三

催化反應器設計(shèjì)概論

共二十九頁主要(zhǔyào)內容催化反應器的設計要求催化反應器一般的開發方法催化反應器設計的特點主要催化反應器類型及其特點催化反應器的設計典型催化反應過程(guòchéng)分析共二十九頁主要(zhǔyào)反應器類型間歇釜反應器全混流反應器平推流反應器共二十九頁間歇釜：返混小，容積效率高，換熱好，但存在非操作時間(shíjiān)，產品質量難保證一致；適合小批量生產平推流：返混小，容積效率高，產品質量穩定，但換熱差，存在溫度梯度；適合溫度要求不高、易發生深度副反應的工藝過程(guòchéng)的大規模生產全混流：換熱好，器內溫度均一，利于消除內擴散，產品質量穩定，但返混大，容積效率低；適合于強放熱且對反應溫度范圍要求狹窄的工藝過程的大規模生產共二十九頁1.催化反應器設計(shèjì)要求生產過程總的費用最低反應器*安全、可靠、穩定運行*環境保護法規*節材、廉價、制造安裝、維修方便*最大選擇性*最大轉化率*易于開發*高產率*低壓降*結構簡單*處理量大經濟反應物能量期望產物副產物未反應產物環境保護和安全生產過程要求共二十九頁2.催化反應器的一般(yībān)開發方法傳統方法(fāngfǎ)——逐級放大法實驗室規模小裝置中間裝置中間裝置工廠理想方法——數學模型法共二十九頁催化反應器的一般(yībān)開發方法催化劑設計和工業制備的工程放大初步工藝試驗化學動力學的研究反應器型式的選擇和反應條件大型冷模中作模擬實驗動力學模型流動和傳遞特性及其模型中間生產生產裝置預測性模型設計模型初級模型控制模型共二十九頁3.催化反應器設計(shèjì)特點

個性(gèxìng)強；

成熟理論少，經驗式多；技藝性創新空間大（風險？），專利共二十九頁共二十九頁共二十九頁滯氣層：增加熱阻，強化催化劑頂部冷卻效果，改善(gǎishàn)催化劑床層的溫度分布。共二十九頁4.主要催化反應器類型(lèixíng)及其特點型式適應的反應體系優缺點生產舉例攪拌槽，一級或多級串聯液相，液－液相，液－固相適應性大，操作彈性大，連續操作時溫度、濃度容易控制，產品質量均一，但高轉化率時，所需反應器容積大苯的硝化，氯乙烯聚合，釜式法高壓聚乙烯，順丁烯橡膠聚合法管式氣相，液相返混小，所需反應器容積較小，比傳熱面大，但對慢速反應，管要很大，壓降大石腦油裂解，甲基丁炔合成，管式法高壓聚乙烯，溶液聚合等空塔或攪拌塔液相，液－液相結構簡單，返混程度與高徑比及攪拌有關，軸向溫差大苯乙烯的本體聚合，己內酰胺縮合，醋酸乙烯溶液聚合等鼓泡塔或擋板鼓泡塔氣－液相，氣－液－固（催化劑）相氣相返混小，但液相返混大，溫度較易調節，氣體壓降大，流速有限制，有擋板可減少返混苯的烷基化，乙烯基乙炔的合成，二甲苯氧化等共二十九頁4.主要(zhǔyào)催化反應器類型及其特點型式適應的反應體系優缺點生產舉例填料塔液相，氣－液相結構簡單，返混小，壓降小，有溫差，填料裝卸麻煩化學吸收板式塔氣－液相逆流接觸，氣液返混均小，流速有限制，如需傳熱，常在板間另加傳熱面苯連續磺化，異丙苯氧化噴霧塔氣－液相快速反應結構簡單，液體表面積大停留時間受塔高限制，氣流速度有限制從氯乙醇制丙烯，高級醇的連續磺化濕壁塔氣－液相結構簡單，液體返混小，溫度及停留時間易調節，處理量小苯的氯化共二十九頁4.主要催化反應器類型(lèixíng)及其特點型式適應的反應體系優缺點生產舉例固定床氣－固（催化或非催化）相返混小，高轉化率時催化劑用量少，催化劑不易磨損，傳熱控溫不易，催化劑裝卸麻煩乙苯脫氫，乙炔法制氯乙烯，合成氨，乙烯法制醋酸乙烯等流化床氣－固（催化或非催化）相，催化劑失活很快的反應傳熱好，溫度均勻，易控制，催化劑有效系數大，粒子輸送容易，但磨耗大，床內返混大，對高轉化率不利，，操作條件限制較大萘氧化制苯酐，石油催化裂化，乙烯氧氯化制二氯乙烷，丙烯氨氧化制丙烯腈移動床氣－固（催化或非催化）相，催化劑失活很快的反應固體返混小，固氣比可變性大，粒子傳送較易，床內溫差大，調節困難石油催化裂化，礦物的焙燒或冶煉滴流床氣－液－固（催化劑）相催化劑帶出少，分離容易，氣液分布要求均勻，溫度調節較困難焦油加氫精制和加氫裂解，丁炔二醇加氫等蓄熱床氣相，以固相為熱載體結構簡單，材質容易解決，調節范圍較廣，但切換頻繁，溫度波動大，收率較低石油裂解，天然氣裂解共二十九頁4.主要催化反應器類型(lèixíng)及其特點型式適應的反應體系優缺點生產舉例回轉筒式氣－固相，固－固相，高粘度液相，液－固相粒子返混小，相接觸面小，傳熱效率低，設備容積較大苯酐轉位成對苯二甲酸，十二烷基苯的磺化載流管氣－固（催化或非催化）相結構簡單，處理量大，瞬間傳熱好，固體傳送方便，停留時間有限制石油催化裂化噴嘴式氣相，高速反應的液相傳熱和傳質速率快，混體混合好，反應物急冷易，但操作條件限制較嚴天然氣裂解制乙炔，氯化氫的合成螺旋擠壓式高粘度液相停留時間均一，傳熱較困難，能連續處理高粘度物料聚乙烯醇的裂解，聚甲醛及氯化聚醚的生產共二十九頁5.催化反應器的設計(shèjì)

設計目標(mùbiāo)或要求：

在最低物耗、能耗下獲得設備的最大生產能力

設計原則：

基于過程的化學基本規律和對流動形式、傳遞過程的要求開展設計可能的多重反應網絡；獨立反應和關鍵組分的確定物性及主副反應熱力學；催化劑對主、副反應選擇性的影響活性溫度范圍、操作條件及傳遞過程等等共二十九頁5.催化反應器的設計(shèjì)

設計原則－關鍵點

①反應與傳熱性能的匹配－－防止(fángzhǐ)飛溫強放熱反應或有深度氧化的強放熱副反應存在的過程

②平衡常數與溫度壓力關系－－工藝參數的選定如加氫過程：減體積－－P，X平；放熱反應：T，X平。A：即使T高，X平也大（如乙炔加氫制乙烯、CO甲烷化）－－近似不可逆無需加壓，關鍵是反應速率和反應器排熱問題B：X平不隨T升高而顯著降低（如苯加氫制環己烷）適當加壓或過量氫，以求在較高溫度下達高轉化率C：低溫下，X平也不大（如CO加氫制甲醇）必須加壓或過量氫

③反應網絡（主副反應動力學）－－流動形式共二十九頁5.催化反應器的設計(shèjì)設計內容化工設計：選型，確定工藝操作條件和進行工藝尺寸計算（考慮(kǎolǜ)開、停工的熱交換、單位體積內催化劑裝填量大、流體分布均勻、壓降小等）機械設計：機械結構設計和強度設計（考慮設備制造、檢修和催化劑裝卸的方便等）安全環保：原材料、安全措施、國家法規共二十九頁多段絕熱床的各種方式6.典型催化反應過程(guòchéng)分析固定床反應器合成氨H2+N2?NH3+Q特點(tèdiǎn)：可逆放熱、縮體積共二十九頁合成氨反應器一－多段冷激合成氨反應器二－徑向(jìnɡxiànɡ)冷激共二十九頁6.典型(diǎnxíng)催化反應過程分析催化裂化(cuīhuàlièhuà)合成吡啶？流化床反應器共二十九頁6.典型(diǎnxíng)催化反應過程分析費托合成(héchéng)a：淤漿鼓泡塔b：列管滴流床c：循環流化床d：固定流化床＋nH2O費托合成可以定義為一氧化碳在非均相催化劑上還原性的齊聚

反應產物：飽和烴、烯烴和含氧產物，如醇、醛、酮、酸和酯等

共二十九頁6.典型催化反應過程(guòchéng)分析氣相催化劑液相冷卻(lěngquè)、移熱出料★停留時間、流動和混合？原料案例一、某氧化反應共二十九頁6.典型催化反應過程(guòchéng)分析設計(shèjì)概念圖空氣滴加料催化劑溶劑共二十九頁6.典型(diǎnxíng)催化反應過程分析某氧化反應(fǎnyìng)的連續化生產裝置圖共二十九頁6.典型(diǎnxíng)催化反應過程分析案例二、光催化氯化石蠟生產(shēngchǎn)裝置連續化生產的工業反應器宜采用具有平推流特性的反應器型式（石蠟平推流、氯氣分次布入）；同時又需兼顧到反應過程的移熱快速和簡便、反應器結構簡單、操作方便等因素。共二十九頁6.典型(diǎnxíng)催化反應過程分析光催化制氯化石蠟的連續(liánxù)化生產裝置圖氯氣氯化石蠟尾氣石蠟共二十九頁思考(sīkǎo)與練習題催化反應器的設計原則和內容？對于某具體的多相(duōxiānɡ)（如氣液、氣固或氣液固等）反應過程，如何進行工業化開發？共二十九頁內容(nèiróng)總結三

催化反應(fǎnyìng)器設計概論。傳統方法——逐級放大法