專利名稱：一種催化工藝熱傳性能的研究方法
一種催化工藝熱傳性能的研究方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以較低的成本快速開發(fā)一種從其最初發(fā)現(xiàn)到商業(yè)應用的催 化劑及其平推流催化工藝的方法，尤其是指一種用于研究一個平推流反應器中的與 縱向位置(經(jīng)度)相關(guān)的熱傳性能的方法。背景技術(shù)：
為了放大(Scale-up) —種平推流催化工藝，就需要研究反應時間(Time on Stream)、反應物停留時間(Residence Time)、催化劑顆粒尺寸、形狀和其其他 特征及溫度曲線(Temperature Profile)對反應速率和催化劑選擇性的影響。在 傳統(tǒng)的放大的研究中，第一步通常先涉及到的是選擇催化劑及確定所選擇催化 劑的一些本質(zhì)特性。為了減小質(zhì)傳對操作過程的影響，此步驟的操作常是選擇 經(jīng)過稀釋的壓碎的催化劑或粉末狀催化劑在等溫條件下進行。在此步驟的操作 開始時，需要對反應工藝的可變性進行測試，其主要目的在于確定空速、壓力 及反應物停留時間對反應速率和催化劑選擇性的影響。這樣，對該步驟所使用 的催化劑活性及選擇性的確定常需要六個多月到一年的時間。在此步驟操作過 程的最后，仍需要對反應工藝的可變性再進行測試，用于確定以上特性是否會 隨著反應時間而變化。其次，選擇工業(yè)規(guī)格的所述催化劑在等溫反應器中進行測試。所謂的工業(yè) 規(guī)格的催化劑，其相較于上述壓碎的催化劑具有較大的顆粒尺寸或具有特定的 形狀，用來減小操作過程中的壓降。由于在反應工藝中反應物或生成物進入或 離開催化劑孔洞過程中質(zhì)量傳遞的限制， 一般大尺寸顆粒催化劑的反應速率及 選擇性較差。在此操作過程的開始及結(jié)束時，也常同樣需要對過程的可變性進 行研究以測試催化劑活性及選擇性，這樣就又需要大約一年的時間。此外，此 步驟常使用實驗室規(guī)模的反應器來進行。最后一步通常是選用設(shè)有一個或多個反應管的驗證性規(guī)模的反應器，在絕 fe的條件下測試所述工業(yè)規(guī)格的催化劑。所述反應管的內(nèi)徑大約25.4mm (1英寸)，在一些情況下其內(nèi)徑可達101.6mm (4英寸)。另外，為了更好的探究熱 量傳遞的影響，所述反應器常設(shè)置6-8個反應管，且反應管間的距離按照工業(yè) 規(guī)模采用的距離設(shè)置。在一個放熱反應中，如在管式反應器中或在不具有特別 的除熱設(shè)備的平推流反應器中，溫度曲線的變化依賴于連續(xù)移除反應熱的程度。 溫度的變化對催化劑的選擇性、反應速率及活性具有顯著的影響。在此步驟的 測試中，?？蓪Ψ磻a(chǎn)生熱點或溫度失控的趨勢進行測量。同樣，此步驟往往 需要一年多的時間?？梢姡@一系列步驟的完成常需要三年多的時間，而且常常不一定能得到 所有用于放大所需要的數(shù)據(jù)。對于很多催化劑來說，其反應速率及選擇性與反 應物停留時間和反應器持續(xù)進行反應的時間有關(guān)。這種關(guān)系是催化劑狀態(tài)或規(guī) 格變化的結(jié)果，而這種結(jié)果是由于催化劑反應的時間或從反應器入口至出口過 程中氣體或液體組成的不斷變化而引起的，比如催化劑在遇到硫化氫及氨等物 質(zhì)并與其反應中，催化劑會被轉(zhuǎn)化過程中形成的水氧化，于其表面會形成覆蓋 層及催化劑中毒等，從而引起催化劑狀態(tài)或規(guī)格變化。另外，由于反應物和產(chǎn) 物在催化劑孔中發(fā)生表面催化反應及其在孔中的蓄積也可導致傳質(zhì)速率(Mass Transfer Rate)的降低。近來，高通量實驗技術(shù)被用來對新型催化劑及其催化工藝進行研究。這些 高通量實驗技術(shù)一般在減小熱傳及質(zhì)傳的影響下進行，其僅需要很少量(少于 2毫升)的催化劑并具有很高的傳熱速率。然而，這種技術(shù)，比如美國專利第 6,149,882號及第6,869,799號所揭示的，雖然可以對不同的待選催化劑的本征 性能進行比較，但卻不能提供用于放大所需的數(shù)據(jù)。在平推流反應器中，對其熱傳性能的了解對增大反應器的生產(chǎn)率來說至關(guān) 重要。在放熱反應，如費托合成反應中，高溫時的反應速率很高，然而，當溫 度太高時，就有發(fā)生溫度失控的危險。固定床反應器中的催化劑床層的溫度可 沿催化劑床層的縱向和橫向不斷變化，對其內(nèi)發(fā)生的放熱反應來說，必須通過 熱介質(zhì)，如循環(huán)沸水或流態(tài)化沙浴把過多的反應熱移除；對其內(nèi)發(fā)生的吸熱反 應來說，就需要對反應器進行加熱以避免催化劑床層冷點或反應器停車的發(fā)生?，F(xiàn)有的用來研究一個實驗室規(guī)模的平推反應器中的催化劑床層的熱傳性能 的方法存在的問題在于它不能提供關(guān)于催化劑床層的熱傳性能縱向或橫向變化 的信息，然而，正是需要這些信息來復制一個完整反應器中的催化劑床層的熱傳性能。此外，通常會假定從反應器的入口到其出口間的熱傳性能是均一的， 然而大多情況下這種假定不正確。由于無法研究在放大過程中一個實驗室規(guī)模 固定床反應器中的催化劑床層的熱傳性能縱向及橫向的變化，這就意味著只有 在建立一個驗證性規(guī)模的反應器并對其進行測試后才能獲得用于優(yōu)化工業(yè)規(guī)模 的催化劑床層的信息。所以，需要一種新的催化工藝的研究方法用以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種通過使用實驗室規(guī)模的催化流程開發(fā)裝置，可以較 低的成本快速的研究一個平推流反應器中的熱傳性能的方法。在本發(fā)明的一個實施例中，所述催化流程開發(fā)裝置包括一個或多個復合多級串聯(lián)反應器，每一個復合多級串聯(lián)反應器包括三個或更多個，如4個，5個或6個串 聯(lián)的單級實驗室規(guī)模的平推流反應器。每個單級反應器內(nèi)裝載有測試所需的催化 劑，通常還裝載有惰性稀釋顆粒。反應器內(nèi)徑常至少是催化劑顆粒和稀釋顆粒中較 小尺寸的10倍。另外，反應器后設(shè)置有采樣閥，用來對對應反應器的排出物進行 采樣后分析。在本發(fā)明的實施例中，較好的是在多級串聯(lián)平推流反應器中的每個催化劑床層 中的一個或多個位置設(shè)置有溫度測量裝置，比如熱電偶，來測量催化劑床層的縱向 和橫向溫度值(longitudinal and lateral temperature rations )。所述溫度測量裝置可以 是沿著催化劑床層的縱向，具有設(shè)置在催化劑床層中間部位的縱向管的熱電偶，該 縱向管設(shè)置有一個或多個從其上以90度方向延伸出來的耙(rake)，在耙的末端設(shè) 置有熱電偶。所述耙具有一定的長度以使其上設(shè)置的熱電偶位于靠近反應器內(nèi)壁的 地方或者位于反應器內(nèi)壁與所述縱向管之間。沿著催化劑床層的縱向，當一個反應 器中只有一個設(shè)置在其催化劑床層中間部位的熱電偶時，較好的是該熱電偶設(shè)置在 盡可能靠近催化劑床層的正中央處；當一個反應器中設(shè)置有兩個或三個設(shè)置在其催 化劑床層中間部位的熱電偶時，較好的是該等熱電偶依次沿著催化劑床層縱向設(shè) 置，當然，較好的是每個位于中間部位的熱電偶均設(shè)置具有一定長度的兩個耙，利 用其上的熱電偶來測量對應的橫向位置的溫度。根據(jù)需要，為了獲得足夠多的用于放大一個平推流反應器的數(shù)據(jù)，就需要在一 系列操作條件下來研究所述實驗室規(guī)模的復合多級平推流反應器的熱傳性能，如在不同的線性流速和質(zhì)量流速下，在不同的催化劑顆粒尺寸和形狀下、在較高和較低 的轉(zhuǎn)化率及多種操作壓力級別下來研究，然后對每級反應器的排出物進行分析來確 定所述不同的操作條件對反應器性能的影響。在大多情況下，如通過設(shè)置所述復合多級反應器在一個溫度控制裝置中來維持 其在一個恒定的溫度環(huán)境中。在放熱反應，如費托合成反應中，溫度控制裝置可有 多種形式，如為循環(huán)沸水或流態(tài)化沙浴。在吸熱反應，如石蠟脫氫或催化重整反應 中，溫度控制裝置可為流態(tài)化沙浴或其設(shè)置有加熱裝置，如電加熱器，用以給復合 多級反應器供熱以使反應器維持在恒定的預定溫度。當然，也可根據(jù)需要對不同的反應器設(shè)定不同的溫度，此時，可利用加熱裝置 對某級反應器或某組串聯(lián)反應器進行單獨加熱。這樣，便于比較研究某組或某級反 應器的動力學特性及一定的熱傳因素。在本發(fā)明的實施例中，在一個所述復合多級反應器中的三個或多個單級反應器 可裝載有相同尺寸的催化劑，這樣就可模擬一個由所述三個或多個單級反應器中裝 載的催化劑床層組成的一個單獨的復合催化劑床層的特性，來獲得沿所述單獨的復 合催化劑床層，其不同縱向位置的催化劑性能的變化及反應器性能縱坡度(縱向位 置.)的相關(guān)數(shù)據(jù)。此外，在本發(fā)明的實施例中，還可包括另外一個或多個類似的復 合多級串聯(lián)反應器，其與所述一個復合多級串聯(lián)反應器平行設(shè)置。其中，所述另外 一個或多個復合多級串聯(lián)反應器中的一個可裝載壓碎的或粉末狀催化劑，剩余的多 級反應器中的一個或多個可分別裝載一種或多種形狀或尺寸的工業(yè)規(guī)格的催化劑。 這樣，就可來研究一個固定床反應器的催化劑床層中的與縱向位置有關(guān)的質(zhì)傳、熱 傳及動力學特性。另外，通過對復合多級反應器中的反應器的排出物進行采樣分析， 就能確定每級反應器的活性及選擇性，而且由于每級反應器的轉(zhuǎn)化率與停留時間具 有一定的關(guān)系，通過這個關(guān)系也能確定每級反應器的選擇性及其相對的反應速率。當一個復合多級串聯(lián)反應器中的催化劑床層為壓碎的或粉末催化劑顆粒，且反 應器在等溫條件操作時，最初得到反應速率及選擇性的數(shù)據(jù)結(jié)果可以被認為是催化 劑在反應開始時的選擇性及其本征反應速率，即排除質(zhì)傳及熱傳影響的反應速率； 隨后，隨著反應的進行，得到的本征反應速率中就包括了催化劑老化所帶來的影響。 