费托合成铁基催化剂还原工艺优化

杨霈霖

兖矿榆林精细化工有限公司 陕西榆林 719000

近年来，资源问题逐渐成为了世界各国密切关注的热点课题，特别是随着石油这一传统工业资源供需矛盾的加大，寻找能够替代石油资源的其他资源就成为了能源领域重点发展的方向。在当前的学术领域，天然气、煤被认为将会成为是有的补充能源，我国土地广袤，但是整个土地上的石油资源相当贫瘠，天然气、煤的储量却位居世界前列，在这一背景下，研究与天然气、煤相关的能源开发技术就成为了近年来我国化工生产研究的重要内容。本文以费托合成中较为重要的催化剂还原工艺为研究对象，提出具备工业生产实践价值的优化策略。

1 费托合成铁基催化剂还原的现实价值

费托合成（Fischer- Tropsch synthesis）简称为FTS，是由其发明者德国人Fischer 和Tropsch 的名字进行命名的，费托合成指的是CO 在催化剂的作用下，通过加氢的方式转化为C2以上烃类化合物的一种工艺过程[1]。

催化剂还原是费托合成的前期步骤，从工业生产实践角度来看，参与费托合成的催化剂在出场阶段的形状为氧化态固体颗粒，并不具备参与相关化学反应的化学活性，必须经过一定的化学处理之后才能在化工生产过程中发挥出相应效果。催化剂还原的具体流程为，在氢气的作用下，将氧化态催化剂转变为具有反应活性的还原态催化剂，这一过程对于整个费托合成反应的质量具备十分直接的影响。

2 催化剂还原关键指标控制

如果想要实现费托合成铁基催化剂还原工艺优化目标，首先必须对催化剂还原过程中的主要影响因素以及具体的影响程度进行分析。本节对催化剂还原反应中五个关键指标对还原反应的实际影响状况进行全面分析。

2.1 温度

温度是影响催化剂还原反应的首要因素，具体而言，催化剂升温过程是激发催化剂活性的重要手段。具体升温流程为：

（1）0～120℃，在整体温度达到120℃之前，升温速度可以保持在15～20℃/ h。

（2）120～225℃，此时，升温速度可以适当降低，防止催化剂活性的稳定性失常。

（3）225～255℃，催化剂活性开始被激发一般在224℃左右。因此，在225℃之后，会由于甲烷物质的产生激发放热反应，此时，技术人员应当对升温速度进行适度调整，保证反应过程的稳定性，此时，升温速度应该保持在5℃/ h 左右，直到达到恒温（255℃）[2]。

2.2 压力与液位

除了温度以外，对整个还原反应的压力进行控制也是催化剂还原反应得以实现的必要手段，在正常的工业生产的背景下，根据诸多学者的实验结果显示，将整个系统的压力控制在2.8～3.2MPa 能够取得最好的还原效果。其次，在具体的还原过程中，催化剂液位也应当保持在比较合理的水平，过低或过高都或导致催化剂还原出现不同问题。具体而言，液位过高可能会导致催化剂损失，液位过低可能会降低还原效果[3]。

2.3 还原介质

还原介质也是催化剂还原过程的重要参与者，在实践中，液体石蜡、重柴油是比较常见的还原介质，在实际工业生产过程中，只要还原介质的水含量、馏程能够满足基本要求，就能够保证还原反应的顺利实现。但是，在升温过程中，会有少部分液体出现蒸发现象，针对这种情况，技术人员必须根据液面下降的两对应补充还原介质。

2.4 氢碳比

氢碳比主要包括入塔气氢碳比、尾气氢碳比，这两者均是催化剂还原过程的关键指标。具体标准如下：

（1）在入塔阶段，调节氢碳比的目的在于调节还原气氛，即200℃以下纯氢气气氛，反应阶段、恒温阶段的氢碳比气氛应该保持在80～100 的区间范围内。

（2）在尾气排放阶段，其内部的H2/ CO 取决于催化剂反应程度，在后恒温阶段，其气氛一般能够达到1100～1900 的水平[4]。

3 费托合成铁基催化剂还原工艺优化策略

3.1 还原升温速率确定

在还原反应的升温过程中，可以对还原升温速率进行更加精确的确定，具体内容如下：

（1）温度从0℃向120℃爬升时，温升速率应该控制在20℃/ h 及以下，并在升温到标准温度时预留出2h 左右的恒温时段，以实现对催化剂的干燥化处理。

（2）温度从120℃向200℃爬升时，温升速率应该控制在9℃/ h 左右（±1℃）。其目标在于防止温度增长过快导致设备整体升温，进而诱发漏点增加的现象出现。

（3）温度从200℃向255℃的最终恒温爬升时，升温速度应当控制在5℃/ h，其目的在于保证催化剂起活的稳定性[5]。

3.2 还原介质的预处理

在实际生产过程中，还原过程中比较常见的还原介质主要包括液体石蜡、重柴油、加氢减底油三种。从使用效果角度来看，液体石蜡的效果最好，但是其在市面上的价格相对较高，而减底油在实际生产过程中对于使用者的要求相对较高，很容易对还原过程造成某种影响。与上述两种介质类型相比，重柴油的理化性质、性价比均相对较高。

