高通量並行反應方法及其系統的製作方法

2023-10-05 10:30:54

專利名稱：：高通量並行反應方法及其系統的製作方法高通量並行反應方法及其系統
技術領域：
：本發明涉及一種高通量並行反應方法及其系統，尤其是涉及一種可用於進行催化反應動力學方程測算方面應用的高通量並行反應方法及其系統。
背景技術：
：隨著現代工業的發展，催化劑在工業產品的生產方面，尤其是化工產品的生產方面，發揮的作用越來越大。例如，在現代煉油、化學和環保工業中，90%以上的化工過程及60%以上的化工產品的生產過程需要催化劑的參與。因此，業界也越來越需要對有催化劑參與的催化反應了解的更加深入及透徹。而催化反應的動力學方程是目前業界用來研究催化反應的一個重要參考。建立某一催化反應其相應的動力學方程，通常是先根據其假設的反應機理導出，然後再通過大量的實驗檢驗對其予以確證。如此，就需要投入大量的時間及資源來進行實驗以獲得相應的反應數據，進而來檢驗預設的反應動力學方程是否合理。
發明內容本發明涉及的一個實施方式是提供一種高通量並行反應系統。其包括有用於輸入反應原料的輸入模塊、用於進行預定反應的反應模塊、用於釆集反應數據的數據採集模塊以及用於處理所採集的數據的數據處理模塊。其中該反應模塊包括有若干反應管分別用於裝填不同預定量的催化劑並可平行地進行反應。該數據處理模塊存有動力學計算程序並包括處理器用於執行該動力學計算程序以根據採集模塊所採集的數據計算不同溫度、壓力、反應物流量下的反應模塊內的反應管中所進行的某一預定反應的產物的反應速率，以及在此基礎上計算其相應的預設的反應動力學方程所涉及的參數。在一個實施方式中，該輸入模塊包括有用於改變各反應管管內所進行的預定反應的反應壓力的壓力控制裝置。在又一個實施方式中，該輸入模塊包括有用於改變輸入的反應原料的輸入流速的流量控制裝置。在又一個實施方式中，該輸入模塊包括有用於改變各反應管管內所進行的預定反應的反應溫度的溫度控制裝置。在又一個實施方式中，該反應模塊包括有用於保證各反應管溫度一致的溫度調節裝置。在又一個實施方式中，該數據採集模塊包括有氣相色譜分析儀器以用於採集反應產物的種類及量的信息。本發明涉及的又一個實施方式提供了一種設立催化反應的動力學方程的方法，其包括有以下步驟，將若干不同量的相同預定催化劑分別裝填於若干相應的反應空間內。向各反應空間內分別輸入相同的反應原料，並在相同的反應條件下，同時進行反應。收集各反應空間內反應後的剩餘物，進行其包括的物質的種類及量的分析並記錄分析數據。在一個實施方式中，其中該提供的若干相應的反應空間包括l,2,...，n號反應管，該裝填步驟包括將若干不同量的相同預定催化劑分別裝填於該l，2，...，n號反應管內並使得i號反應管內反應原料的轉化率與(i+l)號反應管內反應原料的轉化率的差值在20%以內，其中i:l,2，...,(n-l)。相對於現有技術，使用本發明涉及的方法及其系統，可同時並行進行多個某一特定的催化化學反應，並獲得相應的反應數據。並將這些獲得反應數據，應用於其相應反應的反應動力學方程的測算，快速建立某一特定催化反應的動力學方程，大大地節省了投入的時間及資源，從而加速對該催化反應的深刻了解，以1更更好的應用該催化反應。圖i為本發明涉及的平行反應系統的一個實施方式的結構示意圖2為本發明涉及的平行反應系統的又一個實施方式的結構示意圖3為本發明涉及的平行反應系統的又一個實施方式的結構示意圖4為本發明涉及的設立催化反應動力學方程的方法的一個實施方式的流程圖5為本發明涉及的一個數據展示方式實施方式的示意圖。具體實施方式如圖1所示，本發明的一個實施方式中涉及的一個平行反應系統100，其包括有進樣模塊110、反應模塊120及數據釆集模塊130。其中反應模塊120包括若干反應管120-1、120-2120-n,所述進樣沖莫塊110用於向反應管120-1、120-2120-n輸送反應原料，以使得反應原料在反應模塊的各反應管內完成預定的反應。