不管怎樣，此時的宏觀反應速率等于本征反應速率，即就是反應的效率因子為1。 此外，對于新鮮及老化的催化劑來說，選擇性的數(shù)據(jù)結(jié)果可以來直接衡量催化劑的 本質(zhì)選擇性與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。當另一個復合多級串聯(lián)平推流反應器中的催化劑床層為工業(yè)規(guī)格的催化劑顆 粒，其與所述裝載有壓碎的或粉末狀的同種催化劑顆粒的多級反應器在相同的溫度 環(huán)境中于等溫條件下平行的發(fā)生反應，且均具有相同級數(shù)的反應器時，通過兩組多 級反應器性能的比對從而確定出對于催化工藝的工業(yè)化非常重要的與縱向位置相 關(guān)的效率因子及其他信息。此外，通過對在等溫條件下操作的裝載有工業(yè)規(guī)格催化劑顆粒的復合多級反應 器的排出物的分析，從而可以得到表觀反應速率與停留時間的關(guān)系數(shù)據(jù)。這樣，在 本征反應速率已知的情況下，對于壓碎的及工業(yè)規(guī)格的催化劑來說，就可以直接由 其轉(zhuǎn)化率與停留時間的關(guān)系數(shù)據(jù)得到效率因子相對于轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。此時，己知效 率因子、本征反應速率及完整尺寸催化劑顆粒的直徑(與催化劑床層的厚度L有 關(guān))，從而可由Thide模數(shù)確定完整尺寸催化劑顆粒的有效擴散率相對于轉(zhuǎn)化率的 關(guān)系。這些數(shù)據(jù)的獲得就可用來探究質(zhì)傳阻滯的機理，如在反應器入口處具有較低的 擴散率表明由于原料組分、反應的初始產(chǎn)物的影響或當考慮流體中某一組分的真實 分壓時，原料組分在催化劑活性位上的濃度小于預期濃度的原因而在催化劑孔洞或 表面上形成質(zhì)傳阻力。當在反應器出口處具有較低的擴散率時，其表明產(chǎn)物發(fā)生累 積或者排出物流體與催化劑發(fā)生反應。在反應涉及多種具有不同擴散率的反應物 時，由于效率因子可以反映在氣態(tài)物質(zhì)和催化劑表面之間組分的變化，所以表觀反 應速率及選擇性都往往與效率因子相關(guān)。在三相反應，如鈷基費托合成C20及以上的烴，常會涉及到在固體催化劑存 在時的具有相對揮發(fā)和非揮發(fā)的原料，此時，氣液平衡(Vapor-liquid Equilibrium) 的效果會影響到系統(tǒng)的宏觀動力學(ApparentKinetics)。這種情況下，便可對那些 能同時發(fā)生影響，即彼此間具有競爭的反應進行研究，如Denayer等人在《化學反 應器工程國際其月干U》(International Journal of Chemical Reactor Engineering), 2003 年，巻1，論文A36中揭示的分別在較低的壓力4.5bar和較高的壓力100bar下對 不同原料的混合物所進行的一系列試驗。與所述論文中揭示的流程相似，可對低分子量，如小于C^的烴和高分子量，如大于C2。的烴的混合物進行一系列驗證性的實驗。在4.5bar壓力，氣相中，由于高分子量的烴在催化劑上的競爭力較強，在所 有研究的催化劑上，低分子量的烴和高分子量的烴對催化劑的表面覆蓋范圍差別很 大；在較高的壓力，如100bar，液相中，低分子量的烴和高分子量的烴的宏觀反應就很接近，這表現(xiàn)在二者在催化劑上均有較高的總體濃度。就較高壓力下的實驗來 說，其能更好的反映各種分子的本征表面覆蓋度和表面擴散阻滯效果，而且能夠測 試與催化劑表面上的烴的平均分子量有關(guān)的擴散對費托合成中的動力學的影響。在得到兩組復合多級反應器的測試數(shù)據(jù)及有限的本征活化能數(shù)據(jù)后，就可以建 立一個反應器模型用于預測一個復合多級絕熱反應器的性能，而后從該復合絕熱反 應器獲得的數(shù)據(jù)又可用來作為對反應器模型的測試。此外，從絕熱反應器的運行中 可預測在放熱催化工藝中熱點或溫度失控的發(fā)生可能性及發(fā)生部位，從而加大除熱 能力。在本發(fā)明的實施例中，還可包括有實驗室規(guī)模的檢測反應器，其可單獨設(shè)置或 者與所述一個或多個復合多級串聯(lián)反應器動態(tài)相連，以提供關(guān)于所述多級串聯(lián)反應 器的不同級反應器的操作和性能的信息，從而加快其工業(yè)化進程。所述檢測反應器 可以是單級平推流反應器，也可以是多級串聯(lián)平推流反應器，其與所述一個或多個 復合多級串聯(lián)反應器平行設(shè)置，且通過如設(shè)置一個相同的溫度控制裝置使所述檢測 反應器與所述一個或多個復合多級串聯(lián)反應器具有相同的恒定的溫度環(huán)境。此外， 可通過一定設(shè)施增加或改變輸入到所述檢測反應器的任一級中氣態(tài)或液態(tài)物料的 組分。當檢測反應器是單級時，可通過向該檢測反應器中輸入所述一個或多個復合 多級串聯(lián)反應器中與其相連的一級反應器的排出物，連同輸入定量的新鮮反應物和 /或反應產(chǎn)物或副產(chǎn)物或催化劑毒物，來確定由于氣態(tài)或液態(tài)組分的改變對向檢測 反應器中輸入其排出物的反應器的下一級反應器性能的影響。當檢測反應器為多級時，其內(nèi)可裝載一組與所述一個或多個復合多級串聯(lián)反應 器中的一個多級反應器內(nèi)相同的催化劑床層且可接收相同的原料。這樣就可以利用 該多級檢測反應器來測量所述一個多級反應器中的任一級反應器針對物料組分的 永久性或暫時性改變時系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬時反應，比如，通過改變向三級檢測反應器中 的第三級反應器的氣態(tài)或液態(tài)輸入，并且與復合多級串聯(lián)反應器中相應的第三級反 應器的性能作比較，就能夠測量隨著時間的進行，組分的變化對第三級反應器中催 化劑床層反應速率和選擇性的影響。同理，改變向第二級檢測反應器的輸入，就能 夠確定其對第二級和第三級催化劑床層的影響，比如，提高向任一級檢測反應器中 輸入的氣態(tài)物料的速率，來測量隨著時間的進行，該級反應器性能提升的變化及后 續(xù)反應器由于輸入的改變而產(chǎn)生的結(jié)果。此外，提高原料中反應產(chǎn)物的含量或者原 料中水的含量，就能夠通過比如氫氣和水的分壓的比例來評估其對另外一個完整的反應器系統(tǒng)的整體的轉(zhuǎn)化率的影響。這樣，就相當于能夠測量一個工業(yè)規(guī)模的固定 床反應器中的催化劑床層的任一小段針對輸入變化而產(chǎn)生的變動。在本發(fā)明的實施例中，所述復合多級串聯(lián)反應器可平行設(shè)置于一個共同的恒定 的溫度環(huán)境中，而且其中的每一個多級反應器都可裝載有相同或不同的催化劑床 層，而且所述催化劑床層可為相同或不同形狀或尺寸的催化劑顆粒。這樣，可以來 同時測試不同的催化劑，且該催化劑可具有不同的形狀或尺寸。此外，在本發(fā)明的實施例中，還可設(shè)置一個平推流反應器，其內(nèi)裝載有與至少 兩個所述復合多級串聯(lián)平推流反應器內(nèi)相同的催化劑，且該實驗室規(guī)模的平推流反 應器具有較高的轉(zhuǎn)化率，如60-80%。所述實驗室規(guī)模的平推流反應器的排出物可 輸入所述至少兩個復合多級串聯(lián)平推流反應器中的第一級反應器中，當然，也可輸 入一定的新鮮反應物到所述第一級反應器中。這樣，通過調(diào)整所述實驗室規(guī)模的平 推流反應器的排出物與新鮮反應物的比例，就可以模擬一個由所有所述復合多級串 聯(lián)反應器中的催化劑床層組成的大的復合催化劑床層不同部分的特點。另外，也可設(shè)置兩個或兩個以上實驗室規(guī)模的檢測反應器，其與所述一個或多 個復合多級串聯(lián)反應器平行設(shè)置于一個共同的恒定的溫度環(huán)境中。這樣，就能夠同 時確定所述一個或多個復合多級串聯(lián)反應器的不同部分對輸入的不同變化隨時間 的進行所產(chǎn)生的反應。在本發(fā)明的催化開發(fā)裝置中，所述平推流反應器可以是單程或循環(huán)操作的固定床反應器(Fixed Bed Reactors)、填充床反應器(Packed Bed Reactors)、滴流床反 應器(Trickle Bed Reactors)及整體式反應器(Monolithic Reactors)。所述實驗室規(guī) 模平推流反應器是指平推流反應器的每一段反應器的內(nèi)徑小于101.6mm (4英寸)， 較佳的是小于50.5mm(2英寸)，更佳的是小于25.4mm( 1英寸)；其長度小于2.438m (8英尺)，較佳的是小于1.219m (4英尺)，更佳的是小于0.304m (1英尺)；除 過惰性稀釋物外，催化劑的裝載量小于800克，較佳的是小于400克，更佳的是小 于25克。這樣，通過不同的測試條件下的測試，就可以模擬以后工業(yè)化規(guī)模反應器的諸 多特性，從而加快工業(yè)化規(guī)模的進程。
