催化反應工程研究進展

1、1會計學催化反應工程研究進展催化反應工程研究進展 （一）（一） 催化反應過程催化反應過程 研究進展研究進展1）反應條件的強制周期操作：濃度、溫度、流量2）流向周期變換操作（蓄熱、自熱操作節(jié)能）特點：特點：l 連串反應，中間物為產(chǎn)物連串反應，中間物為產(chǎn)物S Yl 可逆反應可逆反應 X Yl 簡化流程，節(jié)省能耗簡化流程，節(jié)省能耗1）催化反應吸收/吸附偶合 吸收劑選擇原則：吸收/吸附主產(chǎn)物能力強、熱 穩(wěn)定性好、對反應無不良影響 合成甲醇工藝：氣固液（四乙二醇二甲醚） 氣固固（無定形硅鋁吸附劑） 2）催化反應蒸餾偶合 反應分離熱偶合節(jié)能更明顯 關鍵：反應溫度和蒸餾溫度的匹配 應用：醚化反應、酯化反應、

2、烷基化反應等 3）膜催化反應過程 形式：膜和催化劑作為反應器兩個分立的組件 膜物質本身即為催化劑 關鍵：膜物質的選擇和制備 膜分類：無機膜（熱穩(wěn)定性好、機械性能好、 結構穩(wěn)定、抗化學及微生物腐蝕性強等） 有機膜（宜大規(guī)?；苽洹惭b簡易） 應用：烴類脫氫、加氫及氧化反應等 特點：簡化工藝、節(jié)能關鍵：雙功能或多功能催化劑的開發(fā)苯乙烯苯乙烯乙苯合成氣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1）超/近臨界流體特點l 高溶解能力：均相或非均相l(xiāng) 高擴散能力l 有效控制反應活性或選擇性：溶劑效應和局部凝聚作用l 無毒、不燃性（CO2、H2O）環(huán)境友好流體的類別黏度Pa S導熱系數(shù) W/

3、(m K)擴散系數(shù) m2/s氣體(13)10-5(530)10-3(5200)10-6超臨界流體(210)10-5(3070)10-3(0.011)10-6液體(101000)10-5(70250)10-3(0.00040.003)10-62）超/近臨界流體反應特點l 降低高溫反應的反應溫度 l 提高反應速率、選擇性和產(chǎn)率 l 促進產(chǎn)物的分離 l 原位維持非均相催化劑的活性 l 便于考察介質物性對反應的影響 3）超/近臨界流體的選擇原則l 與生成物或反應物之一有強的相互作用l 介質（或反應物以外的介質）在催化劑上呈惰性l 介質（或混合介質）的臨界溫度與反應溫度相匹配l 介質的臨界壓力不宜過高以

4、降低過程的能耗4）應用示例1）等離子射流的特點（等離子體是氣體分子接受熱或電場等能量而激發(fā)，形成電子、離子、原子、自由基及分子等組成的集合體，其中的正負電荷數(shù)基本相等，故稱為等離子體。根據(jù)等離子體能量狀態(tài)、溫度和離子密度，可分為高溫、熱和冷等離子體）l 高溫（104k105K） l 高焓值（熾熱流體） l 高導電性 l 富含活性粒子（化學活潑） l 能量高度集中（高溫區(qū)域窄）2）等離子體反應特點l 反應接觸時間短（毫秒級）、反應器效率高 l 工藝流程簡單 l 環(huán)境污染小（清潔生產(chǎn)） 3）等離子體技術的應用A 熱等離子體：等離子體中電子溫度和氣體(離子)溫度達到熱平衡l 煤裂解、氣化等 l 固體

5、廢棄物裂解 B 冷等離子體：電子溫度和氣體溫度沒有達到熱平衡，其電子溫度高達104 K 以上，而離子和原子之類的重粒子溫度卻可低到300500Kl 催化劑表面改性l 有機反應，如甲烷部分氧化、CO2加氫合成甲醇等 l 聚合反應，如高規(guī)整性聚MMA、聚合物改性等l 揮發(fā)性有機物的降解氣固液分離電電H2C2H2C2H4CO煤炭等離子炬反應氣體分離高附加值產(chǎn)品精細化工產(chǎn)品液固分離等離子體裂解煤工藝流程圖等離子體裂解煤的典型反應器示意圖 （二）（二） 新型催化反應器新型催化反應器 研究進展研究進展 催化反應器的發(fā)展歷程催化反應器的發(fā)展歷程單個或單一的簡單反應器已部分優(yōu)化反應器*多股進、出料*人為控制器

