專利名稱：一種催化工藝的質傳性能的研究方法
一種催化工藝的質傳性能的研究方法
技術領域：
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 縱向位置相關的質傳性能的方法。
背景技術：
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 劑的一些本質特性。為了減小質傳對操作過程的影響，此步驟的操作常是選擇 經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。由于在反應過程中反應物或生成物進入或 離開催化劑孔洞過程中質量傳遞的限制， 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束時，也常同樣需要對工藝的可變性進 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有一個或多個反應管的驗證性規(guī)模的反應器，在絕 熱的條件下測試所述工業(yè)規(guī)格的催化劑。所述反應管的內徑大約25.4mm (1英寸)，在一些情況下其內徑"/迗。Of^mn^英4i》。另外，為了更好的探究熱 量傳遞的影響，所述反應器常設置6-8個反應管，且反應管間的距離按照工業(yè) 規(guī)模釆用的距離設置。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，常可對反應產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。
可見，這…系列步驟的完成常需要三年多的時間，而且常常不-定能得到 所有用于放大所需要的數據。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。這種關系是催化劑狀態(tài)或規(guī) 格變化的結果，而這種結果是由T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 質并與其反應中，催化劑會被轉化過程中形成的水氧化，丁-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，由丁-反應物和產 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速率(Mass Transfer Rate)的降低。
近來，高通量實驗技術被用來對新型催化劑及其催化工藝進行研究。這些 高通量實驗技術一般在減小熱傳及質傳的影響下進行，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，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T放大所需的數據。
通常，典型的研究一個固定床反應器催化工藝中的質傳性能的方法是通過 在給定的一組操作條件下來比較裝載有壓碎的細小的催化劑的反應器和裝載有 工業(yè)規(guī)格的催化劑的反應器中的轉化率相對T停留時間的特點來完成的。所述 壓碎的催化劑的顆粒常選用很小的顆粒尺寸，較好的是選用可以獲得的最小尺 寸的催化劑顆粒，當然，前提是它仍然保持其催化性能。同時， 一個更簡單來 確定質傳性能的方法就是假定壓碎的細小的催化劑不存在質傳阻滯，那么通過 比較壓碎的催化劑和工業(yè)規(guī)格的催化劑中的轉化率相對于停留時間的特點的差 異，就能夠得到質傳阻滯的信息。對于一個給定原料的反應，通過對所述兩個 反應器的排出物進行采樣分析就能夠得到轉化率的數值。另外，提供給所述兩個反應器的輸入的流速也是可議調整的,:*比^可提高輸入到裝載有壓碎的催化
劑的反應器中的輸入的流速或者降低輸入到裝載有工業(yè)規(guī)格催化劑的反應器中 的輸入的流速。這樣，可以通過使兩個反應器具有相同的轉化率，那么停留時 間的不同就能夠反應工業(yè)規(guī)格催化劑中的質傳阻滯了。
此夕卜，Hougen和Watson在由Wiley于1966年3月出版的《化學工藝原理》 (Chemical Process Principles)的第三部分"動力學禾口催化齊U" (Kinetics and Catalysts),第998-1000頁中揭示了一種更加嚴格且在技術上很精確的用于確定 工業(yè)規(guī)格催化劑的質傳性能的方法。所述方法并不假定壓碎的細小的催化劑的 質傳阻滯為零，其先通過壓碎催化劑和工業(yè)規(guī)格催化劑中的宏觀反應速率的比 值及催化劑顆粒的尺寸的比值來確定工業(yè)規(guī)格催化劑的Thiele模數，進而通過效 率因子與Thiele模數的關系圖來確定出工業(yè)規(guī)格催化劑的效率因子。
然而，所述方法都沒有提供任何關于沿著催化劑床層質傳性能縱向變化的信 息，而且其通常都是假定在催化劑床層中各處質傳性能都是相同的?？墒沁@種假定 在很多催化系統(tǒng)中都是不正確的。這樣，由于不能確定一個平推流反應器中催化劑 床層的質傳性能的縱向變化，就不能沿著催化劑床層對其進行優(yōu)化。
所以，需要一種新的催化工藝的研究方法用以克服現(xiàn)有技術的不足。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于研究一個平推流反應器中催化劑床層的與縱 向位置(經度)相關的質傳性能的方法。
所述方法包括設置第一及第二實驗室規(guī)模的平推流反應器，該第一及第二實驗 室規(guī)模的平推流反應器均分別由至少三級串聯(lián)的固定床反應器組成，每級反應器中 裝載有對應的催化劑床層，且所述第一及第二平推流反應器中的所有催化劑床層可 分別組成第一復合催化劑床層及第二復合催化劑床層，所述第一復合催化劑床層中 的催化劑顆粒相當于壓碎的或粉末狀催化劑顆粒，所述第二復合催化劑床層中的催 化劑顆粒相當于工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒，所述壓碎的或粉末狀催化劑與所述工業(yè)規(guī) 格催化劑為同種催化劑；分別于所述第一及第二平推流反應器中的第一級反應器的
入口向其內輸入新鮮反應物原料；對所述第一及第二平推流反應器中的每級反應器
的排出物進行采樣分析；確定在所述第一及第二平推流反應器中發(fā)生反應生成的產 物及副產物的宏觀反應速率；基于所得的所述宏觀反應速率，進而確定沿著所述第二復合催化劑床層在其不同位-置的效，因子。通過對每級反應器的排出物進行分析就能夠連續(xù)的確定其活性和選擇性，而且 由于每級反應器中都能反應一個轉化率和停留時間的相互關系，這樣就有可能確定 每級反應器的相對的反應速率及選擇性。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據結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，選擇性的數據結果可以來直接衡量催化劑的 本質選擇性與轉化率的關系。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，從而可以得到宏觀反應速率與停留時間的關系數據。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 其轉化率與停留時間的關系數據得到效率因子相對于轉化率的關系。此時，已知效 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)，從而可由Thiele模數確定完整尺寸催化劑顆粒的有效擴散率相對于轉化率的 關系。這些數據的獲得就可用來探究質傳阻滯的機理，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 表面上形成質傳阻力。