CN105921082B - 一种多通道微型流化床及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多通道微型流化床及其用途，通过将超过3个微型流化床并联，共用放大段，集成得到多通道微型流化床，其中的每一个微型流化床可单独控制，实现不同微型流化床内多样的流化状态，对颗粒的磨损性小于传统流化床，而且，通过多个微型流化床间隙传热与放大段密相床中颗粒层的调节，更有利于微型流化床内反应等温化以及颗粒在微型流化床内的更新与动态分布，特别适合于强吸放热反应、快速表面反应以及串级反应，有利于提高反应选择性与传质传热。

Description

一种多通道微型流化床及其用途
技术领域
本发明属于化工、能源、材料和化学等领域，涉及一种多通道微型流化床及其用途，尤其涉及一种多通道微型流化床及其在气固、气液、液固和气液多相反应的用途。
背景技术
流化床反应器采用细粉颗粒，在悬浮状态下与流体接触，具有流-固相界面积大；床内颗粒剧烈混合，保证了颗粒在全床内温度与浓度的均一性，床内与内浸换热面之间具有很高的传热系数，有利于强换热反应的等温操作，传质传热效率远高于其他反应器模式；流化床内颗粒群具有类似流体的性质，可以再大量的从装置中移出和引入，实现在不同反应器中的循环。使反应-再生、吸热-放热、正反应-逆反应等反应耦合过程得以实现；广泛应用于多相反应体系中,具有强化传热传质和等温反应等特征。在石化行业、煤炭与生物质热转化及冶金领域应用广泛。
但传统大尺寸流化床操作复杂，存在一定的工程放大难度，且颗粒在传统流化床内混合激烈，使得气固在床内返混明显，气体严重偏离活塞流，对反应选择性与转化率产生不利影响；而固体的混合、连续移出、引入时，容易产生颗粒停留不一致，降低了固体的出口平均转化率。特别是单一的流化床难以在同一反应器中实现多重反应的耦合。近年来大量的研究集中在流化床内构件的设计与开发，以适应不同反应体系的需要。如在流化床反应器中内置换热管提高其对强吸放热反应的适应性或是应用于物料的流化床干燥过程；在吸附或是吸收过程，采用多层流化床增加物料的停留时间，或是各位置的反应分别进行调控。如CN 101912753 B中提到发明一种用于气固流化床的复合内构件，包括多个竖直排布的构建组单元，两侧设置有多片倾斜的导流叶片，使得气固两相介质在通过竖直构建两侧形成“z”型流动，可提高气固间接触和抑制气固相的返混，且可适用于更宽的操作域。CN101172219 A发明了多层水平格栅内构件，增加操作稳定性，强化床层内气泡相与乳化相中的传质效率，大大减少床层内气相和颗粒相的轴向返混。CN 202741093 U发明了水平格栅内构件用于合成气甲烷化反应器开发，增加了气固间的传质和传热。以上所提到的专利只能在一定程度上提高气固相接触、降低气体的返混及增加床层操作稳定性。
Potic等第一次提出了微型流化床(MFB)的概念，文中指内径仅为1-3毫米的流化床，与传统大尺寸流化床相比具有操作简单易控制、气体近似平推流的反应特征；此后中国科学院过程工程研究所首次提出采用直径为10mm-40mm微型流化床用于气固反应动力学测量(专利CN101210916，PCT/CN2012/073570)，并将其仪器化，研制了首台微型流化床等温微分气固反应分析仪(MFBRA)。专利CN2729603发明了一种微型流化床干燥机，用于医药制品的干燥；专利CN00249908发明了微型流化床包衣机用于实验室研究或小试研究中5g-100g物料样品的包衣处理；专利CN 2423027发明了微型流化床对撞式气流磨，用于少量金刚石、西药制品微米级样品的制备。微型流化床逐渐获得认可，在仪器、制药等领域得到应用，但处理量都比较小，通常用于实验室或小试研究。而且对于传统大尺度流化床放大操作难度较大。
而单一的多通道反应器，类似于规整蜂窝催化材料，此类材料成功应用于大气环境领域的气体净化处理[CN 1954137 A、CN 102365436 A]，如燃煤烟气催化还原脱硝[CN101502796B、WO2012162864A1]、汽车尾气净化[CN1453073A、CN102171162A]及尾气的催化燃烧[CN1415410A、CN101288854A]等领域，但难以在化工能源领域应用，主要存在以下问题：1)大多数化工反应处于扩散传质控制反应，相对于固定床与流化床反应器，仅靠规整催化壁面催化难以实现高的转化率；2)大多规整材料以陶瓷为基体材料，属于热的不良导体，不适用于强吸放热的化学反应过程。
因此，如何结合微型流化床的反应器与多通道反应器的优势，研究一种可应用于化工能源领域流化的多通道微型流化床反应系统，替代现有传统的流化床反应器，具有重要的意义，将在强吸放热反应、串级反应、耦合催化反应等方面产生重要的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种多通道微型流化床及其用途，本发明的多通道微型流化床的每一个微型流化床可单独控制，实现多通道系统内不同微型流化床内不同的流化状态、颗粒的更新与循环，颗粒的磨损性小于带旋风分离的传统流化床，可应用于非再生性催化反应过程，特别适合于强吸放热反应、快速表面反应以及串级反应，有利于提高反应的选择性与传质传热，具有很好的应用前景。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种多通道微型流化床，所述多通道微型流化床包括超过3个微型流化床，这超过3个微型流化床之间并联，且共用放大段。
