費(fèi)托合成漿態(tài)床反應(yīng)器過(guò)濾工藝和工業(yè)實(shí)踐

＊黃保財(cái) 蘇安

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 寧夏 750411）

低溫費(fèi)托合成技術(shù)能夠生產(chǎn)清潔的汽柴油及高附加值重質(zhì)蠟，核心的漿態(tài)床反應(yīng)器設(shè)有氣體分布器、換熱列管、過(guò)濾分離構(gòu)件和頂部分離器等主要內(nèi)構(gòu)件，其中，過(guò)濾分離構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)漿液中催化劑顆粒與液體產(chǎn)物蠟的連續(xù)穩(wěn)定分離[1-3]。本文重點(diǎn)對(duì)過(guò)濾分離的特點(diǎn)和工藝參數(shù)進(jìn)行分析，最后針對(duì)工業(yè)規(guī)模漿態(tài)床反應(yīng)器過(guò)濾系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整、處理和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)漿態(tài)床過(guò)濾系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1.漿態(tài)床過(guò)濾系統(tǒng)理論基礎(chǔ)和工藝

漿態(tài)床反應(yīng)器的過(guò)濾系統(tǒng)在一定的壓差下將液態(tài)重質(zhì)蠟和催化劑顆粒進(jìn)行分離，重質(zhì)蠟通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)流出反應(yīng)器，而催化劑繼續(xù)留在反應(yīng)器內(nèi)。按照過(guò)濾介質(zhì)的設(shè)置又分內(nèi)過(guò)濾和外過(guò)濾兩種路線，內(nèi)過(guò)濾指過(guò)濾組件設(shè)置在費(fèi)托合成反應(yīng)器內(nèi)的中上部，而外過(guò)濾是指過(guò)濾組件安裝在反應(yīng)器外循環(huán)漿液管道內(nèi)。目前，工業(yè)運(yùn)行的費(fèi)托合成漿態(tài)床反應(yīng)器都是采用內(nèi)過(guò)濾分離技術(shù)，過(guò)濾組件設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的中上部。過(guò)濾系統(tǒng)以金屬燒結(jié)濾芯或陶瓷膜濾芯又為過(guò)濾介質(zhì)，在一定的壓差下通過(guò)錯(cuò)流過(guò)濾方式而實(shí)現(xiàn)液體和固體的分離[4]，重質(zhì)蠟流出反應(yīng)器，而催化劑被截留繼續(xù)留在反應(yīng)器內(nèi)。

如圖1所示，根據(jù)漿液和濾出清液的流動(dòng)方向，過(guò)濾又分為死端過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾兩種形式[5]。采用錯(cuò)流過(guò)濾時(shí)，漿液流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力可使過(guò)濾芯表面的濾餅形成動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，降低濾餅增厚速度，避免死端過(guò)濾濾餅快速增厚的問(wèn)題。漿態(tài)床反應(yīng)器的內(nèi)過(guò)濾也屬于錯(cuò)流過(guò)濾，但隨著過(guò)濾時(shí)間持續(xù)進(jìn)行，濾芯的濾餅厚度和濾芯孔道內(nèi)截留的催化劑顆粒數(shù)量仍會(huì)不斷增加，當(dāng)壓差或過(guò)濾時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)需開(kāi)啟反沖洗（反吹）程序，高壓氣體從進(jìn)入后利用瞬間形成的反吹壓差進(jìn)行反向沖擊，清理濾芯通道并剝離濾餅，實(shí)現(xiàn)濾芯過(guò)濾功能再生，反吹完成后需要有一個(gè)緩沖等待的停留時(shí)間才能繼續(xù)開(kāi)始過(guò)濾。整體的過(guò)濾操作過(guò)程為過(guò)濾、反吹、等待的周期性運(yùn)行[10]，雖然單組濾芯的操作是間歇的，通過(guò)多組濾芯的錯(cuò)時(shí)操作組合達(dá)到整體連續(xù)過(guò)濾的效果。

圖1 內(nèi)過(guò)濾形式及結(jié)構(gòu)示意圖

張曉方等[5]總結(jié)了油漿過(guò)濾技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出了低溫費(fèi)托重質(zhì)蠟過(guò)濾注意事項(xiàng)和方案，濾芯設(shè)置的位置要考慮床層流場(chǎng)的影響，避免在大氣泡含率較高的區(qū)域。李建文等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了操作條件對(duì)過(guò)濾性能的影響，并得到了過(guò)濾速率和工藝參數(shù)的擬合關(guān)聯(lián)式。鄭博等[3]總結(jié)了漿態(tài)床費(fèi)托合成錯(cuò)流過(guò)濾過(guò)程中濾膜污染的機(jī)理，認(rèn)為組合阻力模型是漿態(tài)床費(fèi)托合成錯(cuò)流過(guò)濾數(shù)學(xué)模型研究的方向。

