固定床
定義：反應材料通過由固定催化劑顆粒組成的床層以氣態進入反應裝置，稱為氣固固定床催化反應器，簡稱固定床反應器。 如：乙烯氧化制環氧乙烷、乙苯脫氫制苯乙烯;許多強烈的放熱反應，如丙烯胺氧化成丙烯腈等。
優點：催化劑不易磨損。
床層很薄，流速很低，床層中的流體流動水平推動，用少量催化劑即可獲得生產能力。
有利於實現高選擇性和轉化率。
缺點：傳熱效能差。
再生和更換催化劑不方便。
固定床中的固體可以是催化劑或固體反應物。
適用於氣固催化反應和固相反應。
1）絕熱固定床反應器結構簡單，成本低，但適用於熱效應低或對催化劑有低溫要求的反應。
2）換熱式固定床反應器。
管式固定床反應器 管內充滿催化劑，反應材料自上而下通過床層管子之間使用熱載體來保持所需的溫度條件。
3）自熱固定床反應器將冷原料本身預熱至反應所需的溫度，然後進入床層進行反應。
前提：放熱反應，熱量大致平衡。
傳熱要求及傳熱方法：
1 絕熱型。
單級絕熱型適用於反應熱效應小;反應溫度允許大範圍的波動;單向轉化率低。 特點：結構簡單，空間利用率高，成本低。
有多層絕緣。
1.兩層隔熱層加熱交換器 2外部材料中間的直接冷衝擊 3中間用原料氣進行冷休克 4在隔熱床反應器的層之間新增乙個熱交換器盤管。
乙個典型的例子是乙苯脫氫制苯乙烯。
水蒸氣作用：可安全加熱至高溫。 熱容量大，能帶來大量的顯熱，也起到稀釋和去除積碳的作用。
主要內部部件：進氣口分布器、段間多孔管分布器。
一部分物料通過反應器頂部的進氣分配器進入;另一部分材料被新增到反應器催化劑的兩階段之間。 物料沿徑向達到均勻的濃度、均勻的溫度和均勻的速度，以獲得均勻的流動分布。
2 換熱器型別 外部換熱型、自動換熱型。
外接式換熱器使用各種熱載體作為換熱介質。
注意：熱載體溫度與反應溫度之差不宜過大，以免造成催化劑靠近管壁的失效。
自熱交換器 在反應器中，以原料氣為換熱介質，通過管壁與反應材料進行熱交換，保持反應溫度的反應器稱為自熱交換器。
換熱式反應堆。
有許多管狀型別。
傳熱效果好，溫度易於控制，用於附加值高、原料成本高、分離難的場合。
用於傳熱的熱載體根據要控制的溫度範圍而變化，在100 200時，溫度用（水蒸氣）或（高壓氣水混合物）加熱。當控制溫度為200-250時，用（道生油）加熱;
當控制溫度為300-400°C（無機熔鹽）時;當控制溫度為600-700時，只能用（煙氣）加熱。
強放熱反應的溫度控制措施：
1.冷卻相同粒徑的惰性物質稀釋催化劑，分段稀釋，分段調節流速。
2.復合床。 首先是理想的混合型，然後是理想的排量型。
2 固定床反應器中的流體流動。
2.1 催化劑的物理性質。
1.比表面積 - 指每克催化劑的表面積。
m2 m3：每單位體積催化劑的表面積。
m2 g：每單位質量催化劑的表面積。
2.孔隙率 - 指催化劑床層的空隙體積與催化劑床層總體積的比值，用 表示。
3.表觀密度 - 也稱為假密度或顆粒密度，即當包括顆粒中的孔體積時催化劑顆粒的密度，表示為 g cm3。
4.堆積密度 - 也稱為堆積密度 - 用於催化反應床。 也就是說，當催化劑自由填充到反應器中時，包括床層中的自由空間，催化劑的質量為反應器單位體積的質量。 表示為，單位可以表示為g cm3、g l或kg m3。
2.2 催化劑粒徑、形狀因子。
