專利名稱：一種乙烯催化氧化合成環(huán)氧乙烷的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)氧乙烷的合成方法，特別涉及由乙烯催化氧化合成環(huán)氧乙烷的催化劑及其載體。
背景技術：
乙烯氧化制備環(huán)氧乙烷的主要副反應產物是二氧化碳和水，副反應的反應速率和反應熱均大于生成環(huán)氧乙烷的主反應。
目前，在乙烯氧化合成環(huán)氧乙烷過程中使用的催化劑形狀為單孔環(huán)柱狀和具有孔徑為1-2毫米多孔的圓柱狀，在實際的使用過程中發(fā)現(xiàn)，反應組分在上述兩種催化劑中仍然存在相當嚴重的內擴散效應和溫度升高，致使工業(yè)反應器中環(huán)氧乙烷的選擇性和時空產率較低，有待改進。

發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的技術問題是公開一種乙烯催化氧化合成環(huán)氧乙烷的方法，該方法采用一種幾何外表面積大、活性組分及助催化劑浸漬在載體上的負載型催化劑，反應氣體通過催化劑外圍及薄片擴散途徑短的多通孔薄片結構催化劑及其載體，可極大地降低乙烯氧化反應在催化劑內的內擴散效應和粒內溫升，從而提高了環(huán)氧乙烷的選擇性和時空產率，以克服現(xiàn)有技術存在的選擇性和時空產率較低的缺陷。
本發(fā)明所述的乙烯氧化制備環(huán)氧乙烷的方法，其工藝條件和催化劑的組成均與現(xiàn)有的技術相同，其反應過程是在一種固定床管式催化反應器中進行的，而所采用的催化劑及其載體由一個環(huán)柱體和設置在環(huán)柱體內的多個平行交叉的薄片構成，形成平行的反應氣體通道，所述的催化劑及其載體在薄片的橫截面上不存在可目測的小孔，以免影響催化劑及其載體的機械強度。
由于采用了上述結構的催化劑及其載體，因此本發(fā)明比現(xiàn)在技術具有如下優(yōu)(1)反應組分乙烯和氧在催化劑及其載體內的擴散途徑很短，極大地降低了乙烯氧化反應在催化劑及其載體內的內擴散效應和粒內溫升，因而提高了環(huán)氧乙烷的選擇性和時空產率。
(2)裝填在反應管內的上述多通孔薄片結構的催化劑及其載體顆粒構成的催化床的床層空隙率高于現(xiàn)有的圓柱形或單孔環(huán)柱形催化劑組成的催化床，由此降低了反應氣體通過催化床的壓力降。
(3)裝填在反應管內的上述多通孔薄片結構的催化劑及其載體顆粒構成的催化床強化了床層徑向傳熱，降低了床層內軸向溫升，也有利于提高環(huán)氧乙烷的選擇性，降低乙烯和氧的單耗，最終降低環(huán)氧乙烷的生產成本。


圖1是內有由薄片構成的24個三角形通道的催化劑及其載體示意圖。
圖2是內有由薄片構成的12個四邊形及三角形通道的催化劑及其載體示意圖。
圖3是內有由薄片構成的4個扇形通道催化劑及其載體示意圖。
具體實施例方式
由圖1，2和3可見，本發(fā)明所使用的催化劑及其載體由一個環(huán)柱體1和設置在環(huán)柱體內的多個平行交叉薄片2構成，形成平行的反應氣體通道3。
由圖1，圖2和圖3同時可見，所構成平行的反應氣體通道3，其個數(shù)為4～48個。氣體反應通道3的截面形狀為三角形、四邊形及扇形。
環(huán)柱體1的直徑范圍為5～10mm，軸向長度為3～12mm，高徑比為1.5～0.5。
環(huán)柱體1外圍厚度為0.5mm～2.5mm，薄片2厚度為0.3mm～1.2mm。
本發(fā)明的其他工藝條件均采用已有技術。
下面對本發(fā)明以應用實施例作進一步詳述。
