淺析費托合成技術(shù)與反應(yīng)的影響因素

1、淺析費托合成技術(shù)與反應(yīng)的影響因素摘要：隨著我國對生物質(zhì)液體燃料需求量的不斷增加，而已有的生產(chǎn)能力已經(jīng)不能滿足需要，在這樣的背景下，研發(fā)生產(chǎn)該液體燃料的新技術(shù)也就顯得尤為重要。本文就費托合成技術(shù)進行分析，首先簡單介紹了費托合成，包括其化學(xué)反應(yīng)機理以及費托催化劑的失活與預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上進一步分析了費托催化劑的研究進展。之后論述了費托合成反應(yīng)器工藝，文章的最后就影響反應(yīng)的因素進行了分析，包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力以及氣速等。費托合成技術(shù)之所以能夠被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，這主要是因為人們可以通過調(diào)控催化劑來適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，而得到不同的產(chǎn)物，比如汽油、柴油或石蠟等。關(guān)鍵詞：費托合成技術(shù)催化劑影響因素1引

2、言隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今對于能源的需求量是越來越大，現(xiàn)有的化石燃料資源已經(jīng)不能很好的滿足我國對一次能源的需求，在這樣的背景下，對于新能源和可再生能源的開發(fā)和利用顯得尤為重要。隨著我國對生物質(zhì)液體燃料需求量的不斷增加，而已有的生產(chǎn)能力已經(jīng)不能滿足需要，在這樣的背景下，研發(fā)生產(chǎn)該液體燃料的新技術(shù)也就顯得尤為重要。本文就費托合成技術(shù)就行分析，該技術(shù)指的是一氧化碳與氫發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)而最終生成烴類和含氧化合物的過程。該技術(shù)的的主要原料是合成氣，其主要成分分別是和，最初的費托合成技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域是煤的氣化，用于生產(chǎn)汽油、柴油、蠟液、化石油氣等化工產(chǎn)品。隨著研究人員的不斷深入研究，現(xiàn)如今該技術(shù)已

3、經(jīng)能夠用于生物質(zhì)的氣化，即是利用生物質(zhì)在費托合成技術(shù)下生產(chǎn)多種液體燃料。2費托合成簡介2.1費托合成反應(yīng)所謂的費托合成反應(yīng)指的是在高溫高壓的條件下，且存在加堿的鐵屑作催化劑時，和會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，最終得到直鏈烴類。值得注意的是，該反應(yīng)的過程十分的復(fù)雜，得到的反應(yīng)產(chǎn)物種類繁多，是一個十分復(fù)雜的反應(yīng)體系。對于該過程而言，主要應(yīng)該抑制甲烷等副產(chǎn)物的生成，并選擇性地合成目標烴類，比如液體燃料中的重質(zhì)烴或烯烴等，所以應(yīng)該研發(fā)不僅活性高、選擇性高、且穩(wěn)定性十分好工業(yè)應(yīng)用性催化劑，該催化劑的存在對于實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用具有十分重要的意義。2.2費托合成反應(yīng)機理費托合成反應(yīng)實質(zhì)上就是利用一氧化碳和氫氣為主要原料

4、，在催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)最終生成烴類、水和二氧化碳等。就合成氣如何被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品而言，該過程主要分為兩個步驟，首先是將合成氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴，然后加氫進行裂解或異構(gòu)得到最終的產(chǎn)品。需要注意的是，就第一步而言，高溫和低溫操作得到的產(chǎn)品是不同的，如果是利用費托合成技術(shù)在高溫操作下，會生成輕質(zhì)合成油和烯烴，而在低溫操作下，會生成重質(zhì)合成油、石蠟等。本文以鐵基催化劑為例，講解費托合成的反應(yīng)機理，其主要涉及的化學(xué)反應(yīng)式如表1所示：注釋：表中的前兩個化學(xué)反應(yīng)式得到的產(chǎn)物主要是直鏈烷烴和1-烯烴；而化學(xué)反應(yīng)式（3）屬于副反應(yīng)，主要產(chǎn)物分別是醇、醛等含氧的有機化合物；化學(xué)反應(yīng)式（4）是費托合成體系中伴隨的水煤氣

