固定床反应器在化工生产中的应用综述

常州工程职业技术学院

固定床反应器在化工生产中的应用综述

胡浩鹏精细1411

摘要：固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体用以实现的一种反应器。在现代生产中固定床反应器开始广泛应用于生产之中，主要用于化工生产、生物科研等。它与及的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相，如、二氧化硫接触氧化器、炉等。

关键词：固定床反应器、化工生产

引言：近几年以来固定床反应器在化工生产及医药研究的领域里发挥着重大的作用，本文就近年来关于固定床反应器在化工生产和医药研究上作一些论述正文：固定床反应器在化工领域应用十分广泛。基本有机化工中，乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氧制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应均在固定床反应器中进行。固定床反应器床层薄，流速低，床层内的流体轴向流动可看作是理想置换流动，因而化学反应速率较快，完成同样的生产任务所需的催化剂用量和反应器体积较小，流体停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，有利于提高化学反应的转化率和选择性；固定床中催化剂不易磨损，可在高温高压下操作。当然，固定床也存在一些缺点，如传热性能差；不能使用细粒催化剂(不能充分利用催化剂内表面)，催化剂的再生、更换均不方便。

按照催化剂固定方式的不同，Biardi[1]等将固定床反应器分为传统型与非传统型两种。传统型固定床是指催化剂以粒子形式进行堆积，主要有并流下行泡沫床和并流上行泡沫床；非传统型固定床是指将催化剂以某种形态负载或固定于某种结构填料上，通常使用Monolith催化剂和Katapak—Sandwich催化剂等。

1：并流下行泡沫床

Solvay公司认为当气、液相并流下行时，如果同时成倍地提高工作液和氢气的流量，可以从滴流床过渡到泡沫床。因为泡沫床的气液接触面积较滴流床有了明显的提高，所以气液相间的传质作用明显增强。并且，这种改进不需增加辅助设备就可方便地实现。同时，为了解决快速反应和加压条件下泡沫的淬灭、聚并，以及由此引起的床层压降波动较大、进料难以控制的问题，该专利采用惰性气体(最好是氮气)来稀释氢气，并给出了氮氢最优比。这样，不仅可以稳定床层压降，还可提高催化剂的选择性。与之相反的一种称为并流上行泡沫床。

2：并流上行泡沫床

Solvay公司采用高1．4 m、直径18 mm的反应器，使用不同粒径的球形Pd —SiO：催化剂，让气液由反应器的底部进料，并流上行，通过调整气液流量比使其达到泡沫状态。并认为并流上行泡沫床优于并流下行泡沫床，对加氢过程更为有利。其一，与并流下行泡沫床相比，并流上行泡沫床的床层压降更小，床层稳定性更好；其二，并流上行泡沫床的气液相流速低，甚至可以和液相以化学计量比进料，就町以获取较高的单程加氢效率。这种方法的缺点是催化剂周围的滞液量较大，加速了催化剂的失活。还有就是Monolith固定床反应器3：Monolith固定床反应器

Monolith固定床反应器是通过利用平行孑L道内载催化剂为固定床，从而达到提高三相接触效率和固定床时空收率，降低床层压降的目的。当氢气经分布器后形成的气泡直径通常比Monolith固定床的孔道要小。根据气液流速的变化，两相流的流型有4种，即鼓泡流、Taylor流、环状流和弹状流。EkaNobel公司建议使Monolith孔道内的流型处Taylor流，此时对反应最为有利。液相蒽醌工作液从反应器的顶部进料，氢气从反应器的底部进料与液相反应，未反应的部分经外循环去塔顶继续参与反应，使床层压降为零，反应器内的压力接近常数，这对于提高反应的选择性有莺要的作用。实验证实，与传统工艺相比，该工艺的放大效果很好，工业规模对实验室规模的放大效应远小于传统工艺。目前，该工艺已被Eka Nobel公司应用到工业生产过氧化氢中，成为Monolith固定床反应器工业化的经典范例。最后就是Katapak催化反应器

4：Katapak催化反应器

Katapak是一种用于催化精馏过程的结构填料。Piironen等率先在蒽醌的加氢过程中应用Katapak填料催化剂。在这种反应器内气液并流下行进料，与滴流床不同的是液相为连续相，气相为分散相。无论在流道间还是催化剂层，气液间的有效传质明显增强。在催化剂层的轴向返混现象较严重，但反应效率较高，并不影响反应器总的性能。而Frank等建议最好采用并流上行的操作方式。

5：固定床反应器的数学模型

由于轴向流固定床反应器中混合气体的流动过程对化学反应过程和反应器的性能有很大影响，因而反应器内部流场的研究和数学模拟对于优化化学反应过程和优化反应器的设计有重要意义。为了在催化剂床层中实现气体流动速率的均匀分布，陈金娥[2]等旧1对大型轴向流固定床反应器内流场进行数学模拟。在包含多孔介质区域和无多孔介质的自由空间区域内建立一个统一流场和统一的基本方程组，采用半人工瞬变分方法在半交错不等距非正交曲线贴体混合网格中进行数值计算，给出一个大型轴向流固定床反应器内流场的计算结果。

鲁文质[3]等通过对合成气一步法制二甲醚(DME)反应特点的研究，对固定床反应器用一维模型进行了数学模拟计算，得出如下结论：在25 700 h一空速下，反应器内温度分布较均匀，甲醇合成催化剂活性较低，而甲醇脱水反应进行程度相对较高；在保证反应器热点温度不超过催化剂使用温度时，可通过增大反应管的管径、提高反应压力、降低空速和提高反应气进口温度来促进DME产物生成；反应进口气中应避免含有CO：和H：O，氢碳比小于9时，提高氢碳比对DME 生成有利；提高甲醇合成剂在催化剂中的比例，还可进一步提高催化剂活性；各影响条件对反应结果的影响大小依次为反应压力、空速、催化剂组成、氢碳比、原料气进口温度、CO：和H：o的浓度。反应压力对DME产率影响较大，空速对反应器热点温度和CO转化率影响较大，催化剂配比对DME选择性影响较大，而氢碳比主要影响CO的转化率。原料气进口温度、CO：和H：O的浓度对反应结果影响不大。

王志亮[4]等H1建立了轻烃醚化外循环式反应器的拟均相一维模型，考察了催化剂床层分段、各段循环比的变化、外循环段与绝热段结合及原料入口温度对反应器尺寸和床层轴向温度分布的影响。考察了异丁烯和甲醇在磺酸基团树脂催