用於進行費-託合成的方法和反應器的製作方法

2023-05-31 11:21:26 1

專利名稱：用於進行費-託合成的方法和反應器的製作方法
用於進行費-託合成的方法和反應器費-託(FT)方法需要主要由一氧化碳和氫氣組成的合成氣物流。因此，氣化是煤 液化或者由生物質來生產費_託燃料的第一步驟。通過該方法，合成氣被轉化成為高級烴， 二氧化碳和水。傳統的FT反應器是作為固定床或者氣體攪拌反應器(漿體)來運行的。由於更 好的溫度控制，以及因此的產品質量的潛在最佳化，漿體反應器(slurry reactor)是一種 非常受歡迎的選擇。另外，基於鈷或者釕的現代FT催化劑已經表現出良好的形成長碳鏈分 子(典型的大於5個碳原子)的能力。FT合成是放熱性的，並且反應性能高度依賴於反應溫度。高溫有利於甲烷的形成 和碳在催化劑上的沉積。因此必須控制溫度和從反應介質中除去多餘的熱，這通常是通過 反應器中的冷卻介質的間接熱交換來完成的。不管上述的進展如何，FT反應器仍然具有局限性，主要的局限來自於任何的FT催 化劑對於蒸汽的敏感性。確實的，FT反應基於每個被轉化的一氧化碳分子形成了一個水分 子。因為長鏈烴是期望的反應產物，它導致了蒸汽濃度的明顯增加，並且對於催化劑活性產 生潛在的影響。蒸汽引起的FT催化劑的鈍化對於蒸汽的分壓產生了限制，該分壓典型的低 於 6 bar，優選低得更多。這通常是通過限制每個流過反應器的轉化率(即，水產生)來 進行的。在 20-30 bar的運行壓力時，每一道的碳轉化率將不超過50%，其需要大量的再 循環物流和因此的尺寸化的反應器，即，大於僅僅給定催化劑活性下所需的尺寸。目前已經發現如果通過將蒸汽分壓保持得足夠低和足夠的催化活性來避免再循 環物流，則在已知的FT方法中的反應器轉化率(每kg/催化劑)會增加，並且該反應器尺 寸明顯降低。為了控制蒸汽分壓，我們建議在FT反應器中，典型的以冷卻固體表面形式弓I入冷 卻點。在該表面上，低溫將促使水冷凝成為液體膜。因此，在該氣體和反應器中的蒸汽分壓 將明顯不超出該液體膜的蒸氣分壓，並且來自該氣體物流的水將在它產生時被除去，即，我 們限制了蒸汽引起的鈍化。另外，由於蒸汽稀釋引起的氫氣和一氧化碳分壓降低將保持得 低，這保證了恆定的高反應速率。根據上述發現，本發明是一種進行費-託(FT)合成的方法，其包含步驟在用冷卻 劑間接冷卻的FT合成催化劑粒子的固定床反應器中，使含有氫氣，一氧化碳和二氧化碳的 合成氣反應，和通過調整該液體冷卻劑來提供50°C -190°C的溫度，從而當在反應器中形成其時 在冷卻表面上冷凝水。為了達到在冷卻面積上有效的水冷凝和從催化床上充分的除熱，可以使用不同的 方案。但是，全部可能的構造將在於將整體冷卻表面插入到反應器中，來確保任何的催化 區域將處於冷卻表面的鄰近。例如，一種可能是將該催化劑粒子填充到窄管中，該窄管被冷 卻劑在外面包圍著，並且將高流量的合成氣通過該管。可選擇的，可以使用具有冷卻劑在其 中循環的內構件的填充床反應器。這些構件可以具有不同的形狀，只要它們提供充分的冷 卻和保證任何的催化區域將處於冷卻表面的鄰近就行。
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反應器(相對遠離冷卻表面)中的運行壓力和溫度應當保持在這樣的範圍內，以 使得催化活性對於實現高轉化率來說是足夠的。在工業FT裝置中廣泛使用，並且適用於本發明中的催化劑是金屬基的；典型的是 鐵，釕或者鈷基催化劑。雖然在過去廣泛使用鐵，但是現代的催化劑通常基於鈷，並且表現 出最佳的選擇性能。取決於具體的催化劑，所述方法可以以低溫或者高溫方法來進行。當使用鐵基催 化劑時，可以選擇300-350°C的高運行溫度，鐵或者鈷催化劑可以選擇200-240°C的低運行溫度。固定床反應器適於180_350°C的運行溫度。總運行壓力可以在大約IMPa到6MPa之間變化。當使用鐵基催化劑時，高壓是優 選的，因為催化劑的生產率隨著運行壓力而提高。但是，給定催化劑活性，反應器成本和最 大允許蒸汽分壓，可以選擇足夠的運行壓力。所以，在固定運行壓力時，要求冷卻點的溫度 在給定的總運行壓力時足夠低來保證蒸汽的冷凝。確實的，冷卻點的表面積和它們的溫度控制了冷凝速率，該速率應當平衡FT合成 的水產率。但是，在冷卻點的熱損失應當通過FT反應的放熱來平衡，其在反應進行時將反 應器的溫度保持恆定。