微反應(yīng)器技術(shù)在Fischer-Tropsch合成中的應(yīng)用進展

徐潤，胡志海，聶紅

（中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

術(shù)平臺，可以實現(xiàn)高性能費托合成催化劑在等溫條件反應(yīng)，既克服了固定床反應(yīng)器傳熱差、不能應(yīng)用小粒度催化劑的缺點，也解決了漿態(tài)床反應(yīng)器液相傳質(zhì)阻力和催化劑與產(chǎn)品分離的問題，使得微反應(yīng)器費托合成技術(shù)在近些年來頗受關(guān)注[14-16]。隨著商業(yè)化示范裝置的投產(chǎn)[17]，微反應(yīng)器費托合成技術(shù)的高效、高度集成的優(yōu)點被廣泛認可。目前分別對費托合成或者微通道反應(yīng)器的綜述研究較多，對微反應(yīng)器費托合成技術(shù)的介紹較少[18]，本文結(jié)合微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展過程，對微反應(yīng)器費托合成技術(shù)研究和應(yīng)用進展進行介紹和總結(jié)。

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微反應(yīng)器技術(shù)在Fischer-Tropsch合成中的應(yīng)用進展

徐潤，胡志海，聶紅

（中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

摘要：微反應(yīng)器可以通過改善傳質(zhì)和傳熱而強化反應(yīng)過程，為Fischer-Tropsch合成技術(shù)的發(fā)展提供了新的機遇。本文簡要回顧了微反應(yīng)器的研究及發(fā)展過程，從微反應(yīng)器的本質(zhì)特點著手，介紹了微反應(yīng)器技術(shù)在Fischer-Tropsch合成中的應(yīng)用進展。Fischer-Tropsch合成微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從單通道、多通道、復(fù)合通道結(jié)構(gòu)的研究過程，催化劑也開發(fā)有填充型和涂覆型兩類。根據(jù)微反應(yīng)器的特點，催化劑開發(fā)也取得了顯著進步，與傳統(tǒng)催化劑相比，微通道催化劑的活性可以達到固定床的8～10倍。反應(yīng)器模型和數(shù)值模擬工作可以輔助實驗研究，提供溫度、濃度、壓力等分布參數(shù)，有利于反應(yīng)器設(shè)計。最后介紹了目前微反應(yīng)器Fischer-Tropsch合成技術(shù)的中試及工業(yè)應(yīng)用情況。通過對上述內(nèi)容的總結(jié)，對微反應(yīng)器Fischer-Tropsch合成研究和發(fā)展進行了展望。關(guān)鍵詞：費托合成；微反應(yīng)器；微通道；催化劑；過程強化

微化工技術(shù)是在可持續(xù)發(fā)展要求下與高技術(shù)發(fā)展的前提下而產(chǎn)生的一種新技術(shù)，以微反應(yīng)器系統(tǒng)為核心，具有高效、靈活、易直接放大等優(yōu)勢，使許多反應(yīng)過程在微反應(yīng)器中變得更經(jīng)濟和更快速，已成為化工、生物和醫(yī)學(xué)等學(xué)科中一個新的發(fā)展方向和研究熱點[1-10]。費托合成（Fischer-Tropsch）技術(shù)是將石油以外的資源如煤、天然氣、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為清潔燃料和化工品的重要過程，雖然歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，傳質(zhì)和傳熱問題始終是需要解決的關(guān)鍵問題之一[11-14]。反應(yīng)器技術(shù)為費托合成提供了新的技

術(shù)平臺，可以實現(xiàn)高性能費托合成催化劑在等溫條件反應(yīng)，既克服了固定床反應(yīng)器傳熱差、不能應(yīng)用小粒度催化劑的缺點，也解決了漿態(tài)床反應(yīng)器液相傳質(zhì)阻力和催化劑與產(chǎn)品分離的問題，使得微反應(yīng)器費托合成技術(shù)在近些年來頗受關(guān)注[14-16]。隨著商業(yè)化示范裝置的投產(chǎn)[17]，微反應(yīng)器費托合成技術(shù)的高效、高度集成的優(yōu)點被廣泛認可。目前分別對費托合成或者微通道反應(yīng)器的綜述研究較多，對微反應(yīng)器費托合成技術(shù)的介紹較少[18]，本文結(jié)合微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展過程，對微反應(yīng)器費托合成技術(shù)研究和應(yīng)用進展進行介紹和總結(jié)。

