CN1507940A - 催化反应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种催化反应方法。本发明的方法是使催化反应在超重力场中进行。本方法利用旋转床超重力场装置作为反应器，该旋转床超重力场装置的转子上固定有多孔催化剂层和/或多孔填料层，所述的催化反应为均相或多相反应。本方法克服常重力场中催化反应存在的缺点，达到减少催化剂的用量，提高催化剂的利用率，提高催化剂的选择性，减少副产物的生成，减少设备体积，降低能耗的效果。

Description

催化反应的方法
技术领域
本发明涉及一种催化反应的方法，具体地说，涉及一种在超重力场中进行催化反应的方法。
背景技术
催化反应在化学工业、石化工业、生物化工及环境工程等方面都有着极其广泛的应用。几乎所有的催化反应都存在着内外扩散的问题，如反应物料之间的扩散、反应物料与催化剂之间的扩散、产物与催化剂之间的扩散等。由于传质效果差，在常重力场中扩散问题成为阻碍催化反应顺利进行的主要因素。在实际应用中常重力场下的催化反应普遍存在着以下缺点：1、催化剂用量大，催化剂利用率低；2、传质慢；3、物料的停留时间长，副产物多，生产效率低；4、能耗大；5、催化反应设备体积大。
根据英国帝国化学工业公司(ICI)提出的EP0023745 A3专利，提到旋转床可用于吸收、解析、蒸馏等过程，但没有公开工业化规模的应用技术。CN1064338A公开了利用旋转床进行油田注水脱氧的方法；CN1116146A公开了一种在超重力场下制备超微颗粒的方法；CN1116185A公开了利用旋转床超重力场装置作为反应器，制备超细碳酸钙的方法；CN1341694A公开了采用超重力旋转填充床技术制备纳米氢氧化镁的新工艺；这些技术成功地将旋转床应用于工业规模的制备过程。
尽管如此，由于超重力场技术是八十年代初才出现的新技术，其内部机理还在继续探索，应用开发研究仍在不断进行，新的应用领域还在不断的开拓。例如，旋转床超重力场装置在催化反应方面的应用尚未见公开报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种催化反应的新方法。
由于旋转床超重力场装置可以强化传递与反应过程，在旋转床超重力场反应器中进行催化反应，可强化反应物料之间、反应物料与催化剂之间及产物与催化剂之间的传质，减少扩散对催化反应过程的影响，使反应物迅速离开反应环境，促使反应物向产物方向移动，从而克服常重力场中催化反应存在的缺点，达到减少催化剂的用量，提高催化剂的利用率，提高催化剂的选择性，减少副产物的生成，减少设备体积，降低能耗的效果。同时，由于传热过程的强化使反应热迅速被移出，使催化反应更加平稳进行。
本发明的催化反应方法，其特征在于催化反应在超重力场中进行。
其中所述的催化反应利用旋转床超重力场装置作为反应器，该旋转床的转子上固定有多孔催化剂层和/或多孔填料层。
本发明涉及的催化反应为均相或多相催化反应。
优选本发明涉及的多相催化反应包括：催化加氢反应，如：炔键、二烯键加氢为烯键的反应，烯键、二烯键加氢为烷键的反应，油品加氢脱硫、脱氮、脱重金属反应，丁辛醛加氢制备丁辛醇反应，油脂加氢，脂肪酸加氢，苯加氢制环己烷等有氢气存在的反应；催化脱氢反应，如：乙苯脱氢制苯乙烯和丁烷或丁烯脱氢制丁二烯等；有机合成催化反应，如：利用催化反应制备农药、医药、染料中间体，香料、橡胶促进剂、乙苯等；合成气制造催化反应，如：合成甲醇，烯烃制醛和乙酸制乙酸酐等催化反应；氧化反应，如：乙烯及丙烯氧化制环氧乙烷和环氧丙烷，苯及萘氧化制顺酐和苯酐，甲醇氧化制甲醛，丙烯氨氧化制丙烯腈，乙烯氧化氯化制二氯乙烷等催化反应；催化裂化和催化重整。
优选本发明涉及的均相催化反应包括：氢甲酰化反应，也称羰基合成反应；环状二烯烃选择加氢生成环状单烯烃反应，如：环戊二烯选择加氢生成环戊烯；烯烃二聚或齐聚反应或聚合反应；乙烯、一氧化碳、水或醇合成丙烯酸和丙烯酸酯反应等。
更优选本发明的催化反应为含有C4～C5馏份的反应物料的全加氢反应。
催化反应体系反应原料的相态为气、液、固三相的任意组合，如：气-液-固、气-液、气-固、液-液-固、液-固、液-液、气-液-液等。气相可以是单一组份，也可以是含二个组份以上的混合气体，其中应含有一定比例的反应组份。液相可以是单组份液体或溶液，也可以是混合液体或溶液。固相是单组份或多组份混合物，部分混入某一液相中，部分固定在旋转床超重力场装置转子上或全部固定在旋转床超重力场装置转子上。其中催化剂可以是固相，也可以是液相。
