调研报告——煤化工开发部 Ref. No.: 2006.12
图2-9 间接液化4种合成反应器
1． 固定床反应器
每一个Arge反应器都由2050根管子组成，内径5厘米，长12米；有冷却水环绕。管内装填了挤出式铁催化剂。反应器的操作条件是225℃，26bar。大约占产品50%的液蜡顺催化剂床层流下。通常多管固定床反应器的径向温差为2~4℃，轴向温度差为15~20℃。为防止催化剂失活和积碳，绝不可以超过最高反应温度，因为积碳可导致催化剂破碎和反应管堵塞，甚至需要更换催化剂。固定床中铁催化剂的使用温度不能超过260℃，因为过高的温度会造成积碳并堵塞反应器。为生产蜡，一般操作温度在230℃左右。最大的反应器的设计能力是1500桶/天。
固定床的优点有：易于操作；由于液体产品顺催化剂床层流下，催化剂和液体产品分离容易，适于费托蜡生产；由于合成气净化厂工作不稳定而剩余的少量的H2S，可由催化剂床层的上部吸附，床层的其它部分不受影响。[64]固定床反应器也有不少缺点：反应器制造昂贵；高气速流过催化剂床层所导致的高压降和所要求的尾气循环，提高了气体压缩成本；费托合成受扩散控制要求使用小催化剂颗粒，这导致了较高的床层压降；由于管程的压降最高可达7bar，反应器管束所承受的应力相当大；大直径的反应器所需要的管材厚度非常大，从而造成反应
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器放大昂贵；装填了催化剂的管子不能承受太大的操作温度变化；另外，根据所需要的产品组成，需要定期更换铁基催化剂，所以需要特殊的可拆卸的网格，从而使反应器设计十分复杂，重新装填催化剂也是一个枯燥和费时的工作，需要许多的维护工作。
1955年第一个商业化Arge反应器在南非建成投产。基于SASOL的中试试验结果，一个45bar的反应器在1987年投入使用。管子和反应器的尺寸和Arge反应器基本一致。
2． 浆态床
德国人在上世纪的40和50年代曾经研究过三相鼓泡床反应器，但是没有商业化。SASOL的研发部门在20世纪70年代中期开始了对浆态床反应器的研究。1990年，研发有了突破性进展，一个简单而高效的蜡分离装置成功地通过了测试。100bbl/d的中试装置于1990年正式开车。SASOL于1993年5月实现了ID=5m、20m高，产能为2500bbl/d的浆态床反应器的开工。
SASOL的三相浆态床反应器（Slurry Phase Reactor）可以使用铁催化剂生产蜡、燃料和溶剂。压力20个大气压，温度高于200℃。反应器内装有正在鼓泡的液态反应产物（主要为费托产品蜡）和悬浮在其中的催化剂颗粒。SASOL浆态床技术的核心和创新是其拥有专利的蜡产品和催化剂实现分离的工艺；此技术避免了传统反应器中昂贵的停车更换催化剂步骤。浆态床反应器可连续运转两年，中间仅维护性停车一次。反应器设计简单。SASOL浆态床技术的另一专利技术是把反应器出口气体中所夹带的“浆”有效地分离出来，这一方面SASOL做得也极其成功。
浆态床反应器和固定床相比要简单许多，它消除了后者的大部分缺点。浆态床的床层压降比固定床大大降低，从而气体压缩成本也比固定床低很多。可简易地实现催化剂的在线添加和移走。浆态床所需要的催化剂总量远低于同等条件下的固定床，同时每单位产品的催化剂消耗量也降低了70%。由于混合充分，浆态床反应器的等温性能比固定床好，从而可以在较高的温度下运转，而不必担心
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催化剂失活、积碳和破碎。在较高的平均转化率下，控制产品的选择性也成为可能，这就使浆态床反应器特别适合高活性的催化剂，SASOL现有的浆态床反应器的产能是2500桶/天，2003年为卡塔尔和尼日利亚设计的是ID=9.6m、17000桶/天的商业性反应器。SASOL认为设计使用Co催化剂的能力达到22300桶/天的反应器也是可行的，这在经济规模方面具有很大的优势。[65-68]
图2-10 SASOL低温合成反应器发展历程
3． 循环流化床（CFB）
1955年前后，萨索尔在其第一个工厂（SASOL-Ⅰ）中对美国Kellogg公司开发的循环流化床反应器（CFB）进行了第一阶段的500倍的放大。放大后的反应器内径为2.3米，46米高，生产能力1500桶/天。此后克服了许多困难，多次修改了反应器设计和催化剂配方，这种后来命名为Synthol的反应器成功地运行了30年。后来SASOL通过增加压力和尺寸，反应器的处理能力提高了3倍。1980年在SASOL-Ⅱ、1982年在SASOL-Ⅲ分别建设了8台ID=3.6m、生产能力达到6500桶/天的Synthol反应器。使用高密度的铁基催化剂。循环流化床的压降低于固定床，因此其气体压缩成本较低。由于高气速造成的快速循环和返混，循环流化床的反应段近乎处于等温状态，催化剂床层的温差一般小于2℃。循环流化床中，循环回路中的温度的波动范围为30℃左右。循环流化床的一个重要的特点是可以加入新催化剂，也可以移走旧催化剂。
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循环流化床也有一些缺点：操作复杂；新鲜物料和循环物料在200℃和25bar条件下进入反应器底部，并夹带起部分从竖管和滑阀流下来的350℃的催化剂。在催化剂沉积区域，催化剂和气体实现分离。气体出旋风分离器而催化剂由于线速度降低从气体中分离出来并回到分离器中。从尾气中分离细小的催化剂颗粒困难。一般使用旋风分离器实现该分离，效率一般高于99.9%。但由于通过分离器的高质量流率，即使0.1%的催化剂也是很大的量。所以这些反应器一般在分离器下游配备了油洗涤器来脱除这些细小的颗粒。这就增加了设备成本并降低了系统的热效率。另外在非常高线速度的部位，由碳化铁颗粒所引起的磨损要求使用陶瓷衬里来保护反应器壁，这也增加了反应器成本和停车时间。Synthol反应器一般在25bar和340℃的条件下操作。
4． 固定流化床（SAS or FFB）
固定流化床反应器有以下部分组成：含气体分布器的容器；催化剂流化床；床层内的冷却管以及从气体产物中分离夹带催化剂的旋风分离器。
固定流化床操作比较简单。气体从反应器底部通过分布器进入并通过流化床。床层内催化剂颗粒处于湍流状态但整体保持静止不动。与商业循环流化床相比，它们具有类似的选择性和更高的的转化率。因此，固定流化床在SASOL得到了进一步的发展，一个内径1米的演示装置在1983年开车。一个内径5米的商业化装置于1989年投用并满足了所有的设计要求。1995年6月，直径8米的SAS反应器商业示范装置开车成功。1996年SASOL决定用8台SAS反应器代替SASOL-Ⅱ和SASOL-Ⅲ厂的16台Synthol循环流化床反应器。其中4台直径8米的SAS反应器，每个的生产能力是11000桶/天；另外四个直径10.7米的反应器，每个生产能力是20000桶/天。这项工作于1999年完成，2000年SASOL又增设了第9台SAS反应器。固定流化床反应器的操作条件一般是20~40bar，大约340℃，使用的一般是和循环流化床类似的铁催化剂。
在同等的生产规模下，固定流化床比循环流化床制造成本更低，这是因为它体积小而且不需要昂贵的支承结构。由于SAS反应器可以安放在裙座上，它的支撑结构的成本仅为循环流化床的5%。因为气体线速较低，基本上消除了磨蚀
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