第六章固定床催化反应器设计-hxfygc.jpk.ccut介绍.doc

第六章 气-固相催化反应器设计 本章核心内容：本章讨论的气固相催化反应反应器包括固定床反应器和流化床反应器。在固定床反应器部分，介绍了气固相催化反应器的各种类型和固定床层的流动特性，给出了固定床反应器的两种设计方法：经验或半经验法和数学模型法。在流化床反应器部分，在对固体颗粒流态化现象和流态化特征参数介绍的基础上，讨论了流化床反应器的分类和工业应用。 6-1 固定床反应器的型式 反应器内部填充有固定不动的固体催化剂颗粒或固体反应物的装置，称为固定床反应器。气态反应物通过床层进行催化反应的反应器，称为气固相固定床催化反应器。这类反应器除广泛用于多相催化反应外，也用于气固及液固非催化反应，它与流化床反应器相比，具有催化剂不易跑损或磨损，床层流体流动呈平推流，反应速度较快，停留时间可以控制，反应转化率和选择性较高的优点。 工业生产过程使用的固定床催化反应器型式多种多样，主要为了适应不同的传热要求和传热方式，按催化床是否与外界进行热量交换来分，分为绝热式和连续换热式两大类。另外，按反应器的操作及床层温度分布不同来分，分为绝热式、等温式和非绝热非等温三种类型；按换热方式不同，分为换热式和自热式两种类型；按反应情况来分，分为单段式与多段式两类；按床层内流体流动方向来分，分为轴向流动反应器和径向流动反应器两类；根据催化剂装载在管内或管外、反应器的设备结构特征，也可以对固定床催化反应器进行分类。图6-1、6-2、6-3分别是轴向流动式、径向流动式和列管式固定床反应器结构示意图。其中，图6-1和图6-2所示的反应器为绝热式，图6-3所示的反应器为连续换热式。 图6-1 轴向流动式 图6-2径向流动式 图6-3列管式固 固定床反应器 固定床反应器 定床反应器 6-1-1 绝热式固定床反应器 绝热式固定床催化反应器有单段与多段之分。绝热式反应器由于与外界无热交换以及不计入热损失，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.单段绝热固定床催化反应器 单段绝热反应器的反应物料在绝热条件下发生反应后流出反应器。单段绝热固定床催化反应器适用于绝热温升较小、温度对目的产物收率影响不大的反应。例如以天然气为原料的合成氨厂中的一氧化碳中（高）温变换及低温变换，甲烷化反应都采用单段绝热式。 2.多段绝热固定床催化反应器 如果单段绝热床不能适应要求，为了使反应温度更接近于最佳的温度分布，则采用多段绝热固定床催化反应器。首先通过一段绝热床反应至一定的温度和转化率，接近可逆放热反应平衡温度曲线时，将反应气体冷却至远离平衡温度曲线的状态，再进行下一段的绝热反应，反应和冷却过程交替进行。根据反应的特征，这种反应器一般有二段、三段或四段绝热床，多用于强放热反应，也可以应用于强吸热反应，例如石油炼制过程中的重整、乙苯脱氢制苯乙烯。 根据段间反应气体的冷却方式，多段绝热床又分为三类：间接换热式、原料气冷激式和非原料气冷激式。间接换热式使用换热器使反应后的物料温度降低，如二氧化硫氧化、乙苯脱氢过程等；而冷激式使用补加冷物料的方法冷却，在段间用冷流体与上一段出口反应气体混合。如果冷激用的冷流体是尚未反应的原料气，称为原料气冷激式，如大型氨合成塔；如果冷激用的冷流体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水进行冷激。图6-4是多段固定床绝热反应器的示意图，图中（a）是间接换热式，（b）是原料气冷激式，（c）是非原料气冷激式。 冷激式反应器结构简单，便于装卸催化剂，内无冷管，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。 图6-4 多段固定床绝热反应器 (a) 间接换热式; (b) 原料气体冷激式; (c) 非原料气泠激式 6-1-2 连续换热式固定床催化反应器 连续换热式固定床催化反应器（或称非绝热变温反应器）的特点是进行反应的同时，床层与外界的换热过程同时进行，这样可以使催化床的温度控制在更为靠近最佳温度范围条件下进行，反应速率较快，催化剂用量较少，反应的选择性也较高。工业生产中普遍使用此类反应器，如乙烯催化氧化合成环氧乙烷、苯氧化制顺丁烯二酸酐、萘氧化制邻苯二甲酸酐及乙烯与醋酸气相氧化制醋酸乙烯、氨的合成等。有催化剂可以装载在管内的外换热式和装载在管外的内热式，以前者较为常见，其结构大部分类似于列管式换热器。如果反应的热效应大，常采用管式催化床，催化剂装载在管内，以增加单位体积催化床的传热面积。载热体