一种基于微波除焦的催化剂再生装置及方法与流程

本发明属于废弃金属催化剂再生相关技术领域，更具体地，涉及一种基于微波除焦的催化剂再生装置及方法。

背景技术：

石油精炼工业中，原油通过分馏、萃取、提炼等化工加工才能生产出日常常用的石油产品，如汽油、柴油等。为了提高加工效率，工业上往往会使用大量的贵金属催化剂，如铂、铑、钯、钌基催化剂等来完成催化反应。这些催化剂颗粒直径一般在1mm～2mm之间，且作为涂层附着于多孔介质表面以增大反应面积。石油加工中，主要通过长链烃发生断裂并经历缩合反应以生产汽油、柴油等化学成品。但是，在这个过程中，长链烃的断裂也可能产生焦炭或者碳素制品而产生固体结焦，粘结催化剂表面并堵塞介质气孔，从而使催化剂活性降低，生产效率下降。

随着我国石油工业的不断发展，催化剂的生产越来越多，因结焦和堵塞而被废弃的催化剂也越来越多。我国催化剂回收技术还不够成熟，贵金属催化剂失活以后，往往会被直接掩埋处理。但是在工业上，这些催化剂中含有一些有毒物质如砷和铬的氧化物，随着催化剂被掩埋，这些有毒物质最终会进入人们的生活环境，危害人类健康。另外，直接掩埋的办法，还会造成贵金属资源的大量浪费。因此，失活贵金属催化剂的掩埋处理并不是长久之策。

在日本，依靠强大的化学工业体系，上世纪70年代中期建立了失活贵金属催化剂的加氢脱硫回收装置，回收催化剂中的贵金属。加氢脱硫是目前应用较广的失活贵金属催化剂回收方法之一。但是这种方法不可避免地破坏了催化剂的结构，只能回收贵金属，而不能使催化剂再生，而利用回收的贵金属再次生产催化剂又会带来增加生产成本及环境污染的问题。

针对结焦而失活的贵金属催化剂再生，目前常用的处理方法是在加热的流化催化单元中通过氧化反应过程来除焦，从而使催化剂再生且保持较高的活性，但这种高温炉的加热方式会在催化剂床上产生过多的热量，导致催化剂熔结，因此需要对再生温度进行精确控制，这无疑增大了控制难度。此外，这种加热除焦方式本身能耗大，需要气流持续时间较长，使得催化剂再生效率较低。

此外，超临界流分离的再生方法尽管不需要加热反应区到较高温度，但需要将气体压缩到20mpa以上的压强，再利用高压临界流体的强穿透性、高粘性、高溶解性分离除焦。这种方法不仅装置复杂难以控制，而且在加热以及高压环境下，多孔介质贵金属催化剂内部结构会发生不可逆变化，而不太适用于结焦而失活的多孔介质贵金属催化剂再生。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微波除焦的催化剂再生装置及方法，其基于现有贵金属催化剂再生的特点，研究及设计了一种基于微波除焦的催化剂再生装置及方法。所述催化剂再生装置充分利用了多孔介质中焦炭和贵金属综合介电常数(12～14)较高的特点，采用微波来进行除焦，在不破坏多孔介质贵金属催化剂内部结构的条件下利用微波均匀加热多孔介质贵金属催化剂并辅助以空气旋流，或者氧化或者冲刷，由浅层到深层，逐渐将焦炭去除，从而较大程度的恢复多孔介质贵金属催化剂的活性。此外，微波加热的方法通过调整微波功率来控制含焦多孔介质贵金属催化剂的温度，更节能，操作更简单，且能够缩短再生反应时间，从而提高废弃多孔介质贵金属催化剂的再生效率。

为实现上述目的，按照本发明的一方方面，提供了一种基于微波除焦的催化剂再生装置，其包括微波源、环形器、电动调谐器、矩形波导、石英反应腔体及短路活塞，所述环形器连接所述微波源及所述电动调谐器，所述矩形波导连接所述电动调谐器及所述短路活塞，所述矩形波导内形成有谐振腔；所述石英反应腔体收容于所述矩形波导内且位于所述谐振腔内，其用于收容失活的贵金属催化剂及供空气流通；所述贵金属催化剂附着在多孔介质上，其上因堆积附着有焦炭而失活；

所述微波源发出的微波依次经过所述环形器及所述电动调谐器后被所述短路活塞反射而在所述谐振腔发生谐振以形成局部的强电场，所述焦炭在所述微波的作用下被加热，其被氧化成气体逸出所述石英反应腔体或者被所述空气扰动脱落而自所述石英反应腔体内流出，由此所述贵金属催化剂恢复活性。

进一步地，所述空气以空气旋流的形式流经所述石英反应腔体。

进一步地，所述催化剂再生装置还包括抽风机、流量控制器及非定向分束旋流器，所述流量控制器连接所述抽风机及所述非定向分束旋流器，所述抽风机抽取的空气流经所述非定向分束旋流器后而形成所述空气旋流。

