專利名稱：催化反應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種催化反應(yīng)的方法，具體地說，涉及一種在超重力場中進(jìn)行催化反應(yīng)的方法。
背景技術(shù)：
催化反應(yīng)在化學(xué)工業(yè)、石化工業(yè)、生物化工及環(huán)境工程等方面都有著極其廣泛的應(yīng)用。幾乎所有的催化反應(yīng)都存在著內(nèi)外擴(kuò)散的問題，如反應(yīng)物料之間的擴(kuò)散、反應(yīng)物料與催化劑之間的擴(kuò)散、產(chǎn)物與催化劑之間的擴(kuò)散等。由于傳質(zhì)效果差，在常重力場中擴(kuò)散問題成為阻礙催化反應(yīng)順利進(jìn)行的主要因素。在實(shí)際應(yīng)用中常重力場下的催化反應(yīng)普遍存在著以下缺點(diǎn)1、催化劑用量大，催化劑利用率低；2、傳質(zhì)慢；3、物料的停留時間長，副產(chǎn)物多，生產(chǎn)效率低；4、能耗大；5、催化反應(yīng)設(shè)備體積大。
根據(jù)英國帝國化學(xué)工業(yè)公司(ICI)提出的EP0023745 A3專利，提到旋轉(zhuǎn)床可用于吸收、解析、蒸餾等過程，但沒有公開工業(yè)化規(guī)模的應(yīng)用技術(shù)。CN1064338A公開了利用旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行油田注水脫氧的方法；CN1116146A公開了一種在超重力場下制備超微顆粒的方法；CN1116185A公開了利用旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置作為反應(yīng)器，制備超細(xì)碳酸鈣的方法；CN1341694A公開了采用超重力旋轉(zhuǎn)填充床技術(shù)制備納米氫氧化鎂的新工藝；這些技術(shù)成功地將旋轉(zhuǎn)床應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的制備過程。
盡管如此，由于超重力場技術(shù)是八十年代初才出現(xiàn)的新技術(shù)，其內(nèi)部機(jī)理還在繼續(xù)探索，應(yīng)用開發(fā)研究仍在不斷進(jìn)行，新的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷的開拓。例如，旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置在催化反應(yīng)方面的應(yīng)用尚未見公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種催化反應(yīng)的新方法。
由于旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置可以強(qiáng)化傳遞與反應(yīng)過程，在旋轉(zhuǎn)床超重力場反應(yīng)器中進(jìn)行催化反應(yīng)，可強(qiáng)化反應(yīng)物料之間、反應(yīng)物料與催化劑之間及產(chǎn)物與催化劑之間的傳質(zhì)，減少擴(kuò)散對催化反應(yīng)過程的影響，使反應(yīng)物迅速離開反應(yīng)環(huán)境，促使反應(yīng)物向產(chǎn)物方向移動，從而克服常重力場中催化反應(yīng)存在的缺點(diǎn)，達(dá)到減少催化劑的用量，提高催化劑的利用率，提高催化劑的選擇性，減少副產(chǎn)物的生成，減少設(shè)備體積，降低能耗的效果。同時，由于傳熱過程的強(qiáng)化使反應(yīng)熱迅速被移出，使催化反應(yīng)更加平穩(wěn)進(jìn)行。
本發(fā)明的催化反應(yīng)方法，其特征在于催化反應(yīng)在超重力場中進(jìn)行。
其中所述的催化反應(yīng)利用旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置作為反應(yīng)器，該旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)子上固定有多孔催化劑層和/或多孔填料層。
本發(fā)明涉及的催化反應(yīng)為均相或多相催化反應(yīng)。
優(yōu)選本發(fā)明涉及的多相催化反應(yīng)包括催化加氫反應(yīng)，如炔鍵、二烯鍵加氫為烯鍵的反應(yīng)，烯鍵、二烯鍵加氫為烷鍵的反應(yīng)，油品加氫脫硫、脫氮、脫重金屬反應(yīng)，丁辛醛加氫制備丁辛醇反應(yīng)，油脂加氫，脂肪酸加氫，苯加氫制環(huán)己烷等有氫氣存在的反應(yīng)；催化脫氫反應(yīng)，如乙苯脫氫制苯乙烯和丁烷或丁烯脫氫制丁二烯等；有機(jī)合成催化反應(yīng)，如利用催化反應(yīng)制備農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料中間體，香料、橡膠促進(jìn)劑、乙苯等；合成氣制造催化反應(yīng)，如合成甲醇，烯烴制醛和乙酸制乙酸酐等催化反應(yīng)；氧化反應(yīng)，如乙烯及丙烯氧化制環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷，苯及萘氧化制順酐和苯酐，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應(yīng)；催化裂化和催化重整。
