ПРОМОТИРОВАННЫЙ КАТАЛИЗАТОР СИНТЕЗА ФИШЕРА-ТРОПША, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ СИНТЕЗА УГЛЕВОДОРОДОВ ФИШЕРА-ТРОПША
FISCHER-TROPSCH SYNTHESIS PROMOTER CATALYST, METHOD OF PREPARING SAID CATALYST AND FISCHER-TROPSCH HYDROCARBON SYNTHESIS METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к синтезу Фишера-Тропша и металлическим катализаторам синтеза.
Уровень техники
В способе Фишера-Тропша для превращения синтез-газа в углеводороды кобальт (Со) является предпочтительным активным металлом, когда сырье для получения синтез-газа представляет собой природный газ. Этот вывод обоснован, главным образом, низкой активностью Со в превращении водяного газа, в противном случае это привело бы к превращению части СО в синтез-газе в диоксид углерода и водород и в результате к потере части углерода в сырье.
2
Другими известными активными металлами в синтезе Фишера-Тропша являются железо, рутений и никель. Железо часто используется, особенно когда сырьем для синтез-газа является уголь, поскольку необходима собственная активность в превращении водяного газа для того, чтобы отрегулировать желаемое соотношение СО/Н на уровне около 2. Применению рутения препятствует его высокая стоимость, в то время как никель исключается из-за высокой селективности относительно метана, таким образом это приводит к обратному образованию газообразного сырья. Хорошо известно, что никелевые катализаторы используются для метанирования при удалении следов остаточного СО в сырье для синтеза аммиака.
Обычно активный металл синтеза Фишера-Тропша диспергируют на твердом носителе. Этим носителем может быть оксид алюминия, диоксид титана или диоксид кремния, а также множество других оксидов и смешанных оксидов, причем носитель может быть химически стабилизирован или обработан различными способами. Особый интерес привлекает высокотемпературная обработка оксида алюминия, которая приводит к катализатору с высоким содержанием альфа-оксида алюминия, и в результате увеличивается селективность в отношении высших углеводородов (С5+), как описано в документе WO 02/47816 А1 (фирма Statoil).
Приготовление катализатора может включать в себя пропитывание носителя с помощью выбранной методики, или соосаждение с другими компонентами, кроме предшественника кобальта. Частью этой методики также может быть последующее формование с получением желаемой формы. Кроме того, приготовление катализатора обычно включает такие стадии, как сушка, прокаливание и восстановление для того, чтобы получить активный катализатор. В ходе приготовления катализатора часто добавляют ряд других элементов или соединений. Последние могут именоваться как модифицирующие добавки, промоторы структурной стабильности, или промоторы, предназначенные для повышения селективности, активности, стабильности или характеристик катализатора при регенерации. Некоторыми часто исследуемыми модификаторами или промоторами являются диоксид тория, диоксид циркония, марганец, щелочные металлы, оксид лантана или смесь лантанидов, рений, рутений и платин.
3
2
2
4
Из уровня техники известен ряд альтернативных методик пропитывания, в которых используются альтернативные растворители и химикаты, однако в настоящем изобретении примеры включают методику по влагоемкости с использованием водных растворов нитрата кобальта (Со(NO)·6HO) и, возможно, перрениевой кислоты (HReO) или перрената аммония. В качестве альтернативных реагентов могут быть использованы ацетат (ацетаты) кобальта, галогенид (галогениды) кобальта, карбонил (карбонилы) кобальта, оксалат (оксалаты) кобальта, фосфат (фосфаты) кобальта, органические соединения кобальта, перренат аммония, галогенид (галогениды) рения, карбонил (карбонилы) рения, промышленные растворы солей металлов, органические растворители и др.
В методике по влагоемкости предусматривается, что металлсодержащий раствор смешивают с сухим носителем до заполнения пор. Определение конечной точки в этой методике может в некоторой степени изменяться от лаборатории к лаборатории, таким образом, что пропитанный катализатор может иметь внешний вид полностью сухого вещества или внешний вид липкого вещества типа снега. Однако ни в коем случае не допускается наличие какой-либо текучей жидкости.
