由合成气制备烃的反应器系统

摘要

本发明涉及一种反应器系统,包括装配在一起并在一个结构内的热交换单元和反应单元。所述热交换单元具有多个平板或波形板热交换器，并且设置为可附着于所述反应单元/可从所述反应单元上拆卸，以及可插入到所述反应单元中。相应地，催化剂可通过洗涂法等附着在所述热交换器的热传递表面，从而最大化热传递效率并且使得在催化剂使用寿命终结时能容易地去除或重新附着该催化剂。

权利要求

1.一种由合成气制备烃的反应器系统,所述反应器系统包括：

热交换单元，被配置为在其内部注入传热介质，并在通过多个在热交换板中形成的流体通路的同时将已进行热交换的传热介质排出，所述热交换板具有催化剂材料附着在其上；

分散单元，被配置为将注入的传热介质分散到各热交换板；

壳，被配置为具有内部反应空间，所述热交换单元的热交换板通过一个开口端插入该内部反应空间中，其中所述内部反应空间被所述热交换板分割以界定反应通道，反应混合物被注入所述反应通道中，而后产物混合物从所述壳排出；

固定槽，设置在面向插入有所述热交换板的反应空间的一侧，并配置固定槽为固定插入其中的所述热交换板；

法兰，被配置为固定所述热交换单元和所述壳。

2.根据权利要求1所述的反应器系统，其中所述热交换板被制成平型板，所述平型板具有热传递通路形成在其中并有多个散热片以规则间隔设置在其上，或者所述热交换板被制成波形板。

3.根据权利要求1所述的反应器系统，其中每个所述热交换板具有经氧化处理的表面以使所述催化剂材料容易附着在其上。

4.根据权利要求2所述的反应器系统，其中每个所述热交换板具有经氧化处理的表面以使所述催化剂材料容易附着在其上。

5.根据权利要求1所述的反应器系统，其中惰性材料填充在所述反应通道的上部和下部空间中以分散所注入的反应混合物和产物混合物。

6.根据权利要求1所述的反应器系统，其中分散板安装在所述反应通道的上部和下部以分散所注入的反应混合物和产物混合物。

7.根据权利要求1所述的反应器系统，其中惰性材料填充在所述反应通道的上部和下部空间中以分散所注入的反应混合物和产物混合物，并且其中分散板安装在所述反应通道的上部和下部以分散所注入的反应混合物和产物混合物。

8.根据权利要求1所述的反应器系统，其中所述催化剂材料附着在众反应通道中的位于两端的反应通道的表面，所述表面面向所述热交换板，并且所述位于两端的反应通道的宽度是其他反应通道宽度1/2或更小。

9.根据权利要求1所述的反应器系统，其中多个所述反应器系统串联和/或并联连接并组成模块。

说明书

由合成气制备烃的反应器系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于由合成气制备烃的反应器系统,尤其涉及一种用于通过提供合成气作为进料与费-托催化剂进行氧化反应来制备烃同时能方便地更换所述催化剂的反应器系统。

背景技术

[0002] 已知根据德国化学家费舍尔和特罗普希在1923年开发的费托合成方法，可以由来自煤,天然气,生物质等的合成气制备液态烃。由煤制备液态烃的方法被称为CTL(煤制液体，也称为煤液化技术)方法；由天然气制备液态烃的方法被称为GTL(气制液体，也称为天然气液化技术)方法；由生物质制备液态烃的方法被称为BTL(生物质制液体，也称为生物质液化技术)方法。近年来，所有相似的方法通常被称为XTL技术。

[0003] 这些方法首先使用气化、重整等方法将原材料（如煤,天然气和生物质）转化为合成气。适合于制造液态燃料的XTL方法的合成气的组成优选使用氢与一氧化碳的比例为大约2，如下式所示。

[0004] CO+2H2+-[CH2]-n→-[CH2]-n+1+H2O

[0005] 其中CO,H2,-[CH2]-n,和H2O分别为一氧化碳，氢，链长为n的烃(碳的数目为n),以及水。然而，随着氢比例的增加，甲烷的选择性增加而C5+(n≥5的烃)的选择性相对减小，因此这种方法是不合适的。另外，还会产生副产物，诸如烯烃和含氧物(oxygenate)(含有氧原子的分子，诸如乙醇,醛,酮,等)，以及如上所述的具有直链的链烷烃形式的烃。

[0006] 因为XTL方法的一个主要目的是为了获得液态燃料，因此最近的趋势旨在优化钴基催化剂，氢与一氧化碳的比例，温度，以及合成气的压力等以获得直链烃，特别是具有高选择性的C5+直链烃。