液體膜(冷的使冷凝得以進行)和反應器(熱的用於保持快速反 應)之間的溫差是通過反應和冷凝的熱來維持的。在下面的部分提出了無量綱的標準，用 於匯總這些平衡。在本發明的一種實施方案中，通過在所提供的冷卻劑溫度調整冷卻表面積 (ACOOL)，來將至少部分的該催化劑溫度保持在水的露點之上，以此方式使得沉降的催化劑 本體(bulk)體積(VCAT)與冷卻表面積(ACOOL)的比例為0. Olm-O. 125m。在本發明另外一種實施方案中，通過加熱劑來將FT催化劑粒子的溫度保持在水 的露點之上，該加熱劑包括沸點為180°C _280°C的加壓的水，露點為180°C _280°C的蒸汽或 者其混合物。將該加熱劑通過內部加熱裝置，該加熱裝置具有這樣的表面積，以使得該加熱 裝置的表面與冷卻區域的表面的比例是0. 3-3. 0。優選，該冷卻劑的平均溫度是100°C -180°C，並且沉降的催化劑本體體積(VCAT) 與冷卻表面積(ACOOL)的比例是0. Olm-O. 125m。該平均溫度定義為在接受了一半的總傳遞熱之後的冷卻劑溫度。此外，本發明提供了一種反應器，其可用於上述方法中來進行FT合成。在一種實施方案中，該反應器包含在共同的殼中的FT催化劑粒子的固定床和冷 卻裝置，該冷卻裝置適於用冷卻劑來間接的冷卻FT合成氣，其中沉降的催化劑本體體積 與該冷卻裝置的冷卻表面積的比例(VCAT/AC00L)是0. Olm-O. 125m，所述冷卻劑的溫度為 500C -190"C。在另外一種實施方案中，該反應器包含在共同的殼中的甲醇催化劑粒子的固定床 和冷卻裝置以及加熱裝置，該冷卻裝置適於用冷卻劑來間接的冷卻FT合成氣，該加熱裝置 適於用加熱劑來間接的保持FT催化劑的溫度，其中該加熱裝置的表面與該冷卻裝置的表 面比(VCAT/AC00L)是 0. 3-3. 0。在仍然的一種實施方案中，該反應器進一步包含內部液體膜穩定設備，該設備鄰 近於該冷卻裝置的表面。該液體膜穩定設備用於避免冷凝水夾帶到催化劑床中，並且被安裝在催化劑和冷卻表面之間。優選的液體膜穩定器選自金屬絲網(wire mesh)，金屬螺旋體 (metalspiral)，金屬螺旋線(metal helix)，多孔纖維氈(porous fibre mat)，縱向帶有翅 白勺冷去P表面(longitudinal finned cooling surface)。為了提出標準，我們評估和比較了反應器中的速率(生產，傳送等)。所涉及的術語是在冷卻點的冷凝率是Rcond k (Y-Y*)，這裡k是傳遞係數，Y表示H2O的質量分率，和*代表了定義為用液體膜平衡的蒸氣變量。放熱 Hrelease H · r，這裡H是反應焓，和!「是！！力的產率。如果所產生的全部的水在壁上冷凝，則我們使用Hrelease H -k(Y"Y*)。確實的， 對於給定的催化活性來說，這種關係可以通過獨立調整冷卻表面積和催化劑體積來獲得。在壁/膜處的熱損失是Hlosses k Cp (T-T*)，這裡T和f分別表示了氣體和液 體膜中的溫度。我們定義了 A來比較放熱和熱損失A (H(Y-Y*))/(Cp(T_f))。我們要求A> 1 來避免過度冷卻。實施例1在反應器中將冷卻表面溫度設定為147°C，該反應器運行壓力為P = 20bar，並且 催化劑床的平均溫度T = 210°C (進料)和氫氣/ 一氧化碳混合物為H2/C0 = 2。反應物 是根據下式轉化的C0+2 H2- > CH2+H20CH2反應進一步產生了長碳鏈分子。該反應是放熱的(反應焓是-H = -165kJ/ mol)，同時該混合物的熱容是根據碳轉化率在Cp 30-50J/mol/K的範圍內變化的。

圖1繪製了作為碳轉化率的不同物質的分壓。在轉化率低於0. 5時，該分壓是與 轉化率線性變化的，隨著反應物的消耗，產生了水，並且積聚在氣相中。在 0.5的轉化率 時，膜冷凝開始，水的分壓穩定在4. 5bar，低於上限(此處採用 6bar)。反應進行到幾乎完 全轉化，保持高的和穩定的反應物分壓。對於這種情況而言，我們估計在0. 5的轉化率時， 無量綱值A是A 1. 3，並且隨著反應器中的反應的進行而提高，以使得該催化劑溫度適於 FT合成。實施例2在反應器中將冷卻表面溫度設定為155°C，該反應器運行壓力為P = 35bar,並且 催化劑床的平均溫度T = 210°C (進料)和氫氣/ 一氧化碳混合物為H2/C0 = 2。該反應 類似於實施例1。