EA041315B1 - CATALYSTS, RELATED METHODS AND REACTION PRODUCTS - Google Patents
CATALYSTS, RELATED METHODS AND REACTION PRODUCTS Download PDFInfo
- Publication number
- EA041315B1 EA041315B1 EA201990250 EA041315B1 EA 041315 B1 EA041315 B1 EA 041315B1 EA 201990250 EA201990250 EA 201990250 EA 041315 B1 EA041315 B1 EA 041315B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- synthesis gas
- catalyst
- water
- gas
- oxygen
- Prior art date
Links
Description
Область техникиTechnical field
В целом, изобретение относится к улучшенным катализаторам, обеспечивающим пониженное содержание загрязняющих веществ в продукте, связанным способам и улучшенным продуктам реакции. Более конкретно, настоящее изобретение относится к улучшенному прямому производству топлива и окислительно-восстановительным катализаторам, обеспечивающим пониженные уровни некоторых оксигенированных загрязняющих веществ, способам, связанным с применением указанных катализаторов, и топливу или связанным с топливом продуктам, имеющим улучшенные характеристики.In general, the invention relates to improved catalysts providing reduced product contaminants, associated processes, and improved reaction products. More specifically, the present invention relates to improved direct fuel production and redox catalysts providing reduced levels of certain oxygenated contaminants, methods associated with the use of these catalysts, and fuel or fuel-related products having improved performance.
Уровень техникиState of the art
Интегрированное превращение газофазных углеводородных ресурсов в жидкие углеводороды и топлива обычно состоит из шести основных процессов (A. de Klerk: Fischer-Tropsch (F-T) Refining, Wiley Verlag, 2012). Указанные процессы включают: 1) получение и очистку синтез-газа; и 2) каталитическое превращение синтез-газа в жидкие углеводороды (топлива), катализаторную реакционную воду, хвостовой газ и воск; 3) разделение и сбор жидких углеводородов, катализаторной реакционной воды и воска из хвостового газа; 4) рециркуляцию хвостового газа для получения дополнительного количества синтезгаза и/или для применения в качестве топочного мазута; 5) повышение качества/рафинирование восков с получением топлив и химических продуктов; и 6) очистку и предварительную обработку катализаторной реакционной воды перед рециркуляцией, повторным применением и/или утилизацией.The integrated conversion of gas-phase hydrocarbon resources into liquid hydrocarbons and fuels usually consists of six main processes (A. de Klerk: Fischer-Tropsch (F-T) Refining, Wiley Verlag, 2012). These processes include: 1) production and purification of synthesis gas; and 2) catalytically converting the synthesis gas into liquid hydrocarbons (fuels), catalyst reaction water, tail gas, and wax; 3) separation and collection of liquid hydrocarbons, catalyst reaction water and wax from the tail gas; 4) recirculation of the tail gas to obtain additional amounts of synthesis gas and/or for use as fuel oil; 5) upgrading/refining waxes to produce fuels and chemicals; and 6) purification and pretreatment of the catalyst reaction water prior to recycling, reuse and/or disposal.
Относительные доли хвостового газа, жидких углеводородов, катализаторной реакционной воды и воска зависят от типа и состава катализатора; состава и чистоты синтез-газа; типа и конструкции каталитического реактора; и условий работы катализатора.The relative proportions of tail gas, liquid hydrocarbons, catalyst reaction water and wax depend on the type and composition of the catalyst; composition and purity of synthesis gas; type and design of the catalytic reactor; and operating conditions of the catalyst.
Синтез-газ можно получить из многих видов углеродсодержащих ресурсов, включая природный газ, уголь, биомассу или фактически любое углеводородное сырье, посредством газификации или процессов термохимического превращения. Получение синтез-газа обычно подразделяют на процессы, в которых: 1) используют кислород или воздух, или 2) процессы, которые исключают применение кислорода или воздуха.Synthesis gas can be obtained from many types of carbonaceous resources, including natural gas, coal, biomass, or virtually any hydrocarbon feedstock, through gasification or thermochemical conversion processes. Syngas production is generally classified into processes that: 1) use oxygen or air, or 2) processes that do not use oxygen or air.
Несмотря на работу, которая была проделана в этой области, в данной области техники все еще имеется потребность в новых и улучшенных катализаторах, связанных способах и улучшенных продуктах реакции.Despite the work that has been done in this area, there is still a need in the art for new and improved catalysts, related processes, and improved reaction products.
Краткое описание изобретенияBrief description of the invention
Варианты реализации настоящего изобретения предлагают улучшенные способы, которые делают возможной прямую рециркуляцию катализаторной реакционной воды в процессы получения углеводородного синтез-газа без необходимости очистки воды и других способов предварительной обработки воды, описанных в современной области техники.Embodiments of the present invention provide improved methods that enable direct recycling of catalyst reaction water to hydrocarbon synthesis gas production processes without the need for water purification and other water pretreatment methods described in the state of the art.
Предложенные усовершенствования включают: 1) улучшенный катализатор для прямого получения топлива, синтезируемый с применением носителя, поверхность которого имеет нейтральный показатель рН (например, поверхность не является ни кислой, ни основной); и 2) улучшенный окислительновосстановительный катализатор, который используют совместно с улучшенным катализатором для прямого получения топлива.Suggested improvements include: 1) an improved direct fuel catalyst synthesized using a support whose surface has a neutral pH (eg, the surface is neither acidic nor basic); and 2) an improved redox catalyst that is used in conjunction with an improved direct fuel catalyst.
Комбинация таких инноваций приводит к получению катализаторной реакционной воды, не содержащей вредных карбоновых кислот, и в результате такую катализаторную реакционную воду можно рециркулировать непосредственно в процесс получения синтез-газа.The combination of these innovations results in catalyst reaction water free of harmful carboxylic acids, and as a result, such catalyst reaction water can be recycled directly to the synthesis gas production process.
Указанный улучшенный окислительно-восстановительный катализатор был разработан таким образом, чтобы его можно было восстановить (активировать) и чтобы он эффективно работал при тех же условиях температуры, давления и объемной скорости, что и улучшенный катализатор для прямого получения топлива.This improved redox catalyst has been designed to be regenerated (activated) and operate efficiently under the same temperature, pressure and space velocity conditions as the improved direct fuel catalyst.
В результате единственными оксигенированными углеводородами, присутствующими в катализаторной реакционной воде, являются не вызывающие коррозии гидроксиалканы (например, спирты), которые эффективно подвергаются риформингу с применением способов каталитического и некаталитического парового риформинга.As a result, the only oxygenated hydrocarbons present in the catalyst reaction water are non-corrosive hydroxyalkanes (eg, alcohols) that are efficiently reformed using catalytic and non-catalytic steam reforming processes.
Такие усовершенствования позволяют значительно уменьшить и во многих случаях устранить потребность во внешней подаче очищенной воды. Кроме того, уменьшается или устраняется сложная и дорогостоящая проблема утилизации сточных вод.Such improvements can significantly reduce and in many cases eliminate the need for an external supply of treated water. In addition, the complex and costly problem of wastewater disposal is reduced or eliminated.
Прямой каталитический риформинг рециркулированной катализаторной реакционной воды, содержащей гидроксиалканы, способствует уменьшению отношения водорода к монооксиду углерода до идеального стехиометрического отношения H2/CO, составляющего примерно 1,8-2,4/1,0.Direct catalytic reforming of the recycled catalyst water of reaction containing hydroxyalkanes helps to reduce the ratio of hydrogen to carbon monoxide to an ideal H 2 /CO stoichiometric ratio of about 1.8-2.4/1.0.
Согласно одному из аспектов настоящее изобретение относится к способу превращения одного или более углеродсодержащих сырьевых материалов в один или более углеводородов (например, жидкие топлива). Предложенный способ включает стадии: превращения одного или более углеродсодержащих сырьевых материалов в синтез-газ; и превращения синтез-газа в один или более углеводородов (например, жидкие топлива) и водную фракцию. Водная фракция содержит менее 500 ppm одной или более карбоновых кислот.In one aspect, the present invention relates to a process for converting one or more carbonaceous feedstocks to one or more hydrocarbons (eg, liquid fuels). The proposed method includes the steps of: converting one or more carbonaceous raw materials into synthesis gas; and converting the synthesis gas to one or more hydrocarbons (eg liquid fuels) and an aqueous fraction. The aqueous fraction contains less than 500 ppm of one or more carboxylic acids.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к системе прямого превращенияAccording to another aspect, the present invention relates to a direct conversion system
- 1 041315 синтез-газа в углеводороды (например, жидкие топлива). Предложенная система включает: генератор синтез-газа, содержащий устройство для превращения одного или более углеродсодержащих сырьевых материалов в синтез-газ; каталитический реактор, содержащий катализатор превращения для превращения синтез-газа в один или более углеводородов (например, жидкие топлива) и водную фракцию, при этом указанный катализатор превращения содержит носитель, при этом указанный носитель имеет поверхность, рН которой составляет от примерно 6,0 до примерно 8,0.- 1 041315 synthesis gas into hydrocarbons (for example, liquid fuels). The proposed system includes: a synthesis gas generator containing a device for converting one or more carbonaceous raw materials into synthesis gas; a catalytic reactor containing a conversion catalyst for converting synthesis gas into one or more hydrocarbons (for example, liquid fuels) and an aqueous fraction, while said conversion catalyst contains a carrier, while said carrier has a surface whose pH is from about 6.0 to about 8.0.
Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials
На фиг. 1 показана блок-схема предпочтительного варианта реализации распределенного процесса превращения, включающего процесс 102 удаления загрязняющих веществ при введении углеродсодержащего сырьевого материала 101 в виде газа; генератор 103 синтез-газа для получения синтез-газа из углеродсодержащих сырьевых материалов; удаление вредных загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в синтез-газе 105; процесс регулировки отношения Н2/СО в синтез-газе 106, при необходимости; сжатие синтез-газа, если потребуется; каталитические реакторы (предпочтительно трубчатой конструкции) 108; улучшенный окислительно-восстановительный катализатор для удаления любого количества кислорода в синтез-газе 109а, интегрированный в трубчатых каталитических реакторах с улучшенным катализатором 109b для прямого получения топлива.In FIG. 1 shows a flow diagram of a preferred embodiment of a distributed conversion process including a contaminant removal process 102 by introducing a carbonaceous feedstock 101 as a gas; a synthesis gas generator 103 for producing synthesis gas from carbonaceous raw materials; removing harmful contaminants that may be present in the synthesis gas 105; the process of adjusting the ratio of H 2 /CO in the synthesis gas 106, if necessary; compressing the synthesis gas, if required; catalytic reactors (preferably tubular design) 108; improved redox catalyst to remove any oxygen in syngas 109a integrated in tubular catalytic reactors with improved direct fuel catalyst 109b.
Хвостовой газ, жидкое топливо, катализаторную реакционную воду и воск разделяют 110 на четыре фракции. Поскольку катализаторная вода не содержит вредных карбоновых кислот, ее можно непосредственно рециркулировать 112 в генератор 103 синтез-газа или использовать для других целей, таких как нагнетание 119 для вторичного и третичного извлечения нефти;The tail gas, liquid fuel, catalyst reaction water and wax are separated 110 into four fractions. Since the catalyst water does not contain harmful carboxylic acids, it can be directly recycled 112 to the synthesis gas generator 103 or used for other purposes such as injection 119 for secondary and tertiary oil recovery;
на фиг. 2 - улучшенный окислительно-восстановительный катализатор;in fig. 2 - improved redox catalyst;
на фиг. 3 - перегонка жидких топлив с получением высококачественных топливных продуктов.in fig. 3 - distillation of liquid fuels to obtain high-quality fuel products.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Настоящее изобретение относится к улучшенному способу прямой рециркуляции катализаторной конечной воды в процесс превращения газа в жидкости, биомассы в жидкости, уголь в жидкости или в другой XTL процесс (где XTL относится к превращению любого углеродсодержащего материала в жидкие топлива). Образование вредных карбоновых кислот в катализаторной реакционной воде (и топливах) исключается при применении улучшенного катализатора для прямого получения жидкого топлива, синтезируемого из носителей, имеющих поверхность с нейтральным показателем рН и другие ключевые свойства. Кроме того, если уровни кислорода в синтез-газе являются высокими, используют улучшенный окислительно-восстановительный катализатор, который уменьшает концентрацию кислорода в синтез-газе более чем на 95%. Указанные инновации можно использовать независимо или их можно использовать в комбинации, при которых окислительно-восстановительный катализатор применяют совместно с улучшенным катализатором для получения жидкого топлива, при этом оба катализатора активируются (восстанавливаются) и работают в аналогичных условиях. Поскольку опасные карбоновые кислоты не образуются, катализаторную реакционную воду можно рециркулировать и использовать непосредственно в процессах получения синтез-газа без необходимости применения процессов очистки воды, которые обычно использовались для удаления вредных карбоновых кислот и других нежелательных загрязнителей воды перед ее применением.The present invention relates to an improved process for direct recycling of catalyst end water to a gas-to-liquid, biomass-to-liquid, coal-to-liquid, or other XTL process (where XTL refers to the conversion of any carbonaceous material to liquid fuels). The formation of harmful carboxylic acids in the catalyst reaction water (and fuels) is eliminated by using an improved catalyst for the direct production of liquid fuels synthesized from carriers having a neutral pH surface and other key properties. In addition, if oxygen levels in the synthesis gas are high, an improved redox catalyst is used that reduces the oxygen concentration in the synthesis gas by more than 95%. These innovations can be used independently or they can be used in combination, in which a redox catalyst is used together with an improved catalyst for the production of liquid fuels, while both catalysts are activated (reduced) and operate under similar conditions. Because no hazardous carboxylic acids are generated, the catalyst reaction water can be recycled and used directly in syngas processes without the need for water treatment processes that have traditionally been used to remove harmful carboxylic acids and other unwanted water contaminants prior to use.
Способы получения синтез-газа, в которых используют кислород.Methods for producing synthesis gas that use oxygen.
Способы получения синтез-газа, в которых используют O2 или воздух, обычно называют способами прямого превращения или частичного окисления (POX). POX осуществляют с субстехиометрическими смесями газообразного углеводорода/кислорода в установках для риформинга при температурах в диапазоне от 1500 до 2700°F (примерно от 815 до 1480°C). Praxair, Shell, ConocoPhillips и другие компании разработали системы для превращения газообразных углеводородных ресурсов в синтез-газ с использованием РОХ. В каждой из указанных систем применяют подачу кислорода, что требует доставку к установке сжатого кислорода с применением одного из способов, описанных выше. Например, в способе, предложенном компанией Praxair, используют горелку с горячим кислородом, которая является некаталитической и превращает природный газ (или другие углеводороды) и кислород в синтез-газ, как описано в патенте США 8727767 (5/2014).Syngas processes that use O2 or air are commonly referred to as direct conversion or partial oxidation (POX) processes. POX is carried out with substoichiometric hydrocarbon/oxygen gas mixtures in reformers at temperatures ranging from 1500 to 2700°F (about 815 to 1480°C). Praxair, Shell, ConocoPhillips and others have developed systems for converting gaseous hydrocarbon resources into syngas using ROX. Each of these systems uses an oxygen supply, which requires compressed oxygen to be delivered to the plant using one of the methods described above. For example, the Praxair method uses a hot oxygen burner that is non-catalytic and converts natural gas (or other hydrocarbons) and oxygen into syngas, as described in US Pat. No. 8,727,767 (5/2014).
Компания ConocoPhillips в своей системе термохимического превращения, описанной в патенте США 7261751 (8/2007), использует катализатор. В промышленной практике в РОХ установку для риформинга вводят пар, чтобы минимизировать образование элементарного углерода и способствовать увеличению отношения H2/CO, как описано в патенте США 6942839 (9/2005), представленном компанией Shell.ConocoPhillips uses a catalyst in its thermochemical conversion system described in US Pat. No. 7,261,751 (8/2007). In industrial practice, steam is introduced into the ROX reformer to minimize the formation of elemental carbon and to help increase the H2/CO ratio, as described in US Pat. No. 6,942,839 (9/2005) to Shell.
