Синтез в жидкой фазе.
Уже в первые годы промышленной эксплуатации установок синтеза на стационарном катализаторе в газовой фазе выявился ряд их существенных недостатков, к которым в первую очередь относятся:
а) плохой отвод реакционного тепла, обусловленный малой теплопроводностью катализатора. Следствием этого явилась необходимость создания большой поверхности теплообмена, что приводило к небольшой удельной производительности реактора;
б) сложность загрузки и выгрузки катализатора, так как восстановленный катализатор пирофорен;
в) невозможность существенно менять состав продуктов.
Многие из этих недостатков можно устранить, если проводить синтез в жидкой фазе. В 1953 г. была пущена установка мощностью 11,5 т углеводородов в сутки. При синтезе в жидкой фазе на железном катализаторе можно перерабатывать газ с высоким содержанием СО при глубине его превращения до 90% и получать при этом продукты, более чем на 80% состоящие из олефинов. Синтез в жидкой фазе на газе, обогащенном СО, позволяет существенно снизить метанообразование (за счет низкого парциального давления водорода) и полностью исключить местные перегревы.
Н а рис. I.4 показан реактор для синтеза углеводородов из СО и Н2 в жидкой фазе. В реакторе такого типа превращение газа протекает на измельченном железном катализаторе, суспендированном в жидкости. Наиболее подходящей жидкой средой является фракция синтетических углеводородов с высокой температурой кипения (парафиновый гач или твердый парафин).
Реактор представляет собой барботажную колонну диаметром 1,5 м с реакционным объемом 10 м3. Внутри колонны находятся охлаждающие трубки, соединенные с паросборником. В результате утилизации реакционного тепла получают водяной пар с давлением 5 МПа. Регулируя давление в паросборнике, можно поддерживать температуру синтеза в заданных пределах. Перепад температуры по высоте реактора практически отсутствует принудительного перемешивания катализаторной суспензии и хорошего теплоотвода. Для отвода тепла, выделяющегося на 1000 нм3 превращенного газа, требуемая поверхность теплообмена составляет всего 50 м2. Загрузку и выгрузку катализаторной суспензии осуществляют с помощью насосов.
Т
РИС. I.4 Реактор
синтеза углеводородов в жидкой фазе: 1-паросборник;
2-трубчатый холодильник; 3-регулятор
уровня; 4-газораспределительная
решетка;
I-вода;
II-пар; III-реакционный
газ; IV-синтез-газ.
Р ИС. I.5. Схема синтеза углеводородов в жидкой фазе:
1-компрессор; 2-теплообменник; 3-реактор; 4-конденсатор; 5-продуктовые емкости; 6-разделительные емкости; 7-насосы; 8-фильтр; 9-центрифуга; 10-установка для выделения СО; 11-аппарат для приготовления суспензии катализатора; 12-емкость для масла;
I-очищенный газ; II-вода; III-водяной пар; IV-вода; V-низкокипящие первичные продукты; VI-высококипящие первичные продукты; VII-отработанный катализатор; VIII-остаточный газ; IX-СО2; X-свежий катализатор.
Высококипящие первичные продукты синтеза не выносятся с остаточным газом - их выделяют из суспензии, которую на специальном фильтре 8, работающем под давлением, отделяют от катализатора, возвращаемого в реактор.
Оксидный железный осажденный катализатор, тонко измельченный в жидкой среде до размеров 5-50 мкм, поступает в аппарат 11. Перед пуском реактор заполняют жидкой средой, включают обогрев и подают синтез-газ (СО : Н2=1,5). В этих условиях начинается формирование катализатора, которое заканчивается за несколько часов. После начала синтеза выключают обогрев и регулируют температуру, отбирая водяной пар из паросборника 6 с таким расчетом, чтобы степень превращения исходного синтез-газа не превышала 90%.
Основные показатели синтеза в жидкой фазе приведены в табл. I.2. Видно, что синтез в таких условиях в присутствии железного катализатора приводит к образованию главным образом углеводородов бензиновой фракции.
Таблица I.2. Состав продуктов жидкофазного синтеза.
Продукты |
Доля, % масс. |
Продукты |
Доля, % масс. |
Метан+этан Этилен Углеводороды С3 Углеводороды С4 |
3,2 3,6 22,6 5,1 |
Фракции 0С 40-180 180-220 220-320 320 |
53,6 4,0 6,0 1,9 |
Синтез в жидкой фазе, кроме того, обладает гибкостью: меняя условия проведения процесса и состав исходного синтез-газа, можно получать продукты различного состава.