一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法、装置及应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法、装置及应用。所述方法包括：将催化剂和填料装载在超重力旋转床反应器的转子内，向超重力旋转床反应器中加入不参与反应的惰性液相介质；开启超重力旋转床反应器，通过变频器调节超重力旋转床反应器转速，使不参与反应的惰性液相介质在催化剂表面形成液膜；通入气相反应物，所述液膜选择性地允许气相反应物穿过液膜传递到催化剂表面进行催化反应。本发明专利技术在传热、传质、压降方面显现出较强优越性，整体催化剂活性组分用量较少，并可根据反应体系选用具有特定选择性的惰性液相溶剂来转移某一反应物，还可通过改变超重力旋转床反应器的转速，调控催化剂表面的液膜厚度从而有目的的量化反应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及催化反应领域。更具体地，涉及一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法、装置及应用。
技术介绍
反应器是化学反应发生的主要场所。常见的反应有气液、液液、气固、气液固等多相反应。其中，常见的气固反应器类型有气固流化床反应器和气固固定床反应器。气固流化床反应器结构相对复杂，操作中需满足压降小、高气速的要求，过程不易控制，因此与反应体系的匹配要求比较高，操作中的气速、带出量、与配套的旋风等分离设备设计比较严格。使用粉末状的催化剂，气阻较大，催化剂流失严重或者分散不均等不利情况会影响催化效果，操作条件不当还会引起床内腾涌和沟流。但流化床接触面积大，可以改善传质环境，时空产率高。气固固定床反应器结构简单，易于操作，反应流体在固定床内接近平推流，随处理程度不同可一次性或回流循环处理。但一般认为在固定床中，催化剂固定，因此比表面积减小，其催化效率有所降低。工业气固反应的反应速率约为0.5～15mol/(m3·s)，相应的热量生成速率约为0.25～7.5MW/m3。对于快速放热反应而言，通常通过改变催化剂量、活性金属量、反应温度、气相压力等参数来控制移热。无论是流化床还是固定床，对于气固反应而言还存在一定的弊端和改进空间。特别是对于至少二种组分的混合进料(A和B)的气固催化反应，反应物料A在催化剂表面反应的同时，不参与反应的B也会占据催化剂表面空间，因此会减弱反应速率，降低转化率。例如，乙烯是重要的化工原料，通常炼油工业中会产生乙烯和乙炔的混合气。一方面，希望将乙炔转化为乙烯加以利用；另外一方面，乙炔会使下游乙烯聚合的催化剂中毒。在催化剂的作用下，希望对混合气(乙烯和乙炔)中的乙炔进行选择性加氢反应，最大限度的将乙炔转化为乙烯。但实际反应时，乙烯分子和乙炔分子都会占据催化剂表面，降低了乙炔分子与催化剂接触的概率。受气液固反应的启发，若能在气固反应器中引入惰性的第三相(液相)，实现覆盖在催化剂表面的液膜对混合气的选择性传递过程，最终实现气固反应的选择性催化反应。液膜的厚度不仅对反应的移热有影响，同时影响气相通过液膜扩散到催化剂表面、产物从催化剂表面离开扩散到气相主体的传质阻力。但常规的固定床反应器，一般很难调控催化剂液膜的厚度，以实现传质阻力的调控。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法。本专利技术的第二个目的在于提供一种实施通过调控液膜实现选择性催化反应方法的装置。本专利技术的第三个目的在于提供一种实施通过调控液膜实现选择性催化反应方法的装置的应用。超重力旋转床反应器具有优异的传质和微观混合性能。在超重力旋转床反应器中，通过调控旋转床转速即可实现对液膜厚度的调控。同时，由于液膜在旋转床反应器中具有快速的更新频率，十分有利于产物迅速离开催化剂表面，实现高效催化和产物分离。因此本专利技术提出一种在超重力旋转床反应器中引入第三相，实现气固选择性催化反应的方法。将催化剂装载在转子内，使气固反应在超重力旋转床反应器中进行。在超重力旋转床反应器内加入某种惰性液相介质，通过变频器调节旋转床反应器转速来调控填料表面液相的液膜厚度，从而调控气相的传质速率或生产物的扩散速率。所述的液膜对气体具有一定的选择性，可选择某些特定气相反应物传递到气固表面参与催化反应。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法，包括如下步骤：将催化剂和填料装载在超重力旋转床反应器的转子内，向超重力旋转床反应器中加入不参与反应的惰性液相介质；开启超重力旋转床反应器，通过变频器调节超重力旋转床反应器转速，使不参与反应的惰性液相介质在催化剂表面形成液膜；通入气相反应物，所述液膜选择性地允许气相反应物穿透液膜传递到催化剂表面进行催化反应。本专利技术技术方案需要寻找适宜反应体系的惰性液相介质，需要对反应物及产物的性质有细致深入的了解。不同的反应物性质有很大的差别，需要根据其极性、溶解度等性质对惰性液相介质进行选择。所选的液相介质不应参加目标反应，不应对催化剂活性组分有溶解或毒害作用，且在反应温度和压力下不发生相变。