浅析费托合成技术与反应的影响因素

1、浅析费托合成技术与反应的影响因素摘要：随着我国对生物质液体燃料需求量的不断增加，而已有的生产能力已经不能满足需要，在这样的背景下，研发生产该液体燃料的新技术也就显得尤为重要。本文就费托合成技术进行分析，首先简单介绍了费托合成，包括其化学反应机理以及费托催化剂的失活与预处理，在此基础上进一步分析了费托催化剂的研究进展。之后论述了费托合成反应器工艺，文章的最后就影响反应的因素进行了分析，包括反应温度、反应压力以及气速等。费托合成技术之所以能够被广泛应用于各个领域，这主要是因为人们可以通过调控催化剂来适应不同的生产要求，而得到不同的产物，比如汽油、柴油或石蜡等。关键词：费托合成技术催化剂影响因素1引

2、言随着我国经济的不断发展，现如今对于能源的需求量是越来越大，现有的化石燃料资源已经不能很好的满足我国对一次能源的需求，在这样的背景下，对于新能源和可再生能源的开发和利用显得尤为重要。随着我国对生物质液体燃料需求量的不断增加，而已有的生产能力已经不能满足需要，在这样的背景下，研发生产该液体燃料的新技术也就显得尤为重要。本文就费托合成技术就行分析，该技术指的是一氧化碳与氢发生一定的化学反应而最终生成烃类和含氧化合物的过程。该技术的的主要原料是合成气，其主要成分分别是和，最初的费托合成技术主要应用领域是煤的气化，用于生产汽油、柴油、蜡液、化石油气等化工产品。随着研究人员的不断深入研究，现如今该技术已

3、经能够用于生物质的气化，即是利用生物质在费托合成技术下生产多种液体燃料。2费托合成简介2.1费托合成反应所谓的费托合成反应指的是在高温高压的条件下，且存在加碱的铁屑作催化剂时，和会发生一定的化学反应，最终得到直链烃类。值得注意的是，该反应的过程十分的复杂，得到的反应产物种类繁多，是一个十分复杂的反应体系。对于该过程而言，主要应该抑制甲烷等副产物的生成，并选择性地合成目标烃类，比如液体燃料中的重质烃或烯烃等，所以应该研发不仅活性高、选择性高、且稳定性十分好工业应用性催化剂，该催化剂的存在对于实现工业化应用具有十分重要的意义。2.2费托合成反应机理费托合成反应实质上就是利用一氧化碳和氢气为主要原料

4、，在催化剂作用下发生化学反应最终生成烃类、水和二氧化碳等。就合成气如何被转化为产品而言，该过程主要分为两个步骤，首先是将合成气转化为液态烃，然后加氢进行裂解或异构得到最终的产品。需要注意的是，就第一步而言，高温和低温操作得到的产品是不同的，如果是利用费托合成技术在高温操作下，会生成轻质合成油和烯烃，而在低温操作下，会生成重质合成油、石蜡等。本文以铁基催化剂为例，讲解费托合成的反应机理，其主要涉及的化学反应式如表1所示：注释：表中的前两个化学反应式得到的产物主要是直链烷烃和1-烯烃；而化学反应式（3）属于副反应，主要产物分别是醇、醛等含氧的有机化合物；化学反应式（4）是费托合成体系中伴随的水煤气

5、变换反应，是因为铁系费托合成催化剂具有水煤气变换催化活性，且它的存在能够在一定程度上改变反应过程中的比和水分压；化学反应式（5）属于碳歧化反应，该过程有可能会导致催化剂表面出现结焦现象，进而使得催化剂失去活性，而最终影响化学反应。通过表1可以清楚的知道：除了反应式（4）,即水煤气变换反应外，其它的化学反应都属于强放热反应，这便使得在设计费托合成反应器时，需要十分注重取热。3费托合成中的催化剂3.1催化剂的失活经过实践证明，费托合成过程中催化剂失活的原因可以被大致的分为如下几个方面：（1）催化剂自身发生一定的烧结现象，其内部的晶型会发生一定的转变；（2）随着催化剂的使用，装置中的一些化学元素会让

