吸附反應(yīng)器課件

吸附反應(yīng)器2010.1.23背景簡介常規(guī)的化工生產(chǎn)常采用單一目的的反應(yīng)器，并且使某些原料過量，以提高另一些原料的利用率。通常這些過程伴有其他一些副反應(yīng)，需要對產(chǎn)物進(jìn)行精制提純。

為了降低成本，出了研究高效催化劑外，新型反應(yīng)器的研究亦是重要途徑。今年來把反應(yīng)過程同其他過程結(jié)合起來的反應(yīng)分離耦合技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。精餾反應(yīng)器膜反應(yīng)器反應(yīng)分離耦合技術(shù)吸附反應(yīng)器吸附反應(yīng)器吸附反應(yīng)是通過吸附(物理或化學(xué)吸附)作用移走反應(yīng)產(chǎn)物的耦合過程。在反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)裝有催化劑和吸附劑,吸附劑能選擇性地吸附某一產(chǎn)物。

對于可逆反應(yīng)則可使反應(yīng)向正方向移動,從而提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；對于不可逆反應(yīng)由于吸附劑的存在而改變了反應(yīng)物的停留時(shí)間,也可能提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)換率。吸附:典型的表面現(xiàn)象吸附質(zhì)吸附劑吸附反應(yīng)器的分類吸附反應(yīng)器常規(guī)吸附反應(yīng)器變壓反應(yīng)器色譜反應(yīng)器變濃度吸附反應(yīng)器常規(guī)吸附反應(yīng)器缺點(diǎn)：吸附劑要在反應(yīng)器外部再生固定床吸附反應(yīng)器應(yīng)用

固定床反應(yīng)器是化學(xué)工業(yè)中廣泛應(yīng)用的反應(yīng)設(shè)備,它作為一種吸附裝置已廣泛用于環(huán)境保護(hù)中。目前,大部分的催化過程是在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行的,如合成氨、三氧化硫合成、甲醇合成、乙烯氧化制、環(huán)氧乙烷、鄰二甲苯氧化制苯酐等。移動床吸附反應(yīng)器（1）應(yīng)用移動床可以應(yīng)用在固體與流體間反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、機(jī)械分離等場合。固體顆?？梢宰龃呋瘎?，也可以參與反應(yīng)。①固體催化/氣相反應(yīng)：催化重整、催化裂化、

烷基化②氣固反應(yīng)：煤的汽化、固體的分解③尾氣凈化尾氣脫硫脫氮④廢水處理⑤熱交換通過固體和氣體的接觸進(jìn)行⑥吸附粒狀活性炭對糖液脫色精制尾氣中氫氣回收等吸附性能兩組分進(jìn)行分離⑦除塵高溫高壓有腐蝕性氣體的除塵（2）展望近年來由于環(huán)境保護(hù)的需要，處理工業(yè)和生活廢水費(fèi)氣的量越來越大，以及在催化劑重整等過程中，要求催化劑連續(xù)再生，并且使系統(tǒng)能夠在低壓下操作，因此移動床反應(yīng)和低壓降的徑向反應(yīng)器的應(yīng)用越來越廣闊。主要發(fā)展方向分為如下幾個(gè)方面：（1）低壓降的氣固錯(cuò)流移動床（2）反應(yīng)和分離向結(jié)合的移動床（3）模擬移動床吸附裝置（4）旋轉(zhuǎn)式吸附分離裝置（5）用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)固體的移動色譜反應(yīng)器色譜反應(yīng)器固定相流動相催化劑吸附劑載氣

反應(yīng)物色譜反應(yīng)器將反應(yīng)和色譜分離結(jié)合而形成的耦合過程色譜反應(yīng)器反應(yīng)物沿反應(yīng)器移動時(shí),部分反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。因反應(yīng)物和產(chǎn)物在固定相上吸附能力存在差異,它們在固定相中的停留時(shí)間不同,從而達(dá)到分離目的。反應(yīng)既可發(fā)生在固定相，也可發(fā)生在流動相，或在兩相中同時(shí)發(fā)生。發(fā)生在流動相時(shí)，流動相中需含有催化劑；發(fā)生在固定相時(shí)，固定相需由催化劑和分離介質(zhì)均勻混合而成。色譜反應(yīng)器的主要缺點(diǎn)是間歇操作。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作,人們陸續(xù)開發(fā)了移動床色譜反應(yīng)器和模擬移動床反應(yīng)器。色譜反應(yīng)器甲烷氧化偶聯(lián)固定床反應(yīng)器模擬移動床反應(yīng)器甲烷/氧：50:1溫度：998KC2組分的收率小于3%反應(yīng)條件：結(jié)論反應(yīng)條件：溫度：1073K結(jié)論C2組分的收率大于50%應(yīng)用實(shí)例變濃度吸附反應(yīng)器變濃度吸附反應(yīng)器把變濃度吸附與反應(yīng)耦合在一起.Sircar等利用變濃度吸附反應(yīng)器

