CN1830537A

CN1830537A - 多通道固定床反应器及反应方法

Info

Publication number: CN1830537A
Application number: CNA2006100124103A
Authority: CN
Inventors: 李忠; 任军; 李晋军; 谢克昌
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2006-09-13

Abstract

本发明多通道固定床反应器及反应方法涉及一种适合于气相法合成甲醇，二甲醚，碳酸二甲酯等化学品催化剂的高通量筛选的多通道固定床反应器及反应方法，属于化工机械领域。该反应器由进样系统、并列反应器、油浴加热装置和产物采集系统四部分构成，可以同时进行多个催化剂的活性反应研究，各反应器间温度和压力分布均匀，反应物料消耗小，大大缩短了催化剂的评价时间，实现了对大量催化剂的高通量筛选。

Description

多通道固定床反应器及反应方法

一、技术领域

本发明涉及一种适合于气相法合成甲醇，二甲醚，碳酸二甲酯等化学品催化剂的高通量筛选的多通道固定床反应器及反应方法，属于化工机械领域。

二、背景技术

催化剂设计是多相催化研究领域中最具有挑战性的任务，尽管目前工业中使用的大多数催化剂都是通过经验和反应过程设计的产品。但是如何在合理的依据上设计催化剂，以保证催化剂质量、性能稳定，是研发新型催化剂的目标。通常认为，催化剂单位表面积的催化活性主要取决于它的化学组成，但是对相同的化学组分，其催化特性在很大程度上又取决于催化剂的制备方法和制备条件。不同的制备方法和条件会改变催化剂的化学结构(化合状态、化合物间的反应程度)和物理结构(晶粒大小、晶型、晶格缺陷、孔结构、表面构造和形状构造等)，从而使其催化特性显著不同。优良的工业催化剂应该具有高活性，选择性好，寿命长，机械强度高，容易再生，成本低，原料自给等方面的先进指标。要达到这些指标，需要经历一个周密筛选和反复试制的过程。现有催化剂也有必要进一步改进，不断地提高上述某一方面或某些方面的性能。因此，传统催化刑的探索是漫长耗时的。此外，这些研究工作常常是由不同的研究小组独立完成的，信息交流、沟通很困难。显而易见，传统方法不足以实现快速合成和快速评估的催化剂研究开发工作。

当越来越多的催化研究工作者日益意识到传统的研究技术在催化剂的制备、筛选、性能评价以及催化过程操作参数的优化等方面存在许多缺点时，于是将组合化学技术引入催化研究领域形成的组合催化技术给传统的催化研究方法带来一次巨大的革命。同传统的研究方法相比较，组合催化技术不仅能够极大地降低催化剂的开发成本、快速地评价催化剂体系、优化催化反应过程的操作因子，而且由于所使用的反应试剂及催化剂的量非常少，不会对环境带来影响。但它不是完全不同于传统研究，而是优化了传统研究的方式方法，考虑了众多因素，提高了研发效率。此外，由于组合催化技术的自动化程度高，不但可以对催化剂进行高强度地连续评价，而且人为干扰因素少、实验结果的重现性非常好，完全可以避免因不同的制备及操作条件而导致错误结论和结果。从含有成百上千个目标化合物或具有预期催化性能的组合催化剂库中筛选出具有最佳催化活性的催化剂，对于传统的评价试验方法来说，是很难完成的。对现存的催化剂体系进行重新评价及利用该技术开发具有应用前景的新催化剂体系，是目前组合催化研究的主要热点和重点。1995年California大学Schultz教授及其研究组首次报道了应用组合化学概念采用水蒸汽沉积法成功合成了超导材料和抗磁材料的薄膜“库”。在取得这一进展后不久，Symyx公司的研究者采用水蒸汽沉积法生产出了光致发光材料的高密度薄膜库；Weinberg等于1998年又首次报道了组合化学应用于新催化剂的发现、筛选及优化。根据研究目的，在已有的相关研究知识储备上，采用计算机辅助分子设计与合成，设计出符合组合催化研究及应用目的的组合催化剂库及评价体系，是组合催化研究的关键。高通量反应器和快速检测技术是催化剂评价体系中的重要环节，其中，用于催化剂活性及选择性筛选的反应器，其设计必须考虑以下因素：①反应物与催化剂充分接触；②在催化剂内部和外部不存在传质和传热的限制；③在绝热条件下，一定的时间分布内，能很好描述反应器的特征。

固定床反应器是一种重要的化工反应设备，该类反应器结构简单，便于操作，而且造价低廉，安全可靠，具有催化剂不易磨损，使用寿命长，反应气体与催化剂接触紧密，转化率高等优点。

三、发明内容

本发明为催化剂的高通量筛选提供了一种多通道固定床反应器及反应方法，反应器由一定数目相同规格的并列小型固定床反应器构成，选用黄铜、钛合金、不锈钢等金属材料制作，各小反应器采用独立的进样系统和密封设计，整体置于导热油加热装置中，当油浴升温至反应温度后，反应气体混合后进入分流器，通过背压阀控制压力和质量流量计计量流量后流过各小反应器催化剂床层，从各小反应器流出的反应产物通过自动切换阀与质谱检测器连接，多余的产物通过放空阀排放。

上述的多通道固定床反应器，其特征在于所使用的反应器由进样系统I、反应器主体II和产物采集分析系统III三部分构成，所述的进样系统I由质量流量计1、分流器2、压力表3和背压阀4构成；所述的反应器主体II前端与进样系统I末端采用螺纹连接，由多个并列小固定床反应器5和导热油加热装置6构成；所述的分流器2由不锈钢材料加工，有1个进气口和多个出气口，混合后的反应气体通过分流器2均匀分配至各小固定床反应器5；所述的并列小固定床反应器5前端与进样系统I的分流器2采用螺纹连接，选用黄铜、钛合金、不锈钢等金属材料制作，数目和规格按照具体要求确定，每个小反应器分别采用独立的进样系统和密封设计；所述的产物采集分析系统III的前端与并列小固定床反应器5末端采用螺纹连接，由切换阀7、质谱检测器8、背压阀4和放空阀9构成，从各小反应器流出产物通过自动切换阀7进入质谱检测器8进行实时检测，多余的产物通过放空阀9排放；

