6精细化工过程与设备_第五课_固定床反应.ppt

精细化工过程与设备 授课教师 张大德代 第五章 固定床反应器 §5.1 固定床反应器的特点 凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备称为固定床反应器,而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器，在工业生产中应用最为广泛。如乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应都在固定床反应器中进行。 固定床反应器之所以成为气固相反应器的主要形式，是和它具有下述优点分不开的。 （1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动。因此其化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应体积较小。 （2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。 （3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 （4）适宜于在高温高压下操作。 第五章 固定床反应器 固定床反应器由于固体催化剂在床层静止不动，也存在一些缺点： （1）化学反应总是伴随着热效应，温度对反应速度影响很大，反应过程要求及时移走或供给热量，但在固定床内，由于催化剂载体往往导热性不良，流体流速受压降限制又不能太大，这就造成了传热和温度控制上的困难。对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度降低，反应速度减慢，使传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高温度点，称为“热点”。如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制，称为“飞温”。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。 所以，固定床反应器从结构到操作控制所作的种种改进，大多数是为了解决这个问题。 （2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破环了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。 （3）催化剂的再生、更换均不方便。 第五章 固定床反应器 随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适应不同的转热要求和转热方式。主要分为绝热式和换热式两大类。 绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有下列特点：床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒直径之比一般超过100；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。 换热式固定床反应器一列管式为多，通常管内装催化剂，管间走载热体，一般有下列特点：催化剂的颗粒小于管径的8倍；利用载热体来移走或供给热量，床层温度维持稳定。 第五章 固定床反应器 §5.2 固体催化剂床层内流体的传质和传热 由于固定床反应器是反应物料流经固体催化剂所构成的床层进行化学反应的反应设备，固体催化剂本身及其构成的催化剂床层对反应有着重要影响，因此了解固体催化剂、床层以及反应物料在床层内的流动是很重要的。 一，固体催化剂组成 固体催化剂通常不是单一的物质，而是有多种物质组成，绝大多数工业催化剂有三类可以区分的组分，即活性组分、助催化剂、载体。 1，活性组分（或主催化剂）， 它是催化剂的主要成分，是起催化作用的根本性物质，没有它，就不存在催化作用。活性组分有时由一种物质组成，如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，活性组分就是银单一物质；有时则由多种物质组成，如丙烯氨化氧化制丙烯腈用的钼-铋催化剂，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。 2，助催化剂， 一些本身对某一反应没有活性或活性很小，但添加少量于催化剂中（一般小于催化剂总量的10%）却能使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性的物质称为助催化剂。例如，用于脱水的AI2O3催化剂可用CaO、MgO、ZnO作为助催化剂。 第五章 固定床反应器 3，载体， 载体是固体催化剂所特有的成分，它起增大表面积、提高耐热性和机械强度的作用，有时还能担当助催化剂的角色。它与助催化剂的不同之处在于，载体在催化剂中的含量远大于助催化剂。 载体是催化活性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架，将活性组分、助催化剂组分负载于载体上所得到的催化剂，称为负载型催化剂。负载型催化剂的载体，其物理结构和性质，往往对催化剂有决定性的影响。