Способ превращения реакционной смеси, содержащей н2 и со (варианты), катализатор (варианты) и микроканальный реактор - RU2006130871A

Реферат

1. Способ превращения реакционной смеси, содержащей H₂ и СО, в продукт, содержащий по меньшей мере один алифатический углеводород, имеющий по меньшей мере 5 атомов углерода, отличающийся тем, что сначала реакционную смесь пропускают через микроканальный реактор с группой рабочих микроканалов, содержащих контактирующий катализатор Фишера-Тропша, затем осуществляют теплоперенос от рабочих микроканалов к теплообменнику, после чего получаемый продукт отводят от микроканального реактора, при этом обеспечивают объемную скорость потока реакционной смеси и продукта через рабочие микроканалы по меньшей мере 1000 ч^-1 и в результате получают по меньшей мере 0,5 г алифатического углеводорода, имеющего по меньшей мере 5 атомов углерода, на грамм катализатора в час, с селективностью по метану в продукте менее чем приблизительно 25%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в микроканальном реакторе используют все рабочие микроканалы с внутренними размерами по ширине или высоте не более чем приблизительно 10 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочие микроканалы выполняют из материала, выбранного из группы, включающей сталь, монель, инконель, алюминий, титан, никель, медь, латунь, сплав любого из упомянутых выше металлов, полимер, керамику, стекло, композит, содержащий полимер и стекловолокно, кварц, кремний, и комбинацию двух или более из указанных компонентов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве средства теплопереноса используют теплообменник, содержащий теплообменные каналы, смежные с рабочими микроканалами.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что теплообменные каналы являются микроканалами.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что используют все теплообменные каналы с внутренними размерами по ширине или высоте не более чем приблизительно 10 мм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один рабочий микроканал соприкасается с теплообменным каналом, имеющим такую же длину.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в теплообменнике используют теплообменную зону, которую размещают смежно с по меньшей мере одним рабочим микроканалом и составляют из группы теплообменных каналов, продольное направление которых перпендикулярно продольному направлению рабочего микроканала, при этом теплообменную зону располагают продольно в том же направлении, что и рабочий микроканал, а длину теплообменной зоны задают меньше длины рабочих микроканалов, имеющих вход и выход, при этом теплообменную зону располагают на входе в рабочие микроканалы или в зоне этого входа.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в теплообменнике используют две теплообменные зоны, которые размещают смежно с по меньшей мере одним рабочим микроканалом, имеющим вход и выход, и составляют каждую из группы теплообменных каналов, продольное направление которых перпендикулярно продольному направлению рабочего микроканала, при этом теплообменные зоны располагают продольно в том же направлении, что и рабочий микроканал, а длину теплообменных зон задают меньше длины рабочего микроканала, причем длину одной теплообменной зоны берут меньше длины другой теплообменной зоны, при этом теплообменные зоны располагают на входе в рабочий микроканал или в зоне этого входа.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что теплообменные каналы выполняют из материала, выбранного из группы, включающей сталь, монель, инконель, алюминий, титан, никель, медь, латунь, сплав любого из упомянутых выше металлов, полимер, керамику, стекло, композит, содержащий полимер и стекловолокно, кварц, кремний, и комбинацию двух или более из указанных компонентов.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют микроканальный реактор, в котором каждый рабочий микроканал имеет вход и выход, причем через выход осуществляют отвод из микроканального реактора продукта и непрореагировавших компонентов реакционной смеси, а по меньшей мере часть непрореагировавших компонентов рециклируют ко входу в микроканальный реактор.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочие микроканалы направляют реакционную смесь, на выходе получают продукт, причем разницу температур реакционной смеси и продукта поддерживают на уровне приблизительно 200°С.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют исходную реакционную смесь с мольным отношением H₂ к СО в интервале от приблизительно 0,8 до приблизительно 10.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют исходную реакционную смесь, дополнительно содержащую Н₂О, CO₂, углеводород, имеющий от 1 до 4 атомов углерода, или смесь двух или более из них.

15. Способ по п.4, отличающийся тем, что осуществляют теплообмен между рабочими микроканалами и теплоносителем, проходящим через теплообменные каналы.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что при прохождении теплоносителя через теплообменные каналы обеспечивают изменение его фазового состояния.

17. Способ по п.4, отличающийся тем, что в теплообменных каналах проводят эндотермическую химическую реакцию.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что в качестве эндотермической химической реакции проводят паровой реформинг или реакцию дегидрирования.

19. Способ по п.4, отличающийся тем, что реакционную смесь и продукт пропускают через рабочие микроканалы в первом направлении, а поток теплоносителя пропускают через теплообменные каналы во втором направлении, перпендикулярном направлению первого потока.

