專利名稱：催化多相反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于進行連續(xù)多相催化反應(yīng)的反應(yīng)器，該反應(yīng)器特別(但不是專門地)用于通過費-托型合成反應(yīng)將由甲烷轉(zhuǎn)化生成合成氣催化轉(zhuǎn)化成烴燃料的反應(yīng)。適用于該設(shè)備的其他反應(yīng)體系包括用于制備石油化學(xué)品、由合成氣制備氧化物的各種油漿反應(yīng)以及脫氫反應(yīng)。
三相催化反應(yīng)體系被用于許多化學(xué)方法中，并且其在石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用出現(xiàn)了增加的趨勢。在使用中的三相體系中，機械攪拌的、環(huán)形及泡罩塔油漿反應(yīng)器含有懸浮于液體中的細小催化劑顆粒。在大多數(shù)應(yīng)用中，液體必須與油漿分離，以除去液體產(chǎn)物，或用于催化劑再生，在液體是惰性介質(zhì)的情況下，有時由于降解或雜質(zhì)的聚焦而必須置換該液體。
由于低的傳質(zhì)和耐熱，機械攪拌的油漿反應(yīng)器特別適用于間歇過程，這些特征也使它們適合于實驗室中的反應(yīng)動力學(xué)的測量。然而，這種類型的反應(yīng)器的嚴重缺點和限制是在任何連續(xù)操作中很難分離催化劑顆粒。
工業(yè)上，僅僅機械攪拌的反應(yīng)器用于由棉子、大豆、玉米、葵花子等得到的油的雙鍵的加氫。由于使用鎳催化劑，產(chǎn)物包括人造奶油、催化加氫植物油、皂和脂膏。根據(jù)脂油的低擴散性和高粘度來選擇反應(yīng)器。由于不用過濾就可得到完全沒有催化劑的產(chǎn)物這樣的優(yōu)點，所以已經(jīng)提出固定床操作。許多其他加氫反應(yīng)也是在攪拌的反應(yīng)器中進行，例如硝基化合物的加氫。
因為避免使用機械移動部件，所以泡罩塔油漿反應(yīng)器的操作是簡單的。由于低的擴散阻力和有效的傳熱的結(jié)合，所以這些反應(yīng)器對許多工業(yè)過程是有吸引力的。然而，固-液分離通常是在反應(yīng)器的外面在精細過濾和沉降系統(tǒng)中進行，催化劑油漿將循環(huán)到反應(yīng)器，有時要用油漿泵來循環(huán)。因此，在泡罩塔油漿反應(yīng)器的連續(xù)操作中可能遇到嚴重的問題。
由于世界石油資源的減少，所以使用天然氣作為能源就變得更有吸引力，并且使天然改質(zhì)成為高級烴燃料的方法的重要性正在增加。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種可進行多相催化反應(yīng)的連續(xù)方法的反應(yīng)器，該反應(yīng)器沒有現(xiàn)有技術(shù)的這些缺點。
本發(fā)明的一個特殊的目的是提供這樣一種反應(yīng)器，該反應(yīng)器非常適用于在H2中轉(zhuǎn)化天然氣成為合成氣再成為柴油燃料。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種固/液油漿反應(yīng)設(shè)備，其包括用來容納油漿的反應(yīng)器;與油漿接觸并確定濾液區(qū)的過濾器，該過濾器分離油漿并具有一個濾液產(chǎn)物的出口;用來產(chǎn)生一個橫過過濾器的平均壓差的設(shè)備;用來產(chǎn)生平均壓差上下升降或波動的設(shè)備;以及用于將氣體反應(yīng)物或其他組分以氣泡形式加入到油漿中的設(shè)備。
這樣一種系統(tǒng)相當簡單然而有效，通常認為特別成問題的分離步驟是在不是非常復(fù)雜的情況下和在適當?shù)牟僮鳁l件下進行，并且過濾器是自身清洗的。
優(yōu)選的是，該壓差是由浸在反應(yīng)器油漿中的過濾器產(chǎn)生的靜壓所產(chǎn)生的。優(yōu)選的是，油漿反應(yīng)器中油漿上面的空間和濾液段中的濾液上面的空間之間的聯(lián)通避免了產(chǎn)生的壓差超過相應(yīng)的靜壓。上述兩個空間的聯(lián)通可通過在油漿部分和濾液部分之間延伸并與每個部分相通的管子來實現(xiàn)。壓力的升降和波動可通過反應(yīng)器中油漿的湍流運動來產(chǎn)生。壓力的升降和波動也許可以通過對濾液部分的共振作用優(yōu)選通過管子來傳遞或增強。