當在反應器出口處具有較低的擴散率時，其表明產物發(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)物質和催化劑表面之間組分的變化，所以宏觀反 應速率及選擇性都往往與效率因子相關。在大多情況下，較好的是設豐所還，復分多級反昌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，也可根據需要對不同的反應器設定不同的溫度，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。在三相反應，如涉及具有相對揮發(fā)性和非揮發(fā)性的原料與固體催化劑的加氫裂解和加氫轉化的過程中，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，正如Denayer等人在《化學反應器工程國際期刊》 (International Journal of Chemical Reactor Engineering), 2003年，巻1 ， 論文A36 中揭露的分別在4.5bar和100bar壓力下對不同原料的混合物，如對庚烷和壬烷的 混合物，所進行的一系列加氫轉化試驗中，在4.5bar壓力下，氣相中，和壬烷(低 揮發(fā)性)在沸石催化劑上競爭力強的結果一樣，在所有研究的催化劑上壬烷的轉化 都比庚烷快；在較高的壓力，如100bar，液相中，庚烷和壬垸的宏觀反應性就很接 近，這表現(xiàn)在其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反應性能。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 可以是單級固定床反應器，也可以是多級串聯(lián)固定床反應器，其與所述一個或多個 復合多級串聯(lián)反應器平行設置，且通過如設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 /或反應產物或副產物或催化劑毒物，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，萁內可裝載一組與所漆一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生的結果。此外，提高原料中反應產物的含量或者原 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生的變動。在得到所述兩組復合多級反應器的測試數據及有限的本征活化能數據后，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 熱反應器獲得的數據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)明所示的一*對復合多級'爭聯(lián)平推流疾應器的裝置示意圖。圖2是本發(fā)明所示的一個復合多級串聯(lián)平推流反應器及與其動態(tài)相連的另一 個復合多級串聯(lián)平推流反應器的裝置示意圖。圖3是本發(fā)明所示的設置于一個流態(tài)化沙浴中的一個復合多級串聯(lián)平推流反 應器的另一個裝置示意圖。圖4是本發(fā)明所示的設置于一個共同的流態(tài)化沙浴中至少兩個多級串聯(lián)平推 流反應器的裝置示意圖。圖5是本發(fā)明所示的一組平行設置的多級串聯(lián)平推流反應器的裝置示意圖。圖6為可用于確定一種催化劑的Thiele模數的圖示。圖7為圖6中所使用的催化劑的效率因子與其Thiele模數的關系圖。圖8分別為在費托合成反應中使用的壓碎的催化劑和同種類工業(yè)規(guī)格催化劑的效率因子與轉化率的關系圖。圖9為典型的當使用高活性催化劑時在穩(wěn)態(tài)的費托合成平推流反應器中一氧化碳的轉化率和甲垸的選擇性之間的關系圖。圖IO為本發(fā)明的平推流反應器設置的又一個裝置示意圖。圖11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12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13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14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，在該實施例中，復合多級平推流反應器11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均為固定床反應器且可定義該平推流反應器11為第一平推流 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的出口處分別設置有相應的采樣閥25， 27和29。所述采樣 閥25， 27和29均分別設置有出口 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可與一個產物 收集器(未圖示)相連。可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Cl柑連'。呲外:"也環(huán)在新鮮反應物源31與反應器 13的入口間設置一個采樣閥(未圖示)，用于對反應物進行采樣分析。繼續(xù)參看圖1所示,本實施例還包括有與所述多級反應器11平行設置的另一個復合多級反應器35，該多級反應器35可被定義為第二平推流反應器，其內的每一 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與多 級反應器35可設置于一個溫度控制裝置33中。所述多級反應器35包括至少三個 串聯(lián)的反應器37， 39和41。該反應器37， 39和41內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的出口處分別設置有采樣閥49， 51和53。該采樣閥49， 51和53均分別設置有出口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與第一級反應器37的入口間設置一個控制采樣閥(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的入口分別一個相對應的給料源55， 57和59相連。所述料源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。所述多級固定床反應器11和35設置于溫度控制裝置33內。在放熱反應，如 費托合成反應中，溫度控制裝置33內裝有導熱媒介，如循環(huán)沸水，用于把反應器 11和35中的反應熱導出以維持多級反應器11和35在一個恒定的溫度。在吸熱反 應，如石蠟脫氫或催化重整反應中，溫度控制裝置33設置有加熱裝置，如電加熱 器，用以給多級反應器11和35供熱以使反應器11和35維持在恒定的預期溫度。 另外，對于既有放熱反應又有吸熱反應，溫度控制裝置33可設置流態(tài)化沙浴加熱 器來對所述多級反應器進行操作。所述多級反應器11中催化劑床層19， 21和23及所述多級反應器35種的催化 劑床層43, 45和47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(經度)分布。在該實施 例中，多級反應器11和35為三級，即其包括三個串聯(lián)的反應器，當然，其可以為四級、五級、六級或更多級'的単嵌反^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。