反应器基本原理节分析.ppt

§ 6 气固相固定床催化反应器 气固相催化反应器是近代化学工业上最普遍采用的反应器之一，主要有两种形式： （1）气固相固定床催化反应器； （2）气固相流化床催化反应器。 气固相固定床催化反应器 （1）物料状态特点：固体催化剂处于静止不动状态，气相为连续流动状态。 （2）可运用体系：合成氨、合成甲醇、水煤气变换、二氧化硫氧化、氨氧化、临苯二甲酸酐氧化为苯酐、乙烯水合制乙醇、乙烯氧化为环氧化物、乙苯脱氢制苯烯、乙烯合成制氯乙烯、铂重整等。 （3）优点：结构简单，操作稳定，便于控制。 6-1 固定床催化反应器的结构和类型 气固相在固定床中反应的特点，是当原料气体通过固体催化剂床层时，催化剂的粒子静止不动。正是由于这一特点，床层的导热性能不好，床层温度分布不易均匀。因此在其设备结构上必须要考虑保证气固良好的接触。 对于一些反应热较大的过程，为了避免床层温度的剧烈升高，必须采用各种换热方式把热量移出。相反，对强吸热反应就要设法供给热量。即便如此，反应床层也仍难保持等温。所以绝大多数固定床反应器是属于非等温式反应器。 非等温式反应器分类： （1）绝热变温式反应器； （2）非绝热变温式反应器，分为外部换 热式和自然换热式。 圆筒绝热式反应器 绝热反应器是反应过程中不与外界进行任何热量交换的。实际上，要使反应器对外界的热损失等于零是不可能的，这只是个理想的概念。 绝热反应器适用范围：使用于反应热效应较小、温度变化对反应过程影响不大、反应的单程转化率较低的情况。另外，对于热效应较大的反应，只要反应对温度不很敏感（即副反应不严重的情况），或是反应速度非常快的，有时也可以使用这种类型的反应器。 例一，乙烯水合反应，其反应放热量较小，q298 ＝ 44170 [kJ/kmol]，而且反应过程中乙烯的单程转化率只有4％～5％，工业上就采用了绝热式固定床反应器。 其构造如图4-37所示，其外型呈圆筒形状，在其下部装有栅栏，上面盛放催化剂，气体一般从上部导入，经分布装置均匀地通过催化剂床层而从下部导出。 例二，甲醇在银或铜催化剂上用空气氧化制取甲醛时，虽然反应热很大，但因反应速度很快，因此，可用一层薄薄的催化剂床层，如图4-38所示。 此一薄层为绝热，下段为一列管式换热器。反应物预热到383 [K]，绝热反应后升温到873 [K]就立刻在高的混合气体线速度下进入冷却器，以防止甲醛进一步氧化或裂解，此外，甲醇氧化反应在高温下往往伴随以燃烧，故又常在加料中部分水（因为水的汽化热加大，并能适当增加线速度）以控制温度不至过高。 多段绝热式反应器 当反应热效应较大，而反应速度又不能像甲醇氧化那么快时，催化剂床层不能很薄，其“绝热温升” 必将使反应器内温度变化超过允许的范围。这种情况下绝热式反应器床层就要改为多段式，以便在段间降温。 绝热温升：对于一个放热反应，反应过程所放出的热量假定完全用来提高系统内的物料温度，这个温度的提高称为“绝热温升”。 多段式反应器分类 （1）中间换热式多段绝热反应器。如图4-39所示，反应器分为四段，段与段间装设有热交换器，其作用是将上一段的反应气冷却，同时利用热量将未反应的气体预热，使冷、热流体进行热交换。 换热设备可放在反应器内，也可放在反应器外，工业上二氧化硫的氧化所用的就是这种反应器。 （2）冷激式多段绝热反应器，也称直接换热式反应器，它与间接换热式的区别在于换热方式： 间接换热式是用热交换器使冷、热流体通过管壁进行热的间接交换； 冷激式用冷激气直接与热气体混合，以降低气体的温度。根据使用冷激气体的不同，这种反应器又可分为原料气冷激式反应器和非原料气冷激式反应器。 图4-40即为原料气冷激式反应器。乙醛加氢反应和近年来合成氨的大型生产中多采用原料气冷激式反应器来代替原有的自热式反应器。 非原料气冷激式反应器不同于原料气冷激式反应器的，只是使用的冷激剂不是原料气。它常是采用反应气中对反应有利的某一组分作为冷激剂，如水煤气变换炉中加入水，水气化使温度大大降低，并提高了原料气中水蒸气的分压，因而又有利于反应的转化。 冷激式与间接换热式相比： （1）优点是节省热交换器，而且各段温度的调节比较灵活简单；（2）缺点是由于多加了原料气，处理量加大，因而催化剂的用量较多。非原料气冷激，还受到是否有合适的冷激剂的限制。 非绝热外部换热列管式反应器 在反应热较大的生产中，广泛使用的是列管式反应器，它的特点是在反应区就进行热量交换，这也是和绝热反应器最根本的区别。它类似于管壳式的换热器，填充催化剂置于一方