優(yōu)選的是，橫過過濾器的壓差的升降或波動的振幅或大小大約與靜壓差的平均值是相同的或更大。優(yōu)選的是橫過過濾器的平均壓差應(yīng)保持在相當?shù)偷乃剑话阈∮?毫巴(500Pa)。氣體接觸管除了起到油漿上面的氣相和過濾器的內(nèi)部之間的聯(lián)通作用外，還提供了一個簡易的氣體。放出管路，該氣體已穿過過濾器薄膜，另外已截留在濾液部分。
氣體產(chǎn)物或組分可用任何常規(guī)方法放出，例如通過反應(yīng)器的分開的出口或簡單地通過管而放出。進行的實驗得到如果氣體接觸管關(guān)閉或嚴重阻塞，則過濾器也將迅速變得阻塞起來。當然，該接觸管將限制橫過過濾器的壓力降，因此避免了不希望的和破壞性的壓力聚積，另外，當反應(yīng)器內(nèi)部和出口端之間存在相當大的壓力降時，可能會發(fā)生上述的壓力的聚積。
反應(yīng)裝置可包括將脈沖壓力施加給濾液區(qū)，或者直接施加給濾液、或者施加給濾液上面的氣體空間的設(shè)備。優(yōu)選的是，該脈沖壓力是通過汽缸中的往復(fù)活塞的作用而提供。該設(shè)備可代替上述管子或作為附件。
優(yōu)選的是，過濾器是以過濾器單元的形式以內(nèi)部確定濾液區(qū)，并且其包括一個過濾器濾芯以將濾液區(qū)和油漿區(qū)分開。優(yōu)選的是，過濾器濾芯通常是圓筒形的，并且在使用中其軸心通常是垂直的，盡管其與垂直面可傾斜10°或30°。過濾器濾芯可以位于反應(yīng)容器中或反應(yīng)容器的分支部分中，在該反應(yīng)容器中使至少部分油漿相循環(huán)。優(yōu)選的是，過濾器濾芯包括一個細網(wǎng)狀的篩，螺旋繞制的細絲，細的垂直細絲或燒結(jié)的金屬顆粒。過濾器濾芯材質(zhì)和催化劑優(yōu)選是這樣選擇的，以致過濾器濾芯中的最大孔或孔徑與催化劑粒徑具有相同的數(shù)量級。催化劑粒徑優(yōu)選不小于孔徑的一半。然而，催化劑粒徑可大于孔徑為相同量級或更小的最大孔徑。用于加入氣體反應(yīng)物或組分的設(shè)備可包括優(yōu)選位于反應(yīng)器底部的任何合適的設(shè)備，例如泡罩塔板，許多噴嘴、多孔塔板等。反應(yīng)物可以是例如來自天然氣轉(zhuǎn)化的CO和H，產(chǎn)物可以是甲醇和高級烴類。
壓力升降值可以大約為壓差，例如為壓差的10至200%，壓差的實際值可以是1至1000毫巴，優(yōu)選2至50毫巴。
壓力升降可通過反應(yīng)器中油漿的湍流流動和/或過濾器濾芯外邊的氣泡上升來提供，這些氣泡本身可以產(chǎn)生湍流流動狀態(tài)。
反應(yīng)器優(yōu)選裝有液體反應(yīng)物或組分的入口和/或出口。過濾器單元設(shè)備完全或部分地裝有濾液，因此，過濾器單元設(shè)備的出口可與該過濾器單元設(shè)備的頂部上面的濾液部分的管子連接。另外，濾液部分的出口可以包括一個用于測定濾液部分中濾液高度的管子。過濾器單元設(shè)備可以是可垂直調(diào)整的，優(yōu)選的濾液高度可根據(jù)反應(yīng)器來調(diào)節(jié)。
優(yōu)選的是，反應(yīng)器裝有傳熱設(shè)備，該傳熱設(shè)備可包括許多垂直安裝的用于循環(huán)傳熱介質(zhì)的管子。
當然，反應(yīng)器可包括許多過濾單元。
本發(fā)明特別適用于將天然氣(甲烷)轉(zhuǎn)化成高級烴燃料的方法，該方法包括先將甲烷燃燒轉(zhuǎn)化生成一氧化碳和氫，用費-托合成法將CO和H催化轉(zhuǎn)化成高級烴燃料例如液體石蠟，然后分離和/或裂化這些產(chǎn)物以生成所需范圍烴類。
當用這種方法生產(chǎn)柴油燃料時，該柴油燃料在其質(zhì)量和性能方面都比常規(guī)柴油優(yōu)越的多。首先，它不含有硫。這一點從環(huán)境角度來說是重要的。其次，它具有很高的十六烷值，因此，能夠與低級柴油餾分摻和以生產(chǎn)滿足高級范圍標準的產(chǎn)品。第三，它實際上不含有當燃燒時產(chǎn)生油煙的有害化合物，并且?guī)缀醪恍枰砑觿┰诘蜏叵率褂靡矝]有問題。
本發(fā)明可用各種方式實施，下面參考附圖用實施例的方式對一些實施方案進行說明。


圖1是用于進行本發(fā)明方法的三相油漿反應(yīng)器的剖面簡圖;
圖2是顯示達到壓力波動的另一種系統(tǒng)的反應(yīng)器部分的簡化的剖面簡圖;
圖3、4和5是類似于圖2的顯示調(diào)節(jié)橫過過濾器的壓差的三種方式的示意圖;和圖6和7是另外兩種實施方案。
圖1中的反應(yīng)器11包括確定反應(yīng)器11的外殼12和在外殼12中的過濾器設(shè)備13。外殼12的底部有一個氣體入口14，在合成氣轉(zhuǎn)化過程中該氣體入口可構(gòu)成反應(yīng)物入口。在氣體入口14的上面有氣體輸送設(shè)備如可透氣的多孔板15，該板支撐著反應(yīng)器11中的油漿16，在外殼12的頂部有一個氣體出口17。氣體出口17由節(jié)流閥或閥18控制。該外殼還有一個油漿的入口19和出口21。
