催化反应工程研究进展

催化反应工程研究进展第1页/共36页

主要内容催化反应过程研究进展

★非定态催化反应过程

★催化反应－分离偶合过程★催化反应－反应偶合过程★超/近临界催化反应过程★等离子体反应过程新型催化反应器研究进展★通过改造传统反应器开发的新型反应器★多功能反应器★利用新的辅助手段开发新型反应器★特殊形式的反应器第2页/共36页

（一）催化反应过程研究进展第3页/共36页1.非定态催化反应过程

1）反应条件的强制周期操作：浓度、温度、流量第4页/共36页1.非定态催化反应过程

2）流向周期变换操作（蓄热、自热操作－节能）第5页/共36页2.催化反应－分离耦合过程

特点：

连串反应，中间物为产物－－SY

可逆反应－－XY

简化流程，节省能耗第6页/共36页2.催化反应－分离偶合过程1）催化反应－吸收/吸附偶合吸收剂选择原则：吸收/吸附主产物能力强、热稳定性好、对反应无不良影响

合成甲醇工艺：气－固－液（四乙二醇二甲醚）气－固－固（无定形硅铝吸附剂）

第7页/共36页2.催化反应－分离偶合过程2）催化反应－蒸馏偶合反应－分离－热偶合－－节能更明显

关键：反应温度和蒸馏温度的匹配应用：醚化反应、酯化反应、烷基化反应等

第8页/共36页2.催化反应－分离偶合过程3）膜催化反应过程形式：膜和催化剂作为反应器两个分立的组件膜物质本身即为催化剂

关键：膜物质的选择和制备

膜分类：无机膜（热稳定性好、机械性能好、结构稳定、抗化学及微生物腐蚀性强等）

有机膜（宜大规模化制备、安装简易）

应用：烃类脱氢、加氢及氧化反应等

第9页/共36页3.催化反应－反应偶合过程特点：简化工艺、节能关键：双功能或多功能催化剂的开发苯＋乙烯苯乙烯乙苯合成气二甲醚甲醇丙烷氨氧化丙烯腈丙烯氨＋氧丙烷氧化丙烯酸丙烯丙烯醛第10页/共36页4.超/近临界反应过程1）超/近临界流体特点

高溶解能力：均相或非均相高扩散能力有效控制反应活性或选择性：溶剂效应和局部凝聚作用无毒、不燃性（CO2、H2O）－－－环境友好流体的类别黏度PaS导热系数W/(mK)扩散系数m2/s气体(1~3)×10-5(5~30)×10-3(5~200)×10-6超临界流体(2~10)×10-5(30~70)×10-3(0.01~1)×10-6液体(10~1000)×10-5(70~250)×10-3(0.0004~0.003)×10-6第11页/共36页4.超/近临界反应过程2）超/近临界流体反应特点

降低高温反应的反应温度提高反应速率、选择性和产率促进产物的分离原位维持非均相催化剂的活性便于考察介质物性对反应的影响第12页/共36页4.超/近临界反应过程3）超/近临界流体的选择原则与生成物或反应物之一有强的相互作用介质（或反应物以外的介质）在催化剂上呈惰性介质（或混合介质）的临界温度与反应温度相匹配介质的临界压力不宜过高以降低过程的能耗第13页/共36页4）应用示例第14页/共36页5.等离子体反应过程1）等离子射流的特点（等离子体是气体分子接受热或电场等能量而激发，形成电子、离子、原子、自由基及分子等组成的集合体，其中的正负电荷数基本相等，故称为等离子体。根据等离子体能量状态、温度和离子密度，可分为高温、热和冷等离子体）

高温（104k～105K）高焓值（炽热流体）高导电性富含活性粒子（化学活泼）能量高度集中（高温区域窄）第15页/共36页5.等离子体反应过程2）等离子体反应特点

反应接触时间短（毫秒级）、反应器效率高工艺流程简单环境污染小（清洁生产）第16页/共36页5.等离子体反应过程3）等离子体技术的应用A热等离子体：等离子体中电子温度和气体(离子)温度达到热平衡