为了满足还原工作对于还原介质理化性质的要求，本文对重柴进行了预处理，采用加氢重柴作为还原介质，其具备较低的馏程温度以及较高的含水量。这种还原介质在还原反应中能够明显强化还原效果。最后，在具体还原过程中的温度上升区，技术人员应当增加120℃的恒温区间，尽量消除或者降低还原过程中水分对于整个还原过程所产生的负面影响。

3.3 氢碳比的确定

在还原过程中，应当对氢碳比进行确定。具体操作方式如下：在入塔阶段，技术人员应当将入塔气氢碳比控制在20 气氛范围内；随着还原反应持续进行，入塔气氢碳比控制在50- 100 左右，方案修改后，入塔气氢碳比控制50左右；当进行到恒温稳定阶段，入塔气氢碳比控制在100左右[6]。

同时，在恒温阶段，氢碳比控制的同时还要对氢气、原料气的量进行控制，当氢气量保持稳定的时候，原料气量与还原效果成正比，即原料气量越大，则还原效果越好。

3.4 增加过渡阶段

增加过渡阶段也是费托合成铁基催化剂还原工艺优化的主要策略之一。具体而言，在经历了多次的还原实践之后，笔者发现，在还原恒温之后增加过渡阶段能够有效提升催化剂还原的效果。具体内容为，逐渐增加原料气量，控制入塔气氢碳比5～20，同时将反应器温度进行适当提升，提升数额大约为5～10℃，并过渡3h。这一步骤能够帮助催化剂更好的适应费托反应气氛，帮助整个工作流程顺利度过还原阶段，正式进入费托反应阶段。

3.5 操作压力确定

操作压力确定也是费托合成铁基催化剂还原工艺优化的主要策略之一。具体而言，经过了多次的还原实践之后，在某次生产过程中出现了换热器的泄露现象，为了保障还原过程中生命财产安全，本单位通过某种方式对不同的还原压力进行了确定，最终发现，当整个系统处在3.0MPa 压力等级时，整个还原过程能够顺利进行，催化剂的活化效果能够达到安全压力下的最优水平[7]。

3.6 还原效果考察

在当前的生产操作中，技术人员完全按照相关操作标准的强制性要求执行具体的生产任务，还原效果的评价指标主要包括尾气中甲烷的总量以及碳氢比[8]。

在实际生产情境中，能够影响还原反应效果的因素有很多，还原效果的好坏能够直接对费托合成反应造成影响。在每次还原过程中，将催化剂加入合成反应器中，就能够发挥反应促进效应。但是在实践中，催化剂的起活时间存在比较明显的差异，例如，某些催化剂在加入反应器4h，就可以产生促进反应速率增加的效果。而某些催化剂在加入反应器1d 时间内，才能充分发挥其反映促进作用。在化学生产理论视域中，对催化剂质量进行判断的手段有很多，但是在实际工作情境中，大多数判断活性的手段难以应用或者难以发挥出有效的观测效果，在一般情况下，相关工作人员主要时通过对尾气中甲烷的含量进行观测，即对尾气中甲烷的增加速度进行分析，在具体还原阶段，随着温度的提升，甲烷的增长速率会明显加快，这一变化在200℃之后依旧比较明显，只有达到恒温阶段（255℃）之后，甲烷的总量才能最终达到恒定标准[9]。

4 结语

综上所述，催化剂还原是费托合成这一现代化工工艺的关键流程，甚至可以说，催化剂还原的质量几乎就决定着整个费托合成反应的质量。通过对催化剂还原中温度、压力与液位、还原介质、氢碳比、气量五个关键指标进行分析，结合实际工作情况，笔者进一步提出了具体的优化策略。即还原升温速率确定、还原介质的预处理、氢碳比的确定、增加过渡阶段、操作压力确定、还原效果考察。

最终确定了具体的还原控制指标，具体内容如下：

（1）介质指标要求：重柴馏程：IBP：温度在290℃以上。10%：温度在325～335℃的区间范围内。50%。温度在360℃以上。FBP：温度在390℃以上。

（2）杂质含量：总S<0.5×10-6，水<5×10-6。

（3）压力指标。在整个催化剂还原过程中，最佳的系统压力指标应当控制在3.0MPa。

（4）碳氢比控制：在整个催化剂还原过程中，碳氢比控制应当遵循一定的规律，首先，当还原温度没有达到200℃时，入塔气碳氢比应该控制在50 左右的范围，当还原温度超过220℃但是没有达到250℃时，入塔气碳氢比应该控制在100 左右的范围。

（5）过渡时间。当恒温结束后，整个系统的碳氢比降低到5～20 的标准时，因当维持一定的过渡阶段，根据笔者在实践中的分析可知，过渡阶段的总时长为4 个h 能够取得比较好的还原促进效果。