一種催化工藝的質傳性能的研究方法技術

一種催化工藝的質傳性能的研究方法，其包括設置第一及第二實驗室規模的平推流反應器，該第一及第二實驗室規模的平推流反應器均分別由至少三級串聯的固定床反應器組成，所述第一及第二平推流反應器中的所有催化劑床層可分別組成相應的復合催化劑床層；分別于所述第一及第二平推流反應器中的第一級反應器的入口向其內輸入新鮮反應物原料；對所述第一及第二平推流反應器中的每級反應器的排出物進行采樣分析；確定沿所述第二復合催化劑床層不同位置的與經度相關的效率因子。這樣，就能夠確定所述平推流反應的催化劑床層中與縱向位置相關的質傳性能，從而加快其工業化進程。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種可以較低的成本快速開發一種從其最初發現到商業應用的催 化劑及其平推流催化工藝的方法，尤其是指一種用于研究一個平推流反應器中的與 縱向位置相關的質傳性能的方法。
技術介紹
為了放大(Scale-up) —種平推流催化工藝，就需要研究反應時間(Time on Stream)、反應物停留時間(Residence Time)、催化劑顆粒尺寸、形狀和其其他 特征及溫度曲線(Temperature Profile)對反應速率和催化劑選擇性的影響。在 傳統的放大的研究中，第一步通常先涉及到的是選擇催化劑及確定所選擇催化 劑的一些本質特性。為了減小質傳對操作過程的影響，此步驟的操作常是選擇 經過稀釋的壓碎的催化劑或粉末狀催化劑在等溫條件下進行。在此步驟的操作 開始時，需要對反應工藝的可變性進行測試，其主要目的在于確定空速、壓力 及反應物停留時間對反應速率和催化劑選擇性的影響。這樣，對該步驟所使用 的催化劑活性及選擇性的確定常需要六個多月到一年的時間。在此步驟操作過 程的最后，仍需要對反應工藝的可變性再進行測試，用于確定以上特性是否會 隨著反應時間而變化。其次，選擇工業規格的所述催化劑在等溫反應器中進行測試。所謂的工業 規格的催化劑，其相較于上述壓碎的催化劑具有較大的顆粒尺寸或具有特定的 形狀，用來減小操作過程中的壓降。由于在反應過程中反應物或生成物進入或 離開催化劑孔洞過程中質量傳遞的限制， 一般大尺寸顆粒催化劑的反應速率及 選擇性較差。在此操作過程的開始及結束時，也常同樣需要對工藝的可變性進 行研究以測試催化劑活性及選擇性，這樣就又需要大約一年的時間。此外，此 步驟常使用實驗室規模的反應器來進行。最后一步通常是選用設有一個或多個反應管的驗證性規模的反應器，在絕 熱的條件下測試所述工業規格的催化劑。所述反應管的內徑大約25.4mm (1英寸)，在一些情況下其內徑"/迗。Of^mn^英4i》。另外，為了更好的探究熱 量傳遞的影響，所述反應器常設置6-8個反應管，且反應管間的距離按照工業 規模釆用的距離設置。在一個放熱反應中，如在管式反應器中或在不具有特別 的除熱設備的平推流反應器中，溫度曲線的變化依賴于連續移除反應熱的程度。 溫度的變化對催化劑的選擇性、反應速率及活性具有顯著的影響。在此步驟的 測試中，常可對反應產生熱點或溫度失控的趨勢進行測量。同樣，此步驟往往 需要一年多的時間。可見，這…系列步驟的完成常需要三年多的時間，而且常常不-定能得到 所有用于放大所需要的數據。對于很多催化劑來說，其反應速率及選擇性與反 應物停留時間和反應器持續進行反應的時間有關。這種關系是催化劑狀態或規 格變化的結果，而這種結果是由T催化劑反應的時間或從反應器入口至出口過 程中氣體或液體組成的不斷變化而引起的，比如催化劑在遇到硫化氫及氨等物 質并與其反應中，催化劑會被轉化過程中形成的水氧化，丁-其表面會形成覆蓋 層及催化劑中毒等，從而引起催化劑狀態或規格變化。另外，由丁-反應物和產 物在催化劑孔中發生表面催化反應及其在孔中的蓄積也可導致傳質速率(Mass Transfer Rate)的降低。近來，高通量實驗技術被用來對新型催化劑及其催化工藝進行研究。這些 高通量實驗技術一般在減小熱傳及質傳的影響下進行，其僅需要很少量(少于 2毫升)的催化劑并具有很高的傳熱速率。然而，這種技術，比如美國專利第 6,149,882號及第6，869，799號所揭示的，雖然可以對不同的待選催化劑的本征 性能進行比較，但卻不能提供用T放大所需的數據。通常，典型的研究一個固定床反應器催化工藝中的質傳性能的方法是通過 在給定的一組操作條件下來比較裝載有壓碎的細小的催化劑的反應器和裝載有 工業規格的催化劑的反應器中的轉化率相對T停留時間的特點來完成的。所述 壓碎的催化劑的顆粒常選用很小的顆粒尺寸，較好的是選用可以獲得的最小尺 寸的催化劑顆粒，當然，前提是它仍然保持其催化性能。