煤裂解、气化等固体废弃物裂解B冷等离子体：电子温度和气体温度没有达到热平衡，其电子温度高达104K以上，而离子和原子之类的重粒子温度却可低到300～500K

催化剂表面改性有机反应，如甲烷部分氧化、CO2加氢合成甲醇等

聚合反应，如高规整性聚MMA、聚合物改性等挥发性有机物的降解第17页/共36页5.等离子体反应过程－示例气固液分离电H2C2H2C2H4CO煤炭等离子炬反应气体分离高附加值产品精细化工产品液固分离等离子体裂解煤工艺流程图第18页/共36页5.等离子体反应过程－示例等离子体裂解煤的典型反应器示意图第19页/共36页

（二）新型催化反应器研究进展第20页/共36页

催化反应器的发展历程单个或单一的简单反应器已部分优化反应器*多股进、出料*人为控制器内温度、浓度分布*考虑反应器内的流动模式*有一定的数学模拟计算和过程优化*反应与分离*动力学与热力学*多态与分叉现象*氧化与还原*分散与混合－－－技术可行*单一进出口*工艺条件主要由进口原料和供（移）热介质决定*器内浓度、温度分布自发形成概念化反应器过程的整体优化

三多两优：*多组分、多相态、多反应*优化组合、配置*优化设计、操作、控制第21页/共36页催化反应器发展趋势

经验的→理性的；定性的→定量的

简单的→复合的；平衡的→非平衡的单一的→多功能的；可行的→最优的第22页/共36页固定床：返混小，容积效率高，产品质量稳定，但换热差，存在温度梯度；适合温度要求不高、易发生深度副反应的工艺过程的大规模生产流化床：换热好，器内温度均一，利于消除内扩散，产品质量稳定，但返混大，容积效率低；适合于强放热且对反应温度范围要求狭窄的工艺过程的大规模生产1.通过改造传统反应器开发新型反应器第23页/共36页1.通过改造传统反应器开发新型反应器1）串式化学反应器第24页/共36页1.通过改造传统反应器开发新型反应器2）新型流化床反应器★氧化还原反应过程第25页/共36页1.通过改造传统反应器开发新型反应器3）复合床反应器★强放热、快速反应过程，要求高转化率第26页/共36页1.通过改造传统反应器开发新型反应器4）下行式化学反应器第27页/共36页2.多功能反应器

反应与膜分离偶合反应器反应与色谱分离偶合反应器反应与吸收或吸附偶合反应器反应与传热偶合第28页/共36页3.利用新的辅助手段开发新型反应器1）声纳化学反应器超声波分散2）磁稳定床反应器－－闵恩泽院士

外加磁场，抑止返混和气泡长大及沟流、增加设备的生产能力3）等离子体反应器（等离子体产生区、反应区、淬冷区）迅速加热后淬冷

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催化剂制备第29页/共36页4.开发特殊型式的化学反应器1）微通道反应器微尺度、大比表面(5千～5万m2/m3,常规反应器100～1千m2/m3)小体积、窄停留时间分布、传热好（10kwm-2K-1）等温操作、易于放大（柔性生产）、过程安全第30页/共36页●康宁公司的微反应器第31页/共36页●

康宁公司的微反应器第32页/共36页4.开发特殊型式的化学反应器2）超重力反应器优点：在超重力环境下，不仅液体表面张力的作用相对变得微不足道，并且强大的离心力使液体在巨大的剪切力和撞击下被拉伸成极薄的膜、细小的丝和微小的液滴，产生出巨大的相间接触面积，极大地提高了传递速度，强化了微观混合。缺点：设备复杂、稳定性要求高、能耗大、通气量不大、填料会堵塞第33页/共36页4.开发特殊型式的化学反应器3）旋转圆锥反应器优点：固体颗粒的停留