CN101274260A - 一种催化加氢处理不洁原料的研究方法 - Google Patents

Abstract

一种催化加氢处理不洁原料的研究方法，其包括设置第一实验室规模的复合多级串联平推流反应器，其至少为三级串联反应器，于所述第一复合多级反应器中的第一级反应器的入口处向其内输入具有选定分压的不洁原料和氢气以移除所述不洁原料中杂环分子中的杂原子；对所述复合多级反应器中的每一级反应器的排出物进行采样；测量所述不洁原料中杂环分子的浓度及每一级反应器排出物中杂环分子、中间体、最终产物和副产物的浓度。

Description

一种催化加氢处理不洁原料的研究方法

【技术领域】

本发明涉及一种可以较低的成本快速开发一种从其最初发现到商业应用的用于不洁原料加氢处理(Hydroprocessing)的催化剂及相应的平推流催化工艺的研究方法。

【背景技术】

为了放大(Scale-up)一种用于不洁原料加氢处理的平推流催化工艺，就有必要研究原料组分、反应时间(Time on Stream)、反应物停留时间(ResidenceTime)、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。为了减小质传对操作过程的影响，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原料组分、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。随后，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。

在工业规模的滴流床加氢处理(Hydrotreating)反应器中，通常，催化剂颗粒的直径为1.3-3.2mm，其平均长度为5-10mm。这个范围内催化剂尺寸就反应了在一方面要达到对催化剂的充分使用，另一方面又要维持反应器内可控的压降间取得的一种平衡。对加氢脱硫(Hydrodesulphurization，HDS)来说，在这个催化剂颗粒的尺寸范围内，粒子内的扩散阻滞(硫化合物在催化剂孔洞内的扩散阻力)能明显的降低HDS的反应速率；而且，粒子内的扩散效果随着反应条件(特别是温度)及硫化合物本质反应性的不同而变化。研究粒子内的扩散对于全面了解HDS的机理及工艺是非常重要的。然而，目前在公开的关于HDS的文献中，尽管已经有了很多利用全尺寸的工业催化剂颗粒或压碎的催化剂来研究HDS，但是仍没有足够的资料与粒子内的扩散有关。

最后一步通常是选用设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)。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固定床反应器中，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。对于大多催化剂来说，其反应速率及对产物的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，而这种结果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(Mass Transfer Rate)的降低。

不洁原料的加氢处理包括了一系列连续的提升其品质的步骤。首先要对原料进行脱硫、脱氧和脱氮以除去其中的杂环分子(Heterocyclic Molecules)及接着加氢脱芳构化(Hydrodearomatization)以去除多核芳香烃。此时使用的催化剂必须要能够对硫、氧和氮毒物免疫，较典型的是使用众所周知金属硫化物催化剂。随后，对原料进行开环操作，以选择性的对环结构中的碳碳键进行开环，并且使一些长链分子裂成短链。较典型的是此步骤同样使用金属硫化物催化剂，不过硫的含量通常低于上一步中使用的催化剂中的硫含量。接下来，如果需要的话，可对原料再进行加氢使其中的碳氢键饱和。此步骤中使用的催化剂较典型的是分子筛负载大量的第VIII族非贵金属型催化剂，当然，也可使用贵金属型催化剂。最后，对原料进行加氢裂解及异构化以获得期望链长分布的碳氢化合物及环烷烃。此步骤中使用的催化剂较典型的是分子筛负载第VIII族贵金属型催化剂。每个步骤可以在单独的平推流反应器中进行操作，当然，所有步骤或其中的一些可在具有纵向催化剂床层段的平推流反应器中进行，其中，每一个催化剂段中装载有适宜该步骤的催化剂。

尽管相对比较多的专利中揭示了加氢处理中不同的非负载型催化剂及其应用，可是其中仅仅只有少数应用于商业规模的非负载型加氢处理催化剂。这与按照在实验室中论证的大量潜在性能来说有些不同。在现有的精练工艺设备中装载具有非常高活性的催化剂是比较简单的。然而，在很多情况下，其工艺和设备并没有针对活性高催化剂所带来的散热和氢气的消耗来设计。这样的催化剂在商业中的应用需要催化剂制造商和精练厂密切的配合来确保达到期望的性能而不至于发生其它不期望的影响或操作困难。另外，当非负载型的催化剂中仅包括第VIII族和第VI族金属的话，价格就成为一个重要的因素。与负载型催化剂相比，非负载型催化剂的密度更高，其中的金属浓度更大，这样，催化剂会明显的增加反应器填充的成本。因此，在现有具有大量可售的加氢处理催化剂市场中，仅仅只有有限的可用于商业中的加氢处理催化剂。比如Albemarle催化剂公司的Nebula催化剂家族中的Nebula-1和Nebula-20均是商业级别的催化剂。可见，仍有很大的机会向市场投放其它更先进的催化剂来提高产品的品质及降低加氢脱硫制洁净燃料的总体成本。

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。

如今，组合化学被广泛的使用于制药工业，相较于以前，其能以更快的速度合成、净化及评估新药。在制药化学领域，通常对每一种药仅需要很小量来进行测试，只有那些在相关生物测定中具有活性的药才会进行放大，所以较典型的是制药化学领域中的反应都是在相对很小量的范围内进行。这种用来生产工业规模量的药物的化学与用在小量合成中的化学是很不同的。

组合化学也被应用于石油化学中，用来发现在不同精炼应用中使用的新型催化材料。然而，当考虑到工业化时，就必须要能够使在较小的实验室规模获得的结果与将在工业规模获得的结果间产生关联。目前，一个用来确认在不同反应中使用的有用的催化剂的组合化学方法是在一块金属板上放置至少两种催化剂，然后用气态反应物接触金属板，进而通过GC/MS分析产物来确认催化剂。这种方法有其局限性，至少对大量的放热和吸热催化反应来说，很难把从小量反应中获得结果与工业规模中的结果关联起来，而这种局限性部分是由于在小量反应中获得的热传不能合理的与在大反应器中观察到的相关联引起的。这种组合方法的多种最近的范例及一些具有代表性的范例可参考美国专利公告第5,776,359号，第5,853,356号，第5,939,268号，第6,149,882号，第6,790,322号及第7,025,828号。另外，如美国专利第6,806,087号所述，其在一定程度上讨论了过程放大中的问题，然而，其没能足够的关注包括工业规模催化剂操作中热传和质传效应在内的完整的放大问题。

在吸热反应中，热传效应至关重要，比如均为吸热反应的诸如加氢裂解、加氢脱硫及加氢异构化等的加氢处理，对热传及质传效应非常敏感。由于热传及质传效应的存在，生成可接受的产物混合物的小量反应中可能发生一定级别的不需要的二次反应。这样，把从小量吸热反应中获得结果外推到工业规模反应器上就非常困难。同时使用工业规模反应器进行高通量组合化学也是不可能的。

所以，需要开发一种考虑产反物分布及其他应特性中热传和质传效应的组合化学技术来发现和评估最优的催化剂体系的方法用以克服现有技术的不足将是非常有用的。

【发明内容】

本发明目的提供一种以较低成本快速确定反应器结构、催化剂性能、催化剂床层结构及工艺条件间所构成的较佳组合的方法，进而将结果放大应用到对不洁原料进行加氢处理的工业规模催化制程及其反应器***上，从而目标产物具有较高的产率及选择性。

所谓不洁原料是指诸如包含有大的杂原子分子的来自原油的C¹⁰-C²⁰⁺馏分及在精炼操作中产生的循环油等。

本发明涉及的方法涉及使用高通量实验室规模的催化工艺开发装置，其中高通量实验室规模催化工艺开发装置包括实验室规模的多级串联的平推流反应器(plug-flow reactor)，以循环研究在不洁原料上进行的加氢处理的每一独立但相互连续的步骤，这些步骤包括有去除杂环原子步骤、多环物质键饱和处理步骤、裂开环状分子中的碳碳键步骤、饱和不饱和分子键步骤以及加氢裂化和异构化得到的碳氢化合物分子步骤。在每一次循环中对由实验室规模用反应器中产生的产物的成分及性质进行取样及表征，且每一循环的测试结果用来帮助决定下一轮循环中催化剂床的性质及制程条件的选择，以提高加氢操作中的选择性及产率。

进行研究的工艺条件包括不同组的温度、压力、流速及实验室规模的各级反应器催化剂床层上反应物和产物的相对分压。催化剂测试包括，在不同催化条件下和反应时间下，催化剂的催化效能的确定，例如催化剂粒径、外形对其在连续连接的实验室规模用反应器上的不同位置的催化性能。催化床层架构的研究包括实验室规模反应器内使用的不同架构催化剂床层的影响，且包括改变从一个实验室规模用反应器到下一个实验室规模用反应器所使用的催化剂特性。