圖1是本發(fā)明的一個復合多級串聯(lián)平推流反應器的裝置示意圖。圖2是本發(fā)明的一個復合多級串聯(lián)平推流反應器及與其平行設(shè)置的多級串聯(lián) 檢測反應器的裝置示意圖。圖3是本發(fā)明的一個復合多級串聯(lián)平推流反應器及與其動態(tài)相連的單級檢測 反應器的裝置示意圖。圖4是本發(fā)明的一個復合多級串聯(lián)平推流反應器及與其動態(tài)相連且平行設(shè)置 的多級串聯(lián)檢測反應器的裝置示意圖。圖5是本發(fā)明的設(shè)置于一個流態(tài)化沙浴的具有一個恒定溫度環(huán)境的一個復合 多級串聯(lián)平推流反應器的裝置示意圖。圖6是本發(fā)明的設(shè)置于一個共同的流態(tài)化沙浴的多個復合多級串聯(lián)平推流反 應器的裝置示意圖。圖7是本發(fā)明的可接收可控的變量輸入的多個復合多級串聯(lián)平推流反應器的裝置示意圖。圖8所示的為本發(fā)明的用于模擬絕熱反應器的等溫多級平推流反應器的裝置示意圖。圖9為本發(fā)明反應器與分離器組裝的一個實施例的示意圖。圖IO為本發(fā)明反應器與分離器組裝的另一個實施例的示意圖。 圖11為本發(fā)明反應器與分離器組裝的再一個實施例的示意圖。較佳實施例如圖1所示，在本發(fā)明第一實施例中，復合多級平推流反應器ll為實驗室規(guī) 模的三級串聯(lián)的平推流反應器，即其由三個串聯(lián)的平推流反應器13， 15和17組成。 每級反應器13， 15和17內(nèi)分別裝載有對應的催化劑床層19， 21和23。在該實施 例中，反應器13， 15和17均為固定床反應器。在反應器13的出口和反應器15的 入口間，反應器15的出口和反應器17的入口間及反應器17的出口處分別設(shè)置有 相應采樣閥25， 27和29。所述采樣閥25， 27和29均分別設(shè)置有出口 26， 28和 30，用以分別對相應反應器13， 15和17的排出物進行采樣分析。所述反應器17 的出口通過采樣閥29可與一個產(chǎn)物收集器(未圖示)相連。常用于給復合多級平 推流反應器11提供新鮮反應物的新鮮反應物源31與反應器13的入口相連。此外， 也可在新鮮反應物源31與反應器13的入口間設(shè)置一個采樣閥(未圖示)，用于對 反應物進行采樣分析。繼續(xù)參看圖l所示，本實施例中，多級固定床反應器11設(shè)置于溫度控制裝置33內(nèi)。在放熱反應，如在不具有水煤氣轉(zhuǎn)換的費托合成反應中，溫度控制裝置33 內(nèi)裝有導熱媒介，如循環(huán)沸水或流態(tài)化沙浴，用于把反應器11中的反應熱導出以 維持多級反應器11在一個恒定的溫度。當然，根據(jù)需要，所述溫度控制裝置也可 采用其他形式，比如可采用使用流態(tài)化沙浴加熱的溫度控制裝置，設(shè)置有循環(huán)熔鹽 的溫度控制裝置及具有內(nèi)置制冷回路的電感加熱器。反應器13， 15和17內(nèi)的催化劑床層19， 21和23可分別用來復制一個大的固 定床反應器的催化劑床層的一個縱向部分，以此來測量和分析一個大的催化劑床層 連續(xù)的縱向部分的特點和性能，從而測量目前還無法獲知的催化劑床層的特點和性 能的縱向(經(jīng)度)分布。在該實施例中，多級反應器11為三級，即其包括三個串 聯(lián)的反應器，當然，其可以為更多級反應器，即其可包括更多的串聯(lián)反應器，這樣， 就可以來沿著一個復合催化劑床層的厚度來分析其更多點的性能。根據(jù)所需研究的反應及需要獲得的數(shù)據(jù)，對于原料及反應器13， 15和17的排 出物可采用傳統(tǒng)的方法如氣相色譜分析/質(zhì)譜分析(GC/MS)，紫外(UV)或紅外 (IR)來表征反應物及產(chǎn)物的特性，或采用X射線衍射(XRD),紅外漫反射或其 他業(yè)界已知的分光鏡技術(shù)來表征催化劑體系。這樣與催化劑床層縱向位置有關(guān)的系 統(tǒng)的性能屬性就能夠得到量化。進而，根據(jù)獲得的催化反應動力學信息及每一點的 性能屬性就可以來優(yōu)化系統(tǒng)，比如可根據(jù)獲得的催化劑顆粒在催化劑層中不同位置 具有的不同的物理及化學性能來設(shè)計催化劑體系以使其在局部環(huán)境中達到最大的 收率或選擇率。 .反應器13， 15和17中填充的催化劑可以是壓碎的或粉狀催化劑或者是工業(yè)規(guī) 格的催化劑。反應器放大所需數(shù)據(jù)的獲得，大部分測試都是在等溫條件下進行，為 了確保反應器13， 15和17在等溫條件下進行反應，可用惰性顆粒對催化劑床層 19, 21和23中的催化劑顆粒進行稀釋，惰性顆粒與催化劑顆粒，二者的比例常為 8-10比l。當需要在絕熱條件下進行測量時，根據(jù)反應器的直徑及反應熱的情況， 催化劑床層19， 21和23中的催化劑可進行較小程度的稀釋。催化劑顆粒與稀釋顆 粒的比例依賴于多種因素，如反應熱和催化劑顆粒的活性等。當然，對于業(yè)界人員而言，對于一個給定催化劑、反應器直徑及催化劑顆粒尺寸的反應，其可以通過一 次簡單的試驗來確定合適的催化劑顆粒與稀釋顆粒的比例。通常，裝載在固定床反應器中的工業(yè)規(guī)格催化劑的顆粒尺寸在1到5毫米，而 且催化劑顆粒具有多種形狀，如圓形、管狀、三葉形及環(huán)形等。壓碎的或粉末狀催化劑常由工業(yè)規(guī)格的催化劑來制備，其典型的顆粒尺寸在0.10到0.20毫米，當然， 其在保持催化性能的條件下尺寸越小越好。通常，對于裝載有經(jīng)過稀釋的工業(yè)規(guī)格 催化劑的反應器而言，反應器的內(nèi)徑是稀釋顆?；蛘叽呋瘎╊w粒中較小尺寸的10倍，其最小值常為10-50毫米(0.4-2英寸)，當然，反應器的內(nèi)徑的可以大到101.6mm (4英寸)，較佳的是25.4-50.8mm (l-2英寸)。由于具有較小的傳質(zhì)阻力，壓碎的 或粉末狀催化劑常比工業(yè)規(guī)格的催化劑活性高。所以，為了確保裝載有壓碎的或粉 末狀催化劑的反應器可以和裝載有工業(yè)規(guī)格催化劑的類似的反應器具有相同的操 作溫度，在裝載有壓碎的或粉末狀催化劑的反應器中，惰性稀釋顆粒與催化劑顆粒 的比例要大于裝載有工業(yè)規(guī)格催化劑的反應器中的比例，這樣以確保兩種反應器中 催化劑床層的單位體積放熱量(Heat Release Per Unit Volume)相同。裝載有壓碎的催化劑的反應器的內(nèi)徑常為5-12毫米，其小于裝載有工業(yè)規(guī)格 催化劑的反應器的內(nèi)徑。從多級反應器11在不同應用中的彈性考慮出發(fā)，通常較 好的是裝載有的壓碎的催化劑床層的反應器內(nèi)徑與裝載有所需工業(yè)規(guī)格的催化劑 床層的反應器的內(nèi)徑相同。另外，可以通過在反應器中設(shè)置導熱套管來減小裝載有 壓碎的催化劑床層的反應器的內(nèi)徑。每級反應器的較佳的最小高度取決于攪拌或放熱的考量。在等溫操作中，當攪 拌成為限制因素時，反應器高度的選擇就需要能有效的避免反應物的旁流。特別是 對于裝載工業(yè)規(guī)格催化劑的反應器，其高度至少是催化劑顆粒平均直徑的50倍， 即是50-250毫米(2-10英寸)。當反應物穿過多級反應器ll中的單級反應器13， 15和17時，新鮮反應物的轉(zhuǎn)化率不斷增加，其濃度隨之不斷減小。因此，當需要 每一級反應器具有相同的轉(zhuǎn)化率時，反應器13， 15和17內(nèi)的催化劑床層19， 21 和23的厚度就需要不斷增加。當多級反應器ll在絕熱條件下操作時，常采用較低 比例的惰性稀釋物及大直徑的反應器。參看圖2所示，其為本發(fā)明的第二實施例的裝置示意圖。圖2中與圖1中相同 的部分采用與圖1中相同標號。在本實施例中，其復合多級反應器11與圖1中所 示的多級反應器ll相同，其中，本實施例還包括與所述多級反應器ll平行設(shè)置的 另一個復合多級檢測反應器35，該檢測反應器35的每一級反應器均可與相對應的 多級反應器11的每一級反應器相同。多級反應器11與檢測反應器35可設(shè)置于一 個溫度控制裝置33中，該溫度控制裝置33與圖1中的相同。當然，所述檢測反應 器35也可設(shè)置于與設(shè)置有所述多級反應器11的溫度控制裝置33相分離的另一溫度控制裝置中(未圖示)，這樣，就可以確保檢測反應器35可與多級反應器11具 有不同的操作溫度。所述檢測反應器35包括三個串聯(lián)的反應器37， 39和41。該反應器37， 39和 41內(nèi)分別裝載有催化劑床層43， 45和47。在反應器37的出口和反應器39的入口 間，反應器39的出口和反應器41的入口間及反應器41的出口處分別設(shè)置有采樣 閥49， 51和53。該采樣閥49， 51和53均分別設(shè)置有出口 50， 52和54，用以分 別對相應反應器37， 39和41的排出物進行采樣分析。所述反應器41的出口通過 采樣閥53可與一個產(chǎn)物收集器(未圖示)相連。新鮮反應物源31與反應器37的 入口相連。此外，也可在反應物源31與反應器37的入口間設(shè)置一個控制采樣閥(未 圖示)，其用于選擇性地控制輸入所述多級檢測反應器35的反應物的量及對反應物 采樣分析。另外，反應器37， 39和41的入口分別與相對應的給料源55， 57和59 相連。所述給料源55， 57和59可分別用來可控的輸入選定的物料進入反應器37， 39和41中，這樣就可以確定從反應器37， 39和41入口處輸入的相應物料對多級 檢測反應器35中的所有反應器、反應器39和41及反應器41的性能的影響。在本 實施例中，較好的是檢測反應器35的催化劑床層43， 45和47分別和多級反應器 11中對應的催化劑床層19， 21和23相同。在本實施例中，可通過改變檢測反應器35的相關(guān)單級反應器的輸入，從而來 比較該相關(guān)反應器與多級反應器11中的相對應的反應器的特性，就能夠借助于多 級檢測反應器35來確定多級反應器11的任一級對于輸入的永久性或暫時性改變而 產(chǎn)生的瞬時反應。比如，通過改變檢測反應器35的第三級反應器41的氣態(tài)或液態(tài) 物質(zhì)的輸入，就可以測試在多級反應器ll中相對應的第三級反應器23中，隨著時 間的進行輸入的變化對其催化劑床層反應速率和選擇性的影響。相應的，改變檢測 反應器35的第二級反應器39的輸入，就可以來檢測對多級反應器11中的第二及 第三催化劑床層21， 23的影響。這樣就等于可以檢測一個工業(yè)規(guī)模固定床反應器 的催化劑床層中任一小段針對于輸入的改變而產(chǎn)生的反應。比如通過給料源55， 57和59向多級檢測反應器35中的相應的一級反應器中增加額外的新鮮反應物及 提高輸入其中的氣態(tài)物料的速率，就能夠檢測該級反應器性能提升的變化及隨時間 的進行，后續(xù)反應器由于其輸入的變化而發(fā)生的變化。對一個選定的一級檢測反應器來說，可以通過給料源55， 57或59來調(diào)整輸入 到該級反應器的新鮮反應物中的痕量組分的濃度來量化在全程操作條件下所述痕量組分對復合催化劑床層不同部位的影響。這樣就可以確定出在工業(yè)催化系統(tǒng)中復 合催化劑層中的關(guān)鍵的縱向部位。在這些部位，催化劑較易中毒或者由于中毒發(fā)生 抑制性反應或者生成副產(chǎn)品。