1 微反應(yīng)器技術(shù)發(fā)展過程

微通道反應(yīng)器也稱微反應(yīng)器，是利用精密加工技術(shù)制造的特征尺寸在10～1000μm之間的三維結(jié)構(gòu)元件，是可用于進行化學(xué)反應(yīng)或包括換熱、混合、分離、分析和控制等各種功能的高度集成的微反應(yīng)系統(tǒng)[19]。微反應(yīng)器是指工藝流體通道在微米級別，而非微反應(yīng)器的外形尺寸或產(chǎn)品的產(chǎn)量。與常規(guī)反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器有以下特點。①比表面積大。微通道內(nèi)的比表面積能達到10000～50000m2/m3，可以縮短反應(yīng)所需停留時間，在相同產(chǎn)能情況下反應(yīng)器體積可以減少1～2個數(shù)量級[7]。②強化傳熱過程。首先，比表面積的增大使反應(yīng)器內(nèi)能夠提供的對流傳熱的場所增加；其次反應(yīng)器內(nèi)部體積減小使溫度分布能夠在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)均一化，使得化學(xué)或化工反應(yīng)可以幾乎在等溫的條件下反應(yīng)，避免了反應(yīng)過程中的飛溫[15]。③強化傳質(zhì)過程。在微通道內(nèi)，流體以微米級厚度的薄層相互接觸，傳質(zhì)過程主要是分子間擴散，傳質(zhì)速率得到強化，縮短反應(yīng)所需時間，可大幅提高對產(chǎn)物的選擇性[8]。④良好的安全性和可控性。通道特征尺度小于火焰?zhèn)鞑サ呐R界尺度以及微反應(yīng)器內(nèi)的小反應(yīng)物持有量，使微反應(yīng)器具有內(nèi)在安全性[9]。⑤易于放大。由于微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的模塊化，可由數(shù)量疊加實現(xiàn)直接放大，推進實驗室成果的實用化進程[4]。

20世紀(jì)80年代初，TUCKERMAN和PEASE[20]首次提出了“微通道散熱器”的概念，成功地解決了集成電路大規(guī)模和超大規(guī)模化所面臨的熱障問題。1985年SWIFT等[21]首先研制出用于2種流體熱交換的微尺度換熱器。1996年LEROUS[22]和EHRFELD[23]等分別系統(tǒng)闡述了微反應(yīng)器在化學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用原理及其獨特優(yōu)勢。由此，微反應(yīng)技術(shù)概念就迅速引起發(fā)達國家的研究機構(gòu)和大公司的關(guān)注，由于微反應(yīng)器在傳質(zhì)、傳熱、恒溫等方面表現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢，美國、德國、英國、法國、日本等重要的研究機構(gòu)、高校以及許多大化工公司（如DuPont、Bayer、BASF、UOP等）相繼開展了微化學(xué)工程與技術(shù)的研究。國內(nèi)開展微反應(yīng)器技術(shù)研究的有中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)、華東理工大學(xué)等。微反應(yīng)器的研究工作主要集中在化工生產(chǎn)過程、清潔能源、材料合成、藥物合成等。表1列出文獻中所報道的一些有代表性的實例[24]。

表1 微反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用[24]