本发明的催化反应方法是将反应物料引入旋转床超重力场装置中，使之在固定有多孔催化剂层或多孔填料层的转子周围，在高度湍动的情况下进行逆流或并流传质与反应，以消除或减少内外扩散的影响，加速催化反应的进行。
具体地说，对气-液-固相或气-液相催化反应，将气相引入旋转床超重力场装置中，使之与液相在固定在转子上的高速旋转着的多孔催化剂层或多孔填料层中在高度湍动的情况下进行逆流或并流传质与反应。对气-固相催化反应，将气相引入旋转床超重力场装置中，使之通过固定在转子上的高速旋转着的多孔催化剂层，在旋转着的催化剂层的作用下，气体处于高度湍动状态。对液-液相或液-液-固相或液-固相催化反应，使之预先混合或在高速旋转着的多孔催化剂层或多孔填料层的内腔外预混，然后通过高速旋转着的多孔催化剂层或多孔填料层，在高度湍动的情况下进行传质与反应。
本发明涉及的方法，优选所述含反应物料的气体通过气相进口沿切向引入旋转床超重力场装置，穿过旋转的固定有多孔填料层或催化剂层的转子与由置于旋转床超重力场装置中心的液体分布器喷出的含反应物料的液相逆流接触，气液两相在旋转的填料层或催化剂层中反应，气相产物由气相出口引出，液相产物被甩出后经液相出口引出。
本发明涉及的方法，优选所述含反应物料的气体由气相出口引入旋转床超重力场装置，液相由置于旋转床超重力场装置中心的液体分布器引入旋转床超重力场装置，气液两相并流接触，共同穿过旋转的固定有多孔填料层或催化剂层的转子，在旋转的填料层或催化剂层中反应，气相产物由气相进口引出，液相产物被甩出后经液相出口引出。
在本发明的方法中，优选作为反应器的旋转床超重力场装置转子的转速在100rpm～2000rpm之间。
优选涉及的催化反应温度为10～350℃，压力为1～100atm。
当催化反应体系使用固体催化剂时，催化剂在转子上固定的方式有二种，一种是将催化剂附着在金属或非金属载体上作成圆环形整体固定在转子上；另一种是将催化剂及载体作成球形、条形、扇形、弧形、半圆环或圆环等形状，整砌或散堆在转子框内。
本发明的方法具有以下优点：
1、由于在旋转床超重力场装置中进行催化反应，极大地强化了传质过程，减少或消除了反应物料之间，反应物料与催化剂之间，以及反应产物与催化剂之间的扩散过程对催化反应的影响，从而缩短了反应时间，使单位时间单位催化剂体积的处理能力提高十几倍乃至上百倍，使催化剂的用量大大地减少，催化剂的利用率大大地提高，设备的尺寸大大地减小，降低了能耗，减少了设备的投资。
2、由于反应物料在旋转床超重力场装置中的停留时间缩短(小于0.5秒)，所以副产物明显减少，催化剂的选择性明显提高，产品的质量明显提高。
3、由于在超重力场中强化了气液相的传质过程，使气体与液体在微观上能充分混合，气体更易溶于液相中，因而能降低反应压力，使一些高压、高温气液相反应可以在较低压力和温度下进行，进而降低能耗，解决了压高温反应的材质问题和工程放大问题，可节省大量投资。
附图说明
图1气液相逆流接触旋转床超重力场装置示意图。
图2气液相并流接触旋转床超重力场装置示意图。
1气相进口 2转子 3液体分布器 4气相出口 5液相出口 6液相进口
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的方法。
如图1所示，气液两相采用逆流接触的方式进行催化反应。含有反应物料的气体通过气相进口1沿切向引入旋转床超重力场装置，在压力差的作用下穿过高速旋转的固定有多孔催化剂层的转子2与由置于旋转床超重力场装置反应器中心的液体分布器3喷出的含有反应物料的液相逆流接触，气液两相在高速旋转的催化剂层中强烈混合、湍动进行传质与反应，反应后的气相由旋转床超重力场装置反应器的气相出口4引出，反应后的液相被高速甩出后经液相出口5引出，气液两相各自进入后处理系统或做他用。
如图2所示，气液两相采用并流接触的方式进行催化反应。气液两相分别由旋转床超重力场装置反应器的中心的气相出口4和液相进口6引入，共同穿过高速旋转的安装有催化剂层的转子2，气液两相在高速旋转的催化剂层中强烈混合、湍动进行传质与反应，反应后的气相由旋转床超重力场装置反应器的气相入口4引出，反应后的液相被高速甩出后经液相出口5引出，气、液两相分别进入后处理系统或做他用。
