CN101274252A - 一种催化工艺的开发装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种催化工艺的开发装置，其包括新鲜反应物源，控制阀，采样阀，温度控制装置，具有较高转化率的第一反应器及具有较低转化率的第二反应器，通过向所述第二反应器中输入不同比例的新鲜反应物与第一反应器的排出物，其就可模拟一个复合平推流反应器的催化剂床的不同纵向部位的性能，也可向所述第二反应器中输入其它物质，如反应产物、副产物及工业反应器原料中可能存在的污染物和毒物来测试这些物质对反应过程的影响。对第一反应器及第二反应器的排出物进行采样分析可测试所述复合平推流反应器的质传、热传及动力学特性。此外，本发明还涉及一种用于催化工艺开发的方法。这样，利用本发明装置及方法就可以加快工业化规模的进程。

Description

一种催化工艺的开发装置及方法

【技术领域】

本发明涉及一种用于催化工艺开发的装置及其方法，该装置及方法可用于以较低的成本快速开发一种从其最初发现到商业应用的催化剂及其平推流催化工艺。特别的，本发明尤其是指一种实验室规模的平推流反应器装置及快速的放大(scale-up)其催化工艺的方法。

【背景技术】

为了放大(scale-up)一种平推流催化工艺，就需要研究反应时间(time onstream)、反应物停留时间(residence time)、催化剂颗粒尺寸、形状和其其他特征及温度曲线(temperature profile)对反应速率和催化剂选择性的影响。在传统的放大的研究中，第一步通常先涉及到的是选择催化剂及确定所选择催化剂的一些本质特性。为了减小传质对操作过程的影响，此步骤的操作常是选择经过稀释的压碎的催化剂或粉末状催化剂在等温条件下进行。在此步骤的操作开始时，需要对反应工艺的可变性进行测试，其主要目的在于确定空速、压力及反应物停留时间对反应速率和催化剂选择性的影响。这样，对该步骤所使用的催化剂活性及选择性的确定常需要六个多月到一年的时间。在此步骤操作过程的最后，仍需要对反应工艺的可变性再进行测试，用于确定以上特性是否会随着反应时间而变化。

其次，选择工业规格的所述催化剂在等温反应器中进行测试。所谓的工业规格的催化剂，其相较于上述压碎的催化剂具有较大的颗粒尺寸或具有特定的形状，用来减小操作过程中的压降。由于在反应过程中反应物或生成物进入或离开催化剂孔洞过程中质量传递的限制，一般大尺寸颗粒催化剂的反应速率及选择性较差。在此操作过程的开始及结束时，也常同样需要对工艺的可变性进行研究以测试催化剂活性及选择性，这样就又需要大约一年的时间。此外，此步骤常使用实验室规模的反应器来进行。

最后一步通常是选用具有一个或多个反应管的验证性规模的反应器，在绝热的条件下测试所述工业规格的催化剂。所述反应管的内径大约25.4mm(1英寸)，在一些情况下可增至约101.6mm(4英寸)。另外，为了更好的探究热量传递的影响，所述反应器常设置6-8个反应管，且反应管间的距离按照工业规模采用的距离设置。在一个放热反应中，如在管式反应器中或在不具有特别的除热设备的平推流反应器中，温度曲线的变化依赖于连续移除反应热的程度。温度的变化对催化剂的选择性、反应速率及活性具有显著的影响。在此步骤的测试中，常可对反应产生热点或温度失控的趋势进行测量。同样，此步骤往往需要一年多的时间。

可见，这一系列步骤的完成常需要三年多的时间，而且常常不一定能得到所有用于放大所需要的数据。对于很多催化剂来说，其反应速率及选择性与反应物停留时间和反应器持续进行反应的时间有关。这种关系是催化剂状态或规格变化的结果，而这种变化是由于催化剂反应的时间或从反应器入口至出口过程中气体或液体组成的不断变化而引起的。比如催化剂在遇到硫化氢及氨等物质并与其反应中，催化剂会被转化过程中形成的水氧化，于其表面会形成覆盖层及催化剂中毒等，从而引起催化剂状态或规格变化。另外，由于反应物和产物在催化剂孔中发生表面催化反应及其在孔中的蓄积也可导致传质速率(masstransfer rate)的降低。

近来，高通量实验技术被用来对新型催化剂及其催化工艺进行研究。这些高通量实验技术一般在减小热传及质传的影响下进行，其仅需要很少量(少于2毫升)的催化剂并具有很高的热传速率。然而，这种技术，比如美国专利第6,149,882号及第6,869,799号所揭示的，虽然可以对不同的待选催化剂的本征性能进行比较，但却不能提供用于放大所需要的数据。

所以，需要一种新的高通量催化工艺的研究方法及其装置用以克服现有技术的缺陷。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种具有较低成本的装置及其方法，该装置及方法用于开发一种从其最初发现到商业应用的催化流程。

所述催化开发装置可以同时以一种或多种形式测试一种或多种催化剂。

在本发明的一个实施例中，新鲜的反应物输入实验室规模的第一平推流反应器中，该第一反应器具有较高的转化率，如60-80％。全部或部分第一反应器的排出物可通过一个实验室规模的第二平推流反应器入口输入其中，该第二反应器具有较低的转化率，如5-20％，且其装载的催化剂层的高度小于所述第一反应器中装载的催化剂的高度。同时，也可另外输入定量的新鲜反应物到第二反应器中，这样通过调整输入到所述第二反应器中的所述第一反应器的排出物与定量的新鲜反应物的比例，所述第二反应器就可以用来模拟一个工业规模平推流反应器的一个选定的截面段(cross-sectional slice)的性能。