2 用于費托合成技術(shù)的微反應(yīng)器

費托合成是指CO和H2在催化劑上轉(zhuǎn)化生成烴類的反應(yīng)，是1923年由德國科學(xué)家FISCHER和TROPSCH發(fā)現(xiàn)并因此獲得命名。費托合成反應(yīng)的特點之一是反應(yīng)放熱量大，平均每生成一個亞甲基（—CH2—）可釋放出165kJ的熱量[25]。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量容易引發(fā)催化劑局部過熱，導(dǎo)致選擇性變差和反應(yīng)惡化，引起催化劑失活，并可能損壞反應(yīng)器，因此反應(yīng)過程中床層溫度的控制對保持催化劑的活性、選擇性及穩(wěn)定性非常重要[26]。費托合成的另一個特點是反應(yīng)受到擴散傳質(zhì)的影響，一方面，由于CO和H2在催化劑表面的擴散速率不同，造成實際反應(yīng)的氫碳比例與理想比例不符，使反應(yīng)選擇性變差；另一方面，生成的重質(zhì)烴產(chǎn)品會覆蓋在催化劑表面，影響原料吸附和產(chǎn)品脫附。所以降低傳質(zhì)阻力是費托合成催化劑設(shè)計和工藝研究的重要內(nèi)容[27]。目前已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化的反應(yīng)器形式有3種：固定床反應(yīng)器、漿態(tài)床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器[28-29]。固定床反應(yīng)器采用管殼式結(jié)構(gòu)，催化劑裝填在反應(yīng)管中，反應(yīng)器殼層流動取熱介質(zhì)。由于反應(yīng)器的壓降限制，只能使用尺寸在毫米級別的催化劑。其缺點是反應(yīng)受到傳熱和傳質(zhì)的限制，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和操作簡單，沒有催化劑和產(chǎn)品分離問題。漿態(tài)床反應(yīng)器是將微米級別的催化劑混合在液體介質(zhì)中，合成氣以鼓泡的形式通過反應(yīng)器，其優(yōu)點是傳熱效果好，催化劑可在線更換，缺點是催化劑與重質(zhì)烴的分離困難。流化床反應(yīng)器主要用于高溫費托合成。微反應(yīng)器技術(shù)的進步為費托合成的發(fā)展提供了新的機遇，不僅使微米級高性能費托合成催化劑可以在接近等溫的條件下使用，而且解決了傳統(tǒng)反應(yīng)器的弊端，強化反應(yīng)過程，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。從微通道催化劑的應(yīng)用形式可以分為填充式和涂覆式，填充式是將粉末狀催化劑填充到反應(yīng)通道中，催化劑制備靈活性高、容易更換，但存在反應(yīng)器壓降大的問題；涂覆式是將催化劑涂覆在微通道內(nèi)壁上，特點是反應(yīng)器壓降小，但催化劑涂覆和性質(zhì)較難控制。

美國Battelle Memorial Institute較早開展了微通道費托合成技術(shù)的研究，其公開的專利中描述了一種微通道結(jié)構(gòu)，反應(yīng)通道的尺寸為長度35.6mm，高度1.5mm，寬度8mm，采用Co-Ru/Al2O3催化劑顆粒在微通道反應(yīng)器中進行評價，反應(yīng)條件為：264℃、2.3MPa、原料氣停留時間為1s，實現(xiàn)CO轉(zhuǎn)化率50%，甲烷選擇性22%[30]。他們在隨后的改進中采用一種梯形結(jié)構(gòu)的通道，可以更好的改善溫度分布，實施例中使用了Co-Ru-La/Al2O3催化劑，粒度為150～180μm[31]。美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）的CAO等[32]設(shè)計了具有“三明治”形式的微通道反應(yīng)器（如圖1所示），可以通過流動的介質(zhì)加熱或者冷卻反應(yīng)通道，反應(yīng)區(qū)域尺寸為長17.8mm，寬12.7mm，高1.27mm，采用多通道的形式可以快速篩選催化劑，他們的Co-Re/Al2O3催化劑在240℃、1.5MPa、空速12200h-1時，CO轉(zhuǎn)化率接近70%，甲烷選擇性約10%。

圖1 PNNL的微通道反應(yīng)器[32]

表2 不同粒度催化劑費托合成性能對比[33]