优选地，所述不参与反应的惰性液相介质选自具有极性的溶剂、超临界流体和离子液体中的一种或多种。优选地，当超重力旋转床反应器的转速为50～2400rpm，液膜的厚度为10～50μm。更优选地，当超重力旋转床反应器的转速为500～1500rpm，液膜的厚度为17～27μm。本专利技术技术方案还需要解决的一大技术问题是催化剂在载体上的固定问题，尤其是当旋转床的转速很高时，对活性组分与载体之间的粘附力有很高的要求。因此，为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种实施如上所述通过调控液膜实现选择性催化反应方法的装置，所述装置为超重力旋转床反应器，所述超重力旋转床反应器的转子内装载催化剂和填料，所述催化剂和填料为整体结构式的催化剂填料，所述整体结构式的催化剂填料包括基本骨架和活性组分。优选地，所述基本骨架既对反应器内流体进行切割，又能支撑第二载体、活性组分及助催化剂等，需具备一定的机械强度。所述基本骨架为整块的填料，或者直径不同的同心填料圈。优选地，所述活性组分是起催化作用的根本性物质，可以为贵金属单质Pt、Pu、Ru等，贵金属化合物CuO、PdCl2等，非贵金属Cu、Fe、Mn等、或非贵金属化合物二甲胺基吡啶、4-吡咯烷吡啶、三苯基膦等。优选地，所述基本骨架的材料为硅藻土、堇青石、海泡石、泡沫陶瓷、泡沫金属、泡沫合金或金属丝网等。优选地，所述整体结构式的催化剂填料还包括第二载体和助催化剂。优选地，所述第二载体需要具备一定的比表面积，为Al2O3、CeO2-Y2O3或LaAlO3等。优选地，所述助催化剂可提高主催化剂的活性和选择性，改善催化剂耐热性和寿命等，选自Li、Na、K、Mg、Ca、Mo、Sr、Ba、La、Ce和Zr中的一种或多种等。为达到上述第三个目的，本专利技术还公开了如上所述的装置在通过调控液膜实现选择性催化反应的气液固三相反应中的应用。本专利技术的有益效果如下：(1)传热方面，填料若采用整体结构，由于其孔道多，孔壁较薄，比表面积高，可通过大面积的液膜来移除反应产生的热量，防止反应温度的骤然升高；(2)传质方面，采用涂覆式的整体结构式催化剂，活性组分分散在表面上，高的比表面积缩短了反应物到达活性中心的扩散路程；同时，在离心力作用下，液膜被填料不断剪切，加快更新频率；(3)压降方面，整体催化剂的突出特点就是压降低，其孔通道减少了流动阻力，在相同空速时其压降比颗粒状催化剂低2-3个数量级；(4)整体催化剂活性组分用量较少，一般不会超过30％；(5)选择性方面，可根据反应体系选用具有特定选择性的惰性液相溶剂来转移某一反应物，还可通过改变超重力旋转床反应器的转速，调控催化剂表面的液膜厚度从而有目的的量化反应。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出本专利技术超重力旋转床反应器进行气固反应流程图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。图1示出本专利技术超重力旋转床反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法，其特征在于，包括如下步骤：将催化剂和填料装载在超重力旋转床反应器的转子内，向超重力旋转床反应器中加入不参与反应的惰性液相介质；开启超重力旋转床反应器，通过变频器调节超重力旋转床反应器转速，使不参与反应的惰性液相介质在催化剂表面形成液膜；通入气相反应物，所述液膜选择性地允许气相反应物穿过液膜传递到催化剂表面进行催化反应。

【技术特征摘要】
1.一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法，其特征在于，包括如下步骤：将催化剂和填料装载在超重力旋转床反应器的转子内，向超重力旋转床反应器中加入不参与反应的惰性液相介质；开启超重力旋转床反应器，通过变频器调节超重力旋转床反应器转速，使不参与反应的惰性液相介质在催化剂表面形成液膜；通入气相反应物，所述液膜选择性地允许气相反应物穿过液膜传递到催化剂表面进行催化反应。2.根据权利要求1所述的一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法，其特征在于：所述不参与反应的惰性液相介质选自具有极性的溶剂、超临界流体和离子液体中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法，其特征在于：当超重力旋转床反应器的转速为50～2400rpm，液膜的厚度为10～50μm。4.根据权利要求1所述的一种通过调控液膜实现选择性催化反应的方法，其特征在于：优选地，当超重力旋转床反应器的转速为500～1500rpm，液膜的厚度为17～27μm。5.一种实施如权利要求1-4任一所述通...

【专利技术属性】
技术研发人员：初广文，罗勇，陈建峰，邹海魁，刘亚朝，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11