Имеются некоторые недостатки, связанные с применением РОХ для микро- и малых GTL установок (установок, работающих по технологии газ в жидкость):There are some disadvantages associated with the use of ROX for micro and small GTL (Gas to Liquid) installations:
1) любой способ РОХ, в котором используют кислород, требует совместного расположения установки по производству кислорода, и в зависимости от способа получения кислорода такой кислород может содержать концентрации других газов, таких как азот и аргон;1) any ROX process that uses oxygen requires co-location of an oxygen production plant, and depending on the oxygen production method, such oxygen may contain concentrations of other gases such as nitrogen and argon;
2) дополнительные типовые операции обычно требуются для доведения H2/CO до идеальных стехиометрических отношений, составляющих приблизительно от 1,8 до 2,3;2) additional routine operations are usually required to bring H2/CO to ideal stoichiometric ratios of approximately 1.8 to 2.3;
- 2 041315- 2 041315
3) азот, присутствующий в сырьевом материале или присутствующий в потоке кислорода, может образовывать в потоке синтез-газа загрязняющие вещества NH3 и HCN, которые являются потенциальными каталитическими ядами;3) nitrogen present in the feed or present in the oxygen stream can form NH3 and HCN contaminants in the syngas stream, which are potential catalyst poisons;
4) кроме того, азот разбавляет синтез-газ, что требует увеличения масштаба термохимических и каталитических процессов;4) in addition, nitrogen dilutes the synthesis gas, which requires an increase in the scale of thermochemical and catalytic processes;
5) присутствие непрореагировавшего кислорода в термохимическом процессе может привести к образованию в синтез-газе карбоновых кислот. Некоторые из таких карбоновых кислот в синтез-газе могут перемещаться через катализаторы и, в конечном счете, попадать в катализаторную реакционную воду, жидкие топлива и воск;5) the presence of unreacted oxygen in the thermochemical process can lead to the formation of carboxylic acids in the synthesis gas. Some of these carboxylic acids in the synthesis gas may move through the catalysts and eventually end up in the catalyst reaction water, liquid fuels and waxes;
6) присутствие кислорода в синтез-газе может привести к образованию карбоновых кислот во время каталитического превращения синтез-газа в углеводородные продукты в зависимости от химических и физических свойств применяемого катализатора и концентрации кислорода в синтез-газе; и6) the presence of oxygen in the synthesis gas can lead to the formation of carboxylic acids during the catalytic conversion of synthesis gas to hydrocarbon products, depending on the chemical and physical properties of the catalyst used and the concentration of oxygen in the synthesis gas; And
7) присутствие непрореагировавшего кислорода в синтез-газе может привести к окислению восстановленного катализатора, что делает его менее эффективным с точки зрения получения топлив.7) the presence of unreacted oxygen in the synthesis gas can lead to oxidation of the reduced catalyst, making it less efficient in terms of producing fuels.
Автотермический риформинг (ATR) представляет собой еще одну группу технологии превращения, в которой используют катализаторы для получения синтез-газа из газообразных углеводородов, кислорода и пара. Специалисты компании Shell описали процесс ATR в своих патентах США WO 2016016256 (2/2016) и WO 2006037782 (4/2006). Имеются несколько недостатков при применении ATR: 1) катализатор является дорогостоящим и может иметь ограниченный срок службы; 2) установки для каталитического риформинга являются большими и дорогими; 3) необходима совмещенная установка по производству кислорода, что увеличивает значительные капитальные затраты и может, в некоторых случаях, удвоить потребность установки в энергии; и 4) в некоторых случаях отношение H2/CO может быть слишком низким или слишком высоким, и для отделения водорода требуются дополнительные типовые процессы, направленные на уменьшение H2/CO до требуемого стехиометрического отношения.Autothermal reforming (ATR) is another group of conversion technologies that use catalysts to produce synthesis gas from gaseous hydrocarbons, oxygen and steam. Shell has described the ATR process in their US patents WO 2016016256 (2/2016) and WO 2006037782 (4/2006). There are several disadvantages to using ATR: 1) the catalyst is expensive and may have a limited lifespan; 2) catalytic reformers are large and expensive; 3) a combined oxygen production plant is required, which adds significant capital costs and can, in some cases, double the plant's energy requirements; and 4) in some cases, the H 2 /CO ratio may be too low or too high, and additional routine processes are required to separate hydrogen to reduce H 2 /CO to the desired stoichiometric ratio.
Имеются некоторые ограниченные данные о концентрации кислорода в синтез-газе, полученном в результате процессов газификации, в которых используют кислород или воздух. Babcock и Wilcox обнаружили, что остаточный кислород в синтез-газе, полученном в результате газификации твердофазных углеродсодержащих сырьевых материалов с применением воздуха, находился в диапазоне от 4000 до 6000 ppm (Treepower, 2016). Однако в некоторых случаях остаточный кислород в синтез-газе может достигать 10000 ppm (Yun, 2003).There is some limited data available on the oxygen concentration in synthesis gas from gasification processes that use oxygen or air. Babcock and Wilcox found that residual oxygen in synthesis gas from gasification of solid phase carbonaceous raw materials with air was in the range of 4000 to 6000 ppm (Treepower, 2016). However, in some cases, the residual oxygen in the synthesis gas can be as high as 10,000 ppm (Yun, 2003).
Было обнаружено, что, когда кислород присутствует во время термохимического превращения углеродсодержащих материалов, образование загрязняющих веществ, таких как карбоновые кислоты, значительно увеличивается, и что некоторая часть такого кислорода может оставаться в синтез-газе в зависимости от типа процесса термохимического превращения и условий работы (Schuetzle et al., 2015). Карбоновые кислоты вызывают особую озабоченность, поскольку они могут приводить к коррозии металлических поверхностей и дезактивировать катализаторы. Такие карбоновые кислоты могут также элюировать через каталитический реактор и распределяться в топливе и катализаторных реакционных водных продуктах.It has been found that when oxygen is present during the thermochemical conversion of carbonaceous materials, the formation of contaminants such as carboxylic acids is greatly increased, and that some of such oxygen may remain in the synthesis gas depending on the type of thermochemical conversion process and operating conditions ( Schuetzle et al., 2015). Carboxylic acids are of particular concern because they can corrode metal surfaces and deactivate catalysts. Such carboxylic acids may also elute through the catalytic reactor and partition into the fuel and catalyst reaction aqueous products.
Способы получения синтез-газа, в которых не используют кислород.Methods for producing synthesis gas that do not use oxygen.
Превращение твердофазных и жидкофазных углеродсодержащих сырьевых материалов в синтез-газ с применением пара в отсутствие кислорода или воздуха обычно называют косвенным термохимическим превращением.The conversion of solid and liquid phase carbonaceous feedstocks to synthesis gas using steam in the absence of oxygen or air is commonly referred to as indirect thermochemical conversion.
Паровой риформинг метана (SMR) представляет собой хорошо разработанный способ превращения газофазных углеводородов в синтез-газ. Поскольку метан сложно эффективно подвернуть паровому риформингу с получением синтез-газа при температурах ниже примерно 2200°F (примерно 1200°C), для снижения температуры риформинга до примерно 1600-1700°F (примерно 870-930°C) обычно используют катализаторы. Такой способ называется каталитическим паровым риформингом метана (CSMR) и является очень эффективным при риформинге других газофазных углеводородов, таких как С2-С16 углеводороды и Ci-Cig гидроксиалканы и C3-C16 кетоны (Sa et al., 2010).Steam methane reforming (SMR) is a well-established process for converting gas-phase hydrocarbons into synthesis gas. Because methane is difficult to efficiently steam reform to produce synthesis gas at temperatures below about 2200°F (about 1200°C), catalysts are commonly used to lower the reforming temperature to about 1600-1700°F (about 870-930°C). This process is called catalytic methane steam reforming (CSMR) and is very efficient in reforming other gas phase hydrocarbons such as C2 - C16 hydrocarbons and Ci-Cig hydroxyalkanes and C3-C16 ketones (Sa et al., 2010).
Перечисленные неокислительные способы позволяют получать синтез-газ, обычно содержащий менее примерно 500-1000 ppm кислорода.These non-oxidative processes produce synthesis gas typically containing less than about 500-1000 ppm oxygen.
Влияние загрязняющих веществ на катализаторы.Effect of pollutants on catalysts.
В табл. 1 приведены некоторые потенциальные загрязнители катализатора, содержащиеся в синтезгазе, и максимальные рекомендованные уровни таких загрязнителей. В современной области техники существуют многочисленные способы удаления сероводорода, диоксида серы, аммиака, цианистого водорода, оксидов азота, хлористого водорода и твердых частиц, содержащихся в синтез-газе. Однако мало внимания уделялось удалению кислорода, что является важным, поскольку было обнаружено, что уровни кислорода выше примерно 500 ppm в процессах получения синтез-газа приводят к значительному увеличению образования загрязнителей синтез-газа (Schuetzle et al., 2015), при этом остаточный кислород в синтез-газе будет повторно окислять восстановленный катализатор, что снижает эффективность получения топлива.In table. Table 1 lists some of the potential catalyst contaminants found in syngas and the maximum recommended levels of such contaminants. Numerous methods exist in the art for removing hydrogen sulfide, sulfur dioxide, ammonia, hydrogen cyanide, nitrogen oxides, hydrogen chloride, and particulate matter contained in synthesis gas. However, little attention has been paid to oxygen removal, which is important because it has been found that oxygen levels above about 500 ppm in synthesis gas generation processes lead to a significant increase in the formation of synthesis gas contaminants (Schuetzle et al., 2015), with residual oxygen in synthesis gas will re-oxidize the reduced catalyst, which reduces the efficiency of fuel production.
Вредные карбоновые кислоты могут образоваться при реакции кислорода со свободными радика- 3 041315 лами во время каталитического превращения синтез-газа с помощью СО и H2. Образование указанных кислот зависит от концентрации кислорода в синтез-газе, химических и физических свойств катализатора и условий работы каталитического реактора. При образовании карбоновых кислот они будут приблизительно распределены между жидким топливом, катализаторной реакционной водой и воском, как указано в табл. 2.Harmful carboxylic acids can be formed when oxygen reacts with free radicals during the catalytic conversion of syngas with CO and H2. The formation of these acids depends on the oxygen concentration in the synthesis gas, the chemical and physical properties of the catalyst, and the operating conditions of the catalytic reactor. When carboxylic acids are formed, they will be approximately distributed between the liquid fuel, catalyst reaction water and wax, as indicated in table. 2.
Таблица 1. Потенциальные загрязнители катализатора в синтез-газе и их максимальные рекомендованные уровни для существующих катализаторов, применяемых для ___________превращения синтез-газа в , углеводородные продукты___________Table 1. Potential Syngas Catalyst Contaminants and Their Maximum Recommended Levels for Existing Catalysts Used to ___________ Convert Syngas to , Hydrocarbon Products___________
Когда в топливах присутствуют такие карбоновые кислоты, топливо может разъедать металлические поверхности и срок хранения топлива значительно снижается. Поэтому указанные кислоты необходимо удалять (в случае присутствия) из топлива перед дистрибуцией, хранением и применением, при этом указанный процесс является сложным и дорогостоящим.When such carboxylic acids are present in fuels, the fuel can corrode metal surfaces and the shelf life of the fuel is greatly reduced. Therefore, these acids must be removed (if present) from the fuel prior to distribution, storage and use, and this process is complex and costly.
Одновременно с этим, когда указанные карбоновые кислоты присутствуют в катализаторной реакционной воде, их необходимо удалить до того, как вода может быть рециркулирована и использована для производственных процессов. Наряду с проблемой коррозии металлической поверхности такие кислоты будут повреждать катализаторы, обычно используемые в процессах каталитического парового риформинга.At the same time, when these carboxylic acids are present in the catalyst reaction water, they must be removed before the water can be recycled and used for production processes. Along with the problem of metal surface corrosion, such acids will damage the catalysts commonly used in catalytic steam reforming processes.
Таблица 2. Относительное распределение карбоновых кислот (если они образовались) _______в катализаторной реакционной воде, жидких топливах и воске_______Table 2. Relative distribution of carboxylic acids (if formed) _______ in catalyst reaction water, liquid fuels and wax _______
Очистка синтез-газа.Purification of synthesis gas.
В современной области техники существует много способов очистки синтез-газа перед каталитическим превращением синтез-газа в углеводородные продукты. Концентрация загрязняющих веществ зависит от типа применяемого процесса термохимического превращения и состава сырья (Schuetzle et al., 2015). Термохимическое превращение газофазных углеводородов обеспечивает гораздо меньшие концентрации загрязняющих веществ в синтез-газе, чем превращение твердых углеродсодержащих материалов, таких как биомасса, уголь, твердые бытовые отходы и другие твердые вещества. Соединения серы являются наиболее распространенными загрязнителями в газофазных углеводородных ресурсах. Такие загрязнители могут быть удалены с применением разнообразных твердофазных связующих устройств, таких как оксид железа или оксид цинка.In the modern art, there are many methods for purifying synthesis gas before catalytically converting synthesis gas into hydrocarbon products. The concentration of contaminants depends on the type of thermochemical conversion process used and the feedstock composition (Schuetzle et al., 2015). Thermochemical conversion of gas-phase hydrocarbons provides much lower concentrations of pollutants in the synthesis gas than the conversion of solid carbonaceous materials such as biomass, coal, municipal solid waste and other solids. Sulfur compounds are the most common pollutants in gas phase hydrocarbon resources. Such contaminants can be removed using a variety of solid phase binders such as iron oxide or zinc oxide.
Удаление кислорода из синтез-газа.Removal of oxygen from synthesis gas.
Существует очень мало способов удаления кислорода из синтез-газа. В настоящем разделе обобщен современный уровень техники, используемый для удаления кислорода из синтез-газа.There are very few ways to remove oxygen from syngas. This section summarizes the state of the art used to remove oxygen from synthesis gas.
Типичный промышленный процесс удаления кислорода из технических газовых потоков, таких как N2, Ar, He, Ne и т.п., был проведен посредством реакции с избытком углеводородов (CH4, H2 и т.п.) в слоях нагретого катализатора. При таком способе образуется вода, которую удаляют путем сушки газового потока адсорбентами.A typical industrial process for removing oxygen from industrial gas streams such as N 2 , Ar, He, Ne, etc., has been carried out by reacting with an excess of hydrocarbons (CH4, H2, etc.) in heated catalyst beds. With this method, water is formed, which is removed by drying the gas stream with adsorbents.
В патенте США № 6744066 (6/2004) описан способ восстановления кислорода в синтез-газе и при- 4 041315 менение синтез-газа с восстановленным кислородом для получения углеводородных продуктов. Авторы описывают катализатор, aPt-eCeO2-YAl2O3, который способствует реакции между кислородом и монооксидом углерода в потоке синтез-газа, содержащем более низкую концентрацию кислорода, как показано в уравнении 1US Pat. No. 6,744,066 (6/2004) describes a process for oxygen reduction in synthesis gas and the use of oxygen reduced synthesis gas to produce hydrocarbon products. The authors describe a catalyst, aPt-eCeO 2 -YAl 2 O 3 , which promotes the reaction between oxygen and carbon monoxide in a synthesis gas stream containing a lower oxygen concentration, as shown in equation 1
О2 + 2СО = 2СОг Уравнение 1O2 + 2CO = 2COg Equation 1
Такой катализатор является эффективным в отношении снижения концентрации кислорода в синтез-газе при наличии кислорода в концентрациях до 1000 ppm. Однако об эффективности такого катализатора с точки зрения восстановления кислорода не сообщается. Поскольку указанный катализатор уменьшает концентрацию СО, производство углеводородных продуктов также будет снижаться.Such a catalyst is effective in reducing the oxygen concentration in the synthesis gas in the presence of oxygen in concentrations up to 1000 ppm. However, the efficiency of such a catalyst in terms of oxygen reduction is not reported. Since this catalyst reduces the concentration of CO, the production of hydrocarbon products will also decrease.
В патенте США № 5607572 (3/1997) описано применение оксида металла, нанесенного на носитель с высокой удельной поверхностью, для удаления кислорода из газовых потоков. Оксид металла сначала восстанавливают до его элементарного (металлического) состояния с помощью восстановительного газа (например, H2) в отдельном процессе при высоких температурах до 1500°C. В газовом потоке металл реагирует с кислородом, который образует оксид металла. Через выбранный период времени оксид металла повторно восстанавливают с помощью H2 при температурах до 1500°C.US Pat. No. 5,607,572 (3/1997) describes the use of a metal oxide supported on a high specific surface area to remove oxygen from gas streams. The metal oxide is first reduced to its elemental (metallic) state with a reducing gas (eg H 2 ) in a separate process at high temperatures up to 1500°C. In the gas stream, the metal reacts with oxygen, which forms the metal oxide. After a selected period of time, the metal oxide is re-reduced with H 2 at temperatures up to 1500°C.
Каталитическое превращение синтез-газа в продукты.Catalytic conversion of synthesis gas into products.
Существует значительная часть известного уровня техники, которая описывает превращение синтез-газа в продукты. В нескольких недавних обзорах достаточно хорошо суммированы и сравниваются сильные и слабые стороны таких различных способов превращения синтез-газа в топлива.There is a significant amount of prior art that describes the conversion of synthesis gas into products. Several recent reviews have fairly well summarized and compared the strengths and weaknesses of these different ways of converting syngas to fuels.
Имеются два основных подхода для каталитического превращения синтез-газа в топлива: 1) каталитическое превращение синтез-газа в промежуточные продукты (главным образом, в воск), с последующими дорогостоящими процессами обогащения и рафинирования воска, такими как гидрокрекинг и; 2) прямое каталитическое превращение синтез-газа в топлива, при котором образуется минимальное количество воска [патенты США 8394862 (8/2013) и 9090831 (7/2015)].There are two main approaches for the catalytic conversion of synthesis gas to fuels: 1) catalytic conversion of synthesis gas to intermediate products (mainly wax), followed by costly wax upgrading and refining processes such as hydrocracking and; 2) direct catalytic conversion of synthesis gas into fuel, which produces a minimum amount of wax [US patents 8394862 (8/2013) and 9090831 (7/2015)].
