способ, проводимый в реакторе с барботажной колонной с продувной трубой, и способ регенерации содержащегося в нем катализатора

Формула изобретения

1. Непрерывный способ получения в основном тяжелых углеводородов, альтернативного топлива, средств для увеличения октанового числа, химических реактивов и химических полупродуктов из синтез-газа в присутствии газовой фазы, жидкости и твердого катализатора, причем вышеуказанный способ осуществляют при помощи реактора с барботажной колонной, снабженной охлаждающим устройством, и включает периодическую внутреннюю регенерацию обратимо частично дезактивированного катализатора, причем регенерацию проводят в присутствии регенерирующего газа, отличающийся тем, что барботажная колонна имеет внутри: (a) по меньшей мере, одну продувную трубу, состоящую из по существу вертикального цилиндра, имеющего меньшие размеры, чем колонна, у которого как нижний, так и верхний концы открыты, полностью погруженного в жидкую фазу, содержащую твердое вещество в виде суспензии; (b) по меньшей мере, одно устройство для впуска синтез-газа; (c) по меньшей мере, одно устройство для впуска регенерирующего газа; (d) по меньшей мере, одно устройство, которое включает/прерывает поток регенерирующего газа; (e) необязательные устройства, необходимые для минимизации смешивания синтез-газа с регенерирующим газом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продувную трубу располагают коаксиально по отношению к барботажной колонне.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство (b) для впуска синтез-газа является газораспределителем.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство (b) для впуска синтез-газа располагают в нижней части барботажной колонны.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство для впуска регенерирующего газа (с) является газораспределителем.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство для впуска регенерирующего газа (с) располагают в нижней части промежутка между продувной трубой и внутренней стенкой реактора.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройства (е), необходимые для минимизации смешивания синтез-газа с регенерирующим газом, являются дефлекторами.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройства (е), необходимые для минимизации смешивания синтез-газа с регенерирующим газом, устанавливают вблизи нижнего отверстия продувной трубы.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что продувная труба (а) имеет такие размеры, что ее нижний конец располагают непосредственно над нижней частью реактора, тогда как верхний конец располагают непосредственно под свободной поверхностью суспензии твердое вещество - жидкость, содержащей твердое вещество.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают в основном тяжелые углеводороды.

11. Способ регенерации на месте обратимо частично дезактивированных твердых катализаторов, в основном содержащих металлы VIII группы, предпочтительно выбранных из кобальта и железа, включающий использование реактора по п. 1 с обеспечением непрерывной подачи синтез-газа во время регенерации, который включает: (i) первую стадию регенерации катализатора, в которой регенерирующий газ, содержащий водород, наполняет промежуток между реактором и продувной трубой, в течение времени, которое достаточно для регенерации количества истощенного катализатора, суспендированного в жидкости, содержащейся в промежутке, причем скорость потока, содержащего водород газа, такова, что достигается баланс гидростатических давлений между зоной продувной трубы и зоной промежутка; (ii) вторую стадию, на которой подача газа, содержащего водород, проходит прерывисто, и циркуляцию жидкости, содержащей твердое вещество в суспензии, снова устанавливают при помощи продувной трубы; таким путем регенерированный катализатор, полученный на стадии (i), замещают истощенным катализатором, все еще присутствующим внутри реактора; (iii) повторение стадий (i) и (ii).

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что на стадии (i) регенерирующий газ, содержащий водород, подают с нижней части промежутка между реактором и продувной трубой.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что стадии (i) и (ii) повторяют до достижения полной регенерации катализатора, содержащегося в колонне реактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к реактору с барботажной колонной, снабженному продувной трубой, который может применяться в трехфазных суспензионных процессах, более конкретно в процессе Фишера-Тропша.

Настоящее изобретение также относится к способу регенерации катализаторов, частично и обратимо дезактивированных, осуществляемому в вышеуказанном реакторе.

