应用化工技术专业《气固相固定床催化反应器的结构》.pdf

二、气固相固定床催化反响器的结构

〔一〕绝热式固定床反响器

绝热式固定床反响器内部无换热构件，只有一段催化剂床层

的称为单段绝热式，有多段催化剂床层的称为多段绝热式。绝热

式反响器结构简单、造价低、反响器内体积可以充分利用，一般

用于反响热较小，反响温度允许波动范围较宽的场合。

1.单段绝热式固定床反响器

单段绝热式固定床反响器是在一个中空圆筒的底部放置搁板

〔支撑板〕，在搁板上堆积固体催化剂。反响气体经预热到适当

温度后，从圆筒体上部通入，经过气体预分布装置，均匀通过催

化剂层进行反响，反响后的气体由下部引出，如图9所示。

这类反响器结构简单，生产能力大。对于反响热效应不大，

反响过程允许温度有较宽变动范围的反响过程，常采用此类反响

器。

一个典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯，反响需热140kJ/mol，

这是靠参加2.6倍〔质量〕于乙苯的高温水蒸气〔710℃〕来供

给的。乙苯与水蒸气混合后在630℃入催化剂床层，而离床时那

么因反响吸收热量而降到565℃。单段绝热式一般适用于绝热温

升较小的反响。以天然气为原料的大型氨厂中的一氧化碳中〔高〕

温变换及低温变换甲烷化反响都采用单段绝热式。

对于热效应较大的反响只要对反响温度不很敏感或是反响速

率非常快的过程，有时也使用这种类型的反响器。例如甲醇在银

或铜的催化剂上用空气氧化制甲醛时，虽然反响热很大，但因反

响速率很快，那么只用一薄薄的催化剂床层即可，如图10所示。

此一薄层为绝热床层，下段为一列管式换热器。反响物预热到

383K，反响后升温到873~923K，就立即在很高的混合气体线速

度下进人冷却器，防止甲醛进一步氧化或分解。

单段绝热式固定床反响器的缺点是反响过程中温度变化较

大。当反响热效应较大而反响速率较慢时，绝热升温必将使反响

器内温度的变化超出允许范围。多段绝热式固定床反响器是为弥

补此缺乏而提出的。

2.多段绝热式固定床反响器

多段绝热式固定床反响器中，反响气体通过第一段绝热床反

响至一定的温度和转化率时，将反响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响。反响和冷却〔或加热〕过

程间隔进行，根据反响的特征，一般有二段、三段或四段绝热床。

根据段间反响气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间间

接换热式〔中间换热式〕和冷激式。中间间接换热式是在段间装

有换热器，其作用是将上一段的反响气冷却，同时利用此热量将

未反响的气体预热或通入外来载热体取出多余反响热，图11〔a〕

是在两个单层绝热反响器之间加换热器来调节温度的。如炼油工

业中的重整就有用四台反响器的，而在每两台之间有一加热炉，

把因吸热而降温的物料重新加热升温，以进入下一段去反响。图

11〔b〕的情况与图11〔a〕相仿，水煤气转化及二氧化硫的氧

化就常用图11〔b〕或图11〔a〕的方式。图11〔c〕是在层间参

加换热盘管的方式。二氧化硫氧化等常用多段间接换热式。由于

这种换热装置效率不高，而且层间容积不能太大，因此只适用于

换热量要求不太大的情况。如环己醇脱氢制环己酮及丁二醇脱水

制丁二烯等。

中间间接换热式是用热交换器使冷、热流体通过管壁进行热

交换，而冷激式那么是用冷流体直接与上一段出口气体混合，以

降低反响温度。图11〔e〕所示是用尚未反响的原料气作冷流体

的，称为原料气冷激式。图11〔d〕所示是用非关键组分的反响

物作冷流体的，称为非原料气冷激。冷激式反响器结构简单，便

于装卸催化剂，内无冷管，防止由于少数冷管损坏而影响操作，

特别适用于大型催化反响器。工业上高压下操作的反响器如大型

氨合成塔、一氧化碳和氢合成甲醇常采用冷激式反响器。

总之，绝热式固定床的应用是相当广泛的，特别对大型的、

高温的或高压的反响器，希望结构简单，同样大小的装置内能容

纳尽可能多的催化剂以增加生产能力〔少加换热空间〕，而绝热

床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比拟大的，

而温度对反响结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综

合分析并根据实际情况来决定。

〔1〕间接换热式催化剂床层温度分布

间接换热式反响器在段间设置列管式换热器，它可以安置在

反响器设备内或反响器设备外。对于放热反响，段间冷却不仅为

满足操作要求，而且也利用反响气体的热量预热进口原料或用水

作冷却剂来副产蒸汽。换热器内只是物料温度降低，没有浓度的

变化，所以冷却线是水平线。与单段反响器相同，各段操作线