固定牀

在進行多相過程的設備中，若有固相參與，且處於靜止狀態時，則設備內的固體顆粒物料層，稱為固定牀。

例如，固定牀離子交換柱中的離子交換樹脂層，固定牀催化反應器中的催化劑顆粒層，固定牀吸附器中的吸附劑顆粒層等，均屬於固定牀。

固定牀又稱填充牀反應器，裝填有固體催化劑或固體反應物用以實現多相反應過程的一種反應器。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）的牀層。牀層靜止不動，流體通過牀層進行反應。它與流化牀反應器及移動牀反應器的區別在於固體顆粒處於靜止狀態。固定牀反應器主要用於實現氣固相催化反應，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉化爐等。用於氣固相或液固相非催化反應時，牀層則填裝固體反應物。涓流牀反應器也可歸屬於固定牀反應器，氣、液相併流向下通過牀層，呈氣液固相接觸。

當氣體以較低速度自下而上通過均勻固體顆粒牀層時，氣體只在靜止不動的固體顆粒空隙中穿過，固體顆粒牀層的高度基本上維持不變，這樣的牀層稱為固定牀。隨着氣體流速增大，固體顆粒牀層開始鬆動，固體顆粒的相對位置也在一定區域內調整，牀層高度略有增加；如果氣體流速繼續增大，固體顆粒則完全懸浮在向上流動的氣體中，並進行相當不規則的運動；氣體流速進一步增大，牀層高度將隨之增加，固體顆粒的運動更為激烈，但仍停留在牀層中，而不被氣流所帶出，這樣的牀層稱為流化牀。當氣體流速繼續增大，流化牀的上界面消失，固體顆粒分散懸浮在氣體中並被氣流夾帶而離開牀層，這樣的牀層稱為氣流牀，此時，氣體通過固體顆粒牀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。根據上述原理，形成3種制氣技術，即固定牀氣化、流化牀氣化和氣流牀氣化。

固定牀氣化技術的特點是原料煤預處理相對簡單，氣化爐出口粗煤氣組成中甲烷、酚、焦油等雜質含量較高，冷煤氣效率高，適合於煤制天然氣。

固定牀反應器有三種基本形式：①軸向絕熱式固定牀反應器。流體沿軸向自上而下流經牀層，牀層同外界無熱交換。②徑向絕熱式固定牀反應器。流體沿徑向流過牀層，可採用離心流動或向心流動，牀層同外界無熱交換。徑向反應器與軸向反應器相比，流體流動的距離較短，流道截面積較大，流體的壓力降較小。但徑向反應器的結構較軸向反應器複雜。以上兩種形式都屬絕熱反應器，適用於反應熱效應不大，或反應系統能承受絕熱條件下由反應熱效應引起的温度變化的場合。③列管式固定牀反應器。由多根反應管並聯構成。管內或管間置催化劑，載熱體流經管間或管內進行加熱或冷卻，管徑通常在25～50mm之間，管數可多達上萬根。列管式固定牀反應器適用於反應熱效應較大的反應。此外，尚有由上述基本形式串聯組合而成的反應器，稱為多級固定牀反應器。例如：當反應熱效應大或需分段控制温度時，可將多個絕熱反應器串聯成多級絕熱式固定牀反應器，反應器之間設換熱器或補充物料以調節温度，以便在接近於最佳温度條件下操作。

固定牀反應器的優點是：①返混小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應伴有串聯副反應時可得較高選擇性。②催化劑機械損耗小。③結構簡單。

固定牀反應器的缺點是：①傳熱差，反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現飛温（反應温度失去控制，急劇上升，超過允許範圍）。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一般不宜使用，常代之以流化牀反應器或移動牀反應器。

固定牀反應器中的催化劑不限於顆粒狀，網狀催化劑早已應用於工業上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。

粒度分佈：5-50mm之間，大於50mm和小於5mm的應小於5%。灰熔點高於120度。灰和水的總和小於50%。適合高水分、高灰分含量的低階煤。適應高灰、高水、高灰熔融性温度的煤。煤要有一定的熱強度和機械強度。煤氣中含體積分數10%左右的甲烷比較適合煤制天然氣項目，投資也相對較低。這也是國內多數煤制天然氣項目選擇魯奇爐的原因。毎產生1000NM³的甲烷，要產生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、副產品量少時難以加工利用。