本发明中，所述微型流化床是指床径范围在10mm-100mm范围内的微小型流化床，其高径比优选为在5-100的大长径比范围内。
本发明所述微型流化床可以通过缩小传统的流化床的床径到10mm-100mm得到。
本发明中，超过3个微型流化床是相互独立的，每一个微型流化床的反应气体可单独控制，通过调节反应气体的流速可以实现多通道微型流化床系统内不同微型流化床内不同的流化状态，每一个微型流化床中的反应气体流速不同，可以使每一个微型流化床内的流化状态不同。
本发明的微型流化床的个数超过3个，具体数量本领域的技术人员可以根据需要以及所需的换热面积与反应气体量进行计算和选择，如可为4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、12个、15个、16个或17个等。
优选地，所述微型流化床的床径为10mm-100mm，例如可为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、55mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm等。本发明的微型流化床的个数超过3个，为实现简单控制，微型流化床选择的床径相同或是相互独立的在10mm-100m变化。
优选地，所述微型流化床的高径比为10-50，例如可为10、13、15、18、20、22、24、26、30、35、38、40、45或50等。本发明的微型流化床的个数超过3个，这些微型流化床的高径比可相互独立地在10-50，也可保持高径比一致。
优选地，所述微型流化床在放大段的截面上均匀分布。
优选地，所述放大段的截面面积与并联的微型流化床的总截面面积之比在1-100，例如可为1、3、5、10、20、25、30、35、40、50、55、60、70、80、90或100等。
本发明所述放大段的截面面积为放大段的流通面积，所述并联的微型流化床的总截面面积为多通道微型流化床的流通面积，通过调节放大段的流通面积与多通道微型流化床的流通面积的比值，并调节气体的流速，是放大段维持一定的密相床高度，利用产物气体流动中虹吸现象，将上部密相床中无法循环的细颗粒带走，同时对反应器可以进行催化剂添加，以维持密相高度的平衡。
本发明所述放大段包括密相床，所述密相床的高度优选超过200mm，例如可为220mm、230mm、245mm、255mm、270mm、280mm、290mm、300mm、320mm、330mm或350等。
优选地，本发明的多通道微型流化床进行反应时，通过对微型流化床供热以及对密相床移热实现温度的控制。
优选地，采用熔融盐换热、高压水换热、高压水蒸汽换热、导热油换热或气体燃烧换热中的任意一种或至少两种的组合在管间对微型流化床换热。
所述气体燃烧换热例如可以是燃气燃烧换热。
上述换热在多通道微型流化床的间隙进行，实现微型流化床内反应的热交换。
优选地，采用在密相床中内置换热管的方式对密相床移热，上部分的密相床中内置换热管，可以对主体催化剂进行温度控制，也可以充当典型反应工艺中二段固定床反应器，进行深度转化，提高转化率。
所述换热管例如可为盘管。
本发明所述微型流化床中的流化态包括鼓泡流化、湍动流化、节涌流化或输送流化中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述微型流化床中以湍动流化及输送流化为主反应。
本发明中，通过调节反应气体的流量可以调节微型流化床中的流化状态(如输送流化、湍动流化或鼓泡流化等)。
优选地，所述放大段的密相床中存在颗粒，这些颗粒构成的颗粒层的高度为50-200mm本发明中，通过调节放大段的密相床中颗粒层的高度，使密相床中的颗粒层保持在稳定的高度，实现放大段内密相流化与颗粒在不同微型流化床中的更新和动态分配。
本发明所述多通道微型流化床中存在流化颗粒，作为流化介质的气体或液体使流化颗粒处于流化状态。
本发明中，流化颗粒在微型流化床中流化，成为主反应区。
本发明中，反应换热主要通过微型流化床管间的换热介质流动进行反应热量的供给平衡。
优选地，所述微型流化床中的流化颗粒为催化剂和/或起传热作用的固体颗粒。
本发明所述“催化剂和/或起传热作用的固体颗粒”指：可以是催化剂，也可以是起传热作用的固体颗粒，还可以是催化剂和起传热作用的固体颗粒的混合物。
所述催化剂例如可为Ni-Mg-Al2O3微球催化剂、Mo/HZSM-5微球催化剂等。
所述起传热作用的固体颗粒例如可为石英砂、碳化硅砂、惰性氧化铝等。
本发明中，所述流化颗粒为球形或其他形状，优选为球形。
