Евразийское патентное ведомство (19) (11) 014326 (13) B1 (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ (45) Дата публикации и выдачи патента: 2010.10.29 (21) Номер заявки: 200702505 (22) Дата подачи: 2007.12.13 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ БЕНЗИНОВЫХ ФРАКЦИЙ ИЗ СИНТЕЗГАЗА (72) (56) RU-C2-2175960 RU-C2-2218319 US-A-4622308 US-A-4361503 014326 (31) 2007115953 (32) 2007.04.26 (33) RU (43) 2008.10.30 (71)(73) Заявитель и патентовладелец: ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "СИБИРСКАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ "ЦЕОСИТ" (RU) (51) Int. Cl. C07C 1/04 (2006.01) C10G 2/00 (2006.01) Изобретатель: Мысов Владислав Михайлович, Степанов Виктор Георгиевич, Ионе Казимира Гавриловна (RU) B1 014326 B1 (57) Изобретение относится к способу получения С5+ углеводородов каталитической конверсией синтез-газа. Синтез-газ, содержащий CO, H2 и CO2 и имеющий объемное отношение Н2/(СО+CO2), равное 1-3, контактирует при температуре 320-440°С и давлении 40-100 атм с бифункциональным катализатором, содержащим металлоксидный компонент и цеолит со структурой ZSM-5 или ZSM-11, в состав которого входит железо в количестве от 0,3 до 1 мас.%. Процесс проводят при кратности циркуляции, предпочтительно равной 4-30, а в качестве сырья возможно использовать синтез-газ, разбавленный метаном и азотом до 15 об.%. Технический результат - повышение содержания ароматических углеводородов в бензиновой фракции и осуществление регенерации бифункционального катализатора при температуре, не превышающей 430-440°С. 014326 Изобретение относится к органической химии, а именно к способам получения углеводородов, в частности к получению углеводородов С5+ каталитической конверсией смеси CO, H2, N2, CH4 и CO2 (далее именуемой синтез-газом). Получаемые при этом жидкие углеводородные фракции могут быть использованы в качестве автобензинов с низким содержанием бензола. Известен способ получения углеводородных бензиновых фракций из газа, содержащего Н2 и CO2 или H2, CO2 и CO, путем контактирования газа при температуре 320-440°С, давлении 40-100 атм и объемном отношении H2/(CO+CO2), равном 1-3, с катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 или ZSM11 и металлоксидный компонент, включающий оксиды цинка, меди и/или хрома (РФ № 2089533, 1997). Согласно данному способу целевыми продуктами превращения смеси Н2, CO2 (и в отдельных примерах Н2, CO2 и CO) являются жидкие бензиновые фракции углеводородов с высоким (от 40 до 84 мас.%) содержанием ароматических углеводородов. Основными недостатками способа являются низкие выходы (40-120 г/нм3 синтез-газа) и производительность процесса по бензиновой фракции (20-125 г/л катализатора/ч), а также дополнительный расход дорогостоящего водорода на восстановление CO2 до CO. Известен способ получения из синтез-газа смеси углеводородов C1-C11, в которых фракция C5+ обогащена изопарафинами, в основном изопентаном и изогексанами (РФ № 2100332, 1997). Согласно данному способу для превращения синтез-газа используют бифункциональный катализатор, частицы которого включают два компонента: кристаллический алюмосиликат типа пентасила с SiO2/Al2O3=25-100 с содержанием оксида натрия 0,2-0,5 мол.% и оксидов редкоземельных элементов 0,1-5 мол.%, а также активный в синтезе метанола цинк-хромовый компонент с атомным отношением Zn/Zn+Cr от 1:9 до 1:1. Использование данного катализатора в приведенных в способе условиях (давление 6-15 мПа, температура 330-400°С, объемная скорость подачи сырья 50-11000 ч-1) позволяет получить бензин с содержанием ароматических углеводородов не более 25 об.%, который может быть использован в качестве источника изопентана и изогексанов - высокооктановых компонентов бензина. Основным недостатком способа является применение для модификации цеолита оксидов редкоземельных элементов, что приводит к высокому содержанию изопентана и изогексанов во фракции углеводородов С5+ (40,5-64,4 об.