在化学工业中，原料进入反应器并发生反应将其转化为产品。这些反应可以是催化的或非催化的。反应器温度和压力取决于反应条件。在化工厂中，一些反应发生在低温下，可以低至环境温度。虽然有些发生在高达 500 – 600 0 C的非常高的温度下。

大体上我们可以将流动反应器分为两类。第一个是 CSTR 或连续搅拌釜反应器，第二个是 PFR 或活塞流反应器。在CSTR或返混反应器中，反应器内部的组成和温度是均匀的，输出流与反应器内部的组成和温度相同。而在PFR或管式流动反应器中，反应物的组成和反应温度会随着反应器的长度而变化。

从根本上说，将 CSTR 用于慢速反应是有利的，因为我们可以在那里承受较长的停留时间。此外，固定床反应器中催化剂的再生非常困难。因此，CSTR流化床反应器是进行催化剂再生工艺的较好选择。我们可以很容易地在 CSTR 中实现等温条件，并且温度控制也比 PFR 更好。

我们可以在化学工业中看到各种类型的固定床反应器装置。根据反应过程中的热交换标准，所有这些都可以分为两类。第一类是我们没有从反应器中移除热量并且产品温度在反应过程中绝热上升的地方。在第二类中，我们尝试通过使用传热流体去除热量来维持反应器床层温度。通过这种方式，我们尝试在反应器管内实现等温条件。在下面的部分中，我们将详细讨论这两种类型的固定床反应器。 

1. 绝热固定床反应器

反应热很小的绝热固定床反应器，反应热只能通过进料温度控制来管理，同时反应对温度的敏感性较低。通常在这种类型的反应器中，我们将进入的反应气体加热到催化反应的点火温度。并且绝热反应温度控制通常与进入的反应气体和排出的热反应气体之间的热交换相结合。这样绝热反应器以所谓的自动热反应控制机制运行。这个我们可以通过下图来理解。

2. 非绝热固定床反应器

对于非绝热或等温固定床反应器，由于反应热太高，无法通过进料温度控制所需的反应器温度。此外，反应对温度过于敏感。如果反应器温度不受控制，反应会导致失控条件。在这种情况下，我们要么使用外部冷却，要么使用下图所示的多管固定床反应器。

为了保持反应管中的等温条件，我们以不同的比例填充催化剂和惰性颗粒。在顶部反应物浓度最高，因此我们保持催化剂的最低浓度。因此，在反应器底部反应物浓度最低时，我们填充 100% 催化剂。例如，我们可以使用从上到下 4 个等高的填充图案，催化剂与惰性物质的比例为 25:75、50:50、75:25 和 00:100。这样我们就可以在整个催化剂床层高度上实现等温条件。但是，也可以在 2 或 3 个相等的段中填充催化剂和惰性物质。

在催化剂填充过程中，我们需要确保所有管子的压降相等。我们这样做是为了避免管道中出现通道问题。因为如果跨反应器管的压降存在显着变化，那么最低压降管将接收最高流量。并且高压降管将接收较低的反应物气体流速。这会影响转化率和反应器容量，此外还会导致热点问题。

3. 固定床反应器催化剂

在固定床反应器中，催化剂是心脏，没有它就不可能发生化学反应。我们可以看到这些催化剂以各种形状和尺寸使用。通常我们使用圆柱形托盘，长径比为 1.0，尺寸为反应器管内径的 1/6。因此，如果 25.4mm 外径的管子将具有 4mm 尺寸的催化剂颗粒。您应该知道，较大尺寸的颗粒会增加管床中的通道问题，从而降低反应器的转化率和容量。另一方面，较小尺寸的颗粒会增加整个反应器的压降。随后，这将增加您的运营成本，因为我们需要高压压缩机将反应气体送入反应器。

在固定床反应器中进行反应时，我们可以将反应过程分为以下几个步骤：

· 在第一步中，反应物从气体空间扩散通过外部气体——催化剂颗粒的颗粒边界层、大孔和微孔

· 反应物在催化剂活性中心的化学吸附

· 反应物在催化剂表面发生反应

· 产物反应脱附后

· 最后，产品反扩散到气体空间

4. 多管式固定床反应器

固定床反应器是非均相反应系统。在化学工业中，我们可以最频繁地找到这种用于气相催化反应的装置。正如我们在上图中看到的，催化剂填充在管内，传热介质在壳程循环。从根本上说，您可以看到多管固定床反应器类似于管壳式换热器。反应气体通过固体催化剂床进入管侧。并发生反应将反应物转化为产物。反应器温度由壳程传热介质循环控制。

传热介质的选择取决于反应温度。对于高达 350-380 0 C 的高放热反应，我们使用热流体。如果反应器温度较高，我们使用熔盐循环来去除反应热。

由于固体是热的不良导体，因此我们面临管内热点形成的问题。很多时候，这个热点可能会导致局部绝热温度升高并熔化管壁金属。这导致壳程热流体泄漏到反应器产品出口。 

在固定式反应器中，我们面临催化剂床温控制、反应物窜流、催化剂更换等问题。然而，与任何其他类型的反应器相比，固定床反应器每重量催化剂的转化率最高。因此，对于给定的生产率，与具有 CSTR 的流化床反应器相比，多管固定床反应器的尺寸更小。

5. 固定床反应器的操作与控制

固定床反应器的典型工艺流程图和控制如下所示。这适用于放热和吸热反应。

为了启动，我们将反应器系统加热到反应温度。我们通过 FO/NG 炉或使用热流体循环的电加热器为系统供热。达到反应温度后，我们开始向反应器中进料并开始反应。我们停止熔炉，热流体保持循环。这种循环热流体从反应器中吸收热量，并在进料预热中排出热量。为了控制反应器进料温度（即进料预热器出口温度），我们在进料预热器的旁路管线中提供了 TCV。在反应过程中，应将热流体供应温度保持在反应器温度的5 0 C 左右。我们在冷却器的旁路中使用 TCV 进行这种温度控制。

凡是反应热产生量很大的地方，我们也可以安装余热锅炉来产生废蒸汽。

另一个用于废热回收的区域可以是反应器出口。我们也可以将这些热量用于进料预热或 LP 废蒸汽生成。

6. 固定床反应器的安全措施

航烨能源非常关注提供客户固定床反应器的运行安全问题，力争每个环节都能实现设备本质安全。对于高度放热的温度敏感反应，存在反应失控的可能性。在反应失控时，会突然释放能量，导致绝热温度升高和反应器压力增加。因此，为了消除反应堆在失控情况下的爆炸，我们提供了爆破片和安全阀。爆破片设定点高于安全阀设定点压力。每当反应器内的压力升高时，首先安全阀就会弹出以释放压力。如果压力没有被弹出的安全阀降低，则爆破片被吹走以释放反应堆压力。我们应该将安全阀通风口连接到洗涤器或骤冷容器，这样我们就可以避免附近的有害气体排放。但是，爆破片通风口必须对大气开放。因为它可以增加爆破片破裂后的背压，并在反应堆支架和连接管道上施加推力。这也会损坏反应堆支架和连接管道。

7. 结论

本文旨在概述化学工业中的固定床反应器设计原理、操作和控制。此外，航烨能源结合丰富控制测量经验，实现了无人监管的固定床反应器自动化控制报警，并实时数据分析将帮助我们实时优化反应器参数。这将有助于我们提高反应效率和稳定反应器运行。此外，这可以帮助我们了解催化剂在各种操作参数（如进料速率、浓度、温度、压力等）方面的行为。我们可以使用此分析来延长催化剂寿命。