在本发明的另一个实施例中，还另外设置有一个或多个与所述第二反应器平行设置的具有较低转化率的平推流反应器，定义其为第三反应器。该第三反应器同样可用以输入所述具有较高转化率的第一反应器的排出物及新鲜的反应物。同时，该第三反应器装载的催化剂层同样比所述第一反应器内的催化剂层浅。当多个第三反应器均装载有相同的催化剂时，通过控制不同的输入不同反应器中第一反应器的排出物与新鲜反应物比例，这样，就可以同时模拟一个工业规模平推流反应器中不同段(different slices)的特性。另外，也可以往所述具有较低转化率的平推流反应器输入其它定量的物质，如反应产物、副产物或污染物等，来模拟测试这些物质对工业规模平推流反应器中不同段的影响。通过适时的改变于第一反应器排出物与新鲜反应物比例或加入所述其它物质，可以来模拟测试当所述变化的供料进入反应器后，催化剂针对该变化进行调整的过程中及所述变化的供料条件消除后，催化剂针对该供料条件消除后恢复的过程中，工业规模反应器催化剂床层不同段的瞬时反应。

所述平推流反应器可以是单程或循环操作的固定床反应器(Fixed BedReactors)、填充床反应器(Packed Bed Reactors)、滴流床反应器(Trickle BedReactors)及整体式反应器(Monolithic Reactors)。所述实验室规模平推流反应器是指平推流反应器的每一段反应器的内径小于101.6mm(4英寸)，较佳的是小于50.5mm(2英寸)，更佳的是小于25.4mm(1英寸)；其长度小于2.438m(8英尺)，较佳的是小于1.219m(4英尺)，更佳的是小于0.304m(1英尺)；除过惰性稀释物外，催化剂的装载量小于800克，较佳的是小于400克，更佳的是小于25克。

这样，通过不同的测试条件的测试，就可以模拟以后工业化规模反应器的诸多特性，从而加快工业化规模的进程。

【附图说明】

图1是本发明平推流反应器的装置示意图。

图2所示的为本发明的用于模拟绝热反应器的等温多级平推流反应器的装置示意图。

图3为本发明反应器与分离器组装的一个实施例的示意图。

图4为本发明反应器与分离器组装的另一个实施例的示意图。

图5为本发明反应器与分离器组装的再一个实施例的示意图。

【较佳实施例】

如图1所示，其为本发明的实验室规模反应装置的一个实施例。在该实施例中，所述反应装置为一个复合的多级串联平推流反应器。该反应装置可以用来研究在工业规模的平推流反应器中与经度相关(longitudinally dependent)的质传、热传及动力学特性。在本实施例中，该平推流反应器为固定床反应器。参看图1所示，固定床反应器11，定义为第一反应器，其内设置有工业规格的催化剂床层13。新鲜反应物自反应物源15进入反应器11进行反应。反应后形成的排出物从反应器11排出后通过控制阀(control valve)19-1到19-n分别进入对应的实验室规模的固定床反应器17-1到17-n中。所述控制阀19-1到19-n可控制分别进入平行设置的固定床反应器17-1到17-n的流量。反应器17-1到17-n内均分别设置有对应的催化剂床层21-1到21-n。该催化剂床层21-1到21-n的转化率较低，其用惰性颗粒进行稀释以保证催化剂床层在等温的条件下进行操作。催化剂床层21-1到21-n的转化率大致控制为25％或者更小，优选5-20％的转化率，其床层厚度小于催化剂床层13的厚度。此外，反应物源15也可通过控制阀23-1到23-n供应定量的新鲜反应物到固定床反应器17-1到17-n中。

在放热反应中，从反应物源15供给固定床反应器17-1到17-n新鲜反应物的过程中，通常设置加热器18对所述新鲜反应物进行预热。反应器17-1到17-n出口处设置有采样阀25-1到25-n，可对反应器17-1到17-n的排出物进行采样。在图1所示中，采样阀25-1到25-n仅对反应器17-1到17-n的排出物进行采样，当然也可根据需要，也可在反应器11的出口处设置采样阀14来对反应器11的排出物进行采样。在本实施例中，采样阀14及全部或部分采样阀25-1和25-n可定义为第一采样阀。如图1所示，反应装置还包括有另一个供料源29，该供料源29通过控制阀31定量的供料给反应器17-1到17-n中的一个或多个。在图1所示中，供料源29通过控制阀31仅与反应器17-n相连，然而，本实施例并不仅限于此，供料源29可通过控制阀31与反应器17-1到17-n中的一个或多个相连或者对应不同的反应器17-1到17-n设置各自对应的控制阀与供料源29相连。在一个实施例中，供料源29的供料中含有反应物、反应副产物或污染物等。

反应器11的排出物和于反应物源15供给反应器17-1到17-n的新鲜反应物可分别通过对应的控制阀19-1到19-n及23-1到23-n进入到对应的反应器17-1到17-n中。反应器11通常有较高的转化率，如60-80％。当反应器11在既定的转化率如80％条件下操作时，可通过控制阀19-1到19-n及23-1到23-n来调整反应器11的排出物和反应物源15供给反应器17-1到17-n的新鲜反应物之间的比例，进而可调整反应器17-1到17-n的转化率，使其处于0到80％之间。以反应器17-1为例，控制阀19-1和23-1仅使反应器11的排出物进入反应器17-1中，控制催化剂床层21-1的厚度使于反应器11进入反应器17-1中的反应器11的排出物再转化5％左右。这样，催化剂床层21-1就相当于转化率在80-85％间的一个平推流反应器催化剂层的一个截面段(cross-sectional slice)。类似的，控制阀19-2和23-2使进入反应器17-2的物料已具有40％的转化率，且控制催化剂层21-2的厚度使该物料再转化5％左右，这样，催化剂层21-2就可以用来模拟转化率在40-45％间的一个催化剂层的一个截面段。进而，催化剂层21-1到21-n便可用来模拟一个平推流反应器沿催化剂层任意纵向位置的截面段的性能。通过反应器17-1和17-n中的催化剂层21-1及21-n来复制复合平推流反应器催化剂层连续的纵向部位来测量和分析一个大的催化剂层连续的纵向部分的特点和性能，从而测量目前还无法获知的催化剂床层的特点和性能的纵向分布。

