FT合成反应器的研究进展

（ Ｒ ｅ ｓ ｅ ￣ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ，Ｓ Ｉ Ｎ ＯＰ Ｅ Ｃ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｆ Ｔ ｓ ｙ ｎ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｈ ｉ ｇ ｈ ｌ ｙ ｅ ｘ ｏ ｔ ｈｅ ｒ ｍｉ ｃ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｉ ｎ ｏ ｒ ｄｅ ｒ ｔ ｏ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｈｅ ａ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏｎ
合成气
ｌ 固定床 反 应器
固定床反应器 是 Ｆ Ｔ合 成最早采 用 的反应 器 ， 其工业应 用发展历 程大致 可分成几个 阶段 ：第 一阶 段是 ２ ０ 世纪 ３ ０ ￣４ ０ 年代德 国开发 的固定床 反应器 ； 第二阶段 是 ２ ０世纪 ５ ０ ￣８ ０年代南 非 Ｓ ａ ｓ ｏ ｌ 公 司开 发 的固定 床反应器 ；第三阶段 是 ２ ０世 纪 ９ ０年代 马 来西亚采用 Ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ 公司开发 的固定床 反应器 ［ ９ － １ ０ Ｊ 。
Ｒｅ ｃ ｅ ｎｔ ａ ｄｖ ａ ｎｃ ｅ ｓ ｉ ｎ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｆｉ ｓ ｃ ｈｅ ｒ — Ｔｒ ０ ｐｓ ｃ ｈ ｓ ｙｎ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｓ
ＨＯＵ Ｃ ｈ ａ ｏ ｐ ｅ ｎ ｇ ，Ｘ Ｉ Ａ￣ ｕ ｏ ｆ ｕ ，Ｌ Ｉ Ｍｉ ｎ ｇ ｆ ｅ ｎ ｇ ，Ｎ Ｉ ＥＨｏ ｎ ｇ ，Ｌ Ｉ Ｄａ ｄ ｏ ｎ ｇ
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从产 品上 来讲 ， Ｆ ｒ合 成 反应过程 含有 许 多复杂 的 反
应 ，控制 不好 反应条 件有 可能 使更 多副 反应发 生 ，
要 研 究 方 向为 Ｆ Ｔ 合成 催 化 剂 及 其催 化 过 程 与技 术 。Ｅ — ｍａ ｉ ｌ
ｈ ｏ ｕ ｃ ｐ ． ｓ ｈ ｋ ｙ＠ ｓ ｉ ｎ ｏ ｐ ｅ ｃ ． ｔ ｏ ｍ。
先 应考 虑 的问题 Ｉ ｏ Ｊ 。
因此对 反应 稳定 性的控 制需要 合适 的反应 器形 式和
工 艺条 件 的优 化组 合才 能达 到工业 可行 的 目的。 为 了有 效移热 和控 制好 反应 的状 态 ，开发 了不 同形式 的反应 器 ：固定床 反应 器 、流 化床 反应器 、 浆 态床 反应 器 Ｊ 。近 年来 ，随着世 界经 济 的发展 ， 对 成 品油的 需求量迅 速增 加 ，世界 原油价格 高位 震 荡 ，成 品油价 格走势 偏 强 ，而 石油 资源储量 、开采 量 和原 油质 量 却逐步 降低 和劣质 化 ，需求 与供给 之
间 的 矛 盾 日益 突 出 ； 同 时 国际 国 内环 保 法 规 的 要 求
另外 ， 从 催化 剂方面考 虑 ，Ｆ Ｔ合成 的催化 剂主 要是 Ｒ ｕ 、Ｆ ｅ 、Ｃ ｏ 、Ｎｉ 催 化剂 ，在 反应 状态 下 ，它 们 大 多 以金属 态 的形 式存 在 Ｊ 。在 Ｆ ｒ合成 反应 中 ，
化
２ ０ １ １ 年第 ３ ０卷 第 ２期
工
进
展
ＣＨＥＭ Ｉ ＣＡＬ Ｉ ＮＤＵ ＳＴＲＹ ＡＮ Ｄ ＥＮ Ｇ ＥＥＲＩ Ｎ Ｇ ＰＲＯ ＧＲＥＳＳ
Ｆ Ｔ合成 反应 器 的研 究进 展
侯朝 鹏 ，夏 国 富，李 明丰 ，聂 红 ，李大 东
（ 中 国石 化 石 油 化 工 科 学 研 究 院 ， 北 京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ）
ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｔ ｈｅ ｔ ｅ ｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ， ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ＦＴ ｓ ｙ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｔ ｈｅ ｋｅ ｙ ｔ ｏ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｉ ｍ ｐｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． Ｔｈｅ ｃ ｏ ｍｍ ｅ ｒ ｃ ｉ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｆ Ｔ ｓ ｙｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｒｅ ａ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗｅ ｄ， ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｎｅ ｗ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｅ ｍｅ ｒ ｇ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎｔ ｙｅ ｒ ｓ， ａ ｓ ｕｃ ｈ ａ ｓ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ— ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ，ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ，ｎ ｅ ｗ ｔ ｙ ｐ ｅ ｏ ｆ ｌｕ ｆ ｉ ｄ ｂｅ ｄ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ，ｓ ｌ ｕ ｒ ｒ ｙ ｂｅ ｄ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｌ ｕ ｒ ｒ ｙ ｂ ｅ ｄ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ａ ｒｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕｃ ｅ ｄ．Ｔｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏｆ ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｎ ｅ ｗ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｎａ ｌ ｙｚ ｅ ｄ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ： ＦＴ ｓ ｙｎ ｈｅ ｔ ｓ ｉ ｓ ；ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ；ｃ ａ ｔ ａ ｌ ｙｓ ｔ ；ｆ ｉｘｅ ｄ — ｂｅ ｄ； ｆ ｌｕ ｉ ｄ ｂｅ ｄ； ｓ ｌ ｕ ｒ ｒ ｙ ｂｅ ｄ
化
工
进
展
２ ０ １ １ 年第 ３ Ｏ 卷
的油 品，石 油加工 的成 本也 日趋 增加 ， 以 Ｆ Ｔ 合 成 为核心 的 Ｇ Ｔ Ｌ和 Ｃ Ｔ Ｌ合成油工 艺再次受 到人们 的
蒸汽
重 视 。根据催 化剂 、工 艺和规模 的不 同，开发 了若 干种 新型 的 Ｆ Ｔ合 成反应器 。
反应 器，如微通道反应 器、径 向反应 器、新型 流化床反应 器、带扩径段 的浆态床反 应器和环流浆 态床反应 器进
行 了分 类 和 介 绍 。通 过对 这 些介 绍 ，对 反 应 器 的 特 点 和 发 展 状 况进 行 了分 析 和 展 望 。
关键词 ：费托合成 ；反应 器；催化 剂； 固定床 ；流化床；浆 态床 中图分类号 ：Ｔ Ｑ ０ ５ ３ ． ２ 文献标 志码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ０— ６ ６ １ ３（ ２ ０ １ １ ）０ ２— ０ ２ ５ １— ０ ７