进一步地，所述石英反应腔体与所述矩形波导尾部之间的间距为微波波长的四分之一。

进一步地，所述贵金属催化剂以悬空固定的方式收容于所述石英反应腔体内。

进一步地，所述催化剂再生装置还包括支架，所述支架设置在所述石英反应腔体的中部，所述贵金属催化剂通过所述支架悬空固定在所述石英反应腔体内。

进一步地，所述催化剂再生装置还包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述支架的端部，其用于检测所述贵金属催化剂的温度，以便于根据检测到的温度值来调节所述微波源的输出功率。

进一步地，所述石英反应腔体相背的两侧设置有供所述空气进出所述石英反应腔体的进气口及出气口，所述进气口与所述非定向分束旋流器相连接，所述出气口连接于出气管，所述出气管凸出于所述矩形波导；所述贵金属催化剂与所述进气口及所述出气口均正对。

进一步地，所述贵金属催化剂为铂基催化剂、铑基催化剂、钯基催化剂及钌基催化剂中的任一种。

按照本发明的另一方面，提供一种基于微波除焦的催化剂再生方法，该催化剂再生方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的基于微波除焦的催化剂再生装置，将失活的贵金属催化剂放置于所述石英反应腔体的中部，所述贵金属催化剂悬空固定在所述石英反应腔体中；

(2)调节所述短路活塞使微波在所述矩形波导与所述石英反应腔体重合的区域发生谐振以形成强电场；

(3)将预定流量的空气以空气旋流的形式通入所述石英反应腔体内，以使所述空气与所述贵金属催化剂接触；

(4)堆积附着在所述贵金属催化剂上的焦炭在所述微波的作用下被加热，所述焦炭被氧化成气体逸出所述石英反应腔体或者被所述空气旋流扰动脱落而自所述石英反应腔体内流出，由此所述贵金属基催化剂恢复活性。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于微波除焦的催化剂再生装置及方法主要具有以下有益效果：

1.堆积附着在失活的贵金属催化剂上的焦炭在所述微波的作用下被加热，如此防止了贵金属催化剂局部温度过高而熔结；

2.依据温度传感器检测到的贵金属催化剂的温度来调节微波源的输出功率，由此控制贵金属催化剂的温度，更节能，操作简单；

3.采用微波来加热失活的贵金属催化剂不会破坏贵金属催化剂的内部结构，使再生后的贵金属催化剂的可利用率增高；

4.采用微波进行除焦能够显著缩短再生反应时间，从而提高废弃贵金属催化剂的再生效率，节能环保，成本较低，且结构简单，灵活性较高，适用性较强。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的基于微波除焦的催化剂再生装置的结构示意图；

图2是图1中的基于微波除焦的催化剂再生装置使用时的局部示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-微波源，2-环形器，3-电动调谐器，4-谐振腔，5-短路活塞，6-石英反应腔体，7-抽风机，8-流量控制器，9-非定向分束旋流器，10-进气口，11-铂基催化剂，12-支架，13-温度传感器，14-出气口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的基于微波除焦的催化剂再生装置，所述催化剂再生装置充分利用了多孔介质中焦炭与贵金属综合介电常数(12～14)较高的特点，采用微波(微波作为一种高频电磁波，能够穿透材料并引起某些特征频率的分子振动，这些分子通过振动将能量以热量的形式传递给周围环境，从而沉积微波能量，微波能量加热物体并不依赖于物体表面的热扩散，因此能够直接从内部均匀地加热介电常数较大的物体而避免产生局部过热的现象)来进行除焦，在不破坏多孔介质贵金属催化剂内部结构的条件下利用微波均匀加热多孔介质贵金属催化剂并辅助以空气旋流，或者氧化或者冲刷，由浅层到深层，逐渐将焦炭去除，从而较大程度的恢复多孔介质贵金属催化剂的活性。此外，微波加热的方法通过调整微波功率来控制含焦多孔介质贵金属催化剂的温度，更节能，操作更简单，且能够缩短再生反应时间，从而提高废弃多孔介质贵金属催化剂的再生效率。

所述催化剂再生装置包括微波源1、环形器2、电动调谐器3、矩形波导、短路活塞5、石英反应腔体6、抽风机7、流量控制器8、非定向分束旋流器9、支架12及温度传感器13。

所述环形器2连接所述微波源1及所述电动调谐器3，所述电动调谐器3通过所述矩形波导连接于所述短路活塞5，所述短路活塞5连接于所述矩形波导的尾部。所述石英反应腔体6收容于所述矩形波导内。所述非定向分束旋流器9连接所述石英反应腔体6及所述流量控制器8，所述抽风机7连接于所述流量控制器8。所述支架12设置于所述石英反应腔体6内，所述温度传感器13设置在所述支架12的端部。