CAO等[33]在優(yōu)化催化劑后比較了45μm和150μm兩種顆粒催化劑的性能（對比結(jié)果見表2），采用30%Co-4.5%Re/Al2O3催化劑，在224℃、2.5MPa、空速20000h?1時，45μm顆粒催化劑的CO轉(zhuǎn)化率較150μm顆粒催化劑高12個百分點，而且甲烷選擇性低6個百分點，整個微通道溫度梯度小于3℃。微通道反應(yīng)器使用的空速可以達到傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器的15倍。

挪威的MYRSTAD等[34]設(shè)計了一種帶有柱狀結(jié)構(gòu)的微通道反應(yīng)器（圖2），由反應(yīng)通道和導(dǎo)熱油通道疊加組成，通道的高度為800μm，柱狀體的間距為800μm。他們采用20%Co-5%Ni/Al2O3催化劑，粒度范圍53～90μm，在225℃、2.0MPa、空速14400h-1時，CO轉(zhuǎn)化率達到72%，甲烷選擇性9%，C5+收率為1.7g/(g·h)。柱狀結(jié)構(gòu)的微通道反應(yīng)器不僅有利于促進傳熱，還有利于降低反應(yīng)器壓降，即使采用較小的催化劑顆粒，在空速20000h-1、2.0MPa條件下，反應(yīng)器壓降也不超過1.25bar/m。他們在這種結(jié)構(gòu)的微通道反應(yīng)器上還進行了甲醇合成[35]、二甲醚合成[36]的研究，結(jié)果表明微通道反應(yīng)器具有非常優(yōu)異的傳質(zhì)、傳熱效果，可以極大的強化反應(yīng)過程。

KNOCHEN等[37]在毫米結(jié)構(gòu)反應(yīng)器上考察了19%Co-1%Re/Al2O3催化劑的費托合成性能，并進行了反應(yīng)器模型的計算，研究了反應(yīng)器尺寸與取熱效率的關(guān)系和催化劑粒度對反應(yīng)器壓降的影響。

圖2 MYRSTAD的微通道反應(yīng)器[34]

圖3 ALMEIDA的金屬載體催化劑和微通道反應(yīng)器[38]

ALMEIDA等[38]對比了不同結(jié)構(gòu)金屬載體催化劑的費托反應(yīng)性能，包括具有40目孔的金屬泡沫、每平方英寸350孔的蜂巢型獨石結(jié)構(gòu)、每平方英寸1180孔的微獨石結(jié)構(gòu)和微通道反應(yīng)器（如圖3所示），催化劑載體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。采用了20%Co-0.5%Re/Al2O3催化劑，評價結(jié)果顯示，不同結(jié)構(gòu)金屬載體催化劑和涂覆于微通道的催化劑，均獲得了比常規(guī)催化劑高的活性和C5+選擇性，基于微通道出色的控溫能力，涂覆于微通道的催化劑性能最佳。對于ALMEIDA的微通道反應(yīng)器，催化劑涂層的厚度增加，甲烷選擇性也明顯增加，C5+選擇性和產(chǎn)品烯烷比也與催化劑涂層的厚度有關(guān)[39]。

ARZAMENDI等[40]對微反應(yīng)器展開了計算流體力學(xué)（CFD）研究。微反應(yīng)器模型包含80根錯流均布排列的微通道，冷熱通道各有四排，每排十根，尺寸均為1×1mm2。其使用的三維模型如圖4所示?？紤]空速范圍為5000～30000h?1，選擇沸水做冷卻液，結(jié)合CO的轉(zhuǎn)化率，可在210～250℃溫度范圍進行操作。結(jié)果表明：降低操作壓力有利于提高CO的轉(zhuǎn)化率，但是會影響費托產(chǎn)物的分布，尤其是減少中級餾分的產(chǎn)量。冷卻液流速控制在0.25～250 g/min 范圍時，溫度能得到較好的控制。

表3 不同結(jié)構(gòu)金屬載體催化劑的費托反應(yīng)性能[38]

圖4 ARZAMENDI的微通道反應(yīng)器模型[40]

