[科普中國]-固定床

固定床是在進(jìn)行多相過程的設(shè)備中，若有固相參與，且處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則設(shè)備內(nèi)的固體顆粒物料層。

固定床是離子交換軟化水處理設(shè)備常用的一種構(gòu)造和運(yùn)行方式。這種設(shè)備的構(gòu)造和壓力濾池類似，是一個(gè)圓形鋼罐1。

簡介在進(jìn)行多相過程的設(shè)備中，若有固相參與，且處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則設(shè)備內(nèi)的固體顆粒物料層，稱為固定床。

例如，固定床離子交換柱中的離子交換樹脂層，固定床催化反應(yīng)器中的催化劑顆粒層，固定床吸附器中的吸附劑顆粒層等，均屬于固定床。

固定床又稱填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑2～15mm左右，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)。它與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。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。

原理當(dāng)氣體以較低速度自下而上通過均勻固體顆粒床層時(shí)，氣體只在靜止不動(dòng)的固體顆粒空隙中穿過，固體顆粒床層的高度基本上維持不變，這樣的床層稱為固定床。隨著氣體流速增大，固體顆粒床層開始松動(dòng)，固體顆粒的相對(duì)位置也在一定區(qū)域內(nèi)調(diào)整，床層高度略有增加；如果氣體流速繼續(xù)增大，固體顆粒則完全懸浮在向上流動(dòng)的氣體中，并進(jìn)行相當(dāng)不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)；氣體流速進(jìn)一步增大，床層高度將隨之增加，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)更為激烈，但仍停留在床層中，而不被氣流所帶出，這樣的床層稱為流化床。當(dāng)氣體流速繼續(xù)增大，流化床的上界面消失，固體顆粒分散懸浮在氣體中并被氣流夾帶而離開床層，這樣的床層稱為氣流床，此時(shí)，氣體通過固體顆粒床層的壓力降隨氣體空塔速度的增大而急劇減小，甚至固體顆粒被氣體全部帶出。根據(jù)上述原理，形成3種制氣技術(shù)，即固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化。

固定床氣化技術(shù)的特點(diǎn)是原料煤預(yù)處理相對(duì)簡單，氣化爐出口粗煤氣組成中甲烷、酚、焦油等雜質(zhì)含量較高，冷煤氣效率高，適合于煤制天然氣。

分類固定床反應(yīng)器有三種基本形式：①軸向絕熱式固定床反應(yīng)器。流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。②徑向絕熱式固定床反應(yīng)器。流體沿徑向流過床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)，床層同外界無熱交換。徑向反應(yīng)器與軸向反應(yīng)器相比，流體流動(dòng)的距離較短，流道截面積較大，流體的壓力降較小。但徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較軸向反應(yīng)器復(fù)雜。以上兩種形式都屬絕熱反應(yīng)器，適用于反應(yīng)熱效應(yīng)不大，或反應(yīng)系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應(yīng)熱效應(yīng)引起的溫度變化的場合。③列管式固定床反應(yīng)器。由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成。管內(nèi)或管間置催化劑，載熱體流經(jīng)管間或管內(nèi)進(jìn)行加熱或冷卻，管徑通常在25～50mm之間，管數(shù)可多達(dá)上萬根。列管式固定床反應(yīng)器適用于反應(yīng)熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。此外，尚有由上述基本形式串聯(lián)組合而成的反應(yīng)器，稱為多級(jí)固定床反應(yīng)器。例如：當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)大或需分段控制溫度時(shí)，可將多個(gè)絕熱反應(yīng)器串聯(lián)成多級(jí)絕熱式固定床反應(yīng)器，反應(yīng)器之間設(shè)換熱器或補(bǔ)充物料以調(diào)節(jié)溫度，以便在接近于最佳溫度條件下操作。

特點(diǎn)固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：①返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性。②催化劑機(jī)械損耗小。③結(jié)構(gòu)簡單。

固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是：①傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時(shí)，即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。②操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。

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。

粒度分布：5-50mm之間，大于50mm和小于5mm的應(yīng)小于5%?；胰埸c(diǎn)高于120度。灰和水的總和小于50%。適合高水分、高灰分含量的低階煤。適應(yīng)高灰、高水、高灰熔融性溫度的煤。煤要有一定的熱強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度。煤氣中含體積分?jǐn)?shù)10%左右的甲烷比較適合煤制天然氣項(xiàng)目，投資也相對(duì)較低。這也是國內(nèi)多數(shù)煤制天然氣項(xiàng)目選擇魯奇爐的原因。毎產(chǎn)生1000NM3的甲烷，要產(chǎn)生1.7噸難處理的含酚廢水。其不足之處是：使用塊煤、煤氣水量大、副產(chǎn)品量少時(shí)難以加工利用。

