固定床催化剂的选择

1、任务任务2 2 固定床催化反应器的选择固定床催化反应器的选择一、一、固定床催化反应器的分类固定床催化反应器的分类二、二、气固相固定床催化反应器的结构气固相固定床催化反应器的结构三、气固相催化反应器的选择作业三、气固相催化反应器的选择作业工作任务：工作任务： 根据化工产品的反应特点、传热要求和传热方式根据化工产品的反应特点、传热要求和传热方式选择合适类型的固定床催化反应器选择合适类型的固定床催化反应器固定床反应器绝热式换热式对外换热式自热式单段绝热式多段绝热式中间间接换热式冷激式原料气冷激式非原料气冷激式按按传热要求传热要求和和传热方式传热方式分分按按换换热热介介质质分分按按段段间换间换热方热方

2、式式分分按按冷冷流体流体是否是否为原为原料气料气分分一、一、固定床催化反应器的分类固定床催化反应器的分类按按催催化化剂剂床床层层数数分分1、绝热式固定床反应器、绝热式固定床反应器绝热式绝热式：反应体系内部与外部没有热量交换。：反应体系内部与外部没有热量交换。特点特点： 结构简单结构简单 催化剂均匀催化剂均匀 d床床远大于远大于d催催 H床床/ d催催一般超过一般超过100 与与 外界没有热量交换外界没有热量交换 床层温度沿物料的流向而变化。床层温度沿物料的流向而变化。适应的条件：适应的条件：反应热较小，反应温度允许波动较宽的场合。反应热较小，反应温度允许波动较宽的场合。类型类型：单段式和多段式

3、：单段式和多段式二、气固相固定床催化反应器的结构二、气固相固定床催化反应器的结构（1）单段式：只有）单段式：只有一段催化剂一段催化剂床层。一方面适应床层。一方面适应绝热温升较小绝热温升较小的的反应（如：反应（如：乙苯脱氢制苯乙烯乙苯脱氢制苯乙烯、CO变换、甲烷化反应等）。变换、甲烷化反应等）。1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器另一方面也适应反应对温度不敏感或另一方面也适应反应对温度不敏感或反应速率非常快反应速率非常快的反应的反应（如：甲醇氧化制甲醛）。（如：甲醇氧化制甲醛）。催化剂床层催化剂床层列管式换热器列管式换热器1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器中间间接换热式中间间接换热式（

4、2）多段式：有）多段式：有多段催化剂多段催化剂床层，床层，反应反应和和冷却冷却间隔进行。间隔进行。适应适应反应热效应较大，反应速率慢的反应。反应热效应较大，反应速率慢的反应。中间间接换热式中间间接换热式：床层间加换热器（加热炉），调节温度。如：床层间加换热器（加热炉），调节温度。如：炼油工业的重整反应炼油工业的重整反应1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器（2）多段式：有）多段式：有多段催化剂多段催化剂床层，床层，反应反应和和冷却冷却间隔进行。间隔进行。适应场合：适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。反应热效应较大，反应速率慢的反应。中间间接换热式中间间接换热式中间间接换热式中间间接换

5、热式：床层间加换热器（），调节温度。如：床层间加换热器（），调节温度。如：水煤气转换、二氧化硫的水煤气转换、二氧化硫的氧化反应氧化反应1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器中间间接换热式中间间接换热式（2）多段式：有）多段式：有多段催化剂多段催化剂床层，床层，反应反应和和冷却冷却间隔进行。间隔进行。适应场合：适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。反应热效应较大，反应速率慢的反应。换热盘管换热盘管中间间接换热式中间间接换热式：床层间加换热器（换热盘管），调节温度。如：床层间加换热器（换热盘管），调节温度。如：环己醇脱氢制环己酮环己醇脱氢制环己酮及丁二醇脱水制丁二烯及丁二醇脱水制丁二烯 。

6、1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器原原料料气气冷冷激激式式（2）多段式：有）多段式：有多段催化剂多段催化剂床层，床层，反应反应和和冷却冷却间隔进行。适应间隔进行。适应反应反应热效应较大，反应速率慢的反应。热效应较大，反应速率慢的反应。冷激式冷激式：用冷流体直接与上一段出口气体混合来实现降温。多适应于工业上高压力操用冷流体直接与上一段出口气体混合来实现降温。多适应于工业上高压力操作的反应器。如：作的反应器。如：大型氨合成塔、一氧化碳和氢合成甲醇大型氨合成塔、一氧化碳和氢合成甲醇 。非非原原料料气气冷冷激激式式1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器（3）多段式催化床层温度的分布：）多段式催

