1.1课题背景及意义

能源是人类社会发展的物质基础, 是关系国计民生的重要资源"随着我国经济社会的迅速发展, 液体燃料需求不断增加与石油供应短缺的矛盾日益突出"根据权威机构预测, 到2030年, 中国石油消费将增长到175万桶/d , 成为世界上最大的石油消费国[1]我国具有缺油、有气、煤相对丰富的化石资源分布, 通过费托合成将由煤、天然气和生物质转化而成的合成气(CO和H2)在催化剂作用下转化为液体燃料, 对缓解油品短缺、保障能源战略安全具有重要的现实意义"费托合成是指合成气在催化剂上转化生成烃类的反应, 产物包括各种碳数的烷烃、烯烃和混合醇等"反应过程中放出大量的热, 常会发生催化剂局部过热, 导致CH4和低碳烃的选择性升高, 并引起催化剂积碳甚至堵塞床层"因此, 反应过程中床层温度的控制对保持催化剂的活性、稳定性及重质烃的选择性非常重要, 如何有效移出反应热是反应器设计中应首先考虑的问题"另外, 通过催化剂的优化设计, 对产物的选择性进行调控也是费托合成的关键"，为此, 研究者开发了不同类型的合成工艺。目前已实现工业应用的固定床， 流化床和浆态床3种主流合成工艺进行了综述, 并介绍了近年出现的微通道反应器、整体式反应器等新型反应器和超临界流体等新型合成工艺

1.2低温和高温合成工艺

目前费托合成中实现工业应用的是铁基与钻基催化剂,生产技术可分为高温和低温合成工艺。高温合成工艺【2】使用熔铁催化剂,适用的n( H2) : n( CO)范围宽, 生产工艺包括循环流化床工艺和固定流化床工艺等,反应温度300-350℃,产物包括C1-15轻质烷烃、烯烃和其他含氧化合物,适合生产烯烃和汽油。低温合成工艺【3-4】既不既能使用钻基催化剂也能使用铁基催化剂,生产工艺包括固定床工艺和浆态床工艺等, 反应温度200-240℃, 以燃料油、润滑油基础油和石蜡为主要产品, 适合生产高质量清洁柴油。其中, 钻基催化剂的活性和C5 亨选择性比铁基催化剂高, 更适宜生产重质烃【2.5-9】

1.2.1低温合成工艺

1.2.1.1固定床合成工艺

费托合成的特点是反应放热量大, 每转化lmsup3;合成气约放出2 .5MJ的热量, 因此催化剂颗粒到冷却界面的传热距离不能超过10mm，传统的管式反应器由于直径较大, 不适合用做费托合成反应器。”层状炉” 反应器是最早的费托合成工业反应器,呈方箱形"该反应器由于空速较低(80-110/h, ),热量不易移出;且板间距狭窄,导致催化剂难以均匀填充, 废催化剂及高沸点烃类结块后难以取出,因此未获得进一步的发展和应用.继"层状炉"反应器之后出现了双套管式反应器, 该反应器在传热方面有较大改进, 1952年Krapp-Kohle-Chemi公司用中压铁催化剂生产硬蜡的工厂主要采用该反应器【10】.

列管式固定床反应器内有径向和轴向温差,并存在局部热点,为防止催化剂失活和积碳,固定床内温度不能超过最高反应温度.因此列管式固定床反应器必须在低于最佳反应温度下操作,导致反应转化率降低.费托合成反应受扩散控制,要求催化剂颗粒尺寸较小,造成较高的管程压降,增加了设备成本.为减小管程压降,催化剂颗粒直径一般在1-3mm,导致催化剂利用率和产物选择性下降.

针对固定床反应器催化剂床层温度控制的难题,中国石化石油化工科学研究院研制了反应性能和传热性能良好的RFT-2催化剂, 并且开发了与之配套的固定床费托合成工艺技术.2010年11月,该工艺在3kt/a中试装置上完成了初期标定工作.标定结果表明,RFT-2催化剂在合成气空速750-80/h、合成气转化率93 %左右的工况下,C3 百选择性达90%以上【11】.C5 选择性超过86%,CH4选择性低于9.2%油收率超过174g/m ,主要反应性能指标处于国内领先水平。

1.2.1.2浆态床合成工艺