在一个实施例中，通过供料源29来调整供给选定的反应器17-1到17-n的新鲜反应物中痕量组分的浓度，比如增加特定痕量组分(trace components)的浓度，来量化在全程操作条件下，反应中痕量组分在催化剂层不同部分的影响。这样就可以确定出在工业催化***中复合催化剂层的关键的纵向部位。在这些部位，催化剂较易中毒或者由于中毒发生抑制性反应或者生成副产品。

催化剂层21-1到21-n可以具有不同的组分，比如，催化剂层21-1和21-2分别装载有压碎的催化剂颗粒和工业规格的催化剂颗粒，两个催化剂层中均装载有惰性的稀释颗粒用以确保催化剂层在等温条件操作。这样就可以来测量催化剂层任意纵向位置截面段的质传、热传及动力学特性。对于不同的应用，催化剂层21-1到21-n装载有具有不同化学或物理成分的催化剂颗粒，这样就可以测量在复合平推流反应器中不同纵向段的不同催化剂的性能。

为了避免反应器11的排出物进入反应器17-1到17-n过程中热量损失或其温度升高，往往于连接反应器11和17-1到17-n的管道及控制阀上覆盖绝缘材料以避免上述情况。此外，可以对反应器11和反应器17-1到17-n分别设置温度控制装置33和35来控制其温度，或者对于不同的需求，反应器11和反应器17-1到17-n也可设置共同的温度控制装置。另外，从反应物源15供给反应器17-1到17-n的新鲜反应物常需要从反应物源15出来后经过加热器18进行预热。加热器18可采用业界已知的直接加热方式对反应物进行加热，如沙浴加热线圈(heating coil in afluidized sand bath)或红外加热炉等，以使反应器入口处的催化剂层达到合适的温度条件。

在放热反应，如费托合成反应中，温度控制装置33，35内有导热媒介，如循环沸水，用于把反应器11和17-1到17-n中的反应热导出以维持反应器在一个恒定的温度。在吸热反应，如石蜡脱氢或催化重整反应中，温度控制装置33，35设置有加热装置，如电加热器用以给反应器11和17-1到17-n供热以使反应器维持在恒定的预定温度。当然，对于既有放热反应又有吸热反应，温度控制装置33，35可对应的设置制冷或加热沙浴来对相应的反应器进行操作。

在一个实施例中(未图示)，反应器11和17-1到17-n可以彼此平行的设置于一个温度控制装置，如沙浴中，这样，反应器的结构就比较紧凑，而且沙浴的高度也不必像反应器11和17-1到17-n垂直设置时设置的那样高。当然，采样阀25-1及25-n设置于沙浴外，以便反应中维护或调节。当从反应器11和17-1到17-n中排出物具有多种状态时，一方面，连接反应器11出口和反应器17-1到17-n入口的管道需要具有较高的雷诺数或使用搅拌器以避免管道的流体形成活塞流，另一方面，采样阀25-1及25-n采用等动态采样阀，或者也可为本发明描述的其他以避免流体形成活塞流的方式。

根据不同的发明目的，如放大或其他目的等，本发明反应装置及其方法可用来检测平推流反应器在不同目的下的操作参数。比如，在不同的反应温度、压力、催化剂形状和尺寸的条件下，检测与经度相关联的活性与反应时间(time on stream)的关系。当然也可检测其他与经度相关联的工艺参数，这些工艺参数包括不同的空速、反应物和副反应物、不同的操作温度和压力、反应时间、不同的催化剂尺寸和形状及转化率、收率、动力学和选择率；另外还有催化剂物理及化学特性改变的参数，如活性位晶化尺寸、氧化及活性位表面覆盖层的成长等。

根据所需研究的反应及需要获得的数据，对于原料及反应器17-1到17-n的排出物采用传统的方法如气相色谱分析/质谱分析(GC/MS)，紫外(UV)或红外(IR)来表征反应物及产物的特性，或采用X射线衍射(XRD)，红外漫反射或其他业界已知的分光镜技术来表征催化剂体系。这样与催化剂层纵向位置有关的***的性能属性就能够得到量化。因此，根据获得的催化反应动力学信息及每一点的性能属性可以来优化***，并且根据催化剂颗粒在催化剂层中不同位置具有的不同的物理及化学性能来设计催化剂体系以使其在局部环境中达到最大的收率或选择率。

如图1所示，反应器17-1到17-n中填充的催化剂可以是压碎的或粉状催化剂或者是工业规格的催化剂。为了获得反应器放大所需的数据，大部分测试都是在等温条件下进行。为了确保反应器17-1到17-n在等温条件下进行反应，可对催化剂层21-1及21-n的催化剂颗粒用惰性颗粒进行稀释，惰性颗粒与催化剂颗粒，二者的比例常为8到10比1。当需要在绝热条件下进行测量时，根据反应器的直径及反应热的情况，反应器17-1到17-n中催化剂可进行较小程度的稀释。催化剂颗粒与稀释颗粒的比例依赖于多种因素，如反应热和催化剂颗粒的活性等。当然，对于业界人员而言，对于一个给定催化剂、反应器直径及催化剂尺寸的反应，其可以通过一次简单的试验来确定合适的催化剂颗粒与稀释颗粒的比例。

