsentrasjon på 35 vekt%. Gassen som ble ført gjennom reaktoren, ble oppløst i reaktorvæsken eller opp-slemningsmidlet og nådde katalysatoroverflaten hvor Fischer-Tropsch-reaksjonen fant sted. Sjiktet av gassinnehol-dende oppslemning ble kontrollert til et nivå på 17,4 m fra bunnen av reaktoren 12, hvorfra smådråper av oppslemning ble ført over dette nivå og inn i fribordområdet eller so-nen 17 i topprommet over oppslemningssjiktet og derfra inn i destillasjonssonen 18. Denne dråpetransportprosessen er betegnet "medføring". I destillasjonssonen 18, ble fem pla-ter anvendt for å separere dråpene fra gassfasen og for å minimalisere katalysatortap ved toppen av reaktoren. For dette spesielle eksempel, ble katalysatormedføring i avgassen som gikk ut fra reaktoren bestemt til 2,15 mg faststoffer/N m<3>/time, mens det normalt var cirka 10,4 mg/N m<3>/time når ingen separasjon av medførte bestanddeler ble utøvet i reaktoren 10.

EKSEMPEL 2

Syntesegass ble innmatet til reaktoren 10 for trefase oppslemningssjikt med en strømningshastighet på 8800 N m<3>/time. Det ble anvendt en koboltbasert katalysator, suspendert i en oppslemning i smeltet voks som oppslemnings-middel, med en konsentrasjon på 30 vekt%. Reaksjonsbeting-elsene var for øvrig identiske med de beskrevet i eksempel 1. For dette spesielle eksempel, ble katalysatormedføring i avgassen bestemt til 0,015 mg/N m<3>/time, mens den normalt er cirka 0,074 mg/N m<3>/time når ingen separasjon av medført faststoff blir utøvet i reaktoren 10.

Under henvisning til figurene 2 og 3, så angir henvisningstallet 100 generelt en installasjon i henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen, for fremstilling av væske og gassformige produkter fra gassformige reaktanter.

Installasjonen 100 innbefatter en reaktor 102 som er tilsvarende reaktoren 10, som beskrevet under henvisning til figur 1. Deler av reaktoren 102 som er de samme eller tilsvarende de i reaktoren 10, er indikert med de samme henvisningstall.

Imidlertid inneholder reaktoren 102, i dens destillasjonssone 16, tre faste ventildestillasjonsplater 104, 106, 108, hvor platen 108 er det øverste og tilbakeløpslederen 48 avsluttes over platen 108. Reaktoren 102 innbefatter også en pipeoppsamlingsplate 30 under den nederste destillasjonsplate 104, med en leder 34 som fører direkte fra oppsamlingsplaten 30.

Installasjonen 100 innbefatter en gassavtrekningsleder 110 som fører fra gassutløpet 44 til et enkelttrinns kjøle- og kondensasjonstrinn 112. En rørledning 114, for kondensert hydrokarbonfraksjon eller produkt, fører fra trinnet 112 til en pumpe 116. Tilbakeløpslederen 48 fører fra pumpen 116, imidlertid kan en kondensert hydrokarbonfraksjon eller produkt om ønsket avtrekkes gjennom rørledningen 118 som fører fra tilbakeløpsrørledningen 48 for uttrekning av kondensert produkt. En vannavtrekningsleder 120 fører også fra trinnet 112.

Tilsvarende fører en toppgassleder 122, for avtrekning av ikke-omsatt syntesegass, så vel som en ikke-kondenserbar hydrokarbonfraksjon eller produktgass, fra trinnet 112. En gassresirkulasjonsleder 124 fører fra lederen 122 til en kompressor 126 med en leder 128 for resirkulert gass fører fra kompressoren 126 til gassinnløpet 13 ved bunnen av reaktoren 102. Lederen 128 er også forent med en leder 130 for innmating av fersk syntesegass.

En oppslemningsuttrekningsleder 132 fører fra oppslemnings-utløpet 15 i reaktoren.

Reaktoren 102 fungerer i det alt vesentlige på en identisk måte som reaktoren 10, hvor en kondensert hydrokarbonfraksjon føres som tilbakeløp til toppen av platen 108 langs kanalene 114, 48. Avgassen avtrekkes fra installasjonen gjennom rørledningen 122 eller resirkuleres tilbake til reaktoren via rørledningene 124, 128, 130.

