第六章固定床催化反应器设计

第六章气-固相催化反应器设计本章核心内容：本章讨论的气固相催化反应反应器包括固定床反应器和流化床反应器。

在固定床反应器部分，介绍了气固相催化反应器的各种类型和固定床层的流动特性，给出了固定床反应器的两种设计方法：经验或半经验法和数学模型法。

在流化床反应器部分，在对固体颗粒流态化现象和流态化特征参数介绍的基础上，讨论了流化床反应器的分类和工业应用。

6-1 固定床反应器的型式反应器内部填充有固定不动的固体催化剂颗粒或固体反应物的装置，称为固定床反应器。

气态反应物通过床层进行催化反应的反应器，称为气固相固定床催化反应器。

这类反应器除广泛用于多相催化反应外，也用于气固及液固非催化反应，它与流化床反应器相比，具有催化剂不易跑损或磨损，床层流体流动呈平推流，反应速度较快，停留时间可以控制，反应转化率和选择性较高的优点。

工业生产过程使用的固定床催化反应器型式多种多样，主要为了适应不同的传热要求和传热方式，按催化床是否与外界进行热量交换来分，分为绝热式和连续换热式两大类。

另外，按反应器的操作及床层温度分布不同来分，分为绝热式、等温式和非绝热非等温三种类型；按换热方式不同，分为换热式和自热式两种类型；按反应情况来分，分为单段式与多段式两类；按床层内流体流动方向来分，分为轴向流动反应器和径向流动反应器两类；根据催化剂装载在管内或管外、反应器的设备结构特征，也可以对固定床催化反应器进行分类。

图6-1、6-2、6-3分别是轴向流动式、径向流动式和列管式固定床反应器结构示意图。

其中，图6-1和图6-2所示的反应器为绝热式，图6-3所示的反应器为连续换热式。

图6-1 轴向流动式图6-2径向流动式图6-3列管式固固定床反应器固定床反应器定床反应器6-1-1 绝热式固定床反应器绝热式固定床催化反应器有单段与多段之分。

绝热式反应器由于与外界无热交换以及不计入热损失，对于可逆放热反应，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高；催化床入口气体温度高于催化剂的起始活性温度，而出口气体温度低于催化剂的耐热温度。

1.单段绝热固定床催化反应器单段绝热反应器的反应物料在绝热条件下发生反应后流出反应器。

单段绝热固定床催化反应器适用于绝热温升较小、温度对目的产物收率影响不大的反应。

例如以天然气为原料的合成氨厂中的一氧化碳中（高）温变换及低温变换，甲烷化反应都采用单段绝热式。

2.多段绝热固定床催化反应器如果单段绝热床不能适应要求，为了使反应温度更接近于最佳的温度分布，则采用多段绝热固定床催化反应器。

首先通过一段绝热床反应至一定的温度和转化率，接近可逆放热反应平衡温度曲线时，将反应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应，反应和冷却过程交替进行。

根据反应的特征，这种反应器一般有二段、三段或四段绝热床，多用于强放热反应，也可以应用于强吸热反应，例如石油炼制过程中的重整、乙苯脱氢制苯乙烯。

根据段间反应气体的冷却方式，多段绝热床又分为三类：间接换热式、原料气冷激式和非原料气冷激式。

间接换热式使用换热器使反应后的物料温度降低，如二氧化硫氧化、乙苯脱氢过程等；而冷激式使用补加冷物料的方法冷却，在段间用冷流体与上一段出口反应气体混合。

如果冷激用的冷流体是尚未反应的原料气，称为原料气冷激式，如大型氨合成塔；如果冷激用的冷流体是非关键组分的反应物，称为非原料气冷激式，如一氧化碳变换反应器采用水进行冷激。

图6-4是多段固定床绝热反应器的示意图，图中（a）是间接换热式，（b）是原料气冷激式，（c）是非原料气冷激式。

冷激式反应器结构简单，便于装卸催化剂，内无冷管，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别适用于大型催化反应器。