Все современные средние и большие GTL установки промышленного масштаба позволяют превращать синтез-газ в воск в качестве основного продукта. Затем для получения из воска топлив и других продуктов используют способы рафинирования/обогащения. Поскольку такие способы рафинирования являются сложными и дорогостоящими, затраты на производство топлива могут увеличиваться на более 40% относительно способов прямого получения.All modern medium to large industrial scale GTL plants are capable of converting synthesis gas to wax as the main product. Refining/enrichment processes are then used to obtain fuels and other products from the wax. Since such refining processes are complex and expensive, fuel production costs can increase by more than 40% relative to direct production methods.
Конструкции средних и больших установок, в которые включены традиционные процессы ФишераТропша и в которых используют гидрокрекинг воска и другие дорогостоящие способы обогащения, являются экономически нецелесообразными для распределенных установок, в которых обрабатывают меньшие объемы газофазных углеводородов.Medium to large plant designs that incorporate traditional Fischer Tropsch processes and use wax hydrocracking and other costly upgrades are not economically viable for distributed plants that process smaller volumes of gas phase hydrocarbons.
Микро GTL установки включают процессы, позволяющие превращать примерно от 0,25 до 1,0 миллиона стандартных куб. футов/день (от примерно 7080 до 28300 куб. м/день) газофазных углеводородов в примерно от 25 до 100 баррелей/день (от примерно 4 до 16 куб. м/день) жидких топлив. GTL установки, в которых превращают примерно от 1,0 до 25 миллионов стандартных куб. футов/день (от примерно 28300 до 707900 куб. м/день) газофазных углеводородов в примерно от 100 до 2500 баррелей/день (от примерно 16 до 400 куб. м/день) топлива, обычно называют малыми GTL установками.Micro GTL plants include processes to convert approximately 0.25 to 1.0 million standard cubic meters. feet/day (from about 7080 to 28300 cubic meters/day) of gas-phase hydrocarbons in about 25 to 100 barrels/day (from about 4 to 16 cubic meters/day) of liquid fuels. GTL plants, which convert approximately 1.0 to 25 million standard cubic meters. ft/day (about 28,300 to 707,900 cubic meters/day) of gas phase hydrocarbons in about 100 to 2,500 barrels/day (about 16 to 400 cubic meters/day) of fuel, commonly referred to as small GTL units.
Каталитические реакторы.catalytic reactors.
Существуют несколько типов каталитических реакторов, которые были коммерчески внедрены в промышленных масштабах для каталитического превращения синтез-газа в углеводородные продукты.There are several types of catalytic reactors that have been commercialized on an industrial scale for the catalytic conversion of synthesis gas to hydrocarbon products.
Многотрубчатые каталитические реакторы с неподвижным слоем состоят из множества трубок маленького диаметра, которые используются и содержат катализатор. Указанные трубки помещены внутрь корпуса реактора, в котором циркулирует вода для отвода экзотермического тепла, выделяющегося при превращении синтез-газа в углеводородные продукты. Применение катализаторов, образующих тяжелые воски, может привести к покрытию катализатора, что приводит к значительному снижению эффективности катализатора. Такие реакторы работают в многоходовом режиме с удалением продуктов после каждой прогонки и рециркуляцией непрореагировавшего синтез-газа обратно в каталитические реакторы. Как правило, от двух до трех прогонок через указанные реакторы позволяет превратить примерно 90% по объему СО в углеводородные продукты. Размеры многотрубчатых реакторов могут быть эффективно уменьшены для применения в малых и микромасштабных GTL установках.Multitubular fixed bed catalytic reactors consist of a plurality of small diameter tubes that are used and contain a catalyst. These tubes are placed inside the reactor vessel, in which water circulates to remove the exothermic heat released during the conversion of synthesis gas into hydrocarbon products. The use of catalysts that form heavy waxes can lead to coating of the catalyst, resulting in a significant reduction in the efficiency of the catalyst. Such reactors operate in a multi-pass mode with the removal of products after each run and the recirculation of unreacted synthesis gas back to the catalytic reactors. Typically, two to three passes through these reactors will convert about 90% by volume of CO into hydrocarbon products. Multitubular reactors can be effectively scaled down for use in small and micro scale GTL plants.
В суспензионных реакторах используют тонкоизмельченные катализаторы, суспендированные в жидкой среде. Отвод тепла осуществляют с помощью внутренних охлаждающих змеевиков. Синтетический газ барботируют через жидкую среду, что также обеспечивает перемешивание содержимого реактора. Небольшой размер частиц катализатора улучшает массоперенос тепла к жидкой среде. Отделение воскообразных продуктов от частиц катализатора являлось проблемой, но в случае крупномасштабных установок были разработаны и успешно внедрены усовершенствованные способы отделения. Однако такие способы отделения являются сложными и дорогостоящими и поэтому суспензионные реакторы не могут быть эффективно и экономично уменьшены в масштабе для применения в малых и микромасштабных GTL установках.Slurry reactors use finely divided catalysts suspended in a liquid medium. Heat removal is carried out using internal cooling coils. Synthetic gas is bubbled through the liquid medium, which also ensures mixing of the reactor contents. The small particle size of the catalyst improves the mass transfer of heat to the liquid medium. The separation of waxy products from the catalyst particles has been a problem, but in the case of large-scale installations, improved separation methods have been developed and successfully implemented. However, such separation methods are complex and costly and therefore slurry reactors cannot be efficiently and economically scaled down for use in small and micro scale GTL plants.
Микроканальные реакторы состоят из активных зон реактора, содержащих тысячи тонких техноло- 5 041315 гических каналов, заполненных катализаторами с очень маленьким размером частиц. Такие активные зоны реактора чередуются с каналами размером от 0,1 до 10 мм, содержащими водный охладитель. Поскольку частицы катализатора и каналы являются маленькими, тепло может рассеиваться более быстро, чем в случае традиционных трубчатых реакторов размером от 25 до 40 мм.Microchannel reactors consist of reactor cores containing thousands of thin process channels filled with very small particle size catalysts. Such reactor cores alternate with channels ranging in size from 0.1 to 10 mm containing an aqueous coolant. Because the catalyst particles and channels are small, heat can be dissipated more quickly than with conventional tubular reactors of 25 to 40 mm.
Хотя в микроканальных реакторах степень превращения СО на прогонку может быть выше, имеется несколько потенциальных трудностей: 1) указанные реакторы не очень хорошо выдерживают твердые частицы, что приводит к закупорке каналов; 2) механическое нагнетание насосом может генерировать пульсирующий поток, который вызывает проблемы; 3) при переходе от демонстрации к промышленному масштабу невозможно легко изменить большое отношение площади к объему и равномерное время пребывания; 4) коррозия может быть основной проблемой из-за тонких стенок; 5) поскольку воск является основным углеводородным продуктом, тяжелые фракции воска (С50-С100) могут легко закупорить микроканалы; 6) можно использовать только мелкоизмельченные катализаторы, а не инновационные катализаторы, имеющие определенные формы (например, трилистники), аспектные отношения и размеры; (7) обеспечение точного регулирования температуры в мелких каналах представляет собой сложную задачу. Некоторые примеры области техники, связанной с микроканальными реакторами, приведены в патентах США № 8043571; 7744829; 7470405; 7404936 (7/2008) и публикациях заявок на патенты США 2015/0259609 и 2014/0140896.Although microchannel reactors may have higher CO conversions per run, there are several potential difficulties: 1) these reactors do not handle solids very well, leading to channel plugging; 2) mechanical pumping can generate pulsating flow which causes problems; 3) when moving from a demonstration to an industrial scale, it is not possible to easily change the large area-to-volume ratio and the uniform residence time; 4) corrosion can be a major problem due to thin walls; 5) since wax is the main hydrocarbon product, heavy fractions of wax (C 50 -C 100 ) can easily clog microchannels; 6) only finely divided catalysts can be used, and not innovative catalysts that have certain shapes (for example, shamrocks), aspect ratios and sizes; (7) Ensuring accurate temperature control in shallow channels is a challenge. Some examples of the field of technology associated with microchannel reactors are given in US patent No. 8043571; 7744829; 7470405; 7,404,936 (7/2008) and U.S. Patent Application Publications 2015/0259609 and 2014/0140896.
Превращение синтез-газа в воски.Converting synthesis gas to waxes.
Для превращения синтез-газа в воск были разработаны и внедрены многие катализаторы и каталитические процессы. Такие катализаторы обычно называют катализаторами Фишера-Тропша (F-T) (Jahangiri et al., 2014).Many catalysts and catalytic processes have been developed and implemented to convert synthesis gas to wax. Such catalysts are commonly referred to as Fischer-Tropsch (F-T) catalysts (Jahangiri et al., 2014).
В патенте США 6262131 (7/2001) описаны структурированная каталитическая система ФишераТропша и способ Фишера-Тропша, включающий по меньшей мере одну структуру, имеющую каталитическую поверхность, при этом такая каталитическая поверхность имеет линейный размер, превышающий 20 мм, коэффициент пустотности, превышающий 0,6, и контур, вызывающий нетейлоровский поток при прохождении СО и H2 через указанную структуру. В данном патенте описаны катализаторы ФишераТропша, в том числе железо и кобальт.US Pat. No. 6,262,131 (7/2001) describes a Fischer-Tropsch structured catalytic system and a Fischer-Tropsch process comprising at least one structure having a catalytic surface, such catalytic surface having a linear dimension greater than 20 mm, a void ratio greater than 0, 6 and a circuit that causes non-Taylor flow as CO and H 2 pass through said structure. This patent describes Fischer Tropsch catalysts, including iron and cobalt.
В патенте США 5620670 (4/1997) описан каталитический процесс, позволяющий превращать синтез-газ в реакторе для синтеза Фишера-Тропша путем применения промотированной катализаторной суспензии на основе оксида железа.US Pat. No. 5,620,670 (4/1997) describes a catalytic process for converting synthesis gas in a Fischer-Tropsch synthesis reactor by using a promoted iron oxide catalyst slurry.
В патенте США 4499209 (2/1985) описан катализатор Фишера-Тропша, полученный путем пропитывания носителя на основе диоксида кремния раствором циркония и титана с последующим кальцинированием и другими стадиями приготовления.US Pat. No. 4,499,209 (2/1985) describes a Fischer-Tropsch catalyst prepared by impregnating a silica support with a solution of zirconium and titanium, followed by calcination and other preparation steps.
В перечисленных патентах описаны катализаторы, позволяющие получать высокомолекулярные углеводородные продукты реакции (например, воск), которые требуют дальнейшей обработки, в том числе гидроочистку и другие способы повышения качества, для получения дизельного топлива или компонента смешивания дизельного топлива.The listed patents describe catalysts that produce high molecular weight hydrocarbon reaction products (eg, wax) that require further processing, including hydrotreating and other quality enhancement methods, to produce diesel fuel or a diesel fuel blending component.
Прямое превращение синтез-газа в жидкие топлива.Direct conversion of syngas to liquid fuels.
Прямое эффективное превращение синтез-газа в жидкие топлива вместо воска устраняет необходимость применения сложных и дорогостоящих способов очистки, необходимых для превращения воска в топлива. Примеры современного уровня техники, связанного с прямым производством жидких топлив из синтез-газа, приведены ниже.The direct efficient conversion of syngas to liquid fuels instead of wax eliminates the need for complex and costly purification processes required to convert wax to fuels. Examples of the state of the art related to the direct production of liquid fuels from synthesis gas are given below.
В патентах США № 8394862 (8/2013) и 9090831 (7/2015) описан уникальный способ и катализатор, эффективно работающий при прямом получении высокоцетанового топлива дизельного типа или компонента смешивания дизельного топлива из стехиометрических смесей водорода и монооксида углерода. Данное изобретение обеспечивает, но не ограничивается этим, экономичное и эффективное получение высококачественных дизельных топлив в небольших или распределенных установках по производству топлива, годовая производственная мощность которых составляет менее 100 миллионов галлонов (примерно 380 миллионов литров) в год, за счет исключения традиционного гидрокрекинга и других дорогостоящих способов обогащения. Такой каталитический процесс является идеальным для распределенных установок по производству дизельного топлива, таких как установки по производству топлива из биомассы, установки по производству дизельного топлива из трудноизвлекаемого природного газа, превращение газа, сжигаемого в факеле, в топлива и другие применения, требующие оптимизированной экономики, основанной на использовании распределенных ресурсов сырья.US Pat. Nos. 8,394,862 (8/2013) and 9,090,831 (7/2015) describe a unique process and catalyst that works effectively in the direct production of a high cetane diesel type fuel or diesel blending component from stoichiometric mixtures of hydrogen and carbon monoxide. The present invention provides, but is not limited to, economical and efficient production of high quality diesel fuels in small or distributed fuel production plants with an annual production capacity of less than 100 million gallons (about 380 million liters) per year, by eliminating conventional hydrocracking and other expensive enrichment methods. Such a catalytic process is ideal for distributed diesel production plants such as biomass fuel production plants, tight natural gas diesel production plants, flared gas to fuel conversion and other applications requiring an optimized economy based on on the use of distributed resources of raw materials.
При применении катализатора для прямого получения топлива не образуются карбоновые кислоты, когда поверхность носителя катализатора является нейтральной или очень близка к нейтральной (рН в диапазоне от 6,0 до 8,0, идеально примерно 7,0). Это связано с тем, что кислая поверхность состоит из ОН групп. Например, если носителем является оксид алюминия, состав поверхности представляет собой Al-OH. При нейтральной поверхности оксида алюминия состав поверхности представляет собой Ai-O-Ai.When using a direct fuel catalyst, no carboxylic acids are formed when the surface of the catalyst support is neutral or very close to neutral (pH in the range of 6.0 to 8.0, ideally about 7.0). This is due to the fact that the acidic surface consists of OH groups. For example, if the carrier is alumina, the surface composition is Al-OH. With a neutral alumina surface, the surface composition is Ai-O-Ai.
Кислотность поверхности носителя катализатора можно легко измерить. В одном из предпочтительных способов используют измерение, полученное путем колориметрического титрования пропиламином с применением индикатора метил красный, при этом нейтральную поверхность определяют какThe acidity of the surface of the catalyst support can be easily measured. One preferred method uses a measurement obtained by colorimetric titration with propylamine using methyl red indicator, the neutral surface being defined as
- 6 041315 поверхность, для которой кислотность поверхности составляет менее примерно 0,5 ммоль на грамм.- 6 041315 surface for which the acidity of the surface is less than about 0.5 mmol per gram.
Группы ОН в кислом носителе (Al-OH) могут взаимодействовать с алкоксирадикалами (СНО*) с образованием кислот, как показано в уравнении 2. Хорошо известно, что метальные радикалы (CH3*) представляют собой распространенные промежуточные формы, образующиеся при каталитическом превращении синтез-газа. При наличии в синтез-газе O2 кислород быстро реагирует с CH3* с образованием метокси-радикалов (НСО*), как указано в уравнении 2. Затем такие метоксирадикалы могут извлекать ОН-фрагмент с поверхности AlOH с образованием муравьиной кислоты, как показано в уравнении 3. Аналогичным образом могут образоваться и другие кислоты (например, малоновая, масляная, пентановая и т.п.).OH groups in an acidic support (Al-OH) can react with alkoxy radicals (CHO*) to form acids, as shown in equation 2. It is well known that methyl radicals (CH3*) are common intermediates formed during the catalytic conversion of synthesis gas. When O 2 is present in the syngas, oxygen reacts rapidly with CH3* to form methoxy radicals (HCO*) as shown in equation 2. These methoxy radicals can then extract the OH moiety from the AlOH surface to form formic acid, as shown in equation 3. Other acids can be formed in a similar way (for example, malonic, butyric, pentanoic, etc.).
СНз* + О2 =НСО*+Н2О Уравнение 2CH3 * + O 2 \u003d HCO * + H 2 O Equation 2
НСО* + AlOH = НСООН + А1* Уравнение 3HCO* + AlOH = HCOOH + A1* Equation 3
Затем Al* быстро реагирует с водой с повторным образованием AlOH и водородных радикалов Н*.Al* then rapidly reacts with water to re-form AlOH and H* hydrogen radicals.
Алкоксирадикалы могут образоваться даже при очень небольшом количестве O2, присутствующем в синтез-газе. Когда поверхность носителя катализатора является нейтральной, органические кислоты не образуются даже при образовании некоторых алкокси-радикалов.Alkoxy radicals can form even with very little O2 present in the synthesis gas. When the surface of the catalyst support is neutral, no organic acids are formed even if some alkoxy radicals are formed.
Для устранения образования органических кислот при каталитическом превращении синтез-газа в углеводородные продукты можно использовать две инновации по отдельности или в комбинации. Первая инновация включает производство катализаторов с применением носителей, поверхность которых имеет нейтральный показатель рН (около 7,0). Вторая инновация представляет собой разработку нового окислительно-восстановительного катализатора, предназначенного для уменьшения содержания кислорода в синтез-газе до очень низких уровней (менее 500-1000 ppb).To eliminate the formation of organic acids during the catalytic conversion of synthesis gas to hydrocarbon products, two innovations can be used individually or in combination. The first innovation involves the production of catalysts using carriers whose surface has a neutral pH (about 7.0). The second innovation is the development of a new redox catalyst designed to reduce the oxygen content of syngas to very low levels (less than 500-1000 ppb).
