CN111036148B - 一种使用微泡沫填充床进行气液固反应的装置和方法 - Google Patents

Abstract

气液固反应同时涉及气、液、固三种相态，在精细化工、制药过程以及废水处理等领域都发挥巨大作用。气液固反应一般依托搅拌釜、鼓泡塔和滴流床等传统多相反应器进行，而这些反应器常存在界面面积低、传质传热效率差等问题。本发明提出一种使用微泡沫填充床进行气液固反应的装置和方法，由于微泡沫填充床具有微米级特征尺寸，孔隙率高和压降小等优点，其用于气液固反应具有混合效率高，反应速度快，传热迅速和催化剂易于更换等优点，可广泛用于精细化工、医药和环境等领域。

Description

一种使用微泡沫填充床进行气液固反应的装置和方法

技术领域

本发明属于化学工业中反应器用于气液固催化过程技术领域，更具体地说，本发明涉及一种使用微泡沫填充床进行气液固反应的装置和方法。

背景技术

气液固反应是一种同时存在气、液、固三种不同相态的反应过程。目前气液固反应在精细化工、制药过程以及废水处理等领域都发挥巨大作用。气液固反应一般依托搅拌釜、鼓泡塔和滴流床等传统多相反应器进行，而这些反应器常存在界面面积低、传质传热效率低和潜在的安全问题。例如，在传统搅拌釜反应器内多相流体间的传质限制将导致催化加氢过程较低的反应速率和转化率。同时，为保证反应效果，常见的气液固反应如加氢反应过程，系统压力通常在1Mpa以上，过高的压力将带来安全隐患和高额设备费。而对于使用氧气的氧化反应过程，由于气液传质效率低，反应器通常比较大，且对于搅拌釜这样的间歇反应器存在气相空间，大大增加了反应过程的危险性。因此，这类气液固反应均存在着反应效率低、反应器体积大和过程安全性低等问题，亟需新的技术对过程进行改进。

随着微技术的发展，微泡沫填充床反应器将有望克服上述问题。由于微泡沫填充床反应器其小的反应器尺寸和填充了微米级别整体催化剂，从而具有良好的混合和传递特性。同时，整体催化剂具有众多弯曲通道和高的孔隙率，使微泡沫填充床反应器流体流动阻力较低且能量利用率较高。此外，微泡沫填充床反应器还具有耐高压和催化剂易于回收等优点。因此，将基于微泡沫填充床技术发展新型的连续反应过程，用于气液固反应，具有很好的前景。

发明内容

本发明针对气液固反应过程的特点，提出一种基于微泡沫填充床反应器用于气液固反应的装置和方法。利用了微泡沫整体式催化剂低流动阻力以及强化混合和传递的特性，降低压降和能耗，提高微填充床反应器气液固过程反应效率和能量利用率，同时催化剂易于回收。具体技术方案如下：

一种使用微泡沫填充床进行气液固反应的装置，主要包括：气液预混合器、微泡沫填充床、背压阀、相分离器；其特征在于：气液预混合器设置有气体进口和液体进口，其出口与微泡沫填充床相连，微泡沫填充床出口依次连接相分离器和背压阀。

所述的微泡沫填充床中填充微泡沫材料，所述微泡沫材料是以活性炭纤维、泡沫金属、泡沫陶瓷以及以他们为载体的整体式催化剂。

所述的微泡沫材料，其特征在于填充微泡沫的方式为逐块装填和整块装填，且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为0.1～1。

所述的微泡沫材料，其特征在于泡沫材料的平均孔尺寸为50～1000微米，孔隙率范围为0.3～0.99。

所述的微泡沫填充床内径与整体催化剂平均孔尺寸比大于10，微型泡沫填充床长径比范围为4～100。

一种使用微泡沫填充床进行气液固反应的方法，包括以下步骤：

1)控制气液预混合器的进气气体流量，同时开启背压阀增加背压直至所需压力值；

2)控制气液预混合器的液体流量，将气体与待反应液体混合，两相流体通过装填有微泡沫材料的微泡沫填充床；

3)在微泡沫填充床内气液固三相充分接触，完成反应；

4)气液混合物流出微泡沫填充床后在相分离器内实现气液分相，气体去尾气处理系统，含有产物的液体进入后续单元。

所述的一种基于微泡沫的填充床反应器用于气液固反应的方法，其特征在于气体进料气体可为氢气、氧气、空气以及臭氧。

所述的一种基于微泡沫的填充床反应器用于气液固反应的方法，其特征在于液体进料中溶剂为水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、甲苯、四氢呋喃、环己烷、异丙苯等常用溶剂，待反应物在溶剂中的质量浓度为0.05％～40wt％

所述的一种基于微泡沫的填充床反应器用于气液固反应的方法，其特征在于微泡沫负载的催化剂为钯、钯/氧化铝、锰、镍、铂、铂/氧化铝、钌、钌/氧化铝、铑。

所述的一种基于微泡沫填充床反应器用于气液固反应的方法，其特征在于气液固反应温度为20到200℃，压力为0.1-10MPa。

所述的一种基于微泡沫填充床反应器用于气液固反应的方法，其特征在于反应物在填充床内的平均停留时间为10s～30min。

本发明具有以下优点

(1)微泡沫填充床增加了气液固过程的混合和反应速度，催化剂易于更换和回收，整个过程压降小，能量利用率高；

(2)可以显著提高气液固反应速度，强化反应过程移热速度，减小反应器体积，提高过程安全性。

附图说明

图1为本发明使用微泡沫填充床进行气液固反应的装置结构示意图。

图中：1气液预混合器、2微泡沫填充床、3相分离器、4背压阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