過濾器設(shè)備13包括一個與油漿16接觸的通常為垂直的圓筒形過濾器濾芯22，該過濾器濾芯是以細網(wǎng)狀的篩子形式，雖然其另外可以包括螺旋繞制的金屬細絲、燒結(jié)的金屬顆粒或窄的分開的細的垂直細絲。其安裝一個立管23形式的恒位面設(shè)備，它的上端在過濾器設(shè)備13頂部以下。管23通到濾液出口24，其依次通到收集器25并到出口閥26。管27從管23的頂部之上的過濾器設(shè)備13內(nèi)的空間28延伸到油漿16之上的反應(yīng)器11頂部之內(nèi)的空間29。管27上的開口31連接兩個空間28和29。
在操作時，氣體反應(yīng)物通過入口14和板15引入到反應(yīng)容器11。反應(yīng)物在油漿16中形成氣泡，氣泡向上通過過濾設(shè)備13。油漿16由液相反應(yīng)產(chǎn)物和細分散形式的催化劑組成。氣體反應(yīng)物當它們與催化劑接觸時就反應(yīng)，因此加入到油漿中的產(chǎn)物中。
同時，該產(chǎn)物通過過濾器濾芯22形成沒有催化劑的產(chǎn)物濾液32。所有氣體產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物可以通過出口17排出，然后進行處理和/或循環(huán)。產(chǎn)物濾液32通過恒位面設(shè)備23和出口24離開過濾器設(shè)備13，并收集到收集器25中以控制連續(xù)或周期性排出。
油漿16和產(chǎn)物濾液32之間的液面差由恒位面設(shè)備確定，使越過過濾器濾芯22形成壓差，這有助于輸送該液體產(chǎn)物通過過濾器濾芯22。
可以預(yù)期，在這些條件之下，催化劑會堵塞過濾器濾芯，但是，發(fā)現(xiàn)只要壓差不太大，就不會出現(xiàn)這種情況。引入的反應(yīng)物與氣體空間28、29連通一起，并結(jié)合反應(yīng)器容器11中通常的湍流狀態(tài)，可導(dǎo)致橫過過濾器濾芯22的壓差波動，這樣依次使液體流波動通過過濾器濾芯22，起到抑制堵塞的作用。這種情況可以通過使氣泡運動通過過濾器濾芯22的表面而得以加強。
另一實施方案示于圖2。在這種情況下，過濾器設(shè)備41沒有連接反應(yīng)器中的空間28和29(未畫出)的管27，代替的是氣缸和活塞組合體42連到空間28。通過往復(fù)活塞產(chǎn)生脈動壓力，使橫過過濾器濾芯22的壓差形成所需的波動。當然，這種安排可以連同圖1所示的實施方案使用。油漿和濾液上面的空間之間的連通可以通過一個帶有限制壓力脈沖傳遞到油漿上面的空間的油門或節(jié)流閥的管(未畫出)來提供，另外，該管往往會消除往復(fù)的活塞的凈影響。盡管如此，該管還會控制該靜壓差。
恒位面設(shè)備23可以制成是可調(diào)的，以便提供一個高于越過過濾器濾芯22的壓差的控制范圍?？梢赃_到這個作用的三種方式示于圖3、4和5中。
在圖3的過濾器設(shè)備51中，把立管52和管53以相對于過濾器設(shè)備51可滑動的形式安裝。在圖4的過濾器設(shè)備61中，立管62以相對于過濾器設(shè)備61可滑動的形式安裝，但管63相對于過濾器設(shè)備61而固定。在圖5的過濾器設(shè)備中，管73固定，而立管72可滑動地裝在一個固定的套筒74中。于是，濾液32的高度當其升高或降低時保持與過濾器設(shè)備71相對固定。
圖3-5所示的各種變形可以與圖1或圖2所示的實施方案相組合。
在圖6所示的反應(yīng)器81中，過濾器設(shè)備83的出口84有一個向上的彎管85，以保證過濾器設(shè)備83充滿液體。在圖7所示的反應(yīng)器91中，有一個管97把反應(yīng)器中的氣體空間與濾液連通。出口管94延伸到過濾器設(shè)備93的底部，出口管94和反應(yīng)器中的空間之間有一個任意的連通管96。該連通管96往往會防止任何虹吸效應(yīng)，并允許留在濾液中的任何氣體溢出。另外，過濾器設(shè)備93要充滿濾液。
在所有說明性的實施方案中，反應(yīng)器的幾何形狀、連通設(shè)備(例如管27)和濾液截面可以改變大小，以便通過猛烈的類共振效應(yīng)使壓力波動最佳化。
現(xiàn)在用下面的實施例進一步說明本發(fā)明，實施例是用實驗室規(guī)模進行的。