Сбор и разделение продуктов.Collection and separation of products.
В общем случае, используя трехфазовый сепаратор, поток продуктов из каталитического реактора разделяют на следующие фракции: хвостовой газ; конденсированные жидкие углеводороды, катализаторная реакционная вода и воски. Фракция хвостового газа обычно состоит из H2, СО, CO2 и С1-С5 углеводородов и оксигенированных органических соединений; конденсированная фракция содержит приблизительно С5-С24 углеводороды и оксигенированные органические соединения; восковая фракция содержит приблизительно C23-C100 углеводороды и фракция реакционной воды состоит из воды, содержащей примерно от 1,0 до 5,0% по объему растворенных оксигенированных органических соединений.In general, using a three-phase separator, the product stream from the catalytic reactor is separated into the following fractions: tail gas; condensed liquid hydrocarbons, catalyst reaction water and waxes. The tail gas fraction typically consists of H2, CO, CO2 and C1- C5 hydrocarbons and oxygenated organic compounds; the condensed fraction contains approximately C 5 -C 24 hydrocarbons and oxygenated organic compounds; the wax fraction contains approximately C 23 -C 100 hydrocarbons and the reaction water fraction consists of water containing from about 1.0 to 5.0% by volume of dissolved oxygenated organic compounds.
Поскольку при применении трубчатых реакторов с рециркуляцией хвостового газа эффективность каталитического превращения синтез-газа обычно составляет от 90 до 93%, в хвостовом газе будет оставаться некоторое количество H2 и СО. Кроме того, хвостовой газ содержит некоторое количество CH4, который образуется в результате каталитической реакции. Состав хвостового газа зависит от типа термохимического процесса и условий работы. Такой хвостовой газ можно рециркулировать обратно в систему термохимического превращения для получения дополнительного количества синтез-газа и/или его можно использовать в качестве топочного мазута.Since the synthesis gas catalytic conversion efficiency is typically between 90% and 93% when using tail gas recycle tubular reactors, some H2 and CO will remain in the tail gas. In addition, the tail gas contains some CH 4 which is formed as a result of the catalytic reaction. The composition of the tail gas depends on the type of thermochemical process and operating conditions. Such tail gas may be recycled back to the thermochemical conversion system to produce additional synthesis gas and/or may be used as heating oil.
Хотя фактически все каталитические процессы, описанные в современной области техники, использовались для превращения синтез-газа, главным образом, в воск, улучшенный катализатор, описанный в настоящем документе, был разработан в первую очередь для получения С5-С24 жидких углеводородов и очень небольшого количества воска (С24+ углеводородов [от 0 до 25 об.%]). Поэтому усовершенствование такого катализатора для получения большого количества жидкого топлива и небольшого количества воска является важным ключевым элементом настоящего изобретения.Although virtually all catalytic processes described in the state of the art have been used to convert synthesis gas primarily to wax, the improved catalyst described herein was designed primarily to produce C5-C24 hydrocarbon liquids and very little wax. (C 24+ hydrocarbons [0 to 25 vol%]). Therefore, the improvement of such a catalyst to produce a large amount of liquid fuel and a small amount of wax is an important key element of the present invention.
Очистка катализаторной реакционной воды с применением известного уровня техники.Purification of the catalyst reaction water using the prior art.
В уровне техники имеются многочисленные примеры, предоставляющие количественные данные о концентрациях растворенных оксигенированных органических соединений в катализаторной реакционной воде. Такие растворенные оксигенированные органические соединения в основном состоят из гидроксиалкенов (спиртов) и карбоновых кислот с общей концентрацией в диапазоне от 0,5 до 5,0% по объему в зависимости от способа термохимического превращения, состава и чистоты синтез-газа и типа катализатора и применяемого каталитического процесса.Numerous examples exist in the art that provide quantitative data on the concentrations of dissolved oxygenated organic compounds in catalyst reaction water. Such dissolved oxygenated organic compounds mainly consist of hydroxyalkenes (alcohols) and carboxylic acids with a total concentration ranging from 0.5 to 5.0% by volume depending on the thermochemical conversion method, the composition and purity of the synthesis gas and the type of catalyst and used catalytic process.
В патенте США 8999164 описано получение катализаторной реакционной воды при катализе синтез-газа по Фишеру-Тропшу, при этом было обнаружено, что концентрация карбоновых кислот в воде составляла до примерно 9000 ppm.US Pat. No. 8,999,164 describes the preparation of catalyst water of reaction by Fischer-Tropsch synthesis gas catalysis, whereby the concentration of carboxylic acids in the water was found to be up to about 9000 ppm.
В публикации заявки на патент США 2014/102981 сообщается о наличии в катализаторной реакционной воде карбоновых кислот с концентрацией примерно 5000 ppm.US Patent Application Publication 2014/102981 reports the presence of about 5000 ppm carboxylic acids in catalyst reaction water.
В патенте США 8535487 было обнаружено, что при получении синтез-газа посредством процесса парового риформинга с частичным окислением карбоновые кислоты присутствовали в катализаторной технологической воде в концентрациях от 5000 до 15000 ppm.In US Pat. No. 8,535,487, it was found that when syngas was produced by a partial oxidation steam reforming process, carboxylic acids were present in the catalyst process water at concentrations of 5,000 to 15,000 ppm.
В патенте США 7989510 описана катализаторная реакционная вода, полученная в процессе каталитического парового риформинга с частичным окислением, и обнаружено, что кислоты присутствуют в концентрациях от 5000 до 15000 ppm.US Pat. No. 7,989,510 describes catalyst water of reaction produced in a partial oxidation catalytic steam reforming process and found that acids are present in concentrations of 5,000 to 15,000 ppm.
В патенте США 7153432 описано получение катализаторной реакционной воды, в которой, как бы- 7 041315 ло обнаружено, кислоты составляли от 750 до 12000 ppm.US Pat. No. 7,153,432 describes the preparation of catalyst water of reaction in which the acids were found to be between 750 and 12,000 ppm.
В публикации заявки на патент США 2003/106351 описано получение технологической воды при катализе синтез-газа по Фишеру-Тропшу, при этом было обнаружено, что карбоновые кислоты в водной фракции составляли от 900 до 14100 ppm.US Patent Application Publication 2003/106351 describes the production of process water from Fischer-Tropsch synthesis gas catalysis and found that carboxylic acids in the water fraction ranged from 900 to 14100 ppm.
При образовании таких карбоновых кислот во время термохимического и/или каталитического процессов они будут распределяться в катализаторной реакционной воде; жидких топливах и воске, как показано ранее в табл. 2.When such carboxylic acids are formed during thermochemical and/or catalytic processes, they will be distributed in the catalyst reaction water; liquid fuels and wax, as shown earlier in table. 2.
В случае присутствия указанных карбоновых кислот в катализаторной реакционной воде такую воду нельзя рециркулировать непосредственно в процесс каталитического парового риформинга из-за коррозии металлических поверхностей и дезактивации катализаторов риформинга. По этой причине для очистки такой воды перед применением в термохимических процессах, а также для других целей, были разработаны и использованы многочисленные процедуры.If these carboxylic acids are present in the catalyst reaction water, such water cannot be recycled directly to the catalytic steam reforming process due to corrosion of the metal surfaces and deactivation of the reforming catalysts. For this reason, numerous procedures have been developed and used to purify such water prior to use in thermochemical processes, as well as for other purposes.
Указанные способы включали перегонку, отгонку легких фракций, экстракцию, анаэробное сбраживание, биологическое окисление, термическое окисление, их комбинации и другие способы обработки воды.These methods included distillation, stripping, extraction, anaerobic digestion, biological oxidation, thermal oxidation, combinations thereof, and other water treatment methods.
В патенте США 9067806 (6/2015) описан способ очистки водного потока, образующегося при катализе синтез-газа по Фишеру-Тропшу, включающий следующие способы обработки: нейтрализацию карбоновых кислот неорганическими основаниями; испарение, перегонку и отгонку легких фракций; и обработку по меньшей мере одним органическим основанием. Такой способ очистки позволяет использовать в промышленной установке по меньшей мере часть водного потока, поступающего из катализаторной реакционной воды, в качестве технологической воды.US Pat. No. 9,067,806 (6/2015) describes a process for purifying an aqueous stream resulting from Fischer-Tropsch catalysis of synthesis gas, including the following treatment methods: neutralization of carboxylic acids with inorganic bases; evaporation, distillation and distillation of light fractions; and treatment with at least one organic base. Such a purification method makes it possible to use at least a part of the aqueous stream coming from the catalyst reaction water as process water in an industrial plant.
В патенте США 8999164 (4/2015) описана катализаторная реакционная вода, полученная при превращении синтез-газа по Фишеру-Тропшу, состоящая из следующих оксигенированных органических соединений: C1-C9 гидроксиалканов (70 мас.%); C2-C6 органических кислот (20 мас.%); солей органических кислот (2 мас.%); и кетонов и альдегидов (8%). Было обнаружено, что концентрация гидроксиалканов и органических кислот в воде составляла 48000 и 9000 ppm соответственно. Описан способ удаления гидроксиалканов и органических кислот путем перегонки. Фракции, содержащие карбоновые кислоты, обрабатывают с применением анаэробных биологических процессов.US Pat. No. 8,999,164 (4/2015) describes catalyst water of reaction obtained from Fischer-Tropsch synthesis gas conversion, consisting of the following oxygenated organic compounds: C1-C9 hydroxyalkanes (70% by weight); C 2 -C 6 organic acids (20 wt.%); salts of organic acids (2 wt.%); and ketones and aldehydes (8%). The concentration of hydroxyalkanes and organic acids in water was found to be 48,000 and 9,000 ppm, respectively. A method for removing hydroxyalkanes and organic acids by distillation is described. Fractions containing carboxylic acids are treated using anaerobic biological processes.
В публикации заявки на патент США 2014/102981 (4/2014) описан способ очистки водного потока, полученного в результате реакции Фишера-Тропша, включающий подачу водного потока в одну или более установок для испарения через полупроницаемую перегородку, в результате чего получают водный поток, обогащенный оксигенированными органическими соединениями, и водный поток, обогащенный водой. Такой водный поток подают в установку для получения синтетического газа.U.S. Patent Application Publication 2014/102981 (4/2014) describes a process for purifying an aqueous stream resulting from a Fischer-Tropsch reaction, comprising supplying an aqueous stream to one or more evaporation units through a semi-permeable baffle, resulting in an aqueous stream, enriched in oxygenated organic compounds, and an aqueous stream enriched in water. Such an aqueous stream is fed to a plant for producing synthetic gas.
В патенте США 8591737 (11/2013) описан способ обработки катализаторной реакционной воды, полученной в процессе превращения биомассы в жидкость, при этом указанный способ включает получение синтетического газа из биомассы и превращение синтетического газа в жидкие углеводороды посредством процесса Фишера-Тропша. Катализаторную реакционную воду очищают так же, как и сточные воды, полученные из другого промышленного процесса, в который интегрирован процесс превращения биомассы в жидкость, например, в лесном хозяйстве, при производстве электроэнергии и/или тепла, сжигании отходов или в процессе, применяемом в нефтехимической и/или нефтеперерабатывающей промышленности. Процесс превращения биомассы в жидкость и совмещенный промышленный процесс могут иметь общую технологическую установку для питающей воды, общую технологическую установку для охлаждающей воды и общую установку для обработки сточных вод. Способ обработки сточных вод может включать биологический способ очистки, при этом в способе Фишера-Тропша можно использовать кобальтовый катализатор. Также описана комбинированная установка, включающая установку для превращения биомассы в жидкость и другое промышленное оборудование, при этом обе установки связаны с общим оборудованием для обработки сточных вод.US Pat. No. 8,591,737 (11/2013) describes a process for treating catalyst reaction water obtained from a biomass-to-liquid process, said process comprising producing syngas from biomass and converting syngas to liquid hydrocarbons via a Fischer-Tropsch process. Catalyst reaction water is treated in the same way as wastewater from another industrial process that integrates a biomass-to-liquid process, such as forestry, power and/or heat generation, waste incineration, or a process used in the petrochemical industry. and/or the oil refining industry. The biomass liquefaction process and the combined industrial process may have a common feed water process plant, a common cooling water process plant, and a common waste water treatment plant. The wastewater treatment process may include a biological treatment process, whereby a cobalt catalyst may be used in the Fischer-Tropsch process. A combined plant is also described, including a biomass-to-liquid plant and other industrial equipment, both of which are connected to a common wastewater treatment equipment.
Патент США 8535487 (9/2013) относится к способу очистки водного потока, образующегося при реакции Фишера-Тропша, включающему подачу указанного водного потока в систему, содержащую дистилляционную колонну, оборудованную парциальным конденсатором и полным конденсатором, по меньшей мере частичную конденсацию испарившегося потока, выходящего из головы дистилляционной колонны, и сбор первого дистиллята, состоящего из более тяжелых побочных продуктов, полную конденсацию оставшейся части испарившегося потока, выходящего из парциального конденсатора, и сбор жидкого потока, который возвращают в дистилляционную колонну в виде флегмы, и удаление очищенного водного потока из нижней части дистилляционной колонны.U.S. Patent 8,535,487 (9/2013) relates to a process for purifying an aqueous stream resulting from a Fischer-Tropsch reaction, comprising feeding said aqueous stream into a system containing a distillation column equipped with a partial condenser and a full condenser, at least partially condensing the evaporated stream leaving from the head of the distillation column, and collecting the first distillate, consisting of heavier by-products, completely condensing the remainder of the vaporized stream leaving the partial condenser, and collecting the liquid stream, which is returned to the distillation column as reflux, and removing the purified water stream from the bottom parts of the distillation column.
В патенте США 8529865 (9/2013) описан способ обработки катализаторной реакционной воды путем перегонки и/или путем отгонки легких фракций с образованием богатого оксигенатами потока, содержащего реагент для риформинга и оксигенаты, поступающие из конечной воды. Богатый оксигенатами поток подается во второй генератор синтез-газа и подвергается в условиях риформинга превращению с образованием по меньшей мере водорода.US Pat. No. 8,529,865 (9/2013) describes a process for treating catalyst reaction water by distillation and/or light ends stripping to form an oxygenate-rich stream containing reformant and oxygenates coming from the final water. The oxygenate-rich stream is fed to a second synthesis gas generator and reformed under reforming conditions to form at least hydrogen.
В патенте США 8158029 (4/2012) описан способ производства синтетического газа из угля, включающий получение потока кислорода в установке разделения воздуха и увлажнение потока кислородаU.S. Patent 8,158,029 (4/2012) describes a method for producing syngas from coal, including obtaining an oxygen stream in an air separation unit and humidifying the oxygen stream
- 8 041315 путем приведения его в контакт с горячей водной жидкостью с получением увлажненного кислородного потока. Увлажненный, нагретый кислородсодержащий поток подают в низкотемпературный безшлаковый газификатор, в котором углеродсодержащий материал газифицируется, образуя, тем самым, синтетический газ, который используют для синтеза углеводородов по Фишеру-Тропшу. Очищенную воду в основном используют для увлажнения потока кислорода при небольшой подпитке катализаторной воды, получаемой из процесса Фишера-Тропша. Оставшуюся катализаторную реакционную воду используют в качестве охлаждающей воды и для других производственных процессов.- 8 041315 by bringing it into contact with a hot aqueous liquid to obtain a humidified oxygen stream. Humidified, heated oxygen-containing stream is fed into a low-temperature slag-free gasifier, in which carbon-containing material is gasified, thereby forming syngas, which is used for hydrocarbon synthesis according to Fischer-Tropsch. Purified water is mainly used to humidify the oxygen stream with a small make-up of catalyst water obtained from the Fischer-Tropsch process. The remaining catalyst reaction water is used as cooling water and for other production processes.
В патенте США 8057578 (11/2011) описан способ обработки воды, включающий приведение первого водного выходящего потока, содержащего одно или более термически разрушаемых загрязняющих веществ и одно или более термически неразрушаемых загрязняющих веществ, в контакт с паром, что обеспечивает второй выходящий поток, содержащий пар и по меньшей мере часть одного или более термически неразрушаемых загрязняющих веществ. Второй выходящий поток обрабатывают в установке для извлечения кислот, при этом промежуточный поток обрабатывают с помощью одного или более окислителей с получением третьего выходящего потока. Один или более окислителей и по меньшей мере часть одного или более термически разрушаемых загрязняющих веществ разрушают, используя один или более способов сжигания.US Pat. No. 8,057,578 (11/2011) describes a water treatment process comprising bringing a first aqueous effluent containing one or more thermally degradable contaminants and one or more thermally indestructible contaminants into contact with steam to provide a second effluent containing steam and at least a portion of one or more thermally indestructible contaminants. The second effluent is treated in an acid recovery unit, wherein the intermediate effluent is treated with one or more oxidizers to form a third effluent. One or more oxidizing agents and at least a portion of one or more thermally degradable contaminants are destroyed using one or more incineration methods.
