漿態鼓泡床實驗裝置實驗報告

① 煤間接液化的簡介

自從Fischer和Tropsch發現在鹼化的鐵催化劑上可從CO和H2生成烴類化合物以來，費托合成技術就伴隨著世界原油價格的波動以及政治因素而盛衰不定。費托合成率先在德國開始工業化應用，1934年魯爾化學公司建成了第一座間接液化生產裝置，產量為7萬噸/年，到1944年，德國共有9個工廠共57萬噸/年的生產能力。在同一時期，日本、法國、中國也有6套裝置建成。
二十世紀五十年代初，中東大油田的發現使間接液化技術的開發和應用陷入低潮，但南非是例外。南非因其推行的種族隔離政策而遭到世界各國的石油禁運，促使南非下決心從根本上解決能源供應問題。考慮到南非的煤炭質量較差，不適宜進行直接液化，經過反復論證和方案比較，最終選擇了使用煤炭間接液化的方法生產石油和石油製品。SASOL I廠於1955年開工生產，主要生產燃料和化學品。20世紀70年代的能源危機促使SASOL建設兩座更大的煤基費托裝置，設計目標是生產燃料。當工廠在1980和1982年建成投產的時候，原油的價格已經超過了30美元/桶。此時SASOL的三座工廠的綜合產能已經大約為760萬噸/年。由於SASOL 生產規模較大，盡管經歷了原油價格的波動但仍保持贏利。南非不僅打破了石油禁運，而且成為了世界上第一個將煤炭液化費托合成技術工業化的國家。1992和1993年，又有兩座基於天然氣的費托合成工廠建成，分別是南非 Mossgas 100萬噸/年和殼牌在馬來西亞Bintulu 的50萬噸/年的工廠。 F-T合成的主反應：
生成烷烴：nCO+(2n+1)H2 = CnH2n+2+nH2O
生成烯烴：nCO+(2n)H2 = CnH2n+nH2O
另外還有一些副反應，如：
生吵辯成甲烷：CO+3H2 = CH4+H2O
生成甲醇：CO+2H2 = CH3OH
生成乙醇：2CO+4H2 = C2H5OH+ H2O
結炭反應：2CO = C+CO2 固定床反應器首先由魯爾化學（Ruhrchemir）和魯齊（Lurge）兩家公司合作開發而成，簡稱Arge反應器。1955年第一個商業化Arge反應器在南非建成投產。反應器直徑3米，由2052根管子組成，管內徑5厘米，長12米，體積40m3；管外為沸騰水，通過水的蒸發移走管內的反應熱，產生蒸汽。管內裝填了擠出式鐵催化劑。反應器的操作條件是225°C，2.6MPa。大約占產品50%的液蠟順催化劑床層流下。基於旁數SASOL的中試試驗結果，一個操作壓力4.5 MPa的Arge反應器在1987年投入使用。管子和反應器的尺寸和Arge 反應器基本一致。
通常多管固定床反應器的徑運碰首向溫差為大約2～4°C。軸向溫度差為15～20°C。為防止催化劑失活和積碳，絕不可以超過最高反應溫度，因為積碳可導致催化劑破碎和反應管堵塞，甚至需要更換催化劑。固定床中鐵催化劑的使用溫度不能超過260°C，因為過高的溫度會造成積碳並堵塞反應器。為生產蠟，一般操作溫度在230°C左右。最大的反應器的設計能力是1500桶/天。
固定床反應器的優點有：易於操作；由於液體產品順催化劑床層流下，催化劑和液體產品分離容易，適於費托蠟生產。由於合成氣凈化廠工作不穩定而剩餘的少量的H2S，可由催化劑床層的上部吸附，床層的其它部分不受影響。固定床反應器也有不少缺點：反應器製造昂貴。高氣速流過催化劑床層所導致的高壓降和所要求的尾氣循環，提高了氣體壓縮成本。費托合成受擴散控制要求使用小催化劑顆粒，這導致了較高的床層壓降。由於管程的壓降最高可達0.7 MPa，反應器管束所承受的應力相當大。大直徑的反應器所需要的管材厚度非常大，從而造成反應器放大昂貴。另外，裝填了催化劑的管子不能承受太大的操作溫度變化。根據所需要的產品組成，需要定期更換鐵基催化劑；所以需要特殊的可拆卸的網格，從而使反應器設計十分復雜。重新裝填催化劑也是一個枯燥和費時的工作，需要許多的維護工作，導致相當長的停車時間；這也干擾了工廠的正常運行。 德國人在上世紀的40和50年代曾經研究過三相鼓泡床反應器，但是沒有商業化。SASOL的研發部門在二十世紀七十年代中期開始了對漿態床反應器的研究。1990年研發有了突破性進展，一個簡單而高效的蠟分離裝置成功地通過了測試。100桶/天的中試裝置於1990年正式開車。SASOL於1993年5月實現了ID=5m，20m高的產能為2500桶/天的漿態床反應器的開工。
SASOL的三相漿態床反應器（Slurry Phase Reactor）可以使用鐵催化劑生產蠟、燃料和溶劑。壓力2.0 MPa，溫度高於200℃。反應器內裝有正在鼓泡的液態反應產物（主要為費托產品蠟）和懸浮在其中的催化劑顆粒。SASOL漿態床技術的核心和創新是其擁有專利的蠟產物和催化劑實現分離的工藝；此技術避免了傳統反應器中昂貴的停車更換催化劑步驟。漿態床反應器可連續運轉兩年，中間僅維護性停車一次。反應器設計簡單。SASOL漿態床技術的另一專利技術是把反應器出口氣體中所夾帶的「漿」有效地分離出來。
