ПРОЦЕСС ФИШЕР-ТРОПША

В 1923 г. немецкими химиками Фишером и Троп-шем была разработана технология прямого синтеза углеводородов из синтез-газа, которая впоследствии была названа их именами - синтез Фишера-Тропша или процесс Фишера-Тропша. Основное достоинство этого процесса, которое обусловило значительный интерес к его реализации, заключается в возможности получения углеводородов практически из любого углеродсодержащего сырья (угля, торфа, природного газа, органических отходов и т.д.). Таким образом, стало возможным производство продуктов, которые традиционно получались из нефти и тем самым открылся путь для реальной экономии нефтяных ресурсов.

Полная схема установки процесса Фишера-Тропша включает три стадии:

- получение синтез-газа (раздел 1.З.1.);

- синтез углеводородов из синтез-газа (собственно процесс Фишера-Тропша);

- разделение газо-жидкостных продуктов с выделением целевых продуктов и их дальнейшая переработка с получением товарных продуктов, в т.ч. моторных топлив.

В случае получения моторных топлив из продуктов синтеза Фишера-Тропша третья стадия включает известные процессы нефтепереработки - гидрокрекинг, гидроизомеризация и т.д.

Капитальные затраты на действующих установках, использующих в качестве исходного сырья природный газ, распределяются примерно следующим образом: первая стадия - 60%; вторая - 25% и третья - 15% [17] Это соотношение может меняться в зависимости от используемых технологий и процессов, особенно на третьей стадии, но, как правило, основные капитальные затраты связаны с первой стадией - получением синтез-газа, и поэтому основное внимание уделяется совершенствованию именно этой стадии.

Основная реакция, по которой протекает синтез Фишера-Тропша, может рассматриваться как восстановительная олигомеризация оксида углерода:

Синтез углеводородов из СО и Н₂ является сложным каталитическим процессом, включающим большое число параллельных и последовательных реакций. Большое влияние на условия процесса и особенно на состав продуктов оказывают катализаторы, в качестве которых наиболее часто используются металлы VIII группы периодической таблицы Менделеева - железо (Fe), кобальт (Со) и рутений (Ru).

На железных катализаторах при температуре 230-240 °С и давлении 2-3 M Па образуются олефины, парафины и кислородсодержащие продукты (в основном альдегиды).

На кобальтовых катализаторах при температуре 1 70-3 °С и давлении 0,1-3 МПа преимущественно образуются парафиновые углеводороды с нормальной цепью, с числом углеродных атомов от 1 до 60 (широкая фракция углеводородов).

Использование рутениевых катализаторов, которые активны только при высоких давлениях 10-100 МПа и температуре 120-130 °С, позволяет получать нормальные парафины с очень высокой молекулярной массой. В промышленности практически используются только кобальтовые и железные катализаторы.

При полном превращении синтез-газа максимальный выход жидких продуктов составляет 208,5 г из 1 м³ (при нормальных условиях) смеси СО + 2Н₂.

Исследование теоретических основ процесса показало, что выход фракций углеводородов, соответствующих бензиновой (С₅-С₁₁) и дизельной (С₁₂-С₁₆), не может превышать 48 и 30% масс.

Особым достоинством продуктов процесса Фишера-Тропша, в отличие от продуктов, полученных из нефти, является практически полное отсутствие в их составе серо- и азотсодержащих соединений и незначительное содержание ароматических углеводородов, что устраняет образование токсичных оксидов серы и азота при сгорании таких моторных топлив в двигателях и тем самым решает экологические проблемы моторных топлив.

Сравнительная характеристика синтетической нефти-, полученной процессом Фишера-Тропша и некоторых нефтей, приведена в табл. 21.

В промышленных условиях процесс Фишера-Троп-ша был впервые реализован в Германии в 30-е гг. XX в., и во время Второй мировой войны в Германии вырабатывалось до 600 тыс. т моторных топлив, главным образом бензина, который назывался «синтин» и который обладал неудовлетворительными низкотемпературными свойствами и низкими октановыми числами, что объяснялось высоким содержанием нормальных парафинов.