Det maksimale nivå av oppslemningssjiktet ble typisk kontrollert til å ligge mellom 1 m og 2 m under nivået hvor den nedsenkede eller utadledende del av kammeret 12 er forenet med dens sylindriske veggdel.

Under henvisning til figur 4, så angir henvisningstallet 200 generelt en oppslemningsreaktor som danner en del av en installasjon i henhold til en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, for fremstilling av flytende og gassformige eller dampformige produkter fra gassformige reaktanter.

Deler av reaktoren 200 som er de samme eller tilsvarende de i reaktoren 10, er indikert med de samme henvisningstall. Topprommet i reaktoren 200 omfatter, i tillegg til fribordsonen 17 og destillasjonssonen 18, en vaskesone 202. Vaskesonen 202 er lokalisert mellom fribordsonen 17 og destillasjonssonen 18.

Destillasjonssonen 18 i reaktoren 200 inneholder kun 3 faste ventildestillasjonsplater 20, 22 og 24, med tilbake-løpslederen 48 for utføring av kondensert hydrokarbonprodukt tilbakeløp til den øverste platen 24. Ytterligere er det anordnet en leder 34 som fører fra oppsamlingsplatesum-pen 30, for å avtrekke flytende hydrokarbonfraksjon fra reaktoren, i stedet for å returnere denne fraksjon til kata-lysators jiktet 16.

Vaskesonen 202 inneholder et vasketrinn omfattende tre vertikalt forskjøvede faste ventilvaskeplater 204, 205 og 208, hvor platen 208 er det øverste. En vaskevæskeleder 210 er anordnet for å utføre flytende hydrokarbonprodukt som vaskevæske med på den øverste vaskeplaten 208. Det flytende hydrokarbonproduktet anvendt som vaskevæske, ble erholdt ved å underkaste en del av oppslemningssjiktet for en faststoff separasjon for å fjerne hoveddelen av katalysatorpartikler derfra. En oppsamlingsplate 212 er lokalisert under den nederste vaskeplate 204 og er forsynt med en sump eller brønn 214. En vaskevæskereturleder 216, for tilbakeføring av brukt vaskevæske inneholdende katalysatorpartikler, ut-vasket fra gassfasen i vaskesonen 202 til oppslemningssjiktet 16, fører fra sumpen 214 og inn i oppslemningssjiktet.

Oppslemningsreaktorer, så som reaktorene 10 og 102, er vel-kjente trefasereaktorer omfattende en flytende fase, i

hvilken faste katalysatorpartikler er dispergert eller hol-des i suspensjon av en gassfase som bobles gjennom væskefasen. Væsken og suspendert faststoffase utgjør oppstrømning-ene. Katalysatordispergeringen kan også forsterkes ved å

danne en oppadrettet hastighet i væskefasen. Når gassboble-ne når toppoverflaten av oppslemningssjiktet, vil de bryte gjennom den øvre overflate med tilstrekkelig energi til å

medføre en del av oppslemningen. Som følge av oppløft-ningskraften for den oppadstrømmende gass og den nedadret-tede gravitasjon, vil større dråper returnere til toppen av oppslemningssjiktet, men lettere dråper blir båret oppad. En strøm av oppslemningsmedbårne bestanddeler øker med økende gasshastighet og gassviskositet. Faststoffinnholdet i den medbårene oppslemning øker med bulkoppslemningens faststoffkonsentrasjon og spesielt med den økende konsent-rasjonen av faststoffer med en størrelse mindre enn 10 um.

Oppslemningstapene fra reaktoren vil øke med høyere medfø-ringshastigheter av oppslemning, slik at reaktordiameteren, i kjente reaktorer uten destillasjonssonen 16, er større i fribordområder over oppslemningsoverflaten, for å unngå høye hastigheter i dette området.