形狀有球形、圓柱形、環形和不規則形等，對於非球形顆粒，常用於球形顆粒的比較相當大的直徑表示。
1體積等於直徑，即相同體積的球形顆粒直徑表示非球形顆粒的直徑。
2 面積等於直徑，即用相同外表面積的球形顆粒的直徑來表示非球形顆粒的直徑。
3 球形顆粒的直徑由具有相同比表面積的球形顆粒的直徑表示。
外形尺寸：相同體積的球形顆粒的外表面積與非球形顆粒的外表面積之比。
對於不同尺寸的混合顆粒，可以使用諧波平均法計算平均直徑。
2.3.床層孔隙率和分布。
固定床是由大量催化劑顆粒堆積形成的，床層孔隙率是表徵床層結構的主要引數。
1）床層孔隙度分布。
固定床中相同橫截面的空隙是不均勻的。
對於由均勻粒徑組成的固定床，其最大為距裝置壁的顆粒直徑的1 2倍，而床的中心較小。 這稱為牆面效應。
孔隙率的大小、形狀、粒度分布、顆粒的表面粗糙度、顆粒直徑與床層直徑的比值、顆粒的填充方法。
當球形顆粒尺寸均勻光滑時，排列整齊，堆積均勻，最大孔隙率為0476（立方格排列），最小 02024年，後者在湍流過程中的壓降是前者的20倍。
由非球形顆粒（如拉西環和鮑爾環）填充的床層的值在同一橫截面上是均勻的，但壁面效應影響範圍的範圍除外
對於球形或圓柱形顆粒，除了壁面效應範圍內的範圍外，該值還圍繞平均值波動。
床徑與粒徑之比越大，分布越均勻，通常所說的床孔隙率是指床層的平均孔隙率。
2）孔隙率與催化劑直徑的關係。
dp dt越大，孔隙率越大。
2.4 固定床中流體的流動特性。
徑向混合：由流體在流動過程中不斷撞擊顆粒引起。
軸向混合可以理解為流體沿軸向流動，通過一系列由顆粒間隙形成的小“凹槽”，然後由於突然膨脹而減速形成混合。
固定床中的流速分布。
床層中部分布比較均勻，流速也比較均勻，距壁面1 2dp處流速較大。
dt dp越大，流速分布越均勻。
固定床流體流動模型。
一部分是流體在平均流速下沿軸向理想位移的流動，另一部分是流體徑向和軸向的混合擴散，包括分子擴散和渦旋擴散。
固定床中流體流動的複雜性。
在床層徑向方向上，流速分布不均勻，同時存在停滯流、過渡流和湍流，同時存在徑向和軸向回混。
一種均勻分布氣體的方法。
a.使催化劑各部分的阻力相等。
b.使用氣體分布器。 如配電錐、配水頭、網板等。
c.附加導流裝置。
數學模型。 1.準同質模型。
忽略床層中顆粒和流體之間的溫度和濃度差異。
1） 水平推動流的一維模型。
2）具有軸向回混的1D模型。
3）同時考慮徑向混合和徑向溫差的二維模型。
2.異構模型。
考慮床層中顆粒和流體之間的溫度和濃度差異。
2.5 流體通過固定床的壓降。
當流動狀態為層流時，摩擦阻力是主要的;
摩擦阻力δp1：由於流體顆粒表面之間的摩擦而產生。
當流動狀態為湍流時，區域性阻力佔主導地位。
區域性阻力δp2：由孔隙中流體的收縮、膨脹和重新分布引起。
液壓半徑。 溼周長---流體與固體壁在總流量有效截面上的接觸長度稱為溼周長，用字母L表示。
水力半徑---總流量的有效截面積a與溼周l的比值。 用字母 rh = a l 表示
對於具有圓形截面的管道，幾何直徑可以表示為水力半徑。
a=(1/4)×πd2
l = d 則 r=a l=（1 4） d d = 4 r
也就是說，圓形截面的管道的幾何直徑是水力半徑的4倍。
與圓形管道類比，非圓形截面的管道的當量直徑 de 也可以表示為 4 倍 de = 4 a l = 4 r 的水力半徑
