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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Filter,
der zum Abtrennen von Flüssigkeit
von festen Teilchen brauchbar ist. Insbesondere umfasst die Erfindung einen
entfernbaren Filter, der vertikal gruppierte und über Verteiler
erreichbare Filterabschnitte umfasst, die mit einem gemeinsamen
Filtratsammler verbunden sind, der zum Abtrennen von flüssigem Kohlenwasserstoffprodukt
aus einer Fischer-Tropsch-Syntheseaufschlämmung brauchbar
ist, die Katalysatorteilchen in Kohlenwasserstoffflüssigkeit
umfasst, sowie ein Kohlenwasserstoffsyntheseverfahren, das denselben
verwendet. Jeder Filterabschnitt umfasst eine Vielzahl länglicher,
vertikal aufgestellter und hohler Filterelemente, die an einem Verteiler
befestigt und horizontal über
diesem beabstandet angeordnet sind, wobei die Verteiler mit einer
Filtratrohrleitung zur Entfernung der Kohlenwasserstoffflüssigkeit von
der Aufschlämmung
verbunden sind.
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Hintergrund
der Offenbarung
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Aufschlämmungskohlenwasserstoffsynthese-(HCS)-Verfahren
sind bekannt. In einem Aufschlämmungs-HCS-Verfahren
wird ein Synthesegas (Syngas), das eine Mischung aus H
2 und
CO umfasst, als dritte Phase durch eine Aufschlämmung in einem Reaktor nach
oben perlen gelassen, wobei die Aufschlämmungsflüssigkeit Kohlenwasserstoffprodukte
der Synthesereaktion umfasst und die dispergierten, suspendierten
Feststoffe einen geeigneten Kohlenwasserstoffsynthesekatalysator
vom Fischer-Tropsch-Typ umfassen. Reaktoren, die eine solche Dreiphasenaufschlämmung enthalten,
werden mitunter als "Blasensäulen" bezeichnet, wie
es in der
US-A-5 348 982 offenbart ist.
Ungeachtet dessen, ob der Aufschlämmungsreaktor als dispergiertes
oder abgesetztes Bett betrieben wird, liegen die Mischbedingungen
in der Aufschlämmung
typischerweise irgendwo zwischen den beiden theoretischen Bedingungen
von Pfropfenströmung
und Rückvermischung.
Die Katalysator teilchen werden typischerweise durch die Hebewirkung
des durch die Aufschlämmung
perlenden Syngases und durch hydraulische Mittel in der Flüssigkeit
dispergiert und suspendiert gehalten. Mechanische Mittel, wie Rührwerke und
Propeller und dergleichen, werden nicht verwendet, weil sie rasch
erodieren und auch zu Abrieb der Katalysatorteilchen führen. Ein
oder mehrere vertikale, Gas herauslösende Fallrohre können als
hydraulische Mittel verwendet werden, um das Aufrechterhalten einer
gleichförmigeren
Katalysatorverteilung zu unterstützen,
indem für
eine vertikale Katalysatorzirkulation in der Aufschlämmung gesorgt
wird, wie es in der
US-A-5 382
748 offenbart wird. Die Aufschlämmungsflüssigkeit umfasst die flüssigen Kohlenwasserstoffprodukte
der HCS-Reaktion
und muss zur weiteren Verarbeitung und Veredelung von den Katalysatorteilchen
abgetrennt und aus dem Reaktor entfernt werden.
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Dies wird typischerweise durch mechanische Filtration
bewirkt, bei der die Aufschlämmung
in einen oder mehrere Filter entweder in der Aufschlämmung in
dem Reaktor oder außerhalb
des Reaktors eingespeist wird, die die Flüssigkeit, jedoch nicht die
Katalysatorteilchen passieren lassen. Die
US-A-5 527 473 und die Patentveröffentlichungen
EP-A-0 609 079, WO 93/16796 und WO 94/16807 betreffen alle helixartig
gewundene Profildrahtfilter und dergleichen, während die WO 93/16795 vertikal
oder helixartig gewundene feine Metalldrähte oder gesintertes Metall
offenbart. Die EP-A-0 682 971 betrifft eine Filtervorrichtung, die
eine Vielzahl von Filterelementen umfasst, die nicht vertikal von
einem Rohrboden angeordnet sind, der durch Zurückziehen der Filterelemente
in eine innere Filtratkammer gereinigt werden kann. Die
GB-A-1 039 317 betrifft
eine Filtervorrichtung, bei der die Filterelemente individuell vertikal
in einem Gehäuse
aufgestellt sind. Die
US-A-1
771 928 betrifft eine Filtervorrichtung, bei der die Filterelemente
durch Perforationen in einer Verteilerplatte nach unten aufgehängt sind.
Die EP-A-0 609 079
betrifft ein Filtrierverfahren in einem Aufschlämmungsreaktor, bei dem eine
Vielzahl von Filterelementen vorzugs weise vertikal mit abwärts gerichteten
Auslässen
angeordnet sind, und wobei die Elemente durch periodische Rückspülung gereinigt
werden. Magnetisch unterstützte
Filtration ist auch offenbart worden. Trotz der Offenbarungen des
Standes der Technik besteht noch ein Bedarf nach einem effizienten
und leicht ersetzbaren Filter, der in die Aufschlämmung eingetaucht
werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und ein Filtermittel zum Trennen von teilchenförmigen Feststoffen
von einer Flüssigkeit
und ist in einem Kohlenwasserstoffsynthese-(HCS)-Verfahren brauchbar. Die Aufschlämmung umfasst
Gasblasen und teilchenförmige
Feststoffe in einer Aufschlämmungsflüssigkeit.