Кроме того, методика пропитывания может охватывать все доступные способы, кроме влагоемкости, такие как осаждение, пропитывание из суспензии с избытком жидкости, химическое осаждение из паров и др. Хорошо известно, что способ пропитывания может влиять на диспергирование активного металла (кобальта) и поэтому на каталитическую активность, однако поскольку синтез Фишера-Тропша не считается структурно чувствительной реакцией, диспергирование не должно значительно влиять на селективность. Пропитанный катализатор сушат обычно при 80-120°С для того, чтобы удалить воду из пор катализатора, и затем прокаливают обычно при 200-450°С, например, при 300°С в течение 2-16 ч.
Количественный анализ с сопоставлением кобальта и никеля в качестве основного металла в синтезе Фишера-Тропша был осуществлен в работе Н.Shultz, Topics in Catalysis, том 26, 2003, стр.73-85. Очевидно, что никель обладает более высокой активностью при гидрировании, чем кобальт.
2
4
Насколько известно, ранее не было описано использование никеля в качестве промотора к кобальту, однако в документе ЕР-В-1058580 раскрыта возможность применения никеля в качестве модифицирующей добавки для носителей, таких как оксид алюминия, диоксид титана или оксид магния. Установлено, что после прокаливания при температуре до 800°С с целью образования шпинельного соединения, эта модифицирующая добавка способна подавить растворимость носителя катализатора в водной кислоте или нейтральных растворах. В случае, когда модифицирующей добавкой является никель, предполагается, что образуется шпинель NiAlO, что приводит к большей инертности поверхности носителя. Однако не было приведено ни одного примера о влиянии никеля как модифицирующей добавки.
Кроме того, в документе ЕР-В-0296726 описаны формованные частицы оксида алюминия, которые пропитаны раствором нитрата никеля и затем прокалены при температуре около 1200°С для того, чтобы образовалась шпинельная фаза алюмината никеля, которая повышает прочность частиц. Указано, что термическая обработка осуществляется в окислительной среде для того, чтобы предотвратить восстановление никеля до металлического состояния, и, следовательно, Ni не используется в качестве промотора. Кроме того, полученный материал не используется в качестве носителя для катализатора Фишера-Тропша, и нет никаких указаний, что кобальт является активной фазой.
Основными характеристиками катализатора синтеза Фишера-Тропша являются активность, селективность и стабильность. Кроме того, необходимо учитывать стоимость катализатора как с учетом производственных затрат, так и затрат на исходные материалы. Желаемая селективность зависит от того, какие продукты представляют интерес для данного проекта, однако в контексте настоящего изобретения внимание будет сосредоточено на селективности по продукту С5+, что часто используется в качестве показателя образования парафина и, следовательно, потенциала для максимального производства дизельного топлива с помощью гидроизомеризации/крекинга парафина.
Эти характеристики в некоторой степени взаимосвязаны, например высокая активность может дать возможность снизить температуру процесса и тем самым повысить селективность по продукту С5+. Высокая стабильность во времени эксплуатации означает, что начальная активность может быть ослаблена, например, за счет уменьшения содержания кобальта или диспергирования кобальта.
Краткое изложение изобретения
Согласно изобретению разработан нанесенный катализатор Фишера-Тропша, который включает в себя каталитический материал; материал промотора и носителя, причем каталитический материал содержит кобальт в количестве, по меньшей мере, 4% от массы катализатора, по меньшей мере, часть кобальта обладает каталитической активностью в синтезе Фишера-Тропша; промотор содержит никель, причем количество присутствующего никеля меньше, чем количество кобальта; и материал носителя содержит оксид металла, который выбирают или из алюминия, или титана, или циркония.
Предпочтительно, материал носителя состоит из оксида металла, который выбирают или из алюминия, или титана, или циркония.
Предполагается, что материал носителя содержит оксид или алюминия, или титана, или циркония необязательно в сочетании из двух или трех оксидов. Однако диоксид титана может включать небольшое количество оксида алюминия в качестве связующего вещества.
Кроме того, оксид металла материала носителя может включать в себя:
- собственно оксид металла, то есть оксид металла и любое небольшое количество других компонентов, которые случайно попали в материал оксида металла в виде примесей или остатков химикатов от производства самого металлоксидного материала;
- металлоксидный материал, который в ходе получения катализатора был модифицирован путем введения оксидов никеля, кобальта или любого из промотирующих металлов.
