Способ каталитического частичного окисления углеводородного сырья, способ получения моноокиси углерода и водорода из углеводородного сырья, моноокись углерода и водород

 

Изобретение относится к способу каталитического частичного окисления углеводородов, в частности к способу получения смеси моноокиси углерода и водорода. Исходную смесь, содержащую углеводородное сырье, кислородсодержащий газ, азот и серосодержащее соединение, приводят в контакт с катализатором, способным катализировать частичное окисление углеводородного сырья. Катализатор содержит в качестве каталитически активного компонента металл, выбранный из группы, состоящей из рутения, родия, палладия, осмия, иридия и платины, причем исходную смесь контактируют с катализатором со среднечасовой скоростью подачи газа от 20000 до 100000000 Нл/кг/ч. Моноокись углерода и водород получают из углеводородного сырья, при котором углеводородное сырье подвергают на первой стадии процессу каталитического частичного окисления, и по меньшей мере часть продукта первой стадии подвергают десульфурации на второй стадии. Каталитическое частичное окисление осуществляют способом, описанным выше. Изобретение позволяет снизить образование аммиака и цианистого водорода в получаемой смеси моноокиси и водорода. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к способу каталитического частичного окисления углеводородов, в частности к способу получения смеси моноокиси углерода и водорода из метана, природного газа, ассоциированного газа или других источников легких углеводородов.

Частичное окисление углеводородов, например, метана или природного газа, в присутствии катализатора представляет заманчивый способ получения смесей моноокиси углерода и водорода, известный в данной области как синтез-газ. Частичное окисление углеводорода представляет собой экзотерическую реакцию с высоким тепловым эффектом, и в том случае, когда углеводородом является метан, происходит следующая реакция: 2СН₄ + О₂ ---> 2СО + 4Н₄.

Способ оптимального каталитического частичного окисления при применении в коммерческом масштабе приводит к получению высоких выходов моноокиси углерода и водорода при повышенных давлениях, например около 30 бар, и при очень высоких объемных скоростях, например, порядка 1 000 000 Нл/кг/час. Исходя из термодинамических соображений, для того чтобы получить высокие выходы моноокиси углерода и водорода при этих условиях процесса необходимо осуществлять процесс частичного окисления при высоких температурах.

В литературе содержится большое количество документов, подробно раскрывающих эксперименты, в которых осуществляют каталитическое частичное окисление углеводородов, в частности метана, с применением широкого диапазона катализаторов. Однако большинство этих экспериментов проводят при очень мягких условиях, которые являются совсем неподходящими для осуществления способа коммерческого каталитического частичного окисления.

Так, в опубликованной заявке на Европейский патент N 0303438 (ЕР-А-0303438) представлен способ каталитического частичного окисления углеводородсодержащего сырья, в котором в зону каталитического частичного окисления для контактирования катализатора, сохраняемого в нем, вводят газообразную смесь углеводородсодержащего сырья, кислорода или кислородсодержащего газа и, необязательно, пара. Катализатор, используемый в способе, может включать большой диапазон каталитически активных компонентов, например, палладий, платину, родий, иридий, осмий, рутений, никель, хром, кобальт, церий, лантан и их смеси. Кроме того, в ЕР-А-0303438 указывается, что в качестве катализаторов можно также использовать материалы, которые обычно не считают каталитически активными, например, огнеупорные оксиды, такие как кордиерит, муллит, титанат алюминия, диоксидноциркониевые шпинели и оксид алюминия. Катализатор может иметь множество форм, он может быть, например, в виде упакованных листов рифленого металла, между которыми образуются каналы, или в виде металлической сетки. Однако в ЕР-А-0303438 предпочтение отдают применению катализаторов в виде монолитов.

В Европейском патенте N 0262947 (ЕР-В-0-262947) представлен способ генерирования водорода путем частичного окисления углеводорода, в котором в массу катализатора инжектируют смесь углеводорода и кислорода. Катализатор, представленный в ЕР-В-0262947, включает платину и оксид хрома, поддерживаемые на огнеупорном твердом веществе.