根據所需研究的反應及需要獲得的數據，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/質譜分析(GC/MS)，紫外(UV)或紅外 (IR)來表征反應物及產物的特性，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來表征催化劑體系。這樣與催化劑床層縱向位置有關的系 統(tǒng)的性能屬性就能夠得到量化。進而，根據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 收率或選擇性。為了確定所述多級反應器11和35的質傳性能，進而獲得裝載有同種類催化劑 的一個工業(yè)規(guī)模固定床反應器的放大的數據。在本實施例中，根據需要反應器13， 15和17中可裝載壓碎的或粉末狀催化劑，反應器37， 39和41可裝載同種類的工 業(yè)規(guī)格的催化劑，當然根據需要，反應器11和35中也可裝載相同尺寸的催化劑。 反應器放大所需的質傳數據的獲得，大部分都是在等溫條件下進行測試，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 1。當然，對于反應器37， 39和41中裝載的工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒也常需要進行 稀釋，以確保多級反應器35同樣可在等溫條件下運行。當需要在絕熱條件下進行 測量時，催化劑床層中的催化劑顆?？蛇M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。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 過稀釋的工業(yè)規(guī)格催化劑的反應器而言，反應器的內徑是稀釋顆粒或者催化劑顆粒 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，反應器的內徑 的可以大到101.6mm (4英寸)，較佳的是25.4-50.8mm (1-2英寸)。由于具有較小 的傳質阻力，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寸七，偷反應器^r以和i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 床層的反應器的內徑相同。另外，可以通過在反應器中設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徑。另外，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中的每級反應器時， 新鮮反應物的轉化率不斷增加，其濃度隨之不斷減小。因此，當需要每一級反應器 具有相同的轉化率時，多級反應器11和35內的催化劑床層19， 21和23及43， 45和47的厚度就需要不斷增加。當多級反應器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。在本實施例中，多級反應器35也可作為一個多級檢測反應器來使用，可通過 給料源55， 57或59改變多級檢測反應器35中相關單級反應器的輸入，進而來比 較該相關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 生的瞬時反應。比如，通過改變檢測反應器35的第三級檢測反應器41的氣態(tài)或液 態(tài)物質的輸入，就可以測試在多級反應器11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，改變反 應器35的第二級檢測反應器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生的反應。比如通過給料源55， 57和59向多級反應器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^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品。當向選定的檢測反應器35中的某級反應器中臨時性 的加入特定的物質后，就可用來模擬測試一個復合催化劑層不同點對這種物料或對 上一級反應器排出物的組分的暫時性變化而產生的瞬時反應，且可以監(jiān)控在所述特 定物質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) 而產生的反應。參看圖2所示，為本發(fā)明的第二實施例，其中與圖1中相同的部分采用與圖1 相同的標號。在本實施例中，多級反應器35仍為一個復合多級串聯(lián)平推流反應器， 其可與圖1中所示的多級串聯(lián)實驗室規(guī)模的多級反應器35相同。此外，多級反應 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。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的出口處分別設置有閥123,129 和137。該閥123， 129和137均分別設置有出口 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禾ni29還分 別設置有另一開口 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多級反應器35中的反應器39和41中。所述反應器17的出 口通過閥137可與一個產物收集器(未圖示)相連。新鮮反應物源31與多級反應 器11和35的第一級反應器13和37的入口相連。此外，也可在新鮮反應物源31 與反應器13和37的入口間設置一個控制采樣閥(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。另外，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中的相應物質對多級反應器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。在本發(fā)明圖l-2所示的實施例中，多級反應器35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，從而來確定該等輸入對質傳的影響。所述其他給〕辟包括'額外鉤新f—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。為 了確定循環(huán)操作對一個固定床反應器的質傳性能的影響，可以把多級反應器11和 35的最后一級反應器的排出物輸入各自的第一級反應器中。在本發(fā)明的實施例中，反應物和其他物料、反應產物和反應副產物等流體可以 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 質的混合。對含有氣態(tài)物質的流體，可利用傳統(tǒng)的背壓調節(jié)器和具有質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(Syringe Pump)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Proserv 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，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所述裝置后已經均勻混合。