固定床反應(yīng)器

1、第二章第二章 氣固相固定床催化反應(yīng)技術(shù)氣固相固定床催化反應(yīng)技術(shù)n知識(shí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：n能力目標(biāo)：能力目標(biāo)： 知識(shí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：n了解常用的氣固相固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和了解常用的氣固相固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和應(yīng)用應(yīng)用n了解催化劑、催化作用及其制備方法了解催化劑、催化作用及其制備方法n理解固定床反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱過程以及動(dòng)力學(xué)理解固定床反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱過程以及動(dòng)力學(xué)方程式的建立方法方程式的建立方法n掌握氣固相固定床反應(yīng)器的生產(chǎn)原理及簡(jiǎn)單計(jì)算掌握氣固相固定床反應(yīng)器的生產(chǎn)原理及簡(jiǎn)單計(jì)算能力目標(biāo)：能力目標(biāo)：n能分析固定床的反應(yīng)與傳質(zhì)傳熱規(guī)律n能掌握固定床反應(yīng)器的操作控制要領(lǐng)n能利用固定床反應(yīng)器

2、仿真軟件操作固定床反應(yīng)器（開車、停車、異常事故的處理等）生產(chǎn)實(shí)例：生產(chǎn)實(shí)例： n合成氨工業(yè) 第一節(jié)第一節(jié) 固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)n定義：定義： 氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備。成的床層進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備。 n一、固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用一、固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用n二、固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)二、固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)n床層內(nèi)氣體流動(dòng)可看成平推流n氣體停留時(shí)間可控制n催化劑不易磨損n傳熱性能差n不能使用細(xì)粒催化劑n催化劑再生、更換方便。固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)分以下幾種：固定床反應(yīng)器的

3、結(jié)構(gòu)分以下幾種：n絕熱式固定床反應(yīng)器 單段： 多段：n換熱式固定床反應(yīng)器 對(duì)外換熱式 ： 自身換熱式 ：n徑向固定床反應(yīng)器多段絕熱式固定床反應(yīng)器多段絕熱式固定床反應(yīng)器 （a）、（b）、（c）中間換熱式；（d）、（e）冷激式絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式多段絕熱式列管式固定床反應(yīng)器列管式固定床反應(yīng)器對(duì)外換熱式對(duì)外換熱式徑向固定床反應(yīng)器徑向固定床反應(yīng)器第二節(jié)第二節(jié) 催化劑及其作用催化劑及其作用n一、催化劑與催化作用一、催化劑與催化作用n二、催化劑的制備二、催化劑的制備一、催化劑與催化作用一、催化劑與催化作用n（一）（一） 催化劑催化劑n改變反應(yīng)速度：催化劑本身在反應(yīng)前后無組成變化。n催化作用不能改變化學(xué)

4、平衡（和反應(yīng)熱）：n催化劑對(duì)催化反應(yīng)具有選擇性（特定的Cat只能催化特定的反應(yīng)）n（二）催化劑的組成：（二）催化劑的組成： n活性組分； 助催化劑；載體 n（三）催化作用（三）催化作用n（四）催化劑性能（四）催化劑性能二、催化劑的制備二、催化劑的制備n（一）催化劑的制備方法（一）催化劑的制備方法n（二）催化劑的活化及鈍化（二）催化劑的活化及鈍化n（三）催化劑的失活（三）催化劑的失活n（四）催化劑的再生（四）催化劑的再生催化劑的制備方法催化劑的制備方法n（1）浸漬法n（2）沉淀法n（3）混合法 催化劑的失活催化劑的失活n失活：失活：催化劑的活性隨操作時(shí)間延長(zhǎng)而下降的過程，稱為失活。 n物理失活：

5、物理失活：使催化劑活性表面積減小造成活性下降。n化學(xué)失活化學(xué)失活：使催化劑中毒或化學(xué)吸附造成活性下降。n失活原因失活原因 ：局部過熱，使催化劑揮發(fā)結(jié)晶 原料氣未凈化：催化劑中毒 結(jié)炭：掩蓋活性中心 催化劑的活化及鈍化催化劑的活化及鈍化n“活化活化”：在一定T、P下，用一定組成的氣體對(duì)催化劑進(jìn)行處理，使活性組分還原?！扳g化鈍化”：催化劑尚可使用而需檢修反應(yīng)器時(shí)，通入低濃度氧，緩慢氧化，在催化劑外形成一層鈍化膜，保護(hù)內(nèi)部催化劑不再與氧接觸繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)。 “預(yù)還原預(yù)還原”：催化劑制造廠在良好條件下將催化劑還原，然后進(jìn)行鈍化處理的催化劑生產(chǎn)廠只需對(duì)預(yù)還原催化劑外層進(jìn)行“再還原”，它比還原操作省時(shí)省

