[发明专利]具有优良传热能力的用于费-托合成的催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及具有优良传热能力的用于费-托（Fischer-Tropsch）合成的催化剂，用于由合成气生产烃类。

背景技术

所述费-托法(F-T合成)由德国化学家Franz Fischer和Hans Tropsch在1923首次开发，并且该方法能够通过来自煤、天然气、生物质等的合成气生产液态烃。由煤炭生产液态燃料的工艺称为“煤制液（coal-to-liquids,CTL）工艺”；由天然气生产液态燃料的工艺称为“气制液（gas-to-liquids,GTL）工艺”；由生物质生产液态燃料的工艺称为“生物质液化（biomass-to-liquids，BTL）工艺”；最近，术语“XTL”（“X”资源制液）经常被用作类似工艺的总称。

这些工艺首先将每种原料如煤、天然气、生物质等通过气化、重整等转化成合成气；为了生产液态燃料，适合XTL工艺的合成气的组成优选为氢气：一氧化碳=2:1，如以下反应式I所示，其中CO,H₂,-[CH₂]-_n和H₂O分别代表一氧化碳、氢气、链长为n（n表示碳的数目）的烃，和水。

反应式I

CO+2H₂+-[CH₂]-_n→-[CH₂]-_n+1+H₂O

当氢气的比例超过2时，这会增加甲烷的选择性并相对地抑制C₅₊(具有五个或更多个碳原子的烃类)的选择性，因此这是不希望的。除了反应式I的直链烃外，还可以生产其他烃，例如石蜡、含氧化合物（oxygenate）（含有氧原子的分子，包括醇、醛、酮等）等。

XTL工艺的主要目的之一是获得液态燃料，因此，目前的趋势是优化催化反应、合成气的比例、温度、压力等，来增加直链烃的选择性，更特别是C₅₊的选择性。在催化反应中，经常使用钴或铁基催化剂，这些金属催化剂均匀地分散或沉积在诸如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛等的载体上。可以使用诸如钌、铂、铼等贵金属作为助催化剂来提高催化性能。

同时，多种类型的反应器均可用于F-T合成，例如，管式固定床反应器、流化床反应器、浆液反应器（slurry phase reactor）和装配有热交换器的微通道反应器或多通道反应器。然而，最终产品的响应特性和分布可能会因所用反应器的类型而变化，因此，应根据最终目标产品选择合适的反应器。管式固定床反应器、流化床反应器和浆液反应器就它们的输出而言占用太多空间。因此，近来更优选的是多通道反应器（涵盖“微通道反应器”），其对于输出而言占用相对小的空间（其他类型反应器大小的1/5至1/2）。多通道反应器被设计为使传热效率最大化，以使其可以在高空间速度（space velocity）下使反应运行，其优点包括，设备和安装的成本相对较低，由于能够调节系统至任何所需的容量因而能方便容易地扩大规模，并且当设备移动时可能造成的以下损失均是微不足道的：由于摩擦或碰撞引起的机械损失，以及由于反应器性能的变化或催化剂的振荡引起的损失。

多通道反应器具有为交替层状结构的催化床和具有热交换器，对于F-T合成，可通过将催化剂插入反应器（即固定床反应器）内部而将该催化剂负载到反应器中，或通过将催化剂涂覆在反应器的内壁上而使该催化剂贴附至反应器上。在催化剂涂覆至反应器内壁上的情况下，负载容量（即，可以装载在反应器中的催化剂的量）是相当小的，因此对生产量有限制，更换催化剂非常困难或者几乎是不可能的。因此，更优选的是负载催化剂颗粒的固定床反应器。对于固定床反应器，催化剂的负载容量高，并且更换催化剂相对容易。然而，该类型反应器的传热效率差，而且它也会形成热点（hot spot）或使失控（run-away），使得反应无法控制。

在F-T合成过程中，即时地从催化剂颗粒中除去反应热是非常重要的，因为捕获的反应热可能会降低目标烃的选择性并造成催化剂的劣化。因此，在常规方法中，已尝试通过使用一定量的惰性载体制备固定床催化剂层（见美国专利No.4,075,231）或混合惰性颗粒与催化剂颗粒以形成催化剂层从而适当地控制反应来克服这些问题。但是，在使用惰性载体的情况下，所述惰性载体本身是多孔材料，因此催化剂材料吸入该载体中并且催化反应也发生在该载体内，这使得很难控制该放热反应。在物理混合惰性颗粒与催化剂颗粒的情况下，难以均匀地混合这些颗粒，导致催化剂材料的聚集，从而防止了均匀的催化反应。