固定床,流化床,漿態(tài)床的優(yōu)缺點(diǎn)

1、固定床反應(yīng)器定義：氣體流經(jīng)固定不動(dòng)的催化劑床層進(jìn)行催化反應(yīng)的裝置。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定、便于控制、易實(shí)現(xiàn)大型化和連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是 現(xiàn)代化工和反應(yīng)中應(yīng)用很廣泛的反應(yīng)器。應(yīng)用：主要用于氣固相催化反應(yīng)。基本形式：軸向絕熱式、徑向絕熱式、列管式。固定床反應(yīng)器缺點(diǎn)：床層溫度分布不均勻；床層導(dǎo)熱性較差；對(duì)放熱量大的反應(yīng)， 應(yīng)增大換熱面積， 及時(shí)移走反應(yīng)熱， 但這會(huì)減少有效空間。流化床反應(yīng)器（沸騰床反應(yīng)器） 定義：流體（氣體或液體）以較高流速通過(guò)床層，帶動(dòng)床內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)，使之 懸浮在流動(dòng)的主體流中進(jìn)行反應(yīng)，具有類似流體流動(dòng)的一些特性的裝置。 應(yīng)用：應(yīng)用廣泛，催化或非催化的氣固、液固和氣液固反應(yīng)。

2、原理：固體顆粒被流體吹起呈懸浮狀態(tài)， 可作上下左右劇烈運(yùn)動(dòng)和翻動(dòng)， 好象是 液體沸騰一樣，故流化床反應(yīng)器又稱沸騰床反應(yīng)器。結(jié)構(gòu)：殼體、氣體分布裝置、換熱裝置、氣固分離裝置、內(nèi)構(gòu)件以及催化劑加 入和卸出裝置等組成。優(yōu)點(diǎn)：傳熱面積大、傳熱系數(shù)高、傳熱效果好。進(jìn)料、出料、廢渣排放用氣流輸 送，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)：物料返混大，粒子磨損嚴(yán)重；要有回收和集塵裝置；內(nèi)構(gòu)件復(fù)雜；操作要 求高等。固定床：、固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn) 凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料形成的床層面進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備都稱為固定床反應(yīng) 器，而其中尤以利用氣態(tài)的反應(yīng)物料， 通過(guò)由固體催化劑所構(gòu)成的床層進(jìn)行反應(yīng) 的氣固相催化反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最

3、為廣泛。 氣固相固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)較 多，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、在生產(chǎn)操作中，除床層極薄和氣體流速很低的特殊情況外，床層內(nèi)氣體的流 動(dòng)皆可看成是理想置換流動(dòng)， 因此在化學(xué)反應(yīng)速度較快， 在完成同樣生產(chǎn)能力時(shí)， 所需要的催化劑用量和反應(yīng)器體積較小。2、氣體停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以調(diào)節(jié)，因而有利于提高化學(xué)反應(yīng) 的轉(zhuǎn)化率和選擇性。3、催化劑不易磨損，可以較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。4、適宜于高溫高壓條件下操作。 由于固體催化劑在床層中靜止不動(dòng)，相應(yīng)地產(chǎn)生一些缺點(diǎn)：1、催化劑載體往往導(dǎo)熱性不良，氣體流速受壓降限制又不能太大，則造成床層 中傳熱性能較差， 也給溫度控制帶來(lái)困難。 對(duì)于放熱反應(yīng)， 在

4、換熱式反應(yīng)器的入 口處，因?yàn)榉磻?yīng)物濃度較高，反應(yīng)速度較快，放出的熱量往往來(lái)不及移走，而使 物料溫度升高， 這又促使反應(yīng)以更快的速度進(jìn)行， 放出更多的熱量， 物料溫度繼 續(xù)升高，直到反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)速度減慢，傳熱速度超過(guò)了反應(yīng)速度時(shí)，溫 度才逐漸下降。所以在放熱反應(yīng)時(shí)， 通常在換熱式反應(yīng)器的軸向存在一個(gè)最高的 溫度點(diǎn)，稱為“熱點(diǎn)”。如設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)，則在強(qiáng)放熱反應(yīng)時(shí)，床內(nèi)熱點(diǎn)溫度 會(huì)超過(guò)工藝允許的最高溫度， 甚至失去控制而出現(xiàn)“飛溫”。 此時(shí)，對(duì)反應(yīng)的選 擇性、催化劑的活性和壽命、設(shè)備的強(qiáng)度等均極不利。2、不能使用細(xì)粒催化劑，否則流體阻力增大，破壞了正常操作，所以催化劑的 活性內(nèi)表面得不到充

