用於進行放熱反應的換熱器的製作方法
2023-05-22 11:27:11
專利名稱：用於進行放熱反應的換熱器的製作方法
技術領域：
本發明涉及冷卻組件和包括這種冷卻組件的用於進行放熱反應的反應器。具體地，本發明涉及適合於在費-託反應中使用的冷卻組件和反應器，並且涉及在利用該反應器和冷卻組件的過程中可通過一氧化碳加氫而製備的烴以及由這些烴衍生得到的燃料。
背景技術：
費-託工藝通常用於將烴原料轉化成液態和/或固態烴。所述原料(例如天然氣、伴生氣、煤層甲烷、殘留(粗)油餾分和/或煤)在第一步中被轉化成氫氣和一氧化碳的混合物(該混合物通常被稱為合成氣)。然後，合成氣在第二步中利用合適的催化劑在升高的溫度和壓力下被轉化成烷屬烴化合物，該烷屬烴化合物範圍為從甲烷至含最多200個碳原子或在特定情況下甚至含更多碳原子的高分子量分子。
開發了多種類型的反應器體系用於進行費-託反應。例如費-託反應器體系包括固定床反應器(特別是多管式固定床反應器)、流化床反應器如夾帶流化床反應器和固定流化床反應器、以及淤漿床反應器如三相淤漿鼓泡塔和沸騰床反應器。在US5517473中描述了合適的費-託反應器。但在該文獻中所述的反應器為一種大型的完全固定的冷卻體系，其製造、運輸和修理(例如在洩漏的情況下)均很困難。
費-託反應放熱量大，且對溫度敏感，其結果是要求仔細的溫度控制，以維持最佳的操作條件和所需的烴產物選擇性。應記住表徵費-託反應的非常高的反應熱、反應器的傳熱特徵和冷卻機理均是非常重要的。
固定床反應器的傳熱性能是有限的，這是因為其質量速度相對低、粒度小且流體的熱容低。但若嘗試通過增加氣體速度來改進傳熱，則可獲得較高的CO轉化率，但此時反應器的壓降過大，這限制了工業可行性。通過增加氣體通量和CO轉化率來增加反應器容量可導致徑向溫度梯度增加。對於熱穩定性和有效除熱來說，費-託固定床反應器管應當具有小於5或7cm的直徑。在費-託固定床反應器中希望使用高活性催化劑則使這一情況甚至更糟。差的傳熱特性使得可能產生局部飛溫(熱點)，這可導致催化劑局部失活。為了避免飛溫反應，必須限制反應器內的最高溫度。但在反應混合物內存在溫度梯度意味著許多催化劑在亞最佳水平下操作。
已經公開了在固定床設計中利用液體循環作為改進總體性能的手段。這一體系還被稱為「滴流床」反應器(作為固定床反應器體系的附屬設備部件)，其中反應物氣體和液體同時引入(優選相對於催化劑向下流動取向)。存在流動的反應物氣體和液體改進了除熱和熱量控制，從而在CO轉化率和產物選擇性方面提高了反應器性能。滴流床體系(以及任何固定床設計)的局限是與在高質量速度下操作有關的壓降。在沒有過大壓降情況下，在固定床內氣體填充的空隙(通常小於0.50)和催化劑顆粒的尺寸與形狀不允許高的質量速度。因此，由於傳熱速度而限制單位反應器體積內進行轉化的質量通量。增加催化劑的粒度和較高的質量流量改進傳熱(對於給定的壓降來說)且能增加轉化容量。但催化劑選擇性的損失和較低的催化劑效率可能抵銷改進的轉化容量。
與固定床設計相比，三相淤漿鼓泡塔反應器通常在傳熱特性方面提供優勢。這種反應器通常引入由液體連續基質內向上流動的氣體懸浮的小催化劑顆粒。多根冷卻管存在於三相淤漿體系內。連續液體基質的移動提供充分的傳熱，以實現高的工業生產率。催化劑顆粒在液體連續相內移動，從而導致由催化劑顆粒生成的熱量有效地傳遞到冷卻表面上，同時在反應器內大的液體藏量提供高的熱惰性，所述高的熱惰性利於防止快速升溫，而快速升溫可導致熱飛溫。有關三相淤漿鼓泡塔反應器在W.-D.Deckwer，Bubble Column Reactors(John Wiley Sons，Chichester，1991)中給出了詳細說明。
工業固定床和三相淤漿反應器通常利用沸水除去反應熱。在固定床設計中，各反應器管位於含有通常通過殼壁內的法蘭進料的水/蒸汽的殼內。反應熱升高在每一管內催化劑床的溫度。這一熱能傳遞到管壁上，迫使在周圍夾套內的水沸騰。在淤漿設計中，冷卻管位於淤漿體積內，且熱量從液體連續基質傳遞到管壁上。在管內產生蒸汽提供所需的冷卻。蒸汽本身又可用於加熱目的或者驅動蒸汽透平。
