磁性分离与动态沉降相结合用于费-托工艺过程的制作方法
【专利说明】磁性分离与动态沉降相结合用于费-托工艺过程
[0001]本申请是发明名称为磁性分离与动态沉降相结合用于费-托工艺过程、申请号为200880113459.5、申请日为2008年9月9日、进入中国国家阶段日期为2010年4月27日的中国专利申请的分案申请。
[0002]关于联邦资助的研究或开发的陈述
[0003]不适用。
[0004]发明背景发明领域
[0005]总的来说，本发明涉及多相反应器流出物中包含的液体与固体颗粒的分离。更具体来说，本发明涉及用于分离液体与用于催化反应的催化剂颗粒的系统和方法。更加具体来说，本发明涉及将液体与具有磁性性质的固体颗粒分离开的可靠有效的手段。
[0006]相关技术描述
[0007]将液体与用于多相反应器中的固体催化剂材料分离开，对于许多工艺来说是头等重要的，并已经进行了大量研究。例如，催化剂-液体分离是用于费-托(Fischer-Tropsch)(在后文中称为FT)工艺过程的料浆类型反应器的应用中最关键的步骤之一。只有当这种分离有效时，这样的反应器的应用才能成功。分离技术典型包括沉降和过滤。此外，它们的组合也已经被提议。磁性分离作为独立的工艺已被提议。
[0008]错流过滤(Cross-flow filtrat1n)是常用的方法。已经提出了温和的错流过滤，该方法宣称在过滤介质表面上形成的催化剂颗粒的滤饼，作为主要阻挡物防止固体通过过滤介质从而污染液体。例如，美国专利N0.6，929，754公开了用于从费-托反应器中使用的料浆中移除蜡产物的固体/液体分离系统和方法。美国专利N0.6，929，754的优选实施方案的特征在于，固体/液体分离系统通过将流体抽过由设置在基材上的滤饼构成的过滤介质，从料浆中移除液体产物。在优选实施方案中，滤饼是需要的，并执行了大部分过滤作用。
[0009]过滤方法的主要缺点是在使用过程中，过滤介质倾向于被催化剂的物理和化学磨耗产生的小颗粒阻塞或堵塞。过滤介质被设计成一定的微米等级，例如20微米，使得任何大于20微米的颗粒将被留在介质表面上。小于20微米的颗粒将穿行通过介质，并可离开或由于聚集、成形和其他因素而卡在过滤介质的孔中。尽管反洗方法可用于疏通介质，但随着运行的时间，反洗可变得效率降低，最终必须将过滤元件从系统中取出并更换。费-托催化剂、典型为铁基或钴基催化剂，易于磨耗。典型的新鲜催化剂颗粒在20微米到100微米的范围内。磨耗导致形成了尺寸小于20微米的颗粒，其中有些颗粒在亚微米尺寸范围。这些较小的颗粒可能阻塞或堵塞过滤介质，或改变滤饼的组成，使得过滤介质变得不可透过和被压实。压实的滤饼导致需要更高的跨介质压力降来使同样体积的液体通过滤器。这引起了恶性循环，即更高的压力降导致例如更压实的滤饼和/或介质堵塞，这将造成系统失效。
[0010]沉降是提出的另一种在FT工艺过程和其他多相反应器系统中从液体分离固体物质的方法。典型的沉降器有两种类型:垂直沉降器和倾斜沉降器(也称为斜板沉降器)。美国专利N0.6，833，078公开了用于从费-托反应器使用的料浆中将液体产物与催化剂细粉分离开的固体/液体分离系统和方法。沉降系统连续或间歇地从料浆中移除催化剂细粉，并与从料浆中分离液体产物的催化剂/液体分离系统相偶联。
