固定床催化劑的選擇

1、任務(wù)任務(wù)2 2 固定床催化反應(yīng)器的選擇固定床催化反應(yīng)器的選擇一、一、固定床催化反應(yīng)器的分類(lèi)固定床催化反應(yīng)器的分類(lèi)二、二、氣固相固定床催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)氣固相固定床催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)三、氣固相催化反應(yīng)器的選擇作業(yè)三、氣固相催化反應(yīng)器的選擇作業(yè)工作任務(wù)：工作任務(wù)： 根據(jù)化工產(chǎn)品的反應(yīng)特點(diǎn)、傳熱要求和傳熱方式根據(jù)化工產(chǎn)品的反應(yīng)特點(diǎn)、傳熱要求和傳熱方式選擇合適類(lèi)型的固定床催化反應(yīng)器選擇合適類(lèi)型的固定床催化反應(yīng)器固定床反應(yīng)器絕熱式換熱式對(duì)外換熱式自熱式單段絕熱式多段絕熱式中間間接換熱式冷激式原料氣冷激式非原料氣冷激式按按傳熱要求傳熱要求和和傳熱方式傳熱方式分分按按換換熱熱介介質(zhì)質(zhì)分分按按段段間換間換熱方熱方

2、式式分分按按冷冷流體流體是否是否為原為原料氣料氣分分一、一、固定床催化反應(yīng)器的分類(lèi)固定床催化反應(yīng)器的分類(lèi)按按催催化化劑劑床床層層數(shù)數(shù)分分1、絕熱式固定床反應(yīng)器、絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式絕熱式：反應(yīng)體系內(nèi)部與外部沒(méi)有熱量交換。：反應(yīng)體系內(nèi)部與外部沒(méi)有熱量交換。特點(diǎn)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 催化劑均勻催化劑均勻 d床床遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于d催催 H床床/ d催催一般超過(guò)一般超過(guò)100 與與 外界沒(méi)有熱量交換外界沒(méi)有熱量交換 床層溫度沿物料的流向而變化。床層溫度沿物料的流向而變化。適應(yīng)的條件：適應(yīng)的條件：反應(yīng)熱較小，反應(yīng)溫度允許波動(dòng)較寬的場(chǎng)合。反應(yīng)熱較小，反應(yīng)溫度允許波動(dòng)較寬的場(chǎng)合。類(lèi)型類(lèi)型：?jiǎn)味问胶投喽问?/p>

3、：?jiǎn)味问胶投喽问蕉?、氣固相固定床催化反?yīng)器的結(jié)構(gòu)二、氣固相固定床催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)（1）單段式：只有）單段式：只有一段催化劑一段催化劑床層。一方面適應(yīng)床層。一方面適應(yīng)絕熱溫升較小絕熱溫升較小的的反應(yīng)（如：反應(yīng)（如：乙苯脫氫制苯乙烯乙苯脫氫制苯乙烯、CO變換、甲烷化反應(yīng)等）。變換、甲烷化反應(yīng)等）。1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器另一方面也適應(yīng)反應(yīng)對(duì)溫度不敏感或另一方面也適應(yīng)反應(yīng)對(duì)溫度不敏感或反應(yīng)速率非?？旆磻?yīng)速率非?？斓姆磻?yīng)的反應(yīng)（如：甲醇氧化制甲醛）。（如：甲醇氧化制甲醛）。催化劑床層催化劑床層列管式換熱器列管式換熱器1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器中間間接換熱式中間間接換熱式（

4、2）多段式：有）多段式：有多段催化劑多段催化劑床層，床層，反應(yīng)反應(yīng)和和冷卻冷卻間隔進(jìn)行。間隔進(jìn)行。適應(yīng)適應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。反應(yīng)熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。中間間接換熱式中間間接換熱式：床層間加換熱器（加熱爐），調(diào)節(jié)溫度。如：床層間加換熱器（加熱爐），調(diào)節(jié)溫度。如：煉油工業(yè)的重整反應(yīng)煉油工業(yè)的重整反應(yīng)1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器（2）多段式：有）多段式：有多段催化劑多段催化劑床層，床層，反應(yīng)反應(yīng)和和冷卻冷卻間隔進(jìn)行。間隔進(jìn)行。適應(yīng)場(chǎng)合：適應(yīng)場(chǎng)合：反應(yīng)熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。反應(yīng)熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。中間間接換熱式中間間接換熱式中間間接換熱式中間間接換

