流化床反响器及其在无机分解中的使用

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1 流化床简介和上风

1.1流化床外部流态简介

在凯发反响工程中,有一类反 应同时触及到流体和固体,这类反响通常必要公用的反响器举行完成。用于完成气体和固体反响的安装次要有三种:牢固床、挪动床和流化床。流体和固体绝对活动时,固体运动不动的反响器叫做牢固床反响器;而在聚集形态下,物料徐徐下移,流体经过物料漏洞的活动,则称作挪动床反响器;而固体在流体的动员下,出现出相似流体的形状和性子的反响器,则被称作是流化床反响器。

流化床外部的流态具有多种情势,随着流速的增快和颗粒间孔隙率的增长,流化床的流态不停的产生变革[1]。流态随着流体速率和孔隙率的增大的变革如图2所示。

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图1  流化床内流态随着流体速率和孔隙率的变革

当气速小于初始流态化速率时,气体关于颗粒的曳力小于颗粒的重力,此时气体的压降十分波动,而且随着气体活动速率的增长而增长,此时床层的形态为牢固床;随着气速的增大,当曳力开端大于颗粒的重力时,此时床层内并没有鼓泡,只是整个床层匀称收缩,整个床层内的压降波动而且较小,这种床层形态被称作散式流态化;当气体的速率进一步提拔直至大于最小鼓泡速率,整个床层会有分明的气泡发生,而且气体的压降动摇分明, 但凡呈现鼓泡的床层都被称作是鼓泡床,具有鼓泡形态的气固流态化被称作是聚式流态化;持续进步流速,床层外表将会变得愈加含糊,颗粒的夹带速率更疾速,假如没有颗粒的增补,床层会被很快吹空,这个单个的床层被称为疾速流态化,而经过响应的气固分散设置装备摆设(旋风分散器)和伴床,可以组成一个循环,如许的循环被称作是循环流化床;持续进步流速,当到达床层的上下部的压降分歧时,床层的轴向散布匀称,此时到达力气保送形态。

在化工财产中使用比力多的流化床情势是湍动流化床和循环床。湍动床中吝啬泡和乳相之间的界限变得较为含糊,气穴中含有更多颗粒,同时乳相中也含有更多的气体,而且气体在不停的破裂、聚并中瓜代上升,同时气体体积的减小使其上升速率迟缓,增长了床层的收缩。因而湍动床绝对于别的的流化情势气固打仗愈加充实、气体短路少,被以为是较鼓泡床来讲功能愈加良好的气固反响器。

循环流化床通常由提拔管、气固分散器、伴床和颗粒循环控制设置装备摆设组成,其布局如图2所示。此中的提拔管充任了流化床设置装备摆设,而且此中的流态属于疾速流化床。疾速流化床的好处是高效、提拔管内没有气泡,因而提拔了整个设置装备摆设的波动性。而疾速流化床在开端时由于粉尘捕集、催化剂循环难、催化剂活性比力高等题目,其利用范畴遭到许多限定。厥后随着多种技能的前进,疾速流化床在上世纪50年月末南非运转的费托分解安装中正式失掉使用。

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图2 循环流化床汽锅表示图

1.2 流化床反响器的上风

流化床绝对于牢固床反响器拥有诸多的好处:

(1)流化床中的固体通常是细粉大概颗粒,流-固打仗面积大,有利于反响的充实举行;

(2)由于颗粒在整个床层内混淆剧烈,以是整个反响器内温度趋于分歧,再  加上传热系数高,以是整个体系的热波动性好,合适于强放热反响;

(3)流化床使得固体拥有了流体的性子,利便了对固体的引入和引出;

(4)由于流固反响系统的孔隙率变革可以惹起曳力系数的大幅度变革,以是 流化床可以在较广的范畴内都能构成致密的床层,加大了它的操纵弹性。

正是由于流化床的诸多好处使其在工程范畴失掉普遍的使用,使用场所既包罗物理历程,如枯燥、掺混分级、吸附、包涂等等;也包罗凯发历程,如催化分解、裂解、氧化、氯化等等。

2 流化床用于无机定制分解

2.1特点介绍

气固反响在工程上通常选用牢固床大概流化床,而选择的根据通常是热效应的巨细、催化剂的再生必要和操纵温度的控制需求。上面经过苯酐分解、醋酸乙烯分解和甲醇制烯烃技能中的流化床反响器对流化床反响器的特点举行进一步的介绍。

产业上苯酐的分解工艺次要有两种,第一种是经过氧化邻二甲苯的办法,该种消费工艺占到现在天下总消费才能的90%以上,通常接纳的设置装备摆设是牢固床反响器[2]。该工艺也可以接纳流化床,流化床的次要上风表现在传热结果好,反响器的设计和布局复杂,独一的限定是现在没有可以接受在流化床内剧烈机器碰撞的催化剂大概催化剂载体。

第二种是经过在催化剂的作用下经过氧化萘的办法制取,反响原理如图3所示。我国在20世纪60年月即开端萘氧化制取苯酐的研讨,事先总结的纪律为“三高,一挡,二循环”,“三高”即高床层、高流速、高萘-氛围比值,“一档”是指参加横向挡板,“二循环”是指反响器外部参加旋风分散器和催化剂回流管。在20世纪80年月,清华大学的流态化课题组在院士金涌等人的率领下开端了设置装备摆设改革,在反响器的外部增长脊形挡板,将消费范围提拔了80%以上,收率提拔了4%。厥后由于质料焦油萘供给告急,代价上扬,加之上述第一种愈加便宜工艺的开辟,该种工艺渐渐被镌汰。

