Уже указывалось на особую пригодность синтеза Фишера — Тропша в жидкой фазе для выработки продуктов, по составу соответствующих требованиям потребителя. Широкие возможности такого варьирования можно показать на трех примерах синтеза, при осуществлении которых стремились к получению как высокомолекулярных парафинов, так и низкомолекулярных углеводородов.
Если нужно получать высокомолекулярные парафины (жидкие и твердые), применяли следующий способ [181]. Железный осажденный катализатор, промотированный карбонатом калия, после формирования работает при 216 — 232°С, ≈1 МПа и объемной скорости 115 ч-1 по синтез-газу состава СО:Н2= 1,3:1. Степень превращения синтез-газа в одной ступени превышает 90%. Из реактора через фильтр, работающий под давлением, отбирают фильтрат; компоненты фильтрата (с т. кип. до 320 °С), обогащенные продуктами синтеза с пределами выкипания 260—320 °С, снова возвращают в реактор. На 1 м3 смеси СО + Н2 получали 244 г суммарных продуктов, из которых 177 г образовывалось из СО + Н2. Добавочный выход (67 г) достигается в результате приращения цепи к введенным в реактор соединениям фракции 260—320 °С; при этом образуются мягкий и твердый парафин. Суммарный продукт имеет таков состав (% масс):
Углеводороды С3 — С4 | 2,9 |
Фракция 20—120 °С | 7,1 |
» 120—260 °С | 11,3 |
» 260—320 °С | 2,2 |
» 320—450 °С | 52,4 |
» выше 450 °С | 22,6 |
Спирты, получаемые из воды, образующейся при | 1,5 |
Продукт такого состава с содержанием мягкого парафина более 50% мог бы явиться очень хорошим сырьем для окисления в жирные кислоты. Получаемый с выходом 22% твердый парафин (т. пл. 102 °С; т. затв. 90,8 °С; мол. масса 1004) имеет большую товарную ценность. Его содержание в суммарном продукте можно повысить на 50% при способе работы, подобном указанному; в этом случае содержание мягкого парафина составит 33% и получатся продукты, состоящие на 83% из компонентов, кипящих выше 320 °С.
Если стремятся к получению низкомолекулярных углеводородов, то следует применять более высокие температуры, как это видно из следующего примера [182]. Железный катализатор, промо-тированный карбонатом калия, после обработки синтез-газом (СО : : Н = 1,5 : 1) эксплуатируют при 270 °С, ≈1,1 МПа и объемной скорости 180 ч-]. Степень превращения СО составляет 91%. По мере уменьшения объема катализаторной суспензии в жидкой фазе в реакторе непрерывно добавляют фракцию продуктов синтеза (290— 320 °С). Часть остаточного газа после охлаждения (но без сброса давления) добавляют к исходному газу в соотношении 1 : 1. При синтезе на 1 м3 введенной в реакцию смеси СО+Н2 получают 179 г углеводородов, включая метан и фракцию С2. Дополнительно на каждый 1 м3 смеси СО + Н2 подают 39 г «подпиточной» фракции (290—320 °С) продуктов синтеза, которую расщепляют до низкомолекулярных углеводородов. Таким образом, из 1 м3 смеси CO + Н2 образуется, 218 г продуктов такого состава:
Продукт | Содержание. % (масс.) | Доля олефинов, % (масс.) |
Углеводороды C1............................................................... | 10,6 | — |
» С2............................................................... | 4,7 | 86 |
» С3.............................................................. | 6,5 | 85 |
» С4.............................................................. | 8,3 | 85 |
Фракция 15—150°С | 51,0 | 86 |
» 150-200 °С................................... | 7,1 | 85 |
» >200°С.................................... | 10,6 | 76 |
Спирты, получаемые из воды, образующейся при синтезе | 1,2 | — |
70% продуктов (включая метан и этан) имеют т. кип. ниже 200°С. При более высокой температуре синтеза и в условиях работы с расщеплением углеводородов образуется больше метана, чем обычно. Удивительно также, что получаемая в этих условиях фракция с т. кип. до 200 °С содержит 85% олефинов. Это делает ее особенно ценной как химическое сырье.