For å nedsette katalysatortapene i slike kjente reaktorer, blir separasjon av medførte bestanddeler normalt utført ved hjelp av interne separatorer. Det finnes et antall kjente separatorkonstruksjoner som er basert på endring i retning av den gassformige dampstrøm, mens gassen eller dampen be-veger seg med en høy hastighet. Med disse konstruksjoner anvender separasjonsteknikk for medbrakte bestanddeler, som forårsaker at medførte oppslemningsdråper koaliserer og faller tilbake i oppslemningssjiktet. Slike enheter tillater også fri avrenning for å forhindre akkumulering av katalysatorpartikler og mulig pluggdannelse. Et typisk eksempel på en slik enhet er en vingetype separator for medførte bestanddeler. Disse separatorer forårsaker at oppslemningsdråpene støter an mot en metalloverflate med rask endring av gasstrømmens retning. Imidlertid er de kjente separa-sjonsanordninger for medførte bestanddeler ikke 100 % effektive med hensyn til å fjerne medført oppslemning. Ytterligere, ved driftsbetingelsene for oppslemningsreaktorer som anvendes for Fischer-Tropsch-prosesser, vil noen av reaktorens væskekomponenter foreligge i dampfase, som tidligere beskrevet, og kan derfor ikke separeres ved hjelp av disse kjente anordninger.

Den grunnleggende Fischer-Tropsch-reaksjon er:

I denne eksoterme reaksjon, blir reaksjonsvarmen typisk fjernet ved å pumpe matvann til kokere gjennom spiraler neddykket i oppslemningssjiktet. I normale oppslemnings-sjiktreaktoroperasjoner for Fischer-Tropsch-synteseproses-sen, ble det funnet at cirka 50 vekt% av de samlede hydro-karboner var for tunge til å unnslippe reaktoren med den ikke-omsatte gass og utgjorde størstedelen av reaktorens væskefase. Det er mulig å separere størstedelen av gjenvæ-rende produkter fra den ikke-omsatte gass ved flertrinns kondensasjon for å danne noe av reaktorens flytende komponenter, lette hydrokarbonprodukter og reaksjonsvann.

Det er overraskende funnet at ved å anvende faste ventildestillasjonsplater som vanligvis anvendes i destillasjons-kolonnekonstruksjoner for væskeseparasjoner, så kan det oppnås en vesentlig mere effektiv separasjon av både reaktorvæske og katalysator fra gassfasen.

Mere spesielt er det overraskende funnet at ved anvendelse av destillasjonsplate i henhold til oppfinnelsen, kunne en effektiv separasjon oppnås med kun tre faste ventildestillasjonsplater. Foreliggende oppfinnelse har en ytterligere overraskende fordel, det vil si fullstendig fjernelse av medbåret reaktorvæske og katalysator fra gassfasen, alle reaktorvæskefraksjoner som er til stede i dampfasen blir kondensert og holdt tilbake i Fischer-Tropsch-reaktoren og dette tillater at reaktordiameteren kan reduseres i fribordområdet over oppslemningsgrensefasen i Fischer-Tropsch-reaktorer, fordi separasjonseffektiviteten ikke er bestemt av graden av oppslemningsmedføring.