圖2繪製了作為碳轉化率的不同物質的分壓。在轉化率低於0. 4時，該分壓同樣 是與轉化率線性變化的，隨著反應物的消耗，產生了水，並且積聚在氣相中。在 0.4的轉 化率時，膜冷凝開始，水的分壓穩定在5. 7bar，低於上限(此處也採用 6bar)。反應進行 到幾乎完全轉化，保持高的和穩定的反應物分壓。對於這種情況而言，我們估計在0. 4的轉化率時，無量綱值A是A 1. 3，並且隨著反應器中的反應的進行而提高，以使得該催化劑溫 度適於FT合成。與常規的技術相比，該冷凝反應器的優點是除去了再循環物流，並且降低了設備的尺寸(壓縮機和反應器二者)，即，降低了 安裝成本。降低了氣相中的水含量，這使得能夠在更高的壓力/催化活性進行或/和在反應 器中保持相對恆定的反應物分壓。除去水還降低了氣體流速，在高轉化率區域中明顯降低了每單位長度上的壓力降 低。它允許使用小的催化劑粒子，當反應性增加時，內部粒子擴散限制降低，同時保持合理 的壓力降低。沒有再循環迴路，這裡沒有惰性物質的積聚，並且對於合成氣組成的要求較低， 即，該合成氣形成可以簡化(成本降低)，而不明顯損失轉化效率。
權利要求
一種進行費 託(FT)合成的方法，其包含步驟在用冷卻劑間接冷卻的FT合成催化劑粒子的固定床反應器中，使含有氫氣，一氧化碳和二氧化碳的合成氣反應，和通過調整冷卻劑的壓力來提供沸點(TBW)為50℃ 190℃的冷卻劑，從而當製備其時在冷卻表面上冷凝水。
2.一種進行費-託(FT)合成的方法，其包含步驟在用冷卻劑間接冷卻的FT合成催化劑粒子的固定床反應器中，使含有氫氣，一氧化碳 和二氧化碳的合成氣反應，和通過將該液體冷卻劑的溫度調整為50°C -190°C，從而當製備其時在冷卻表面上冷凝水。
3.根據權利要求1或者2的方法，其中通過在所提供的冷卻劑沸點調整冷卻表面積 (AC00L)，來將至少部分的該催化劑溫度保持在水的露點之上，以此方式使得沉降的催化劑 本體體積(VCAT)與冷卻表面積(AC00L)的比例為0. 01m-0. 125m。
4.根據權利要求3的方法，其中通過加熱劑來將FT催化劑粒子的溫度保持在水的露點 之上，該加熱劑包括沸點為180°C _280°C的加壓的水，露點為180°C _280°C的蒸汽或者其混 合物，將該加熱劑通過內部加熱裝置，該加熱裝置具有這樣的表面積，以使得該加熱裝置的 表面與冷卻區域的表面的比例是0. 3-3. 0。
5.權利要求1的方法，其中該冷卻劑的沸點是100°C-180°C，並且沉降的催化劑本體體 積(VCAT)與冷卻表面積(AC00L)的比例是0. 01m-0. 125m。
6.權利要求2的方法，其中該液體冷卻劑的平均溫度是100°C-18(TC，並且沉降的催化 劑本體體積(VCAT)與冷卻表面積(AC00L)的比例是0. 01m-0. 125m。
7.權利要求1或者2的方法所用的FT合成反應器，其包含在共同的殼中的FT催化 劑粒子的固定床和冷卻裝置，該冷卻裝置適於用冷卻劑來間接的冷卻FT合成氣，其中沉 降的催化劑本體體積與該冷卻裝置的該冷卻裝置的冷卻表面積的比例(VCAT/AC00L)是 0.01m-0. 125m。
8.權利要求4的方法所用的FT合成反應器，其包含在共同的殼中的甲醇催化劑粒子的 固定床和冷卻裝置以及加熱裝置，該冷卻裝置適於用冷卻劑來間接的冷卻FT合成氣，該加 熱裝置適於用加熱劑來間接的保持FT催化劑的溫度，其中該加熱裝置的表面與該冷卻裝 置的表面比(VCAT/AC00L)是 0. 3-3.0。
9.根據權利要求7或者8的FT反應器，其進一步包含內部膜穩定設備，該設備鄰近於 該冷卻裝置的表面。
全文摘要
方法和反應器，其通過在FT反應器中，典型的是以冷卻的固體表面形式引入冷卻點，來進行具有受控的蒸汽分壓的費-託(FT)合成。在該表面上，低溫將促使水冷凝成為液體膜。由此，在該氣體和反應器中的蒸汽分壓將明顯不超出該液體膜的蒸氣分壓，並且將來自該氣體物流的水在它產生時除去，即，避免了蒸汽引起的鈍化。另外，由於蒸汽稀釋引起的氫氣和一氧化碳分壓降低將保持得低，這保證了恆定的高反應速率。
文檔編號B01J8/06GK101959587SQ200980106404
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月12日 優先權日2008年2月25日
發明者C·杜威格, M·索爾豪格, P·E·H·尼爾森 申請人:赫多特普索化工設備公司