浆态床费托合成反应催化剂的数值计算与应用

2022-09-11

费托 (FT) 合成技术是煤基清洁能源发展的优选技术路线, 浆态床反应器具有结构简单、传热、传质和混合性能良好、以持液量大、能实现催化剂在线补加和更换等优点[1,2,3], 已成功应用于费托合成工业生产中, 而费托合成催化剂是费托合成反应的载体, 费托合成催化剂价格昂贵、活性衰减快、再生性差, 导致购买催化剂费用在总生产成本中占较大比例, 因此对工业生产而言, 保持催化剂较高活性, 提高时空收率 (即指定条件下单位时间、单位体积或单位质量催化剂上所得产物的量) [4,5], 从而降低生产成本, 增大盈利空间。

催化剂的反应活性、时空收率, 受多种因素制约, 如温度、压力、空速等, 温度、压力较直观, 便于控制, 而空速跟原料气量和催化剂量有关, 因此适时核算反应器中催化剂的持有量、有效量、有效率及卸放量等数值, 有助于制定催化剂补加、更新方案和生产计划, 从而维持原料气量和催化剂量之间平衡关系。

1 基本假定

浆态床反应器内部特征未得到很好地理解, CFD模拟可以为反应器的流动、传质、传热提供合理预测[6,7], 但其内部呈湍流状态, 并非均匀混合, 不同单位空间的催化剂失活速率不同, 为便于计算, 提出以下三个基本假定:

(1) 浆态床反应器内, 气、液、固三相混合均匀, 即不同反应体积单位质量混合物中, 催化剂颗粒固含率相同, (2) 催化剂的失活速率不变, 即寿命一定; (3) 浆态床反应器不同高度单位截面积的反应混合物流通量相同。

2 催化剂相关数值的计算

2.1 浆态床反应器液位计量方法

度量液位的量通常有高度 (mm) 、百分比 (%) 和压差 (k Pa) , 高度指液体的实际高度或深度, 百分比指液体实际高度占容器高度的百分比, 对密度一定的介质来说, 通常采用前二者计量液位。

对浆态床费托合成反应器而言, 需要不断补加和更新催化剂, 反应器中催化剂总量不断发生变化, 导致反应器中混合物的密度不断变化;在核算催化剂有关数值的过程中, 无需计算反应混合物的床层高度;对给定的浆态床反应器来说, 反应器流通截面积恒定, 在反应器垂直方向上任意两点a、b之间产生单位压差的反应混合物质量为一定值。如图1所示,

流通截面积:

因反应器内部有换热管、过滤组件等内件, 反应器流通截面积小于反应器实际截面积, 所以用系数k加以修正。

在浆态床反应器垂直方向上任意两点a、b之间的压差

因此, 采用压差计量浆态床费托合成反应器液位更实用、方便。

2.2 催化剂数值的计算方法

根据以上基本假定, 对反应器中催化剂做物料衡算, 可得出:

重质蜡 (油) 从费托合成反应器中分离后, 由于分离精度的限制, 重质蜡 (油) 中会含有破碎的催化剂颗粒, 造成反应器中催化剂量随着费托产品的产出不断损失, 所以要定期根据产品的总量和产品中催化剂含量计算出催化剂的损失量, 用以修正反应中催化剂的持有量、有效量等数值。催化剂损失量本质上就是离开反应器的催化剂量, 所以, 进行一次修正, 可视为一次卸放, 在这种情况下, m卸, j和ΔP卸, j应由式 (7) 和 (8) 算出。

将催化剂运行时间与其寿命相比较, 得出有效催化剂量计算式 (9) 、 (10) 。

催化剂持有量m持、有效量m活和有效率η活分别由式 (11) 、 (12) 、 (13) 算出。

2.3 示例计算

给定浆态床反应器直径ϕ=6000mm, V=20m3, ρ混=0.85t/m3 (为精确起见, 该值可测定) , t寿=700h, 取k=0.93, 结合工业生产操作记录数据 (见表1、表2) , 利用以上 (1) - (10) 计算式, 得出主要过程参数, 汇总于表1和表2中。