В случае оксида алюминия в качестве материала носителя предполагается, что термин "оксид алюминия" также включает в себя смешанный оксид алюминия и кремния, обычно известный как "алюмосиликат", в котором диоксид кремния составляет меньшую часть материала.
Кроме того, материал носителя может включать в себя меньшие количества каталитически неактивных компонентов, таких как добавки, используемые для улучшения или сохранения механической прочности частиц катализатора. Например, оксид алюминия может быть использован в качестве связующего вещества в носителях на основе диоксида титана. Предпочтительно, количество таких каталитически неактивных компонентов составляет меньше, чем 30 мас.%, более предпочтительно, меньше чем 20 мас.%.
Предпочтительно, материал носителя главным образом состоит из оксида металла, который выбирают или из алюминия, или титана, или циркония.
Часть кобальта, который используется при получении катализатора, может войти в состав носителя в виде оксида, необязательно в виде смешанного оксида в сочетании с другими оксидами металлов. Полагают, что кобальт, который удерживается в носителе, обладает низкой каталитической активностью в синтезе Фишера-Тропша (или не обладает активностью). Следовательно, по меньшей мере, часть кобальта должна присутствовать в композиции катализатора в таком количестве и состоянии (физическом и химическом), чтобы каталитическая композиция стала эффективным катализатором для превращения синтез-газа в высшие углеводороды (синтез Фишера-Тропша).
Материал носителя может представлять собой оксид алюминия или диоксид титана, предпочтительно альфа- или гамма-оксид алюминия, наиболее предпочтительно, альфа-оксид алюминия. Необязательно, чтобы материал носителя дополнительно содержал оксид второго металла, выбранного из одного или нескольких из кремния, магния, кобальта и никеля. Носитель может содержать шпинельное соединение, образовавшееся на основе оксида алюминия. Таким шпинельным соединением может быть алюминат никеля.
Кроме того, катализатор может включать в себя другие металлические элементы, такие как необязательные промоторы или модификаторы. В качестве необязательного промотора может быть выбран рений. Предпочтительно, никель находится в виде оксида никеля на поверхности носителя. Количество никеля может составлять меньше, чем 50 мас.%, предпочтительно меньше, чем 30 мас.%, более предпочтительно, меньше, чем 15 мас.% относительно количества кобальта.
Кобальт или никель могут быть введены в металлоксидный носитель, как таковые, или как оксиды, смешанные с другими оксидами металлов в носителе, например, в виде шпинелей с оксидом алюминия. Оксиды таких металлов как кремний, алюминий и магний могут играть роль связующих веществ для модификаторов основных металлоксидных носителей.
Кроме того, изобретение относится к способу получения описанной композиции катализатора, в которой носитель пропитывается соединениями кобальта и никеля, и пропитанную композицию сушат, прокаливают и активируют.
3
2
Предпочтительно, пропитанную композицию прокаливают при температурах меньше, чем 600°С, предпочтительно в диапазоне 200-400°С. Предпочтительно, пропитанную композицию прокаливают в такой степени, чтобы в конечной каталитической композиции меньше, чем 50 мас.%, предпочтительно меньше, чем 20 мас.%, никеля, добавленного во время пропитывания, превращались в никелевую шпинель. Предпочтительно, выбирают Ni(NO) в качестве соединения никеля в ходе пропитывания металлоксидного носителя. Предпочтительно, пропитанную и прокаленную композицию активируют путем восстановления, предпочтительно в атмосфере, содержащей значительное количество водорода.
2
2
Настоящее изобретение также относится способу синтеза углеводородов (Фишера-Тропша), в котором синтез-газ контактирует с катализатором согласно изобретению. Предпочтительно, этот процесс протекает в трех фазах, где реагенты являются газообразными, продукт, по меньшей мере, частично является жидкостью, и катализатор является твердым веществом. Предпочтительно, процесс протекает в колонне реактора с барботируемой суспензией. Обычно Н и СО поступают в суспензию в реакторе, причем суспензия содержит катализатор, взвешенный в жидкости, которая включает в себя продукты взаимодействия Н и СО, при этом катализатор поддерживается во взвешенном состоянии в суспензии, по меньшей мере частично, за счет барботажа газа, подаваемого в суспензию.