實施例1反應器操作壓力為2.09MPa，溫度為483K，原料氣中乙烯含量為30.0％，氧為9.1％，其余為甲烷或氮，質量空速為10769(L(STP)/kg催化劑·h)催化劑組成與YS-5B相同。采用圖1的24孔的結構，其催化劑載體及催化劑的外形為環(huán)柱體，其外徑為7.22mm，外圍厚度為0.714mm，軸向長度為6.79mm，薄片厚度為0.3mm，根據(jù)YS-5B催化劑上乙烯氧化合成環(huán)氧乙烷的本征動力學和24孔催化劑的反應-傳質-傳熱模型計算得到，轉化率為5.80％，選擇性為86％。
在不同工況下，本發(fā)明的催化劑與YS-5B環(huán)氧乙烷合成銀催化劑的轉化率和選擇性的實驗值對比列于表1中。
其中YS-5B催化劑為單孔環(huán)柱狀，外徑7.85mm，壁厚2.16mm，高7.30mm。
本發(fā)明12孔催化劑及其載體為環(huán)柱形，其外徑為7.02mm，外圍厚度為0.882mm，軸向長度為6.76mm，薄片厚度為0.42mm。
由表1可以看出，12孔和24孔異形多通孔顆粒的選擇率和轉化率較YS-5B銀催化劑均有較大提高。
表1 12孔及24孔多通孔顆粒反應-傳質-傳熱模型計算結果與YS-5B銀催化劑實驗結果比較P Wsp 進口 氣 組成 x(％) S(％)TNo (MP (L(STP)/k yET0 YS- 12 24 YS-12 24(℃)a) g·h) ％％ ％ ％ 5B 孔 孔 5B 孔 孔1 2.10 483.10769.23 31.3 4.85 8.32 55.4 4.655.355.44 82.6 85.3 85.32 2.10 493.10769.23 31.3 4.85 8.32 55.4 5.356.076.18 79.9 82.5 82.63 2.10 508.10769.23 31.3 4.85 8.32 55.4 6.897.287.41 72.8 77.4 77.54 2.09 483.10769.23 30.0 3.72 9.10 57.1 4.815.715.80 83.3 86.0 86.05 2.10 488.10769.23 25.2 6.61 5.29 62.8 4.915.125.21 77.1 80.0 80.16 2.09 493.10769.23 20.1 5.82 7.34 66.7 5.257.187.30 77.1 81.9 81.9實施例2參照圖2，一種新型12孔多通孔催化劑載體及催化劑，其催化劑載體及催化劑的外形為環(huán)柱體，其外徑為7.02mm，外圍厚度為0.882mm，軸向長度為6.76mm，薄片厚度為0.5mm，反應器的內徑為31.3mm，高7.0mm。按照下述工況進行計算壓力2.1MPa，反應管外沸騰水溫度232.7℃，進口氣體組成乙烯25.4％，氧7.82％，二氧化碳6.22％，進口氣體溫度183.5℃，以工業(yè)壁冷式固定床反應器一維擬均相模型進行模擬計算，上述12孔的催化劑的計算結果與工業(yè)YS-5B銀催化劑的比較列于表2中。
表2薄片厚度增加后催化劑模型預測值與YS-5B銀催化劑工業(yè)實際值對比堆密度 選擇率 轉化率空時產率出口溫度 熱點溫度催化劑(kg/m3) (％)(％) (gEO/Lcat·h)(℃) (℃)12孔催化劑622.289.98.12 164.16 240.61241.01YS-5B 650.079.38.98 160.0 244.85245.65表2數(shù)據(jù)表明，床層出口溫度和熱點溫度均低于YS-5B催化劑，環(huán)氧乙烷的選擇率和空時產率也高于YS-5B銀催化劑。
實施例3參照圖1和圖2，兩種新型多通孔催化劑及載體，其外形為環(huán)柱體，外徑為7.22mm，外圍厚度為0.714mm，軸向長度為6.79mm，薄片厚度為0.3mm，并在其柱體內設有互相平行的24個反應通道，反應通道的截面形狀為三角形；如圖2所示新型催化劑及載體的外徑為7.02mm，外圍厚度為0.882mm，軸向長度為6.76mm，薄片厚度為0.42mm，并在其柱體內設有互相平行的12個反應通道，反應通道的截面為四邊形及三角形。三種顆粒固定床床層壓力降比較見表3。