同時， 一個更簡單來 確定質傳性能的方法就是假定壓碎的細小的催化劑不存在質傳阻滯，那么通過 比較壓碎的催化劑和工業規格的催化劑中的轉化率相對于停留時間的特點的差 異，就能夠得到質傳阻滯的信息。對于一個給定原料的反應，通過對所述兩個 反應器的排出物進行采樣分析就能夠得到轉化率的數值。另外，提供給所述兩個反應器的輸入的流速也是可議調整的,:*比^可提高輸入到裝載有壓碎的催化劑的反應器中的輸入的流速或者降低輸入到裝載有工業規格催化劑的反應器中 的輸入的流速。這樣，可以通過使兩個反應器具有相同的轉化率，那么停留時 間的不同就能夠反應工業規格催化劑中的質傳阻滯了。此夕卜，Hougen和Watson在由Wiley于1966年3月出版的《化學工藝原理》 (Chemical Process Principles)的第三部分"動力學禾口催化齊U" (Kinetics and Catalysts),第998-1000頁中揭示了一種更加嚴格且在技術上很精確的用于確定 工業規格催化劑的質傳性能的方法。所述方法并不假定壓碎的細小的催化劑的 質傳阻滯為零，其先通過壓碎催化劑和工業規格催化劑中的宏觀反應速率的比 值及催化劑顆粒的尺寸的比值來確定工業規格催化劑的Thiele模數，進而通過效 率因子與Thiele模數的關系圖來確定出工業規格催化劑的效率因子。然而，所述方法都沒有提供任何關于沿著催化劑床層質傳性能縱向變化的信 息，而且其通常都是假定在催化劑床層中各處質傳性能都是相同的。可是這種假定 在很多催化系統中都是不正確的。這樣，由于不能確定一個平推流反應器中催化劑 床層的質傳性能的縱向變化，就不能沿著催化劑床層對其進行優化。所以，需要一種新的催化工藝的研究方法用以克服現有技術的不足。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種用于研究一個平推流反應器中催化劑床層的與縱 向位置(經度)相關的質傳性能的方法。所述方法包括設置第一及第二實驗室規模的平推流反應器，該第一及第二實驗 室規模的平推流反應器均分別由至少三級串聯的固定床反應器組成，每級反應器中 裝載有對應的催化劑床層，且所述第一及第二平推流反應器中的所有催化劑床層可 分別組成第一復合催化劑床層及第二復合催化劑床層，所述第一復合催化劑床層中 的催化劑顆粒相當于壓碎的或粉末狀催化劑顆粒，所述第二復合催化劑床層中的催 化劑顆粒相當于工業規格的催化劑顆粒，所述壓碎的或粉末狀催化劑與所述工業規 格催化劑為同種催化劑；分別于所述第一及第二平推流反應器中的第一級反應器的入口向其內輸入新鮮反應物原料；對所述第一及第二平推流反應器中的每級反應器的排出物進行采樣分析；確定在所述第一及第二平推流反應器中發生反應生成的產 物及副產物的宏觀反應速率；基于所得的所述宏觀反應速率，進而確定沿著所述第二復合催化劑床層在其不同位-置的效，因子。通過對每級反應器的排出物進行分析就能夠連續的確定其活性和選擇性，而且 由于每級反應器中都能反應一個轉化率和停留時間的相互關系，這樣就有可能確定 每級反應器的相對的反應速率及選擇性。當一個復合多級串聯反應器中的催化劑床層為壓碎的或粉末催化劑顆粒，且反 應器在等溫條件操作時，最初得到反應速率及選擇性的數據結果可以被認為是催化 劑在反應開始時的選擇性及其本征本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種研究用于工業規模平推流催化工藝的質傳性能的方法，其包括：ａ）設置第一及第二實驗室規模的平推流反應器，該第一及第二實驗室規模的平推流反應器均分別由至少三級串聯的固定床反應器組成，每級反應器中裝載有對應的催化劑床層，且所述第一及第二平推流反應器中的所有催化劑床層可分別組成第一復合催化劑床層及第二復合催化劑床層，所述第一復合催化劑床層中的催化劑顆粒相當于壓碎的或粉末狀催化劑顆粒，所述第二復合催化劑床層中的催化劑顆粒相當于工業規格的催化劑顆粒，所述壓碎的或粉末狀催化劑與所述工業規格催化劑為同種催化劑；ｂ）分別于所述第一及第二平推流反應器中的第一級反應器的入口向其內輸入新鮮反應物原料；ｃ）對所述第一及第二平推流反應器中的每級反應器的排出物進行采樣分析；ｄ）確定沿所述第二復合催化劑床層不同位置的與催化劑床層中的縱向位置相關的效率因子。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：理查德F鮑曼，
申請(專利權)人：亞申科技研發中心上海有限公司，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]