不可能分離洩漏到冷卻體系內的合成氣(可通過分析蒸汽出口物確認)，這是危險的，且將迫使停車並修理淤漿反應器。鑑於反應的放熱性質和典型的淤漿反應器體積，就生產能力的損失來說，停車過程既費時又昂貴。一種已知的反應器利用具有多根互連管的單個端蓋，此時難以確認和修理洩漏管。鑑於這些困難，已知的是堵塞洩漏管而不是嘗試修理。但堵塞相對大量的洩漏管的缺點是降低了冷卻容量，從而導致部分反應器未被冷卻，或者冷卻不足，由此可能形成熱點。另外，反應器的冷卻容量下降，導致反應器喪失其固有的安全性。
已知淤漿反應器的另一缺點是，在製造過程中，冷卻管固定在反應器內部。典型地，將冷卻管焊接到端蓋上，其中通過所述端蓋向所述管內進料冷卻劑。當構造該反應器以供使用時，這種設置涉及在檢測和修理各冷卻管過程中對人員的危險。另外，考慮到其尺寸大，工業反應器通常必須以水平位置輸送。這導致很難確保反應器內的管不受損或不移位。
發明內容
本發明的一個目的是提供在放熱反應的反應器中使用的冷卻組件，其製造、運輸和操作簡單且有效，且解決了上面針對已知反應器中使用的冷卻體系所述的一些缺點。
本發明另一目的是提供冷卻組件，其簡化了洩漏的確認和修理。
本發明進一步的目的是提供用於進行放熱反應的反應器，其具有冷卻體系，所述冷卻體系解決了上面針對已知反應器所述的缺點。
因此，本發明提供在用於進行放熱反應的反應器中使用的具有第一和第二端的可拆卸冷卻組件，該冷卻組件包括冷卻劑進料管；
分配室；多根循環管；和收集室；所述冷卻劑進料管在其第一端具有入口以供引入冷卻劑到冷卻組件中，並且在其第二端處與所述分配室連通；每一根所述循環管通過第一端與分配室連通並且通過第二端與所述收集室連通；收集室具有供排放冷卻劑的出口；其中入口和出口均朝向冷卻組件的同一端設置，其中入口適合於可拆卸地連接到進料管上，而出口適合於可拆卸地連接到排放管上。
所使用的可拆卸連接方式包括本領域已知的方式，參見例如Perry’s Chemical Engineers』Handbook，第6版，第6章，6-41/6-57。合適的方式是法蘭、螺紋接頭(使用單或雙螺紋連接接頭)、夾緊(clamped)接頭、密封環接頭、壓力密封接頭、壓縮適配接頭等。優選夾緊接頭，特別是C-夾緊接頭。
優選地，分配室包括錐形或球形部分，優選錐形部分確定孔，其中分配室通過所述孔與每一循環管連通。
優選地，收集室包括錐形或球形部分，優選錐形部分確定孔，其中收集室通過所述孔與每一循環管連通。
優選地，分配室和收集室不含任何平展部件。鑑於壓差，例如當在包括組件內部和組件外部之間的開車、冷卻和任何緊急停車的化學反應器中用作冷卻組件時，所有平展部件均需要由比組件中其它部件更強和/或更厚的材料製造，與僅使用球形和/或錐形室的情況相比，這使得製造更加複雜/昂貴。
在優選的實施方案中，相對於分配管，冷卻劑進料管基本上位於中心位置，且可任選延伸通過收集室。在具體情況下，冷卻劑進料管可位於收集室內，在此情況下，進料管可至少部分位於排放管內部。在這種情況下，需要較少通過反應器壁的通道。
冷卻組件可包括提供充分冷卻所要求的任何數量的循環管，優選約20-4000根循環管，和更優選約100-400根循環管。冷卻組件可具有任何截面，所述截面在例如反應器內提供冷卻組件的有效裝填，例如方形、矩形或六邊形截面。優選方形。圓形截面不是優選的，因為兩個或更多個組件不可能完全填入圓筒形反應器內。
一般地，冷卻組件具有細長形狀。冷卻劑進料管的入口通常位於冷卻組件的第一端處。分配室通常位於冷卻組件的第二端處。因此，冷卻劑進料管一般從冷卻管的第一端延伸到冷卻管的第二端。收集室通常位於冷卻組件的第一端處。循環管和冷卻劑進料管通常在冷卻組件的第一端和第二端之間形成連接，且這樣將形成冷卻組件的細長部分。在使用中，冷卻組件通常處於垂直位置，第一端在冷卻組件的較高部分處，第二端形成組件的下部。應意識到，以上定義的冷卻組件沒有被反應器殼包圍。