2
Предпочтительно, температура процесса находится в диапазоне 190-250°С, например 200-230°С. Предпочтительно, давление процесса находится в диапазоне 10-60 бар, например от 15 до 30 бар. Предпочтительно, соотношение Н/С в газах, поступающих в реактор синтеза Фишера-Тропша, находится в диапазоне от 1,1 до 2,2, например от 1,5 до 1,95. Предпочтительно, приведенная скорость газа в реакторе находится в диапазоне от 5 до 60 см/с, например от 20 до 40 см/с.
Синтетический продукт процесса Фишера-Тропша последовательно подвергают последующей обработке, которая может быть выбрана из депарафинизации, гидроизомеризации, гидрокрекинга и их сочетаний.
Настоящее изобретение относится к продуктам всех описанных здесь способов и методов.
3
2
Неожиданно было установлено, что за счет добавления никеля в качестве промотора к кобальту на поверхности оксида алюминия, активность, стабильность и/или селективность катализатора возрастает в зависимости от состава и типа используемого оксидного носителя. Никель может быть введен путем пропитки водным раствором Ni(NO) или любым другим раствором, содержащим никель, например, в виде двухвалентного иона или комплекса. Никель может находиться в том же самом пропитывающем растворе, который содержит кобальт и другие необязательные промоторы, или никель вводят на отдельной стадии пропитки. После пропитывания катализатор сушат и прокаливают при относительно умеренной температуре до 600°С, обычно при 200-400°С, но в любом случае избегают образования любого заметного количества никелевой шпинели. Замысел этого изобретения заключается в том, что никель, по меньшей мере частично, будет восстанавливаться на последующей стадии восстановления для того, чтобы играть активную роль в качестве промотора кобальта - катализатор синтеза Фишера-Тропша. Количество никеля, которое необходимо для достижения промотирующего эффекта и для оптимизации этого эффекта, будет изменяться для различных каталитических систем, в зависимости от таких факторов, как количество кобальта, тип носителя, тип других промоторов (промотора) или модификаторов (модификатора) и способа получения катализатора.
2
Кроме того, изобретение относится к способу получения углеводородов, который заключается в том, что газообразные H и СО вовлекают в процесс синтеза Фишера-Тропша в присутствии катализатора, который описан выше. Продукт синтеза Фишера-Тропша последовательно подвергают последующей обработке, которая может включать депарафинизацию, гидроизомеризацию, гидрокрекинг, промывку, очистку, фракционирование, смешение, крекинг, риформинг и их сочетания.
Описанный катализатор синтеза Фишера-Тропша пригоден для использования в трехфазном реакторе, особенно в колонне с барботируемой суспензии. Однако дополнительный вариант изобретения заключается в формовании катализатора в любую подходящую форму, такую как сферы, таблетки или экструдаты, с внедрением или без внедрений. Кроме того, добавки или связующие материалы могут быть добавлены, в случае необходимости, в ходе процесса формования. Обычно такие формованные материалы могут иметь размер в диапазоне от 1 до 20 мм и будут использоваться в реакторе с неподвижным слоем или компактном трехфазном реакторе наподобие вскипающего слоя.
2
2
2
В синтезе Фишера-Тропша работают с синтез-газом, содержащим водород и СО, в дополнение к инертным или практически инертным компонентам, таким как CO, метан и/или азот. Кроме того, могут присутствовать значительные количества водяного пара и легких углеводородов, по меньшей мере, за счет самого процесса, наряду с некоторыми олефиновыми и кислородсодержащими побочными продуктами. Температура процесса с использованием катализатора типа кобальта и предназначенным для получения главным образом парафинового воска находится в диапазоне между 190 и 250°С, более типично между 200 и 230°С. Суммарное давление может быть в диапазоне от 10 до 50 бар, типично между 15 и 30 бар. Соотношение потребляемых в этом синтезе водорода и монооксида углерода приблизительно равно 2. Поэтому соотношение Н/СО в сырье не будет сильно отличаться от указанного значения. Однако может быть выгодным использовать сырье с пониженным соотношением Н/СО, например, между 1,5 и 1,95, с целью получения повышенной селективности по продуктам С5+.