[0011]美国专利6，068，760公开了用于浆液费_托反应器的催化剂/蜡分离装置，使用该装置，通过将一部分反应器料浆进料到不需要任何栗的动态沉降器，将催化剂颗粒与费-托反应器中的蜡分离。当料浆流下沉降器中心的管道中时，料浆流入了位于沉降器底部的周围环形区域中。较重的催化剂颗粒沉降下来并被移除，同时沉降器底部的料浆被重新循环回到反应器。蜡在环形部分中上升，该净化的蜡通过蜡出口管排出。
[0012]在美国专利N0.6，730, 221中，Bohn等描述了一种方法，使用该方法，通过将一部分料浆进料到动态沉降器中，将催化剂颗粒从反应器浆液反应器的蜡中分离出来。较重的催化剂颗粒沉降并被移除，同时沉降器底部的料浆被重新循环回到反应器。净化的蜡在沉降器顶部排出。多通道挡板防止了湍流，增加了所需的较重催化剂颗粒的持留。
[0013]动态倾斜沉降器的设计使得它们比同样尺寸的垂直沉降器允许更高的液体移除速度。Odueyungbo等在2006年7月18日的美国专利N0.7，078，439中，公开了用于从FT产物料浆中进行催化剂/烃产物分离的系统和方法。美国专利N0.7，078，439中的优选实施方案，其特征在于分离系统使用了沉降室，它含有至少一个倾斜的通道，增强了颗粒在料浆中的沉降。倾斜的通道可以由选自管、管道、导管、片、浅盘、壁、板及其组合的结构提供。
[0014]在沉降器中，液体典型从沉降器的顶部部分流出。颗粒的沉降和移除速度取决于颗粒沉降速度，后者取决于颗粒直径。沉降器的设计是为了移除特定尺寸范围或以上的颗粒。液体中的颗粒由于随时间的磨耗而改变尺寸，当它们尺寸减小时，它们随着流出的液体离开沉降器，因此污染了液体。这导致被设计用于特定固体颗粒范围的沉降器失效。在FT工艺过程中，任何时间催化剂颗粒离开反应器，它都不仅污染了液体产物，而且减少了反应器中催化剂的存量；二者对于工艺经济学来说可能都是有害的。使用沉降器的另一个问题是在沉降器中由于对流流动可能发生混合，使颗粒向上升起并污染了溢流(即从容器顶部部分流出的液体)。
[0015]在多相反应器或浆液鼓泡塔反应器中固体催化剂颗粒尺寸随时间的减小(由于无力和/或化学磨耗)，导致沉降器移除某种颗粒尺寸变得失效。在接近恒定的操作条件(例如压力、温度、液体组成等)下，沉降器可以被设计成移除一定量的液体，使固体沉降并沿料浆通道而行(沉降器的底流)，以得到作为沉降器的溢流而几乎不含固体颗粒的液体。只要设计沉降器所针对的颗粒的最小尺寸保持恒定，这种设计就能工作。如果最小尺寸开始向更小的颗粒迀移，将不会出现固体颗粒的完全分离，一些颗粒将随着沉降器溢流中的液体离开。
[0016]已经提出磁性分离作为独立的系统用于分离FT反应器系统中的固体和液体。该系统由将含有待分离的液体和固体的料浆通过具有磁化壁的容器构成。具有磁性性质的固体将积累在壁上或其附近，或沿着沉降器容器内部产生的磁场积累，垂直落到容器的底部，并继续按照料浆流的方向行进。因此，固体可以与液体分开，液体可以从容器顶部流出。该技术对于移除小的微米到亚微米量级的固体颗粒物来说，已经显示出有效性。
[0017]因此，对于用于将固体催化剂颗粒与料浆分离开的有效和可靠的系统和方法，存在着需求。期望即使在最小颗粒尺寸由于催化剂磨耗而转变成更小颗粒尺寸时，系统和方法也将继续发挥作用。