Bibeholdelse av all reaktorvæske inne i Fischer-Tropsch-reaktoren gjør det mulig å separere de lettere hydrokarbonprodukter fra reaktorproduktgassene og dampene i et enkelt kondensasjonstrinn i stedet for det minimale på to kondensasjonstrinn nødvendig i henhold til teknikkens stand. Kjente reaktorer krever to trinn for å unngå blokkering av varmeveksleroverflåtene med fast voks, ved temperaturer som er nødvendig for å kondensere alt av de ønskede flytende produkter.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av flytende og gassformige produkter fra gassformige reaktanter, hvilken fremgangsmåte omfatter • å innmate, ved et lavt nivå (13), en syntesegasstrøm omfattende hovedsakelig karbonmonoksid og hydrogen, som gassformige reaktanter, inn i et oppslemningssjikt (16) av faste Fischer-Tropsch-katalysatorpartikler suspendert i en suspensjonsvæske, hvor oppslemningssjiktet er anordnet i en reaksjonssone (14), • å tillate de gassformige reaktanter å reagere, via en Fischer-Tropsch-syntese, når de passerer oppad gjennom oppslemningssjiktet og derved danner flytende og gassformige produkter, hvor de gassformige reaktanter og gassformige produkter er behjelpelig med å bibeholde de faste katalysatorpartikler i suspensjon i suspensjonsvæsken, og hvor væskeproduktet danner, sammen med suspensjonsvæsken, væskefasen i oppslemningssjiktet, • å avtrekke en væskefase fra oppslemningssjiktet for å bibeholde oppslemningssjiktet ved et ønsket nivå, • å tillate de gassformige produkter og ikke-omsatte gassformige reaktanter til å avgå fra oppslemningssjiktet og passere oppad, sammen med medførte faste katalysatorpartikler og væskefase, som en gassfase inn i en fribordsone (17) i topprommet over oppslemningssjiktet, hvor fribordsonen er lokalisert umiddelbart over reaksjonssonen, • å behandle gassfasen ved å underkaste den destillasjon og eventuelt vasking i et topprom hvor destillasjonen effektueres i en destillasjonssone (18) i topprommet, og når vasking utføres, blir denne effektuert i en vaskesone (202) i topprommet og hvor destillasjonssonen og den eventuelle vaskesone er atskilt fra reaksjonssonen av fribordsonen, for deretter å separere medførte faste katalysatorpartikler og væskefase fra gassfasen, og å avtrekke (44, 46) den behandlede gassfase fra topprom met, karakterisert ved at de separerte, med-førte faste katalysatorpartikler og væskefasen fra destillasjonssonen (18), eller når tilstede, fra vaskesonen (202), returneres til oppslemningssjiktet (16) via en leder (34, 216), slik at det ikke er noen kontakt derav med gassfasen i fribordsonen (17).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at suspensjonsvæsken er det flytende produkt, oppslemningssjiktet (16) og topprommet er anordnet i en oppslemningsreaktor (10; 102; 200), hvori gassfasen som inngår i topprommet omfatter eller ut-gjøres av ikke-kondenserbare, ikke-omsatte gassformige reaktanter, en ikke-kondenserbar gassformig hydrokarbonfraksjon, medførte faste katalysatorpartikler, medført flytende hydrokarbonprodukt, en fordampet flytende hydrokarbonfraksjon, en kondenserbar gassformig hydrokarbonfraksjon, samt vanndamp, hvor den behandlede gassfase som trekkes av (44, 46) fra destillasjonssonen omfatter eller består av ikke-kondenserbare, ikke-reagerte gassformige reaktanter, den ikke-kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon, den kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon, samt vanndamp, og hvor de gassformige hydrokarbonprodukter omfatter den ikke-kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon, den fordampede flytende hydrokarbonfraksjon, den kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon og vanndamp, og som innbefatter i et kjøletrinn (112), avkjøling av den behandlede gass eller dampfasen etter at denne har forlatt destillasjonssonen (18) for derved å kondensere i det minste noe av den kondenserbare gassformige hydrokarbonfraksjon, og returnere (48) i det minste noe av dette kondenserte hydrokarbonprodukt til destillasjonssonen som tilbakeløp for destillasjonen, hvor den behandlede gass eller dampfase eventuelt avkjøles til 30-50°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at destillasjonen utfø-res ved å føre gassfasen oppad over et antall vertikalt atskilte destillasjonstrinn (20, 22, 24, 26, 28; 104, 106,

108) i destillasjonssonen i oppslemningsreaktoren, mot-strøms til det kondenserte hydrokarbonprodukt-tilbakeløp og den flytende hydrokarbonfraksjon, hvor hvert trinn omfatter en fast ventildestillasjonsplate, hvori den fiktive gasshastighet gjennom de faste ventildestillasjonsplatene lig-ger i området 0,2-2,0 m/s og den fiktive gasshastighet gjennom oppslemningssjiktet (16) normalt er lavere enn den fiktive gasshastighet gjennom destillasjonssonen (18), slik at den effektive reaktordiameter eller tverrsnittdimensjon er mindre i destillasjonssonen enn i reaksjonssonen (14), og hvor en oppsamlingsplate (30) er lokalisert under det nederste destillasjonstrinn, hvor væske som oppsamles på oppsamlingsplaten returneres til oppslemningssjiktet ved hjelp av en leder (34; 216) på en slik måte at det ikke er noen kontakt mellom den returnerte væske til oppslemningssjiktet og gassfasen i fribordsonen (17).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter vasking av gassfasen i vaskesonen (202) ved at vaskingen utføres ved hjelp av en vaskevæske (210) og at vaskingen således tjener til å separere medførte katalysatorpartikler fra gassfasen og hvor vaskingen utføres ved å passere gassfasen oppad over et vasketrinn i vaskesonen, motstrøms til vaskevæsken som er det flytende hydrokarbonprodukt .