Das Filtermittel umfasst einen Filter, der mindestens einen Filterabschnitt
einschließt, der
eine Vielzahl hohler Filterelemente umfasst, die auf einem Verteiler
angeordnet sind, der mit einer Filtratrohrleitung verbunden ist,
um Flüssigkeit
aus einer Aufschlämmung
zu entfernen, die in einer Flüssigkeit
dispergierte teilchenförmige
Feststoffe umfasst. In dem erfindungsgemäßen Verfahren taucht der Filter,
der einen oder mehrere Filterabschnitte enthält, in die Aufschlämmung ein.
Das Innere der Filterelemente, der oder die Verteiler und die Rohrleitung
befinden sich alle in Fluidverbindung und die Filterelemente sind
für die
Aufschlämmungsflüssigkeit durchlässig, jedoch
nicht für
die teilchenförmigen Feststoffe.
Der erfindungsgemäße Filter
und das erfindungsgemäße Verfahren
sind zum Abtrennen und Entfernen von Aufschlämmungskohlenwasserstoffflüssigkeit
aus einer dreiphasigen Kohlenwasserstoffsyntheseaufschlämmung vom
Fischer-Tropsch-Typ
entweder in dem Aufschlämmungsreaktor
oder außerhalb
des Reaktors in einem separaten Gefäß brauchbar. Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst jeder der einen oder mehreren Abschnitte des Filters eine
Vielzahl von Filterelementen, die vertikal aufgebracht und horizontal über die horizontale
Oberfläche
eines jeweiligen Verteilers gruppiert oder angeordnet sind, der
mit einer gemeinsamen Filtratrohrleitung verbunden ist. Die Filterelemente
umfassen längliche,
hohle Rohre oder Leitungen, die aus flüssigkeitsdurchlässigem Material
hergestellt sind, das für
den Durchgang von Feststoffen jedoch undurchlässig ist. Dies wird leicht
durch die Verwendung von Leitungen oder Rohren erreicht, die aus
gesintertem Metall hergestellt sind. Somit ist die Wand der hohlen
zylindrischen Elemente für
die Kohlenwasserstoffflüssigkeit
durchlässig,
jedoch nicht für die
Katalysatorteilchen. Gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung
ist der Filter vertikal und entfernbar in der Aufschlämmung in
dem Aufschlämmungs-HCS-Reaktor (oder einem
externen Filtrationsgefäß) durch
geeignete Mittel vertikal und entfernbar befestigt, wie beispielsweise
indem er von dem oberen Bereich des Reaktors aufgehängt ist,
so dass der Filter in die Aufschlämmung hinein nach unten hängt und
nach oben vertikal durch eine Düse oder
andere Öffnung
im oberen Bereich des Reaktors entfernt werden kann. Dies ermöglicht das
leichte Entfernen und Ersetzen des Filters, ohne dass die Aufschlämmung aus
dem Reaktor oder dem separaten Filtrationsgefäß entfernt werden muss. Die
Verwendung einer Vielzahl flüssigkeitsdurchlässiger Filterelemente
in Form von hohlen Zylindern, die an einem Ende geschlossen sind,
wobei sich das andere Ende in den tragenden Verteiler öffnet, ermöglicht das
Erreichen einer sehr hohen Filtrationsoberfläche, während minimaler Raum im Inneren
des Reaktors beansprucht wird. Dies kann als das Verhältnis von Filtrationsfläche zu dem
Volumen, das der Filter in der Aufschlämmung beansprucht, oder das
Fläche-zu-Volumen-(A/V)-Verhältnis ausgedrückt werden.
Der erfindungsgemäße Filter
hat ein A/V von mindestens 1,311 m-1 (4,3
ft-1) und vorzugsweise mindestens 1,798
m-1 (5,9 ft-1).
Daher betrifft die Erfindung in einem Aspekt (i) einen Filter mit
diesen A/V-Verhältnissen
und (ii) einen Aufschlämmungsreaktor
und -verfahren und insbesondere einen HCS-Aufschlämmungsreaktor
und ein HCS-Aufschlämmungsverfahren,
wobei mindestens ein Filter mit solchen A/V-Verhältnissen verwendet wird, um die
Aufschlämmungsflüssigkeit
von den teilchenförmigen
Feststoffen in der Aufschlämmung
entweder in dem Reaktor selbst oder in einem separaten Gefäß abzutrennen.
In einer anderen Ausführungsform
betrifft die Erfindung somit einen Aufschlämmungsreaktor und insbesondere
Aufschlämmungs-HCS-Reaktor,
der mindestens einen erfindungsgemäßen Filter zum Abtrennen von
Aufschlämmungsflüssigkeit
von festen Teilchen in der Aufschlämmung enthält, wobei der Filter in dem
Reaktor durch Mittel entfernbar befestigt ist, die die Entfernung
des Filters vertikal nach oben und aus dem oberen Bereich des Reaktors
hinaus ermöglichen.