當向選定的檢測反應器35或后續(xù)介紹的其它形式的 檢測反應器的一級反應器中臨時性的加入特定的物質(zhì)后，該等檢測反應器就可用來 模擬測試一個復合催化劑層不同點對這種的物料或上一級反應器排出物的組分的 暫時性變化而產(chǎn)生的瞬時反應，且可以監(jiān)控在所述特定物質(zhì)加入過程中或加入后該級反應器及后續(xù)反應器隨時間變化(Time Dependent)而產(chǎn)生的反應。如圖3所示，為本發(fā)明的第三實施例，其中與圖1相同的部分采用與圖1中相 同的標號。在本實施例中，其設(shè)有一個檢測反應器101，該檢測反應器101為單級 的實驗室規(guī)模的固定床平推流反應器，其入口與本實施例中的復合多級固定床反應 器11中的選定的一級反應器可選擇性的動態(tài)相連。在多級反應器11的第一級反應 器13的出口和第二級反應器15的入口間，第二級反應器15的出口和第三級反應 器17的入口間及第三級反應器17的出口處分別設(shè)置有閥103， 109和115。該閥 103， 109和115均分別設(shè)置有出口 105， 111禾口 117，用以分別可選擇的對相應反 應器13， 15禾d 17的排出物進行采樣分析，同時，所述閥還分別設(shè)置有另一開口 107， 113和119，用以可選擇的把相對應的反應器13， 15和17的部分排出物輸入 檢測反應器101內(nèi)。所述反應器17的出口通過閥115可與一個產(chǎn)物收集器(未圖 示)相連。新鮮反應物源31和一個給料源121可提供輸入給所述檢測反應器101。 在本實施例中，較好的是檢測反應器101及其裝載的催化劑床層與多級反應器11 中向檢測反應器101輸入其部分排出物的下一級反應器及其裝載的催化劑床層相 同。當然，該檢測反應器101可進行與圖2中所示的多級檢測反應器35相同的測 試。參看圖4所示，為本發(fā)明的第四實施例，其中與圖1及圖2中相同的部分采用 與圖1及圖2相同的標號。在本實施例中，檢測反應器35仍為一個復合多級串聯(lián) 平推流反應器，其可與圖2中所示的多級串聯(lián)實驗室規(guī)模的檢測反應器35相同。 此外，檢測反應器35中的反應器可選擇的與選定的反應器11中的反應器動態(tài)相連， 這樣，多級反應器11的一級或多級反應器的部分排出物就可選擇的輸入到選定的 檢測反應器35中的一級或多級反應器中。在多級反應器11的第一級反應器13的 出口和第二級反應器15的入口間，第二級反應器15的出口和第三級反應器17的 入口間及第三級反應器17的出口處分別設(shè)置有閥123， 129和137。該閥123，和137均分別設(shè)置有出口 125， 131和135，用以分別可選擇的對相應反應器13， 15和17的排出物進行采樣分析，同時，閥123和129還分別設(shè)置有另一開口 127 和133，用以可選擇的把相對應的反應器13， 15的選定的部分排出物輸入對應的 檢測反應器35中的反應器39和41中。所述反應器17的出口通過閥137可與一個 產(chǎn)物收集器(未圖示)相連。新鮮反應物源31與反應器37的入口相連。此外，也 可在新鮮反應物源31與反應器37的入口間設(shè)置一個控制采樣閥(未圖示)，其用 于定量的控制輸入到檢測反應器35中的新鮮反應物及對新鮮反應物采樣分析。另 夕卜，反應器37， 39和41的入口分別與相對應的一個給料源55， 57和59相連。所 述給料源55， 57和59可選擇性的輸入一定的物質(zhì)進入反應器37， 39和41中，這 樣就可以確定分別輸入到反應器37， 39和41中的相應物質(zhì)對檢測反應器35中的 所有反應器、反應器39和41及反應器41的性能的影響。在本實施例中，較好的 是檢測反應器35的催化劑床層43, 45和47分別和多級反應器11中對應的催化劑 床層19， 21和23相同。繼續(xù)參看圖3所示，所述檢測反應器101也可是全混流反應器，而非上述的固 定床反應器。在全混流檢測反應器101中，原料物、產(chǎn)物的濃度及催化劑的分布處 處相同，所以當該檢測反應器101僅僅接收來自多級反應器11的排出物時，其就 相當于該級反應器的催化劑床層出口處的一個狹窄的水平段。通過控制進入全混流 反應器101的反應器11的排出物及新鮮的反應物間的濃度比例，所述全混流反應 器101就可以模擬向該全混流反應器101中輸入其排出物的固定床反應器的任意的 選定的水平段的特性。該全混流反應器101可以為兩相流化床反應器、三相漿態(tài)床 反應器或三相沸騰床反應器。在本發(fā)明圖2-4所示的實施例中，檢測反應器35和101可被輸入新鮮反應物、 多級反應器11的選定的一級的排出物及其他物料中的一個或多個。所述其他物料 包括額外的新鮮反應物、在多級反應器11中發(fā)生反應生成的氣態(tài)或液態(tài)產(chǎn)物或在 工業(yè)規(guī)模反應器的新鮮反應物中存在的污染物。在本發(fā)明的實施例中，反應物和其他物料、反應產(chǎn)物和反應副產(chǎn)物等流體可以 為氣態(tài)、液態(tài)或其混合態(tài)，如氣態(tài)和液態(tài)的混合或兩種或兩種以上不相溶的液態(tài)物 質(zhì)的混合。對含有氣態(tài)物質(zhì)的流體，可利用傳統(tǒng)的背壓調(diào)節(jié)器和具有質(zhì)量流量控制 器的氣體流量控制系統(tǒng)來控制。對于定量的液態(tài)流體，常選用如羅斯卡泵(Ruska Pump)或注射泵(SyringePump)使其進入高壓環(huán)境中。此外，當反應器的排出物或原料中包含多種流體狀態(tài)，特別是彼此互不相溶的水和一些碳氫化合物或氣體和 液體時，就需要避免流體以活塞流(平推流)形式流動。在本發(fā)明的實施例中，采樣閥可選用如挪威Proserv AS公司提供的等動態(tài)采樣閥或者如美國專利第 4,035,168所揭示的分離器。當然，也可使用Pmserv AS公司提供的靜態(tài)攪拌器對 需要采樣的流體進行攪拌使多狀態(tài)的流體均勻混合后迅速對其進行采樣。在不相溶 的原料之間或原料與反應器的排出物間，當其被送入反應器時，或者如在一個多級 反應器中，輸送從一個反應器的出口排出的具有多狀態(tài)的排出物進入后續(xù)反應器的 入口時，流體輸送管道需要有較高的雷諾數(shù)，其原理就類似于汽車發(fā)動機的燃料注 射系統(tǒng)。當然，也可以使用ProservAS公司或位于美國新罕布什爾州曼徹斯特市的 Admix公司提供的攪拌器來實現(xiàn)不同流體的充分混合，這樣情況下，有時常需要做 一些簡單的測試來確保流體流經(jīng)所述裝置后己經(jīng)均勻混合。在采樣時，常會設(shè)置有 通過雙隔斷閥與反應器相連的樣品存儲器，該樣品存儲器處于常壓或稍高于常壓的 環(huán)境中。當氣態(tài)物質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)在輸送管道中充分混合后，打開雙隔斷閥使混合后 的流體進入樣品存儲器，然后關(guān)閉雙隔斷閥移走樣品存儲器并對其中的樣品進行分 析。在采樣及分析過程中常會存在一定濃度的惰性氣體，如氬氣，其有利于流體的 物料平衡，以便于對流體進行精確分析。當所述流體沒有充分混合時，就需要設(shè)置 氣液分離器，然后通過如氦氣或氬氣內(nèi)標準法及關(guān)聯(lián)氣態(tài)物質(zhì)與液態(tài)物質(zhì)的總體碳 平衡分析方法對氣態(tài)物質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)分別進行分析，此時，這種情況可通過在輸送 管道上方設(shè)置氣體樣品存儲器，在其下方設(shè)置液體樣品存儲器來完成。在研究平推流反應器的特性時，需要特別注意的是原料組分、產(chǎn)物或者副產(chǎn)物 在催化劑表面的吸附或反應。比如，在鈷基催化費托合成和加氫裂解反應中，氨、 一氧化碳及硫化氫等物質(zhì)可以占用催化劑的活性位，降低反應速率且影響對產(chǎn)物的 選擇性。由此類物質(zhì)引起的反應常需要一定的時間達到平衡，且從物料到反應器中 去除此類物質(zhì)后，反應恢復原狀也需要花費一定的時間。氨是己知的可與加氫裂解催化劑反應的物質(zhì)，其可以導致催化劑活性的降低甚 至失效。除了在原料中除去氨外，常利用氫氣來除去催化劑表面的氨。為了測試氨 在復合催化劑床層中不同部位的影響，可以在一個檢測反應器的任一級的入口處加 入一定量的氨，這樣就可以再現(xiàn)由于原料中氨的存在而對復合催化劑層選定部位的 影響。通過調(diào)整該級檢測反應器中的溫度、流體流速或/及反應物的分壓來控制選 定的催化劑部位的轉(zhuǎn)化率水平，這樣就可以確定在不同的反應條件下氨的影響。此外，對于已經(jīng)被氨污染的復合催化劑來說，通過調(diào)整輸入檢測反應器中一級或多級 中氫氣的濃度，這樣也可以測試不斷增加的氫氣對復合催化劑不同部位的影響，如 那些催化劑活性失效最大的部位。對于一氧化碳來說，其可以緊緊的覆著在鈷基費托合成催化劑表面，從而減小 氫氣可用的表面，成為限制氫氣反應速率的一個因素。通過調(diào)整向選定的檢測反應 器35和101中輸入的原料中氫氣和一氧化碳的濃度比例并且比較所述檢測反應器 與多級反應器11相對應的反應器的性能，便可以來測試氫氣和一氧化碳的濃度變 化對反應速率和選擇性的影響。通過調(diào)整檢測反應器中的溫度、流體流速或/及反 應物的分壓，這樣，利用多級檢測反應器就可以來測試氫氣和一氧化碳在不同轉(zhuǎn)化 率下的影響。目前己知的是在平推流反應器的費托合成及重油濃縮和轉(zhuǎn)化過程中增加的水 對反應速率具有積極的效果。通過向選定的檢測反應器35或101中加入定量的水 或其他的含氧分子并且比較相關(guān)的檢測反應器與多級反應器11中的相對應的反應 器的性能，就可以來研究加入的水對復合催化劑層選定的縱向部位反應速率和選擇 性的影響。在加氫處理的反應中，通常利用測定康拉德遜(Conrad son)殘?zhí)贾祦頇z測加 氫處理的效果。蠟對費托合成催化劑也會形成一定的影響。通常，在費托合成反應 中， 一旦碳和重質(zhì)蠟沉淀在催化劑上，就會阻止反應物向催化劑表面擴散和生成物 離開催化劑表面。