20. Способ по п.4, отличающийся тем, что реакционную смесь и продукт пропускают через рабочие микроканалы в первом направлении, а поток теплоносителя пропускают через теплообменные каналы во втором направлении, совпадающем с направлением первого потока.

21. Способ по п.4, отличающийся тем, что реакционную смесь и продукт пропускают через рабочие микроканалы в первом направлении, а поток теплоносителя пропускают через теплообменные каналы во втором направлении, параллельном направлению первого потока и направленном в противоположную сторону.

22. Способ по п.4, отличающийся тем, что через теплообменные каналы пропускают теплоноситель, выбранный из группы, включающей воздух, пар, воду, диоксид углерода, газообразный азот, жидкий азот, газообразный углеводород или жидкий углеводород.

23. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют катализатор, содержащий Со, Fe, Ni, Ru, Re, Os или оксид одного из них, или комбинации двух или более из указанных компонентов.

24. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют катализатор, содержащий промотор, выбранный из металлов IA, IIA, IIIB или IIB групп или оксид одного из них, металлический лантанид или оксид, металлический актинид или оксид, или комбинации двух или более из указанных компонентов.

25. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют катализатор, содержащий промотор, выбранный из группы, включающей Li, В, Na, К, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Се или Th или оксид одного из них, или комбинации двух или более из указанных компонентов.

26. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют катализатор, содержащий носитель, выбранный из оксида алюминия, оксида циркония, оксида кремния, фторида алюминия, фторированного оксида алюминия, бентонита, оксида церия, оксида цинка, алюмосиликата, карбида кремния, молекулярных сит, или комбинации двух или более из указанных компонентов.

27. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют катализатор, нанесенный на подложку из тугоплавкого оксида.

28. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор содержит композицию, представленную следующей формулой:

CoM¹_aM²_bO_x,

где М¹ означает Fe, Ni, Ru, Re, Os или смесь двух или более из указанных металлов;

М² означает Li, В, Na, К, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Се или Th или смесь из двух или более из указанных металлов;

а означает число в интервале от нуля до приблизительно 0,5;

b означает число в интервале от нуля до приблизительно 0,5;

х означает количество атомов кислорода, необходимое для соблюдения электронейтральности, учитывая валентности указанных элементов.

29. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор содержит Со, нанесенный на оксид алюминия, причем содержание Со составляет по меньшей мере 5 мас.%.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что катализатор дополнительно содержит Re, Ru или их смесь.

31. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор содержит каталитический металл и носитель, причем катализатор изготовлен посредством пропитки носителя композицией, содержащей каталитический металл для получения промежуточного каталитического продукта, обжига полученного промежуточного каталитического продукта, пропитки обожженного промежуточного продукта другой композицией, содержащей каталитический металл, с получением второго промежуточного каталитического продукта, и обжига второго промежуточного каталитического продукта с получением катализатора.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что композиция, содержащая каталитический металл, представляет собой раствор нитрата кобальта, а носителем является оксид алюминия.

33. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор используют в форме твердых частиц.

34. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на внутренние стенки рабочих микроканалов, осаждают на внутренние стенки рабочих микроканалов из раствора или наносят in situ на структуру ребер.

35. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, изготовленную из материала, представляющего собой сплав, содержащий Ni, Cr и Fe, или сплав, содержащий Fe, Cr, Al и Y.

36. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, имеющую обтекаемую, проточную или змеевидную конфигурацию.

37. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, выполненную из пены, войлока, ваты, или в виде ребра, или комбинации двух или более из указанных компонентов.

38. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку в форме обтекаемой структуры с прилегающим проходом, такой как войлок или пена; узла ребер, расположенных с зазорами; покрытия с увеличенной площадью активной поверхности, нанесенного на подложку; или металлической сетки, размещенной с соответствующим зазором.

39. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, выполненную в форме узла ребер, содержащего по меньшей мере одно ребро.

40. Способ по п.39, отличающийся тем, что в узел ребер включают группу параллельных разнесенных ребер.

41. Способ по п.39, отличающийся тем, что ребро имеет внешнюю поверхность, по меньшей мере часть которой покрывают пористым материалом, а катализатор наносят на этот пористый материал.

42. Способ по п.41, отличающийся тем, что пористый материал представляет собой покрытие, волокна, пену или войлок.

43. Способ по п.39, отличающийся тем, что ребро имеет внешнюю поверхность и группу волокон или элементов, выступающих по меньшей мере из части этой поверхности, при этом катализатор наносят на выступающие элементы.