根據另一方面，本發明提供用於進行放熱反應的反應器，所述反應器包括反應器殼；將反應物引入到反應器殼內的設備；從反應器殼中除去產物的設備；和冷卻設備；其中所述冷卻設備包括至少一個在用於進行放熱反應的反應器(20)中使用的具有第一和第二端的可拆卸冷卻組件(1)，所述冷卻組件包括冷卻劑進料管(2)；分配室(4)；多根循環管(5)；和收集室(6)；所述冷卻劑進料管(2)在其第一端具有入口(3)以供引入冷卻劑到冷卻組件(1)中，並在其第二端與所述分配室(4)連通；每一根所述循環管(5)通過第一端與分配室(4)連通，並且通過第二端與所述收集室(6)連通；收集室(6)具有出口(7)以供排放冷卻劑；其中入口(3)和出口(7)均朝向冷卻組件(1)的同一端設置。
優選地，入口適合於可拆卸地連接到進料管上，而出口適合於可拆卸地連接到排放管上，或者入口和/或出口的上部可形成進料和/或排放管。入口和出口也可通過固定接頭例如焊接接頭連接。在上述情況下，連接或接頭可例如通過氧-乙炔切割機打開。前面討論了優選的可拆卸連接接頭。
優選地，反應器殼包括出入(access)設備，例如檢修孔，以供出入冷卻設備。更優選檢修孔位於反應器的頂部，接近反應器頂部中心或者位於反應器頂部中心處。因此，可將一個或甚至多個冷卻組件升舉出反應器。
優選地，反應器包括支撐冷卻設備的支撐設備。
典型地，引入反應物(特別是氣體反應物)到反應器殼內的設備位於反應器底端，但也可在較高位置處引入少量反應物。合適地，引入(氣態)反應物的設備可包括一個或多個用於引入氣體(特別是合成氣)的噴射器。
典型地，從反應器殼中除去產物的設備可包括過濾器。
優選地，反應器進一步包括用於調節反應物和產物在反應器殼內的循環的一個或多個篩板或檔板。
對於每一冷卻組件來說，在使用中，入口通常可拆卸地連接到進料管上，和每一出口通常可拆卸地連接到排放管上。
優選地，通過用「c-夾緊件」或其它合適的固定設備固定的入口法蘭和進料管法蘭，實現在入口和進料管之間的連接。類似地，優選通過用「c-夾緊」或其它合適的固定設備固定的出口法蘭和排放管法蘭，實現在出口和排放管之間的連接。
冷卻體系的組件性質的優點是可從反應器殼中拆卸各冷卻組件，例如用於檢查、更換、維護或修理目的。此外，可分別製造並輸送反應器殼和冷卻組件。根據以下詳細說明，本發明的冷卻組件和反應器的附加優點將變得更明顯。
進料管和排放管穿過反應器壁。這可在反應器壁的任何部分進行，但優選在反應器的頂部例如通過反應器頂蓋進行，但優選通過反應器的圓筒部分進行。按照這一方式，由於在反應器壁內的應變產生的問題較少。優選地，進料管的所有通道和排放管的所有通道均處於反應器的基本相同高度處(參見例如圖2)，這可以例如通過較厚的反應器壁或者通過固定(例如焊接)到反應器上的額外圓筒環來加固該位置處的反應器壁。這種環合適地具有最多3米的高度，優選最多1米。入口/出口通道優選位於反應器的上部圓筒部分和中間圓筒部分之間，最優選在圓筒到頂蓋的過渡下方至少1米處的上部1/3圓筒處。進料管和排放管優選可拆卸地與冷卻組件連接，優選在冷卻組件上方連接。此外，它們優選包括適當接近反應器壁的第二個可拆卸連接。這使得可相當容易地在冷卻組件上方拆下所有管子，於是在冷卻組件上方產生空間以供檢查和維護，並可拆除一個或多個冷卻組件。在優選的實施方案中(參見例如圖2)，進料和排放管，當穿過反應器的圓筒部分時，具有與反應器壁垂直的方向。在冷卻組件和/或反應器壁之間保留開口的情況下，這些開放空間可例如用於引流管、催化劑再生管、過濾器等。為了防止向上流動氣流的低阻力通道，還可在開口內放置密閉管或者一個或多個水平板或篩板以增加阻力。
根據另一方面，本發明提供用於進行放熱反應的方法，該方法包括下述步驟向反應器內引入反應物；冷卻反應器的內容物；和從反應器中取出產物，其中使用含至少一個上述冷卻組件的冷卻設備進行冷卻步驟。
