流體通過由靜置的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱為固定床反應(yīng)器,其中尤以氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層反應(yīng)的氣-固相催化反應(yīng)器占主導(dǎo)地位,如煉油工業(yè)中的催化重整、天然氣轉(zhuǎn)化等。與返混式的反應(yīng)器(如流化床)相比,固定床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動接近于平推流,因此可用少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來獲取較大的生產(chǎn)能力;而且催化劑不易磨損,可長期使用(除非失活)。然而,反應(yīng)器操作過程中所關(guān)心的質(zhì)量指標(biāo)如選擇性等卻對床層的溫度分布存在高度的非線性依賴關(guān)系,因此溫控問題就成為固定床反應(yīng)器的關(guān)鍵和難點所在。
小型固定床反應(yīng)器大都是圓柱形狀,溫度沿著軸向和徑向具有一定的分布形式。為了不致超溫而破壞催化劑,先要控制反應(yīng)床層中的高溫度。主要有以下三種方法:
?。?)在筒式反應(yīng)器中部引入部分進(jìn)料量來控制反應(yīng)出口的溫度和濃度。這種方法在1970年提出,后來得到了廣泛的應(yīng)用;
?。?)采用調(diào)節(jié)反應(yīng)器回流量的手段控制反應(yīng)床層中的溫峰。仿真計算表明,在較強(qiáng)的擾動情況下,采用這種方法可以把溫峰控制在要求的范圍內(nèi);
?。?)采用Smith補(bǔ)償。溫度是具有很大滯后的變量,而固定床反應(yīng)器的溫度若得不到及時地控制,可能由于不穩(wěn)定而引起超溫或熄火。對于具有大純滯后的過程可采用Smith補(bǔ)償,但這種方法要求知道比較的對象特性,這一點往往很難做到。
對于多變量的固定床催化反應(yīng)過程,也可以用經(jīng)典的分析方法設(shè)計控制系統(tǒng),比如頻域分析方法、根軌跡分析方法等,可以得到良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。