這樣，催化劑表面的沉淀物或/及未擴散的反應物就常會發(fā)生一 些副反應(SideReaction),從而降低催化劑的活性。在催化劑床層是工業(yè)規(guī)格催化 劑的情況下，由于工業(yè)規(guī)格催化劑的擴散路徑很長，在擴散容易受限的條件下，將 影響催化劑的整體壽命且需要很高的成本去維護系統(tǒng)的性能。當然，通過向選定的 檢測反應器35中某級或101中加入不同摩爾質(zhì)量(Molecular Weight Fractions)的 上述物質(zhì)，就可以確定其對復合催化劑層中哪個部分的影響最大。此外，也可通過 可對含有上述物質(zhì)的相關(guān)的檢測反應器中通入氫氣、水或輕質(zhì)溶劑來確定不同的催 化劑再生技術(shù)的效果，從而確定較好的催化劑再生技術(shù)。這些對于那些處理來自于 瀝青沙、頁巖，重油沉淀及煤等的重質(zhì)原料來說至關(guān)重要。在這些重質(zhì)原料含有許 多可使催化劑中毒的污染物，為了減小經(jīng)常用新鮮的催化劑去更換中毒的催化劑所 帶來的成本的增加，從經(jīng)濟可行性考慮，原位再生就常是唯一的方法。此外，多核芳香烴也是目前已知的可以影響催化劑性能的物質(zhì)。其通過在催化劑活性位上形成碳質(zhì)覆蓋層來降低氫化處理中催化劑的活性和選擇性。通過在選定 的檢測反應器35或101中加入多核芳香烴并且比較與多級反應器11中的相對應的 反應器的性能，就可以確定其對一個固定床反應器中的復合催化劑層的不同縱向位 置的影響。這樣進而確定多核芳香烴對復合催化劑層哪個部位影響最大，從而可以 采取相應的方法來改進系統(tǒng)的設(shè)計及提高催化劑的性能。參看圖5所示，在本實施例中，復合多級平推流反應器501由三個彼此平行且串聯(lián)的反應器503， 505和507組成。反應器503， 505和507共同設(shè)置于一個加熱 或冷卻的流態(tài)化沙浴509中，使其裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊。氣態(tài)反應物自原料源511輸 出并經(jīng)過加熱線圈513后進入第一級反應器503的入口；液態(tài)物料經(jīng)由供料泵515 輸出后也可再經(jīng)過加熱線圈513后進入第一級反應器503的入口。所述加熱線圈 513可設(shè)置于流態(tài)化沙浴509中，其用以把氣態(tài)及液態(tài)物料加熱到合適的溫度。此 外，可在輸送氣態(tài)及液態(tài)物料的管道上設(shè)置有采樣閥(未圖示)，以對物料進行釆 樣分析。在反應器501的出口與反應器505的入口間，反應器505的出口及反應器 507的入口間及反應器507的出口處可分別設(shè)置有采樣閥517， 519和521，并且反 應器507的出口可通過采樣閥521與一個分離器523相連。采樣閥517， 519和521 均開設(shè)有一個開口 (未標注)，用以可選擇的輸送相應反應器的排出物到一個檢測 反應器525中，同時該等采樣閥還可設(shè)置另一開口 (未圖示)，用以輸送相應反應 器的排出物到與該開口相連的裝置中去。參看圖6所示，本實施例揭示了三個復合多級串聯(lián)實驗室規(guī)模的平推流反應器 531， 533和535的裝置示意圖。在本實施例中，該等多級反應器設(shè)置于一個共同 的流態(tài)化沙浴537中。所述多級反應器531， 533和535中的反應器均以與圖5中 揭示的多級反應器501中的反應器相同的設(shè)置方式而彼此平行的設(shè)置，且可在每個 多級反應器前都設(shè)置有與圖5中相同的加熱線圈513。在本實施例中，還設(shè)置有一 個單級檢測反應器538，其同樣設(shè)置于流態(tài)化沙浴537中，且其可以是和上述圖3 中所示檢測反應器101有關(guān)任何反應器類型。檢測反應器538位于多級反應器533 和535之間，其間設(shè)置有與如圖5中所示的采樣閥517， 519和521相同的采樣閥 連接該檢測反應器538與多級反應器533和535，這樣檢測反應器538就可以選擇 性的接收反應物或多級反應器533和535中選定的某級反應器的排出物。原料源 539， 541， 543和545分別向相對應的反應器531， 533， 538和535提供反應物料， 而且可以提供相同的反應物料。此外，反應器531， 533，和535最后一級的出口及反應器538的出口分別和對應的分離器或產(chǎn)物收集器547， 579， 553和551相連。 當然，該等出口也可都連接到一個共同的分離器或產(chǎn)物收集器。參看圖5和圖6所示，所述反應器于流態(tài)化沙浴中的平行的設(shè)置方式使沙浴不 需要像反應器均豎直設(shè)置時那樣的深度，而且采樣閥517, 519和521設(shè)置于沙浴 外，便于在反應器的操作過程中對其進行維護和調(diào)節(jié)。當多級反應器中的某級反應 器的排出物具有多種流體狀態(tài)時，連接該級反應器出口和下一級反應器入口的管道 就需要具有較高的雷諾數(shù)或使用靜止攪拌器(StaticMixer)以避免管道內(nèi)的流體形 成活塞流，另一方面，采樣閥517， 519和521可采用等動態(tài)采樣闊，或者也可為 本發(fā)明描述的其他以避免流體形成活塞流的方式。通過多個多級反應器設(shè)置于一個共同的溫度控制裝置，如流態(tài)化沙浴537或如 圖2-4所述的溫度控制裝置，就可以同時測量一個催化工藝的不同特性，進而加快 其工業(yè)化進程。以圖6為例，多級反應器535裝載有經(jīng)過惰性物質(zhì)稀釋的壓碎的催 化劑顆粒，多級反應器533裝載有經(jīng)過惰性物質(zhì)稀釋的工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒，其 均在在等溫條件下操作。此外，多級反應器531裝載有一定量工業(yè)規(guī)格的催化劑顆 粒，其在絕熱條件下操作。這樣，通過在等溫條件下操作的反應器就可以同時得到 催化工藝中的動力學、質(zhì)傳及熱傳特性，并且由絕熱反應器得到的數(shù)據(jù)可對由等溫 反應器獲得的數(shù)據(jù)建立的反應器模型進行驗證。另外，也可以通過其他方法來幫助放大一個催化工藝，比如同時測試多種不同 催化劑的特性，或者比較設(shè)置于相同的恒溫單元中的裝載有壓碎的催化劑的一個多 級串聯(lián)反應器和裝載有不同形狀和尺寸的工業(yè)規(guī)格的催化劑的其他多級串聯(lián)反應 器。此外，通過在多級串聯(lián)反應器11的不同級反應器中裝載有不同的催化劑來連 續(xù)的測試，這樣，就可以設(shè)計出一個多層的復合催化劑床層，且其每個催化劑層的 本質(zhì)特性都和局部動力學及質(zhì)量傳遞環(huán)境相匹配，以此使系統(tǒng)的整體反應沿著縱向 變化，進而確定反應器每個縱向部位的最佳工藝特性。通過設(shè)置多個多級固定床串 聯(lián)反應器于各自的獨立控制的溫度控制裝置可平行確定不同的除熱能力。參看圖7所示，反應器模組151包括有平行設(shè)置的實驗室規(guī)模的平推流反應器 151-1到151-n。在本實施例中，其為固定床反應器。 一個溫度控制裝置152設(shè)置于 模組151周圍來控制反應器151-1到151-n周圍的溫度。在一個放熱反應，如費托 合成反應中，溫度控制裝置內(nèi)有導熱媒介，如循環(huán)沸水，用于導出反應器151-1到 151-n中的反應熱。在一個吸熱反應，如脫氫成環(huán)得到芳香化合物(Dehydrocycloaromatization)、流體重整或加氫處理中，溫度控制裝置設(shè)置有加熱 裝置，如電加熱器用以給反應器151-1至Ul51-n供熱。當然，對于既有放熱反應又 有吸熱反應，溫度控制裝置152可設(shè)置流態(tài)化沙浴加熱器來對相應的反應器進行操 作。反應器151-1到151-n分別裝載有對應的催化劑床層153-1到153-n。反應器模 組155和157可與模組151相同，其分別包括平行設(shè)置的平推流反應器155-1到 155-n及157-1到157-n。反應器155-1到155-n及157-1到157-n分別裝載有對應 的催化劑床層159-1到159-n及161-1到161-n。如圖7所示，模組151中的反應器 的出口與模組155中對應的反應器的入口相連，模組155中反應器的出口也與模組 157中的對應的反應器的入口相連。這樣，依次串聯(lián)的反應器151-1， 155-1及157-1 就形成了一個復合多級串聯(lián)固定床反應器，同理，其他依次對應的反應器也形成了 復合多級串聯(lián)固定床反應器。在本實施例中，模組151， 155及157可分別設(shè)置有 所需數(shù)目的平行反應器，比如，每個模組可平行的設(shè)置有4個或8個或16個反應 器。當然，也可根據(jù)需要設(shè)置不同數(shù)目的模組，如4個或6個，模組中的反應器連 續(xù)的和對應的前一個反應器及后續(xù)反應器相連。溫度控制裝置158和160分別設(shè)置于模組155和157周圍，該溫度控制裝置 158和160可與溫度控制裝置152相同，或者其與溫度控制裝置152就是一個共同 的溫度控制裝置。在模組151中的反應器的出口和模組155中對應的反應器的入口 間、模組155中的反應器的出口和模組157中對應的反應器的入口間及模組157中 的反應器的出口分別設(shè)置有相應的采樣閥163-1到163-n、 165-1到165-n及166-1 到166-n。新鮮反應物源167通過控制閥169-1到169-n向模組151中相應的反應 器151-1到151-n的入口輸入定量的新鮮反應物。 一個平推流反應器171也可接收 來自新鮮反應物源167的新鮮反應物，且該反應器171的出口分別與模組151中相 應的反應器151-1到151-n的入口相連，通過控制閥173-1到173-n用以定量的向 該等反應器輸入來自反應器171的排出物。在一個工業(yè)規(guī)格的平推流反應器中，沿著催化劑床層的厚度，新鮮反應物、反 應產(chǎn)物及副產(chǎn)物的比例是不斷變化的。在反應器的入口處，新鮮反應物占100%, 反應產(chǎn)物及副產(chǎn)物均是零。