固定床、流動床、沸騰床の長所と短所、及び適用範囲

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以下の内容はすべてインターネットからのもので、法的責任は負いません。 固定床：固定床反応器は充填床反応器とも呼ばれ、多相反応を実現するために固体触媒や固体反応物を充填した反応器である。固体物は通常、粒状をしており、粒径は2～15mm程度で、一定の高さ（または厚さ）の層として積み重なっている。床層は静止したままで、流体が床層を通過しながら反応する。それは流動層反応器や移動層反応器との違いが、固体粒子が静止状態にある点にあります。固定床反応器は、アンモニア合成塔、二酸化硫黄接触酸化装置、炭化水素蒸気変換炉など、気固相触媒反応を実現するために主に使用される。気固相または液固相の非触媒反応に用いる場合、層内には固体反応物が充填される。涓流床反応器も固定床反応器に分類され、気相と液相が並行して層を下方向に流れ、気液固の相間接触が生じる。 1、分類 固定床反応器には3つの基本形態がある：①軸方向断熱型固定床反応器。流体は軸方向に上から下へと層内を流れ、層は外部と熱交換を行わない。②半径方向断熱型固定床反応器。流体は半径方向に層を流れ、遠心流動または向心流動を用いることができ、層は外部と熱交換しない。放射状反応器は軸方向反応器と比較して、流体の流れる距離が短く、流路の断面積が大きく、流体の圧力損失が小さい。しかし、放射状反応器の構造は軸方向反応器よりも複雑である。上記の2つの形態はいずれも断熱反応器に属し、反応熱の影響が小さい場合、または反応系が断熱条件下での反応熱による温度変化に耐えられる場合に適している。③管型固定床反応器。複数の反応管を並列に接続して構成される。管内または管間に触媒を配置し、熱媒体が管間または管内を流れることで加熱または冷却が行われ、管の直径は通常25～50mmの範囲で、管の本数は数万本にも及ぶことがある。管式固定床反応器は、反応の発熱量が大きい反応に適しています。さらに、上記の基本形を直列に組み合わせた反応器もあり、これを多段固定床反応器と呼ぶ。例えば、反応の熱効果が大きい場合や、温度を段階的に制御する必要がある場合には、複数の断熱反応器を直列に接続して多段式の断熱型固定床反応器とすることができる。反応器同士の間には熱交換器や補給物質を設置し、温度を調整することで、最適な温度条件に近い状態で反応を行うことができる。 2、特徴 固定床反応器の利点は、①逆混合が少なく、流体と触媒が効果的に接触できるため、反応に連続的な副反応が伴う場合でも高い選択性を得られることである。②触媒の機械的摩耗が少ない。③構造がシンプルです。固定床反応器の欠点は、①熱伝達が悪く、反応による発熱量が大きい場合、管式反応器であっても飛温が起こり得る（反応温度が制御を失い、急激に上昇して許容範囲を超えてしまう）ことである。②操作中に触媒を交換することはできず、触媒の頻繁な再生が必要な反応は一般的に適しておらず、代わりに流動層反応器や移動層反応器が用いられることが多い。 　　固定床反応器における触媒は粒子状に限らず、網状触媒も早くから工業的に利用されている。現在、ハニカム状や繊維状の触媒も広く使用されている。 　　数学モデル　固定床反応器は、比較的十分に研究されている多相反応器の一種であり、固定床反応器を記述する数学モデルには様々なものがある。大きくは擬均相モデル（流体と固体間の濃度や温度の差を考慮しないもの）と多相モデル（流体と固体間の濃度や温度の差を考慮するもの）の2つに分けられ、各モデルはさらに逆混合を考慮するかどうかによって無逆混合モデルと有逆混合モデルに、また反応器の半径方向の濃度勾配や温度勾配を考慮するかどうかによって一次元モデルと二次元モデルに分類される。 固定床反応器は、広く利用されている多相触媒反応器であり、反応器内には動かない固体粒子が充填されている。これらの粒子は固体触媒であったり、固体反応物であったりする。例えば管状固定床反応器では、管の内部に触媒が入っており、反応物は上から下へとこの層を通過していく。管と管の間では、熱媒体が反応物と熱交換を行い、所定の温度条件を維持している。また、固定床反応器は気固系や液固系の非触媒反応にも用いられる。ガスが固定層を低速で流れるとき、流動するガスの上昇抵抗によって粒子の運動状態は変化せず、層高は一定に保たれる；床層の圧力損失は、流速が対数的に増加するにつれて増大する。 