D.A.Hickman и D.Schmidt ("Synthesis Gas Formation by Direct Oxidation of Methane over Pt Monoliths", Journal Catalysis, 138, 267-282, 1992) проводили эксперименты по частичному окислению метана в присутствии катализаторов, содержащих или платину, или родий. Используемые катализаторы были в виде поликристаллической платиновой фольги или родия или платины на носителе из вспененной керамики. Реакции частичного окисления осуществляли при по существу атмосферном давлении и при температурах в диапазоне от 600 до 1500К (от 337 до 1237^oC).

A. T. Aschcroft et al. ("Selective oxidation of methane to synthesis gas using transition metal catalysts", Nature, vol. 344, No 6264, pages 319-321, 22nd March, 1990) описывают частичное окисление метана до синтез-газа в присутствии ряда рутенийсодержащих катализаторов. Целью экспериментов было установление того факта, что процесс частичного окисления можно осуществлять при мягких условиях и при низких температурах. Для этого эксперименты проводили при низкой среднечасовой скорости подачи газа 40000/час, давлении, равном 1 атмосфере, и температуре около 777^oC. В данном источнике сообщается об одном эксперименте, в котором применяли повышенные давления. Однако в этом случае для избежания взрывов использовали большой избыток метана.

P. D. F. Vernon et al. ("Partial oxidation of metane to Synthesis Gas", Catalysis Letters 6 (1990) 181-186) описывают ряд экспериментов, в которых используют катализаторы, содержащие никель, рутений, родий, палладий, иридий или платину, поддерживаемые на оксиде алюминия или присутствующие в смешанных оксидных предшественниках. В описанных экспериментах ограничивались процессом каталитического частичного окисления с применением только мягких рабочих условий. В качестве основы выбрали ряд мягких реакционных условий: давление, равное 1 атмосфере, среднечасовую скорость подачи газа 40000/час, температуру 1050К (777^oC) и отношение метана к кислороду, равное 2,0. Исходя из этой основы исследовали каждый из параметров способа.

После такого изучения сделали вывод о том, что низкотемпературный режим работы дает определенные выгоды, но является осуществивым только при давлениях порядка 1 атмосферы. В источнике "Partial Oxidation of Methane to Synthesis Gas, and Carbon Dioxide as an Oxidising Agent for Methane Conversion", Catalysis Today, 13 (1992) 417-426 авторы сообщают о проведении таких же экспериментов.

R.H.Jones et al. ("Catalytic Conversion of Methane to Synthesis Gas over Europium Iridate, Eu₂Ir₂O₇", Catalysis Letters 8, (1991) 169-174) сообщают о селективном частичном окислении метана с использованием пирохлора европия и иридия Eu₂Ir₂O₇. Реакцию осуществляли в мягких условиях: при давлении, равном 1 атмосфере, и температуре 873К (600^oC).

J. K. Hockmuth ("Catalytic Partial Oxidation of Methane Over a Monolith Supported Catalyst", Applied Catalysis B: Environmental, 1 (1992) 89-100) сообщают о каталитическом частичном окислении метана с использованием катализатора, содержащего сочетание из платины и палладия на подложке из кордиеритового монолита.

Патент США N 5149464 (US-A-5149464) направлен на способ селективного окисления метана до моноокиси углерода и водорода путем приведения в контакт газовой смеси реагентов при температуре от около 650^oC до 900^oC с твердым катализатором, которым обычно являются: или а) катализаторы формулы М_xМ'_yО_z, где М представляет по крайней мере один элемент, выбранный из Mg, В, Al, Ln, Ga, Si, Ti, Zr и Hf; Ln представляет по крайней мере один член из лантанового и лантанидного ряда элементов; М' представляет переходный металл с d-блоком, и каждое из отношений x/y и x/z и (x + y)/z составляет независимо от 0,1 до 8; или в) оксид переходного металла с d-блоком; или с) катализатор, образованный путем нагрева а) или в) при условиях реакции или при неокислительных условиях.

В патенте США US-A-5149464 упоминается о том, что переходные металлы с d-блоком выбирают из таких, которые имеют атомный номер от 21 до 29, от 40 до 47 и от 72 до 79, т.е. из скандия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, циркония, ниобия, молибдена, технеция, рутения, родия, палладия, серебра, гафния, тантала, вольфрама, рения, осмия, иридия, платины и золота. В патенте США N 5149464 указывается, что предпочтительными металлами являются такие, которые находятся в VIII группе Периодической системы элементов, т.е. железо, осмий, кобальт, рений, иридий, палладий, платина, никель и рутений.