根據又一方面，提供使用本發明類型反應器的烴合成方法。
在不希望局限於特定實施方案的情況下，參考附圖更詳細地描述本發明，其中圖1描述了本發明的冷卻組件的垂直截面；圖2描述了在反應器內的多個冷卻組件；圖3是裝有多個冷卻組件的反應器的俯視圖；圖4是在冷卻組件頂部處入口/出口管設置的正視圖；和圖5描述了在反應器基座處冷卻組件的支撐件。
具體實施例方式
現回到圖1，本發明的冷卻組件1的第一個實施方案包括將冷卻劑引入到組件內的冷卻劑進料管2，所述冷卻劑進料管2在其第一端具有入口3且與位於其第二端的分配室4流體連通。分配室4又與一根或多根循環管5通過每一根所述管5的第一端流體連通，且每一循環管5的第二端與收集室6連通。收集室6具有排放冷卻劑的出口7。用箭頭示出了冷卻劑在冷卻組件1內的流動方向。冷卻組件1的構造使入口3和出口7彼此相鄰地朝向冷卻組件的同一端設置。
在操作中，入口3可拆卸地連接到進料管8上，出口7可拆卸地連接到排放管9上。優選地，可利用進料管法蘭8a和入口法蘭3a使進料管8可拆卸地連接到入口3上，其中所述進料管法蘭8a和入口法蘭3a可使用「C」-夾緊件(未示出)或合適的設備可拆卸地密封。類似地，可利用排放管法蘭9a和出口法蘭7a使排放管9可拆卸地連接到出口7上，其中所述排放管法蘭9a和出口法蘭7a可使用「C」-夾緊件(未示出)或類似物可拆卸地密封。
原則上，可通過將所討論的部件焊接在一起實現可拆卸連接，其中可通過合適的切割設備分開它們。優選地，可拆卸連接包括如上所述的法蘭、螺紋接頭、夾緊接頭等，但並不包括需要通過合適的切割設備如氧-乙炔切割機打開的所有連接。
冷卻劑通過進料管6經入口3引入到冷卻組件1內，並流經冷卻劑進料管2到達分配室4。然後，通過循環管5分配冷卻劑到收集室6，在此被收集並通過出口7和排放管7排放。當冷卻劑流經所述組件時，特別是當冷卻劑流經循環管5和較低程度地流經冷卻劑進料管2時，熱量從冷卻組件1周圍的漿液傳遞給冷卻劑。
優選地，構造冷卻組件1，以便入口3和出口7彼此位置相對靠近，因此容易接近。
合適的冷卻劑是本領域技術人員已知的，且包括例如水/蒸汽或油基冷卻劑。
可使用提供有效冷卻的冷卻劑進料管2、分配室4、循環管5和收集室6的任何構造。優選地，冷卻劑進料管2相對於循環管5基本上位於中心位置，正如圖1所示。這一結構提高冷卻組件1的機械穩定性，並利於分配和收集冷卻劑。在圖1所示的實施方案中，冷卻劑進料管2延伸通過收集室4。分配室4和收集室6可以是利於在組件1內有效分配和收集冷卻劑的任何形狀。例如分配室4和收集室6本質上可以是球形或曲面形(半球形)。尤其對於分配室4來說，優選避免平展表面，因為冷卻組件周圍的漿液內的催化劑顆粒可在此累積。據設想循環管5可直接連接到冷卻劑進料管2的下端，在此情況下，冷卻劑進料管2的下端(即離入口3最遠的一端)代表分配室。優選分配室4和收集室6各自包括錐形部分，其中所述室4、6通過所述錐形部分分別與循環管5的相應端連通。優選地，分配室4和收集室6各自包括錐形部分，其曲面確定介於0-45°到垂直的角度。顯然，在這一角度為0°的情況下，循環管5直接連接到冷卻劑進料管2的下端(即離入口3最遠的一端)。
冷卻組件的特徵在於包括利於在組件1內循環冷卻劑的多個細長的循環管5。循環管5優選基本上彼此平行和等間距。
在冷卻組件1內循環管5的數量與尺寸只受到特定情況的冷卻要求和製造的物理局限性限制。典型地，冷卻組件包括約10-4000根循環管，優選介於約100-400根循環管。取決於反應器的體積和容量，每一冷卻管的長度可以是約4-40米。優選地，冷卻管(5)的長度為約10-25米。循環管通常包括一束細長的平行直管。優選地，進料管也是細長的直管，其優選與循環管平行。儘管要在反應器的操作條件下維持強度和物理完整性，但冷卻管優選儘可能薄，以便利於有效傳熱並最小化冷卻組件1的總重量。為了最大化反應器內的反應體積，每一循環管的直徑應當儘可能小，例如約1-10cm，優選約2-5cm。