6、工，還可保證還原過程質(zhì)量。對(duì)工業(yè)催化劑的要求對(duì)工業(yè)催化劑的要求n活性好：催化劑的用量少而能夠轉(zhuǎn)化的物料量大。n選擇性高：降低副反應(yīng)，降低分離負(fù)荷。n壽命長(zhǎng)：更換催化劑周期長(zhǎng)。n具有一定的機(jī)械強(qiáng)度：第三節(jié)第三節(jié) 氣固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)氣固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)n一、氣固非均相催化反應(yīng)過程與控制步驟一、氣固非均相催化反應(yīng)過程與控制步驟n（1）反應(yīng)物分子從氣相主體以擴(kuò)散的形式傳遞到催化劑外表面外擴(kuò)散過程；n（2）反應(yīng)物分子以內(nèi)擴(kuò)散形式通過催化劑孔道傳遞到催化劑內(nèi)表面內(nèi)擴(kuò)散過程；n（3）反應(yīng)物分子在催化劑表面的活性中心吸附吸附過程；n（4）反應(yīng)物分子在催化劑內(nèi)表面上經(jīng)一系列化學(xué)變化生成產(chǎn)物反應(yīng)過程；n（5）反

7、應(yīng)產(chǎn)物在催化劑表面上脫附脫附過程；n（6）脫附后的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)內(nèi)擴(kuò)散通過催化劑孔道傳遞到催化劑外表面內(nèi)擴(kuò)散過程；n（7）反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)外擴(kuò)散由催化劑外表面?zhèn)鬟f到氣相主體外擴(kuò)散過程。氣固非均相催化過程的控制步驟氣固非均相催化過程的控制步驟 n控制步驟：某一步驟比其它步驟慢得多（最慢的步驟）n動(dòng)力學(xué)控制：吸附，表面反應(yīng)，脫附n擴(kuò)散控制：內(nèi)擴(kuò)散，外擴(kuò)散二、催化劑表面的吸附作用二、催化劑表面的吸附作用n（一）物理吸附與化學(xué)吸附（一）物理吸附與化學(xué)吸附n（二）等溫吸附方程（二）等溫吸附方程 三、氣固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)三、氣固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)n（一）氣固相催化反應(yīng)速度（一）氣固相催化反應(yīng)速度n定義：?jiǎn)挝淮呋瘎┵|(zhì)量

8、（或體積），單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物數(shù)量的變化。 dtdNm1rAA（mol/kgs）/Ar dtdNV1Ap （mol/m3s）dtdNV1rAB/A（mol/m3s）=三種反應(yīng)速度表達(dá)式間的關(guān)系為：三種反應(yīng)速度表達(dá)式間的關(guān)系為：B/Ap/AArrr（二）雙曲線型的反應(yīng)速度式（二）雙曲線型的反應(yīng)速度式n1. 表面反應(yīng)控制表面反應(yīng)控制n（1）雙分子不可逆反應(yīng) n（2）雙分子可逆反應(yīng)n（3）在吸附時(shí)解離 n（4）吸附的A與氣相的B進(jìn)行不可逆反應(yīng)n（5）兩類不同吸附位的情況2. 吸附控制吸附控制 )r(ARRBBBRRBBRAapKpKppK1Kpppk )r(A 其中：其中：RdBraKkKKkK ，B

9、rRRBKKKK，RVrK 3. 脫附控制脫附控制BAABBBAARBAAppKpKpK1Kpppkr 式中：式中：BArABKKKK；BArbKKKkk ；BArbaKKKkkK 第四節(jié)第四節(jié) 固定床催化反應(yīng)器的生產(chǎn)原理固定床催化反應(yīng)器的生產(chǎn)原理n一、催化劑的裝填特性一、催化劑的裝填特性 n（一）顆粒直徑與形狀（一）顆粒直徑與形狀n（二）床層空隙率（二）床層空隙率n（三）固定床的當(dāng)量直徑（三）固定床的當(dāng)量直徑n（四）催化劑的裝填（四）催化劑的裝填催化劑的裝填特性催化劑的裝填特性n顆粒直徑顆粒直徑 n床層空隙率床層空隙率 n固定床的當(dāng)量直徑固定床的當(dāng)量直徑二、流體在固定床中的流動(dòng)特性二、流體在

10、固定床中的流動(dòng)特性n流體特性流體特性 n氣體的分布?xì)怏w的分布 1. 氣體分布不均勻性的原因氣體分布不均勻性的原因 2. 提高氣體分布均勻性的方法提高氣體分布均勻性的方法n流體流過固定床的壓力降流體流過固定床的壓力降 （三）床層壓降（三）床層壓降3S20fm1Lduf 1501.75mMfR 三、固定床反應(yīng)器中的傳質(zhì)與傳熱三、固定床反應(yīng)器中的傳質(zhì)與傳熱n（一）固定床中的傳質(zhì)（一）固定床中的傳質(zhì)n1. 內(nèi)擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程n（1 1）氣體在催化劑孔道內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)）氣體在催化劑孔道內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)n分子擴(kuò)散；克努森擴(kuò)散；過渡區(qū)擴(kuò)散n（2 2）內(nèi)擴(kuò)散過程的傳質(zhì)速度）內(nèi)擴(kuò)散過程的傳質(zhì)速度n（3 3）催化劑的