典型的漿態床反應器為了將合成蠟與催化劑分離，一般內置2～3層的過濾器，每一層過濾器由若干過濾單元組成，每一組過濾單元又由3～4根過濾棒組成。正常操作下，合成蠟穿過過濾棒排出，而催化劑被過濾棒擋住留在反應器內。當過濾棒被細小的催化劑顆粒堵塞時可以採用反沖洗的方法進行清洗。在正常工況下一部分過濾單元在排蠟，另一部分在反沖洗，第三部分在備用。另外為了將反應熱移走，反應器內還設置2～3層的換熱盤管，進入管內的是鍋爐給水，通過水的蒸發移走管內的反應熱，產生蒸汽。通過調節汽包的壓力來控制反應溫度。此外在反應器的下部設有合成氣分配器，上部設有除塵除沫器。其操作過程如下：合成氣經過氣體分配器在反應器截面上均勻分布，在向上流動穿過由催化劑和合成蠟組成的漿料床層時，在催化劑作用下發生FT合成反應。生成的輕烴、水、CO2和未反應的氣體一起由反應器上部的氣相出口排出，生成的蠟經過內置過濾器過濾後排出反應器，當過濾器發生堵塞導致器內器外壓差過大時，啟動備用過濾器，對堵賽的過濾器應切斷排蠟閥門，而後打開反沖洗閥門進行發沖洗，直至壓差消失為止。為了維持反應器內的催化劑活性，反應器還設置了一個新鮮催化劑/蠟加入口和一個催化劑/蠟排出口。可以根據需要定期定量將新鮮催化劑加入同時排出舊催化劑。
漿態床反應器和固定床相比要簡單許多，它消除了後者的大部分缺點。漿態床的床層壓降比固定床大大降低，從而氣體壓縮成本也比固定床低很多。可簡易地實現催化劑的在線添加和移走。漿態床所需要的催化劑總量遠低於同等條件下的固定床，同時每單位產品的催化劑消耗量也降低了70%。由於混合充分，漿態床反應器的等溫性能比固定床好，從而可以在較高的溫度下運轉，而不必擔心催化劑失活、積碳和破碎。在較高的平均轉化率下，控制產品的選擇性也成為可能，這就使漿態床反應器特別適合高活性的催化劑，SASOL現有的漿態床反應器的產能是2500桶/天，2003年為卡達和奈及利亞設計的是ID=9.6m、17000桶/天的商業性反應器。SASOL認為設計使用Co催化劑的能力達到22300桶/天的反應器也是可行的，這在經濟規模方面具有很大的優勢。 1955年前後，薩索爾在其第一個工廠（Sasol I）中對美國Kellogg 公司開發的循環流化床反應器（CFB）進行了第一階段的500倍的放大。放大後的反應器內徑為2.3米，46米高，生產能力1500桶/天。此後克服了許多困難，多次修改設計和催化劑配方，這種後來命名為 Synthol 的反應器成功地運行了30年。後來SASOL通過增加壓力和尺寸，反應器的處理能力提高了3倍。1980年在SASOL II、1982年在SASOL III分別建設了8台ID=3.6m、生產能力達到6500桶/天的Synthol 反應器。使用高密度的鐵基催化劑。循環流化床的壓降低於固定床，因此其氣體壓縮成本較低。由於高氣速造成的快速循環和返混，循環流化床的反應段近乎處於等溫狀態，催化劑床層的溫差一般小於2°C。循環流化床中，循環迴路中的溫度的波動范圍為30°C左右。循環流化床的一個重要的特點是可以加入新催化劑，也可以移走舊催化劑。
循環流化床也有一些缺點：操作復雜；新鮮和循環物料在200°C 和2.5 MPa條件下進入反應器底部並夾帶起部分從豎管和滑閥流下來的350°C的催化劑。在催化劑沉積區域，催化劑和氣體實現分離。氣體出旋風分離器而催化劑由於線速度降低從氣體中分離出來並回到分離器中。從尾氣中分離細小的催化劑顆粒比較困難。一般使用旋風分離器實現該分離，效率一般高於99.9%。但由於通過分離器的高質量流率，即使0.1% 的催化劑也是很大的量。所以這些反應器一般在分離器下游配備了油洗滌器來脫除這些細小的顆粒。這就增加了設備成本並降低了系統的熱效率。另外在非常高線速度的部位，由碳化鐵顆粒所引起的磨損要求使用陶瓷襯里來保護反應器壁，這也增加了反應器成本和停車時間。Synthol 反應器一般在2.5 MPa和340°C的條件下操作。 鑒於循環流化床反應器的局限和缺陷，SASOL開發成功了固定流化床反應器，並命名為SASOL Advanced Synthol（簡稱為SAS）反應器。
固定流化床反應器由以下部分組成：含氣體分布器的容器；催化劑流化床；床層內的冷卻管；以及從氣體產物中分離夾帶催化劑的旋風分離器。
固定流化床操作比較簡單。氣體從反應器底部通過分布器進入並通過流化床。床層內催化劑顆粒處於湍流狀態但整體保持靜止不動。和商業循環流化床相比，它們具有類似的選擇性和更高的轉化率。因此，固定流化床在SASOL得到了進一步的發展，一個內徑1米的演示裝置在1983年開車。一個內徑5米的商業化裝置於1989年投用並滿足了所有的設計要求。1995年6月，直徑8米的SAS反應器商業示範裝置開車成功。1996年SASOL決定用8台SAS反應器代替SASOL II和SASOL III廠的16台Synthol 循環流化床反應器。其中4台直徑8米的SAS反應器，每個的生產能力是11000桶/天；另外四個直徑10.7米的反應器，每個生產能力是20000桶/天。這項工作於1999年完成，2000年SASOL又增設了第9台SAS反應器。固定流化床反應器的操作條件一般是2.0～4.0 MPa，大約340℃，使用的一般是和循環流化床類似的鐵催化劑。
在同等的生產規模下，固定流化床比循環流化床製造成本更低，這是因為它體積小而且不需要昂貴的支承結構。由於SAS反應器可以安放在裙座上，它的支撐結構的成本僅為循環流化床的5%。因為氣體線速較低，基本上消除了磨蝕從而也不需要定期的檢查和維護。SAS反應器中的壓降較低，壓縮成本也低。積碳也不再是問題。SAS催化劑的用量大約是Synthol的50%。由於反應熱隨反應壓力的增加而增加，所以盤管冷卻面積的增加使操作壓力可高達40巴，大大地增加了反應器的生產能力。