反應中產生的反應數據，例如某一反應原料的轉化率數據、某一生產物的濃度數據等等，則被數據採集模塊130所收集。反應模塊中所包括的反應管的具體數量n可根據實際需要確定，例如可以是16個、20個、32個、40個、48個、64個、128個等等。其中各反應管的高徑比(反應管的高度與反應管的內徑的比)至少大於15,這樣可使得輸入的反應流體可以以活塞流的方式通過反應管。在一個實施方式中，所使用的反應管的高徑比超過IOO。在不同實施方式中，其具體可以是15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200、500、700、IOOO等等。進一步的，在其他實施方式中，反應模塊所包括的各反應管的尺寸可以是不同的，或是部分反應管的尺寸是不同的。例如，反應模塊包括中至少有一個反應管，其高徑比數值不同於其他反應管。如圖2所示，本發明的又一個實施方式中涉及的一個平行反應系統200,其包括有進樣模塊210、反應模塊220及數據採集模塊230。其中反應模塊包括的這些反應管220-1、220-2......220-n均具有相同的內徑，但高度呈逐漸增長的趨勢，反應管的高徑比各不相同。進一步的，數據採集模塊還可以與一數據處理系統(例如，計算機系統)連接，以便其採集到的反應數據可直接被輸入到計算機系統中。該計算機系統包括數據處理軟體及執行該軟體的處理器，可對所釆集的數據進行處理，進而輸出數據處理結果。其中，數據採集模塊與計算機系統的連接可以是直接的輸入、輸出埠的電纜相連；也可以是通過計算機網絡(比如區域網、寬域網、網際網路等)相連。例如，在一個實施方式中，請參閱圖3所示，本發明涉及的一個平行反應系統300，其包括有進樣模塊310、反應模塊320、數據採集模塊330及數據處理模塊340。其中進樣模塊310用於向反應模塊320輸送反應原料。反應原料在反應模塊中完成預定反應。反應模塊320的結構可以類似於反應才莫塊120，反應模塊220，或反應模塊。數據收集模塊330則用於採集反應中產生的反應數據，然後輸送到數據處理模塊340中進行處理。在一個實施例中，數據收集模塊330可包括氣相色譜分析儀和/或其他採樣設備，以對各個反應管內所進行的反應中的氣體採樣。數據處理模塊340可以包括有一計算機系統，該計算機系統包括處理器341、存儲裝置342和數個埠343，它們之間可以通過系統總線344連接。存儲裝置342包括隨機存取存儲器(RAM)345以及計算機可讀的存儲媒介346。埠343可包括一個或多個連接輸入裝置(比如滑鼠、鍵盤、軌跡球、觸控螢幕等等)的埠，以用來接收輸入指令或輸入的數據。埠343還可包括連接輸出裝置(比如顯示屏、印表機等等)的埠，以通過這些輸出裝置顯示用戶界面和/或響應輸入指令的結果和/或響應輸入數據的處理結果。計算機可讀存儲媒介346可以是硬碟、可攜式硬碟、光碟、記憶棒等的部分或全部，或是它們的組合。在有些實施例中，計算機可讀存儲媒介346也可以是通過網絡連接於計算機系統的存儲裝置。進一步的，在一個實施例中，計算機可讀存儲媒介346中可存有一個數據處模塊330輸送的反應才莫塊320中所進行的反應的反應數據。在一個實施方式中，該數據處理程序可以是動力學計算程序，其可根據由數據採集模塊輸入的，被其採集到的反應模塊中所進行的預定反應的反應數據，計算出不同溫度、壓力、流量下的反應模塊中所進行的預定反應的產物的反應速率，以及在此基礎上計算預設的反應動力學方程所涉及的參數。如圖4所示，在一個實施方式中，本發明涉及的設立催化反應動力學方程的方法400包括有以下步驟催化劑裝填步驟401、催化劑還原活化步驟403、平行反應步驟405、數據採集步驟407和數據處理步驟409等。