Масштабирование технологии получения углеводородов С19+ в синтезе Фишера–Тропша: переход от лабораторных исследований к пилотным испытаниям

Исследовано масштабирование технологии селективного синтеза высокомолекулярных углеводородов C19+ (синтетических восков) из СО и Н2 в синтезе Фишера–Тропша (СФТ) на кобальталюмосиликагелевом катализаторе. Масштабирование выполнено на 6-метровом трубчатом реакторе пилотного комплекса, использующего в качестве сырья природный газ. В ходе 557-часовых испытаний достигнута производительность по С5+ 36,6 кг/(м3 кат ·ч) и селективность по C19+ 49–53 мас.%. Подтверждена стабильность работы катализатора и выделены три характерных периода эксплуатации катализатора: активация, стабильная работа и дезактивация, вызванная накоплением восков. Установлено ключевое влияние масштаба на гидродинамику процесса: увеличение диаметра реактора и гранул катализатора переводит режим синтеза из ламинарного (Re ~ 0,45 в лабораторных условиях) в переходный (Re = 10,9 в индустриальных условиях), что повышает теплоотдачу, но снижает селективность по С5+ с 82,1 до 69,6 %, при сохранении высокой доли C19+ в продуктах. На основе анализа тепловых и гидродинамических характеристик обоснована необходимость поддержания ламинарного режима (Re < 10) в промышленных реакторах для максимизации выхода восков. Результаты пилотных испытаний и предложенные инженерные решения демонстрируют жизнеспособность технологии для создания конкурентоспособного промышленного производства в России.

1. Dry M.E. The Fischer-Tropsch process: 1950-2000 // Catalysis Today. 2002. Vol. 71, No. 3-4. P. 227-241. DOI: 10.1016/S0920-5861(01)00453-9

2. Yohannes A., Gates I. CENTURY OF EVOLUTION: PROGRESS AND MILESTONES IN FISCHER-TROPSCH SYNTHESIS // Coordination Chemistry Reviews. – 2026. – Т. 547. – С. 217096. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.217096

3. Iqbal S., Davies T.E., Morgan D.J., Karim K., Hayward J.S., Bartley J.K., Taylor S.H., Hutchings G.J. // Catalysis Today. 2016. V. 275. P. 35-39. DOI: 10.1016/j.cattod.2015.09.041. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2015.09.041

4. Gholami Z., Tišler Z., Rubáš V. Recent advances in Fischer-Tropsch synthesis using cobalt-based catalysts: A review on supports, promoters, and reactors //Catalysis Reviews. – 2021. – Т. 63. – №. 3. – С. 512-595. https://doi.org/10.1080/01614940.2020.1762367

5. Lin Q. et al. Development of an iron-based fischer—tropsch catalyst with high attrition resistance and stability for industrial application //Catalysts. – 2021. – Т. 11. – №. 8. – С. 908. https://doi.org/10.3390/catal11080908

6. Khodakov A. Y., Chu W., Fongarland P. Advances in the development of novel cobalt Fischer− Tropsch catalysts for synthesis of long-chain hydrocarbons and clean fuels //Chemical reviews. – 2007. – Т. 107. – №. 5. – С. 1692-1744. https://doi.org/10.1021/cr050972v

7. Хаджиев С. Н., Вытнова Л. А. ПЕРВЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ФИШЕРА ТРОПША В ГЕРМАНИИ //Нефтехимия. – 2008. – Т. 48. – №. 2. – С. 133-148. https://doi.org/10.1134/S0965544108020114

8. Савостьянов А.П., Яковенко Р.Е. Опыт создания и эксплуатации технологии GTL в России. Катализ в промышленности. 2023; 23(1):57-66. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2023-1-57-66

9. Sie S. T., Senden M. M. G., Van Wechem H. M. H. Conversion of natural gas to transportation fuels via the shell middle distillate synthesis process (SMDS) // Catalysis Today. 1991. Т. 8. № 3. С. 371-394. DOI: 10.1016/0920-5861(91)80058-h

10. Munirathinam R., Pham Minh D., Nzihou A. Effect of the support and its surface modifications in cobalt-based Fischer–Tropsch synthesis //Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2018. – Т. 57. – №. 48. – С. 16137-16161. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03850

11. Savost’yanov A. P. et al. Synthesis of high-molecular-weight hydrocarbons from CO and H2 over a cobalt catalyst //Catalysis in Industry. – 2014. – Т. 6. – №. 4. – С. 292-297.

12. Teimouri Z., Abatzoglou N., Dalai A. K. Kinetics and selectivity study of Fischer–Tropsch synthesis to C5+ hydrocarbons: a review //Catalysts. – 2021. – Т. 11. – №. 3. – С. 330. https://doi.org/10.3390/catal11030330.

13. Gholami Z., Tišler Z., Rubáš V. Recent advances in Fischer-Tropsch synthesis using cobalt-based catalysts: A review on supports, promoters, and reactors //Catalysis Reviews. – 2021. – Т. 63. – №. 3. – С. 512-595.

14. Савостьянов А. П. и др. Влияние диффузионных ограничений на синтез длинноцепочечных углеводородов по методу Фишера-Тропша на кобальталюмосиликагелевом КАТАЛИЗАТОРЕ //Катализ в промышленности. – 2018. – №. 2. – С. 11-15. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2018-2-11-15

15. Нарочный Г. Б. и др. Опыт реализации технологии кобальтового катализатора синтеза углеводородов из СО и Н2 //Катализ в промышленности. – 2016. – №. 1. – С. 37-42. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2016-1-37-42

16. Иоффе И. И., Письмен Л. М. Инженерная химия гетерогенного катализа. – Химия. Ленингр. отд-ние, 1972.

17. Wu D., Zhou J., Li Y. Mechanical strength of solid catalysts: Recent developments and future prospects // AIChE Journal. 2007. Т. 53. № 10. С. 2618-2629. DOI: 10.1002/aic.11291

18. Belopukhov E. A., Belyi A. S. Mechanical Strength of Composite Supports for Catalysts Based on γ–Al₂O₃ and Mordenite // Procedia Engineering. 2016. Т. 152. С. 735-741. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.682

19. Young R.A. The Rietveld Method. Oxford University Press, 1995. 298 p.

20. Schanke D. et al. Study of Pt-promoted cobalt CO hydrogenation catalysts //Journal of Catalysis. – 1995. – Т. 156. – №. 1. – С. 85-95. https://doi.org/10.1006/jcat.1995.1234