[发明专利]一种基于原位温度调控的费托合成反应方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于原位温度调控的费托合成反应方法，具体的说，涉及一种利用超重力反应器在超重力条件下进行费托合成反应，费托合成的反应物料合成气与移热介质同时进入反应器，合成气发生费托合成反应放出的反应热被移热介质原位移出，进而精确控制反应温度，合成烯烃、汽油、柴油、石蜡、混合低碳醇等产品，属于费托合成反应技术领域。

背景技术

费托合成（Fischer–Tropsch process），又称F-T合成，是以合成气（CO，CO2和H2的混合气体）为原料在催化剂和适当条件下合成以石蜡烃为主的液体燃料工艺过程。传统的费托合成产物主要为直链烷烃、烯烃、少量芳烃和醛醇，以及副产水和二氧化碳，产物组成复杂，选择性较差，轻质液体烃少。

随着全球经济的发展，液体燃料需求量的不断增加和石油供需矛盾的日益激化，促使合成液体燃料的兴起，因此作为煤间接液化的重要过程之一，费托(F-T)合成是多相催化反应及能源开发利用领域的重要研究课题。费托合成反应是将合成气(CO+H2)在过渡金属上转化为碳数分布很宽的烃类物质和少量醇、醛、酮、酸和酯等有机含氧化合物的过程，该反应体系是复杂的强放热反应体系。

费托合成是CO非均相催化加氢生成相对分子质量分布很宽的烃类产物的表面聚合反应，主要包括以下几类反应:

nCO+(2n+1)H₂→C_nH_2n+2+nH₂O    (1)

nCO+2nH₂→C_nH_2n+nH₂O          (2)

nCO+2nH₂→CnH_2n+1OH+(n-1)H₂O  (3)

nCO+(2n－2)H₂→C_nH_2nO₂+(n－2)H₂O    (4)

CO+H₂O→CO₂+H₂                      (5)

CO+H₂→H₂O+C                        (6)

2CO→CO₂+C                          (7)

式(1)—(2)为生成直链烷烃和α烯烃的主反应;式(3)—(4)为生成醇、酸等含氧有机化合物的副反应;式(5)为费托合成体系中伴随的水煤气变换反应;式(6)为积碳反应;式(7)为歧化反应。以上反应均为放热反应。

费托合成反应已有80余年历史，现在拥有较大规模费托合成生产能力的有Sasol，PetroSA，Shell和Oryx公司等。近年来，随着石油资源的逐渐耗竭以及世界范围内对新能源和资源需求的不断攀升，通过费托合成反应制备液体燃料或高附加值化学品的途径已经获得广泛认可。费托合成反应的反应物，即合成气，可由煤炭，天然气，生物质经气化或重整等过程转化而来。费托合成产物的链增长服从聚合机理，产物的选择性遵循Anderson-Schultz-Flory分布。该分布除甲烷和重碳烃类可取得较高的选择性外，其他产物的选择性均不高。采用不同类型的反应器，如固定床，流化床或浆态床，对费托合成产物的选择性几乎没有影响。由于费托合成是强放热反应，因此不论采用那种反应器移出反应热都是反应长期稳定运行的必要条件。

已报道的费托合成反应器有多种形式，包括固定床、流化床和浆态床等。采用固定床反应器进行费托反应在半个世纪之前就已经实现了工业化，但反应热的移除和催化剂的失活问题尤为突出。由于费托合成反应是强放热反应，如果反应热没有及时移走，催化剂床层就容易出现局部热点，导致催化剂的失活和选择性降低，严重情况下可出现反应器的瞬间飞温现象，装置不得不停车检修。采用浆态床反应器是解决费托合成反应移热问题的有效手段之一，尤其是对大型的装置来说更是如此，但是浆态床反应器的使用也带来新的问题。在浆态床反应器中，细小的催化剂颗粒与液体烃类产品混合在一起，使传质效率降低对产物选择性影响较大，而且催化剂颗粒的有效分离难度非常大的技术难题，这是该类反应器面临的最主要问题。另外，人们对浆态床中的三相流体力学行为所知甚少，这也给浆态床反应器的放大带来一定的困难。