南非 Ｓ ａ ｓ ｏ ｌ 使 用 的德 国鲁尔化 学公司 的 Ａｒ ｇ ｅ反
应 器反应 器见 图 ３ 。管 内装填催化 剂 ，管间通水 ， 通 过水 的沸腾汽化 传 出反应 热 ，管 内反应温度 可 由
个冷却管属 于同心 圆套 管 ，外 管直径 ４ ４ ￣４ ８ ａ ｒ ｉ ｎ ，
内管直径 ２ ２ ￣２ ４ ｌ ａ ｉ ｎ 。催化剂 装在套筒 间，冷却 水 进入 内管和外 管壁进行 冷却 。该 反应器 能装 １ ０ ｍ
的催化 剂 ，生产 能力 ３ ０桶／ 天。
管间蒸汽压 力加 以控 制 。由于反应热靠 管子 的径 向 传 出 ，故 反应管 的直 径不 能太 大 ，所 以反应管 的管 数很 多 ，内有 ２ ０ ５ ２ 根 直径约 为 ５ ｃ ｍ 的管束 ，反应 器 的整 体直径 为 ３ ｍ，高为 Ｉ ２ ． ８ ｍ。Ｓ ａ ｓ ｏ ｌ Ｉ 厂采用 ５台 Ａ ｒ ｇ ｅ反应器 ，每 台生成 ５ ０ ０ ￣６ ０ ０桶／ 天的液 、 固态烃 。反应器 在管壁温 度 ２ ２ ０ ℃、压 力 ２ ． ５ ＭＰ ａ
反应 器生产 能力为 ３ Ｏ桶／ 天 。反 应器 的温度 通过循 环 的水 控制 ，水 的压力 决定反应温度 。反应 产生 的 热量通 过循环水 带 出，并在锅炉 中通过蒸汽 带走 。 中压 （ ５ ～１ ５个 大气压 ，或者 ５ ． ５ ～１ ６ ． ５ ＭＰ ａ ）
＼ 蜡出ｒ ｆ
图 ２ 中压 Ｆ Ｔ合 成 反应 器
其中 的 个反应
第一 阶段 常用 的反应 器形式 是常压 Ｆ ｒ合成 反 应器 （ 长方形柜 式 ）和 中压 Ｆ Ｔ 合成反应 器 （ 圆柱
形 反应器 ） 。
常压 Ｆ Ｔ合成 反应器见 图 １ 。常压 Ｆ Ｔ合成反应 器 为一个 柜式 （ 长 方形 ） 的钢板 结构 的盒 子 （ 长５ ｍ，
Ｆ ｉ ｓ ｃ ｈ ｅ ｒ － Ｔ ｒ ｏ ｐ ｓ ｃ ｈ合 成 （ 简称 Ｆ ｒ 合成 或 费托合 成） 是将 合 成气 （ Ｃ Ｏ＋Ｈ ２ ）在催 化剂 上转 化成烃 类 的反 应 ｝ Ｊ Ｊ 。 由于 Ｆ Ｔ合 成 反应是 强放 热反应 ，平 均 放热 约 １ ７ ０ ｋ Ｊ ／ ｍｏ ｌ 碳 原子 ，热效 应较 大 ，常发 生催 化剂 局部过 热 ，导致理 想产 物选 择性 降低 ，并 引起 催化 剂结炭 甚至堵 塞床 层 。而反应 过程 中温 度 的控 制对保 持催化 剂 的活性 、稳 定性及 产物 的选 择性 至 关重要 ，所 以有效 地移 出反应 热 是反应 器设 计 中首
金属 态 的催化 剂活性 很 高， 反应 物吸 附 的热效应 大 。
越来 越高 ，为 了满足 环保要 求 ，生产满 足环 保要 求
收 稿 日期：２ ０ １ ０ ． ０ ６ ， ２ １ ；修改稿 日期 ：２ ０ １ ０ — ０ ８ ． ０ ４ 。 基 金项 目： 中国石 油化 工股份 有 限公司 资助 项 目 （ ｓ １ ０ ７ ０ ３ ５ ） 。 第 一作 者及 联 系人 ：侯 朝鹏 （ １ ９ ７ ４ 一） ， 男 ，博士 ，高 级工 程师 ，主
图３ Ａ ｒ ｇ ｅ 反 应器 结构 示 意 图
Ｆ Ｔ合 成反应器示 意 图见 图 ２ 。该反应器 属于 圆筒结 构 ，重达 ５ ０ｔ ，高 ６ ． ９ｍ，内径 ２ ． ７ｍ，壁 厚 ３ １ ｍ ｌ ｎ ，
里面有 ２ １ ０ ０个冷却 管 。每个冷 却管长度 ４ ． ５ ｍ，每
第 二阶段 反应器 的代表是 ２ ０世纪 ５ ０ ￣８ ０ 年 代 南非 Ｓ ａ ｓ ｏ ｌ 公 司开发 的固定床反应器 。
摘
要： 费托 （ Ｆ Ｔ） 合 成反 应是 强放 热反应 ，为 了有效移热 ，反应 器的研 制开发是这一方案有效 实施 的关键 。
本 文较 系统 地 分 析 了 Ｆ Ｔ合 成 工 业化 主 流反 应 器 的 发展 和 使 用 状 况 ， 同 时对 近 几 年 新 近 出现 的 几种 新 型 Ｆ Ｔ合 成
高２ ． ５ ｍ，宽 １ ． ５ ｍ） ，该 反应器里面 有 ６ ０ ０个 水平
催化 剂管束
的冷却水 管垂直交错着 ５ ５ ５个钢板 。钢 板 的厚度 为 １ ． ６ ｍ ｌ Ｔ ｌ ， 钢板 之 间的间距为 ７ ． ４ １ Ｔ ｌ Ｉ ｎ 。 冷 却管 的直 径
４ ０ ｉ ｌ ｌ ｎ ｌ ，冷却 管之 间的距 离 ４ ０ ｉ ｉ ｌ ｌ ｎ ，冷 却管与锅 炉 相联 。催化 剂装在冷却 管和钢板 形成 的空间 。单 个