对于平推流反应器中的工业规格催化剂来说，其典型的颗粒尺寸在1到5毫米。压碎的或粉末状催化剂常由工业规格的催化剂来制备，其典型的颗粒尺寸在0.10到0.20毫米，当然，其在保持催化性能的条件下尺寸越小越好。通常，对于装载有工业规格催化剂的反应器而言，反应器的内径是稀释物或者催化剂颗粒中较小尺寸的10倍，其最小值常为10-50毫米(0.4-2英寸)。装载有压碎的催化剂的反应器的内径常为5-12毫米，其小于装载有工业规格催化剂的反应器的内径。由于具有较小的传质阻力，压碎的或粉末状催化剂常比工业规格的催化剂活性高。所以，特别是在放热反应中，为了确保装载有压碎的或粉末状催化剂的反应器可以和装载有工业规格催化剂的类似的反应器具有相同的操作温度，在装载有压碎的或粉末状催化剂的反应器中，惰性稀释颗粒与催化剂颗粒的比例要大于装载有工业规格催化剂的反应器中的比例，这样以确保两种反应器中催化剂床层的单位体积放热量(heatrelease per unit volume)相同。从反应器11在不同应用中的弹性考虑出发，通常较优的是装载有的压碎的催化剂层的反应器内径与装载有所需工业规格的催化剂层的反应器的内径相同。当然，可以通过在反应器中设置导热套管来减小装载有压碎的催化剂层的反应器的内径。

反应器的较佳的最小高度取决于搅拌或放热的考量。在等温操作中，当搅拌成为限制因素时，反应器高度的选择就需要能有效的避免反应物的旁流。特别是对于装载工业规格催化剂的反应器，其高度至少是催化剂颗粒平均直径的50倍，即是50到250毫米。

如图1所示，当供料源29向选定的反应器17-1到17-n中临时性的加入特定的物质后，反应器17-1到17-n可用来模拟测试复合催化剂层不同点对这种的供料组分的暂时性变化而产生的瞬时反应，且可以监控在所述特定物质加入过程中或加入后反应器随时间变化(Time Dependent)而发生的反应。

在本发明一个实施例中，反应物和其他供料物、反应产物和反应副产物等流体可以为气态、液态或其混合态，如气态和液态的混合或两种或两种以上不相溶的液态物质的混合。对含有气态物质的流体，可利用传统的背压调节器和具有质量流量控制器的气体流量控制***来控制。对于定量的液态流体，常选用如罗斯卡泵(Ruska pump)或注射泵(Syringe pump)使其进入高压环境中。此外，当新鲜反应物、反应器11的排出物或由供料源29供给的组分包含多种流体状态，特别是彼此互不相溶，如水和碳氢化合物或气体和液体时，就需要避免流体以活塞流(平推流)形式流动。在本发明一个实施例，采样阀可选用如挪威ProservAS公司提供的等动态采样阀或者如美国专利第4,035,168所揭示的分离器，当然，也可使用ProservAS公司提供的搅拌器对需要采样的流体进行搅拌使多状态的流体均匀混合后迅速对其进行采样。在不相溶的原料之间或原料与反应器的排出物间，当其被送入反应器时，或者如输送反应器11排出的具有多状态的排出物进入反应器17-1到17-n时，流体输送管道需要有较高的雷诺数，其原理就类似于汽车发动机的燃料注射***，当然，也可以使用Proserv AS公司或位于美国新罕布什尔州曼彻斯特市的Admix公司提供的搅拌器来实现不同流体的充分混合，这样情况下，有时常需要做一些简单的测试来确保流体流经所述装置后已经混合均匀。在采样时，常会设置有通过双隔断阀与反应器相连的样品存储器，该样品存储器处于常压或稍高于常压的环境中。当气态物质和液态物质在输送管道中充分混合后，打开双隔断阀使混合后的流体进入样品存储器，然后关闭双隔断阀移走样品存储器并对其中的样品进行分析。在采样及分析过程中常会存在一定浓度的惰性气体，如氩气，其有利于流体的物料平衡，以便于对流体进行精确分析。当所述流体没有充分混合时，就需要设置气液分离器，然后通过如氦气或氩气内标法及关联气态物质与液态物质的总体碳平衡分析方法对气态物质和液态物质分别进行分析，此时，这种情况可通过在输送管道上方设置气体样品存储器，在其下方设置液体样品存储器来完成。

在研究平推流反应器的特性时，需要特别注意的是原料组分、产物或者副产物在催化剂表面的吸附或反应。比如，在钴基催化费托合成和加氢裂解反应中，氨、一氧化碳及硫化氢等物质可以占用催化剂的活性位，降低反应速率且影响对产物的选择性。由此类物质引起的反应常需要一定的时间达到平衡，且从反应原料到反应器中去除此类物质后，反应恢复原状也需要花费一定的时间。

氨是已知的可与钴基费托合成和加氢裂解催化剂反应的物质，其可以导致催化剂活性的降低甚至失效。除了在原料中除去氨外，常利用氢气来除去催化剂表面的氨。为了测试氨在复合催化剂床层中不同部位的影响，可以设置一个检测反应器(probe reactor)(未图示)，并通过在一个检测反应器的任一级的入口处加入一定量的氨，这样就可以再现由于原料中氨的存在而对复合催化剂层选定部位的影响。通过调整检测反应器中的温度、流体流速或/及反应物的局部压力来控制选定的催化剂部位的转化率水平，这样就可以确定在不同的反应条件下氨的影响。此外，对于已经被氨污染的复合催化剂来说，通过调整输入检测反应器中一级或多级中氢气的浓度，这样也可以测试不断增加的氢气对复合催化剂不同部位的影响，如那些催化剂活性失效最大的部位。

对于一氧化碳来说，其可以紧紧的覆着在钴基费托合成催化剂表面，从而减小氢气可用的表面，成为限制氢气反应速率的一个因素。通过调整向选定的多级反应器17-1到17-n中输入的原料中氢气和一氧化碳的浓度比例，便可以来测试氢气和一氧化碳的浓度变化对反应速率和选择性的影响。

目前已知的是在平推流反应器的费托合成及重油浓缩和转化过程中增加的水对反应速率具有积极的效果。在向选定的反应器17-1到17-n中加入定量的水可以来研究加入的水对复合催化剂层选定的纵向部位反应速率和选择性的影响。