在反應器內冷卻組件的形狀、尺寸和結構及其設置主要受下述因素如反應器的容量、操作條件和冷卻要求控制。冷卻組件可具有在反應器內有效裝填冷卻組件的任何截面，例如冷卻組件可以是方形、三角形、矩形、梯形(特別是覆蓋三個等邊三角形的)或六邊形截面。包括方形截面的冷卻組件設計，就在反應器內裝填組件和在整個反應器體積內提供均勻冷卻通量來說是有利的。冷卻組件的截面可以相同或不同。優選相同。但可能建議使用不同的形狀(和可能不同數量的冷卻管)用於沿反應器壁的冷卻組件，以便完全填充反應器內的所有空間，改進冷卻並防止向上流動的氣體物流的低阻力空間。通過設計和使用以不同形狀彎曲的冷卻管，並固定這些冷卻管到分配和收集室中，從而獲得特定形狀的冷卻組件。按照這一方式，冷卻管離冷卻組件的中心軸具有不同的距離。冷卻組件的截面積通常可以是約0.20-2.00m2，這取決於所使用的冷卻管的數量和結構以及所要求的冷卻容量。圓形或橢圓形的形狀不夠優選，因為這種冷卻組件大多數不能填滿圓筒反應器的全部面積。這可引起向上的氣體物流旁路通過。
圖2描述了本發明另一方面的一個特定實施方案，即用於進行放熱反應的反應器20。反應器20包括反應器殼21、反應物入口設備(未示出)、產物出口設備(未示出)和含如上所述的多個冷卻組件1的冷卻體系。使用合適的設備將每一冷卻組件1可拆卸地固定。例如支撐件23可引入到反應器20的底部。可在每一冷卻組件1的頂部或者朝向其頂部提供進一步的設備(未示出)，以便確保它們保持在反應器20內的適當位置處。
出入設備如檢修孔22提供進入反應器20和具體為冷卻組件1內部的通道。出入設備的形狀和尺寸主要由內部組件的尺寸來決定。優選地，可將直徑介於約0.5-3.0m的檢修孔結合到反應器殼21內，條件是它與所使用的冷卻組件1的尺寸匹配。
在製造過程中，在已知的反應器內冷卻管通常被焊接定位。考慮到工業規模淤漿反應器的尺寸，通常不可能按垂直的位置輸送它們。水平輸送這種反應器對在殼內的冷卻管產生明顯的應變，這可導致管子在輸送過程中受損。因此，本發明的冷卻體系的組件設計具有明顯的優勢，這在於冷卻組件1和反應器殼21可分別製造和輸送以供在所需的場地組裝。此外，冷卻組件1可下降到反應器殼21內的位置內而不需要任何人員在反應器底部內。這消除了必須在反應器內操作的人員的相關危險，正如其中冷卻管必須焊接定位的情況一樣(例如焊接到位於反應器殼底部的管板或者端蓋上)。
在製造過程中，當反應器通常位於水平位置時，可使用合適的設備支撐冷卻組件。例如可在冷卻組件之間或者在每一組件1的循環管5之間設置一個或多個隔板或支撐格柵。在反應器操作過程中，這些支撐設備可任選留在原位，以便維持所討論的元件之間的間隔，和尤其是相對於彼此支撐循環管。
典型地，進料管8和排放管9可拆卸地連接到進料導管和排放導管24、25上，所述進料導管和排放導管24、25通過反應器殼21並可連接到反應器外部的元件上。可使用如上所述的「c-夾緊件」或其它合適的設備，將進料管和排放管8、9連接到進料導管和排放導管24、25上。
圖4示出了在進料管8和入口3、排放管9和出口7、進料管8和進料導管24以及排放管9和排放導管25之間的可拆卸連接，從而利於從反應器殼21上分別拆除各冷卻組件1。圖2、3和4示出了一旦前一句中所指的連接均被拆除，則可卸下進料管8和排放管9，於是允許冷卻組件1由其支撐件23垂直升舉。位於反應器20上方的外部升舉設備(未示出)可通過檢修孔22連到冷卻組件1上的升舉固緊件(未示出)上。
特別參考圖3，應意識到，一旦拆開，最中心的冷卻組件可通過檢修孔22直接升舉出反應器20。由最中心的組件騰出的空間利於在反應器殼21內重排或移動其餘冷卻組件1。可提供內部升舉設備(未示出)如固定在冷卻組件1的頂部和反應器殼21的頂蓋之間的空間內的升舉器，利於重排組件。