3 固定床中的傳熱。
傳熱包括：晶內傳熱、顆粒與流體之間的傳熱、床與容器壁之間的傳熱。
用作換熱器裝置時，總熱係數t由床層平均溫度t與管壁溫度之差驅動---
反應的傳熱過程：
1.反應熱從催化劑顆粒內部傳遞到外表面;
2.反應熱從催化劑的外表面傳遞到流體體;
3.反應後，一小部分反應熱沿軸向被流體帶走，主體部分由催化劑和流體組成的床層徑向傳遞到反應器壁，並由載體熱帶驅動上述每個傳熱過程都包括傳導、對流和輻射，要了解床床內部的溫度分布，有必要引入床內部以及床與裝置之間的傳熱計算。
3.1 床靠牆的總熱係數。
在一維模型中，床的徑向溫度被認為是相同的。 床熱阻和壁膜熱阻一起被認為是單一的熱阻。
3.2 床層的有效導熱係數和表觀壁膜熱係數。
二維模型需要考慮徑向溫度分布。 在計算徑向溫度分布時，通常認為固定床體中徑向傳熱的熱阻由兩部分組成：一部分是床本身，另一部分是容器壁上的層狀邊界層。
固定床ER的有效導熱係數
實際上，它是顆粒和流體之間的對流傳熱，顆粒和流體本身的熱傳導，以及床層中的輻射傳熱。
ER（徑向）。
這是通過測量固定床中的溫度分布，然後反向計算傳熱方程以找到 e 來確定的
4 固定床反應器中的傳質。
固定床反應器中的傳質：主流 - 催化劑外表面 - 外表面到內表面 - 化學反應 - 內表面到外表面 - 外表面到主流。
床內擴散、外擴散、床內混合擴散。
1、氣固非均相催化反應工藝及控制步驟。
1）反應物分子以擴散的形式從氣相體轉移到催化劑的外表面
2）反應物分子的內部擴散形式通過催化劑孔傳遞到催化劑的內表面
3）催化劑表面吸附過程中活性中心的反應物分子的吸附;
4）反應物分子在催化劑內表面發生一系列化學變化，產生產物反應過程
5）催化劑解吸過程中反應產物表面的解吸;
6）解吸後的反應產物通過催化劑孔隙通過內部擴散傳遞到催化劑的外表面
7）反應產物通過外擴散從催化劑的外表面傳遞到氣相體的外部擴散過程中。
控制步驟：比其他步驟慢得多的步驟（最慢的步驟）。
動力學控制：吸附、表面反應、解吸。
擴散控制：內部擴散、外部擴散。
外擴散係數的大小反映了主流中的渦流擴散阻力和顆粒外表面流膜中的分子擴散阻力。 它與擴散成分的性質、流體的性質、顆粒表面的形狀和流動狀態有關。 增加流速可以增加外部擴散的傳質係數。 它是床內的乙個變數，只能取平均值。
內部擴散速度小於表面反應速度，沿擴散方向，反應物濃度逐漸降低，導致反應速度降低。
採用催化劑有效係數進行定量說明。
催化劑顆粒的實際反應速率 催化劑內表面和外表面溫度濃度相同時的反應速度=rp rs
催化劑有效係數可以通過實驗確定。
首先測量顆粒RP的實際反應速度，然後將顆粒逐個粉碎，使內表面暴露在外表面，在相同條件下測量反應速度，當顆粒的反應速度變小時，測量RS。
通過求解顆粒內部的物料平衡、反應動力學方程和熱平衡方程，可以得到顆粒等溫和非等溫時催化劑有效係數的公式。
一旦確定了內部擴散的影響，就可以選擇工業上合適的催化劑粒徑。 處理細顆粒時，考慮改用徑向反應器或改用流化床反應器。
催化劑微空間中的擴散過程對反應速度有很大影響，也影響複雜反應的選擇性。
例如，對於平行反應，對於反應速度快、串聯度高的反應，內部擴散電阻的存在會降低其選擇性。 例如，當一系列反應針對中間產物時，向微空間深處擴散會增加中間產物進一步反應的機會，降低其選擇性。
