專利名稱：用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷卻組件和包括這種冷卻組件的用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)器。具體地，本發(fā)明涉及適合于在費(fèi)-托反應(yīng)中使用的冷卻組件和反應(yīng)器，并且涉及在利用該反應(yīng)器和冷卻組件的過程中可通過一氧化碳加氫而制備的烴以及由這些烴衍生得到的燃料。
背景技術(shù)：
費(fèi)-托工藝通常用于將烴原料轉(zhuǎn)化成液態(tài)和/或固態(tài)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(zhuǎn)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)。然后，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(zhuǎn)化成烷屬烴化合物，該烷屬烴化合物范圍為從甲烷至含最多200個(gè)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(fā)了多種類型的反應(yīng)器體系用于進(jìn)行費(fèi)-托反應(yīng)。例如費(fèi)-托反應(yīng)器體系包括固定床反應(yīng)器(特別是多管式固定床反應(yīng)器)、流化床反應(yīng)器如夾帶流化床反應(yīng)器和固定流化床反應(yīng)器、以及淤漿床反應(yīng)器如三相淤漿鼓泡塔和沸騰床反應(yīng)器。在US5517473中描述了合適的費(fèi)-托反應(yīng)器。但在該文獻(xiàn)中所述的反應(yīng)器為一種大型的完全固定的冷卻體系，其制造、運(yùn)輸和修理(例如在泄漏的情況下)均很困難。
費(fèi)-托反應(yīng)放熱量大，且對溫度敏感，其結(jié)果是要求仔細(xì)的溫度控制，以維持最佳的操作條件和所需的烴產(chǎn)物選擇性。應(yīng)記住表征費(fèi)-托反應(yīng)的非常高的反應(yīng)熱、反應(yīng)器的傳熱特征和冷卻機(jī)理均是非常重要的。
固定床反應(yīng)器的傳熱性能是有限的，這是因?yàn)槠滟|(zhì)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(jìn)傳熱，則可獲得較高的CO轉(zhuǎn)化率，但此時(shí)反應(yīng)器的壓降過大，這限制了工業(yè)可行性。通過增加氣體通量和CO轉(zhuǎn)化率來增加反應(yīng)器容量可導(dǎo)致徑向溫度梯度增加。對于熱穩(wěn)定性和有效除熱來說，費(fèi)-托固定床反應(yīng)器管應(yīng)當(dāng)具有小于5或7cm的直徑。在費(fèi)-托固定床反應(yīng)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(chǎn)生局部飛溫(熱點(diǎn))，這可導(dǎo)致催化劑局部失活。為了避免飛溫反應(yīng)，必須限制反應(yīng)器內(nèi)的最高溫度。但在反應(yīng)混合物內(nèi)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(jīng)公開了在固定床設(shè)計(jì)中利用液體循環(huán)作為改進(jìn)總體性能的手段。這一體系還被稱為“滴流床”反應(yīng)器(作為固定床反應(yīng)器體系的附屬設(shè)備部件)，其中反應(yīng)物氣體和液體同時(shí)引入(優(yōu)選相對于催化劑向下流動(dòng)取向)。存在流動(dòng)的反應(yīng)物氣體和液體改進(jìn)了除熱和熱量控制，從而在CO轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性方面提高了反應(yīng)器性能。滴流床體系(以及任何固定床設(shè)計(jì))的局限是與在高質(zhì)量速度下操作有關(guān)的壓降。在沒有過大壓降情況下，在固定床內(nèi)氣體填充的空隙(通常小于0.50)和催化劑顆粒的尺寸與形狀不允許高的質(zhì)量速度。因此，由于傳熱速度而限制單位反應(yīng)器體積內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的質(zhì)量通量。增加催化劑的粒度和較高的質(zhì)量流量改進(jìn)傳熱(對于給定的壓降來說)且能增加轉(zhuǎn)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(jìn)的轉(zhuǎn)化容量。
與固定床設(shè)計(jì)相比，三相淤漿鼓泡塔反應(yīng)器通常在傳熱特性方面提供優(yōu)勢。這種反應(yīng)器通常引入由液體連續(xù)基質(zhì)內(nèi)向上流動(dòng)的氣體懸浮的小催化劑顆粒。多根冷卻管存在于三相淤漿體系內(nèi)。連續(xù)液體基質(zhì)的移動(dòng)提供充分的傳熱，以實(shí)現(xiàn)高的工業(yè)生產(chǎn)率。催化劑顆粒在液體連續(xù)相內(nèi)移動(dòng)，從而導(dǎo)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(shí)在反應(yīng)器內(nèi)大的液體藏量提供高的熱惰性，所述高的熱惰性利于防止快速升溫，而快速升溫可導(dǎo)致熱飛溫。有關(guān)三相淤漿鼓泡塔反應(yīng)器在W.-D.Deckwer，Bubble Column Reactors(John Wiley& Sons，Chichester，1991)中給出了詳細(xì)說明。
