气态污染物控制技术基础(1)课件

1、第七章 气态污染物控制技术基础(3)o气体催化净化气体催化净化n催化作用和催化剂催化作用和催化剂n气固催化反应动力学气固催化反应动力学n气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计第四节 气体催化净化o含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质o应用n工业尾气和烟气去除SO2和NOxn有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化n汽车尾气的催化净化催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO2的尾气水含有约为初始进气SO2浓度3%的尾气含有约为初始进气SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO

2、2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：420550223SO1/2OSOVanadium 3224SOH OH SO催化净化工艺催化剂：Pt (Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3 等气体催化净化o催化作用n改变反应历程，降低活化能n提高反应速率 （阿累尼乌斯方程）l 显著特征显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡具有选择性exp()EKART催化剂o加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质的物质o组成：活性组分组成：活性组分 助催化剂助催化剂 载体载体n活性组分：活性组分：催化剂主体，可单独作为催化剂；n助催化剂：助催化剂：

3、（1）本身无活性(2)具有提高活性组分活性的作用；n 载体：载体：起支撑活性组分的作用，使催化剂具有合适形状与粒度，从而有大的比表面积，增大催化剂活性，节约活性组分用量，并有传热、稀释和增强机械强度作用，可增加延长催化剂使用寿命。催化剂的性能o活性RWAtW100B反应所得目的产物摩尔数通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数l选选择择性性100B反应所得目的产物摩尔数通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数l选选择择性性 选择性是指若化学反应在热力学上有几个反应方向时，选择性是指若化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反

4、应起加速作用的特征，表示为：作用的特征，表示为：催化剂的性能o稳定性稳定性n热稳定性、机械稳定性和化学稳定性热稳定性、机械稳定性和化学稳定性n表示方法：寿命表示方法：寿命n老化老化o活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等n中毒中毒分永久性中毒和暂时性中毒分永久性中毒和暂时性中毒是指反应物中少量杂质（如是指反应物中少量杂质（如HCN、CO、H2S、S、As、Pb等）等）使催化活性迅速下降的现象。使催化活性迅速下降的现象。气固催化反应动力学o反应过程反应过程n(1)反应物从气流主体反应物从气流主体-催化剂外表面催化剂外表面n(2) 进一步向催化剂的微孔

5、内扩散进一步向催化剂的微孔内扩散n(3)反应物在催化剂的表面上被吸附反应物在催化剂的表面上被吸附吸附过程吸附过程n(4)吸附的反应物转为为生成物吸附的反应物转为为生成物表面过程表面过程n(5)生成物从催化剂表面脱附下来生成物从催化剂表面脱附下来脱附过程脱附过程n(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散脱附生成物从微孔向外表面扩散n(7)生成物从外表面扩散到气流主体生成物从外表面扩散到气流主体(1),(7)：外扩散；：外扩散；(2),(6)内扩散内扩散 (3),(4),(5)：动力学过程：动力学过程主气流微孔固相催化剂粒子示意图催化剂反应动力学o催化剂中的浓度分布CAg、CAs、CAc反应物反应物A在

6、在气相主体、催化剂外表面、气相主体、催化剂外表面、颗粒中心处的浓度颗粒中心处的浓度CA* 在颗粒温度下在颗粒温度下A的平衡的平衡浓度浓度催化反应动力学方程o表面化学反应速率o对于催化床AARddNrV A0A0AA0A0RddddddddxNxNxxrNcVA LQ tt催化反应动力学方程o宏观动力学方程n外扩散的传质速率AGeaAGAS()vK SCCK KGG扩散系数，扩散系数，扩散系数，扩散系数，m/hm/hS Se e单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，mm2 2/m/m3 3a a催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有

7、效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形a a1 1C CAGAG主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3C CASAS催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3AGeaAGAS()vK SCCK KGG扩散系数，扩散系数，扩散系数，扩散系数，m/hm/hS Se e单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，mm2 2/m/m3 3a a催化剂的有效

8、表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形a a1 1C CAGAG主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3C CASAS催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3催化反应动力学方程o宏观动力学方程n内扩散反应速率AsiAS()vK S f CK Ks s反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数S Si i单位体积催化剂的内表

9、面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积, ,mm2 2/m/m3 3f f与与与与浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数AsiAS()vK S f CK Ks s反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数S Si i单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积, ,mm2 2/m/m3 3f f与与与与浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数催化反应动力学方程o催化剂有效系数n反