研究了吸附對丙酮水解反應(yīng)的影響。反應(yīng)器最初用甲醇充滿,接著進(jìn)行吸附反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)器出口處甲醇的濃度高于一定值時(shí)停止進(jìn)料,分別用乙酸、水、甲醇逆向沖洗之后開始下一循環(huán)。反應(yīng)溫度為308K時(shí),丙酮的轉(zhuǎn)化率為31.14%。而相同溫度下丙酮的平衡轉(zhuǎn)化率為20.19%。此類反應(yīng)器主要是對液相反應(yīng)有效,因此這類反應(yīng)器將在生物化工方面有廣泛的應(yīng)用前景。如果采用多塔操作,則可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。變壓反應(yīng)器變壓吸附(pressureswingadsorption,簡稱PSA)是一種高效分離氣體混合物的新方法，是基于吸附劑在不同壓力對不同組分吸附量的差異而達(dá)到分離目的。能耗低，產(chǎn)品純度高環(huán)境效益好工藝流程簡單，自動化程度高裝置調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，操作彈性大吸附劑使用周期長變壓吸附的特點(diǎn)裝置可靠性高變壓反應(yīng)器變壓吸附反應(yīng)器(pressureswingreactor，簡稱PSR)是一種集變壓吸附與反應(yīng)于一身的新型多功能反應(yīng)器。又稱為周期分離反應(yīng)器。PSR床層可以是單一的吸附床層，或單一的催化床層，抑或是吸附劑與催化劑的混合。催化劑和吸附劑混裝在反應(yīng)器內(nèi),在反應(yīng)溫度和操作壓力下吸附劑有選擇地從反應(yīng)區(qū)吸附某一產(chǎn)物(物理或化學(xué)吸附),從反應(yīng)器中流出純度很高的產(chǎn)品,然后降低反應(yīng)壓力使吸附劑在反應(yīng)器內(nèi)得到再生。變壓反應(yīng)器利用吸附劑的第一個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對混合氣體中某些組分的優(yōu)先吸附而使其它組分得以提純；利用吸附劑的第二個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離氣體的目的。

變壓吸附原理變壓吸附吸附劑所具備的性質(zhì)一、對不同組分的吸附能力不同二、吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。根據(jù)變壓吸附的原理，在工業(yè)變壓吸附(PSA)工藝中，吸附劑通常都是在常溫和較高壓力下，將混合氣體中的易吸附組分吸附，不易吸附的組分從床層的一端流出，然后降低吸附劑床層的壓力，使被吸附的組分脫附出來，從床層的另一端排出，從而實(shí)現(xiàn)了氣體的分離與凈化，同時(shí)也使吸附劑得到了再生。變壓吸附（PSA）大致過程變壓反應(yīng)器吸附床層吸附床層怎樣實(shí)現(xiàn)吸附分離的呢？“頂出去”理論，容易被吸附的“頂”出不容易被吸附的。變壓反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室研究甲烷水蒸汽重整反應(yīng)CH4+H2OCO+3H2Hufton等把重整反應(yīng)和變壓吸附分離耦合在一個(gè)操作單元內(nèi),直接生產(chǎn)出純度很高的氫氣。在H2O:CH4=6:1,反應(yīng)溫度為723K、壓力為0.14803MPa條件下,用PSR得到的產(chǎn)品含96%的H2和4%的CH4,以及微量的CO和CO2,CH4的轉(zhuǎn)化率為82%。高于相同條件下固定床反應(yīng)器的CH4的轉(zhuǎn)化率(28%),