6、其产生化学中毒，而影响催化剂的催化效果；（3）当催化剂表面的炭积累过多时，便会阻碍催化剂与周围物质的接触，而影响催化效率；（4）由于催化剂自身内部有很多的小孔，一旦高碳蜡在其内孔和表面聚集时，也会直接影响其催化效率。为了避免催化剂的失活现象，常常采用的方法是：当催化剂出现失活现象时，便从反应器中卸出一部分的平衡催化剂，然后在加入等量的新鲜的催化剂，用这样的方式来保证反应器内催化剂的整体活性能够满足反应的需求。3.2利用催化剂置换来保证催化剂的活性为了更好的验证在实际工作中能够利用用催化剂置换来保证催化剂的活性，我们通过实验得到的具体数据来说明问题，表2表示的是在不同时间点进行的费托合成反应器催

7、化剂置换量：综上所述，通过催化剂在线置换，在一定程度上缓解了催化剂活性下降的趋势，但是通过数据可以知道并不是置换了催化剂之后，成品油量就会增加，这可能是因为随着反应的进行，催化剂会受到不同程度的损坏。通过不断的实验，还发现对于催化剂失活和抗磨性变差的问题，并不能从根本上解决，这主要是因为造成这种情况的原因较多，无法在较短时间内完成催化剂的外排的工作。3.3催化剂的活化处理在进行费托合成之前需要对所使用的催化剂进行一定的预处理，也就是所谓的活化处理，其主要目的在于让催化剂具有一定的活性相，以便能够在费托合成反应中保证反应的稳定性。本文就以铁催化剂为例进行分析，首先是确定活化气，对于铁催化剂而言，

8、其活化气可以是、或者合成气。主要过程：随着被逐渐的活化，反应器中的氧会被逐渐的除去，当活化气中存在一定量的时，便会最终，该产物便是费托合成反应的活性相。活化反应的化学方程式可以归结如下：需要注意的是：在催化剂进行预处理时，必须注重其处理条件，只有当处理的条件满足时，才能保证催化剂的活性、选择性、稳定性和抗磨损等性能，进而保证催化剂能够在反应器中发挥最好的效用。以铁催化剂为例，其需要的预处理条件包括如下几个方面，即活化温度、压力、活化气组成、时间以及空速等参数。当催化剂的活化处于恒温期间时，则需要时刻观察活化反应器内部的总压差，当总压差的变化波动较大时，则需要及时向反应器内注入适当的重质柴油。4

9、催化剂的研究进展最早被应用于工业化的费托合成催化剂主要是和催化剂，以下就费托合成催化剂的研究进展进行分析。4.1基催化剂基催化剂之所以被广泛的应用于工业化生产，则主要是因为：（1）金属铁的价格相对较低；（2）其反应活性和水煤气变换反应活性都较高；（3）能够适用的比范围较宽等。需要注意的是，在催化的过程中起催化作用的是碳化铁、氮化铁以及碳氮化铁。就基催化剂的分类而言，其可以大体的分为两大类，分别是熔铁和沉淀铁催化剂。前者多被应用于高温费托合成，主要是因为该催化剂具有表面积较低，孔容较小的特点，得到的最终产物多以低碳烃为主；对于沉淀铁催化剂而言，其特点在于具有高比表面积、大孔容和高活性等，主要用于

10、低温费托合成。实践表明沉淀铁催化剂的效益更好，现如今该种费托合成催化剂已经成为了研究的热点之一。4.2基催化剂基催化剂的主要特点如下所示：（1）基催化剂具有一定的链增长能力，且对于水煤气变换反应不会敏感；（2）在实际的反应过程中，其能够保证自身的稳定性，而不容易产生积炭现象以及中毒现象，进而使得得到的产物中含氧化合物少；通过对上述两种催化剂的比较可知：（1）虽然基催化剂具有较高的活性，但是由于其易于发生水汽变换反应，所以会在一定程度上影响最终产物的选择性和反应速率；（2）虽然基催化剂的实际转化率比较接近理论上的转化率，但基催化剂有一个十分显著的缺点，即：想要获得合适的选择性，则需要在低温下进行