结合表1中数据, 利用式 (11) 、 (12) 、 (13) , 得出

3 分析与讨论

3.1 催化剂数值计算应用

3.1.1由以上计算结果可以得知, 在一定运行时间内, 向浆态床反应器中共加入了8批催化剂, 共卸放了9次反应混合物, 对反应器内催化剂量修正了1次, 催化剂有效率为76.38%, 达到了工业生产的要求。

3.1.2通过计算, 可以得知反应器运行到某一指定时间, 催化剂持有量、有效量和有效率等数值, 根据计算结果, 可适时制定催化剂补加和更新方案。

3.2 影响催化剂数值准确度的可能因素

实际工业生产过程受多种因素制约, 影响催化剂有关数值准确度的可能因素有以下几点:

3.2.1 系统负荷波动较大, 造成催化剂破碎率大, 使有效催化剂量减小;

3.2.2 原料气中硫含量超标, 导致催化剂中毒, 有效催化剂量减少;

3.2.3 反应器飞温, 导致催化剂烧结, 有效催化剂量减少;

3.2.4反应器换热列管破损, 除氧水进入反应混合物床层中, 水中磷酸根离子附着在催化剂颗粒上, 磷含量达到一定值时, 催化剂活性会降低, 有效催化剂量减少;

3.2.5 在催化剂还原工序, 催化剂加料时抛洒, 影响反应器中催化剂总量和有效量;

3.2.6 产品中催化剂含量分析的准确度, 在一定程度上, 影响核算催化剂有关数值的准确度。

4 结语

详细阐述了浆态床费托合成反应器中催化剂有关数值的计算方法, 通过计算, 可以得知在一定时间内反应器催化剂的运行情况, 并分析了影响这些数值准确度的可能因素, 在实际生产中要综合考虑各种因素, 以核算的有关催化剂数值为基础, 全面分析, 综合评价, 以便制定出合理的催化剂补加、更新方案和生产计划, 减少催化剂消耗, 降低生产成本, 增大盈利空间。

5 符合说明

ΔPa, b————反应器垂直方向上任意两点a, b之间压差, k Pa;

A0————浆态床反应器的流通截面积, m2;

Mk Pa————反应器中产生单位压强的反应混合物质量总压差, t/k Pa;

g————重力加速度, 9.8N/kg;

V————卸放搅拌釜的容积, m3;

L卸, j————卸放搅拌釜的液位, %;

ρ混————卸放反应混合物的密度, t/m3;

m卸, j————卸放反应混合物的质量, t;

ΔP卸, j————反应器卸放的压差, k Pa;

ΔP初, i————催化剂卸放前反应器总压差, k Pa;

m余, i————卸放后催化剂剩余量, t;

mi————加入反应器的催化剂量, t;

m活, i————寿命期内的催化剂量, t;

m持————反应器中催化剂持有量, t;

m活————反应器中活性催化剂量, t;

η活————反应器中活性催化剂有效率, %;

mz反应器的产品质量,

yz————产品中催化剂组分含量, ppm;

Δti————反应器催化剂的运行时间, h;

t寿————催化剂的寿命, h;

i————催化剂加入的批次;

j————催化剂卸放的批次;————

z产品批次;

k————i批催化剂加入前催化剂卸放次数;

p————j次卸放前加入催化剂次数;

摘要：以山西潞安煤基合成油有限公司的铁基浆态床费托合成反应器为工业背景, 详细阐述了浆态床费托合成反应器有关催化剂保有量、有效量、有效率及泄放量等数值的计算方法, 分析了影响这些数值准确度的可能因素, 有助于维持原料气量与催化剂量之间平衡关系和制定合理的催化剂补加、更新方案及生产计划, 具有一定的实用价值。

关键词：浆态床反应器,费托合成,催化剂,数值计算