由测试结果生成的数据可用于设计对不洁原料进行加氢处理的工业规模催化工艺及反应器***，以使得使用的催化剂性能及运行参数，例如反应原料及产物的局部压力、温度、压力及流速，达到优化。在本发明实施例中的复合多级串联固定床反应器中，就可以通过把每一个单独的催化剂床层或催化剂床层段分成连续的沿纵向分布的片段，进而可来研究每一个所述催化剂床层或催化剂床层段的纵向片段中发生的不同化学反应中的动力学、质传和热传特性。这样，就可利用所述实验室规模的复合多级串联固定床反应器来研究在工业规模反应器中加氢处理不洁原料的每一个提升其品质的步骤中，在催化剂床层或催化剂床层段中发生的不同反应的动力学、质传及热传特性的纵坡度。根据研究所获得的数据，通过使用实验室规模的反应器来开发预测型反应器模型来反映工业规模加氢处理催化***的行为。

在本发明的催化开发装置中，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 Bed Reactors)、填充床反应器(Packed Bed Reactors)、滴流床反应器(Trickle Bed Reactors)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下的测试，就可以模拟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是本发明的一个复合多级串联平推流反应器的装置示意图。

图2是本发明的一个复合多级串联平推流反应器及与其平行设置的多级串联检测反应器的装置示意图。

图3是本发明的一个复合多级串联平推流反应器及与其动态相连的单级检测反应器的装置示意图。

图4是本发明的一个复合多级串联平推流反应器及与其动态相连且平行设置的多级串联检测反应器的装置示意图。

图5是本发明的设置于一个流态化沙浴的具有一个恒定温度环境的一个复合多级串联平推流反应器的装置示意图。

图6是本发明的设置于一个共同的流态化沙浴的多个复合多级串联平推流反应器的装置示意图。

图7是本发明的可接收可控的变量输入的多个复合多级串联平推流反应器的装置示意图。

图8为可用于确定一种催化剂的Thiele模数的图示。

图9为图8中所使用的催化剂的效率因子与其Thiele模数的关系图。

图10分别为费托合成反应中使用的压碎的催化剂和同种类工业规格催化剂的效率因子与转化率的关系图。

图11为本发明的平推流反应器设置的又一个装置示意图。

图12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13为本发明反应器与分离器组装的一个实施例的示意图。

图14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15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，在本发明第一实施例中，复合多级平推流反应器11为实验室规模的三级串联的平推流反应器，即其由三个串联的平推流反应器13，15和17组成。反应器13，15和17内分别装载有对应的催化剂床层19，21和23。在该实施例中，反应器13，15和17均为固定床反应器。在反应器13的出口和反应器15的入口间，反应器15的出口和反应器17的入口间及反应器17的出口分别设置有采样阀25，27和29。所述采样阀25，27和29均分别设置有出口26，28和30，用以分别对相应反应器13，15和17的排出物进行采样分析。所述反应器17的出口通过采样阀29可与一个产物收集器(未图示)相连。常用于给复合多级平推流反应器11提供新鲜反应物的新鲜反应物源31与反应器13的入口相连。此外，也可在新鲜反应物源31与反应器13的入口间设置一个采样阀(未图示)，用于对反应物进行采样分析。

继续参看图1所示，本实施例中，多级固定床反应器11设置于温度控制装置33内。在放热反应，如费托合成反应中，温度控制装置33内装有导热媒介，如循环沸水或流态化沙浴，用于把反应器11中的反应热导出以维持多级反应器11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设置有加热装置，如电加热器，用以给多级反应器11供热以使反应器11维持在恒定的预期温度。另外，对于既有放热反应又有吸热反应，温度控制装置33可设置流态化沙浴来对反应器进行操作。

反应器13，15和17内的催化剂床层19，21和23可分别用来复制一个大的固定床反应器的催化剂床层的一个纵向部分，以此来测量和分析一个大的催化剂床层的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。在该实施例中，多级反应器11为三级，即其包括三个串联的反应器，当然，其可以为更多级反应器，即其可包括更多的串联反应器，如四个、六个等，这样，就可以来分析沿着一个复合催化剂床层的高度，其更多点的性能。

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13，15和17的排出物可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。这样与催化剂床层纵向位置有关的***的性能属性就能够得到量化。进而，根据获得的催化反应动力学信息及每一点的性能属性就可以来优化***，比如可根据获得的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。

反应器13，15和17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。反应器放大所需数据的获得，大部分测试都是在等温条件下进行，为了确保反应器13，15和17在等温条件下进行反应，可用惰性颗粒对催化剂床层19，21和23中的催化剂颗粒进行稀释，惰性颗粒与催化剂颗粒，二者的比例常为8-10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，催化剂床层19，21和23中的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颗粒尺寸的反应，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。

通常，装载在固定床反应器中的工业规格催化剂的颗粒尺寸在1到5毫米，而且催化剂颗粒具有多种形状，如圆形、管状、三叶形及环形等。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，对于装载有经过稀释的工业规格催化剂的反应器而言，反应器的内径是稀释颗粒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)。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，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(Heat Release Per Unit Volume)相同。

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。从多级反应器11在不同应用中的弹性考虑出发，通常较好的是装载有的压碎的催化剂床层的反应器内径与装载有所需工业规格的催化剂床层的反应器的内径相同。另外，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床层的反应器的内径。

每级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50-250毫米(2-10英寸)。当反应物穿过多级反应器11中的单级反应器13，15和17时，新鲜反应物的转化率不断增加，其浓度随之不断减小。因此，当需要每一级反应器具有相同的转化率时，反应器13，15和17内的催化剂床层19，21和23的厚度就需要不断增加。当多级反应器11在绝热条件下操作时，常采用较低比例的惰性稀释物及大直径的反应器。

参看图2所示，其为本发明的平推流反应器的第二实施例的装置示意图。图2中与图1中相同的部分采用与图1中相同标号。在本实施例中，其复合多级反应器11与图1中所示的多级反应器11相同，其中，本实施例还包括与所述多级反应器11平行设置的另一个复合多级检测反应器35，该检测反应器35的每一级反应器均可与相对应的多级反应器11的每一级反应器相同。多级反应器11与检测反应器35可设置于一个温度控制装置33中，该温度控制装置33与图1中的相同。当然，所述检测反应器35也可设置于与设置有所述多级反应器11的温度控制装置33相分离的另一温度控制装置中(未图示)，这样，就可以确保检测反应器35可与多级反应器11具有不同的操作温度。

所述检测反应器35包括三个串联的反应器37，39和41。该反应器37，39和41内分别装载有催化剂床层43，45和47。在反应器37的出口和反应器39的入口间，反应器39的出口和反应器41的入口间及反应器41的出口处分别设置有采样阀49，51和53。该采样阀49，51和53均分别设置有出口50，52和54，用以分别对相应反应器37，39和41的排出物进行采样分析。所述反应器41的出口通过采样阀53可与一个产物收集器(未图示)相连。新鲜反应物源31与反应器37的入口相连。此外，也可在反应物源31与反应器37的入口间设置一个控制采样阀(未图示)，其用于选择性地控制输入所述多级检测反应器35的反应物的量及对反应物采样分析。另外，反应器37，39和41的入口分别与相对应的给料源55，57和59相连。所述给料源55，57和59可作为分别用来可控的输入选定的物料进入反应器37，39和41中的设施，这样就可以相应确定分别从反应器37，39和41入口处输入的相应物料对多级检测反应器35中的所有反应器、反应器39和41及反应器41的性能的影响。在本实施例中，较好的是检测反应器35的催化剂床层43，45和47分别和多级反应器11中对应的催化剂床层19，21和23相同。

在本实施例中，可通过改变检测反应器35的相关反应器的输入，从而来比较该相关反应器与多级反应器11中的相对应的反应器的特性，就能够借助于多级检测反应器35来确定多级反应器11的任一级对于输入的永久性或暂时性改变而产生的瞬时反应。比如，通过改变向检测反应器35的第三级反应器41中提供的气态或液态输入，就可以测试在多级反应器11中相对应的第三级反应器23中，随着时间的进行输入的变化对其催化剂床层反应速率和选择性的影响。相应的，改变检测反应器35的第二级反应器39的输入，就可以来检测对多级反应器11中的第二及第三催化剂床层21，23的影响。这样就等于可以检测一个工业规模固定床反应器的催化剂床层中任一小段针对于输入的改变而产生的反应。比如通过给料源55，57和59向多级检测反应器35中的相应的一级反应器中增加额外的新鲜反应物及提高输入其中的气态物料的速率，就能够检测该级反应器性能提升的变化及随时间的进行，后续反应器由于其输入的变化而发生的变化。