Суспензионные каталитические процессы, т.е. работа в трехфазных системах, по существу состоящих из газовой фазы и жидкой фазы, в которой диспергируется твердый катализатор, в частности процесс Фишера-Тропша, имеют недостаток, заключающийся в более или менее выраженной обратимой дезактивации первоначальной каталитической активности катализатора. Этот недостаток обычно устраняют с помощью регенерации истощенного катализатора.

Европейский патент А 590882 описывает способ регенерации катализатора для синтеза углеводородов, содержащего кобальт или рутений, подвергающегося частичной обратимой дезактивации в процессе суспензионного синтеза. Этот способ обеспечивает восстановление, по меньшей мере, 80% первоначальной активности катализатора.

Вышеуказанный способ включает проведение регенерации катализатора непосредственно на месте суспензионного реактора с помощью периодической остановки потока технологического газа (синтез-газа) и включения потока газа, содержащего водород и другие инертные газы, исключая присутствие таких компонентов, как монооксид углерода, способных к реакции с водородом.

Способ, описанный в европейском патенте А 590882, имеет, однако, недостаток, заключающийся в периодическом прерывании синтеза углеводородов для замены технологического газа газом, содержащим водород.

Патент США А 5268344 решает эту проблему при помощи использования барботажной колонны и проведения регенерации катализатора внутри одной или более продувных трубах, расположенных внутри реактора с барботажной колонной, причем доля части колонны, занятой продувными трубами, была предпочтительно менее 10%. В отличие от того, что описано в европейском патенте А 590882, это решение не включает прекращения подачи синтез-газа.

Также известно, что, в случае реакций в трехфазных системах реактор с барботажной колонной, снабженный продувной трубой, является более предпочтительным по сравнению с простым реактором с барботажной колонной по отношению к распределению твердой фазы в трехфазной системе.

Теперь найдена специфическая конфигурация барботажной колонны, снабженной продувной трубой, которая не имеет вышеуказанных недостатков.

Применение этой специфической конфигурации барботажной колонны позволяет проводить регенерацию частично дезактивированного катализатора непосредственно на месте (более конкретно, в промежутке между реактором и продувной трубой), таким образом исключая периодические перерывы в подаче технологического газа.

Кроме того, реактор согласно настоящему изобретению обеспечивает достижение лучшей гомогенизации фаз по сравнению с реактором с барботажной колонной, который используется в патенте США А 5268344.

Таким образом, настоящее изобретение относится к непрерывному способу получения в основном тяжелых углеводородов, альтернативного топлива, средств для увеличения октанового числа, химических реактивов и химических полупродуктов из синтез-газа в присутствии газовой фазы, жидкости и твердого катализатора, причем вышеописанный способ осуществляют при помощи реактора с барботажной колонной, снабженной охлаждающим устройством, и включает периодическую внутреннюю регенерацию обратимо частично дезактивированного катализатора, причем регенерацию проводят в присутствии регенерирующего газа, при этом барботажная колонна содержит:

(a) по меньшей мере, одну продувную трубу, состоящую из по существу вертикального цилиндра, имеющего меньшие размеры, чем колонна, у которого как нижний, так и верхний концы открыты, полностью погруженного в жидкую фазу, содержащую твердое вещество в виде суспензии;

(b) по меньшей мере, одно устройство для впуска синтез-газа, предпочтительно газораспределитель, предпочтительно расположенный в нижней части барботажной колонны;

(c) по меньшей мере, одно устройство для впуска регенерирующего газа, предпочтительно газораспределитель, предпочтительно расположенный в нижней части промежутка между продувной трубой и внутренней стенкой реактора;

(d) по меньшей мере, одно устройство, которое формирует/прерывает поток регенерирующего газа;

(е) необязательные устройства, необходимые для минимизации смешивания синтез-газа с регенерирующим газом, предпочтительно дефлекторы, предпочтительно установленные вблизи нижнего отверстия продувной трубы.

