1 需求分析

固定床催化反应器是一种常见的反应器类型，理论上讲，凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占主要地位。固定床催化反应器具有诸多优点：催化剂处于固定状态，因此磨损较小，且床层内流体流动接近于平推流，与返混式反应器相比，可以以较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。此外，固定床反应器内停留时间可以严格控制，温度控制也相对容易，因此有利于达到高的选择性和转化率。

该类反应器在工业上的应用广泛，如括烃类水蒸气转化、一氧化碳变换、一氧化碳甲烷化、氨合成、二氧化硫氧化、甲醇合成、催化重整、二氯化烷、异构化、苯乙烯生产等。在合成油（GTL）方面，固定床催化反应器是一些工艺采用的主要反应装置（如Arge工艺和SMDS工艺）。此外，不少非催化的气-固相反应，如水煤气的生产，氮气与电石反应生成石灰氮以及许多矿物的焙烧等也都采用固定床反应器。

根据与外界换热情况，固定床催化反应器可以分为多种形式，包括绝热固定床催化反应器，自热式固定床反应器，列管式固定床反应器等。不论何种形式的固定床催化反应器均存在复杂的化学反应及传质传热过程。对于传质，这些过程包括宏观的组分在流体相主体中的对流、扩散，也包括微尺度的催化剂表面层流底层多组分扩散到催化剂颗粒微孔内对流，催化剂颗粒缝隙内的多组分扩散，空隙表面催化反应等；对于传热，催化反应发生在催化剂颗粒表面，一般伴随着显著的放热或吸热，其热量传递包括催化剂颗粒本身的热传导，流体对流传热以及壁面热传导和与外界间的对流传热。这些复杂的传质、传热及反应过程耦合在一起，给固定床催化反应器的设计放大及操作带来了很大的挑战，主要表现在：

1. 反应器设计及操作的经济性

给定产能及产品质量要求下，反应器的形式可能有多种形式，如轴流、径向流，不同的长径比、填装密度及催化剂颗粒形状等。对于反应器的操作，同样有多个变量可以调节，如反应物的温度，流速等，如何选择合适的反应器结构参数及操作参数以使投资获得最大的经济回报以及生产运营过程中利润最大化，是反应器设计及操作最为重要的一个方面。

2. 固定床催化反应器的放大

一般的催化床反应器的放大过程包括实验室小试，经过小试获得相关的反应动力学信息后进行中试放大，由中试放大得到相应换热，压降等方面的信息，根据中试结果进一步放大到实际生产规模。在该过程中由于反应器内部过程的复杂性，如何保证产品的产量和质量在放大时不发生大的改变是需要解决的一大难题。

3. 反应器温度控制

对于换热型的固定床催化反应器，如列管式固定床催化反应器，由于反应过程放热剧烈，因此需要及时把热量导出去以维持稳定的反应条件及保证催化剂活性。但在实际过程中，由于催化剂床层的性质，如填装高度、催化剂形状等原因可能会导致温度分布不均与，产生飞温现象，降低了反应器的操作温度并影响产品质量。因此对于列管式固定床催化反应器来说，合理的壳程冷却系统设计至关重要。

4. 催化剂再生

固定床催化反应器具有气流通量大，停留时间分布均匀，催化剂磨损小等优点，但也有催化剂重新装填不方便等不利因素。且在反应过程中，多数情况下，催化剂会随着时间慢慢失活。由于催化剂本身一般是较昂贵的，且由于之前提到的更换困难等原因，因此需要在生产操作中根据催化剂的活性合理控制反应条件以发挥催化剂的最大产能，同时制定合理的催化剂再生周期。

5. 开车、停车过程

实际工业生产中固定床催化反应器一般规模都是很大的，对于这样大规模的过程，选择合理的开车、停车过程对于减小产品波动，使操作尽快达到稳定状态对于降低成本，提高安全性非常必要，因此需要研究开车、停车过程的各影响因素，并确定经济、安全的操作方式。

6. 故障处理

实际工业生产过程中存在各种扰动因素，如原料质量的波动，设备的老化等。一旦生产过程中出现问题，产品质量出现问题就需要尽快找到问题所在，并即使解决。传统的方法主要依靠经验和试验，对人员要求高且不一定能迅速定位问题所在，因此快速可信的故障处理手段对于维持稳定生产非常必要。

