專利名稱：幾個并聯(lián)反應(yīng)器單元的反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合進行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括兩個或多個單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)。更具體地，本發(fā)明涉及在包含多個多管式固定床反應(yīng)器區(qū)的反應(yīng)器系統(tǒng)中使合成氣催化轉(zhuǎn)化為長鏈烴。
過去乃至今天很多注意力都集中在化學(xué)過程的放大問題上，在大多數(shù)情況下，這種放大都導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)器的放大。通常應(yīng)用一個大規(guī)模的反應(yīng)器要比應(yīng)用多個獨立操作的小反應(yīng)器更加有效(經(jīng)濟)。
在反應(yīng)器的放大中，特別是化學(xué)反應(yīng)器的放大中，一個重要的需求是大規(guī)模的工業(yè)反應(yīng)器應(yīng)該在可預(yù)測的模式下操作，所述反應(yīng)器可能會比實驗和開發(fā)用的反應(yīng)器大10,000倍或更大。在安全條件下在預(yù)期成本下得到預(yù)期產(chǎn)量和質(zhì)量的條件下操作反應(yīng)器是很重要的。改變反應(yīng)規(guī)模改變了反應(yīng)區(qū)的熱脫除和混合特性，從而有可能會造成溫度和濃度分布的差異。而這可能會造成化學(xué)上的改變，從而影響反應(yīng)器的產(chǎn)率、選擇性、催化劑失活等。這意味著基于小反應(yīng)器的操作性能，大反應(yīng)器的操作性能很難預(yù)測。因此，為了放大新的和/或現(xiàn)存的化學(xué)反應(yīng)器，以及放大新的和現(xiàn)存的化學(xué)反應(yīng)，通常需要進行大量的放大試驗、反應(yīng)器模擬和基礎(chǔ)反應(yīng)器研究。
在化學(xué)反應(yīng)器的放大過程中經(jīng)常存在一個自然最大值。進一步的放大將會在基于已開發(fā)的反應(yīng)器模型的外推過程中引入太多的不確定因素，和/或簡單而言是不實際的。
本發(fā)明試圖找到放大或進一步放大化學(xué)反應(yīng)器的另一種方式。這種方式不是簡單地增大現(xiàn)有反應(yīng)器直徑或高度的尺寸(包括反應(yīng)器內(nèi)件、催化劑床層、混合內(nèi)件、冷卻系統(tǒng)、進料管線/原料分配、產(chǎn)品采出等的調(diào)整)，而是組合兩個或多個確定尺寸的反應(yīng)器，并將其作為一個單個單元進行操作，其中所述確定尺寸優(yōu)選為相同的尺寸。共用的進料管線，即氣體和/或液體反應(yīng)器系統(tǒng)的進料管線，被分為與反應(yīng)器個數(shù)相同的多個等量物流并被引入不同的等量反應(yīng)器中。在各個反應(yīng)器間共用冷卻和/或加熱系統(tǒng)。將會有一個或多個共用的產(chǎn)品排放管線。多個反應(yīng)器作為一個單個的單元進行操作。通過控制在一個或多個共用反應(yīng)物進料管線中的原料物流(流量、溫度、組成、壓力等)而控制反應(yīng)器系統(tǒng)的反應(yīng)物進料。在單個的操作單元中對各反應(yīng)器區(qū)沒有單獨的控制。通過控制在一個或多個共用的產(chǎn)品排放管線中的產(chǎn)品流量，來控制單個的單元操作的反應(yīng)器系統(tǒng)的總產(chǎn)品流量。在這種類型的操作中，對各反應(yīng)器區(qū)的產(chǎn)品排出沒有單獨的控制。這樣就不可能使一個或多個反應(yīng)器停止操作。只能使整個反應(yīng)器系統(tǒng)停止操作。也不可能按與其它反應(yīng)器不同的方式影響一個反應(yīng)器的條件。切斷一個反應(yīng)物進料管線將會造成沒有反應(yīng)器能接再收到反應(yīng)物進料物流。關(guān)閉一個產(chǎn)品排放管線將會造成沒有反應(yīng)器能再排出其產(chǎn)品。各個反應(yīng)區(qū)獨立的加熱或冷卻是不可能的。反應(yīng)器的控制將依據(jù)從所有存在的反應(yīng)器得到的信息進行。一個反應(yīng)器的飛溫不能通過關(guān)閉所涉及的反應(yīng)器來解決。而是必須使整個系統(tǒng)停車。通過控制共用的進料氣/液反應(yīng)物進料管線而控制進料物流。