漿態(tài)床反應(yīng)器的流體力學(xué)研究表明反應(yīng)器內(nèi)中心位置氣含率高，而靠近反應(yīng)器壁的位置氣含率低，同時(shí)如圖2所示的含內(nèi)構(gòu)件的漿態(tài)床床層中，徑向位置的流動(dòng)速度也存在明顯分布，在一定的徑向位置r/R=0.7附件范圍內(nèi)漿液存在一個(gè)靜止或流動(dòng)速度很小的區(qū)域[7]。濾芯組件也應(yīng)該布置在這個(gè)區(qū)域之外，以增強(qiáng)漿液流動(dòng)對(duì)濾芯表面濾芯的剪切力，延緩濾餅層增厚。

圖2 漿態(tài)床內(nèi)漿液流動(dòng)速度徑向分布曲線（N表示列管數(shù)量）

2.過(guò)濾影響因素分析

根據(jù)對(duì)內(nèi)過(guò)濾器的研究結(jié)果以及工業(yè)裝置運(yùn)行的實(shí)際情況[8-9]，對(duì)影響過(guò)濾效果的主要因素進(jìn)行分析，可對(duì)費(fèi)托合成工業(yè)裝置過(guò)濾系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供指導(dǎo)。

（1）濾芯規(guī)格。漿態(tài)床反應(yīng)器是在一定溫度和壓力下進(jìn)行操作，因此采用有較高機(jī)械強(qiáng)度和整體剛性，并且能耐高溫和酸性的金屬濾芯是最佳選擇。燒結(jié)金屬絲網(wǎng)孔徑分布范圍較集中，在20μm以上過(guò)濾系統(tǒng)應(yīng)用中的綜合性能較好[10]，而漿態(tài)床反應(yīng)器基本采用過(guò)濾精度20～40μm的燒結(jié)金屬絲網(wǎng)孔濾芯，具體的精度要求和顆粒粒徑分布以及催化劑在運(yùn)行過(guò)程中的磨損程度也有關(guān)系。

（2）過(guò)濾壓差。壓差對(duì)過(guò)濾速率有直接影響，壓差越大，過(guò)濾速度也越大。但是提高壓差會(huì)使固體顆粒更快的進(jìn)入濾芯通道內(nèi)的縫隙中，造成過(guò)濾速度的快速下降；同時(shí)較高的壓差也使固體顆粒和孔道的作用力增加，降低反吹效果，影響過(guò)濾性能，需增加反吹壓差。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)因過(guò)濾和反吹壓差太高，造成濾芯變形或出現(xiàn)裂縫，因此在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，特別是開(kāi)工運(yùn)轉(zhuǎn)初期，過(guò)濾壓差要控制在較小值，通過(guò)適當(dāng)增大投用的濾芯數(shù)量增加過(guò)濾面積的方式保持穩(wěn)定的過(guò)濾操作。

（3）固體顆粒粒徑和固含率。漿態(tài)床反應(yīng)器中，催化劑顆粒屬于A類顆粒，要求小于5μm和大于200μm的顆粒占比都小于5%。濾芯的過(guò)濾精度一般為20～40μm，因此大于20μm的固體顆粒比較容易截留在濾芯表面，在濾餅的形成過(guò)程中，形成架橋的空隙大部分也小于20μm，因此漿態(tài)床層內(nèi)絕大部分顆粒都會(huì)被分離出來(lái)，留在反應(yīng)器內(nèi)，而液體產(chǎn)品作為濾清液進(jìn)入濾芯內(nèi)腔流入下游的分離設(shè)備，濾清液內(nèi)殘留的固體顆?；径夹∮?μm，這種大小的顆粒直徑遠(yuǎn)小于濾芯通道，可快速通過(guò)濾芯，并不會(huì)在孔道內(nèi)堆積。能夠在孔道內(nèi)停留甚至堆積的是接近于濾芯孔道直徑大小的催化劑顆粒，因此需要嚴(yán)格控制這些固體顆粒的量，同時(shí)要注意控制壓差，避免這些顆粒進(jìn)入孔道后堆積。

實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)的進(jìn)行，漿態(tài)床內(nèi)的部分催化劑會(huì)因碰撞造成物理磨損和反應(yīng)過(guò)程造成化學(xué)磨損或破碎而產(chǎn)生小顆粒，這些顆粒容易快速在濾芯表面形成濾餅或進(jìn)入濾芯孔道，造成壓差快速升高。這是目前工業(yè)裝置中影響過(guò)濾效果的最常見(jiàn)因素。

關(guān)于漿液中固含率對(duì)過(guò)濾效果的影響，漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)的固含率的增加，會(huì)促使的漿液的黏度升高，且過(guò)濾相同濾液所形成的濾餅也會(huì)隨著固含率的增加而增加，這兩者都會(huì)造成過(guò)濾阻力增大，從而影響過(guò)濾效果。但也有研究表明，漿態(tài)床固含率的增加會(huì)增強(qiáng)顆粒間的相互作用，減慢顆粒的沉降速度，同時(shí)在錯(cuò)流沖刷的作用下，其對(duì)過(guò)濾速率的影響并不明顯。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有大型費(fèi)托合成漿態(tài)床工業(yè)反應(yīng)器中，一般固含率維持在10%～15%，能夠保證反應(yīng)器的反應(yīng)性能和過(guò)濾效果。

