固定床

固定床是在进行多相过程的设备中，若有固相参与，且处于静止状态时，则设备内的固体颗粒物料层。

在进行多相过程的设备中，若有固相参与，且处于静止状态时，则设备内的固体颗粒物料层，称为固定床。例如，固定床离子交换柱中的离子交换树脂层，固定床催化反应器中的催化剂颗粒层，固定床吸附器中的吸附剂颗粒层等，均属于固定床。固定床又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器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催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。

当气体以较低速度自下而上通过均匀固体颗粒床层时，气体只在静止不动的固体颗粒空隙中穿过，固体颗粒床层的高度基本上维持不变，这样的床层称为固定床。随着气体流速增大，固体颗粒床层开始松动，固体颗粒的相对位置也在一定区域内调整，床层高度略有增加；如果气体流速继续增大，固体颗粒则完全悬浮在向上流动的气体中，并进行相当不规则的运动；气体流速进一步增大，床层高度将随之增加，固体颗粒的运动更为激烈，但仍停留在床层中，而不被气流所带出，这样的床层称为流化床。当气体流速继续增大，流化床的上界面消失，固体颗粒分散悬浮在气体中并被气流夹带而离开床层，这样的床层称为气流床，此时，气体通过固体颗粒床层的压力降随气体空塔速度的增大而急剧减小，甚至固体颗粒被气体全部带出。根据上述原理，形成3种制气技术，即固定床气化、流化床气化和气流床气化。固定床气化技术的特点是原料煤预处理相对简单，气化炉出口粗煤气组成中甲烷、酚、焦油等杂质含量较高，冷煤气效率高，适合于煤制天然气。

固定床反应器有三种基本形式：①轴向绝热式固定床反应器。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。②径向绝热式固定床反应器。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。③列管式固定床反应器。由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25～50mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器，反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。

固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。②催化剂机械损耗小。③结构简单。固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。粒度分布：5-50mm之间，大于50mm和小于5mm的应小于5%。灰熔点高于120度。灰和水的总和小于50%。适合高水分、高灰分含量的低阶煤。适应高灰、高水、高灰熔融性温度的煤。煤要有一定的热强度和机械强度。煤气中含体积分数10%左右的甲烷比较适合煤制天然气项目，投资也相对较低。这也是国内多数煤制天然气项目选择鲁奇炉的原因。毎[měi]产生1000NM的甲烷[wán]，要产生1.7吨难处理的含酚废水。其不足之处是：使用块煤、煤气水量大、副产品量少时难以加工利用。采用加压固定床气化炉的缺点是：1）要使用块煤（粒度煤）、价格高；2）煤的粘结性不能太强（可应用煤种受到限制）；3）气化强度较低（单炉产气量有限、需使用很多台炉）；4）在气化年轻煤种时，焦油产量较大（烟煤，约4～6%；褐煤，约5～8%）；5）碳转化率较低，冷煤气效率低；（灰渣中含碳高）；6）蒸汽分解率低（～40%），消耗量大，未分解蒸汽冷凝后造成废水量大；7）环保方面的潜在问题（焦油和水处理）；8）需要设置流程复杂的焦油处理、循环水处理系统；目前国内有些使用鲁奇炉的项目通过环评，我们认为审查者不应只看纸面上的方案，一定要看实际运行效果。优点是：气化年轻煤种时，合成气中甲烷含量较高，变换、甲烷化负荷较低。

在固定床反应器中，若床层被冷却，热量在床层中按对流、传导及辐射的综合方式传至床层近壁处，再通近壁处滞流边界层传向容器内壁。因此，床层中每一截面上都形成一定的径向温度分布，并且不同轴向位置处的径向温度分布也不相同。另一方面，流体在固体颗粒间流动时，不断地分散与汇合，形成了径向及轴向混合过程的浓度分布。固定床反应器应将温度分布与浓度分布方程和动力学方程联立求解。流体通过固定床的径向热量传递是通过多种方式进行的。通常把固体颗粒及在其空隙中流动的流体包括在内的整个固定床看作为假想的固体，按传导传热的方式来考虑径向传热过程。这一假想的固体导热系数，称为径向有效导热系数。静止流体有效导热系数是固定床内流体不流动时床层主体的有效导热系数，它包括如下的六个过程：1.床层空隙内部流体的传热，它与流体的导热系数有关；2.颗粒之间通过接触的传热，其给热系数为；3.颗粒表面附近流体中的传热，它与流体的导热系数有关；4.颗粒表面之间的热辐射传热；5.通过固体颗粒的传热，它与固体的导热系数有关；6.空隙内部流体的辐射传热，它与辐射给热系数有关。7.流动流体径向有效导效系数由传热方式7所形成，即流体通过固定床时，由于流体混合所引起的径向对流传热。

当流体流经固定床时，不断发生分散与汇合，形成了一定程度的径向及轴向混合，尤其当固定床中进行化学反应而又与外界换热时，床层中不同径向位置处流速、温度及反应速率都不相同，也就必然存在着径向浓度分布，更加加剧床层中径向及轴向的混合过程，而其中径向混合比轴向更加显著。固定床反应器中床层高度L超过颗粒直径sd的一百倍时，可以略去轴向返混的影响某些固定床反应器，如实验室测试动力学数据的装置，床层高度与颗粒直径的比值往往低于一百倍，称为薄床层，此时必须考虑轴向返混的影响。但可以在催化床上、下部填充适当大小的惰性物料，造成整个填充床处于平推流状态。

固定床反应器是研究得比较充分的一种多相反应器，描述固定床反应器的数学模型有多种，大致分为拟均相模型（不考虑流体和固体间的浓度、温度差别）和多相模型（考虑到流体和固体间的浓度、温度差别）两类，每一类又可按是否计及返混，分为无返混模型和有返混模型，按是否考虑反应器径向的浓度梯度和温度梯度分为一维模型和二维模型。

基本形式：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。应用：应用广泛，催化或非催化 的气-固、液-固和气-液-固 反应。在化工、炼油、冶金、能源、材料、机械、生化等 领域都可以见到。优点：1.采用细分颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大，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高，全床热容量大，热稳定性高。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；4. 流体与颗粒之间传热、传质速率高；5. 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。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，使气固接触不良，使反应的转化率降低；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。