伊泰漿態(tài)床反應(yīng)器費托合成反應(yīng)操作條件優(yōu)化論述

劉尚利 吳慧軍 杜娟

內(nèi)蒙古伊泰煤制油有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300

引言

內(nèi)蒙古伊泰煤制油有限責(zé)任公司煤間接液化工業(yè)化裝置是在依托國家“863”高新技術(shù)項目和中科院知識創(chuàng)新工程的基礎(chǔ)上，采用國內(nèi)自主研發(fā)的高溫漿態(tài)床費拖合成催化劑、漿態(tài)床合成反應(yīng)器及工業(yè)成套技術(shù)。隨著伊泰煤制油示范項目的標(biāo)桿效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，未來幾年煤制油新型煤化工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展是必然趨勢，所以在消化吸收煤間接液化核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化和調(diào)整煤間接液化核心工藝費托合成反應(yīng)操作條件，解決裝置技術(shù)難題，是對國內(nèi)煤間接液化工藝化示范裝置關(guān)鍵技術(shù)的保障，是趕超國際水平的必經(jīng)之路。

一、費托合成反應(yīng)器介紹

漿態(tài)床反應(yīng)器是一種三相鼓泡塔，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，反應(yīng)器內(nèi)有移熱列管，下部設(shè)氣體分布器，頂部有旋液分離器分離器，中端為固液分離器，原料氣在由液體石蠟和顆粒狀催化劑組成的漿液中鼓泡【1】。經(jīng)預(yù)熱的合成氣原料從反應(yīng)器底部進(jìn)入反應(yīng)器，生成烴類產(chǎn)物和水。在氣泡上升的過程中合成氣不斷發(fā)生費托合成反應(yīng)，生成更多的烴類產(chǎn)物和水。反應(yīng)產(chǎn)生的熱由反應(yīng)器內(nèi)上下端的移熱列管生產(chǎn)蒸汽取出。重質(zhì)烴類產(chǎn)物（即液態(tài)石蠟）由中端的固液分離器排出反應(yīng)器。未反應(yīng)的氣體經(jīng)旋液分離器去除夾帶的液滴和細(xì)顆粒催化劑后從反應(yīng)器上部離開反應(yīng)器，冷卻回收輕質(zhì)組分和水。

二、漿態(tài)床反應(yīng)器存在的問題

在漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)，由于催化劑懸浮在液態(tài)石蠟反應(yīng)物中，為了生產(chǎn)潔凈的蠟，保證后續(xù)加工過程的順利進(jìn)行，需要將催化劑和液體石蠟進(jìn)行分離。為了使反應(yīng)器漿液中的固體催化劑濃度保持在一定水平，維持反應(yīng)在一定的轉(zhuǎn)化率，避免催化劑的損失，需要將合成石蠟中分離出來的催化劑返回反應(yīng)器。同時石蠟中固體的分離應(yīng)盡量完全，我廠鐵含量≤5PPM才能有效滿足后續(xù)加工過程的要求。費托合成反應(yīng)生成的高沸點的石蠟產(chǎn)物，在反應(yīng)溫度下以液態(tài)形式存在于反應(yīng)器中，需要將石蠟產(chǎn)物連續(xù)地從反應(yīng)器中排出，才能使反應(yīng)器的漿態(tài)床層維持在一定的高度，保證反應(yīng)器的正常運(yùn)行。

三、解決方法的討論

1.分離技術(shù)方面的試驗

為了解決固液分離的局限，我廠對內(nèi)置固液分離的各項參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，采用了提高過濾壓差、等速過濾等方法，同時對外置固液分離也進(jìn)行了試驗，盡管沒能從根本上解決這一問題，但也取得了一系列成果。

2.費托合成的操作條件的影響

相對于對分離技術(shù)的努力，針對這一問題合理改進(jìn)費托合成的操作條件來降低其帶來的影響更容易實現(xiàn)。

（1）原料氣H2/CO比的影響

原料氣H2/CO比是影響費托合成產(chǎn)物選擇性的重要因素。一般情況下，H2/CO比值增加，即CO分壓越低，催化劑表面氫分壓相對增大，表面單體覆蓋率降低，抑制了碳鏈之間的結(jié)合，碳鏈脫附概率增大，反應(yīng)中間產(chǎn)物的鏈終止速率加快，鏈增長概率也隨之降低。因此甲烷等低碳烴的選擇性增大，重質(zhì)烴的選擇性降低。降低原料氣H2/CO比有利于液態(tài)烴類和石蠟的生成，但H2/CO比值太低會使催化劑表面大量積炭而失活，影響催化劑的壽命。所以實際操作中要根據(jù)反應(yīng)器的固液分離速率和漿態(tài)床層高度合理控制H2/CO比，反應(yīng)器液位居高不下或者持續(xù)增長時適當(dāng)提高原料氣H2/CO比可解決這一問題，實際中常把原料氣中H2含量百分?jǐn)?shù)作為重要依據(jù)，一般控制在59%-62%。

（2）反應(yīng)溫度的影響

費托合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，產(chǎn)物的形成是通過中間體參與鏈增長而進(jìn)行的。溫度升高增加中間產(chǎn)物脫附的可能性，形成產(chǎn)物的鏈終止速率加快，導(dǎo)致碳鏈增長概率減少，費托合成產(chǎn)變輕【2】。在實際操作中，當(dāng)固液分離效果不好反應(yīng)器液位偏高時適當(dāng)提高溫度可以減少長鏈烴向短鏈的偏移，減少固液分離的壓力，同時適當(dāng)提高溫度可以加快反應(yīng)速率，對降低系統(tǒng)的壓力效果不錯。反應(yīng)溫度對系統(tǒng)壓力影響比較明顯，日常操作中一般要實現(xiàn)等溫操作，溫度上下波動控制在1℃之內(nèi)，否則系統(tǒng)壓力波動較大，對工況影響較大。

（3）反應(yīng)壓力的影響

反應(yīng)壓力提高，催化劑的活性提高，CO轉(zhuǎn)化率增大，甲烷等的低碳烴的選擇性降低，高碳烴的選擇性增加，反應(yīng)壓力提高有利于重質(zhì)烴的生成。由于費托合成反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)，增加壓力有利于烯烴再吸附發(fā)生二次反應(yīng)，促進(jìn)碳鏈增長概率增加。壓力增高，產(chǎn)物中烯烴的含量也減少。實際操作中，壓力一般要接近我廠廠控指標(biāo)上限即2.88MPa，當(dāng)反應(yīng)器固液分離效果變差的時，采用提高原料H2/CO比來抑制反應(yīng)器液位上升。

總之，合理控制各參數(shù)，優(yōu)化操作條件，可以有效緩減漿態(tài)床固液分離困難帶來的影響，對實際生產(chǎn)中負(fù)荷的增加以及產(chǎn)品分布的調(diào)整有重要意義。

[1]孫啟文.煤炭間接液化.2012.9.

[2]王晨英，李國輝，周敬來，F(xiàn)e-Mn催化劑費托合成產(chǎn)物分布動力學(xué).催化劑學(xué)報，2007,28（3）268-273.