способ получения продукта синтеза фишера-тропша

Формула изобретения

Способ получения продукта синтеза Фишера-Тропша, включающий подачу в зону реакции водорода, монооксида углерода и воды, нагрев зоны реакции до температуры осуществления синтеза в присутствии катализатора при повышенном давлении, отличающийся тем, что воду в зону реакции подают в жидком агрегатном состоянии, а давление в зоне реакции поддерживают таким, чтобы температура кипения воды была на 1-20°С выше, чем температура на входе в зону реакции синтеза Фишера-Тропша, при этом мольное соотношение воды и суммы мольных долей водорода и монооксида углерода находится в пределах 0,05 0,5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения жидких углеводородов путем синтеза Фишера-Тропша.

Известен способ получения жидких углеводородов путем синтеза Фишера-Тропша, при котором к газовой смеси, содержащей водород и монооксид углерода, добавляется вода в газообразном состоянии (Европейский патент № 89304092, 1989).

К недостаткам известного способа следует отнести то, что добавляемая в исходную газовую смесь вода находится в газообразном состоянии, не изменяет в процессе синтеза своего агрегатного состояния и не оказывает влияния на перепад температуры в зоне реакции. Добавление воды в газообразном состоянии снижает производительность процесса синтеза Фишера-Тропша.

Известен способ получения продукта синтеза Фишера-Тропша, при котором к газовой смеси, содержащей водород и монооксид углерода, добавляется вода в газообразном состоянии (Международная публикация WO 2007/101831).

К недостаткам известного способа следует отнести то, что добавляемая в исходную газовую смесь вода находится в газообразном состоянии, не изменяет в процессе синтеза своего агрегатного сотояния и не оказывает влияния на перепад температуры в зоне реакции. Добавление воды в газообразном состоянии снижает производительность процесса синтеза Фишера-Тропша.

Известен способ получения продукта синтеза Фишера-Тропша, в ходе которого процесс каталитической конверсии синтез-газа осуществляется при температуре 220-270°C, давлении 0,1-5,0 МПа, объемной скорости 50-5000 на кобальтовом катализаторе, нанесенном на носитель, содержащий оксид алюминия и цеолит (Патент Великобритании № 2211201, 1988).

Недостатком известного способа является неустойчивость температуры реакции, низкий теплоотвод и, как следствие, перегрев катализатора, что приводит к низкой производительности и низкому выходу целевого продукта.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ получения продукта синтеза Фишера-Тропша, при котором к газовой смеси, содержащей водород и монооксид углерода, добавляют воду в газообразном состоянии (Патент США № 5227407, 1993).

Недостатком прототипа выступает неустойчивость температуры реакции, низкий теплоотвод и, как следствие, перегрев катализатора, что приводит к низкой производительности и низкому выходу целевого продукта.

Технической задачей данного изобретения служит повышение стабилизации температуры в зоне реакции.

Указанная техническая задача решается тем, что в зону реакции синтеза вода подается в жидком состоянии, а давление в зоне реакции поддерживают таким, чтобы температура кипения воды была на 1-20°C выше, чем средняя температура реакции синтеза Фишера-Тропша.

При перегреве катализатора вода начинает выкипать и часть выделяемого при реакции синтеза тепла воспринимается выкипающей водой без повышения температуры катализатора.

Стабилизация температуры и предотвращение перегрева катализатора повышает производительность синтеза Фишера-Тропша и увеличивает выход целевого продукта.

Способ осуществляют путем подачи в зону реакции газовой смеси, состоящей из водорода, монооксида углерода и воды в жидком агрегатном состоянии при температуре и давлении, при котором температура кипения воды будет на 1-20°C выше, чем средняя температура реакции синтеза Фишера-Тропша. Мольное соотношение воды и суммы мольных долей водорода и монооксида углерода находится в пределах 0,05-0,5.

Когда температура доходит до температуры кипения воды при давлении в зоне реакции, вода начинает выкипать, при этом температура остается постоянной до тех пор, пока вся вода не перейдет в парообразное состояние. Выделяемая при этом энергия синтеза будет уходить на выкипание воды, в результате чего предотвращается перегрев катализатора в реакторе. Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

В зону реакции подается газовая смесь, состоящая из водорода, монооксида углерода. В подаваемую газовую смесь добавляется вода в жидком агрегатном состоянии. Мольное соотношение воды и суммы мольных долей водорода и монооксида углерода равно 0,05. Давление в реакторе поддерживают равным 15,9 атм, а температура на входе в зону реакции равной 199°C. При данном давлении температура кипения воды на 1°C выше, чем температура на входе в зону реакции синтеза Фишера-Тропша, и равна 200°C.

При прохождении газоводяной смеси через катализатор происходит реакция синтеза жидких углеводородов, при этом выделяется тепло. Когда температура в трубе реактора повышается до 200°C вода, входящая в состав газоводяной смеси, начинает кипеть и переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние, при этом, пока вся вода не перешла в газообразное состояние, температура сохраняется постоянной равной 200°C. Выделяемая при реакции синтеза жидких углеводородов энергия идет на испарение воды, а не на повышение температуры в зоне реакции.