在采樣時，常會設置有 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髙于常壓的 環(huán)境中。當氣態(tài)物質和液態(tài)物質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，就需要設置 氣液分離器，然后通過如氦氣或氬氣內標準法及關聯(lián)氣態(tài)物質與液態(tài)物質的總體碳 平衡分析方法對氣態(tài)物質和液態(tài)物質分別進行分析，此時，這種情況可通過在輸送 管道上方設置氣體樣品存儲器，在其下方設置液體樣品存儲器來完成。在研究一個固定床反應器的特性時，需要特別注意的是原料組分、產物或者副 產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'質對W占問，催化嗜I」的法4^位，降低反應速率且影響對產 物的選擇性。由此類物質引起的反應常需要一定的時間達到平衡，且從物料到反應 器中去除此類物質后，反應恢復原狀也需要花費一定的時間。氨是已知的可與加氫裂解催化劑反應的物質，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，對于已經被氨污染的復合催化劑來說，通過調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。通過調整向選定的檢測反應 器35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化率下的 影響。目前已知的是在平推流反應器的費托合成及重油濃縮和轉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^高的成本會維護，系統(tǒng)的性能。當然，通過向選定的檢測反應器35中某級加入不同摩爾質量(Molecular Weight Fractions)的上述物質， 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 述物質的相關的檢測反應器中通入氫氣、水或輕質溶劑來確定不同的催化劑再生技 術的效果，從而確定較好的催化劑再生技術。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原料來說至關重要。在這些重質原料含有許多可使催化 劑中毒的污染物，為了減小經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己知的可以影響催化劑性能的物質。其通過在催化 劑活性位上形成碳質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)的設計及提高催化劑的性能。參看圖3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共同設置于一個加熱 或冷卻的流態(tài)化沙浴509中，使其裝置結構更加緊湊。氣態(tài)反應物自原料源511輸 出并經過一個加熱線圈513后進入第一級反應器503的入口；液態(tài)原料經由供料泵 515輸出后也可再經過加熱線圈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)物料的管道上設置采樣閥(未圖示)，以對原料進行采 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。另外，也可采用與上述的多級反應器11 和35相似的方式，在流態(tài)化沙浴509設置與所述多級反應器501類似的第二個多 級反應器。參看圖4所示，本實施例揭示了三個復合多級串聯(lián)實驗室規(guī)模的固定床反應器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3中 揭示的多級反應器501中的反應器相同的設置方式且彼此平行的設置，而且可在每 個多級反應器前都設置有與圖3中相同的加熱線圈513。在本實施例中，還設置有 一個單級檢測反應器538，其同樣設置于流態(tài)化沙浴537中。所述檢測反應器538 位于多級反應器533和535之間，其間設置有與如圖3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物收 集器。參看圖3和圖4所示，所述反應器于流態(tài)化沙浴中平行的設置方式使沙浴不需 要像反應器均豎直設置時那樣的深度，而且采樣閥517， 519和521設置于沙浴外， 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或使用靜止攪拌器(Static Mbcer)以避免管道內的流體形成活 塞流，另一方面，采樣閥517， 519和521可采用等動態(tài)采樣閥，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置于一個共同的溫度控制裝置，如流態(tài)化沙浴537或如 上述的溫度控制裝置，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。比如，當多級反應器535裝載有經過惰性物質稀釋的壓碎的催化劑顆粒， 多級反應器533裝載有經過惰性物質稀釋的工業(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、質傳及熱傳特性，并且由絕熱反應器得到的數據可對由等溫反應器獲得 的數據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，比如通過比較裝載有壓 碎的催化劑的一個反應器和裝載有不同形狀和尺寸的所述工業(yè)規(guī)格的催化劑的其他反應器來同時測試不同催化齊f的質傳特ft。此-卜，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特性都和局部動力學及質量傳遞環(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5所示，反應器模組151包括有平行設置的實驗室規(guī)模的平推流反應器151-1到151-n。 一個溫度控制裝置152設置于模組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， 溫度控制裝置設置有加熱裝置，如電加熱器用以給反應器151-1至l」151-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5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，其他依次串聯(lián)的反應器也形成了 對應的復合多級串聯(lián)固定床反應器。在本實施例中，模組151， 155及157可分別 設置有所需數目的平行反應器，比如，每個模組可平行的設置有4個或8個或16 個反應器。當然，也可根據需要設置不同數目的模組，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 的反應器的出口的輸送管道上分別設置有相應的采樣閥163-1到163-n、 165-1到165-n及166-1到166-n。新鮮反應銜源—16，通過控糾閥169-1到169-n由模組151 中對應的反應器151-1到151-n的入口處向其內輸入定量的新鮮反應物。 一個固定 床反應器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 應產物及副產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%， 反應產物及副產物均是零。