圖5示出了在反應器殼21的底部處的設置，其中可提供支撐件23以承載每一冷卻組件1的重量。支撐件23進一步起到保持每一冷卻組件1在反應器20內的位置的作用。優選調整由支撐件23負載的組件1的端部，以便冷卻組件1可從上部下降定位，而不需要任何人員存在於反應器內。這表明了本發明附加的安全特徵。
如上所述，可通過分析排放的冷卻劑來確認洩漏到冷卻體系內的合成氣。在已知的反應器中，可能難以修理洩漏的冷卻管，且在一些情況下，根本不可能修理，在此情況下，可能必須堵塞洩漏管，而不是修理。堵塞冷卻管引起不希望的冷卻容量下降，且在反應混合物未被合適冷卻的區域內可能導致不希望的熱點或飛溫反應。在費-託反應的情況下，優選在比冷卻組件內的蒸汽壓高的壓力下進行費-託反應。優選地，壓差為至少1bar，優選至少5bar，更優選至少10bar。按照這一方式，洩漏總是導致合成氣/烴洩漏到冷卻組件內。通過在所有冷卻組件的所有單獨出口內設置檢測器，當冷卻組件洩漏時，可很容易地檢測到。該冷卻組件可被堵塞，或者反應器可被停止，且可更換出現故障的冷卻組件。
本發明提供可在組件體系內使用的冷卻單元，於是各冷卻單元1可分開並可分別從反應器20中拆出以供檢查、更換或修理目的。該組件方式的進一步優點是可在反應器殼外部進行洩漏冷卻組件的修理，因此不存在需要人員進入反應器內進行修理的相關危險。本發明利於直接和快速修理冷卻組件，與修理已知反應器的相關時間相比，導致更短的停車時間，優點是損失的生產時間可最小化。
典型地，可使用該反應器進行三相淤漿反應，例如費-託類型的反應。反應物入口設備可包括位於反應器殼21底座處的一個或多個噴射器，產物出口設備可包括一個或多個過濾器。本領域技術人員熟悉在已知的三相淤漿反應器中使用的合適噴射器和過濾器體系。
催化劑顆粒的平均粒度可在寬的範圍內變化，這主要取決於淤漿區狀態的類型。典型地，平均粒度範圍可以是1微米至2毫米，優選1微米至1毫米。
若平均粒度大於100微米且所述顆粒不能通過機械裝置保持懸浮，則該淤漿區狀態通常被稱為沸騰床狀態。優選地，在沸騰床狀態內的平均粒度小於600微米，更優選範圍為100-400微米。應意識到，一般顆粒的粒度越大，顆粒從淤漿區逃逸進入稀相區的可能性越小。因此，若採用沸騰床狀態，則大部分催化劑細顆粒將逃逸到稀相區中。
若平均粒度最多100微米且所述顆粒不能通過機械裝置保持懸浮，則淤漿區狀態通常被稱為淤漿相狀態。優選地，在淤漿相狀態內的平均粒度大於5微米，更優選範圍為10-75微米。
若顆粒通過機械裝置保持懸浮，則淤漿區狀態通常被稱為攪拌釜狀態。應意識到，原則上可採用在上述範圍內的任何平均粒度。優選地，平均粒度保持在1-200微米範圍內。
存在於淤漿內的催化劑顆粒的濃度範圍可以是5-45％體積，優選10-35％體積。另外，可能希望添加其它顆粒到淤漿中，正如例如在歐洲專利申請公開No.0450859中所述。在淤漿內固體顆粒的總濃度通常為不大於50％體積，優選不大於45％體積。
合適的淤漿液體是本領域技術人員已知的。典型地，至少部分淤漿液體是放熱反應的反應產物。優選地，淤漿液體基本上全部是反應產物。
放熱反應是在固體催化劑存在下進行且能在三相淤漿反應器內進行的反應。典型地，放熱反應的至少一種反應物是氣體。放熱反應的實例包括加氫反應、加氫甲醯化反應、鏈烷醇合成、使用一氧化碳製備芳族尿烷、Klbel-Engelhardt合成、聚烯烴合成和費-託合成。按照本發明的優選實施方案，放熱反應是費-託合成反應。
費-託合成是本領域技術人員公知的，並且包括通過在反應條件下使氫氣和一氧化碳的氣體混合物與費-託催化劑接觸而由該混合物合成烴。
費-託合成的產物範圍可以為甲烷至重質石蠟。優選地，甲烷的產量最小，所產生的大部分烴具有至少5個碳原子的碳鏈長度。優選地，C5+烴的量為全部產物的至少60％重量，更優選至少70％重量，甚至更優選至少80％重量，最優選至少85％重量。可使用合適的設備如一個或多個過濾器，分離並除去在反應條件下為液相的反應產物。可使用內部或外部過濾器或二者的組合。可使用本領域技術人員已知的合適設備除去氣相產物如輕質烴和水。
