1、常州工程職業技術學院胡浩鵬精細1411摘要：固定床反應器又稱填充床反應器，裝填有固體催化劑或固 體用以實現的一種反應器。在現代生產中固定床反應器開始廣泛應用 于生產之中，主要用于化工生產、生物科研等。它與及的區別在于固 體顆粒處于靜止狀態。固定床反應器主要用于實現氣固相， 口、二氧 化硫接觸氧化器、爐等。關鍵詞：固定床反應器、化工生產引言：近幾年以來固定床反應器在化工生產及醫藥研究的領域里發揮著重大 的作用，本文就近年來關于固定床反應器在化工生產和醫藥研究上作一些論述正文：固定床反應器在化工領域應用十分廣泛?；居袡C化工中，乙烯氧化 制環氧乙烷、乙苯脫氧制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反應均在固定床

2、反應器中進 行。固定床反應器床層薄，流速低，床層內的流體軸向流動可看作是理想置換流 動，因而化學反應速率較快，完成同樣的生產任務所需的催化劑用量和反應器體 積較小，流體停留時間可嚴格控制，溫度分布可適當調節，有利于提高化學反應 的轉化率和選擇性；固定床中催化劑不易磨損，可在高溫高壓下操作。當然，固 定床也存在一些缺點，如傳熱性能差；不能使用細粒催化劑（不能充分利用催化 劑內表面），催化劑的再生、更換均不方便。按照催化劑固定方式的不同，Biardi1等將固定床反應器分為傳統型與非傳 統型兩種。傳統型固定床是指催化劑以粒子形式進行堆積，主要有并流下行泡沫 床和并流上行泡沫床；非傳統型固定床是指將催

3、化劑以某種形態負載或固定于某 種結構填料上，通常使用Monolith催化劑和KatapakSandwich催化劑等。1:并流下行泡沫床Solvay公司認為當氣、液相并流下行時，如果同時成倍地提高工作液和氫氣 的流量，可以從滴流床過渡到泡沫床。因為泡沫床的氣液接觸面積較滴流床有了 明顯的提高，所以氣液相間的傳質作用明顯增強。并且，這種改進不需增加輔助 設備就可方便地實現。同時，為了解決快速反應和加壓條件下泡沫的淬滅、聚并， 以及由此引起的床層壓降波動較大、進料難以控制的問題，該專利采用惰性氣體 （最好是氮氣）來稀釋氫氣，并給出了氮氫最優比。這樣，不僅可以穩定床層壓降， 還可提高催化劑的選擇性。與

4、之相反的一種稱為并流上行泡沫床。2：并流上行泡沫床Solvay公司采用高1. 4 m、直徑18 mm的反應器，使用不同粒徑的球形Pd -SiO :催化劑，讓氣液由反應器的底部進料，并流上行，通過調整氣液流量比 使其達到泡沫狀態。并認為并流上行泡沫床優于并流下行泡沫床，對加氫過程更 為有利。其一，與并流下行泡沫床相比，并流上行泡沫床的床層壓降更小，床層 穩定性更好；其二，并流上行泡沫床的氣液相流速低，甚至可以和液相以化學計 量比進料，就町以獲取較高的單程加氫效率。這種方法的缺點是催化劑周圍的滯 液量較大，加速了催化劑的失活。還有就是Monolith固定床反應器3： Monolith固定床反應器M

5、onolith固定床反應器是通過利用平行孑L道內載催化劑為固定床，從而達 到提高三相接觸效率和固定床時空收率，降低床層壓降的目的。當氫氣經分布器 后形成的氣泡直徑通常比Monolith固定床的孔道要小。根據氣液流速的變化， 兩相流的流型有4種，即鼓泡流、Taylor流、環狀流和彈狀流。EkaNobel公司建 議使Monolith孔道內的流型處Taylor流，此時對反應最為有利。液相蒽醍工作 液從反應器的頂部進料，氫氣從反應器的底部進料與液相反應，未反應的部分經 外循環去塔頂繼續參與反應，使床層壓降為零，反應器內的壓力接近常數，這對 于提高反應的選擇性有鶯要的作用。實驗證實，與傳統工藝相比，該工

6、藝的放大 效果很好，工業規模對實驗室規模的放大效應遠小于傳統工藝。目前，該工藝已 被Eka Nobel公司應用到工業生產過氧化氫中，成為Monolith固定床反應器工業 化的經典范例。最后就是Katapak催化反應器4： Katapak催化反應器Katapak是一種用于催化精餾過程的結構填料。Piironen等率先在蒽醍的加 氫過程中應用Katapak填料催化劑。在這種反應器內氣液并流下行進料，與滴流 床不同的是液相為連續相，氣相為分散相。無論在流道間還是催化劑層，氣液間 的有效傳質明顯增強。在催化劑層的軸向返混現象較嚴重，但反應效率較高，并 不影響反應器總的性能。而Frank等建議最好采用并