隨著新鮮反應物在催化劑床層中的消耗，沿著催化劑床 層，新鮮反應物的比例不斷降低，反應產物及副產物的比例不斷變大。另外，在圖 5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而物料的 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都不同。以圖5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據。為了確定一個平推流反應器系統(tǒng)的積分動力學，此時， 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至U 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據。如當反應器171具有90%的轉化率，那么 在其出口處其排出物包括10%的新鮮反應物，其余的是反應產物及副產物。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，其余的是反應產物及副產物。當反 應器151-1， 155-1和157-1均具有3%的轉化率，那么它們的排出物分別包括97%， 94.1%和91.3%的新鮮反應物，其余的是反應產物及副產物。這樣，模組151， 155和157中新鮮反應物、反應產物及副產物的組分及比，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物及副產物。然后對轉化率或 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(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時，系統(tǒng)為大于1的正級反應，當為負數時， 系統(tǒng)為負級反應。當雙對數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的公式彼此相吻合。然后對公式進行微分，利用制圖或數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系。制圖方法可參看 John M. Chambers, Chapman禾口 Hall的《數據分析制圖方法》(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。使用如圖5所示的裝置系統(tǒng)，可以在不考慮質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5所示的裝置為例，反應器中裝載的催化劑床層使用經過稀釋的壓碎的細小的 或粉末狀的催化劑顆粒來避免熱傳及質傳的影響。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置導熱套管來減小反應器的內徑。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，每一級反應器的轉化率都需要很小，如小于20%，在費轉，合成中.較好.的懸.鬼有2-5%的轉化率。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。在圖5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物、副產 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生的誤差。另外，在圖5中，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系， 進而了解哪些性能發(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 數據對于研究催化劑的穩(wěn)定性及其他特性非常有用。繼續(xù)參看圖1所示，多級反應器11和35均可包括三個或更多個單級反應器， 在每級反應器的出口處均設置有采用閥，用以測量每級反應器排出物的成分。多級 反應器11和35設置在一個共同的溫度控制裝置33中以維持相同的溫度環(huán)境，同 時，其可以接收來自反應物源31的相同的反應物輸入。在進行基本的質傳研究時， 給料源55， 57和59暫時可以不用。多級反應器11中的反應器13， 15和17中的 催化劑床層19， 21和23中是經過篩選的壓碎的細小的催化劑顆粒或粉末狀的催化 劑顆粒，且其中混有足夠多的惰性稀釋顆粒用來確保多級反應器11在等溫條件下 進行操作。較典型的是在放熱反應如費托合成中，稀釋顆粒與壓碎的催化劑顆粒的 比例達到10: 1。在多級反應器35中的反應器37， 39和41中的催化劑床層43， 45和47中是 工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒，其同樣經過惰性稀釋顆粒進行稀釋以確保反應器35也能 在等溫條件下進行操作，只不過稀釋比例較小。典型的是在放熱反應如費托合成中， 稀釋顆粒與催化劑顆粒的比例大約為1: 1到10: 1。為了研究工業(yè)規(guī)格催化劑的 與經度相關的質傳性能，設定所述多級反應器11和35接收來自反應物源31的相 同的反應物輸入，且壓力和原料流速均保持一致。在給定的一組反應條件下，多級 反應器11和35的每級反應器中的轉化率和停留時間的關系就可以通過流速及在每 級反應器入口和出口處反應物原料的不同的量來確定。在一個簡化的測定質傳方法中，通過多級反應器35中的每級反應器中工業(yè)規(guī) 格催化劑的宏觀反應速率及多級反應器11中相應反應器中壓碎的催化劑的宏觀反應速率的比值來確定所述多級反應器35中的每級&fe器中的皿土業(yè)規(guī)格催化劑的效 率因子。對于多級反應器11和35來說，對其每級反應器的出口處不斷累積的反應 物的轉化率及不斷生成的反應產物和副產物與停留時間作圖，并且使圖示與獲得的 數據相吻合，這樣，通過所得在任意停留時間對應的產物或轉化率的圖示的斜率就可得到對應的多級反應器11或35的宏觀反應速率Ko (單位停留時間的轉化率)。 具體的制圖方法可參看JohnM. Chambers, Chapman和Hall的《數據分析制圖方法》 (Graphical Methods for Data Analysis), 1983年5月，ISBN: 0412052717;也可參 看Van Dijk等人的《使用瞬態(tài)同位素示蹤研究費托合成的機理》(A Mechanistic Study of Fischer-Tropsch synthesis using transient isotopic tracing)中的第一部分"模 型鑒別"(Model identification and discrimination)中的第3節(jié)，第5節(jié)和第5.2節(jié)及 圖13。當質傳不受限制時，宏觀反應速率Ko就不受催化劑顆粒直徑的約束。通過 分別對多級反應器11和35中的反應器的宏觀反應速率Ko與相應的轉化率作圖并 進行比較，就能夠確定出多級反應器35的復合催化劑床層中的通過催化劑孔洞時 質傳受限的縱向區(qū)域。在一個反應器中一種催化劑的效率因子等于該催化劑的宏觀 反應速率Ko與其本征反應速率Ki的比值。在簡化的方法中，常認為壓碎的催化 劑是沒有任何質傳阻滯的，所以它的宏觀反應速率Ko就被認為是該催化劑的本征 反應速率Ki。這樣，在多級反應器35中的復合催化劑床層的任意位置上，所述工 業(yè)規(guī)格催化劑的效率因子就等于在該位置上該工業(yè)規(guī)格催化劑的宏觀反應速率Ko 與相應位置上的壓碎的催化劑的宏觀反應速率Ko的比值。