现代科技综述知识文库：新型薄层反应器

1、现代科技综述系列新型薄层反应器科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“新型薄层反应器”的解读，以供大家了解。新型薄层反应器反应在较薄的催化剂床层区中进行，避免二次副反应发生，并利用反应器本身良好的轴向导热性能，将强放热反应的反应热移出，同时用此反应热预热反应原料，使反应平稳和持续地进行，以防止反应器中催化剂床层超温，是多相催化反应中近期正在探索的一类新型固定床反应器，在反应温度高、速度快的强放热型催化反应中有广阔的应用背景。众所周知，许多催化反应常需要在较高温度下进行，并伴有强烈的反应热放出，这些因素使得普通固定床反应器的操作和控制变得非常

2、困难，极易造成体系的飞温现象，使反应器的材质选择十分困难，同时使催化剂烧结失活，选择性下降。因此为了获得最佳的反应效果，除了应开发具有优异性能的催化剂外，人们还在新型催化反应器的理论研究、设计和开发上作了大量工作。对于强放热反应，过去应用较多且比较成熟的反应器为流化床反应器和列管式反应器。对于流化床，由于增加了流体与催化剂颗粒之间的传热和传质面积，反应热可较快移出，避免了局部过热和反应飞温。但是反混现象使反应的选择性有所下降，催化剂强度不好时，磨损现象将十分严重，因而在使用流化床时，许多方面均受到限制。列管式反应器也是适用于放热反应的一类反应器，这类反应器中，气体在床层中接近活塞流，无返混现象

3、，有利于提高反应的选择性。但是由于其结构复杂，特别是对在高温下发生的强放热反应，热交换介质的选择倍受限制，其加工制造较不方便。薄层反应器的概念在已工业化的许多生产过程中已有所应用。例如，工业上由氨氧化制硝酸的第一步反应：NH3+O2NO+H2O是一个强放热反应，反应在低温时，选择性不好会发生氨分解的副反应，一般需要反应温度大于800，由于反应温度很高，而且又是强放热反应，催化剂床层易超温，作为催化剂的Pt-Rh合金网容易损坏。因此，工业上采用仅由约十层左右PtRh网构成的薄层催化剂床层，反应于800900进行，在000100001s中即可完成。采用薄层反应器的工业化过程，类似的还有由氨、甲烷氧

4、化制氢氰酸的过程，甲醇氧化制甲醛的过程等。近年来，如何利用丰富的天然气资源(主要是甲烷)制取有用的化工原料已成为当今全世界瞩目的热点课题。1982年开勒(GEKeller)等首先报导了甲烷偶联制乙烯的催化过程，该过程主要包括如下反应：CH4+O2C2H4+H2O CH4+O2C2H6+H2O C2H4+C2H6+O2CO2+CO+H2OCH4+O2CO2+CO+H2O 总包反应为一个强的放热反应，甲烷转化率为25%时，绝热反应温升可达1000以上，如何使反应平稳发生，并能取得较好的C2H4、C2H6收率是当前面临的一个关键问题。筛选开发出活性高选择性好的催化剂是实现这个目标的一个方面，而另一方

5、面，反应工艺过程的研究(主要是反应器的设计)对于提高反应的选择性也是至关重要的，这方面的研究现已受到了人们的高度重视。如前所述，由于甲烷氧化偶联制乙烯是一个强放热反应，使用简单的固定床反应器实现工业化，几乎是不可能的。而对于流化床及列管式反应器，也存在着上面所述的诸多限制。在这种情况下，美国雷生(DWLeyshon)在吸取了已工业化生产的氨氧化等过程成功经验的基础上，于1989年底提出了新型薄层反应器的概念，即在这类反应器中，不光催化剂的床层较薄，而且利用反应器本身良好的轴向传热性质，将反应区内的反应热移出，并用这部分热量来预热低温区的反应原料，使反应器内的温度分布比较均匀，防止催化剂床层局部

6、超温，使反应平稳进行，从而获得较好的反应结果。初步的实验结果表明，在雷生所设计的薄层反应器内(催化剂装量达72g)，甲烷氧化偶联反应的甲烷转化率、乙烯和乙烷的总选择性及收率分别达到了261%、715%和186%。在这样大的反应器规模下，获得了如此高的乙烯和乙烷收率在现阶段已属于国际领先水平。同时该类反应器还有如下优点：由于该反应器内利用了反应放热来预热反应原料，所以在反应时，不需要高温的原料预热器；由于催化剂床层较薄，反应的压力降较低；由于反应区内温度分布均匀，反应中所需添加的水蒸汽量明显减少。在国内，笔者所在的课题组，从1991年初开始，进行了新型薄层反应器的探索及其在强放热反应中的应用的研

7、究，现已取得了初步的进展，结合甲烷氧化偶联制乙烯这个强放热反应，在3040ml催化剂装量规模的反应器内已取得了甲烷转化率25%30%，乙烯乙烷总选择性约60%，乙烯乙烷总收率15%17%的较好结果。反应器利用不锈钢本身的良好传热性能将甲烷氧化偶联的大量反应热轴向传导至低温原料区，预热反应原料，使反应器内催化剂的床层温度分布较为均匀，从而使得反应的选择有了较明显的改善。新型薄层反应器的研究，现仍处于初始阶段，许多问题还需深入系统地进行研究。例如，反应器内的温度分布和浓度分布规律，传热传质规律等。搞清这些问题，可使薄层反应器尽快应用到甲烷氧化偶联制乙烯的工业放大性实验中去。可以预计，新型薄层反应器不光在甲烷氧化偶联制乙烯的反应中有明显的应用前景，而且在其他高温下发生的强放热反应中也有广阔的潜在应用前景。【参考文献】： 1 王文兴编着工业催化北京：化学工业出版社，1978，198 2 Keller G E,et al. Joural ofCatalysis, 1982,73: 9 3 Amnomiya Y, et al. CatalysisReview-Science and Engineering, 1990,32(3): 163 4 Leyshon D W.U S Pat,4,886,932 5 Leyshon D W. Study in Surface Sci