%), что не позволяет использовать полученную бензиновую фракцию в качестве товарного автобензина. Известен способ получения ароматических углеводородов С6-C10 конверсией органического сырья, в том числе газовой смеси водорода и оксида углерода в присутствии кристаллических ферро- и алюмоферросиликатов при 350-400°С и давлении 1-30 атм (СССР № 936803, 1982). Для превращения газовой смеси водорода и оксида углерода используют кристаллические силикаты, содержащие оксид хрома, оксид цинка и до 8 мас.% оксида железа. В данном способе показаны невысокая конверсия CO (75%) и селективность по углеводородам С5+ (56,3 мас.%), состоящим на 63,5 мас.% из ароматических углеводородов, а процесс проводят при очень низкой объемной скорости подачи синтез-газа (1000 мл газа/л катализатора/ч), что соответствует производительности катализатора менее 1 г углеводородов/л катализатора/ч. Известен способ получения ароматических углеводородов конверсией газовой смеси водорода и оксидов углерода в присутствии бифункциональных катализаторов на основе ZnO-Cr2O3-компонента синтеза метанола и цеолита при 260-480°С и давлении до 300 атм (US № 4180516, 1979). Целью данного способа является получение высокоароматизированной углеводородной фракции, состоящей, главным образом, из ароматических углеводородов С8-C11 с повышенным содержанием нежелательных для бензиновой фракции легкокристаллизуемых компонентов (8,5 мас.% дурола и 15,6 мас.% C11+). В способе описана регенерация катализатора при высокой температуре 540°С. Наиболее близким к изобретению является способ получения углеводородных бензиновых фракций из синтез-газа, содержащего Н2, CO и CO2 и имеющего объемное отношение Н2/(CO+CO2), равное 1-3, путем контактирования газа при температуре 320-440°С, давлении 40-100 атм с катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент (РФ № 2175960, 2001). В данном способе используют циркуляцию газового потока после реактора с объемным отношением количества циркулирующего газа к исходному синтез-газу, равному 0,1-1000, а процесс проводят при объемной скорости подачи исходного синтез-газа 200-5000 ч-1, объемных отношениях в исходном синтез-газе CO/CO2 больше 4 и Н2/CO2 больше 11. Согласно данному способу жидкими продуктами превращения синтез-газа являются бензиновая фракция (углеводороды С5-С10) и вода, содержащая метанол. Данный способ наиболее близок по технической сущности к предлагаемому изобретению и может быть использован в качестве прототипа. Основными недостатками выбранного прототипа являются относительно низкое содержание ароматических углеводородов в бензиновой фракции - от 9 до 28 мас.% при отношении Н2/(CO+CO2) < 2,5 и кратности циркуляции более 70, и менее 6 мас.% при Н2/(CO+CO2) ≥ 2,5 и кратности циркуляции от 8 до 20; при этом полученные бензиновые фракции имеют невысокие октановые числа до 82-84 ММ и 76-80 ММ соответственно; для полного удаления коксовых отложений, образовавшихся на поверхности катализатора в процессе синтеза углеводородов, необходимо проведение его регенерации при температурах более 430440°С, что приводит к снижению срока службы катализатора. Задачей настоящего изобретения является повышение содержание ароматических углеводородов в -1- 014326 бензиновой фракции и осуществление регенерации бифункционального катализатора при температуре, не превышающей 430-440°С. Поставленная задача решается тем, что способ получения углеводородных бензиновых фракций из синтез-газа, содержащего Н2, CO и CO2 и имеющего объемное отношение Н2/(CO+CO2), равное 1-3, осуществляют путем контактирования газа при температуре 320-440°С, давлении 40-100 атм, с бифункциональным катализатором, содержащим металлоксидный компонент ZnO-Cr2O3-W2O5 и цеолит со структурой ZSM-5 или ZSM-11 и при этом цеолит содержит железо в количестве от 0,1 до 1 мас.%. Предпочтительно исходный синтез-газ содержит СН4 от 0,5 до 10 об.% и N2 от 0,5 до 10 об.%, при этом содержание СН4 и N2 в исходном синтез-газе в сумме не превышает 15 об.