DESHMUKH等[17]報道了Velocys公司微通道費托合成研究進展，他們開發(fā)了短通道（長70mm，高1mm，寬8mm）、長通道（長616mm，高1mm，寬6mm）、長通道帶取熱（長616mm，高1mm，寬6mm）以及中試規(guī)模反應(yīng)器（長171mm，高1mm，寬3mm，276條反應(yīng)通道，132條冷卻通道）。中試規(guī)模微通道反應(yīng)器如圖5所示，可以達到每天3.8L C5+產(chǎn)品的規(guī)模，可裝填150g催化劑。采用相同的催化劑在4種尺寸反應(yīng)器的評價結(jié)果相近，表明微通道反應(yīng)器放大效應(yīng)很小。在210℃、2.4MPa、停留時間0.29s，CO轉(zhuǎn)化率達到72%，甲烷選擇性不大于9%，C5+選擇性85%。催化劑運轉(zhuǎn)了4000h，并可通過再生恢復(fù)活性。

LEVINESS等[41]報道Velocys的微通道費托合成反應(yīng)器可以在高負荷下運轉(zhuǎn)2年，催化劑經(jīng)歷10次氧化再生仍然保持較好的活性，見圖6。

圖5 Velocys的微通道中試反應(yīng)器[17]

圖6 Velocys的高負荷下催化劑費托合成性能[41]

除了實驗研究外，對于微通道費托合成數(shù)值模擬的研究也廣泛開展，可以彌補實驗中微通道反應(yīng)器參數(shù)測量困難的問題，了解反應(yīng)過程中流體變化、溫度分布、濃度分布等信息，有助于反應(yīng)器設(shè)計。DEREVICH等[42]對微通道費托合成反應(yīng)器流體力學(xué)模型進行研究，結(jié)果表明粗糙的微通道內(nèi)表面更有利于氣液兩相的傳質(zhì)，空速對于液膜厚度影響較小，通道尺寸減小，反應(yīng)器的壓降增加很快。

GUMUSLU等[43]采用數(shù)值計算的方法研究了微通道費托合成反應(yīng)器反應(yīng)器材質(zhì)、通道壁厚、冷卻通道邊長、冷卻介質(zhì)流速等參數(shù)對反應(yīng)溫度的影響。結(jié)果表明，采用大的壁厚更有利于導(dǎo)熱，冷卻通道邊長影響較小，冷卻介質(zhì)流速對溫度分布影響很大，改變通道表面的形態(tài)也可以強化冷卻效果。

SHIN等[44]則建立了48mm×48mm×180mm 大小的三維微反應(yīng)器模型，依據(jù)實驗結(jié)果，計算出以C8H18來代表整個模型里的費托反應(yīng)的產(chǎn)物，重點研究了操作條件對反應(yīng)器的影響，以及如何更好地實現(xiàn)溫度控制，來進一步優(yōu)化實驗。

羅青等[45]開展了微通道費托合成催化劑涂覆厚度的數(shù)值模擬研究，考察催化劑涂層厚度、冷卻介質(zhì)流速對傳熱和產(chǎn)物分布的影響。結(jié)果表明，沿反應(yīng)通道軸向方向，催化劑涂層溫度呈先升高后降低的趨勢；隨催化劑涂層厚度的增加，溫度峰值出現(xiàn)的位置逐漸遠離出口，CO轉(zhuǎn)化率提高，CH4選擇性增大，C5+選擇性減小。

表4將文獻中所報道的微通道費托合成催化劑性能進行了對比。可以看出，目前催化劑主要分為涂覆式和微球兩個發(fā)展方向。涂覆式催化劑具有床層壓降小、傳熱性能好的優(yōu)點，但存在反應(yīng)通道利用率低、涂覆強度控制難度大的缺點。微球催化劑采用填充式裝填，催化劑裝填和更換靈活，催化劑活性高，但顆粒直徑對床層壓降和反應(yīng)性能影響較大。因此采用何種形式的催化劑與微通道反應(yīng)器的設(shè)計關(guān)系十分密切。