工業(yè)固定床和三相淤漿反應(yīng)器通常利用沸水除去反應(yīng)熱。在固定床設(shè)計(jì)中，各反應(yīng)器管位于含有通常通過殼壁內(nèi)的法蘭進(jìn)料的水/蒸汽的殼內(nèi)。反應(yīng)熱升高在每一管內(nèi)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(nèi)的水沸騰。在淤漿設(shè)計(jì)中，冷卻管位于淤漿體積內(nèi)，且熱量從液體連續(xù)基質(zhì)傳遞到管壁上。在管內(nèi)產(chǎn)生蒸汽提供所需的冷卻。蒸汽本身又可用于加熱目的或者驅(qū)動(dòng)蒸汽透平。
不可能分離泄漏到冷卻體系內(nèi)的合成氣(可通過分析蒸汽出口物確認(rèn))，這是危險(xiǎn)的，且將迫使停車并修理淤漿反應(yīng)器。鑒于反應(yīng)的放熱性質(zhì)和典型的淤漿反應(yīng)器體積，就生產(chǎn)能力的損失來說，停車過程既費(fèi)時(shí)又昂貴。一種已知的反應(yīng)器利用具有多根互連管的單個(gè)端蓋，此時(shí)難以確認(rèn)和修理泄漏管。鑒于這些困難，已知的是堵塞泄漏管而不是嘗試修理。但堵塞相對大量的泄漏管的缺點(diǎn)是降低了冷卻容量，從而導(dǎo)致部分反應(yīng)器未被冷卻，或者冷卻不足，由此可能形成熱點(diǎn)。另外，反應(yīng)器的冷卻容量下降，導(dǎo)致反應(yīng)器喪失其固有的安全性。
已知淤漿反應(yīng)器的另一缺點(diǎn)是，在制造過程中，冷卻管固定在反應(yīng)器內(nèi)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(nèi)進(jìn)料冷卻劑。當(dāng)構(gòu)造該反應(yīng)器以供使用時(shí)，這種設(shè)置涉及在檢測和修理各冷卻管過程中對人員的危險(xiǎn)。另外，考慮到其尺寸大，工業(yè)反應(yīng)器通常必須以水平位置輸送。這導(dǎo)致很難確保反應(yīng)器內(nèi)的管不受損或不移位。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供在放熱反應(yīng)的反應(yīng)器中使用的冷卻組件，其制造、運(yùn)輸和操作簡單且有效，且解決了上面針對已知反應(yīng)器中使用的冷卻體系所述的一些缺點(diǎn)。
本發(fā)明另一目的是提供冷卻組件，其簡化了泄漏的確認(rèn)和修理。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)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(yīng)器所述的缺點(diǎn)。
因此，本發(fā)明提供在用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)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(jìn)料管；
分配室；多根循環(huán)管；和收集室；所述冷卻劑進(jìn)料管在其第一端具有入口以供引入冷卻劑到冷卻組件中，并且在其第二端處與所述分配室連通；每一根所述循環(huán)管通過第一端與分配室連通并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(shè)置，其中入口適合于可拆卸地連接到進(jìn)料管上，而出口適合于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(lǐng)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(huán)接頭、壓力密封接頭、壓縮適配接頭等。優(yōu)選夾緊接頭，特別是C-夾緊接頭。
優(yōu)選地，分配室包括錐形或球形部分，優(yōu)選錐形部分確定孔，其中分配室通過所述孔與每一循環(huán)管連通。
優(yōu)選地，收集室包括錐形或球形部分，優(yōu)選錐形部分確定孔，其中收集室通過所述孔與每一循環(huán)管連通。
優(yōu)選地，分配室和收集室不含任何平展部件。鑒于壓差，例如當(dāng)在包括組件內(nèi)部和組件外部之間的開車、冷卻和任何緊急停車的化學(xué)反應(yīng)器中用作冷卻組件時(shí)，所有平展部件均需要由比組件中其它部件更強(qiáng)和/或更厚的材料制造，與僅使用球形和/或錐形室的情況相比，這使得制造更加復(fù)雜/昂貴。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，相對于分配管，冷卻劑進(jìn)料管基本上位于中心位置，且可任選延伸通過收集室。在具體情況下，冷卻劑進(jìn)料管可位于收集室內(nèi)，在此情況下，進(jìn)料管可至少部分位于排放管內(nèi)部。在這種情況下，需要較少通過反應(yīng)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(shù)量的循環(huán)管，優(yōu)選約20-4000根循環(huán)管，和更優(yōu)選約100-400根循環(huán)管。冷卻組件可具有任何截面，所述截面在例如反應(yīng)器內(nèi)提供冷卻組件的有效裝填，例如方形、矩形或六邊形截面。優(yōu)選方形。圓形截面不是優(yōu)選的，因?yàn)閮蓚€(gè)或更多個(gè)組件不可能完全填入圓筒形反應(yīng)器內(nèi)。
