[发明专利]一种催化加氢处理不洁原料的研究方法

说明书

【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。