② 詢問兩個化工專業詞彙

這東西可以稱為「顆粒擬溫度」，是將顆粒的湍動類比於分子熱運動後導出的一個概念。溫度是分子熱運動劇烈程度的體現，那顆粒的湍動劇烈程度就體現為這個「擬溫度」了。
它表示的是顆粒湍動的動能，和實際的溫度沒有關系。
但是為什麼用「溫度」來稱呼呢？如果你把顆粒看成一個一個的分子，那麼顆粒的湍動就是分子的脈動，分子脈動的強度體現出來就是溫度，所以顆粒湍動的強度體現出來的就是一個「擬溫度」了。

③ 畢業論文題目

化學化工環境
1. 喜樹發根培養及培養基中次生代謝產物的研究
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4. 棉籽蛋白接枝丙烯酸高吸水性樹脂合成與性能研究
5. 酶法雙甘酯的制備
6. 硅酸鋯的提純畢業論文
7. 腐植酸鉀/凹凸棒/聚丙烯酸復合吸水樹脂的合成及性能研究
8. 羥基磷灰石的制備及對4-硝基苯酚吸附性能的研究
9. 鋁合金陽極氧化及封閉處理
10. 貝氏體白口耐磨鑄鐵磨球的研究
11. 80KW等離子噴塗設備的調試與工藝試驗
12. 2800NM3/h高溫旋風除塵器開發設計
13. 玻纖增強材料注塑成型工藝特點的研究
14. 年處理30萬噸銅選礦廠設計
15. 年處理60萬噸鐵選廠畢業設計
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