一般地，冷卻組件具有細(xì)長形狀。冷卻劑進(jìn)料管的入口通常位于冷卻組件的第一端處。分配室通常位于冷卻組件的第二端處。因此，冷卻劑進(jìn)料管一般從冷卻管的第一端延伸到冷卻管的第二端。收集室通常位于冷卻組件的第一端處。循環(huán)管和冷卻劑進(jìn)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(xì)長部分。在使用中，冷卻組件通常處于垂直位置，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(yīng)意識到，以上定義的冷卻組件沒有被反應(yīng)器殼包圍。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼；將反應(yīng)物引入到反應(yīng)器殼內(nèi)的設(shè)備；從反應(yīng)器殼中除去產(chǎn)物的設(shè)備；和冷卻設(shè)備；其中所述冷卻設(shè)備包括至少一個(gè)在用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)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(jìn)料管(2)；分配室(4)；多根循環(huán)管(5)；和收集室(6)；所述冷卻劑進(jìn)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，并在其第二端與所述分配室(4)連通；每一根所述循環(huán)管(5)通過第一端與分配室(4)連通，并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(shè)置。
優(yōu)選地，入口適合于可拆卸地連接到進(jìn)料管上，而出口適合于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(jìn)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(jī)打開。前面討論了優(yōu)選的可拆卸連接接頭。
優(yōu)選地，反應(yīng)器殼包括出入(access)設(shè)備，例如檢修孔，以供出入冷卻設(shè)備。更優(yōu)選檢修孔位于反應(yīng)器的頂部，接近反應(yīng)器頂部中心或者位于反應(yīng)器頂部中心處。因此，可將一個(gè)或甚至多個(gè)冷卻組件升舉出反應(yīng)器。
優(yōu)選地，反應(yīng)器包括支撐冷卻設(shè)備的支撐設(shè)備。
典型地，引入反應(yīng)物(特別是氣體反應(yīng)物)到反應(yīng)器殼內(nèi)的設(shè)備位于反應(yīng)器底端，但也可在較高位置處引入少量反應(yīng)物。合適地，引入(氣態(tài))反應(yīng)物的設(shè)備可包括一個(gè)或多個(gè)用于引入氣體(特別是合成氣)的噴射器。
典型地，從反應(yīng)器殼中除去產(chǎn)物的設(shè)備可包括過濾器。
優(yōu)選地，反應(yīng)器進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)反應(yīng)物和產(chǎn)物在反應(yīng)器殼內(nèi)的循環(huán)的一個(gè)或多個(gè)篩板或檔板。
對于每一冷卻組件來說，在使用中，入口通?？刹鹦兜剡B接到進(jìn)料管上，和每一出口通?？刹鹦兜剡B接到排放管上。
優(yōu)選地，通過用“c-夾緊件”或其它合適的固定設(shè)備固定的入口法蘭和進(jìn)料管法蘭，實(shí)現(xiàn)在入口和進(jìn)料管之間的連接。類似地，優(yōu)選通過用“c-夾緊”或其它合適的固定設(shè)備固定的出口法蘭和排放管法蘭，實(shí)現(xiàn)在出口和排放管之間的連接。
冷卻體系的組件性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是可從反應(yīng)器殼中拆卸各冷卻組件，例如用于檢查、更換、維護(hù)或修理目的。此外，可分別制造并輸送反應(yīng)器殼和冷卻組件。根據(jù)以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的冷卻組件和反應(yīng)器的附加優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。
進(jìn)料管和排放管穿過反應(yīng)器壁。這可在反應(yīng)器壁的任何部分進(jìn)行，但優(yōu)選在反應(yīng)器的頂部例如通過反應(yīng)器頂蓋進(jìn)行，但優(yōu)選通過反應(yīng)器的圓筒部分進(jìn)行。按照這一方式，由于在反應(yīng)器壁內(nèi)的應(yīng)變產(chǎn)生的問題較少。優(yōu)選地，進(jìn)料管的所有通道和排放管的所有通道均處于反應(yīng)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(yīng)器壁或者通過固定(例如焊接)到反應(yīng)器上的額外圓筒環(huán)來加固該位置處的反應(yīng)器壁。這種環(huán)合適地具有最多3米的高度，優(yōu)選最多1米。入口/出口通道優(yōu)選位于反應(yīng)器的上部圓筒部分和中間圓筒部分之間，最優(yōu)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(jìn)料管和排放管優(yōu)選可拆卸地與冷卻組件連接，優(yōu)選在冷卻組件上方連接。此外，它們優(yōu)選包括適當(dāng)接近反應(yīng)器壁的第二個(gè)可拆卸連接。這使得可相當(dāng)容易地在冷卻組件上方拆下所有管子，于是在冷卻組件上方產(chǎn)生空間以供檢查和維護(hù)，并可拆除一個(gè)或多個(gè)冷卻組件。在優(yōu)選的實(shí)施方案中(參見例如圖2)，進(jìn)料和排放管，當(dāng)穿過反應(yīng)器的圓筒部分時(shí)，具有與反應(yīng)器壁垂直的方向。在冷卻組件和/或反應(yīng)器壁之間保留開口的情況下，這些開放空間可例如用于引流管、催化劑再生管、過濾器等。為了防止向上流動(dòng)氣流的低阻力通道，還可在開口內(nèi)放置密閉管或者一個(gè)或多個(gè)水平板或篩板以增加阻力。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的方法，該方法包括下述步驟向反應(yīng)器內(nèi)引入反應(yīng)物；冷卻反應(yīng)器的內(nèi)容物；和從反應(yīng)器中取出產(chǎn)物，其中使用含至少一個(gè)上述冷卻組件的冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻步驟。
