固定床、流化床、移动床、浆态床比较

四种反应器形式比较
一、固定床反应器
（一）概念
凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器。

而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广泛。

例如石油炼制工业中的加氢裂化、歧化、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。

（二）特点
结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。

1、优点主要表现在以下几个方面：
1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动，因此在化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。

2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。

3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。

4）适宜于高温高压条件下操作。

2、由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点：
1）催化剂载体往往导热性不良，气体流速受压降限制又不能太大，导致床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。

对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度减慢，传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。

所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点，称为“热点”。

如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制而出现“飞温”。

此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。

2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。

3）催化剂的再生、更换均不方便。

（三）形式
轴向绝热式、径向绝热式、列管式。

绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有下列特点：床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒直径之比一般超过100；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。

换热式固定床反应器以列管式为多，通常管内装催化剂，管间走载热体，一般有下列特点：催化剂的粒径小于管径的8倍；利
用载热体来移走或供给热量，床层温度维持稳定。

二、流化床反应器
（一）概念
流化床反应器（沸腾床反应器、膨胀床反应器）
流体（气体或液体）以较高流速通过床层，带动床内固体颗粒运动，使大量固体颗粒悬浮于运动的流体从而使颗粒具有类似于流体的某些宏观表现特性，并在流动的主体流中进行反应。

流化床反应器是工业上应用较广泛的一类反应器，适用于催化或非催化的气—固、液—固和气—液—固反应系统。

流化床反应器的结构型式很多，传统流化床反应器一般都由壳体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气因分离装置、催化剂的加入和卸出装置等组成。

化学工业广泛使用固体流态化技术进行固体的物理加工、颗粒输送、催化和非催化化学加工。

目前流态化技术作为一门基础技术已经渗透到国民经济的许多部门，在化工、炼油、冶金、能源、原子能、材料、轻工、生化、机械、环保等各项领域中都可以见到。

（二）特点
1、流化床内的固体粒子像流体一样运动，由于流态化的特殊运动形式，使这种反应器具有如下优点：
1）由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可高达3280~16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。

2）由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高[200～400W/（m2*K）]，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。

这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因。

3）流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。

这使得一些反应—再生、吸热—放热、正反应—逆反应等反应耦合过程和反应—分离耦合过程得以实现。

使得易失活催化剂能在工程中使用。

4）流体与颗粒之间传热、传质速率也较其它接触方式为高。

5）由于流—固体系中孔隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以致在很宽的范围内均能形成较浓密的床层。

所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。

2、流化床反应器的缺点
1）气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。

加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。

因此流化床一般达不到固定床的转化率。

2）催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的破损，导致催化剂损失以及带来的除尘的困难，要有回收和集尘装置；内构件复杂；操作要求高等。

3）由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。

综上所述，流化床反应器比较适用于下述过程：热效应很大的放热或吸热过程；要求有均一的催化剂温度和需要精确控制温度的反应；催化剂寿命比较短，操作较短时间就需更换（或活化）的反应；有爆炸危险的反应，某些能够比较安全地在高浓度下操作的氧化反应。

流化床反应器一般不适用如下情况：要求高转化率的反应；要求催化剂层有温度分布的反应。

（三）形式
散式流化床、鼓泡床、湍动床、快速床
三、移动床反应器
（一）概念
固定床催化剂一般无法进行连续再生，而流化床催化剂可以很好地进行连续再生，但只适用于催化剂颗粒较小的工艺。

催化剂颗粒大，难以形成流态化，为了使再生连续进行，可以使用移动床。

在移动床中，当催化剂由于积炭而迅速失活时，可通过特制的闭锁装置，利用催化剂本身的重力，缓缓地将催化剂移出反应器。

这些待再生的催化剂，通过机械传送或气体输送，进入再生器自上而下地再生，再生过的催化剂则用同样的办法，输送回反应器，这样实现了反应与再生的连续操作。

这种系统，催化剂床层相当于在系统移动，称为移动床。

这类反应器最先应用于石油炼制的催化裂化工艺，后来又推广到连续催化重整工艺，丙烷脱氢。

（二）特点
1、连续运转
催化剂随着反应时间的增加，表面积炭相应增加，活性下降。

为了确保一定的反应速率，必须将积炭的催化剂移出反应器，不断地补充新鲜的或再生过的催化剂，以保持催化剂的平均活性，这种不间断的过程，确保了反应系统操作的连续性。

2、可以在较苛刻的反应条件下稳定运转
固定床的缺点之一是反应初期与末期的催化剂活性变化大，因而反应深度不同，导致产品的分布及产品的质量都有差异，甚至影响到处理量的变化。

移动床反应器，由于催化剂活性可以调节，在一定范围内保持恒定，整个反应器也可以在较苛刻的条件下进行，有利于充分利用催化剂的潜力。

3、较低的反应压力
从理论上讲，对于一定的空速及原料特性，反应压力越低，可以减少生焦、提高脱氢效率，增加目的产品收率，氢纯度也就越高。

同时压力低对降低对设备的要求、减少投资是非常有利的，重整的发展历史也表明了这点。

固定床反应器的重整反应压力为3.43MPa，第一代连续重整反应压力为0.69~0.98 MPa，第二代连续重整压力只有0.29~0.49 MPa。

4、操作比较复杂
移动床反应器工艺不太适宜强烈放热的反应。

反应器、再生器中的催化剂始终都在流动状态，从上而下依靠重力流动，提升可用氢气或惰性气体。

为了保证整个系统的平稳循环，对控制系统的要求较高，
操作相应比固定床反应器要复杂。

四、桨态床反应器
（一）概念
浆态床反应器(悬浮床反应器)
气体以鼓泡形式通过悬浮有固体细粒的液体(浆液)层，以实现气液固相反应过程的反应器，因此一般又叫三相床反应器。

