2.6　有序排列催化劑反應器

2.6.1　引言

平行通道反應器（PPR）和橫向流動反應器（LFR）是固定床反應器，適合于處理相對低壓力的大體積氣體，對燃燒氣體和其他煙囪氣體的末端管道凈化是有代表性的。在此類應用中，一般要求有低的壓力降（<10bar），PPR和LFR能夠滿足這一要求。此外，在許多情形中，防止氣體中灰塵顆粒的結垢也是重要的，此時PPR特別適合。對爐氣的處理，PPR和LFR能夠替代獨居石（蜂窩）反應器（獨居石也具有低壓力降和高灰塵耐受性的特征）。但是，PPR和LFR能夠使用常規固定床使用的顆粒催化劑形狀和大小，這樣就無需專用生產催化劑的工廠。使用常規形狀催化劑的另一優點是，能夠容易地承受熱剪應力（在啟動或停車期間快速升溫或降溫時很容易發生），因此也無需防止催化劑碎裂或獨居石涂層脫落的特殊裝置。

PPR和LFR具有與通常固定床反應器不同的特征：以反應器空間結構化安排催化劑顆粒。PPR在20世紀60年代后期被申請專利，第一個應用是70年代初的Shell爐氣脫硫過程。LFR是PPR的結構改進，第一個應用是20世紀90年代初期的燃氣鍋爐爐氣脫NOx。

2.6.2　平行通道和橫向流動反應器的原理和特征

與傳統固定床反應器不同，PPR中催化劑被限制在線篩網之間，線網把反應器空間分割為規則排列的很多催化劑層，在催化劑層之間留有空的通道，氣體沿催化劑層流過這些通道。圖2-27中顯示了PPR的操作原理。催化劑網板和它們之間的氣體通道厚度一般在4～15mm范圍。

由于氣體流過直通道的寬度要比通常填料的曲折間隙通道寬闊得多，因此穿過PPR的壓力降要顯著低于傳統固定床，其差別能夠達到數個數量級。反應分子從流動氣體到固定在篩網內催化劑和產物以相反方向的傳輸，其機理是擴散。氣流的直通道防止了氣體中存在的顆粒物質在催化劑表面的沉積，因此PPR能夠被使用于處理含塵氣體，與處理爐氣的獨居石（蜂窩）型反應器類似。

在LFR中，催化劑也包含在篩網結構中，催化劑的交替層為氣體留下空的通道。與PPR不同，氣體不是直接流通道而是經過曲折流動，入口和出口開放于兩端，LFR中氣體通道的每一個在一端是封閉的，曲折流向鄰近通道，鄰近通道的封閉端在另一面，如圖2-28所示。氣體是被強制流過每一層催化劑，而不像PPR中那樣沿它們的邊緣流過。原理上，LFR一個是具有很低方向比，也就是床層高度對床層直徑比很低的固定床反應器。催化劑的厚度一般在15～75mm范圍。LFR能夠被認為是一個“煎餅”反應器，為了方便把其放入反應器空間中，“煎餅”是要被折疊的。因床層淺薄且有非常大的橫截面，因此其壓力降遠小于常規固定床反應器。如氣體含顆粒物質，LFR要比PPR容易結垢。與常規固定床類似，灰塵顆粒可以沉積在催化劑表面或顆粒空間中，導致床層阻塞增加。但是，由于床層有遠大得多的橫截面，LFR阻塞時間遠大于傳統固定床。當使用于處理含顆粒物質的氣體時，可以在LFR中連續或周期取出含灰塵的催化劑層，除去被捕集的灰塵后催化劑可以接著循環使用。

在圖2-27和圖2-28的PPR和LFR的幾何形狀中，催化劑是被包含在兩塊平板狀平行篩網之間的。原理上，它們能夠組裝成不同的幾何形狀。例如，使用波紋篩網裝填催化劑，PPR和LFR反應器的性能取決于若干因素，最重要的是傳質和流動的均一性。

如圖2-29所示，此時的氣體通道不再是平行的狹縫，而是波紋形的通路，也可以采用波浪形的線網裝填催化劑顆粒，此時通道不再是直的而是波浪形的，如圖2-30所示，這樣可以增加氣體流與催化劑邊緣的接觸面積。此外，還可以做成更加復雜的形式，如圖2-31所示，是具有由曲折線網和折疊嶺線網裝填催化劑顆粒的平行流動反應器的結構圖。它除具有PPR的特點外，還可以從A方向充入催化劑顆粒，而B方向是讓反應物氣體流動，可以進行類似于常規移動床那樣的操作。圖2-32是PPR模束的照片。