根據(jù)又一方面，提供使用本發(fā)明類型反應(yīng)器的烴合成方法。
在不希望局限于特定實(shí)施方案的情況下，參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1描述了本發(fā)明的冷卻組件的垂直截面；圖2描述了在反應(yīng)器內(nèi)的多個(gè)冷卻組件；圖3是裝有多個(gè)冷卻組件的反應(yīng)器的俯視圖；圖4是在冷卻組件頂部處入口/出口管設(shè)置的正視圖；和圖5描述了在反應(yīng)器基座處冷卻組件的支撐件。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)回到圖1，本發(fā)明的冷卻組件1的第一個(gè)實(shí)施方案包括將冷卻劑引入到組件內(nèi)的冷卻劑進(jìn)料管2，所述冷卻劑進(jìn)料管2在其第一端具有入口3且與位于其第二端的分配室4流體連通。分配室4又與一根或多根循環(huán)管5通過每一根所述管5的第一端流體連通，且每一循環(huán)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(nèi)的流動(dòng)方向。冷卻組件1的構(gòu)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(shè)置。
在操作中，入口3可拆卸地連接到進(jìn)料管8上，出口7可拆卸地連接到排放管9上。優(yōu)選地，可利用進(jìn)料管法蘭8a和入口法蘭3a使進(jìn)料管8可拆卸地連接到入口3上，其中所述進(jìn)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(shè)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(shí)現(xiàn)可拆卸連接，其中可通過合適的切割設(shè)備分開它們。優(yōu)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，但并不包括需要通過合適的切割設(shè)備如氧-乙炔切割機(jī)打開的所有連接。
冷卻劑通過進(jìn)料管6經(jīng)入口3引入到冷卻組件1內(nèi)，并流經(jīng)冷卻劑進(jìn)料管2到達(dá)分配室4。然后，通過循環(huán)管5分配冷卻劑到收集室6，在此被收集并通過出口7和排放管7排放。當(dāng)冷卻劑流經(jīng)所述組件時(shí)，特別是當(dāng)冷卻劑流經(jīng)循環(huán)管5和較低程度地流經(jīng)冷卻劑進(jìn)料管2時(shí)，熱量從冷卻組件1周圍的漿液傳遞給冷卻劑。
優(yōu)選地，構(gòu)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(lǐng)域技術(shù)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(jìn)料管2、分配室4、循環(huán)管5和收集室6的任何構(gòu)造。優(yōu)選地，冷卻劑進(jìn)料管2相對于循環(huán)管5基本上位于中心位置，正如圖1所示。這一結(jié)構(gòu)提高冷卻組件1的機(jī)械穩(wěn)定性，并利于分配和收集冷卻劑。在圖1所示的實(shí)施方案中，冷卻劑進(jìn)料管2延伸通過收集室4。分配室4和收集室6可以是利于在組件1內(nèi)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(zhì)上可以是球形或曲面形(半球形)。尤其對于分配室4來說，優(yōu)選避免平展表面，因?yàn)槔鋮s組件周圍的漿液內(nèi)的催化劑顆?？稍诖死鄯e。據(jù)設(shè)想循環(huán)管5可直接連接到冷卻劑進(jìn)料管2的下端，在此情況下，冷卻劑進(jìn)料管2的下端(即離入口3最遠(yuǎn)的一端)代表分配室。優(yōu)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(huán)管5的相應(yīng)端連通。優(yōu)選地，分配室4和收集室6各自包括錐形部分，其曲面確定介于0-45°到垂直的角度。顯然，在這一角度為0°的情況下，循環(huán)管5直接連接到冷卻劑進(jìn)料管2的下端(即離入口3最遠(yuǎn)的一端)。
冷卻組件的特征在于包括利于在組件1內(nèi)循環(huán)冷卻劑的多個(gè)細(xì)長的循環(huán)管5。循環(huán)管5優(yōu)選基本上彼此平行和等間距。
在冷卻組件1內(nèi)循環(huán)管5的數(shù)量與尺寸只受到特定情況的冷卻要求和制造的物理局限性限制。典型地，冷卻組件包括約10-4000根循環(huán)管，優(yōu)選介于約100-400根循環(huán)管。取決于反應(yīng)器的體積和容量，每一冷卻管的長度可以是約4-40米。優(yōu)選地，冷卻管(5)的長度為約10-25米。循環(huán)管通常包括一束細(xì)長的平行直管。優(yōu)選地，進(jìn)料管也是細(xì)長的直管，其優(yōu)選與循環(huán)管平行。盡管要在反應(yīng)器的操作條件下維持強(qiáng)度和物理完整性，但冷卻管優(yōu)選盡可能薄，以便利于有效傳熱并最小化冷卻組件1的總重量。為了最大化反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)體積，每一循環(huán)管的直徑應(yīng)當(dāng)盡可能小，例如約1-10cm，優(yōu)選約2-5cm。
