一种缠绕管式催化剂组件、大通量换热反应器及制备方法技术

一种缠绕管式催化剂组件、大通量换热反应器及制备方法，属于反应工程和工业催化领域。本发明专利技术提出一种将大换热通量的缠绕管式换热结构与整体催化相结合的新思路，直接将换热管束作为支撑体，在管外喷涂催化剂，喷涂时在管内通入加热介质，实现催化剂喷涂和烘干同步进行，保证涂膜均匀，之后通过原位焙烧和还原制备出以缠绕管为支撑体的整体薄膜催化剂组件，将其装入壳体组装成换热反应器，管程通入换热介质，壳程通入反应物，实现化学反应和大通量换热同时进行。该换热反应器压力降小，换热紧凑导热性好，能实现大通量换热，催化效率高且催化剂装填卸载方便，适合需要同时提供或移走热量的化学反应，尤其强放热和强吸热反应。尤其强放热和强吸热反应。尤其强放热和强吸热反应。

【技术实现步骤摘要】
一种缠绕管式催化剂组件、大通量换热反应器及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种催化剂组件的制备方法，以及以缠绕管为支撑体的整体薄膜催化剂组件，属于反应工程和工业催化领域。

技术介绍

[0002]换热式固定床反应器，其催化剂床层在进行化学反应的同时，可与外界进行热量交换以便控制床层温度。一般采取列管式结构，将催化剂填充于管间或管内，目前工业上广泛使用，如乙烯环氧化制环氧乙烷、乙炔与氯化氢生产氯乙烯、烃类水蒸气重整制合成气等。然而，传统的固定床换热反应器催化剂填充于换热管之间，其结构复杂、催化剂装卸不方便，且存在单机换热管装填容量低、传热面积小、传热差等问题，对于强放热或强吸热反应，容易因温度急剧上升使催化剂烧结失活或因供热不足导致反应骤停。此外，传统的固定床换热反应器仍采用颗粒催化剂，床层压力降较大，且催化剂容易磨损破碎产生大量粉尘。