В патенте США 8048178 (11/2011) описан способ обработки сточных вод для обработки сточных вод, полученных в процессе превращения биомассы в жидкость (BTL), в котором используют процесс Фишера-Тропша с применением кобальтового катализатора для превращения синтетического газа в жидкие углеводороды. Водный выходящий поток, полученный в процессе BTL, очищают в общем процессе обработки сточных вод, включающем процесс биологической очистки, вместе со сточными водами, полученными в совмещенном процессе получения волокнистой массы и/или бумаги.US Pat. No. 8,048,178 (11/2011) describes a wastewater treatment process for treating wastewater from a biomass-to-liquid (BTL) process that uses a Fischer-Tropsch process using a cobalt catalyst to convert syngas to liquid hydrocarbons. The aqueous effluent from the BTL process is treated in a general wastewater treatment process including a biological treatment process, along with wastewater from a combined pulp and/or paper process.
В патенте США 7989510 (8/2011) описан способ очистки катализаторной реакционной воды путем применения фракционирующей дистилляционной колонны и отгоночной колонны. Отделенные оксигенированные органические вещества направляют в термохимический генератор синтез-газа для получения дополнительного количества синтез-газа.US Pat. No. 7,989,510 (8/2011) describes a process for purifying catalyst reaction water by using a fractionating distillation column and a stripping column. The separated oxygenated organics are sent to a thermochemical synthesis gas generator to produce additional synthesis gas.
В патенте США 7323497 (1/2008) описан способ, в котором используют каталитический паровой риформинг с последующим неполным сжиганием вместе с кислородсодержащим газом с получением реформированной газовой смеси. От указанной реформированной газовой смеси отделяют воду и получают сухой газ. Для синтеза углеводородов из указанного сухого газа используют катализатор типа Фишера-Тропша. Катализаторную реакционную воду, содержащую спирты, альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты, предварительно обрабатывают для уменьшения загрязнения или коррозии в сатураторе и водяных теплообменниках, например, путем пропускания воды через фильтры и/или регулирования рН. Часть очищенной воды используется в качестве пара для получения реформированной газовой смеси.US Pat. No. 7,323,497 (1/2008) describes a process using catalytic steam reforming followed by partial combustion with an oxygen-containing gas to form a reformed gas mixture. Water is separated from said reformed gas mixture and a dry gas is obtained. For the synthesis of hydrocarbons from said dry gas, a Fischer-Tropsch type catalyst is used. Catalyst reaction water containing alcohols, aldehydes, ketones and carboxylic acids is pre-treated to reduce fouling or corrosion in the saturator and water heat exchangers, for example by passing the water through filters and/or adjusting the pH. Part of the purified water is used as steam to obtain a reformed gas mixture.
В патенте США 7318894 (1/2008) описаны способ и система для обработки катализаторной реакционной воды, в котором используют мембранные процессы, предпочтительно в комбинации с анаэробной биологической обработкой, что позволяет осуществить процесс обработки воды без массового получения биологических твердых веществ.US Pat. No. 7,318,894 (1/2008) describes a method and system for treating catalytic reaction water using membrane processes, preferably in combination with anaerobic biological treatment, which allows the water treatment process to be carried out without the bulk production of biological solids.
В патенте США 7276105 (10/2007) описан способ отделения воды от потока продуктов ФишераТропша, включающий подачу потока продуктов Фишера-Тропша в разделительную мембрану, предпочтительно керамическую мембрану, и извлечение водяного пара с выходной стороны мембраны со стороны растворенного вещества. Очищенную воду используют для получения пара для установки парового риформинга метана. Оксигенированные углеводороды в концентрированном растворенном веществе разрушают с применением термического окислителя.US Pat. No. 7,276,105 (10/2007) describes a process for separating water from a Fischer-Tropsch product stream, comprising feeding the Fischer-Tropsch product stream into a separation membrane, preferably a ceramic membrane, and extracting water vapor from the permeate side of the outlet side of the membrane. Purified water is used to generate steam for the steam methane reformer. The oxygenated hydrocarbons in the concentrated solute are destroyed using a thermal oxidizer.
В патенте США 7235172 (6/2007) описан способ получения олефинов. Технологическую воду из реактора синтез-газа, установки гидроочистки, отпарной колонны для воды, охлаждающего устройства, устройства для восстановления катализатора, устройства для активирования катализатора и установки фракционирования, содержащей оксигенаты и поток нафты, подают в паровую крекинг-установку для получения потока продуктов, содержащего олефины. Водорастворимые оксигенаты (кислородсодержащие органические соединения) включают органические кислоты, спирты, альдегиды, кетоны и сложные эфиры.US Pat. No. 7,235,172 (6/2007) describes a process for the production of olefins. Process water from the synthesis gas reactor, hydrotreating unit, water stripper, cooling unit, catalyst recovery unit, catalyst activation unit, and fractionator containing oxygenates and a naphtha stream is fed to a steam cracker to produce a product stream containing olefins. Water-soluble oxygenates (oxygen-containing organic compounds) include organic acids, alcohols, aldehydes, ketones, and esters.
В патенте США 7166219 (1/2007) описан способ получения очищенной воды из катализаторной реакционной воды, полученной при реакции Фишера-Тропша, включающий: первую обработку для отделения для удаления по меньшей мере части присутствующих некислых оксигенированных углеводородов с получением водного потока, обогащенного водой; вторую стадию, включающую биологическую обработку для удаления по меньшей мере части кислот из по меньшей мере части первого водного потока, обогащенного водой, с получением второго водного потока, обогащенного водой; с последующей третьей стадией, включающей разделение на твердую и жидкую фазы для удаления по меньшей мере некоторой части твердых соединений из по меньшей мере части второго водного потока, обогащенного водой.US Pat. No. 7,166,219 (1/2007) describes a process for producing purified water from Fischer-Tropsch catalyst water of reaction, comprising: a first separation treatment to remove at least a portion of the non-acidic oxygenated hydrocarbons present to obtain a water-rich water stream; a second step comprising a biological treatment to remove at least a portion of the acids from at least a portion of the first water-rich water stream to obtain a second water-rich water stream; followed by a third stage, including separation into solid and liquid phases to remove at least some of the solid compounds from at least part of the second aqueous stream enriched in water.
В патенте США 7153432 (12/2006) описан способ очистки катализаторной реакционной воды, совместно образующейся в реакции Фишера-Тропша, включающий: (а) перегонку или жидкость-жидкостUS Pat. No. 7,153,432 (12/2006) describes a process for purifying catalyst reaction water co-formed in a Fischer-Tropsch reaction, comprising: (a) distillation or liquid-liquid
- 9 041315 ную экстракцию воды, совместно образующейся в реакции Фишера-Тропша, для удаления по меньшей мере части спиртов, присутствующих в указанной воде, и получения первого потока, обогащенного водой; и (b) воздействие на указанный первый поток, обогащенный водой, процесса отделения с применением мембран, что позволяет удалить по меньшей мере часть из твердых веществ, содержащихся в суспензии, вместе с некоторыми органическими кислотами и получить очищенную воду. Такой способ отделения с применением мембран можно выбрать из группы, включающей: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос и испарение через полупроницаемую перегородку.- 9 041315 new extraction of water, co-formed in the Fischer-Tropsch reaction, to remove at least part of the alcohols present in the specified water, and obtain a first stream enriched in water; and (b) subjecting said first water-rich stream to a separation process using membranes to remove at least a portion of the solids contained in the slurry, along with some organic acids, to obtain purified water. This membrane separation method can be selected from the group consisting of: microfiltration, ultrafiltration, reverse osmosis and evaporation through a semi-permeable septum.
В патенте США 7150831 (12/2006) описан способ получения очищенной воды из катализаторной реакционной воды, полученной в результате реакции Фишера-Тропша, включающий следующие стадии:US Pat. No. 7,150,831 (12/2006) describes a process for producing purified water from Fischer-Tropsch catalyst reaction water, comprising the following steps:
1) первую стадию, включающую обработку для отделения для удаления по меньшей мере части некислых оксигенированных углеводородов, присутствующих в катализаторной реакционной воде, для получения первого водного потока, обогащенного водой;1) a first step comprising a separation treatment to remove at least a portion of the non-acidic oxygenated hydrocarbons present in the catalyst reaction water to obtain a first aqueous stream enriched in water;
2) вторую стадию, включающую жидкость-жидкостную экстракцию для удаления по меньшей мере части органических кислот из по меньшей мере части указанного первого водного потока, обогащенного водой, с получением второго водного потока, обогащенного водой;2) a second stage comprising liquid-liquid extraction to remove at least a portion of organic acids from at least a portion of said first water-rich water stream to obtain a second water-rich water stream;
3) третью стадию, включающую биологическую обработку для удаления по меньшей мере части органических кислот из по меньшей мере части указанного второго водного потока, обогащенного водой, с получением третьего водного потока, обогащенного водой;3) a third step comprising a biological treatment to remove at least a portion of the organic acids from at least a portion of said second water-rich water stream to form a third water-rich water stream;
4) четвертую стадию, включающую разделение на твердую и жидкую фазы для удаления по меньшей мере части твердых соединений из по меньшей мере части указанного третьего водного потока, обогащенного водой.4) the fourth stage, including the separation into solid and liquid phases to remove at least part of the solid compounds from at least part of the specified third aqueous stream enriched with water.
В публикации заявки на патент США 2005/113426 описан способ, в котором используют катализаторную реакционную воду, полученную в процессе Фишера-Тропша, включающий направление очищенной воды из процесса перегонки в сатурационную колонну. Пар, полученный из сатурационной колонны, используют для насыщения потока углеводородных газов для установки получения синтетического газа.US Patent Application Publication 2005/113426 describes a process using Fischer-Tropsch catalyzed reaction water, including passing purified water from the distillation process to a saturation column. The steam obtained from the saturation column is used to saturate the hydrocarbon gas stream for the syngas plant.
В патенте США 7147775 (12/2006) описан способ получения очищенной воды из катализаторной реакционной воды, состоящий из следующих стадий:US Pat. No. 7,147,775 (12/2006) describes a process for producing purified water from catalyst reaction water, consisting of the following steps:
1) биологической обработки для удаления по меньшей мере части растворенных оксигенированных органических соединений с получением исходного водного потока;1) biological treatment to remove at least a portion of the dissolved oxygenated organic compounds to obtain the original water stream;
2) разделения на твердую и жидкую фазы для удаления части твердых соединений из исходного водного потока;2) separation into solid and liquid phases to remove part of the solid compounds from the original water stream;
3) удаления из второго водного потока растворенных солей органических соединений посредством химического окисления, ультрафиолетового света и процессов адсорбции/абсорбции (например, с помощью активированного углерода);3) removing dissolved salts of organic compounds from the second aqueous stream by chemical oxidation, ultraviolet light and adsorption/absorption processes (eg, with activated carbon);
4) биологической обработки для удаления по меньшей мере части растворенных оксигенированных органических соединений с получением исходного водного потока;4) biological treatment to remove at least a portion of the dissolved oxygenated organic compounds to obtain the original water stream;
5) разделения на твердую и жидкую фазы для удаления части твердых соединений из исходного водного потока;5) separation into solid and liquid phases to remove part of the solid compounds from the original water stream;
6) удаления из второго водного потока растворенных солей органических соединений посредством химического окисления, ультрафиолетового света и процессов адсорбции/абсорбции (например, с помощью активированного углерода).6) removing dissolved organic salts from the second aqueous stream by chemical oxidation, ultraviolet light and adsorption/absorption processes (eg activated carbon).
В патенте США 6887908 (5/2005) описано применение термического окисления для удаления органических веществ из катализаторной реакционной воды. В настоящем изобретении используют избыточное тепло от термохимического процесса для испарения воды в пар и термического окисления органических загрязняющих веществ. Однако специалистам в области термохимических процессов хорошо известно, что для превращения указанных органических загрязняющих веществ в синтез-газ требуются температуры, превышающие 1600°F (примерно 871°C). Поскольку концентрация таких органических соединений составляет менее 5,0 мольных процентов, отношение воды к органическому углероду будет составлять более 25/1 по сравнению с идеальным отношением 1,5-2,5/1,0 для процесса термического окисления. Соответственно, такой процесс будет энергоемким, не эффективным и очень дорогостоящим.US Pat. No. 6,887,908 (5/2005) describes the use of thermal oxidation to remove organics from catalyst reaction water. The present invention uses excess heat from a thermochemical process to vaporize water into steam and thermally oxidize organic pollutants. However, those skilled in the art of thermochemical processes are well aware that temperatures in excess of 1600°F (about 871°C) are required to convert these organic contaminants to synthesis gas. Since the concentration of such organic compounds is less than 5.0 mole percent, the ratio of water to organic carbon will be more than 25/1 compared to the ideal ratio of 1.5-2.5/1.0 for a thermal oxidation process. Accordingly, such a process would be energy intensive, inefficient and very expensive.
В заявке на патент США 2004/0262199 (12/2005) описан способ подачи по меньшей мере части газообразного неочищенного продукта или конечной воды в дистилляционную колонну на питающую тарелку; удаление жидкого потока из дистилляционной колонны из тарелки, расположенной выше питающей тарелки; разделение жидкого потока на водную фазу и фазу, богатую некислыми химическими соединениями; и возврат водной фазы в дистилляционную колонну на тарелку, расположенную ниже тарелки, из которой был удален поток жидкости.US Patent Application 2004/0262199 (12/2005) describes a method of feeding at least a portion of the gaseous crude product or final water into a distillation column on a feed tray; removing the liquid stream from the distillation column from a tray above the feed tray; separation of the liquid stream into an aqueous phase and a phase rich in non-acidic chemical compounds; and returning the aqueous phase to the distillation column to a tray below the tray from which the liquid stream was removed.
В патенте США 6533945 (3/2003) описан способ обработки воды из реактора для синтеза углеводородов, включающий смешивание катализаторной реакционной воды с твердым горючим органическим топливом с образованием суспензии и газификацию такой суспензии в газификаторах с кислородным дутьем с получением синтетического газа при температурах до 2800°F (примерно 1540°C). Катализаторная реакционная вода содержит гидроксиалканы (спирты) и карбоновые кислоты.US Pat. No. 6,533,945 (3/2003) describes a process for treating water from a hydrocarbon synthesis reactor, which includes mixing catalyst reaction water with solid combustible organic fuel to form a slurry and gasifying such a slurry in oxygen blast gasifiers to produce synthesis gas at temperatures up to 2800° F (about 1540°C). The catalyst reaction water contains hydroxyalkanes (alcohols) and carboxylic acids.
- 10 041315- 10 041315
В публикации заявки на патент США 2003/1065351 описана катализаторная реакционная вода, полученная при катализе синтез-газа по Фишеру-Тропшу, при этом было обнаружено, что гидроксиалканы и карбоновые кислоты в водной фракции составляли от 1,0 до 4,5 мас.% и от 0,09 до 1,41 мас.%, соответственно. Воду очищают путем первичной биологической обработки с последующим вторичным разделением на твердую и жидкую фазы и посредством конечной стадии третичной обработки.US Patent Application Publication 2003/1065351 describes catalyst water of reaction obtained by Fischer-Tropsch catalysis of synthesis gas, it was found that hydroxyalkanes and carboxylic acids in the aqueous fraction ranged from 1.0 to 4.5 wt.%. and from 0.09 to 1.41 wt.%, respectively. The water is purified by a primary biological treatment followed by a secondary solid-liquid separation and a final tertiary treatment.
Патент США 5053581 (10/1991) относится к способу рециркуляции конденсата, полученного при синтезе углеводородов или спиртов, при этом указанный конденсат содержит воду и загрязняющие вещества, такие как низкомолекулярные углеводороды, спирты и другие оксигенаты. Для отгонки из указанного конденсата загрязняющих веществ используют горячую газообразную смесь, содержащую CH4 и пар. Отогнанные загрязнители, CH4 и пар по отдельности извлекают из оставшейся очищенной воды в виде газового потока. Газовый поток, содержащий извлеченный CH4, можно использовать в процессах получения синтетического газа (CO/H2), при этом впоследствии полученный синтетический газ используется в процессе синтеза углеводородов для получения тяжелых углеводородов.US Pat. No. 5,053,581 (10/1991) relates to a process for recycling condensate from the synthesis of hydrocarbons or alcohols, said condensate containing water and contaminants such as low molecular weight hydrocarbons, alcohols and other oxygenates. A hot gaseous mixture containing CH4 and steam is used to strip pollutants from said condensate. The stripped contaminants, CH4 and steam are recovered separately from the remaining purified water as a gas stream. The gas stream containing the recovered CH4 can be used in syngas (CO/H 2 ) production processes, with the subsequently produced syngas being used in a hydrocarbon synthesis process to produce heavy hydrocarbons.
Все из перечисленных выше способов, описанных в данной области техники, являются сложными, дорогостоящими, а некоторые требуют больших затрат энергии. Соответственно, в следующем тексте подробно описаны инновации, которые делают возможным непосредственное применение катализаторной реакционной воды, не требующей очистки и других предварительных способов обработки.All of the above methods described in the art are complex, expensive, and some are energy intensive. Accordingly, the following text details the innovations that make possible the direct use of catalyst reaction water without the need for purification and other pre-treatments.
Улучшенный катализатор для прямого получения топлива.Improved catalyst for direct fuel production.
