費托合成鐵基催化劑還原工藝優化

楊霈霖

兗礦榆林精細化工有限公司 陜西榆林 719000

近年來，資源問題逐漸成為了世界各國密切關注的熱點課題，特別是隨著石油這一傳統工業資源供需矛盾的加大，尋找能夠替代石油資源的其他資源就成為了能源領域重點發展的方向。在當前的學術領域，天然氣、煤被認為將會成為是有的補充能源，我國土地廣袤，但是整個土地上的石油資源相當貧瘠，天然氣、煤的儲量卻位居世界前列，在這一背景下，研究與天然氣、煤相關的能源開發技術就成為了近年來我國化工生產研究的重要內容。本文以費托合成中較為重要的催化劑還原工藝為研究對象，提出具備工業生產實踐價值的優化策略。

1 費托合成鐵基催化劑還原的現實價值

費托合成（Fischer- Tropsch synthesis）簡稱為FTS，是由其發明者德國人Fischer 和Tropsch 的名字進行命名的，費托合成指的是CO 在催化劑的作用下，通過加氫的方式轉化為C2以上烴類化合物的一種工藝過程[1]。

催化劑還原是費托合成的前期步驟，從工業生產實踐角度來看，參與費托合成的催化劑在出場階段的形狀為氧化態固體顆粒，并不具備參與相關化學反應的化學活性，必須經過一定的化學處理之后才能在化工生產過程中發揮出相應效果。催化劑還原的具體流程為，在氫氣的作用下，將氧化態催化劑轉變為具有反應活性的還原態催化劑，這一過程對于整個費托合成反應的質量具備十分直接的影響。

2 催化劑還原關鍵指標控制

如果想要實現費托合成鐵基催化劑還原工藝優化目標，首先必須對催化劑還原過程中的主要影響因素以及具體的影響程度進行分析。本節對催化劑還原反應中五個關鍵指標對還原反應的實際影響狀況進行全面分析。

2.1 溫度

溫度是影響催化劑還原反應的首要因素，具體而言，催化劑升溫過程是激發催化劑活性的重要手段。具體升溫流程為：

（1）0～120℃，在整體溫度達到120℃之前，升溫速度可以保持在15～20℃/ h。

（2）120～225℃，此時，升溫速度可以適當降低，防止催化劑活性的穩定性失常。

（3）225～255℃，催化劑活性開始被激發一般在224℃左右。因此，在225℃之后，會由于甲烷物質的產生激發放熱反應，此時，技術人員應當對升溫速度進行適度調整，保證反應過程的穩定性，此時，升溫速度應該保持在5℃/ h 左右，直到達到恒溫（255℃）[2]。

2.2 壓力與液位

除了溫度以外，對整個還原反應的壓力進行控制也是催化劑還原反應得以實現的必要手段，在正常的工業生產的背景下，根據諸多學者的實驗結果顯示，將整個系統的壓力控制在2.8～3.2MPa 能夠取得最好的還原效果。其次，在具體的還原過程中，催化劑液位也應當保持在比較合理的水平，過低或過高都或導致催化劑還原出現不同問題。具體而言，液位過高可能會導致催化劑損失，液位過低可能會降低還原效果[3]。

2.3 還原介質

還原介質也是催化劑還原過程的重要參與者，在實踐中，液體石蠟、重柴油是比較常見的還原介質，在實際工業生產過程中，只要還原介質的水含量、餾程能夠滿足基本要求，就能夠保證還原反應的順利實現。但是，在升溫過程中，會有少部分液體出現蒸發現象，針對這種情況，技術人員必須根據液面下降的兩對應補充還原介質。

2.4 氫碳比

氫碳比主要包括入塔氣氫碳比、尾氣氫碳比，這兩者均是催化劑還原過程的關鍵指標。具體標準如下：

（1）在入塔階段，調節氫碳比的目的在于調節還原氣氛，即200℃以下純氫氣氣氛，反應階段、恒溫階段的氫碳比氣氛應該保持在80～100 的區間范圍內。

（2）在尾氣排放階段，其內部的H2/ CO 取決于催化劑反應程度，在后恒溫階段，其氣氛一般能夠達到1100～1900 的水平[4]。

3 費托合成鐵基催化劑還原工藝優化策略

3.1 還原升溫速率確定

在還原反應的升溫過程中，可以對還原升溫速率進行更加精確的確定，具體內容如下：

（1）溫度從0℃向120℃爬升時，溫升速率應該控制在20℃/ h 及以下，并在升溫到標準溫度時預留出2h 左右的恒溫時段，以實現對催化劑的干燥化處理。

（2）溫度從120℃向200℃爬升時，溫升速率應該控制在9℃/ h 左右（±1℃）。其目標在于防止溫度增長過快導致設備整體升溫，進而誘發漏點增加的現象出現。

（3）溫度從200℃向255℃的最終恒溫爬升時，升溫速度應當控制在5℃/ h，其目的在于保證催化劑起活的穩定性[5]。

3.2 還原介質的預處理

在實際生產過程中，還原過程中比較常見的還原介質主要包括液體石蠟、重柴油、加氫減底油三種。從使用效果角度來看，液體石蠟的效果最好，但是其在市面上的價格相對較高，而減底油在實際生產過程中對于使用者的要求相對較高，很容易對還原過程造成某種影響。與上述兩種介質類型相比，重柴油的理化性質、性價比均相對較高。

