СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТА СИНТЕЗА ФИШЕРА-ТРОПША
METHOD TO PRODUCE PRODUCT OF FISCHER-TROPSCH SYNTHESIS

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
2
1. Мольное соотношение H:СО=2 (обычное значение при синтезе Фишера-Тропша)
2. Мольная доля добавляемой воды - k=0,05 (5%)
фт
3. Тепловой эффект синтеза ФТ - Q=165 кДж/моль CO
p
4. Рабочая температура синтеза ФТ - t=199°C
р
5. Рабочее давление (соответствующее температуре кипения воды 199+1=200°C). 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
2
1. Мольное соотношение Н:СО=2 (обычное значение при синтезе Фишера-Тропша)
2. Мольная доля добавляемой воды - k=0,2 (20%)
фт
3. Тепловой эффект синтеза ФТ - Q=165 кДж/моль CO
p
4. Рабочая температура синтеза ФТ - t=220°C (принимаем)
р
5. Рабочее давление (соответствующее температуре кипения воды 220+5=225°C) 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
2
1. Мольное соотношение Н:СО=2 (обычное значение при синтезе Фишера-Тропша)
2. Мольная доля добавляемой воды - k=0,5 (50%)
фт
3. Тепловой эффект синтеза ФТ - Q=165 кДж/моль CO
p
4. Рабочая температура синтеза ФТ - t=235°C (принимаем)
p
5. Рабочее давление (соответствующее температуре кипения воды 235+5=240°C). Р=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.