Первый аспект предпочтительного варианта реализации представляет собой внедрение улучшенного катализатора 109b для прямого получения топлива, который был разработан для прямого получения высококачественных жидких топлив и катализаторной реакционной воды, не содержащей нежелательных карбоновых кислот.The first aspect of the preferred embodiment is the implementation of an improved direct fuel catalyst 109b that has been designed to directly produce high quality liquid fuels and catalyst water of reaction free of unwanted carboxylic acids.
Когда катализатор для прямого получения топлива, описанный в патентах США 8394862 (8/2013) и 9090831 (7/2015) (оба патента включены в настоящий документ посредством ссылки для всех целей), производят с применением носителя, поверхность которого имеет нейтральный показатель рН (например, рН примерно 7,0), и когда концентрация кислорода в синтез-газе составляет менее приблизительно от 500 до 1000 ppm, карбоновые кислоты не образуются и не обнаруживаются (< 25 ppm) в катализаторной реакционной воде и фракциях жидкого топлива.When the direct fuel catalyst described in US Pat. e.g., pH about 7.0), and when the oxygen concentration in the synthesis gas is less than about 500 to 1000 ppm, carboxylic acids are not formed or detected (<25 ppm) in the catalyst reaction water and fuel oil cuts.
Непосредственно полученные жидкие топлива не вызывают коррозии, не окисляются или не разлагаются во время хранения и могут храниться в течение нескольких лет без изменения. Кроме того, катализаторная реакционная вода может быть без каких-либо проблем непосредственно рециркулирована 112 в генератор 103 синтез-газа.Directly produced liquid fuels do not corrode, oxidize or decompose during storage and can be stored for several years without change. In addition, the catalyst reaction water can be directly recycled 112 to the synthesis gas generator 103 without any problems.
Улучшенный окислительно-восстановительный катализатор для удаления кислорода из синтез-газа.Improved redox catalyst for removing oxygen from synthesis gas.
При наличии кислорода в синтез-газе в концентрациях более 500 ppm могут образоваться некоторые карбоновые кислоты. Поэтому был разработан улучшенный катализатор для удаления кислорода, присутствующего в синтез-газе на уровнях выше примерно 500 ppm.In the presence of oxygen in the synthesis gas at concentrations greater than 500 ppm, some carboxylic acids may form. Therefore, an improved catalyst has been developed to remove oxygen present in synthesis gas at levels above about 500 ppm.
В качестве предпочтительного способа превращения газофазных сырьевых материалов в синтез-газ был выбран каталитический паровой риформинг, поскольку в таком процессе не используется воздух или кислород. Медленный пиролиз/паровой риформинг является предпочтительным способом получения синтез-газа из твердофазных сырьевых материалов, поскольку исключается воздух (Schuetzle et al., 2005). При принятии надлежащих мер для исключения воздуха из указанных процессов синтез-газ будет содержать менее примерно 250 ppm кислорода.Catalytic steam reforming has been chosen as the preferred method for converting gas phase feedstocks to synthesis gas because the process does not use air or oxygen. Slow pyrolysis/steam reforming is the preferred method for producing synthesis gas from solid phase feedstocks because air is eliminated (Schuetzle et al., 2005). When appropriate measures are taken to exclude air from these processes, the synthesis gas will contain less than about 250 ppm of oxygen.
Прямая рециркуляция катализаторной реакционной воды.Direct recycling of catalyst reaction water.
Жидкие топлива разделяют с помощью трехфазового сепаратора 110 на хвостовой газ 111 (Ci-C4 углеводороды, оксигенированные углеводороды, CO2, и непрореагировавшие H2 и СО), катализаторную реакционную воду 112 и жидкие топлива 113 (в основном состоящие из С5-С24 углеводородов и оксигенированных органических соединений).Liquid fuels are separated using a three-phase separator 110 into tail gas 111 (Ci-C 4 hydrocarbons, oxygenated hydrocarbons, CO2, and unreacted H2 and CO), catalyst reaction water 112 and liquid fuels 113 (mainly consisting of C 5 -C 24 hydrocarbons and oxygenated organic compounds).
Также получают небольшое количество воска (в основном, состоящего из С24-С40 углеводородов). В одном из вариантов реализации изобретения получат менее 25% воска по массе, предпочтительно менее 5% воска по массе, при этом согласно предпочтительному варианту реализации будет получено менее 2% воска.Also get a small amount of wax (mainly consisting of C 24 -C 40 hydrocarbons). In one embodiment, less than 25% wax by weight will be obtained, preferably less than 5% wax by weight, with less than 2% wax being produced in a preferred embodiment.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения хвостовой газ 111 можно рециркулировать в термохимический генератор 103 синтез-газа, где его можно превратить в дополнительный синтез-газ или использовать в качестве топочного мазута.In some embodiments, the tail gas 111 may be recycled to the thermochemical synthesis gas generator 103 where it may be converted to additional synthesis gas or used as heating oil.
Улучшенная рециркуляция катализаторной реакционной воды.Improved recycling of catalyst reaction water.
Второй аспект предпочтительного варианта реализации представляет собой прямую рециркуляцию катализаторной реакционной воды 112 в процесс получения синтез-газа, для эффективной работы которого требуется пар.The second aspect of the preferred embodiment is direct recycling of the catalyst reaction water 112 to a synthesis gas process that requires steam to operate efficiently.
При применении генератора синтез-газа, требующего небольшое количество пара или не требующего пара, катализаторную реакционную воду можно использовать непосредственно для вторичного или третичного извлечения 119 нефти и для других целей, таких как производство пара для выработки электроэнергии или для водопотребления на установках, совмещенных с указанным оборудованием. ТакаяWhen using a synthesis gas generator requiring little or no steam, the catalyst reaction water can be used directly for secondary or tertiary oil recovery and for other uses such as generating steam for power generation or for water consumption in plants combined with this. equipment. Such
- 11 041315 инновация стала возможной, поскольку катализаторная реакционная вода не содержит вредных карбоновых кислот, но содержит гидроксиалканы (спирты), представляющие собой превосходные добавки для вторичного и третичного извлечения нефти.- 11 041315 innovation was made possible because the catalyst reaction water does not contain harmful carboxylic acids, but contains hydroxyalkanes (alcohols), which are excellent additives for secondary and tertiary oil recovery.
Местное применение жидкого топлива.Local application of liquid fuel.
Жидкое топливо 113 можно использовать непосредственно и на местном уровне во внедорожных двигателях, применяемых в дизельных генераторах, тракторах, компрессорах, водных насосах, сельскохозяйственной технике, строительном оборудовании и т.п.Liquid fuel 113 can be used directly and locally in off-highway engines used in diesel generators, tractors, compressors, water pumps, agricultural machinery, construction equipment, and the like.
Транспортировка жидкого топлива.Transportation of liquid fuel.
Жидкое топливо 113 можно собрать и транспортировать автомобильным и/или железнодорожным транспортом в централизованное место, где его подвергают перегонке 115 с получением высококачественных топливных продуктов 116, показанных на фиг. 3, для дистрибуции на местных рынках топлива.Liquid fuel 113 can be collected and transported by road and/or rail to a central location where it is distilled 115 to produce the high quality fuel products 116 shown in FIG. 3, for distribution to local fuel markets.
Возможные продукты, получаемые при перегонке жидкого топливного продукта 113, включают: компоненты смешения реформулированных бензинов (приблизительно С5-С8 углеводороды и оксигенированные органические соединения) 302; дизельное топливо № 1 (керосин) (приблизительно C8-C16 углеводороды и оксигенированные органические соединения) 303; дизельное топливо № 2 304 (приблизительно С9-С20 углеводороды и оксигенированные органические соединения); дизельное топливо № 3 305 (приблизительно С16-С25 углеводороды и оксигенированные органические соединения); и небольшая фракция 306 воска (С24+ углеводороды и оксигенированные органические соединения). Получают небольшое количество газов (воздух и С2-С5) 301, а также небольшой остаток (в основном окисленные углеводороды) 307.Possible distillation products of liquid fuel product 113 include: reformulated gasoline blending components (approximately C 5 -C 8 hydrocarbons and oxygenated organic compounds) 302; diesel fuel No. 1 (kerosene) (approximately C 8 -C 16 hydrocarbons and oxygenated organic compounds) 303; diesel fuel No. 2 304 (approximately C 9 -C 20 hydrocarbons and oxygenated organic compounds); diesel fuel No. 3 305 (approximately C 16 -C 25 hydrocarbons and oxygenated organic compounds); and a small wax fraction 306 (C 24+ hydrocarbons and oxygenated organic compounds). A small amount of gases (air and C 2 -C 5 ) 301 is obtained, as well as a small residue (mainly oxidized hydrocarbons) 307.
Для дальнейшей перегонки жидких углеводородов для отделения ценных альфа-олефинов, н-парафинов, гидроксиалканов или других ценных продуктов из жидких топлив можно использовать альтернативные или дополнительные способы.Alternative or additional methods can be used to further distill liquid hydrocarbons to separate valuable alpha-olefins, n-paraffins, hydroxyalkanes, or other valuable products from liquid fuels.
Альтернативный вариант реализации включает прямое введение жидких топлив в совмещенный трубопровод 117 сырой нефти на устье нефтяной скважины, при этом указанные топлива смешивают с сырой нефтью для транспортировки на нефтеперерабатывающий завод и/или завод для химической переработки. Поскольку жидкие топлива имеют гораздо более низкую плотность и вязкость, чем сырая нефть, они служат для улучшения протекания нефти по трубопроводам.An alternative implementation includes the direct introduction of liquid fuels into the combined crude oil pipeline 117 at the wellhead of the oil, while these fuels are mixed with crude oil for transportation to the refinery and/or chemical processing plant. Since liquid fuels have a much lower density and viscosity than crude oil, they serve to improve the flow of oil through pipelines.
Катализаторы для получения метанола можно использовать в улучшенном каталитическом реакторе совместно с каталитическим реактором 108 с получением промежуточного метанольного сырья, которое можно транспортировать на рафинировочный и/или химический завод для дальнейшей переработки с получением топлив и/или химических соединений.The methanol catalysts can be used in the improved catalytic reactor in conjunction with the catalytic reactor 108 to produce an intermediate methanol feed that can be transported to a refinery and/or chemical plant for further processing into fuels and/or chemical compounds.
Согласно некоторым вариантам реализации для предотвращения коксования и других нежелательных реакций в некоторых генераторах 103 синтез-газа отношение воды к углероду в сырьевом материале регулируют в диапазоне 1,5-3,0/1,0 и предпочтительно 2,0-3,0/1,0.In some embodiments, to prevent coking and other undesirable reactions in some synthesis gas generators 103, the ratio of water to carbon in the feedstock is adjusted in the range of 1.5-3.0/1.0 and preferably 2.0-3.0/1 ,0.
Хотя подпиточная вода необходима при запуске интегрированного процесса, описанного на фиг. 1, как правило, для поддержания эффективного процесса каталитического парового риформинга будет достаточно катализаторной реакционной воды без необходимости применения подпиточной воды.Although make-up water is required when starting the integrated process described in FIG. 1, catalytic reaction water will generally be sufficient to maintain an efficient catalytic steam reforming process without the need for make-up water.
Получение катализаторной реакционной воды без карбоновых кислот.Preparation of catalyst reaction water without carboxylic acids.
В табл. 3 приведены данные для гидроксиалканов и карбоновых кислот в катализаторной реакционной воде, полученной при катализе синтез-газа, который был произведен путем парового риформинга природного газа, газоконденсатных жидкостей и глицерина с применением улучшенного катализатора с носителем, имеющим нейтральные поверхностные свойства. Хотя было обнаружено, что гидроксиалканы составляют 12831 ppm, 16560 ppm и 18877 ppm, соответственно, в случае синтез-газа, полученного из указанных трех сырьевых материалов, муравьиная, уксусная кислота, пропионовая кислота и малоновая кислота не были обнаружены (предел обнаружения 25 ppm каждая) в пробах катализаторной реакционной воды.In table. 3 shows data for hydroxyalkanes and carboxylic acids in catalyst reaction water obtained from syngas catalysis, which was produced by steam reforming of natural gas, natural gas liquids and glycerol using an improved catalyst with a carrier having neutral surface properties. Although the hydroxyalkanes were found to be 12831 ppm, 16560 ppm and 18877 ppm, respectively, in the case of synthesis gas produced from these three raw materials, formic acid, acetic acid, propionic acid and malonic acid were not detected (detection limit of 25 ppm each ) in samples of catalyst reaction water.
Поскольку гидроксиалканы и карбоновые кислоты распределены между катализаторной реакционной водой и топливами, возможное присутствие карбоновых кислот в жидких топливах можно легко определить с помощью испытания ASTM D130 на коррозию медной пластинки. При наличии в топливе карбоновых кислот поверхность медной пластинки изменит цвет, при этом обозначение 1а указывает на отсутствие коррозии и содержания карбоновых кислот; тогда как обозначение 4с используют, когда топливо разъедает медную пластинку до темно-коричневого/черного цвета, что доказывает, что топливо содержит недопустимые уровни карбоновых кислот (ASTM International, 2012).Because hydroxyalkanes and carboxylic acids are partitioned between the catalyst reaction water and the fuels, the possible presence of carboxylic acids in liquid fuels can be readily determined using the ASTM D130 copper plate corrosion test. If there are carboxylic acids in the fuel, the surface of the copper plate will change color, while the designation 1a indicates the absence of corrosion and the content of carboxylic acids; while 4c is used when the fuel corrodes the copper plate to a dark brown/black color, indicating that the fuel contains unacceptable levels of carboxylic acids (ASTM International, 2012).
Было обнаружено, что топлива, полученные непосредственно из сырьевых материалов, перечисленных в табл. 3, обеспечивали результат испытания 1а, что подтвердило, что карбоновые кислоты отсутствовали.It was found that fuels obtained directly from the raw materials listed in table. 3 provided the result of test 1a, which confirmed that carboxylic acids were absent.
- 12 041315- 12 041315
Таблица 3. Концентрация оксигенированных органических соединений в катализаторной реакционной воде, полученной из синтез-газа, полученного из различных газофазных углеводородов с применением катализатора для прямого получения топливаTable 3. Concentration of Oxygenated Organic Compounds in Catalyst Reaction Water Produced from Syngas Produced from Various Gas-Phase Hydrocarbons Using a Direct Fuel Catalyst
Прямая рециркуляция и применение катализаторной реакционной воды.Direct recycling and use of catalysed reaction water.
Поскольку катализаторная реакционная вода, приведенная в табл. 3, не содержит вредных карбоновых кислот, она может быть непосредственно рециркулирована в процесс получения синтез-газа и для других целей без необходимости предварительной обработки и очистки.Since the catalyst reaction water shown in table. 3 does not contain harmful carboxylic acids, it can be directly recycled to the synthesis gas process and other uses without the need for pre-treatment and purification.
Если в процессах получения синтез-газа не требуется много пара, например,для установки для риформинга (РОХ) с частичным окислением, такую катализаторную реакционную воду можно использовать для вторичного или третичного извлечения дополнительного количества нефти из близлежащих нефтяных скважин или для другого водопотребления, как описано в настоящем документе.If syngas production processes do not require a lot of steam, such as a partial oxidation reformer (ROX), such catalyst reaction water can be used for secondary or tertiary recovery of additional oil from nearby oil wells or for other water use, as described in this document.
При наличии нефти в подземных горных породах, таких как песчаник, карбонат или сланец, такую нефть, как правило, можно разрабатывать путем бурения скважины в нефтеносном пласте, позволяя существующим градиентам давления вытеснять нефть вверх по стволу скважины. Такой процесс известен как первичная добыча. Если и когда градиенты давления недостаточны для добычи нефти с требуемой скоростью, обычно реализуют усовершенствованный способ добычи для извлечения дополнительного количества нефти. Такой способ известен как вторичная добыча.When oil is present in subterranean rocks such as sandstone, carbonate or shale, such oil can typically be developed by drilling a well into the reservoir, allowing existing pressure gradients to drive the oil up the wellbore. Such a process is known as primary mining. If and when the pressure gradients are not sufficient to produce the oil at the desired rate, an improved recovery method is usually implemented to recover more oil. This method is known as secondary mining.
Даже после вторичной добычи с применением нагнетания воды в пласте могут оставаться большие количества исходной нефти. Доля неизвлекаемого углеводорода обычно является максимальной в случае тяжелых нефтей, сланцевой нефти и сложных формаций. На некоторых крупных нефтяных месторождениях после обычного нагнетания воды может оставаться более миллиарда баррелей (0,16 миллиарда куб. м) нефти.Even after secondary recovery using water injection, large amounts of the original oil may remain in the reservoir. The proportion of non-recoverable hydrocarbon is usually the highest in the case of heavy oils, shale oil and complex formations. In some large oil fields, more than a billion barrels (0.16 billion cubic meters) of oil can remain after conventional water injection.