因此本發(fā)明涉及一種適合進行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個或多個共用的反應(yīng)物進料管線、兩個或多個單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)和一個或多個共用的產(chǎn)品排放管線。
該反應(yīng)器系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是放大變得更容易。例如，當已經(jīng)證實確定尺寸的反應(yīng)器能夠很好地實施其任務(wù)時，則不再需要進一步放大該反應(yīng)器。組合多個相似的反應(yīng)器并作為利用共用的反應(yīng)物進料管線和共用的產(chǎn)品排放管線的一個單個的單元進行操作可以實現(xiàn)所希望的放大?；蛘?，當對一個特定的反應(yīng)器需要一定程度的(較大)放大時，反應(yīng)器的放大可能僅限于應(yīng)用三個或四個反應(yīng)器區(qū)作為一個單個的單元進行操作。則放大被降低至三或四倍。進一步的優(yōu)點是反應(yīng)器的重量較小，使得運輸/操作/吊裝更加容易。應(yīng)理解的是反應(yīng)器尺寸可能會受車間限制、道路限制、橋梁限制、吊裝設(shè)備限制等因素限制。反應(yīng)器尺寸較小將會使更多的公司都能制備所述反應(yīng)器。一個或多個制造商同時生產(chǎn)也是可能的。因為反應(yīng)器系統(tǒng)是單個的操作單元，在控制室內(nèi)不需要更多的人力來操作該單元。從工藝控制的角度來看，大規(guī)模反應(yīng)器與本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)沒有區(qū)別本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)與單個大反應(yīng)器以相同的方式進行操作。通常，本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)的加熱/冷卻速率要比單個大反應(yīng)器的加熱/冷卻速率快。可能會需要更多一些的維修工作，同時在某種程度上可能會需要更大的布置空間。但是，很清楚這些小的缺點已經(jīng)被其優(yōu)點所抵銷。另外，因為工作被分散到幾個位置，所以反應(yīng)器內(nèi)的維修可能會做得更快一些。
上述反應(yīng)器系統(tǒng)對強放熱反應(yīng)來說特別有用。一個例子為合成氣轉(zhuǎn)化為甲醇或烴，所述合成氣為二氧化碳和氫的混合物。因為這些轉(zhuǎn)化是強放熱的，因此應(yīng)理解其需要大量的冷卻。而這會造成反應(yīng)器內(nèi)有相當多的冷卻內(nèi)件，從而造成反應(yīng)器很快達到放大的自然極限。另一個例子是(低級)烯烴的氧化，例如在多管式固定床反應(yīng)器中使乙烯催化轉(zhuǎn)化為環(huán)氧乙烷。所述反應(yīng)器系統(tǒng)也適合于生化反應(yīng)。
本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)適當包含兩個至二十個單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)，優(yōu)選為三個至八個單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)，更優(yōu)選為包含四個反應(yīng)器區(qū)。一個反應(yīng)器區(qū)通常將包含一個或多或少的常規(guī)反應(yīng)器，即延長的圓柱形反應(yīng)器，該反應(yīng)器在應(yīng)用時為立式反應(yīng)器。合適的反應(yīng)器區(qū)為公知的化學(xué)反應(yīng)器，如罐式反應(yīng)器、(多)管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器和漿液相反應(yīng)器。例如參考Perry的《化學(xué)工程師手冊》(“Chemical Engineers′Handbook”)(MgGraw-Hill BookCompany，6th edition，4-24-4-27)和《化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計與操作》(“Chemical Reactor Design and Operat ion”)(Westerterp，VanSwaaij an Beenackers，John Wiley & Sons，1984)。也可能各個反應(yīng)器區(qū)放置于一個大的反應(yīng)器中。