採用加壓固定牀氣化爐的缺點是：1）要使用塊煤（粒度煤）、價格高；2）煤的粘結性不能太強（可應用煤種受到限制）；3）氣化強度較低（單爐產氣量有限、需使用很多台爐）；4）在氣化年輕煤種時，焦油產量較大（煙煤，約4～6%；褐煤，約5～8%）；5）碳轉化率較低，冷煤氣效率低；（灰渣中含碳高）；6）蒸汽分解率低（～40%），消耗量大，未分解蒸汽冷凝後造成廢水量大；7）環保方面的潛在問題（焦油和水處理）；8）需要設置流程複雜的焦油處理、循環水處理系統；目前國內有些使用魯奇爐的項目通過環評，我們認為審查者不應只看紙面上的方案，一定要看實際運行效果。優點是：氣化年輕煤種時，合成氣中甲烷含量較高，變換、甲烷化負荷較低。

在固定牀反應器中，若牀層被冷卻，熱量在牀層中按對流、傳導及輻射的綜合方式傳至牀層近壁處，再通近壁處滯流邊界層傳向容器內壁。因此，牀層中每一截面上都形成一定的徑向温度分佈，並且不同軸向位置處的徑向温度分佈也不相同。另一方面，流體在固體顆粒間流動時，不斷地分散與匯合，形成了徑向及軸向混合過程的濃度分佈。固定牀反應器應將温度分佈與濃度分佈方程和動力學方程聯立求解。

流體通過固定牀的徑向熱量傳遞是通過多種方式進行的。通常把固體顆粒及在其空隙中流動的流體包括在內的整個固定牀看作為假想的固體，按傳導傳熱的方式來考慮徑向傳熱過程。這一假想的固體導熱係數，稱為徑向有效導熱係數 。

靜止流體有效導熱係數是固定牀內流體不流動時牀層主體的有效導熱係數，它包括如下的六個過程：

1.牀層空隙內部流體的傳熱，它與流體的導熱係數有關；2.顆粒之間通過接觸的傳熱，其給熱係數為；3.顆粒表面附近流體中的傳熱，它與流體的導熱係數有關；4.顆粒表面之間的熱輻射傳熱；5.通過固體顆粒的傳熱，它與固體的導熱係數有關；6.空隙內部流體的輻射傳熱，它與輻射給熱係數有關。7.流動流體徑向有效導效係數由傳熱方式7所形成， 即流體通過固定牀時，由於流體混合所引起的徑向對流傳熱。

當流體流經固定牀時，不斷髮生分散與匯合，形成了一定程度的徑向及軸向混合，尤其當固定牀中進行化學反應而又與外界換熱時，牀層中不同徑向位置處流速、温度及反應速率都不相同，也就必然存在着徑向濃度分佈，更加加劇牀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。

固定牀反應器中牀層高度L超過顆粒直徑sd的一百倍時，可以略去軸向返混的影響

某些固定牀反應器，如實驗室測試動力學數據的裝置，牀層高度與顆粒直徑的比值往往低於一百倍，稱為薄牀層，此時必須考慮軸向返混的影響。但可以在催化牀上、下部填充適當大小的惰性物料，造成整個填充牀處於平推流狀態。

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

基本形式：殼體、氣體分佈裝置、換熱裝置、氣—固分離裝置、內構件以及催化劑加入和卸出裝置等組成。

應用：應用廣泛，催化或非催化 的氣-固、液-固和氣-液-固 反應。在化工、煉油、冶金、 能源、材料、機械、生化等 領域都可以見到。

優點：1.採用細分顆粒，並在懸浮狀態下與流體接觸，流固相界面積大，有利於非均相反應的進行，提高了催化劑的利用率；2. 由於顆粒在牀內混合激烈，使顆粒在全牀內的温度和濃度均勻一致，牀層與內浸換熱表面間的傳熱係數高，全牀熱容量大，熱穩定性高。3. 流化牀內的顆粒羣有類似流體的性質，可以大量地從裝置中移出、引入，並可以在兩個流化牀之間大量循環；4. 流體與顆粒之間傳熱、傳質速率高；5. 流態化技術的操作彈性範圍寬，單位設備生產能力大，設備結構簡單、造價低，符合現代化大生產的需要。

缺點：1.氣體流動狀態與活塞流偏離較大，氣流與牀層顆粒發生返混，以致在牀層軸向沒有温度差及濃度差，使氣固接觸不良，使反應的轉化率降低；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、由於固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴重。