2.6　有序排列催化剂反应器

2.6.1　引言

平行通道反应器（PPR）和横向流动反应器（LFR）是固定床反应器，适合于处理相对低压力的大体积气体，对燃烧气体和其他烟囱气体的末端管道净化是有代表性的。在此类应用中，一般要求有低的压力降（<10bar），PPR和LFR能够满足这一要求。此外，在许多情形中，防止气体中灰尘颗粒的结垢也是重要的，此时PPR特别适合。对炉气的处理，PPR和LFR能够替代独居石（蜂窝）反应器（独居石也具有低压力降和高灰尘耐受性的特征）。但是，PPR和LFR能够使用常规固定床使用的颗粒催化剂形状和大小，这样就无需专用生产催化剂的工厂。使用常规形状催化剂的另一优点是，能够容易地承受热剪应力（在启动或停车期间快速升温或降温时很容易发生），因此也无需防止催化剂碎裂或独居石涂层脱落的特殊装置。

PPR和LFR具有与通常固定床反应器不同的特征：以反应器空间结构化安排催化剂颗粒。PPR在20世纪60年代后期被申请专利，第一个应用是70年代初的Shell炉气脱硫过程。LFR是PPR的结构改进，第一个应用是20世纪90年代初期的燃气锅炉炉气脱NOx。

2.6.2　平行通道和横向流动反应器的原理和特征

与传统固定床反应器不同，PPR中催化剂被限制在线筛网之间，线网把反应器空间分割为规则排列的很多催化剂层，在催化剂层之间留有空的通道，气体沿催化剂层流过这些通道。图2-27中显示了PPR的操作原理。催化剂网板和它们之间的气体通道厚度一般在4～15mm范围。

图2-27　平行替代反应器示意图

由于气体流过直通道的宽度要比通常填料的曲折间隙通道宽阔得多，因此穿过PPR的压力降要显著低于传统固定床，其差别能够达到数个数量级。反应分子从流动气体到固定在筛网内催化剂和产物以相反方向的传输，其机理是扩散。气流的直通道防止了气体中存在的颗粒物质在催化剂表面的沉积，因此PPR能够被使用于处理含尘气体，与处理炉气的独居石（蜂窝）型反应器类似。

在LFR中，催化剂也包含在筛网结构中，催化剂的交替层为气体留下空的通道。与PPR不同，气体不是直接流通道而是经过曲折流动，入口和出口开放于两端，LFR中气体通道的每一个在一端是封闭的，曲折流向邻近通道，邻近通道的封闭端在另一面，如图2-28所示。气体是被强制流过每一层催化剂，而不像PPR中那样沿它们的边缘流过。原理上，LFR一个是具有很低方向比，也就是床层高度对床层直径比很低的固定床反应器。催化剂的厚度一般在15～75mm范围。LFR能够被认为是一个“煎饼”反应器，为了方便把其放入反应器空间中，“煎饼”是要被折叠的。因床层浅薄且有非常大的横截面，因此其压力降远小于常规固定床反应器。如气体含颗粒物质，LFR要比PPR容易结垢。与常规固定床类似，灰尘颗粒可以沉积在催化剂表面或颗粒空间中，导致床层阻塞增加。但是，由于床层有远大得多的横截面，LFR阻塞时间远大于传统固定床。当使用于处理含颗粒物质的气体时，可以在LFR中连续或周期取出含灰尘的催化剂层，除去被捕集的灰尘后催化剂可以接着循环使用。

图2-28　横向流动反应器示意图

在图2-27和图2-28的PPR和LFR的几何形状中，催化剂是被包含在两块平板状平行筛网之间的。原理上，它们能够组装成不同的几何形状。例如，使用波纹筛网装填催化剂，PPR和LFR反应器的性能取决于若干因素，最重要的是传质和流动的均一性。

如图2-29所示，此时的气体通道不再是平行的狭缝，而是波纹形的通路，也可以采用波浪形的线网装填催化剂颗粒，此时通道不再是直的而是波浪形的，如图2-30所示，这样可以增加气体流与催化剂边缘的接触面积。此外，还可以做成更加复杂的形式，如图2-31所示，是具有由曲折线网和折叠岭线网装填催化剂颗粒的平行流动反应器的结构图。它除具有PPR的特点外，还可以从A方向充入催化剂颗粒，而B方向是让反应物气体流动，可以进行类似于常规移动床那样的操作。图2-32是PPR模束的照片。

图2-29　使用波纹线网的平行通道反应器示意图

图2-30　使用波浪催化剂板的平行通道反应器

图2-31　具有由曲折线网和折叠岭线网装填催化剂颗粒的PPR结构

A—催化剂装入方向；B—反应物气体流动方向

图2-32　PPR模束的照片