CN104368301B - 一种超重力反应器及反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超重力反应器及反应方法。所述超重力反应器设置有两个液体进料口，两个液体进料口分别连接各自的液体分布器，两个液体分布器的喷淋管各自独立且设置于以旋转床中轴为圆心的同心圆环上。所述方法包括：反应物料与催化剂、或者两种反应物料分别从两个液体进料口进入超重力反应器，并经由各自的喷淋管喷洒于旋转填料或固体催化剂内缘上，实现二者混合，同时接触发生反应，或者混合后与气相接触发生反应。本发明改进了超重力反应器液体进料口和喷淋管的结构与布局，使得液态催化剂和液态反应物的混合在超重力场中进行，充分发挥超重力环境中混合效果好的优点；同时解决并简化了液态催化剂与液态产物后续分离的问题。

Description

一种超重力反应器及反应方法

技术领域

本发明涉及反应工程领域，更进一步说，是涉及一种超重力反应器及反应方法。

背景技术

催化反应在石油化工，化学工业、生物工程、环境保护等领域可谓无处不在，催化反应在诸如固定床、流化床等各类反应器中进行，反应器提供反应物料、反应物料与均相或多相催化剂发生接触的物理空间，反应器的选型往往决定了反应物料，反应物料与催化剂的接触方式，对催化反应效率的影响至关重要。

超重力技术是二十世纪70年代发展起来的一项工程技术，英国帝国化学公司（ICI）的EP0023745A3专利涉及对化工分离单元操作----蒸馏、吸收、解吸等过程的研究。

中国专利CN1507940A公开了在超重力场中进行催化反应的方法，该方法采用超重力旋转床作为催化反应器，将催化剂固定在旋转床转子上，所涉及催化反应为均相或多相反应，该方法可减少副产物生成，减少设备体积，降低能耗。

中国专利CN1743064A公开了一种将多相催化剂液相化后，在超重力旋转床中进行催化反应的方法。其中所述的液相化是指将催化剂活性组分溶解在液相反应物或溶剂中形成均相混合物，或将其以细小颗粒分散在液相反应物或溶剂中。该方法延长了催化剂的再生周期，提高了生产效率。

中国专利CN1895766A公开了一种选择性加氢方法，该方法将烃类物料除杂质的选择加氢过程在旋转床超重力中进行，将选择性加氢催化剂固定于旋转床转子上，该方法通过调节超重力旋转床转子转速和转子径向厚度调整烃类物料在催化剂床层的停留时间，从而控制加氢的选择性，该方法不同于传统选择加氢工艺。

但以上专利都存在下列问题：若多股液体物料间互溶性差时，混合后的溶液存在局部混合不均或溶液分层现象，则当此混合物流进入超重力场与催化剂床层接触发生反应时，显然反应也只存在于催化剂床层的局部，不同的液体物料间会有相当部分彼此无法相互接触，反应转化率不可能理想。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种超重力反应器及反应方法。本发明改进了超重力反应器液体进料口和喷淋管的结构与布局，使得液态催化剂和液态反应物或者两种液体反应物料的混合在超重力场中进行，充分发挥超重力环境中混合效果好的优点；同时解决并简化了后续分离的问题。

本发明的目的之一是提供一种超重力反应器。

所述超重力反应器设置有两个液体进料口，两个液体进料口分别连接各自的液体分布器，两个液体分布器的喷淋管各自独立且设置于以旋转床中轴为圆心的同心圆环上。

优选：

所述两个液体分布器的喷淋管数目相同且依次间隔排列。

本发明的目的之二是提供一种采用所述超重力反应器的反应方法。

包括：

反应物料与催化剂、或者两种反应物料分别从两个液体进料口进入超重力反应器，并经由各自的喷淋管喷洒于旋转填料或固体催化剂内缘上，实现二者混合，同时接触发生反应，或者混合后与气相接触发生反应。

反应后的液相产品与催化剂由超重力反应器液相出口进入液位控制罐，然后进入产品分离罐，产品物料与液态催化剂通过静态分层得以分离。

分离后的催化剂一部分去再生处理，另一部分供循环使用。

对于两股液料的反应，当反应生成沉淀时，若液料间互溶性差，则通过自然分层即可实现液-液-固分离：同时若当该反应为催化反应时，此时催化剂若为液相化形式，则催化剂通过与其中某一种液料互溶而同另一种液料实现分离；催化剂若为固态颗粒形式装填于填料床中，则只涉及反应液料间的液体分层分离。视反应后的液料情况而定，两股液料可直接循环利用或经过处理后再循环使用。

下面以气液催化反应过程为例对本发明的反应过程加以说明：

液态反应物料与液态催化剂通过各自对应的液体入口进入超重力反应器，并经由各自的喷淋管喷洒于旋转填料内缘上，在填料中实现二者混合，同时与气相接触发生催化反应（例如碳四全加氢或选择性加氢过程）。反应后的液相产品与催化剂由超重力反应器液相出口进入液位控制罐，然后进入产品分离罐，产品物料与液态催化剂通过静态分层得以分离。分离后的催化剂一部分去再生处理，另一部分供循环使用，产品物料进入后续流程深加工处理。

本发明中液态反应物料与液态催化剂各自独立进料，进入各自的液体分布器，二者的喷淋管位于各自独立但同心的圆环（以旋转床中轴为圆环）上，这里两套分布器各自的喷淋管数目以相同为最佳，且依次间隔排列，以期达到最好混合效果。

本发明对于液相催化剂的实际工业应用具有重要意义，这是因为限制液相催化剂实际应用的一个重要方面就是需要考虑液态反应产物与液相催化剂的后续分离问题。单纯考虑产物分离，希望液态反应/产物与液态催化剂互溶性差，使得简单处理即可完成反应物、产物与催化剂的分离，但传统反应器物料接触特点决定了这样的液态反应/产物与催化剂组合必定存在传质效果不佳、反应转化率低的问题，影响反应效率；因此单纯从反应角度考虑希望液态反应物与催化剂具有良好的互溶性，提升二者接触面积，以增进传质。由于分离与反应两方面因素互相制约，直接限制了液相催化剂的应用，使得其具有的种种好处仅仅停留在理论层面，无法付诸实施。专利CN1743064A提出的催化方法意在强化传质，但其液态反应物料与催化剂于超重力场【超重力场指的是旋转的填料床层（或催化剂床层）产生的离心加速度大于重力加速度G的离心力场】外预混和模式仅适用于二者互溶性好且不需要或较少考虑后续分离问题的工况，这显然限制了液相催化剂的工业应用范围。本发明中在超重力场中既实现液态反应物料与液态催化剂的深度混合，同时也实现相间的传质最大化，突破了反应与分离两方面互相制约的局面，为液态催化剂的广泛应用打开了局面，使得液态催化剂与液态物料间在互溶性较差条件下仍然能够充分接触，完成反应，同时又便于后续分离。

特别对于催化液与反应液不互溶工况（或二者互溶但需要控制二者接触时间工况），本发明的优势尤为明显—反应高效且混合液易于后续分离。

本发明中超重力场中的混合与反应模式并不仅仅局限于液态反应物料+液态催化剂的形式，同样也适用于多股液态反应物料在超重力场中的混合与（催化或非催化）反应，反应若为催化过程的话，此时催化剂即可以固态形式固定于旋转床上，也可以液态形式溶解于（或微小颗粒形式悬浮于）某一种液态反应物料中。催化剂即可以固态颗粒形式存在，也可采用液相化形式，其中优选液相化形式；本发明改进了催化剂与液相反应物料的混合方式，使得催化剂与液相反应物和气相反应物间的混合更为充分，避免了CN1743064A中采用超重力场外预混和存在的反应物料与催化剂局部混合不均问题（当液态催化剂与液相反应物互溶性差或催化液以颗粒悬浮存在时最为突出）；相应地本发明改进了超重力反应器液体进料口和喷淋管的结构与布局，使得液态催化剂和液态反应物的混合在超重力场中进行，充分发挥超重力环境中混合效果好的优点；同时本发明解决并简化了液态催化剂与液态产物后续分离的问题。

本发明对多股液料间的互溶性要求低，这就大大扩宽了超重力技术用于催化/非催化领域的适用范围，也解决了物料后续分离的棘手问题。

附图说明

图1本发明所述的超重力反应器结构示意图

图2液体分布器的喷淋管的正视图

图3液体分布器的喷淋管的仰视图

图4本发明用于催化加氢反应的流程示意图

附图标记说明：

1液体进料口；2气体入口；3填料；4转子；5喷淋管；6液体出口；7气体出口；8液体喷口；9原料罐；10催化剂储罐；11超重力反应器；12液位控制罐；13产品分离罐；14加氢产品；15催化液去再生；16-氢气；17-加氢尾气

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例：

如图1，图2，图3所示，一种超重力反应器。所述超重力反应器11设置有两个液体进料口1，两个液体进料口1分别连接各自的液体分布器，两个液体分布器的喷淋管5各自独立且设置于以旋转床中轴为圆心的同心圆环上，所述两个液体分布器的喷淋管数目相同且依次间隔排列。

催化剂制备：本催化剂使用硝酸与盐酸1：1比例混合液将金属Pd溶解，控制溶解后的Pd微粒尺寸在5-50nm范围内，然后使用NaOH溶液调节溶液Ph值为6.5-7之间，最后加去离子水制成水相催化剂。活性组分Pd以纳米粒子状态均匀悬浮（类似溶解）于整个溶液中，制备过程中需注意控制纳米级活性组分Pd不沉淀不聚集。

超重力反应器如图1所示，流程如图4所示，氢气由气体入口沿切向进入反应器，液相碳四原料和液相催化剂分别由各自的液体入口进入各自的液体分布器，并经各自的喷淋管喷洒于旋转填料内缘，在填料内实现液体的混合，同时与氢气逆流接触，发生加氢反应。

反应条件：入口温度25℃，压力25atm，空速60hr^-1，氢/不饱和键1.0mol/mol，填料为金属丝网，孔隙率为98.5%，超重力反应器转速1800r·min^-1。

反应后气体由气体出口导出；反应后液体混合物由液体出口导入液位控制罐，然后进入产品控制罐，碳四油相产品与水相催化剂实现自然分离。

碳四全加氢产品去后续加工单元；视液相催化剂性能而定，可一部分进入催化液储罐供循环加氢使用，一部分去再生处理工段再生。

对比例：

以中国专利CN1743064A中公开的碳四馏分全加氢实施例作为对比例。

为说明本发明的效果，实施例中所使用的原料组成、操作温度、压力、空速，超重力反应器转子尺寸及转速均与专利CN1743064A中列举实例相同，以便于比较和说明。

实施例和对比例的全加氢效果见表1.

表1

从表中数据可以看出，本实施例中的全加氢效果与对比例效果相当，说明当采用本发明中的混合模式与喷淋管设计时，液体催化剂与碳四物料接触充分，混合效果好；分析数据发现，本发明在循环比较小（4和3）时，亦有较好的全加氢效果，这是因为液体催化剂在反应器中不仅仅起催化作用，同时也发挥冷却作用，带走部分反应热，且水的比热容明显高于碳四循环物料，冷却效果更为明显，这意味着：采用本发明方法，可以降低碳四物料循环比，也就是说，同等生产（产品）规模下可以降低反应器负荷，相同原料处理能力下单位时间可以产出更多的全加氢产品，经济性好；同时本发明中液体催化剂与原料及产品易于分离、降低了分离阶段生产和人力负担。

Claims (4)

1.一种采用超重力反应器的反应方法，其特征在于，

所述超重力反应器设置有两个液体进料口，两个液体进料口分别连接各自的液体分布器，两个液体分布器的喷淋管各自独立且设置于以旋转床中轴为圆心的同心圆环上；

所述方法包括：反应物料与催化剂、或者两种反应物料分别从两个液体进料口进入超重力反应器，并经由各自的喷淋管喷洒于旋转填料或固体催化剂内缘上，实现二者混合，混合后与气相接触发生反应。

2.如权利要求1所述的反应方法，其特征在于：

所述两个液体分布器的喷淋管数目相同且依次间隔排列。

3.如权利要求1所述的反应方法，其特征在于：

反应后的液相产品与催化剂由超重力反应器液相出口进入液位控制罐，然后进入产品分离罐，产品物料与液态催化剂通过静态分层得以分离。

4.如权利要求3所述的反应方法，其特征在于：

分离后的催化剂一部分去再生处理，另一部分供循环使用。