[工学]陈甘棠主编化学反应工程第六章.ppt

第六章 固定床反应器 6.1概述 其中尤以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-固相催化反应器占有最主要的地位。 如，合成氨、硫酸、合成甲醇——基本化学工业 环氧乙烷的制备、乙苯脱氢制苯乙烯及炼油厂中的铂重整等——石油化工工业 红热焦炭中通入水蒸气制备水煤气，矿物的焙烧、还原——非催化反应 2、固定床反应器的特点 催化剂不易磨损非失活可长期使用 固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性。 反应速率快，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力； 停留时间可以严格控制，温度分布可适当调节 反应器的操作方便、操作弹性较大。 -----大生产占优势 缺点： 传热较差，结果就是对于热效应大的反应过程，传热与控制温度成为固定床技术的难点 催化剂颗粒的更换费事，必须停产进行。不适于容易失活的催化剂。 3、固定床反应器类型 固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类： 绝热式固定床反应器， 多段绝热式固定床反应器， 列管式固定床反应器， 自热式反应器。 3、固定床反应器类型 （1）.绝热式固定床反应器 反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。 结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。 固定床反应器类型 典型的绝热反应是乙苯脱氢制苯乙烯。过程简述如下： 反应需供热140kJ/mol，依靠加入2.6倍乙苯质量的高温水蒸气（710°C），乙苯与水蒸气混合后在630°C加入固定床。反应吸热，离开时温度下降到565°C。水蒸气的作用不仅是它可以安全地被预热到高温，热容量大。因此可以带走大量的显热，而且还起了稀释作用，降低了乙苯的分压，使反应的平衡向更有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率。 此外水蒸气还有使催化剂上的结炭随时得到再生从而保持反应器得以长期连续运转的功能。反应后的产物只需简单的冷凝即可与水分开。 固定床反应器类型 （2）.多段绝热式固定床反应器 热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。 换热量不太大时可采用层间加入盘管的形式。如环己醇脱氢制备环己酮，丁二醇脱水制丁二烯等。 如乙炔加氢，放热177kJ/mol，为防止温度上升使乙炔收率下降，在层间喷水，利用水的汽化来吸收热量。 近代的大型合成氨反应器也采用中间冷激的多段绝热床的形式 固定床反应器类型 总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用是相当广泛的，特别对于大型的，高温或高压的反应器，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。 但绝热床的温度变化总是较大的，由于温度对反应的影响同样不可忽视，故要综合分析并根据实际情况来决定。 使用绝热床时要注意高径比不能过大，床层催化剂的填充一定要均匀，要注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀分布 （3）.列管式固定床反应器 热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。 反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25 -50㎜，管数可达万根以上。一般管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。 管径的大小要根据反应热和允许的温度情况而定。催化剂的粒径应小于管径的8倍，以防近壁处出现沟流（壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大）。 但同时粒径越小，流体流动时的压降越大，而床层压降的出现也是在生产实际上的重要限制因素之一。因此固定床用的粒径约为2~6mm不小于1.5mm。 传热用的热载体最常用的是水，通过调节压力可在100~300°C的范围应用。对于600°C以上的高温反应，只能用烟道气作为热载体。 乙炔与氯化氢合成氯乙烯是一种典型的列管式换热器固定床基本单元组合。反应放热109kJ/mol，管外用沸腾水传热，使管内温度控制在150~180°C，水的循环是靠位能或外加循环泵来实现的，水温则靠蒸汽出口的调节阀控制一定的压力来保持。应使床层处于热水或沸腾水的条件下进行换热。 固定床反应器类型 固定床反应器类型 固定床反应器类型 列管式反应器优点： 传热较好，管内温度较易控制； 返混小、选择性较高； 只要增加管数，便可有把握地进行放大； 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂 适用: 原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况