不同費(fèi)托合成技術(shù)反應(yīng)器分析比較

薛瑞

【摘 要】本文通過對(duì)固定床、漿態(tài)床和流化床費(fèi)托合成反應(yīng)器的介紹，從熱轉(zhuǎn)移速度、氣相停留時(shí)間分布、氣體的軸向混合等方面作對(duì)比分析費(fèi)托反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】費(fèi)托合成技術(shù);固定床反應(yīng)器;漿態(tài)床反應(yīng)器;流化床反應(yīng)器

本文以某項(xiàng)目費(fèi)托合成技術(shù)為例，著重論述不同費(fèi)托合成技術(shù)的核心部分費(fèi)托合成反應(yīng)器。對(duì)固定床、漿態(tài)床和流化床費(fèi)托反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)作對(duì)比分析。

一、費(fèi)托合成反應(yīng)器種類

工業(yè)化運(yùn)行的費(fèi)托合成反應(yīng)器目前有四種：1固定床反應(yīng)器;2鼓泡漿態(tài)床反應(yīng)器;3固定流化床;4循環(huán)流化床反應(yīng)器。

1.固定床反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器首先由魯爾化學(xué)和魯奇兩家公司合作開發(fā)而成，簡稱Arge反應(yīng)器，是柱塞流反應(yīng)器的代表，其內(nèi)裝填擠條鐵基催化劑。

固定床反應(yīng)器主要適用于生產(chǎn)蠟和柴油。運(yùn)行過程中由于種種失活原因，催化劑的活性會(huì)緩慢下降，因此運(yùn)行一段時(shí)間后就必須提高一定的操作溫度，產(chǎn)品組成也將隨之變化;當(dāng)達(dá)到操作溫度上限時(shí)就必須進(jìn)行再生操作。

固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：易于操作，返混相對(duì)較小，合成氣中微量的硫化物可由催化劑床層上部吸附，從而保護(hù)了下部床層，使催化劑活性損失不很嚴(yán)重，整個(gè)裝置受硫化物的影響有限，因而受合成氣凈化裝置波動(dòng)影響較小。無論費(fèi)托合成產(chǎn)物是氣態(tài)、液態(tài)或混合態(tài)，在較寬的溫度范圍內(nèi)均可使用，不存在從催化劑上分離液體產(chǎn)品的問題，液體產(chǎn)品容易從出口氣流中分離，適于費(fèi)托蠟的生產(chǎn)。且床層內(nèi)流體的流動(dòng)接近活塞流，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力。此外，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，催化劑機(jī)械磨損小，也是固定床反應(yīng)器獲得廣泛應(yīng)用的重要原因。

2.漿態(tài)床反應(yīng)器

漿態(tài)床反應(yīng)器為全混流反應(yīng)器的代表，德國人在20世紀(jì)的40～50年代曾經(jīng)研究過三相鼓泡床反應(yīng)器，但是沒有商業(yè)化。Sasol的研發(fā)部門在20世紀(jì)80年代開始了對(duì)漿態(tài)床反應(yīng)器的研究，1990年研發(fā)取得突破性進(jìn)展。Sasol在1993年5月實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能為2500桶/天的漿態(tài)床反應(yīng)器的開工，反應(yīng)器內(nèi)徑5m、高22m。漿態(tài)床反應(yīng)器催化劑可使用鐵基催化劑或鈷基催化劑。

漿態(tài)床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是由于反應(yīng)器內(nèi)流體湍動(dòng)劇烈，催化劑容易磨損、消耗和失活，催化劑和產(chǎn)品分離困難。對(duì)反應(yīng)器硫中毒影響的研究表明，在同樣條件下漿態(tài)床反應(yīng)器由于硫中毒而引起的轉(zhuǎn)化率下降是固定床反應(yīng)器的1.5～2倍，而且漿態(tài)床反應(yīng)器硫中毒是整體性的，因此在使用漿態(tài)床反應(yīng)器時(shí)必須對(duì)合成氣體進(jìn)行有效的脫硫處理。

3.循環(huán)流化床反應(yīng)器

循環(huán)流化床反應(yīng)器（CFB）屬于Sasol公司早期主力反應(yīng)器，1999年以后它們大部分被固定流化床（SAS）所取代。

循環(huán)流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是裝置投資高、操作復(fù)雜繁瑣、檢修費(fèi)用高、反應(yīng)器進(jìn)一步放大困難、對(duì)原料氣中硫含量要求高，旋風(fēng)分離器容易被催化劑堵塞，同時(shí)有大量催化劑損失，反應(yīng)器的高溫操作可能導(dǎo)致催化劑的積碳和破裂，使催化劑的耗量增加。

在循環(huán)流化床反應(yīng)器的操作中，催化劑降料管與反應(yīng)床層間的壓力平衡應(yīng)嚴(yán)格控制。為了使反應(yīng)器具有較高的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)床層內(nèi)的催化劑應(yīng)盡量多，但催化劑在反應(yīng)床層內(nèi)含量過高時(shí)，會(huì)使反應(yīng)床層的壓降增加，一旦反應(yīng)床層的壓降大于降料管內(nèi)的壓降，反應(yīng)氣體將進(jìn)入降料管。這一方面會(huì)對(duì)旋風(fēng)分離器的操作帶來嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，造成大量催化劑損失;另一方面，由于催化劑降料管中沒有換熱手段，進(jìn)入降料管中的氣體發(fā)生費(fèi)托合成反應(yīng)，熱量無法移走，溫度劇烈上升，導(dǎo)致催化劑過熱失活，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

