不同費托合成技術反應器分析比較

薛瑞

【摘 要】本文通過對固定床、漿態床和流化床費托合成反應器的介紹，從熱轉移速度、氣相停留時間分布、氣體的軸向混合等方面作對比分析費托反應器的優缺點。

【關鍵詞】費托合成技術;固定床反應器;漿態床反應器;流化床反應器

本文以某項目費托合成技術為例，著重論述不同費托合成技術的核心部分費托合成反應器。對固定床、漿態床和流化床費托反應器的優缺點作對比分析。

一、費托合成反應器種類

工業化運行的費托合成反應器目前有四種：1固定床反應器;2鼓泡漿態床反應器;3固定流化床;4循環流化床反應器。

1.固定床反應器

固定床反應器首先由魯爾化學和魯奇兩家公司合作開發而成，簡稱Arge反應器，是柱塞流反應器的代表，其內裝填擠條鐵基催化劑。

固定床反應器主要適用于生產蠟和柴油。運行過程中由于種種失活原因，催化劑的活性會緩慢下降，因此運行一段時間后就必須提高一定的操作溫度，產品組成也將隨之變化;當達到操作溫度上限時就必須進行再生操作。

固定床反應器的優點是：易于操作，返混相對較小，合成氣中微量的硫化物可由催化劑床層上部吸附，從而保護了下部床層，使催化劑活性損失不很嚴重，整個裝置受硫化物的影響有限，因而受合成氣凈化裝置波動影響較小。無論費托合成產物是氣態、液態或混合態，在較寬的溫度范圍內均可使用，不存在從催化劑上分離液體產品的問題，液體產品容易從出口氣流中分離，適于費托蠟的生產。且床層內流體的流動接近活塞流，可用較少量的催化劑和較小的反應器容積獲得較大的生產能力。此外，結構簡單、操作方便，催化劑機械磨損小，也是固定床反應器獲得廣泛應用的重要原因。

2.漿態床反應器

漿態床反應器為全混流反應器的代表，德國人在20世紀的40～50年代曾經研究過三相鼓泡床反應器，但是沒有商業化。Sasol的研發部門在20世紀80年代開始了對漿態床反應器的研究，1990年研發取得突破性進展。Sasol在1993年5月實現了產能為2500桶/天的漿態床反應器的開工，反應器內徑5m、高22m。漿態床反應器催化劑可使用鐵基催化劑或鈷基催化劑。

漿態床反應器的缺點是由于反應器內流體湍動劇烈，催化劑容易磨損、消耗和失活，催化劑和產品分離困難。對反應器硫中毒影響的研究表明，在同樣條件下漿態床反應器由于硫中毒而引起的轉化率下降是固定床反應器的1.5～2倍，而且漿態床反應器硫中毒是整體性的，因此在使用漿態床反應器時必須對合成氣體進行有效的脫硫處理。

3.循環流化床反應器

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

循環流化床反應器的缺點是裝置投資高、操作復雜繁瑣、檢修費用高、反應器進一步放大困難、對原料氣中硫含量要求高，旋風分離器容易被催化劑堵塞，同時有大量催化劑損失，反應器的高溫操作可能導致催化劑的積碳和破裂，使催化劑的耗量增加。

在循環流化床反應器的操作中，催化劑降料管與反應床層間的壓力平衡應嚴格控制。為了使反應器具有較高的生產能力，實現較高的反應轉化率，反應床層內的催化劑應盡量多，但催化劑在反應床層內含量過高時，會使反應床層的壓降增加，一旦反應床層的壓降大于降料管內的壓降，反應氣體將進入降料管。這一方面會對旋風分離器的操作帶來嚴重擾動，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，進入降料管中的氣體發生費托合成反應，熱量無法移走，溫度劇烈上升，導致催化劑過熱失活，嚴重時導致設備損壞。

高溫費托合成反應采用鐵基催化劑，催化劑積碳嚴重，不僅造成催化劑活性下降，同時造成催化劑破碎，使旋風分離器的分離效率降低，催化劑損失增加。積碳還會導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，這意味著隨著時間的延長，積碳不斷增加，催化劑在反應床層內的量不斷降低，反應轉化率相應降低。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，靠增加反應器內催化劑的量以彌補由于活性下降和數量下降帶來的轉化率降低是不可能的，在實際操作中，需要從循環流化床反應器內不斷移出部分使用過的催化劑，并補充相應的新鮮催化劑，以保持其穩定正常生產。

4.固定流化床反應器

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

固定流化床操作比較簡單，氣體從反應器底部通過分布器進入并進入流化床。床層內催化劑顆粒處于湍流狀態但整體保持靜止不動。固定流化床反應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流化床類似的鐵基催化劑。

固定流化床反應器適用于高溫費托合成反應過程，與循環流化床反應器相比，具有明顯優勢。固定流化床反應器的設備體積與循環流化床反應器相比大為減少，總體大致與循環流化床反應器的氣固分離器的大小相近，因而造價僅為循環流化床反應器的60%左右。在循環流化床反應器中，由于積碳造成催化劑密度降低，會造成反應段中催化劑數量減少，進而造成轉化率下降，因此需要不斷從反應器中移出大量積碳催化劑并補充相應數量的新鮮催化劑，以維持穩定的轉化率和生產能力。而在固定流化床反應器內，在催化劑積碳而密度減小時，只要床層增高，仍可維持高的轉化率和生產能力，對催化劑的移出和補充相應減少，催化劑的消耗大為降低。此外，循環流化床反應器中存在的設備管道磨蝕現象，在固定流化床反應器中基本不再存在，從而大大延長了反應器的在線時間，減少了維修頻率和費用。

固定流化床反應器的操作應通過控制反應溫度、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。積碳不僅造成催化劑活性下降，還會使催化劑顆粒密度發生變化和破碎，導致反應器流化狀態惡化，催化劑損失增加，反應器操作困難。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象。

二、對比結論

由于循環流化床反應器已經逐漸被淘汰，僅對固定床、漿態床和固定流化床反應器的優缺點從熱轉移速度、氣相停留時間分布、氣體的軸向混合等方面作對比分析。

1. 固定床：熱轉移速度差，床層熱點成為運行瓶頸;氣相停留時間分布窄;氣體的軸向混合小，近似柱塞流;抗催化劑中毒能力高，前端床層對后面起保護作用;運行成本因移熱問題有催化劑燒結的風險、氣體壓縮成本低、無分離成本;建造成本隨產能的噸位呈線性比例、對大型產能相對較高;裝置大型化難。

2. 漿態床：熱轉移速度高，近似為等溫床;氣相停留時間分布窄～中等;氣體的軸向混合大，氣體隨氣泡在非均勻流動狀態下均勻混合;抗催化劑中毒能力低，整個床層的催化劑逐漸中毒;運行成本體積產率高、分離成本較高;建造成本對大型產能相對較低;裝置大型化易。

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

參考文獻：

[1]孫啟文.《費托合成技術及其研究進展》[J]煤炭加工與綜合利用，2020，（2）：35-42.

[2]吳建民.《高溫固定流化床費托合成技術及其產物加工路線》[J]化工進展，2020，（39）：12-20.