Процесс фишера тропша кратко

Обновлено: 04.07.2024

Процесс Фишера-Тропша включает в себя снижение путем гетерогенного катализа из окиси углерода (СО) с помощью водорода (H ₂ ) для того , чтобы превратить их в углеводороды . В этом химическом процессе , то наиболее распространенных катализаторов являются железо , кобальт или рутений , а также никель , но последний будет иметь тенденцию к форме метана (СН ₄ ) (тогда мы говорим о метанировании ). Преимущество конверсии заключается в получении синтетической сырой нефти из угля или газа . Этот процесс имеет очень хорошую доходность, но требует очень больших инвестиций , что делает его экономически уязвимым к колебаниям цен на нефть в сторону понижения .

Резюме

Механизм

Процесс Фишера-Тропша, открытый двумя его изобретателями, схематически выглядит следующим образом:

(2 n +1) H ₂ + n CO → C _n H _{2 n +2} + n H ₂ O

Другие углеводороды также образуются в больших количествах: 1- алкены, а также следы спиртов , кетонов , альдегидов и сложных эфиров . Реактивная смесь окиси углерода и водорода называется синтез-газом или синтез- газом . Полученная продукция, которая находится в форме твердых при комнатной температуре парафинов или жидкой смеси углеводородов , затем преобразуется с помощью процесса, называемого гидроизомеризацией, для получения желаемого синтетического топлива (в основном газойля и бензина ). Подробный механизм ступенчатого распространения цепи был проверен в 1981 году Робертом К. Брэди III и Р. Петтитом из Техасского университета .

Реакция Фишера-Тропша является сильно экзотермической реакцией из-за стандартной энтальпии реакции (ΔH) -165 кДж / моль CO вместе.

Происхождение синтез-газа

История

Изобретение процесса Фишера-Тропша датируется 1923 годом, что соответствует дате подачи первого патента, выданного двум немецким исследователям, Францу Фишеру и Гансу Тропшу , работавшим в Институте кайзера Вильгельма в Мюльхайм-ан-дер-Рур , в ту эпоху. посвященный валоризации угля.

Этот процесс основан на каталитическом восстановлении оксидов углерода водородом с целью превращения их в углеводороды. Его интерес заключается в производстве смеси углеводородов, которая затем подвергается гидрокрекингу ( гидроизомеризации ) с целью получения синтетического жидкого топлива (синтоплива) из угля, газа или, в последнее время, биомассы.

Этот процесс был разработан и эксплуатируется во время Второй мировой войны по Германии , бедной нефти и нефтяных колоний , но богатой углем, для получения жидкого топлива, массово используемый немцами и японцами во время конфликта. Глобальны. Таким образом, в 1934 году Ruhrchemie AGS открыла первый опытный завод, а в 1936 году он начал промышленное производство. В начале 1944 года Третий Рейх производил около 124 000 баррелей топлива в день из угля, что составляло более 90% его потребностей в топливе. авиационный бензин и более 50% всей потребности страны в топливе. Эта продукция производилась на 18 заводах прямого сжижения, а также на девяти небольших заводах FT, которые производили около 14 000 баррелей в день.

Япония также пытались производить топливо из угля, производство происходит в основном карбонизации при низких температурах, очень эффективный , но простой процесс. Однако компания Mitsui приобрела лицензию на процесс Фишера-Тропша у Ruhrchemie, чтобы построить три завода в Миике , Амагасаки и Такикава , которые так и не достигли своей номинальной мощности из-за проблем с проектированием. В 1944 году Япония произвела 114 000 тонн топлива из угля, но только 18 000 из них были произведены с использованием процесса Фишера-Тропша.

Между 1944 и 1945 годами немецкие и японские заводы сильно пострадали от бомбардировок союзников, и большинство из них было демонтировано после войны.

Процесс Arge (разработанный Ruhrchemie- Lurgi(de) ) для производства углеводородов с высокой температурой кипения, таких как газойль и парафины;
Синтол - процесс производства углеводородов с более низкой точкой кипения, таких как бензин, ацетон и спирты.

Производства было достаточно для снабжения его автомобильным топливом. В 2006 году эти установки покрыли около трети потребностей Южной Африки, и компания Sasol стала одним из мировых специалистов в этой области.

После первого нефтяного шока в 1973 году , что привело цены на сырую нефть на подъеме, несколько компаний , и исследователи пытались улучшить основной процесс Фишера-Тропша, который дал начало широкого спектра аналогичных процессов., Сгруппированных по реакции Фишера-Тропша синтез или раздел химии Фишера-Тропша.

Синтез углеводородов на основе СО и H₂ открыт в 1923 г. Впервые он был реализован в промышленности в конце 1930-х гг. в Германии с целью получения жидкого топлива.

Гидрирование оксида углерода с образованием парафиновых и олефиновых углеводородов протекает:

Синтез Фишера — Тропша сопровождается двумя побочными реакциями:

Наиболее активными катализаторами процесса Фишера — Тропша являются железо, кобальт, никель и рутений. На этих катализаторах в условиях синтеза обеспечивается максимальная скорость химической и физической адсорбции компонентов синтез-газа. В настоящее время все действующие производства Фишера — Тропша используют только железные катализаторы. В качестве промоторов применяются ториевые (ThO₂) и щелочные (K₂O) соединения. Эти промоторы особенно эффективны в сочетании с железными катализаторами.

Типичными носителями являются оксиды алюминия (Al₂O₃), кремния (SiO₂), полистирол и др.