5、熱式：床層間加換熱器（），調(diào)節(jié)溫度。如：床層間加換熱器（），調(diào)節(jié)溫度。如：水煤氣轉(zhuǎn)換、二氧化硫的水煤氣轉(zhuǎn)換、二氧化硫的氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器中間間接換熱式中間間接換熱式（2）多段式：有）多段式：有多段催化劑多段催化劑床層，床層，反應(yīng)反應(yīng)和和冷卻冷卻間隔進(jìn)行。間隔進(jìn)行。適應(yīng)場(chǎng)合：適應(yīng)場(chǎng)合：反應(yīng)熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。反應(yīng)熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。換熱盤(pán)管換熱盤(pán)管中間間接換熱式中間間接換熱式：床層間加換熱器（換熱盤(pán)管），調(diào)節(jié)溫度。如：床層間加換熱器（換熱盤(pán)管），調(diào)節(jié)溫度。如：環(huán)己醇脫氫制環(huán)己酮環(huán)己醇脫氫制環(huán)己酮及丁二醇脫水制丁二烯及丁二醇脫水制丁二烯 。

6、1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器原原料料氣氣冷冷激激式式（2）多段式：有）多段式：有多段催化劑多段催化劑床層，床層，反應(yīng)反應(yīng)和和冷卻冷卻間隔進(jìn)行。適應(yīng)間隔進(jìn)行。適應(yīng)反應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。冷激式冷激式：用冷流體直接與上一段出口氣體混合來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫。多適應(yīng)于工業(yè)上高壓力操用冷流體直接與上一段出口氣體混合來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫。多適應(yīng)于工業(yè)上高壓力操作的反應(yīng)器。如：作的反應(yīng)器。如：大型氨合成塔、一氧化碳和氫合成甲醇大型氨合成塔、一氧化碳和氫合成甲醇 。非非原原料料氣氣冷冷激激式式1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器（3）多段式催化床層溫度的分布：）多段式催

7、化床層溫度的分布：間接換熱式催化劑床層溫度分布間接換熱式催化劑床層溫度分布和和冷激（直接換熱）式催化劑床層溫度分布冷激（直接換熱）式催化劑床層溫度分布1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器 三段中間間接換熱催化反應(yīng)器及其操作狀況三段中間間接換熱催化反應(yīng)器及其操作狀況1一催化床；一催化床；2一換熱器一換熱器間接換熱式催化劑床層絕熱操作方程間接換熱式催化劑床層絕熱操作方程絕熱操作線方程式：絕熱操作線方程式：表達(dá)表達(dá)溫度溫度與與轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率的的關(guān)系。關(guān)系。反應(yīng)熱效應(yīng)、絕熱溫反應(yīng)熱效應(yīng)、絕熱溫升、熱熔、密度一定升、熱熔、密度一定時(shí)，反應(yīng)段斜率相同時(shí)，反應(yīng)段斜率相同A-B 反應(yīng) xB-C 換熱 x不變

8、C-D 反應(yīng) xD-E 換熱 x不變E-F 反應(yīng) xF-G 換熱 x不變（3）多段式催化床層溫度的分布：）多段式催化床層溫度的分布：間接換熱式催化劑床層溫度分布間接換熱式催化劑床層溫度分布和和冷激（直接換熱）式催化劑床層溫度分布冷激（直接換熱）式催化劑床層溫度分布1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器冷激式催化劑床層絕熱操作方程冷激式催化劑床層絕熱操作方程（原料氣冷激原料氣冷激-SO2氧化）氧化）三段原料氣冷激式催化反應(yīng)器及其操作狀況三段原料氣冷激式催化反應(yīng)器及其操作狀況1一催化床；一催化床；2一換熱器一換熱器A-B 反應(yīng) xB-C 換熱 xC-D 反應(yīng) xD-E 換熱 xE-F 反應(yīng) xF

9、-G 換熱 x不變由于生成物與原料氣由于生成物與原料氣的比例發(fā)生變化，的比例發(fā)生變化， B-C、 D-E換熱階段換熱階段轉(zhuǎn)化率下降。轉(zhuǎn)化率下降。（3）多段式催化床層溫度的分布：）多段式催化床層溫度的分布：間接換熱式催化劑床層溫度分布間接換熱式催化劑床層溫度分布和和冷激（直接換熱）式催化劑床層溫度分布冷激（直接換熱）式催化劑床層溫度分布1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器冷激式催化劑床層絕熱操作方程（冷激式催化劑床層絕熱操作方程（非原料氣冷激非原料氣冷激乙炔加氫）乙炔加氫）三段非原料氣冷激式催化反應(yīng)器及其操作狀況三段非原料氣冷激式催化反應(yīng)器及其操作狀況1一催化床；一催化床；2一換熱器一換熱器