3.漿態(tài)床內(nèi)過(guò)濾系統(tǒng)工業(yè)實(shí)踐

工業(yè)規(guī)模的費(fèi)托合成反應(yīng)器直徑達(dá)到10m左右，內(nèi)過(guò)濾系統(tǒng)組成示意見(jiàn)圖3，它由多組個(gè)相互獨(dú)立的過(guò)濾器組件及配套的工藝系統(tǒng)組成，每組過(guò)濾器包含多個(gè)濾芯組、濾出重質(zhì)蠟清液和反吹氣管道及對(duì)應(yīng)的控制過(guò)濾和反吹壓差的控制閥等[11]。

圖3 漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)過(guò)濾系統(tǒng)示意圖

在裝置正常開(kāi)工后，隨著負(fù)荷提升和過(guò)濾量逐步加大，在控制過(guò)濾壓差不超過(guò)20kPa條件下，過(guò)濾器的投用數(shù)量會(huì)逐漸增加達(dá)到一定數(shù)量后，通過(guò)對(duì)過(guò)濾、反吹和等待這三種工作狀態(tài)的切換達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)濾速度。隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，投用濾芯的數(shù)量會(huì)逐漸增加，這主要是由于運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，漿態(tài)床內(nèi)催化劑會(huì)不可避免出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，產(chǎn)生細(xì)顆粒催化劑，部分接近濾芯孔道直徑的顆粒會(huì)逐漸堵塞部分孔道，造成過(guò)濾能力下降，通常情況下可以通過(guò)增加過(guò)濾組件的投用數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果仍無(wú)法控制液位，還需要提高反吹壓力或過(guò)濾壓差。

工業(yè)運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)一些特殊情況對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)造成影響，馬國(guó)清等[12]和徐國(guó)文等[13]對(duì)工業(yè)運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)過(guò)濾系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，認(rèn)為操作不當(dāng)造成內(nèi)過(guò)濾器損壞和催化劑磨損是主要原因。在某百萬(wàn)噸級(jí)費(fèi)托費(fèi)托合成裝置的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)因反應(yīng)器超溫造成大量催化劑破損的現(xiàn)象，很快過(guò)濾系統(tǒng)的投用濾芯量就大幅增加，現(xiàn)場(chǎng)迅速采取了如下對(duì)策：從費(fèi)托合成反應(yīng)器上部卸料口大量排出含催化劑破碎細(xì)粉較多的漿液，并盡快替換新還原催化劑，如有必要，可縮短替換周期或增加替換比例；由于催化劑還原和替換需要的周期較長(zhǎng)，短期內(nèi)通過(guò)提高濾芯投用數(shù)量，縮短過(guò)濾時(shí)間，適當(dāng)提高過(guò)濾壓差和反吹壓差，增加反吹頻次，盡量避免催化劑對(duì)濾芯孔道的堵塞，其中反吹壓差不能太高，一般不超過(guò)1.0MPa，避免壓壞濾芯。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，反應(yīng)器內(nèi)過(guò)濾強(qiáng)度逐漸恢復(fù)到正常水平后，過(guò)濾參數(shù)也調(diào)到異常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，過(guò)濾壓差恢復(fù)至10kPa以下。

圖4為工業(yè)裝置現(xiàn)場(chǎng)1～3#費(fèi)托合成反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)催化劑破損，造成過(guò)濾后重質(zhì)蠟固含量增加顏色變重的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)催化劑替換和過(guò)濾參數(shù)調(diào)整后置重質(zhì)蠟樣品顏色變淺，表面催化劑固含量顯著降低，樣品分析結(jié)果也表明，替換前重質(zhì)蠟的固含量為100～200μg/g，而替換后固含量降低到30μg/g以下。這說(shuō)明過(guò)濾系統(tǒng)受到較多細(xì)顆粒催化劑影響后，上述措施是合理的，可使過(guò)濾系統(tǒng)恢復(fù)正常操作，保證反應(yīng)器正常的運(yùn)行。

圖4 替換前后重質(zhì)蠟取樣對(duì)比

4.結(jié)論

費(fèi)托合成漿態(tài)床反應(yīng)器的固也分離采用過(guò)濾分離方式。過(guò)濾分離采用錯(cuò)流過(guò)濾方式，通過(guò)過(guò)濾器的過(guò)濾、反吹和等待三種工況實(shí)現(xiàn)過(guò)濾周期運(yùn)行，多組過(guò)濾器的工況進(jìn)行組合，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定過(guò)濾。過(guò)濾系統(tǒng)的主要影響因素包括濾芯規(guī)格、過(guò)濾壓差、催化劑粒徑、固含量和操作溫度等。在工業(yè)裝置的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，催化劑顆粒粒徑是影響內(nèi)過(guò)濾效率的常見(jiàn)因素，可以采取調(diào)整過(guò)濾操作和催化劑替換速度等措施，保證過(guò)濾系統(tǒng)和反應(yīng)器正常運(yùn)行。