其中數據採集步驟407之後數據處理步驟409之前，還可設有對採集到的數據量是否充分的判斷的步驟408，若是採集到的數據量不夠，則可進行新的實驗，以補充數據。在一個實施方式中，新的實驗可以是改變反應條件，然後在新的反應條件下，所進行的。此時，在不同的情況下，例如，有些情況下需要重新進行催化劑的裝填，則可以是由步驟408返回到步驟401,經過活化步驟後，再在新反應條件下進行新一輪實驗；而有些情況下，是不需重新裝填催化劑，只需對催化劑進行活化即可，則可以是由步驟408返回到步驟403，然後在進行新反應條件下的新一輪實驗；而有有些情況下，則可以是直接由步驟408返回到步驟405,進行新反應條件下的新一輪實驗。在一個實施方式中，催化劑裝填步驟401包括在系統100的若干反應管120中裝填催化劑，使得其中至少兩個反應管內均裝載有同一預定的催化劑，但裝載的量並不相同。在不同實施方式中，其內裝載有互不相同量的同一催化劑的反應管可以是大於或等於2且不超過系統100中反應管總數的任何數目，比如3個、5個、7個、IO個、13個、20個、25個、40個、70個、IOO等等。進一步的，在一個實施方式中，各反應管內所裝填的催化劑的量可以分別對應於不同的反應原料的轉化率。例如，設計各反應管內催化劑的裝填量，使得反應管120-i內反應原料的轉化率與反應管120-(i+l)內反應原料的轉化率的差值在大約20%以內，其中i二l，2，…，(n-l)。例如，所述差值可大致為18%、16%、14%、12%、10%、8%、5%、或3%等等。而提供的各反應管，其內可以是裝載純催化劑；也可以是裝載混有稀釋劑的催化劑，可隨需要而定。若裝載的是催化劑及稀釋劑，則至少兩個反應管內裝載的催化劑及稀釋劑的比例是一致的。在不同實施方式中，所裝載的催化劑與稀釋劑的比例相同的反應管可以是3個、5個、7個、9個、13個、15個、20個、30個等等。進一步的，反應管內還可裝載填料，使得各反應管內物質裝填高度相等。其中，稀釋劑及填料可以是業界已知的各種可用作此功能的物質，例如石英砂、SiC等等，其尺寸大小可以是80100目。在一個實施方式中，如圖1所示，所裝載的填料包括上填料122和下填料124，而催化劑/稀釋劑126裝載於上填料122和下填料124之間，且不同反應管的上填料、催化劑/稀釋劑與下填料的體積之和相等，其中各反應管中裝載的下填料的量大致相同。催化劑還原活化步驟403中，可將適當的還原氣體通入各反應管，對其所裝載的催化劑進行還原處理。其中如此還原處理所涉及的參數，例如，通入的不同氣體的流速、持續時間、升溫速率、降溫速率、恆溫時間、壓力等等，可隨實際需要而定。在平行反應步驟405中，預定的化學反應在系統100的各反應管內平行進行，且各反應管內所進行的反應的反應條件相同或大致相同。也就是說，各反應管內所進行的反應所涉及的反應參數，例如，流體原料的輸入流速、溫度以及反應溫度、壓力等等，均是一致的。在反應過程中，還可以使用監測儀器對各通道內所進行的反應進行監測，並採集反應數據。例如，使用氣相色語儀對各反應管內進行的反應進行周期性循環氣體採樣，以獲得反應數據。而釆樣過程中涉及的參數，例如採樣周期、採樣溫度等等，可隨需要而定。當然，也可以針對每一反應管內所進行的反應，使用一相應的監測儀器，對其進行專門的數據採集。在數據處理步驟407中，根據所記錄的分析數據可計算不同溫度、壓力、流量下的某一預定反應的產物的反應速率。通過改變反應條件並重複以上步驟401、403、405和407中的一個或幾個，即可得到不同反應條件下的數據，從而可計算出不同反應條件下反應產物的反應速率，並可在此基礎上計算預設的反應動力學方程所涉及的參數。進一步的，在一個具體實施方式中，步驟405中所進行的預定反應為費託反應，涉及使用的反應原料為氫氣及一氧化碳，催化劑為業界常用的鈷催化劑，預定反應條件中的反應溫度為200。C、反應壓力為3Obar。