5、分利用。3、催化劑的再生、更換均不方便。 固定床反應(yīng)器雖有缺點(diǎn)，但可在結(jié)構(gòu)和操作方面做出改進(jìn)，且其優(yōu)點(diǎn)是主要的。 因此，仍不失為氣固相催化反應(yīng)器中的主要形式， 在化學(xué)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng) 用。例如石油煉制工業(yè)中的裂化、重整、異構(gòu)化、加氫精制等；無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)中 的合成氨、硫酸、天然氣轉(zhuǎn)化等；有機(jī)化學(xué)工業(yè)中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙烯 水合制乙醇、乙苯脫氧制苯乙烯、苯加氫制環(huán)己烷等。、固定床反應(yīng)器的分類 隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展， 已出現(xiàn)多種固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式， 以適應(yīng)不同的傳熱 要求和傳熱方式，主要分為絕熱式和換熱式兩大類。絕熱式固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 催化劑均勻堆置于床內(nèi)， 一般有下列特點(diǎn)： 床層

6、 直徑遠(yuǎn)大于催化劑顆粒直徑；床層高度與催化劑顆粒直徑之比一般超過(guò)100；與外界沒(méi)有熱量交換，床層溫度沿物料的流向而變化。換熱式固定床反應(yīng)器以列管式為多， 通常管內(nèi)裝催化劑， 管間走載熱體， 一般有 下列特點(diǎn)： 催化劑的粒徑小于管徑的 8倍；利用載熱體來(lái)移走或供給熱量， 床層 溫度維持穩(wěn)定。流化床：流化床反應(yīng)器是工業(yè)上應(yīng)用較廣泛的一類反應(yīng)器，適用于催化或非催化的氣 固、液固和氣液固反應(yīng)系統(tǒng)。流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式很多， 傳統(tǒng)流化床反應(yīng)器一般都由殼體、 氣體分布裝置、 內(nèi)部構(gòu)件、換熱裝置、氣因分離裝置、催化劑的加入和卸出裝置等組成。流化床反應(yīng)器是利用固體流態(tài)化技術(shù)進(jìn)行氣固相反應(yīng)的裝置。 將大量固體

7、顆粒懸 浮于運(yùn)動(dòng)的流體從而使顆粒具有類似于流體的某些宏觀表現(xiàn)特性， 這種流固接觸 狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。化學(xué)工業(yè)廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)進(jìn)行固體的物理加工、 顆粒輸送、 催化和非催化化學(xué)加工。 目前流態(tài)化技術(shù)作為一門基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)滲透 到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門，在化工、煉油、冶金、能源、原子能、材料、輕工、生 化、機(jī)械、環(huán)保等各項(xiàng)領(lǐng)域中都可以見(jiàn)到。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn) 流化床內(nèi)的固體粒子像流體一樣運(yùn)動(dòng)， 由于流態(tài)化的特殊運(yùn)動(dòng)形式， 使這種反應(yīng) 器具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、由于可采用細(xì)粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大（可高 達(dá)328016400m2/m3,有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率

8、。2、由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與 內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)很高200400W/（m2?K ，全床熱容量大，熱穩(wěn)定 性高，這些都有利于強(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫操作。 這是許多工藝過(guò)程的反應(yīng)裝置選擇 流化床的重要原因之一。3、流化床內(nèi)的顆粒群有類似流體的性質(zhì)，可以大量地從裝置中移出、引入，并 可以在兩個(gè)流化床之間大量循環(huán)。 這使得一些反應(yīng)再生、 吸熱放熱、 正反應(yīng) 逆反應(yīng)等反應(yīng)耦合過(guò)程和反應(yīng)分離耦合過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。 使得易失活催化劑能 在工程中使用。4、流體與顆粒之間傳熱、傳質(zhì)速率也較其它接觸方式為高。5、由于流固體系中孔隙率的變化可以引起顆粒曳力系數(shù)的大幅度變化，以

9、致 在很寬的范圍內(nèi)均能形成較濃密的床層。 所以流態(tài)化技術(shù)的操作彈性范圍寬， 單 位設(shè)備生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)1 、氣體流動(dòng)狀態(tài)與活塞流偏離較大，氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層軸 向沒(méi)有溫度差及濃度差。 加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過(guò)床層， 使氣固接觸不良， 使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。因此流化床一般達(dá)不到固定床的轉(zhuǎn)化率。2、催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催化劑的損失和除塵的困難。3、由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴(yán)重。 雖然流化床反應(yīng)器存在著上述缺點(diǎn)， 但優(yōu)點(diǎn)是主要的。 流態(tài)化操作總的經(jīng)濟(jì)效果 是有利的，特別是傳熱和傳質(zhì)速率快、床層溫度