Способ, описанный в патенте США N 5149464, осуществляют при температуре в диапазоне от 650 до 900^oC, при этом диапазон от 700 до 800^oC является предпочтительным. В патенте США N 5149464 описан ряд экспериментов, в которых испытывали множество катализаторов, содержащих металлы VIII группы, включая оксид рутения, оксиды празеодима и рутения, пирохлоры, рутений на оксиде алюминия, родий на оксиде алюминия, палладий на оксиде алюминия, платину на оксиде алюминия, оксиды никеля и алюминия, перовскиты и оксид никеля.

Подобное общее раскрытие катализаторов, используемых в способе каталитического частичного окисления, представлено в международной опубликованной заявке на патент N WO 92/11199. В WO 92/11199 подробно представлены эксперименты, в которых использовали катализаторы, включающие иридий, палладий, рутений, родий, никель и платину, поддерживаемые на оксиде алюминия. Все эксперименты проводили в мягких рабочих условиях, при этом типичными условиями были давление, равное 1 атмосфера, температура от 1050К (777^oC) и среднечасовая скорость подачи газа около 20000/час.

Как обсуждалось выше, для эффективной реализации способа в коммерческом масштабе способ каталитического частичного окисления необходимо осуществлять при повышенных давлениях и при высоких температурах.

Было найдено, что при работе в условиях, необходимых для коммерческого способа, каталитическое частичное окисление углеводородов в присутствии азота может давать синтез-газ, содержащий ряд побочных продуктов, в частности аммиак (NH₃) и цианистый водород (HCN), в малых, но значимых количествах. Было найдено, что такие побочные продукты могут оказывать неблагоприятное воздействие на процесс и приводить к превращению моноокиси углерода и/или водорода, полученным посредством способа каталитического частичного окисления, например, в случае синтеза Фишера-Тропша или в случае коммерческого синтеза метанола. Таким образом, присутствие побочных продуктов, в частности аммиака или цианистого водорода, в продуктах процесса каталитического частичного окисления является нежелательным.

Азот присутствует во многих видах сырья, содержащего природный газ. Кроме того, получение чистого, не содержащего азота кислорода в коммерческом масштабе является как технически сложным, так и очень дорогостоящим. Соответственно, существует необходимость в способе каталитического частичного окисления углеводородов, когда во время реакций частичного окисления, которые могут быть использованы в коммерческом масштабе для получения продукта моноокиси углерода и/или водорода, содержащего минимум компонентов, таких как аммиак и цианистый водород, присутствует азот.

К удивлению было найдено, что включение в сырье для процесса каталитического частичного окисления серы или серусодержащих соединений значительно уменьшает количество полученного аммиака и цианистого водорода. Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает способ каталитического частичного окисления углеводородного сырья, который включает контактирование исходной смеси, содержащей углеводородное сырье и кислородсодержащий газ, при этом исходная смесь содержит также азот, и катализатора, способного катализировать частичное окисление углеводородного сырья, в котором исходная смесь содержит также серусодержащее соединение.

Способ настоящего изобретения можно использовать для получения моноокиси углерода и/или водорода из любого газообразного углеводорода или углеводорода, имеющего низкую температуру кипения, например, такого, который является газообразным в условиях, преобладающих во время реакций частичного окисления. Способ является в особенности подходящим для частичного окисления метана, природного газа или других источников легких углеводородов. В этом отношении термин "легкие углеводороды" является ссылкой на углеводороды, имеющие от 1 до 5 углеродных атомов. Способ может быть использован для превращения встречающихся в природе источников метана, которые содержат значительное количество диоксида углерода. Исходное сырье включает предпочтительно метан в количестве по крайней мере 50% по объему, более предпочтительно по крайней мере 75% по объему, главным образом 80% по объему.