11、操作，这便会在很大程度上影响反应的速率，同时还会影响产品中烯烃的含量。可见，现阶段相关技术人员有必要研发新型的催化剂。4.3氧化锆的研发现阶段，之所以能够被人们所关注，主要是因为如下几个方面的原因：（1）该金属物具有比较稳定的化学性能；（2）其属于一种过渡金属氧化物，因为在它的表面不仅具有酸性位，还具有一定的碱性位；（3）具有较好的离子交换性能等。基于此，该种金属物能够被单独的用作催化剂，也能够以载体或助剂的形式出现。将纳米作为催化剂或者载体运用于反应时，由于其具有较强的耐酸性和良好的热稳定性，可用于烯烃加氢、环氧化、醇脱水以及缩合反应等。随着对其研究的不断深入，现如今该催化剂已经在某些领域得

12、到了应用。5费托合成反应器工艺及应用考虑到费托合成反应中大部分的化学反应都会发出一定的热量，比如：生产甲烷和醇等含氧化合物的化学反应以及水汽变换反应，所以在选择反应器时需要十分注重反应器本身能否进行有效的移热。本文就以浆态床反应器为例进行分析，该反应器中存在一个冷却管盘用于放热，以便保证反应能够正常的进行。实际工作中，浆态床反应器被看作是一个三相鼓泡塔，其操作温度一般在250C左右，反应器的自身结构较为简单、制造成本低，且易于放大。费托合成的大概流程如下：（1）将合成气注入到反应器中；（2）其次在气体分布板的作用下，合成气会以气泡的形式进入浆液反应器；（3）反应气会通过液相扩散到悬浮的催化剂颗

13、粒表面；（4）发生一定的化学反应最终得到需要的烃和水，产物中的烃物会流往下游的产品改质装置，而水则会被送往水回收装置进行一定的处理。如果将浆态床反应器与固定床反应器进行比较，则前者的平均温度会比后者的高，这样不仅能够在一定程度上提高反应速率，而且还能更好地控制产品的选择性。6影响费托合成反应的因素实际表明影响费托合成反应的因素有很多，其中较为重要的包括：温度、压力、H2/C0以及空速等，以下就这些因素进行一一的分析。6.1温度就费托合成反应而言，其属于放热反应，如果从化学平衡角度进行考虑，则提高反应温度便不利于化学反应向正方向进行，但是当温度低于一定值时，也会降低反应速度，导致费托合成反应不彻

14、底；当反应温度太高时，又会在一定程度上导致催化剂出现积碳现象而失去活性。所以，合适的反应温度对于反应是十分重要的，实践表明温度一般应该控制在250C以下。6.2压力所谓的压力影响实质上是指CO和H2的分压影响，就费托合成反应而言，其属于体积减小的化学反应，所以压力增大的不仅能够促使反应向正方向进行，同时还能够在一定程度上抑制结焦反应的发生，达到保证催化剂的活性和延长其使用寿命的效果。值得注意的是，并不是压力越大越好，一旦压力超过了一定范围，便会让高碳烃聚集在催化剂的内部或者表面，而影响催化剂自身的活性。实践表明，一般情况下压力应该控制在之间。6.3氢碳比（）实践表明，当费托合成反应的产物为烃类

15、和水时，其的化学计量之比恰好为2,而当产物是烃类和二氧化碳时，的化学计量之比为0.5。对于不同的催化剂而言，其对原料气的比例要求是不同的；当催化剂为同一催化剂时，原料气中的增加，会导致硬蜡产率的下降，而在一定程度上提高甲烷的产率。6.4空塔气速就空塔气速对反应的影响而言，其主要分为如下几个阶段：（1）当气速小于0.1时，不仅会出现催化剂沉降现象，同时还会让反应器底部催化剂的浓度增高，而最终导致反应温度沿轴向分布不均匀；（2）当空塔气速大于0.4时，由于此时的气体流速太快，便有可能造成气体严重带液现象的出现。实践表明，最为理想的空塔气速范围为0.250.35。7结语费托合成技术之所以能够被广泛应用于各个领域，这主要是因为人们可以通过调控催化剂来适应不同的生产要求，而得到不同的产物，比如汽油、柴油或石蜡等。就催化剂而言，现有的铁催化剂能够提高时空产率，钻催化剂