大量固體顆粒堆積在一起，便形成了具有一定高度的顆粒床層，這就是名稱里的"床"。這些固體顆?？梢允欠磻?yīng)物，也可以是催化劑。

如果這個(gè)顆粒床層是固定不動(dòng)的，就叫固定床。

如果這個(gè)顆粒床層是整體移動(dòng)的，固體顆粒自頂部連續(xù)加入，又從底部卸出，顆粒相互之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是以一個(gè)整體的狀態(tài)移動(dòng)，叫做移動(dòng)床。

當(dāng)流體（氣體或液體）通過顆粒床層時(shí)，進(jìn)行反應(yīng)。如果將流體通過床層的速度提高到一定數(shù)值，固體顆粒已經(jīng)不能維持不變的狀態(tài)，全部懸浮于流體之中，固體顆粒之間進(jìn)行的是無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，整個(gè)固體顆粒的床層，可以像流體一樣流動(dòng)，這即是流動(dòng)床。

下面，為大家詳細(xì)的介紹這三種反應(yīng)器。

又稱填充床反應(yīng)器，內(nèi)部裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物，以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)。固體物通常呈顆粒狀，堆積成一定高度（或厚度）的床層，床層靜止不動(dòng)，流體通過床層進(jìn)行反應(yīng)。

固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時(shí)，床層則填裝固體反應(yīng)物。涓流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。

• 催化劑機(jī)械磨損小。

• 床層內(nèi)流體的流動(dòng)接近于平推流，與返混式的反應(yīng)器相比，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。

• 由于停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，因此特別有利于達(dá)到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。

• 可在高溫高壓下操作。

• 固定床中的傳熱較差。

• 催化劑的再生、更換均不方便， 催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。

• 不能使用細(xì)粒催化劑，但固定床反應(yīng)器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應(yīng)用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。

絕熱式固定床催化反應(yīng)器在反應(yīng)過程中，床層不與外界進(jìn)行熱量交換。

其最外層為隔熱材料層（耐火磚、礦渣棉、玻璃纖維等），常稱作保溫層，作用是防止熱量的傳出或傳入，減少能量損失，維持一定的操作條件并起到安全防護(hù)的作用。

絕熱式反應(yīng)器可分為單段絕熱式反應(yīng)器和多段絕熱式反應(yīng)器。

一般為高徑比不大的圓筒體，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力大，但反應(yīng)過程中溫度變化較大。

適合的反應(yīng)：

• 反應(yīng)熱效應(yīng)較小的反應(yīng)。

• 溫度對(duì)目的產(chǎn)物收率影響不大的反應(yīng)。

• 雖然反應(yīng)熱效應(yīng)大，但單程轉(zhuǎn)化率較低的反應(yīng)或者有大量惰性物料存在，使反應(yīng)過程中溫升小的反應(yīng)。

催化劑床層的溫度波動(dòng)較小，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，催化劑裝卸困難。

多段絕熱反應(yīng)器按段間換熱方式的不同可分為三類：

• 間接換熱式

• 原料氣冷激式

• 非原料氣冷激式

當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大時(shí)，為了維持適宜的溫度條件，必須利用換熱介質(zhì)來移走或供給熱量。

換熱式固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)：在催化劑床層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，床層還通過器壁與外界進(jìn)行熱交換，可分為對(duì)外換熱式和自身換熱式。

以各種載熱體為換熱介質(zhì)，稱為對(duì)外換熱式。

通常在管內(nèi)充填催化劑，反應(yīng)氣體自上而下通過催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)，管間通載熱體 (在用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時(shí)，則把催化劑放在管間，而使管內(nèi)走高壓流體)。 

以原料氣為換熱介質(zhì)，利用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱原料，使其達(dá)到反應(yīng)溫度，本身得到冷卻，即反應(yīng)前后的物料在床層中自己進(jìn)行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。

分為軸向反應(yīng)器與徑向反應(yīng)器。

下圖第一個(gè)為軸向絕熱式固定床反應(yīng)器，后兩個(gè)為徑向絕熱式固定床反應(yīng)器。

軸向反應(yīng)器結(jié)構(gòu)比較簡單，催化劑均勻的堆置于床內(nèi)物料自上而下流過床層進(jìn)行反應(yīng)。

徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)比軸向的復(fù)雜，催化劑裝載于兩個(gè)同心圓構(gòu)成的環(huán)隙中，流體沿徑向流過床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)。這種類型的反應(yīng)器流體流過的距離較短，流道截面積較大，床層阻力降較小。

是用以實(shí)現(xiàn)氣固相反應(yīng)過程或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器。在反應(yīng)器頂部連續(xù)加入顆粒狀或塊狀固體反應(yīng)物或催化劑，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，固體物料逐漸下移，最后自底部連續(xù)卸出。流體則自下而上（或自上而下）通過固體床層，以進(jìn)行反應(yīng)。

• 固體和流體的停留時(shí)間可以在較大范圍內(nèi)改變。

• 返混較?。ㄅc固定床反應(yīng)器相近）。

• 對(duì)固體物料性狀以中等速度變化的反應(yīng)過程也能適用。

• 控制固體顆粒的均勻下移比較困難。

當(dāng)流體通過床層的速度逐漸提高到某值時(shí)，顆粒出現(xiàn)松動(dòng)，顆粒間空隙增大，床層體積出現(xiàn)膨脹。如果再進(jìn)一步提高流體速度，床層將不能維持固定狀態(tài)。此時(shí)，顆粒全部懸浮與流體中，顯示出相當(dāng)不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。隨著流速的提高，顆粒的運(yùn)動(dòng)愈加劇烈，床層的膨脹也隨之增大，但是顆粒仍逗留在床層內(nèi)而不被流體帶出。床層的這種狀態(tài)和液體相似稱為流化床。

流化床反應(yīng)器是利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過程或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器。

沸騰床是流化床的一種，固體在流化床反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)，流體和固體顆粒所構(gòu)成的床層猶如沸騰的液體。沸騰床反應(yīng)器下部設(shè)有分布板，板上放固體顆粒，流體自分布板下送入，當(dāng)流體速度達(dá)到一定數(shù)值后，固體顆粒開始松動(dòng)，再增大流速就進(jìn)入流化狀態(tài)。反應(yīng)器內(nèi)一般設(shè)有擋板，換熱器，及流體與固體分離裝置等內(nèi)部部件。沸騰床接觸面大，傳熱傳質(zhì)效率高，時(shí)空產(chǎn)率高，但返混嚴(yán)重。沸騰床因?yàn)楣腆w處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),反應(yīng)或傳熱效果好,但動(dòng)力消耗大,而且在煤調(diào)濕中粉塵攜帶量大。

• 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) 3280~16400m2/m3），有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率。 

• 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[200～400W/（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。 

• 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)耦合過程和反應(yīng)—分離耦合過程得以實(shí)現(xiàn)。使得易失活催化劑能在工程中使用。 

• 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)過程特別有利。 

• 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 向沒有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過床層，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。  

• 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。由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴(yán)重。

來源：化工加

中國化學(xué)品安全協(xié)會(huì)

編輯：趙膺祚

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