在反應(yīng)器內(nèi)冷卻組件的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)及其設(shè)置主要受下述因素如反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)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(gè)等邊三角形的)或六邊形截面。包括方形截面的冷卻組件設(shè)計(jì)，就在反應(yīng)器內(nèi)裝填組件和在整個(gè)反應(yīng)器體積內(nèi)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(yōu)選相同。但可能建議使用不同的形狀(和可能不同數(shù)量的冷卻管)用于沿反應(yīng)器壁的冷卻組件，以便完全填充反應(yīng)器內(nèi)的所有空間，改進(jìn)冷卻并防止向上流動(dòng)的氣體物流的低阻力空間。通過設(shè)計(jì)和使用以不同形狀彎曲的冷卻管，并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，這取決于所使用的冷卻管的數(shù)量和結(jié)構(gòu)以及所要求的冷卻容量。圓形或橢圓形的形狀不夠優(yōu)選，因?yàn)檫@種冷卻組件大多數(shù)不能填滿圓筒反應(yīng)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(fā)明另一方面的一個(gè)特定實(shí)施方案，即用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)器20。反應(yīng)器20包括反應(yīng)器殼21、反應(yīng)物入口設(shè)備(未示出)、產(chǎn)物出口設(shè)備(未示出)和含如上所述的多個(gè)冷卻組件1的冷卻體系。使用合適的設(shè)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(yīng)器20的底部?？稍诿恳焕鋮s組件1的頂部或者朝向其頂部提供進(jìn)一步的設(shè)備(未示出)，以便確保它們保持在反應(yīng)器20內(nèi)的適當(dāng)位置處。
出入設(shè)備如檢修孔22提供進(jìn)入反應(yīng)器20和具體為冷卻組件1內(nèi)部的通道。出入設(shè)備的形狀和尺寸主要由內(nèi)部組件的尺寸來決定。優(yōu)選地，可將直徑介于約0.5-3.0m的檢修孔結(jié)合到反應(yīng)器殼21內(nèi)，條件是它與所使用的冷卻組件1的尺寸匹配。
在制造過程中，在已知的反應(yīng)器內(nèi)冷卻管通常被焊接定位?？紤]到工業(yè)規(guī)模淤漿反應(yīng)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(yīng)器對在殼內(nèi)的冷卻管產(chǎn)生明顯的應(yīng)變，這可導(dǎo)致管子在輸送過程中受損。因此，本發(fā)明的冷卻體系的組件設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)勢，這在于冷卻組件1和反應(yīng)器殼21可分別制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(yīng)器殼21內(nèi)的位置內(nèi)而不需要任何人員在反應(yīng)器底部內(nèi)。這消除了必須在反應(yīng)器內(nèi)操作的人員的相關(guān)危險(xiǎn)，正如其中冷卻管必須焊接定位的情況一樣(例如焊接到位于反應(yīng)器殼底部的管板或者端蓋上)。
在制造過程中，當(dāng)反應(yīng)器通常位于水平位置時(shí)，可使用合適的設(shè)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(huán)管5之間設(shè)置一個(gè)或多個(gè)隔板或支撐格柵。在反應(yīng)器操作過程中，這些支撐設(shè)備可任選留在原位，以便維持所討論的元件之間的間隔，和尤其是相對于彼此支撐循環(huán)管。
典型地，進(jìn)料管8和排放管9可拆卸地連接到進(jìn)料導(dǎo)管和排放導(dǎo)管24、25上，所述進(jìn)料導(dǎo)管和排放導(dǎo)管24、25通過反應(yīng)器殼21并可連接到反應(yīng)器外部的元件上?？墒褂萌缟纤龅摹癱-夾緊件”或其它合適的設(shè)備，將進(jìn)料管和排放管8、9連接到進(jìn)料導(dǎo)管和排放導(dǎo)管24、25上。
圖4示出了在進(jìn)料管8和入口3、排放管9和出口7、進(jìn)料管8和進(jìn)料導(dǎo)管24以及排放管9和排放導(dǎo)管25之間的可拆卸連接，從而利于從反應(yīng)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(jìn)料管8和排放管9，于是允許冷卻組件1由其支撐件23垂直升舉。位于反應(yīng)器20上方的外部升舉設(shè)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(yīng)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(yīng)器20。由最中心的組件騰出的空間利于在反應(yīng)器殼21內(nèi)重排或移動(dòng)其余冷卻組件1?？商峁﹥?nèi)部升舉設(shè)備(未示出)如固定在冷卻組件1的頂部和反應(yīng)器殼21的頂蓋之間的空間內(nèi)的升舉器，利于重排組件。
圖5示出了在反應(yīng)器殼21的底部處的設(shè)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(jìn)一步起到保持每一冷卻組件1在反應(yīng)器20內(nèi)的位置的作用。優(yōu)選調(diào)整由支撐件23負(fù)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于反應(yīng)器內(nèi)。這表明了本發(fā)明附加的安全特征。