Термин "регенерирующий газ" означает газ, обычно водород, возможно разбавленный инертными газами, применяемый для восстановления - регенерации обратимо дезактивированного твердого катализатора, предпочтительно содержащего, по меньшей мере, один метал VIII группы, предпочтительно выбранный из кобальта и железа, предпочтительно кобальт.

Конфигурация реактора с барботажной колонной согласно настоящему изобретению обеспечивает регенерацию катализатора, не прерывая поток реагирующих газов.

Чертеж представляет собой неограничивающий пример воплощения настоящего изобретения.

Ссылочная нумерация обозначает следующее:

1 - подводящая линия синтез-газа,

2 - подводящая линия регенерирующего газа для регенерации катализатора,

3 - отводящая линия газообразных продуктов (предпочтительно, легких углеводородов) и нереагирующих компонентов,

4 - отводящая линия жидких продуктов,

5 - подводящая линия охлаждающей жидкости,

6 - отводящая линия охлаждающей жидкости,

7 - продувная труба,

8 - охлаждающее устройство, расположенное в промежутке между продувной трубой и реактором,

9 - охлаждающее устройство, расположенное внутри продувной трубы,

10 - устройство для впуска синтез-газа,

11 - устройство для впуска регенерирующего газа,

12 - дефлекторы,

13 - клапан для формирования/прерывания потока регенерирующего газа катализатора,

14 - уровень дисперсии (газ-жидкость-твердое вещество).

На чертеже имеются также стрелки, которые указывают направление движения внутренней циркуляции жидкости, которое устанавливается продувной трубой, когда прерывается поток газа, содержащего водород.

Изображенный на чертеже реактор с барботажной колонной содержит продувную трубу (7), расположенную по существу вертикально, в которой используется технологический газ в качестве носителя. Это устройство представляет собой по существу вертикальный цилиндр с меньшими размерами, чем реактор с барботажной колонной, который размещен внутри колонны вертикально, открыт с обоих концов и полностью погружен в жидкость, содержащую твердое вещество в суспензии. Это позволяет жидкости и твердому веществу в суспензии циркулировать через цилиндрическое устройство и промежуток снаружи цилиндра, если движущая сила, возникающая посредством подачи технологического газа с нижней части колонны, превышает перепад давления. Размеры этого устройства (7) должны быть таковы, чтобы нижний конец был расположен предпочтительно непосредственно над нижней частью реактора, тогда как верхний конец был расположен непосредственно под свободной поверхностью суспензии твердое вещество-жидкость, содержащей газ.

Синтез-газ, содержащий монооксид углерода и водород, пропускается в нижнюю часть реактора с помощью соответствующего устройства, предпочтительно распределителя (10). Геометрию распределителя и расстояние между продувной трубой и нижней частью колонны адекватно выбирают, чтобы обеспечить проход технологического газа внутри цилиндрического устройства, при этом исключают выделенные пути в зоне промежутка. Реакция синтеза Фишера-Тропша проходит внутри цилиндрического устройства.

Регенерация катализатора происходит с помощью регенерирующего газа, предпочтительно водорода, при высоких температурах и давлениях, соответствующих температурам и давлениям, принятым для синтеза Фишера-Тропша. Водород подается в виде потока, газа; этот поток может содержать инертные газы, такие как метан или другие легкие углеводороды (С₂-С₁₀). Предпочтительно, чтобы они не содержали монооксида углерода или других компонентов, которые могут реагировать с водородом при рабочей температуре и давлении синтеза Фишера-Тропша.

Как упомянуто выше, вышеуказанная конфигурация барботажной колонны обеспечивает регенерацию дезактивированного катализатора на месте.