10、A-B 反應(yīng) B-C 換熱C-D 反應(yīng)D-E 換熱E-F 反應(yīng)F-G 換熱非主要成分的加非主要成分的加入使主要成分濃入使主要成分濃度降低，造成度降低，造成A-B、 C-D、E-F斜斜率不同。率不同。小結(jié)小結(jié) 總之，絕熱式固定床的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的，特別對(duì)總之，絕熱式固定床的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的，特別對(duì)大型的大型的、高溫的高溫的或或高壓的高壓的反應(yīng)器，希望反應(yīng)器，希望結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同樣大小的裝置內(nèi)能，同樣大小的裝置內(nèi)能容納盡可能多的催化劑以增加容納盡可能多的催化劑以增加生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力（少加換熱空間），（少加換熱空間），而而絕熱床正好能符合這種要求絕熱床正好能符合這種要求。不過(guò)絕熱床的。不過(guò)絕熱床

11、的溫度變化溫度變化總是比較總是比較大大的，而溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響也是舉足輕重的，因此如何取的，而溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響也是舉足輕重的，因此如何取舍，要綜合分析并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定。舍，要綜合分析并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定。1.絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器2、換熱式固定床反應(yīng)器、換熱式固定床反應(yīng)器 概述概述：換熱式固定床反應(yīng)器以換熱式固定床反應(yīng)器以列管式列管式為多，通常管為多，通常管內(nèi)內(nèi)裝裝催化劑催化劑，管，管間間 走走載熱體載熱體。 適應(yīng)條件適應(yīng)條件：當(dāng)熱效應(yīng)比較大時(shí)，為了維持適宜反應(yīng)溫度，必須用換熱當(dāng)熱效應(yīng)比較大時(shí)，為了維持適宜反應(yīng)溫度，必須用換熱 介質(zhì)移走或供給熱量。介質(zhì)移走或供給熱量。

12、特點(diǎn)特點(diǎn)： 催化劑的粒徑小于管徑的催化劑的粒徑小于管徑的8倍；倍； 利用載熱體來(lái)移走或供給熱量，床層溫度維利用載熱體來(lái)移走或供給熱量，床層溫度維 持穩(wěn)定。持穩(wěn)定。 分類(lèi)分類(lèi)：按換熱介質(zhì)分為：按換熱介質(zhì)分為：外換熱式外換熱式和和自熱式自熱式列管式反應(yīng)器的特點(diǎn)：列管式反應(yīng)器的特點(diǎn)： 傳熱效果好；傳熱效果好；接近理想置換流，反應(yīng)速率快、選擇性高接近理想置換流，反應(yīng)速率快、選擇性高；易控制床層溫度；易控制床層溫度；結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；設(shè)備費(fèi)用高。設(shè)備費(fèi)用高。（1）外換熱式：以各種載熱體為換熱介質(zhì)的對(duì)外換熱式反應(yīng)器多為）外換熱式：以各種載熱體為換熱介質(zhì)的對(duì)外換熱式反應(yīng)器多為列管式結(jié)構(gòu)列管式結(jié)構(gòu)，

13、如下圖。，如下圖。2、換熱式固定床反應(yīng)器、換熱式固定床反應(yīng)器載熱體選擇：載熱體選擇： 低于低于240-加壓熱水加壓熱水 250300 -導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油 300 -熔鹽（熔鹽（KNO353%，NaNO27%、NaNO340%） 600700左右左右-煙道氣煙道氣 其他其他-熔融金屬熔融金屬/沸騰金屬沸騰金屬（1）外換熱式：以各種）外換熱式：以各種載熱體載熱體為換熱介質(zhì)的對(duì)外換熱式反應(yīng)器多為為換熱介質(zhì)的對(duì)外換熱式反應(yīng)器多為列管式結(jié)構(gòu)。列管式結(jié)構(gòu)。2、換熱式固定床反應(yīng)器、換熱式固定床反應(yīng)器外換熱式外換熱式-以以加壓熱水加壓熱水作為載熱體作為載熱體原理：原理： 借助水的汽化移走反應(yīng)熱借助水的汽化移走反應(yīng)

14、熱 傳熱效率高傳熱效率高優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 有利于控制床層溫度有利于控制床層溫度 提高反應(yīng)速率提高反應(yīng)速率生產(chǎn)實(shí)例：生產(chǎn)實(shí)例： 乙烯氧化制環(huán)氧乙烷（右圖）乙烯氧化制環(huán)氧乙烷（右圖） 乙烯乙?；趸拼姿嵋蚁┮蚁┮阴；趸拼姿嵋蚁?以加壓熱水作載熱體的固定床反應(yīng)裝置示意圖以加壓熱水作載熱體的固定床反應(yīng)裝置示意圖1-列管上花板；列管上花板；2-反應(yīng)列管；反應(yīng)列管；3-膨脹圈；膨脹圈；4-汽水分離器；汽水分離器；5-加壓熱水泵加壓熱水泵外換熱式外換熱式-以以道生油道生油作載熱體作載熱體原理：原理：反應(yīng)器外部設(shè)置載熱體反應(yīng)器外部設(shè)置載熱體冷卻器，移出的反應(yīng)熱。冷卻器，移出的反應(yīng)熱。副產(chǎn)中壓蒸汽。副產(chǎn)中壓蒸

