沙特阿卜杜拉國王科技大學與沙特阿美(Saudi Aramco)研究團隊利用多區(qū)流化床反應器(MZFB)將原油一步轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)烯烴的研究獲進展。相關研究成果發(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時間內(nèi)實現(xiàn)最優(yōu)的反應產(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間，因此進料的靈活性較差，且難以對產(chǎn)物進行控制。

該研究團隊為解決上述問題，設計了一種具有多個反應區(qū)的流化床反應器和新的催化劑配方，可將原油一步轉(zhuǎn)換為輕質(zhì)烯烴。催化劑能在同一個反應器的不同區(qū)域進行催化劑的失活、汽提、再生及循環(huán)。每個區(qū)域溫度可以分別設置，從而能夠較好地控制反應溫度，在室溫下可對催化劑進行連續(xù)處理。而通過在催化劑中加入SiC，可改善催化劑的密度、機械與傳熱性能。將多區(qū)反應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30%(質(zhì)量分數(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行蒸發(fā)，兩個進料點分別在反應區(qū)的起點(提供反應物氣相物料)與催化劑再生區(qū)的底部(提供再生O2/N2混合蒸氣)；(2)反應區(qū),溫度為510～700℃，碳氫化合物在催化劑床層發(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),未反應的重質(zhì)烴類冷凝循環(huán)至反應區(qū)。

MZFB能沿著反應器方向很好地控制溫度，由于原油是由數(shù)千種沸點在25～700 ℃區(qū)間的不同物質(zhì)組成，因此該反應器能夠根據(jù)沸點來調(diào)控不同組成的停留時間。研究團隊通過流體動力學計算，對停留時間進行分析，結(jié)果顯示該MZFB中的流體返混效應非常弱，類似平推流反應器(Plug Flow Reactor)，與傳統(tǒng)流化床反應器有顯著區(qū)別。

研究團隊對MZFB與傳統(tǒng)流化床反應器在溫度510 ℃時的催化劑性能進行對比，結(jié)果顯示前者C1～C4烴類收率達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。對比兩種反應器在相似停留時間內(nèi)的催化反應，前者因原油中較重組分的轉(zhuǎn)化率提高。同時對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。

為更好地適用于MZFB反應器，研究團隊進一步設計和升級了催化劑組成和結(jié)構(gòu)。當催化劑質(zhì)量分數(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，產(chǎn)物中C1～C4收率達40%，其中輕質(zhì)烯烴收率達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致的催化劑損耗。