[发明专利]用于进行费-托合成的方法和反应器

说明书

费-托(FT)方法需要主要由一氧化碳和氢气组成的合成气物流。因此，气化是煤液化或者由生物质来生产费-托燃料的第一步骤。通过该方法，合成气被转化成为高级烃，二氧化碳和水。

传统的FT反应器是作为固定床或者气体搅拌反应器(浆体)来运行的。由于更好的温度控制，以及因此的产品质量的潜在最佳化，浆体反应器(slurry reactor)是一种非常受欢迎的选择。另外，基于钴或者钌的现代FT催化剂已经表现出良好的形成长碳链分子(典型的大于5个碳原子)的能力。

FT合成是放热性的，并且反应性能高度依赖于反应温度。高温有利于甲烷的形成和碳在催化剂上的沉积。因此必须控制温度和从反应介质中除去多余的热，这通常是通过反应器中的冷却介质的间接热交换来完成的。

不管上述的进展如何，FT反应器仍然具有局限性，主要的局限来自于任何的FT催化剂对于蒸汽的敏感性。确实的，FT反应基于每个被转化的一氧化碳分子形成了一个水分子。因为长链烃是期望的反应产物，它导致了蒸汽浓度的明显增加，并且对于催化剂活性产生潜在的影响。蒸汽引起的FT催化剂的钝化对于蒸汽的分压产生了限制，该分压典型的低于～6 bar，优选低得更多。这通常是通过限制每个流过反应器的转化率(即，水产生)来进行的。在～20-30 bar的运行压力时，每一道的碳转化率将不超过50％，其需要大量的再循环物流和因此的尺寸化的反应器，即，大于仅仅给定催化剂活性下所需的尺寸。

目前已经发现如果通过将蒸汽分压保持得足够低和足够的催化活性来避免再循环物流，则在已知的FT方法中的反应器转化率(每kg/催化剂)会增加，并且该反应器尺寸明显降低。

为了控制蒸汽分压，我们建议在FT反应器中，典型的以冷却固体表面形式引入冷却点。在该表面上，低温将促使水冷凝成为液体膜。因此，在该气体和反应器中的蒸汽分压将明显不超出该液体膜的蒸气分压，并且来自该气体物流的水将在它产生时被除去，即，我们限制了蒸汽引起的钝化。另外，由于蒸汽稀释引起的氢气和一氧化碳分压降低将保持得低，这保证了恒定的高反应速率。

根据上述发现，本发明是一种进行费-托(FT)合成的方法，其包含步骤：在用冷却剂间接冷却的FT合成催化剂粒子的固定床反应器中，使含有氢气，一氧化碳和二氧化碳的合成气反应，和

通过调整该液体冷却剂来提供50℃-190℃的温度，从而当在反应器中形成其时在冷却表面上冷凝水。

为了达到在冷却面积上有效的水冷凝和从催化床上充分的除热，可以使用不同的方案。但是，全部可能的构造将在于：将整体冷却表面插入到反应器中，来确保任何的催化区域将处于冷却表面的邻近。例如，一种可能是将该催化剂粒子填充到窄管中，该窄管被冷却剂在外面包围着，并且将高流量的合成气通过该管。可选择的，可以使用具有冷却剂在其中循环的内构件的填充床反应器。这些构件可以具有不同的形状，只要它们提供充分的冷却和保证任何的催化区域将处于冷却表面的邻近就行。

反应器(相对远离冷却表面)中的运行压力和温度应当保持在这样的范围内，以使得催化活性对于实现高转化率来说是足够的。

在工业FT装置中广泛使用，并且适用于本发明中的催化剂是金属基的；典型的是铁，钌或者钴基催化剂。虽然在过去广泛使用铁，但是现代的催化剂通常基于钴，并且表现出最佳的选择性能。

取决于具体的催化剂，所述方法可以以低温或者高温方法来进行。当使用铁基催化剂时，可以选择300-350℃的高运行温度，铁或者钴催化剂可以选择200-240℃的低运行温度。

固定床反应器适于180-350℃的运行温度。

总运行压力可以在大约1MPa到6MPa之间变化。当使用铁基催化剂时，高压是优选的，因为催化剂的生产率随着运行压力而提高。但是，给定催化剂活性，反应器成本和最大允许蒸汽分压，可以选择足够的运行压力。所以，在固定运行压力时，要求冷却点的温度在给定的总运行压力时足够低来保证蒸汽的冷凝。

确实的，冷却点的表面积和它们的温度控制了冷凝速率，该速率应当平衡FT合成的水产率。但是，在冷却点的热损失应当通过FT反应的放热来平衡，其在反应进行时将反应器的温度保持恒定。液体膜(冷的使冷凝得以进行)和反应器(热的用于保持快速反应)之间的温差是通过反应和冷凝的热来维持的。在下面的部分提出了无量纲的标准，用于汇总这些平衡。

在本发明的一种实施方案中，通过在所提供的冷却剂温度调整冷却表面积(ACOOL)，来将至少部分的该催化剂温度保持在水的露点之上，以此方式使得沉降的催化剂本体(bulk)体积(VCAT)与冷却表面积(ACOOL)的比例为0.01m-0.125m。