Другим предметом настоящего изобретения является способ регенерации на месте обратимо частично дезактивированных твердых катализаторов, в основном содержащих металлы VIII группы, предпочтительно выбранных из кобальта и железа, включающий использование реактора по п.1 с обеспечением непрерывной подачи синтез-газа во время регенерации, который включает:

(i) первую стадию регенерации катализатора, в которой регенерирующий газ, содержащий водород, наполняет промежуток между реактором и продувной трубой, в течение времени, которое достаточно для регенерации количества истощенного катализатора, суспендированного в жидкости, содержащейся в промежутке, причем скорость потока содержащего водород газа такова, что достигается баланс гидростатических давлений между зоной продувной трубы и зоной промежутка;

(ii) вторую стадию, на которой подача газа, содержащего водород, проходит прерывисто, и циркуляцию жидкости, содержащей твердое вещество в суспензии, снова устанавливают при помощи продувной трубы; таким путем регенерированный катализатор, полученный на стадии (i), замещают истощенным катализатором, все еще присутствующим внутри реактора;

(iii) повторение стадий (i) и (ii) предпочтительно до тех пор, пока не будет достигнута полная регенерация катализатора, содержащегося в реакторе с колонной.

Термин "регенерация катализатора" означает восстановление, по меньшей мере, 80% первоначальной каталитической активности катализатора.

На стадии (i) предпочтительно, чтобы была минимизирована циркуляция суспензии жидкость-твердое вещество и газа между цилиндрическим устройством и промежутком; это достигается с помощью воздействия на скорость потока газа, содержащего водород, наполняющего промежуток, чтобы достигнуть баланс гидростатических давлений между двумя участками.

Дефлекторы соответствующей формы устанавливают в нижнем отверстии продувной трубы, для того чтобы минимизировать смешивание двух газовых потоков, потока технологического газа и потока, содержащего водород для регенерации.

На стадии (ii) прерывают подачу регенерирующего газа, снова устанавливают циркуляцию жидкости, содержащей твердое вещество в суспензии, с помощью продувной трубы и технологического газа, скорость потока которого в основном остается неизменной, причем она зависит исключительно от установленных рабочих условий и условий процесса.

Регенерацию катализатора проводят в промежутке между колонной и цилиндрическим устройством, при помощи регенерирующего газа, предпочтительно проходящего с помощью подходящих распределителей, предпочтительно расположенных у нижнего отверстия кольцеобразного промежутка.

Установление вынужденной циркуляции жидкости, содержащей твердое вещество в суспензии, между продувной трубой и промежутком позволяет новой порции истощенного катализатора, суспендированного в жидкости, содержащей главным образом углеводороды, полученные в процессе синтеза, войти в промежуток, замещая таким образом суспензию, содержащую регенерированный катализатор.

"Регенерированный катализатор" благодаря циркуляции, осуществляемой с помощью продувной трубы, покидает промежуток, для того чтобы войти в зону реакции (внутри продувной трубы) через отверстие в нижней части, тогда как порция "истощенного катализатора" проходит из реакционной зоны в промежуток, где происходит регенерация, через верхнее отверстие.

Когда объем промежутка полностью обновляется, заканчивается один цикл регенерации, и поток регенерирующего газа в промежутке снова открывается, начиная новый цикл регенерации.

Во время как стадии (i), так и стадии (ii) непрерывно происходит реакция Фишера-Тропша внутри цилиндрического устройства, объем которого представляет собой реакционный объем, который наполняется технологическим газом.

Цикл регенерации начинается, когда активность катализатора ухудшается до определенного уровня, например 50%, и останавливается, когда катализатор восстанавливает требуемую каталитическую активность, предпочтительно после регенерации, по меньшей мере, 80%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 90% от первоначальной каталитической активности.

Когда цикл регенерации и восстановление регенерированной порции не происходит в реакторе согласно настоящему изобретению, реактор с колонной работает с постоянной внутренней циркуляцией жидкости, содержащей твердое вещество в суспензии, благодаря продувной трубе, постоянно установленной внутри реактора.

Как известно специалистам в данной области, внутренняя циркуляция способствует распределению твердого вещества в суспензии с жидкостью, которое иным образом может только быть достигнуто при помощи пузырьков газа, поступающих вблизи нижней части колонны, таким образом делая концентрированный состав катализатора более однородным.