為了滿足還原工作對于還原介質理化性質的要求，本文對重柴進行了預處理，采用加氫重柴作為還原介質，其具備較低的餾程溫度以及較高的含水量。這種還原介質在還原反應中能夠明顯強化還原效果。最后，在具體還原過程中的溫度上升區，技術人員應當增加120℃的恒溫區間，盡量消除或者降低還原過程中水分對于整個還原過程所產生的負面影響。

3.3 氫碳比的確定

在還原過程中，應當對氫碳比進行確定。具體操作方式如下：在入塔階段，技術人員應當將入塔氣氫碳比控制在20 氣氛范圍內；隨著還原反應持續進行，入塔氣氫碳比控制在50- 100 左右，方案修改后，入塔氣氫碳比控制50左右；當進行到恒溫穩定階段，入塔氣氫碳比控制在100左右[6]。

同時，在恒溫階段，氫碳比控制的同時還要對氫氣、原料氣的量進行控制，當氫氣量保持穩定的時候，原料氣量與還原效果成正比，即原料氣量越大，則還原效果越好。

3.4 增加過渡階段

增加過渡階段也是費托合成鐵基催化劑還原工藝優化的主要策略之一。具體而言，在經歷了多次的還原實踐之后，筆者發現，在還原恒溫之后增加過渡階段能夠有效提升催化劑還原的效果。具體內容為，逐漸增加原料氣量，控制入塔氣氫碳比5～20，同時將反應器溫度進行適當提升，提升數額大約為5～10℃，并過渡3h。這一步驟能夠幫助催化劑更好的適應費托反應氣氛，幫助整個工作流程順利度過還原階段，正式進入費托反應階段。

3.5 操作壓力確定

操作壓力確定也是費托合成鐵基催化劑還原工藝優化的主要策略之一。具體而言，經過了多次的還原實踐之后，在某次生產過程中出現了換熱器的泄露現象，為了保障還原過程中生命財產安全，本單位通過某種方式對不同的還原壓力進行了確定，最終發現，當整個系統處在3.0MPa 壓力等級時，整個還原過程能夠順利進行，催化劑的活化效果能夠達到安全壓力下的最優水平[7]。

3.6 還原效果考察

在當前的生產操作中，技術人員完全按照相關操作標準的強制性要求執行具體的生產任務，還原效果的評價指標主要包括尾氣中甲烷的總量以及碳氫比[8]。

在實際生產情境中，能夠影響還原反應效果的因素有很多，還原效果的好壞能夠直接對費托合成反應造成影響。在每次還原過程中，將催化劑加入合成反應器中，就能夠發揮反應促進效應。但是在實踐中，催化劑的起活時間存在比較明顯的差異，例如，某些催化劑在加入反應器4h，就可以產生促進反應速率增加的效果。而某些催化劑在加入反應器1d 時間內，才能充分發揮其反映促進作用。在化學生產理論視域中，對催化劑質量進行判斷的手段有很多，但是在實際工作情境中，大多數判斷活性的手段難以應用或者難以發揮出有效的觀測效果，在一般情況下，相關工作人員主要時通過對尾氣中甲烷的含量進行觀測，即對尾氣中甲烷的增加速度進行分析，在具體還原階段，隨著溫度的提升，甲烷的增長速率會明顯加快，這一變化在200℃之后依舊比較明顯，只有達到恒溫階段（255℃）之后，甲烷的總量才能最終達到恒定標準[9]。

4 結語

綜上所述，催化劑還原是費托合成這一現代化工工藝的關鍵流程，甚至可以說，催化劑還原的質量幾乎就決定著整個費托合成反應的質量。通過對催化劑還原中溫度、壓力與液位、還原介質、氫碳比、氣量五個關鍵指標進行分析，結合實際工作情況，筆者進一步提出了具體的優化策略。即還原升溫速率確定、還原介質的預處理、氫碳比的確定、增加過渡階段、操作壓力確定、還原效果考察。

最終確定了具體的還原控制指標，具體內容如下：

（1）介質指標要求：重柴餾程：IBP：溫度在290℃以上。10%：溫度在325～335℃的區間范圍內。50%。溫度在360℃以上。FBP：溫度在390℃以上。

（2）雜質含量：總S<0.5×10-6，水<5×10-6。

（3）壓力指標。在整個催化劑還原過程中，最佳的系統壓力指標應當控制在3.0MPa。

（4）碳氫比控制：在整個催化劑還原過程中，碳氫比控制應當遵循一定的規律，首先，當還原溫度沒有達到200℃時，入塔氣碳氫比應該控制在50 左右的范圍，當還原溫度超過220℃但是沒有達到250℃時，入塔氣碳氫比應該控制在100 左右的范圍。

（5）過渡時間。當恒溫結束后，整個系統的碳氫比降低到5～20 的標準時，因當維持一定的過渡階段，根據筆者在實踐中的分析可知，過渡階段的總時長為4 個h 能夠取得比較好的還原促進效果。