這將克服與放大有關(guān)的許多問題，但是，上述一些優(yōu)點會消失。所有反應(yīng)器區(qū)優(yōu)選具有相同的尺寸。但是，這不是很關(guān)鍵，可以應(yīng)用不同尺寸的反應(yīng)器。應(yīng)理解此時需要采取措施使原料按希望的比在各個反應(yīng)器之間分配。同樣冷卻/加熱系統(tǒng)也需要進行調(diào)整。單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)將并聯(lián)操作。反應(yīng)器系統(tǒng)不包含串聯(lián)操作的反應(yīng)器區(qū)。每個反應(yīng)器區(qū)優(yōu)選為分開的、單個的化學(xué)反應(yīng)器，其適當包含一個殼(或容器)和一個或多個反應(yīng)區(qū)。
在大多數(shù)情況下，每個反應(yīng)器區(qū)將包含一個或多個催化劑床層。也可以應(yīng)用漿液反應(yīng)器。鑒于由合成氣合成烴的過程中產(chǎn)生大量的熱，漿液反應(yīng)器在傳熱方面可能比固定床反應(yīng)器有優(yōu)勢。另一方面，與漿液反應(yīng)器相關(guān)的主要技術(shù)問題包括流體力學(xué)和固體的處理。在一個優(yōu)選的實施方案中，反應(yīng)器區(qū)包含多管式固定床催化劑設(shè)置。管子填充有催化劑顆粒，并且被冷卻介質(zhì)、特別是水和蒸汽的混合物所包圍。這樣，每個反應(yīng)器區(qū)包括間接的換熱系統(tǒng)，所述換熱系統(tǒng)聯(lián)合操作。優(yōu)選應(yīng)用公知的熱虹吸系統(tǒng)。
根據(jù)所要實施的化學(xué)反應(yīng)，向反應(yīng)器中引入氣相和/或液相原料?？梢詰?yīng)用各種可能的反應(yīng)器流動方案，例如上流和/或下流、并流和/或逆流。也可以應(yīng)用氣體和/或液體循環(huán)。在烴合成方案中，一個共用的氣體反應(yīng)物進料管線向反應(yīng)器系統(tǒng)中引入合成氣。該原料被分為多個相連反應(yīng)器區(qū)所必須的多股物流，并進料至不同的反應(yīng)器區(qū)。當必須向反應(yīng)器區(qū)中引入氣體和液體物流時，優(yōu)選的是單獨的氣體進料線和單獨的液體進料線。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，推薦應(yīng)用相同類型的反應(yīng)器，并且優(yōu)選為相同的尺寸。在多相催化反應(yīng)的情況下，在所有反應(yīng)器區(qū)中優(yōu)選應(yīng)用相同的催化劑，雖然這一點并不是很關(guān)鍵。
根據(jù)所要實施的化學(xué)反應(yīng)，必須從反應(yīng)器排出氣體和/或液體。在某些情況下，必須從反應(yīng)器中排出漿液，例如催化劑和液體的混合物。當必須從反應(yīng)器中排出氣體和液體時，可以通過單個的排放管線來完成這一操作，但是優(yōu)選的是反應(yīng)器系統(tǒng)包含一個共用的氣體產(chǎn)品排放管線和一個共用的液體反應(yīng)物排放管線。上述反應(yīng)器系統(tǒng)在共用的產(chǎn)品排放管線和共用的反應(yīng)物進料管線間可以包含一個氣體和/或液體循環(huán)管線。
在本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)中各反應(yīng)器區(qū)合適為相同的反應(yīng)器區(qū)。尺寸、催化劑、設(shè)計、冷卻能力等都是類似的。這是一種優(yōu)選的選擇，因為在這種情況下，反應(yīng)器的制造只是簡單的復(fù)制過程。但是，相同的反應(yīng)器區(qū)并不是關(guān)鍵因素。可以應(yīng)用不同的尺寸，也可以應(yīng)用不同類型的催化劑。應(yīng)理解必須采取措施根據(jù)設(shè)計、催化劑等的不同來校正原料在反應(yīng)器之間的分配。另外，每個反應(yīng)器的冷卻容量可能相互不同，從而造成反應(yīng)器系統(tǒng)的各反應(yīng)器區(qū)中的條件不同。應(yīng)該考慮的是一旦在本發(fā)明的系統(tǒng)的一個或多個反應(yīng)器區(qū)中形成不同的條件，則不可能再改變一個或多個反應(yīng)器區(qū)內(nèi)的條件，因為所述系統(tǒng)是作為一個單個的單元而進行操作的。