10、均勻、操作穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì) 于熱效應(yīng)很大的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程特別有利。綜上所述，流化床反應(yīng)器比較適用于下述過(guò)程：熱效應(yīng)很大的放熱或吸熱過(guò)程； 要求有均一的催化劑溫度和需要精確控制溫度的反應(yīng)； 催化劑壽命比較短， 操作 較短時(shí)間就需更換/或活化）的反應(yīng)；有爆炸危險(xiǎn)的反應(yīng)，某些能夠比較安全地 在高濃度下操作的氧化反應(yīng)，可以提高生產(chǎn)能力，減少分離和精制的負(fù)擔(dān)。 流化床反應(yīng)器一般不適用如下情況： 要求高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)； 要求催化劑層有溫度 分布的反應(yīng)。槳態(tài)床：氣體以鼓泡形式通過(guò)懸浮有固體細(xì)粒的液體 （ 漿液） 層，以實(shí)現(xiàn)氣液固相反應(yīng) 過(guò)程的反應(yīng)器。 漿態(tài)反應(yīng)器中液相可以是反應(yīng)物， 也可以是懸浮固體催化劑的

11、載 液。漿態(tài)反應(yīng)器有兩種基本形式： 其一是攪拌釜式， 利用機(jī)械攪拌使?jié){液混合， 適用 于固體含量高、 氣體流量小或氣液兩相均為間歇進(jìn)料的場(chǎng)合； 其二是三相流化床 式，借助氣體上升時(shí)的作用使固體懸浮， 并使?jié){液混合， 避免了機(jī)械攪拌的軸封 問(wèn)題，尤適于高壓反應(yīng)。漿態(tài)反應(yīng)器中有兩個(gè)流體相， 所以操作方式比較多樣， 例如氣液兩相均為連 續(xù)進(jìn)出料， 氣液兩相均為間歇進(jìn)出料， 以及液相為間歇進(jìn)出料而氣相為連續(xù)進(jìn)出 料等，可以適應(yīng)反應(yīng)系統(tǒng)的不同要求。與氣液固相反應(yīng)過(guò)程常用的另一種反應(yīng)器涓流床反應(yīng)器相比 , 漿態(tài)反應(yīng)器的 優(yōu)點(diǎn)是：在強(qiáng)放熱條件下，易保持溫度均勻；采用細(xì)顆粒，使催化劑顆粒內(nèi) 表面利用較充分；

12、當(dāng)液相連續(xù)進(jìn)出料時(shí)， 催化劑排出再生比較方便。 其缺點(diǎn)是： 連續(xù)操作時(shí)返混嚴(yán)重， 當(dāng)有串聯(lián)副反應(yīng)存在時(shí)會(huì)使選擇性降低； 液固比通常 較高，在有液相副反應(yīng)時(shí)可使選擇性降低；存在催化劑細(xì)粉的分離問(wèn)題。移動(dòng)床：、移動(dòng)床反應(yīng)器的概念 固定床催化劑一般無(wú)法進(jìn)行連續(xù)再生，而流化床催化劑可以很好地進(jìn)行連續(xù)再 生，但只適用于催化劑顆粒較小的工藝。催化劑顆粒大，難以形成流態(tài)化，為了 使再生連續(xù)進(jìn)行， 可以使用移動(dòng)床。 在移動(dòng)床中， 當(dāng)催化劑由于積炭而迅速失活 時(shí)，可通過(guò)特制的閉鎖裝置， 利用催化劑本身的重力， 緩緩地將催化劑移出反應(yīng) 器。這些待再生的催化劑， 通過(guò)機(jī)械傳送或氣體輸送， 進(jìn)入再生器自上而下地再 生

13、，再生過(guò)的催化劑則用同樣的辦法， 輸送回反應(yīng)器， 這樣實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)與再生的 連續(xù)操作。這種系統(tǒng)，催化劑床層相當(dāng)于在系統(tǒng)移動(dòng)，稱為移動(dòng)床。這類反應(yīng)器 最先應(yīng)用于石油煉制的催化裂化工藝，后來(lái)又推廣到連續(xù)催化重整工藝。、移動(dòng)床反應(yīng)器的特點(diǎn) 移動(dòng)床反應(yīng)器具有以下特點(diǎn)：1、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)催化劑隨著反應(yīng)時(shí)間的增加， 表面積炭相應(yīng)增加， 活性下降。 為了確保一定的反 應(yīng)速率，必須將積炭的催化劑移出反應(yīng)器， 不斷地補(bǔ)充新鮮的或再生過(guò)的催化劑， 以保持催化劑的平均活性， 這種不間斷的過(guò)程， 確保了反應(yīng)系統(tǒng)操作的連續(xù)性。2、可以在較苛刻的反應(yīng)條件下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 固定床的缺點(diǎn)之一是反應(yīng)初期與末期的催化劑活性變化大，因而反應(yīng)深度