如上所述，可通過分析排放的冷卻劑來確認(rèn)泄漏到冷卻體系內(nèi)的合成氣。在已知的反應(yīng)器中，可能難以修理泄漏的冷卻管，且在一些情況下，根本不可能修理，在此情況下，可能必須堵塞泄漏管，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(yīng)混合物未被合適冷卻的區(qū)域內(nèi)可能導(dǎo)致不希望的熱點(diǎn)或飛溫反應(yīng)。在費(fèi)-托反應(yīng)的情況下，優(yōu)選在比冷卻組件內(nèi)的蒸汽壓高的壓力下進(jìn)行費(fèi)-托反應(yīng)。優(yōu)選地，壓差為至少1bar，優(yōu)選至少5bar，更優(yōu)選至少10bar。按照這一方式，泄漏總是導(dǎo)致合成氣/烴泄漏到冷卻組件內(nèi)。通過在所有冷卻組件的所有單獨(dú)出口內(nèi)設(shè)置檢測器，當(dāng)冷卻組件泄漏時(shí)，可很容易地檢測到。該冷卻組件可被堵塞，或者反應(yīng)器可被停止，且可更換出現(xiàn)故障的冷卻組件。
本發(fā)明提供可在組件體系內(nèi)使用的冷卻單元，于是各冷卻單元1可分開并可分別從反應(yīng)器20中拆出以供檢查、更換或修理目的。該組件方式的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是可在反應(yīng)器殼外部進(jìn)行泄漏冷卻組件的修理，因此不存在需要人員進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行修理的相關(guān)危險(xiǎn)。本發(fā)明利于直接和快速修理冷卻組件，與修理已知反應(yīng)器的相關(guān)時(shí)間相比，導(dǎo)致更短的停車時(shí)間，優(yōu)點(diǎn)是損失的生產(chǎn)時(shí)間可最小化。
典型地，可使用該反應(yīng)器進(jìn)行三相淤漿反應(yīng)，例如費(fèi)-托類型的反應(yīng)。反應(yīng)物入口設(shè)備可包括位于反應(yīng)器殼21底座處的一個(gè)或多個(gè)噴射器，產(chǎn)物出口設(shè)備可包括一個(gè)或多個(gè)過濾器。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉在已知的三相淤漿反應(yīng)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范圍內(nèi)變化，這主要取決于淤漿區(qū)狀態(tài)的類型。典型地，平均粒度范圍可以是1微米至2毫米，優(yōu)選1微米至1毫米。
若平均粒度大于100微米且所述顆粒不能通過機(jī)械裝置保持懸浮，則該淤漿區(qū)狀態(tài)通常被稱為沸騰床狀態(tài)。優(yōu)選地，在沸騰床狀態(tài)內(nèi)的平均粒度小于600微米，更優(yōu)選范圍為100-400微米。應(yīng)意識到，一般顆粒的粒度越大，顆粒從淤漿區(qū)逃逸進(jìn)入稀相區(qū)的可能性越小。因此，若采用沸騰床狀態(tài)，則大部分催化劑細(xì)顆粒將逃逸到稀相區(qū)中。
若平均粒度最多100微米且所述顆粒不能通過機(jī)械裝置保持懸浮，則淤漿區(qū)狀態(tài)通常被稱為淤漿相狀態(tài)。優(yōu)選地，在淤漿相狀態(tài)內(nèi)的平均粒度大于5微米，更優(yōu)選范圍為10-75微米。
若顆粒通過機(jī)械裝置保持懸浮，則淤漿區(qū)狀態(tài)通常被稱為攪拌釜狀態(tài)。應(yīng)意識到，原則上可采用在上述范圍內(nèi)的任何平均粒度。優(yōu)選地，平均粒度保持在1-200微米范圍內(nèi)。
存在于淤漿內(nèi)的催化劑顆粒的濃度范圍可以是5-45％體積，優(yōu)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(nèi)固體顆粒的總濃度通常為不大于50％體積，優(yōu)選不大于45％體積。
合適的淤漿液體是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。典型地，至少部分淤漿液體是放熱反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物。優(yōu)選地，淤漿液體基本上全部是反應(yīng)產(chǎn)物。
放熱反應(yīng)是在固體催化劑存在下進(jìn)行且能在三相淤漿反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)。典型地，放熱反應(yīng)的至少一種反應(yīng)物是氣體。放熱反應(yīng)的實(shí)例包括加氫反應(yīng)、加氫甲酰化反應(yīng)、鏈烷醇合成、使用一氧化碳制備芳族尿烷、Klbel-Engelhardt合成、聚烯烴合成和費(fèi)-托合成。按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，放熱反應(yīng)是費(fèi)-托合成反應(yīng)。
費(fèi)-托合成是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，并且包括通過在反應(yīng)條件下使氫氣和一氧化碳的氣體混合物與費(fèi)-托催化劑接觸而由該混合物合成烴。
費(fèi)-托合成的產(chǎn)物范圍可以為甲烷至重質(zhì)石蠟。優(yōu)選地，甲烷的產(chǎn)量最小，所產(chǎn)生的大部分烴具有至少5個(gè)碳原子的碳鏈長度。優(yōu)選地，C5+烴的量為全部產(chǎn)物的至少60％重量，更優(yōu)選至少70％重量，甚至更優(yōu)選至少80％重量，最優(yōu)選至少85％重量?？墒褂煤线m的設(shè)備如一個(gè)或多個(gè)過濾器，分離并除去在反應(yīng)條件下為液相的反應(yīng)產(chǎn)物。可使用內(nèi)部或外部過濾器或二者的組合?？墒褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知的合適設(shè)備除去氣相產(chǎn)物如輕質(zhì)烴和水。