技术实现思路

[0003]为克服现有列管式换热反应器的缺点和不足，如结构复杂、催化剂装卸不便，单机换热管装填容量低、传热面积小、传热效果差以及床层压降大等问题，本专利技术提供一种缠绕管式催化剂组件、一种催化剂组件的制备方法和一种固定床反应器。本专利技术的技术方案：一种催化剂组件包括缠绕式换热管束、催化剂层和设置在缠绕式换热管束和催化剂层之间的载体层，所述载体层的比表面积为30
‑
400m2/g；所述催化剂层包含至少一种金属单质；所述金属单质选自钌、铑、钯、铱、铂或者铬、锰、钴、铁、铜、铈、锌。
[0004]一些具体的催化剂组件中，所述载体层包含5
‑
10层厚度为10
‑
30μm的氧化物层；氧化物层包含至少一种纳米氧化物和至少一种氧化物；所述的氧化物选自三氧化二铝、二氧化锰、二氧化硅、二氧化钛，二氧化锆、二氧化铈；所述纳米氧化物选自直径为20
‑
200nm的纳米三氧化二铝、二氧化锰、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛，纳米二氧化锆、纳米二氧化铈；一些具体的催化剂组件中，所述金属单质选自钌、铑、钯、铱、铂时，金属单质占催化剂层和载体层总重量的0.5
‑
2.0%；所述金属单质选自铬、锰、钴、铁、铜、铈、锌时，金属单质占催化剂层和载体层总重量的10
‑
25%。
[0005]一些具体的催化剂组件中，所述载体层的比表面积为100
‑
300m2/g。
[0006]另一种催化剂组件，包括缠绕式换热管束和设置在缠绕式换热管束外壁上的比表面积为30
‑
100m2/g的催化剂层；所述催化剂层包含5
‑
10层厚度为10
‑
20μm的氧化物层； 所述氧化物层包含铬的氧化物、锰的氧化物、钴的氧化物、铁的氧化物、铜的氧化物、钛的氧化物、锆的氧化物、铈的氧
化物、锌的氧化物中的至少一种；具体的，氧化物可选自Cr2O3、MnO
x
、Co3O4、FeO
x
、CeO2、ZnO、CuO、TiO2、ZrO2，其中，x为1
‑
4的数。
[0007]一些具体的催化剂组件中，所述催化剂层的比表面积为30
‑
100m2/g。
[0008]一种催化剂组件的制备方法，包括以下步骤：在旋转的换热管束外壁上喷涂载体浆料，换热管束内通入导热介质进行预热、烘干和焙烧，重复至少一次，得到负载中间层的换热管束；以及在旋转的负载中间层的换热管束上喷涂催化剂浆料，换热管束内通入导热介质进行烘干和焙烧，喷涂至少一次，得到负载中间层和催化剂材料层的换热管束，还原催化剂材料层得到所述的催化剂组件；或者负载中间层的换热管束作为催化剂组件。
[0009]一些具体的制备方法中，所述载体浆料包含纳米氧化物和溶胶，催化剂浆料包含至少一种活性金属盐；所述纳米氧化物选自纳米三氧化二铝、纳米二氧化锰、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米二氧化铈中的至少一种，溶胶选自铝溶胶、硅溶胶、钛溶胶、锰溶胶、锆溶胶、铈溶胶中的至少一种，具体的，可以选用金属醇盐或者金属硝酸盐和柠檬酸配制相应的醇盐溶胶、氢氧化物溶胶、配合物溶胶；醇盐可选自异丙醇铝、硅酸乙酯、异丙醇钛、正丙醇钛、钛酸四丁酯、正丙醇锆，金属硝酸盐可选自硝酸铝、硝酸钛、硝酸锆。
[0010]具体的，所述纳米氧化物选自纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米二氧化锰、纳米二氧化铈中的1
‑
3种，溶胶选自铝溶胶、锰溶胶、硅溶胶、钛溶胶、锆溶胶、铈溶胶中的1
‑
3种。
[0011]所述活性金属盐选自钌盐、铑盐、钯盐、铱盐、铂盐或者铬盐、锰盐、钴盐、铁盐、铜盐、铈盐、锌盐；所述活性金属盐选自钌盐、铑盐、钯盐、铱盐、铂盐时，催化剂浆料中的金属含量为0.5
‑
4wt%；所述活性金属盐选自铬盐、锰盐、钴盐、铁盐、铜盐、铈盐、锌盐时，催化剂浆料中的金属含量为5
‑
30wt%。
[0012]具体的，所述金属盐选自钌盐、铑盐、钯盐、铱盐、铂盐或者铬盐、锰盐、钴盐、铁盐、铜盐、铈盐、锌盐中的1
‑
3种。
[0013]一些具体的制备方法中，所述载体浆料中纳米氧化物的含量为5
‑
15 wt%，载体浆料的pH值为3
‑
10，粘度为5
‑
20mPa.s，纳米氧化物的直径为50
‑
200nm。
[0014]一些具体的制备方法中，载体浆料喷涂的流量为0.5
‑
2L/min，雾滴直径为30
‑
100μm，换热管束的转速为10
‑
20
°
/s，喷涂1
‑
3min后，烘干、焙烧，重复4
‑
9次，共喷涂5
‑
10次；催化剂浆料喷涂的流量为0.5
‑
2L/min，雾滴直径为30
‑
100μm，换热管束的转速为5
‑
10
°
/s，喷涂2
‑
5min后，烘干、焙烧，重复0
‑
2次，共喷涂1
‑
3次。
[0015]一些具体的制备方法中，所述的载体浆料包含柠檬酸钠以及铬盐、锰盐、钴盐、铁盐、铜盐、铈盐、锌盐中的至少一种，载体浆料中金属含量为5
‑
30wt%。
[0016]一些具体的制备方法中，所述的载体浆料包含柠檬酸钠以及铬盐、锰盐、钴盐、铁盐、铜盐、铈盐、锌盐中的1
‑
3种，载体浆料中金属总摩尔量和柠檬酸钠的摩尔量相同。
[0017]一些具体的制备方法中，载体浆料喷涂的流量为0.5
‑
2L/min，雾滴直径为30
‑
100μ
m，换热管束的转速为10
‑
20
°
/s，喷涂3
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化剂组件，其特征在于，包括缠绕式换热管束、催化剂层和设置在缠绕式换热管束和催化剂层之间的载体层，所述载体层的比表面积为30
‑
400m2/g，所述催化剂层包含至少一种金属单质；所述金属单质选自钌、铑、钯、铱、铂或者铬、锰、钴、铁、铜、铈、锌；所述载体层包含5
‑
10层厚度为10
‑
30μm的氧化物层；氧化物层包含至少一种纳米氧化物和至少一种氧化物；所述的氧化物选自三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化锰、二氧化锆、二氧化铈；所述纳米氧化物选自直径为50
‑
200nm的纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米二氧化锰、纳米二氧化锆、纳米二氧化铈。2.根据权利要求1所述的一种催化剂组件，其特征在于，所述金属单质选自钌、铑、钯、铱、铂时，金属单质占催化剂层和载体层总重量的0.5
‑
2.0%；所述金属单质选自铬、锰、钴、铁、铜、铈、锌时，金属单质占催化剂层和载体层总重量的10
‑
25%。3.一种催化剂组件，其特征在于，包括缠绕式换热管束和设置在缠绕式换热管束外壁上的比表面积为30
‑
100m2/g的催化剂层；所述催化剂层包含5
‑
10层厚度为10
‑
20μm的氧化物层；所述氧化物层包含铬的氧化物、锰的氧化物、钴的氧化物、钛的氧化物、锆的氧化物、铁的氧化物、铜的氧化物、铈的氧化物、锌的氧化物中的至少一种。4.一种催化剂组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在旋转的换热管束外壁上喷涂载体浆料，换热管束内通入导热介质进行预热、烘干和焙烧，重复至少一次，得到负载中间层的换热管束；以及在旋转的负载中间层的换热管束上喷涂催化剂浆料，换热管束内通入导热介质烘干和焙烧，喷涂至少一次，得到负载中间层和催化剂材料层的换热管束，还原催化剂材料层得到所述的催化剂组件；或者负载中间层的换热管束作为催化剂组件。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的载体浆料包含纳米氧化物和金属溶胶；所述的催化剂浆料包含至少一种活性金属盐；所述的活性金属盐选自钌盐、铑盐、钯盐、铱盐、铂盐或者铬盐、锰盐、钴盐、铁盐、铜盐、铈盐、锌盐。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的纳米氧化物选自纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米二氧化锰、纳米二氧化铈中的至少一种；所述溶胶选自铝溶胶、硅溶胶、钛溶胶、锰溶胶、锆溶胶、铈溶胶中的至少一种；所述活性金属盐选自钌盐、铑盐、钯盐、铱盐、铂盐时，催化剂浆料中的金属含量为0.5
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4wt%；所述活性金属盐选自铬盐、锰盐、钴盐、铁盐、铜盐、铈盐、锌盐时，催化剂浆料中的金属含量为5
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30wt%。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述载体浆料中纳米氧化物的含量为5
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15 wt%，载体浆料的pH值为3
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10，粘度为5
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20mPa.s，纳米氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：代玉强，徐琴琴，牛硕磊，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：