5 總反應速率方程。
在固定床設計中，為了直接計算催化劑的用量，反應速率通常用催化劑質量或床層體積來表示。
當顆粒內部以及流體與顆粒外表面之間的溫差可以忽略不計時，為一級可逆反應
當反應器內執行穩定時，外擴散速度=化學反應速度=總反應速度。
流化床
1.固體流態化的基本概念和結構。
1.固體流態化的基本概念。
流化 – 固體顆粒像流體一樣流動的現象。 除重力外，它通常依靠氣體或液體的流動來驅動固體顆粒的運動。
2.流化床的優點。
優點：1）傳熱效率高，易於保持溫度均勻。
2）大量的固體顆粒可以很容易地來回輸送。
3）顆粒細小，可消除內部擴散阻力，充分發揮催化劑的效能。
缺點：4）氣流不均勻，許多氣體以氣泡狀態通過床層，氣固接觸不夠有效。
5）粒子運動基本上是完全混合的，具有不同的停留時間。
6）由於顆粒磨損和攜帶而導致的催化劑損失。
3.流化形成：
當流體流過催化劑床層時，根據流體流速，催化劑床層會經歷三個階段：
固定床級：當U0 UF時，固體顆粒不移動，床層壓降隨U的增加而增大。
流化床階段：當UMf u0 ut時，固體顆粒懸浮和湍流，床層分為密相和稀相，床層壓降增大，U增大。
輸送床階段：當U0 ut時，顆粒被氣流帶走，床的上介面消失，壓降減小，U增大。
UMF——臨界流態化速度，是指剛好能夠流化固體顆粒的空氣床的流速，又稱最小流化速度。
ut—取出速度，當氣體速度超過此值時，固體顆粒不能沉降，而是被氣流帶走，此取出速度也稱為最大流化速度。
4.流化床的基本結構。
結構分為：密相段、稀相段、放大段、錐底。
內部部件：配氣板、換熱裝置、氣固分離裝置、擋板網路、氣體預分配器等。
5.流化床中的常見異常。
溝槽流。 定義：當氣體通過床層時，雖然其流速超過umf，但在床層中只形成一條窄線，大部分床層仍處於固定狀態，這種現象稱為溝槽流。 溝流分為區域性溝流和貫溝流。
危害：死床、催化劑燒結、催化劑使用壽命縮短、轉化率和生產能力降低。
原因：顆粒太細、潮濕、易粘結;薄床;風速過低或氣流分布不合理;配氣板不合理。 消除方法：提高氣體速度;乾燥顆粒;加上內部結構;改進配電盤。
2 特徵流速。
1.初始流態化速度 （UMF）：指剛剛能夠使顆粒流化的氣體空床的速度。
2.帶出速度
當氣體速度增加到一定值時，流體對粒子的阻力等於粒子的引力，粒子被氣流帶走。 這個速度稱為取出速度。
3.UT UMF。
ut umf的範圍大致在10到90之間，顆粒越細，比值越大，說明從能夠流化到被帶走的範圍越寬。
4.工作風速。
常用的工作氣體速度為015～0.約5m s。 對於熱效應不大、反應速度慢、催化劑粒徑細、篩分寬、床層內無成分且需要催化劑帶出少量的情況，宜選擇較低的氣速，否則宜採用較高的氣速。
5.流化數。
工作氣體速度 u0 與初始流態化速度的比值稱為流化數。 一般流化數 f0 為 15～10 ( f0=u0／umf )。但也有幾十甚至幾百個。
3 配電板和內部元件。
1.配電板。
a）和（b）為單層篩板設計。凹形篩板可以抵消氣體從床層中心偏轉的傾向，強度也高，並且能承受熱膨脹，所以常用於大直徑床，雖然篩板可能會洩漏，板上有死區，但如果顆粒流動性表現好， 篩孔的氣速足夠高，壓降合適，是最簡單、最適用的。