44. Способ по п.39, отличающийся тем, что ребро имеет внешнюю поверхность, на по меньшей мере часть которой наносят катализатор в виде покрытия с увеличенной площадью активной поверхности или посредством выделения из раствора, или осаждения из паровой фазы.

45. Способ по п.39, отличающийся тем, что используют узел ребер включающий группу параллельных разнесенных ребер, по меньшей мере одно из которых имеет отличающуюся длину по сравнению с остальными ребрами.

46. Способ по п.39, отличающийся тем, что используют узел ребер включающий группу параллельных разнесенных ребер, по меньшей мере одно из которых имеет отличающуюся высоту по сравнению с остальными ребрами.

47. Способ по п.39, отличающийся тем, что ребро выполняют с поперечным сечением в форме квадрата, прямоугольника или трапеции.

48. Способ по п.39, отличающийся тем, что ребро выполняют из материала, выбранного из группы, включающей сталь, алюминий, титан, железо, никель, платину, родий, медь, хром, латунь, сплав любого из выше упомянутых металлов, полимер, керамику, стекло, композиционный полимер и стекловолокно; кварц, кремний, и комбинацию двух или более из указанных компонентов.

49. Способ по п.39, отличающийся тем, что ребро выполняют из материала, представляющего собой сплав, содержащий Ni, Cr и Fe, или сплав, содержащий Fe, Cr, Al и Y.

50. Способ по п.39, отличающийся тем, что ребро выполняют из материала, образующего Al₂O₃ или материала, образующего Cr₂O₃.

51. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют рабочие микроканалы, характеризующиеся величиной зоны объемного потока, составляющей от приблизительно 5 до приблизительно 95% сечения этих рабочих микроканалов.

52. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают время контактирования реакционной смеси и/или продукта с катализатором, не превышающее приблизительно 2000 мс.

53. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают температуру реакционной смеси на входе рабочего микроканала в интервале от приблизительно 150 до приблизительно 270° С.

54. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают давление внутри рабочих микроканалов по меньшей мере 5 атм.

55. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток реакционной смеси и продукта пропускают через рабочие микроканалы с объемной скоростью от приблизительно 1000 до приблизительно 1,000,000 ч^-1.

56. Способ по п.1, отличающийся тем, что при прохождении через рабочий микроканал потока реакционной смеси и продукта обеспечивают падение давления потока не более приблизительно 10 атм на метр длины рабочего микроканала.

57. Способ по п.4, отличающийся тем, что через теплообменные каналы пропускают теплоноситель, причем падение давления в потоке теплоносителя не превышает приблизительно 10 атм на метр длины теплообменных каналов.

58. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают конверсию СО в результате одного цикла по меньшей мере 40%.

59. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают выход продукта после осуществления одного цикла по меньшей мере приблизительно 25%.

60. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе осуществления одного цикла конверсии обеспечивают степень конверсии СО по меньшей мере приблизительно 50%, селективность по метану в продукте не более 15%, а выход продукта по меньшей мере 35%.

61. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют катализатор в форме твердых частиц, средний диаметр которых находится в интервале от приблизительно 1 до приблизительно 1000 мкм, а длина каждого рабочего микроканала составляет до приблизительно 500 см.

62. Способ по п.1, отличающийся тем, что в результате осуществления способа получают продукт, состоящий из углеводородов, кипящих при атмосферном давлении при температуре не более, чем приблизительно 350°С.

63. Способ по п.1, отличающийся тем, что в результате осуществления способа получают продукт, состоящий из углеводородов, кипящих при атмосферном давлении при температуре не более, чем приблизительно 350°С.

64. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают продукт, представляющий собой средний дистиллят.

65. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают продукт, содержащий по меньшей мере один олефин.

66. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают продукт, содержащий нормальный парафин, изопарафин или их смесь.

67. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный продукт дополнительно обрабатывают посредством гидрокрекинга, гидроизомеризации или депарафинизиции.

68. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный продукт дополнительно обрабатывают с получением смазочного масла или дизельного топлива.

69. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционную смесь и продукт пропускают сверху вниз через рабочие микроканалы, ориентированные вертикально.

70. Способ по п.1, отличающийся тем, что после удаления продукта из микроканального реактора через рабочие микроканалы пропускают регенерирующую текучую среду, которая контактирует с катализатором, причем обеспечивают время выдерживания регенерирующей текучей среды в рабочих микроканалах от приблизительно 0,01 до приблизительно 1000 с.