%. Предпочтительно процесс проводят при циркуляции газового потока при объемном отношении количества циркулирующего газа к исходному синтез-газу, предпочтительно равном 4-30. Отличительными признаками изобретения являются цеолит со структурой ZSM-5 или ZSM-11 содержит железо в количестве от 0,1 до 1 мас.%; исходный синтез-газ содержит СН4 от 0,5 до 10 об.% и N2 от 0,5 до 10 об.%, при этом содержание СН4 и N2 в исходном синтез-газе в сумме не превышает 15 об.%. Достигаемый результат связан с тем, что введение железа в цеолит со структурой ZSM-5 или ZSM11 приводит к образованию дополнительного количества активных центров, ведущих реакции синтеза и превращения углеводородов, что позволяет при пониженной кратности циркуляции получать углеводородные бензиновые фракции из синтез-газа с более высокой по сравнению с прототипом селективностью по ароматическим углеводородам. В ходе процессов превращения синтез-газа в углеводороды при протекании реакций перераспределения водорода и олигомеризации олефинов с последующей конденсацией олигомеров происходит образование недесорбируемых с поверхности катализатора углеродистых соединений - кокса. Образующийся на поверхности катализатора кокс приводит к блокировке активных центров катализатора, что вызывает его постепенную дезактивацию, сопровождаемую снижением уровня активности катализатора, ухудшением селективности процесса по углеводородам С5+, в том числе и ароматическим углеводородам, увеличением концентрации метанола и диметилового эфира (ДМЭ) в продуктах реакции. Для восстановления начального уровня активности бифункционального катализатора осуществляют его регенерацию, заключающуюся в регулируемом выжигании образовавшихся на поверхности катализатора коксовых отложений регенерирующим газом с определенным содержанием кислорода при температурах более 430-440°С. Для проведения полной и мягкой регенерации бифункционального катализатора путем снижения максимальной температуры выжигания кокса до 430-440°С в состав цеолита со структурой ZSM-5 или ZSM-11 вводят железо в количестве от 0,1 до 1 мас.%. Экспериментально установлено, что железо, введенное в состав цеолита со структурой ZSM-5 или ZSM-11 на стадии гидротермального синтеза, входит в состав активных центров и ускоряет реакции выгорания катализаторного кокса, что и приводит к снижению температуры выжигания кокса. Выбор условий проведения процесса синтеза бензиновой фракции из газа, содержащего Н2, CO и CO2, обусловлен следующими факторами. Повышенное давление необходимо для более глубокого превращения синтез-газа. Нижняя граница температурного интервала работы бифункционального катализатора (340°С) определена по минимальной активности катализатора, превышение верхнего предела температуры (420°С) приводит к снижению срока службы металлоксидного компонента бифункционального катализатора. Объемная скорость подачи исходного синтез-газа определяется активностью используемого бифункционального катализатора при фиксированном давлении и температуре. Циркуляция газового потока с объемным отношением количества циркулирующего газа к исходному синтез-газу (кратность циркуляции) может быть равна от 2 до 50, но лучше иметь значение кратности циркуляции в пределах 4-30, так как в промышленных условиях высокая кратность циркуляции ведет к значительным энергетическим затратам на рециркуляцию газа. В условиях высокой конверсии исходного сырья - синтез-газа, разбавленного метаном и азотом, наблюдается значительный рост концентрации метана и азота в циркуляционном газе (до 50 об.