对一个选定的一级检测反应器来说，可以通过给料源55，57或59来调整输入到该级反应器的新鲜反应物中的痕量组分的浓度来量化在全程操作条件下所述痕量组分对复合催化剂床层不同部位的影响。这样就可以确定出在工业催化***中复合催化剂层中的关键的纵向部位。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。当向选定的检测反应器35或后续介绍的其它形式检测反应器的一级反应器中临时性的加入特定的物质后，该等检测反应器就可用来模拟测试一个复合催化剂层不同点对这种的物料或上一级反应器排出物的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该级反应器及后续反应器随时间变化(Time Dependent)而产生的反应。

如图3所示，为本发明的第三实施例，其中与图1相同的部分采用与图1中相同的标号。在本实施例中，其设有一个检测反应器101，该检测反应器101为单级的固定床反应器，其入口与本实施例中的复合多级固定床反应器11中的选定的一级反应器可选择性的动态相连。在多级反应器11的第一级反应器13的出口和第二级反应器15的入口间，第二级反应器15的出口和第三级反应器17的入口间及第三级反应器17的出口处分别设置有阀103，109和115。该阀103，109和115均分别设置有出口105，111和117，用以分别可选择的对相应反应器13，15和17的排出物进行采样分析，同时，所述阀还分别设置有另一开口107，113和119，用以可选择的把相对应的反应器13，15和17的部分排出物输入检测反应器101内。所述反应器17的出口通过阀115可与一个产物收集器(未图示)相连。新鲜反应物源31和一个给料源121可提供输入给所述检测反应器101。在本实施例中，较好的是检测反应器101及其装载的催化剂床层与多级反应器11中向检测反应器101输入其部分排出物的下一级反应器及其装载的催化剂床层相同。当然，该检测反应器101可进行与图2中所示的多级检测反应器35相同的测试。

参看图4所示，为本发明的第四实施例，其中与图1及图2中相同的部分采用与图1及图2相同的标号。在本实施例中，检测反应器35为一个实验室规模的复合多级串联平推流反应器，其可与图2中所示的多级串联实验室规模的检测反应器35相同。此外，检测反应器35中的反应器可选择的与选定的多级反应器11中的反应器动态相连，这样，多级反应器11的一级或多级反应器的部分排出物就可选择的输入到选定的检测反应器35中的一级或多级反应器中。在多级反应器11的第一级反应器13的出口和第二级反应器15的入口间，第二级反应器15的出口和第三级反应器17的入口间及第三级反应器17的出口处分别设置有阀123，129和137。该阀123，129和137均分别设置有出口125，131和135，用以分别可选择的对相应反应器13，15和17的排出物进行采样分析，同时，阀123和129还分别设置有另一开口127和133，用以可选择的把相对应的反应器13，15的选定的部分排出物输入到对应的检测反应器35中的反应器39和41中。所述反应器17的出口通过阀137可与一个产物收集器(未图示)相连。新鲜反应物源31与反应器37的入口相连。此外，也可在新鲜反应物源31与反应器37的入口间设置一个控制采样阀(未图示)，其用于定量的控制输入到检测反应器35中的新鲜反应物及对新鲜反应物采样分析。另外，反应器37，39和41的入口分别与相对应的一个给料源55，57和59相连。所述给料源55，57和59可选择性的输入一定的物料进入反应器37，39和41中，这样就可以确定分别输入到反应器37，39和41中的相应物料对检测反应器35中的所有反应器、反应器39和41及反应器41的性能的影响。在本实施例中，较好的是检测反应器35的催化剂床层43，45和47分别和多级反应器11中对应的催化剂床层19，21和23相同。

继续参看图3所示，所述检测反应器101也可是全混流反应器，而非上述的固定床反应器。在全混流检测反应器101中，原料物、产物的浓度及催化剂的分布处处相同，所以当该检测反应器101仅仅接收来自多级反应器11的排出物时，其就相当于该级反应器的催化剂床层出口处的一个狭窄的水平段。通过控制进入全混流反应器101的反应器11的排出物及新鲜的反应物间的浓度比例，所述全混流反应器101就可以模拟向该全混流反应器101中输入其排出物的固定床反应器的任意的选定的水平段的特性。该全混流反应器101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。

当然，所述检测反应器101也可选用如Y.Jiang等在《化工科学》(ChemicalEngineering Science)1999年，54卷，2409-2419页中揭示的二维催化剂阵列。在不同的原料、排出物及产物的混合物存在的条件下，这样的一个检测反应器就可以测试大量的压碎的催化剂的本质特征。

在本发明图2-4所示的实施例中，检测反应器35和101可被输入新鲜反应物、多级反应器11的选定的一级的排出物及其他物料中的一个或多个。所述其他物料包括额外的新鲜反应物、在多级反应器11中发生反应生成的气态或液态产物或在工业规模反应器的新鲜反应物中存在的杂质。

在本发明的实施例中，反应物和其他物料、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(RuskaPump)或注射泵(Syringe Pump)使其进入高压环境中。此外，当反应器11的排出物或原料中包含多种流体状态，特别是彼此互不相溶的水和一些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。在本发明的实施例中，采样阀可选用如挪威Proserv AS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Proserv AS公司提供的静态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，或者如在一个多级反应器中，输送从一个反应器的出口排出的具有多状态的排出物进入后续反应器的入口时，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均匀混合。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，且从物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。通过调整该级检测反应器中的温度、流体流速或/及反应物的分压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，其可以紧紧的覆着许多第VIII族催化剂表面，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。通过调整向选定的检测反应器35和101中输入的原料中氢气和一氧化碳(或二氧化碳)的浓度比例并且比较所述检测反应器与多级反应器11中相对应的反应器的性能，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。通过调整检测反应器中的温度、流体流速或/及反应物的分压，这样，利用多级检测反应器就可以来测试氢气和一氧化碳在不同转化率下的影响。

目前已知的是在平推流反应器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。通过向选定的检测反应器35或101中加入定量的水或其他含氧分子并且比较相关的检测反应器与多级反应器11中的相对应的反应器的性能，就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。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(Side Reaction)，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，通过向选定的检测反应器35中某级或101中加入不同摩尔质量(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关的检测反应器中通入氢气、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。通过在选定的检测反应器35或101中加入多核芳香烃并且比较与多级反应器11中的相对应的反应器的性能，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。这样进而确定多核芳香烃对复合催化剂层哪个部位影响最大，从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。

参看图5所示，在本实施例中，复合多级平推流反应器501为实验室规模的固定床反应器，其由三个彼此平行且串联的反应器503，505和507组成。反应器503，505和507共同设置于一个加热或冷却的流态化沙浴509中，使其装置结构更加紧凑。气态反应物自原料源511输出后通过新鲜反应物管道并经过一个加热线圈513后进入第一级反应器503的入口；液态物料(可能是反应物)经由供料泵515输出后也可经过加热线圈513后进入第一级反应器503的入口。所述加热线圈513可设置于流态化沙浴509中，其用以把气态及液态物料加热到合适的温度。此外，可在输送气态及液态物料的管道上设置采样阀(未图示)，以对物料进行采样分析。在反应器501的出口与反应器505的入口间，反应器505的出口及反应器507的入口间及反应器507的出口处可分别设置有采样阀517，519和521，并且反应器507的出口可通过采样阀521与一个分离器523相连。采样阀517，519和521均开设有一个开口(未标注)，用以可选择的输送相应反应器的排出物到一个检测反应器525中，同时该等采样阀还可设置另一开口(未图示)，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。

参看图6所示，本实施例揭示了三个复合多级串联实验室规模的平推流反应器531，533和535的装置示意图。该等多级反应器设置于一个共同的流态化沙浴537中。所述多级反应器531，533和535中的反应器均以与图5中揭示的多级反应器501中的反应器相同的设置方式而彼此平行的设置，且可在每个多级反应器前都设置有与图5中相同的加热线圈513。在本实施例中，还设置有一个单级检测反应器538，其同样设置于流态化沙浴537中，且其可以是和上述图3中所示检测反应器101有关任何反应器类型。检测反应器538位于多级反应器533和535之间，其间设置有与如图5中所示的采样阀517，519和521相同的采样阀连接该检测反应器538与多级反应器533和535，这样检测反应器538就可以选择性的接收反应物或多级反应器533和535中选定的某级反应器的排出物。原料源539，541，543和545分别向相对应的反应器531，533，538和535提供反应物料，而且可以提供相同的反应物料。此外，反应器531，533，和535最后一级的出口及反应器538的出口分别和对应的分离器或产物收集器547，579，553和551相连。当然，该等出口也可都连接到一个共同的分离器或产物收集器。