優(yōu)選本發(fā)明涉及的均相催化反應(yīng)包括氫甲?；磻?yīng)，也稱羰基合成反應(yīng)；環(huán)狀二烯烴選擇加氫生成環(huán)狀單烯烴反應(yīng)，如環(huán)戊二烯選擇加氫生成環(huán)戊烯；烯烴二聚或齊聚反應(yīng)或聚合反應(yīng)；乙烯、一氧化碳、水或醇合成丙烯酸和丙烯酸酯反應(yīng)等。
更優(yōu)選本發(fā)明的催化反應(yīng)為含有C4～C5餾份的反應(yīng)物料的全加氫反應(yīng)。
催化反應(yīng)體系反應(yīng)原料的相態(tài)為氣、液、固三相的任意組合，如氣-液-固、氣-液、氣-固、液-液-固、液-固、液-液、氣-液-液等。氣相可以是單一組份，也可以是含二個組份以上的混合氣體，其中應(yīng)含有一定比例的反應(yīng)組份。液相可以是單組份液體或溶液，也可以是混合液體或溶液。固相是單組份或多組份混合物，部分混入某一液相中，部分固定在旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置轉(zhuǎn)子上或全部固定在旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置轉(zhuǎn)子上。其中催化劑可以是固相，也可以是液相。
本發(fā)明的催化反應(yīng)方法是將反應(yīng)物料引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中，使之在固定有多孔催化劑層或多孔填料層的轉(zhuǎn)子周圍，在高度湍動的情況下進(jìn)行逆流或并流傳質(zhì)與反應(yīng)，以消除或減少內(nèi)外擴(kuò)散的影響，加速催化反應(yīng)的進(jìn)行。
具體地說，對氣-液-固相或氣-液相催化反應(yīng)，將氣相引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中，使之與液相在固定在轉(zhuǎn)子上的高速旋轉(zhuǎn)著的多孔催化劑層或多孔填料層中在高度湍動的情況下進(jìn)行逆流或并流傳質(zhì)與反應(yīng)。對氣-固相催化反應(yīng)，將氣相引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中，使之通過固定在轉(zhuǎn)子上的高速旋轉(zhuǎn)著的多孔催化劑層，在旋轉(zhuǎn)著的催化劑層的作用下，氣體處于高度湍動狀態(tài)。對液-液相或液-液-固相或液-固相催化反應(yīng)，使之預(yù)先混合或在高速旋轉(zhuǎn)著的多孔催化劑層或多孔填料層的內(nèi)腔外預(yù)混，然后通過高速旋轉(zhuǎn)著的多孔催化劑層或多孔填料層，在高度湍動的情況下進(jìn)行傳質(zhì)與反應(yīng)。
本發(fā)明涉及的方法，優(yōu)選所述含反應(yīng)物料的氣體通過氣相進(jìn)口沿切向引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置，穿過旋轉(zhuǎn)的固定有多孔填料層或催化劑層的轉(zhuǎn)子與由置于旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中心的液體分布器噴出的含反應(yīng)物料的液相逆流接觸，氣液兩相在旋轉(zhuǎn)的填料層或催化劑層中反應(yīng)，氣相產(chǎn)物由氣相出口引出，液相產(chǎn)物被甩出后經(jīng)液相出口引出。
本發(fā)明涉及的方法，優(yōu)選所述含反應(yīng)物料的氣體由氣相出口引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置，液相由置于旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中心的液體分布器引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置，氣液兩相并流接觸，共同穿過旋轉(zhuǎn)的固定有多孔填料層或催化劑層的轉(zhuǎn)子，在旋轉(zhuǎn)的填料層或催化劑層中反應(yīng)，氣相產(chǎn)物由氣相進(jìn)口引出，液相產(chǎn)物被甩出后經(jīng)液相出口引出。
在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選作為反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在100rpm～2000rpm之間。
優(yōu)選涉及的催化反應(yīng)溫度為10～350℃，壓力為1～100atm。
當(dāng)催化反應(yīng)體系使用固體催化劑時，催化劑在轉(zhuǎn)子上固定的方式有二種，一種是將催化劑附著在金屬或非金屬載體上作成圓環(huán)形整體固定在轉(zhuǎn)子上；另一種是將催化劑及載體作成球形、條形、扇形、弧形、半圓環(huán)或圓環(huán)等形狀，整砌或散堆在轉(zhuǎn)子框內(nèi)。