表3三種顆粒固定床床層壓力降比較(P＝2.0MPa，T＝200℃，Vsp＝4500h-1，床高7m)顆粒 尺寸(外徑×壁厚×高) ds(mm) 床層空隙率床層壓力降(kPa)YS-5B催化劑 7.85mm×2.16mm×7.30mm 5.00 0.41 160.0812孔催化劑 7.02mm×0.882mm×6.76mm2.86 0.55 89.0024孔催化劑 7.22mm×0.714mm×6.79mm2.70 0.61 59.94表3中數(shù)據(jù)表明，將圖2，12孔和圖1，24孔催化劑應用于工業(yè)環(huán)氧乙烷反應器有利于降低床層的壓力降，與YS-5B單孔環(huán)柱催化劑相比，壓力降分別下降有44.4％和62.5％之多。
實施例4采用文獻“化工學報，2000(4)，51(6)778～783，環(huán)柱形顆粒填充床傳熱系數(shù)”報導的填充床傳熱研究裝置對本發(fā)明的催化劑及其載體進行了對比研究，結果表明，本發(fā)明的催化劑及其載體的徑向有效導熱系數(shù)和壁給熱系數(shù)分別比YS-5B銀催化劑高10％～30％。
權利要求
1.一種乙烯催化氧化合成環(huán)氧乙烷的方法，采用常規(guī)的工藝條件和催化劑的組成，在固定床管式催化反應器中進行的，其特征在于，所說的催化劑及其載體由一個環(huán)柱體(1)和設置在環(huán)柱體內的多個平行交叉薄片(2)構成，形成平行的反應氣體通道(3)。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所構成平行的反應氣體通道(3)的個數(shù)為4～48個。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，氣體反應通道(3)的截面形狀為三角形、四邊形及扇形。
4.如權利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，環(huán)柱體(1)的直徑為5～10mm，軸向長度為3～12mm，高徑比為1.5～0.5，環(huán)柱體(1)外圍厚度為0.5mm～2.5mm，薄片(2)厚度為0.3mm～1.2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種乙烯催化氧化合成環(huán)氧乙烷的方法,該方法所采用的催化劑及其載體由一個環(huán)柱體和設置在環(huán)柱體內的多個平行交叉的薄片構成,形成平行的反應氣體通道,由于采用了上述結構的催化劑及其載體,因此本發(fā)明比現(xiàn)在技術具有如下優(yōu)點:(1)反應組分乙烯和氧在催化劑及其載體內的擴散途徑很短,極大地降低了乙烯氧化反應在催化劑及其載體內的內擴散效應和粒內溫升,因而提高了環(huán)氧乙烷的選擇性和時空產率;(2)降低了反應氣體通過催化床的壓力降和反應氣體的循環(huán)壓;(3)增加了催化床內的徑向傳熱,降低了床層內軸向溫升,也有利于提高環(huán)氧乙烷的選擇性,降低乙烯和氧的單耗。使用本發(fā)明所采用的催化劑及其載體,最終降低環(huán)氧乙烷的生產成本。
文檔編號B01J35/00GK1370772SQ0113190
公開日2002年9月25日 申請日期2001年10月12日 優(yōu)先權日2001年10月12日
發(fā)明者朱炳辰, 樊蓉蓉, 徐懋生, 李濤, 甘霖 申請人:華東理工大學