% и более). Обогащение реакционной газовой смеси инертными компонентами (метаном и азотом) приводит к снижению скорости протекания реакций синтеза углеводородов, и как следствие - к понижению активности (производительности) катализатора, но в то же время улучшает тепловой баланс в реакторе - выравниваются температуры по слою катализатора. Введение железа в состав цеолита бифункционального катализатора приводит к образованию дополнительного количества активных центров, ведущих реакции синтеза углеводородов, что позволяет повысить уровень активности катализатора и эффективно перерабатывать разбавленный метаном и азотом синтез, кроме того, введение железа в состав цеолита бифункционального катализатора приводит и к улучшению свойств катализатора, необходимых на стадии его регенерации. При конверсии синтез-газа и продуктов его первичного превращения (метанола, ДМЭ, олефинов и др.) происходит постепенное закоксование катализаторов, сопровождаемое снижением селективности по ароматическим углеводородам и ростом содержания метанола в продуктах реакции. Снижение содержания ароматических углеводородов в бензиновой фракции ниже определенного минимального предела может привести к ухудшению антидетонационных свойств получаемого бензина. Повышение -2- 014326 содержания метанола в продуктах реакции создает дополнительные проблемы по его удалению из образующейся в процессе синтеза воды, а также приводит к увеличению расхода исходного синтез-газа, содержащего метан и азот. Сущность предлагаемого способа и его практическая применимость иллюстрируется нижеприведенными примерами. Примеры 1, 2 - прототип, пример 3 - аналогичный прототипу, приведены для сравнения с предлагаемым способом, примеры 4-9 - предлагаемый способ. Пример 1 (прототип). Синтез-газ, содержащий H2 (68,1 об.%), CO (26,7 об.%), CO2 (0,3 об.%), N2 (3,0 об.%) и CH4 (1,9 об.%), подают на установку с объемной скоростью 1000 ч-1, где он смешивается с циркуляционным газом перед входом в реактор. Полученная газовая смесь контактирует с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент, при температуре 360°С и давлении 80 атм. Парогазовый поток после контактирования охлаждают и в сепараторе отделяют жидкие продукты от газовой фазы. Жидкие продукты последовательно разделяют на бензиновую фракцию, метанольную воду и растворенные в них CO2 и углеводороды С3-С4. Для предотвращения накопления метана и легких углеводородов часть газового потока после сепаратора постоянно выводят из циркуляционного контура, а основной газовый поток смешивают с исходным синтез-газом и подают в реактор синтеза углеводородов. Объемные соотношения компонентов в исходном синтез-газе, условия проведения и основные показатели опыта показаны в табл. 1. Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в цеолите бифункционального катализатора представлены в табл. 2. Пример 2 (прототип). Синтез-газ, содержащий Н2 (67,6 об.%), CO (26,0 об.%), CO2 (6,1 об.%), N2 (0,2 об.%) и СН4 (0,1 об.%), подают на установку с объемной скоростью 830 ч-1, где он смешивается с циркуляционным газом перед входом в реактор. Полученная газовая смесь контактирует с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент, при температуре 420°С и давлении 100 атм. Парогазовый поток после контактирования охлаждают и в сепараторе отделяют жидкие продукты от газовой фазы. Жидкие продукты последовательно разделяют на бензиновую фракцию, метанольную воду и растворенные в них CO2 и углеводороды С3-С4. Для предотвращения накопления метана и легких углеводородов часть газового потока после сепаратора постоянно выводят из циркуляционного контура, а основной газовый поток смешивают с исходным синтез-газом и подают в реактор синтеза углеводородов. Объемные соотношения компонентов в исходном синтез-газе, условия проведения и основные показатели опыта показаны в табл. 1. Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в цеолите бифункционального катализатора представлены в табл. 2. Пример 3 (аналогичный прототипу). Бифункциональный катализатор, аналогичный прототипу, проработавший длительное время в условиях примера 2, был подвергнут окислительной регенерации в среде N2+O2 при 320-350°С. После удаления 20% кокса температуру подняли до 410°С и регенерацию продолжили в интервале температуры 410-520°С до полного удаления коксовых отложений. Максимальную степень выгорания кокса наблюдали при температуре 470°С. Пример 4. Синтез-газ, содержащий H2 (63,7 об.%), CO (33,7 об.%), CO2 (0,1 об.%), N2 (1,5 об.%) и CH4 (1,0 об.