[發明專利]模塊化熱化學反應催化劑及其制作方法

在審

• 申請號: 202110386104.0
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113083377A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 劉泰秀;劉啟斌;鄭志美;金紅光;隋軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: B01J35/02
• 分類號: B01J35/02;B01J35/04;B01J33/00;B01J23/80;B01J23/755;B01J37/03;B01J37/02;C01B3/22
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 劉歌

一種模塊化熱化學反應催化劑及其制作方法，該模塊化熱化學反應催化劑包括定型骨架，其內部設有三維非規整孔道，填充于反應器內的整個反應域；預成型催化劑顆粒，填充在定型骨架的三維非規整孔道內；以及外保護層，設置在定型骨架外壁上。本發明將催化劑顆粒填充于定型骨架所形成的非規則孔道內，相對催化劑顆粒的直接填充床，有助于改善反應介質在催化劑床層的傳質擴散能力，減小催化劑床層壓降；有助于改善催化劑床層的傳熱性能，減小催化劑床層的溫度分布不均勻性，有利于改善床層熱化學反應性能；有利于催化劑在反應域內的均勻分布，防止催化劑床層塌陷及產生溝流；同時便于催化劑床層結構形態的構建，簡化催化劑的裝填、卸載或更換工藝。

技術領域

本發明涉及熱化學反應催化劑領域，主要涉及模塊化熱化學反應催化劑及其制作方法。

背景技術

固定床反應器作為熱化學反應主要的反應器形式之一，例如甲醇裂解、甲烷干濕重整、費托合成反應等過程，通常將顆粒狀催化劑直接灌裝至整個反應管或反應腔。上述的利用方式，在催化劑使用效果及裝填方面均有可改進的地方。

為了保證固定床反應器反應性能，催化劑空間均勻分布、較大的比表面積、良好的傳熱傳質能力、可靠及便捷的裝填工藝是需要的。(1)催化劑空間布置方面：需要催化劑均勻分布于反應空間，使反應介質與催化劑充分接觸，避免由于催化劑床層塌陷或空穴引起的反應介質溝流。因此，催化劑在反應器內的填充應做到均勻、穩定、不塌陷、不出現溝流，以使反應介質與催化劑進行充分接觸；(2)催化劑比表面積方面：一方面尋求比表面積更大的催化劑，增加反應面積，提升熱化學反應速率。但是，較細顆粒的催化劑會增大催化劑床層壓降，不利于反應介質的流動及反應系統的運行；(3)傳熱傳質方面：現有填充床催化劑使用過程中，受催化劑導熱性能較差、傳熱傳質能力不足的影響，在反應管內部催化劑徑向上存在較大的溫差，使得催化劑在使用過程中部分催化劑無法達到高效催化溫度，導致催化劑利用效率下降。同時，由于催化劑床層徑向較大的溫差，使得使用過程中容易出現催化劑超溫失活的現象，導致催化劑利用率及使用壽命下降。為此，需要改善催化劑的傳熱傳質能力，減小催化劑床層溫差，提升催化劑利用效率及使用壽命；(4)催化劑裝填方面：現有催化劑裝填過程中，直接將催化劑顆粒灌裝至反應管內部，填充過程中催化劑顆粒間的相互碰撞、摩擦會導致催化劑碎裂或粉化，不利于催化劑床層結構形態的構建及反應介質在反應器與連接管道內的流通。在卸載或替換催化劑時，需要在反應器壁面上設置手孔等，增加了催化劑替換、清理的復雜程度。

目前，進一步改善催化劑的傳熱傳質能力、裝填工藝及空間布置性能是人們的研究目標。現有技術中采用格柵、外殼、壓蓋等形成催化劑構件，實現反應器外裝卸催化劑，降低了催化劑裝卸的工作強度。但是，該構件采用多個結構件及多塊格柵構成，結構上較為復雜，成本較高。同時，該構件只是單純的方便催化劑的裝卸，對催化劑床層布置結構形式、形態并沒有起到積極作用，對催化劑床層布置形式、催化劑比表面積、傳熱傳質能力并沒有改善。

經過充分調研發現，顆粒狀催化劑廣泛應用于熱化學反應領域，顆粒狀的催化劑常灌裝至反應器內部，堆積形成催化劑床層。固定床內細小催化劑顆粒堆疊，一方面引起床層阻力較大；一方面其較差的導熱性能使得催化劑及床層溫度分布不均勻，導致催化劑利用效率低及易燒結失活；同時，顆粒狀催化劑裝填過程中易導致催化劑顆粒磨損甚至碎裂，在更換催化劑操作較為復雜。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的之一在于提出一種模塊化熱化學反應催化劑及其制作方法，以期至少部分地解決上述技術問題中的至少之一。

為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供了一種模塊化熱化學反應催化劑，包括：

定型骨架，其結構為泡沫狀，內部設有三維非規整孔道，填充于反應器內的整個反應域；

預成型催化劑顆粒，填充在定型骨架的三維非規整孔道內；以及

外保護層，設置在定型骨架外壁上。