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[0019]本文公开了用于从含有入口固体含量的流体料流中分离固体颗粒的系统，系统包含:磁性动态沉降容器，它包含至少一个容器内部的磁场，至少一个用于导入具有起始固体含量的流体料流的流体入口，至少一个用于所含固体含量不高于入口固体含量的流体料流的出口，至少一个用于所含固体含量不低于入口固体含量的流体料流的出口，以及垂直的进料导管，它从所述至少一个流体入口向所述至少一个用于所含固体含量不低于入口固体含量的流体料流出口延伸至少70%的距离。垂直进料导管可以从所述至少一个流体入口向所述至少一个用于所含固体含量不低于入口固体含量的流体料流出口延伸至少80%的距离。在实施方案中，所述至少一个磁场由至少一个磁性部件提供。所述至少一个磁化部件可以选自磁性动态沉降容器的外壁的至少一部分、沉降容器的内壁的至少一部分、磁性挡板、磁性叶片、磁性杆、磁性板、另外的磁化内部部件，及其组合。在某些实施方案中，所述至少一种
[0020]包含磁性动态沉降容器的壁的至少一部分。在实施方案中，所述至少一种磁化部件是内部部件。
[0021]在某些实施方案中，磁性动态沉降容器包含具有垂直外壁的上部部分和具有倾斜外壁的较狭窄的下部部分。在实施方案中，至少一部分垂直壁，至少一部分倾斜壁，或至少一部分两者被磁化。所述至少一部分垂直壁，至少一部分倾斜壁，或至少一部分两者，可以通过至少一个外部放置的磁体磁化。
[0022]在实施方案中，所述至少一个磁场在容器中在料浆体(料浆体积)中产生，而不需要在磁性动态沉降容器中具有磁化部件。所述至少一个磁场可以遍布在容器中。在优选实施方案中，所述至少一个磁场位于磁性动态沉降容器的底部部分中。
[0023]在实施方案中，系统还包含第二动态沉降器，第二动态沉降器包含与所述至少一个用于固体含量不低于入口固体含量的流体料流的出口流体连接的至少一个第二动态沉降器入口 ；至少一个第二动态沉降器浓缩固体出口 ；以及至少一个第二动态沉降器液体产物出口。
[0024]磁性动态沉降容器可能能够产生固体含量以重量计不超过5000ppm的出口流体料流。在某些实施方案中，磁性动态沉降容器能够产生固体含量以重量计不超过2500ppm的出口流体料流。在系统的某些实施方案中，磁性动态沉降容器能够产生固体含量以重量计不超过100ppm的出口流体料流。
[0025]磁性动态沉降容器可以以超过至少15cm/h的液体线性向上速度操作。在实施方案中，磁性动态沉降容器可以以超过45cm/h的液体线性向上速度操作。可选地，磁性动态沉降容器可以以超过90cm/h的液体线性向上速度操作。
[0026]在实施方案中，磁性动态沉降容器能够产生在液体线性向上速度超过15cm/h、超过45cm/h、或超过90cm/h下，固体含量以重量计不超过5000ppm的出口流体料流。在实施方案中，磁性动态沉降容器能够在液体线性向上速度超过15cm/h、超过45cm/h、或超过90cm/h下，产生固体含量以重量计不超过2500ppm的出口流体料流。在实施方案中，磁性动态沉降容器能够在液体线性向上速度超过15cm/h、超过45cm/h、或超过90cm/h下，产生固体含量以重量计不超过100ppm的出口流体料流。
[0027]系统还可以包含第二分离系统，该第二分离系统与所述至少一个用于固体含量不超过入口固体含量的流体料流的出口流体连接；净化的液体产物出口 ；以及废料出口。第二分离系统可以包含选自错流过滤装置，其他过滤装置例如压滤器、沙滤器，高梯度磁性分离装置，静电分离器，离心分离器，水力旋风器(水力旋流器)及其组合的装置。在实施方案中，磁性动态沉降容器位于含有催化剂的多相催化反应器的下游。催化反应器可以包括具有进料流入口、料浆入口、蒸汽产物出口和液体产物出口的费-托反应器。
[0028]在实施方案中，磁性动态沉降容器用于导入具有入口固体含量的流体料流的至少一个流体入口，