Unter spezieller Berücksichtigung eines
Aufschlämmungskohlenwasserstoffsyntheseverfahrens
zur Bildung von Kohlenwasserstoffen, von denen mindestens ein Teil
flüssig
ist, wird in der Erfindung:
- (a) Synthesegas,
das eine Mischung aus H2 und CO umfasst,
in Gegenwart von festem, teilchenförmigem Kohlenwasserstoffsynthesekatalysator in
einer Aufschlämmung
in einem Kohlenwasserstoffsynthesereaktor unter Reaktionsbedingungen
umgesetzt, die zur Bildung von Kohlenwasserstoffen wirksam sind,
von denen mindestens ein Teil unter den Reaktionsbedingungen flüssig ist,
wobei die Aufschlämmung
den Katalysator und Gasblasen in einer Kohlenwasserstoffaufschlämmungsflüssigkeit
umfasst und wobei die Aufschlämmungskohlenwasserstoffflüssigkeit
die flüssigen
Kohlenwasserstoffe umfasst;
- (b) die Aufschlämmung
mit einem Filter in Kontakt gebracht wird, der mindestens einen
Filterabschnitt umfasst, der eine Vielzahl von hohlen Filterelementen
aufweist, die über
einem Verteiler gruppiert sind, der mit einer Filtratrohrleitung
verbunden ist, wobei die Wand, die das Innere der Elemente von der
Aufschlämmung
trennt, für
die Aufschlämmungskohlenwasserstoffflüssigkeit,
jedoch nicht für
die Aufschlämmungsfeststoffe durchlässig ist;
- (c) die Aufschlämmungskohlenwasserstoffflüssigkeit
als Filtrat durch die Filterelementwände hindurch und in das Innere
der Elemente hinein geleitet wird und dann anschließend das
Filtrat durch das Innere des Verteilers und der Filtratrohrleitung
geleitet wird, und
- (d) das Filtrat von der Rohrleitung aus dem Reaktor herausgeleitet
wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Filterelemente in Aufwärts- und
Abwärtsrichtung
von dem hohlen Verteiler erstrecken, wobei sich das Innere der Elemente,
des Verteilers und der Rohrleitung in Fluidverbindung befinden.
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Das aus der Aufschlämmung entfernte
Kohlenwasserstoffflüssigkeitsfiltrat
wird dann typischerweise durch Fraktionierung und/oder ein oder
mehrere Umwandlungsverfahrensschritte zu wertvollerem Produkt veredelt,
oder als solches verkauft. Die Aufschlämmung oder der Aufschlämmungskörper, in
die bzw. den der Filter eintaucht, kann die reaktive Aufschlämmung in
dem HCS-Reaktor
sein oder kann ein Aufschlämmungskörper in
einer externen Filtrationszone sein. Der HCS-Reaktor wird typischerweise während der
Filtration betrieben, und die Filtration kann kontinuierlich oder
mit Unterbrechungen erfolgen. Falls der HCS-Reaktor läuft und
in Betrieb ist, um Kohlenwasserstoffe zu produzieren, stört das Filtrieren
der Kohlenwasserstoffflüssigkeiten
und das Leiten derselben heraus aus dem Reaktor in dem erfindungsgemäßen Verfahren
die HCS-Reaktionen nicht und interferiert nicht mit diesen. Gemäß einer Ausführungsform,
in der der Filter in einem außerhalb des
HCS-Reaktors befindlichen Filtrationsgefäß in eine Aufschlämmung eintaucht,
ist es vorteilhaft, Aufschlämmung
aus dem Reaktor durch ein Feststoffe verminderndes Fallrohr in das
außerhalb
befindliche Gefäß einzuführen, so
dass die Aufschlämmung,
aus der die Kohlenwasserstoffflüssigkeiten
von den Katalysatorteilchen abgetrennt und aus dem Filtrationsgefäß abgezogen
werden, verglichen mit der Aufschlämmung in dem HCS-Reaktor einen
verringerten Feststoffgehalt aufweisen. Bei der Durchführung der Erfindung,
bei der gesintertes Metall als eigentliches Filtrationsmedium verwendet
wird, ist es möglich, eine
Porengröße unter
einem Mikrometer zu haben. Das bedeutet, dass im Wesentlichen keine
Feststoffe (die von extrem kleinem Feinstaub verschieden sind) das
Filtrationsmedium mit der Kohlenwasserstoffflüssigkeit passieren. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
werden Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas in die außerhalb
befindliche Filtrationsanlage oder das außerhalb befindliche Filtrationsgefäß eingespeist,
um Katalysatordesaktivierung zu verhindern. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäßen Mittel
hier insbesondere in Bezug auf ihre Brauchbarkeit im Zusammenhang
mit einem Aufschlämmungs-HCS-Verfahren
beschrieben sind, ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1(a) und 1(b) veranschaulichen schematisch
eine Querschnitt- und eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Filters.
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2 veranschaulicht
schematisch erfindungsgemäße Filterzusammenstellungen,
die in die Aufschlämmungsflüssigkeit
in einem Aufschlämmungsreaktor
eintauchen.
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Ausführliche
Beschreibung
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Bei einem Fischer-Tropsch-Aufschlämmungs-HCS-Verfahren
wird Syngas, das eine Mischung aus H2 und
CO umfasst, aufwärts
in eine reaktive Aufschlämmung
perlen gelassen, in der es katalytisch in Kohlenwasserstoffe und
vorzugsweise flüssige
Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Das Molverhältnis des Wasserstoffs zu dem
Kohlenmonoxid kann allgemein im Bereich von etwa 0,5 bis 4 liegen,
ist typischerweise jedoch im Bereich von etwa 0,7 bis 2,75 und vorzugsweise
etwa 0,7 bis 2,5. Das stöchiometrische
Molverhältnis
einer Fischer-Tropsch-HCS-Reaktion ist 2,0, es gibt jedoch viele
Gründe,
von einem stöchiometrischen
Verhältnis
abzuweichen, wie Fachleute wissen, und eine Erörterung derselben geht über den
Umfang der vorliegenden Erfindung hinaus. Bei einem Aufschlämmungs-HCS-Verfahren
beträgt
das Molverhältnis
von H2 zu CO typischerweise etwa 2,1/1.