Во время процесса частичного окисления осуществляют контактирование углеводородсодержащего сырья с кислородсодержащим газом. В качестве кислородсодержащего газа может быть использован воздух, при этом в данном случае в исходном сырье и реакционной смеси в больших количествах будет присутствовать азот. Альтернативно предпочтительным может быть использование по существу чистого кислорода, в этом случае азот может присутствовать в гораздо меньших, но тем не менее значительных количествах. Обычно по существу чистый кислород получают в коммерческом масштабе путем перегонки сжиженного воздуха. Количество азота, присутствующего в по существу чистом кислороде, будет зависеть от рабочих условий процесса перегонки при атмосферном давлении. Преимущество способа настоящего изобретения состоит в том, что в процессе перегонки воздуха допустимые отклонения могут быть ослаблены, вследствие чего в по существу чистом кислороде, используемом в процессе каталитического частичного окисления, может быть допущено большее количество азота. Это, в свою очередь, дает преимущества с точки зрения снижения общих капитальных и эксплуатационных затрат на установку для перегонки при атмосферном давлении.

Исходное сырье может необязательно содержать водяной пар.

Исходное сырье может включать углеводородное сырье и кислород в количестве, достаточном для получения подходящего отношения кислорода к углероду. Отношение кислорода к углероду находится предпочтительно в диапазоне от 0,3 до 0,8, более предпочтительно от 0,45 до 0,75. Ссылки на отношение кислорода к углероду относятся к отношению кислорода в виде молекул (O₂) к углеродным атомам, присутствующим в углеводородном сырье. Отношение кислорода к углероду находится предпочтительно в диапазоне от 0,45 до 0,70, при этом в особенности подходящим являются отношения кислорода к углероду, которые находятся в диапазоне от 0,45 до 0,65, при этом стехиометрическое отношение равно 0,5.

Если в исходном сырье присутствует водяной пар, отношение водяного пара к углероду (которое представляет отношение молекул водяного пара (H₂O) к углеродным атомам в углеводороде) находится предпочтительно в диапазоне от более чем 0,0 до 3,0, более предпочтительно от более чем 0,0 до 2,0.

Газообразная смесь, контактирующая с катализатором в способе этого изобретения, включает серусодержащее соединение. Смесь может включать одно или множество серусодержащих соединений. Может быть использовано любое серусодержащее соединение, которое не вызывает значительное неблагоприятное воздействие на показатели реакции частичного окисления, когда оно присутствует в необходимых количествах. Могут быть использованы как органические, так и неорганические серусодержащие соединения. Подходящие неорганические серусодержащие соединения включают сероводород, двуокись серы, сероокись углерода, сероуглерод. Подходящие органические серусодержащие соединения включают тиофены, меркаптаны и органические сульфиды. Наиболее подходящим серусодержащим соединением является тетрагидротиофен. Если применяют природный газ или ассоциированный газ, в газе, когда его получают из резервуара, могут присутствовать серусодержащие соединения. Такое серусодержащее углеводородное сырье может быть обычно использовано в качестве сырья для способа настоящего изобретения без предварительного прохождения десульфурации, в том виде, как ее обычно используют.

Серусодержащее соединение должно присутствовать в исходной смеси в концентрации, достаточной для уменьшения образования аммиака и цианистого водорода. Однако количество серусодержащего соединения не должно быть настолько большим, чтобы оно могло значительно уменьшить или активность или селективность используемого катализатора. Таким образом, серусодержащее соединение предпочтительно присутствует в исходной смеси в количестве, необходимом для получения содержания серы (S) в диапазоне от 0,05 до 100 ррм (частей на миллион), более предпочтительно от 0,1 до 50 част. на миллион, главным образом от 0,1 до 10 част. на миллион. Углеводородное исходное сырье, используемое непосредственно из встречающихся в природе источников, в которых содержание серы значительно выше вышеупомянутых верхних пределов, перед использованием в способе этого изобретения может быть предпочтительно подвергнуто обработке, включающей частичное удаление серы.

Перед контактированием с катализатором углеводородное исходное сырье, кислород и ассоциированные газы, серусодержащее соединение и, если присутствует, водяной пар, предпочтительно хорошо перемешивают, Способ настоящего изобретения можно осуществлять при подходящем давлении. Способ настоящего изобретения осуществляют предпочтительно при повышенных давлениях, которые значительно превосходят атмосферное давление. Способ можно реализовать при давлениях в диапазоне от 150 бар. Рабочее давление находится предпочтительно в диапазоне от 2 до 125 бар, более предпочтительно от 3 до 100 бар.