并且產(chǎn)品中H2的含量為53%、CH4含量為34%、CO和CO2為13%。。雖然原料較廉價(jià),但采用傳統(tǒng)的反應(yīng)器則是不經(jīng)濟(jì)的。因?yàn)檫@一反應(yīng)為吸熱反應(yīng),因此必須在較高的溫度下進(jìn)行,才能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率。在PSR中,由于吸附劑從反應(yīng)區(qū)移走水蒸汽而使二氧化碳的轉(zhuǎn)化率大幅度提高,并且直接得到純度很高的產(chǎn)品。CO2的轉(zhuǎn)化率為36%,CO的純度為99%,壓力約為0.148MPa。而在相同壓力下,當(dāng)反應(yīng)溫度為828K時(shí),CO2在活塞流反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率為36%,但產(chǎn)物中CO的含量僅為22%(干基）。逆水煤氣變換反應(yīng)CO2+H2

CO+H2O把反應(yīng)和分離耦合在同一反應(yīng)器,既簡化了流程,又可突破化學(xué)平衡的限制,提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和復(fù)雜反應(yīng)的選擇性。反應(yīng)和傳熱的耦合可提高能量利用效率和過程的安全性,減少換熱設(shè)備。通過反應(yīng)器內(nèi)溫度分布的改善,也可以提高轉(zhuǎn)化率和選擇性。PSR的潛在應(yīng)用前景廣泛

吸附過程的基礎(chǔ)理論研究比較深入，更為重要的是PSA已有成熟的工業(yè)技術(shù)、設(shè)備構(gòu)型和流程安排，包括壓力變換操作控制系統(tǒng)均可供PSR借鑒使用。PSR的減壓、再生和加壓一般只需幾分鐘，甚至更短，所以循環(huán)周期可以很短。與PSA一樣，PSR具有氣體處理量大、能量消耗低等特點(diǎn)，易于放大成為大規(guī)模的工業(yè)裝置。PSR是近期開發(fā)的反應(yīng)與分離耦合的一種新型單元裝置。與傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器相比,它不僅通過吸附劑對某一產(chǎn)物的選擇性吸附來打破熱力學(xué)平衡的限制,而且借助于周期性操作來強(qiáng)化反應(yīng)過程。與模擬移動床色譜反應(yīng)器相比,PSR不僅操作簡單,而且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。從節(jié)能節(jié)源角度考慮,PSR也是一種可取的反應(yīng)分離耦合過程。到目前為止,PSR還處于實(shí)驗(yàn)室研究和理論研究階段。隨著新型吸附劑的開發(fā)和對這一過程的深入研究,變壓吸附反應(yīng)將最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化

吸附反應(yīng)器將吸附和反應(yīng)耦合在一起，打破了反應(yīng)平衡的限制，變壓吸附反應(yīng)器沿用日趨成熟的變壓吸附技術(shù),具有流程簡單,設(shè)備緊湊,操作簡便的顯著特點(diǎn)，省掉了后續(xù)分離單元，大大降低了建設(shè)費(fèi)用和操作成本。工業(yè)化高溫反應(yīng)低溫吸附催化劑

吸附劑但是矛盾變壓吸附反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型動態(tài)模型PSR數(shù)學(xué)模型設(shè)可逆離解反應(yīng)：Ｃ為易吸附組分,Ａ、Ｂ為不吸附組分。

利用PSA可使反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行而得到較大的凈反應(yīng)速率,因而可克服高溫帶來的諸多弊端。

1)反應(yīng)—吸附:通過氣缸內(nèi)活塞移動把反應(yīng)物Ａ壓入反應(yīng)器床層。2)反應(yīng)—解吸:降低進(jìn)口端壓力,使吸附劑得到再生。

操作過程中,床層出口段一直開啟,以一定的速率收集富Ｂ氣體產(chǎn)品。床層進(jìn)口段在反應(yīng)—吸附階段閥門1、2開啟,3、4關(guān)閉,此時(shí)床層與氣缸相通,接受富Ａ氣體。在反應(yīng)—解吸階段,閥門2關(guān)閉,3開啟,床層進(jìn)口端與產(chǎn)品罐相通,并以一定的壓力(記為解吸壓力)排出富Ｃ氣體;同時(shí)閥門4開啟,氣缸補(bǔ)充反應(yīng)物Ａ。反應(yīng)—解吸階段結(jié)束后開始返回反應(yīng)—吸附階段。

模型化假設(shè)忽略吸附和反應(yīng)熱效應(yīng),反應(yīng)器為等溫操作；流體的流動為帶軸向擴(kuò)散的平推流；壓力沿床層軸向的變化由Darcy定律決定；床層徑向無濃度梯度、壓力梯度和速度梯度；氣體熱力學(xué)行為符合理想氣體狀態(tài)方程；不計(jì)吸附傳質(zhì)阻力,吸附瞬間達(dá)到平衡；氣缸內(nèi)Ａ物料的填充瞬間完成；反應(yīng)器床層模型方程質(zhì)量守恒方程:動量守恒方程：動態(tài)模擬華東理工大學(xué)聯(lián)合化學(xué)反應(yīng)工程研究所胡鳴等采用gPROMS（generalPROcessModellingSystems)模擬軟件進(jìn)行PSR模擬研究假設(shè)開車時(shí),床層內(nèi)和氣缸內(nèi)的壓力相等,床層壓力等于解吸壓力;活塞位于氣缸最下段,每一周期開始時(shí)活塞瞬間復(fù)位,氣缸內(nèi)Ａ的補(bǔ)充也瞬間完成。動態(tài)模擬從初始條件出發(fā),進(jìn)行第一次循環(huán)。隨后的每一次循環(huán)都使用前一次循環(huán)的結(jié)果作為初始條件來進(jìn)行模擬,直至達(dá)到平衡穩(wěn)態(tài)。模擬參數(shù)床層設(shè)計(jì)參數(shù):長度Ｌ=1.0ｍ,直徑db=0.05ｍ;氣缸設(shè)計(jì)參數(shù):長度Lc=1.125ｍ,直徑dc=0.25ｍ,(氣缸最大體積Vmax=0.0552ｍ3);物性常數(shù):

催化(吸附)劑直徑dp=3.0×10-4ｍ,顆粒空隙率εp=0.55,床層空隙率εb=0.37,填充密度ρb=850kg/m3;反應(yīng)動力學(xué)常數(shù):kf=0.2,Ke=00156(平衡轉(zhuǎn)化率10%);吸附速率常數(shù)：mc=9.8×10-4ｍ3/kg;軸向擴(kuò)散系數(shù)

Dｚ=1×10-5ｍ2/ｓ;氣體粘度μ=18×10-5Ｎｓ/ｍ2操作參數(shù):操作溫度Tb=Tc=473.15Ｋ,活塞運(yùn)動速率

uc=0.50ｍ/ｓ;產(chǎn)品采出速率Ｑ=1×10-5

ｍ3/s(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),周期長度3ｓ(假定吸附解吸時(shí)間相同),基礎(chǔ)壓力指氣缸的初始壓力和解吸時(shí)的排氣壓力。

結(jié)果與討論圖2床高對產(chǎn)品純度和收率的影響Fig.2Effectofbedlengthontheproductpurityandyield1.床層高度對PSR性能影響床層高度增加，提高了反應(yīng)物的停留時(shí)間，有利于吸附和反應(yīng)，因而可提高分離效率和反應(yīng)收率。但如果床層過高，在反應(yīng)－吸附階段，由于存在氣流阻力，富含A的原料氣體不能及時(shí)補(bǔ)充到反應(yīng)器出口段，B的濃度也因此得不到提高。所以床層太高反而降低了反應(yīng)和分離性能。2.操作周期長度對系統(tǒng)性能影響圖3周期長度對產(chǎn)品純度和收率的影響Fig.3Effectofcycledurationontheproductpurityandyield隨著周期長度的增加，氣體在反應(yīng)器單層內(nèi)的停留時(shí)間增大，一方面促進(jìn)了反應(yīng)，吸附和脫附，提高了反應(yīng)與分離效率；而另一方面卻因?yàn)闅飧讐毫Φ脑黾雍蜁r(shí)間的延長，更多的原料氣被送入床層而降低轉(zhuǎn)化率。因此，對C收率存在一個(gè)最佳周期長度。3.活塞運(yùn)動速率對系統(tǒng)性能影響圖4活塞運(yùn)動速率對產(chǎn)品純度和收率的影響Fig.4Effectsofpistonvelocityontheproductpurityandyield提高活塞運(yùn)動速率相當(dāng)于提高了床層進(jìn)口壓力，有利于吸附和并提高正反應(yīng)速率，因此提高了產(chǎn)品B的純度和C的收率。但進(jìn)口處壓力的提高同樣增加了進(jìn)入床層的反應(yīng)物的量，因而