Die Aufschlämmungsflüssigkeit
in dem Reaktor umfasst die durch die Kohlenwasserstoffsynthesereaktionsbedingungen
produzierten Kohlenwasserstoffprodukte, die un ter den Reaktionsbedingungen
flüssig
sind. Ein seit langer Zeit bestehendes Problem war die effiziente Trennung
und Entfernung des Aufschlämmungskohlenwasserstoffflüssigkeitsprodukts,
das in dem Reaktor produziert wird, von den relativ feinen Katalysatorteilchen.
Die erhöhte
Temperatur und der erhöhte Druck
in dem Reaktor und die wachsartige Beschaffenheit der Reaktionskohlenwasserstoffprodukte
machen konventionelle Teilchentrennungs- und -filtrationsverfahren
zur Verwendung in einem Kohlenwasserstoffsyntheseverfahren vom Aufschlämmungstyp ungeeignet.
Zyklontrennung, die zum Abtrennen von Katalysatorteilchen von Produktdämpfen in
katalytischen Crackverfahren so weitverbreitete Verwendung gefunden
hat, ist zur Verwendung mit einer wachsartigen Aufschlämmung ungeeignet,
ebenso wie Rotations- und Zentrifugenfilter.
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Obwohl die Temperatur und der Druck
in der Aufschlämmung
in Abhängigkeit
von dem speziellen verwendeten Katalysator und den gewünschten
Produkten weit variieren können,
schließen
typische Bedingungen, die zur Bildung von Kohlenwasserstoffen wirksam
sind, die vorwiegend C5+-Paraffine (z.B.
C5+ bis C200) und
vorzugsweise C10+-Paraffine umfassen, in
einem Aufschlämmungs-HCS-Verfahren, das einen
Katalysator verwendet, der eine trägergestützte Kobaltkomponente umfasst,
beispielsweise Temperaturen, Drücke
beziehungsweise stündliche
Gasgeschwindigkeiten im Bereich von 160 bis 315,6°C (320 bis
600°F),
551,7 bis 4136,9 kPa (80 bis 600 psi) und 100 bis 40 000 V/h/V ein,
ausgedrückt
als Standardvolumina der gasförmigen
CO- und H2-Mischung (0°C, 1,013 × 105 Pa
(1 atm)) pro Stunde pro Volumen des Katalysators. Die Aufschlämmung enthält typischerweise
etwa 10 Gew.% bis 70 Gew.% Katalysatorfeststoffe, typischerweise
30 Gew.% bis 60 Gew.%, und in einigen Ausführungsformen sind 40 Gew.%
bis 55 Gew.% bevorzugt. wie bereits erwähnt, umfasst die Aufschlämmungsflüssigkeit
die Kohlenwasserstoffprodukte, die unter den Reaktionsbedingungen
flüssig
sind, zusammen mit geringen Mengen anderer Komponenten. Obwohl Katalysatorteilchengrößen allgemein
im Bereich von so klein wie 1 × 10-6 m (1 μm)
bis so groß wie
200 × 10-6 m (200 μm) liegen
können,
hat ein typischer konventioneller Fe- oder trägergestützter Eisenkatalysator eine
mittlere Teilchengröße von etwa
22 × 106 m (22 μm),
während ein
Katalysator, der katalytisches Metall wie Kobalt als Verbund mit
oder aufgebracht auf einen Träger aus
Titandioxid umfasst, typischerweise eine mittlere Teilchengröße von etwa
63 × 10-6 m (63 μm)
hat. Solche Katalysatoren schließen jedoch auch feine Teilchen
ein, die so klein wie 1 μm
sind, und die konstante Bewegung und Durchmischung der Katalysatorteilchen
in der Aufschlämmung
führt zur
Verringerung der Teilchengröße durch
Abrieb. Dies erzeugt auch Feinteilchen mit einer Teilchengröße von etwa
1 × 10-6 bis 10 × 10-6 m
(1 bis 10 μm).
Solche feinen Teilchen können
mit den massiven und voluminös
gewundenen Drahtfiltern des Standes der Technik nicht herausfiltriert
werden. Dies führt
dazu, dass einige der Katalysatorteilchen zusammen mit der Kohlenwasserstoffflüssigkeit
durch diese Filter abgezogen werden, und diese Teilchen müssen aus
dem Kohlenwasserstoffflüssigprodukt
entfernt werden, bevor es zur Veredelung geleitet wird. Das Entfernen
der voluminösen
Filter des Standes der Technik aus dem Reaktor bedeutete außerdem unausweichlich
das Abschalten des Reaktors und Ablassen der Flüssigkeit, so dass ein verstopfter
oder beschädigter
Filter ersetzt oder repariert werden konnte. Die abgelassene Flüssigkeit
musste zur Heißlagerung
geleitet werden, so dass sie nicht erstarrte und dann ausreichend
heiß in
den Reaktor zurückgegeben
werden konnte, um die Fortsetzung der HCS-Reaktion zu ermöglichen.