3 用于費托合成技術(shù)微反應(yīng)器的工業(yè)化

基于微反應(yīng)器的顯著特點和費托合成在清潔能源領(lǐng)域的巨大潛力，該項技術(shù)走出實驗室實現(xiàn)工業(yè)化的速度逐步加快。在微通道費托合成工業(yè)應(yīng)用方面，美國Velocys公司和英國Compact GTL公司一直走在領(lǐng)先位置。

美國Velocys公司起源于Battelle Memorial Institute，后被牛津催化劑集團公司（Oxford Catalysts Group）收購，主要進行微通道技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)應(yīng)用，取得了很多開創(chuàng)性的成果，其產(chǎn)品也在世界范圍內(nèi)得到廣泛認可。

2010年，Velocys公司與葡萄牙SGC能源公司（SGCE）合作，開發(fā)了生物質(zhì)制油的驗證裝置，采用生物質(zhì)氣化、微通道費托合成反應(yīng)器，驗證裝置由Velocys與SGCE共同操作，組合采用了由900多個全長的微通道組成的費托合成微通道反應(yīng)器，C5+收率超過0.75g/(L?h)。牛津催化劑集團隨后宣布從其合作伙伴SGCE獲得生物質(zhì)制油項目第一個大規(guī)模商業(yè)化費托合成微通道反應(yīng)器合同，該微通道反應(yīng)器由數(shù)十萬個全長的微通道組成，其產(chǎn)能可達50桶/天。該中型裝置設(shè)計通過費托合成反應(yīng)用于小規(guī)模分布式生產(chǎn)生物燃料，由SGCE和Oxford Catalysts Group的美國成員Velocys公司共同運營。

2010年，巴西國家石油公司（PetroBras）、Velocys公司、Toyo Engineering Corporation 和MODEC公司簽署合作協(xié)議，共同開展微通道費托反應(yīng)器技術(shù)驗證裝置建設(shè)，并計劃建立一座以生物質(zhì)為原料的液體運輸燃料生產(chǎn)廠。俄羅斯羅斯石油公司（Russneft）于2012年5月13日宣布，選用Velocys公司技術(shù)，應(yīng)用于小規(guī)模天然氣制合成油（GTL）裝置，設(shè)計將使伴生天然氣（即與石油生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)的天然氣）轉(zhuǎn)化成合成原油或高品質(zhì)的下游產(chǎn)品，包括合成柴油、石蠟和石腦油（重要的化工原料）。羅斯石油公司與技術(shù)商業(yè)化公司Gazohim Techno合作，使用Velocys公司的微通道費托反應(yīng)器技術(shù)，設(shè)計和建造GTL驗證裝置。這套裝置將擁有處理天然氣能力約1×107m3/a，相當(dāng)于約每天100桶合成原油。該驗證裝置將設(shè)在羅斯石油公司位于俄羅斯伊爾庫茨克（Irkutsk Oblast）的安加爾斯克石化聯(lián)合裝置內(nèi)。

表4 微通道費托合成催化劑性能對比

2012年7月總部設(shè)在美國的Solena燃料公司宣布，在英國開發(fā)生物質(zhì)制油（BTL）項目，將選用Velocys公司的微通道費托合成技術(shù)。2014年美國紅巖生物燃料公司（Red Rock Biofuels）也計劃采用Velocys公司的微通道費托合成技術(shù)將170kt/a生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體運輸燃料，項目已經(jīng)進入工程設(shè)計階段。

英國Compact GTL公司的微通道技術(shù)起始于2000年的英國原子能機構(gòu)研發(fā)計劃，2006年開始尋求微通道GTL中試或商業(yè)化合作，整個工藝包括微通道甲烷重整和兩段式微通道費托合成。2008年7月在英國威爾頓建成首套中試裝置，規(guī)模為每周產(chǎn)1桶合成油。隨后Compact GTL公司與巴西PetroBras公司合作開展集約型GTL技術(shù)的工業(yè)示范，2010年在巴西的Aracaju投資4500萬美金建設(shè)用氣量為每天200000立方英尺的GTL裝置，于2011年底建成達到開工要求（圖7、圖8）。2014 年7月，Compact GTL公司及其合作伙伴宣布，將斥資5000萬美元在哈薩克斯坦打造“全球首個商業(yè)化”小型GTL工廠，將每天加工820000m3伴生氣來生產(chǎn)3000桶合成柴油。

