[发明专利]一种装填有径向壁流的结构化催化剂的装置

说明书

技术领域

本发明涉及结构化催化剂，尤其涉及一种装填有径向壁流的结构化催化剂的装置。

背景技术

管式固定床反应器结构简单，返混小，当反应伴有串联副反应时可得到较高选择性。管式反应器结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是管内填充催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。传统的颗粒填充管式反应器传质阻力大，流体通过颗粒填充床时产生的压降大，多沟流，而且无机颗粒传热性能较差，易飞温。

在过去几十年，大量研究工作者致力于研究结构化催化剂，以克服管式反应器中传热、传质差的问题。结构化催化剂技术是将催化剂按照特定的宏观几何构型有序地放置于反应器内而加以利用的催化技术。结构化催化剂主要由活性组分、助催化剂、分散担体和骨架基体等四部分组成。充当骨架基体的是结构化载体，结构化载体是结构化催化剂的材料基础。目前，结构化载体主要有纤维编织体、蜂窝和泡沫三大结构类型，其中，蜂窝和泡沫结构化载体是用于分子筛涂层制作的主要载体。相比于蜂窝结构化载体，泡沫结构化载体具有三维连通网络通道，其形状可根据反应器的形状设计，可开孔或开槽，其压力降与蜂窝结构化载体相近的同时几何面积大大提高，能够实现物料与催化剂的充分接触，径向传热能力强，特别适用于强放热反应。镍、铜等金属以及氧化铝、堇青石、玻璃等陶瓷材料都可用来制作泡沫结构化载体。

泡沫结构化催化剂在传质、传热方面的巨大优势体现在一定的尺寸效应之上，也就是说只有当泡沫结构化催化剂的尺寸足够大，其优良的传热性能才能发挥，同时，每个结构单元之间的界面面积因此减小，传质效率更高。相较于传统的小球催化剂和挤条催化剂而言，整体结构催化剂过大的尺寸势必会造成催化剂与反应器内壁之间不能紧密贴合，留下空隙。反应物流便会不穿过催化剂床层直接从这些缝隙中流走，成为沟流。具体而言，当泡沫结构化催化剂应用于管式固定床反应器时，为了能够将泡沫结构化催化剂装填于反应管中，泡沫结构化催化剂的外径必然要小于反应管的内径，因此在反应管内壁与泡沫结构化催化剂之间就不可避免的会存在空隙，反应物流必将从此处沟流短路，大大降低反应器的传质效率，造成原料的不完全转化，提高了后续的产品分离负荷，整体工艺能耗增加。结构催化剂在传热、传质方面的优势因此不能正常发挥，一旦解决装填有泡沫结构化催化剂的固定床管式反应器中反应物料的壁面沟流，必将充分发挥结构化催化剂在传质、传热中的巨大优势，大幅度提高反应器的效率。

丙烯是重要的化工基础原料，主要用于聚丙烯的生产。在甲醇制丙烯反应中多采用ZSM-5分子筛催化剂，该反应为强放热反应，传统的填充床颗粒催化剂在传热和传质方面性能较差，催化剂床层传热较差，容易导致局部区域散热太慢而温度过高，形成热点，热点处催化剂积炭失活及脱铝失活加速，寿命降低的同时影响产品质量的稳定。因此将泡沫结构化催化剂在强化传热、传质方面的优势与ZSM-5分子筛在催化甲醇制丙烯上的催化优势结合起来，同时解决泡沫结构化催化剂壁面沟流问题，对提高反应器效率和丙烯收率，延长催化剂寿命而言意义重大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种装填有径向壁流的结构化催化剂的装置。

装填有径向壁流的结构化催化剂的装置，多个结构单元装填在反应管内，结构单元包括反应物流壁流引导面板、负载了催化剂的结构化载体和具有热胀冷缩效应的膨胀环，负载催化剂的结构化载体顶端设有反应物流壁流引导面板，负载催化剂的结构化载体底端镶嵌于具有热胀冷缩效应的膨胀环上，反应物流壁流引导面板与负载催化剂的结构化载体是同轴的实心圆柱体，具有热胀冷缩效应的膨胀环是与负载了催化剂的结构化载体同轴的中空圆柱体，两中空部分横截面重合。

所述的负载了催化剂的结构化载体为同轴中空的圆柱型或者同轴中空的正多面棱柱型，负载了催化剂的结构化载体采用三维孔道的结构化材料，负载了催化剂的结构化载体高为d，长径比为0.8-10，其中空部分横截面积占整个结构化载体的横截面积的5%-85%。

所述的反应物流壁流引导面板为致密的无孔道结构，其材料采用陶瓷或者金属，反应物流壁流引导面板的高度为负载了催化剂的结构化载体高度d的1%-20%。