浆料床反应和CONTIBAC® 过滤器用于连续催化剂回收
2021年9月15日
概括
• 尽管泥浆床催化剂反应器的操作很复杂，但该设备仍然很受欢迎。
• 催化剂持液量对工艺优化起着重要的作用。
• 在连续反应器系统中需要连续运行的固液分离设备。
• 与许多其他连续运行的固液分离设备相比，CONTIBAC® 是一个不错的选择。
• 两个案例研究说明了其功能
固定床和泥浆床反应器
化工行业十分依赖多相催化来合成当今世界所需的各种化合物。 从连续操作的角度来看，通常优选固定床催化剂。 反应器只需填充一次，催化剂可以无限期地运行。 进料通过反应器床层，最终产物被合成并收集用于进一步纯化。不需要繁琐的催化剂分离。
对于泥浆床催化剂，很不幸的是我们很少能够具备理想的条件，工艺工程师需要仔细权衡投资和运营成本以及泥浆床反应器的产量。 泥浆催化剂处理起来很复杂，因为它以粉末形式进料到反应器中，然后需要从产品流中过滤出来以进行再循环。 但是，和固定床反应器相比，它仍然具有很多优势。
• 结果表明，泥浆床反应器中的混合效果得到改善后，其传热效率变得更高，表面冷却更少，这也可能意味着反应器可以以更高的吞吐量运行。为了弥补固定床反应器中的这项不足并提高其传热效果，固定床反应器通常以高循环率运行，然而这样也增加了泵送能力和整个床的压降。由于在高流速下催化剂的侵蚀增加，分离和纯化成本也随之增加。
• 固定床反应器可能会遇到堵塞问题，因为副产品（如长链烃）会在床层结构内积聚，从而在其使用寿命期间逐渐降低产量。
• 通常不可能将反应产物从固定床反应器直接传送到下游纯化步骤，例如蒸馏，因为随着时间的推移，催化剂粉末会堵塞蒸馏塔并造成各种工艺故障。因此，需要某种固/液分离设备。
• 随着催化剂效率在其运行期间降低，逐渐提高反应温度可以部分抵消固定床反应器中的催化效率的损失。当然，最终还是需要更换催化剂，并需要停产。在泥浆床反应器中，可以通过不断添加新鲜的同时清除部分用过的催化剂来保持催化剂活性。
泥浆床反应器的灵活性和效率是其受欢迎的主要原因
通过以上分析可以理解为什么泥浆床反应器具有如此广泛的用途。特别是在需要定期调整工艺条件的精细化学品中，泥浆床催化剂提供了更多的自由度。然而，为了保证稳定的反应条件，催化剂浓度应随时间推移保持恒定。此外，应将分离设备中的催化剂滞留量尽可能降低。这需要从产品进料中不断循环催化剂。因此，连续运行的分离设备也是必要的。
连续过程工艺对分离设备的需求
与分离设备可以在停机期间回收或清除催化剂的间歇操作相反，在连续生产中往往不允许停机。 不同的催化剂类型、不同的工艺条件以及不同的操作难易程度，可以适用不同类型的分离装置。卧螺离心机和错流过滤器就是典型的案例。
虽然卧螺离心机可以在进料条件波动的情况下稳定运行，但它通常难以满足客户对产品质量的要求，因为催化剂粉末极易残留在产品流中。此外，催化剂以及高速旋转部件的磨损会产生维护和停机时间，同时也会增加产品流中粉末的浓度。最后，当需要完全密封时，卧螺离心机必须采用气密设计，这进一步增加了系统的复杂性和成本。
传统错流过滤器用于催化剂回收的的优缺点
错流过滤器有多种形式。通常应用于高温环境的催化剂分离，如烧结刚性膜、不锈钢或陶瓷。虽然这类过滤器可以提供很高的产品质量，但它们的主要缺点是随着时间的推移极易堵塞精细过滤表面。而且由于其高硬度，几乎没有办法可以现场进行清洁。保养这类原件是一项复杂的工作，需要完全拆卸然后在高温下进行场外处理，高温的目的是热解夹带的水垢。错流过滤器通常以高切向速度运行，通常在 3 到 5 m/s 之间。在这些速度下产生的高剪切率减少了膜表面附近的层状流层，因此防止了固体堆积，从而减少了渗透流，最终导致结垢。然而，这样的剪切速率也会给催化剂颗粒带来额外的压力，造成磨损并形成细小颗粒。这些细颗粒会降低过滤性并需要更紧密的膜孔隙率，这再次增加了结垢。最后，这些高切向速度伴随着进料入口和滞留物出口之间的压力损失。因此，入口处的跨膜压力 (TMP) 高于滞留物出口处，这导致模块长度上的过滤特性不均匀，具有更高的结垢倾向。
CONTIBAC® 是连续催化剂回收的可行替代方案
作为上述的替代方案，连续运行的CONTIBAC® 具备很多优点。其基本的过滤原理类似于错流过滤系统，主进料从顶部进入，滞留物从底部离开，除了向下流动外，还有效地利用重力不断地从过滤膜中去除催化剂。
CONTIBAC® 过滤器采用柔性过滤介质，与刚性元件相比，它对任何类型的阻塞都具有更强的弹性。 因此，过滤器可以在较低的压差下运行。在CONTIBAC® 过滤器中，TMP 是恒定的且始终较低。较低的压降减少了与过滤膜相邻的固体的压实，增强了催化剂颗粒的去除。此外，可以降低错流流速，减少颗粒的磨损。总体粒度分布保持较长时间，这增加了催化剂的寿命。
通常，使用孔径与催化剂粒度分布相匹配的过滤膜。这增加了在10-15 秒的初始阶段，滤液中产生催化剂细颗粒的风险，但是这很容易被回收。
在操作方面，可以使用更小的泵和管道尺寸。 在需要时，同一过滤容器内单独控制的滤液组允许在特定时间间隔独立再生，而其余组保持运行，确保流量恒定。 过滤元件经过充分验证的凹凸形式可有效释放固体水垢并防止结垢。
如果过滤介质最终出现故障，与烧结金属或陶瓷元件相比，它们可以以明显更低的成本轻松更换。
毋庸置疑，这些高性能系统完全自动运行，并在加工制造业的诸多应用中拥有优异的表现。
案例研究
案例1：
该公司最初运行的是一套连续加氢工艺，采用烧结金属过滤器，用于将Pd催化剂连续循环到反应器中。然而，由于元件经常结垢，该过程基本上是不连续的，因为过滤器需要手动打开和清洁。最后他们决定租用4.5平方米连续运行的CONTIBAC® 试验装置，且为了解这套解决方案的可行性，他们提出了两个问题：
• 由于过滤器直接连接到反应器，一些H2气体被带入过滤器并在顶部积聚，随着时间的推移，过滤受到干扰并且流速降低，通过一个简单的净化循环，我们可以消除这个问题。
• 反应器中形成的一些焦油也会导致膜部分结垢。然后我们实施了额外的液体冲洗步骤，以快速恢复失去的可过滤性。
最终，客户决定将这项技术运用于正在运行的其它许多过滤器。
案例2：
这是一个绿地项目，该公司正在寻找一种连续运行的催化剂过滤器解决方案，该解决方案要承诺比过去产生更少的结垢。最终客户选择了连续的CONTIBAC® 。最初的设计是通过应用低TMP和足够高的错流速度，而不需要进一步的固体去除的方法。但最终出于安全考虑，采用了可以不间断过滤的冲洗系统。调试和启动后注意到，经过12小时的过滤期后，TMP开始攀升，因此使用反冲洗，可以完全恢复流量。与此同时，另一套系统也在另一个绿地项目成功交付。
