吸附反应器PPT课件

-,1,吸附反应器,2010.1.23,-,2,背景简介,常规的化工生产常采用单一目的的反应器，并且使某些原料过量，以提高另一些原料的利用率。通常这些过程伴有其他一些副反应，需要对产物进行精制提纯。为了降低成本，出了研究高效催化剂外，新型反应器的研究亦是重要途径。今年来把反应过程同其他过程结合起来的反应分离耦合技术受到了广泛的关注。,-,3,吸附反应器,-,4,吸附:典型的表面现象,吸附质,吸附剂,-,5,吸附反应器的分类,吸附反应器,常规吸附反应器,变压反应器,色谱反应器,变浓度吸附反应器,-,6,常规吸附反应器,缺点：吸附剂要在反应器外部再生,-,7,固定床吸附反应器,应用固定床反应器是化学工业中广泛应用的反应设备,它作为一种吸附装置已广泛用于环境保护中。目前,大部分的催化过程是在固定床反应器中进行的,如合成氨、三氧化硫合成、甲醇合成、乙烯氧化制、环氧乙烷、邻二甲苯氧化制苯酐等。,-,8,移动床吸附反应器,（1）应用移动床可以应用在固体与流体间反应、传质、传热、机械分离等场合。固体颗粒可以做催化剂，也可以参与反应。固体催化/气相反应：催化重整、催化裂化、烷基化气固反应：煤的汽化、固体的分解尾气净化尾气脱硫脱氮废水处理热交换通过固体和气体的接触进行,-,9,吸附粒状活性炭对糖液脱色精制尾气中氢气回收等吸附性能两组分进行分离除尘高温高压有腐蚀性气体的除尘,（2）展望近年来由于环境保护的需要，处理工业和生活废水费气的量越来越大，以及在催化剂重整等过程中，要求催化剂连续再生，并且使系统能够在低压下操作，因此移动床反应和低压降的径向反应器的应用越来越广阔。主要发展方向分为如下几个方面：,-,10,（1）低压降的气固错流移动床（2）反应和分离向结合的移动床（3）模拟移动床吸附装置（4）旋转式吸附分离装置（5）用机械装置实现固体的移动,-,11,色谱反应器,色谱反应器将反应和色谱分离结合而形成的耦合过程,-,12,色谱反应器,反应物沿反应器移动时,部分反应物转化为产物。因反应物和产物在固定相上吸附能力存在差异,它们在固定相中的停留时间不同,从而达到分离目的。,反应既可发生在固定相，也可发生在流动相，或在两相中同时发生。发生在流动相时，流动相中需含有催化剂；发生在固定相时，固定相需由催化剂和分离介质均匀混合而成。,色谱反应器的主要缺点是间歇操作。为了实现连续操作,人们陆续开发了移动床色谱反应器和模拟移动床反应器。,-,13,色谱反应器,甲烷氧化偶联,固定床反应器,模拟移动床反应器,甲烷/氧：50:1温度：998K,C2组分的收率小于3%,反应条件：,结论,反应条件：,温度：1073K,结论,C2组分的收率大于50%,应用实例,-,14,变浓度吸附反应器,变浓度吸附反应器把变浓度吸附与反应耦合在一起.,Sircar等利用变浓度吸附反应器研究了吸附对丙酮水解反应的影响。反应器最初用甲醇充满,接着进行吸附反应。当反应器出口处甲醇的浓度高于一定值时停止进料,分别用乙酸、水、甲醇逆向冲洗之后开始下一循环。反应温度为308K时,丙酮的转化率为31.14%。而相同温度下丙酮的平衡转化率为20.19%。,此类反应器主要是对液相反应有效,因此这类反应器将在生物化工方面有广泛的应用前景。如果采用多塔操作,则可以实现连续操作。,-,15,变压反应器,变压吸附(pressureswingadsorption,简称PSA)是一种高效分离气体混合物的新方法，是基于吸附剂在不同压力对不同组分吸附量的差异而达到分离目的。,能耗低，产品纯度高,环境效益好,工艺流程简单，自动化程度高,装置调节能力强，操作弹性大,吸附剂使用周期长,变压吸附的特点,装置可靠性高,-,16,变压反应器,变压吸附反应器(pressureswingreactor，简称PSR)是一种集变压吸附与反应于一身的新型多功能反应器。又称为周期分离反应器。PSR床层可以是单一的吸附床层，或单一的催化床层，抑或是吸附剂与催化剂的混合。,催化剂和吸附剂混装在反应器内,在反应温度和操作压力下吸附剂有选择地从反应区吸附某一产物(物理或化学吸附),从反应器中流出纯度很高的产品,然后降低反应压力使吸附剂在反应器内得到再生。