一种用于制备固定床反应器填料的方法

摘要

本发明公开了一种用于制备固定床反应器填料的方法，包括：（1）将石英砂进行筛分，得到粒度均匀的颗粒，并将筛分后的石英砂与固体填充粉末进行混合，然后加入粘结剂搅拌至均匀，得到混合料；（2）将混合料倒入滚筒抛光机中；3）设置滚筒抛光机的转速和运行时间，并启动设备，使粉末在由石英砂颗粒离心旋转产生的筒壁挤压力和粘结剂粘结力的共同作用下，逐层包裹至石英砂外表面，形成以石英砂为内核、粉末为壳层的造粒颗粒，即得到最终的固定床反应器填料。本发明工艺流程简洁、工序少、成本低廉、操作便捷，不仅可以提高填料的反应活性，而且能够显著减小反应器的床层压降，因此，本发明具有很高的实用价值和推广价值。

权利要求

1.一种用于制备固定床反应器填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将同一粒度范围的石英砂颗粒筛分出来，得到粒度均匀的颗粒，并将筛分后的石英砂与固体填充粉末进行混合，然后加入粘结剂搅拌至均匀，得到混合料，其中，所述石英砂、固体填充粉末和粘结剂的质量比例为5～10∶5～10∶1；该步骤中，石英砂的纯度为99.9%以上；或者为工业级石英砂，并且在进行筛分之前，先于800℃空气气氛中煅烧5h，除去石英砂颗粒中的挥发性杂质组分；同时，该步骤中，所筛分的石英砂颗粒粒度范围为20～30目、30～40目、40～60目；

（2）将混合料倒入滚筒抛光机的滚筒中，并将滚筒抛光机的端盖密封；

（3）设置滚筒抛光机的转速和运行时间，并启动设备，使固体填充粉末在由石英砂颗粒离心旋转产生的筒壁挤压力和粘结剂粘结力的共同作用下，逐层包裹至石英砂外表面，形成以石英砂为内核、固体填充粉末为壳层的造粒颗粒，即得到最终的固定床反应器填料；所述滚筒抛光机的转速和运行时间分别为40～60r/min、8～30min。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备固定床反应器填料的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的固体填充粉末为金属或金属氧化物粉末。

3.根据权利要求2所述的一种用于制备固定床反应器填料的方法，其特征在于，所述固体填充粉末粒度为80目以细。

4.根据权利要求3所述的一种用于制备固定床反应器填料的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的粘结剂为硅溶胶。

说明书

一种用于制备固定床反应器填料的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种化工反应器的填料设计应用领域，具体涉及的是一种用于制备固定床反应器填料的方法。

背景技术

[0002] 气固固定床反应器因其结构简单、填料不易磨损、适用温度和操作压力范围较宽的特点而被广泛应用于化工行业（如合成氨、水汽转化、甲烷重整制氢等）。由于气固固定床反应器中需要装入固体填充材料，一般来说，填料粒度越细，反应活性越高，其有效利用率也越高，但实际情况下，细粒填料会导致气体流动阻力显著增大，破坏正常操作，无法满足工程应用需求。因此必须对填料进行造粒处理，以减小床层压降。

[0003] 目前，在固定反应床方面，填料常用的造粒方法有搅拌造粒和压力造粒，分别描述如下：

[0004] 搅拌造粒法，是将某种液体或粘结剂渗入固态细粉末中并适当地搅拌，使液体和固态细粉末相互密切接触，产生粘结力而形成团粒。最常用的搅拌方法是通过圆盘、锥形或筒形转鼓回转时的翻动、滚动以及帘式垂落运动来完成。搅拌法的优点是成型设备结构简单、单机产量大，所形成的颗粒容易快速溶解、湿透性强；但缺点是颗粒均匀性不好，所形成的颗粒强度较低。

[0005] 压力成型造粒法，是将要造粒的粉体物料限定在特定空间中，通过施加外力压紧为密实状态。根据所施加外力的物理系统不同，压力成型法又可分为模压法、挤压法和挤出滚圆造粒法。压力成型造粒法的优点是可制造较大的团块，所制成的物料也有相当的机械强度；但缺点是工序较多，设备控制复杂，并且操作过程中易出现物料粘膜现象。

[0006] 综上所述，对于固定床反应器填料的造粒而言，传统的搅拌造粒法为了获得较高的颗粒强度，必须采用较高的粘结剂含量，但这会造成粘结剂对粉体表面的严重覆盖；而压力成型造粒法形成的颗粒虽然强度较高，但粉体微粒间的孔隙率会大幅度减小。由此可见，传统固定床反应器填料的造粒方法，会降低反应气体与粉体微粒间的传质速率，从而降低了填料的化学反应活性和有效利用率。

[0007] 因此，设计一种既能保持粉体高反应活性、又能有效降低反应器压降的粉体造粒方法，对于气固反应器的实际应用来说具有重要的意义。

发明内容

[0008] 为了克服上述技术的不足，本发明提供了一种用于制备固定床反应器填料的方法，采用该方法制备的颗粒非常适合用作固定床反应器的填充材料，其可以同时满足填料高反应活性和反应器低床层压降的需求。

[0009] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0010] 一种用于制备固定床反应器填料的方法，包括以下步骤：

[0011] （1）将同一粒度范围的石英砂颗粒筛分出来，得到粒度均匀的颗粒，并将筛分后的石英砂与固体填充粉末进行混合，然后加入粘结剂搅拌至均匀，得到混合料，其中，所述石英砂、固体填充粉末和粘结剂的质量比例为5～10∶5～10∶1；该步骤中，石英砂的纯度为99.9%以上；或者为工业级石英砂，并且在进行筛分之前，先于800℃空气气氛中煅烧5h，除去石英砂颗粒中的挥发性杂质组分；同时，该步骤中，所筛分的石英砂颗粒粒度范围为20～
30目、30～40目、40～60目；

[0012] （2）将混合料倒入滚筒抛光机的滚筒中，并将滚筒抛光机的端盖密封；

[0013] （3）设置滚筒抛光机的转速和运行时间，并启动设备，使固体填充粉末在由石英砂颗粒离心旋转产生的筒壁挤压力和粘结剂粘结力的共同作用下，逐层包裹至石英砂外表面，形成以石英砂为内核、固体填充粉末为壳层的造粒颗粒，即得到最终的固定床反应器填料；所述滚筒抛光机的转速和运行时间分别为40～60r/min、8～30min。

[0014] 具体地说，所述步骤（1）中的固体填充粉末为金属或金属氧化物粉末。

[0015] 作为优选，所述固体填充粉末粒度为80目以细。

[0016] 作为优选，所述步骤（1）中的粘结剂为硅溶胶。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0018] （1）本发明以石英砂为载体，并配以固体填充粉末和粘结剂作为固定床反应器填料的制备原料，通过原料混合、搅拌、旋转、挤压和粘结的过程，制备出了以石英砂为内核、粉末为壳层的造粒颗粒（填料），并应用到固定床反应器中。本发明只需要利用滚筒抛光机对混合后的原料进行加工，即可得到性能优异的填料，这得益于本发明中各种原料及其配制比例以及各个制备步骤的紧密结合，本发明无需使用大型工业设备进行生产，因此其不仅成本非常低廉，而且操作上也相当便捷，非常适合用于固定床反应器填料的制备。

[0019] （2）由于本发明采用了自由状态下滚动的方式进行造粒，因而在造粒的过程中，粉体会呈松散状态粘结在石英砂的表面，粉体之间没有显著的挤压镶嵌作用，进而在制得填料后，粉体间仍有明显的孔道供气体分子扩散，确保了较高的化学反应速度。因此，本发明相比传统的搅拌造粒方法，其不仅可以显著减少粘结剂的用量，而且还保持了粉体原有的高反应活性，同时，由于石英砂的支撑作用，颗粒在化学反应的过程中不会粉化，仍保持为初始的颗粒形态；而相比传统的压力造粒方法，本发明制备的颗粒，由于其内部存在有大量的孔隙，因而使得粉体仍为自然堆积的状态，进而也保持了粉体原有的高反应活性。因此，本发明在有效结合了两种传统造粒工艺优点的同时，还很好地解决了现有造粒工艺存在的问题，从而大幅提升了填料的性能，并为气固固定床反应器的有效应用提供了强有力的保障。

[0020] （3）本发明在将石英砂颗粒用作载体前还对石英砂进行了筛分，得到粒度均匀的颗粒；并且为了进一步减小石英砂载体对化学反应过程的负面影响，本发明中的石英砂既可以选用无杂质的分析纯原料（纯度为99.9%以上），也可以选用高温煅烧去除可挥发性杂质组分后的工业级原料。这样一来，本发明制备所得到的造粒颗粒，不仅粒度均匀、一致，而且纯度高；并且相对于非均匀颗粒填充的反应器来说，本发明制备的颗粒具有更大的空隙率，可以使气体分子的流动更加通畅，不会造成显著床层压降，因而更能满足工程的应用需求。

[0021] （4）本发明采用硅溶胶作为粘结剂，硅溶胶是水化的二氧化硅微粒分散于水中的胶体溶液，随着水分的蒸发，硅溶胶胶体分子会增大，最后形成-SiO-O-SiO-涂膜。本发明通过合理的原料选配及其比例和工艺设计，充分利用了硅溶胶的特性，在本发明的工艺中，当硅溶胶中的水份蒸发时，其中的胶体粒子会牢固地附着在物体表面，使粒子间会形成硅氧结合，从而便可以在保证对粉体包裹作用效果的同时，不会对整个反应体系造成污染。

[0022] （5）本发明工艺流程简洁、工序少、成型设备结构简单，同时，制备的填料反应活性高、并且能显著减小反应器的压降，因此，本发明具有广泛的应用前景，非常适合在气固反应器的实际应用方面大规模推广。

具体实施方式

[0023] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例

[0024] 本发明提供了一种新的用于制备化工反应器、特别是气固固定床反应器填料的方法，该方法主要由原料混合、搅拌以及旋转、挤压和粘结等流程构成，分别如下：

[0025] 一、原料混合、搅拌

[0026] 本发明中，制备填料的原料为石英砂、固体填充粉末和粘结剂。首先，将石英砂颗粒进行筛分，获得同一粒度范围（例如20～30目、30～40目、40～60目等）的均匀颗粒。接着，将石英砂颗粒与固体填充粉末进行混合，然后加入粘结剂搅拌至均匀，得到混合料，在该混合料中，所述石英砂、固体填充粉末和粘结剂的混合比例为5～10∶5～10∶1。本发明所用到的固体填充粉末是指化工领域广泛使用的固定床反应器填充粉体材料，包括催化反应及非催化反应的多种金属或金属氧化物，本实施例中，该种固体填充粉末是指80目以细的单一粒度或混合粒度的粉末；所述的石英砂可以是分析纯原料（即纯度为99.9%以上），也可以是于800℃空气气氛中煅烧5h、并除去其中的挥发性杂质组分后的工业级石英砂，而所述的粘结剂则优选采用硅溶胶。

[0027] 二、原料旋转、挤压和粘结

[0028] 制得混合料后，将其倒入到滚筒抛光机的滚筒中，并将滚筒抛光机的端盖密封，本发明所采用的滚筒抛光机为标准市售型产品，由变频电机驱动传动轴旋转，传动轴再带动滚筒旋转，可对滚筒转速及运行时间进行调整。

[0029] 混合料放入抛光机中后，设置合适的转速和运行时间（本实施例中，滚筒抛光机的转速和运行时间分别设置为40～60r/min、8～30min），并开启设备，使固体填充粉末在由石英砂颗粒离心旋转产生的筒壁挤压力和粘结剂粘结力的共同作用下，逐层包裹至石英砂外表面，形成以石英砂为内核、固体填充粉末为壳层的造粒颗粒，即得到最终的可以应用到固定床反应器中的填料。

[0030] 按照上述制备方式，下面以一个实例对本发明的实施过程进行介绍。

[0031] 由于惰性气氛中氢同位素去除常采用催化氧化法，因此，其相应的固定床反应器常选用氧化铜作为填料。而针对该种固定床反应器填料的造粒方法如下所述：

[0032] 一、原料：

[0033] （1）氧化铜粉末：分析纯原料，粒度约为400目；

[0034] （2）石英砂：20～30目的工业级石英砂颗粒，于800℃空气气氛中煅烧5h，去除挥发性组分；

[0035] （3）硅溶胶；

[0036] （4）滚筒抛光机：标准市售型，滚筒圆周为六角形，容积为1L。

[0037] 二、造粒过程

[0038] 称取氧化铜粉末和石英砂各200g放入到烧环中，然后加入硅溶胶25g，采用玻棒搅拌至基本均匀，得到混合料。接着，将混合料倒入滚筒，并密封端盖。设置抛光机转速为50r/min、运行时间为10min，然后开启设备，粉末在由石英砂颗粒离心旋转产生的筒壁挤压力和粘结剂粘结力的共同作用下，逐层包裹至石英砂外表面，形成以石英砂为内核、粉末为壳层的造粒颗粒，此时，石英砂的外表面被氧化铜粉末完全包覆，并且颗粒粒度均匀。

[0039] 采用上述方式或类似方式可以对其余多种金属或金属氧化物粉体进行造粒，并且通过调整石英砂的粒度以及粉体和石英砂的比例可以获得所需的不同粒度及空间堆积密度的造粒颗粒。

[0040] 本发明利用石英砂作为载体，在配合固体填充粉末和粘结剂后，通过合理的制备工艺，得到了性能尤佳的固定床反应器填料，为气固固定床反应器在实际应用中提供了保障，满足工程的需要。本发明突破了传统工艺的限制，很好地实现了创新，其将固定床反应器填料的设计提升到了一个新的高度。因此，相比现有技术来说，本发明技术进步十分明显，具有突出的实质性特点和显著的进步。

[0041] 上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。