Синтезы на основе СО и Н2

Синтезы на основе СО и Н₂

Восстановление СО на различных гетерогенных металлосодержащих катализаторах приводит к образованию различных продуктов – СН₄ , олефинов, спиртов, жидких углеводородов. Рассмотрим подробнее синтезы углеводородов по Фишеру-Тропшу и метанола.

Синтезы Фишера-Тропша (ФТ)

Процесс синтеза углеводородов из СО и Н2 открыт в Германии в 1926 г Ф.Фишером и Г.Тропшем, реализован в 1938 г в Германии и в 1955 г в ЮАР (фирма “Sasol”). Процесс является гетерогенным каталитическим процессом. Основные катализаторы – соединения железа и кобальта. Процесс может быть направлен на синтез дизельного топлива, олефинов (С2, С4), спиртов (изобутанол и высшие спирты) и высших парафинов (восков). Первая лецензия на процесс была куплена фирмой Ruhrchemie AG в 1934 г. Катализатор Co/ThO2 активен при атмосферном давлении. В дальнейшем оказалось, что процесс протекает эффективнее при давлениях 5 – 30 атм на кобальтовых катализаторах. Катализатор Fe2O3–K2O лучше работает при средних давлениях и дает лучший состав углеводородов. Фирма “Сасол” в ЮАР использовала в промышленном процессе осажденный железный катализатор при 25 атм и температурах 220 – 240оС. При этом получается бензин (С5 – С11) в количестве 33%, газойль – 16%. Высших парафинов – 40%. При повышенных температурах в кипящем слое (310 – 340оС) бензиновая фракция составляет 72%, газойль – 3%, высших парафинов 3%, спиртов и кетонов 12%.

Все реакции образования углеводородов из СО и Н2 являются экзотермическими процессами

Конверсия СО приводит к диоксиду углерода, который также дает углеводороды

Образование метана – наиболее выгодный термодинамически процесс (наиболее отрицательное значение DG0, отнесенное к атому углерода). Гидрирование СО2 термодинамически более предпочтительно, чем гидрирование СО. Реакции идут в большинстве случаев с уменьшением объема, поэтому повышение давления увеличивает степень конверсии сырья.

Особенности процессов ФТ на различных катализаторах:

все продукты преимущественно линейны;

высокое содержание олефинов, преимущественно a-олефинов, которые являются первичными продуктами синтеза;

разветвленные продукты имеют метильные ветви (причем только 2 – метильные группы);

кетоны являются метилалкилкетонами;

степень разветвления уменьшается по мере роста длины цепи.

Процесс ФТ является цепным процессом и представляет собой нетривиальную поверхностную полимеризацию. Обрыв молекулярных цепей приводит к образованию продуктов реакции.

На поверхности реализуются различные варианты стадий разрыва связи СºО, например, образование поверхностных карбидов (карбидный механизм)

с последующим образованием поверхностных –СН, –СН2 и –СН3 групп или разрыв связи СО в адсорбированном СО под действием Н2 или Надс, например,

.

На поверхности железа карбидные фазы были обнаружены, однако на Co,Ru-содержащих катализаторах, ведущих синтез ФТ, карбиды не обнаружены. Считают, что рост молекулярной цепи происходит в результате переноса метиленовой группы СН2 на алкильные группы, связанные с поверхностью:

.

В рамках такой схемы мономером в процессе роста молекулярной цепи углеводорода является метиленовая группа “СН2”. Оказалось, что распределение продуктов, зависимость массовой доли углеводородов с числом атомов Р (со степенью полимеризации Р) от Р подчиняется закону распределения Шульца-Флори, выведенному для процессов цепной полимеризации. Если через a обозначим вероятность роста молекулярной цепи на одну ступень

, (1)

где Wp и Wn – скорости роста и передачи цепи при образовании первичных a-олефинов и спиртов. Вероятность роста цепи Р раз без обрыва цепи r

(2)

Число молекул np со степенью полимеризации Р пропорционально вероятности их образования

, (3)

а массовая доля полимеров mp пропорциональна np и молекулярной массе таких молекул Mp = Mm·P (Mm – молекулярная масса мономера). В результате

(4)

Учитывая, что сумма и принимая непрерывность функции , получим

(5)

При a < 1 и a¥ = 0

(6)

, (7)

т.е. линейную зависимость от Р. В случае продуктов Фишера-Тропша уравнение (7) хорошо описывает эксперимент в интервале от Р (число атомов углерода) 4 до 11. При меньших значениях Р (С1, С2 и С3) и при Р ³ 13 наблюдаются отклонения от прямой, свидетельствующие об отличии механизмов образования С1 и С2 продуктов от механизма образования высших углеводородов. Значения a для кобальтовых катализаторов составляет 0.8 – 0.9.

Кинетически процесс ФТ очень сложен. Синтез углеводородов по ФТ – процесс многомаршрутный (обнаружено более 100 органических соединений в полученном жидком топливе). Процесс осложняется диффузией реагентов в поры катализатора через пленку углеводородов (восков). Поэтому основные кинетические модели для Fe и Co-катализаторов являются во многом эмпирическими и построены по скоростям убыли СО и Н2.

Рассматривают лишь первые стадии процессов. Так, на железном плавленом катализаторе в интервале 220 – 300оС и 15 – 50 атм обнаружено торможение процесса водой. Для лимитирующей стадии

(8)

Уравнение (8) неплохо описывает скорость убыли СО на начальных стадиях процесса (Anderson, 1956 г). Уравнение, отличающееся от (8) зависимостью по , описано в работе Huff и Satterfield (1984 г)

(9)

Предложены и другие к

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать