固定床、移動(dòng)床、流化床反應(yīng)器區(qū)別,一次性說(shuō)清楚!
固定床、移動(dòng)床、流化床反應(yīng)器,這三種反應(yīng)器都是有固體顆粒床層的反應(yīng)器,你分的清嗎?
首先,“床”指的是什么?
大量固體顆粒堆積在一起,便形成了具有一定高度的顆粒床層,這就是名稱里的"床"。這些固體顆粒可以是反應(yīng)物,也可以是催化劑。
如果這個(gè)顆粒床層是固定不動(dòng)的,就叫固定床。
如果這個(gè)顆粒床層是整體移動(dòng)的,固體顆粒自頂部連續(xù)加入,又從底部卸出,顆粒相互之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),而是以一個(gè)整體的狀態(tài)移動(dòng),叫做移動(dòng)床。
當(dāng)流體(氣體或液體)通過(guò)顆粒床層時(shí),進(jìn)行反應(yīng)。如果將流體通過(guò)床層的速度提高到一定數(shù)值,固體顆粒已經(jīng)不能維持不變的狀態(tài),全部懸浮于流體之中,固體顆粒之間進(jìn)行的是無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),整個(gè)固體顆粒的床層,可以像流體一樣流動(dòng),這即是流動(dòng)床。
下面,小七為大家詳細(xì)的介紹這三種反應(yīng)器。
又稱填充床反應(yīng)器,內(nèi)部裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物,以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)。固體物通常呈顆粒狀,堆積成一定高度(或厚度)的床層,床層靜止不動(dòng),流體通過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)。
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(lèi)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(guò)床層,呈氣液固相接觸。
催化劑機(jī)械磨損小。
床層內(nèi)流體的流動(dòng)接近于平推流,與返混式的反應(yīng)器相比,可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來(lái)獲得較大的生產(chǎn)能力。
由于停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制,溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié),因此特別有利于達(dá)到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。
可在高溫高壓下操作。
固定床中的傳熱較差。
催化劑的再生、更換均不方便, 催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。
不能使用細(xì)粒催化劑,但固定床反應(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。
固定床反應(yīng)器的分類(lèi)
絕熱式固定床催化反應(yīng)器在反應(yīng)過(guò)程中,床層不與外界進(jìn)行熱量交換。
其最外層為隔熱材料層(耐火磚、礦渣棉、玻璃纖維等),常稱作保溫層,作用是防止熱量的傳出或傳入,減少能量損失,維持一定的操作條件并起到安全防護(hù)的作用。
絕熱式反應(yīng)器可分為單段絕熱式反應(yīng)器和多段絕熱式反應(yīng)器。
一般為高徑比不大的圓筒體,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)能力大,但反應(yīng)過(guò)程中溫度變化較大。
適合的反應(yīng):
反應(yīng)熱效應(yīng)較小的反應(yīng)。
溫度對(duì)目的產(chǎn)物收率影響不大的反應(yīng)。
雖然反應(yīng)熱效應(yīng)大,但單程轉(zhuǎn)化率較低的反應(yīng)或者有大量惰性物料存在,使反應(yīng)過(guò)程中溫升小的反應(yīng)。
催化劑床層的溫度波動(dòng)較小,但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,催化劑裝卸困難。
多段絕熱反應(yīng)器按段間換熱方式的不同可分為三類(lèi):
間接換熱式
原料氣冷激式
非原料氣冷激式
當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大時(shí),為了維持適宜的溫度條件,必須利用換熱介質(zhì)來(lái)移走或供給熱量。
換熱式固定床反應(yīng)器的特點(diǎn):在催化劑床層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的同時(shí),床層還通過(guò)器壁與外界進(jìn)行熱交換,可分為對(duì)外換熱式和自身?yè)Q熱式。
以各種載熱體為換熱介質(zhì),稱為對(duì)外換熱式。
通常在管內(nèi)充填催化劑,反應(yīng)氣體自上而下通過(guò)催化劑床層進(jìn)行反應(yīng),管間通載熱體 (在用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時(shí),則把催化劑放在管間,而使管內(nèi)走高壓流體)。
以原料氣為換熱介質(zhì),利用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱原料,使其達(dá)到反應(yīng)溫度,本身得到冷卻,即反應(yīng)前后的物料在床層中自己進(jìn)行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。