5、變換反應(yīng)，是因為鐵系費托合成催化劑具有水煤氣變換催化活性，且它的存在能夠在一定程度上改變反應(yīng)過程中的比和水分壓；化學(xué)反應(yīng)式（5）屬于碳歧化反應(yīng)，該過程有可能會導(dǎo)致催化劑表面出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，進而使得催化劑失去活性，而最終影響化學(xué)反應(yīng)。通過表1可以清楚的知道：除了反應(yīng)式（4）,即水煤氣變換反應(yīng)外，其它的化學(xué)反應(yīng)都屬于強放熱反應(yīng)，這便使得在設(shè)計費托合成反應(yīng)器時，需要十分注重取熱。3費托合成中的催化劑3.1催化劑的失活經(jīng)過實踐證明，費托合成過程中催化劑失活的原因可以被大致的分為如下幾個方面：（1）催化劑自身發(fā)生一定的燒結(jié)現(xiàn)象，其內(nèi)部的晶型會發(fā)生一定的轉(zhuǎn)變；（2）隨著催化劑的使用，裝置中的一些化學(xué)元素會讓

6、其產(chǎn)生化學(xué)中毒，而影響催化劑的催化效果；（3）當催化劑表面的炭積累過多時，便會阻礙催化劑與周圍物質(zhì)的接觸，而影響催化效率；（4）由于催化劑自身內(nèi)部有很多的小孔，一旦高碳蠟在其內(nèi)孔和表面聚集時，也會直接影響其催化效率。為了避免催化劑的失活現(xiàn)象，常常采用的方法是：當催化劑出現(xiàn)失活現(xiàn)象時，便從反應(yīng)器中卸出一部分的平衡催化劑，然后在加入等量的新鮮的催化劑，用這樣的方式來保證反應(yīng)器內(nèi)催化劑的整體活性能夠滿足反應(yīng)的需求。3.2利用催化劑置換來保證催化劑的活性為了更好的驗證在實際工作中能夠利用用催化劑置換來保證催化劑的活性，我們通過實驗得到的具體數(shù)據(jù)來說明問題，表2表示的是在不同時間點進行的費托合成反應(yīng)器催

7、化劑置換量：綜上所述，通過催化劑在線置換，在一定程度上緩解了催化劑活性下降的趨勢，但是通過數(shù)據(jù)可以知道并不是置換了催化劑之后，成品油量就會增加，這可能是因為隨著反應(yīng)的進行，催化劑會受到不同程度的損壞。通過不斷的實驗，還發(fā)現(xiàn)對于催化劑失活和抗磨性變差的問題，并不能從根本上解決，這主要是因為造成這種情況的原因較多，無法在較短時間內(nèi)完成催化劑的外排的工作。3.3催化劑的活化處理在進行費托合成之前需要對所使用的催化劑進行一定的預(yù)處理，也就是所謂的活化處理，其主要目的在于讓催化劑具有一定的活性相，以便能夠在費托合成反應(yīng)中保證反應(yīng)的穩(wěn)定性。本文就以鐵催化劑為例進行分析，首先是確定活化氣，對于鐵催化劑而言，

8、其活化氣可以是、或者合成氣。主要過程：隨著被逐漸的活化，反應(yīng)器中的氧會被逐漸的除去，當活化氣中存在一定量的時，便會最終，該產(chǎn)物便是費托合成反應(yīng)的活性相?；罨磻?yīng)的化學(xué)方程式可以歸結(jié)如下：需要注意的是：在催化劑進行預(yù)處理時，必須注重其處理條件，只有當處理的條件滿足時，才能保證催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性和抗磨損等性能，進而保證催化劑能夠在反應(yīng)器中發(fā)揮最好的效用。以鐵催化劑為例，其需要的預(yù)處理條件包括如下幾個方面，即活化溫度、壓力、活化氣組成、時間以及空速等參數(shù)。當催化劑的活化處于恒溫期間時，則需要時刻觀察活化反應(yīng)器內(nèi)部的總壓差，當總壓差的變化波動較大時，則需要及時向反應(yīng)器內(nèi)注入適當?shù)闹刭|(zhì)柴油。4