实施例1
在旋转床反应器中进行C4馏份全加氢。C4馏份全加氢是气-液-固三相反应，所用物料为H2、C4馏份，其主要组份为：丁烷、丁烯、丁二烯及丁炔，所用催化剂为Pt/Al2O3或Pd/Al2O3，温度：10～180℃，压力：2～40atm，转速400～1500rpm。C4馏分的空速10～100hr-1，氢/不饱和键mol/mol(氢气/(丁烯+2×丁二烯+2×丁炔+3×乙烯基乙炔))：1.0～1.2，原料与产物的循环比：5～9∶1。
如图1所示，将30ml催化剂固定在旋转床反应器的转子2上，氢气由气相进口1沿切向引入反应器内，液相C4馏份由液体分布器3喷向高速旋转的催化剂层的内缘，氢气与C4馏份在150g的离心加速度的作用下在催化剂层上强烈地湍动充分地接触反应后，过量的氢气由气相出口4排出，液相C4馏份被甩出，由液相出口5排出反应器。
反应工艺条件为：入口温度：35℃，压力：25atm，空速：50hr-1，氢/不饱和键(mol/mol)：1.1
对比例
在两段固定床反应器中进行C4馏份全加氢。所用催化剂和原料与实施例相同。
反应工艺条件为：入口温度：35℃，压力：30atm，C4馏份的空速：20hr-1，氢/不饱和键(mol/mol)：1.1，原料与产物的循环比：5～9∶1。
表1列出了实施例1和对比例进行全加氢反应后产物的各项指标。
                               表1 全加氢反应产物的含量
              实施例1              对比例
  氢/不饱和键mol/mol   原料/产物循环比     产物中烷烃含量％  产物中剩余不饱和烃含量％   不饱和烃转化率％  II段产物中的烷烃量％  II段产物中剩余不饱和烃量％  不饱和烃转化率％
    1.1     9     98.96     0.06   99.71     80     20     80
    1.1     7     98.94     0.05   99.76     70     30     70
    1.1     5     98.80     0.27   98     60     40     60

Claims (10)

1、一种催化反应方法，其特征在于，使催化反应在超重力场中进行。
2、根据权利要求1所述的催化反应方法，其特征在于所述的催化反应利用旋转床超重力场装置作为反应器，该旋转床超重力场装置的转子上固定有多孔催化剂层和/或多孔填料层。
3、根据权利要求2所述的催化反应方法，其特征在于所述的催化反应为均相或多相反应。
4、根据权利要求2所述的催化反应方法，其特征在于所述的催化反应包括催化加氢反应，催化脱氢反应，有机合成催化反应，合成气制造催化反应，氧化反应，催化裂化，催化重整，氢甲酰化反应，烯烃聚合反应。
5、根据权利要求2所述的催化反应方法，其特征在于所述的催化反应为含有C4-C5馏份的反应物料的全加氢反应。
6、根据权利要求2所述的催化反应方法，其特征在于所述含反应物料的气体通过气相进口沿切向引入旋转床超重力场装置，穿过旋转的固定有多孔填料层或催化剂层的转子与由置于旋转床超重力场装置中心的液体分布器喷出的含反应物料的液相逆流接触，气液两相在旋转的填料层或催化剂层中反应，气相产物由气相出口引出，液相产物被甩出后经液相出口引出。
7、按照权利要求2所述的催化反应方法，其特征在于所述含反应物料的气体由气相出口引入旋转床超重力场装置，液相由置于旋转床超重力场装置中心的液体分布器引入旋转床超重力场装置，气液两相并流接触，共同穿过旋转的固定有多孔填料层或催化剂层的转子，在旋转的填料层或催化剂层中反应，气相产物由气相进口引出，液相产物被甩出后经液相出口引出。
8、根据权利要求2所述的催化反应方法，其特征在于所述旋转床超重力场装置的转子的转速为100-2000rpm。
9、根据权利要求2所述的催化反应方法，其特征在于所述的催化反应温度为10-350℃，压力为1-100atm。
10、根据权利要求1-9之一所述的催化反应方法，其特征在于将所述的催化剂附着在金属或非金属载体上作成圆环形整体固定在转子上或将催化剂及载体制成球形、条形、扇形、弧形、半圆环或圆环的形状，整砌或散堆在转子框内。
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