本实施方式中，所述矩形波导内形成有谐振腔4；所述石英反应腔体6与所述矩形波导尾部之间的间距为微波波长的四分之一，使得所述石英反应腔体6内的反应区与所述谐振腔4中的强电场区重合，又使所述反应区与所述矩形波导管段隔离开来以防止所述矩形波导管段受到损伤。其中，微波经所述短路活塞5反射后，入射波和反射波在所述矩形波导内形成一个谐振强场区，所述矩形波导内的这一区域称为谐振腔4。

所述石英反应腔体6设置于所述矩波导内，其位于所述电动调谐器3与所述短路活塞5之间。所述石英反应腔体6由两瓣合并后构成，所述支架12收容于所述石英反应腔体6内，其位于所述石英反应腔体6的中部。本实施方式中，所述支架12用于支撑所述温度传感器13及失活的铂基催化剂11，以便所述铂基催化剂11悬空固定于所述石英反应腔体6的中部；所述铂基催化剂11附着于多孔介质上，其上堆积附着有焦炭，所述温度传感器13用于检测待再生的所述铂基催化剂11的温度，由此根据检测到的温度值来调节所述微波源1的输出功率；可以理解，在其他实施方式中，所述铂基催化剂还可以为其他贵金属催化剂，如铑基催化剂、钯基催化剂、钌基催化剂。

所述石英反应腔体6相背的两侧设置有进气口10及出气口14，所述进气口10及所述出气口14分别用于供空气进入所述石英反应腔体6及自所述石英反应腔体6流出。所述进气口10通过管道与所述非定向分束旋流器9相连接，所述出气口14连接于出气管，所述出气管凸出于所述矩形波导，以使气体流出。

所述催化剂再生装置工作时，所述微波源1发出预定功率的微波，所述微波流经所述环形器2及所述调谐器3，调节所述短路活塞5使所述微波在所述谐振腔4处发生谐振以形成局部的强电场。其中，所述环形器2用于防止所述微波反射而进入所述微波源1造成损坏；所述电动调谐器3用于调节整个所述矩形波导管段的阻抗，使所述微波反射功率达到最小，即最可能大的利用微波能；所述短路活塞5用于调整所述谐振腔4的位置，使所述谐振腔4与所述石英反应腔体6重合，即使反应区位于谐振场强最强的地方。

所述铂基催化剂11通过所述支架12悬空固定在所述石英反应腔体6的中部，其与所述进气口10及所述出气口14均正对，以与空气充分接触；安装在所述支架12端部的所述温度传感器13与所述铂基催化剂11接触，其检测所述铂基催化剂11的温度，从而以便反馈及调整所述微波源1的输出功率；所述铂基催化剂11处于所述谐振腔4处，其在微波的作用下被均匀加热，堆积附着在所述铂基催化剂11上的焦炭一方面与进入所述石英反应腔体6内的空气发生氧化反应生成气体逸出，另一方面吸附强度不强的焦炭颗粒被空气旋流扰动而脱落，从而随气流自所述石英反应腔体6的出气口14流出，从而达到由浅层到深层的分层除焦的效果。而铂基催化剂11本身在此条件下难以被氧化，其上堆积附着的焦炭被去除以后，其活性得以恢复。

所述空气由所述抽风机7吹入，所述流量控制器8用于调节进入所述石英反应腔体6的空气的流量，所述空气经所述非定向分束旋流器9形成空气旋流后以一定流速自所述进气口10进入所述石英反应腔体6，并与所述铂基催化剂11作用后经所述出气口14自所述石英反应腔体6排出。

本发明还涉及基于微波除焦的催化剂再生方法，所述催化剂再生方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供如上所述的基于微波除焦的催化剂再生装置，将待处理的失活的铂基催化剂放置于所述石英反应腔体的中部，所述铂基催化剂悬空固定在所述石英反应腔体中。

步骤二，调节所述短路活塞使微波在所述矩形波导中与所述石英反应腔体重合的区域发生谐振以形成强电场。

步骤三，将预定流量的空气以空气旋流的形式通入所述石英反应腔体内，以使所述空气旋流与所述铂基催化剂充分接触。

步骤四，堆积附着在所述铂基催化剂上的焦炭在所述微波的作用下被均匀加热，所述焦炭被氧化成气体自所述石英反应腔体逸出或者被所述空气旋流扰动脱落而自所述石英反应腔体内流出，由此使所述铂基催化剂恢复活性。

本发明提供的基于微波除焦的催化剂再生装置及方法，所述催化剂再生装置充分利用了多孔介质中焦炭和贵金属综合介电常数(12～14)较高的特点，采用微波来进行除焦，在不破坏多孔介质贵金属催化剂内部结构的条件下利用微波均匀加热多孔介质贵金属催化剂并辅助以空气旋流，或者氧化或者冲刷，由浅层到深层，逐渐将焦炭去除，从而较大程度的恢复多孔介质贵金属催化剂的活性。此外，微波加热的方法通过调整微波功率来控制含焦多孔介质贵金属催化剂的温度，更节能，操作更简单，且能够缩短再生反应时间，从而提高废弃多孔介质贵金属催化剂的再生效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。