催化反应器在近年取得了显著进展，涌现出许多结构紧凑、反应高效的高性能装置。气-固相催化反应器主要分为两大类，即固定床反应器和流化床反应器。其中，流化床气-固相催化反应器是基于固体流态化技术发展而来的新型工艺，是流态化技术在气固相催化过程中的重要应用。该类型反应器具有温度分布均匀、传热效率高、气固接触面积大、传质速率快等突出优势，从而大幅提升了操作效率，简化了工艺流程。鉴于固定床反应器目前在实际工业中应用最为广泛，本节将重点对该类反应器进行系统介绍。
01
固定床催化反应器的特点
固定床反应器的主要优点是轴向返混少，气体在床层内的流动接近理想置换流动(活塞流)，因而反应速率快，催化剂用量少，设备体积小。另外，从设计和操作上，可以严格控制气体停留时间和调节床层温度分布，有利于提高转化率和选择性，固体催化剂还不被磨损。
固定床反应器的最大缺点就是传热问题。由于催化剂颗粒静止不动及本身的导热性差，活塞流的流动又限制了流体径向换热的能力，加之催化反应有时会放出很大的热量，通常在反应器的轴向会有一个最高温度点称为“热点”，如果设计和控制不当造成热点过热甚至产生“飞温”，将对催化剂的性能以及设备产生不利影响，甚至会带来不安全因素。另外，固定床使用的催化剂颗粒也比流化床粗，使其表面有效系数低。催化剂再生或更换时都必须停止操作。
02
固定床催化反应器类型和结构
根据换热和要求方式的不同，固定床反应器可分为绝热式和换热式两大类。还有根据结构进行分类的，如管式、搁板式、径向式等。下面介绍几种常用的固定床反应器。
绝热式顾名思义，就是不和外界进行任何热交换的反应器，它又分为单层式和多层式。
①单层绝热反应器 单层绝热反应器的结构如图4-5所示。反应器内只装一层催化剂，反应气体通过单层催化床即可达到指定的转化率。因此，单层绝热反应器床层不宜过厚，以免温度分布过分地不均匀和增加床层阻力;也不宜过薄，而使气流分布过分地不均匀。必要时,要像微分反应器那样，加装一定厚度的惰性填料层。在净化气态污染物的催化工程中，由于污染物浓度低而风量大，温度已降为次要因素，而多从气流分布的均匀性和床层阻力两个方面来权衡选择床层的截面积和高度。
单层绝热反应器在催化燃烧、治理汽车尾气和喷漆、电缆等行业中治理有机溶剂污染时都可应用。
②多段绝热反应器 对反应热大的催化反应，单层绝热床一般是难以胜任的。然而，若把多个单层绝热床串联起来，把总的转化率(或反应热)分摊给各个单层绝热床，并在相邻的两个床之间引出或加人热量，避免热量的积累，这样就能把各个单层绝热床上的反应控制在比较合适的温度范围内，这种串联起来的单层绝热床就称为多段绝热反应器。
多段绝热反应器与单层绝热反应器的本质区别不在于催化床数量的多寡，而在于整个反应过程中相邻两段之间引进了热交换，正因为如此，它才能有效地控制催化反应的温度。
段间的热交换有直接换热和间接换热两种方式。
图4-6(a)所示的为间接换热式多段绝热反应器，间接换热是通过设在段间的热交换器，将热量从反应过程中及时地移出(或加人)，视移出热量的大小，载热体可以是反应物料本身，也可以是水或其他介质，这种换热方式适用性广，能够回收反应热，而对催化反应没有什么影响，但设备复杂，费用大。
图4-6(b)所示的为直接换热式多段绝热反应器，直接换热方式则是在段间通人冷气流，直接与前一段反应后的热气流混合而降温。通入的冷气流特称为冷激气。冷激气可以是原料气，也可以是非原料气。这种换热方式虽然由于不需换热器而降低了设备的造价，但流程与操作复杂，要调节控制各段冷激气进气口的气压和流量，设计上事先要调整好各段催化剂的装量和床层截面积。此外，冷激气会降低反应物的浓度(用原料气作为冷激气时会降低净化效率)，因而需要增加催化剂的用量。故直接换热方式宜用在需移出的反应热不大而使用换热器间接换热代价太大的场合。
管式固定床反应器属换热式反应器，它与外界有热量交换。管式反应器又因催化剂的装填部位不同分为多管式和列管式两种(图4-7所示)。
这两种反应器在金属结构上都是在一个大的圆简(或方箱)中排列若干根管子，催化剂装在管内的反应器称为多管式、催化剂装在管间的称为列管式。在没有装填催化剂的地方流动的是载热体或冷却剂、用以调节催化剂床层的温度。采用原料气作换热介质的称自热式，采用其他换热介质的称为外换热式。
列管式反应器催化剂装量多，传热面积大，效果好，生产能力电大，管式反应器的共同缺点都是催化剂装填困难，尤其是多管式，对每根管内催化剂的装填密度都有严格的要求，以保证每根管子都有相同的阻力。
管式反应器多用在反应热比较大的场合，因为温度会影响催化剂的活性和寿命，还会引起副反应和催化剂中毒。
固定床反应器还有径向反应器(图4-8所示)和薄层反应器等类型。径向反应器(其结构类似于环式吸附器)把催化剂装在两个半径不同的同心圆多孔板之间，反应气流沿径向通过催化床。因而它比列管式、多管式气体流通截面大、压降小，而这正是气态污染物净化所要求的。
对反应速率极快而所接触时间很短的催化反应，可采用薄层床催化反应器。薄层床是一种温度分布最均匀的绝热式固定床，而当所用催化剂价格昂贵时则还具有明显的经济意义。它和径向反应器都可认为是单层绝热反应器的特殊形式。
由于催化剂进行催化反应时有一个最低反应温度的要求，低于此温度，就不能发生催化反应，此温度被称作是催化剂的起燃温度，也就是催化剂的活性温度范围的下限。所以，上述各类反应器一般均需加装一个重要的辅助设备——预热器。预热器是专门用来预热反应气体的，通常也通过预热气体来预热催化床（列管式反应器的情况不完全如此）。预热器可以设在反应器的外部，当反应器正常运行之后，可以通过换热器利用反应热部分地或全部地代替外部能源，完全依靠反应热维持反应的反应器就称为自热式反应器。
03
适用场景
·中低浓度VOCs废气处理。
·化工、涂装、印刷等行业。
·对操作稳定性要求较高的场合。
·废气成分相对清洁，不含颗粒物。