當使用Hougen和Watson的方法時，就認為壓碎的催化劑的宏觀反應速率Ko 與其本征反應速率Ki是不相同的。利用圖6所示的圖示，根據該方法可以確定出 工業(yè)規(guī)格催化劑床層中任意位置的Thide模數，該Thiele模數是通過在該位置的工 業(yè)規(guī)格催化劑和相應位置的壓碎的催化劑的宏觀反應速率的比值及其顆粒直徑的 比例來確定。比如，在圖6中，當所述壓碎的催化劑與所述工業(yè)規(guī)格催化劑的顆粒 直徑比值為0.2且工業(yè)規(guī)格催化劑與壓碎的催化劑的宏觀反應速率Ko的比值為 0.34時，那么在該位置催化劑的Thiele模數大約為9。此時，再參看圖7所示，那 么沿著反應器35中的工業(yè)規(guī)格的催化劑床層，在該位置的效率因子大約就為0.27。 在多級反應器11和35的運行過程中，可對工業(yè)規(guī)格催化劑床層中與經度相關的效 率因子進行重復測定，這樣就可以確定反應時間對平推流催化系統(tǒng)的質傳性能的影 響。當然，也可在不同的溫度和壓力條件下進行測定，從而確定這些參數的改變對反應器35中的復合催化劑床層中質傳的影晌由于效率因子是催化劑宏觀反應速率KO與其本征反應速率Ki的比值，那么 沿著催化劑床層在一個給定的縱向位置，由催化劑在該位置的效率因子和其宏觀反應速率Ko就能推算出其本征反應速率Ki。不管對于壓碎的催化劑還是工業(yè)規(guī)格的 催化劑，其本征反應速率Ki都是相同的，所以沿著工業(yè)規(guī)格催化劑的床層，其任 意位置的效率因子就可以通過工業(yè)規(guī)格的催化劑在該位置的宏觀反應速率Ko和本 征反應速率Ki來確定。對于一個反應，如費托合成來說，在平推流反應器催化劑床層中不同的縱向位 置可能存在不同的反應路徑，比如一氧化碳和氫氣轉化為烴或在水煤氣反應中生成 二氧化碳。為了探究系統(tǒng)中與經度相關的動力學區(qū)間和質傳區(qū)間及區(qū)分系統(tǒng)中質傳 效應和動力學效應的發(fā)生，那么對生成存在于系統(tǒng)中且沿著復合催化劑床層厚度變 化的產物和副產物的不同動力學路徑的行為進行表征就很重要。當所述區(qū)間明了 后，就能來研究在一組給定的且對特定的催化劑而言具有最優(yōu)權衡的操作條件下的 系統(tǒng)中由反應物生成產物的質傳性能。如圖8所示，本實施例提供了優(yōu)化一個平推流反應器中催化劑床層的縱向特性 的范例。在圖8中，其揭示了在具有共同的反應物原料及一組給定的溫度和壓力條 件下在裝載有壓碎的和工業(yè)規(guī)格的同種類費托合成催化劑的平推流反應器中效率 因子和轉化率的典型關系圖。如圖8所示，在轉化率達到大約50-60%的那部分的 催化劑床層中，其質量傳遞阻滯是明顯存在的；在轉化率為大于70%的催化劑床層 中，其質量傳遞阻滯就不存在了。可見，由工業(yè)規(guī)格催化劑顆粒形成的催化劑床層 在較小的效率因子時具有較大的質傳阻滯，且該較大的質傳阻滯可以反映沿壓碎的 催化劑床層和工業(yè)規(guī)格的催化劑床層的厚度反應路徑上的差異。同時，較大的質傳 阻滯表明在轉化率較低的那部分催化劑床層，如接觸完全新鮮原料的催化劑床層的 入口處有物質，如蠟在催化劑孔洞中累積。但是這種情況在轉化率已經較高的催化 劑床層的較低部位就不存在了 。在費托合成反應器中，效率因子低時往往會導致產生不需要的甲烷和/或低碳 氣體。特別的是對于裝載有工業(yè)規(guī)格催化劑床層的費托合成反應器來說，催化劑床 層的上部會產生實質數量的甲烷。在不受特別的反應機理解釋限制下，通常認為甲 烷的產生是由于在反應器中的催化劑床層的入口部分，氫氣和一氧化碳的濃度很高 導致反應開始時在催化劑入口部分的催化劑顆粒中生成了大量的蠟(wax)累積在該部分的催化劑顆粒的孔洞中，進而導至if 反設物,杯在.催化^i:洞中的擴散率很低，從而催化劑的活性位接觸不到足夠的反應物氣體便轉而生成大量的甲烷。對催 化劑床層入口部分的后續(xù)部分來說，接觸到的原料是包括了反應物氣體、反應產物 和副產物的混合物，這樣，反應物氣體的分壓就降低了，從而在該后續(xù)部分反應開 始時由活性位產生的蠟就很少。為了優(yōu)化平推流反應器中的催化劑床層結構以避免 在催化劑床層的入口處生成大量不需要的甲烷，就比如可以在催化劑床層的入口處 使用活性較低的催化劑，這樣就可以產生較少的蠟而不至于累積在催化劑顆粒的孔 洞中。除了使用具有不同尺寸的壓碎的和工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒來研究平推流反應 器中催化劑床層的質傳性能外，也可使用相同尺寸的含有不同量催化劑的顆粒來研 究。所述顆粒由壓碎的細小的或粉末狀催化劑及惰性稀釋物，如氧化鋁或硅石組成。 粉末狀或細小的催化劑與細小的壓碎惰性稀釋物均勻混合并進行燒結以形成一定 尺寸的顆粒。此時，就可選擇具有較低含量催化劑的顆粒使其相當于上述方法中所 述的壓碎的催化劑，選擇具有較高含量催化劑的微粒使其相當于工業(yè)規(guī)格的催化 劑，這種含量的選擇依賴于催化劑的活性及反應的本質。對反應器進行工業(yè)規(guī)模放大過程中，較好的做法是在一個絕熱反應器中驗證在 等溫條件下獲得的質傳性能。在絕熱反應器中，工業(yè)規(guī)格催化劑中混有的惰性稀釋 物的量就需要較少，而且要控制導熱管的直徑以使該絕熱反應器的熱量性能能夠反 映預期的工業(yè)規(guī)模反應器的熱量性能。在研究費托合成平推流反應器的質傳效應時，除了對反應速率相對于轉化率或 停留時間進行作圖外，也可對甲烷的選擇性與轉化率進行作圖。當質傳阻滯存在時， 甲烷的選擇性就很高。如圖9所示為在裝載有高活性催化劑的穩(wěn)態(tài)的費托合成固定 床反應器中甲烷的選擇性和一氧化碳的轉化率之間的典型關系圖。在該費托合成固 定床反應器中，質傳阻滯對選擇性的影響被最大化。如圖9所示，在靠近催化劑床 層入口處，如一氧化碳的轉化率在0-35%的那部分催化劑床層，工業(yè)規(guī)格催化劑中 的甲垸選擇性要比壓碎催化劑對甲垸的選擇性大的多。這樣，對于反應器中工業(yè)規(guī) 格催化劑和壓碎的催化劑對甲烷的選擇性差別較大的那部分而言，質傳就是個影響。在一氧化碳的轉化率在35-80%的催化劑床層中，其對甲烷的選擇性都很小， 在這個區(qū)域，質傳影響的作用就很小。在一氧化碳的轉化率大于80%的催化劑床層 中，對于工業(yè)規(guī)格催化劑和壓碎的催化劑而言，甲烷的選擇性都增加的非常快，而且反應速率也降低下來，此時，意味著有其1也因蒙，而逸質^(^制著催化劑的活性 且增加了甲烷的選擇性。如圖IO所示，使用本實施例的裝置同樣可以來研究一個固定床反應器中與經 度相關的質傳、熱傳及動力學特性。在本實施例中，包括一個實驗室規(guī)模的平推流 反應器201，其裝載有由工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒組成的催化劑床層203。 一個新鮮反應物源205可輸入新鮮物料到反應器201中。同時，通過控制控制閥209-1到 209-n，反應器201的排出物可定量的被輸入到相應的反應器207-1至lj 207-n中。反 應器207-1到207-n中分別裝載有對應的較淺的催化劑床層211-1到211-n，其通過 足夠多的惰性顆粒進行稀釋以使該等催化劑床層在等溫條件下進行操作。另外，通 過控制控制閥213-1到213-n，反應物源205也可提供定量的新鮮物料到對應的反 應器207-1到207-n。反應器207-1到207-n的排出物可通過相應的采樣閥215-1到 215-n對其進行采樣。