%), подают на установку с объемной скоростью 840 ч-1, где он смешивается с циркуляционным газом перед входом в реактор. Полученная газовая смесь контактирует с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент, при температуре 400°С и давлении 80 атм. Парогазовый поток после контактирования охлаждают и в сепараторе отделяют жидкие продукты от газовой фазы. Жидкие продукты последовательно разделяют на бензиновую фракцию, метанольную воду и растворенные в них CO2 и углеводороды С3-С4. Для предотвращения накопления метана и легких углеводородов часть газового потока после сепаратора постоянно выводят из циркуляционного контура, а основной газовый поток смешивают с исходным синтез-газом и подают в реактор синтеза углеводородов. Объемные соотношения компонентов в исходном синтез-газе, условия проведения и основные показатели опыта показаны в табл. 1. Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в цеолите бифункционального катализатора представлены в табл. 2. Пример 5. Синтез-газ, содержащий Н2 (59,8 об.%), CO (31,6 об.%), CO2 (0,1 об.%), N2 (4,9 об.%) и СН4 (3,6 об.%), подают на установку с объемной скоростью 910 ч-1, где он смешивается с циркуляционным газом перед входом в реактор. Полученная газовая смесь контактирует с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент, при температуре 400°С и давлении 80 атм. Парогазовый поток после контактирования охлаждают и в сепараторе отделяют жидкие продукты от газовой фазы. Жидкие продукты последовательно разделяют на бензиновую фракцию, метанольную воду и растворенные в них CO2 и углеводороды С3-С4. Для предотвращения накопления метана и легких углеводородов часть газового потока после сепаратора постоянно выводят из циркуляционного контура, а основной газовый поток смешивают с исходным синтез-газом и подают в реактор синтеза углеводородов. Объемные соотношения компонентов в исходном синтез-газе, условия проведения и ос-3- 014326 новные показатели опыта показаны в табл. 1. Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в цеолите бифункционального катализатора представлены в табл. 2. Пример 6. Синтез-газ, содержащий Н2 (55,1 об.%), CO (31,0 об.%), CO2 (0,1 об.%), N2 (9,6 об.%) и СН4 (4,2 об.%), подают на установку с объемной скоростью 880 ч-1, где он смешивается с циркуляционным газом перед входом в реактор. Полученная газовая смесь контактирует с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент, при температуре 400°С и давлении 80 атм. Парогазовый поток после контактирования охлаждают и в сепараторе отделяют жидкие продукты от газовой фазы. Жидкие продукты последовательно разделяют на бензиновую фракцию, метанольную воду и растворенные в них CO2 и углеводороды С3-С4. Для предотвращения накопления метана и легких углеводородов часть газового потока после сепаратора постоянно выводят из циркуляционного контура, а основной газовый поток смешивают с исходным синтез-газом и подают в реактор синтеза углеводородов. Объемные соотношения компонентов в исходном синтез-газе, условия проведения и основные показатели опыта показаны в табл. 1. Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в цеолите бифункционального катализатора представлены в табл. 2. Пример 7. Синтез-газ, содержащий Н2 (64,7 об.%), CO (33,8 об.%), CO2 (0,1 об.%), N2 (0,7 об.%) и СН4 (0,7 об.%), подают на установку с объемной скоростью 790 ч-1, где он смешивается с циркуляционным газом перед входом в реактор. Полученная газовая смесь контактирует с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент, при температуре 400°С и давлении 80 атм. Парогазовый поток после контактирования охлаждают и в сепараторе отделяют жидкие продукты от газовой фазы. Жидкие продукты последовательно разделяют на бензиновую фракцию, метанольную воду и растворенные в них CO2 и углеводороды С3-С4. Для предотвращения накопления метана и легких углеводородов часть газового потока после сепаратора постоянно выводят из циркуляционного контура, а основной газовый поток смешивают с исходным синтез-газом и подают в реактор синтеза углеводородов. Объемные соотношения компонентов в исходном синтез-газе, условия проведения и основные показатели опыта показаны в табл. 1. Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в цеолите бифункционального катализатора представлены в табл. 2. Пример 8. Синтез-газ, содержащий Н2 (64,2 об.%), CO (33,8 об.%), CO2 (1,0 об.%), N2 (0,5 об.%) и СН4 (0,5 об.%), подают на установку с объемной скоростью 710 ч-1, где он смешивается с циркуляционным газом перед входом в реактор. Полученная газовая смесь контактирует с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит типа ZSM-5 и металлоксидный компонент, при температуре 400°С и давлении 80 атм. Парогазовый поток после контактирования охлаждают и в сепараторе отделяют жидкие продукты от газовой фазы. Жидкие продукты последовательно разделяют на бензиновую фракцию, метанольную воду и растворенные в них CO2 и углеводороды C3-С4. Для предотвращения накопления метана и легких углеводородов часть газового потока после сепаратора постоянно выводят из циркуляционного контура, а основной газовый поток смешивают с исходным синтез-газом и подают в реактор синтеза углеводородов. Объемные соотношения компонентов в исходном синтез-газе, условия проведения и основные показатели опыта показаны в табл. 1. Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в цеолите бифункционального катализатора представлены в табл. 2. Пример 9. Бифункциональный катализатор, содержащий 0,94 мас.% железа в цеолите и проработавший длительное время в условиях примера 4, был подвергнут окислительной регенерации в среде N2+O2 при 320390°С. После удаления 80% кокса температуру подняли до 400°С и регенерацию продолжили в интервале температуры 400-430°С до полного удаления коксовых отложений. Максимальную степень выгорания кокса наблюдали при температуре 350°С. Как видно из приведенных примеров и представленных в табл. 1 результатов, введение железа в состав цеолита бифункционального катализатора приводит к образованию дополнительного количества активных центров, ведущих реакции синтеза углеводородов, в частности ароматических углеводородов, что позволяет повысить уровень активности катализатора, таким образом, увеличивается выход углеводородов на поданную смесь CO+Н2 и селективность по ароматическим углеводородам. Введение железа в состав цеолита бифункционального катализатора позволяет эффективно перерабатывать синтез-газ, разбавленный метаном и азотом. Предлагаемый способ позволяет проводить удаление коксовых отложений с поверхности регенерируемого цеолита бифункционального катализатора в более мягких условиях, заключающихся в уменьшении температурного интервала (с 410-470 до 320-430°С) регенерации катализатора и/или температуры максимального выгорания кокса (с 470 до 350°С). -4- 014326 Таблица 1 Сравнение параметров и показателей процессов превращения синтез-газа по прототипу и заявляемому способу Таблица 2 Мольные отношения SiO2/Al2O3 и содержание железа в используемых цеолитах бифункционального катализатора в прототипе и заявляемом способе ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения углеводородных бензиновых фракций из синтез-газа, содержащего Н2, CO и CO2 и имеющего объемное отношение Н2/(CO+CO2), равное 1-3, путем контактирования газа при температуре 320-440°С и давлении 40-100 атм с бифункциональным катализатором, содержащим цеолит и металлоксидный компонент ZnO-Cr2O3-W2O5, при циркуляции газового потока после реактора, отличающийся тем, что в качестве цеолита используют цеолит со структурой ZSM-5 или ZSM-11, содержащий железо в количестве от 0,1 до 1 мас.%. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходный синтез-газ содержит СН4 от 0,5 до 10 об.% и N2 от 0,5 до 10 об.%, при этом содержание СН4 и N2 в исходном синтез-газе в сумме не превышает 15 об.%. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят при циркуляции газового потока при объемном отношении количества циркулирующего газа к исходному синтез-газу, предпочтительно равном 4-30. Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2 -5-