薛瑞

【摘 要】本文通过对固定床、浆态床和流化床费托合成反应器的介绍，从热转移速度、气相停留时间分布、气体的轴向混合等方面作对比分析费托反应器的优缺点。

【关键词】费托合成技术;固定床反应器;浆态床反应器;流化床反应器

本文以某项目费托合成技术为例，着重论述不同费托合成技术的核心部分费托合成反应器。对固定床、浆态床和流化床费托反应器的优缺点作对比分析。

一、费托合成反应器种类

工业化运行的费托合成反应器目前有四种：1固定床反应器;2鼓泡浆态床反应器;3固定流化床;4循环流化床反应器。

1.固定床反应器

固定床反应器首先由鲁尔化学和鲁奇两家公司合作开发而成，简称Arge反应器，是柱塞流反应器的代表，其内装填挤条铁基催化剂。

固定床反应器主要适用于生产蜡和柴油。运行过程中由于种种失活原因，催化剂的活性会缓慢下降，因此运行一段时间后就必须提高一定的操作温度，产品组成也将随之变化;当达到操作温度上限时就必须进行再生操作。

固定床反应器的优点是：易于操作，返混相对较小，合成气中微量的硫化物可由催化剂床层上部吸附，从而保护了下部床层，使催化剂活性损失不很严重，整个装置受硫化物的影响有限，因而受合成气净化装置波动影响较小。无论费托合成产物是气态、液态或混合态，在较宽的温度范围内均可使用，不存在从催化剂上分离液体产品的问题，液体产品容易从出口气流中分离，适于费托蜡的生产。且床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力。此外，结构简单、操作方便，催化剂机械磨损小，也是固定床反应器获得广泛应用的重要原因。

2.浆态床反应器

浆态床反应器为全混流反应器的代表，德国人在20世纪的40～50年代曾经研究过三相鼓泡床反应器，但是没有商业化。Sasol的研发部门在20世纪80年代开始了对浆态床反应器的研究，1990年研发取得突破性进展。Sasol在1993年5月实现了产能为2500桶/天的浆态床反应器的开工，反应器内径5m、高22m。浆态床反应器催化剂可使用铁基催化剂或钴基催化剂。

浆态床反应器的缺点是由于反应器内流体湍动剧烈，催化剂容易磨损、消耗和失活，催化剂和产品分离困难。对反应器硫中毒影响的研究表明，在同样条件下浆态床反应器由于硫中毒而引起的转化率下降是固定床反应器的1.5～2倍，而且浆态床反应器硫中毒是整体性的，因此在使用浆态床反应器时必须对合成气体进行有效的脱硫处理。

3.循环流化床反应器

循环流化床反应器（CFB）属于Sasol公司早期主力反应器，1999年以后它们大部分被固定流化床（SAS）所取代。

循环流化床反应器的缺点是装置投资高、操作复杂繁琐、检修费用高、反应器进一步放大困难、对原料气中硫含量要求高，旋风分离器容易被催化剂堵塞，同时有大量催化剂损失，反应器的高温操作可能导致催化剂的积碳和破裂，使催化剂的耗量增加。

在循环流化床反应器的操作中，催化劑降料管与反应床层间的压力平衡应严格控制。为了使反应器具有较高的生产能力，实现较高的反应转化率，反应床层内的催化剂应尽量多，但催化剂在反应床层内含量过高时，会使反应床层的压降增加，一旦反应床层的压降大于降料管内的压降，反应气体将进入降料管。这一方面会对旋风分离器的操作带来严重扰动，造成大量催化剂损失;另一方面，由于催化剂降料管中没有换热手段，进入降料管中的气体发生费托合成反应，热量无法移走，温度剧烈上升，导致催化剂过热失活，严重时导致设备损坏。