Способ можно реализовать при любой подходящей температуре. Однако в условиях высокого давления, преобладающих в способе, необходимо, чтобы исходные газы контактировали с катализатором при повышенных температурах, для того чтобы можно было достигнуть степени превращения, необходимой для способа коммерческого масштаба. Соответственно, способ осуществляют предпочтительно при температуре по крайней мере 950^oC. Рабочая температура находится предпочтительно в диапазоне от 950 до 1300^oC, более предпочтительно в диапазоне от 950 до 1200^oC. Температуры в диапазоне от 1000 до 1200^oC являются в особенности подходящими.

Во время осуществления способа исходная смесь может быть обеспечена при любой подходящей объемной скорости газа. Преимущество способа настоящего изобретения состоит в том, что могут быть использованы очень высокие объемные скорости подачи газа. Так, типичные объемные скорости подачи газа для способа (выраженные в виде нормальных литров газа на килограмм катализатора в час) находятся в диапазоне от 20000 до 100 000 000 Нл/кг/час, более предпочтительно в диапазоне от 50000 до 50 000 000 Нл/кг/час. В особенности подходящими являются объемные скорости в диапазоне от 50000 до 30 000 000 Нл/кг/час.

Составы катализатора, подходящие для использования при каталитическом частичном окислении углеводородов, известны в данной области. Предпочтительные катализаторы, которые используют в способе настоящего изобретения, включают в качестве каталитически активного компонента металл, выбранный из VIII группы Периодической системы элементов. Ссылки на Периодическую систему элементов в этом описании относятся к варианту CAS, который опубликован в CRC Handbook of Chemistry and Physics, 68th Edition. Предпочтительные катализаторы, используемые в способе, включают металл, выбранный из рутения, родия, палладия, осмия, иридия и платины. Наиболее подходящими для использования в способе являются катализаторы, содержащие в качестве каталитически активного металла рутений, родий или иридий.

Наиболее подходящим является использование каталитически активного металла на носителе. Подходящие материалы для носителей хорошо известны в данной области и включают огнеупорные оксиды, например, диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония и их смеси. В качестве материалов для носителя катализатора могут быть также использованы смешанные огнеупорные оксиды, т.е. огнеупорные оксиды, содержащие по крайней мере два катиона.

Каталитически активный металл может быть осажден на носителе из огнеупорного оксида посредством методик, хорошо известных в данной области. Наиболее подходящей методикой для осаждения металла на носителе является пропитка, обычно методика включает контактирование материала носителя с раствором соединения каталитически активного металла, после которого следуют сушка и прокаливание полученного материала.

Катализатор может включать каталитически активный металл в любом количестве, подходящем для достижения желательной степени активности. Обычно катализатор включает активный металл в количестве в диапазоне от 0,01 до 20% по весу, предпочтительно от 0,02 до 10% по весу, более предпочтительно от 0,1 до 7,5% по весу.

В способе настоящего изобретения для контактирования реагентов с катализатором может быть использован любой подходящий режим реакции. Одним подходящим режимом является применение псевдоожиженного слоя, в котором катализатор используют в виде частиц, псевдоожиженных посредством потока газа. Предпочтительным режимом реакции для использования в настоящем способе является режим реакции с применением неподвижного слоя, в котором катализатор сохраняют в реакционной зоне в неподвижной системе. Частицы катализатора могут быть использованы в неподвижном слое, при этом их удерживают с применением методик, которые используют в реакциях с неподвижным слоем и которые являются хорошо известными в данной области. Альтернативно неподвижная система может включать катализатор в виде монолитной структуры. Наиболее предпочтительная монолитная структура включает вспененную керамику. Подходящие вспененные керамики для использования в способе являются коммерчески доступными. Кроме того, альтернативные формы катализатора включают сотовые монолитные структуры огнеупорного оксида.