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Der erfindungsgemäße Filter, der schematisch
in den 1(a) und 1(b) dargestellt ist, hat
sich als einfache Lösung
dieses wohl bekannten Problems erwiesen. In den 1(a) und 1(b) ist
daher ein erfindungsgemäßer Filter 10 gezeigt,
der zwei Filterabschnitte 12 und 14 umfasst, die
jeweils einen scheibenförmigen,
hohlen Verteiler 18 beziehungsweise 20 mit einer
Vielzahl vertikal aufgebrachter, länglicher Filterelemente 16 umfassen,
die sich aus jeweiligen oberen und unteren Wänden 13, 15, 17 und 19 des
Verteilers aufwärts
und abwärts
erstrec ken. Die Filterelemente, von denen der Bequemlichkeit halber
nur einige wenige dargestellt sind, sind länglich, hohl und an dem freien
Ende 11 verschlossen. Das andere Ende von jedem Filterelement
wird durch geeignete Mittel wie Schweißen, in formschlüssigem Eingriff
mit einer Öffnung
oder Düse
(nicht gezeigt) an einer jeweiligen horizontalen wand des Verteilers
befestigt und öffnet
sich in das Innere des Verteilers. Die Filterelemente sind für den Durchgang
der Aufschlämmungsflüssigkeit
durch diese durchlässig, für den Durchgang
von Katalysatorfeststoffen jedoch undurchlässig. Die Filteroberfläche der
Filterelemente kann aus spiralig oder direkt gewundenem Profildraht
und dergleichen hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Filterelemente jedoch aus gesintertem Metall
hergestellt. Jedes Element kann vollständig aus gesintertem Metall
gefertigt werden, oder kann ein äußeres Teil
aus gesintertem Metall umfassen, der von einem Metallrahmen oder
anderen Trägermittel
gehalten wird. Wie in den 1(a) und 1(b) zu sehen ist, ist der
Filter grundlegend zylindrisch, und die Verteiler sind hohle Scheiben
oder Zylinder, die jeweils eine feststoff-, flüssigkeits- und gasundurchlässige, zylindrische
Außenwand 18 und 20 aufweisen,
die in ihren jeweiligen horizontalen oberen und unteren Wandteilen
enden, auf denen die Filterelemente angeordnet sind. Die horizontalen
oberen und unteren Wandteile sind auch feststoff- und gas- und flüssigkeitsundurchlässig. Die
Filterelemente umfassen hohle Rohre aus gesintertem Metall, die
lateral aufgebracht und voneinander beabstandet auf der oberen und/oder
unteren horizontalen Verteilerwand angeordnet sind, an der sie befestigt
sind, wobei das hohle Innere der Filterelemente in Fluidverbindung
mit dem Inneren ihrer jeweiligen Verteiler steht. Die Verteiler
sind mittels Filtratrohrleitungen 22 und 24 verbunden,
die hohle Rohre oder Leitungen sind, um Filtrat aus dem Inneren
der Verteiler aufzufangen und es nach oben und aus dem Reaktor oder
der Reaktionszone heraus zu leiten. Die Verwendung einer Vielzahl
von grundlegend rohrförmigen
Filterelementen, die vertikal aufgestellt und horizontal auf dem
Verteiler angeordnet sind, liefert eine große Filtrationsober fläche pro
Volumeneinheit des Filters. Obwohl in 1(a) zwei
Filterabschnitte gezeigt sind, wird die tatsächliche Anzahl der Abschnitte,
die den Filter bilden, durch die Größe des Reaktors oder Filtrationsgefäßes, die Größe der Filterelemente,
usw. basierend auf Erfordernissen und Belieben des Praktikers ermittelt. 2 veranschaulicht beispielsweise
drei Filterabschnitte.
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Wie die Figuren zeigen, hängt der
Filter vorzugsweise von Mitteln, die sich im oberen Bereich des
Reaktors befinden, in die Aufschlämmung hinein. Durch Hängen des
Filters aus dem oberen Bereich des Reaktor in die Aufschlämmung hinein
wird der Filter zur Reparatur und zum Ersatz leicht entfernt, ohne
dass der Reaktor abgelassen werden muss, wie es bei den Filtern
des Standes der Technik erforderlich ist. Falls außerhalb
erfolgende Filtration angewendet wird, bei der die Aufschlämmung einem
Gefäß außerhalb
des Hauptaufschlämmungsreaktors zugeführt wird,
um flüssiges
Produkt durch Filtration zu entfernen, wird der Filter vorzugsweise
aus den gleichen Gründen
auch von dem oberen Bereich der außerhalb befindlichen Anlage
oder Zone aufgehängt.
Unter Bezugnahme auf die 1(a) und 2 ist der Filter als mittels
der Filtratsammelrohrleitung 24 aufgehängt gezeigt, die sich durch
eine Düse 44 im oberen
Bereich 43 des Reaktors 30 erstreckt. Die Düse 44 öffnet sich
zu einem nach außen
aufgestellten Flansch 46, der eine Abdeckplatte 48 trägt. Die Düsenbohrung 45 ist
so bemessen, dass der Filter nach oben herausgezogen werden kann,
nachdem die Abdeckplatte abgeschraubt worden ist. Ein neuer oder
reparierter Filter wird einfach wieder in die Aufschlämmung 34 in
dem Reaktor 30 abgesenkt und die Platte wieder aufgeschraubt.
Eine Flanschdichtung (nicht gezeigt) bildet eine hermetische Dichtung zwischen
dem oberen Bereich des Flansches und der Abdeckplatte. In einer
weiteren Ausführungsform (nicht
gezeigt) erstreckt sich statt eines Filterelements eine Leitung,
eine Filterrohrleitung, die an ihrem unteren Ende geschlossen ist,
oder ein fester Stab von der unteren Mitte des Filters nach unten
und passt in formschlüssigem
Eingriff in eine Muffe oder ein Gleitgelenk, so dass vertikale Bewegung
des Filters in der Aufschlämmung
möglich
ist. Hierdurch kann sich der Filter entlang seiner Länge ausdehnen und
kontrahieren, um sich Temperaturänderungen
in dem Reaktor anzupassen. Dies sorgt auch für seitlichen Halt, so dass
horizontale oder laterale Bewegung des Bodens des Filters aufgrund
von Reaktorvibration verhindert wird, so dass der Filter sowohl oben
als auch unten verankert ist, aber dennoch in vertikaler Richtung
kontrahieren und expandieren kann. Seitliche (laterale) Bewegung
des Bodens des Filters kann zu großen Biegemomenten führen, die den
Filter zerbrechen und weitere Schäden in dem Reaktor verursachen,
indem der Filter auf einen anderen Filter, Wärmetauscherrohre, Fallrohre
und dergleichen in der Aufschlämmung
schlägt.
