沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)與沙特阿美(Saudi Aramco)研究團(tuán)隊(duì)利用多區(qū)流化床反應(yīng)器(MZFB)將原油一步轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)烯烴的研究獲進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·催化》。

目前基于分子篩催化劑的流化催化裂化(FCC)過程能夠在較短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的反應(yīng)產(chǎn)率、選擇性和抗積碳性能。但依然存在缺陷：一方面是沿著提升管方向由于積炭(或失活)以及溫度呈現(xiàn)梯度變化，導(dǎo)致催化活性不同；另一方面是該過程中難以控制物料的停留時(shí)間，因此進(jìn)料的靈活性較差，且難以對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行控制。

該研究團(tuán)隊(duì)為解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種具有多個(gè)反應(yīng)區(qū)的流化床反應(yīng)器和新的催化劑配方，可將原油一步轉(zhuǎn)換為輕質(zhì)烯烴。催化劑能在同一個(gè)反應(yīng)器的不同區(qū)域進(jìn)行催化劑的失活、汽提、再生及循環(huán)。每個(gè)區(qū)域溫度可以分別設(shè)置，從而能夠較好地控制反應(yīng)溫度，在室溫下可對(duì)催化劑進(jìn)行連續(xù)處理。而通過在催化劑中加入SiC，可改善催化劑的密度、機(jī)械與傳熱性能。將多區(qū)反應(yīng)器與新型催化劑相結(jié)合，可表現(xiàn)出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化率，在處理未加工阿拉伯輕質(zhì)原油合成輕質(zhì)烯烴的過程中，單程收率可達(dá)30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，干氣產(chǎn)量(甲烷含量)非常低。

MZFB分區(qū)如下：(1)汽化區(qū),在200～500 ℃將原油/水的乳化液混合物進(jìn)行蒸發(fā)，兩個(gè)進(jìn)料點(diǎn)分別在反應(yīng)區(qū)的起點(diǎn)(提供反應(yīng)物氣相物料)與催化劑再生區(qū)的底部(提供再生O2/N2混合蒸氣)；(2)反應(yīng)區(qū),溫度為510～700℃，碳?xì)浠衔镌诖呋瘎┐矊影l(fā)生裂解；(3)再生/汽提區(qū),溫度為750 ℃，覆蓋催化劑床層區(qū)域的80%～85%；(4)冷凝區(qū),未反應(yīng)的重質(zhì)烴類冷凝循環(huán)至反應(yīng)區(qū)。

MZFB能沿著反應(yīng)器方向很好地控制溫度，由于原油是由數(shù)千種沸點(diǎn)在25～700 ℃區(qū)間的不同物質(zhì)組成，因此該反應(yīng)器能夠根據(jù)沸點(diǎn)來調(diào)控不同組成的停留時(shí)間。研究團(tuán)隊(duì)通過流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對(duì)停留時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果顯示該MZFB中的流體返混效應(yīng)非常弱，類似平推流反應(yīng)器(Plug Flow Reactor)，與傳統(tǒng)流化床反應(yīng)器有顯著區(qū)別。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)MZFB與傳統(tǒng)流化床反應(yīng)器在溫度510 ℃時(shí)的催化劑性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示前者C1～C4烴類收率達(dá)30%，催化劑失活現(xiàn)象微弱；后者收率12%，催化劑表現(xiàn)出明顯失活現(xiàn)象。對(duì)比兩種反應(yīng)器在相似停留時(shí)間內(nèi)的催化反應(yīng)，前者因原油中較重組分的轉(zhuǎn)化率提高。同時(shí)對(duì)吸附在催化劑表面上的大分子烴類具有更很好的汽提作用，從而有效抑制了積炭效應(yīng)。

為更好地適用于MZFB反應(yīng)器，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)和升級(jí)了催化劑組成和結(jié)構(gòu)。當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成為20%ZSM-5、20%HY、20%高嶺土、20%水合氯化鋁(黏合劑)、20%納米SiC時(shí)，產(chǎn)物中C1～C4收率達(dá)40%，其中輕質(zhì)烯烴收率達(dá)30%，烯烴/烷烴比為2.7，并首次發(fā)現(xiàn)SiC作為添加劑能夠有效降低磨損所導(dǎo)致的催化劑損耗。