吸附反應(yīng)器的學(xué)習(xí)課件

吸附反應(yīng)器的學(xué)習(xí)課件第1頁/共21頁1、背景簡介2、原理3、分類4、應(yīng)用5、優(yōu)缺點6、總結(jié)目錄南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第2頁/共21頁化工生產(chǎn)過程通常采用單一目的的反應(yīng)器,，為保證某一反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化,常常讓其它反應(yīng)組分過量，由于化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性，在發(fā)生主反應(yīng)的同時常常伴隨副反應(yīng)。因此，為了得到純凈的目的產(chǎn)物，需要把過剩的反應(yīng)物和副產(chǎn)物分離出去。為了降低成本，除研究高效催化劑外，開發(fā)新型反應(yīng)器亦是重要途徑，近年來關(guān)于耦合過程特別是把反應(yīng)和其他過程耦合在同一設(shè)備內(nèi)，強(qiáng)化反應(yīng)過程，提高反應(yīng)器的性能受到了廣泛的關(guān)注。背景簡介南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第3頁/共21頁如在一固定床反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行可逆反應(yīng)若不斷地將產(chǎn)物從反應(yīng)區(qū)移走,平衡將向右移動,使得反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率超過該反應(yīng)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率,沿著這一思路,將反應(yīng)與分離耦合在同一設(shè)備內(nèi),使反應(yīng)器兼具分離功能。aAbB+cC吸附劑選擇性地吸附某一產(chǎn)物吸附劑南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第4頁/共21頁吸附反應(yīng)器集催化反應(yīng)和吸附分離兩項功能于一體，如間歇床或模擬移動床，利用吸附劑對反應(yīng)混合物中各組分吸附能力的差異進(jìn)行分離。吸附反應(yīng)是通過吸附(物理或化學(xué)吸附)作用移走反應(yīng)產(chǎn)物的耦合過程，在反應(yīng)器內(nèi)同時裝有催化劑和吸附劑，吸附劑能選擇性地吸附某一產(chǎn)物，轉(zhuǎn)而通過解吸附使產(chǎn)物得到提純。定義吸附反應(yīng)器南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第5頁/共21頁吸附質(zhì)吸附劑解吸附吸附過程南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第6頁/共21頁分類吸附反應(yīng)器常規(guī)吸附反應(yīng)器變壓反應(yīng)器變濃度吸附反應(yīng)器色譜反應(yīng)器南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第7頁/共21頁常規(guī)吸附反應(yīng)器滴流床吸附反應(yīng)器氣-固-固滴流床反應(yīng)器中，氣體混合物由反應(yīng)器底部引入并向上流動，新鮮的顆粒狀吸附劑從反應(yīng)器的頂部引入與反應(yīng)物流成逆向流動G。吸附劑選擇性地吸附產(chǎn)物，弱吸附或不吸附的組分從反應(yīng)器頂部引出。被產(chǎn)物飽和了的吸附劑從反應(yīng)器底部引出后加熱使吸附劑得到再生并得到純度很高的產(chǎn)物。

流化床吸附反應(yīng)器流化床反應(yīng)器內(nèi)裝有微球催化劑，新鮮的吸附劑由反應(yīng)器頂部引入在流化床內(nèi)它與反應(yīng)物流成逆向流動，催化劑和吸附劑在進(jìn)料端分離。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院缺點：需要旋風(fēng)分離器來凈化產(chǎn)物，吸附劑需要在反應(yīng)器外部再生，增加投資。第8頁/共21頁色譜反應(yīng)器在這類反應(yīng)器中，催化劑和吸附劑組成的固定床作為固定相在反應(yīng)器一端隨載氣一起進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物為流動相。反應(yīng)物沿反應(yīng)器移動時部分反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。因反應(yīng)物和產(chǎn)物在固定相上吸附能力存在差異，它們在固定相中的停留時間不同從而達(dá)到分離目的。產(chǎn)物在固定相上吸附能力不同，在流動相中流速不同反應(yīng)物南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第9頁/共21頁色譜反應(yīng)器固定相：吸附劑催化劑流動相：載氣反應(yīng)物色譜反應(yīng)器的主要缺點是間歇操作。為了實現(xiàn)連續(xù)操作人們陸續(xù)開發(fā)了移動床色譜反應(yīng)器和模擬移動床反應(yīng)器。但是模擬移動床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資費用較高。