优选地，所述流化颗粒的直径为20μm-1000μm，例如可为20μm、50μm、100μm、120μm、150μm、200μm、225μm、265μm、280μm、320μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、800μm、900μm或1000μm等。
优选地，所述流化颗粒的球形度为0.2-0.8，例如可为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.65、0.7或0.8等。
优选地，所述微型流化床的床径与流化颗粒的直径之比＞10，比值例如为10.5、11、12、13、15、16、18、19或20等。
上述的多通道微型流化床的使用过程如下：
通过流量自动调节模块(8)对微型流化床的气量进行控制(反应流程图见图2)，使不同的微型流化床处于鼓泡、湍动及输送状态，以规律更替实现微型流化床内颗粒的更新。流化介质在多通道微型流化床内进行流化，进行主体反应，在上部的密相床降温后进行深度转化。微型流化床内反应的移热通过流化床间隙采用熔融盐换热、高压水蒸汽换热、导热油换热或气体燃烧换热的方式进行，控制主体反应的等温反应。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的多通道微型流化床的用途，可以采用气体和液体作为流体，所述多通道微型流化床应用于气固、气液、液固和气液多相反应。对于表面快速反应、强吸放热反应具有很好的应用前景。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过将超过3个微型流化床并联，共用放大段，集成得到多通道微型流化床。该多通道微型流化床的每一个微型流化床可单独控制，颗粒流化可实现鼓泡到输送流化状态，即可通过调节反应气体的流速实现多通道系统内不同微型流化床内不同的流化状态、颗粒的更新与循环，颗粒在多通道微型流化床内循环，对颗粒的磨损性小于带旋风分离的传统流化床。
(2)通过多个微型流化床间隙中传热与放大段密相床中颗粒层的调节，更有利于微型流化床内反应等温化以及颗粒在微型流化床内的更新与动态分布。本发明的多通道微型流化床反应器可应用于非再生性催化反应过程，非常适合于强吸放热反应、快速表面反应以及串级反应，有利于提高反应的选择性与传质传热，具有很好的应用前景。
(3)本发明所述多通道微型流化床用于合成气甲烷化反应，与传统的多段固定床处理工艺相比，具有工艺流程短、减少催化剂用量及投入成本低的优点；与传统的固定床和沸腾床等传统的流化床相比，本发明的多通道微型流化床在甲烷无氧芳构化反应的处理过程中，具有反应转化率高及苯反应选择性高的优点。
附图说明
图1是多通道微型流化床反应系统，其中，标记如下：
1-微型流化床 2-密相床 3-细颗粒夹带口
4-产物与颗粒出口 5-产物出口 6-催化剂添加口
7-流体分布板
图2是典型多通道微型流化床反应流程图，其中，附图标记如下：
1-微型流化床 2-密相床换热管 3-细颗粒夹带口
4-产物细颗粒出口 5-气体产物出口 6-催化剂添加口
7-反应气体入口 8-流量自动调节模块
9-控制PC机 10-熔融盐循环单元
11-蒸汽换热包 12-废催化剂收集单元
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例1提供了一种多通道微型流化床，所述多通道微型流化床包括超过3个微型流化床，这超过3个微型流化床之间并联，且共用放大段。
所述微型流化床的床径为10mm-100mm，所述微型流化床的高径比为10-50。
所述放大段的截面面积与并联的微型流化床的总截面面积之比在1-100。
所述密相床的高度优选超过50mm。
采用熔融盐供热、高压水蒸汽供热、导热油供热或气体燃烧供热中的任意一种或至少两种的组合对微型流化床供热。
采用在密相床中内置换热管的方式对密相床移热。
所述放大段的密相床中存在颗粒，这些颗粒构成的颗粒层的高度为50mm-200mm。
所述微型流化床中的流化颗粒为催化剂和/或传热颗粒，所述流化颗粒为球形或其他形状，所述流化颗粒的直径为20μm-1000μm，所述流化颗粒的球形度为0.2-0.8。
所述微型流化床的床径与流化颗粒的直径之比＞10。
实施例2
本实施例2提供了一种多通道微型流化床在合成气甲烷化反应的处理过程。
以图2的反应流程图，在加压条件下实现合成气甲烷化反应，通过气体流量独立控制单元(8)对微型流化床中气量进行控制，使不同微型流化床内处于鼓泡、湍动及输送状态，以规律更替实现微型流化床内颗粒的更新。选择直径小于100μm的Ni-Mg-Al2O3微球催化剂，多通道微型流化床中进行主体反应，在上部的密相床降温后进行深度转化。微型流化床内反应移热通过流化床间隙熔融盐进行换热，控制主体反应的等温反应(500℃)。该工艺与传统的多段固定床相比，缩短工艺流程、减少催化剂用量，降低设备投入成本。
反应条件如表1所示：
表1反应条件
对比了固定床、多孔规整反应器及沸腾床与多通道微型流化床在合成气甲烷化反应中的性能对比，测试结果见表2：
表2测试结果
实施例3
本实施例3提供了多通道微型流化床在甲烷无氧芳构化反应的处理过程