實施例1將一根直徑4.8cm，高約2m的不銹鋼管裝滿烴液體和細粉狀催化劑，該管按油漿泡罩塔通過鼓氣泡到油漿中的方法操作。
過濾器設(shè)備放在反應(yīng)器的上部。過濾器設(shè)備用Company pressmetall Krebs
ge GmbH生產(chǎn)的SiRa不銹鋼燒結(jié)的金屬圓筒R20型制成。過濾器設(shè)備的外徑為2.5cm，高度為25cm，平均孔徑為20μm。
在該特殊試驗中，反應(yīng)器中裝入油漿，油漿由聚α-烯烴液體和約10%(重)細粉狀氧化鋁載鈷催化劑組成，催化劑粒徑為30-150μm。讓氣泡通過液體使催化劑保持懸浮狀態(tài)。該氣體是H2、Co和N2的不同組成的混合物，并以表觀氣體速度為4cm/S加入。反應(yīng)器中的溫度是230℃，壓力是30巴(3×106帕)。
油漿中濾液的高度調(diào)節(jié)到閥以上約一半的位置。
反應(yīng)器中費-托反應(yīng)形成的液體通過過濾器設(shè)備回收。另外，加到反應(yīng)器中的聚α-烯烴液體也通過過濾器設(shè)備回收。回收的液體為320-2.5g/h，其取決于液體產(chǎn)物的形成速度和烴液體的加入速度。該試驗持續(xù)約400小時，通過過濾器設(shè)備回收的液體總量為30升。在試驗中反應(yīng)器中液體的量是固定的，沒有觀察到液體中有什么顏色表明存在固體顆粒。
實施例2在直徑22cm，高2.5m的玻璃管中裝入烴液體C Monsa-nto傳熱流體，MCS 2313)和細氧化鋁粉(平均粒徑約75μm)，氧化鋁的含量為約15%(重)。按油漿泡罩塔(SBC)用氣體鼓泡通過油漿的方法操作該管。
過濾器設(shè)備在油漿相上面的氣體空間和產(chǎn)物相上面的氣體空間之間沒有連通管，該過濾器設(shè)備是放在SBC的上部。過濾器設(shè)備是用Sintermefallwerk Rrebs
ge GmbH生產(chǎn)的SiKa fil10不銹鋼燒結(jié)的金屬圓筒制成。該燒結(jié)圓筒外徑為2.5cm，高為20cm，平均孔徑為10μm。
在該特定的試驗中，油漿面控制在燒結(jié)圓筒的頂部，測定SBC中的壓力幅度是6毫巴，越過燒結(jié)金屬壁的壓降大約為3-4毫巴(300-400帕)。油漿的溫度為20℃，壓力是1巴(105帕)，氣體速度約為6cm/S。
在實驗開始，通過燒結(jié)金屬圓筒的濾液流速為約1000毫升/分。4小時后，流速降到0，由于在油漿一邊的燒結(jié)金屬壁堵塞。
當在設(shè)備中進行類似的試驗時，其中用一段管作為連接管連通氣體空間，開始的流速基本保持在整個試驗的相同值上。
權(quán)利要求
1.固/液油漿反應(yīng)設(shè)備，其包括用于容納油漿區(qū)中的油漿(16)的反應(yīng)容器(11)；和用于將氣體組分以氣泡形式加入到油漿中的設(shè)備，其特征在于包括一個與油漿(16)接觸的確是與油漿區(qū)分開的濾液區(qū)的過濾器，并且該過濾器有一個濾液產(chǎn)物(32)的出口(23)；產(chǎn)生橫過該過濾器的平均壓差的設(shè)備；和引起平均壓差上下升降或波動的設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于壓差是由浸于反應(yīng)器油漿中的過濾器(13)產(chǎn)生的靜壓所產(chǎn)生的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于壓力的升降或波動是由油漿區(qū)中的油漿(16)的湍流運動所產(chǎn)生的。
4.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于油漿區(qū)上面的氣體空間(29)與濾液區(qū)中的濾液(32)連通或與濾液區(qū)(32)上面的任何氣體空間(28)連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于所述的連通是由在油漿區(qū)和濾液區(qū)之間延伸并與這兩個區(qū)相通的管(27)提供。
6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于橫過過濾器(13)的壓差的升降或波動幅度大約與平均值相同或更大。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于還包括一個氣體產(chǎn)物或組分離開反應(yīng)容器(11)的出口(17)。