参看图5和图6所示，所述反应器于流态化沙浴中的平行的设置方式使沙浴不需要像反应器均竖直设置时那样的深度，而且采样阀517，519和521设置于沙浴外，便于在反应器的操作过程中对其进行维护和调节。当多级反应器中的某级反应器的排出物具有多种流体状态时，连接该级反应器出口和下一级反应器入口的管道就需要具有较高的雷诺数或使用静止搅拌器(Static Mixer)以避免管道内的流体形成活塞流，另一方面，采样阀517，519和521可采用等动态采样阀，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。

通过多个多级反应器设置于一个共同的温度控制装置，如流态化沙浴537或如图2-4所述的温度控制装置，就可以同时测量一个催化工艺的不同特性，进而加快其工业化进程。以图6为例，多级反应器535装载有经过惰性物质稀释的压碎的催化剂颗粒，多级反应器533装载有经过惰性物质稀释的工业规格的催化剂颗粒，其均在在等温条件下操作。此外，多级反应器531装载有一定量工业规格的催化剂颗粒，其在绝热条件下操作。这样，通过在等温条件下操作的反应器就可以同时得到催化工艺中的动力学、质传及热传特性，并且由绝热反应器得到的数据可对由等温反应器获得的数据建立的反应器模型进行验证。

另外，也可以通过其他方法来帮助放大一个催化工艺，比如同时测试多种不同催化剂的特性，或者比较设置于相同的恒温单元中的装载有压碎的催化剂的一个多级串联反应器和装载有不同形状和尺寸的工业规格的催化剂的其他多级串联反应器。此外，通过在多级串联反应器11的不同级反应器中装载有不同的催化剂来连续的测试，这样，就可以设计出一个多层的复合催化剂床层，且其每个催化剂层的本质特性都和局部动力学及质量传递环境相匹配，以此使***的整体反应沿着纵向变化，进而确定反应器每个纵向部位的最佳工艺特性。通过设置多个多级串联平推流反应器于各自的独立控制的温度控制装置可平行确定不同的除热能力。

参看图7所示，反应器模组151包括有平行设置的实验室规模的平推流反应器151-1到151-n。一个温度控制装置152设置于模组151周围来控制反应器151-1到151-n周围的温度。在一个放热反应，如费托合成反应中，温度控制装置内有导热媒介，如循环沸水，用于导出反应器151-1到151-n中的反应热。在一个吸热反应，如脱氢成环得到芳香化合物(Dehydrocycloaromatization)、流体重整或加氢处理中，温度控制装置设置有加热装置，如电加热器用以给反应器151-1到151-n供热。当然，对于既有放热反应又有吸热反应，温度控制装置152可设置流态化沙浴加热器来对相应的反应器进行操作。

反应器151-1到151-n分别装载有对应的催化剂床层153-1到153-n。反应器模组155和157可与模组151相同，其分别包括平行设置的平推流反应器155-1到155-n及157-1到157-n。反应器155-1到155-n及157-1到157-n分别装载有对应的催化剂床层159-1到159-n及161-1到161-n。如图7所示，模组151中的反应器的出口通过输送管道(未标注)与模组155中对应的反应器的入口相连，模组155中反应器的出口也通过输送管道与模组157中的对应的反应器的入口相连。这样，依次串联的反应器151-1，155-1及157-1就形成了一个复合多级串联固定床反应器，同理，其他依次对应的反应器也形成了复合多级串联固定床反应器。在本实施例中，模组151，155及157可分别设置有所需数目的平行反应器，比如，每个模组可平行的设置有4个或8个或16个反应器。当然，也可根据需要设置不同数目的模组，如4个或6个，模组中的反应器连续的和对应的前一个反应器及后续反应器相连。

温度控制装置158和160分别设置于模组155和157周围，该温度控制装置158和160可与温度控制装置152相同，或者其与温度控制装置152就是一个共同的温度控制装置。在模组151中的反应器的出口和模组155中对应的反应器的入口间、模组155中的反应器的出口和模组157中对应的反应器的入口间及模组157中的反应器的出口的输送管道上分别设置有相应的采样阀163-1到163-n、165-1到165-n及166-1到166-n。新鲜反应物源167通过控制阀169-1到169-n经新鲜反应物管道(未标注)向模组151中相应的反应器151-1到151-n的入口输入定量的新鲜反应物。一个平推流反应器171也可接收来自新鲜反应物源167的新鲜反应物，且该反应器171的出口经输送管道分别与模组151中相应的反应器151-1到151-n的入口相连，通过控制阀173-1到173-n用以定量的向该等反应器输入来自反应器171的排出物。如图7所示，所述反应器171设置于温度控制装置152，158和160外，所以反应器171也可定义为外部反应器。当然，其也可以设置于所述温度控制装置内。

在一个工业规格的平推流反应器中，沿着催化剂床层的厚度，新鲜反应物、反应产物及副产物的比例是不断变化的。在反应器的入口处，新鲜反应物占100％，反应产物及副产物均是零。随着新鲜反应物在催化剂床层中的消耗，沿着催化剂床层，新鲜反应物的比例降低，反应产物及副产物的比例变大。在图7所示的装置中可进行多种测试，比如所有的反应器均装载相同的催化剂且物料的组分从一级反应器到另一级不断变化，或者在可接收相同输入的每一级反应器中催化剂颗粒的尺寸或架构都不同。

在本发明实施例中的复合多级串联固定床反应器中，其可以通过把每一个单独的催化剂床层或催化剂床层段分成连续的纵向片段，进而可以来研究每一个所述催化剂床层或催化剂床层段的纵向片段中发生的不同化学反应中的动力学、质传和热传特性。这样，就可利用所述复合多级串联固定床反应器来研究在加氢处理不洁原料的每一个提升其品质的步骤中，在催化剂床层或催化剂床层段中发生的不同反应的动力学、质传及热传特性的纵坡度。在开始移除杂环分子中的氧、硫和氮杂原子的步骤中，把不洁原料和氢气输入到第一复合多级串联平推流反应器中的第一级反应器中，在该复合多级平推流反应器的催化剂床层中包括有一种催化剂，具有代表性的是金属硫化物催化剂，其能够催化不洁原料与氢气的反应从而移除原料中杂环分子中的杂原子。在此第一复合多级串联反应器中的催化作用最初先生成中间体醇(Alcohols)、硫醇(Thiols)和胺(Amines)，然后这些中间体再分别转化为在反应温度条件下极易挥发的水、硫化氢和氨气，从而以气态方式从***中移除。当在反应条件下这些中间体没有被完全转化时，它们就会遗留在***中使催化剂中毒而给后续的步骤造成困扰。通过把处理杂环分子的催化剂床层分成分别装载于独立的反应器中的一系列三个或多个纵向催化剂床层片断，并对每级反应器的排出物进行采样确定每级反应器的排出物中反应物、中间体和最终产物的量，这样，就能够确定杂环分子中杂原子被移除的程度及在每一级反应器中生成的中间体、最终产物和副产物，进而来优化工艺条件以确保中间物全转化为挥发性产物而在***中没有中间物遗留。对排出物的分析可采用气相或高压液相色谱仪结合质谱仪来分析。另外，可使用脉冲火焰光度检测器来检测硫的存在，使用GC/MS或氧17核磁共振仪器(O17 Nuclear Magnetic Resonance，O17NMR)来检测氧及使用化学发光法(Chemiluminescence techniques)来检测氮。

相似的，后续的每一步加氢处理步骤均在连续的复合多级串联固定床反应器中进行，且每个复合多级串联反应器均为三级或多级反应器。同时，后续连续的每一步加氢处理步骤均涉及把上一步骤中的复合多级反应器的最后一级反应器的排出物及氢气输入到下一步骤中的复合多级反应器的第一级反应器中，并且测量输入到所述下一步骤中的复合多级反应器中的原料的浓度及所述下一步骤中的复合多级反应器的每一级反应器的排出物中的反应产物和副产物的浓度。通过对加氢处理不洁原料的催化剂床层进行分段，并采样分析每一级反应器排出物中不同组分的浓度，这样就能够使用上述小型设备来建立一个用于优化每一个加氢处理步骤操作条件的模型，利用该模型就可以来分析用于加氢处理不洁原料的工业规模加氢处理催化***的性能。