甲烷无氧芳构化反应属于典型的吸热反应过程，而且反应过程中催化剂表面容易积碳，导致催化剂容易失活。因此，必须结合催化剂的再生而实现连续化。由于整个催化反应过程在还原气氛中进行，选用氢气对积碳进行处理，生成甲烷，进行循环反应。已有的研究大多采用固定床、传统流化床中进行。但对于反应及再生均为强吸热，且高温的过程，反应热量的供给对反应的工业化特别重要。
如工艺以图2所示，分别在不同反应器中进行甲烷芳构化反应及催化剂消碳反应，处理过程参见现有技术的操作过程。
反应条件如表3所示：
表3反应条件
催化剂 Mo/HZSM-5
催化剂密度 1500kg/m3
空速 5000h-1
入口温度 850℃
反应压力 1atm
原料甲烷/氢气 4/1
还原气体 H2
下表4对比了传统流化床与以强化传热为目的的多通道微型流化床在相同反应器直径条件下的的反应转化率与选择性对比。
表4测试结果
通过表4可以看出，与传统的固定床和沸腾床等传统的流化床相比，本发明的多通道微型流化床在甲烷无氧芳构化反应的处理过程中，具有反应转化率高及苯反应选择性高的优点。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (19)

1.一种多通道微型流化床，其特征在于，所述多通道微型流化床包括超过3个微型流化床，所述微型流化床之间并联，共用放大段；所述放大段的截面面积与并联的微型流化床的总截面面积之比在1-100。
2.根据权利要求1所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述微型流化床的床径为10mm-100mm。
3.根据权利要求1所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述微型流化床的高径比为10-50。
4.根据权利要求1所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述微型流化床在所述放大段的截面上均匀分布。
5.根据权利要求1所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述放大段包括密相床，所述密相床的高度超过200mm。
6.根据权利要求5所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述多通道微型流化床进行反应时，通过对所述微型流化床间隙换热以及对所述密相床换热实现温度的控制。
7.根据权利要求6所述的多通道微型流化床，其特征在于，采用熔融盐换热、高压水蒸气换热、高压水换热、导热油换热或气体燃烧换热中的任意一种或至少两种的组合对所述微型流化床内反应进行换热。
8.根据权利要求6所述的多通道微型流化床，其特征在于，采用在所述密相床中内置换热管的方式对密相床颗粒进行温度控制。
9.根据权利要求1所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述微型流化床的流化态为鼓泡流化、湍动流化、节涌流化或输送流化中的任意一种或至少两种的组合。
10.根据权利要求9所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述微型流化床中以湍动流化及输送流化为主反应。
11.根据权利要求5所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述放大段的密相床中存在颗粒。
12.根据权利要求11所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述放大段的密相床中的颗粒层的高度为50mm-200mm。
13.根据权利要求1所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述微型流化床中的流化颗粒为催化剂和/或起传热作用的固体颗粒。
14.根据权利要求13所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述流化颗粒为球形。
15.根据权利要求13所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述流化颗粒的直径为20μm-1000μm。
16.根据权利要求13所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述流化颗粒的球形度为0.2-0.8。
17.根据权利要求13所述的多通道微型流化床，其特征在于，所述微型流化床的床径与流化颗粒的直径之比＞10。
18.如权利要求1所述的多通道微型流化床的用途，其特征在于，所述多通道微型流化床，应用于气固、液固和气液多相反应。
19.根据权利要求18所述的多通道微型流化床的用途，其特征在于，所述多通道微型流化床使用时，采用的流体为气体和/或液体。
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