第五章 固定床气-固相催化反应器.ppt

第五章　 固定床气－固相催化反应器 第一节　概述 一、固定床反应器的基本类型 　　　在工业生产中，对于由气态的反应物料，通过固体催化剂所构成的床层进行反应的装置，通常称为气－固相催化反应器。固定床反应器是最常见的气－固相催化反应器。 　　 　　气体反应物通过静止不动的固体催化剂所形成的固定床层而进行反应的装置称作固定床反应器。 　　所谓“固定”是指催化剂固定不动的意思。 下表中列出了一些主要的固定床催化反应过程。 固定床反应器的主要优点及缺点： 优点： ⑴由于催化剂固定不动，因此其结构简单，操作方便，催化剂在床层内不易磨损 。 ⑵床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力，当伴有串联副反应时，可获得较高的选择性。 缺点： ⑴固定床内传热较差，而催化剂的载体又往往是热不良导体。多数化学反应又伴有热效应，传热和控温就成了难题。 ⑵催化剂的更换必须停产进行。为了减少催化剂更换造成的经济损失，要求催化剂要有足够的寿命。 固定床反应器的分类 固定床反应器，按催化剂床层是否与外界进行热量交换可分为：绝热式和连续换热式两类。 　　　绝热式固定床催化反应器：绝热式如不计入热损失则与外界不换热，对于可逆放热反应，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高，催化床入口气体温度高于催化剂的起始活性温度，而出口气体温度低于催化剂的耐热温度。 （1）单段绝热式（适用于放热和吸热反应） （2）多段固定床绝热反应器 　　由多个绝热床组成，段间可以进行间接换热，或直接引入气体反应物（或惰性组分）以控制反应器内的轴向温度分布。对于可逆放热反应过程，可通过段间换热形成先高后低的温度序列利于提高转化率。 　　多段绝热催化床可以分为间接换热式和冷激式。 （ a ）间接换热式：换热器是列管式，部分反应气体在管内流动而被冷却，冷却过程中气体的组成不变。 　　　下图是可逆放热单反应四段间接换热式的操作状况，在转化率—温度图上有平衡曲线和最佳温度曲线 。 （b）原料气冷激式 　　　如果段间用冷流体与上一段出口反应气体混合，称为冷激式。 【冷激式反应器的特点】 　　　冷激式反应器结构简单,便于装卸催化剂，内无冷臂，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别适用于大型催化反应器。　　冷激用的冷流体如果是尚未反应的原料气，称为原料气冷激式。 　　　?下图是可逆放热单反应四段原料气冷激式操作状况。由于冷激气是原料气，过程的平衡温度曲线和最佳温度曲线在冷激前后都不变，但是冷激后下一段入口气体的转化率比上一段出口转化率降低，这相当于段间有部分返混。被冷激气体的转化率越高，冷激后所造成的返混影响就越大。因此催化床体积比其他条件相同的间接换热式增大。 (c)非原料气冷激式 　　　冷激用的冷流体如果是非关键组分的反应物，称为非原料气冷激式。如一氧化碳变换反应器采用过热水蒸汽冷激。冷激后，平衡温度曲线向着同一温度下提高平衡转化率的方向移动；最佳温度曲线也随之变动； 【冷激式反应器的特点】 　　　冷激式反应器结构简单,便于装卸催化剂，内无冷臂，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别适用于大型催化反应器。　 　　　下图是可逆放热单反应四段原料气冷激式操作状况。 2、连续换热式固定床催化反应器 优点：连续换热式反应器中，催化床中反应与换热过程同时进行，催化床层的温度较易控制，可使反应在最佳温度范围内进行，反应速率较快，催化剂利用充分，反应的选择性也较高。因此，比绝热式反应器应用更普遍。 缺点：结构复杂，反应器内催化剂装填量较少，床层的压降较大，故其不能完全取代绝热式反应器。 连续换热式固定床催化反应器的分类 ⑴按反应管的形式，可分为：单管式、双套管式和三套管式 ⑵按热源，可分为：外热式和自热式，又分有内冷自热式、外冷列管式、外部供热管式三种。 ⑶按冷热气体的流向，可分为：并流式和逆流式 ⑷按反应气体在催化床中的流动方向，可分为：轴向反应器和径向反应器。 自热式反应器 综合连续换热式反应器和绝热式反应器的特点，对于某些反应热不太大而在高压下进行的反应，要求高压容器的催化剂装载系数较大和每立方米催化床每日的生产能力或空时产率较高，常采用催化床上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间而连续换热的催化床，末反应的气体经冷管而被预热，这种连续换热式反应器称为自热式。 内冷自热式 　　　催化剂装载在冷管间，与冷管内未反应气体连续换热，未反应气体经冷管预热至催化床入口气体温度（高于催化剂的起始活性温度），故称自热式。 　　　适用于反应热不太大而又在高压下进行的放热过程。如：中、小型氨合成及甲醇合成使用此型。 自热式反应器的特点 将绝热式和换热式反应器结合起来使用，绝热层中反应气体借助反应热迅速地升温到理想的反应温度；然后进入换热段（冷却层）中，反应气体被冷却