c）是由保持適當間隙的多層篩板組成的分布板結構，下板孔大而少，起到控制壓降的作用，層數越高，孔越多，孔越小，便於氣體均勻分布。
2.內部。
用於傳熱或控制氣固接觸：
立管、扁管、穿孔板、水平擋板和斜擋板等。 立管最常用於傳遞熱量、控制氣泡團聚，甚至減少顆粒攜帶;水平元件對顆粒和氣體的上行和下行流動起到阻燃作用，導致床層中顯著的溫度和濃度梯度。 複雜形式的內部元件的影響也很複雜，在擴大規模時會造成困難，建議在工業上輕鬆擴大規模。
乳化相的動力學。
一般認為，除部分氣體以初始流態化速度流過顆粒間隙外，多餘的氣體以氣泡狀態通過床層，因此人們常將氣泡相和氣泡以外的密相床層部分稱為乳化相。
由於上公升氣泡的尾渦攜帶著粒子，並且在途中不斷與周圍的粒子交換，因此在氣泡劇烈流動的區域，大量粒子被帶上，落在該區域的其餘部分，形成如圖所示的迴圈。 這個迴圈是相當激烈的，所以即使在直徑幾公尺的大床上，也只需要幾分鐘就可以混合。 因此，可以認為自由床中的顆粒是完全混合的。
牛奶階段的氣流狀況更為複雜。 在小流速下，乳相中的氣體以相當於初始流化狀態的速度向上流動，而在u0 umf 6 11時，乳相中的回流氣體體積將超過上流氣體體積，淨流速將向動。
當氣泡在密相床表面破裂時，大量的固體顆粒被拋入稀相空間。 隨著氣流的上公升，顆粒將按照厚度順序乙個接乙個地沉降。 當達到一定高度時，可以通過重力分離的粒子已經沉降下來，只有那些以低於工作氣體速度的速度被帶出的粒子才會被帶上來。 在此上方的區域，顆粒含量幾乎是恆定的，這個高度稱為分離高度，旋風分離器的第一級入口應放置在該高度。
流化床反應器結構。
錐底：一般錐角為90°或60°
功能：進氣預分配，卸催化劑。
床層（密相段）：床層高度與催化劑充注量和氣體流速有關，即反應器的有效容積。 通常，催化劑填充層的靜息高度與流化床直徑的比值很少超過1，一般接近1。
氣體分散裝置：
包括氣體預分配器和氣體分配板。 其作用是均勻分布氣體，在支撐固體顆粒的同時創造良好的初始流化條件。
內部元件：包括網格、擋板和填充物。
功能：打破床層中氣體產生的大氣泡，增加G-S相之間的接觸機會，減少回混，從而提高反應速度，提高轉化率。
4.流化床傳質、傳熱、工藝計算。
1.流化床反應器中的傳質。
顆粒和流體之間的傳質。
氣體進入床層後，一部分流過乳化相，其餘部分以氣泡的形式通過床層。 乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣體與顆粒接觸不良，因為氣泡中幾乎不含顆粒，氣粒接觸的主要區域集中在氣泡和氣泡暈的相介面和尾流渦旋。
氣泡和乳液之間的傳質。
由於流化床剔除器中的反應實際上發生在乳化相中，因此氣泡與乳化相之間的氣體交換非常重要。 相間傳質速率和表面反應速率與合理床型和操作引數的選擇有關。
2.流化床反應器中的傳熱。
流化床反應器具有溫度分布均勻、傳熱速率高的特點，特別適用於產生大量反應熱的化學反應，同時可以減小換熱器的傳熱面積，結構更加緊湊。
傳熱有三種基本形式：
固體顆粒和固體顆粒之間的傳熱。
固體顆粒和流體之間的傳熱。
床與容器壁或換熱器表面之間的熱傳遞。
在三種基本的傳熱形式中，前兩種傳熱速率比後者大得多，因此提高整個流化床的傳熱速率的關鍵是提高後者的傳熱速率。
QY-HGGY42氣固固定床催化反應實驗裝置