7、流上行的操作方式。5：固定床反應器的數學模型由于軸向流固定床反應器中混合氣體的流動過程對化學反應過程和反應器 的性能有很大影響，因而反應器內部流場的研究和數學模擬對于優化化學反應過 程和優化反應器的設計有重要意義。為了在催化劑床層中實現氣體流動速率的均 勻分布，陳金娥等舊1對大型軸向流固定床反應器內流場進行數學模擬。在 包含多孔介質區域和無多孔介質的自由空間區域內建立一個統一流場和統一的 基本方程組，采用半人工瞬變分方法在半交錯不等距非正交曲線貼體混合網格中 進行數值計算，給出一個大型軸向流固定床反應器內流場的計算結果。魯文質3 等通過對合成氣一步法制二甲醚(DME)反應特點的研究，對固定床

8、反應器用一維模型進行了數學模擬計算，得出如下結論：在25 700 h 一空速下， 反應器內溫度分布較均勻，甲醇合成催化劑活性較低，而甲醇脫水反應進行程度 相對較高；在保證反應器熱點溫度不超過催化劑使用溫度時，可通過增大反應管 的管徑、提高反應壓力、降低空速和提高反應氣進口溫度來促進DME產物生成； 反應進口氣中應避免含有。：和H： O，氫碳比小于9時，提高氫碳比對DME 生成有利；提高甲醇合成劑在催化劑中的比例，還可進一步提高催化劑活性；各 影響條件對反應結果的影響大小依次為反應壓力、空速、催化劑組成、氫碳比、 原料氣進口溫度、CO：和H： o的濃度。反應壓力對DME產率影響較大，空速 對反應

9、器熱點溫度和CO轉化率影響較大，催化劑配比對DME選擇性影響較大， 而氫碳比主要影響CO的轉化率。原料氣進口溫度、CO：和H： O的濃度對反 應結果影響不大。王志亮4等H1建立了輕烴醚化外循環式反應器的擬均相一維模型，考察了 催化劑床層分段、各段循環比的變化、外循環段與絕熱段結合及原料入口溫度對 反應器尺寸和床層軸向溫度分布的影響?？疾炝水惗∠┖图状荚诨撬峄鶊F樹脂催 化劑上生成MTBE的醚化反應，該反應在液相中進行，屬于可逆放熱反應。當 反應溫度高時，除了主反應外還會發生副反應，即混合c。烴中的正丁烯或/和 2 一丁烯與甲醇反應生成甲基正丁基醚或/和甲基仲丁基醚，從而影響主產品的 質量。對此類

10、放熱反應，如果原料濃度較高致使反應放熱量較大時，通常情況下 選用外冷列管式反應器或外循環式反應器，兩者相比列管式反應器催化劑裝填較 困難。外循環式反應器利用大量反應產物的循環移走反應熱，降低催化劑床層的 熱點溫度。通過調整循環比使反應在較低的溫度范圍內進行，進而提高可逆放熱 反應的平衡轉化率，減少副產物的生成。通過模擬發現調節循環比和循環方式可 有效的解決上述問題，并最終確定了外循環和絕熱相結合的方式。王軍等5.6對熱管式氣液固三相固定床鼓泡反應器的傳熱性能進行了研究。 在一內徑50 mill，高800 m/n的床內充以多孔填料，內插一根不銹鋼熱管，用 并流向上的熱水和氮氣進行傳熱研究。熱管是

11、一種具有高導熱性能的傳熱元件。 通過實驗得到r熱管式氣液固三相固定床鼓泡反應器的傳熱能力隨氣相速率增大 而逐步增加的結論；在氣相速率達到某一值后，氣相速率對傳熱量影響不大；并 采用最小二乘法擬合得到了實驗條件下固定床鼓泡反應器床層與熱管加熱段管 壁之間傳熱系數傳熱經驗關聯式，將其用于熱模實驗，基本能夠滿足實驗要求。李東風7 等一 1通過建立數學模型，對分子篩催化劑上液相法合成異丙苯 裝置(100 ka/ a)的烴化反應器進行了設計與優化。他們采用多段絕熱床反應器， 液相丙烯和苯均可分為多股分別通人各床層底部，循環液也可分為多股通入每一 床層。由于較大的苯烯比可獲得較高的選擇性和較長的催化劑壽命

12、，采用丙烯分 段進料對于烷基化反應有利。優化的結果表明，烴化反應器宜采用帶有外循環的 三段絕熱固定床反應器，丙烯平均分為3股進料，苯單股進料，循環液全部返回 反應器入口，循環量應保證床層內流體流動處于湍流狀況。適宜的操作條件為： 溫度150180 oc，壓力3. 0 MPa，進料苯烯摩爾比6： l，苯空速4 h，循環 比6。當然還有固定床反應器在一些新領域的應用與發展。下面講述一下床反應器 在新領域的應用與發展6：新領域的發展劉紅8等舊1制備了用于固定床反應器的負載型Ts-1分子篩催化劑，并以 苯酚羥基化為探針反應研究了載體、鈦含量和預處理劑等對負載型TS-1分子 篩催化性能的影響，考察了固定