Wie bereits beschrieben wurde, kann sich anstelle einer Leitung oder
Rohrleitung ein Stab oder anderes ähnliches Mittel von der unteren
Mitte des Filters in eine Muffe oder ein Gleitgelenk erstrecken.
Der Filter wird durch Schweißen
oder jedes andere geeignete Mittel an der Platte 48 befestigt.
Ebenfalls nicht gezeigt sind Mittel zum Verankern und Tragen der
freien Enden der Filterelemente, die an den Verteilern befestigt
sind, um seitliche Bewegung an der Erzeugung von Biegemomenten zu
hindern oder diese zu minimieren, wodurch die Elemente zerbrochen
würden, üblicherweise
wenn sie mit den Verteilern verbunden sind. Solche Mittel können ringförmige, offene
Drahtkäfige oder
Trägerstrukturen
mit einer Vielzahl miteinander verbundener Ringe und dergleichen
einschließen, die über die
Enden der Elemente gleiten, um seitliche Bewegung zu verhindern,
wobei die Mittel selbst an den Verteilern, Filterelementen oder
Filtratrohrleitungen verankert sind. Der Grund dafür ist, dass
während
der Kohlenwasserstoffsynthesereaktion das perlende Gas in dem Reaktor
zu Vibration des Reaktors führt.
Das bedeutet, dass der Filter an freier seitlicher oder Biegebewegung
gehindert werden muss, um Schäden
an dem Filter und den anderen Innenkomponenten des Reaktors zu vermeiden.
Die Filterelemente müssen
so bemessen sein, dass sie kein zu großes Aspektverhältnis von
Länge zu
Durchmesser haben. Ansonsten können übermäßige Biegemomente,
wo die Filterelemente an die Verteiler geschweißt sind, zu Rissbildung führen und
den Filterabschnitt anderweitig beschädigen und ihn sogar an der
Schadensstelle durchlässig
für Katalysatorfeststoffe
machen. Schließlich
ist die Erfindung, obwohl die Figuren und die Beschreibung Filterzusammenstellungen,
Verteiler und Elemente mit rundem Querschnitt betreffen, nicht darauf
begrenzt, und es können
andere geeignete Formen und Größen verwendet
werden.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist nun ein Kohlenwasserstoffsynthesereaktor 30 vom
Aufschlämmungstyp
als einen zylindrischen Außenmantel
aus Stahl oder ein Gefäß 32 aufweisend
gezeigt, der bzw. das eine Dreiphasenaufschlämmung 34 darin enthält, die
Kohlenwasserstoffflüssigkeit
umfasst, in der Katalysatorteilchen dispergiert und suspendiert sind,
und die auch Gasblasen enthält.
Das Gas umfasst Synthesegas und Gasprodukte der Kohlenwasserstoffsynthesereaktionen
vom Fischer-Tropsch-Typ. Syntheseeinsatzmaterialgas wird über eine
Leitung 40 in den Reaktor eingebracht und in den unteren
Bereich der Aufschlämmung 34 mittels
einer Vielzahl von Gasverteilungsmitteln, wie Gasinjektoren (nicht
gezeigt), injiziert, die horizontal über einer Stahlplatte 38 angeordnet
sind. Die Platte 38 ist für die Aufschlämmungsflüssigkeiten
undurchlässig,
jedoch für
das nach oben strömende
Gas mittels der Gasinjektoren durchlässig. Das Synthesegas fließt durch
die Aufschlämmung 34 nach
oben und ist durch Blasen 36 dargestellt, von denen der
Bequemlichkeit halber nur einige wenige gezeigt sind. Das Synthesegas
kontaktiert die Katalysatorteilchen in der Aufschlämmung und
bildet flüssige
und gasförmige
Kohlenwasserstoffprodukte zusammen mit erheblichen Mengen an Wasserdampf.
Zwei identische erfindungsgemäße Filterzusammenstellungen, 10 und 10', sind in der
Aufschlämmung 34 aufgehängt gezeigt,
die jeweils drei Filterabschnitte zeigen, wobei jeder Abschnitt
achtzehn Filterelemente (neunzehn in dem unteren Abschnitt) enthält, von
denen der Bequemlichkeit halber nur wenige kurz illustriert sind. Wenn
die Reaktion abläuft,
treten die Gasprodukte im oberen Bereich der Aufschlämmung aus
und gelangen als Kopfprodukt in eine Gasherauslösezone 42, aus der sie über eine
Leitung 60 aus dem Reaktor entfernt werden. Gleichzeitig
gelangt die Aufschlämmungsflüssigkeit
in das Innere der gesinterten Metallfilterelemente, deren Wände porös und für das Durchfließen der
Aufschlämmungsflüssigkeit
durchlässig
sind, die jedoch den Durchgang der Katalysatorteilchen in der Aufschlämmung in
das Innere der Filterelemente aufgrund der extrem kleinen Größe (z. B. < 0,5 × 10-6 m (0,5 μm))
der Poren nicht erlauben. Die Porengröße ist katalysatorspezifisch,
und eine Porengröße von < 0, 5 × 10-6 m (0,5 um) hat sich als angemessen für einen
Katalysator erwiesen, der Co aufgebracht auf oder als Verbund mit
Titandioxid umfasst. Die Aufschlämmungsflüssigkeit
gelangt als Filtrat in das Innere der Filterelemente und danach
in das Innere der Verteiler, mit denen die Filterelemente in Fluidverbindung
stehen. Das Filtrat gelangt von den Verteilern in die Filtratrohrleitungen
und wird aus dem oberen Bereich des Reaktors entfernt, wie durch Pfeile 50 und 50' dargestellt
ist. In 2 sind zwei
erfindungsgemäße Filterzusammenstellungen
schematisch als von dem oberen Bereich des Reaktors in die Aufschlämmung aufgehängt gezeigt,
wobei die jeweils oberste Rohrleitung, 24 und 24', den oberen Bereich
des Reaktors verlässt.