在加氢处理的反应中，通常利用测定康拉德逊(Conrad son)残碳值来检测加氢处理的效果。蜡对费托合成催化剂也会形成一定的影响。通常，在费托合成反应中，一旦碳和重质蜡沉淀在催化剂上，就会阻止反应物向催化剂表面扩散和生成物离开催化剂表面。这样，催化剂表面的沉淀物或/及未扩散的反应物就常会发生一些副反应，从而降低催化剂的活性。在催化剂床层是工业规格催化剂的情况下，由于工业规格催化剂的扩散路径很长，在扩散容易受限的条件下，将影响催化剂的整体寿命且需要很高的成本去维护***的性能。当然，通过向选定的反应器17-1到17-n的一个或多个中加入不同摩尔分数(molecular weight fractions)的上述物质，就可以确定其对复合催化剂层中哪个部分的影响最大。此外，也可通过可对含有上述物质的相应的反应器17-1到17-n中通入氢气、水或轻质溶剂来确定不同的催化剂再生技术的效果，从而确定较好的催化剂再生技术。这些对于那些处理来自于沥青沙、页岩，重油沉淀及煤等的重质原料来说至关重要。在这些重质原料含有许多可使催化剂中毒的污染物，为了减小经常用新鲜的催化剂去更换中毒的催化剂所带来的成本的增加，从经济可行性考虑，原位再生就常是唯一的方法。

此外，多核芳香烃也是目前已知的可以影响催化剂性能的物质。其通过在催化剂活性位上形成碳质覆盖层来降低氢化处理中催化剂的活性和选择性。通过在选定的反应器17-1到17-n的一个或多个中加入多核芳香烃就可以确定其在平推流反应器中的复合催化剂层的不同纵向位置的影响。这样就可以确定多核芳香烃对复合催化剂层哪个部位影响最大，进而可以采取相应的方法来改进***的设计及提高催化剂的性能。

在本发明的另一个实施例中，反应器17-1到17-n的一个或多个为全混流(Fullback-mixed)反应器。在全混流反应器中，原料物、产物的浓度及催化剂的分布处处相同，所以其就可相当于工业规模的平推流反应器的催化剂床层中的一个狭窄的水平部分。通过控制进入反应器17-1到17-n中全混流反应器的反应器11的排出物及新鲜的反应物间的浓度，所述全混流反应器就可以再现一个平推流反应器中复合催化剂层的选定的水平部分的特性。在一个实施例中，全混流反应器可以为两相流化床反应器、三相浆态床反应器或三相沸腾床反应器。

此外，在本发明的其他实施例中，如同时测试不同催化剂的特性或把装载于一个反应器中压碎的催化剂与其他反应器中分别分别装载的具有不同形状和尺寸的归业规格的催化剂作比较等方法来获得放大催化工艺的数据等。利用这些结果，就可以来设计一个复合催化剂床层，其每一层催化剂的本质特性都和局部动力学及质传环境相匹配。这样，***的总体反应沿纵向变化，从而确定复合反应器中每一个纵向部位的最佳工艺特性。

当反应器17-1到17-n中的催化剂床层为压碎的或粉末催化剂颗粒，且反应器在等温条件操作时，最初得到反应速率及选择性的数据结果可以被认为是催化剂在反应开始时的选择性及其本征反应速率，即排除质传及热传影响的反应速率；随后，随着反应的进行，得到的本征反应速率中就包括了催化剂老化所带来的影响。不管怎样，此时的宏观反应速率等于本征反应速率，即就是反应的效率因子为1。此外，对于新鲜及老化的催化剂来说，选择性的数据结果可以来直接衡量催化剂的本质选择性与转化率的关系。这些数据对于建立工业化平推流反应器的模型非常重要。

当反应器17-1到17-n中的部分反应器装载有工业规格的催化剂颗粒，另一部分装载有压碎的或粉末催化剂颗粒时，两组装有不同催化剂颗粒的反应器在相同的温度控制装置的控制下于等温条件下平行的发生反应，这样通过两种反应器性能的比对从而确定出对于工业化催化工艺非常重要的与纵向位置相关的效率因子和其他信息。

此外，通过对装载有工业规格催化剂颗粒的反应器的排出物的分析，从而可以得到表观反应速率与停留时间的关系数据。这样，在本征反应速率已知的情况下，对于压碎的及工业规格的催化剂来说，就可以直接由其转化率与停留时间的关系数据得到有效因子与转化率的关系。此时，已知效率因子、本征反应速率及完整尺寸催化剂颗粒的直径(与催化剂床层的厚度L有关)，从而可由Thiele模数确定完整尺寸催化剂颗粒的有效扩散率相对于转化率的关系。

这样，所得到的数据就可用来探究质传阻滞的机理。如，在反应器入口处具有较低的扩散率表明由于原料组分、反应的初始产物的影响或当考虑流体中某一组分的真实分压时原料组分在催化剂活性位上的浓度小于预期浓度的原因而在催化剂孔洞或表面上形成质传阻力。当在反应器出口处具有较低的扩散率时，其表明产物发生累积或者排出物流体与催化剂发生反应。在反应涉及多种具有不同扩散率的反应物时，由于效率因子可以反映在气态物质和催化剂表面之间组分的变化，所以表观反应速率及选择性都往往与效率因子相关。

在得到两组反应器的测试数据及本征活化能的有限数据后，就可以建立一个反应器模型用于预测多级绝热反应器的性能，这样从绝热反应器获得的数据又可用来作为对反应器模型的测试。此外，从绝热反应器的运行中可预测在放热催化工艺中热点或温度失控的发生可能性及发生部位。