費(fèi)-托催化劑是本領(lǐng)域已知的，且通常包括第VIII族金屬組分，優(yōu)選鈷、鐵和/或釕，更優(yōu)選鈷。典型地，催化劑包括催化劑載體。催化劑載體優(yōu)選為多孔的，例如多孔無機(jī)耐火氧化物，更優(yōu)選氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、氧化鋯或其混合物。
存在于載體上的催化活性金屬的最佳量主要取決于具體的催化活性金屬。典型地，存在于催化劑內(nèi)的鈷的含量范圍相對于每100重量份載體材料可以是1-100重量份，優(yōu)選相對于每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(jìn)劑或助催化劑一起存在于催化劑內(nèi)。促進(jìn)劑可作為金屬或金屬氧化物存在，這取決于所涉及的特定促進(jìn)劑。合適的促進(jìn)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(yōu)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(jìn)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(jìn)劑。優(yōu)選的金屬促進(jìn)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(jìn)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(jìn)劑。
促進(jìn)劑若存在于催化劑內(nèi)，其存在量相對于每100重量份載體材料通常為0.1-60重量份。但應(yīng)意識到，促進(jìn)劑的最佳量可能隨充當(dāng)促進(jìn)劑的相應(yīng)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(jìn)劑，則鈷與(錳+釩)的原子比有利地為至少12∶1。
費(fèi)-托合成優(yōu)選在125-350℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，更優(yōu)選175-275℃，最優(yōu)選200-260℃。壓力范圍優(yōu)選為5-150bara，更優(yōu)選5-80bara。
氫氣和一氧化碳(合成氣)通常以范圍為0.4-2.5的摩爾比進(jìn)料到三相淤漿反應(yīng)器內(nèi)。優(yōu)選地，氫氣與一氧化碳的摩爾比范圍為1.0-2.5。
氣體的時(shí)空速度范圍可以在寬的范圍內(nèi)變化，且通常范圍為1500-10000Nl/l/h，優(yōu)選范圍為2500-7500Nl/l/h。
費(fèi)-托合成優(yōu)選在淤漿相狀態(tài)或者沸騰床狀態(tài)下進(jìn)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(yīng)意識到，本領(lǐng)域技術(shù)人員能針對具體的反應(yīng)器構(gòu)造和反應(yīng)方案選擇最合適的條件。
優(yōu)選地，合成氣的表觀氣速范圍為0.5-50cm/sec，更優(yōu)選范圍為5-35cm/sec。
典型地，表觀液速保持在0.001-4.00cm/sec范圍內(nèi)，其中包括液體產(chǎn)量。應(yīng)意識到，優(yōu)選的范圍可能取決于優(yōu)選的操作模式。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，表觀液速保持在0.005-1.0cm/sec范圍內(nèi)。
本發(fā)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(yīng)制備烴化合物，其中催化劑優(yōu)選鈷催化劑，且優(yōu)選包括耐火氧化物載體，在該方法中使用三相淤漿反應(yīng)器，該反應(yīng)器配有一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明且在本說明書中前面描述的冷卻組件。
本發(fā)明還涉及在上述方法中制備的烴。另外，本發(fā)明涉及通過加氫處理(特別是加氫、加氫異構(gòu)化和/或加氫裂化)制備的烴、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、鉆探流體等)、石腦油、煤油、瓦斯油、蠟狀殘油和基油。
權(quán)利要求
1.在用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)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(jìn)料管(2)；分配室(4)；多根循環(huán)管(5)；和收集室(6)；所述冷卻劑進(jìn)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，并在其第二端處與所述分配室(4)連通；每一根所述循環(huán)管(5)通過第一端與分配室(4)連通并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(shè)置，其中入口(3)適合于可拆卸地連接到進(jìn)料管(8)上，而出口(7)適合于可拆卸地連接到排放管(9)上。
2.權(quán)利要求1的冷卻組件，其中冷卻劑進(jìn)料管(2)的第二端是具有與其相連的循環(huán)管(5)的分配室(4)，優(yōu)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(huán)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(huán)管(5)連通。
