3.3　横向流动反应器（LFR）中的流动和传递现象

3.3.1　压力降

横向流动反应器（LFR）可以看成是其床层长度与横截面比非常低的一种固定床反应器。对LFR床层，其压力降也可以使用的Ergun方程［方程（3-30）］计算。对恒定的气体小时空速，气体流过床层的表观速度直接与床层长度成比例，也就是与 LFR中催化剂层的厚度成比例。在层流情形中，单位床层长度的压力降与气流速度成比例；而在完全湍流的情形，压力降与气体速度的平方成比例。因此，床层总压力降与床层长度的二次方（层流流动）或三次方（完全湍流流动）成比例。说明压力降与床层长度（深度）有很强的依赖关系，如图3-22所示。该图也指出，LFR中催化剂层（一般厚度小于75mm）上的压力降要比常规固定床（床层长度为米）低若干数量级。

3.3.2　停留时间分布

与PPR不同，固定床反应器中的催化剂床层利用率实际上是完全的。催化剂床层外的传质一般不是限制因素。对大多数情形，主要阻力是催化剂颗粒内的扩散，因此催化剂颗粒一般是不能够被完全利用的。常规固定床反应器中的气体流动一般接近于理想活塞流，这意味着气体的停留时间分布是非常窄的，但对催化剂层非常薄的LFR就不再是这样了。对正级数反应，反应器中的理想活塞流使催化剂利用率能够达到非常高。与理想活塞流产生偏差的原因有：气体中分子扩散和床层间隙流动时的离散以及在床层横截面上的不均匀流动。

气体分子扩散和气体在间隙中流动时的离散会导致停留时间分布展宽。一般使用径向表观扩散率Dap来描述（气体流动方向上）。一个与理想活塞流反应器仅有小偏差的判别标准是，对达到给定转化率的两个反应器（真实反应器和理想活塞流反应器）所需要温度的差别不超过1℃，这也是实际温度测量中可能达到的精度。把该判据写成表达式为：

式中，Pé为床层轴向Peclet准数；L为床层长度或深度，对LFR是催化剂层的厚度；u为气体表观速度；n为反应级数；X为转化率。

在低气流速度、低压力和高温下，气体分子扩散将是Dap，l的一个支配因素。为满足上述判据，LFR中的催化剂层厚度应小于由下式给出的最小值：

在炉气污染物净化的代表性条件下，催化剂层最小厚度与转化率和反应级数间的关系示于图3-23中。可以看到，合适的催化剂层厚度在15～75mm之间。对高气流速度和低扩散率气体，床层对流扩散将是Dap，l的支配因素，尤其是对于较大的催化剂粒子。填料床层中的径向扩散与无因次轴向Bodenstein准数Bo密切相关。Bo准数的定义为Bo=dpu/Dap，l。对LFR操作的典型低线速度，Bo逐渐接近于一个恒定值，约为0.4。于是方程（3-35）能够写作：

图3-24显示了对于一级和二级反应，床层厚度与颗粒直径的最小比值与转化率间的关系。能够推断，对于直径大于1mm的颗粒，在上述条件下，床层中的离散与分子扩散相比是更加重要的因素。例如，对一级反应使用直径1mm的催化剂颗粒，为达到90％转化率所需要的床层厚度约40mm，以满足上述判据的要求。

使气体停留时间分布展宽的另一个因素是床层横截面上的速度不均一。对正级数反应，速度变化将会导致转化率的损失，必须使用超量催化剂加以补偿（多于理想活塞流反应器所需要的催化剂量）。气体流过薄层催化剂会出现不均匀流动，其可能的原因是，床层空隙率局部变化和/或催化剂平均颗粒大小的局部变化（可能来自LFR的不适当填充）。产生催化剂层中不均匀流动的更深层原因是压力梯度的存在。由于LFR是为低压力降应用设计的，该压力梯度可能是气体横向流动的局部推动力，从而对不均匀分布产生显著影响。

气体在通道中流动产生压力梯度是由于与通道壁摩擦以及速度变化而引起的，该摩擦导致在流动方向的压力下降（包括进出口通道部分）。因LFR的通道另一端面是开放的，产生的压力梯度与进出口通道压力梯度处于同一方向，对床层横向流动的推动力有补偿效应。进口通道中气流速度的降低是床层横向流动产生的结果。相反，出口通道中气流速度的增加是气体横向流动累积的结果。因此，当通道进出口处于催化剂床层另一端面时，通道中的速度梯度也是处于相反方向的，这样在通道入口给定位置的两个邻近通道中的气流速度是不同的。速度上的差别会引起压力上的差别（按按Bernoulli定律），对床层横向流动局部推动力产生影响。图3-25示出了典型LFR反应器中的速度和压力分布。可以推断，催化剂层中的压力差是不恒定的，因此催化剂层中的横向流动也是不均匀的。