上面提到的烴合成可以是本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員已知的任何合適的烴合成步驟，但是優(yōu)選為費-托反應(yīng)。用于烴合成反應(yīng)，特別是費-托反應(yīng)，的合成氣由烴質(zhì)原料制得，特別是通過部分氧化、催化部分氧化和/或蒸氣/甲烷重整而得到。在一個合適的實施方案中，應(yīng)用自熱重整器，或者應(yīng)用一種方法，其中向重整區(qū)中加入烴質(zhì)原料，然后部分氧化所得到的產(chǎn)品，而將部分氧化的產(chǎn)品用于加熱重整區(qū)。烴質(zhì)原料合適為甲烷、天然氣、伴生氣或C1-4烴的混合物，特別是天然氣。
為了調(diào)節(jié)合成氣中的H2/CO比，可以向部分氧化方法和/或重整方法中加入二氧化碳和/或蒸汽。合成氣的H2/CO比適當為1.3-2.3，優(yōu)選為1.6-2.1。如果需要，通過蒸汽甲烷重整，優(yōu)選與水氣變換反應(yīng)組合，可以制備(少的)附加量的氫氣。在其它方法如加氫裂解中也可以應(yīng)用這股附加氫氣。
以上述方法得到的合成氣的溫度通常為900-1400℃，其被冷卻至100-500℃，合適為150-450℃，優(yōu)選為300-400℃，優(yōu)選同時進行發(fā)電，例如以蒸汽形式發(fā)電。在常規(guī)換熱器中，特別是在管式換熱器中進一步冷卻至40-130℃，優(yōu)選為50-100℃。
在催化轉(zhuǎn)化階段，主要包含氫和一氧化碳的純化氣體混合物與合適的催化劑接觸，在其中形成通常為液體的烴。
用于使含氫和一氧化碳的混合物催化轉(zhuǎn)化為烴的催化劑在本領(lǐng)域中是已知的，并通常被稱為費-托催化劑。在這一過程中應(yīng)用的催化劑通常包括元素周期表的第VIII族金屬作為催化活性組分。特別的催化活性金屬包括釕、鐵、鈷和鎳。鈷是優(yōu)選的催化活性金屬。
催化活性金屬優(yōu)選在多孔載體上載帶。多孔載體可以選自本領(lǐng)域已知的任何合適的難熔金屬氧化物或硅酸鹽或其組合物。優(yōu)選的多孔載體的特定例子包括二氧化硅、氧化鋁、二氧化鈦、二氧化鈰、氧化鎵(gallia)及其混合物，特別是二氧化硅、氧化鋁和二氧化鈦。
載體上的催化活性金屬的量優(yōu)選為每100pbw載體材料3-300pbw，更優(yōu)選為10-80pbw，特別是20-60pbw。
如果需要，催化劑也可以包含一種或多種金屬或金屬氧化物作為促進劑。合適的金屬氧化物促進劑可以選自元素周期表的IIA、IIIB、IVB、VB和VIB族或錒系和鑭系元素。具體地，鎂、鈣、鍶、鋇、鈧、釔、鑭、鈰、鈦、鋯、鉿、釷、鈾、釩、鉻和錳的氧化物是非常合適的促進劑。對于在本發(fā)明中用于制備蠟的催化劑來說，特別優(yōu)選的金屬氧化物促進劑是錳和鋯的氧化物。合適的金屬促進劑可以選自元素周期表的第VIIB或VIII族元素。錸和第VIII族貴金屬是特別合適的，并且鉑和鈀是特別優(yōu)選的。在催化劑中存在的促進劑的量合適為每100pbw載體0.01-100pbw，優(yōu)選為0.1-40pbw，更優(yōu)選為1-20pbw。最優(yōu)選的促進劑選自釩、錳、錸、鋯和鉑。
催化活性金屬和如果存在的促進劑可以通過任何合適的處理方法如浸漬、捏合和擠出而沉積在載體材料上。在載體材料上沉積金屬和促進劑(如果合適)后，通常對負載的載體進行煅燒。煅燒處理的作用是脫除結(jié)晶水，從而分解揮發(fā)性分解產(chǎn)品，并將有機和無機化合物轉(zhuǎn)化為各自的氧化物。煅燒后，通常通過在溫度為約200-350℃下使催化劑與氫氣或含氫氣體接觸而使所得到的催化劑活化。制備費-托催化劑的其它方法包括捏合/研磨，通常接著進行擠壓、干燥/煅燒和活化步驟。
催化轉(zhuǎn)化過程可以在本領(lǐng)域已知的常規(guī)合成條件下實施。通常催化轉(zhuǎn)化可以在溫度為150-300℃下實現(xiàn)，優(yōu)選為180-260℃。催化轉(zhuǎn)化過程的典型總壓力為1-200bar絕壓，更優(yōu)選為10-70bar絕壓。在催化轉(zhuǎn)化過程中，具體形成75 wt％以上的C5+烴，優(yōu)選形成85wt％以上的C5+烴。根據(jù)催化劑和轉(zhuǎn)化條件，重蠟(C20+)的量可以為至多60wt％，有時至多70wt％，甚至有時高達85wt％。優(yōu)選應(yīng)用鈷催化劑，應(yīng)用低的H2/CO比，并應(yīng)用低的溫度(190-230℃)。為了避免任何焦炭的形成，優(yōu)選應(yīng)用至少0.3的H2/CO比。特別優(yōu)選在一定條件下實施費-托反應(yīng)，從而對于所得到的具有至少20個碳原子的產(chǎn)品來說，SF-α值為至少0.925，優(yōu)選為至少0.935，更優(yōu)選為至少0.945，甚至更優(yōu)選為至少0.955。