15、汽。以道生油作載熱體的固定床反應(yīng)裝置示意圖以道生油作載熱體的固定床反應(yīng)裝置示意圖1-列管上花板；列管上花板；2、3-折流板；折流板；4-反應(yīng)列管；反應(yīng)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-載熱體冷卻器載熱體冷卻器外換熱式外換熱式-以以熔鹽熔鹽作載熱體作載熱體原理：原理：熔鹽移走反應(yīng)熱熔鹽移走反應(yīng)熱在冷卻器中冷卻并產(chǎn)生在冷卻器中冷卻并產(chǎn)生高壓水蒸氣。高壓水蒸氣。生產(chǎn)實(shí)例：生產(chǎn)實(shí)例：丙烯氨氧化丙烯氨氧化制丙稀腈（右圖）制丙稀腈（右圖）以熔鹽為載熱體的反應(yīng)裝置示意圖以熔鹽為載熱體的反應(yīng)裝置示意圖1-原料氣進(jìn)口；原料氣進(jìn)口；2-上頭蓋；上頭蓋；3-催化劑

16、列管；催化劑列管；4-下頭蓋；下頭蓋；5-反應(yīng)氣出口；反應(yīng)氣出口；6-攪拌器；攪拌器；7-籠式冷卻器籠式冷卻器原理：原理：反應(yīng)器放在用耐火磚砌反應(yīng)器放在用耐火磚砌成的加熱爐內(nèi)成的加熱爐內(nèi)以高溫?zé)煹罋鉃檩d體，以高溫?zé)煹罋鉃檩d體，將反應(yīng)所需熱量在反應(yīng)將反應(yīng)所需熱量在反應(yīng)管外通過(guò)管壁傳給催化管外通過(guò)管壁傳給催化劑層劑層生產(chǎn)實(shí)例：生產(chǎn)實(shí)例：乙苯催化脫乙苯催化脫氫制備苯乙烯。氫制備苯乙烯。以煙道氣為載熱體的反應(yīng)裝置示意圖以煙道氣為載熱體的反應(yīng)裝置示意圖1-催化劑列管；催化劑列管；2-圓缺擋板；圓缺擋板；3-加熱爐；加熱爐；4-噴嘴；噴嘴；外換熱式外換熱式-以以煙道氣煙道氣作載熱體作載熱體固定床催化反應(yīng)器

17、的固定床催化反應(yīng)器的熱點(diǎn)熱點(diǎn)溫度及溫度及降低措施降低措施概念：沿固定床催化劑床層軸向上，存在溫度分布（如下圖），概念：沿固定床催化劑床層軸向上，存在溫度分布（如下圖），其中最高溫度稱(chēng)為其中最高溫度稱(chēng)為熱點(diǎn)溫度熱點(diǎn)溫度。軸向軸向的溫度分布主的溫度分布主要決定于沿軸向各要決定于沿軸向各點(diǎn)的點(diǎn)的放熱速率放熱速率和管和管外載熱體的外載熱體的移熱速移熱速率。率。 熱點(diǎn)溫度存在的危害熱點(diǎn)溫度存在的危害熱點(diǎn)溫度的控制方法熱點(diǎn)溫度的控制方法在原料氣中帶入微量的抑制劑，使催化劑部分中毒（乙烯環(huán)氧化中加入少在原料氣中帶入微量的抑制劑，使催化劑部分中毒（乙烯環(huán)氧化中加入少量量1,2-二氯乙烷）；二氯乙烷）；在入口放

18、置一定高度為惰性載體稀釋的催化劑或已部分老化的催化劑，以在入口放置一定高度為惰性載體稀釋的催化劑或已部分老化的催化劑，以降低入口處附近的反應(yīng)速率，從而降低反應(yīng)速率，使與移熱速率盡可能平降低入口處附近的反應(yīng)速率，從而降低反應(yīng)速率，使與移熱速率盡可能平衡；衡；采用分段冷卻法，改變移熱速率，使與放熱速率盡可能平衡。采用分段冷卻法，改變移熱速率，使與放熱速率盡可能平衡。3、固定床催化反應(yīng)器的選擇、固定床催化反應(yīng)器的選擇反應(yīng)的特點(diǎn)反應(yīng)的特點(diǎn)反應(yīng)熱效應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)生產(chǎn)工藝要求生產(chǎn)工藝要求反應(yīng)器自身特點(diǎn)反應(yīng)器自身特點(diǎn)催化劑性能催化劑性能課后作業(yè)及思考題課后作業(yè)及思考題 1 1. .固定床催化反應(yīng)器的分類(lèi)及分類(lèi)方式（用圖）固定床催化反應(yīng)器的分類(lèi)及分類(lèi)方式（用圖） 2.2.絕熱式絕熱式/ /換熱