9、催化劑的研究進展最早被應(yīng)用于工業(yè)化的費托合成催化劑主要是和催化劑，以下就費托合成催化劑的研究進展進行分析。4.1基催化劑基催化劑之所以被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，則主要是因為：（1）金屬鐵的價格相對較低；（2）其反應(yīng)活性和水煤氣變換反應(yīng)活性都較高；（3）能夠適用的比范圍較寬等。需要注意的是，在催化的過程中起催化作用的是碳化鐵、氮化鐵以及碳氮化鐵。就基催化劑的分類而言，其可以大體的分為兩大類，分別是熔鐵和沉淀鐵催化劑。前者多被應(yīng)用于高溫費托合成，主要是因為該催化劑具有表面積較低，孔容較小的特點，得到的最終產(chǎn)物多以低碳烴為主；對于沉淀鐵催化劑而言，其特點在于具有高比表面積、大孔容和高活性等，主要用于

10、低溫費托合成。實踐表明沉淀鐵催化劑的效益更好，現(xiàn)如今該種費托合成催化劑已經(jīng)成為了研究的熱點之一。4.2基催化劑基催化劑的主要特點如下所示：（1）基催化劑具有一定的鏈增長能力，且對于水煤氣變換反應(yīng)不會敏感；（2）在實際的反應(yīng)過程中，其能夠保證自身的穩(wěn)定性，而不容易產(chǎn)生積炭現(xiàn)象以及中毒現(xiàn)象，進而使得得到的產(chǎn)物中含氧化合物少；通過對上述兩種催化劑的比較可知：（1）雖然基催化劑具有較高的活性，但是由于其易于發(fā)生水汽變換反應(yīng)，所以會在一定程度上影響最終產(chǎn)物的選擇性和反應(yīng)速率；（2）雖然基催化劑的實際轉(zhuǎn)化率比較接近理論上的轉(zhuǎn)化率，但基催化劑有一個十分顯著的缺點，即：想要獲得合適的選擇性，則需要在低溫下進行

11、操作，這便會在很大程度上影響反應(yīng)的速率，同時還會影響產(chǎn)品中烯烴的含量?？梢?，現(xiàn)階段相關(guān)技術(shù)人員有必要研發(fā)新型的催化劑。4.3氧化鋯的研發(fā)現(xiàn)階段，之所以能夠被人們所關(guān)注，主要是因為如下幾個方面的原因：（1）該金屬物具有比較穩(wěn)定的化學(xué)性能；（2）其屬于一種過渡金屬氧化物，因為在它的表面不僅具有酸性位，還具有一定的堿性位；（3）具有較好的離子交換性能等。基于此，該種金屬物能夠被單獨的用作催化劑，也能夠以載體或助劑的形式出現(xiàn)。將納米作為催化劑或者載體運用于反應(yīng)時，由于其具有較強的耐酸性和良好的熱穩(wěn)定性，可用于烯烴加氫、環(huán)氧化、醇脫水以及縮合反應(yīng)等。隨著對其研究的不斷深入，現(xiàn)如今該催化劑已經(jīng)在某些領(lǐng)域得

12、到了應(yīng)用。5費托合成反應(yīng)器工藝及應(yīng)用考慮到費托合成反應(yīng)中大部分的化學(xué)反應(yīng)都會發(fā)出一定的熱量，比如：生產(chǎn)甲烷和醇等含氧化合物的化學(xué)反應(yīng)以及水汽變換反應(yīng)，所以在選擇反應(yīng)器時需要十分注重反應(yīng)器本身能否進行有效的移熱。本文就以漿態(tài)床反應(yīng)器為例進行分析，該反應(yīng)器中存在一個冷卻管盤用于放熱，以便保證反應(yīng)能夠正常的進行。實際工作中，漿態(tài)床反應(yīng)器被看作是一個三相鼓泡塔，其操作溫度一般在250C左右，反應(yīng)器的自身結(jié)構(gòu)較為簡單、制造成本低，且易于放大。費托合成的大概流程如下：（1）將合成氣注入到反應(yīng)器中；（2）其次在氣體分布板的作用下，合成氣會以氣泡的形式進入漿液反應(yīng)器；（3）反應(yīng)氣會通過液相擴散到懸浮的催化劑顆