在一個實施例中，系統100提供16個反應管，其高徑比在120左右，且催化劑裝填步驟401包括按下表中列出的數據進行各反應管內預定催化劑的裝填。tableseeoriginaldocumentpage9其中涉及的兩個反應管，即1號和2號反應管，其內未裝有預定催化劑，其作用是進行空白試驗，以獲得空白試驗數據。其它大部分反應管內，即3至8號以及10至15號通道內，裝載的催化劑與稀釋劑的比例是一致的，而9號及16號管道內，裝載的催化劑與稀釋劑的比例一致但不同於與其他管裝填比例，可用於探索不同的比例條件對反應的影響。進一步的，各反應管內還會裝填有上、下填料，其中下填料的量是一致的，而上填料的量則隨著各反應管裝載的催化劑/稀釋劑的量而變化。如此，使得各反應管的物質裝填高度一致為500mm。其中所使用的鈷催化劑的尺寸為80100目,稀釋劑及填料均為80~100目的SiC。其中在預定催化劑還原活化步驟403中，可以使用氫氣對裝載在反應管內的預定催化劑在320。C下還原10小時，其中涉及的氫氣的空速可以是1800h-l。其具體可包括以下操作流程，向每一反應管內通入氮氣，其流速可以是608ml/min，持續時間15分鐘，以去除反應管內的空氣及溼氣。將反應管內溫度從室溫升高到120。C,升溫時間為20分鐘，同時對所使用的還原氣體氫氣進行預熱處理，使其在輸入時，與反應管內溫度相當。當溫度到達120。C時，停止通入氮氣，並同時以608ml/min的流速通入氫氣，恆溫15分鐘。之後，將溫度由120。C升至320。C，升溫時間為100分鐘。當溫度到達320。C時，恆溫0小時，之後，自然冷卻至120。C，還原處理過程結束。其間所涉及的加熱方式可以是電加熱方式。其中在進行平行反應步驟405中，向各反應管通入反應氣體氫氣及一氧化碳，其中通入的氬氣的流量為339.4ml/min,—氧化碳的流量為161.6ml/min。另外，還向各反應管內通入氦氣及氮氣，流速分別為39.5ml/min及40ml/min。各反應管內初始溫度為120。C，在此溫度下，開始以0.5bar/min的升壓速率進行升壓。當壓力達到30bar時，開始以油浴的方式進行升溫。經過160分鐘後，各反應管內溫度由120。C升至185。C，與此同時，輸入的氣體也將先進行預熱，使其輸入時的溫度與反應管內的溫度相同。在經過900分鐘後，各反應管內溫度升至200。C，與此同時輸入的氣體也將先進行預熱，使其輸入時的溫度與反應管內的溫度相同。此時各反應管內溫度、壓力條件達到預設值，開始使用氣相色譜分析儀對16個反應管內所進行的反應進行周期性氣體採樣，並對採集到的樣本進行分析儀進行數據採集步驟407。通常而言，當依據不同採樣周期採集到的採樣氣體的分析數據中，發現各反應管的一氧化碳轉化率數據開始重複或是數據相對變化不超過5%時，則可認為各反應管內所進行的反應，進入了穩態。進入穩態後，可根據實際需要決定反應繼續進行的時間以及數據釆集。之後，即可停止試驗。採集到的反應數據，可根據反應速率的定義式，即單位時間、單位催化劑10生成物濃度的增加，來推算出某一產物的反應速率。在一個實施例中，採集到的有關催化劑載量及某一產物轉化率的數據的圖式表現形式可參閱圖5所示。如圖5所示，橫坐標W代表催化劑載量，縱坐標Xn,p代表某一產物的轉化率，其中角標n、p用於區別不同產物。採集到的數據51、53、55將會對應與橫坐標及縱坐標標註在圖式中。這些數據被輸送到數據處理模塊340,使得數據處理模塊340可根據反應速率的定義式rn,p二Fcc^dXn,p(某一產物的轉化率)/dW(催化劑載量)進行反應速率的計算。進一步的，根據本發明涉及的高通量並行反應方法，通過改變反應條件，可得到不同反應溫度、壓力以及反應物流量等反應條件下，某一反應的某一產物的反應速率。之後，數據處理模塊340可進一步地建立該反應的反應動力學方程及計算其中涉及的參數。本發明涉及的高通量並行反應方法還可用來驗證該反應動力學方程。