[0007] 除了钴基催化剂，铁基催化剂也广泛作为催化剂使用。主要用在初期阶段的所述铁基催化剂比钴基催化剂便宜并且在高温下具有低的甲烷选择性和对烃中的烯烃的更高选择性。此外，除了液态燃料之外，铁基催化剂也被用于制备烯烃基产物。

[0008] 相反地，钴基催化剂主要用于制备液态燃料，同时产生少量的二氧化碳并具有相对长的使用寿命。然而，钴基催化剂相比于铁基催化剂极为昂贵，并且其在高温下的甲烷选择性增加，需要在相对低的温度下进行反应。进一步地，因为钴基催化剂贵，因此需要使其在载体表面上良好地分散并且使用较少的量。诸如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛等的化合物可用作所述载体，并且诸如Ru,Pt,Re等的贵金属可用作助催化剂以提高钴基催化剂的性能。

[0009] 迄今多种类型反应器已被研究，诸如列管式固定床反应器,流化床反应器,淤浆反应器,具有热交换器的微通道反应器或多通道反应器等。代表性的流化床反应器可包括循环流化床反应器和固定流化床反应器。因为产物的反应特性和分布随反应器的形状以及反应条件而改变，因此有必要根据感兴趣的终产物选择适当的催化剂。

[0010] 在现有的商业方法中，主要使用超过10,000BPD的流化床反应器(购自SASOL Limited)和列管式固定床反应器(购自Royal Dutch Shell plc.)。

[0011] 然而，这些反应器适合于相对大规模的气田。因此，需要更紧凑和高效率的适合于更小气田或利用废弃的伴生气的反应器。

[0012] 近年来，FPSO(浮式生产，储存，卸载)方法深受关注，其被设计为在寻找资源的同时生产资源，并在需要的地方装载和卸载，对小规模且高效率的所述方法的研究在全球领域得到推广。GTL(气制液体)FPSO是在船上的具有有限空间的GTL车间，因此涉及制备的反应器的体积越小越有利。因此，可以认为如上所述的反应器中的多通道反应器或微通道反应器是最有前景的反应器类型。

[0013] 所述微通道反应器被制造为这样的结构，催化反应单元和热交换单元交替堆放，其中任意一个单元由微通道组成。当所述热交换单元被配置为微通道时，所述催化反应单元可被配置为厚板型（slab type）固定层，或所述催化反应单元也可被配置为微通道。在由微通道组成的催化反应单元中，所述微通道可以通过将催化剂插入其中而被该催化剂填充，或可以使用涂布法使所述催化剂附于反应器的内壁。

[0014] 这类FT反应器特别适合用于制备柴油，润滑油和蜡，并主要在低温F-T方法中运行。

[0015] 在低温F-T方法中，制备超过60%的比柴油沸点高的烃。因此，柴油是另外通过诸如加氢裂化过程等后续步骤制备的，并且蜡成分通过脱蜡过程转化为高品质的润滑油。

[0016] 所述列管式固定床反应器和淤浆反应器是代表性的低温FT反应器，具有多个优点，但相比于微通道反应器或多通道反应器，在尺寸方面具有很大的缺点。

[0017] 列管式固定床反应器的优点在于，放大时所产生的负担(burden)相对低，并且催化剂的机械损耗小。尽管这些优点，但是相对于生产能力，这种类型的反应器需要庞大的体积，并且安装和构建的花费据知也很昂贵。另外，因为其在催化剂层内部具有相对低的热量和质量传递效率，很难控制高放热反应或高吸热反应。

[0018] 所述淤浆反应器具有相对低的构建费用和设备成本，并且其还具有相对高的热量和质量传递效率。然而，为了放大这种类型的反应器，需要严格分析该反应器内部复杂的流体力学特性，这使得设计非常困难。另外，这种类型的反应器经常遭受由于碰撞和摩擦引起的催化剂颗粒的机械损失。

[0019] 所述多通道反应器(下文中，也包括微通道反应器在内)是具有最大化的热传递效率因此反应可以在高空速下进行的反应器。相对于生产能力，所述多通道反应器占据更小的体积(相对于传统反应器的1/5-1/2水平)，并且其构建和设备成本相对低。进一步地，其可通过增加数量而放大。由于不存在床中催化剂颗粒的碰撞和摩擦，催化剂颗粒的机械损失可显著减小。另外，即使在反应器运转的情况下，反应器结果（reactor outcome）的变化可最小化，并且催化剂的机械损失预期可忽略。

[0020] 然而，在所述催化剂被洗涂(wash-coated)在诸如壁反应器的反应器的壁上的情况下，当该催化剂的使用寿命终结时，非常难或者几乎不可能更换该催化剂。在固定床类型中，所述催化剂的更换是相对容易的，但热传递效率相对于在壁上进行洗涂的涂壁反应器而言降低。