При использовании железного катализатора, разработанного для получения низкомолекулярных жидких олефинов, но без рециркуляции части продуктов синтеза, также можно получать около 80% продуктов в виде углеводородов С2—С10 (они выкипают до 200 °С), которые найдут применение. В углеводородах С2—С4 содержится более 83% олефинов; в жидких углеводородах с т. кип. до 200°С их содержание составляет в среднем 81% (масс). Ниже приводится состав таких продуктов (в % масс), установленный по данным четкой ректификации [187]:
С2 | 4,8 | С10 | 3,0 |
С3 - С4 | 23,8 | С11 — C12 | 6,4 |
С5 | 21,1 | С13 — C15 | 5, 2 |
С6 | 6,6 | C16 — С19 | 3,7 |
C7 | 7,3 | ||
с8 | 6,9 | >С19 | 4,5 |
с9 | 5,0 | Спирты | 1,7 |
Примечание. Во фракции С3 — С5 содержание олефинов составляло 83% (масс), во фракции С5 — С10 оно равно 81% (масс).
Эти продукты получали с выходом >170 г С2 на 1 м3 исходной смеси СО+Н2 при следующих условиях: синтез-газ состава СО : Н2=1,5: 1, ≈1 МПа, 278°С. Доля метана и этана несмотря на более высокую рабочую температуру не превышала 50% от продукта, который можно было использовать.
Гибкость в отношении состава исходного синтез-газа и возможность варьирования состава продуктов жидкофазного синтеза видна также из следующих данных о составе получаемых продуктов [171:
Показатели | Получение разных продуктов | ||
с низкой мол. массой | со средней мол. массой | с высокой мол. массой | |
Выход суммарного продукта С3 и выше, г на 1 м3 смеси СО+Н2 Содержание в суммарном продукте С3 и выше, % | 162 | 172 | 182 |
С3 + С4 | 29,6 | 6,9 | 2,2 |
С5 - 190°С | 63,0 | 40,0 | 7,1 |
190—320 °С | 6,2 | 25,7 | 8,3 |
320—450 °С | 1,2 | 18,3 | 33,0 |
> 450 °С | — | 9,1 | 49,4 |
Высокие технологическая гибкость и селективность, а также большое содержание олефинов в продуктах позволяют считать, что жидкофазный синтез особенно пригоден для получения химического сырья из угля. Конечно, приемлемый для нефтехимической промышленности способ должен быть высокоселективным, т. е. давать этилен в качестве основного продукта. Однако данный способ, как и другие предложенные способы, не удовлетворяет этому требованию. Проблему высокой селективности по этилену нужно решать, идя не по пути выбора того или иного способа осуществления процесса, а по пути разработки новых способов глубокого проникания в механизм реакций. Причина небольшого содержания этилена в продуктах синтеза состоит, вероятно, в том, что ступенчатый рост углеродной цепочки на каждый атом С протекает через енольную форму альдегидного комплекса и что в случае ацетальдегида этот комплекс превращается в соединения с более высоким числом атомов С быстрее, чем в этилен [52]. Способ синтеза в жидкой фазе характеризуется гибкостью в отношении состава не только получаемых продуктов, но и синтез-газа. Если приходится использовать газы с высоким содержанием водорода, то их можно вводить в цикл (как и при других способах осуществления синтеза) только при условии удаления реакционной воды из циркулирующего газа. Соотношение циркулирующего газа и исходного газа определяется рабочими условиями; это соотношение следует выбирать таким, чтобы оксид углерода и водород перерабатывались на катализаторе в том же соотношении, в котором они поступают в процесс. Из-за более высокого парциального давления водорода образуется большее количество нежелательного метана, и содержание олефинов в продуктах снижается по сравнению с использованием синтез-газа, обогащенного оксидом углерода.