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å underkaste en del av oppslemningssjiktet (16) til faststoffseparasjon for å fjerne hoveddelen av katalysatorpartiklene fra det flytende hydrokarbonprodukt og derved produsere flytende hydrokarbonprodukt som deretter anvendes som vaskevæske (210) og hvor (i) både vasking av medførte katalysatorpartikler eller oppslemningsdråper og destillasjon finner sted i vaskesonen (202) , hvor væske fra destillasjonssonen (18) tillates å inngå i vaskesonen i tillegg til vaskevæsken, eller (ii) ingen væske fra destillasjonssonen inngår i vaskesonen slik at en eneste vasking av katalysatorpartiklene eller oppslemningsdråpene med vaskevæske finner sted i vaksesonen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at vasketrinnet omfatter et antall vaskeplater (204, 206, 208) atskilt vertikalt, og med en oppsamlingsplate (212) under vaskeplaten, hvor vaskevæsken innføres i vaskesonen (202) eller trinnet over vasketrinnet og at vaskevæsken passerer, sammen med faste katalysatorpartikler, fra vasketrinnet til oppslemningssjiktet (16) via en leder (216) som fører fra vaske-trinnoppsamlingsplaten til oppslemningssjiktet, hvor vaskeplatene er faste ventilplater.

7. Anordning (100) for fremstilling av væske og gassformige produkter fra gassformige reaktanter, omfattende: • et reaktorkammer (12) med en reaksjonssone (14) som under bruk inneholder et oppslemningssjikt (16) av faste katalysatorpartikler suspendert i en suspensjonsvæske, og en destillasjonssone (18) over reaksjonssonen, • et gassinnløp (13) til kammeret ved dets nedre nivå inne i reaksjonssonen for innføring av gassformige reaktanter i kammeret, • et gassutløp (44, 46) i kammeret i destillasjonssonen, for avtrekning av en gassfase omfattende ikke-omsatte gassformige reaktanter og eventuelt dampformige produkter fra kammeret, • et væskeutløp i kammeret inne i reaksjonssonen for avtrekning av væskeprodukt fra kammeret, • eventuelt et vasketrinn i en vaskesone (202) lokalisert under destillasjonssonen, • et destillasjonstrinn (20, 22, 24, 26, 28; 104, 106, 108) i destillasjonssonen, i hvilken gassfasen, under bruk, underkastes destillasjon før den utgår fra destillasjonssonen gjennom gassutløpet, og • en fribordssone (17) mellom destillasjonssonen, eller en eventuell vaskesone, og reaksjonssonen, karakterisert ved at en leder (34; 216) som fører fra destillasjonssonen (18), eller eventuelt vaskesonen (202), til reaksjonssonen (14) slik at katalysatorpartikler, under bruk, kan returneres fra destillasjonssonen, eller når til stede, fra vaskesonen til reaksjonssonen uten å komme i kontakt med gassfasen i fribordssonen (17).

8. Anordning (100) ifølge krav 7, karakterisert ved at den omfatter et kjø-letrinn (112) som operativt er forbundet med gassutløpet (44, 46) fra kammeret (12) ved hjelp av en første leder og en andre leder (48) som fører fra kjøletrinnet tilbake til destillasjonstrinnet (20, 22, 24, 26, 28; 104, 106, 108) for returnering av kondensert produkt fra kjøletrinnet til destillasjonstrinnet for anvendelse som tilbakeløp.

9. Anordning (100) ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at det er anordnet et antall destillasjonstrinn (20, 22, 24, 26, 28; 104, 106, 108) i destillasjonssonen (18), og hvor fribordssonen (17) inneholder ingen gass/væskekontaktanordninger.

10. Anordning (100) ifølge krav 9, karakterisert ved den omfatter et vasketrinn i vaskesonen(202), hvor vaskesonen er lokalisert mellom fribordsonen (17) og destillasjonssonen (18).