沙特利用MZFB将原油一步制轻质烯烃研究获进展

沙特阿卜杜拉国王科技大学与沙特阿美(Saudi Aramco)研究团队利用多区流化床反应器(MZFB)将原油一步转化为轻质烯烃的研究获进展。相关研究成果发表于《自然·催化》。

目前基于分子筛催化剂的流化催化裂化(FCC)过程能够在较短的反应时间内实现最优的反应产率、选择性和抗积碳性能。但依然存在缺陷：一方面是沿着提升管方向由于积炭(或失活)以及温度呈现梯度变化，导致催化活性不同；另一方面是该过程中难以控制物料的停留时间，因此进料的灵活性较差，且难以对产物进行控制。

该研究团队为解决上述问题，设计了一种具有多个反应区的流化床反应器和新的催化剂配方，可将原油一步转换为轻质烯烃。催化剂能在同一个反应器的不同区域进行催化剂的失活、汽提、再生及循环。每个区域温度可以分别设置，从而能够较好地控制反应温度，在室温下可对催化剂进行连续处理。而通过在催化剂中加入SiC，可改善催化剂的密度、机械与传热性能。将多区反应器与新型催化剂相结合，可表现出稳定的转化率，在处理未加工阿拉伯轻质原油合成轻质烯烃的过程中，单程收率可达30%(质量分数)，干气产量(甲烷含量)非常低。

MZFB分区如下：(1)汽化区,在200～500 ℃将原油/水的乳化液混合物进行蒸发，两个进料点分别在反应区的起点(提供反应物气相物料)与催化剂再生区的底部(提供再生O2/N2混合蒸气)；(2)反应区,温度为510～700℃，碳氢化合物在催化剂床层发生裂解；(3)再生/汽提区,温度为750 ℃，覆盖催化剂床层区域的80%～85%；(4)冷凝区,未反应的重质烃类冷凝循环至反应区。

MZFB能沿着反应器方向很好地控制温度，由于原油是由数千种沸点在25～700 ℃区间的不同物质组成，因此该反应器能够根据沸点来调控不同组成的停留时间。研究团队通过流体动力学计算，对停留时间进行分析，结果显示该MZFB中的流体返混效应非常弱，类似平推流反应器(Plug Flow Reactor)，与传统流化床反应器有显著区别。

研究团队对MZFB与传统流化床反应器在温度510 ℃时的催化剂性能进行对比，结果显示前者C1～C4烃类收率达30%，催化剂失活现象微弱；后者收率12%，催化剂表现出明显失活现象。对比两种反应器在相似停留时间内的催化反应，前者因原油中较重组分的转化率提高。同时对吸附在催化剂表面上的大分子烃类具有更很好的汽提作用，从而有效抑制了积炭效应。

为更好地适用于MZFB反应器，研究团队进一步设计和升级了催化剂组成和结构。当催化剂质量分数组成为20%ZSM-5、20%HY、20%高岭土、20%水合氯化铝(黏合剂)、20%纳米SiC时，产物中C1～C4收率达40%，其中轻质烯烃收率达30%，烯烃/烷烃比为2.7，并首次发现SiC作为添加剂能够有效降低磨损所导致的催化剂损耗。