在本发明的一个实施例中，可定义反应器17-1到17-n的全部为第二反应器，而根据需要另行设置第三反应器，甚或第四反应器等，或者根据不同的测试要求，可定义反应器17-1到17-n的部分为第二反应器，部分为第三反应器，甚或第四反应器等，以此类推。对应于反应器的不同分类，可定义控制阀23-1到23-n的全部为第一控制阀，控制阀19-1到19-n的全部为第二控制阀，而根据需要另行设置第三控制阀及第四控制阀等，或者控制阀23-1到23-n的部分为第一控制阀，部分为第三控制阀，甚或第五控制阀等，控制阀19-1到19-n的部分为第二控制阀，部分为第四控制阀，甚或第六控制阀等，以此类推。对应反应器的不同的定义方式，采样阀14及全部的采样阀25-1到25-n可定义为第一采样阀，而另行设置第二采样阀等，或者采样阀14及采样阀25-1到25-n中的部分定义为第一采样阀，采样阀25-1到25-n中的另一部分定义为第二采样阀甚或第三采样阀等。以上定义仅仅是为了对应反应器不同的设置及描述的方便而进行的定义，其不构成对本发明的限制。当然，也可以使用任何有利于测试及描述方便的定义方法。

在绝热反应器中，反应器内的温度不断变化，控制不好时就可能产生热点而发生飞温现象。同时，由于绝热反应器中的反应参数处于不断的变化中，这样，如直接测量该反应器，就不能得到绝热反应器中具体、准确的信息。把一个完整的绝热反应器分成多级串联的反应器有助于研究催化剂床层中不同位置的信息。然而，控制相邻两级反应器之间的反应参数的连续性就会面临困难。

因此，直接通过检测绝热反应器的特性就可能很难得到绝热反应器的动力学、质传及热传等特性。

如图2所示，在本发明一个实施例中，其利用实验室规模的等温反应器来模拟装载有相同催化剂床层的一个绝热反应器中的特性，这样就可以较低的成本快速开发一种工业绝热反应器的催化工艺。在本实施例中，所述实验室规模的等温反应器为一个复合多级平推流反应器607，其由三个彼此平行且串联的反应器61，63和65组成，其内分别装载有催化剂床层段62，64和66。可定义反应器61，63和65分别为第一级、第二级和第三级反应器。原料源60通过新鲜反应物管道70与第一级反应器61的入口相连；在反应器61的出口与反应器63的入口间，反应器63的出口及反应器65的入口间及反应器65的出口处可分别设置有采样装置67，68和69，并且反应器65的出口可通过采样阀69与一个分离器(未图示)相连。采样装置67，68和69还分别开设有一个开口601，602和603，用以输送相应反应器的排出物到与该开口相连的装置中去。另外，也可在新鲜反应物管道70上设置有采样装置(未图示)来对新鲜物料进行采样分析。在反应器61，63和65上分别设置有温度控制装置，其包括第一、第二及第三温度控制装置604，605和606用以分别控制相应反应器61，63和65的温度。在本实施例中，所述反应器61，63和65均可在等温条件下进行操作。另外，在原料源60与第一级反应器61间可设置有预热装置(未图示)，用以把原料加热到合适的温度，当然也可在第一级反应器61内设置有预热装置。

由于在绝热反应器中沿着反应器的长度温度是不断变化的，所以当用多级等温反应器来模拟一个绝热反应器的催化特性时，就需要首先确定每一级等温反应器上的温度控制装置的温度。通常，可通过在实践中操作绝热反应器获得的在给定的反应条件和催化工艺下的数据先确定第一级反应器上的温度控制装置的温度及第一级反应器中发生反应所引起的温度变化情况，如升温/降温的情况；进而通过第一级反应器上的温度控制装置的温度及在反应过程中第一级反应器内的温度变化来确定第二级反应器的控制温度；然后通过对第二级反应器的计算来确定第三级反应器的控制温度等等。这样，当每个温度控制装置的温度确定后，所述等温反应器就可以来模拟绝热反应器的特性。

在本实施例中，第一温度控制装置604控制第一级反应器61的温度为T1；第二温度控制装置605控制第二级反应器63的温度为T2；第三温度控制装置606控制第三级反应器65的温度为T3。其中，T1、T2和T3不同。当然，根据不同的应用和操作条件来确定相应的不同的温度T1、T2和T3或使用一个共同的温度控制装置来分别控制每级反应器61，63和65的温度。

这样，在本实施例中，就可以通过均为等温反应器的第一级、第二级和第三级反应器61，63和65来分别模拟一个绝热反应器内的催化剂床层中的不同的连续的催化剂床层段的特性，从而可得到由催化剂床层段62，64和66组成的装载于一个绝热反应器中的复合催化剂床层的催化工艺特性。由于等温反应的易操作性，在本实施例中，通过等温反应器就可以通过较为简单、安全的方式来模拟一个工业规模的绝热反应器内的工艺特性。

在操作至少两级相连的平推流反应器，比如当把一个完整的催化剂床层分成多级催化剂床层段时，上一级反应器的排出物要经过一段输送管道后进入下一级反应器中，这样，保证上一级反应器的排出物经过输送管道后进入下一级反应器中时仍保持物料参数的连续性或一致性，而不发生物料状态等的变化就显得非常重要。

在一个特定的化学工艺及给定的反应条件下时，当一级反应器的排出物为均相，即单一相态，如气相态时，往往该均相排出物就可直接通过上下级反应器间的输送管道传送。另外，在一些反应中，所述排出物为多相，较典型的如气相和液相。所述气相可以包括气体、水蒸气或其混合物；所述液相中可能包括有水相、油相、其他不互溶物相及乳状液等。

通常，多相排出物中具有多个不同的物料组分，且每一中物料组分具有各自的状态。当所述多相排出物中的物料组分在所述气相和液相间处于热力学平衡(Thermodynamic Equilibrium)时，该排出物也可直接通过上下级反应器间的输送管道传送。

然而，在一些反应中，如在加氢脱硫反应(Hydrodesulphurization，HDS)中，多相排出物中的物料组分并不处于热力学平衡状态。此时，若把从上一级反应器中排出的多相排出物直接通过输送管道输送到下一级反应器的过程中，其中的物料组分、组分的分压等状态就可能会发生变化，从而上一级反应器的排出物进入下一级反应器中时就不能保持物料参数的连续性或一致性。这样，对于催化工艺的测量和优化来说就可能会有较大的不利影响。