上述的多通道固定床反应器的反应方法，其特征在于：称取5～50种制备好的固体粉末催化剂各0.2～5.0g分别装入到5～50个内径6～12mm，长60～300mm，厚度2～5mm反应器中部，两端用石英棉封堵，将各反应器拧紧后放入加热油浴中，调节油浴温度到60～220℃，通入反应物，调节背压阀4控制反应气压力到0.1～3.0MPa，从5～50个反应器流出的产物经切换阀7进入质谱检测器8进行在线分析，打开放空阀9排放多余的产物。

本发明的优点是：可以同时进行多个催化剂的固定床反应活性研究，各反应器间温度和压力分布均匀，反应物料消耗小，大大缩短了催化剂的评价时间。

四、附图说明

图1为多通道固定床反应器反应器结构图(以10通道反应器为例)，I-进样系统、II-并列反应器、III-产物采集系统。1-质量流量计，2-分流器，3-压力表，4-背压阀，5-并列反应器，6-油浴加热炉，7-切换阀，8-质谱检测器，9-放空阀。

五、具体实施方式

实施方式一：

10通道固定床反应器：采用不锈钢材料加工10个内径6mm，长100mm，厚度为2.5mm的固定床反应器，反应物A、B和C减压后分别经质量流量计1a，1b和1c控制进入分流器2，从分流器分配出的10条气路末端与并列的10个固定床反应器的前端采用螺纹连接，10个反应器的末端与多向阀前端采用螺纹连接，多向阀末端与质谱检测器连接，多余产物从放空阀排出。

实施方式二：

一氧化碳加氢合成甲醇：称取8种制备好的固体粉末催化剂各1g分别装入到内径8mm，长120mm，厚度3mm的钛合金反应器中部，两端用石英棉封堵，将全部8个反应器两端拧紧后放入油浴中，打开球形阀充入反应气体(H₂/CO＝2)至1.5MPa保持10分钟，证明反应釜密封完好后重复充入反应气体三次，置换体系中的空气，调节油浴温度到170℃，调节背压阀控制反应压力为1.0MPa，H₂/CO＝2，从8个反应器流出的产物经多向阀切换至质谱检测器进行(Agilent公司5973MSD)进行在线分析。

实施方式三：

合成气一步法合成二甲醚：称取50种制备好的固体粉末催化剂各0.3g分别装入到50个内径6mm，长160mm，厚度2mm不锈钢反应器中部，两端用石英棉封堵，将全部50个反应器两端拧紧后放入油浴中，打开球形阀充入反应气体(H₂/CO＝1)至1.5MPa保持10分钟，证明反应釜密封完好后重复充入反应气体三次，置换体系中的空气，调节油浴温度到190℃，调节背压阀控制反应压力为1.2MPa，H₂/CO＝1，从50个反应器流出的产物经多向阀切换至QIC20型质谱检测器进行在线分析。

实施方式四：

甲醇气相氧化羰基化反应合成碳酸二甲酯：称取20种制备好的固体粉末催化剂各0.8g分别装入到20个内径6mm，长85mm，厚度2mm的黄铜反应器中部，两端用石英棉封堵，将所用小反应器拧紧后放入油浴中，调节油浴温度到130℃，打开球形阀充入反应气体(CO/O₂＝2)至1.5MPa保持10分钟，证明反应釜密封完好后重复充入反应气体三次，置换体系中的空气，调节反应压力为1.0MPa，CO/O₂＝2，打开微量进样泵引入甲醇，甲醇加热汽化后随O₂、CO两路气混合进入分流器，从20个反应器流出的产物经多向阀切换至质谱检测器进行(Hiden公司HAL3F)进行在线分析。

Claims

1.一种多通道固定床反应器，其特征在于所使用的反应器由进样系统I、反应器主体II和产物采集分析系统III三部分构成，所述的进样系统I由质量流量计1、分流器2、压力表3和背压阀4构成；所述的反应器主体II前端与进样系统I末端采用螺纹连接，由多个并列小固定床反应器5和导热油加热装置6构成；所述的分流器2由不锈钢材料加工，有1个进气口和多个出气口，混合后的反应气体通过分流器2均匀分配至各小固定床反应器5；所述的并列小固定床反应器5前端与进样系统I的分流器2采用螺纹连接，选用黄铜、钛合金、不锈钢等金属材料制作，数目和规格按照具体要求确定，每个小反应器分别采用独立的进样系统和密封设计；所述的产物采集分析系统III的前端与并列小固定床反应器5末端采用螺纹连接，由切换阀7、质谱检测器8、背压阀4和放空阀9构成，从各小反应器流出产物通过自动切换阀7与质谱检测器8连接进行实时检测，多余的产物通过放空阀9排放。

2.按照权利要求1所述的一种多通道固定床反应器的反应方法，其特征在于：称取5～50种制备好的固体粉末催化剂各0.2～5.0g分别装入到5～50个内径6～12mm，长60～300mm，厚度2～5mm反应器中部，两端用石英棉封堵，将各反应器拧紧后放入加热油浴中，调节油浴温度到60～220℃，通入反应物，调节背压阀4控制反应气压力到0.1～3.0MPa，从5～50个反应器流出的产物经切换阀7进入质谱检测器8进行在线分析，打开放空阀9排放多余的产物。