Таблица 21 - Сравнительная характеристика синтетической нефти и легких нефтей [18]

Показатели	Синтетическая	Нефти
Арабская	Брент	Суматринская легкая
Плотность АРІ	46,5 (0,795)	32,3 (0,864)	38,3(0,833)	35,0 (0,850)
Содержание серы, ррm	менее 10
Содержание азота, ррm	менее 10
Содержание дизельных фракций, %
Содержание фракций тяжелее дизельных, %

После окончания Второй мировой войны промышленное производство моторных топлив из синтез-газа практически прекратилось, что объяснялось открытием и освоением крупных нефтяных месторождений в странах Ближнего и Среднего Востока, в Тюмени и других регионах.

В середине 70-х гг. нефтяной кризис и быстрый рост цен на нефть возродили интерес к этому процессу, который особенно возрос в последние годы в связи с надвигающимся истощением нефтяных запасов и реальной возможностью замены нефти в производстве моторных топлив из альтернативных источников сырья.

При получении углеводородов из синтез-газа всегда образуется смесь углеводородов - газообразных, жидких и твердых. Варьируя условия процесса и набор технологических установок на третьей стадии процесса, можно существенно менять ассортимент полученных продуктов. Так, на заводе компании «Shell» в Малайзии реализован такой вариант процесса Фишера-Тропша. На первой стадии из примерно 1 млрд м³ природного газа получают синтез-газ. На второй стадии при 2,8 МПа и 230 °С на кобальтовом катализаторе получают высокомолекулярные парафины (церезин), который далее подвергают гидрокрекингу и гидроизомеризации с получением бензина, дизельного топлива и газойля. Соотношение этих продуктов в зависимости от проведения процессов колеблется в следующих интервалах: (15-25) : (25-50) : (60-25), т.е. с преимущественным получением средних дистиллятов, поэтому процесс называют MDS (middle distillate synthesis).

В настоящее время суммарная мощность заводов по производству углеводородов процессом Фишера-Тропша из разных источников сырья (уголь, природный газ и др.) составляет 5,8 млн т/год, в том числе в Южно-Африканской Республике порядка 4,5 млн т преимущественно из угля. В 2001 г. из природного газа в мире было получено около 2 млн т синтетической нефти. При реализации всех разрабатываемых в настоящее время проектов, которых в разных странах насчитывается более десятка, из природного газа уже к 2010 г. может быть произведено до 30 млн т/год углеводородов.

Существует несколько прогнозов по развитию про­изводства углеводородов процессом Фишера-Тропша [18]. По одному из них в ближайшие 10-15 лет произ­водство достигнет уровня от 40 до 95 млн т /год, что составит от 1 до 2,4% мировой добычи нефти. По другому - возможны три варианта развития процесса Фишера-Тропша:

- медленный, достижение к 2015 г. производства 25 млн т/год;

- средний, 50-75 млн т/год;

- ускоренный, 100-150 млн т/год.

Если развитие пойдет по медленному или среднему сценарию, то производство углеводородов по Фишеру-Тропшу будет уравновешивать баланс спроса и предложений на нефтепродукты. Развитие по ускоренному сценарию окажет заметное воздействие на мировой ры­нок нефтепродуктов.

Производство моторных топлив процессом Фишера-Тропша становится конкурентоспособным с производством нефтяных моторных топлив при цене нефти на уровне 16-20 долларов за баррель. По заявлению представителей ЮАР технология Фишера-Тропша настолько усовершенствована на предприятиях компании «Sa-sol», чтомоторные топлива, произведенные на предпри­ятиях этой компании по методу Фишера-Тропша, конкурентоспособны с нефтяными при цене нефти даже 12 долларов за баррель.