隨著新鮮反應物在催化劑床層中的消耗，沿著催化劑床 層，新鮮反應物的比例降低，反應產(chǎn)物及副產(chǎn)物的比例變大。在圖7所示的裝置中 可進行多種測試，比如所有的反應器均裝載相同的催化劑且物料的組分從一級反應器到另一級不斷變化，或者在可接收相同輸入的每一級反應器中催化劑顆粒的尺寸 或架構(gòu)都不同。動力學迄今為止，對一個固定床反應器的動力學測量僅僅是通過對催化劑床層的入口 及出口處進行測量來進行的，這種測量法其實就是對于催化劑床層厚度的平均化。 在分析反應器的動力學特性時， 一般先對反應的動力學級數(shù)進行假定，而且往往假 定在反應器中沿著催化劑床層反應級數(shù)保持不變，然而，在很多情況下，這種假定是不正確的。借助于本發(fā)明圖l-7中所示的多級串聯(lián)平推流反應器，就能夠測量在 反應器中沿著催化劑床層的厚度方向，平推流催化系統(tǒng)的動力學沿縱向的變化情 況。以圖7所示的裝置為例，使用本實施例中的多級串聯(lián)反應器及方法就能夠開發(fā) 在反應器中沿著催化劑床層與縱向位置有關(guān)的平推流催化系統(tǒng)的積分、微分及本征 動力學的用于放大的數(shù)據(jù)。為了確定一個固定床反應器系統(tǒng)的積分動力學，在模組 151， 155， 157及反應器171中裝載有系統(tǒng)所需的催化劑床層。模組151中的平行 設(shè)置的反應器151-1到151-n可接收不同比例的來自新鮮反應物源167的新鮮反物 料和來自反應器171的排出物。比如，通過控制閥169-1到169-n及173-1到173-n， 使反應器151僅接收100%的新鮮反應物，反應器151-2到151-n可接收不斷減少 的新鮮反應物及不斷增加的排出物。這樣，連續(xù)反應器151-1到151-n就分別相當 于一個固定床反應器的催化劑床層的連續(xù)的彼此間具有一定間距的片段(slice)。 其中，反應器151-1相當于催化劑床層入口處的一段，反應器151-2到151-n相當 于沿著催化劑床層其他的連續(xù)的且彼此間有一定間距的縱向段。這樣，模組155和 157就能夠用來對一個固定床反應器中的位于模組151中的連續(xù)的催化劑床層之間 的催化劑段提供放大的數(shù)據(jù)。當然，在本實施例中，較好的是反應器151-n的排出 物中新鮮反應物的比例應大于向反應器152-1中輸入的物料中的新鮮反應物的比 例。如當反應器171具有90%的轉(zhuǎn)化率，那么在其出口處其排出物包括10%的新鮮 反應物，其余的是反應產(chǎn)物及副產(chǎn)物。當反應器151-2接收88%的新鮮反應物和12% 的反應器171的排出物時，在反應器151-2的入口處的物料組分中有89.2%的新鮮 反應物，其余的是反應產(chǎn)物及副產(chǎn)物。當反應器151-1， 155-1和157-1均具有3% 的轉(zhuǎn)化率，那么它們的排出物分別包括97%， 94.1%和91.3%的新鮮反應物，其余的是反應產(chǎn)物及副產(chǎn)物。這樣，模組151， 155和157中新鮮反應物、反應產(chǎn)物及副產(chǎn)物的組分及比例就相當于一個平推流反應器中的催化劑床層的連續(xù)的縱向段 中的組分和比例。為了確定一個由復合多級串聯(lián)反應器形成的催化系統(tǒng)中的與其催化劑床層的縱向位置相關(guān)的系統(tǒng)的積分動力學，就有必要比如在標準溫度和壓力(STP)下分析每標準公升的催化劑床層每個連續(xù)的縱向段入口及出口處的物料流體和組分。舉例來說，在費托合成反應中，就需要測量每一個反應器中在標準溫度及壓力(STP) 下消耗了多少摩爾的氫氣和一氧化碳及生成了多少產(chǎn)物及副產(chǎn)物。然后對轉(zhuǎn)化率或 具有相同意義的其他量，如當反應物通過傳化劑床層時沿著催化劑床層對應于連續(xù) 的縱向位置剩余的新鮮反應物的濃度，相對于時間進行繪圖。這樣，沿著所得到的 圖，其每一點的斜率就是系統(tǒng)當時的反應速率。進而，對反應物速率和沿著催化劑 床層的新鮮反應物的濃度繪制雙對數(shù)曲線圖。若曲線圖是一條直線，那么沿著催化 劑床層系統(tǒng)的積分動力學級數(shù)(Integral Kinetics)是個恒量，當其是水平直線時， 系統(tǒng)是一級反應，當直線的斜率是正數(shù)時，系統(tǒng)為大于1的正級反應，當為負數(shù)時， 系統(tǒng)為負級反應。當雙對數(shù)曲線圖不是一條直線時，說明系統(tǒng)的積分動力學沿著催化劑床層的厚 度不斷變化，此時就需要利用回歸分析法(RegressionAnalysis)使曲線圖和與反應 速率及新鮮反應物濃度相關(guān)的公式彼此相吻合。然后對公式進行微分，利用制圖或數(shù)學方法給出速率模型與沿著催化劑床層的縱向位置的相互關(guān)系。制圖方法可參看 John M. Chambers, Chapman和Hall的《數(shù)據(jù)分析制圖方法》(Graphical Methods for Data Analysis), 1983年5月，ISBN: 0412052717。為了確定溫度和壓力對系統(tǒng)積分動力學的影響，上述測試可在不同的溫度和壓 力下進行。此外，也可使用不同尺寸的催化劑，如工業(yè)尺寸和形狀的催化劑及稀釋 的壓碎的或粉末狀催化劑。使用圖l-7所示的裝置系統(tǒng)，可以在不考慮質(zhì)傳和熱傳影響的條件下對復合多 級串聯(lián)固定床催化系統(tǒng)的本征和微分動力學進行測試，以加快系統(tǒng)的工業(yè)化進程。 以圖7所示的裝置為例，反應器中裝載的催化劑床層使用經(jīng)過稀釋的微小的壓碎的 或粉末狀催化劑顆粒來避免熱傳及質(zhì)傳的影響。另外，反應器中催化劑床層的厚度 常在5-10厘米，反應器的直徑較小為宜，通常在5-12毫米，同樣以避免熱傳影響。 當然，可以通過在反應器中設(shè)置導熱套管來減小反應器的內(nèi)徑。對于系統(tǒng)積分動力學的測量可依次采用上述方法。當需要確定系統(tǒng)的微分動力學時，每一級反應器的 轉(zhuǎn)化率都需要很小，如小于20%，在費托合成中較好的是只有2-5%的轉(zhuǎn)化率。同 樣，測試可在不同的溫度和壓力下進行以確定溫度和壓力對系統(tǒng)本征及微分動力學 的影響。與圖7為例的上述動力學測量方法也可使用于如圖1或圖5所示的其他反應器系統(tǒng)，只要該反應器系統(tǒng)具有足夠多級的能夠提供復合催化劑床層所需的縱向信息串聯(lián)反應器就行。在圖7所示的反應器裝置中，反應器171可以向模組151中所有 的反應器輸入其排出物，這樣，模組151中的每個反應器就可接收到同樣精確的反 應產(chǎn)物、副產(chǎn)物及痕量組分(Trace Element),從而可以更精確的模擬真實的反應 器條件并減小由于物料組分的變動而產(chǎn)生的誤差。另外，在圖7，對于所有模組中 的反應器的輸入和輸出可同時進行采樣，便于對特定時刻反應器的性能進行分析； 當然，在反應器運行過程中也可定期的重復采樣，以測定反應系統(tǒng)的性能與反應時 間的關(guān)系，進而了解那些性能發(fā)生了變化及整個催化劑床層的縱向區(qū)域發(fā)生了哪些 情況。這些數(shù)據(jù)對于研究催化劑的穩(wěn)定性及其他特性非常有用。 熱傳效應如圖1-7所示，本發(fā)明反應器系統(tǒng)也可以用來研究一個平推流反應器系統(tǒng)的熱 傳特性。以圖2所示的裝置為例，多級反應器ll中的反應器13, 15和17中裝載 有經(jīng)過惰性顆粒稀釋的壓碎的催化劑顆粒，多級反應器35中的反應器37， 39和 41中裝載有經(jīng)過惰性顆粒稀釋完整尺寸的催化劑顆粒。通過調(diào)整惰性稀釋顆粒與 催化劑顆粒的比例從而使反應器11和35可在等溫條件下操作。采樣閥25， 27， 29， 49， 51和53分別對相應的反應器的排出物進行采樣。此外，沿著所述多級反 應器11和35中的每個單級反應器的催化劑床層的縱向，在其中間部位及外圍設(shè)置 有熱電偶來測量催化劑床層的溫度。另外，在反應器中可設(shè)置較厚的導熱套管 (conductive sleeves)來相應的減小催化劑床層的直徑，進而減小催化劑床層中間 部位產(chǎn)生的反應熱到達由反應器壁及包圍著反應器壁的溫度控制裝置所形成的散 熱器(heat sink)的路徑，這樣就能夠研究橫向熱傳效應(lateral heat transfer effects), 當然，與之相較，也可使用連續(xù)的較薄的導熱套管來增加催化劑床層的直徑，直到 反應熱不能從催化劑床層的中間部分通過反應器壁很好的移除。在本發(fā)明的實施例中，較好的是在多級串聯(lián)平推流反應器中的每個催化劑床層 中的一個或多個位置設(shè)置有溫度測量裝置，比如熱電偶，來測量催化劑床層的縱向和橫向溫度值(longitudinal and lateral temperature rations)。所述溫度測量裝置可以 是沿著催化劑床層的縱向，具有設(shè)置在催化劑床層中間部位的縱向管的熱電偶，該 縱向管設(shè)置有一個或多個從其上以90度方向延伸出來的耙(rake)，在耙的末端同 樣設(shè)置有熱電偶。所述耙具有一定的長度以使其上設(shè)置的熱電偶位于靠近反應器內(nèi) 壁的地方或者位于反應器內(nèi)壁與所述縱向管之間。沿著催化劑床層的縱向，當一個 反應器中只有一個設(shè)置在其催化劑床層中間部位的熱電偶時，較好的是該熱電偶設(shè) 置在盡可能靠近催化劑床層的正中央處；當一個反應器中設(shè)置有兩個或三個設(shè)置在 其催化劑床層中間部位的熱電偶時，較好的是該等熱電偶依次沿著催化劑床層縱向 設(shè)置，如當催化劑床層為254mm (IO英寸)時，熱電偶可分別設(shè)置在距催化劑床 層底部50.8mm (2英寸)、152.4mm (6英寸)和203.2mm (8英寸)的地方。當然， 較好的是每個位于中間部位的熱電偶均設(shè)置具有一定長度的兩個耙，利用其上的熱 電偶來測量對應的橫向位置的溫度，比如當一個反應器半徑為50.8mm (2英寸) 時，耙所具有的長度可使其上設(shè)置的熱電偶位于離催化劑床層中心線1英寸和1.8 英寸的地方。