由於反應條件包括反應物流量，而反應物可以包括有多種不同物質，因此，可以有在相同反應溫度、壓力下，變4匕不同反應物流量。具體反應條件的確定，可隨不同的需要而確定。權利要求1.一種高通量平行反應系統，其包括有用於輸入反應原料的輸入模塊、用於進行預定反應的反應模塊、用於採集反應數據的數據採集模塊，以及用於處理所採集的數據的數據處理模塊，其中所述反應模塊包括有若干反應管分別用於裝填不同預定量的催化劑並可平行地進行反應，所述數據處理模塊存有動力學計算程序並包括處理器用於執行所述動力學計算程序以根據採集模塊所採集的數據計算不同溫度、壓力、反應物流量下的某一預定反應的產物的反應速率，以及在此基礎上計算預設的反應動力學方程所涉及的參數。2.如權利要求l所述的高通量平行反應系統，其中所述反應管的的高徑比大於15。3.如權利要求l所述的高通量平行反應系統，其中所述反應管的的高徑比大於IOO。4.如權利要求l所述的高通量平行反應系統，其中所述輸入模塊包括有用於改變各反應管管內所進行的預定反應的反應壓力的壓力控制裝置。5.如權利要求l所述的高通量平行反應系統，其中所述輸入模塊包括有用於改變輸入的反應原料的輸入流速的流量控制裝置。6.如權利要求l所述的高通量平行反應系統，其中所述反應模塊包括有用於改變各反應管管內所進行的預定反應的反應溫度的溫度控制裝置。7.如權利要求l所述的高通量平行反應系統，其中所述反應模塊包括有用於保證各反應管溫度一致的溫度調節裝置。8.如權利要求l所述的高通量平行反應系統，其中所述數據採集模塊包括有氣相色譜分析儀器以用於採集反應產物的種類及量的信息。9.一種設立催化反應動力學方程的方法，其包括有以下步驟，將若干不同量的相同預定催化劑分別裝填於若干相應的反應空間內；向各反應空間內分別輸入相同的反應原料，並在相同的反應條件下，同時進行反應；收集所述各反應空間內反應後的剩餘物，進行其包栝的物質的種類及量的分析並記錄分析數據。10.如權利要求9所述的設立催化反應動力學方程的方法，其中所述若干相應的反應空間包括l,2，...，n號反應管，且所述裝填步驟包括將若干不同量的相同預定催化劑分別裝填於所述l，2，…，n號反應管並使得i號反應管內反應原料的轉化率與(i+l)號反應管內反應原料的轉化率的差值在20%以內，其中1=1,2，…，(m-1)。11.如權利要求IO所述的設立催化反應動力學方程的方法，其中所述反應原料的轉化率的差值在10~15%。12.如權利要求10所述的設立催化反應動力學方程的方法，其中所述反應原料的轉化率的差值在5%左右。13.如權利要求9所述的設立催化反應動力學方程的方法，其中所述裝填步驟還包括在各反應空間內裝填稀釋劑。14.間內裝填的催化劑和稀釋劑的比例是相同的。15.如權利要求9所述的設立催化反應動力學方程的方法，其中同時進行反應步驟還包括在反應進行時，保持各反應空間的溫度一致。16.如權利要求9所述的設立催化反應動力學方程的方法，其還包括根據所記錄的分析數據計算不同溫度、壓力、流量下的某一預定反應的產物的反應速率，以及在此基礎上計算預設的反應動力學方程所涉及的參數。全文摘要本說明書揭示了一種高通量並行反應方法及其系統，其中該系統包括有用於輸入反應原料的輸入模塊、用於進行預定反應的反應模塊、用於採集反應數據的數據採集模塊以及用於處理所採集的數據的數據處理模塊。使用本發明涉及的高通量並行反應方法及其系統，可同時並行進行多個化學反應，並獲得相應的反應數據。並將這些反應數據，應用於其相應反應的反應動力學方程的測算，可快速建立某一特定催化反應的動力學方程，大大地節省投入的時間及資源。文檔編號C40B60/12GK101619500SQ200910152228公開日2010年1月6日申請日期2009年7月6日優先權日2008年7月4日發明者叢佩軍,華新雷,解金春申請人:亞申科技研發中心(上海)有限公司