高温费托合成反应采用铁基催化剂，催化剂积碳严重，不仅造成催化剂活性下降，同时造成催化剂破碎，使旋风分离器的分离效率降低，催化剂损失增加。积碳还会导致催化剂颗粒的密度减小，在一定线速下，随着床层中颗粒密度的减小，其带出速度加快，返回量降低，这意味着随着时间的延长，积碳不断增加，催化剂在反应床层内的量不断降低，反应转化率相应降低。催化剂颗粒密度的降低也使催化剂下降管中的压降减小，在这种情况下，靠增加反应器内催化剂的量以弥补由于活性下降和数量下降带来的转化率降低是不可能的，在实际操作中，需要从循环流化床反应器内不断移出部分使用过的催化剂，并补充相应的新鲜催化剂，以保持其稳定正常生产。

4.固定流化床反应器

鉴于循环流化床反应器的局限和缺陷，Sasol开发成功了固定流化床反应器，并命名为Sasol Advanced Synthol（简称为SAS）反应器，也是目前Sasol公司煤液化生产的主力反应器。

固定流化床操作比较简单，气体从反应器底部通过分布器进入并进入流化床。床层内催化剂颗粒处于湍流状态但整体保持静止不动。固定流化床反应器的操作条件一般是2.0～4.0 MPa，温度大约340℃，使用的一般是和循环流化床类似的铁基催化剂。

固定流化床反应器适用于高温费托合成反应过程，与循环流化床反应器相比，具有明显优势。固定流化床反应器的设备体积与循环流化床反应器相比大为减少，总体大致与循环流化床反应器的气固分离器的大小相近，因而造价仅为循环流化床反应器的60%左右。在循环流化床反应器中，由于积碳造成催化剂密度降低，会造成反应段中催化剂数量减少，进而造成转化率下降，因此需要不断从反应器中移出大量积碳催化剂并补充相应数量的新鲜催化剂，以维持稳定的转化率和生产能力。而在固定流化床反应器内，在催化剂积碳而密度减小时，只要床层增高，仍可维持高的转化率和生产能力，对催化剂的移出和补充相应减少，催化剂的消耗大为降低。此外，循环流化床反应器中存在的设备管道磨蚀现象，在固定流化床反应器中基本不再存在，从而大大延长了反应器的在线时间，减少了维修频率和费用。

固定流化床反应器的操作应通过控制反应温度、压力和气体组成等条件，防止液体烃类在催化表面的产生，催化剂表面一旦有液体烃类覆盖，将直接影响催化剂的颗粒性质。积碳不仅造成催化剂活性下降，还会使催化剂颗粒密度发生变化和破碎，导致反应器流化状态恶化，催化剂损失增加，反应器操作困难。通过维持一定的氢碳比等措施，可减少催化剂表面的积碳现象。

二、对比结论

由于循环流化床反应器已经逐渐被淘汰，仅对固定床、浆态床和固定流化床反应器的优缺点从热转移速度、气相停留时间分布、气体的轴向混合等方面作对比分析。

1. 固定床：热转移速度差，床层热点成为运行瓶颈;气相停留时间分布窄;气体的轴向混合小，近似柱塞流;抗催化剂中毒能力高，前端床层对后面起保护作用;运行成本因移热问题有催化剂烧结的风险、气体压缩成本低、无分离成本;建造成本随产能的吨位呈线性比例、对大型产能相对较高;装置大型化难。

2. 浆态床：热转移速度高，近似为等温床;气相停留时间分布窄～中等;气体的轴向混合大，气体随气泡在非均匀流动状态下均匀混合;抗催化剂中毒能力低，整个床层的催化剂逐渐中毒;运行成本体积产率高、分离成本较高;建造成本对大型产能相对较低;装置大型化易。

3. 固定流化床：热转移速度高，近似为等温床;气相停留时间分布宽;气体的轴向混合大，气泡相内气体全混，气泡本身近似平推流，乳化相内气体全混;抗催化剂中毒能力低，整个床层的催化剂逐渐中毒;运行成本较高;建造成本相对较低;装置大型化较难。

参考文献：

[1]孙启文.《费托合成技术及其研究进展》[J]煤炭加工与综合利用，2020，（2）：35-42.

[2]吴建民.《高温固定流化床费托合成技术及其产物加工路线》[J]化工进展，2020，（39）：12-20.