本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于在旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中進(jìn)行催化反應(yīng)，極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過程，減少或消除了反應(yīng)物料之間，反應(yīng)物料與催化劑之間，以及反應(yīng)產(chǎn)物與催化劑之間的擴(kuò)散過程對催化反應(yīng)的影響，從而縮短了反應(yīng)時間，使單位時間單位催化劑體積的處理能力提高十幾倍乃至上百倍，使催化劑的用量大大地減少，催化劑的利用率大大地提高，設(shè)備的尺寸大大地減小，降低了能耗，減少了設(shè)備的投資。
2、由于反應(yīng)物料在旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中的停留時間縮短(小于0.5秒)，所以副產(chǎn)物明顯減少，催化劑的選擇性明顯提高，產(chǎn)品的質(zhì)量明顯提高。
3、由于在超重力場中強(qiáng)化了氣液相的傳質(zhì)過程，使氣體與液體在微觀上能充分混合，氣體更易溶于液相中，因而能降低反應(yīng)壓力，使一些高壓、高溫氣液相反應(yīng)可以在較低壓力和溫度下進(jìn)行，進(jìn)而降低能耗，解決了壓高溫反應(yīng)的材質(zhì)問題和工程放大問題，可節(jié)省大量投資。


圖1氣液相逆流接觸旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置示意圖。
圖2氣液相并流接觸旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置示意圖。
1氣相進(jìn)口 2轉(zhuǎn)子 3液體分布器 4氣相出口 5液相出口 6液相進(jìn)口具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的方法。
如圖1所示，氣液兩相采用逆流接觸的方式進(jìn)行催化反應(yīng)。含有反應(yīng)物料的氣體通過氣相進(jìn)口1沿切向引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置，在壓力差的作用下穿過高速旋轉(zhuǎn)的固定有多孔催化劑層的轉(zhuǎn)子2與由置于旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置反應(yīng)器中心的液體分布器3噴出的含有反應(yīng)物料的液相逆流接觸，氣液兩相在高速旋轉(zhuǎn)的催化劑層中強(qiáng)烈混合、湍動進(jìn)行傳質(zhì)與反應(yīng)，反應(yīng)后的氣相由旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置反應(yīng)器的氣相出口4引出，反應(yīng)后的液相被高速甩出后經(jīng)液相出口5引出，氣液兩相各自進(jìn)入后處理系統(tǒng)或做他用。
如圖2所示，氣液兩相采用并流接觸的方式進(jìn)行催化反應(yīng)。氣液兩相分別由旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置反應(yīng)器的中心的氣相出口4和液相進(jìn)口6引入，共同穿過高速旋轉(zhuǎn)的安裝有催化劑層的轉(zhuǎn)子2，氣液兩相在高速旋轉(zhuǎn)的催化劑層中強(qiáng)烈混合、湍動進(jìn)行傳質(zhì)與反應(yīng)，反應(yīng)后的氣相由旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置反應(yīng)器的氣相入口4引出，反應(yīng)后的液相被高速甩出后經(jīng)液相出口5引出，氣、液兩相分別進(jìn)入后處理系統(tǒng)或做他用。
實(shí)施例1在旋轉(zhuǎn)床反應(yīng)器中進(jìn)行C4餾份全加氫。C4餾份全加氫是氣-液-固三相反應(yīng)，所用物料為H2、C4餾份，其主要組份為丁烷、丁烯、丁二烯及丁炔，所用催化劑為Pt/Al2O3或Pd/Al2O3，溫度10～180℃，壓力2～40atm，轉(zhuǎn)速400～1500rpm。C4餾分的空速10～100hr-1，氫/不飽和鍵mol/mol(氫氣/(丁烯+2×丁二烯+2×丁炔+3×乙烯基乙炔))1.0～1.2，原料與產(chǎn)物的循環(huán)比5～9∶1。
如圖1所示，將30ml催化劑固定在旋轉(zhuǎn)床反應(yīng)器的轉(zhuǎn)子2上，氫氣由氣相進(jìn)口1沿切向引入反應(yīng)器內(nèi)，液相C4餾份由液體分布器3噴向高速旋轉(zhuǎn)的催化劑層的內(nèi)緣，氫氣與C4餾份在150g的離心加速度的作用下在催化劑層上強(qiáng)烈地湍動充分地接觸反應(yīng)后，過量的氫氣由氣相出口4排出，液相C4餾份被甩出，由液相出口5排出反應(yīng)器。
反應(yīng)工藝條件為入口溫度35℃，壓力25atm，空速50hr-1，氫/不飽和鍵(mol/mol)1.1對比例在兩段固定床反應(yīng)器中進(jìn)行C4餾份全加氫。所用催化劑和原料與實(shí)施例相同。
反應(yīng)工藝條件為入口溫度35℃，壓力30atm，C4餾份的空速20hr-1，氫/不飽和鍵(mol/mol)1.1，原料與產(chǎn)物的循環(huán)比5～9∶1。