分為軸向反應(yīng)器與徑向反應(yīng)器。
下圖第一個(gè)為軸向絕熱式固定床反應(yīng)器,后兩個(gè)為徑向絕熱式固定床反應(yīng)器。
軸向反應(yīng)器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,催化劑均勻的堆置于床內(nèi)物料自上而下流過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)。
徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)比軸向的復(fù)雜,催化劑裝載于兩個(gè)同心圓構(gòu)成的環(huán)隙中,流體沿徑向流過(guò)床層,可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)。這種類(lèi)型的反應(yīng)器流體流過(guò)的距離較短,流道截面積較大,床層阻力降較小。
是用以實(shí)現(xiàn)氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。在反應(yīng)器頂部連續(xù)加入顆粒狀或塊狀固體反應(yīng)物或催化劑,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,固體物料逐漸下移,最后自底部連續(xù)卸出。流體則自下而上(或自上而下)通過(guò)固體床層,以進(jìn)行反應(yīng)。
固體和流體的停留時(shí)間可以在較大范圍內(nèi)改變。
返混較?。ㄅc固定床反應(yīng)器相近)。
對(duì)固體物料性狀以中等速度變化的反應(yīng)過(guò)程也能適用。
控制固體顆粒的均勻下移比較困難。
當(dāng)流體通過(guò)床層的速度逐漸提高到某值時(shí),顆粒出現(xiàn)松動(dòng),顆粒間空隙增大,床層體積出現(xiàn)膨脹。如果再進(jìn)一步提高流體速度,床層將不能維持固定狀態(tài)。此時(shí),顆粒全部懸浮與流體中,顯示出相當(dāng)不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。隨著流速的提高,顆粒的運(yùn)動(dòng)愈加劇烈,床層的膨脹也隨之增大,但是顆粒仍逗留在床層內(nèi)而不被流體帶出。床層的這種狀態(tài)和液體相似稱為流化床。
流化床反應(yīng)器是利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。
沸騰床是流化床的一種,固體在流化床反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng),流體和固體顆粒所構(gòu)成的床層猶如沸騰的液體。沸騰床反應(yīng)器下部設(shè)有分布板,板上放固體顆粒,流體自分布板下送入,當(dāng)流體速度達(dá)到一定數(shù)值后,固體顆粒開(kāi)始松動(dòng),再增大流速就進(jìn)入流化狀態(tài)。反應(yīng)器內(nèi)一般設(shè)有擋板,換熱器,及流體與固體分離裝置等內(nèi)部部件。沸騰床接觸面大,傳熱傳質(zhì)效率高,時(shí)空產(chǎn)率高,但返混嚴(yán)重。沸騰床因?yàn)楣腆w處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),反應(yīng)或傳熱效果好,但動(dòng)力消耗大,而且在煤調(diào)濕中粉塵攜帶量大。
由于可采用細(xì)粉顆粒,并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸,流固相界面積大(可高達(dá) 3280~16400m2/m3),有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行,提高了催化劑的利用率。
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)很高[200~400W/(m2?K)],全床熱容量大,熱穩(wěn)定性高,這些都有利于強(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫操作。
流化床內(nèi)的顆粒群有類(lèi)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)。這使得一些反應(yīng)—再生、吸熱—放熱、正反應(yīng)—逆反應(yīng)等反應(yīng)耦合過(guò)程和反應(yīng)—分離耦合過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。使得易失活催化劑能在工程中使用。
流態(tài)化操作總的經(jīng)濟(jì)效果是有利的,特別是傳熱和傳質(zhì)速率快、床層溫度均勻、操作穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn),對(duì)于熱效應(yīng)很大的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程特別有利。
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(méi)有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過(guò)床層,使氣固接觸不良, 使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。因此流化床一般達(dá)不到固定床的轉(zhuǎn)化率。
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。由于固體顆粒的磨蝕作用,管子和容器的磨損嚴(yán)重。