高溫費(fèi)托合成反應(yīng)采用鐵基催化劑，催化劑積碳嚴(yán)重，不僅造成催化劑活性下降，同時(shí)造成催化劑破碎，使旋風(fēng)分離器的分離效率降低，催化劑損失增加。積碳還會(huì)導(dǎo)致催化劑顆粒的密度減小，在一定線速下，隨著床層中顆粒密度的減小，其帶出速度加快，返回量降低，這意味著隨著時(shí)間的延長，積碳不斷增加，催化劑在反應(yīng)床層內(nèi)的量不斷降低，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相應(yīng)降低。催化劑顆粒密度的降低也使催化劑下降管中的壓降減小，在這種情況下，靠增加反應(yīng)器內(nèi)催化劑的量以彌補(bǔ)由于活性下降和數(shù)量下降帶來的轉(zhuǎn)化率降低是不可能的，在實(shí)際操作中，需要從循環(huán)流化床反應(yīng)器內(nèi)不斷移出部分使用過的催化劑，并補(bǔ)充相應(yīng)的新鮮催化劑，以保持其穩(wěn)定正常生產(chǎn)。

4.固定流化床反應(yīng)器

鑒于循環(huán)流化床反應(yīng)器的局限和缺陷，Sasol開發(fā)成功了固定流化床反應(yīng)器，并命名為Sasol Advanced Synthol（簡稱為SAS）反應(yīng)器，也是目前Sasol公司煤液化生產(chǎn)的主力反應(yīng)器。

固定流化床操作比較簡單，氣體從反應(yīng)器底部通過分布器進(jìn)入并進(jìn)入流化床。床層內(nèi)催化劑顆粒處于湍流狀態(tài)但整體保持靜止不動(dòng)。固定流化床反應(yīng)器的操作條件一般是2.0～4.0 MPa，溫度大約340℃，使用的一般是和循環(huán)流化床類似的鐵基催化劑。

固定流化床反應(yīng)器適用于高溫費(fèi)托合成反應(yīng)過程，與循環(huán)流化床反應(yīng)器相比，具有明顯優(yōu)勢。固定流化床反應(yīng)器的設(shè)備體積與循環(huán)流化床反應(yīng)器相比大為減少，總體大致與循環(huán)流化床反應(yīng)器的氣固分離器的大小相近，因而造價(jià)僅為循環(huán)流化床反應(yīng)器的60%左右。在循環(huán)流化床反應(yīng)器中，由于積碳造成催化劑密度降低，會(huì)造成反應(yīng)段中催化劑數(shù)量減少，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)化率下降，因此需要不斷從反應(yīng)器中移出大量積碳催化劑并補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)量的新鮮催化劑，以維持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)能力。而在固定流化床反應(yīng)器內(nèi)，在催化劑積碳而密度減小時(shí)，只要床層增高，仍可維持高的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)能力，對(duì)催化劑的移出和補(bǔ)充相應(yīng)減少，催化劑的消耗大為降低。此外，循環(huán)流化床反應(yīng)器中存在的設(shè)備管道磨蝕現(xiàn)象，在固定流化床反應(yīng)器中基本不再存在，從而大大延長了反應(yīng)器的在線時(shí)間，減少了維修頻率和費(fèi)用。

固定流化床反應(yīng)器的操作應(yīng)通過控制反應(yīng)溫度、壓力和氣體組成等條件，防止液體烴類在催化表面的產(chǎn)生，催化劑表面一旦有液體烴類覆蓋，將直接影響催化劑的顆粒性質(zhì)。積碳不僅造成催化劑活性下降，還會(huì)使催化劑顆粒密度發(fā)生變化和破碎，導(dǎo)致反應(yīng)器流化狀態(tài)惡化，催化劑損失增加，反應(yīng)器操作困難。通過維持一定的氫碳比等措施，可減少催化劑表面的積碳現(xiàn)象。

二、對(duì)比結(jié)論

由于循環(huán)流化床反應(yīng)器已經(jīng)逐漸被淘汰，僅對(duì)固定床、漿態(tài)床和固定流化床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)從熱轉(zhuǎn)移速度、氣相停留時(shí)間分布、氣體的軸向混合等方面作對(duì)比分析。

1. 固定床：熱轉(zhuǎn)移速度差，床層熱點(diǎn)成為運(yùn)行瓶頸;氣相停留時(shí)間分布窄;氣體的軸向混合小，近似柱塞流;抗催化劑中毒能力高，前端床層對(duì)后面起保護(hù)作用;運(yùn)行成本因移熱問題有催化劑燒結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)、氣體壓縮成本低、無分離成本;建造成本隨產(chǎn)能的噸位呈線性比例、對(duì)大型產(chǎn)能相對(duì)較高;裝置大型化難。

2. 漿態(tài)床：熱轉(zhuǎn)移速度高，近似為等溫床;氣相停留時(shí)間分布窄～中等;氣體的軸向混合大，氣體隨氣泡在非均勻流動(dòng)狀態(tài)下均勻混合;抗催化劑中毒能力低，整個(gè)床層的催化劑逐漸中毒;運(yùn)行成本體積產(chǎn)率高、分離成本較高;建造成本對(duì)大型產(chǎn)能相對(duì)較低;裝置大型化易。

3. 固定流化床：熱轉(zhuǎn)移速度高，近似為等溫床;氣相停留時(shí)間分布寬;氣體的軸向混合大，氣泡相內(nèi)氣體全混，氣泡本身近似平推流，乳化相內(nèi)氣體全混;抗催化劑中毒能力低，整個(gè)床層的催化劑逐漸中毒;運(yùn)行成本較高;建造成本相對(duì)較低;裝置大型化較難。

參考文獻(xiàn)：

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