,-,17,变压反应器,利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。,变压吸附原理,变压吸附吸附剂所具备的性质,一、对不同组分的吸附能力不同二、吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。,-,18,根据变压吸附的原理，在工业变压吸附(PSA)工艺中，吸附剂通常都是在常温和较高压力下，将混合气体中的易吸附组分吸附，不易吸附的组分从床层的一端流出，然后降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现了气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生。,变压吸附（PSA）大致过程,-,19,变压反应器,吸附床层,吸附床层怎样实现吸附分离的呢？“顶出去”理论，容易被吸附的“顶”出不容易被吸附的。,-,20,变压反应器,实验室研究,甲烷水蒸汽重整反应,Hufton等把重整反应和变压吸附分离耦合在一个操作单元内,直接生产出纯度很高的氢气。在H2O:CH4=6:1,反应温度为723K、压力为0.14803MPa条件下,用PSR得到的产品含96%的H2和4%的CH4,以及微量的CO和CO2,CH4的转化率为82%。高于相同条件下固定床反应器的CH4的转化率(28%),并且产品中H2的含量为53%、CH4含量为34%、CO和CO2为13%。,-,21,虽然原料较廉价,但采用传统的反应器则是不经济的。因为这一反应为吸热反应,因此必须在较高的温度下进行,才能达到较高的转化率。在PSR中,由于吸附剂从反应区移走水蒸汽而使二氧化碳的转化率大幅度提高,并且直接得到纯度很高的产品。CO2的转化率为36%,CO的纯度为99%,压力约为0.148MPa。而在相同压力下,当反应温度为828K时,CO2在活塞流反应器中的转化率为36%,但产物中CO的含量仅为22%(干基）。,逆水煤气变换反应,CO2+H2CO+H2O,-,22,把反应和分离耦合在同一反应器,既简化了流程,又可突破化学平衡的限制,提高反应物的转化率和复杂反应的选择性。反应和传热的耦合可提高能量利用效率和过程的安全性,减少换热设备。通过反应器内温度分布的改善,也可以提高转化率和选择性。,-,23,PSR的潜在应用前景广泛,吸附过程的基础理论研究比较深入，更为重要的是PSA已有成熟的工业技术、设备构型和流程安排，包括压力变换操作控制系统均可供PSR借鉴使用。PSR的减压、再生和加压一般只需几分钟，甚至更短，所以循环周期可以很短。与PSA一样，PSR具有气体处理量大、能量消耗低等特点，易于放大成为大规模的工业装置。,-,24,PSR是近期开发的反应与分离耦合的一种新型单元装置。与传统的固定床反应器相比,它不仅通过吸附剂对某一产物的选择性吸附来打破热力学平衡的限制,而且借助于周期性操作来强化反应过程。与模拟移动床色谱反应器相比,PSR不仅操作简单,而且可以实现连续操作。从节能节源角度考虑,PSR也是一种可取的反应分离耦合过程。到目前为止,PSR还处于实验室研究和理论研究阶段。随着新型吸附剂的开发和对这一过程的深入研究,变压吸附反应将最终实现工业化,-,25,吸附反应器将吸附和反应耦合在一起，打破了反应平衡的限制，变压吸附反应器沿用日趋成熟的变压吸附技术,具有流程简单,设备紧凑,操作简便的显著特点，省掉了后续分离单元，大大降低了建设费用和操作成本。,但是,矛盾,-,26,变压吸附反应器,数学模型,动态模型,-,27,PSR数学模型,设可逆离解反应：为易吸附组分,、为不吸附组分。利用PSA可使反应在较低的温度下进行而得到较大的净反应速率,因而可克服高温带来的诸多弊端。,-,28,-,29,1)反应吸附:通过气缸内活塞移动把反应物压入反应器床层。2)反应解吸:降低进口端压力,使吸附剂得到再生。,操作过程中,床层出口段一直开启,以一定的速率收集富气体产品。