優(yōu)選應(yīng)用費-托催化劑，其能產(chǎn)生大量鏈烷烴，更優(yōu)選為大量非支鏈鏈烷烴。為實現(xiàn)此目的最合適的催化劑為含鈷的費-托催化劑。這種催化劑在文獻中有描述，例如參考AU 698392和WO 99/34917。
費-托方法可以為漿液FT法或固定床FT法，特別是多管固定床法。
本發(fā)明還涉及一種烴的制備方法，所述方法在高溫和高壓下在催化劑的存在下通過一氧化碳和氫氣反應(yīng)而實施，其中應(yīng)用上述反應(yīng)器系統(tǒng)。另外，本發(fā)明涉及在費-托方法中制備的產(chǎn)品。本發(fā)明還涉及甲醇的制備和所制備的甲醇，以及使乙烷催化轉(zhuǎn)化為環(huán)氧乙烷的方法。
權(quán)利要求
1.一種適合進行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)，包括一個或多個共用的反應(yīng)物進料管線、兩個或多個單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)和一個或多個共用的產(chǎn)品排放管線。
2.權(quán)利要求1的反應(yīng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括3-8個單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)，優(yōu)選為4個，并且每個反應(yīng)器區(qū)優(yōu)選為分開的單個化學(xué)反應(yīng)器。
3.權(quán)利要求1或2的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中每個反應(yīng)器區(qū)包括一個或多個催化劑床層，其中在所述反應(yīng)器系統(tǒng)中每個反應(yīng)器區(qū)優(yōu)選包括多管式固定床催化劑設(shè)置。
4.權(quán)利要求1-3任一項的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中每個反應(yīng)器區(qū)包括間接的換熱系統(tǒng)，所述換熱系統(tǒng)聯(lián)合操作，在所述反應(yīng)器系統(tǒng)中換熱系統(tǒng)優(yōu)選包括熱虹吸系統(tǒng)。
5.權(quán)利要求1-4任一項的反應(yīng)器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個共用的氣體反應(yīng)物進料管線。
6.權(quán)利要求1-5任一項的反應(yīng)器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個共用的氣體產(chǎn)品排放管線。
7.權(quán)利要求1-6任一項的反應(yīng)器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個共用的液體反應(yīng)物排放管線或者所述系統(tǒng)包括一個共用的液體產(chǎn)品排放管線。
8.前述權(quán)利要求任一項的反應(yīng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于費-托合成，在所述反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)器區(qū)優(yōu)選包含鈷催化劑。
9.權(quán)利要求1-8任一項的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中每個反應(yīng)器區(qū)由單個反應(yīng)器組成。
10.一種烴的制備方法，所述方法通過在高溫和高壓下在催化劑的存在下使一氧化碳與氫反應(yīng)而進行，其中應(yīng)用權(quán)利要求1-9任一項的反應(yīng)器系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合進行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括一個或多個共用的反應(yīng)物進料管線、兩個或多個單個的單元操作反應(yīng)器區(qū)和一個或多個共用的產(chǎn)品排放管線。該反應(yīng)器系統(tǒng)特別適合于在催化劑的作用下由合成氣來制備烴。
文檔編號B01J8/24GK1691978SQ03815732
公開日2005年11月2日 申請日期2003年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月4日
發(fā)明者H·G·萊弗 申請人:國際殼牌研究有限公司