費-託催化劑是本領域已知的，且通常包括第VIII族金屬組分，優選鈷、鐵和/或釕，更優選鈷。典型地，催化劑包括催化劑載體。催化劑載體優選為多孔的，例如多孔無機耐火氧化物，更優選氧化鋁、氧化矽、氧化鈦、氧化鋯或其混合物。
存在於載體上的催化活性金屬的最佳量主要取決於具體的催化活性金屬。典型地，存在於催化劑內的鈷的含量範圍相對於每100重量份載體材料可以是1-100重量份，優選相對於每100重量份載體材料為10-50重量份。
催化活性金屬可與一種或多種金屬促進劑或助催化劑一起存在於催化劑內。促進劑可作為金屬或金屬氧化物存在，這取決於所涉及的特定促進劑。合適的促進劑包括周期表中第IIA、IIIB、IVB、VB、VIB和/或VIIB族的金屬的氧化物、鑭系和/或錒系的氧化物。優選地，催化劑包括周期表中第IVB、VB和/或VIIB族的至少一種元素，特別是鈦、鋯、錳和/或釩。作為金屬氧化物促進劑的替代物或另外選擇，催化劑可包括選自周期表中第VIIB和/或VIII族的金屬促進劑。優選的金屬促進劑包括錸、鉑和鈀。
最合適的催化劑包括鈷作為催化活性金屬和鋯作為促進劑。另一種最合適的催化劑包括鈷作為催化活性金屬以及錳和/或釩作為促進劑。
促進劑若存在於催化劑內，其存在量相對於每100重量份載體材料通常為0.1-60重量份。但應意識到，促進劑的最佳量可能隨充當促進劑的相應元素而變化。若催化劑包括鈷作為催化活性金屬以及錳和/或釩作為促進劑，則鈷與(錳+釩)的原子比有利地為至少12∶1。
費-託合成優選在125-350℃的溫度範圍內進行，更優選175-275℃，最優選200-260℃。壓力範圍優選為5-150bara，更優選5-80bara。
氫氣和一氧化碳(合成氣)通常以範圍為0.4-2.5的摩爾比進料到三相淤漿反應器內。優選地，氫氣與一氧化碳的摩爾比範圍為1.0-2.5。
氣體的時空速度範圍可以在寬的範圍內變化，且通常範圍為1500-10000Nl/l/h，優選範圍為2500-7500Nl/l/h。
費-託合成優選在淤漿相狀態或者沸騰床狀態下進行，其中催化劑顆粒通過向上的表觀氣速和/或液速保持懸浮。
應意識到，本領域技術人員能針對具體的反應器構造和反應方案選擇最合適的條件。
優選地，合成氣的表觀氣速範圍為0.5-50cm/sec，更優選範圍為5-35cm/sec。
典型地，表觀液速保持在0.001-4.00cm/sec範圍內，其中包括液體產量。應意識到，優選的範圍可能取決於優選的操作模式。
根據一個優選的實施方案，表觀液速保持在0.005-1.0cm/sec範圍內。
本發明還涉及在鐵或鈷催化劑存在下在升高的溫度和壓力下通過一氧化碳和氫氣反應製備烴化合物，其中催化劑優選鈷催化劑，且優選包括耐火氧化物載體，在該方法中使用三相淤漿反應器，該反應器配有一個或多個根據本發明且在本說明書中前面描述的冷卻組件。
本發明還涉及在上述方法中製備的烴。另外，本發明涉及通過加氫處理(特別是加氫、加氫異構化和/或加氫裂化)製備的烴、在以上所述的一氧化碳催化加氫中獲得的烴化合物。更具體地，所述烴的形式包括正鏈烷烴(溶劑、洗滌劑原料、鑽探流體等)、石腦油、煤油、瓦斯油、蠟狀殘油和基油。
權利要求
1.在用於進行放熱反應的反應器(20)中使用的具有第一和第二端的可拆卸冷卻組件(1)，該冷卻組件包括冷卻劑進料管(2)；分配室(4)；多根循環管(5)；和收集室(6)；所述冷卻劑進料管(2)在其第一端具有入口(3)以供引入冷卻劑到冷卻組件(1)中，並在其第二端處與所述分配室(4)連通；每一根所述循環管(5)通過第一端與分配室(4)連通並且通過第二端與所述收集室(6)連通；收集室(6)具有供排放冷卻劑的出口(7)；其中入口(3)和出口(7)均朝向冷卻組件(1)的同一端設置，其中入口(3)適合於可拆卸地連接到進料管(8)上，而出口(7)適合於可拆卸地連接到排放管(9)上。
