氣固相接觸催化反應器
這類反應方式在工業上有廣泛的套用,它一般都採用連續操作的方式。這類反應器設計的主要問題是傳熱和催化劑的裝卸。這類反應器主要有三種類型,即絕熱固定床反應器、列管團定床反應器和流化床反應器。
絕熱固定床反應器
單層絕熱固定床反應器的結構非常簡單。它是一個沒有傳熱裝置,只裝有固體催化劑的容器。反應原料從容器的一端輸入,反應產物則從容器的另一端輸出。這類反應器的主要優點是設備結構簡單,空間利用率高、造價低、催化劑裝卸容易。但是,在這類反應器中,反應物料和催化劑的溫度是變化的。對於放熱反應,從進口到出口溫度逐漸升高。對於吸熱反應,從進口到出口溫度逐漸降低。而且反應過程的熱效應越大,進出口的溫差越大。由於這個特點使得單層絕熱固定床反應器只適用於過程熱效應不大、反應產物比較穩定、對反應溫度變化不太敏感、反應氣體溫合物中含有大量惰性氣體(例如水蒸汽或氮氣),一次通過反應器轉化率不太高的過程。例如,氯苯的氣相水解制苯酚,甲醇的氧化脫氫制甲醛等,另外,單層絕熱固定床反應器中的催化劑層不宜太厚,以免進口和出口的溫差太大,因此,只適用於反應停留時間短的過程。
列管式固定床反應器
列管式固定床反應器的結構類型很多,最簡單的結構類似於單程列管式換熱器,催化劑放在列管內,載熱體在管外進行冷卻或加熱。對於放熱反應,可以用熔鹽或其它載熱體將熱效應移出。熱的載熱體經廢熱鍋爐降溫後再返回列管反應器,廢熱鍋爐吸收熱量後可產生0.6~2.0MPa的水蒸汽。熔鹽是等分子比硝酸鉀和亞硝酸鈉的混合物,熔點141℃,可在147~540℃操作。它的優點是比熱和導熱係數大,傳熱效果好。對於吸熱反應,根據所要求的溫度,可以用液態或蒸汽態的載熱體進行加熱。另外也可以用電熱或用外部管式爐加熱(多段固定床反應器)。
流化床反應器
它的基本結構如圖所示,主要構件是殼體、氣體分布板、熱交換器、催化劑回收裝置。有時為了減少反向混合併改善流態化質量,還在催化劑床層內附加擋板或擋網等內部構件
流態化的基本原理是:當氣體經過分布板以適當速度均勻地通過粉狀催化劑床層時,催化劑的顆粒被吹動,漂浮在氣體中做不規則的激烈運動,整個床層類似沸騰的液體一樣,能夠自由運動,所以又叫做沸騰床。
流化床的主要優點是:採用細顆粒催化劑有利於反應氣體在催化劑微孔中的內擴散,催化劑表面的利用率高。加強床層的傳熱,床層溫度均勻,可控制在1~3℃的溫度差範圍內。便於催化劑的再生和更換。製造費用比列管式固定床低得多。流化床反應器廣泛用於空氣氧化、催化裂化等反應過程。
流化床的主要缺點是,由於返混作用,對於某些反應轉化率和選擇性不如固定床;催化劑容易磨損流失;不能使用表面型顆粒狀催化劑。