圖7 GUMUSLU的微通道反應(yīng)器模型[43]

圖8 Compact GTL公司在巴西的微通道費托合成裝置

4 總結(jié)與展望

近十年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對微反應(yīng)器費托合成技術(shù)進行了深入的研究，已經(jīng)在反應(yīng)器設(shè)計、催化劑開發(fā)、反應(yīng)器模型和數(shù)值模擬等方面取得了顯著的進步。特別是首先開展商業(yè)化運作的Velocys公司和Compact GTL公司，在微反應(yīng)器的設(shè)計、制造、集成和放大等關(guān)鍵問題取得了突破。微通道費托合成技術(shù)不僅可以使小型天然氣田、煤層氣、焦?fàn)t氣以及來源分散的生物質(zhì)資源被非常方便和高效的利用，也展現(xiàn)了對常規(guī)固定床和漿態(tài)床反應(yīng)器在效率和安全性方面強大的競爭力。然而，微通道費托合成技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用仍需一系列難題，例如微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與過程強化設(shè)計、反應(yīng)器制造、反應(yīng)單元的組裝、催化劑的壁面負載技術(shù)、催化劑裝填技術(shù)、催化劑再生技術(shù)、參數(shù)測量技術(shù)、系統(tǒng)自動控制技術(shù)、防腐技術(shù)等。因此，一方面需要加強微化學(xué)工程技術(shù)基礎(chǔ)研究，開展包括微尺度化工系統(tǒng)中的表面界面現(xiàn)象，微反應(yīng)系統(tǒng)中的流動、傳熱、混合和傳質(zhì)特征，微尺度下的催化劑技術(shù)；另一方面，需要加強微反應(yīng)器技術(shù)的工程化研究，包括微化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，微化工設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，微化工設(shè)備的先進制造與封裝技術(shù)等?？梢灶A(yù)見，隨著微反應(yīng)器技術(shù)的進步和費托合成效率的提高，利用微反應(yīng)器費托合成技術(shù)將含碳資源轉(zhuǎn)化利用的途徑必將引起越來越多的關(guān)注。

參 考 文 獻

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研究開發(fā)

Recent advances on Fischer-Tropsch synthesis in micro-reactor

XU Run，HU Zhihai，NIE Hong
（Research Institute of Petroleum Processing，SINOPEC，Beijing 100083，China）

Abstract：The mass transfer and heat transfer of the chemical reaction can be improved by micro-reactor technology，which provides a new platform for Fischer-Tropsch synthesis. This paper reviews the researches and development of micro-reactor technology in the recent year and the Fischer-Tropsch synthesis in micro-reactor. The structure researches of micro-reaction devices have gone through the developments of single channel，multi channel and complex channel. The catalysts can be divided into two categories of micro particle and wall coating. Along with developments of micro reactor，the catalysts studies have also made significant progress. The activity of catalysts in micro-reaction device is 8 to 10 times higher than that in fixed-bed reactor. The studies of numerical analysis are summarized. This paper also introduces the status of pilot test and commercialization of Fischer-Tropsch synthesis in micro-reactor. It is expected the Fischer-Tropsch synthesis in micro-reactor will have a deeper development in future.

Key words：Fischer-Tropsch synthesis；micro-reactor；microchannel；catalyst；process intensification

基金項目：中國石油化工股份有限公司項目（S112088）。

收稿日期：2015-08-12；修改稿日期：2015-09-15。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.005

中圖分類號：TQ 053.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0685–07

第一作者及聯(lián)系人：徐潤（1976—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為替代能源技術(shù)。E-mail xurun.ripp@sinopec.com。