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图3 萘氧化天生苯酐反响原理

2.2 醋酸乙烯的分解 

醋酸乙烯的分解工艺有两种,第一种因此气相的乙烯、氧气、醋酸为质料,在贵金属Pd-Au的催化剂作用下,操纵温度100~200oC,操纵压力为0.6~0.8Mpa,在牢固床内反响,所得的产品颠末分散、精馏之后失掉醋酸乙烯。该工艺的存在的次要缺陷是床层散布不均,乙烯转化率有限,别的也存在催化剂易生效和催化剂改换难等题目。

别的一种分解醋酸乙烯的工艺因此乙炔气和醋酸为质料,以醋酸锌作为催化剂,反响条件是温度170~210oC,反响压力是0.13~0.21MPa。开端分解醋酸乙烯利用的设置装备摆设为牢固床反响器,厥后渐渐开端接纳流化床反响器[3]。由于关于该反响而言,流化床反响器绝对于牢固床反响器有以下几个好处:(1)得益于精良的活动性,流化床的床层温度散布匀称,相比于牢固床温度要低10~20oC (2)产品中乙炔的聚合物增加,催化剂的寿命进步 (3)反响平和可控,精馏以及聚合条件坚持波动。独一的缺陷是流化床内催化剂磨损严峻,产业上一样平常接纳耐磨的活性炭(如椰壳炭)作为载体。

2.3 甲醇制备烯烃

乙烯、丙烯等低碳的烯烃是如今无机化工中的紧张质料,通常的获取办法是对轻烃和石脑油举行裂解制备。而我国动力的特点是“多煤少油”,煤油的供给量远远不敷,因而利用煤气化、分解气等方法制备甲醇,再由甲醇制备烯烃(即DMTO技能)具有严重的意义。

国际的大连化物所对甲醇制备烯烃技能举行了长达30年的研讨,从多种制备的催化剂挑选出功能最优的D803C-H01催化剂,该种催化剂粒度为70μm,颗粒密度为1600kg/m3,依照流态化的Geldart分类准绳属于A类颗粒,具有十分好的流化功能,兼之该种催化剂具有十分好的抗破裂和磨损功能,因而十分合适接纳流化床作为主反响器[4]。图4为DMTO反响安装的工艺流程图。

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图4 DMTO反响再生体系

DMTO 安装次要由质料预热、反响-再生、产品急冷及预分散、污水汽提、主风机组、蒸汽产生等六大局部。甲醇预热体系的次要作用是将液体甲醇质料按要求加热至 250 ℃ 左右, 以气相情势进入反响器。甲醇转化反响器的设计充实思索了 DMTO反响特点,接纳了大型浅层( 高径比~0.3) 密相流化床。反响器操纵气速约为 1 m /s, 属于湍动流化床范畴。反响器除了甲醇散布器和旋风分散器外,不需设置任何内构件,最大限制进步了反响器运转的牢靠性。

DMTO 反响器包罗进料散布器, 密相反响段和沉降段等局部。气化后的质料下行经散布器进入处于密相流化形态的反响区与催化剂打仗并立刻产生反响,反响产品气体持续下行并在沉降段低落线速率,经过旋风分散器完成气固分散落伍入后续的急冷、水洗处置工序。DMTO 密相反响区的催化剂密度在 200 ~ 400 kg /m3。密相区的催化剂一连下行进入汽提段, 经高效气提脱除催化剂吸附的反响产品后使用氛围保送并提拔至再生器烧焦再生。

3 小结

流化床作为一种常用的气固反响器,在动力、冶金、化工等方面有着普遍的使用。本文起首对流化床反响器外部的流型以及常用凯发反响常用的流化床的流型举行了总结,之后枚举了三个流化床反响器产业化的案例。由上述的简介和之后的三个产业化案例,对流化床的利用范畴和特点总结如下:

(1)产业中常用气固、液固大概气液固三相的反响可以思索牢固床反响器大概流化床反响器,而详细接纳哪一种反响器取决于多种要素;

(2)流化床反响器绝对于牢固床反响器的上风在于传质、传热结果好,不会发生部分的热门,别的绝对于多列管的牢固床布局也复杂许多,其缺陷在于流化床反响器关于颗粒的粒径有要求,通常是Galdart分类准绳中的A类或B类颗粒;再便是流化床关于催化剂的耐磨、耐撞击等机器强度方面有着较高的要求。因而流化床更合适于放热量大大概热敏性物质,而且催化剂机器强度高的反响

(3)而牢固床的次要由于在于添补方法复杂,而且催化剂的机器毁伤水平比力小;其缺陷是传质、传热结果绝对于流化床较差,容易发生部分的热门,并且体系温度比力难以控制;别的由于牢固床反响器的催化剂改换费时、费力的,以是牢固床反响器对催化剂的活性、历久性要求比力高以较少改换次数。因而牢固床反响器不合适于催化剂易失活的反响。

参考文献:

[1] 金涌. 流态化工程原理[M]. 清华大学出书社, 2002.

[2] 崔小明. 苯酐消费技能停顿及国际外市场剖析[J]. 今世煤油石化, 2013, 21(5):30-36.

[3] 周文学, 虞贵平. 醋酸乙烯消费技能的研讨停顿[J]. 广东化工, 2011, 38(8):88-90.

[4] 刘中民, 刘昱, 叶茂,等. 1.80Mt/a甲醇进料DMTO工艺技能及其安装特点[J]. 炼油技能与工程, 2014, 44(7):1-6.



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