Синтез Фишера—Тропша

Управление селективностью при синтезе

Процессом Фишера — Тропша можно производить из угля сырье и полупродукты для органического синтеза. Однако чтобы это про­изводство было экономичным, следует принимать во внимание ряд факторов. Наибольшее значение имеют стоимость синтез-газа из угля и пригодность его для дальнейшей химической переработки в сопоставлении с производством синтез-газа из других видов сырья. Далее, соответствующий способ синтеза должен быть отработан в промышленном масштабе. Примером этому является про­цесс, применяемый фирмой Sasol для синтеза в потоке взвешенно­го порошкообразного катализатора.

Если при синтезе в потоке взвешенного порошкообразного ката­лизатора производят главным образом основное сырье для органи­ческого синтеза, то образующиеся продукты нужно подвергнуть нескольким стадиям разделения и переработки. Остающиеся после выделения индивидуальных олефинов С2 — С4 насыщенные углево­дороды (а также непредельные углеводороды C5 после гидрирова­ния) можно направлять, например, на пиролиз с водяным паром с целью получения главным образом этилена.

При изучении поведения и свойств катализаторов ФТ-синтеза выявлено много интересных зависимостей, однако пока рано ожи­дать успехов в создании высокоселективных промышленных ката­лизаторов. Например, имеются патенты по селективному получе­нию этилена синтезом Фишера — Тропша, однако до сих пор они не смогли стать пригодной основой для технической разработки [284].

Показателями селективности, управление которыми принесло бы практическую пользу, являются следующие:

  1. распределение по величине молекул (преимущественный син­тез углеводородов со средней длиной цепи или, например, получе­ние продукта с небольшой молекулярной массой, но при малом об­разовании метана);
  2. отношение олефины : парафины в продуктах;
  3. отношение а-олефины : бета-олефины в продуктах;
  4. содержание органических кислородсодержащих соединений в продуктах;
  5. степень разветвленности цепочек углеводородных молекул.

Чтобы можно было влиять на селективность, необходимо знать тонкий механизм ФТ-синтеза. Средняя длина цепи образующихся молекул отражает отношение вероятности роста цепи к вероятно­сти ее обрыва. Удлинение алифатической цепи на одну СН2-группу связано с многими элементарными ступенями реакции. Увеличе­ние углеродной цепи на один атом С происходит, вероятно, путем внедрения СО. Затем следуют ступени передачи водорода и гидрогенолиза углерод-кислородной связи. При этих последовательных реакциях возможна также десорбция с выделением соответствую­щих продуктов [44]. При этом частично происходит элиминирование с высвобождением  активного центра  между двумя сигма-лигандами, из которых один чаще всего является водородом

элиминирование с высвобождением  активного центра 

или разложение cигма-лигандов, приводящее к а-олефинам

разложение cигма-лигандов, приводящее к а-олефинам

наряду с перемещением водорода и последующей десорбцией оле­фина с активного центра:

 

наряду с перемещением водорода и последующей десорбцией оле­фина с активного центра

Поэтому обрыв цепи происходит отчасти при взаимодействии с во­дородом, так что повышенное отношение Н2 : СО в синтез-газе мо­жет привести к уменьшению средней молекулярной массы продук­тов. С другой стороны, водород тоже участвует в стадиях, необхо­димых для удлинения цепи, например в отщеплении кислорода [44]:

водород тоже участвует в стадиях, необхо­димых для удлинения цепи 

С повышением температуры в каждом случае увеличивается веро­ятность обрыва цепи, но одновременно повышается селективность по метану в условиях, когда предпочтительно образуются малень­кие молекулы. Метан может получаться как путем прямого гидри­рования СО, так и через гидрогенолиз образовавшихся олефинов.

В случае железных катализаторов, которые имеют самые луч­шие предпосылки для модифицирования с целью повышения их се­лективности, щелочные промоторы способствуют образованию про­дуктов большей молекулярной массы. Кроме того, железные ката­лизаторы менее активны в отношении гидрогенолиза углеводоро­дов и позволяют проводить ФТ-синтез в относительно широком ин­тервале температур без слишком большого образования метана.

Отношение олефины: парафины в продуктах в большой мере определяется степенью последующего гидрирования олефинов. Первоначальными углеводородами, образующимися и на кобальто­вых и на железных катализаторах, являются олефины [45, 284]. Ги­дрирование олефинов происходит на центрах катализатора с ины­ми свойствами, чем те, на которых они образуются. Управление селективностью по олефинам тем самым означает направленное подавление последующего гидрирования. Действенным в этом смы­сле является, например, проведение синтеза при меньшем времени контакта и низкой степени превращения, а также выделение обра­зовавшегося продукта из рециркулирующего газа. Образованию олефинов благоприятствует также повышение парциального дав­ления СО.

Изложенное позволяет обрисовать проблемы в управлении се­лективностью при синтезе Фишера — Тропша. С одной стороны, ясна сложность взаимосвязанных зависимостей при синтезе, а с другой видно возможное значение продуктов синтеза Фишера — Тропша как сырья для химической промышленности (взамен неф­техимического).