固相催化反應器

定義

分類

1催化劑

組成

性能指標

合成方法

2氣-固相催化反應器1催化劑

（1）定義：它是能加速化學反應速率而不改變該反應標準自由焓變化的一種物質。基本特征①它能加快化學反應速率，但本身并不進入化學反應的計量。②它對反應具有選擇性。③它不能無中生有。④它只改變化學反應速率，而不改變化學平衡常數。⑤它不改變化學平衡。

均相催化劑：和它們催化的反應物處于同一物態（2)分類

多相催化劑：和它們催化的反應物處于不同物態

生物催化劑：植物、動物和微生物產生的具有催化作用的蛋白質

（1）活性組分：催化劑主要成份

（2）助催化劑（3）組成

（3）載體：固體催化劑特有組分

（4）抑制劑

（1）活性

（2）選擇性（4）性能指標

（3）使用壽命

（4）機械強度

（5）其他物理性狀

（1）沉淀法：制備固體催化劑最常用方法

（2）浸漬法：負載型催化劑制備方法（5）合成方法

（3）共混合法：制備多組分催化劑最常用方法

（4）離子交換法

（5）熔融法催化劑的使用

①運輸、貯藏與填裝②升溫與還原③開停車與鈍化④催化劑的使用、失活與再生⑤催化劑的卸出催化劑工業的發展方向

（1）更新原料路線，采用更廉價的原料（資源有效利用）（2）緩和工藝操作條件，達到節能降耗的目的（節能）（3）開發新產品，提高產品的收率，改善產品的質量（開發新產品）（4）消除環境污染（環境保護）2氣-固相催化反應器

固定床反應器：最常用流化床反應器：比較常用反應器類型移動床反應器：較少用滴流床反應器：較少用（１）固定床反應器反應器內填充有固定不動的固體顆粒，可以是催化劑，也可以是固體反應物。或者說凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應的裝置都稱作固定床反應器。固定床催化反應器絕熱式

單段絕熱式

多段絕熱式

連續換熱式外熱式

自熱式

優缺點：①床層內流體流動接近平推流。（用較少催化劑和較小的反應器容積可獲得較大的生產能力）②嚴格控制停留時間，溫度分布可以適當調節，因此特別有利于達到高的選擇性和轉化率。③結構簡單，操作方便，催化劑磨損小。④傳熱較差。⑤壓力降大，因此壓力降受限制。⑥催化劑的更換必須停產進行。多段絕熱式固定床間接換熱式冷激式

原料氣冷激式惰性氣體冷激式

(a)間接換熱式；(b)原料氣冷激式；(c)非原料氣冷激式連續換熱式固定床

根據換熱介質的不同可分為外熱式和自熱式。外熱式：用某種和反應無關的熱載體加熱或冷卻反應床層的反應器。它一般用于強放熱或強吸熱反應。其型式多用列管式，通常將催化劑放在管內，管間通過載熱體，也有的與之相反。載熱體可根據反應過程所要求的溫度，反應熱效應，操作壓力及過程對溫度的敏感度來選擇。一般采用強制循環進行換熱。

外熱式反應器的反應管徑一般都比較小，多為20～35mm。一方面是為了減小床層的徑向溫差，另一方面是為了單位床層體積具有較大的換熱面積，其優點是床層軸向溫度分布比絕熱式反應器均勻，其缺點是結構比絕熱式反應器復雜，催化劑裝填也不太方便。自熱式：利用反應熱來加熱原料氣使之達到要求溫度，再進入催化劑床層進行反應的自身換熱式反應器。它只適用于熱效應不太大的放熱反應和原料氣必須預熱的系統。這種反應器本身能達到熱量平衡，不需外加熱源或者外加熱介質來冷卻反應床層。自熱式反應器的形式很多。一般是在圓筒形的容器內配置許多與軸向平行的管子（俗稱冷管），管內通過冷原料氣，管外放置催化劑，所以又稱管殼式固定床反應器。它按冷管的形式可分為單管、雙套管、三套管和U型管反應器幾種。在按管內外流體的流向還有并流和逆流之分。

氣固相固定床催化反應器除以上幾種主要類型外，近年來又發展了徑向反應器。這種反應器的氣體流道短，流速低，可以大幅度降低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供了條件。但設計這種徑向流動反應器一定要合理設計流道以使各個橫截面上的氣體流量均等，且要求催化劑有較高的機械強度，以免催化劑破損而堵塞分布小孔，破壞流體的均勻分布。