Тогда в центре внимания оказываются третичные методы добычи нефти. По оценкам современные третичные методы добычи нефти позволяют удалять дополнительные от 5 до 20% нефти, остающейся в коллекторе. Разработка эффективных стратегий третичной добычи нефти для более эффективного извлечения нефти обещает оказать значительное экономическое воздействие. Современные способы третичной добычи нефти являются эффективными, но дорогостоящими, поскольку многие нефтедобывающие районы имеют ограниченные запасы воды.Then the focus is on tertiary methods of oil extraction. It is estimated that modern tertiary oil recovery methods can remove an additional 5 to 20% of the oil remaining in the reservoir. The development of efficient tertiary oil recovery strategies for more efficient oil recovery promises to have a significant economic impact. Modern methods of tertiary oil recovery are efficient, but expensive, since many oil producing areas have limited water supplies.
Было обнаружено, что гидроксиалканы (спирты), состоящие из от одного до четырех атомов углерода, растворенные в воде, являются идеальными с точки зрения третичной добычи нефти [патент США 7559372 (7/2009)]. Однако добавление смешанных спиртов в местные источники воды для третичной добычи нефти представляет собой очень дорогую процедуру.It was found that hydroxyalkanes (alcohols), consisting of from one to four carbon atoms, dissolved in water, are ideal in terms of tertiary oil recovery [US patent 7559372 (7/2009)]. However, adding mixed alcohols to local water sources for tertiary oil production is a very expensive procedure.
Поскольку катализаторная реакционная вода, полученная из улучшенного катализатора, описанного в настоящем документе, содержит до 2,0% по объему С1-С5 спиртов, она идеально подходит для прямого применения при третичной добычи нефти.Because the catalyst reaction water derived from the improved catalyst described herein contains up to 2.0% by volume of C 1 -C 5 alcohols, it is ideal for direct use in tertiary oil recovery.
Описан улучшенный способ получения жидких топлив из синтез-газа, в котором используют прямую рециркуляцию катализаторной реакционной воды в процессы получения синтез-газа без необходи- 13 041315 мости очистки воды или других сложных и дорогостоящих процедур предварительной обработки. Такое усовершенствование стало возможным благодаря обнаружению и внедрению инновационных технологий, устраняющих образование вредных карбоновых кислот, которые образуются катализаторами, превращающими синтез-газ в углеводородные продукты, когда синтез-газ содержит кислород. Указанные технологии включают: (1) разработку улучшенного, катализатора для прямого получения жидкого топлива, приготовленного из носителей, имеющих поверхность с нейтральным показателем рН и другие ключевые свойства, и (2) улучшенный окислительно-восстановительный катализатор, эффективно удаляющий кислород, содержащийся в синтез-газе. Поскольку каждая из таких инноваций препятствует образованию карбоновых кислот при каталитическом превращении синтез-газа, указанные кислоты не обнаруживаются в катализаторной реакционной воде и жидких топливах. В результате воду можно непосредственно рециркулировать и использовать без негативных воздействий на процессы получения синтез-газа. Такой улучшенный способ прямой рециркуляции воды устраняет необходимость в утилизации, очистке или обработке катализаторной реакционной воды и значительно снижает потребность в свежей воде для установок по получению жидкого топлива из синтез-газа. Поскольку карбоновые кислоты не образуются во время каталитического превращения синтез-газа, указанные кислоты также исключены из непосредственно полученного топлива. В результате топливо не вызывает коррозии и не разлагается во время хранения.An improved process for producing liquid fuels from synthesis gas is described that utilizes direct recycling of catalyst reaction water to synthesis gas production processes without the need for water purification or other complicated and costly pre-treatment procedures. This improvement was made possible by the discovery and implementation of innovative technologies that eliminate the formation of harmful carboxylic acids, which are formed by catalysts that convert synthesis gas to hydrocarbon products when the synthesis gas contains oxygen. These technologies include: (1) the development of an improved, direct fuel oil catalyst made from carriers having a neutral pH surface and other key properties, and (2) an improved redox catalyst that efficiently removes oxygen contained in the synthesis fuel. gas. Since each of these innovations inhibits the formation of carboxylic acids during the catalytic conversion of synthesis gas, these acids are not found in catalyst reaction water and liquid fuels. As a result, water can be directly recycled and used without negative impacts on syngas production processes. This improved direct water recycling process eliminates the need for disposal, purification, or treatment of catalyst reaction water and significantly reduces fresh water requirements for synthesis gas liquid fuel plants. Since carboxylic acids are not formed during the catalytic conversion of the synthesis gas, these acids are also excluded from the directly produced fuel. As a result, the fuel does not cause corrosion and does not decompose during storage.
На фиг. 1 показаны основные типовые процессы для предпочтительного варианта реализации изобретения.In FIG. 1 shows the main typical processes for the preferred embodiment of the invention.
Газофазные, жидкофазные и твердофазные углеродсодержащие сырьевые материалы можно превратить в синтез-газ, используя различные способы термохимического превращения. Многие жидкости могут испаряться и могут быть введены в виде газофазных сырьевых материалов. Если жидкофазный сырьевой материал трудно поддается испарению, его можно ввести в виде аэрозоля. Если сырьевой материал содержит как летучие жидкие, так и нелетучие твердофазные материалы, процедуры, применяемые для введения сырьевого материала, становятся более сложными.Gas-phase, liquid-phase and solid-phase carbonaceous raw materials can be converted into synthesis gas using various thermochemical conversion methods. Many liquids are vaporizable and can be introduced as gas phase feedstocks. If the liquid phase raw material is difficult to evaporate, it can be introduced as an aerosol. If the raw material contains both volatile liquid and non-volatile solid phase materials, the procedures used to introduce the raw material become more complicated.
Газофазные сырьевые материалы могут включать природный газ, биогаз, попутный газ, газ, сжигаемый в факеле, газообразные углеводороды (например, С2-С4) смесь широкой фракции легких углеводородов или смесь газоконденсатных жидкостей (NGL), отдельные компоненты, экстрагированные из потоков природного газа, такие как этан, пропан, бутан или другие компоненты, конденсаты природного газа (C5+) или другие похожие газы или жидкости (такие как нафта или конденсат), которые могут легко испаряться с образованием газа.Gas-phase feedstocks may include natural gas, biogas, associated gas, flared gas, gaseous hydrocarbons (e.g., C 2 -C 4 ) a mixture of wide fraction light hydrocarbons or a mixture of natural gas liquids (NGL), individual components extracted from streams of natural gases such as ethane, propane, butane or other components, natural gas condensates (C 5+ ) or other similar gases or liquids (such as naphtha or condensate) that can readily vaporize to form gas.
Жидкофазные сырьевые материалы могут включать глицериновые побочные продукты, образующиеся при производстве биодизельного топлива; остаточные углеводородные отходы, образующиеся при очистке нефти; жир из отбросов (липиды), отработанные нефти и многие другие малоценные жидкие углеводородные ресурсы.Liquid phase feedstocks may include glycerol by-products from biodiesel production; residual hydrocarbon waste generated during oil refining; waste oil (lipids), waste oils and many other low-value liquid hydrocarbon resources.
Твердофазные сырьевые материалы включают пластмассу; сельскохозяйственные отходы; древесину, получаемую при восстановлении леса; пластмассу (не содержащую хлора) и другие малоценные твердые углеродсодержащие ресурсы.Solid phase raw materials include plastics; agricultural waste; wood obtained from reforestation; plastics (non-chlorine) and other low-value solid carbonaceous resources.
Газофазные сырьевые материалы.Gas-phase raw materials.
При применении газофазных сырьевых материалов загрязняющие вещества, такие как соединения серы, могут быть удалены 102 до введения ресурса в генератор 103 синтез-газа. В предпочтительном генераторе 103 синтез-газа используют катализатор, который эффективно превращает газофазные углеводороды в синтез-газ при рабочих температурах ниже примерно 1700°F (примерно 930°C). Для поддержания массового отношения пара к углероду на уровне примерно от 2,0 до 3,0 в генератор синтез-газа подают достаточное количество пара. В таком процессе катализаторную реакционную воду 112 непосредственно используют для получения пара. В некоторых случаях может потребоваться небольшое количество подпиточной воды. Такой способ обычно называют каталитическим паровым риформингом.With gas phase feedstocks, contaminants such as sulfur compounds can be removed 102 before the resource is introduced into the synthesis gas generator 103. The preferred syngas generator 103 uses a catalyst that efficiently converts gas phase hydrocarbons to syngas at operating temperatures below about 1700°F (about 930°C). Sufficient steam is supplied to the synthesis gas generator to maintain a steam to carbon weight ratio of about 2.0 to about 3.0. In such a process, the catalyst reaction water 112 is directly used to produce steam. In some cases, a small amount of make-up water may be required. This process is commonly referred to as catalytic steam reforming.
Исключение кислорода из синтез-газа.Exclusion of oxygen from synthesis gas.
Во многих процессах генерирования синтез-газа для получения синтез-газа используют кислород, что приводит к присутствию в синтез-газе остаточного кислорода. В других случаях совместно с сырьевыми материалами загружаются небольшие количества воздуха, часть которого поступает в синтез-газ. Дополнительные источники кислорода в синтез-газе появляются в результате введения воздуха при подаче сырьевых материалов в генератор синтез-газа, и в результате введения воздуха во время процессов мокрой очистки, применяемых для удаления из синтез-газа твердых частиц и смол.Many synthesis gas generation processes use oxygen to produce synthesis gas, resulting in the presence of residual oxygen in the synthesis gas. In other cases, small amounts of air are loaded with the raw materials, some of which enters the synthesis gas. Additional sources of oxygen in the synthesis gas result from the introduction of air during feedstock feeds to the synthesis gas generator, and from the introduction of air during scrubbing processes used to remove particulates and tar from the synthesis gas.
Поскольку присутствие кислорода в синтез-газе оказывает негативное влияние на каталитическое превращение синтез-газа в топливе, такое как образование вредных карбоновых кислот и окисление катализаторов превращения синтез-газа, важным является уменьшение содержания кислорода в синтез-газе до очень низких уровней.Since the presence of oxygen in the syngas has a negative effect on the catalytic conversion of syngas in the fuel, such as the formation of harmful carboxylic acids and the oxidation of syngas conversion catalysts, it is important to reduce the oxygen content of the syngas to very low levels.
Для снижения уровней кислорода до менее 1000 ppm был разработан улучшенный окислительновосстановительный катализатор 109а (фиг. 1) и 201 (фиг. 2).An improved redox catalyst 109a (FIG. 1) and 201 (FIG. 2) was developed to reduce oxygen levels to less than 1000 ppm.
Такой инновационный окислительно-восстановительный катализатор состоит из материала на основе лантанида меди, нанесенного на носитель с высокой удельной поверхностью. Указанный катализа- 14 041315 тор окислительно-восстановительного типа совместим для интегрированного применения с катализаторами Фишера-Тропша, катализаторами для прямого получения топлива (патенты США 8394862 и 9090831) и другими катализаторами, образующими катализаторную реакционную воду. Предложенный улучшенный окислительно-восстановительный катализатор был разработан для работы при тех же температурах, давлениях и объемных скоростях, что и катализаторы 203 для получения углеводородов (фиг. 2).This innovative redox catalyst consists of a copper lanthanide material supported on a support with a high specific surface area. This redox type catalyst is compatible for integrated use with Fischer-Tropsch catalysts, direct fuel catalysts (US Pat. The proposed improved redox catalyst was designed to operate at the same temperatures, pressures, and space velocities as the hydrocarbon catalysts 203 (FIG. 2).
Улучшенный окислительно-восстановительный катализатор 201 содержит примерно от 2 до 25 мас.ч. меди и до 0,5 мас.ч. лантанидов (предпочтительно лантана) на 100 мас.ч., нанесенных на подложку с высокой удельной поверхностью, выбранную из группы, состоящей из диоксида кремния, оксида алюминия, углеродных нанотрубок и/или их комбинаций.Improved redox catalyst 201 contains from about 2 to 25 wt.h. copper and up to 0.5 wt.h. lanthanides (preferably lanthanum) per 100 parts by weight deposited on a substrate with a high specific surface area selected from the group consisting of silicon dioxide, alumina, carbon nanotubes and/or combinations thereof.
При типичных рабочих температурах катализатора, составляющих от 400 до 450°F (примерно от 204 до 232°C), медь в окислительно-восстановительном катализаторе быстро реагирует с любым молекулярным кислородом и водородом в синтез-газе с образованием воды, не воздействуя на монооксид углерода, как показано в уравнении 6, которое представляет собой комбинацию уравнений 4 и 5. Поскольку реакция кислорода с окислительно-восстановительным катализатором является экзотермической, для рассеивания такого тепла носитель катализатора без покрытия можно добавить 202 после окислительновосстановительного катализатора 201, что, таким образом, защищает катализаторы для получения углеводородов от возможного термического повреждения.At typical catalyst operating temperatures of 400 to 450°F (about 204 to 232°C), the copper in the redox catalyst reacts rapidly with any molecular oxygen and hydrogen in the syngas to form water without attacking carbon monoxide. , as shown in Equation 6, which is a combination of Equations 4 and 5. Since the reaction of oxygen with a redox catalyst is exothermic, uncoated catalyst carrier 202 can be added after the redox catalyst 201 to dissipate this heat, thus protecting the catalysts to obtain hydrocarbons from possible thermal damage.
2Си + О2= 2СиО Уравнение 42Cu + O 2 = 2CuO Equation 4
2CuO + 2Н2 = Cu + Н2О Уравнение 52CuO + 2H2 = Cu + H2O Equation 5
О2 + Н2 = Н2О Уравнение 6 (уравнения 4 и 5 объединены)O2 + H2 = H2O Equation 6 (Equations 4 and 5 combined)
При рабочей температуре каталитического реактора, составляющей примерно от 400 до 450°F (примерно от 204 до 232°C), оксиды меди восстанавливаются обратно до меди посредством H2, содержащегося в синтез-газе, с образованием воды, как показано в уравнении 7. Таким образом, Cu/CuO функционирует как окислительно-восстановительный катализатор, удаляя кислород из синтез-газа.At a catalytic reactor operating temperature of about 400 to 450°F (about 204 to 232°C), copper oxides are reduced back to copper by the H 2 contained in the synthesis gas to form water as shown in Equation 7. Thus, Cu/CuO functions as a redox catalyst, removing oxygen from the synthesis gas.
СиО2 + Н2 = Си + НгО Уравнение 7CuO 2 + H 2 \u003d Cu + HgO Equation 7
Когда кислород из синтез-газа восстановлен в достаточной степени, содержание карбоновых кислот минимизируют с помощью некоторых катализаторов Фишера-Тропша, которые в основном образуют воск и катализаторную реакционную воду. Кроме того, эффективность получения углеводородов повышается, поскольку указанные восстановленные катализаторы не подвергаются повторному окислению кислородом.When the oxygen from the synthesis gas is sufficiently reduced, the content of carboxylic acids is minimized with some Fischer-Tropsch catalysts, which mainly form wax and catalyst water of reaction. In addition, the efficiency of hydrocarbon production is increased because these reduced catalysts do not undergo re-oxidation with oxygen.
Преимущества указанного окислительно-восстановительного катализатора 201 при работе совместно с катализаторами 203 для получения углеводородов, состоят в том, что: 1) в окислительновосстановительном катализаторе и катализаторах для получения углеводородов можно использовать аналогичные носители; 2) для приготовления катализаторов можно использовать аналогичные процедуры приготовления; 3) окислительно-восстановительные катализаторы и катализаторы для получения углеводородов совместно загружают в каталитические реакторы; 4) процедуры и условия, применяемые для активизации (восстановления) окислительно-восстановительных катализаторов и катализаторов для получения углеводородов с помощью водорода, являются одинаковыми и; 5) при получении углеводородных продуктов указанные катализаторы могут эффективно работать в одних и тех же условиях температуры, давления и объемной скорости.The advantages of said redox catalyst 201 when used in conjunction with hydrocarbon production catalysts 203 are that: 1) similar supports can be used in the redox catalyst and hydrocarbon production catalysts; 2) similar preparation procedures can be used to prepare catalysts; 3) redox catalysts and catalysts for producing hydrocarbons are jointly loaded into catalytic reactors; 4) the procedures and conditions used for the activation (reduction) of redox catalysts and catalysts for the production of hydrocarbons using hydrogen are the same and; 5) when obtaining hydrocarbon products, these catalysts can operate effectively under the same conditions of temperature, pressure and space velocity.
Еще одним аспектом предпочтительного варианта реализации является прямая рециркуляция катализаторной реакционной воды 112. Такая инновация стала возможной, поскольку катализаторная реакционная вода не содержит вредных карбоновых кислот.Another aspect of the preferred embodiment is the direct recycling of the catalyst water of reaction 112. This innovation is made possible because the catalyst water of reaction is free of harmful carboxylic acids.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения катализаторную реакционную воду 112 непосредственно рециркулируют в генератор 103 синтез-газа, в котором гидроксиалканы в катализаторной реакционной воде превращаются в дополнительный синтез-газ. Согласно другим вариантам реализации настоящего изобретения катализаторную реакционную воду можно рециркулировать в паровой котел, в котором вместе с другими источниками воды создается пар в качестве подаваемого материала для процессов получения синтез-газа.According to some embodiments of the invention, the catalyst reaction water 112 is directly recycled to the synthesis gas generator 103, in which the hydroxyalkanes in the catalyst reaction water are converted into additional synthesis gas. According to other embodiments of the present invention, the catalyst reaction water may be recycled to a steam boiler that, along with other water sources, generates steam as a feed to syngas processes.