图6-4 多段固定床绝热反应器(a) 间接换热式; (b) 原料气体冷激式; (c) 非原料气泠激式6-1-2 连续换热式固定床催化反应器连续换热式固定床催化反应器（或称非绝热变温反应器）的特点是进行反应的同时，床层与外界的换热过程同时进行，这样可以使催化床的温度控制在更为靠近最佳温度范围条件下进行，反应速率较快，催化剂用量较少，反应的选择性也较高。

工业生产中普遍使用此类反应器，如乙烯催化氧化合成环氧乙烷、苯氧化制顺丁烯二酸酐、萘氧化制邻苯二甲酸酐及乙烯与醋酸气相氧化制醋酸乙烯、氨的合成等。

有催化剂可以装载在管内的外换热式和装载在管外的内热式，以前者较为常见，其结构大部分类似于列管式换热器。

如果反应的热效应大，常采用管式催化床，催化剂装载在管内，以增加单位体积催化床的传热面积。

载热体在管间流动或汽化以移走反应热。

原料气自反应器顶部向下流动，通过催化剂颗粒床层，从底部流出；载热体则在管间，自下而上流动，两流体形成逆流。

流体流经固定床时，一边反应，一边通过管壁与管间的传热介质进行热交换。

根据反应的具体要求，也可以设计成并流。

载热体的温度与催化床之间的温差宜小,但又必须移走大量的反应热。

不同的反应温度,应选用不同的热载体:反应温度在200 ~ 250℃时，采用加压热水汽化作载热体；反应温度在250 ~ 300℃时,可采用挥发性低的有机载热体如矿物油、联苯-联苯醚混合物作载热体；反应温度在300℃以上可采用无机熔盐作载热体；烟道气则可用作500℃以上的反应载热体。

载热体的热能可以再利用，例如有机载热体和熔盐吸收的反应热都用来生产蒸汽。

自热式固定床催化反应器适用于某些反应热不太大，而且在高压下进行的反应，如中、小型合成氨厂的氨合成，要求高压反应器内催化剂装载系数较大且使反应尽量沿最佳温度曲线进行，常采用催化床上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间而连续换热的催化床，反应前的气体经冷管而被预热，故称为自热式，绝热层中反应气体迅速升温，冷却层中反应气体被冷却而接近最佳温度曲线，未反应气体经过床外换热器和冷管预热到一定温度而进入催化床。

在这里介绍连续换热式固定床催化反应器的两种形式：催化剂装在管内的外热式、催化剂装在管间的内冷自热式。

1.外热式外热式反应器分为外冷管式和外部供热管式两类。

催化剂装在管内，管间有和反应无关的热载体冷却或加热反应床层。

它广泛用于强放热或强吸热反应，其型式多用列管式，采用强制循环进行换热。

外冷管式催化床中时行可逆放热反应时，温度分布如图6-5所示。

邻二甲苯催化氧化，低压甲醇合成反应，大都采用这种反应器。

图6-5 外冷管式催化床及反应温度分布示意图例如，低压甲醇合成反应，在5MPa操作压力下，反应气体经反应器外换热器预热至235℃左右进入催化床，反应器无绝热段；管间是4MPa的沸腾水，水温240℃，反应气体被管外沸腾水所加热，顶端甲醇合成反应速率较大，反应气体温度较快地升高，并超过沸腾水温度，此后催化床被冷却。

低压下使用的低温铜系甲醇催化剂的活性温度范围在210～260℃之间，用250℃的沸腾水作为冷却介质就可控制催化层温度不致超温。

反应装置内未设置电加热器或其他加热器。

外部供热管式反应器，如用于天然气或石脑油等烃类蒸气转化或裂解的管式转化炉，采用HP-50含铷高镍铬合金钢材料 112mm×10mm炉管，管长10～12m，管内一般填充环柱状催化剂，在压力3～4MPa，温度600～800℃下操作。