71. Способ превращения реакционной смеси, содержащей H₂ и СО, в продукт, содержащий, по меньшей мере, один алифатический углеводород, имеющий по меньшей мере 5 атомов углерода, отличающийся тем, что сначала реакционную смесь пропускают через микроканальный реактор с группой рабочих микроканалов, содержащих катализатор Фишера-Тропша, находящийся в форме неподвижных твердых частиц, затем осуществляют теплоперенос от рабочих микроканалов к теплообменнику, после чего получаемый продукт отводят от микроканального реактора, при этом обеспечивают время контакта реакционной смеси с катализатором не более чем приблизительно 300 мс, а объемную скорость потока реакционной смеси и продукта через рабочие микроканалы по меньшей мере 1000 ч^-1 и в результате получают по меньшей мере 0,5 г алифатического углеводорода, имеющего по меньшей мере 5 атомов углерода, на грамм катализатора в час, с селективностью по метану в продукте менее, чем приблизительно 25%.

72. Способ превращения реакционной смеси, содержащей H₂ и СО, в продукт, содержащий по меньшей мере один алифатический углеводород, имеющий по меньшей мере 5 атомов углерода, отличающийся тем, что сначала реакционную смесь пропускают через микроканальный реактор с группой рабочих микроканалов, содержащих катализатор Фишера-Тропша, находящийся в форме неподвижных твердых частиц, и состоящий из Со, нанесенного на оксид алюминия, причем содержание Со составляет по меньшей мере 25 мас.%, а дисперсия Со составляет по меньшей мере 3%; осуществляют теплоперенос от рабочих микроканалов к теплообменнику, после чего полученный продукт отводят от микроканального реактора, при этом обеспечивают время контакта реакционной смеси с катализатором не более, чем приблизительно 300 мс и в результате получают по меньшей мере 0,5 грамма алифатического углеводорода, имеющего по меньшей мере 5 атомов углерода, на грамм катализатора в час, с селективностью по метану в продукте менее, чем приблизительно 25%.

73. Катализатор, содержащий приблизительно 25 мас.% Со, нанесенного на оксид алюминия, с дисперсией Со по меньшей мере приблизительно 3%.

74. Катализатор по п.73, дополнительно содержащий Re, Ru или их смесь.

75. Катализатор, содержащий Со и носитель, отличающийся тем, что катализатор получен путем пропитки носителя составом, содержащим Со, для получения промежуточного каталитического продукта, обжига полученного промежуточного каталитического продукта, пропитки обожженного промежуточного продукта составом, содержащим Со, с получением второго промежуточного каталитического продукта и обжига второго промежуточного каталитического продукта с получением катализатора, содержащего не менее 25 мас.% Со.

76. Катализатор по п.72, отличающийся тем, что носитель представляет собой оксид алюминия.

77. Микроканальный реактор, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один рабочий микроканал, имеющий вход и выход, и по меньшей мере одну теплообменную зону, смежную с рабочим микроканалом, причем теплообменная зона включает в себя группу теплообменных каналов, продольное направление которых перпендикулярно продольному направлению рабочего микроканала, и расположена продольно в том же направлении, что и рабочий микроканал, на входе в микроканальный реактор или в зоне этого входа, при этом длина теплообменной зоны меньше длины рабочего микроканала, а ширина рабочего микроканала на выходе из рабочего микроканала или в зоне этого выхода больше ширины рабочего микроканала на входе в рабочий микроканал или в зоне этого входа.

78. Реактор по п.77, отличающийся тем, что по меньшей мере одна теплообменная зона состоит из двух частей, одна из которых длиннее другой.

79. Реактор по п.77, отличающийся тем, что внутренний размер рабочего микроканала составляет не более, чем приблизительно 10 мм.

80. Реактор по п.77, отличающийся тем, что рабочий микроканал изготовлен из материала, выбранного из группы, включающей сталь, монель, инконель, алюминий, титан, никель, медь, латунь, сплав любых вышеупомянутых металлов, полимер, керамику, стекло композит, содержащий полимер и оптоволокно, кварц, кремний, или комбинацию двух или более из указанных компонентов.

81. Реактор по п.77, отличающийся тем, что теплообменные каналы являются микроканалами.

82. Реактор по п.77, отличающийся тем, что внутренний размер теплообменных каналов составляет не более чем приблизительно 10 мм.

83. Реактор по п.77, отличающийся тем, что теплообменные каналы изготовлены из материала, выбранного из группы, включающей сталь, монель, инконель, алюминий, титан, никель, медь, латунь, сплав любых вышеупомянутых металлов, полимер, керамику, стекло, композит, содержащий полимер и оптоволокно; кварц, кремний, и комбинацию двух или более из указанных компонентов.