13、床反應器中苯酚羥基化反應的工藝條件，結果表 明，酸性較強的載體會加劇H： O：的分解，導致苯酚的轉化率和H： O：的有效利用率下降；在所研究的ZSM 一 5、Ti02、A120，、Zr02、Si02和硅藻土載 體中，硅藻土的催化性能最好；催化劑活性與骨架鈦含量有關；用HNO，、KAc、 NaAc、NH4Ac和NH4CI處理過的催化劑，活性和選擇性均提高，而用NH3H20、 Na2C03和Na，PO。等堿性物質處理后，催化劑活性下降；溶劑、反應溫度、 原料空速和苯酚與H： O：摩爾比對苯酚羥基化反應有很大影響，以丙酮為溶劑， 在苯酚與H20:摩爾比為3、反應溫度為84C、WHSV為8. 46h。

14、的反應條件 下，苯酚轉化率、H： O：轉化率、苯二酚選擇性及H： O：的有效利用率分別 達 27. 2%、94. 8%、97. 7%和 75. 1%。曹凱9 等一 1對苯胺催化加氫制環己胺列管式固定床反應器進行優化設計。 建立了苯胺催化加氫制環己胺固定床反應器的二維擬均相模型，并用數值計算軟 件Mathconnex對模型進行求解，實現了苯胺催化加氫制環己胺列管式固定床反 應器的優化設計與操作。采用二維擬均相模型可有效地描述苯胺催化加氫制環己 胺列管式固定床反應器的特征；影響轉化率的主要因素是反應器的軸向溫度分 布，反應器的管徑和氫氣與苯胺物質的量對反應器軸向溫度分布有較大影響，是 設計反應器和

15、優化操作的重要參量；根據計算結果設計的反應器在優化條件下操 作穩定，能耗降低，熱點溫度遠低于采用導熱油冷卻的反應器，產品的副產物少， 收率可達95%以上，具有較好的經濟效益。邢福祥10設計了一種用于氣體凈化的平板式固定床反應器。該反應器通過 數片內置的裝填有固體反應物的網板，在低功率風機作用下完成氣固反應和氣體 吸收，從而達到氣體凈化和處理的目的。該平板型固定床反應器具有結構簡單、 操作方便、床層阻力低、能耗小、凈化效率高等優點，可方便地通過抽插網板來 更換或再生固體反應物。由于網板平面平行于氣流方向，反應阻力非常小。應用 結果表明，該設備比直筒式反應器的凈化效率高20%，用于吸收密閉空間內的

16、 酸性氣體時，功率消耗較直筒式反應器節省3. 8 kWh，特別適合一些受環境條 件變化而帶來普通反應器床層阻力急劇升高的氣固反應過程，值得在一些氣體凈 化崩；濕等領域推廣和應用。樊金紅11等.劉以過飽和草酸水溶液為陰極液，鹽酸溶液為陽極液，在陰 極冷卻固定床電化學反應器內草酸電解合成乙醛酸?？疾炝穗娏髅芏?、電極和電 解液溫度、陰極材料對合成乙醛酸時空產率和電流效率的影響。結果表明，陰極 冷卻固定床反應器是一種較理想的反應器，用石墨板作陽極，鉛作陰極，電流密 度為400. 5 A/m2，陰極空速為0. 505 m/s，電解溫度為20C左右時，電解 1. 5 h，在陰極可得到質量分數為5. 45%

17、的乙醛酸溶液，平均時空產率達0. 12 kg / (dm5 h)以上。張力峰12等列對苯與丙烯烷基化氣液固反應器的分布系統進行了研究。在 對工業裝置的氣液分布系統進行分析后，提出了擴產1. 6倍的分布器設計方案; 惰性床層液相混合與傳質的計算結果表明，液相中丙烯濃度在惰性床層約0.4 m 處達到平衡，惰性床層中傳質速率很快。按照等動量放大法設計的氣體分布器， 反應器生產能力提高前后的壓降不會有大的變化。壓降的計算結果與工業裝置實 際值基本一致。參考文獻1:劉國柱，乇蒞，米鎮濤等.蒽醍法制過氧化氫用氫化反應器的研究進展.現代化工。 2003, 23(2)： 19222：陳金娥.大型軸向流同定床反

18、應器流場的數值模擬，中國科學技術大學學報，2004, 34(增刊)：4564613：魯文質，腺立華，肖文德.固定床反應器合成二甲醚的模擬分析.天然氣化工，2002, 27(4)： 53614：王志亮，楊宗仁.外循環式輕烴醚化反應的設計與分析.煉油設計，2002，32(7)： 25285：王軍，張紅，陶漢中等.熱管式氣液固三相同定床鼓泡反應器的傳熱性能化工學 報，2005，靳(3)： 4464496：王軍。馬永錫，孫世梅.熱管式同定床鼓泡反應器返混試驗研究.南京工業大學學 報，2005，27(2)：64667：李東風，注展文，金涌等.液 相烷化法合成異丙苯烴化反應器的設計與優化.化學【業與工程，2002，19(4)：