Колонна с барботируемой суспензией может включать некоторые признаки внутри оболочки реактора или может быть подсоединена как внешнее устройство. Эти признаки могут включать в себя газораспределительную систему, трубопроводы теплообменника, систему для выделения жидкого продукта из суспензии и, возможно, циркуляционные трубы для принудительной циркуляции с целью усиления возвратного перемешивания и выравнивания градиентов в реакторе. Приведенная скорость потока газа в расчете на полный диаметр реактора обычно находится в диапазоне от 10 до 60 см/с, более типично 20-40 см/с, таким образом обеспечивается работа в проточном турбулентном режиме с взбалтыванием.
В случае необходимости, продукты могут быть сконденсированы и выделены с помощью системы емкостей и колонн разделения, и смешаны для того, чтобы получить желаемые продукты. Большая часть продукта, состоящая из длинноцепочечных углеводородов, может быть обработана в атмосфере водорода при повышенной температуре и давлении в присутствии одного или нескольких катализаторов с целью удаления кислородсодержащих соединений и насыщения олефинов, крекирования цепочки до желаемой длины и изомеризации практически линейных парафинов в разветвленные парафины. Обычно при такой обработке получается синтетическое дизельное топливо или компонент смешанного дизельного топлива, которое не содержит ароматических или сернистых соединений, и кроме того, это топливо имеет очень высокий цетановый индекс (выше 50 или даже выше 70) и желаемую температуру помутнения. Другие продукты, которые могут быть получены в конечном счете, включают нафту, особенно нефтехимическую нафту, базовое масло для производства смазочных материалов и компонентов для синтеза моющих средств, таких как линейные высшие альфа-олефины, наряду с побочными продуктами - сжижаемым нефтяным газом (LPG), альфа-олефинами и кислородсодержащими соединениями.
В зависимости от фактического варианта технологического процесса Фишера-Тропша, различные улучшенные могут быть использованы различными способами. Высокая селективность в отношении С5+ означает, что может быть получена большая доля желаемой синтетической нефти или дизельного топлива за счет топливного газа и что можно уменьшить количество рециркуляционных потоков на заводе. Это приводит к снижению капиталовложений, а также затрат на сырье для данной продукции, например для дизельного топлива. Высокая стабильность и активность катализатора может обеспечить разработку более эффективных реакторов меньших размеров, а также к снижению эксплуатационных затрат в связи с потреблением катализатора. Следует ожидать, что положительный эффект промотирования никелем катализаторов синтеза Фишера-Тропша может быть достигнут в реакторе любого типа, наподобие реактора с неподвижным слоем, реактор-колонна с барботируемой суспензией, реактор с кипящим слоем, псевдоожиженный реактор, монолитный реактор и др.
Теперь настоящее изобретение будет проиллюстрировано следующими не ограничивающими примерами.
Некоторые испытания в неподвижном слое активированных катализаторов были осуществлены в лабораторной установке с четырьмя реакторами. Смешивают приблизительно 1 г катализатора (фракция частиц контролируемого размера) с пятикратным объемом инертных частиц SiC. Восстановление проводят при температуре 350°С в реакторе (in situ), используя водород в качестве восстанавливающего газа. Этап восстановления продолжается 16 часов. В указанных условиях значительная часть доступного кобальта переходит в каталитически активное состояние. Затем осторожно добавляют смесь водорода и СО в соотношении около 2:1. Спустя 20 часов работы в потоке смеси при 210°С и общем давлении 20 бар, устанавливают такую объемную скорость, чтобы получить по данным анализа величину степени превращения СО между 45 и 50%, через 90 часов. Крайне важно проводить сопоставления селективности, а также активности катализаторов при одинаковом значении степени превращения, поскольку концентрация водяного пара, образовавшегося за счет реакции, оказывает сильное влияние на характеристики катализатора.
