绝热式固定床反应器

1 引言煤炭属低效、高污染能源，而我国的资源条件又属于缺油、少气、富煤类型[1]，因此发展以煤为原料的清洁煤化工产业在我国切实可行，同时以煤为原料的 MTP 技术可以拓宽丙烯原料来源，降低由于石油资源紧张、油价上涨所带来的风险。

Lurgi 公司基于由德国南方化学公司提供的改ZSM-5分子筛催化剂开发了一种转化甲醇成丙烯的工艺(MTP)，采用固定床反应器[2]。

此工艺的主产物为丙烯,同时得到副产物汽油、液化石油气(LPG)、燃料气等以及少量乙烯[3]。

2 工艺介绍鲁奇公司甲醇制丙烯工艺中的MTP 反应器是一个多级绝热式固定床反应器，有六个催化剂床层，厚度自上而下依次增加。

第一级床层由顶部直接进料，进料包括二甲醚(DME)、工艺蒸汽和由精制单元循环回的C2、C4、C5/C6组分组成的循环烃。

二到六级床层除了来自上一级床层的物料，还有侧线进料用以控制床层温度。

MTP 反应器内发生的主反应是甲醇在DME 反应器中发生脱水反应生成的二甲醚以及少量未反应的原料甲醇进行的催化裂解反应。

nCH 3OH →C n H 2n +nH 2O+Q n CH 3OCH 3→2C n H 2n +nH 2O+Q(n=2-8)3 方法探讨(1)一级原料气温度。

MTP 反应器一级进料原料气的温度靠一台原料气加热炉来控制，在催化剂运行初期，活性较强，通常保持相对较低的进料温度，而在运行后期，由于催化剂的活性下降，要适当提高反应器的进料温度以保证转化率，尤其在运行末期需要维持高温度运行以避免反应器温度下降导致出口转化率的下降引起系统的波动。

由于一级进料中含有大量的蒸汽及循环烃且一级床层较薄，其反应剧烈程度较低，因此在反应器每一周期运行过程中也要根据具体情况适当调整一级进料温度，原则上在二到六级床层温度处于可控范围内时，应尽量提高进料温度使一级床层温度满足工艺要求。

(2)循环烃及工艺蒸汽量。

循环烃和工艺蒸汽与DME 一起以气相形态由MTP 反应器一级进入，适当增加循环烃的量可以抑制副反应的进行，且这些烃类在床层中会发生吸热反应，循环烃量的增加也能提高空速，减少物料在反应器中的停留时间并使物料在床层中的分布更为均匀，有助于控制各床层的温度。

固定床反应器的详细介绍又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。

固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。

固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。

用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。

涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。

优点：（1）催化剂机械磨损小。

（2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

（3）由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。

（4）可在高温高压下操作。

缺点：（1）固定床中的传热较差。

（2）催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。

（3）不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。

目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。

固定床反应器的分类（一）按传热方式分类1、绝热式反应器绝热式固定床催化反应器在反应过程中，床层不与外界进行热量交换。

其最外层为隔热材料层（耐火砖、矿渣棉、玻璃纤维等），常称作保温层，作用是防止热量的传出或传入，减少能量损失，维持一定的操作条件并起到安全防护的作用。

绝热式反应器可分为单段绝热式反应器和多段绝热式反应器。

（1）单段绝热式反应器一般为高径比不大的圆筒体，结构简单，生产能力大，但反应过程中温度变化较大。

适合的反应：①反应热效应较小的反应。

②温度对目的产物收率影响不大的反应。

③虽然反应热效应大，但单程转化率较低的反应或者有大量惰性物料存在，使反应过程中温升小的反应。

（2）多段绝热式反应器催化剂床层的温度波动较小，但结构比较复杂，催化剂装卸困难。

多段绝热反应器按段间换热方式的不同可分为三类：①间接换热式②原料气冷激式③非原料气冷激式2、换热式反应器当反应热效应较大时，为了维持适宜的温度条件，必须利用换热介质来移走或供给热量。