在使用加氢处理多核芳香烃使其饱和的步骤中，可通过对其中的每一级反应器的排出物进行采样并利用高分辨磷核磁共振仪器(High-resolution P-NMR)或碳13核磁共振仪器(C13 Nuclear Magnetic Resonance，C13NMR)来进行测量以研究每一级反应器中催化反应的工艺。对于裂开碳碳键及异构化步骤中的催化工艺，可使用气相色谱仪结合高分辨质谱仪(High-resolution Mass Spectroscopy)或高分辨碳13核磁共振仪器对相关反应器的排出物进行测量来研究。另外，也可使用GC/MS来辨别和测量不同的碳氢化合物。

在本发明实施例中，还可以来研究在初始的杂环分子处理步骤后，小量的杂原子对反应器中催化剂功能的影响，这可通过比如使用图2-4或6中所述检测反应器来研究。

根据研究所获得的数据，通过使用小型反应器来开发预测型反应器模型来反映工业规模加氢处理催化***的行为。

动力学

迄今为止，对一个平推流反应器的动力学测量仅仅是通过对催化剂床层的入口及出口处进行测量来进行的，这种测量法其实就是对于催化剂床层厚度的平均化。在分析反应器的动力学特性时，一般先对反应的动力学级数进行假定，而且往往假定在反应器中沿着催化剂床层反应级数保持不变，然而，在很多情况下，这种假定是不正确的。借助于本发明图1-7中所示的多级串联平推流反应器，就能够测量在反应器中沿着催化剂床层的厚度方向，平推流催化***的动力学沿纵向的变化情况。

以图7所示的装置为例，使用本实施例中的多级串联反应器及方法就能够开发在反应器中沿着催化剂床层与纵向位置有关的平推流催化***的积分、微分及本征动力学的用于放大的数据。为了确定一个固定床反应器***的积分动力学，在模组151，155，157及反应器171中装载有***所需的催化剂床层。模组151中的平行设置的反应器151-1到151-n可接收不同比例的来自新鲜反应物源167的新鲜反物料和来自反应器171的排出物。比如，通过控制阀169-1到169-n及173-1到173-n，使反应器151仅接收100％的新鲜反应物，反应器151-2到151-n可接收不断减少的新鲜反应物及不断增加的排出物。这样，连续反应器151-1到151-n就分别相当于一个固定床反应器的催化剂床层的连续的彼此间具有一定间距的片段(slice)。其中，反应器151-1相当于催化剂床层入口处的一段，反应器151-2到151-n相当于沿着催化剂床层其他的连续的且彼此间有一定间距的纵向段。这样，模组155和157就能够用来对一个固定床反应器中的位于模组151中的连续的催化剂床层之间的催化剂段提供放大的数据。如当反应器171具有90％的转化率，那么在其出口处其排出物包括10％的新鲜反应物，其余的是反应产物及副产物。当反应器151-2接收88％的新鲜反应物和12％的反应器171的排出物时，在反应器151-2的入口处的物料组分中有89.2％的新鲜反应物，其余的是反应产物及副产物。当反应器151-1，155-1和157-1均具有3％的转化率，那么它们的排出物分别包括97％，94.1％和91.3％的新鲜反应物，其余的是反应产物及副产物。这样，模组151，155和157中新鲜反应物、反应产物及副产物的组分及比例就相当于一个固定床反应器中的催化剂床层的连续的纵向段中的组分和比例。

为了确定与催化剂床层的纵向位置相关的催化***的积分动力学，就有必要比如在标准温度和压力(STP)下分析每标准公升的催化剂床层每个连续的纵向段入口及出口处的物料流体和组分。这样，就能够确定一个完整的工业规模***的每一个有效段的反应动力学，当速率常数相对于距催化剂床层入口处的距离的曲线是一条直线时，表明沿着催化剂床层的长度，***的积分动力学是常数；当曲线的斜率不断变化时，表明与距入口处的距离相关的动力学(也可能是催化剂的状态)发生了变化。

当动力学双对数曲线图不是一条直线时，说明***的积分动力学沿着催化剂床层的厚度不断变化，此时就需要利用回归分析法(Regression Analysis)使曲线图和与反应速率及新鲜反应物浓度相关的公式彼此相吻合。然后对公式进行微分，利用制图或数学方法给出速率模型与沿着催化剂床层的纵向位置的相互关系。制图方法可参看John M.Chambers，Chapman和Hall的《数据分析制图方法》(GraphicalMethods for Data Analysis)，1983年5月，ISBN：0412052717。

为了确定温度和压力对***积分动力学的影响，上述测试可在不同的温度和压力下进行。此外，也可使用不同尺寸的催化剂，如工业尺寸和形状的催化剂及稀释的压碎的或粉末状催化剂。

使用图1-7所示的装置***，可以在不考虑质传和热传影响的条件下对复合多级串联固定床催化***的本征和微分动力学进行测试，以加快***的工业化进程。以图7所示的装置为例，反应器中装载的催化剂床层使用经过稀释的微小的压碎的或粉末状催化剂颗粒来避免热传及质传的影响。另外，反应器中催化剂床层的厚度常在5-10厘米，反应器的直径较小为宜，通常在5-12毫米，同样以避免热传影响。当然，可以通过在反应器中设置导热套管来减小反应器的内径。对于***积分动力学的测量可依次采用上述方法。当需要确定***的微分动力学时，每一级反应器的转化率都需要很小，如小于20％，较好的是只有2-5％的转化率。同样，测试可在不同的温度和压力下进行以确定温度和压力对***本征及微分动力学的影响。

与图7为例的上述动力学测量方法也可使用于如图1或图5所示的其他反应器***，只要该反应器***具有足够多级的能够提供复合催化剂床层所需的纵向信息串联反应器就行。在图7所示的反应器装置中，反应器171可以向模组151中所有的反应器输入其排出物，这样，模组151中的每个反应器就可接收到同样精确的反应产物、副产物及痕量组分(Trace Element)，从而可以更精确的模拟真实的反应器条件并减小由于物料组分的变动而产生的误差。另外，在图7，对于所有模组中的反应器的输入和输出可同时进行采样，便于对特定时刻反应器的性能进行分析；当然，在反应器运行过程中也可定期的重复采样，以测定反应***的性能与反应时间的关系，进而了解那些性能发生了变化及整个催化剂床层的纵向区域发生了哪些情况。这些数据对于研究催化剂的稳定性及其他特性非常有用。

深度脱硫的动力学由直接硫抽取(direct sulfur extraction)进行的脱硫处理的程度或是硫抽取之前的含硫分子的氢化处理程度所支配。其中直接脱硫方式主要会由于硫化氢而被抑制，而氢化处理方式会被含氮化合物所抑制。业界已知一些催化剂在这两种方式上的不同表现，这无疑对用于处理已知量的含硫原料所需要的全部氢的量是很重要的。这样，对深度脱硫动力学的详细理解可用于针对已知的需求选择最适合的催化剂；以及在考虑投入、氢成本及产品品质的情况下，评估对基层单位的修订所能得到的相对优势。

由于成品汽油和柴油中规定的硫含量的一步步降低，而原油中的硫含量越来越高，深度脱硫的问题变得越来越重要。一项关于过去二十年的原油中硫含量及API度的数据调查显示美国精炼原油的原料持续朝含硫量高的的方向发展。随之而来的即是对新型且更具效能的深度脱硫催化剂的需求大大增加，而本发明涉及的方法即可使此种催化剂的开发更具实效性，成本更低，效率更高。

质量传递

通常，典型的研究一个平推流反应器，如固定床反应器催化工艺中的质传性能的方法是通过在给定的一组操作条件下来比较装载有压碎的细小的催化剂的反应器和装载有工业规格的催化剂的反应器中的转化率相对于停留时间的特点来完成的。所述压碎的催化剂的颗粒常选用很小的颗粒尺寸，较好的是选用可以获得的最小尺寸的催化剂颗粒，当然，前提是它仍然保持其催化性能。催化剂颗粒的最小尺寸取决于所使用的催化剂的性能，而且该最小尺寸可通过一个简单的实验来确定。另外，一个更简单来确定质传性能的方法就是假定压碎的细小的催化剂不存在任何质传阻滞，那么通过比较压碎的催化剂和工业规格的催化剂中的转化率相对于停留时间的特点的差异，就能够得到质传阻滞的信息。对于一个给定原料的反应，通过对所述两个反应器的排出物进行采样分析就能够得到转化率的数值。另外，提供给所述两个反应器的输入的流速也是可以调整的，比如可提高输入到装载有压碎的催化剂的反应器中的输入的流速或者降低输入到装载有工业规格催化剂的反应器中的输入的流速。这样，可以通过使两个反应器具有相同的转化率，那么停留时间的不同就能够反应工业规格催化剂中的质传阻滞了。

