Co/SiC高导热催化剂与径向反应器协同强化费托合成传递规律研究

Fischer-Tropsch Synthesis (FTS) is a core reaction, catalytically converting syngas to hydrocarbon, for the producion of clean fuel and chemical material. However, due to internal and external transfer limitations of particle and heat transfer limitation of bed, fixed-bed reactor for Co-based FTS suffers from non-uniform bed temperature profile, or even presents “hot spot”. Therefore the catalytic performance cannot be sufficiently expressed, which strongly reduces economies of scale of the reacctor. Hence, in this proposal the highly thermal-conductivity of Co/SiC catalyst and the advantages (low pressure drop, high space velocity, and smaller-sized catalyst can be used) of fixed-bed radial flow reactor are neatly integrated, with special focus on experimental studies of total heat transfer coefficient, global kinetic equation and particle internal/external effective factors of the novel catalyst-reactor concept. We aim to seek the synergistic effect on transfer intensifications for FTS via using highly thermal-conductive catalyst and radial flow reactor. We anticipate that the nonuniformity of bed temperature and the “hot spot” possibly formed could be weaken. The proposal could provide chemical engineering basis for FTS reactor development, and have academic value and demonstrative significance for other vapor-liquid-solid reactions with strong exothermicity.

费托合成是将合成气催化转化为烃类以制造洁净燃料和精细化学品的核心反应。然而，由于颗粒内外传递受限和装置传热受限的存在,钴基费托合成固定床存在床层温度分布不均和局部“热点”问题，致使催化剂性能不能充分发挥，严重降低了反应器的规模经济。为此，本项目充分结合Co/SiC催化剂的高导热性和径向反应器的压降低、大空速、可使用细颗粒催化剂的特点，通过开展Co/SiC高导热催化剂与径向反应器的钴基费托合成传热实验、宏观动力学、颗粒内、外传递强化程度等实验研究和反应器模拟研究，旨在揭示高导热催化剂与径向反应器协同强化费托合成传递过程的基本规律。本项目的实施预期将克服床层温布不均，削弱床层“热点”，为费托合成反应器的开发提供化学工程基础；本研究还将对其它气-液-固三相、强放热效应的反应具有学术价值和示范意义。

钴基费托合成是在催化剂作用下将合成气转化为清洁燃料和精细化学品的核心反应。然而，由于颗粒内外传递受限和装置传递受限的存在，钴基费托合成固定床存在床层温度不均和局部“热点”问题，致使催化剂性能不能充分发挥，严重降低了反应器的规模经济。为此，本项目充分结合Co/SiC催化剂的高导热性和径向反应器的压降低、大空速、可使用细颗粒催化剂的特点，通过开展Co/SiC高导热催化剂与径向反应器的钴基费托合成传热实验、动力学、颗粒内外传递强化程度等实验研究和反应器模拟研究，揭示了高导热催化剂与径向反应器协同强化费托合成传递过程的基本规律，从而克服床层温度不均，削弱床层“热点”，预期提升工业反应器的规模经济。. 本项目的主要研究内容和重要成果为：1）完成了三种不同热导率的载体及其负载型钴基催化剂的制备与表征；2）通过单因素实验研究了钴基催化剂的条件实验，获得了温度、压力、空速和H2/CO比对转化率和选择性的影响；3）以亚甲基为链增长单体的碳化物机理为基础，以CO直接解离和氢助CO解离两种过程，推导了11种基于详细机理的本征动力学模型，并采用“集总”思想和小试/中试实验数据获得了基于合成气消耗的本征/宏观动力学方程，进一步通过对比本征与宏观速率，获得了传递强化程度；4）揭示了压力对不同尺度钴基费托反应性能的影响规律；5）完成了反应器模拟与分析，考察了设计参数与操作参数对床层CO浓度、温度和压力分布的影响。. 本项目首创地提出了高导热颗粒床层与径向反应器协同强化钴基费托合成传递过程的方法，通过高导热钴基催化剂制备与表征、动力学研究、多尺度性能研究、径向反应器评价以及反应器模拟与分析，为钴基费托传递过程强化提供了新思路和新方法。该方法改进了传统传递过程强化的策略，通过将高导热颗粒床层与径向反应器可使用细颗粒、高空速操作的特点充分耦合，协同强化传递过程，实现反应器效率的提升，表现出广阔的应用前景。本项目实施对解决钴基费托固定床传递过程受限的核心问题做出了积极探索，研究方法可拓展至其它气-液-固三相反应过程，体现出重要的学术价值和现实意义。