浆态反应器中液相可以是反应物，也可以是悬浮固体催化剂的载液。

浆态反应器中有两个流体相，所以操作方式比较多样，例如气液两相均为连续进出料，气液两相均为间歇进出料，以及液相为间歇进出料而气相为连续进出料等，可以适应反应系统的不同要求。

（二）特点
1、优点：
反应器结构简单，成本低，容易大型化；易于在线更换催化剂；液相介质热容大，在强放热条件下,易于反应器内部热量分布均匀，催化剂床层不易飞温，可提高产物选择性；使用细颗粒催化剂，使催化剂颗粒内表面利用较充分，无内扩散影响，有利于提高产物选择性；反应器相比固定床反应器小得多，尾气循环压缩机能耗大大减小；当液相连续进出料时，催化剂排出再生比较方便。

2、缺点：
催化剂颗粒小，且容易磨损，会给操作带来麻烦，存在催化剂细粉的分离问题，所以液固分离装置要求高；连续操作时返混严重，当
有串联副反应存在时会使选择性降低；液固比通常较高，在有液相副反应时可使选择性降低。

（三）形式
浆态反应器有两种基本形式：其一是搅拌釜式，利用机械搅拌使浆液混合，适用于固体含量高、气体流量小或气液两相均为间歇进料的场合；其二是三相流化床式，借助气体上升时的作用使固体悬浮，并使浆液混合，避免了机械搅拌的轴封问题，尤适于高压反应。

1、按操作方式分类 ：
1）间歇操作反应器
在反应之前将原料一次性加入反应器中，直到反应达到规定的转化率，即得反应物，通常带有搅拌器的釜式反应器。

特点：操作弹性大，主要用于小批量生产。

2）连续操作反应器
反应物连续加入反应器产物连续引出反应器，属于稳态过程，可以采用釜式、管式和塔式反应器。

特点：适宜于大规模的工业生产，生产能力较强，产品质量稳定易于实现自动化操作。

3）半连续操作反应器
预先将部分反应物在反应前一次加入反应器，其余的反应物在反应过程中连续或断连续加入，或者在反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出，属于非稳态过程。

特点：反应不太快，温度易于控制，有利于提高可逆反应的转化率 。

2、按流体流动及混合型式分类
造成三种反应器中流体流动型态不同是由于物料在不同反应器中的返混程度不一样。

返混：是指反应器内不同年龄的流体微元之间的混合，返混代表时间上的逆向混合。

1）平推流反应器
物料在长径比很大的管式反应器中流动时，如果反应器中每一微元体积里的流体以相同的速度向前移动，此时在流体的流动方向不存在返混，这就是平推流。

特点：各物料微元通过反应器的停留时间相同 ,物料在反应器中沿流动方向逐段向前移动，无返混 ，物料组成和温度等参数沿管程递变，但是每一个截面上物料组成和温度等参数在时间进程中不变 ，连续稳态操作，结构为管式结构。

2）理想混合流反应器
反应器的物料微元与器内原有的物料微元瞬间能充分混合（反应器中的强烈搅拌），反应器中各点浓度相等不随时间变化。

特点：各物料微元在反应器的停留时间不相同， 物料充分混合，返混最严重 ，反应器中各点物料组成和温度相同，不随时间变化 ，连续搅拌釜式反应器 。

3）非理想混合流反应器
实际反应器主要是由于工业生产中在反应器中的死角、沟流、旁路、短路及不均匀的速度分布使物料流动型态偏离理想流动。

五、四种渣油加氢工艺对比
工艺参数 固定床 流化床 移动床 浆态床
压力 MPa 10~20 15~21 10~20 10~30
温度 ℃ 370~420 400~470 370~420 450~480 空速 h-10.15~0.5 0.2~1.0 0.1~0.5 0.7~1.5 原料油 AR或VR VR AR或VR VR (Ni+V) ppm ＜200 ＜800 ＜200 无要求 CCR m% 10~20 20~25 20~25 ＜40
杂质脱除率m% HDS 85~95 60~90 90 50~70 HDN 30~60 30~50 20~40 HDM 70~90 80~98 85~98 90~98
CCR转化% 55~70 60~80 ~80 70~90 渣油转化m% 20~50 60~90 20~50 80~95
产品质量 质量较好，可作
低硫燃料油或
两次加工原料轻油可作为成品
油，重油还需加
工或作燃料油
可得到低硫
轻、重油
含硫高，需进
一步加氢脱硫
反应过程 催化反应 催化+热反应 催化反应 催化+热反应 技术难度 设备简单，易
操作
复杂 较复杂 较复杂
技术成熟度 成熟 成熟 成熟 已有工业装
置 投资 中等 较高 较高 中等 注：CCR 康氏残碳
HDS 脱硫率
HDN 脱氮率
HDM 脱金属率。