2.權利要求1的冷卻組件，其中冷卻劑進料管(2)的第二端是具有與其相連的循環管(5)的分配室(4)，優選冷卻組件中分配室(4)包括確定孔的錐形部分，其中分配室(4)通過所述孔與每一循環管(5)連通，和其中收集室(6)包括確定孔的錐形部分，其中收集室(6)通過所述孔與每一循環管(5)連通。
3.權利要求1或2的冷卻組件，其中冷卻劑進料管(2)相對於循環管(5)基本上位於中心位置。
4.權利要求3的冷卻組件，其中冷卻劑進料管(2)延伸通過收集室(6)。
5.前述任一項權利要求的冷卻組件，其包括約20-4000根循環管(5)，優選約100-400根循環管(5)。
6.前述任一項權利要求的冷卻組件，其中每一冷卻管(5)的長度為約4-40米，優選長度為約10-25米。
7.前述任一項權利要求的冷卻組件，其中每一循環管的直徑為約1-10cm，優選約2-5cm。
8.前述任一項權利要求的冷卻組件，其具有方形、三角形、矩形、梯形或六邊形截面，優選冷卻組件具有約0.20-2.00m2的方形截面積。
9.用於進行放熱反應的反應器(20)，所述反應器(20)包括反應器殼(21)；將反應物引入到反應器殼(21)內的設備；從反應器殼(21)中除去產物的設備；和冷卻設備；其中所述冷卻設備包括至少一個在用於進行放熱反應的反應器(20)中使用的具有第一和第二端的可拆卸冷卻組件(1)，所述冷卻組件包括冷卻劑進料管(2)；分配室(4)；多根循環管(5)；和收集室(6)；所述冷卻劑進料管(2)在其第一端具有入口(3)以供引入冷卻劑到冷卻組件(1)中，並在其第二端與所述分配室(4)連通；每一根所述循環管(5)通過第一端與分配室(4)連通並且通過第二端與所述收集室(6)連通；收集室(6)具有供排放冷卻劑的出口(7)；其中入口(3)和出口(7)均朝向冷卻組件(1)的同一端設置。
10.權利要求9的反應器，其中入口(3)適合於可拆卸地連接到進料管(8)上，而出口(7)適合於可拆卸地連接到排放管(9)上。
11.權利要求9或10的反應器，其中冷卻組件具有權利要求2-8任一項的特徵。
12.權利要求9-11任一項的反應器，其中反應器包括4-100個冷卻組件，優選12-65個，更優選24-50個。
13.權利要求9-12任一項的反應器，其中反應器殼(21)包括用於出入冷卻設備的出入設備(22)。
14.權利要求9和13任一項的反應器，進一步包括支撐冷卻設備的支撐設備(23)。
15.權利要求9-14任一項的反應器，其中將反應物引入到反應器殼(21)內的設備包括噴射器。
16.權利要求9-15任一項的反應器，其中用於從反應混合物(21)中分離產物的設備包括過濾器，優選為設置在反應器殼(21)內的內部過濾器。
17.用於進行放熱反應的方法，包括下述步驟向反應器(20)內引入反應物；冷卻反應器(20)的內容物；和從反應器(20)中取出產物，其中使用包括至少一個權利要求1-8任一項的冷卻組件(1)的冷卻設備進行冷卻，合適地為4-100個冷卻組件，優選為12-65個冷卻組件，更優選為24-50個冷卻組件。
18.權利要求17的方法，其用於合成烴，其中向反應器(20)中引入合成氣。
19.通過權利要求17和18任一項的方法獲得的產物。
全文摘要
公開了在用於進行放熱反應的反應器(20)中使用的可拆卸冷卻組件(1)，其包括冷卻劑進料管(2)、分配室(4)、多根循環管(5)和收集室(6)，所述冷卻劑進料管(2)在其第一端具有入口(3)以供引入冷卻劑到冷卻組件(1)中，並在其第二端處與所述分配室(4)連通，每一根所述循環管(5)通過第一端與分配室(4)連通並且通過第二端與所述收集室(6)連通，所述收集室(6)具有排放冷卻劑的出口。本發明的組件性質利於從反應器殼(21)中拆除各冷卻組件(1)。
文檔編號B01J8/18GK1913959SQ200580003512
公開日2007年2月14日 申請日期2005年1月27日 優先權日2004年1月28日
發明者A·布爾, F·J·M·施勞溫 申請人:國際殼牌研究有限公司