床层进口段在反应吸附阶段阀门1、2开启,3、4关闭,此时床层与气缸相通,接受富气体。在反应解吸阶段,阀门2关闭,3开启,床层进口端与产品罐相通,并以一定的压力(记为解吸压力)排出富气体;同时阀门4开启,气缸补充反应物。反应解吸阶段结束后开始返回反应吸附阶段。,-,30,模型化假设,忽略吸附和反应热效应,反应器为等温操作；流体的流动为带轴向扩散的平推流；压力沿床层轴向的变化由Darcy定律决定；床层径向无浓度梯度、压力梯度和速度梯度；气体热力学行为符合理想气体状态方程；不计吸附传质阻力,吸附瞬间达到平衡；气缸内物料的填充瞬间完成；,-,31,反应器床层模型方程,质量守恒方程:,-,32,动量守恒方程：,-,33,动态模拟,华东理工大学联合化学反应工程研究所胡鸣等采用gPROMS（generalPROcessModellingSystems)模拟软件进行PSR模拟研究假设开车时,床层内和气缸内的压力相等,床层压力等于解吸压力;活塞位于气缸最下段,每一周期开始时活塞瞬间复位,气缸内的补充也瞬间完成。动态模拟从初始条件出发,进行第一次循环。随后的每一次循环都使用前一次循环的结果作为初始条件来进行模拟,直至达到平衡稳态。,-,34,模拟参数,床层设计参数:长度=1.0,直径db=0.05;气缸设计参数:长度Lc=1.125,直径dc=0.25,(气缸最大体积Vmax=0.05523);物性常数:催化(吸附)剂直径dp=3.010-4,颗粒空隙率p=0.55,床层空隙率b=0.37,填充密度b=850kg/m3;反应动力学常数:kf=0.2,Ke=00156(平衡转化率10%);吸附速率常数：mc=9.810-43/kg;轴向扩散系数D=110-52/;气体粘度=1810-5/2,-,35,操作参数:操作温度Tb=Tc=473.15,活塞运动速率uc=0.50/;产品采出速率=110-53/s(标准状态),周期长度3(假定吸附解吸时间相同),基础压力指气缸的初始压力和解吸时的排气压力。,-,36,结果与讨论,图2床高对产品纯度和收率的影响Fig.2Effectofbedlengthontheproductpurityandyield,-,37,1.床层高度对PSR性能影响,床层高度增加，提高了反应物的停留时间，有利于吸附和反应，因而可提高分离效率和反应收率。但如果床层过高，在反应吸附阶段，由于存在气流阻力，富含A的原料气体不能及时补充到反应器出口段，B的浓度也因此得不到提高。所以床层太高反而降低了反应和分离性能。,-,38,2.操作周期长度对系统性能影响,图3周期长度对产品纯度和收率的影响Fig.3Effectofcycledurationontheproductpurityandyield,-,39,随着周期长度的增加，气体在反应器单层内的停留时间增大，一方面促进了反应，吸附和脱附，提高了反应与分离效率；而另一方面却因为气缸压力的增加和时间的延长，更多的原料气被送入床层而降低转化率。因此，对C收率存在一个最佳周期长度。,-,40,3.活塞运动速率对系统性能影响,图4活塞运动速率对产品纯度和收率的影响Fig.4Effectsofpistonvelocityontheproductpurityandyield,-,41,提高活塞运动速率相当于提高了床层进口压力，有利于吸附和并提高正反应速率，因此提高了产品B的纯度和C的收率。但进口处压力的提高同样增加了进入床层的反应物的量，因而降低的收率。,-,42,4.产品采出速率对系统性能的影响,图5产品采出速率对产品纯度和收率的影响Fig.5Effectsofdeliveringrateontheproductpurityandyield,-,43,产品采出速率也是PSR操作的重要参数。随着采出速率的上升，产品B的纯度急剧下降，而C的收率却经历了先升后降的变化。提高采出速率将降低停留时间，使吸附不充分，因而影响B的纯度；而C的曲折变化是采出速率与床层出口处C浓度相互矛盾的结果。,-,44,5.基础压力对系统性能的影响,图6基础压力对产品纯度和收率的影响Fig.6Effectsofbasalpre