根據(jù)需要，為了獲得足夠多的用于放大一個平推流反應器的數(shù)據(jù)，就需要在一 系列操作條件下來研究所述實驗室規(guī)模的復合多級平推流反應器的熱傳性能，如在 多個不同的線性流速和質(zhì)量流速下，在不同的催化劑顆粒尺寸和形狀下、在較高和 較低的轉(zhuǎn)化率及多種操作壓力級別下來研究，然后對每級反應器的排出物進行分析 來確定所述不同的操作條件對反應器性能的影響。所述復合多級反應器可在不同的線性流速范圍，如l-50cm/s內(nèi)進行溫度和其 他測量。當在較低流速下，如l-15cm/s時，常會發(fā)在催化劑顆粒表面上累積一層 液態(tài)膜，此時就增加了催化劑顆粒的外部質(zhì)量傳遞阻力。同時，在較低流速下，通 過反應物和產(chǎn)物的流動引起的熱量傳遞也是非常小的。當在高的流速下時，所述液 態(tài)膜累積的情況就會很小，并且由于反應物和產(chǎn)物的流動引起的熱量傳遞也會很 高。另外，所述復合多級反應器的質(zhì)量流速依賴于線性流速和反應器內(nèi)的壓力，在 同樣的線性流速下壓力增大時，質(zhì)量流速就會增大。更為重要的是，為了獲得足夠多的用于放大一個平推流反應器的數(shù)據(jù)，常需要 在全面運轉(zhuǎn)的條件下來研究所述實驗室規(guī)模的復合多級平推流反應器的熱傳性能， 這樣，所述實驗室規(guī)模的復合多級平推流反應器就需要在多個不同的線性流速和質(zhì) 量流速的組合下，不同的催化劑顆粒尺寸和形狀，不同的轉(zhuǎn)換率、全范圍的壓力級別下及在反應開始，反應過程中和反應結(jié)束時來操作。同時，也可在具有不同的催 化劑顆粒和惰性稀釋顆粒比例的催化劑床層下及等溫和絕熱條件下來操作。利用本發(fā)明的方法，也可以來研究催化劑床層中不同尺寸和形狀的催化劑顆粒 對熱量傳遞性能及其他工藝參數(shù)，如對轉(zhuǎn)化率、選擇性和動力學的影響。這樣，通 過所獲得測量數(shù)據(jù)，就能夠探究熱傳特性在整個多變量空間中是如何影響反應器的 性能的，所述多變量空間正是工業(yè)規(guī)模的反應器所具有的特點。當然，利用本發(fā)明的方法也可檢測其他與經(jīng)度相關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)，這些工藝參 數(shù)包括不同的空速、反應物和副反應物、不同的操作溫度和壓力、反應時間、不同 的催化劑尺寸和形狀及轉(zhuǎn)化率、收率、動力學和選擇率；另外還有催化劑物理及化 學特性改變的參數(shù)，如活性位晶化尺寸、氧化及活性位表面覆蓋層的成長等。可見， 利用本發(fā)明的方法可以減少一個催化工藝從其最初發(fā)現(xiàn)到商業(yè)應用的放大的時間。在絕熱反應器中，反應器內(nèi)的溫度不斷變化，控制不好時就可能產(chǎn)生熱點而發(fā) 生飛溫現(xiàn)象。同時，由于絕熱反應器中的反應參數(shù)處于不斷的變化中，這樣，如直 接測量該反應器，就不能得到絕熱反應器中具體、準確的信息。把一個完整的絕熱 反應器分成多級串聯(lián)的反應器有助于研究催化劑床層中不同位置的信息。然而，控 制相鄰兩級反應器之間的反應參數(shù)的連續(xù)性就會面臨困難。因此，直接通過檢測絕熱反應器的特性就可能很難得到絕熱反應器的動力學、 質(zhì)傳及熱傳等特性。 '如圖8所示，在本發(fā)明一個實施例中，其利用實驗室規(guī)模的等溫反應器來模擬 裝載有相同催化劑床層的一個絕熱反應器中的特性，這樣就可以較低的成本快速開 發(fā)一種工業(yè)絕熱反應器的催化工藝。在本實施例中，所述實驗室規(guī)模的等溫反應器為一個復合多級平推流反應器607，其由三個彼此平行且串聯(lián)的反應器61， 63和 65組成，其內(nèi)分別裝載有催化劑床層段62, 64和66。可定義反應器61， 63和65 分別為第一級、第二級和第三級反應器。原料源60通過新鮮反應物管道70與第一 級反應器61的入口相連；在反應器61的出口與反應器63的入口間，反應器63的 法口及反應器65的入口間及反應器65的出口處可分別設(shè)置有采樣裝置67， 68和 69，并且反應器65的出口可通過采樣閥69與一個分離器(未圖示)相連。采樣裝 置67， 68和69還分別開設(shè)有一個開口 601， 602和603，用以輸送相應反應器的 排出物到與該開口相連的裝置中去。另外，也可在新鮮反應物管道70上設(shè)置有采 樣裝置(未圖示)來對新鮮物料進行采樣分析。在反應器61， 63和65上分別設(shè)置有溫度控制裝置，其包括第一、第二及第三溫度控制裝置604,605和606用以分別 控制相應反應器61， 63和65的溫度。在本實施例中，所述反應器61,63和65均 可在等溫條件下進行操作。另外，在原料源60與第一級反應器61間可設(shè)置有預熱 裝置(未圖示)，用以把原料加熱到合適的溫度，當然也可在第一級反應器61內(nèi)設(shè) 置有預熱裝置。由于在絕熱反應器中沿著反應器的長度溫度是不斷變化的，所以當用多級等溫 反應器來模擬一個絕熱反應器的催化特性時，就需要首先確定每一級等溫反應器上 的溫度控制裝置的溫度。通常，可通過在實踐中操作絕熱反應器獲得的在給定的反 應條件和催化工藝下的數(shù)據(jù)先確定第一級反應器上的溫度控制裝置的溫度及第一 級反應器中發(fā)生反應所引起的溫度變化情況，如升溫/降溫的情況；進而通過第一 級反應器上的溫度控制裝置的溫度及在反應過程中第一級反應器內(nèi)的溫度變化來 確定第二級反應器的控制溫度；然后通過對第二級反應器的計算來確定第三級反應器的控制溫度等等。這樣，當每個溫度控制裝置的溫度確定后，所述等溫反應器就 可以來模擬絕熱反應器的特性。在本實施例中，第一溫度控制裝置604控制第一級反應器61的溫度為T1;第 二溫度控制裝置605控制第二級反應器63的溫度為T2;第三溫度控制裝置606控 制第三級反應器65的溫度為T3。其中，Tl、 T2和T3不同。當然，根據(jù)不同的應 用和操作條件來確定相應的不同的溫度Tl、 T2和T3或使用一個共同的溫度控制 裝置來分別控制每級反應器61， 63和65的溫度。這樣，在本實施例中，就可以通過均為等溫反應器的第一級、第二級和第三級 反應器61, 63和65來分別模擬一個絕熱反應器內(nèi)的催化劑床層中的不同的連續(xù)的 催化劑床層段的特性，從而可得到由催化劑床層段62, 64和66組成的裝載于一個 絕熱反應器中的復合催化劑床層的催化工藝特性。由于等溫反應的易操作性，在本 實施例中，通過等溫反應器就可以通過較為簡單、安全的方式來模擬一個工業(yè)規(guī)模 的絕熱反應器內(nèi)的工藝特性。在操作至少兩級相連的平推流反應器，比如當把一個完整的催化劑床層分成多 級催化劑床層段時，上一級反應器的排出物要經(jīng)過一段輸送管道后進入下一級反應 器中，這樣，保證上一級反應器的排出物經(jīng)過輸送管道后進入下一級反應器中時仍 保持物料參數(shù)的連續(xù)性或一致性，而不發(fā)生物料狀態(tài)等的變化就顯得非常重要.在一個特定的化學工藝及給定的反應條件下時，當一級反應器的排出物為均相，即單一相態(tài)，如氣相態(tài)時，往往該均相排出物就可直接通過上下級反應器間的 輸送管道傳送。另外，在一些反應中，所述排出物為多相，較典型的如氣相和液相。 所述氣相可以包括氣體、水蒸氣或其混合物；所述液相中可能包括有水相、油相、 其他不互溶物相及乳狀液等。通常，多相排出物中具有多個不同的物料組分，且每一中物料組分具有各自的 狀態(tài)。當所述多相排出物中的物料組分在所述氣相和液相間處于熱力學平衡CThermodynamic Equilibrium)時，該排出物也可直接通過上下級反應器間的輸送管 道傳送。然而，在一些反應中，如在加氫脫硫反應(Hydrodesulphurization， HDS)中，多相排出物中的物料組分并不處于熱力學平衡狀態(tài)。此時，若把從上一級反應器中 排出的多相排出物直接通過輸送管道輸送到下一級反應器的過程中，其中的物料組 分、組分的分壓等狀態(tài)就可能會發(fā)生變化，從而上一級反應器的排出物進入下一級 反應器中時就不能保持物料參數(shù)的連續(xù)性或一致性。這樣，對于催化工藝的測量和 優(yōu)化來說就可能會有較大的不利影響。如圖9所示的本發(fā)明的一個實施例中，其可以在多相流體傳輸過程中很好的保 持物料傳輸?shù)倪B續(xù)性或一致性。在本實施例中，復合多級平推流反應器707可為實 驗室規(guī)模的平推流反應器，其由兩個彼此平行且串聯(lián)的反應器71和反應器73組成。 可定義反應器71為第一級反應器，定義反應器73為第二級反應器。反應器71和 73內(nèi)分別裝載有催化劑床層72和74，其上分別設(shè)置有溫度控制裝置701和702， 該溫度控制裝置701和702可以相同，也可以不同。原料源70可通過原料輸送管 道77把原料輸送入第一反應器71內(nèi)。在本實施例中，在第一反應器71和第二級 反應器73間還設(shè)置有一個分離裝置703。第一級反應器71的出口處設(shè)置有排出物 管道78，其可與所述分離器703的入口相連。同時，在分離裝置703上設(shè)置有氣 相輸送管道75和液相輸送管道76分別和第二級反應器73的入口相連；第二級反 應器73的出口處也設(shè)置有排出物管道78。在進行反應時，原料進入第一級反應器 71中進行反應，第一級反應器的多相排出物進入所述分離裝置703內(nèi)并分離成為 氣相流體和液相流體，隨后，氣相流體和液相流體分別經(jīng)由氣相輸送管道75和液 相輸送管道76進入第二級反應器內(nèi)進行下一步的反應。如圖9所示，在本發(fā)明的實施例中，在輸送管道75上設(shè)置一個限流裝置705 來控制氣相流體的流阻，以在氣相流體上產(chǎn)生壓力差。假定第一級反應器71及分離裝置703上的壓力為P1;此時，由于限流裝置705的存在，第二級反應器73的 壓力就為P2，且P1〉P2。這樣，在氣相輸送管道75上就產(chǎn)生了一個壓力差AP:P1-P2。 由于壓力差(壓降)AP的存在，當該AP足以克服液相輸送管道76內(nèi)的摩擦力和/ 或進入液相液相輸送管道76內(nèi)的液相流體的重力時，便可以把液相流體壓入液相 輸送管道76進而進入第二級反應器73內(nèi)。