采用加壓固定床氣化爐的缺點(diǎn)是：1）要使用塊煤（粒度煤）、價(jià)格高；2）煤的粘結(jié)性不能太強(qiáng)（可應(yīng)用煤種受到限制）；3）氣化強(qiáng)度較低（單爐產(chǎn)氣量有限、需使用很多臺(tái)爐）；4）在氣化年輕煤種時(shí)，焦油產(chǎn)量較大（煙煤，約4～6%；褐煤，約5～8%）；5）碳轉(zhuǎn)化率較低，冷煤氣效率低；（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廢水量大；7）環(huán)保方面的潛在問題（焦油和水處理）；8）需要設(shè)置流程復(fù)雜的焦油處理、循環(huán)水處理系統(tǒng)；目前國內(nèi)有些使用魯奇爐的項(xiàng)目通過環(huán)評(píng)，我們認(rèn)為審查者不應(yīng)只看紙面上的方案，一定要看實(shí)際運(yùn)行效果。優(yōu)點(diǎn)是：氣化年輕煤種時(shí)，合成氣中甲烷含量較高，變換、甲烷化負(fù)荷較低。

傳熱方式在固定床反應(yīng)器中，若床層被冷卻，熱量在床層中按對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射的綜合方式傳至床層近壁處，再通近壁處滯流邊界層傳向容器內(nèi)壁。因此，床層中每一截面上都形成一定的徑向溫度分布，并且不同軸向位置處的徑向溫度分布也不相同。另一方面，流體在固體顆粒間流動(dòng)時(shí)，不斷地分散與匯合，形成了徑向及軸向混合過程的濃度分布。固定床反應(yīng)器應(yīng)將溫度分布與濃度分布方程和動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立求解。

流體通過固定床的徑向熱量傳遞是通過多種方式進(jìn)行的。通常把固體顆粒及在其空隙中流動(dòng)的流體包括在內(nèi)的整個(gè)固定床看作為假想的固體，按傳導(dǎo)傳熱的方式來考慮徑向傳熱過程。這一假想的固體導(dǎo)熱系數(shù)，稱為徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) 。

靜止流體有效導(dǎo)熱系數(shù)是固定床內(nèi)流體不流動(dòng)時(shí)床層主體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，它包括如下的六個(gè)過程：

1.床層空隙內(nèi)部流體的傳熱，它與流體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)；2.顆粒之間通過接觸的傳熱，其給熱系數(shù)為；3.顆粒表面附近流體中的傳熱，它與流體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)；4.顆粒表面之間的熱輻射傳熱；5.通過固體顆粒的傳熱，它與固體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)；6.空隙內(nèi)部流體的輻射傳熱，它與輻射給熱系數(shù)有關(guān)。7.流動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)效系數(shù)由傳熱方式7所形成， 即流體通過固定床時(shí)，由于流體混合所引起的徑向?qū)α鱾鳠帷?/p>

傳質(zhì)與混合當(dāng)流體流經(jīng)固定床時(shí)，不斷發(fā)生分散與匯合，形成了一定程度的徑向及軸向混合，尤其當(dāng)固定床中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而又與外界換熱時(shí)，床層中不同徑向位置處流速、溫度及反應(yīng)速率都不相同，也就必然存在著徑向濃度分布，更加加劇床層中徑向及軸向的混合過程，而其中徑向混合比軸向更加顯著。

固定床反應(yīng)器中床層高度L超過顆粒直徑sd的一百倍時(shí)，可以略去軸向返混的影響

某些固定床反應(yīng)器，如實(shí)驗(yàn)室測試動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的裝置，床層高度與顆粒直徑的比值往往低于一百倍，稱為薄床層，此時(shí)必須考慮軸向返混的影響。但可以在催化床上、下部填充適當(dāng)大小的惰性物料，造成整個(gè)填充床處于平推流狀態(tài)。

數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器是研究得比較充分的一種多相反應(yīng)器，描述固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型有多種，大致分為擬均相模型（不考慮流體和固體間的濃度、溫度差別）和多相模型（考慮到流體和固體間的濃度、溫度差別）兩類，每一類又可按是否計(jì)及返混，分為無返混模型和有返混模型，按是否考慮反應(yīng)器徑向的濃度梯度和溫度梯度分為一維模型和二維模型。

流化床反應(yīng)器基本形式：殼體、氣體分布裝置、換熱裝置、氣—固分離裝置、內(nèi)構(gòu)件以及催化劑加入和卸出裝置等組成。

應(yīng)用：應(yīng)用廣泛，催化或非催化 的氣-固、液-固和氣-液-固 反應(yīng)。在化工、煉油、冶金、 能源、材料、機(jī)械、生化等 領(lǐng)域都可以見到。

優(yōu)點(diǎn)：1.采用細(xì)分顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大，有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率；2. 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)高，全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高。3. 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)；4. 流體與顆粒之間傳熱、傳質(zhì)速率高；5. 流態(tài)化技術(shù)的操作彈性范圍寬，單位設(shè)備生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。

缺點(diǎn)：1.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，使氣固接觸不良，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低；2.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；3、由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴(yán)重。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所