Das Filtrat wird aus den Rohrleitungen zur weiteren Verarbeitung
und Veredelung stromabwärts
geleitet.
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Ein Druckunterschied über den
Filterelementen in dem Reaktor ist ausreichend, um die Aufschlämmungsflüssigkeit
in die Filterelemente, Verteiler, Rohrleitungen und aus dem Reaktor
heraus zur nachgeordneten Verarbeitung zu treiben. Der Reaktordruck
liegt üblicherweise
oberhalb von 1379 kPa (200 psi) und der Auslassdruck der Filtratrohrleitungen
ist typischerweise unter 517 kPa (75 psi). Diese Druckdifferenz
ist mehr als ausreichend, um die Filter zu betreiben. Gesinterte
Metallfilterelemente sind jedoch zerbrechlich, und in einigen Fällen hat
sich herausgestellt, dass ein zu großer Druckabfall über den Filterelementen
sie zerdrückt
und zerbricht. In einem Fall zerbrachen sie durch einen Druckunterschied von
etwa 1724 kPa (250 psi) über
gesinterten Metallfilterelementen mit 3,81 cm (1 1/2 Zoll) Außen durchmesser
in der Aufschlämmung.
Je größer der
Durchmesser ist, um so niedriger ist die Druckdifferenz, die erforderlich
ist, um sie zu zerbrechen. Es bildet also ein Merkmal der Erfindung
für die
Ausführungsform, in
der die Filterelemente durch einen zu großen Druckabfall über der
Filteroberfläche
der Elemente zerbrochen werden können,
Mittel bereitzustellen, um einen Druckabfall über den Filterelementen zu verhindern,
der groß genug
ist, um sie zu zerbrechen. Dies kann auf zahlreiche Weisen bewirkt
werden. Ein Weg besteht in der Regulierung des Drucks stromabwärts von
den Filterzusammenstellungen, um ihn daran zu hindern, auf einen
ausreichend niedrigen Wert abzusinken, so dass der höhere Druck
in der Aufschlämmung
die Filterelemente zerbricht. Dies kann durch stromabwärts befindliche
Druckregler bewirkt werden. Periodische Rückspülung der Filter in der Aufschlämmung ist
notwendig, um die Poren der Filterelemente von feinteiligen Feststoffen
zu reinigen, die sich während
der Filtration ansammeln. Alle Filterzusammenstellungen können gleichzeitig
rückgespült werden,
oder sie können
individuell rückgespült werden,
da Experimente keinen echten Unterschied zwischen den beiden Verfahren
gezeigt haben. Bei 3,81 cm (1 1/2 Zoll) Filterelementen, die aus
gesinterten Metallrohren aus rostfreiem Stahl mit der kleinen Porengröße < 0,5 × 10-6 m (0,5 μm)
Porengröße hergestellt
worden sind, haben sich Intervalle von zwölf Stunden als angemessen erwiesen.
In einem Versuch in einem experimentellen HCS-Reaktor wurde teilchenfreies
(z. B. < 1 ppm)
Filtrat mit einem Filtrationsfluss von 0,2445 m3/h/m2 (0,1 GPM/ ft2)
bei einer katalysatorhaltigen Aufschlämmung erreicht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
liegt in einer bedeutsam hohen Filtrationsfläche in Bezug auf das Volumen,
den der Filter in der Aufschlämmung beansprucht,
wodurch eine relativ hohe volumetrische Rückgewinnung des Kohlenwasserstoffflüssigkeitfiltrats
ermöglicht
wird, bezogen auf den Raum, den der Filter in der Aufschlämmung beansprucht. Dies
ist besonders wichtig, wenn der Filter in die Aufschlämmung in
dem Reaktor und nicht in ein außerhalb
gelegenes Filtrationsgefäß eintaucht,
da in dem Reak tor nur ein begrenztes Raumangebot zur Verfügung steht.
