1.概述
凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以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-固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。 2.固定床反应器优点
1)固定床中催化剂不易磨损；
2)床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和
较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
3)由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选
择性和转化率，在大生产中尤为重要。
3.固定床反应器缺点
1)固定床中的传热较差；
2)催化剂的更换必须停产进行。
4.类型
节能真空炉固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：
●绝热式固定床反应器
●多段绝热式固定床反应器
●列管式固定床反应器，
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●自热式反应器。
（1）绝热式固定床反应器
下图是绝热式固定床反应器的示意图。它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。
典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸
汽来供应的(乙苯：水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。
在此，水蒸汽的作用是： a) 可以带入大量的显热；
b) 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率； c) 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。 （2）多段绝热式固定床反应器
热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
列管式固定床反应器
图 (c) 是用于 SO2 转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放热反应过程，通过段间换热形成先高后低的温度变化，提高转化率和反应速率。
（3）列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器，如上图所示。
换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体(在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。
a) 管径：一般为25～50mm 的管子，但不小于25mm 。 b) 催化剂粒径：应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径约为2～6mm ，不小于1.5mm 。 列管式反应器优点：
a) 传热较好，管内温度较易控制； b) 返混小、选择性较高；
c) 只要增加管数，便可有把握地进行放大；
d) 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂 e) 适用 原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。 （4）自热式反应器
采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用于高压反应体系。
但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。
自热式反应器示意图
5.传热介质
传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走大量的热，常用的传热介质有：
1) 沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。 2) 联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200~ 350℃ 3) 熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组
成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化性。 4) 烟道气：适用于600～700℃的高温反应。 6. 固定床的传递特性
● 气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。 ● 气体自上而下流过床层。 1) 颗粒尺寸 颗粒尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。球形粒子的粒径是其直径，其他形状的粒子粒径则需定义。
颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成具有相同的体积（或外表面积、比表面积）的球形颗粒，以当量直径表示。如体积、外表面积、比表面
积当量直径。
2) 床层空隙率
单位体积床层内的空隙体积(没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积)。
若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。 3) 床层压降
气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压降。 压降计算通常利用厄根（Ergun ）方程：
4) 固定床中的传热 固定床中的传热组成： a) 颗粒内传热
b) 颗粒与流体间的传热，传热系数 h P c) 床层与器壁的传热，传热系数 h w 、h 0 7.典型反应
乙炔脱除 工艺说明
本流程为利用催化加氢脱乙炔的工艺。乙炔是通过等温加氢反应器除掉的，反应器温度由壳侧中冷剂温度控制。
主反应为： nC2H2＋2nH2→（C2H6）n
温度超过66℃时有副反应为： 2nC2H4→（C4H8）n
－颗粒密度fsad
－床层堆积密度，床层体积颗粒体积床层体积空隙体积P B P
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B P B 111ρρρρ
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流化床反应器
1.概述
依靠气体或液体的流动带动固体粒子像流体一样流动，同时在固体和流体之间进行反应的装置称为流化床反应器。
2.流化床特点
(1).流化床具有类似液体的性状
•轻的物体浮起；
•表面保持水平；
•固体颗粒从孔中喷出；
•床面拉平；
•床层重量除以截面积等于压强
(2).流化床的优点
•颗粒流动类似液体，易于处理，控制；
•固体颗粒迅速混合，整个床层等温；
•颗粒可以在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在床层之间传递；
•宜于大规模操作；
螺旋焊缝钢管•气体和固体之间的热质传递较其它方式高；
•流化床与床内构件的给热系数大。
(3).流化床的缺点
•气体的流动状态难以描述，偏离平推流，气泡使颗粒发生沟流，接触效率下降；
•颗粒在床层迅速混合，造成停留时间分布不均匀；
旋转装置
•脆性颗粒易粉碎被气流带走；
•颗粒对设备磨损严重；
•对高温非催化操作，颗粒易于聚集和烧结。
(4).散式流化和聚式流化
ⅰ> 散式流态化
随着流体流量的加大，床层内空隙率增大，颗粒之间间距加大，而颗粒在床层中分布均匀，流体基本上以平推流形式通过床层，人们称这种流化形式为散式流态化。
ⅱ> 聚式流态化
在此类流态化形式中，床层明显地分成两部分。其一是乳化相：固体颗粒被分散于流体中，单位体积内颗粒量类似于散式流化床的初始流化状态。其二是气泡相：流体以气泡形式通过床层。
(5).浓相段和稀相段
当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。
在浓相段上升的气泡在界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡挟带的乳化相中颗粒将被抛向浓相段上方空间。这段空间称为稀相段或称分离段。
(6).流态化的不正常现象
沟流：由于流体分布板设计或安装上存在问题，使流体通过分布板进入浓相段形成的不是气泡而是气流，称沟流。沟流造成气体与乳化相之间接触减少，传质与反应效果明显变差。
节流（腾涌）
3.类型
按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体，如矿石的焙烧，称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。
4.典型反应
丁烯氧化脱氢制丁二烯过程开发
在气固固循环流化反应器中进行丁烯氧化脱氢的热态实验，实验结果表明:
1)采用绝热固定床反应器的相应操作条件时，气固固循环流化反应器的水烯比可从16
降为8( 即节省一半的水蒸气)，而且，最大温升为165 ℃，远小于绝热固定床的
2 10 ℃;
2)在保持选择性大致保持不变(92 . 6 % ), 而氧烯比为0 . 7 、水烯比为8 时，转化率
可达80 . 2 % ，丁二烯收率为74 . 2 % ，说明气固固循环流化反应器既可以节省一半
的水蒸气(水烯比从16 降为8)，又可以提高丁烯的转化率10 % (转化率从70 %
增加到80 . 2 % ), 丁二烯收率也提高近10% (从65 % 增加到74 . 2 % )，而且,
此时固定床内最大温差为△T m a x = 17 5 ℃;
3)在水烯比保持在10 一16 、氧烯比为0 . 85 一1 . 0 条件下，该反应器可以获得最
高的丁二烯收率，丁二烯收率可达到80 % 或更高.
实验结果充分说明气固固循环流化反应器用于强放热催化反应有非常显著的优点.
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几种组合反应器
旋流反应器
旋流反应器是一种新型高效化工反应设备，由传统的旋风收尘器与水力旋流器改进而成，当外加一些辅助设备时可用于高温下的两相或三相反应。工作时流体从切线方向进入反应器，在离心力、摩擦力和重力等共同作用下，各组分均沿反应器内壁旋转向下运动，其间各流体组分充分接触并发生反应。最后，密度大的组分从反应器下部排出，密度小的组分则沿反应器的轴向部位逆流而上，从上端排出。流体在旋流反应器中的这种运动过程，使得该设备具有比传统的流化床、固定床等两相或三相反应器更大的优越性。旋流反应器具有结构简单、操作方便、传质性能良好、反应分离同时进行、停留时间短及分离效率高等优点，尤其是处理热敏性物料时更具有无可比拟的优越性。
目前在光化学、生物工程和工业领域中的水泥窑外分解、碎屑燃料旋流燃烧、旋涡炉以及沸腾焙烧等均有应用。但由于旋流反应器传递特性的研究涉及化学、流体力学、传热传质等多门学科，难度较大，所以其工作机理研究进展较慢。目前旋流反应器的研究重点有: ①在原有旋风与旋流器基础上，改进结构、优化尺寸，使其更适于化学反应。②水力学特性，如阻力、生产能力、效率的最优化。③反应器的气、液、固三相流动的传热、传质与反应特性，流场与物料关系。
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