一段转化催化剂装填方法综述.doc

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一段转化催化剂装填方法综述

一段转化催化剂装填方法综述 作者/来源:元玉新 北京荷兰荷丰技术公司???日期: 2010-04-12???点击率:43 [摘 要]? 在蒸汽转化炉的炉管内,催化剂装填的均匀、结实程度是实现转化操作高效,和延长炉管寿命的一个十分重要的先决条件。现将最近发布的一项新的催化剂填充技术展示大家。 [关键词]? 转化炉、催化剂、装填、水碳比 ? 1.0? 背景 ??? 如下面方程式 1 所示,通常情况下,一段炉内的蒸汽+烃的转化反应是:蒸汽与原料天然气的混合气体,一起通过悬立在转化炉膛内,从上而下的装添着催化剂的炉管,此时就将发生天然气的转化反应。 因为此反应是一个强的吸热反应,因此对热能的要求非常大,无论是在热能的数量,还是质量(温度等级)。因此无论用其它的何种方法都不能达到令人十分的满意。 CH4 + H2O CO + 3H2 H0298= +206.3 kJ/mol?? (1) △? ??? 如果仅从转化炉的结构和经济方面考虑,当发生一段炉内的转化反应时,反应的压力越高越好;但是由于正反应方向是一个体积增大反应,增加压力会使反应平衡向着逆反应方向移动。所以这种负面影响,就只能通过提高反应的温度来进行补偿。图1 显示了反应平衡时甲烷的残余含量(浓度)与压力和温度之间的相互关系。其中原料混合气中,初始的水碳比(蒸汽与碳)的摩尔比是 3.5。 ? ??? 在合成氨厂中,工艺气体中含有一定量的残留甲烷(约为 13 vol-%)是十分必要的。因为工艺气体从一段转化炉中出来后,将进入到二段转化炉,在此与注入的工艺空气中的氧气反应。而此处注入工艺空气的目的,是向工艺气体中引入后续合成氨反应所必需的氮源。同时,也为进一步的转化反应提供了必需的和能完成整个转化反应需要的反应热。而甲醇厂都没有设计二段转化炉,因为空气和氮气在这种工艺里是不需要的。因此,为尽量降低残余甲烷的浓度,就必需设计出操作条件更加苛刻的转化炉。 ??? 限制操作压力与操作温度的最终因素,是制造填充催化剂的转化炉炉管所使用材料的材质。因为,即使是今天所能获得的最好的高温合金钢,在正常的操作条件下,也会发生老化。并最终经过所谓的“蠕变”而报废。因此所设计的转化炉管,应当具有一个特定的使用寿命,通常是 100,000 操作小时。仅仅通过增加炉管管壁厚度的方法,来延长炉管的使用寿命并不具有多大的实际意义。原因在于必须保持炉管的内壁表面能够获得必需的热能通量,只要增加管的臂厚,就必须相应提高炉管的外表面温度,而这同时也加速了转化炉管的老化速度。 ??? 由于蒸汽转化反应是一个强的吸热反应,无论在哪里发生,它的温度都会下降。因为热能被吸收掉和被转化成了化学能。如果催化剂的任何一部分距离热源太远,它的温度就可能根本不能达到维持正常的反应速度所需要的温度点。结果是所有通过这里的原料气体,保持原样而不发生任何变化。因此,像这样要求几乎接近于恒温和有效绝热的反应条件,即使是目前盛行和被应用于大多数吸热反应的床层反应器,也显得不能适应。因为天然气的蒸汽转化反应不是一个自持的反应过程。 ??? 管状反应器具有很大的传热面积。而其最长的传热路径就是反应管的内径表面总长。反应管外壁表面的温度则与许多因素有关,比如,反应管本身的壁厚、导热系数、催化剂载体的热传导性能 (它是管子的内表面与管子的轴向区域之间唯一的传热连接) ,以及通过反应管的转化气体流速等。但是,正象在任何其它非均相催化的气相反应一样,催化剂的设计是必须要有足够的空隙和空间,因为不仅要为在其表面上所发生的反应提供足够大的表面积,而且还必须保证反应气体能够在压降最低的情况下通过。 ??? 由于管式反应器的截面积比较小,而有效床层的深度又比较大,因此使用整装的催化剂块是毫无可能的(虽然它具有最高的导热性能)!不管它的孔隙率是多么的高:仅仅是压降太高这么一项就被否决。 因此转化反应用的催化剂总是颗粒状的。并且每个颗粒又通常都是多孔的,这些细孔的小通道使得工艺气体能够均匀流过。这在很大程度上折衷了催化剂的热量传递,因为热能只在相互接触的两个颗粒间传导,而即使是在单个颗粒上的热传递,也要受颗粒上的这些细小凹孔的限制。 ??? 还由于转化催化剂工作的条件十分苛刻,因此催化剂的载体材料就必须由粗糙的、耐久的耐火材料制成(硅或铝)。而其热传递性能改善的可能性就变得极小。但是可以通过设计催化剂颗粒的形状,使得颗粒间的接触面积达到最大。特别是要通过使用先进的填充方法,使得催化剂的颗粒能够被相互紧密接触、堆积,最后被均匀地装填在反应管内。事实上,这也正是转化催化剂制造商,在完成了催化剂的结构设计之后,所要进行的最为重要的工作之一。 2.0? 催化剂完美装填的重要性 ??? 对于整个转化炉的运行以及转化炉管中的催化剂的寿命来说,催化剂在

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