В предпочтительном варианте способа этого изобретения исходный материал контактирует с катализатором, удерживаемым в неподвижной системе, которая обладает высокой степенью извилистости. Термин "извилистость" является распространенным термином в данной области, который, когда его относят к неподвижному слою катализатора, может быть определен как отношение длины пути, пройденного газом, протекающим через слой, к длине пути самой короткой прямой линии, проходящей сквозь слой. Таким образом, сотовые монолитные структуры имеют извилистость, равную 1,0. Для целей настоящего изобретения термин "высокая извилистость" является ссылкой на системы, имеющие извилистость, которая в значительной степени больше извилистости сотовых монолитных структур, в частности на такие, которые имеют извилистость, равную по крайней мере 1,1. Неподвижный слой частиц катализатора имеет обычно извилистость, равную 1,5, пока могут быть получены вспененные керамики, имеющие извилистость в диапазоне от 3,0 до 4,0 или даже выше. Как правило, извилистость системы с неподвижным слоем находится предпочтительно в диапазоне от 1,1 до 10,0, более предпочтительно до 5,0. Наиболее подходящий диапазон извилистости составляет от 1,3 до 4,0.

Было найдено, что путем применения катализатора в системе с неподвижным слоем, имеющим высокую пористость, обеспечивают достижение необходимой степени превращения при относительно очень незначительном времени контакта между реагирующими газами и катализатором. В этом способе необходим исключительно очень низкий объем катализатора, который в свою очередь обеспечивает очень высокие объемные скорости подачи газа в настоящем способе, который легко реализуют в коммерческом масштабе.

Еще одной предпочтительной особенностью способа этого изобретения является то, что катализатор удерживают в виде неподвижной системы, имеющей большое количество пор. В этом отношении термин "пора" представляет общую ссылку на пространство или промежуток в неподвижной системе между двумя соседними частями катализатора. Таким образом, в случае неподвижного слоя частиц катализатора термин "пора" относится к пространству между двумя соседними частицами. При ссылке на вспененные керамики термин "пора" относится к отверстиям или пространству между соседними участками или поверхностями керамической структуры. Таким образом, следует понимать, что поры в настоящем изобретении имеют номинальный диаметр величиной порядка 0,1 мм. Эти поры контрастируют с порами, которые могут присутствовать в материале подложки катализатора, который может быть пористым.

Неподвижная система включает по крайней мере 750 пор/см². Предпочтительно неподвижная система включает от около 1000 до около 15000 пор/см², более предпочтительно - от около 1250 до около 10000 пор/см².

Газообразную смесь углеводородного сырья и кислородсодержащего газа контактируют предпочтительно с катализатором при адиабатических условиях. Для целей этого описания термин "адиабатический" является ссылкой на условия реакции, при которых по существу предотвращают все тепловые потери и излучение из реакционной зоны, за исключением тепла, остающегося в газообразном потоке, вытекающем из реактора.

По еще одному аспекту настоящее изобретение относится к моноокиси углерода или водороду всякий раз, когда их получают описанным ранее способом изобретения.

Смесь моноокиси углерода и водорода, полученная способом этого изобретения, является в особенности подходящей для использования при синтезе углеводородов, например, посредством синтеза Фишера-Тропша, или при синтезе насыщенных кислородом продуктов, например, метанола. Способы превращения смеси моноокиси углерода и водорода в такие продукты хорошо известны в данной области.

Как упоминалось выше, выгодный аспект настоящего изобретения состоит в том, что встречающиеся в природе углеводородные источники, которые также содержат серу или серусодержащие соединения, можно подвергнуть каталитическому частичному окислению без необходимости обработки углеводородного сырья, включающей стадию удаления серы. Это находится в противоречии с традиционной обработкой встречающегося в природе углеводородного сырья, например, природного или ассоциированного газа, которые перед использованием подвергают обработке десульфурацией. Таким образом, следует, что удаление серы необходимо применять только в том случае, если продукты - моноокись углерода и/или водород, получаемые в способе, следует использовать в применениях, которые являются чувствительными к присутствию серы, например, в синтезе Фишера-Тропша. В таких случаях для потока продукта процесса каталитического частичного окисления может быть использовано удаление серы.

Соответственно, по еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ получения моноокиси углерода и/или водорода из углеводородного сырья, включающий подвергание углеводородного сырья на первой стадии процессу частичного окисления, который описан выше, и подвергание по крайне мере части продукта первой стадии процессу десульфурации на второй стадии.

Этот аспект настоящего изобретения будет в дальнейшем обсужден со ссылкой на чертеж, который представляет схематическое изображение одного варианта способа каталитического частичного окисления углеводородного сырья, содержащего серу.