7、化床层温度的分布：间接换热式催化剂床层温度分布间接换热式催化剂床层温度分布和和冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器 三段中间间接换热催化反应器及其操作状况三段中间间接换热催化反应器及其操作状况1一催化床；一催化床；2一换热器一换热器间接换热式催化剂床层绝热操作方程间接换热式催化剂床层绝热操作方程绝热操作线方程式：绝热操作线方程式：表达表达温度温度与与转化率转化率的的关系。关系。反应热效应、绝热温反应热效应、绝热温升、热熔、密度一定升、热熔、密度一定时，反应段斜率相同时，反应段斜率相同A-B 反应 xB-C 换热 x不变

8、C-D 反应 xD-E 换热 x不变E-F 反应 xF-G 换热 x不变（3）多段式催化床层温度的分布：）多段式催化床层温度的分布：间接换热式催化剂床层温度分布间接换热式催化剂床层温度分布和和冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器冷激式催化剂床层绝热操作方程冷激式催化剂床层绝热操作方程（原料气冷激原料气冷激-SO2氧化）氧化）三段原料气冷激式催化反应器及其操作状况三段原料气冷激式催化反应器及其操作状况1一催化床；一催化床；2一换热器一换热器A-B 反应 xB-C 换热 xC-D 反应 xD-E 换热 xE-F 反应 xF

9、-G 换热 x不变由于生成物与原料气由于生成物与原料气的比例发生变化，的比例发生变化， B-C、 D-E换热阶段换热阶段转化率下降。转化率下降。（3）多段式催化床层温度的分布：）多段式催化床层温度的分布：间接换热式催化剂床层温度分布间接换热式催化剂床层温度分布和和冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器冷激式催化剂床层绝热操作方程（冷激式催化剂床层绝热操作方程（非原料气冷激非原料气冷激乙炔加氢）乙炔加氢）三段非原料气冷激式催化反应器及其操作状况三段非原料气冷激式催化反应器及其操作状况1一催化床；一催化床；2一换热器一换热器

10、A-B 反应 B-C 换热C-D 反应D-E 换热E-F 反应F-G 换热非主要成分的加非主要成分的加入使主要成分浓入使主要成分浓度降低，造成度降低，造成A-B、 C-D、E-F斜斜率不同。率不同。小结小结 总之，绝热式固定床的应用是相当广泛的，特别对总之，绝热式固定床的应用是相当广泛的，特别对大型的大型的、高温的高温的或或高压的高压的反应器，希望反应器，希望结构简单结构简单，同样大小的装置内能，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力生产能力（少加换热空间），（少加换热空间），而而绝热床正好能符合这种要求绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的。不过绝热床

11、的温度变化温度变化总是比较总是比较大大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取的，而温度对反应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。舍，要综合分析并根据实际情况来决定。1.绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器2、换热式固定床反应器、换热式固定床反应器 概述概述：换热式固定床反应器以换热式固定床反应器以列管式列管式为多，通常管为多，通常管内内装装催化剂催化剂，管，管间间 走走载热体载热体。 适应条件适应条件：当热效应比较大时，为了维持适宜反应温度，必须用换热当热效应比较大时，为了维持适宜反应温度，必须用换热 介质移走或供给热量。介质移走或供给热量。

12、特点特点： 催化剂的粒径小于管径的催化剂的粒径小于管径的8倍；倍； 利用载热体来移走或供给热量，床层温度维利用载热体来移走或供给热量，床层温度维 持稳定。持稳定。 分类分类：按换热介质分为：按换热介质分为：外换热式外换热式和和自热式自热式列管式反应器的特点：列管式反应器的特点： 传热效果好；传热效果好；接近理想置换流，反应速率快、选择性高接近理想置换流，反应速率快、选择性高；易控制床层温度；易控制床层温度；结构比较复杂；结构比较复杂；设备费用高。设备费用高。（1）外换热式：以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为）外换热式：以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为列管式结构列管式结构，

13、如下图。，如下图。2、换热式固定床反应器、换热式固定床反应器载热体选择：载热体选择： 低于低于240-加压热水加压热水 250300 -导热油导热油 300 -熔盐（熔盐（KNO353%，NaNO27%、NaNO340%） 600700左右左右-烟道气烟道气 其他其他-熔融金属熔融金属/沸腾金属沸腾金属（1）外换热式：以各种）外换热式：以各种载热体载热体为换热介质的对外换热式反应器多为为换热介质的对外换热式反应器多为列管式结构。列管式结构。2、换热式固定床反应器、换热式固定床反应器外换热式外换热式-以以加压热水加压热水作为载热体作为载热体原理：原理： 借助水的汽化移走反应热借助水的汽化移走反应