二、气固相固定床催化反响器的结构〔一〕绝热式固定床反响器绝热式固定床反响器内部无换热构件，只有一段催化剂床层的称为单段绝热式，有多段催化剂床层的称为多段绝热式。

绝热式反响器结构简单、造价低、反响器内体积可以充分利用，一般用于反响热较小，反响温度允许波动范围较宽的场合。

1. 单段绝热式固定床反响器单段绝热式固定床反响器是在一个中空圆筒的底部放置搁板〔支撑板〕，在搁板上堆积固体催化剂。

反响气体经预热到适当温度后，从圆筒体上部通入，经过气体预分布装置，均匀通过催化剂层进行反响，反响后的气体由下部引出，如图9所示。

这类反响器结构简单，生产能力大。

对于反响热效应不大，反响过程允许温度有较宽变动范围的反响过程，常采用此类反响器。

一个典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯，反响需热140kJ/mol，这是靠参加2.6倍〔质量〕于乙苯的高温水蒸气〔710℃〕来供给的。

乙苯与水蒸气混合后在630℃入催化剂床层，而离床时那么因反响吸收热量而降到565℃。

单段绝热式一般适用于绝热温升较小的反响。

以天然气为原料的大型氨厂中的一氧化碳中〔高〕温变换及低温变换甲烷化反响都采用单段绝热式。

对于热效应较大的反响只要对反响温度不很敏感或是反响速率非常快的过程，有时也使用这种类型的反响器。

例如甲醇在银或铜的催化剂上用空气氧化制甲醛时，虽然反响热很大，但因反响速率很快，那么只用一薄薄的催化剂床层即可，如图10所示。

此一薄层为绝热床层，下段为一列管式换热器。

反响物预热到383K，反响后升温到873~923K，就立即在很高的混合气体线速度下进人冷却器，防止甲醛进一步氧化或分解。

单段绝热式固定床反响器的缺点是反响过程中温度变化较大。

当反响热效应较大而反响速率较慢时，绝热升温必将使反响器内温度的变化超出允许范围。

多段绝热式固定床反响器是为弥补此缺乏而提出的。

2. 多段绝热式固定床反响器多段绝热式固定床反响器中，反响气体通过第一段绝热床反响至一定的温度和转化率时，将反响气体冷却至远离平衡温度曲线的状态，再进行下一段的绝热反响。

固定床反应器有三种基本形式：①轴向绝热式固定床反应器(图1)。

固定床反应器流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。

②径向绝热式固定床反应器。

流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。

径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。

但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。

以上两种形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。

③列管式固定床反应器由多根反应管并联构成。

管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25～50mm之间，管数可多达上万根。

列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。

此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。

例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。

编辑本段特点固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，固定床反应器当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。

②催化剂机械损耗小。

③结构简单。

固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。

②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。

固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。

目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。

编辑本段数学模型固定床反应器是研究得比较充分的一种多相反应器，描述固定床反应器的数学模型有多种，大致分为拟均相模型（不考虑流体和固体间的浓度、温度差别）和多相模型（考虑到流体和固体间的浓度、温度差别）两类，每一类又可按是否计及返混，分为无返混模型和有返混模型，按是否考虑反应器径向的浓度梯度和温度梯度分为一维模型和二维模型。

固定床反应器1.概述凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。

如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。

此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。

2.固定床反应器优点1)固定床中催化剂不易磨损；2)床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

3)由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。

3.固定床反应器缺点1)固定床中的传热较差；2)催化剂的更换必须停产进行。

4.类型固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：●绝热式固定床反应器●多段绝热式固定床反应器●列管式固定床反应器，●自热式反应器。

（1）绝热式固定床反应器下图是绝热式固定床反应器的示意图。

它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。

典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。

反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。

在此，水蒸汽的作用是：a) 可以带入大量的显热；b) 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；c) 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。

（2）多段绝热式固定床反应器热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。