表1列出了實(shí)施例1和對比例進(jìn)行全加氫反應(yīng)后產(chǎn)物的各項指標(biāo)。
表1 全加氫反應(yīng)產(chǎn)物的含量

權(quán)利要求
1.一種催化反應(yīng)方法，其特征在于，使催化反應(yīng)在超重力場中進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述的催化反應(yīng)利用旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置作為反應(yīng)器，該旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置的轉(zhuǎn)子上固定有多孔催化劑層和/或多孔填料層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述的催化反應(yīng)為均相或多相反應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述的催化反應(yīng)包括催化加氫反應(yīng)，催化脫氫反應(yīng)，有機(jī)合成催化反應(yīng)，合成氣制造催化反應(yīng)，氧化反應(yīng)，催化裂化，催化重整，氫甲酰化反應(yīng)，烯烴聚合反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述的催化反應(yīng)為含有C4-C5餾份的反應(yīng)物料的全加氫反應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述含反應(yīng)物料的氣體通過氣相進(jìn)口沿切向引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置，穿過旋轉(zhuǎn)的固定有多孔填料層或催化劑層的轉(zhuǎn)子與由置于旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中心的液體分布器噴出的含反應(yīng)物料的液相逆流接觸，氣液兩相在旋轉(zhuǎn)的填料層或催化劑層中反應(yīng)，氣相產(chǎn)物由氣相出口引出，液相產(chǎn)物被甩出后經(jīng)液相出口引出。
7.按照權(quán)利要求2所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述含反應(yīng)物料的氣體由氣相出口引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置，液相由置于旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置中心的液體分布器引入旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置，氣液兩相并流接觸，共同穿過旋轉(zhuǎn)的固定有多孔填料層或催化劑層的轉(zhuǎn)子，在旋轉(zhuǎn)的填料層或催化劑層中反應(yīng)，氣相產(chǎn)物由氣相進(jìn)口引出，液相產(chǎn)物被甩出后經(jīng)液相出口引出。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為100-2000rpm。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于所述的催化反應(yīng)溫度為10-350℃，壓力為1-100atm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的催化反應(yīng)方法，其特征在于將所述的催化劑附著在金屬或非金屬載體上作成圓環(huán)形整體固定在轉(zhuǎn)子上或?qū)⒋呋瘎┘拜d體制成球形、條形、扇形、弧形、半圓環(huán)或圓環(huán)的形狀，整砌或散堆在轉(zhuǎn)子框內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種催化反應(yīng)方法。本發(fā)明的方法是使催化反應(yīng)在超重力場中進(jìn)行。本方法利用旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置作為反應(yīng)器，該旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置的轉(zhuǎn)子上固定有多孔催化劑層和/或多孔填料層，所述的催化反應(yīng)為均相或多相反應(yīng)。本方法克服常重力場中催化反應(yīng)存在的缺點(diǎn)，達(dá)到減少催化劑的用量，提高催化劑的利用率，提高催化劑的選擇性，減少副產(chǎn)物的生成，減少設(shè)備體積，降低能耗的效果。
文檔編號B01J19/28GK1507940SQ0215650
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月16日
發(fā)明者楊元一, 戴偉, 李振虎, 陳建鋒, 郭鍇, 郭奮 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司北京化工研究院, 北京化工大學(xué)