Благодаря экзотермичности как реакции синтеза Фишера-Тропша, так и процесса регенерации, для того чтобы установить контроль температуры и практически изотермические условия, необходимые системы охлаждения размещают как в зоне реакции, так и в зоне регенерации, состоящие, например, из пучков труб, змеевиков или других видов теплообменных поверхностей, погруженных в суспензию (взвесь). В реакции синтеза Фишера-Тропша существенным является температурный контроль, так как температура непосредственно влияет на селективность реакции; кроме того, важно предохранить катализатор от нежелательного перегрева, который может его повредить.

Внутренняя регенерация катализатора предпочтительно происходит при тех же условиях температуры и давления, что и реакции синтеза Фишера-Тропша. В любом случае возможно независимое регулирование температуры как внутри зоны реакции, так и в зоне регенерации.

Условия, в частности температура и давление, для процессов синтеза углеводородов вообще хорошо известны. Температура может быть между 150 и 380^oС, предпочтительно от 180 до 350^oС, еще более предпочтительно от 190 до 300^oС. Давление обычно выше чем приблизительно 0,5 МПа, предпочтительно от 0,6 до 5 МПа, более предпочтительно от 1 до 4 МПа.

В предпочтительном воплощении настоящего изобретения, то есть в синтезе углеводородов посредством восстановления СО, твердые частицы, по меньшей мере, частично состоят из частиц катализатора, выбранного из катализаторов, хорошо известных специалистам в данной области, обычно используемых для катализа этой реакции. Любой катализатор для синтеза Фишера-Тропша, особенно основанный на железе или кобальте, может быть использован в способе настоящего изобретения. Предпочтительно используются катализаторы, основанные на кобальте, в которых кобальт присутствует в количестве, которое является достаточным для того, чтобы быть каталитически активным в реакции Фишера-Тропша. Концентрация кобальта обычно может быть, по меньшей мере, приблизительно 3%, предпочтительно от 5 до 45% по весу, более предпочтительно от 10 до 30% по весу, по отношению к полному весу катализатора. Кобальт и возможные промоторы диспергированы в носителе, например в оксиде кремния, оксиде алюминия или оксиде титана. Катализатор может содержать другие оксиды, например оксиды щелочных, щелочноземельных, редкоземельных металлов. Катализатор также может содержать другой металл, который может быть активен в качестве катализатора Фишера-Тропша, например металл группы 6 или 8 периодической таблицы элементов, такой как рутений, или который может быть промотором, например молибден, рений, гафний, цирконий, церий или уран. Промотор металла(ов) обычно присутствует в количестве по отношению к кобальту, по меньшей мере, 0,05: 1, предпочтительно, по меньшей мере, 0,1:1, еще более предпочтительно от 0,1:1 до 1:1.

Вышеуказанные катализаторы обычно имеют вид тонкого порошка, обычно имеющего средний диаметр между 10 и 700 мкм, предпочтительно от 10 до 200 мкм, еще более предпочтительно от 20 до 100 мкм. Вышеуказанные катализаторы применяются в присутствии жидкой фазы и газовой фазы. В случае синтеза Фишера-Тропша жидкая фаза может состоять из любой инертной жидкости, например одного или более углеводородов, имеющих, по меньшей мере, 5 атомов углерода в молекуле. Предпочтительно жидкая фаза состоит в основном из насыщенных парафинов или олефиновых полимеров, имеющих температуру кипения выше приблизительно 140^oС, предпочтительно выше приблизительно 280^oС. Кроме того, соответствующая жидкая среда может состоять из парафинов, полученных в реакции Фишера-Тропша в присутствии любого катализатора, предпочтительно имеющих температуру кипения выше приблизительно 350^oС, предпочтительно от 370 до 560^oС.

Загрузка твердого вещества или объем катализатора по отношению к объему суспензии или растворителя может достигать до 50%, предпочтительно от 5 до 40%.

