整体式催化剂上的乙烯环氧化反应及反应器模拟

摘要

整体式催化剂(monolithiccatalysts)是由许多狭窄的平行通道整齐排列的一体化催化剂。与传统的颗粒状催化剂相比，整体式催化剂具有床层压降低、流体流动较理想以及催化效率高等优点。目前，整体式催化剂已被广泛应用于汽车尾气和工业排放气处理等环保领域；并正在被研究用于甲烷化、水煤气变换、烃类的蒸汽转化、加氢/脱氢、选择性氧化等过程，尤其在一些三相反应中显示了极大的发展潜力。但这些研究绝大部分仅限于实验室水平，距工业化尚有一段距离。目前，关于银催化剂上生成环氧乙烷的研究报道很多，但大多基于传统的颗粒状固定床催化剂，仅有一篇文章用计算机模拟了以金属作载体的整体式催化剂上的乙烯环氧化反应。 本文工作主要分三部分：选用整体式堇青石作为乙烯环氧化反应的催化剂载体，通过浸渍法负载活性组分银；考察反应温度、空速和原料气浓度对乙烯转化率及环氧乙烷收率的影响，确定了整体式催化剂上乙烯环氧化反应的适宜操作条件；在此基础上，建立填充整体式催化剂的反应器模型。 堇青石的分子式是2MgO·2Al2O3·5SiO2，用BET法测其比表面积约为10m2/g，通过扫描电镜观察制得的催化剂，发现银颗粒均匀分散在载体表面，呈球形，直径约在0.2μm左右。实验采用空气氧化法制备环氧乙烷，在常压、没有负载助催化剂、原料气中没有添加抑制剂的情况下，整体式催化剂的选择性己达到81％左右，与工业条件下氧气氧化法的选择性基本持平。由此相信，在环氧乙烷合成中采用整体式催化剂是可行的、且具有应用前景。实验结果还表明，整体式催化剂上乙烯环氧化反应的适宜操作温度为230℃～270℃，适宜空速为100～250h-1，原料气中乙烯的适宜摩尔分率是4％左右。选用华东理工大学朱炳辰等人的本征动力学方程，建立起填装整体式催化剂的乙烯环氧化反应器的平推流拟均相模型，用MATLAB编程求解模型参数，发现模型可以很好地模拟乙烯转化率，但环氧乙烷收率的计算值和实验值有一定差距。在一维模型的基础上，建立了该反应器的三维模型，由于采用整体式催化剂且催化剂载体的通道截面为正三角形，因此与前人在颗粒状催化剂上建立的反应器模型有所不同。

目录

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第一章文献综述

1.1整体式催化剂的结构

1.1.1载体

1.1.2涂层

1.1.3活性组分

1.2整体式催化剂的特点

1.2.1床层压降低

1.2.2传质效率高

1.2.3放大效应小

1.2.4传热效果不理想

1.2.5反应物在整体式反应器横截面处分布不均匀

1.3整体式催化剂的研究现状、应用及发展前景

1.3.1环保领域

1.3.2化工产品合成领域

1.4环氧乙烷的主要用途

1.5环氧乙烷的工业生产概述

1.5.1环氧乙烷工业生产方法

1.5.2直接氧化生成环氧乙烷的反应机理

1.5.3环氧乙烷工艺技术进展

1.6本文工作

第二章整体式载银催化剂的制备

2.1实验设计

2.1.1载体的选择

2.1.2银催化剂的制备

2.1.3银催化剂的活化

2.2实验方法

2.2.1实验仪器

2.2.2实验原料

2.2.3实验步骤

2.3小结

第三章整体式载银催化剂上的乙烯环氧化反应

3.1实验方法

3.1.1实验仪器

3.1.2实验原料

3.1.3实验流程

3.1.4色谱条件

3.2结果与讨论

3.2.1反应温度的影响

3.2.2原料气乙烯浓度对反应的影响

3.2.3空速对反应的影响

3.3小结

第四章反应器的数学模拟

4.1反应的本征动力学方程

4.2一维模型方程及求解

4.2.1一维平推流模型方程的建立

4.2.2模型求解

4.2.3模拟结果

4.3三维模型方程的建立

第五章结论

参考文献

主要符号说明

附录

发表论文和科研情况说明

致 谢