Когда такой улучшенный способ, допускающий прямую рециркуляцию катализаторной реакционной воды, используют вместе с улучшенным катализатором для получения жидких топлив, первичный продукт в виде жидкого топлива можно использовать непосредственно или подвергнуть перегонке 300 (фиг. 3) с получение требуемых продуктов 301-305 для дистрибуции на разных топливных рынках.When such an improved process, which allows for direct recycle of catalyst water of reaction, is used in conjunction with an improved fuel oil catalyst, the fuel oil primary product can be used directly or distilled 300 (FIG. 3) to produce the desired products 301-305 for distribution to different fuel markets.
Потенциальные продукты, образующиеся при перегонке, включают: компоненты смешения реформулированных бензинов или продукты ассортимента нафты (приблизительно C5-C8 углеводороды и оксигенированные органические соединения) 302; дизельное топливо № 1 (керосин) 303; дизельное топливо № 2 304; дизельное топливо № 3 305; и небольшую фракцию 306 воска. Получают небольшое количество газов (С2-С4) 301, а также небольшой остаток. Для дальнейшей перегонки жидких углеводородов для получения ценных альфа-олефинов, н-парафинов, растворителей, смазочных масел, гидроксиалканов и/или других ценных продуктов можно использовать альтернативные или дополнительные способы.Potential distillation products include: reformulated gasoline blending components or naphtha range products (approximately C 5 -C 8 hydrocarbons and oxygenated organics) 302; diesel fuel No. 1 (kerosene) 303; diesel fuel No. 2 304; diesel fuel No. 3 305; and a small fraction of 306 wax. A small amount of gases (C 2 -C 4 ) 301 is obtained, as well as a small residue. Alternative or additional processes can be used to further distill liquid hydrocarbons to produce valuable alpha-olefins, n-paraffins, solvents, lubricating oils, hydroxyalkanes and/or other valuable products.
При применении такого улучшенного окислительно-восстановительного катализатора совместно сWhen such an improved redox catalyst is used in conjunction with
- 15 041315 обычным катализом Фишера-Тропша (De Klerk, 2012), который в основном образует воск, указанный воск можно очистить с получением жидких топлив и других углеводородных продуктов, используя типовые способы обогащения и/или очистки воска.- 15 041315 conventional Fischer-Tropsch catalysis (De Klerk, 2012), which mainly produces wax, said wax can be purified to liquid fuels and other hydrocarbon products using standard wax enrichment and/or purification processes.
Согласно другому варианту реализации катализаторы для получения смешанных спиртов можно использовать в усовершенствованном каталитическом реакторе 108, при этом указанные смешанные спирты можно транспортировать на рафинировочный и/или химический завод для дальнейшей переработки с получением топлив и/или химических соединений.In another embodiment, mixed alcohol catalysts may be used in the improved catalytic reactor 108, wherein said mixed alcohols may be transported to a refinery and/or chemical plant for further processing into fuels and/or chemical compounds.
Согласно еще одному варианту реализации катализаторы для производства метанола можно использовать в каталитическом реакторе 108 для получения промежуточного метанольного сырья, которое можно транспортировать на рафинировочный и/или химический завод для дальнейшей переработки с получением топлив и/или химических соединений.In another embodiment, the methanol production catalysts can be used in the catalytic reactor 108 to produce an intermediate methanol feed that can be transported to a refinery and/or chemical plant for further processing into fuels and/or chemicals.
Согласно некоторым вариантам реализации для предотвращения коксования и других нежелательных реакций в термохимическом генераторе 103 синтез-газа отношение воды к углероду в сырьевом материале регулируют в диапазоне 1,0-3,0/1,0 и предпочтительно 2,0-3,0/1,0 для предотвращения коксования (образования углерода) и других нежелательных реакций риформинга.In some embodiments, to prevent coking and other undesirable reactions in the thermochemical synthesis gas generator 103, the ratio of water to carbon in the feedstock is controlled in the range of 1.0-3.0/1.0 and preferably 2.0-3.0/1 .0 to prevent coking (formation of carbon) and other undesirable reforming reactions.
Хотя подпиточная вода необходима при запуске интегрированного процесса, описанного на фиг. 1, обычно для поддержания эффективного процесса каталитического парового риформинга будет достаточно катализаторной реакционной воды без необходимости применения очень большого количества подпиточной воды.Although make-up water is required when starting the integrated process described in FIG. 1, catalytic reaction water will generally be sufficient to maintain an efficient catalytic steam reforming process without the need for very large amounts of make-up water.
Приведенное выше описание вариантов реализации настоящего изобретения было представлено только для целей иллюстрации и описания. Не предполагается, что указанное описание является исчерпывающим или ограничивает настоящее изобретение описанными формами. Соответственно, специалистам в данной области техники будут очевидны многие модификации и варианты. Кроме того, приведенное выше описание не предназначено для ограничения настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.The above description of the embodiments of the present invention has been presented for purposes of illustration and description only. This description is not intended to be exhaustive or to limit the present invention to the forms described. Accordingly, many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. In addition, the above description is not intended to limit the present invention. The scope of the present invention is defined by the appended claims.
Приведено несколько примеров вариантов реализации, показывающих влияние непосредственно рециркулированной катализаторной реакционной воды на состав синтез-газа.Several exemplary embodiments are provided showing the effect of directly recycled catalyst reaction water on synthesis gas composition.
Хотя термический паровой риформинг метана должен идеально обеспечивать отношение H2/CO, составляющее 3,0/1,0 согласно реакции в уравнении 8, из некоторой части метана образуется дополнительное количество H2 согласно уравнению 9, что приводит к стехиометрии реакции, приведенной в уравнении 10.Although the thermal steam reforming of methane should ideally provide a H2/CO ratio of 3.0/1.0 according to the reaction in Equation 8, additional H2 is formed from some of the methane according to Equation 9, resulting in the reaction stoichiometry given in Equation 10.
СНд + НгО = СО + ЗН2 Уравнение 8 (основное) |0,20СН4 + 0,ЗНгО = 0,1 СО2 + 0,1 СО + 0,7Нг Уравнение 9 (второстепенное)SND + HgO = CO + 3H2 Equation 8 (main) | 0.20CH4 + 0.3HgO = 0.1 CO2 + 0.1 CO + 0.7Hg Equation 9 (secondary)
1,2СНд + 1,ЗНгО = 1,1СО + ОДСОг + 3,7Нг Уравнение 10 (уравнения 8 и 9 объединены)1.2CHg + 1.3HgO = 1.1CO + ODSOg + 3.7Hg Equation 10 (Equations 8 and 9 combined)
В результате отношение H2/CO, полученных в установке парового риформинга метана, обычно составляет более 3,0 (Norbeck et al., 2008). Как показано в уравнении 3, отношение H2/CO составляет 3,36.As a result, the H2/CO ratio produced in a steam methane reformer is typically greater than 3.0 (Norbeck et al., 2008). As shown in Equation 3, the H2/CO ratio is 3.36.
Согласно уравнению 3 требуемое молярное отношение H2O к углероду должно составлять по меньшей мере 1,44, но предпочтительно находится в диапазоне от 2,0 до 3,0 для устранения возможности образования элементарного углерода.According to equation 3, the required molar ratio of H2O to carbon should be at least 1.44, but preferably in the range of 2.0 to 3.0 to eliminate the possibility of formation of elemental carbon.
Поскольку катализаторную воду, содержащую гидроксиалканы, рециркулируют в генератор синтезгаза, спирты уменьшают отношение H2/CO. В качестве примеров в уравнениях № 11, 12 и 13 показаны продукты реакции и полученная в результате риформинга метанола, этанола и пропанола стехиометрия продуктов.Since the catalyst water containing hydroxyalkanes is recycled to the syngas generator, the alcohols reduce the H2/CO ratio. As examples, Equations No. 11, 12, and 13 show the reaction products and the stoichiometry of the products obtained from the reformation of methanol, ethanol, and propanol.
СНзОН + Н2О = СО + 2Н2 + Н2О Уравнение 11CH3OH + H 2 O \u003d CO + 2H 2 + H 2 O Equation 11
СН3СН2ОН + 2Н2О = 2СО + 4Н2 + Н2О Уравнение 12CH3CH2OH + 2H 2 O \u003d 2CO + 4H 2 + H 2 O Equation 12
СН3СН2СН2ОН + ЗН2О= ЗСО + 6Н2 + Н2О Уравнение 13CH3CH2CH2OH + ZH 2 O \u003d ZSO + 6H 2 + H 2 O Equation 13
В этом случае риформинг указанных гидроксиалканов позволяет получить синтез-газ с отношением H2/CO, составляющим 2,0/1,0 что способствует регулировке отношения H2/CO в синтез-газе в пределах требуемого диапазона от 1,8 до 2,4.In this case, reforming said hydroxyalkanes produces a synthesis gas with an H2/CO ratio of 2.0/1.0, which helps to control the H2/CO ratio in the synthesis gas within the required range of 1.8 to 2.4.
Цитируемые ссылки.Quoted links.
Ссылки, представленные в настоящем документе, обобщены как патенты США; публикации заявок на патент США; иностранные патенты и статьи в журналах и книгах.References provided herein are summarized as US Patents; publication of US patent applications; foreign patents and articles in magazines and books.
- 16 041315- 16 041315
Патенты СШАUS Patents
US 9138688 В2, поданный Prakash с соавторами 09.2015.US 9138688 B2 filed by Prakash et al. 09.2015.
US 9090831 В2, поданный Schuetzle с соавторами 07.2015.US 9090831 B2 filed by Schuetzle et al. 07.2015.
US 9067806 B2, поданный Carnelli с соавторами 06.2015.US 9067806 B2 filed by Carnelli et al. 06.2015.
US 8999164 B2, поданный Franzosi с соавторами 04.2015.US 8999164 B2 filed by Franzosi et al. 04.2015.
US 8727767 B2, поданный Watson с соавторами 05.2014.US 8727767 B2 filed by Watson et al 05.2014.
US 8591737 B2, поданный Kukkonen с соавторами 11.2013US 8591737 B2 filed by Kukkonen et al. 11.2013
US 8535487 B2, поданный Carnelli с соавторами 09.2013.US 8535487 B2 filed by Carnelli et al. 09.2013.
US 8529865 B2, поданный Belt с соавторами 09.2013.US 8529865 B2, filed by Belt et al. 09.2013.
US 8394862 В2, поданный Schuetzle с соавторами 08.2013.US 8394862 B2 filed by Schuetzle et al. 08.2013.
US 8293805 В2, поданный Khan с соавторами 10.2012.US 8293805 B2 filed by Khan et al. 10.2012.
US 8158029 В2, поданный Ernst с соавторами 04.2012.US 8158029 B2 filed by Ernst et al. on 04.2012.
US 8057578 В2, поданный Argawal с соавторами 11.2011.US 8057578 B2 filed by Argawal et al. 11.2011.
US 8048178 В2, поданный Smit с соавторами 11.2011.US 8048178 B2, filed by Smit et al. 11.2011.
US 8043571 В2, поданный Dannoux с соавторами 10.2011.US 8043571 B2 filed by Dannoux et al. on 10.2011.
US 7989510 В2, поданный Locatelli с соавторами 08.2011.US 7989510 B2 filed by Locatelli et al. 08.2011.
US 7939953 В2, поданный Lomax с соавторами 05.2011.US 7939953 B2 filed by Lomax et al. 05.2011.
US 7744829 В2, поданный Brophy с соавторами 6.2010.US 7744829 B2, filed by Brophy et al. 6.2010.
US 7559372 В2, поданный Cobb 07.2009.US 7559372 B2, filed on 07.2009 by Cobb.
- 17 041315- 17 041315
US 7470405 B2, поданный Knopf с соавторами 11.2008.US 7470405 B2, filed on 11.2008 by Knopf et al.
US 7404936 В2, поданный Mazanec с соавторами 07.2008.US 7404936 B2 filed by Mazanec et al. 07.2008.
US 7323497 В2, поданный Abbot 01.2008US 7323497 B2, filed on 01.2008 by Abbot
US 7318894 В2, поданный Juby с соавторами 01.2008.US 7318894 B2, filed by Juby et al. 01.2008.
US 7276105 В2, поданный Pruet с соавторами 10.2007.US 7276105 B2, filed by Pruet et al. 10.2007.
US 7261751 В2, поданный Dutta с соавторами 08.2007.US 7261751 B2, filed by Dutta et al. 08.2007.
US 7235172 В2, поданный Lawson с соавторами 06.2007.US 7235172 B2, filed by Lawson et al. 06.2007.
US 7166219 В2, поданный Kohler с соавторами 01.2007.US 7166219 B2, filed by Kohler et al. 01.2007.
US 7153432 В2, поданный Kohler с соавторами 12.2006.US 7153432 B2 filed by Kohler et al 12.2006.
US 7150831 В2, поданный Kohler с соавторами 12.2006.US 7150831 B2, filed by Kohler et al. 12.2006.
US 7147775 В2, поданный Kohler с соавторами 12.2006.US 7147775 B2 filed by Kohler et al 12.2006.
US 7108070 В2, поданный Hall с соавторами 09.2006.US 7108070 B2, filed by Hall et al. 09.2006.
US 6942839 В2, поданный Huisman с соавторами 09.2005.US 6942839 B2, filed by Huisman et al. 09.2005.
US 6887908 В2, поданный Pruet с соавторами 05.2005.US 6887908 B2, filed by Pruet et al. 05.2005.
US 6744066 В2, поданный Wang с соавторами 06.2004.US 6744066 B2, filed by Wang et al. 06.2004.
US 6533945 В1, поданный Shah с соавторами 03.2003.US 6533945 B1, filed by Shah et al. 03.2003.
US 6262131 В1, поданный Arcuri с соавторами 07.2001.US 6262131 B1, filed by Arcuri et al. 07.2001.
US 6225358 А, поданный Kennedy с соавторами 05.2001.US 6225358 A filed by Kennedy et al. 05.2001.
US 5620670 А, поданный Benham с соавторами 04.1997.US 5620670 A filed by Benham et al. 04.1997.
US 5053581 А, поданный Hildinger с соавторами 10.1991.US 5053581 A, filed by Hildinger et al. 10.1991.
US 4499200 А, поданный Ноек с соавторами 02.1985.US 4499200 A, filed by Noek et al. 02.1985.
Публикации заявок на патенты СШАU.S. Patent Application Publications
2015/0259609 А1, опубликованная 09.2015, Wang с соавторами.2015/0259609 A1 published 09.2015 by Wang et al.
2014/0144397 А1, опубликованная 05.2014, Bromberg с соавторами.2014/0144397 A1 published 05.2014 by Bromberg et al.
2014/102981 А1, опубликованная 04.2014, Miglio с соавторами.2014/102981 A1 published 04.2014 by Miglio et al.
2014/0140896 А1, опубликованная 05.2014, Moon с соавторами.2014/0140896 A1 published 05.2014 by Moon et al.
2005/113426 А1, опубликованная 11.2005, Clur с соавторами.2005/113426 A1 published 11.2005 by Clur et al.
2005/0106086 А1, опубликованная 05.2005, Tomlinson с соавторами.2005/0106086 A1 published 05.2005 by Tomlinson et al.
2003/0225169, опубликованная 12.2003, Yetman.2003/0225169 published 12.2003 by Yetman.
Ссылки на другие патентыReferences to other patents
WO20I2/158536 А1, опубликованная 11.2012, Boel с соавторами.WO20I2/158536 A1 published 11.2012 by Boel et al.
WO2010/06958 А1, опубликованная 06.2010, Camelli с соавторами.WO2010/06958 A1 published 06.2010 by Camelli et al.
--
Claims (17)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/330,100 | 2016-08-05 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA041315B1 true EA041315B1 (en) | 2022-10-07 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2020230280B2 (en) | Catalysts, Related Methods And Reaction Products | |
US6225358B1 (en) | System and method for converting light hydrocarbons to heavier hydrocarbons with improved water disposal | |
KR20230090311A (en) | Process for synthesizing hydrocarbons | |
JP2011529116A (en) | Solid-to-fuel conversion system and method | |
JP4231415B2 (en) | Reduced CO2 levels in natural gas converted to liquid fuel | |
EP3400276B1 (en) | Novel method for avoiding expensive sour water stripper metallurgy in a gasification plant | |
EA041315B1 (en) | CATALYSTS, RELATED METHODS AND REACTION PRODUCTS | |
EA047667B1 (en) | CATALYSTS, RELATED METHODS AND REACTION PRODUCTS | |
CA3169818C (en) | Micro-scale process for the direct production of liquid fuels from gaseous hydrocarbon resources | |
US9611154B2 (en) | Method for purifying water formed during hydrocarbon synthesis | |
EA043697B1 (en) | MICROSCALE METHOD FOR DIRECT PRODUCTION OF LIQUID FUELS FROM GASEOUS HYDROCARBON RESOURCES | |
EA045925B1 (en) | MICROSCALE PLANT FOR DIRECT PRODUCTION OF LIQUID FUELS FROM GASEOUS HYDROCARBON RESOURCES | |
US20110003901A1 (en) | Ft water treating and recovery |