图1a 固定床催化反应器中存在的传质现象

图1b 固定床催化反应器中的传热现象

2 传统解决方法

对于固定床反应器，传统上设计方法一般包括两种：经验法和数学模型法。

经验法一般用实验室、中试装置或工厂现有装置中最佳条件测得的数据如空速、催化剂的空时收率及催化剂的负荷作为设计依据，按照规定的生产能力计算并确定催化剂的用量、床高、床层直径等的计算，该方法虽简单，但对人员要求较高，且精度一般较差。

对于数学模型法，一般的对固定床反应器建立的模型多为一维拟均相活塞流模型，也即只考虑流动方向上的温度和浓度变化。对于多相催化反应，认为流体主体和催化剂颗粒表面及催化剂颗粒内部并不存在浓度差及温度差，而是将传递过程的影响归于一个催化剂活性校正系数。在反应器设计过程中，将实际反应的本征动力学方程乘以催化剂活性校正系数获得宏观动力学方程，然后根据该模型建立固定床反应器的物料衡算方程及热量衡算方程。

催化剂活性校正系数校正的内容包括 外扩散的影响、内扩散的影响、催化剂中毒情况、催化剂还原情况、催化剂衰老情况等。在实际情况中，很难用一个活性系数非常准确表达所有这些影响因素。很多情况下，拟均相假设并不适用，如反应速率非常大、反应为发生在催化剂颗粒表面的表面催化反应，气相流量相对较小等情况。此外，拟均相模型的计算也是一个非常复杂的过程。

传统的化工模拟软件提供的反应器模型多为基于收率或转化率的守恒模型，基于平衡的吉布斯反应器，基于反应动力学的全混反应器、平推流反应器，这些反应器模型一般可用来计算质量和能量衡算，但这些模型除拟均相模型限制外，对于固定床催化反应器涉及到的催化剂颗粒设计，冷却系统设计，催化剂失活管理等问题无能为力。

3 gPROMS中AML：FBCR解决方案

gPROMS中的高级模型库AML：FBCR是针对固定床催化反应器专门开发的高级模型库，AML：FBCR在gPROMS的Model Builder环境下运行，因此除了具有gPROMS系列软件的一贯优点如模型验证、实时优化等特点外还具有其他一系列特点。

3.1 AML：FBCR模型丰富

3.2  AML：FBCR中固定床催化反应器模型精度高

3.3  AML：FBCR模型可同时进行稳态及动态模拟

3.4 AML：FBCR模型具有优化功能

3.5 AML：FBCR具有与CFD耦合的功能

4  AML：FBCR的应用

由上可知，AML：FBCR具有模型丰富、模型精度高、稳/动态模拟能力、优化功能以及与CFD耦合的功能，因此能用于固定床催化反应器的设计、放大、优化、控制策略的设计等问题中。

4.1 固定床催化反应器的设计、放大及优化

4.2 故障的检测及排除

基于原理的建模以及模型验证功能使得AML：FBCR建立的模型具有很高的精度，据此可以将现场操作的各参数输入gPROMS中所建立的模型中，根据模型运算结果判断问题所在，并可利用模型验证可能的解决方案，最终解决问题。

4.3  开车、停车以及控制方案设计

工厂设备的开车及停车过程本身是动态过程，实际过程中希望在保障安全的前提下尽快达到稳态，以减少损失。工厂实际运行中也是存在不断的扰动的如进料组分、批次的变化，季节变化导致的冷却水温度变化等，这些变化会导致产出的波动，这是不希望看到的，因此需要合理的控制方案以消除扰动对产出的影响。此外，还有一些过程是间歇过程，是不断变化的，需要研究控制方案以减少中间产品。

AML：FBCR的高精度模型具有的动态模拟能力以及各种优化能力结合gPROMS提供的帮助方程收敛的各种初始化策略（INITIALISE_PROCEDURE）为解决以上问题提供了方法。gPROMS预置的各种TASK为描述各种扰动提供了方便，结合其控制器模型、优化功能可以很方便的得出最优开车、停车策略，评估各种控制方案。

4.4  合成油（GTL）反应器的设计及优化

随着石油价格的上升，清洁能源的要求等，气制油得到了广泛的关注。其核心单元之一是费托反应，对于该反应的反应器设计的难点在于没有合适的模型。AML：FBCR中专门针对GTL反应建立了模型，涵盖了各种常见反应器类型如AML：FBCR-GTL（列管式固定床催化反应器），AML：Slurry-GTL（浆态床反应器），AML：BCR（鼓泡床催化反应器）等，这些模型同样具有以上介绍的各特点，为GTL反应器的设计及优化提供了有力的工具。

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