6、內溫度、濃度分布*考慮反應器內的流動模式*有一定的數(shù)學模擬計算和過程 優(yōu)化*反應與分離*動力學與熱力學*多態(tài)與分叉現(xiàn)象*氧化與還原*分散與混合 技術可行*單一進出口*工藝條件主要由進口原料和供（移）熱介質決定*器內濃度、溫度分布自發(fā)形成概念化反應器過程的整體優(yōu)化 三多兩優(yōu)：*多組分、多相態(tài)、 多反應*優(yōu)化組合、配置*優(yōu)化設計、操作、 控制催化反應器發(fā)展趨勢催化反應器發(fā)展趨勢l 經(jīng)驗的經(jīng)驗的理性的；理性的； 定性的定性的定量的定量的l 簡單的簡單的復合的；復合的； 平衡的平衡的非平衡的非平衡的l單一的單一的多功能的；多功能的； 可行的可行的最優(yōu)的最優(yōu)的固定床：固定床：返混小，容積效率高，產(chǎn)品質量

7、穩(wěn)定，但換熱 差，存在溫度梯度；適合溫度要求不高、易發(fā) 生深度副反應的工藝過程的大規(guī)模生產(chǎn)流化床：流化床：換熱好，器內溫度均一，利于消除內擴散，產(chǎn) 品質量穩(wěn)定，但返混大，容積效率低；適合于 強放熱且對反應溫度范圍要求狹窄的工藝過程 的大規(guī)模生產(chǎn)1）串式化學反應器2）新型流化床反應器 氧化還原反應過程氧化還原反應過程3）復合床反應器 強放熱、快速反應強放熱、快速反應過程，要求高轉化率過程，要求高轉化率4）下行式化學反應器l 反應與膜分離偶合反應器l 反應與色譜分離偶合反應器l 反應與吸收或吸附偶合反應器l 反應與傳熱偶合1）聲納化學反應器 超聲波分散2）磁穩(wěn)定床反應器閔恩澤院士 外加磁場，抑止返

8、混和氣泡長大及溝流、增加設備的生產(chǎn)能力3）等離子體反應器（等離子體產(chǎn)生區(qū)、反應區(qū)、淬冷區(qū)） 迅速加熱后淬冷 催化劑制備1）微通道反應器微尺度、大比表面(5千5萬m2/m3,常規(guī)反應器1001千m2/m3)小體積、窄停留時間分布、傳熱好（10kwm-2K-1）等溫操作、易于放大（柔性生產(chǎn)）、過程安全2）超重力反應器優(yōu)點：在超重力環(huán)境下，不僅液體表面張力的作用相對變得微不足道，并且強大的離心力使液體在巨大的剪切力和撞擊下被拉伸成極薄的膜、細小的絲和微小的液滴，產(chǎn)生出巨大的相間接觸面積，極大地提高了傳遞速度，強化了微觀混合。缺點：設備復雜、穩(wěn)定性要 求高、能耗大、通氣 量不大、填料會堵塞 3）旋轉圓

9、錐反應器優(yōu)點：固體顆粒的停留 時間很短, 通常只 有0. 2 s ; 且不需 要載氣, 特別適用 于需避免產(chǎn)物被 稀釋的反應系統(tǒng) 及快速失活或反 應極快的固體顆 粒體系1）催化反應吸收/吸附偶合 吸收劑選擇原則：吸收/吸附主產(chǎn)物能力強、熱 穩(wěn)定性好、對反應無不良影響 合成甲醇工藝：氣固液（四乙二醇二甲醚） 氣固固（無定形硅鋁吸附劑） 2）催化反應蒸餾偶合 反應分離熱偶合節(jié)能更明顯 關鍵：反應溫度和蒸餾溫度的匹配 應用：醚化反應、酯化反應、烷基化反應等 3）超/近臨界流體的選擇原則l 與生成物或反應物之一有強的相互作用l 介質（或反應物以外的介質）在催化劑上呈惰性l 介質（或混合介質）的臨界溫度與