14、热 传热效率高传热效率高优点：优点： 有利于控制床层温度有利于控制床层温度 提高反应速率提高反应速率生产实例：生产实例： 乙烯氧化制环氧乙烷（右图）乙烯氧化制环氧乙烷（右图） 乙烯乙酰基氧化制醋酸乙烯乙烯乙酰基氧化制醋酸乙烯 以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图1-列管上花板；列管上花板；2-反应列管；反应列管；3-膨胀圈；膨胀圈；4-汽水分离器；汽水分离器；5-加压热水泵加压热水泵外换热式外换热式-以以道生油道生油作载热体作载热体原理：原理：反应器外部设置载热体反应器外部设置载热体冷却器，移出的反应热。冷却器，移出的反应热。副产中压蒸汽。副产中压蒸

15、汽。以道生油作载热体的固定床反应装置示意图以道生油作载热体的固定床反应装置示意图1-列管上花板；列管上花板；2、3-折流板；折流板；4-反应列管；反应列管；5-折流板折流板固定棒；固定棒；6-人孔；人孔；7-列管下花板；列管下花板；8-载热体冷却器载热体冷却器外换热式外换热式-以以熔盐熔盐作载热体作载热体原理：原理：熔盐移走反应热熔盐移走反应热在冷却器中冷却并产生在冷却器中冷却并产生高压水蒸气。高压水蒸气。生产实例：生产实例：丙烯氨氧化丙烯氨氧化制丙稀腈（右图）制丙稀腈（右图）以熔盐为载热体的反应装置示意图以熔盐为载热体的反应装置示意图1-原料气进口；原料气进口；2-上头盖；上头盖；3-催化剂

16、列管；催化剂列管；4-下头盖；下头盖；5-反应气出口；反应气出口；6-搅拌器；搅拌器；7-笼式冷却器笼式冷却器原理：原理：反应器放在用耐火砖砌反应器放在用耐火砖砌成的加热炉内成的加热炉内以高温烟道气为载体，以高温烟道气为载体，将反应所需热量在反应将反应所需热量在反应管外通过管壁传给催化管外通过管壁传给催化剂层剂层生产实例：生产实例：乙苯催化脱乙苯催化脱氢制备苯乙烯。氢制备苯乙烯。以烟道气为载热体的反应装置示意图以烟道气为载热体的反应装置示意图1-催化剂列管；催化剂列管；2-圆缺挡板；圆缺挡板；3-加热炉；加热炉；4-喷嘴；喷嘴；外换热式外换热式-以以烟道气烟道气作载热体作载热体固定床催化反应器

17、的固定床催化反应器的热点热点温度及温度及降低措施降低措施概念：沿固定床催化剂床层轴向上，存在温度分布（如下图），概念：沿固定床催化剂床层轴向上，存在温度分布（如下图），其中最高温度称为其中最高温度称为热点温度热点温度。轴向轴向的温度分布主的温度分布主要决定于沿轴向各要决定于沿轴向各点的点的放热速率放热速率和管和管外载热体的外载热体的移热速移热速率。率。 热点温度存在的危害热点温度存在的危害热点温度的控制方法热点温度的控制方法在原料气中带入微量的抑制剂，使催化剂部分中毒（乙烯环氧化中加入少在原料气中带入微量的抑制剂，使催化剂部分中毒（乙烯环氧化中加入少量量1,2-二氯乙烷）；二氯乙烷）；在入口放

18、置一定高度为惰性载体稀释的催化剂或已部分老化的催化剂，以在入口放置一定高度为惰性载体稀释的催化剂或已部分老化的催化剂，以降低入口处附近的反应速率，从而降低反应速率，使与移热速率尽可能平降低入口处附近的反应速率，从而降低反应速率，使与移热速率尽可能平衡；衡；采用分段冷却法，改变移热速率，使与放热速率尽可能平衡。采用分段冷却法，改变移热速率，使与放热速率尽可能平衡。3、固定床催化反应器的选择、固定床催化反应器的选择反应的特点反应的特点反应热效应反应热效应生产工艺要求生产工艺要求反应器自身特点反应器自身特点催化剂性能催化剂性能课后作业及思考题课后作业及思考题 1 1. .固定床催化反应器的分类及分类方式（用图）固定床催化反应器的分类及分类方式（用图） 2.2.绝热式绝热式/ /换热