13、粒表面；（4）發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)最終得到需要的烴和水，產(chǎn)物中的烴物會流往下游的產(chǎn)品改質(zhì)裝置，而水則會被送往水回收裝置進行一定的處理。如果將漿態(tài)床反應(yīng)器與固定床反應(yīng)器進行比較，則前者的平均溫度會比后者的高，這樣不僅能夠在一定程度上提高反應(yīng)速率，而且還能更好地控制產(chǎn)品的選擇性。6影響費托合成反應(yīng)的因素實際表明影響費托合成反應(yīng)的因素有很多，其中較為重要的包括：溫度、壓力、H2/C0以及空速等，以下就這些因素進行一一的分析。6.1溫度就費托合成反應(yīng)而言，其屬于放熱反應(yīng)，如果從化學(xué)平衡角度進行考慮，則提高反應(yīng)溫度便不利于化學(xué)反應(yīng)向正方向進行，但是當溫度低于一定值時，也會降低反應(yīng)速度，導(dǎo)致費托合成反應(yīng)不徹

14、底；當反應(yīng)溫度太高時，又會在一定程度上導(dǎo)致催化劑出現(xiàn)積碳現(xiàn)象而失去活性。所以，合適的反應(yīng)溫度對于反應(yīng)是十分重要的，實踐表明溫度一般應(yīng)該控制在250C以下。6.2壓力所謂的壓力影響實質(zhì)上是指CO和H2的分壓影響，就費托合成反應(yīng)而言，其屬于體積減小的化學(xué)反應(yīng)，所以壓力增大的不僅能夠促使反應(yīng)向正方向進行，同時還能夠在一定程度上抑制結(jié)焦反應(yīng)的發(fā)生，達到保證催化劑的活性和延長其使用壽命的效果。值得注意的是，并不是壓力越大越好，一旦壓力超過了一定范圍，便會讓高碳烴聚集在催化劑的內(nèi)部或者表面，而影響催化劑自身的活性。實踐表明，一般情況下壓力應(yīng)該控制在之間。6.3氫碳比（）實踐表明，當費托合成反應(yīng)的產(chǎn)物為烴類

15、和水時，其的化學(xué)計量之比恰好為2,而當產(chǎn)物是烴類和二氧化碳時，的化學(xué)計量之比為0.5。對于不同的催化劑而言，其對原料氣的比例要求是不同的；當催化劑為同一催化劑時，原料氣中的增加，會導(dǎo)致硬蠟產(chǎn)率的下降，而在一定程度上提高甲烷的產(chǎn)率。6.4空塔氣速就空塔氣速對反應(yīng)的影響而言，其主要分為如下幾個階段：（1）當氣速小于0.1時，不僅會出現(xiàn)催化劑沉降現(xiàn)象，同時還會讓反應(yīng)器底部催化劑的濃度增高，而最終導(dǎo)致反應(yīng)溫度沿軸向分布不均勻；（2）當空塔氣速大于0.4時，由于此時的氣體流速太快，便有可能造成氣體嚴重帶液現(xiàn)象的出現(xiàn)。實踐表明，最為理想的空塔氣速范圍為0.250.35。7結(jié)語費托合成技術(shù)之所以能夠被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，這主要是因為人們可以通過調(diào)控催化劑來適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，而得到不同的產(chǎn)物，比如汽油、柴油或石蠟等。就催化劑而言，現(xiàn)有的鐵催化劑能夠提高時空產(chǎn)率，鉆催化劑