В случае реакции Фишера-Тропша поступающий газ, содержащий монооксид углерода и водород, может быть разбавлен другими газами, чаще всего максимально до 30% объема, предпочтительно до 20% объема, обычно выбираемыми из азота, метана, двуокиси углерода.

Что касается отношения между водородом и монооксидом углерода, оно может изменяться в широких пределах. В предпочтительном воплощении оно находится между 1:1 и 3:1, еще более предпочтительно от 1,2:1 до 2,5:1.

Регенерирующая обработка увеличивает активность процесса синтеза катализаторов углеводородов, обратимо и частично дезактивированных, независимо от процесса, в котором они были получены.

Следующие примеры обеспечивают лучшее понимание настоящего изобретения.

ПРИМЕРЫ

Пример 1 описывает условия, необходимые для регенерации катализатора внутри барботажной колонны с продувной трубой, без прерывания процесса синтеза углеводородов, с известной геометрией реактора и рабочими условиями, при которых проходит процесс.

В примере 1 используется промышленный реактор с диаметром 10 м, оснащенный продувной трубой диаметром 9,5 м, и скорость потока газа, содержащего водород, который должен подаваться в основание кольцевого промежутка, вычисляется относительно скорости потока технологического газа. В примере 1 исследованы три случая: поверхностная скорость технологического газа 0,2, 0,3, 0,4 мс^-1 по отношению к проходной части продувной трубы.

В примере 2 поддерживаются те же условия, что и в примере 1, однако изменяется, вместо скорости потока технологического газа, диаметр продувной трубы. Исследованы случаи с диаметрами 6,5, 8,5 и 9,5 м, тогда как поверхностная скорость технологического газа, по отношению к участку продувной трубы, остается постоянной и равной 0,3 мс^-1. Как и в примере 1, скорость потока газа, содержащего водород, который должен подаваться в основание кольцевого промежутка, вычисляется на этот раз относительно диаметра продувной трубы.

Пример 1. Как проводить внутреннюю регенерацию катализатора в реакторе с барботажной колонной, не прерывая потока технологического газа, при непрерывном синтезе углеводородов.

I. Влияние скорости потока технологического газа.

Для того чтобы убедиться в том, что регенерация катализатора проходит без прерывания синтеза Фишера-Тропша внутри реактора с барботажной колонной, снабженного продувной трубой, необходимо избегать того, чтобы:

(а) поток газа, содержащего водород, который вводится в отверстие кольцевого промежутка, приходил в контакт с технологическим газом, содержащим СО, который реагирует с водородом, как это происходит в процессе синтеза внутри продувной трубы, что предотвращает регенерацию катализатора;

(b) жидкость, содержащая твердое вещество в суспензии, циркулирует через продувную трубу и промежуток, чтобы сделать возможным предотвращение смешивания объема взвеси, в котором происходит реакция, и объема взвеси, в котором происходит регенерация, даже если поток газа, содержащего водород, периодически прерывается, для того чтобы снова установить вынужденную циркуляцию, вызываемую с помощью продувной трубы, и для того чтобы обновить загрузку (или объем) взвеси, который нужно регенерировать, внутри кольцевого промежутка.

Для того чтобы удовлетворить вышеуказанным требованиям в дополнение к вышеуказанной системе распределения технологического газа и газа, содержащего водород, следует минимизировать циркуляцию жидкости, содержащей катализатор в суспензии; чтобы достигнуть этого, разность гидростатических давлений (которая является движущей силой в циркуляции жидкости) между промежутком и продувной трубой должна быть сведена к нулю:



где Р_н - разность гидростатического давления между промежутком и продувной трубой, Па;

_d - задержка газа в продувной трубе;

_a - задержка газа в промежутке;

- плотность газовой фазы, кгм^-3;

- плотность суспензионной фазы, кгм^-3;

g - ускорение свободного падения, мс^-1 ;

Н - высота свободной поверхности дисперсии по отношению к дну колонны, м.