如图3所示的本发明的一个实施例中，其可以在多相流体传输过程中很好的保持物料传输的连续性或一致性。在本实施例中，复合多级平推流反应器707可为实验室规模的平推流反应器，其由两个彼此平行且串联的反应器71和反应器73组成。可定义反应器71为第一级反应器，定义反应器73为第二级反应器。反应器71和73内分别装载有催化剂床层72和74，其上分别设置有温度控制装置701和702，该温度控制装置701和702可以相同，也可以不同。原料源70可通过原料输送管道77把原料输送入第一反应器71内。在本实施例中，在第一反应器71和第二级反应器73间还设置有一个分离装置703。第一级反应器71的出口处设置有排出物管道78，其可与所述分离器703的入口相连。同时，在分离装置703上设置有气相输送管道75和液相输送管道76分别和第二级反应器73的入口相连；第二级反应器73的出口处也设置有排出物管道78。在进行反应时，原料进入第一级反应器71中进行反应，第一级反应器的多相排出物进入所述分离装置703内并分离成为气相流体和液相流体，随后，气相流体和液相流体分别经由气相输送管道75和液相输送管道76进入第二级反应器内进行下一步的反应。

如图3所示，在本发明的实施例中，在输送管道75上设置一个限流装置705来控制气相流体的流阻，以在气相流体上产生压力差。假定第一级反应器71及分离装置703上的压力为P1；此时，由于限流装置705的存在，第二级反应器73的压力就为P2，且P1＞P2。这样，在气相输送管道75上就产生了一个压力差ΔP＝P1-P2。由于压力差(压降)ΔP的存在，当该ΔP足以克服液相输送管道76内的摩擦力和/或进入液相液相输送管道76内的液相流体的重力时，便可以把液相流体压入液相输送管道76进而进入第二级反应器73内。这样，就可以借助于气相流体上产生的压力差ΔP来驱动液相流体且该压力差很小而不至于影响后续的反应。所述限流装置705可以是限流阀，喉口或其他限流方式等。当选择合适尺寸和形状的气相输送管道后，如毛细管等，该管道本身也就作为限流装置705来控制气相流体的流阻以起到限流的作用。

另外，本实施例中，可在限流装置705上或气相输送管道75两端设置有压差传感器(未图示)来测量压差ΔP的变化。通过ΔP和气相流体的物理特性，就能计算出气相物质的信息。

继续参看图3所示，当ΔP太小不足以驱动液相流体时，所述液相流体就会不断在分离器703内累积；当ΔP足够大的时候，液相流体就会不断地被压入第二级反应器73内直到所有的液相流体都被压入。当所有液相流体都被压入第二级反应器73内时，气相流体就会从液相输送管道76进入第二级反应器73内，这样，ΔP就会下降，液相流体就会随着反应的进行重新累积而占据液相输送管道76。随后ΔP又会恢复到预定的值，液相流体又会被压空。这样，由于输入到第一级反应器71的原料及反应的局限，往往就很难在分离器703内维持液面704的平衡，而且不能保持液相和气相流体均匀的供应，其流量处在不断的波动中，这样对后续反应的进行是很不利的。

在一个较佳的实施例中，在所述分离装置703内设置有液面感应器706用来监测液面704的变化，同时，该液面感应器706输出的信号可用来控制所述限流装置705，以产生合适的ΔP来驱动液相流体，以使液面704处于预定的位置。这样就可以避免液相和气相流体的波动，便于后续反应的进行。所述液面感应器可采用非接触式的、光学的、激光感应等。较好的是使用非接触式光学感应装置。这样，当实现液相物质通过液相输送管道76的稳定供给后，通过ΔP和液相流体的物理特性就能够计算出液相流体的流量信息。

在一些低压反应，如低压费托合成中，尽管压力差ΔP很小，其也是该反应所不能承受的，特别是当每一级反应器长度较大或有更多级反应器的时候，就会造成整个压降较大，对反应的进行造成不利的影响。另外，由于通过液面感应器706和限流装置705来调整压差ΔP以维持液面704。在调整ΔP的过程中，就也有可能对第一级反应器71内的压力产生一些影响，进而影响到第一级反应器71内的流体的流动。

参看图4所示，其与图3所示的实施例相似。在本实施例中，取消了设置于气相输送管道75上的限流装置705。由于没有了限流装置705的存在，就消除了由于气相输送管道75而产生的压力差。同时，于液相输送管道76上设置有一个液体泵707来输送液相流体，而且可通过液面感应器706来监测液面704的变化并把其输出信号输送给液体泵707以维持液面704在一个预定的位置，这样可以确保液相流体流动的均匀性。当第一级反应器71及分离装置703上的压力为P1时，第二级反应器73的压力也就为P1。由于气相输送管道75上没有了压力差，也就不必像图3所示的那样为了保持液面704而调整气相输送管道75上的ΔP，从而减小了反应器内的压力变化。这样，就可以在保证液相流体稳定流动的情况下消除在反应器上及反应器间的压降，保证了反应的良好进行。

在本实施例中，所述液体泵707可以是容积式泵(Positive displacement pump)或离心泵(Centrifuge pump)等，较佳的是使用容积式泵。同时，液体泵707较好的是具有测量的功能，以便于实时的检测液相流体的流速。为了使液相流体均匀的分布于第二级反应器73内，可于第二级反应器73内设置有喷雾装置(未图示)，从而使从液相输送管道76输送的液相流体进入第一级反应器73后均匀的分布于催化剂床层74内。另外，在本实施例中，也可在液体泵707后于液相输送管道76上设置有止回阀(未图示)以防止液体倒流。

可见，在本发明的实施例中，通过对第一级反应器71的多相排出物进行分离，减小了在输送过程中气相流体和液相流体相互作用的可能性，保证了物料传送中的连续性或一致性，从而多级反应器就可以更好的模拟由所述多级反应器的催化剂床层组成的一个催化剂床层的性能。另外，由于通过分离器703对多相排出物进行了分离，就能更准确的对排出物的组分进行采样分析，从而避免了传统的对多相流体进行采样不完全的问题。