发明内容

[0021] 技术问题

[0022] 针对上述情况，为了解决涂壁多通道反应器的不利催化剂更换的问题，本发明提供一种反应器系统，其结构中分别预制有热交换单元和反应单元。

[0023] 技术方案

[0024] 根据本发明的一个方面，提供一种用于由合成气制备烃的反应器系统，其包括热交换单元，其被配置为在内部注入传热介质并在通过多个热交换板的同时将已进行热交换的传热介质排出；分散单元，其被配置为将注入的传热介质分散到各热交换板；壳，其被配置为具有内部反应空间，所述热交换单元的热交换板通过一个开口端插入其中，其中所述内部反应空间被所述热交换板分割以界定反应通道，反应混合物注入所述反应通道而后产物混合物从所述壳排出；固定槽，设置在面向其中插入有热交换板的所述反应空间的一侧，并配置为固定插入其中的所述热交换板；法兰，配置为固定所述热交换单元和所述壳，其中催化剂材料在所述热交换单元和所述壳装配在一起之前被附着在所述热交换板。

[0025] 所述热交换单元可被制成平型板，所述平型板具有热传递通路形成在其中并有多个散热片（fin）以固定间隔设置在其上，或者所述热交换单元可被制成波形板。

[0026] 每个所述热交换板可具有经氧化处理的表面以使所述催化剂材料容易附着在其上。

[0027] 惰性材料可以填充在所述反应通道的上部和下部空间以分散所述填充的反应混合物和产物混合物，或者分散板可以安装在所述反应通道的上部和下部以分散所述填充的反应混合物和产物混合物。或者，所述惰性材料可以填充在所述反应通道的上部和下部并且所述分散板可以安装在所述反应通道的上部和下部。

[0028] 所述催化剂材料可以附着在众反应通道中的位于两端的反应通道的表面，所述表面面向所述热交换板，位于两端的所述反应通道的宽度是其他反应通道宽度的1/2或更小。

[0029] 多个所述反应器系统可以串联和/或并联连接并组成模块。

[0030] 本发明的效果

[0031] 根据本发明，提供了一种反应器系统，其中热交换单元，其包括多个平型板或波形板形式的热交换板，所述热交换单元被制造为可移动的使得其可被插入到反应空间中并且其中催化剂通过洗涂法等附着在所述热交换单元的热交换板的热交换表面，由此最大化热交换效率并便利了催化剂的除去或在催化剂使用寿命终止后催化剂的重新附着。

附图说明

[0032] 图1为本发明一个实施方案的预制的多通道反应器系统的分解透视图；

[0033] 图2为装配的多通道反应器系统沿II-II线方向的截面图；以及

[0034] 图3为与所述热交换板末端部分固定的槽部分的局部详示图。

具体实施方式

[0035] 下面将参考附图详细描述本发明的具体实施方案，使得它们可以被本领域技术人员容易地实施。

[0036] 图1为本发明一个实施方案的预制的多通道反应器系统的分解透视图。如图1所示，该实施方案的反应器系统用于由合成气制备烃，包括热交换单元10，通过其传热介质被注入，并通过多个热交换板进行热交换然后流出；分散单元5用于将注入的传热介质分散到各热交换板1；壳20，具有一开口端，通过其所述热交换单元10的热交换板1插入到内部反应空间，其中所述内部反应空间被所述热交换板1分割以界定多个反应通道8(见图2)，反应混合物注入所述反应通道8中，并且产物混合物排出；固定槽21(见图3)，其面向所述反应空间，其中插入的热交换板1被固定；以及法兰40，用于固定所述热交换单元10和所述壳20。在组装所述热交换单元10和所述壳20之前，将催化剂材料附着在所述热交换单元10的所述热交换板1上。

[0037] 这样，其上预期附着有催化剂的所述热交换单元10的所述热交换板1按箭头的方向被插入到所述壳20的反应空间中，然后将所述热交换单元10的法兰40与所述壳20的法兰40固定，由此形成所述反应器系统。

[0038] 热交换单元10的热交换板1用作热交换表面——热交换基本发生在所述表面上，并且具有多个以相等间隔设置的散热片2以增加热传递面积。在每个热交换板1中，形成有适于热传递的流体通路使得传热介质能实现其热传递功能同时能使所述传热介质均匀地流动。所述传热介质包括，例如，冷却水，蒸气，固态熔融盐，含硅或氟的油，联苯以及联苯醚的混合物。尽管固态熔融盐的代表材料的例子为硝酸钠和混合有适当比例的硝酸钠的混合物，也可以选择和使用满足希望的温度范围的多种固态熔融盐中的任何一种。上述例子仅是代表性的热传递介质，应理解实施方案不限于此。

