[發(fā)明專利]一種催化工藝的質(zhì)傳性能的研究方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710307428.0
• 申請(qǐng)日: 2007-12-29
• 公開（公告）號(hào): CN101274253A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 理查德·F·鮑曼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 亞申科技研發(fā)中心（上海）有限公司
• 主分類號(hào): B01J19/00
• 分類號(hào): B01J19/00;G01N31/10;C40B30/08;C40B60/00
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【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及一種可以較低的成本快速開發(fā)一種從其最初發(fā)現(xiàn)到商業(yè)應(yīng)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(gè)平推流反應(yīng)器中的與縱向位置相關(guān)的質(zhì)傳性能的方法。

【背景技術(shù)】

為了放大(Scale-up)一種平推流催化工藝，就需要研究反應(yīng)時(shí)間(Time?onStream)、反應(yīng)物停留時(shí)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(duì)反應(yīng)速率和催化劑選擇性的影響。在傳統(tǒng)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(zhì)特性。為了減小質(zhì)傳對(duì)操作過程的影響，此步驟的操作常是選擇經(jīng)過稀釋的壓碎的催化劑或粉末狀催化劑在等溫條件下進(jìn)行。在此步驟的操作開始時(shí)，需要對(duì)反應(yīng)工藝的可變性進(jìn)行測(cè)試，其主要目的在于確定空速、壓力及反應(yīng)物停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)速率和催化劑選擇性的影響。這樣，對(duì)該步驟所使用的催化劑活性及選擇性的確定常需要六個(gè)多月到一年的時(shí)間。在此步驟操作過程的最后，仍需要對(duì)反應(yīng)工藝的可變性再進(jìn)行測(cè)試，用于確定以上特性是否會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間而變化。

其次，選擇工業(yè)規(guī)格的所述催化劑在等溫反應(yīng)器中進(jìn)行測(cè)試。所謂的工業(yè)規(guī)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(yīng)過程中反應(yīng)物或生成物進(jìn)入或離開催化劑孔洞過程中質(zhì)量傳遞的限制，一般大尺寸顆粒催化劑的反應(yīng)速率及選擇性較差。在此操作過程的開始及結(jié)束時(shí)，也常同樣需要對(duì)工藝的可變性進(jìn)行研究以測(cè)試催化劑活性及選擇性，這樣就又需要大約一年的時(shí)間。此外，此步驟常使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器來進(jìn)行。

最后一步通常是選用設(shè)有一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)管的驗(yàn)證性規(guī)模的反應(yīng)器，在絕熱的條件下測(cè)試所述工業(yè)規(guī)格的催化劑。所述反應(yīng)管的內(nèi)徑大約25.4mm(1英寸)，在一些情況下其內(nèi)徑可達(dá)101.6mm(4英寸)。另外，為了更好的探究熱量傳遞的影響，所述反應(yīng)器常設(shè)置6-8個(gè)反應(yīng)管，且反應(yīng)管間的距離按照工業(yè)規(guī)模采用的距離設(shè)置。在一個(gè)放熱反應(yīng)中，如在管式反應(yīng)器中或在不具有特別的除熱設(shè)備的平推流反應(yīng)器中，溫度曲線的變化依賴于連續(xù)移除反應(yīng)熱的程度。溫度的變化對(duì)催化劑的選擇性、反應(yīng)速率及活性具有顯著的影響。在此步驟的測(cè)試中，常可對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生熱點(diǎn)或溫度失控的趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。同樣，此步驟往往需要一年多的時(shí)間。

可見，這一系列步驟的完成常需要三年多的時(shí)間，而且常常不一定能得到所有用于放大所需要的數(shù)據(jù)。對(duì)于很多催化劑來說，其反應(yīng)速率及選擇性與反應(yīng)物停留時(shí)間和反應(yīng)器持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間有關(guān)。這種關(guān)系是催化劑狀態(tài)或規(guī)格變化的結(jié)果，而這種結(jié)果是由于催化劑反應(yīng)的時(shí)間或從反應(yīng)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(zhì)并與其反應(yīng)中，催化劑會(huì)被轉(zhuǎn)化過程中形成的水氧化，于其表面會(huì)形成覆蓋層及催化劑中毒等，從而引起催化劑狀態(tài)或規(guī)格變化。另外，由于反應(yīng)物和產(chǎn)物在催化劑孔中發(fā)生表面催化反應(yīng)及其在孔中的蓄積也可導(dǎo)致傳質(zhì)速率(MassTransfer?Rate)的降低。

近來，高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)被用來對(duì)新型催化劑及其催化工藝進(jìn)行研究。這些高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)一般在減小熱傳及質(zhì)傳的影響下進(jìn)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(shù)，比如美國(guó)專利第6,149,882號(hào)及第6,869,799號(hào)所揭示的，雖然可以對(duì)不同的待選催化劑的本征性能進(jìn)行比較，但卻不能提供用于放大所需的數(shù)據(jù)。

通常，典型的研究一個(gè)固定床反應(yīng)器催化工藝中的質(zhì)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(xì)小的催化劑的反應(yīng)器和裝載有工業(yè)規(guī)格的催化劑的反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率相對(duì)于停留時(shí)間的特點(diǎn)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(dāng)然，前提是它仍然保持其催化性能。同時(shí)，一個(gè)更簡(jiǎn)單來確定質(zhì)傳性能的方法就是假定壓碎的細(xì)小的催化劑不存在質(zhì)傳阻滯，那么通過比較壓碎的催化劑和工業(yè)規(guī)格的催化劑中的轉(zhuǎn)化率相對(duì)于停留時(shí)間的特點(diǎn)的差異，就能夠得到質(zhì)傳阻滯的信息。對(duì)于一個(gè)給定原料的反應(yīng)，通過對(duì)所述兩個(gè)反應(yīng)器的排出物進(jìn)行采樣分析就能夠得到轉(zhuǎn)化率的數(shù)值。另外，提供給所述兩個(gè)反應(yīng)器的輸入的流速也是可以調(diào)整的，比如可提高輸入到裝載有壓碎的催化劑的反應(yīng)器中的輸入的流速或者降低輸入到裝載有工業(yè)規(guī)格催化劑的反應(yīng)器中的輸入的流速。這樣，可以通過使兩個(gè)反應(yīng)器具有相同的轉(zhuǎn)化率，那么停留時(shí)間的不同就能夠反應(yīng)工業(yè)規(guī)格催化劑中的質(zhì)傳阻滯了。