На чертеже реактор каталитического частичного окисления 2 снабжают через линию 4 исходной смесью, содержащей по существу чистый кислород и серусодержащий природный газ. По существу чистый кислород содержит незначительное количество азота и его получают путем перегонки ожиженного воздуха в установке для перегонки (не показана), соединенной с технологической установкой каталитического частичного окисления посредством линии 6. Горячий поток продукта реактора каталитического частичного окисления 2 подают через линию 8 в теплообменник 10, в котором для предварительного нагрева природного газа, подаваемого в теплообменник посредством линии 12, используют горячий поток продукта. Предварительно нагретый природный газ подают во входное отверстие реактора каталитического частичного окисления через линию 14.

Охлажденный поток продукта реактора каталитического частичного окисления удаляют из теплообменника через линию 16. Поток продукта, включающий моноокись углерода и водород, удаляют из процесса через линию 18 для использования в качестве сырья в применениях, допускающих серу (не показано). Часть охлажденного потока продукта подают через линию 20 в установку десульфурации 22. Поток продукта, по существу не содержащий серу, удаляют из установки десульфурации 22 через линию 24 для использования в применениях, чувствительных к наличию серы.

Подходящие способы удаления серусодержащих компонентов из продукта моноокиси углерода/водорода в установке десульфурации хорошо известны в данной области. Подходящие методики включают адсорбцию серусодержащих соединений посредством пропускания потока продукта через слой подходящего адсорбента, например, активированного угля или оксида цинка.

Способ настоящего изобретения описан, кроме того, посредством последующих пояснительных примеров, в которых пример 1 и пример 2 являются вариантами настоящего изобретения, а пример 3 представлен только для сравнительных целей.

Пример 1 Приготовление катализатора
Гексаалюминат бария (BaAl₁₂O₁₉) получили следующим образом;
Под атмосферой азота к изопропиловому спирту (1500 мл) добавили барий (21,0 г) и образованную смесь нагревали под флегмой в течение 1,5 часов. К полученному раствору добавили дополнительное количество изопропилового спирта (1000 мл). Затем ступенчато добавили изопропилат алюминия (379,65 г) и смесь нагревали под флегмой в течение 5 часов. Полученную смесь (601,87 г) соединили с деминерализованной водой (22,5 г) и нагревали под флегмой при перемешивании в течение еще одного часа. Образованный раствор затем нагрели для выпаривания растворителя и получения твердого остатка. Твердое вещество сушили путем нагрева до 120^oC и поддерживали при этой температуре в течение 4 часов. Затем твердое вещество прокаливали на первой стадии путем нагрева до 450^oC в течение периода времени, равного 4 часам, затем осуществляли выдержку при этой температуре в течение 1 часа и на второй стадии путем нагрева до 1300^oC в течение периода времени, равного одному часу, после чего осуществляли выдержку при этой температуре в течение 5 часов.

Путем растворения хлорида родия (RhCl₃, 2,0 г) и хлористоводородной кислоты (37%, 1,0 г) в деминерализованной воде (6,83 г) получили водный раствор с концентрацией родия 10% по весу. Гексаалюминат бария, полученный как описано выше (30/80 меш, 2,0 г), погрузили в вышеупомянутый водный раствор (1,07 г). Образованную смесь перемешали сначала в течение 1 часа в кольцевой мельнице и затем в течение 1 часа во вращающейся сушилке. Полученный материал судили в печи путем нагрева в течение 1 часа и затем выдерживали при температуре 120^oC в течение 5 часов и позже прокаливали нагревом в течение 5 часов и выдерживали при температуре 500^oC в течение 1 часа. Полученный катализатор содержал 5% по весу родия.

Каталитическое частичное окисление
Создали реактор, включающий прозрачную сапфировую трубку, установленную концентрически в наружной прозрачной поликарбонатной трубе. Приготовленный, как описано выше, родийсодержащий катализатор загрузили в сапфировую трубку и удерживали в виде неподвижного слоя частиц катализатора, имеющих извилистость, равную 1,5. Почти перед введением в реактор для контактирования с неподвижным слоем катализатора исходную смесь, содержащую метан и кислород в количествах, достаточных для получения отношения кислорода к углероду, равному 0,63, тщательно перемешали. Исходную смесь подали в реактор при давлении 3,2 бара и среднечасовой скорости подачи газа (GHSV) 1 400 000 Нл/кг/час. Исходная смесь содержала 10% по весу азота. В исходной смеси присутствовал тетрагидротиофен в количестве, достаточном для получения концентрации серы (S) 4,5 ррм V (част. на миллион по объему).