根据本方法进行实验，气体进料为氢气，液体进料为alpha-甲基苯乙烯甲醇溶液(质量浓度18％)，反应温度为90℃，背压压力为1.2MPa，气液经过装载有微泡沫镍负载钯催化剂的填充床进行反应，微泡沫的孔径是200μm，孔隙率是0.98，微泡沫填充床内径与整体催化剂平均孔尺寸比是15，微泡沫填充床长径比为33，且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为1，反应物在填充床的停留时间是22s。alpha-甲基苯乙烯甲醇溶液经过相分离器分离后对液体进行分析检测，获得alpha-甲基苯乙烯转化率为99.9％。

实施例2：

根据本方法进行实验，气体进料为氢气，液体进料为alpha-甲基苯乙烯乙醇溶液(质量浓度40％)，反应温度为120℃，背压压力为1MPa，气液经过装载有微孔泡沫铜钯催化剂的填充床进行反应，微泡沫的孔径是50μm，孔隙率是0.98，微泡沫填充床内径与整体催化剂平均孔尺寸比是10，微型泡沫填充床长径比为4，且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为1，反应物在填充床的停留时间是10s。alpha-甲基苯乙烯乙醇溶液经过相分离器分离后进行检测，计算获得alpha-甲基苯乙烯转化率为95％。

实施例3：

根据本方法进行实验，气体进料为氧气，液体进料为苯甲醇甲苯溶液(质量浓度10％)，反应温度为200℃，背压压力为0.2Mpa，气液经过装载有微孔氧化铝陶瓷钯催化剂的填充床进行反应，微孔氧化铝陶瓷孔径是300μm，孔隙率是0.6，微泡沫填充床内径与整体催化剂平均孔尺寸比是33，微型泡沫填充床长径比为100，且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为0.25，反应物在填充床的停留时间是30min。苯甲醇甲苯溶液经过相分离器分离后进行检测，经计算获得苯甲醇转化率为96％。

实施例4：

根据本方法进行实验，气体进料为氧气，液体进料为苯甲醇甲苯溶液(质量浓度5％)，反应温度为140℃，背压压力为0.5Mpa，气液经过装载有微孔泡沫镍铂催化剂的填充床进行反应，微孔泡沫镍孔径是100μm，孔隙率是0.98，微泡沫填充床内径与整体催化剂平均孔尺寸比是33，微型泡沫填充床长径比为42，且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为0.40，反应物在填充床的停留时间是10min。苯甲醇甲苯溶液经过相分离器分离后进行检测，经计算获得苯甲醇转化率为98％。

实施例5：

根据本方法进行实验，气体进料为臭氧，液体进料为苯酚水溶液(质量浓度0.05％)，反应温度为40℃，背压压力为0.1MPa，气液经过装载有活性炭纤维负载锰催化剂的填充床进行反应，活性炭纤维形成的孔径是200μm，孔隙率是0.95，微泡沫填充床内径与整体催化剂平均孔尺寸比是15，微型泡沫填充床长径比为33，且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为1，反应物在填充床的停留时间是56s。苯酚水溶液经过气液相分离器分离后进行检测，经计算获得苯酚转化率为99％，COD降解率80％。

实施例6：

根据本方法进行实验，气体进料为臭氧，液体进料为苯酚水溶液(质量浓度0.1％)，反应温度为30℃，背压压力为0.15MPa，气液经过装载有微孔泡沫镍负载锰催化剂的填充床进行反应，微孔泡沫镍孔径是400μm，孔隙率是0.98，微泡沫填充床内径与整体催化剂平均孔尺寸比是15，微型泡沫填充床长径比为33，且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为0.3，反应物在填充床的停留时间是35s。苯酚水溶液经过气液相分离器分离后进行检测，经计算获得苯酚转化率为95％，COD降解率70％。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种使用微泡沫填充床进行气液固反应的装置，其特征在于，包括：气液预混合器、微泡沫填充床、相分离器、背压阀；所述气液预混合器设置有气体进口和液体进口，其出口与微泡沫填充床相连，微泡沫填充床出口依次连接相分离器和背压阀；

所述的微泡沫填充床中填充微泡沫材料，所述微泡沫材料是指以活性炭纤维、泡沫金属、泡沫陶瓷以及以他们为载体的整体式催化剂；所述微泡沫材料的填充方式为逐块装填和整块装填；且微泡沫载体体积与填充床体积比范围为0.1~1；所述微泡沫材料的平均孔尺寸为50~1000微米，孔隙率范围为0.3~0.99；所述微泡沫填充床内径与其中填充的整体式催化剂平均孔尺寸比大于10，所述微泡沫填充床长径比范围为4~100；

微泡沫负载有催化剂，所述催化剂包括钯、钯/氧化铝、锰、镍、铂、铂/氧化铝、钌、钌/氧化铝、铑；

利用该装置进行气液固反应的方法包括以下步骤：

1）控制气液预混合器的进气气体流量，同时开启背压阀增加背压直至所需压力值；

2）控制气液预混合器的液体流量，将气体与待反应液体混合，两相流体通过装填有微泡沫材料的填充床反应器；

3）在微泡沫填充床内气液固三相充分接触，完成反应；

4）气液混合物流出微泡沫填充床后在相分离器内实现气液分相，气体去尾气处理系统，含有产物的液体进入后续单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进气气体为氢气、氧气、空气或臭氧。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体的溶剂为水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、甲苯、四氢呋喃、环己烷或异丙苯，待反应物在溶剂中的质量浓度为0.05%~40 wt%。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气液固三相反应的温度为20℃到200℃，压力为0.1-10MPa。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，反应物在微泡沫填充床内的平均停留时间为10s~30min。

Images