В равенстве (I) предполагается, что средняя концентрация твердого вещества одна и та же как в продувной трубе, так и в промежутке и что плотность технологического газа сравнима с плотностью газа, содержащего водород для регенерации катализатора.

Для того чтобы минимизировать разность гидростатического давления, принимая во внимание, что плотность взвеси, по меньшей мере, на порядок величины превосходит плотность газа, и что, следовательно, их разность всегда является конечной величиной, должна быть одинаковой задержка газа как в продувной трубе, так и в промежутке;

_d = _a. (II)

Вышеуказанное уравнение (II), когда условия реакции, геометрия реактора с барботажной колонной, включающего продувную трубу, и скорость потока технологического газа установлены, может быть выполнено только при определенной скорости потока газа, содержащего водород, наполняющего промежуток.

Для того чтобы описать задержку газа в продувной трубе и в промежутке применяется гидродинамическая модель из литературы (Кришна и др., журнал 43, 1997, с. 311-316), пригодная для барботажной колонны в присутствии системы газ-жидкость-твердое вещество со суспензионной фазой в "периодических" условиях, которая позволяет оценить задержку газа в зависимости от свойств системы, диаметра колонны и поверхностной скорости газа. Что касается кольцевого участка промежутка, он сравнивается с колонной диаметром, равным соответствующему гидравлическому диаметру.

Гидродинамическая модель из литературы применяется по отношению к реактору с барботажной колонной, работающему в режиме гетерогенного потока, который является типичным для реакторов промышленных масштабов, как известно специалистам в данной области. Гетерогенный режим может быть представлен с помощью обобщенной двухфазной модели, в которой одна фаза, называемая "разбавленной", состоит из части газа, который проходит через реактор в форме больших пузырей. Вторая фаза ("плотная" фаза) может быть представлена жидкой фазой, в которой суспендированы частицы твердого вещества, и оставшейся части газа в виде маленьких тонко диспергированных пузырьков. Большие пузыри, имеющие более высокую скорость подъема, чем маленькие пузырьки, могут по существу рассматриваться как находящиеся в потоке вытеснения. Плотная фаза, состоящая из жидкости, суспендированного твердого вещества и маленьких тонко диспергированных пузырьков, имеет определенный уровень обратного смешения, который зависит от рабочих условий процесса и диаметра колонны. Гидродинамическая модель из литературы, которая основана на большом количестве экспериментальных результатов, также предполагает, что зависимость задержки газа от диаметра колонны действует при диаметре колонны 1 м, для больших диаметров это влияние становится пренебрежимо малым. Это можно объяснить тем, что при диаметрах более чем 1 м пузырьки газа во взвеси более не подвергаются явлению, известному как "пристеночный эффект".

Рассматривая реактор промышленного масштаба с барботажной колонной, с диаметром 10 м, в котором высота суспензионной дисперсии, содержащей газ, равна 30 м, внутри которого имеется продувная труба диаметром 9,5 м и высотой 29,8 м, расположенная на расстоянии 10 см над нижней частью колонны коаксиально, исследуют скорость потока газа, содержащего Н₂, которая удовлетворяет равенствам (I) и (II), в зависимости от скорости потока технологического газа, применяемого для синтеза углеводородов. Результаты для трех случаев, в которых поверхностная скорость технологического газа по отношению к участку продувной трубы равна 0,2, 0,3 и 0,4 м/с, представлены в таблице 1. В вышеуказанной таблице также представлена задержка газа, который является одинаковым, по определению, в продувной трубе и в промежутке, где происходит регенерация катализатора. Таблица 2 с другой стороны показывает скорости потока жидкости, содержащей твердое вещество в суспензии, которая циркулирует через промежуток и продувную трубу, когда поток газа, содержащего водород, в промежутке прерывается, для тех же случаев, описанных в таблице 1. Эти скорости потока жидкости получают, определяя действительную скорость взвеси (жидкости с твердым веществом в суспензии) в продувной трубе и промежутке, которая удовлетворяет балансу энергии:

Р_Н=P_LOSS, (III)

где Р_н представляет собой разность гидростатических давлений между промежутком и продувной трубой в Па, тогда как P_LOSS обозначает полный перепад давления в реакторе с барботажной колонной реакторе с продувной трубой, который получают, суммируя перепады давления за счет трения в промежутке, в продувной трубе и у верхней и нижней частей продувной трубы, где имеют место резкие уменьшения и увеличения размеров и инверсия направления потока взвеси.