8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于提供向濾液區(qū)施加脈沖壓力的設(shè)備(42)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于所述的脈沖壓力是由氣缸(42)中往復(fù)的活塞的作用而提供的。
10.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于過濾器(13)通常是圓筒形并且在使用中其軸心通常是垂直的。
11.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于過濾器(13)位于反應(yīng)容器(11)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于過濾器(13)安裝在反應(yīng)容器(11)的分枝設(shè)備中，其中使至少部分油漿相循環(huán)。
13.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于過濾器(13)是以過濾器單元的形式內(nèi)部確定濾液區(qū)，并且該過濾器包括分開濾液區(qū)和油漿區(qū)的過濾器濾芯(32)。
14.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于過濾器濾芯(22)包括細網(wǎng)狀的篩子、螺旋繞制的細絲、細的垂直細絲或燒結(jié)的金屬顆粒。
15.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于用于加入氣體反應(yīng)物或組分的設(shè)備包括在反應(yīng)容器(11)的底部的多孔板(15)。
16.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于反應(yīng)容器(11)裝有可任意含有分散的顆粒物質(zhì)如細分散的催化劑的液體反應(yīng)物或組分的入口(19)和/或出口(21)。
17.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于過濾器(13)準備全部或部分充裝濾液產(chǎn)物。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于濾液區(qū)的出口包括一個用來確定濾液區(qū)(32)中濾液高度的管子(23)。
19.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于濾液高度可根據(jù)反應(yīng)容器(11)來調(diào)節(jié)。
20.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于過濾器(13)安裝為可垂直調(diào)節(jié)的。
21.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于反應(yīng)容器(11)裝有傳熱設(shè)備。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于傳熱設(shè)備是由供傳熱介質(zhì)循環(huán)的許多垂直安裝的管子提供。
23.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的反應(yīng)設(shè)備，其特征在于反應(yīng)容器中有許多過濾器。
全文摘要
一種用于進行連續(xù)多相催化劑反應(yīng)例如轉(zhuǎn)化合成氣成為高級烴燃料的反應(yīng)器。經(jīng)可透氣的板15將氣體反應(yīng)物引入到包括產(chǎn)物和細分散的催化劑的油漿16中，通過包括過濾板22的過濾器設(shè)備13將液體產(chǎn)物與剩余的油漿分離。通過過濾器設(shè)備中的恒位面設(shè)備23使越過過濾板22產(chǎn)生一個壓差。該壓差使過濾板22內(nèi)的濾液32的高度保持低于油漿16的高度，通過引入氣體組分作為氣泡流使油漿16保持在攪拌的穩(wěn)定狀態(tài)下。橫過過濾板22的壓差的波動避免了過濾板堵塞，并且濾液32和油漿16上面的氣體空間28、29是連通的。
文檔編號B01J8/22GK1079676SQ9310345
公開日1993年12月22日 申請日期1993年2月24日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月25日
發(fā)明者E·萊特, P·聯(lián), T·邁斯德, P·T·羅特德, A·索貝肯 申請人:挪威國家石油公司