2.内冷自热式自热式固定床反应器以原料气作为冷却剂来冷却床层，原料气预热至反应需要的温度，再进入床层反应。

显然，它只适用于热效应不大的放热反应和原料气必须预热的系统。

例如，中、小型合成氨及合成甲醇多采用内冷自热式连续固定床催化反应器。

根据不同的冷管结构，自热式固定床反应器主要可分为单管逆流式、单管并流式、双套管并流式及三套管并流式。

对于不同的冷管结构，不同的催化床高度的传热温度差数值不同，这就影响到催化床实际温度分布与最佳温度曲线间的偏离，因而影响到催化床的生产强度或空时产率。

（1）单管逆流式这种反应器的结构和气体流动路线都最简单，其基本形式和催化床内温度分布如图6-6所示。

冷管内冷气体自下而上流动时，温度一直在升高，冷管上端气体温度即为催化床进口气体温度。

催化床上部处于反应前期，反应混合物组成远离平衡组成，反应速率大，单位体积催化床反应放热量大；催化床上部冷管内气体温度a T 与催化床温度b T 相差不大，传热温度差小，故排热速率小，升温速率较大，这是符合使反应温度尽快靠近最佳温度曲线的要求的。

催化床中部，反应基本在最佳温度附近进行，反应速率较大，放热较多，此时传热温度差较大，故排热速率大，能满足使反应维持在最佳温度曲线附近进行的要求。

催化床下部处于反应后期，反应物浓度较低，反应速率减慢，放热量变小，传热温度差大，结果形成催化床下部降温速率过大，使催化床温度过低，偏离最佳温度曲线较远。

图6-6 单管逆流式催化床及温度分布示意图（2）单管并流式反应气体经催化床外换热器换热后经升气管至上环管，气体在上环管分配至多根并联冷管，向下流动，并流冷却催化床，冷管是单管。

冷管气体经下环管集气，再经中心管向上，然后进入催化床，其温度分布见图6-7所示。

催化床上部处于反应前期，反应速率大，单位体积催化床反应放热量大，冷管内气体温度a T 较低，传热温度差大，故排热速率大，升温速率较小，反应温度不能尽快靠近最佳温度曲线。

催化床中部，放热速率与排热速率大约相等，反应能够维持在最佳温度曲线附近进行。

催化床下部处于反应后期，反应速率下降，放热量变小，传热温度差较小，因此反应温度能维持在最佳温度。

这种反应器如能在催化床上部设置绝热段，则可克服反应前期床层升温慢而不能尽快靠近最佳温度的缺点。

与三套管并流式相比较，两者的传热过程相同，气体流动路径不同，而且单管并流式催化床还具有下列优点：①气流通过单管并流催化床的压力降较小；②催化剂装填系数较高；③冷管的排列不受分气盒直径的限制，催化床内径向温度较均匀；④可采用扁平管作冷管，同样的传热面积，扁平管所占体积较小，又可增加催化剂装填系数。

图6-7 单管并流式催化床及温度分布示意图（3） 双套管并流式在双套管并流式反应器中，由于气体先进入内冷管吸取部分热量后再进入外冷管与内冷管之间的环隙与床层换热，因此温度分布得到了改善。

根据内外管间环隙的气流方向与催化剂层中气流的方向相同还是相反又可区分为并流或者逆流两类。

这里主要分析并流式反应器的情况。

冷管是同心的双重套管，冷气体经催化床外换热器加热后，经冷管内管向上，再经内、外冷管间环隙向下，预热至所需催化床进口温度后，经分气盒及中心管翻向催化床顶端。

经中心管时，气体温度略有升高。

气体经催化床顶部绝热段，进入冷却段，被冷管环隙中气体所冷却，而环隙中气体又被内冷管内气体所冷却，反应器内气体温度分布如图6-8所示。

图6-8 双套管并流式催化床及温度分布示意图与单管逆流式相比较，双套管有绝热段，故催化床上部升温速率大于单管逆流式，合乎上部迅速升温的要求。