Условия реакции для всех случаев следующие: 230^oС и 3 МПа, концентрация катализатора 35 % объема, плотность взвеси 906 кгм^-3.

Пример 2. Как проводить внутреннюю регенерацию катализатора в реакторе с барботажной колонной, не прерывая потока технологического газа, при непрерывном синтезе углеводородов.

II. Влияние диаметра продувной трубы.

В этом примере принимаются те же предположения, что и в примере 1, но вместо изменения поверхностной скорости технологического газа изменяется диаметр продувной трубы. Как и в предыдущем примере, диаметр колонны промышленного масштаба составляет 10 м, высота суспензионной дисперсии, содержащей газ, составляет 30 м, высота продувной трубы поддерживается постоянной и равной 29,8 м, также расстояние между нижним концом продувной трубы и нижней частью колонны выбирается постоянной и равной 10 см. Поверхностная скорость газа по отношению к свободному участку внутри продувной трубы устанавливается 0,3 мс^-1, тогда как рабочие давление и температура процесса синтеза углеводородов, как и в предыдущем примере, составляют 3 МПа и 230^oС.

Скорость потока газа, содержащего водород, которая удовлетворяет равенствам (I) и (II) примера 1 исследуется по отношению к диаметру продувной трубы, D_d. Результаты для трех различных значений диаметра продувной трубы: 6,5, 8,5 и 9,5 м представлены в таблице 3, вместе с частью площади, занимаемой промежутком по отношению к полной площади колонны (А %).

Как можно видеть из результатов, представленных в таблице 3, при диаметре продувной трубы 6,5 и 8,5 м поверхностная скорость, которую должен иметь газ, содержащий водород, чтобы удовлетворить равенствам (I) и (II) равна скорости технологического газа. Причиной этого является то, что для обоих случаев гидравлический диаметр, соответствующий промежутку, более 1 м, следовательно, равенство (II), для предположений, указанных в примере 1, оказывается независимым от диаметра и зависит исключительно от скорости газа: так как соотношение, которое описывает задержку газа, в промежутке и в продувной трубе является одним и тем же, равенство (II) удовлетворяется для одинаковой системы гаэ-жидкость-твердое вещество только, когда поверхностные скорости двух газов совпадают.

Когда поток газа, содержащего водород, прерывается и вновь начинается внутренняя циркуляция жидкости, содержащей твердое вещество в суспензии, скорости потока циркулирующей взвеси, которые получены для тех же случаев, что и в таблице 3, приведены в таблице 4.

Как можно видеть из данных, приведенных в таблице 4, увеличение диаметра продувной трубы приводит к увеличению циркуляции взвеси, аналогично тому, что происходит, когда увеличивается скорость потока синтез-газа при поддержании постоянного диаметра продувной трубы (см. таблицу 5).

Для того чтобы максимизировать реакционный объем по отношению к зоне регенерации, промежуток должен быть уменьшен при увеличении, при том же внешнем диаметре реактора, диаметра продувной трубы.

Однако, если диаметр продувной трубы увеличивается более допустимой предельной величины, наблюдается резкое падение циркуляционной скорости потока взвеси (см. таблицу 5). Это означает, что эффект тяги, вызванный наличием продувной трубы, уменьшается, тогда как определенный уровень обратного смешения (нежелательное явление) появляется внутри реакционного объема. В таблице 5 можно видеть, что для того чтобы получить достаточную повторную циркуляцию взвеси следует выбирать продувную трубу диаметром менее 9,8 м.

Условия в таблице 5 те же, что и в таблице 4.