流動層：流動層とは、流体が微細な粒子からなる層（塔）の中を上向きに流れるもので、流速が低い場合、流体は静止した粒子同士の隙間を通過するだけであり、この状態の層を固定層と呼ぶ；流速が上がるにつれて、粒子同士は離れ合い、一定の範囲内でわずかな粒子が振動し、遊動するのが見られ、これを膨張層と呼ぶ；速度がさらに上昇し、すべての粒子が上向きに流れる気体や液体中でちょうど懸濁する状態になると、このときの層が流動層の始点となる。 固体粒子は水などの液体と同様に装置内に明確な界面を持ち、装置が傾いてもその界面は水平のまま保たれる；床層の圧力降下は流速によって変わらない（ほぼ一定）。簡単に言えば、固体粒子が流体の作用によって流体状態に似た現象を示すことを流動化と呼びます。流動層とは、流動化が起こる装置です。流動層反応器では、触媒は沸騰流動状態にあり、反応媒体および昇温媒体によって反応器内を高速で輸送される。FCCのリフトチューブ反応器などがこれにあたる。輸送ベッド：固体粒子は装置内に明確な界面を持たない；床層圧力は流速が増大するにつれて減少する。 沸騰床は流動層の一種で、固体が流動層反応器内を流動し、流体と固体粒子からなる層がまるで沸騰している液体のようになる。沸騰床反応器の下部には分配板が設置され、その板上に固体粒子が置かれ、流体は分配板の下から供給される。流体の速度が一定値に達すると固体粒子が緩んできて、さらに速度を上げると流動状態に入る。反応器内には一般的に遮板、熱交換器、および流体と固体を分離する装置などの内部部品が設けられている。沸騰床は接触面積が大きく、伝熱・伝質効率が高く、時空間生産性も高いが、逆混合が激しい。流動層は固体が運動状態にあるため、反応や熱伝達の効果が良いが、動力消費が大きく、また石炭調湿において粉塵の飛散量が多い。 移動床：移動床は固定床と似ていますが、違いは固体粒子が上部から連続的に添加され、下部から排出される点です。移動床（moving bed）イオン交換樹脂は、交換器、再生器、洗浄塔の間を周期的に流動するイオン交換装置です。流動層と固定層の違いは、反応過程において触媒が反応器の入口から出口へとゆっくりと移動し、新しい触媒（または再生された触媒）が反応器の入口から入り、不活性化した触媒が反応器の出口から取り出されて再生される点にあります。触媒の動きは遅く、流動化状態に至っていない。例えば、UOPおよびIFPの連続改質プロセスにおける移動床反応器などです。 違い：固定床は灰分が多く、灰の融点が高い石炭を処理でき、投資額も少ないが、環境への配慮が不足している……流動床は生産量が最も多いが、使用する石炭の種類に一定の条件がある；硫化床は現在、圧力を上げることができず、普及が制限されている。 これら3種類のベッドにおいて最も重要なのはベッド本体の設計であり、現在国内ではベッド本体の設計がほとんど経験則による見積もりやシミュレーション実験に頼っており、量産に移すと多くの欠点が生じることがある。それらの主な違いは、用途や材料の性質、そして物理的プロセスか化学反応プロセスかという点にある。固定床と流動床は、気体－気体、気体－液体、液体－液体反応に適しており、層自体が触媒として機能する。その利点は、逆混合が少なく、固体相の持ち出しが少なく、分離が簡単であることだ。流動層の層形状は設計において非常に重要であり、反応系との適合性が高く求められる。また、運転時の気速や搬出量、およびそれに合わせたサイクロンなどの分離装置の設計も厳格に定められている。流動層の伝熱や気泡の破壊、溝流れ対策も多く研究されている。流動層では、ガス分配器が詰まらないように注意する必要があります。詰まると大変です。 固定床、流動床、沸騰床の区別は、層内への通気量の大きさによって決まり、通気量が増えるにつれて、まず固定床、泡立ち床（沸騰床）、乱流床、輸送床となる。移動床は厳密な意味では流動層の範疇に属し、粒子が下方に移動しても層の高さは変わらない。例えば石油精製における触媒改質プロセスは、典型的な移動床プロセスである。適用範囲や長所・短所については、流動層技術は質量移動、熱伝達、および各種の均一性に優れ、生産規模も大きく最も広く応用されており、例えば循環流動層を基盤とした様々なガス化・燃焼プロセスなどがある。固定床と流動床は物質移動や熱伝達の制約により規模が小さいが、装置への投資額は少ない。例えばルッチのコークスレスガス化技術は典型的な固定床であり、通常は複数の炉を交互に稼働させることで全工程の連続化を実現する。