3.權(quán)利要求1或2的冷卻組件，其中冷卻劑進(jìn)料管(2)相對于循環(huán)管(5)基本上位于中心位置。
4.權(quán)利要求3的冷卻組件，其中冷卻劑進(jìn)料管(2)延伸通過收集室(6)。
5.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的冷卻組件，其包括約20-4000根循環(huán)管(5)，優(yōu)選約100-400根循環(huán)管(5)。
6.前述任一項(xiàng)權(quán)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(yōu)選長度為約10-25米。
7.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的冷卻組件，其中每一循環(huán)管的直徑為約1-10cm，優(yōu)選約2-5cm。
8.前述任一項(xiàng)權(quán)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(yōu)選冷卻組件具有約0.20-2.00m2的方形截面積。
9.用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)器(20)，所述反應(yīng)器(20)包括反應(yīng)器殼(21)；將反應(yīng)物引入到反應(yīng)器殼(21)內(nèi)的設(shè)備；從反應(yīng)器殼(21)中除去產(chǎn)物的設(shè)備；和冷卻設(shè)備；其中所述冷卻設(shè)備包括至少一個(gè)在用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)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(jìn)料管(2)；分配室(4)；多根循環(huán)管(5)；和收集室(6)；所述冷卻劑進(jìn)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，并在其第二端與所述分配室(4)連通；每一根所述循環(huán)管(5)通過第一端與分配室(4)連通并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(shè)置。
10.權(quán)利要求9的反應(yīng)器，其中入口(3)適合于可拆卸地連接到進(jìn)料管(8)上，而出口(7)適合于可拆卸地連接到排放管(9)上。
11.權(quán)利要求9或10的反應(yīng)器，其中冷卻組件具有權(quán)利要求2-8任一項(xiàng)的特征。
12.權(quán)利要求9-11任一項(xiàng)的反應(yīng)器，其中反應(yīng)器包括4-100個(gè)冷卻組件，優(yōu)選12-65個(gè)，更優(yōu)選24-50個(gè)。
13.權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)的反應(yīng)器，其中反應(yīng)器殼(21)包括用于出入冷卻設(shè)備的出入設(shè)備(22)。
14.權(quán)利要求9和13任一項(xiàng)的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括支撐冷卻設(shè)備的支撐設(shè)備(23)。
15.權(quán)利要求9-14任一項(xiàng)的反應(yīng)器，其中將反應(yīng)物引入到反應(yīng)器殼(21)內(nèi)的設(shè)備包括噴射器。
16.權(quán)利要求9-15任一項(xiàng)的反應(yīng)器，其中用于從反應(yīng)混合物(21)中分離產(chǎn)物的設(shè)備包括過濾器，優(yōu)選為設(shè)置在反應(yīng)器殼(21)內(nèi)的內(nèi)部過濾器。
17.用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的方法，包括下述步驟向反應(yīng)器(20)內(nèi)引入反應(yīng)物；冷卻反應(yīng)器(20)的內(nèi)容物；和從反應(yīng)器(20)中取出產(chǎn)物，其中使用包括至少一個(gè)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的冷卻組件(1)的冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻，合適地為4-100個(gè)冷卻組件，優(yōu)選為12-65個(gè)冷卻組件，更優(yōu)選為24-50個(gè)冷卻組件。
18.權(quán)利要求17的方法，其用于合成烴，其中向反應(yīng)器(20)中引入合成氣。
19.通過權(quán)利要求17和18任一項(xiàng)的方法獲得的產(chǎn)物。
全文摘要
公開了在用于進(jìn)行放熱反應(yīng)的反應(yīng)器(20)中使用的可拆卸冷卻組件(1)，其包括冷卻劑進(jìn)料管(2)、分配室(4)、多根循環(huán)管(5)和收集室(6)，所述冷卻劑進(jìn)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，并在其第二端處與所述分配室(4)連通，每一根所述循環(huán)管(5)通過第一端與分配室(4)連通并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(fā)明的組件性質(zhì)利于從反應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2004年1月28日
發(fā)明者A·布爾, F·J·M·施勞溫 申請人:國際殼牌研究有限公司