這樣，就可以借助于氣相流體上產(chǎn)生的 壓力差AP來驅(qū)動液相流體且該壓力差很小而不至于影響后續(xù)的反應。所述限流裝 置705可以是限流閥，喉口或其他限流方式等。當選擇合適尺寸和形狀的氣相輸送 管道后，如毛細管等，該管道本身也就作為限流裝置705來控制氣相流體的流阻以 起到限流的作用。另外，本實施例中，可在限流裝置705上或氣相輸送管道75兩端設(shè)置有壓差 傳感器(未圖示)來測量壓差AP的變化。通過AP和氣相流體的物理特性，就能 計算出氣相物質(zhì)的信息。繼續(xù)參看圖9所示，當AP太小不足以驅(qū)動液相流體時，所述液相流體就會不 斷在分離器703內(nèi)累積；當AP足夠大的時候，液相流體就會不斷地被壓入第二級 反應器73內(nèi)直到所有的液相流體都被壓入。當所有液相流體都被壓入第二級反應 器73內(nèi)時，氣相流體就會從液相輸送管道76進入第二級反應器73內(nèi)，這樣，AP 就會下降，液相流體就會隨著反應的進行重新累積而占據(jù)液相輸送管道76。隨后AP 又會恢復到預定的值，液相流體又會被壓空。這樣，由于輸入到第一級反應器71 的原料及反應的局限，往往就很難在分離器703內(nèi)維持液面704的平衡，而且不能 保持液相和氣相流體均勻的供應，其流量處在不斷的波動中，這樣對后續(xù)反應的進 行是很不利的。在一個較佳的實施例中，在所述分離裝置703內(nèi)設(shè)置有液面感應器706用來監(jiān) 測液面704的變化，同時，該液面感應器706輸出的信號可用來控制所述限流裝置 705，以產(chǎn)生合適的AP來驅(qū)動液相流體，以使液面704處于預定的位置。這樣就 可以避免液相和氣相流體的波動，便于后續(xù)反應的進行。所述液面感應器可采用非 接觸式的、光學的、激光感應等。較好的是使用非接觸式光學感應裝置。這樣，當 實現(xiàn)液相物質(zhì)通過液相輸送管道76的穩(wěn)定供給后，通過八P和液相流體的物理特 性就能夠計算出液相流體的流量信息。在一些低壓反應，如低壓費托合成中，盡管壓力差AP很小，其也是該反應所 不能承受的，特別是當每一級反應器長度較大或有更多級反應器的時候，就會造成整個壓降較大，對反應的進行造成不利的影響。另外，由于通過液面感應器706和限流裝置705來調(diào)整壓差AP以維持液面704。在調(diào)整AP的過程中，就也有可能對 第一級反應器71內(nèi)的壓力產(chǎn)生一些影響，進而影響到第一級反應器71內(nèi)的流體的 流動。參看圖10所示，其與圖9所示的實施例相似。在本實施例中，取消了設(shè)置于 氣相輸送管道75上的限流裝置705。由于沒有了限流裝置705的存在，就消除了 由于氣相輸送管道75而產(chǎn)生的壓力差。同時，于液相輸送管道76上設(shè)置有一個液 體泵707來輸送液相流體，而且可通過液面感應器706來監(jiān)測液面704的變化并把 其輸出信號輸送給液體泵707以維持液面704在一個預定的位置，這樣可以確保液 相流體流動的均勻性。當?shù)谝患壏磻?1及分離裝置703上的壓力為P1時，第二 級反應器73的壓力也就為P1。由于氣相輸送管道75上沒有了壓力差，也就不必 像圖14所示的那樣為了保持液面704而調(diào)整氣相輸送管道75上的AP，從而減小 了反應器內(nèi)的壓力變化。這樣，就可以在保證液相流體穩(wěn)定流動的情況下消除在反 應器上及反應器間的壓降，保證了反應的良好進行。在本實施例中，所述液體泵707可以是容積式泵(Positive displacement pump) 或離心泵(Centrifugepump)等，較佳的是使用容積式泵。同時，液體泵707較好 的是具有測量的功能，以便于實時的檢測液相流體的流速。為了使液相流體均勻的 分布于第二級反應器73內(nèi)，可于第二級反應器73內(nèi)設(shè)置有噴霧裝置(未圖示)， 從而使從液相輸送管道76輸送的液相流體進入第一級反應器73后均勻的分布于催 化劑床層74內(nèi)。另外，在本實施例中，也可在液體泵707后于液相輸送管道76上 設(shè)置有止回閥(未圖示)以防止液體倒流?？梢?，在本發(fā)明的實施例中，通過對第一級反應器71的多相排出物進行分離， 減小了在輸送過程中氣相流體和液相流體相互作用的可能性，保證了物料傳送中的 連續(xù)性或一致性，從而多級反應器就可以更好的模擬由所述多級反應器的催化劑床 層組成的一個催化劑床層的性能。另外，由于通過分離器703對多相排出物進行了 分離，就能更準確的對排出物的組分進行采樣分析，從而避免了傳統(tǒng)的對多相流體 進行采樣不完全的問題。在一些反應，液相流體也是多相的，如費托合成中，液相流體包括有水相和油 相。此時，就可能在分離器703內(nèi)設(shè)置有攪拌裝置(未圖示)對所述具有多相的液 相流體進行攪拌以進行充分混合來確保液相流體輸送過程中的均勻性。所述攪拌可采用機械攪拌、磁力攪拌等。在一個較佳實施例中，采用超聲波攪拌裝置，該裝置 可安裝于靠近分離器703底部的位置，其可以充分的攪拌液相流體，盡可能的減小 對液面感應器706的干擾及避免由于攪拌而增加液相流體的溫度。如圖9-10所示，與第一級反應器71出口處排出物的溫度相比，當分離器703 的溫度高時，進入分離器703中的液相流體中容易揮發(fā)的組分就會揮發(fā)進入到氣相 流體中去；當分離器703的溫度低時， 一部分氣相流體就可能發(fā)生冷凝進入到液相 流體中?？梢姴徽摲蛛x器703的溫度是高或低，均會對與其相連的第一級反應器的 排出物流體的組分或狀態(tài)產(chǎn)生影響。這樣，下一級反應器接收到流體與上一級反應 器出口處排出的流體間已經(jīng)發(fā)生了變化，從而就不能保證流體在傳送過程的連續(xù)性 或一致性。為了保持排出物組分及狀態(tài)的穩(wěn)定，較好的是保持所述分離裝置703的 溫度與所述第一級反應器71出口處排出物的溫度相同，這樣就盡可能的保證第一 反應器的排出物進入所述分離裝置703內(nèi)其狀態(tài)不發(fā)生變化。如圖11所示，以第一級反應器71為例，為了更好的確保第一級反應器71的 排出物進入分離器703后溫度不發(fā)生變化，所述第一級反應器71和分離器703 — 體成型，這樣，分離器703和第一級反應器71處于一個體系中，從而可確保溫度 的一致，就更好的避免了組分、狀態(tài)發(fā)生變化的可能性。在本發(fā)明實施例中，所述多級平推流反應器707也可由三個或更多個彼此平行 且串聯(lián)的反應器組成。所述分離器可安裝于每一級反應器的出口處，其與反應器分 別單獨設(shè)置，甚或一體成型設(shè)置，且可根據(jù)不同的反應在氣相輸送管道上設(shè)置限流 裝置或者在液相輸送管道上設(shè)置液體泵。此外，所述多個串聯(lián)反應器也可豎直設(shè)置。
權(quán)利要求
1. 一種研究用于工業(yè)規(guī)模平推流催化工藝中的熱傳性能的方法，其包括a)設(shè)置一個實驗室規(guī)模的復合多級串聯(lián)平推流反應器，在所述復合多級反應器中的每級反應器的催化劑床層中設(shè)置有溫度測量裝置；b)在不同的反應物線性流速、質(zhì)量流速、轉(zhuǎn)化率和反應壓力下對所述復合多級反應器進行操作；c)利用所述溫度測量裝置測量每級反應器的熱傳性能。
2. —種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于沿所述每級反應器的催化劑床層 的縱向，在其中間部位設(shè)置有兩個或兩個以上的溫度測量裝置。
3. —種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于沿著所述催化劑床層的縱向，在 其中間部位的不同位置上分別設(shè)置有第一熱電偶，在偏離中間部位的位置上設(shè)置有第 二熱電偶，其用于對所述每級反應器的催化劑床層中的縱向溫度、橫向溫度及溫度的 變動進行測量。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述測量每級反應器的熱傳性能 包括在不同的反應物線性流速下進行測量。
5. —種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述測量每級反應器的熱傳性能 包括在不同的質(zhì)量流速下進行測量。
6. —種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述測量每級反應器的熱傳性能 包括在不同的反應壓力下進行測量。
7. —種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述測量每級反應器的熱傳性能 包括在不同的轉(zhuǎn)化率下進行測量。
8. —種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述測量每級反應器的熱傳性能 包括可進行兩次或兩次以上的測量，每次測量時每級反應器中裝載的催化劑顆粒的尺 寸和其他次的均不相同。
9. 一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于實驗室規(guī)模的復合多級串聯(lián)平推 流反應器至少包括三個串聯(lián)的單級平推流反應器。
全文摘要
一種催化工藝熱傳性能的研究方法，其包括設(shè)置一個實驗室規(guī)模的復合多級串聯(lián)平推流反應器，在所述復合多級反應器中的每級反應器的催化劑床層中設(shè)置有溫度測量裝置；在不同的反應物線性流速、質(zhì)量流速、轉(zhuǎn)化率和反應壓力下對所述復合多級反應器進行操作及利用所述溫度測量裝置測量每級反應器的熱傳性能。這樣就可以較低的成本快速的研究一個平推流反應器中的熱傳性能。
文檔編號G01N31/10GK101274258SQ20071030753
公開日2008年10月1日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者理查德·F·鮑曼 申請人:亞申科技研發(fā)中心(上海)有限公司