此外，Hougen和Watson在由Wiley于1966年3月出版的《化学工艺原理》(Chemical Process Principles)的第三部分“动力学和催化剂”(Kinetics andCatalysts)，第998-1000页中揭示了一种更加严格且在技术上很精确的用于确定工业规格催化剂的质传性能的方法。所述方法并不假定压碎的细小的催化剂的质传阻滞为零，其先通过压碎催化剂和工业规格催化剂中的宏观反应速率的比值及催化剂颗粒的尺寸的比值来确定该工业规格催化剂的Thiele模数，进而通过其效率因子与Thiele模数的关系图来确定出工业规格催化剂的效率因子。

粒子内的扩散对轻循环油中模型化合物如硫芴化合物的加氢脱硫的效力可通过改变粒子平均粒径和检测这种改变对催化加的活性和选择性的综合影响来实验性地确定。在相似的操作条件下，完整尺寸的催化剂以及其压碎催化剂的效力因子可以确定。对于完整尺寸的工业催化剂，因粒子内的扩散阻力可能非常大，导致对原料中所有的硫芴和有关的含硫反应物的脱硫反应速率降低。效力因子是衡量粒子内的物质传递程度的一个很好的指标。为获得所需的性能，效力因子的数值需大于或等于0.3，优选地在0.8至0.9之间。确定含硫反应物粒子内的物质传递阻力的效力也是非常重要的，粒子内质传阻滞是与含硫反应物的几何性能有关，质传阻滞的影响可通过使用带有各种可增加分子尺寸的取代基的典型硫芴化合物(DBT)获得。

然而，所述方法都没有提供任何关于沿着催化剂床层质传性能纵向变化的信息，而且其通常都是假定在催化剂床层中各处质传性能都是相同的。可是这种假定在很多催化***中都是不正确的。这样，由于不能确定一个固定床反应器中催化剂床层的质传性能的纵向变化，就不能沿着催化剂床层对其进行优化。

在本发明的实施例中，通过把一个平推流反应器中的催化剂床层沿纵向分成至少三个串联的催化剂床层段，进而对每个催化剂床层段的排出物进行采样分析来确定每个纵向段的转化率。继续参看图2所示，多级反应器11和35均可包括三个或更多个单级反应器，在每级反应器的出口处均设置有采用阀，用以测量每级反应器排出物的成分。多级反应器11和35设置在一个共同的温度控制装置33中以维持相同的温度环境，同时，其可以接收来自反应物源31的相同的反应物输入。在进行基本的质传研究时，给料源55，57和59暂时可以不用。多级反应器11中的反应器13，15和17中的催化剂床层19，21和23中是经过筛选的压碎的细小的催化剂颗粒或粉末状的催化剂颗粒，且其中混有足够多的惰性稀释颗粒用来确保多级反应器11在等温条件下进行操作。

在多级反应器35中的反应器37，39和41中的催化剂床层43，45和47中是工业规格的催化剂颗粒，其同样经过惰性稀释颗粒进行稀释以确保反应器35也能在等温条件下进行操作，只不过稀释比例较小。为了研究工业规格催化剂的与经度相关的质传性能，设定所述多级反应器11和35接收来自反应物源31的相同的反应物输入，且压力和原料流速均保持一致。在给定的一组反应条件下，多级反应器11和35的每级反应器中的转化率和停留时间的关系就可以通过流速及在每级反应器入口和出口处反应物原料的不同的量来确定。

在一个简化的测定质传方法中，通过多级反应器35的每级反应器中工业规格催化剂的宏观反应速率及多级反应器11的相应反应器中同种类的压碎的催化剂的宏观反应速率的比值来确定所述多级反应器35中的每级反应器中的工业规格催化剂的效率因子。对于多级反应器11和35来说，对其每级反应器的出口处不断累积的反应物的转化率及不断生成的反应产物和副产物与停留时间作图，并且使图示与获得的数据相吻合，这样，通过所得在任意停留时间对应的产物或转化率的图示的斜率就可得到对应的多级反应器11或35的宏观反应速率Ko(单位停留时间的转化率)。具体的制图方法可参看John M.Chambers，Chapman和Hall的《数据分析制图方法》(Graphical Methods for Data Analysis)，1983年5月，ISBN：0412052717。当质传不受限制时，宏观反应速率Ko就不受催化剂颗粒直径的约束。通过分别对多级反应器11和35中的反应器的宏观反应速率Ko与相应的转化率作图并进行比较，就能够确定出多级反应器35的复合催化剂床层中的通过催化剂孔洞时质传受限的纵向区域。在一个反应器中一种催化剂的效率因子等于该催化剂的宏观反应速率Ko与其本征反应速率Ki的比值。在简化的方法中，常认为压碎的催化剂是没有任何质传阻滞的，所以它的宏观反应速率Ko就被认为是该催化剂的本征反应速率Ki。这样，在多级反应器35中的复合催化剂床层的任意位置上，所述工业规格催化剂的效率因子就等于在该位置上该工业规格催化剂的宏观反应速率Ko与相应位置上的压碎的催化剂的宏观反应速率Ko的比值。

当使用Hougen和Watson的方法时，就认为压碎的催化剂的宏观反应速率Ko与其本征反应速率Ki是不相同的。利用图8所示的图示，根据该方法可以确定出工业规格催化剂床层中任意位置的Thiele模数，该Thiele模数是通过在该位置的工业规格催化剂和相应位置的压碎的催化剂的宏观反应速率的比值及其颗粒直径的比例来确定。比如，在图8中，当所述压碎的催化剂与所述工业规格催化剂的颗粒直径比值为0.2且工业规格催化剂与压碎的催化剂的宏观反应速率Ko的比值为0.34时，那么在该位置催化剂的Thiele模数大约为9。此时，再参看图9所示，那么沿着反应器35中的工业规格的催化剂床层，在该位置的效率因子大约就为0.27。在多级反应器11和35的运行过程中，可对工业规格催化剂床层中与经度相关的效率因子进行重复测定，这样就可以确定反应时间对平推流催化***的质传性能的影响。当然，也可在不同的温度和压力条件下进行测定，从而确定这些参数的改变对反应器35中的复合催化剂床层中质传的影响。

由于效率因子是催化剂宏观反应速率Ko与其本征反应速率Ki的比值，那么沿着催化剂床层在一个给定的纵向位置，由催化剂在该位置的效率因子和其宏观反应速率Ko就能推算出其本征反应速率Ki。不管对于压碎的催化剂还是工业规格的催化剂，其本征反应速率Ki都是相同的，所以沿着工业规格催化剂的床层，其任意位置的效率因子就可以通过工业规格的催化剂在该位置的宏观反应速率Ko和本征反应速率Ki来确定。

对于一个反应来说，在平推流反应器催化剂床层中不同的纵向位置可能存在不同的反应路径，比如含硫或氮原料的转化、渗碳或是通过氢解作用生成甲烷。为了探究***中与经度相关的动力学区间和质传区间及区分***中质传效应和动力学效应的发生，那么对生成存在于***中且沿着复合催化剂床层厚度变化的产物和副产物的不同动力学路径的行为进行表征就很重要。当所述区间明了后，就能来研究在一组给定的且对特定的催化剂而言具有最优权衡的操作条件下的***中由反应物生成产物的质传性能。

如图10所示，本实施例提供了优化一个固定床反应器中催化剂床层的纵向特性的范例。在图10中，其揭示了在具有共同的反应物原料及一组给定的温度和压力条件下在装载有压碎的和同种类工业规格的费托合成催化剂在固定床反应器中效率因子和转化率的典型关系图。如图10所示，在转化率达到大约50-60％的那部分的催化剂床层中，其质量传递阻滞是明显存在的；在转化率为大于70％的催化剂床层中，其质量传递阻滞就不存在了。可见，由工业规格催化剂颗粒形成的催化剂床层在较小的效率因子时具有较大的质传阻滞，且该较大的质传阻滞可以反映沿压碎的催化剂床层和工业规格的催化剂床层的厚度反应路径上的差异。同时，较大的质传阻滞表明在转化率较低的那部分催化剂床层，如接触完全新鲜原料的催化剂床层的入口处有物质，如蜡在催化剂孔洞中累积。但是这种情况在转化率已经较高的催化剂床层的较低部位就不存在了。

在加氢处理反应器中，效率因子低时往往会导致产生大量不需要的甲烷或是形成碳覆盖层。特别的是对于装载有工业规格催化剂床层的费托合成反应器来说，催化剂床层的上部会产生实质数量的甲烷。这导致了反应物气体在催化剂孔洞中的扩散率很低，从而催化剂的活性位接触不到足够的反应物气体便转而生成大量的甲烷。为了优化固定床反应器中的催化剂床层结构以避免在催化剂床层的入口处生成大量不需要的甲烷，就比如可以在催化剂床层的入口处使用活性较低的催化剂，这样就可以产生较少甲烷。

除了使用具有不同尺寸的压碎的和工业规格的催化剂颗粒来研究固定床反应器中催化剂床层的质传性能外，也可使用相同尺寸的含有不同量催化剂的颗粒来研究。所述颗粒由压碎的细小的或粉末状催化剂及惰性稀释物，如氧化铝或硅石组成。粉末状或细小的催化剂与细小的压碎惰性稀释物均匀混合并进行烧结以形成一定尺寸的颗粒。此时，就可选择具有较低含量催化剂的颗粒使其相当于上述方法中所述的压碎的催化剂，选择具有较高含量催化剂的微粒使其相当于工业规格的催化剂，这种含量的选择依赖于催化剂的活性及反应的本质。

对反应器进行工业规模放大过程中，较好的做法是在一个绝热反应器中验证在等温条件下获得的质传性能。在绝热反应器中，工业规格催化剂中混有的惰性稀释物的量就需要较少，而且要控制导热管的直径以使该绝热反应器的热量性能能够反映预期的工业规模反应器的热量性能。

在研究加氢处理反应器的质传效应时，除了对反应速率相对于转化率或停留时间进行作图外，也可对甲烷的选择性与转化率进行作图。当质传阻滞存在时，甲烷的选择性就很高。以装载有高活性催化剂的稳态的费托合成固定床反应器中甲烷的选择性和一氧化碳的转化率之间的典型关系为例(未图示)。在该反应器中，质传阻滞对选择性的影响被最大化。对于反应器中工业规格催化剂和压碎的催化剂对甲烷的选择性差别较大的那部分而言，质传就是个影响。在一氧化碳的转化率在35-80％的催化剂床层中，其对甲烷的选择性都很小，在这个区域，质传影响的作用就很小。在一氧化碳的转化率大于80％的催化剂床层中，对于工业规格催化剂和压碎的催化剂而言，甲烷的选择性都增加的非常快，而且反应速率也降低下来，此时，意味着有其他因素，而非质传限制着催化剂的活性且增加了甲烷的选择性。

热量传递

在平推流反应器中，对其热传性能的了解对增加反应器的生产率来说至关重要。在放热反应，如费托合成反应中，高温时的反应速率很高，然而，温度太高时就有失控的危险。平推流反应器中催化剂床层中的温度可沿催化剂床层的纵向和横向不断变化，对其内发生的吸热反应来说，就需要对反应器进行加热以避免催化剂床层冷点或反应器停车的发生。

图2所示的装置可以用来研究平推流反应器***的热传性能，其中，多级反应器11中的反应器13，15和17中装载有经过惰性颗粒稀释的压碎的催化剂颗粒，多级反应器35中的反应器37，39和41中装载有经过惰性颗粒稀释完整尺寸的催化剂颗粒。通过调整惰性稀释颗粒与催化剂颗粒的比例从而使反应器11和35可在等温条件下操作。采样阀25，27，29，49，51和53分别对相应的反应器的排出物进行采样。此外，沿着所述多级反应器11和35中的每个单级反应器的催化剂床层的纵向，在其中间部位及***设置有热电偶来测量催化剂床层的温度。另外，在反应器中可设置较厚的导热套管(Conductive Sleeves)来相应的减小催化剂床层的直径，进而减小催化剂床层中间部位产生的反应热到达由反应器壁及包围着反应器壁的温度控制装置所形成的散热器(Heat Sink)的路径，这样就能够研究横向热传效应(Lateral Heat Transfer Effects)，当然，与之相较，也可使用连续的较薄的导热套管来增加催化剂床层的直径，直到反应热不能从催化剂床层的中间部分通过反应器壁很好的移除。

在本实施例中，较好的是在不同的反应器流速、压力和产率及反应开始和反应过程中对温度和产物进行重复测试。另外，利用本发明的方法，也可以来研究催化剂床层中不同尺寸和形状的催化剂颗粒对热量传递性能及其他工艺参数，如对转化率、选择性和动力学的影响。这样，通过所获得测量数据，就能够探究热传特性在整个多变量空间中是如何影响反应器的性能的，所述多变量空间正是工业规模的反应器所具有的特点。

如图11所示，使用本实施例的装置同样可以来研究一个平推流反应器中与经度相关的质传、热传及动力学特性。在本实施例中，包括一个实验室规模的平推流反应器201，在本实施例中，其为固定床反应器且其内装载有由工业规格的催化剂颗粒组成的催化剂床层203。一个新鲜反应物源205可输入新鲜物料到反应器201中。同时，通过控制控制阀209-1到209-n，反应器201的排出物可定量的被输入到相应的实验室规模的固定床反应器207-1到207-n中。反应器207-1到207-n中分别装载有对应的较浅的具有较低转化率的催化剂床层211-1到211-n，其通过足够多的惰性颗粒进行稀释以使该等催化剂床层在等温条件下进行操作。另外，通过控制控制阀213-1到213-n，反应物源205也可提供定量的新鲜物料到对应的反应器207-1到207-n。反应器207-1到207-n的排出物可通过相应的采样阀215-1到215-n对其进行采样。

当反应器201在既定的转化率如80％条件下操作时，可通过控制控制阀209-1到209-n及213-1到213-n来调整输入到反应器207-1到207-n中的反应器201的排出物和来自新鲜反应物源205的新鲜反应物之间的比例，进而可调整反应器207-1到207-n的转化率，使其处于0到80％之间。以反应器207-1为例，控制控制阀209-1和213-1仅使反应器201的排出物进入反应器207-1中，控制催化剂床层211-1的厚度使于反应器201进入反应器207-1中的反应器201的排出物再转化5％左右。这样，催化剂床层211-1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209-2和213-2使进入反应器207-2的物料已具有40％的转化率，且控制催化剂层211-2的厚度使该物料再转化5％左右，这样，催化剂层211-2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211-1到211-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截面段的性能。

催化剂层211-1到211-n可以具有不同的组分，比如，催化剂层211-1和211-2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。当然，对于不同的应用，催化剂层211-1到211-n可装载有具有不同化学或物理成分的催化剂颗粒。为了避免反应器201的排出物进入反应器207-1到207-n过程中热量损失或其温度升高，往往于连接反应器201和207-1到207-n的管道及控制阀上覆盖有绝缘材料以避免上述情况。此外，可以对反应器201和反应器207-1到207-n设置共同的温度控制装置217来控制其温度，或者对于不同的需求，反应器201和反应器207-1到207-n也可分别设置独立的温度控制装置。另外，反应物源205的新鲜反应物在供给反应器207-1到207-n之前常需要进行加热。加热方式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 a Fluidized 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。

根据不同的发明目的，如放大或其他目的等，如图2，4，7及12所示的本发明反应装置可用来检测平推流反应器在不同目的下的运行参数，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和质传特性与反应时间的关系。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。

利用本发明反应装置，可以加快从催化过程的最初发现到其商业应用的进程。举例来说，在本发明的一个实施例中，四个多级反应器平行设置。其中，第一个多级反应器中的反应器均装载有压碎的催化剂，这样，该多级反应器就可用来提供本征反应速率和选择性数据。第二个多级反应器中的反应器均装载有工业规格的催化剂。在均达到给定的转化率时，基于对装载有压碎催化剂的反应器与工业规格催化剂的反应器中反应物相对的停留时间的直接比较，于第二个反应器获得的数据就可来确定质传阻滞的程度。通过针对一系列停留时间所对应的转化率数据的获得，就能够确定效率因子(Effectiveness Factor)，进而确定有效扩散率相对于转化率或停留时间的关系。同时，该数据也可来提供质传对选择性的影响信息。第三个多级反应器，也可为单级反应器，其作为检测反应器。该检测反应器是装载有较浅的催化剂床层的反应器或是全混流反应器，且来自前述两个多级反应器中的任一反应器的流体可直接输入相关的检测反应器中。此外，也可向检测反应器中输入另外的气体或液体以确定催化剂的吸附速率或催化剂表面性能的变化。这些信息对建立一个固定床反应器的模型具有很大的价值。最后，第四多级反应器，其为绝热反应器，用来测试由前述反应器发展而来的反应器模型的性能。这种平行的操作串联反应器的模式可以快速获得放大所需的数据。实际上，目前即使在一个温度下，获取包括催化剂失活(Deactivation)及其再生数据在内的所有用于放大的数据，常需要1-2年的时间，然而，利用本发明所述的装置一下子就可以节省好几年的研发时间。本发明的另一个好处是可以同时操作多组反应器，而且可在不同的温度、压力和物料组分下操作。另外，本发明所述的装置对于工业化设计来说可产生最优的经济性，比起快速放大一个新型催化剂到其工业化的进程中节省的成本来说，同时操作多组平行设置的串联反应器的花费还是很小的，比如开发出一种新型的催化剂可以使生产每桶油节省1美元，那么一个日产量10万桶的工厂一年就可节省超过3000万美元。很明显，这些节省可以很容易的远远抵消掉操作平行设置的多组串联反应器的成本。