In einem Filter ähnlich
demjenigen, der in den Figuren veranschaulicht ist, umfasst jeder
Abschnitt beispielsweise einen zylindrischen Verteiler mit einer
oberen und unteren horizontalen Oberfläche, über die eine Vielzahl hohler,
zylindrischer, im Wesentlichen vertikaler, gesinterter Metallfilterelemente
gruppiert sind. Wenn die Elemente einen Durchmesser von 3,81 cm
(1 1/2 Zoll) aufweisen, jeweils 3,04 m (10 ft) lang und auf der
oberen und unteren Oberfläche
eines 15,24 cm (sechs Zoll) dicken Verteilers mit 38,1 cm (15 Zoll)
Durchmesser aufgestellt sind, wobei die Mittelposition als durch
eine Filtratrohrleitung mit 3,81 cm (1 1/2 Zoll) Durchmesser besetzt
und ein Abstand von 3,81 cm (1 1/2 Zoll) zwischen den Elementen
angenommen wird, sind insgesamt neunzehn Elemente in einer dreieckigen
Gruppierung mit einem Winkel von sechzig Grad von Mitte zu Mitte
für benachbarte
Elemente angeordnet. Das L/D-Verhältnis (Länge, geteilt durch Durchmesser) der
Elemente ist 80, das von den Elementen und dem Verteiler beanspruchte
Volumen 70,8 × 10-2 m3 (25 ft3) , die Gesamtfiltrationsfläche ist
13,84 m2 (149 ft2), und
das Verhältnis
von Filteroberfläche
zu Filtervolumen (A/V) ist 1,798 m-1 (5,9
ft-1). In deutlichem Gegensatz dazu ist
das A/V-Verhältnis
für einen
einzigen zylindrischen Filter von 6,232 m (20 1/2 ft) Länge und
36,75 cm (15 Zoll) Durchmesser, wie sie im Stand der Technik illustriert
sind, nur 0,9449 m-1 (3,1 ft-1)
. In Abhängigkeit
von dem Durchmesser der Filterelemente, dem Durchmesser des Verteilers
und davon, ob Elemente mit unterschiedlichen Durchmessern auf dem
oberen Bereich und dem unteren Bereich des Verteilers gruppiert
sind oder nicht, kann das A/V-Verhältnis im Bereich von 1,311
m-1 (4,3 ft-1) bis
so viel wie oder sogar mehr als 2,4384 m-1 (8
ft-1) liegen. In einer allgemeinen Ausführungsform
betrifft die Erfindung ein Aufschlämmungsverfahren und vorzugsweise
ein Aufschlämmungs-HCS-Verfahren, bei
dem mindestens ein Filter in der Aufschlämmung entweder in dem Reaktor
oder in der Aufschlämmung in
einem Gefäß außerhalb
des Reaktors aufgestellt ist, und wobei der Filter ein Verhältnis von
Filtrations fläche
zu Filtervolumen von mindestens 1,311 m-1 (4,3
ft-1) und vorzugsweise mindestens 1,798
m-1 (5,9 ft-1) hat.
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In einem HCS-Verfahren werden flüssige und
gasförmige
Kohlenwasserstoffprodukte gebildet, indem Syngas, das eine Mischung
von H
2 und CO umfasst, unter Bedingungen
mit oder ohne Gleichgewichtsverschiebung und vorzugsweise unter
Bedingungen ohne Gleichgewichtsverschiebung, unter denen wenig oder
keine Wassergasverschiebungsreaktion stattfindet, mit Katalysator
kontaktiert wird, insbesondere wenn das katalytische Metall Co,
Ru oder eine Mischung derselben umfasst. Geeignete Katalysatoren
vom Fischer-Tropsch-Reaktionstyp umfassen beispielsweise ein oder
mehrere katalytische Metalle der Gruppe VIII, wie Fe, Ni, Co, Ru
und Re. In einer Ausführungsform
umfasst der Katalysator katalytisch effektive Mengen Co und einem
oder mehreren von Re, Ru, Fe, Ni, Th, Zr, Hf, U, Mg und La auf einem
geeigneten anorganischen Trägermaterial,
vorzugsweise einem, das ein oder mehrere hitzebeständige Metalloxide
umfasst. Bevorzugte Träger für Co enthaltende
Katalysatoren umfassen Titandioxid, insbesondere wenn ein Aufschlämmungs-HCS-Verfahren
verwendet wird, bei dem vorwiegend paraffinische flüssige Kohlenwasserstoffprodukte
mit höherem
Molekulargewicht erwünscht sind.
Brauchbare Katalysatoren und deren Herstellung sind bekannt, und
veranschaulichende, jedoch nicht einschränkende Beispiele finden sich
beispielsweise in der
US-A-4
568 663 , der
US-A-4
663 305 , der
US-A-4 542 122 ,
der
US-A-4 621 072 und
der
US-A-5 545 674 .
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Die nach einem erfindungsgemäßen HCS-Verfahren
produzierten Kohlenwasserstoffe werden typischerweise zu wertvolleren
Produkten veredelt, indem alle oder ein Teil der C5+-Kohlenwasserstoffe
einer Fraktionierung und/oder Umwandlung unterzogen wird bzw. werden.
Mit Umwandlung sind ein oder mehrere Verfahrensschritte gemeint,
bei dem bzw. denen die Molekülstruktur
von mindestens einem Teil des Kohlenwasserstoffs verändert wird, wobei
sowohl nicht-katalytische Verarbeitung (z. B. Dampfcracken) als
auch katalytische Verarbeitung (z. B. katalytisches Cracken) einge schlossen
sind, bei dem eine Fraktion mit geeignetem Katalysator kontaktiert
wird. Falls Wasserstoff als Reaktant vorhanden ist, werden solche
Verarbeitungsschritte typischerweise als Hydroumwandlung bezeichnet
und schließen
beispielsweise Hydroisomerisierung, Hydrocracken, Hydroentparaffinieren,
Hydroraffinieren und das schärfere
Hydroraffinieren ein, das als Hydrotreating bezeichnet wird, wobei
alle unter Bedingungen durchgeführt
werden, die in der Literatur zur Hydroumwandlung von Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien
wohl bekannt sind, einschließlich
Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien, die reich an Paraffinen sind.
Veranschaulichende, jedoch nicht einschränkende Beispiele für wertvollere
Produkte, die durch Umwandlung gebildet werden, schließen ein oder
mehrere aus synthetischem Rohöl,
flüssigem Brennstoff,
Olefinen, Lösungsmitteln,
Schmier-, Industrie- und medizinischem Öl, wachsartigen Kohlenwasserstoffen,
Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Verbindungen und dergleichen
ein. Flüssiger Brennstoff
schließt
ein oder mehrere von Motorenbenzin, Dieselkraftstoff, Düsenkraftstoff
und Kerosin ein, während
Schmieröle
beispielsweise Automobil-, Düsenmotor-,
Turbinen- und Metallbearbeitungsöle einschließen. Industrieöle schließen Bohrlochflüssigkeiten,
Landwirtschaftsöle,
Wärmeübertragungsflüssigkeiten
und dergleichen ein.