Все использованные катализаторы имеют номинальное содержание кобальта 12% или 20 мас.% и 0,5 мас.% Re (или рений отсутствует), рассчитано в предположении, что в восстановленных катализаторах кобальт и рений полностью восстановлены. Фактическое содержание металлов, найденное методами рентгеновской флуоресценции (XRF) или индуцируемой плазмы (ICP), могут отличаться вплоть до ±10%, то есть содержание кобальта - между 18 и 22 мас.% от суммарной массы восстановленного катализатора при номинальном составе 20 мас.% Со.
5
Данные в таблице 1 демонстрируют, что добавка Ni к кобальтовому или Co/Re-катализатору значительно повышает активность. Кроме того, неожиданно оказалось, что Ni может замещать Re в качестве промотора. Еще более неожиданно оказалось, что добавка Ni к кобальтовому катализатору, или в качестве второго промотора, или вместо Re не снижает селективность по C+, как можно было ожидать, поскольку известно, что никель обладает гидрирующей способностью.
Кроме того, Ni оказывает стабилизирующее влияние на активность катализатора.
Результаты типичных испытаний для двух классов носителей обобщены в таблице 2. Отметим, что альфа-оксид алюминия в качестве носителя катализатора может быть получен из гамма-оксида алюминия в результате высокотемпературной обработки в диапазоне температур 1000-1300°С.
Носитель - модифицированный альфа-оксид алюминия, содержащий шпинельное соединение, может быть приготовлен путем пропитки гамма-оксида алюминия или другого оксида алюминия или предшественника оксид алюминия с высокой площадью поверхности раствором двухвалентного иона металла с последующим прокаливанием при высокой температуре. Указанный двухвалентный металл может быть переходным металлом или щелочно-земельным металлом, никель является предпочтительным, и последующее прокаливание может быть осуществлено в диапазоне температур от 1100 до 1250°С, например при 1160°С.
Благоприятное влияние никелевого промотора на стабильность катализатора видно для всех трех использованных материалов носителя. Оптимальная добавка никеля может изменяться для различных каталитических систем, однако, в большинстве случаев, по-видимому, добавка в диапазоне 2-5 мас.% будет достаточной. Это будет соответствовать 10-50 мас.% никеля относительно кобальта или предпочтительно 10-30 мас.%.
Кроме того, эти результаты демонстрируют, что катализатор, содержащий кобальт и никель в равных количествах, приводит к снижению селективности по продуктам С5+. Это неудивительно, поскольку известно, что никель способствует образованию низкомолекулярных углеводородов, особенно метана. Таким образом, когда количество никеля превышает количество кобальта, благоприятное промотирующее влияние никеля снижается, а его эффект как катализатора образования метана становится более выраженным.
Эксперименты с промышленными катализаторами демонстрируют хорошее влияние на стабильность катализатора, содержащего только 10 мас.% Ni относительно Со. Дополнительные испытания катализатора с соотношением Ni/Co=50/50 ат.% показали неблагоприятное влияние Ni в связи со снижением селективности по углеводородам С5+. Этого следовало ожидать, так как при таких высоких концентрациях никеля свойства катализатора синтеза Фишера-Тропша теперь определяются активностью никеля.
На фиг.2 приведен дополнительный пример сопоставления катализатора 18-5А, промотированного 5 мас.% Ni, со стандартным катализатором 10-14А. И в этом случае продемонстрировано, что добавка никеля в кобальт/рениевый пропитывающий раствор, очевидно, приводит к повышенной стабильности катализатора. Наблюдаемые колебания на кривых в области значений ВНР 20-30 часов вызваны регулированием объемной скорости газового потока для того, чтобы согласовать значения степени превращения.
Пример улучшения характеристик для сопоставляемых катализаторов 15-26А (квадраты) и 17-10А (ромбы) приведен на фиг.1а (вверху) и 1b (внизу). Очевидно, что катализатор 17-10А, содержащий никелевый промотор, обладает значительно большей стабильностью, приблизительно в 3 раза. Другой примечательный эффект обнаружен при сравнении значений селективности С5+ (в %) этих двух катализаторов, когда промотирование никелем дает аномальное увеличение селективности в первые 100 часов и затем выравнивается на стабильном уровне. Обычно наблюдается некоторое снижение селективности во времени.