固定床-流化床-浆态床的优缺点

固定床反应器

定义：气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置。

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。

应用：主要用于气固相催化反应。

基本形式：轴向绝热式、径向绝热式、列管式。

固定床反应器缺点：

床层温度分布不均匀；

床层导热性较差；

对放热量大的反应，应增大换热面积，及时移走反应热，但这会减少有效空间。

流化床反应器（沸腾床反应器）

定义：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，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，具有类似流体流动的一些特性的装置。

应用：应用广泛，催化或非催化的气—固、液—固和气—液—固反应。

原理：固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态，可作上下左右剧烈运动和翻动，好象是液体沸腾一样，故流化床反应器又称沸腾床反应器。

结构：壳体、气体分布装置、换热装置、气—固分离装置、内构件以及催化剂加入和卸出装置等组成。

优点：传热面积大、传热系数高、传热效果好。进料、出料、废渣排放用气流输送，易于实现自动化生产。

缺点：物料返混大，粒子磨损严重；要有回收和集尘装置；内构件复杂；操作要求高等。

固定床：

一、固定床反应器的优缺点

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。气固相固定床反应器的优点较多，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。

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，则造成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。

固定床反应器虽有缺点，但可在结构和操作方面做出改进，且其优点是主要的。因此，仍不失为气固相催化反应器中的主要形式，在化学工业中得到了广泛的应用。例如石油炼制工业中的裂化、重整、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、固定床反应器的分类

随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适应不同的传热要求和传热方式，主要分为绝热式和换热式两大类。

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。

流化床：

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。

流化床反应器是利用固体流态化技术进行气固相反应的装置。将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，这种流固接触状态称为固体流态化。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。

流化床反应器的优点

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之一。

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。

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，造成催化剂的损失和除尘的困难。

3、由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。

虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产过程特别有利。

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，可以提高生产能力，减少分离和精制的负担。

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。

桨态床：

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。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。