[0039] 在热交换单元10中，法兰40具有在一个表面形成的进口3和出口4，传热介质分别通过它们被注入和排出。安装在所述法兰40的另一个表面上的是分散单元5，通过进口3注入的传热介质通过分散单元5分散。可以在所述分散单元5的内部空间安装分散器或填充固体颗粒，使得所述传热介质可均匀地分散至热交换板1内部的各热交换表面。进一步地，当用壳20固定时，所述分散单元5还可以用于防止反应气体的泄露。另外的或者可替换的，如有必要，可在分散单元5的周围或前部安装垫圈。

[0040] 在热交换单元10中，热传递流体从最前面的热传递板1填充，在最后面的热传递板1热交换，然后通过出口4排出。

[0041] 用于反应的催化剂材料以浇泼涂层（wash coat）的方式附着在各热交换板1的表面。

[0042] 同时，所述壳20由在反应通道8的上部和下部以彼此相对的方向设置的反应通道8和上部空间7和下部空间9组成，为四面体锥形。注入孔6在所述四面体锥的顶端形成以注入所述反应混合物，排出孔11在所述四面体锥的顶端形成以排出所述产物混合物。

[0043] 图2为装配的多通道反应器系统沿II-II线的截面图。如图2所示，惰性材料颗粒层可填到上部空间7和下部空间9以分散所述产物混合物。所述惰性材料可以包括，例如，氧化铝，拉西环（Raschig ring），玻璃珠等。

[0044] 或者，当不足以实现惰性颗粒层用于分散气体混合物的分散作用或在不存在惰性颗粒层的情况下，分散板12和13可额外地分别安装在反应通道8的上部和下部，以提高气体的分散性能，如果需要的话，惰性材料和分散板12和13也可以同时使用。分散板12和13可以由例如金属泡沫，圆盘形过滤器(金属或陶瓷的)等形成。

[0045] 每个反应通道8是由热交换板1分割的反应空间。所述催化剂材料附着在反应通道8的所有左边和右边表面但不附着在反应通道8的两端。具体而言，在位于两端的反应通道8内，面对热交换板1的表面具有催化剂附着在其上。

[0046] 在图2中，如有必要，优选最左边和最右边的反应通道8的宽度设计为其他反应通道宽度的1/2或更小。当所述反应器系统在如上所述条件下进行装配时，热交换板1和反应通道8之间可以不被完全堵塞，在它们之间的间隙会产生一个未反应混合物的通道。为了防止这种通道的产生，如图3所示，在面向所述壳20的反应空间的位置(即，在与反应通道8的热交换板1的插入侧相对的内壁22上)安装细长的固定槽21，热交换板1的前端被插入该固定槽中并固定，由此确保不会产生所述通道。

[0047] 任何热交换板1均可以使用，只要其具有能扩大热传递面积的形状，如图1所示的具有多个散热片安装在其上的平型板，以及波形板。

[0048] 图1仅显示了上述整个反应器系统的单个最小单元(cell unit)。根据实施方案，多个最小单元可以彼此串联和/或并联连接以组成反应器系统的一个模块。组成的反应器系统可以使用增加数量的思想相对容易地放大。

[0049] 另外，由于为了提高热传递性能，相对于所述反应器的体积，反应活性变得非常高，因此可以配制一个高性能的紧凑反应器系统。因此，所述反应器系统适合用于小型以及中型的具有有限气体量的气田，并且能完全发挥其自身功能，即使在特定的诸如FPSO等的使用中。

[0050] 另一方面，在所述微通道反应器系统或多通道反应器系统中，相比于填充催化剂颗粒的方法，将用于反应的催化剂材料附着在反应器系统的方法是一种进一步最大化热效率的方法。在将催化剂颗粒填充在通道形的反应器部分中的方法中，热传递通路的顺序为催化剂相(产生反应热)→气相→热传递表面→传热介质，该方法在气相中会遭受很大的热传递阻力并表现出低的传热效率，特别是，降低了热传递效率。

[0051] 相反地，根据上述的本发明，在将催化剂直接附着在热传递表面以使反应进行的情况下，获得了简化顺序的热传递通路：催化剂相(产生反应热)→热传递表面→传热介质，这避免了在气相的热传递阻力。

[0052] 另外，具有催化剂附着在其上的所述热交换单元被配制为可移动的形式。因此，当由于催化剂的灭活而使催化剂的使用寿命终结时，可以从所述反应器系统分离所述热交换单元，移去部分或全部的物理化学方法中的催化剂，附着新的催化剂到所述热交换单元然后再组装所述热交换单元，由此重复运行反应过程。

[0053] 上述说明仅仅是根据本发明实施由合成气制备烃的反应器系统的一个实施方案，本发明不限于上述实施方案。因此，对本技术领域技术人员显而易见的是，本发明实施方案的范围是参考随附权利要求连同其整个范围确定的，在不脱离本发明的范围的情况下，可对所述实施方案作出多种修改和改变。