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第10頁/共21頁變濃度吸附反應(yīng)器變濃度吸附分離主要是針對液相吸附分離提出的。吸附劑的再生是通過改變流體相中被吸附組分的濃度實現(xiàn)的。此類反應(yīng)器主要是對液相反應(yīng)有效，因此這類反應(yīng)器將在生物化工方面有廣泛的應(yīng)用前景。如果采用多塔操作，則可以實現(xiàn)連續(xù)操作。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第11頁/共21頁變壓吸附反應(yīng)器變壓反應(yīng)器(pressureswingreactor簡稱PSR)即是把變壓吸附與反應(yīng)耦合應(yīng)用在一起。這類反應(yīng)器又稱為周期分離反應(yīng)器，其機(jī)制為吸附增強(qiáng)反應(yīng)過程，催化劑和吸附劑混裝在反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)溫度和操作壓力下吸附劑有選擇地從反應(yīng)區(qū)吸附某一產(chǎn)物(物理或化學(xué)吸附)。從反應(yīng)器中流出純度很高的產(chǎn)品，然后降低反應(yīng)壓力使吸附劑在反應(yīng)器內(nèi)得到再生。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第12頁/共21頁變壓吸附變壓吸附(pressureswingadsorption簡稱PSA)分離是基于吸附劑在不同壓力對不同組分吸附量的差異而達(dá)到分離目的。右側(cè)彩色柱就是吸附柱，對不同位置施加不同的溫度和壓力，使吸附劑對各成分吸附性為最強(qiáng)，即可分離得到該種成分。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第13頁/共21頁PSR床層單一的吸附床層(耦合均相反應(yīng))單一的催化床層(催化劑同時具有較顯著的吸附能力)吸附劑與催化劑的混合PSR的特點流程簡單設(shè)備緊湊操作簡便產(chǎn)品純度高環(huán)境效益好吸附劑壽命長南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第14頁/共21頁PSR的關(guān)鍵和缺點PSR過程開發(fā)的關(guān)鍵在于催化劑。為提高分離效果，催化床層必須具有足夠的吸附能力，而較低的溫度有利；但為了保證一定的反應(yīng)速率，反應(yīng)溫度又不能過低。這一矛盾是PSR工業(yè)化的重要障礙。PSR最終能否實現(xiàn)工業(yè)化，很大程度上取決于能否成功開發(fā)出低溫催化劑或高溫吸附劑。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第15頁/共21頁固定床反應(yīng)器是化學(xué)工業(yè)中廣泛應(yīng)用的反應(yīng)設(shè)備,它作為一種吸附裝置已廣泛用于環(huán)境保護(hù)中。目前,大部分的催化過程是在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行的,如合成氨、三氧化硫合成、甲醇合成、乙烯氧化制、環(huán)氧乙烷、鄰二甲苯氧化制苯酐等。移動床可以應(yīng)用在固體與流體間反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、機(jī)械分離等場合。固體顆?？梢宰龃呋瘎?，也可以參與反應(yīng)。模擬移動床已經(jīng)得到工業(yè)化應(yīng)用，成功地在液相多組分的分離上，模擬移動床吸附反應(yīng)器工業(yè)應(yīng)用的前景也很廣闊。應(yīng)用固定床吸附反應(yīng)器移動床吸附反應(yīng)器南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第16頁/共21頁把反應(yīng)和分離耦合在同一反應(yīng)器，既簡化了流程，又可突破化學(xué)平衡的限制，提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和復(fù)雜反應(yīng)的選擇性，可提高能量利用效率和過程的安全性，減少換熱設(shè)備。通過反應(yīng)器內(nèi)溫度分布的改善，也可以提高轉(zhuǎn)化率和選擇性。優(yōu)缺點優(yōu)點南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第17頁/共21頁反應(yīng)與分離耦合合一有以下優(yōu)點：對于可逆反應(yīng),由于產(chǎn)物離開反應(yīng)區(qū),破壞了熱力學(xué)平衡,從而提高了轉(zhuǎn)化率,減少了物料循環(huán)的費用；對于平行反應(yīng),如中間物為目的產(chǎn)物,由于中間產(chǎn)物通過分離不斷地離開反應(yīng)區(qū),避免了進(jìn)一步的串行反應(yīng),減少了副反應(yīng)的發(fā)生,從而提高了選擇性；可以得到純度很高的產(chǎn)品,降低了產(chǎn)品分離的費用；由于操作條件較為溫和,副反應(yīng)較少,催化劑的失活將減慢,降低了生產(chǎn)成本。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第18頁