Рабочую температуру слоя катализатора измерили с помощью оптической пирометрии. Состав газовой смеси, выходящей из реактора, определили газовой хроматографией. Определили степень превращения и селективность процесса в отношении моноокиси углерода и водорода (на основе превращенного метана). Содержание аммиака в полученном газе определили путем пропускания газового потока через водный раствор серной кислоты для удаления аммиака, после чего осуществили титрование раствора. Содержание цианистого водорода определили подобным образом, используя водный раствор гидроокиси калия.

Рабочие условия в реакторе и результаты эксперимента приведены ниже в таблице.

Пример 2
Придерживались приготовления катализатора и методики способа, которые описаны в примере 1, за исключением того, что в исходной смеси тетрагидротиофен присутствовал в количестве, достаточном для получения концентрации серы (S) 0,6 част. на миллион. Рабочие условия в реакторе и результаты эксперимента приведены ниже в таблице.

Пример 3
Сравнительный пример
Придерживались приготовления катализатора и методики способа, которые описаны в примере 1, за исключением того, что исходная смесь не содержала серу. Рабочие условия в реакторе и результаты эксперимента приведены ниже в таблице.

Формула изобретения

1. Способ каталитического частичного окисления углеводородного сырья, при котором приводят в контакт исходную смесь, содержащую углеводородное сырье, кислородсодержащий газ, азот и серосодержащее соединение, с катализатором, способным катализировать частичное окисление углеводородного сырья, отличающийся тем, что катализатор содержит в качестве каталитически активного компонента металл, выбранный из группы, состоящей из рутения, родия, палладия, осмия, иридия и платины, причем исходную смесь контактируют с катализатором со среднечасовой скоростью подачи газа от 20 000 до 100 000 000 Нл/кг/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородное сырье включает метан, природный газ, ассоциированный газ или источник легких углеводородов.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют по существу чистый кислород.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сырье включает углеводородное сырье и кислородсодержащий газ в количествах, обеспечивающих отношение кислорода к углероду от 0,3 до 0,8, предпочтительно от 0,45 до 0,75, более предпочтительно от 0,45 до 0,65.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве серосодержащего соединения используют соединение, выбранное из группы, состоящей из сероводорода, двуокиси серы, сероокиси углерода, меркаптана, органического сульфида или тиофена, предпочтительно тетрагидротиофена.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что серосодержащее соединение присутствует в количестве от 0,05 до 100 ч. на миллион, предпочтительно от 0,1 до 10 ч. на миллион.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сырье приводят в контакт с катализатором при давлении в диапазоне до 150 бар, предпочтительно от 2 до 125 бар, более предпочтительно от 2 до 100 бар.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сырье приводят в контакт с катализатором при температуре от 950 до 1300^oC, предпочтительно от 1000 до 1200^oC.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сырье контактирует с катализатором при среднечасовой скорости подачи газа от 50 000 до 50 000 000 Нл/кг/ч, предпочтительно от 500 000 до 30 000 000 Нл/кг/ч.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что катализатор удерживают неподвижным, предпочтительно в виде неподвижного слоя частиц катализатора или в виде вспененной керамики, более предпочтительно в виде вспененной керамики.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что неподвижная система катализатора имеет извилистость от 1,1 до около 10,0, предпочтительно от 1,1 до около 5,0, более предпочтительно от 1,3 до около 4,0.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что неподвижный катализатор имеет от около 1000 до около 15 000 пор/см², предпочтительно от около 1250 до около 10 000 пор/см².

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сырье приводят в контакт с катализатором при по существу адиабатических условиях.

14. Способ получения моноокиси углерода и водорода из углеводородного сырья, при котором углеводородное сырье подвергают на первой стадии процессу каталитического частичного окисления, и по меньшей мере часть продукта первой стадии подвергают десульфурации на второй стадии, отличающийся тем, что каталитическое частичное окисление осуществляют способом по любому из пп.1 - 13.

15. Моноокись углерода и водород, отличающиеся тем, что они получены способом п.14.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2