當反應器201在既定的轉化率如80%條件下操作時，可通過控制控制閥209-1 到209-n及213-1至U 213-n來調整輸入到反應器207-1至lj 207-n中的反應器201的排 出物和來自新鮮反應物源205的新鮮反應物之間的比例，進而可調整反應器207-1 到207-n的轉化率，使其處于0到80%之間。以反應器207-1為例，控制控制閥209-1 和213-1僅使反應器201的排出物進入反應器207-1中，控制催化劑床層211-1的 厚度使于反應器201進入反應器207-1中的反應器201的排出物再轉化5%左右。 這樣，催化劑床層211-1就相當于轉化率在80-85%間的一個平推流反應器催化劑 層的一個截面段(cross-sectional slice)。類似的，控制閥209-2和213-2使進入反應 器207-2的物料已具有40%的轉化率，且控制催化劑層211-2的厚度使該物料再轉 化5%左右，這樣，催化劑層211-2就可以用來模擬轉化率在40-45%間的一個催化 劑層的一個截面段。進而，催化劑層211-1到211-n便可用來模擬一個平推流反應 器沿催化劑層任意縱向位置截面段的性能。催化劑層211-1到211-n可以具有不同的組分，比如，催化劑層211-1和211-2 分別裝載有壓碎的催化劑顆粒和工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒，兩個催化劑層中均裝載有 惰性的稀釋顆粒用以確保催化劑層在等溫條件操作。這樣就可以來測量催化劑層任 意縱向位置截面段的質傳、熱傳及動力學特性。當然，對于不同的應用，催化劑層 211-1到211-n可裝載有具有不同化學或物理成分的催化劑顆粒。為了避免反應器 201的排出物進入反應器207-1到207-n過程中熱量損失或其溫度升高，往往于連接反應器201和207-l到207-n的管道及控翁胸i:,，緣杯性以避免上述情況。 此外，可以對反應器201和反應器207-1到207-n設置共同的溫度控制裝置217來 控制其溫度，或者對于不同的需求，反應器201和反應器207-1到207-n也可分別 設置獨立的溫度控制裝置。另外，反應物源205的新鮮反應物在供給反應器207-1 到207-n之前常需要進行加熱。加熱方式可采用業(yè)界已知的直接加熱方式對反應物 進，丁力口熱，如沙、浴力口熱線圈(heating coil in a fluidized sand bath)或紅外加熱爐等， 以使反應器入口處的催化劑層達到合適的溫度條件。根據不同的發(fā)明目的，如放大或其他目的等，本發(fā)明反應裝置可用來檢測平推 流反應器在不同目的下的操作參數，比如，在不同的反應溫度、壓力、催化劑形狀 和尺寸的條件下，檢測與經度相關聯(lián)的活性和質傳特性與反應時間的關系。當然也 可檢測其他與經度相關聯(lián)的工藝參數，這些工藝參數包括不同的空速、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，如活性位晶 化尺寸、氧化及活性位表面覆蓋層的成長等。利用本發(fā)明反應裝置，可以加快從催化工藝的最初發(fā)現(xiàn)到其商業(yè)應用的進程。 舉例來說，在本發(fā)明的一個實施例中，四個多級反應器平行設置。其中，第一個多 級反應器中的反應器均裝載有壓碎的催化劑，這樣，該多級反應器就可用來提供本 征反應速率和選擇性數據。第二個多級反應器中的反應器均裝載有工業(yè)規(guī)格的催化 劑。在均達到給定的轉化率時，基于對裝載有壓碎催化劑的反應器與工業(yè)規(guī)格催化 劑的反應器中反應物相對的停留時間的直接比較，于第二個反應器獲得的數據就可 來確定質傳阻滯的程度。通過針對一系列停留時間所對應的轉化率數據的獲得，就能夠確定效率因子(Effectiveness Factor),進而確定有效擴散率相對于轉化率或停 留時間的關系。同時，該數據也可來提供質傳對選擇性的影響信息。第三個多級反 應器，也可為單級反應器，其作為檢測反應器。該檢測反應器是裝載有較淺的催化 劑床層的反應器或是全混流反應器，且來自前述兩個多級反應器中的任一反應器的 流體可直接輸入相關的檢測反應器中。此外，也可向檢測反應器中輸入另外的氣體 或液體以確定催化劑的吸附速率或催化劑表面性能的變化。這些信息對建立一個固 定床反應器的模型具有很大的價值。最后，第四多級反應器，其為絕熱反應器，用 來測試由前述反應器發(fā)展而來的反應器模型的性能。這種平行的操作串聯(lián)反應器的 模式可以快速獲得放大所需的數據。實際上，目前即使在一個溫度下，獲取包括催化劑失活(Deactivation)及其再生數據在肉的所'脊il^放大敬數據，常需要1-2年 的時間，然而，利用本發(fā)明所述的裝置一下子就可以節(jié)省好幾年的研發(fā)時間。本發(fā) 明的另一個好處是可以同時操作多組反應器，而且可在不同的溫度、壓力和物料組 分下操作。另外，本發(fā)明所述的裝置對于工業(yè)化設計來說可產生最優(yōu)的經濟性，比 起快速放大一個新型催化劑到其工業(yè)化的進程中節(jié)省的成本來說，同時操作多組平 行設置的串聯(lián)反應器的花費還是很小的，比如開發(fā)出一種新型的催化劑可以使生產 每桶油節(jié)省1美元，那么一個日產量10萬桶的工廠一年就可節(jié)省超過3000萬美元。 很明顯，這些節(jié)省可以很容易的遠遠抵消掉操作平行設置的多組串聯(lián)反應器的成 本。在絕熱反應器中，反應器內的溫度不斷變化，控制不好時就可能產生熱點而發(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、 質傳及熱傳等特性。如圖11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，其內分別裝載有催化劑床層段62, 64和66?？啥x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，皮應器 63的出口及反應器65的入口間及反應器65的出口處可分別設置有采樣裝置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 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，在原絲源60與第"級,器61間可設置 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內設置有預熱裝置。由于在絕熱反應器中沿著反應器的長度溫度是不斷變4fc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據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過輸送管道后進入下一級反應器中時仍 保持物料參數的連續(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;，開^if相中^能5&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(Thermodynamic 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12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 保持物料傳輸的連續(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?？啥x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內分別裝載有催化劑床層72和74，其上分別設置有溫度控制裝置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。