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结构催化剂是将催化剂以结构化的方式运用到反应器中的一种新型催化剂,具有几何表面积高、压力降低、扩散路径短和相间传质效率高等特点。与传统催化剂相比,结构催化剂在强化反应传质和传热方面表现出了独特的优势。将结构催化剂作为釜式反应器的搅拌桨,形成催化与搅拌功能集于一体的搅拌桨式结构催化剂,避免了催化剂磨损和分离的问题,能够提高催化剂的使用效率。 本文以SiC泡沫陶瓷为结构化载体,以多孔Al2O3为涂层载体、Ni为活性组分,制备了用于苯甲醛液相加氢制苯甲醇反应的搅拌桨式泡沫结构催化剂(Ni/Al2O3-SiC)。首先采用浆料涂覆法在SiC泡沫陶瓷表面制备了具有良好结合强度的多孔Al2O3涂层。然后,采用浸渍法和沉积-沉淀法在Al2O3涂层上负载了催化活性组分Ni。考察了不同制备方法及干燥条件对Al2O3涂层中Ni分布及结构催化剂加氢性能的影响。研究发现,浸渍法制备的催化剂涂层外表面上出现了不同程度的Ni富集现象。与浸渍法相比,沉积-沉淀法制备的结构催化剂具有更均匀的Ni分布和更小的Ni颗粒尺寸,表现出了更优的加氢活性。研究了结构催化剂的涂层厚度、泡沫网孔尺寸等典型物性参数对催化剂性能的影响。结果显示,涂层越薄,结构催化剂比活性越高。与10PPI和20PPI的结构催化剂相比,15PPI的结构催化剂表现出了更高的催化活性。 采用XRD、N2吸附-脱附、H2-TPR、TEM等手段对沉积-沉淀法制备的Ni/Al2O3-SiC结构催化剂和Ni/Al2O3粉体催化剂进行了表征,并研究了Ni负载量对结构催化剂与粉体催化剂催化加氢性能的影响。当Ni负载量为16wt.%时,结构催化剂与粉体催化剂具有相近的苯甲醛加氢反应速率。当Ni负载量由16wt.%增加到37wt.%时,结构催化剂的苯甲醛加氢反应速率由0.108mol·L-1·h-1提高到0.204mol·L-1·h-1,而粉体催化剂获得的反应速率仅从0.106mol·L-1·h-1增加到0.123mol·L-1·h-1。在Ni负载量≥30wt.%时,结构催化剂表现出了比粉体催化剂更高的比活性和稳定性。结构催化剂在重复使用8次后,苯甲醛的转化率和苯甲醇的选择性均没有发生明显的变化。而粉体催化剂在重复使用7次后,苯甲醛转化率相比首次使用时下降了43%。 考察了反应条件对结构催化剂的苯甲醛液相加氢性能的影响。在搅拌转速为200-600rpm范围内,转速为400rpm时结构催化剂具有最高的加氢活性。在反应压力为1-4MPa内,反应压力越大,苯甲醛转化率越高。在苯甲醛初始浓度为0.33-1.62mol·L-1内,催化剂上苯甲醛的加氢速率与其浓度大小呈现线性水平关系,表明苯甲醛加氢速率与其初始浓度无关。 设计了以涡轮桨构型为主的系列搅拌式泡沫结构催化剂,考察了其结构参数(如桨叶的形状、直径、数量、宽度及倾角)与搅拌转速对结构催化剂加氢速率的影响。研究结果显示:与圆盘式结构催化剂相比,六直叶涡轮桨式结构催化剂具有更高的加氢速率;桨叶的直径越长、数量越多,结构催化剂搅拌器的加氢速率越大;与10mm宽的六直叶桨式结构催化剂相比,15mm宽的六直叶桨式催化剂加氢速率更低;结构催化剂桨叶倾斜度越大,加氢速率越低。