在一些反应，液相流体也是多相的，如费托合成中，液相流体包括有水相和油相。此时，就可能在分离器703内设置有搅拌装置(未图示)对所述具有多相的液相流体进行搅拌以进行充分混合来确保液相流体输送过程中的均匀性。所述搅拌可采用机械搅拌、磁力搅拌等。在一个较佳实施例中，采用超声波搅拌装置，该装置可安装于靠近分离器703底部的位置，其可以充分的搅拌液相流体，尽可能的减小对液面感应器706的干扰及避免由于搅拌而增加液相流体的温度。

如图3-4所示，与第一级反应器71出口处排出物的温度相比，当分离器703的温度高时，进入分离器703中的液相流体中容易挥发的组分就会挥发进入到气相流体中去；当分离器703的温度低时，一部分气相流体就可能发生冷凝进入到液相流体中。可见不论分离器703的温度是高或低，均会对与其相连的第一级反应器的排出物流体的组分或状态产生影响。这样，下一级反应器接收到流体与上一级反应器出口处排出的流体间已经发生了变化，从而就不能保证流体在传送过程的连续性或一致性。为了保持排出物组分及状态的稳定，较好的是保持所述分离装置703的温度与所述第一级反应器71出口处排出物的温度相同，这样就尽可能的保证第一反应器的排出物进入所述分离装置703内其状态不发生变化。

如图5所示，以第一级反应器71为例，为了更好的确保第一级反应器71的排出物进入分离器703后温度不发生变化，所述第一级反应器71和分离器703一体成型，这样，分离器703和第一级反应器71处于一个体系中，从而可确保温度的一致，就更好的避免了组分、状态发生变化的可能性。

在本发明实施例中，所述多级平推流反应器707也可由三个或更多个彼此平行且串联的反应器组成。所述分离器可安装于每一级反应器的出口处，其与反应器分别单独设置，甚或一体成型设置，且可根据不同的反应在气相输送管道上设置限流装置或者在液相输送管道上设置液体泵。此外，所述多个串联反应器也可竖直设置。

Claims (15)

1.一种用于开发工业规模平推流催化工艺的装置，其包括实验室规模的第一平推流反应器，实验室规模的第二平推流反应器，新鲜反应物源，第一控制阀，第二控制阀，第一采样阀及温度控制装置；所述第一及第二反应器其均开设有入口及出口，且其均装载有催化剂床，所述新鲜反应物源与所述第一反应器的入口相连，其特征在于：所述第一反应器及第二反应器设置有所述温度控制装置，用以维持共同的可控温度环境，所述新鲜反应物源及所述第一反应器的排出物分别通过所述第一控制阀及所述第二控制阀与所述第二反应器的入口相连，设置所述第一采样阀与所述第一反应器及第二反应器的出口相连，对其排出物分别进行采样，当所述第二反应器在与所述第一反应器相同的温度及压力的操作条件下，其转化率不大于第一反应器转化率的25％。

2.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括有与所述第一采样阀相连的设施，其用于分析所述反应器排出物的特征。

3.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括实验室规模的第三平推流反应器，第三控制阀，第四控制阀及第二采样阀，所述第三反应器开设有入口及出口，且其装载有催化剂床，所述新鲜反应物源通过第三控制阀与所述第三反应器的入口相连，用以输入一定量的新鲜反应物，所述第一反应器的出口通过所述第四控制阀也与所述第三反应器的入口相连，用于输入定量的第一反应器的排出物，所述第三反应器也设置有所述温度控制装置，用以维持有可控的温度环境，所述第二采样阀与所述第三反应器的出口相连，用以对所述第三反应器的排出物进行采样，当所述第三反应器在与所述第一反应器相同的温度、压力及质量速率的操作条件下，其转化率不大于第一反应器转化率的25％。

4.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括有供料源，用于向所述第二反应器中提供另外的物料。

5.一种如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述另外的供料包括于所述第一及第二反应器中发生反应所生成的产物或副产物。

6.一种如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述另外的供料包括新鲜反应物中的污染物。

7.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括有加热器，其用于加热从所述新鲜反应物源向所述第二反应器中提供的新鲜反应物。

8.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：当所述第二反应器在与所述第一反应器相同的温度及压力的操作条件下，其转化率在5-20％之间。

9.一种用于开发工业规模平推流催化工艺的方法，其包括：

于设有入口及出口，且装载有催化剂床的实验室规模的第一平推流反应器的入口处输入新鲜反应物；

于设有入口及出口，且装载有催化剂床的实验室规模的第二平推流反应器的入口处输入定量的第一反应器的排出物及新鲜反应物，当所述第二反应器在与所述第一反应器相同的温度、压力及质量速率的操作条件下，其转化率不大于第一反应器转化率的25％；

测量所述第一及第二反应器排出物的特性，从而推断出平推流催化反应器中与纵坡度相关的特性。

10.一种如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第一反应器及第二反应器的催化剂床包括催化剂颗粒及惰性稀释颗粒，选择一定量的所述惰性稀释颗粒用以确保反应器在等温条件下操作。

11.一种如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述方法还包括于设有入口及出口，且装载有催化剂床的实验室规模的第三平推流反应器的入口处输入定量的第一反应器的排出物及新鲜反应物，当所述第三反应器在与所述第一反应器相同的温度、压力及质量流量速率的操作条件下，其转化率不大于第一反应器转化率的25％，此外，测量第三反应器的排出物，从而推断出与平推流反应器***相关的其他特性。

12.一种如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述方法还包括于所述第二反应器及第三反应器中的一个或多个的入口处输入一定量的其他物质，用以测试平推流反应器的催化剂床中的选定部分对该其他物质的反应。

13.一种如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述其他物质是第一反应器中发生反应的反应生成物或反应副产物。

14.一种如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述其他物质是新鲜反应物中存在的污染物。

15.一种如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对所述第一及第二反应器的排出物进行采样。

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