Существует три разновидности осуществления процесса Фишера — Тропша:

Синтез углеводородов с неподвижным слоем катализатора осуществляется в трубчатых реакторах. Катализатор помещается в трубки с внутренним диаметром 50 мм и длиной 12 м. В каждом реакторе содержится ~ 2000 таких трубок. В процессе используется 8 реакторов, 5 из которых работают при температуре 220–225 °С, а остальные — при 320 °С. В системе поддерживается давление 1,7–2,5 МПа.

Недостатками процесса Фишера — Тропша с неподвижным слоем катализатора являются:

низкая теплоотдача в слое катализатора;
трудности с регулированием температуры; требуется организация большого рецикла газового потока;
забивка трубок углеродистыми соединениями или воскообразными продуктами.

Реактор с неподвижным слоем катализатора приведен на рис. 13.17, упрощенная схема потоков работы реактора с пневмотранспортным слоем катализатора — на рис. 13.18.

Рис. 13.17. Реактор с неподвижным слоем катализатора:
1 — паровой подогреватель;
2 — трубчатый пучок с катализатором;
3 — корпус реактора;
I — синтез-газ;
II — продукты синтеза на охлаждение и конденсацию;
III — твердый парафин;
IV — пар;
V — отработанный пар

Рис. 13.18. Реактор с псевдосжиженным слоем:
1 — реактор;
2 — катализатор;
3 — стояк; 4 — золотник;
5 — теплооменник;
6 — батареи циклонов;
I — синтез-газ свежий и рециркулирующий;
II — газообразные продукты синтеза на охлаждение и конденсацию;
III — вода; IV — пар

Процесс Фишера — Тропша с псевдоожиженным слоем. Частицы катализатора в реакторе находятся в потоке синтез-газа в подвижном состоянии. Вследствие высокой скорости теплообмена в этих реакторах достигается хороший контроль температуры. Катализатор непрерывно регенерируется путем вывода его части и подпитки реактора свежим.

Свежий и циркуляционный синтез-газ подаются в нижнюю часть реактора 1 при давлении 2,2 МПа. Мелкозернистый горячий катализатор вытекает из стояка 3 через золотник 4 и попадает в газовый поток. Псевдоожиженная газокатализаторная смесь в теплообменнике 5 отдает тепло и поступает в реакционную зону реактора. Вверху реактора вмонтированы две батареи 6 циклонов, через которые отводятся продукты синтеза.

Процесс со стационарным суспендированным слоем катализатора

В реакторах с суспендированным слоем катализатора синтез-газ барботирует через суспензию мелко измельченного катализатора ( 50 мкм). Регулирование температуры процесса осуществляется с помощью наружных теплообменников. Обычно в качестве жидкой среды используют высококипящие продукты, нелетучие в условиях синтеза. Поскольку в данном процессе отложения углерода на поверхности катализатора заметно не изменяют его активность, процесс можно осуществлять при более высоких температурах по сравнению с синтезом с псевдоожиженным слоем. Это обстоятельство обеспечивает более высокую производительность процесса. В синтезе с суспендированным катализатором достигается повышенная конверсия газа и хороший контроль за температурой.

Реакционное устройство процесса Фишера — Тропша с суспендированным катализатором по конструктивному оформлению аналогично реактору с псевдоожиженным слоем. Отличие заключается лишь в том, что в верхней части реактора отсутствуют батареи циклонов. Однако активность суспендированного катализатора ниже, чем катализаторов в процессах Фишера — Тропша с псевдоожиженным и неподвижным слоями. Это объясняется пониженной скоростью переноса реагентов из газовой фазы к активным центрам находящегося в жидкой фазе катализатора.

Сопоставление трех разновидностей процесса Фишера — Тропша показывает, что для получения твердых парафинов более пригоден вариант процесса с псевдоожиженным слоем катализатора. Процессы с неподвижным и с суспендированным слоями катализатора обеспечивают получение более легких продуктов.

В 1936–1942 гг. в Германии, Японии и Франции было построено более 15 заводов по производству моторных топлив по процессу Фишера — Тропша, на которых использовался кобальт-торий-магниевый катализатор. Образующийся продукт содержал бензин (46 %), дизельное топливо (23 %), машинное масло (3 %), твердые парафины (28 %). К концу 1940-х гг. многие из этих заводов были закрыты.

Результатом исследований, выполненных в США, Англии, ФРГ, СССР, Польше и Индии, явилось строительство новых современных заводов процесса Фишера — Тропша в США и ЮАР с использованием железных катализаторов.

Наибольшее промышленное внедрение процесс Фишера — Тропша получил в ЮАР. Это объясняется наличием в ЮАР богатых запасов дешевого каменного угля и стремлением к независимости от экспорта нефти.

Таблица 13.2

Характеристика различных процессов по методу Фишера — Тропша

При каталитическом гидрировании оксида углерода образуются как насыщенные, так и ненасыщенные углеводороды, преимущественно с прямой цепью. Продукты изостроения получаются в небольших количествах. У олефинов двойная связь находится в основном в a -положении.

Из продуктов синтеза производят, масс. %:
Низшие углеводороды (С₃–С₄)	5,6
Бензин (С₅–С₁₂)	5,6
Дизельное топливо	16,5
Сырой парафин (воскообразные масла)	10,3
Мягкий парафин (T_плав = 57 ¸ 60 °С)	11,8
Жесткий парафин (T_плав = 95 ¸ 97 °С)	18,0
Спирты и кетоны	4,3
Органические кислоты	Следы

В последние годы интерес к синтетическому топливу, получаемому методом Фишера — Тропша, во многих странах мира заметно возобновился.

Читайте также: