專利名稱：多孔漿態(tài)床反應器及反應方法
技術領域：
本發(fā)明多孔漿態(tài)床反應器及反應方法屬于化工機械領域，涉及一種適合于合成甲醇，碳酸二甲酯等化學品的催化劑高通量篩選的多孔漿態(tài)床反應器及反應方法。
背景技術：
催化劑設計是多相催化研究領域中最具有挑戰(zhàn)性的任務，盡管目前工業(yè)中使用的大多數(shù)催化劑都是通過經(jīng)驗和反應過程設計的產(chǎn)品。但是，如何在合理的依據(jù)上設計催化劑，以保證催化劑質量、性能穩(wěn)定，是開發(fā)新型催化劑的目標。通常認為，催化劑單位表面積的催化活性主要取決于它的化學組成，但是對相同的化學組分，其催化特性在很大程度上又取決于催化劑的制備方法和制備條件。不同的制備方法和條件會改變催化劑的化學結構(化合狀態(tài)、化合物間的反應程度)和物理結構(晶粒大小、晶型、晶格缺陷、孔結構、表面構造和形狀構造等)，從而使其催化特性顯著不同。優(yōu)良的工業(yè)催化劑應該具有高活性，選擇性好，壽命長，機械強度高，容易再生，成本低，原料自給等方面的先進指標。要達到這些指標，需要經(jīng)歷一個周密篩選和反復試制的過程?，F(xiàn)有催化劑也有必要進一步改進，不斷地提高上述某一方面或某些方面的性能。因此，傳統(tǒng)催化刑的探索是漫長耗時的。此外，這些研究工作常常是由不同的研究小組獨立完成的，信息交流、溝通很困難。顯而易見，傳統(tǒng)方法不足以實現(xiàn)快速合成和快速評估的催化劑研究開發(fā)工作。
越來越多的催化研究者日益意識到傳統(tǒng)研究技術在催化劑的制備、篩選、性能評價以及催化過程操作參數(shù)的優(yōu)化等方面存在許多缺點，于是將組合化學技術引入催化研究領域形成的組合催化技術給傳統(tǒng)的催化研究方法帶來一次巨大的革命。同傳統(tǒng)的研究方法相比較，組合催化技術不僅能夠極大地降低催化劑的開發(fā)成本、快速地評價催化劑體系、優(yōu)化催化反應過程的操作因子，而且由于所使用的反應試劑及催化劑的量非常少，不會對環(huán)境帶來影響。但它不是完全不同于傳統(tǒng)研究，而是優(yōu)化了傳統(tǒng)研究的方式方法，考慮了眾多因素，提高了研發(fā)效率。此外，由于組合催化技術的自動化程度高，不但可以對催化劑進行高強度地連續(xù)評價，而且人為干擾因素少、實驗結果的重現(xiàn)性非常好，完全可以避免因不同的制備及操作條件而導致錯誤結論和結果。從含有成百上千個目標化合物或具有預期催化性能的組合催化劑庫中篩選出具有最佳催化活性的催化劑，對于傳統(tǒng)的評價試驗方法來說，是很難完成的。對現(xiàn)存的催化劑體系進行重新評價及利用該技術開發(fā)具有應用前景的新催化劑體系，是目前組合催化研究的主要熱點和重點。1995年California大學Schultz教授及其研究組首次報道了應用組合化學概念采用水蒸汽沉積法成功合成了超導材料和抗磁材料的薄膜“庫”。在取得這一進展后不久，Symyx科技公司的研究者采用水蒸汽沉積法生產(chǎn)出了光致發(fā)光材料的高密度薄膜庫；Weinberg等于1998年又首次報道了組合化學應用于新催化劑的發(fā)現(xiàn)、篩選及優(yōu)化。根據(jù)研究目的，在已有的相關研究知識儲備上，采用計算機輔助分子設計與合成，設計出符合組合催化研究及應用目的的組合催化劑庫及評價體系，是組合催化研究的關鍵。高通量反應器和快速檢測技術是催化劑評價體系中的重要環(huán)節(jié)，其中，用于催化劑活性及選擇性篩選的反應器，其設計必須考慮以下因素①反應物與催化劑充分接觸；②在催化劑內(nèi)部和外部不存在傳質和傳熱的限制；③在絕熱條件下，一定的時間分布內(nèi)，能很好描述反應器的特征。
漿態(tài)床反應器是一種新型的化工反應設備，它利用原料氣作為反應混合的動力源，以液態(tài)反應物或惰性溶劑為載體，將催化劑分散懸浮在溶劑中進行反應，該種型式的反應設備由于沒有機械攪拌，因而可以在高溫高壓下無泄漏運行。由于采用惰性溶劑作為分散催化劑的載體，熱容大，有利于反應溫度的平穩(wěn)，由于有氣體在床層中的強烈擾動作用，因而反應熱能夠及時移出，避免出現(xiàn)床層熱點，延長催化劑的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為催化劑的高通量篩選提供了一種多孔漿態(tài)床反應器及反應方法，反應器由一定數(shù)目相同規(guī)格的多個圓柱形小孔反應器構成，選用不銹鋼、鈦合金或黃銅等金屬材料制作，反應器釜蓋裝有與反應器釜體小孔反應器相應的多根空心攪拌桿，反應氣體混合后經(jīng)控制單元從攪拌桿中心進入到各小孔反應器中，各攪拌桿上端齒輪與中央齒輪嚙合連接，由與中央齒輪相連的同步電機提供攪拌動力，各小孔反應器采用獨立的密封設計和供氣系統(tǒng)，同步攪拌裝置和電爐或導熱油浴為各小反應器提供同步的反應溫度、壓力和攪拌速度。
上述的多孔漿態(tài)床反應器，其特征在于所使用的反應器由反應氣體控制單元I、反應器釜蓋II、同步攪拌系統(tǒng)III、反應器釜體IV和加熱裝置V五部分構成，所述的反應氣體控制單元I位于反應器釜蓋II的上部，由質量流量計1和控制閥2構成；所述的反應器釜蓋II位于反應氣體控制單元I下部，選用不銹鋼、鈦合金或黃銅等金屬材料制作，上部設有放空閥3、熱電偶4、壓力表5和固定螺栓6，下部設有兩個定位孔7；所述的同步攪拌系統(tǒng)III位于反應器釜蓋II內(nèi)部，由電機8、中間軸9和中空的攪拌桿10構成，中間軸9和攪拌桿10上部采用齒輪嚙合連接；所述的反應器釜體IV位于反應器釜蓋II的下部，由一定的布局間隔的多個相同尺寸的圓柱形的小孔反應器11構成，外部設有固定螺栓6；所述的加熱裝置V位于反應器釜體IV的下部，加熱裝置V采用電爐或導熱油浴。
上述的一種多孔漿態(tài)床反應器的反應方法，其特征在于首先采用不銹鋼、鈦合金或黃銅等金屬材料加工直徑10～30cm，高2～10cm的反應器釜蓋II和直徑為10～30cm、高為5～25cm的反應器釜體IV，然后在反應器釜體IV加工10～50個直徑為2～5cm、高為4～18cm的反應器孔，孔間間隔為0.3～1.0cm，采用不銹鋼材料加工內(nèi)徑為0.4～0.6cm的空心攪拌桿；其次稱取5～100種制備好的固體粉末催化劑各0.1～1g分別裝入到5～100個直徑為1～3cm、高為4～18cm的反應器孔11中，然后分別加入5～20ml液體反應物，蓋上反應器釜蓋II，擰緊固定螺栓6，打開控制閥2充入反應氣體至1.0～3.0MPa，保持20～30分鐘檢測密閉性，證明反應器密封完好后打開放空閥3排出反應氣體，然后重新充入反應氣體至0.8～10MPa，關閉控制閥2使5～100反應器孔11完全隔離，設定反應溫度為80～220℃，調節(jié)轉速為500～1000轉/分，反應60～180分鐘后停止加熱，待釜內(nèi)溫度降至室溫后，分別在各反應器孔取樣，采用氣相色譜儀分析產(chǎn)物組成。
本發(fā)明的優(yōu)點是可以同時進行多個催化劑的漿態(tài)床反應研究，各反應器間溫度和壓力分布均勻，反應物料消耗小，大大縮短了催化劑的評價時間。
四

附圖1-4為多孔漿態(tài)床反應器的內(nèi)部結構輪廓圖(以37孔反應器為例)，I-反應氣體控制單元、II-反應器釜蓋、III-同步攪拌系統(tǒng)、IV-反應器釜體、V-加熱裝置。
圖1為反應器釜蓋剖面圖，1-質量流量計，2-控制閥，3-放空閥，4-熱電偶，5-壓力表，6-固定螺栓，7-定位孔，8-電機，9-中間軸，10-攪拌桿。
圖2為反應器釜體剖面圖，6-固定螺栓，11-小孔反應器。
圖3為加熱裝置圖。
圖4為反應器釜體俯視圖。
五具體實施例方式
實施方式一以直徑30cm、高10cm的1G18Ni9Ti不銹鋼材料加工反應器釜體IV，在反應器釜體IV上加工37個直徑為2cm、高為8cm的小孔反應器11，孔間間隔為0.8cm，反應器釜蓋II由1G18Ni9Ti不銹鋼材料加工，直徑30cm，高6cm，空心攪拌桿10由1G18Ni9Ti不銹鋼材料加工，電爐加熱功率0.5kW，反應器使用溫度為50-220℃，壓力0.1-5.0MPa。
實施方式二以直徑為25cm、高為10cm的TA2鈦合金材料加工反應器釜體IV，按照0.5cm的間隔加工20個直徑為2.5cm、高為7.5cm的小孔反應器11；反應器釜蓋由TA2鈦合金材料加工，直徑25cm，高5cm，空心攪拌桿由TA2鈦合金材料加工，反應氣體通過球形閥分配至輸氣管達到各反應器孔，輸氣管由不銹鋼材料加工，內(nèi)徑為0.4cm，壁厚0.2.5cm，采用導熱油浴加熱，加熱功率1kW，反應器使用溫度為50-180℃，壓力0.1-3.0MPa。
實施方式三甲醇液相氧化羰基化反應合成碳酸二甲酯稱取37種制備好的固體粉末催化劑各0.2g分別裝入到37個反應器孔中，然后分別加入8ml甲醇，蓋上釜蓋，擰緊固定螺絲。打開球形閥充入O2至2.4MPa，保持30分鐘檢測密閉性，證明反應器密封完好后打開放空閥排出O2，然后重新充入O2至0.8MPa，繼續(xù)充入CO至總壓力為2.4MPa，關閉球形閥使各反應器孔完全隔開保持獨立反應體系。設定反應溫度為140℃，調節(jié)轉速為700轉/分，反應90分鐘后停止加熱，待釜內(nèi)溫度降至室溫后，在各反應器孔取樣，采用HP6890氣相色譜儀分析產(chǎn)物組成。
實施方式四一氧化碳加氫合成甲醇稱取20種制備好的固體粉末催化劑各0.5g分別裝入到20個反應器孔中，然后分別加入10ml石蠟油，蓋上釜蓋，擰緊固定螺絲。打開球形閥充入CO至3.0MPa，保持30分鐘檢測密閉性，證明反應器密封完好后打開放空閥排出CO，然后重新充入1MPa的CO，繼續(xù)充入H2至總壓力為3.0MPa，關閉球形閥使各反應器孔完全隔離。設定反應溫度為160℃，調節(jié)轉速為900轉/分，反應120分鐘后停止加熱，待釜內(nèi)溫度降至室溫后，在各反應器孔分離取樣，采用GC9160型氣相色譜儀分析產(chǎn)物組成。
權利要求
1.一種多孔漿態(tài)床反應器，其特征在于所使用的反應器由反應氣體控制單元I、反應器釜蓋II、同步攪拌系統(tǒng)III、反應器釜體IV和加熱裝置V五部分構成，所述的反應氣體控制單元I位于反應器釜蓋II的上部，由質量流量計1和控制閥2構成；所述的反應器釜蓋II位于反應氣體控制單元I下部，選用不銹鋼、鈦合金或黃銅等金屬材料制作，上部設有放空閥3、熱電偶4、壓力表5和固定螺栓6，下部設有兩個定位孔7；所述的同步攪拌系統(tǒng)III位于反應器釜蓋II內(nèi)部，由電機8、中間軸9和中空的攪拌桿10構成，中間軸9和攪拌桿10上部采用齒輪嚙合連接；所述的反應器釜體IV位于反應器釜蓋II的下部，由一定的布局間隔的多個相同尺寸的圓柱形的小孔反應器11構成，外部設有固定螺栓6；所述的加熱裝置V位于反應器釜體IV的下部，加熱裝置V采用電爐或導熱油浴。
2.按照權利要求1所述的一種多孔漿態(tài)床反應器的反應方法，其特征在于首先采用不銹鋼、鈦合金或黃銅等金屬材料加工直徑10～30cm，高2～10cm的反應器釜蓋II和直徑為10～30cm、高為5～25cm的反應器釜體IV，然后在反應器釜體IV加工10～50個直徑為2～5cm、高為4～18cm的反應器孔，孔間間隔為0.3～1.0cm，采用不銹鋼材料加工內(nèi)徑為0.4～0.6cm的空心攪拌桿；其次稱取5～100種制備好的固體粉末催化劑各0.1～1g分別裝入到5～100個直徑為1～3cm、高為4～18cm的反應器孔11中，然后分別加入5～20ml液體反應物，蓋上反應器釜蓋II，擰緊固定螺栓6，打開控制閥2充入反應氣體至1.0～3.0MPa，保持20～30分鐘檢測密閉性，證明反應釜密封完好后打開放空閥3排出反應氣體，然后重新充入反應氣體至0.8～10MPa，關閉控制閥2使5～100反應器孔11完全隔離，設定反應溫度為80～220℃，調節(jié)轉速為500～1000轉/分，反應60～180分鐘后停止加熱，待釜內(nèi)溫度降至室溫后，分別在各反應器孔取樣，采用氣相色譜儀分析產(chǎn)物組成。
全文摘要
本發(fā)明多孔漿態(tài)床反應器及其反應方法涉及一種適合于合成甲醇，碳酸二甲酯等化學品的催化劑高通量篩選的反應器及反應方法，屬于化工機械領域。該反應釜由反應氣體控制單元、反應器釜蓋、同步攪拌系統(tǒng)、反應器釜體和加熱裝置五部分組成，可以同時進行多個催化劑的活性反應研究，各反應器間溫度和壓力分布均勻，反應物料消耗小，大大縮短了催化劑的評價時間，實現(xiàn)了對大批催化劑的高通量篩選。
文檔編號B01J8/08GK1830538SQ200610012408
公開日2006年9月13日 申請日期2006年2月15日 優(yōu)先權日2006年2月15日
發(fā)明者任軍, 李晉平, 李忠, 謝克昌 申請人:太原理工大學