11、有效系數(shù)）催化劑的有效系數(shù)n2. 外擴(kuò)散過程外擴(kuò)散過程（二）固定床中的傳熱（二）固定床中的傳熱 n1. 催化劑顆粒與流體間的傳熱n2. 床層的傳熱n3. 床層對(duì)壁總給熱系數(shù)四、固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算四、固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算n（一）催化劑用量的計(jì)算（一）催化劑用量的計(jì)算n1. 空間速度：空間速度：n2. 停留時(shí)間停留時(shí)間n3. 空時(shí)收率空時(shí)收率n4. 催化劑負(fù)荷催化劑負(fù)荷n5. 床層線速度與空床速度床層線速度與空床速度（二）反應(yīng)器床層高度及直徑的計(jì)算（二）反應(yīng)器床層高度及直徑的計(jì)算n 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取氣體空床速度n 床層的截面積為n 校床層阻力降n 確定床層的結(jié)構(gòu)尺寸（三）催化劑床層傳熱面積的計(jì)算

12、（三）催化劑床層傳熱面積的計(jì)算n n式中 經(jīng)熱量衡算確定的傳熱速度，J/s； 進(jìn)出口兩端溫度差的對(duì)數(shù)平均值，k； 傳熱系數(shù)，J/m2sk ，從有關(guān)手冊(cè)中查取或用公式計(jì)算。mtKQAmt第五節(jié)第五節(jié) 固定床反應(yīng)器的操作指導(dǎo)固定床反應(yīng)器的操作指導(dǎo) 加氫裂化反應(yīng)器n一、溫度調(diào)節(jié)一、溫度調(diào)節(jié) 1. 控制反應(yīng)器入口溫度 2. 控制反應(yīng)床層間的冷激氫量 3. 原料組成的變化對(duì)反應(yīng)溫度的影響 4. 反應(yīng)初期與末期的溫度變化 5. 反應(yīng)溫度的限制二、壓力的調(diào)節(jié)二、壓力的調(diào)節(jié)n1. 氫氣壓縮機(jī)的壓力調(diào)節(jié)n2. 反應(yīng)溫度的影響n3. 原料變化的影響三、氫油比的控制三、氫油比的控制四、空速操作原則四、空速操作原則

13、五、催化劑器內(nèi)再生操作五、催化劑器內(nèi)再生操作n 1. 再生前的預(yù)處理n 2. 再生操作n 3. 再生的結(jié)束技能訓(xùn)練技能訓(xùn)練 固定床反應(yīng)器的仿真操作固定床反應(yīng)器的仿真操作n訓(xùn)練目標(biāo)訓(xùn)練目標(biāo) ：熟練掌握流化床反應(yīng)器的開車、停車操作，能夠?qū)Σ僮鬟^程中的異常事故進(jìn)行處理。 n訓(xùn)練準(zhǔn)備：訓(xùn)練準(zhǔn)備：n一、一、 生產(chǎn)原理生產(chǎn)原理n1. 反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度n2. 炔烴濃度炔烴濃度n3. 氫烴比氫烴比n4. 一氧化碳一氧化碳n二二. 工藝流程簡(jiǎn)介工藝流程簡(jiǎn)介訓(xùn)練步驟（要領(lǐng)）訓(xùn)練步驟（要領(lǐng)） n冷態(tài)開車?yán)鋺B(tài)開車n正常運(yùn)行正常運(yùn)行n正常停車操作正常停車操作n事故處理事故處理固定床單元仿真現(xiàn)場(chǎng)圖固定床單元仿真現(xiàn)場(chǎng)圖固定

14、床單元仿真固定床單元仿真DCS圖圖思考與分析思考與分析n1什么叫催化劑床層飛溫?引起飛溫的原因有哪些?飛溫有什么危害?一旦發(fā)生飛溫現(xiàn)象，如何操作與調(diào)整?n2為什么要嚴(yán)格控制進(jìn)料氣中的氫氣含量?如何控制?n3固定床的壓力對(duì)反應(yīng)有什么影響?為什么碳二加氫系統(tǒng)的操作壓力必須保持在規(guī)定值?n4床層溫度對(duì)反應(yīng)有什么影響?如何實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)度?n5為什么本單元要設(shè)置聯(lián)鎖?在什么情況下聯(lián)鎖動(dòng)作?n6什么叫催化劑中毒?一旦發(fā)生催化劑中毒，應(yīng)如何操作?n7本固定床反應(yīng)器屬于什么類型的反應(yīng)器?其特點(diǎn)如何?n8冷態(tài)開車前為何要充氮?dú)?n9什么情況下實(shí)施緊急停車? 本章小結(jié)本章小結(jié) 氣固相固定床反應(yīng)技術(shù)催化劑催化性能生產(chǎn)原理催化劑組成制備方法操