Синтез Фишера—Тропша

Технологическая гибкость способа

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
синтезе  

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.