使用LFR净化炉气时，因尾气体积实际上是不变化的（因要净化的污染物组分浓度是很低的），因此，在通道和床层中的速度变化之间有简单的关系，如图3-26所示。

如先前所述，催化剂床层中的不均匀流动会导致转化率的损失，需要用额外的催化剂体积加以补偿。通道中压力梯度的影响能够通过采用较薄催化剂床层的PPR来降低，但这会使LFR产生较高的压力降。所以，对给定应用，其优化设计需要仔细平衡各种设计参数。

3.3.3　PPR结构反应器床层中的结垢行为

对常规固定床，含固体尘粒的气体在催化剂床层间隙流动，因在固体表面上的撞击而被沉积在床层间隙中。如果床层间隙很小，催化剂床层会很快就被阻塞。但对PPR，气体中的固体尘粒可以容易地通过直的气流通道，固体尘粒的大部分会随气流离开反应器。

虽然PPR可以使用于净化含尘气体，但这并不意味着反应器性能不受尘粒的影响。气流中的灰粒能够通过扩散（布朗运动）进入到催化剂床层中。尤其是当通道中气流处于湍流区时，尘粒子可以通过涡流渗透进入催化剂床层中。实际上PPR反应器与理想活塞流偏离时催化剂床层中发生的横向流动是灰粒从气流进入催化剂床层的另一原因。

固体灰粒也可能沉积在筛网筛孔和催化剂表面上，使筛网的渗透率降低（“筛网阻塞”）和床层空隙率降低。PPR结垢的方式示于图3-27中。

在实验室PPR模束中测量固体灰粒沉积，使用的是氧化硅粉末和飞灰（中介粒子直径为20～3μm）。使用空气做介质，其浓度在5～10g/m3之间，室温环境条件，气流速度约1m/s。试验结果表明，有约10％的灰尘被捕集，90％被出口气流带走。在上述灰尘沉积速率下，可以估算出，PPR催化剂床层中的空隙在约1天的时间内会被灰尘完全充满。假定灰尘沉积速率与气流中初始灰尘浓度呈线性关系（也就是捕集的速率恒定）。如试验PPR净化含飞灰50mg/m3和300mg/m3（0.02～0.12g/SCF），使用PPR净化燃油炉气能够接受的结垢时间为一个月到半年。对已经结垢的催化剂床层，PPR仍能够操作，也就是气体仍能够通过PPR，除非灰尘颗粒阻塞了气体通道。

除了灰尘组分可能使催化剂化学中毒外，蓬松灰尘会在催化剂床层中沉积。开始时，产生的主要影响是床层传质阻力的增加。除床层空隙率被降低外（静态组分使床层扩散率降低2～4倍），受影响最大的是对流扩散率，因空隙降低会使平行流动速度和混合长度显著减小。

结垢对反应器性能有很大影响。反应器性是否能在结垢状态下能否保持在可接受水平取决于设计要求。清洁状态下PPR催化剂床层利用率是由催化剂活性或催化剂粒内传质速率决定的。PPR反应器的性能不会因结垢造成很大的损失，一般仍然能够处于可接受的水平范围。

为处理含尘气体，例如燃煤锅炉烟气（可能含每标准立方米若干克飞灰），一个可能的选择是在静电沉降器下游安装PPR，这样可以避免把大量颗粒物质排入大气环境中。另一个选择是周期性地使用气流吹扫PPR。吹扫时通道中气流速度很高，使催化剂床层发生湍动和振动，以有效地脱除沉积在表面上的颗粒物质，让气流带走。

3.3.4　横向流动反应器（LFR）中的结垢

就捕集气体中的颗粒物质而言，LFR比PPR更有效，这是因为有气流通过床层。LFR能够捕集倾向于结垢的颗粒物质，虽然结垢也影响其操作能力，压力降有显著增加。LFR主要被应用于低结垢尾气污染物的净化，如燃气锅炉炉气的净化。与常规固定床比较，LFR的结垢速率要慢两个数量级，因为有远大得多的床层横横截面。在低结垢条件下，常规固定床将会在一个星期内阻塞，而LFR能够操作一年甚至更长。

如要在较强结垢条件下操作，当然要考虑如何克服结垢问题。例如，把已结垢的催化剂周期性或连续性地从反应器取出，移去灰尘后再把催化剂装进去。对LFR催化剂从床层中取出和装进是相对容易的，因有气体水平流过垂直定向的催化剂板。结垢的催化剂能够在板底部端面利用重力移出，清洁后的催化剂能够在顶部倒入床层。

对垂直气体流动（对某些构型是理想的），在底部和顶部的倾斜角度大于固体物料静止角时垂直的催化剂板仍然能够使用。这时使用重力放出结垢催化剂是可能的，如图3-28所示。