Расчет теплового эффекта поглощения выкипаемой водой

Исходные данные для расчета

1. Мольное соотношение H₂:СО=2 (обычное значение при синтезе Фишера-Тропша)

2. Мольная доля добавляемой воды - k=0,05 (5%)

3. Тепловой эффект синтеза ФТ - Q_фт=165 кДж/моль CO

4. Рабочая температура синтеза ФТ - t_p=199°C

5. Рабочее давление (соответствующее температуре кипения воды 199+1=200°C). Р_р=15,9 атм

6. Скрытая теплота парообразования при давлении 15,9 атм и температуре 200°C

Долю тепла реакции Фишера-Тропша, идущую на испарение добавляемой воды, рассчитывают по формуле

При выкипании дополнительно подаваемой воды, в объеме 5% от суммы мольных долей водорода и монооксида углерода, ею будет восприниматься 3,2% от общего теплового эффекта синтеза ФТ. Перегрев катализатора в зоне реакции снизится, что позволит увеличить расход газовой смеси в реакторе и увеличить производительность реактора.

Пример 2

В зону реакции подается газовая смесь, состоящая из водорода, монооксида углерода. В подаваемую газовую смесь добавляется воду в жидком агрегатном состоянии. Мольное соотношение воды и суммы мольных долей водорода и монооксида углерода равно 0,2. Давление в реакторе поддерживают равным 26 атм, а температуру на входе в зону реакции равной 220°C. При данном давлении температура кипения воды на 5°C выше, чем температура на входе в зону реакции синтеза Фишера-Тропша, и равна 225°C.

При прохождении газоводяной смеси через катализатор происходит реакция синтеза жидких углеводородов, при этом выделяется тепло. Когда температура в трубе реактора повышается до 225°C, вода, входящая в состав газоводяной смеси, начинает кипеть и переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние, при этом, пока вся вода не перешла в газообразное состояние, температура сохраняется постоянной равной 225°C. Выделяемая при реакции синтеза жидких углеводородов энергия идет на испарение воды, а не на повышение температуры в зоне реакции.

Расчет теплового эффекта поглощения выкипаемой водой при указанных условиях

Исходные данные для расчета

1. Мольное соотношение Н₂:СО=2 (обычное значение при синтезе Фишера-Тропша)

2. Мольная доля добавляемой воды - k=0,2 (20%)

3. Тепловой эффект синтеза ФТ - Q_фт=165 кДж/моль CO

4. Рабочая температура синтеза ФТ - t_p=220°C (принимаем)

5. Рабочее давление (соответствующее температуре кипения воды 220+5=225°C) Р_р=26 атм

6. Скрытая теплота парообразования при давлении 26 атм и температуре 225°C

Долю тепла реакции Фишера-Тропша, идущую на испарение добавляемой воды, рассчитывают по формуле

При выкипании дополнительно подаваемой воды, в объеме 20% от суммы мольных долей водорода и монооксида углерода, ею будет восприниматься 12% от общего теплового эффекта синтеза ФТ. Перегрев катализатора в зоне реакции снизится, что позволит увеличить расход газовой смеси в реакторе и увеличить производительность реактора.

Пример 3

В зону реакции подается газовая смесь, состоящая из водорода, монооксида углерода. В подаваемую газовую смесь добавляется вода в жидком агрегатном состоянии. Мольное соотношение воды и суммы мольных долей водорода и монооксида углерода равно 0,5. Давление в реакторе поддерживают равным 26 атм, а температуру на входе в зону реакции равной 220°C. При данном давлении температура кипения воды на 20°C выше, чем температура на входе в зону реакции синтеза Фишера-Тропша, и равна 240°C.

При прохождении газоводяной смеси через катализатор происходит реакция синтеза жидких углеводородов, при этом выделяется тепло. Когда температура в трубе реактора повышается до 240°C, вода, входящая в состав газоводяной смеси, начинает кипеть и переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние, при этом, пока вся вода не перешла в газообразное состояние, температура сохраняется постоянной равной 240°C. Выделяемая при реакции синтеза жидких углеводородов энергия идет на испарение воды, а не на повышение температуры в зоне реакции.

Расчет теплового эффекта поглощения выкипаемой водой

Исходные данные для расчета

1. Мольное соотношение Н₂:СО=2 (обычное значение при синтезе Фишера-Тропша)

2. Мольная доля добавляемой воды - k=0,5 (50%)

3. Тепловой эффект синтеза ФТ - Q_фт=165 кДж/моль CO

4. Рабочая температура синтеза ФТ - t_p=235°C (принимаем)

5. Рабочее давление (соответствующее температуре кипения воды 235+5=240°C). Р_p=34,1 атм

6. Скрытая теплота парообразования при давлении 34,1 атм и температуре 240°C

Долю тепла реакции Фишера-Тропша, идущую на испарение добавляемой воды, рассчитывают по формуле

При выкипании дополнительно подаваемой воды, в объеме 50% от суммы мольных долей водорода и монооксида углерода, ею будет восприниматься 29% от общего теплового эффекта синтеза ФТ. Перегрев катализатора в зоне реакции значительно снизится, что позволит увеличить расход газовой смеси в реакторе и увеличить производительность реактора.