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12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13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13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13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14所示，其与图13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13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13-14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15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 (7)

1.一种研究用于工业规模平推流催化工艺及反应器***中的加氢处理不洁原料的运行参数的方法，其包括：

a)设置第一实验室规模的复合多级串联平推流反应器，其至少为三级串联反应器，于所述第一复合多级反应器中的第一级反应器的入口处向其内输入具有选定分压的不洁原料和氢气以移除所述不洁原料中杂环分子中的杂原子；所述第一复合多级反应器的每一级反应器中的催化剂床层包括能够催化通过氢气移除所述杂环分子中的杂原子的催化剂颗粒，所述移除不洁原料中杂环分子中的杂原子是在选定的一组温度、压力、反应物流速和反应产物流速的操作条件下进行，所述实验室规模反应器中的催化剂床层中的催化剂具有选定的特性；

b)对所述复合多级反应器中的每一级反应器的排出物进行采样；

c)测量所述不洁原料中杂环分子的浓度及每一级反应器排出物中杂环分子、中间体、最终产物和副产物的浓度；

d)在选定的不同的所述操作条件下和/或在选定的不同的催化剂特性下重复步骤a)到c)；

e)利用在一次杂原子移除操作中测量所得的结果来选择在后续杂原子移除操作中的催化剂床层的特性和运行参数以提高所述试验室规模平推流反应器的产率和选择性。

2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测量中包括测量每一级反应器排出物中硫醇、胺和醇。

3.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，

f)设置第二实验室规模的复合多级串联平推流反应器，于所述第二多级反应器中的第一级反应器的入口处向其内输入具有选定分压的来自所述第一多级反应器的最后一级反应器的排出物及氢气，以使所述排出物中的多核芳香烃分子饱和；所述第二复合多级反应器的每一级反应器中的催化剂床层包括能够催化通过氢气使输入到所述第二多级反应器的第一级反应器中的排出物中的多核芳香烃分子饱和的催化剂颗粒；所述使排出物中的多核芳香烃分子饱和的操作是在选定的一组温度、压力、反应物流速和反应产物流速的操作条件下进行，所述第二实验室规模反应器中的催化剂床层中的催化剂具有选定的特性；

g)对所述第二多级反应器的每一级反应器的排出物进行采样；

h)测量所述第二多级反应器的每一级反应器的排出物中由催化反应生成的产物和副产物的浓度；

i)在选定的不同的所述操作条件下和/或在选定的不同的催化剂特性下重复步骤f)到h)；和

j)利用在一次多核芳香烃分子饱和操作中测量所得的结果来选择在后续多核芳香烃分子饱和操作中的催化剂床层的特性和运行参数以提高所述第二实验室规模平推流反应器的产率和选择性。

4.一种如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，

k)设置第三实验室规模的复合多级串联平推流反应器，于所述第三多级反应器中的第一级反应器的入口处向其内输入具有选定分压的来自所述第二多级反应器的最后一级反应器的排出物及氢气，以使来自所述第二多级反应器的排出物中的环状分子内的碳碳键断开；所述第三复合多级反应器的每一级反应器中的催化剂床层包括能够催化通过氢气使输入到所述第三多级反应器的第一级反应器中的排出物中的环状分子的碳碳键断开的催化剂颗粒；所述使排出物中的碳碳键断开的操作是在选定的一组温度、压力、反应物流速和反应产物流速的操作条件下进行，所述第三实验室规模反应器中的催化剂床层中的催化剂具有选定的特性；

l)对所述第三多级反应器的每一级反应器的排出物进行采样；

m)测量所述第三多级反应器的每一级反应器的排出物中由催化反应生成的产物和副产物的浓度；

n)在选定的不同的所述操作条件下和/或在选定的不同的催化剂特性下重复步骤k)到m)；和

o)利用在一次碳碳键断开的操作中测量所得的结果来选择在后续碳碳键断开的操作中的催化剂床层的特性和运行参数以提高所述第三实验室规模平推流反应器的产率和选择性。

5.一种如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，

p)设置第四实验室规模的复合多级串联平推流反应器，于所述第四多级反应器中的第一级反应器的入口处向其内输入具有选定分压的来自所述第三多级反应器的最后一级反应器的排出物及氢气，以使所述第三多级反应器的排出物中的碳氢化合物分子加氢裂解和异构化；所述第四复合多级反应器的每一级反应器中的催化剂床层包括能够催化通过氢气使输入到所述第三多级反应器的第一级反应器中的排出物中的碳氢化合物分子加氢裂解和异构化的催化剂颗粒；所述使排出物中氢化合物分子加氢裂解和异构化的操作是在选定的一组温度、压力、反应物流速和反应产物流速的操作条件下进行，所述第四实验室规模反应器中的催化剂床层中的催化剂具有选定的特性；

q)对所述第四多级反应器的每一级反应器的排出物进行采样；

r)测量所述第四多级反应器的每一级反应器的排出物中由催化反应生成的产物和副产物的浓度；

s)在选定的不同的所述操作条件下和/或在选定的不同的催化剂特性下重复步骤p)到r)；和

t)利用在一次加氢裂解和异构化的操作中测量所得的结果来选择在后续加氢裂解和异构化的操作中的催化剂床层的特性和运行参数以提高所述第四实验室规模平推流反应器的产率和选择性。

6.一种如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，

u)设置第四实验室规模的复合多级串联平推流反应器，于所述第四多级反应器中的第一级反应器的入口处向其内输入具有选定分压的来自所述第三多级反应器的最后一级反应器的排出物及氢气，以使第一级反应器中的排出物中的不饱和分子饱和；所述第四复合多级反应器的每一级反应器中的催化剂床层包括能够催化通过氢气使输入到所述第三多级反应器的第一级反应器中的排出物中的不饱和分子饱和的催化剂颗粒；所述使排出物中不饱和分子饱和的操作是在选定的一组温度、压力、反应物流速和反应产物流速的操作条件下进行，所述第四实验室规模反应器中的催化剂床层中的催化剂具有选定的特性；

v)对所述第四多级反应器的每一级反应器的排出物进行采样；

w)测量所述第四多级反应器的每一级反应器的排出物中由催化反应生成的产物和副产物的浓度；

x)在选定的不同的所述操作条件下和/或在选定的不同的催化剂特性下重复步骤u)到w)；和

y)利用在一次不饱和分子饱和的操作中测量所得的结果来选择在后续不饱和分子饱和的操作中的催化剂床层的特性和运行参数以提高所述第四实验室规模平推流反应器的产率和选择性。

7.一种如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，

z)设置第五实验室规模的复合多级串联平推流反应器，与所述第五多级反应器的中第一级反应器的入口处向其内输入具有选定分压在的来自第四多级反应器的最后一级反应器的排出物及氢气，以使排出物中的碳氢化合物分子加氢裂解和异构化；所述第五复合多级反应器的每一级反应器中的催化剂床层包括能够催化通过通过氢气使输入到所述第五多级反应器的第一级反应器中的排出物中的碳氢化合物分子加氢裂解和异构化的催化剂颗粒；所述使排出物中氢化合物分子加氢裂解和异构化的操作是在选定的一组温度、压力、反应物流速和反应产物流速的操作条件下进行，所述第四实验室规模反应器中的催化剂床层中的催化剂具有选定的特性；

z1)对所述第五多级反应器的每一级反应器的排出物进行采样；

z2)测量所述第五多级反应器的每一级反应器的排出物中由催化反应生成的产物和副产物的浓度；

z3)在选定的不同的所述操作条件下和/或在选定的不同的催化剂特性下重复步骤z)到z2)；和

z4)利用在一次加氢裂解和异构化的操作中测量所得的结果来选择在后续加氢裂解和异构化的操作中的催化剂床层的特性和运行参数以提高所述第五实验室规模平推流反应器的产率和选择性。

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