（２）流化床反應器流化床催化反應器是利用固體流態化技術進行氣固相催化反應的裝置。將大量固體顆粒懸浮于運動的流體從而使顆粒具有類似于流體的某些宏觀表觀特性，這種流固接觸狀態稱為固體流態化。優缺點：①流固相界面積大，有利于非均相反應的進行（傳熱面積大）。②熱穩定性高（傳熱系數高）。③連續生產，效率高。④物料返混大，粒子磨損嚴重。⑤回收和集塵裝置使內構件變得復雜。⑥操作要求高（流化床的控制比固定床復雜，因為操作彈性低，操作條件不能有太大的變化，對控制系統提出了更高的要求）。流化床根據流體的不同可分為聚式流化床和散式流化床。一般而言，對于液固系統由于固體顆粒均勻的分布在床層各處，床面清晰可見，雖略有波動，但相當穩定。這種床層稱為散式流化床。而對于氣固系統由于固體顆粒不是均勻的分散于床層中，而是程度不同的一團一團聚集在一起作不規則的運動（顆粒小時，現象尤為明顯）。這種床層稱為聚式流化床。流化床中常見的異常現象：溝流和騰涌溝流：氣體通過床層時，其流速雖超過臨界流化速度，但床層內只形成一條狹窄的流動，大部分床層仍處于固定狀態。這種現象稱為溝流。溝流分為貫穿溝流和局部溝流。溝流危害：產生死床，造成催化劑燒結，降低轉化率和生產能力。造成原因：顆粒太細、潮濕、易粘結；床層薄；氣速過低或氣流分布不合理。消除方法：加大氣速；干燥顆粒；加內部構架；改善分布板。騰涌：聚式流化床中，氣泡上升途中增至很大甚至接近于床徑，使床層被分成數段呈活塞狀向上運動，料層達到一定高度后突然崩裂，顆粒雨淋而下這種現象稱為騰涌。騰涌危害：影響產品的收率和質量；增加了固體顆粒的機械磨損和帶出；降低催化劑使用壽命；床內構件易磨損。造成原因：D/L較大；U較大消除方法：床內設計內部構件；降低U氣固相催化反應器的選擇一般可從反應特點、反應熱、工藝要求、反應器特點、催化劑性能等反面綜合考量。型式適用反應應用特點應用舉例固定床氣固（催化或非催化）相返混小，催化劑不易磨損，但傳熱控溫不易，催化劑裝卸麻煩乙苯脫氫制苯乙烯，合成氨，乙烯法制醋酸乙烯等流化床氣固（催化或非催化）相傳熱好，溫度均勻，易控制，粒子輸送容易，但磨耗大，床內返混大操作條件限制較大石油催化裂化，乙烯氧氯化制二氯乙烷等移動床氣固（催化或非催化）相固體返混小，固氣比可變性大，但粒子傳送較易，床內溫差大，調節困難石油催化裂化，礦物的焙燒或冶煉氣固相催化反應-合成氨

（1）氨的合成：氨的合成是合成氨的最后一道工序，它是在適當的溫度、壓力和有催化劑存在的條件下，將經過精制的氫氮混合氣直接合成氨。然后將所生成的氣體氨從未合成為氨的混合氣體中泠凝分離出來，得到產品液氨。

（2）①催化劑的選擇：可以作氨合成催化劑的物質很多，如鐵、鉑、錳、鎢等。由于以鐵為主體的催化劑具有原料來源廣、價格低廉、在低溫下有較好的活性、抗毒能力強、使用壽命長等優點，故被廣泛使用。②催化劑的還原：鐵催化劑在還原前以鐵的氧化物狀態存在，其主要成分為三氧化二鐵和氧化亞鐵。此外，催化劑中還加入各種助催化劑（三氧化二鋁、氧化鉀、氧化鈣等）。而氧化鐵不能加速氨合成反應速度，必須將其還原成活潑的鐵，才具有催化活性。注：為使合成氨系統在短時間內投入生產，通常將鐵催化劑進行預還原。③催化劑的中毒與衰老：進入塔內的新鮮混合氣，雖然經過了凈化（脫硫、砷等），但仍含有微量有毒氣體，使催化劑緩慢中毒，活性降低。催化劑在長期使用后，活性逐漸下降，生產能力逐漸下降，這種現象稱為催化劑的衰老。催化劑的中毒和衰老是無法避免的，但選用耐熱性能好的催化劑，改善氣體質量和穩定操作，可以大大延長催化劑的使用壽命。（3）反應器選擇：固定床反應器（4）反應機理：在催化劑的作用下，氫與氮生成氨的反應是一多相氣體催化反應。由以下幾個步驟組成①氣體反應物擴散到催化劑外表面；②反應物自催化劑外表面擴散到毛細孔內表面；③氣體被催化劑表面活性吸附；④吸附態的氣體在催化劑表面起化學反應，生成產物；⑤產物自催化劑表面解吸；⑥解析后產物從催化劑毛細孔向外表面擴散；⑦產物由催化劑外表面擴散至氣相主流。以上①、⑦為外擴散；②、⑥為內擴散；③、④、⑤總稱化學動力學

（5）反應器結構及操作條件：合成氨反應器是合成氨生產的關鍵設備，作用是氫氮混合氣在塔內催化劑層中合成氮。由于反應是在高溫高壓下進行，因此要求反應器不僅要有較高的機械強度，而且應有抗高溫的能力。為了適應氨合成反應條件，反應器由內件和外筒兩部分組成。進入反應器的氣體（溫度較低）先經過內件與外筒之間的間隙，內件外面設有保溫層，以減少散熱。因此，外筒主要承受高壓，但不承受高溫，可用普通低合金鋼制成。而內件只承受高溫（500℃）不承受高壓，從而降低對內件材料和強度的要求。內件一般由合金鋼制作，塔徑較小的內件也可用純鐵制作。內件由催化劑筐、熱交換器、電加熱器三個主要部分組成，大型氨合成反應器的內件一般不設電加熱器，而由塔外加熱爐供熱。工藝操作條件：①壓力通常為3-4MPa（降低能耗、提高余熱利用價值、減少設備提及降低投資）②溫度一般為400-520℃（溫度高對反應有利，但會使催化劑失活。隨著反應進行，溫度逐漸升高，當接近最適宜溫度后，應采取冷卻措施）③空速一般為20000-30000h-1（空速越大，混合氣體處理量越高、生產能力增大）④氫氮比約在的范圍。→Thankyou內容總結固相催化反應器。④它只改變化學反應速率，而不改變化學平衡常數。根據換熱介質的