在本實施例中，在第一反應器71和第 二級反應器73間還設置有一個分離裝置703。第一級反應器71的出口處設置有排 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進行下一步的反應。如圖12所示，在本發(fā)明的實施例中，在輸送管道75上設置一個限流裝置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上就產生了一個壓力差AP二P1-P2。由于壓力差(壓降)AP的存在，當該AP，足^克服液相輸i^PI;7i5內的摩擦力和/ 或進入液相液相輸送管道76內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。這樣，就可以借助于氣相流體上產生的 壓力差AP來驅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 計算出氣相物質的信息。繼續(xù)參看圖12所示，當AP太小不足以驅動液相流體時，所述液相流體就會 不斷在分離器703內累積；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，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內設置有液面感應器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，以產生合適的AP來驅動液相流體，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)液相物質通過液相輸送管道76的穩(wěn)定供給后，通過AP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來調整壓差AP以維持液面704。在調整AP的過程中，就也有可能第一級反應器71內的壓力產生一些影B航逝而影響到第一'級^應器71內的流體的流動。參看圖13所示，其與圖14所示的實施例相似。在本實施例中，取消了設置于 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而產生的壓力差。同時，于液相輸送管道76上設置有一個液 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。當第一級反應器71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Pl。由于氣相輸送管道75上沒有了壓力差，也就不必 像圖12所示的那樣為了保持液面704而調整氣相輸送管道75上的AP，從而減小 了反應器內的壓力變化。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(Centrifuge pump)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，可于第二級反應器73內設置有噴霧裝置(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。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內設置有攪拌裝置(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^^#'的凝廣。-如圖12-13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內其狀態(tài)不發(fā)生變化。如圖14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 別單獨設置，甚或一體成型設置，且可根據不同的反應在氣相輸送管道上設置限流 裝置或者在液相輸送管道上設置液體泵。此外，所述多個串聯(lián)反應器也可豎直設置。
權利要求
1.一種研究用于工業(yè)規(guī)模平推流催化工藝的質傳性能的方法，其包括a)設置第一及第二實驗室規(guī)模的平推流反應器，該第一及第二實驗室規(guī)模的平推流反應器均分別由至少三級串聯(lián)的固定床反應器組成，每級反應器中裝載有對應的催化劑床層，且所述第一及第二平推流反應器中的所有催化劑床層可分別組成第一復合催化劑床層及第二復合催化劑床層，所述第一復合催化劑床層中的催化劑顆粒相當于壓碎的或粉末狀催化劑顆粒，所述第二復合催化劑床層中的催化劑顆粒相當于工業(yè)規(guī)格的催化劑顆粒，所述壓碎的或粉末狀催化劑與所述工業(yè)規(guī)格催化劑為同種催化劑；b)分別于所述第一及第二平推流反應器中的第一級反應器的入口向其內輸入新鮮反應物原料；c)對所述第一及第二平推流反應器中的每級反應器的排出物進行采樣分析；d)確定沿所述第二復合催化劑床層不同位置的與催化劑床層中的縱向位置相關的效率因子。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述確定第二復合催化劑床層不同 位置的效率因子包括于所述第一及第二平推流反應器中的每級反應器的出口處確定 其宏觀反應速率；基于所得的所述宏觀反應速率，進而確定沿著所述第二復合催化劑 床層在其不同位置的效率因子。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述確定第二復合催化劑床層 的效率因子還可包括先確定沿所述第二復合催化劑床層在其不同位置的Thiele模數， 然后基于所得的Thiele模數確定所述第二復合催化劑床層的不同位置的效率因子。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述方法還包括要確定所述催化劑 的本征反應速率。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述第一及第二復合催化劑床層中的催化劑顆粒中均混有惰性稀釋顆粒，以確保所述第一及第二平推流反應器均可在等 溫條件下進行操作。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括維持第一及第二平 推流反應器中的壓力及輸入其內的反應物原料的速率恒定。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述第一及第二復合催化劑床層中 的催化劑顆粒均包括經過惰性稀釋物稀釋的壓碎的細小的或粉末狀催化劑顆粒。
全文摘要
一種催化工藝的質傳性能的研究方法，其包括設置第一及第二實驗室規(guī)模的平推流反應器，該第一及第二實驗室規(guī)模的平推流反應器均分別由至少三級串聯(lián)的固定床反應器組成，所述第一及第二平推流反應器中的所有催化劑床層可分別組成相應的復合催化劑床層；分別于所述第一及第二平推流反應器中的第一級反應器的入口向其內輸入新鮮反應物原料；對所述第一及第二平推流反應器中的每級反應器的排出物進行采樣分析；確定沿所述第二復合催化劑床層不同位置的與經度相關的效率因子。這樣，就能夠確定所述平推流反應的催化劑床層中與縱向位置相關的質傳性能，從而加快其工業(yè)化進程。
文檔編號B01L99/00GK101274253SQ200710307428
公開日2008年10月1日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權日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