14、不同， 導(dǎo)致產(chǎn)品的分布及產(chǎn)品的質(zhì)量都有差異， 甚至影響到處理量的變化。 移動(dòng)床反應(yīng) 器，由于催化劑活性可以調(diào)節(jié)， 在一定范圍內(nèi)保持恒定， 整個(gè)反應(yīng)器也可以在較 苛刻的條件下進(jìn)行，有利于充分利用催化劑的潛力，提高重整油的品質(zhì)。3、較低的反應(yīng)壓力從理論上講， 對(duì)于一定的空速及原料特性， 反應(yīng)壓力越低， 重整油收率和氫純度 就越高。同時(shí)壓力低對(duì)降低對(duì)設(shè)備的要求、 減少投資是非常有利的， 重整的發(fā)展 歷史也表明了這點(diǎn)。固定床反應(yīng)器的重整反應(yīng)壓力為 3.43MPa第一代連續(xù)重整 反應(yīng)壓力為0.690.98 MPa，第二代連續(xù)重整壓力只有 0.290.49 MPa。4、操作比較復(fù)雜移動(dòng)床反應(yīng)器工藝不太適宜

15、強(qiáng)烈放熱的反應(yīng)。 反應(yīng)器、再生器中的催化劑始終都 在流動(dòng)狀態(tài)， 從上而下依靠重力流動(dòng)， 提升可用氫氣或惰性氣體。 為了保證整個(gè) 系統(tǒng)的平穩(wěn)循環(huán)， 對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高， 操作相應(yīng)比固定床反應(yīng)器要復(fù)雜。漿態(tài)床漿態(tài)床反應(yīng)器一般又叫三相床反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)室這類反應(yīng)器一般采用攪拌釜，工業(yè) 上一般采用鼓泡淤漿床反應(yīng)器，主要用于費(fèi)托合成，甲醇合成，二甲醚等。這類 反應(yīng)器一般催化劑為固相，反應(yīng)物為氣體，內(nèi)有液相介質(zhì)。反應(yīng)器內(nèi)最重要的內(nèi) 件是：反應(yīng)器下方的氣體分布器，要求均勻分配原料氣，氣泡小而均勻，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)， 但又不能有大的壓降；反應(yīng)器內(nèi)部的氣固分離裝置，用于分離細(xì)小催化劑和液體產(chǎn)物。放熱反應(yīng)的話，反應(yīng)器內(nèi)

16、熱量靠沸騰水產(chǎn)生蒸汽移熱。 優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易大型化；易于在線更換催化劑；液相介質(zhì)熱容大，易于反應(yīng)器內(nèi)部熱量分布均勻，催化劑床層不易飛溫，提高產(chǎn) 物選擇性；使用細(xì)顆粒催化劑，無(wú)內(nèi)擴(kuò)散影響，有利于提高產(chǎn)物選擇性；反應(yīng)器相比固定床反應(yīng)器小得多，尾氣循環(huán)壓縮機(jī)能耗大大減小。 缺點(diǎn)：催化劑顆粒小，且容易磨損，會(huì)給操作帶來(lái)麻煩，所以液固分離裝置要求高； 氣相具有一定程度返混，影響宏觀動(dòng)力學(xué)速率；按操作方式分類間歇操作反應(yīng)器在反應(yīng)之前將原料一次性加入反應(yīng)器中，直到反應(yīng)達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率，即得反應(yīng) 物，通常帶有攪拌器的釜式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：操作彈性大，主要用于小批量生產(chǎn)連續(xù)操作反應(yīng)器反應(yīng)物連續(xù)加入反

17、應(yīng)器產(chǎn)物連續(xù)引出反應(yīng)器， 屬于穩(wěn)態(tài)過(guò)程，可以采用釜式、管 式和塔式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：適宜于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力較強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 操作。半連續(xù)操作反應(yīng)器預(yù)先將部分反應(yīng)物在反應(yīng)前一次加入反應(yīng)器，其余的反應(yīng)物在反應(yīng)過(guò)程中連續(xù)或 斷連續(xù)加入，或者在反應(yīng)過(guò)程中將某種產(chǎn)物連續(xù)地從反應(yīng)器中取出，屬于非穩(wěn)態(tài)過(guò)程優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)不太快，溫度易于控制，有利于提高可逆反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 按流體流動(dòng)及混合型式分類 造成三種反應(yīng)器中流體流動(dòng)型態(tài)不同是由于物料在不同反應(yīng)器中的返混程度不 一樣。 返混：是指反應(yīng)器內(nèi)不同年齡的流體微元之間的混合，返混代表時(shí)間上 的逆向混合。平推流反應(yīng)器物料在長(zhǎng)徑比很大的管式反應(yīng)器中流動(dòng)時(shí)， 如果反應(yīng)器中每一微元體積里的流體 以相同的速度向前移動(dòng)，此時(shí)在流體的流動(dòng)方向不存在返混，這就是平推流。 特點(diǎn)：各物料微元通過(guò)反應(yīng)器的停留時(shí)間相同 , 物料在反應(yīng)器中沿流動(dòng)方向逐