10、应催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响 在内扩散的影响下l催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度衡浓度l催化剂内表面积并未充分利用催化剂内表面积并未充分利用l值较小值较小sAS0sASi()d()isK f CSK f CS实际反应速率按外表面反应物浓度计算得到的理论反应速率催化反应动力学方程o催化剂有效系数n实验测定计算法l等温一级不可逆反应，球形催化剂等温一级不可逆反应，球形催化剂l若若 s很小，很小， 1，说明内扩散的影响可以忽略；，说明内扩散的影响可以忽略；反之不容忽视反之不容忽视sss1vsseff311()tannnK c

11、RD s s齐勒模数齐勒模数齐勒模数齐勒模数R R催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度K Kv v反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数D Deffeff内扩散系数内扩散系数内扩散系数内扩散系数计算法l等温一级不可逆反应，球形催化剂等温一级不可逆反应，球形催化剂l若若 s很小，很小， 1，说明内扩散的影响可以忽略；，说明内扩散的影响可以忽略；反之不容忽视反之不容忽视sss1vsseff311()tannnK cRD s s齐勒模数齐勒模数齐勒模数齐勒模数R R催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度K Kv v反应速率常数反应速率常数反应速率常数反

12、应速率常数D Deffeff内扩散系数内扩散系数内扩散系数内扩散系数催化反应动力学方程o催化剂有效系数n一级不可逆反应催化反应器的设计o设计基础n停留时间o决定反应的转化率o由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定R/tVQV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积, ,mm3 3Q Q反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量, ,mm3 3/h/h催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率,%,%R/tVQV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积, ,mm3 3Q Q反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流

13、量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量, ,mm3 3/h/h催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率,%,%催化反应器的设计o设计基础n反应器的流动模型o活塞流、混合流o实际流态介于两者之间o反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异o不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布停留时间分布函数o工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器催化反应器的设计o设计基础n空间速度o单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积spNR/WQVspRN1/WVQ V VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积, ,mm3 3Q QN N标态下反应气体

14、体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量, ,mm3 3/h/hl接触时间空间速度的倒数接触时间空间速度的倒数spRN1/WVQ V VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积, ,mm3 3Q QN N标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量, ,mm3 3/h/hl接触时间空间速度的倒数接触时间空间速度的倒数催化反应器的设计o经验计算法o将催化床作为一个整体o利用经验参数设计o通过中间实验确定最佳工艺条件Rsp/VQ WV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积, ,mm3 3Q Q反应气体体

15、积流量反应气体体积流量反应气体体积流量反应气体体积流量, ,mm3 3/h/hWWSPSP空间速度，空间速度，空间速度，空间速度，1/1/h hl催化剂装量催化剂装量Rsp/VQ WV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积, ,mm3 3Q Q反应气体体积流量反应气体体积流量反应气体体积流量反应气体体积流量, ,mm3 3/h/hWWSPSP空间速度，空间速度，空间速度，空间速度，1/1/h hl催化剂装量催化剂装量催化反应器的设计o数学模型法o反应的动力学方程 物料流动方程物料衡算热量衡算o反应热效应小的催化床等温分布计算ARA00AAAAAA0d(1)xnnnixWNrrk C

16、k QNxRTQnPWWR R催化剂重量催化剂重量催化剂重量催化剂重量, ,kgkgQ Q气体体积流量气体体积流量气体体积流量气体体积流量, ,mm3 3/h/h反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数inARA00AAAAAA0d(1)xnnnixWNrrk Ck QNxRTQnPWWR R催化剂重量催化剂重量催化剂重量催化剂重量, ,kgkgQ Q气体体积流量气体体积流量气体体积流量气体体积流量, ,mm3 3/h/h反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子

17、的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数inWWR R催化剂重量催化剂重量催化剂重量催化剂重量, ,kgkgQ Q气体体积流量气体体积流量气体体积流量气体体积流量, ,mm3 3/h/h反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数in催化反应器的设计o数学模型法o转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差o轴向等温分布计算ArA0ArA0rA0PARA0A0d ()d()()dddxQrVHNxHNHxN CTxVNr反应的热效应反应的热效应反应的热效应反应的热效应, ,kJ/molkJ/molN N

18、0 0总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量, ,mol/hmol/h混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热, ,kJ/(molkJ/(mol K)K)rHPCArA0ArA0rA0PARA0A0d ()d()()dddxQrVHNxHNHxN CTxVNr反应的热效应反应的热效应反应的热效应反应的热效应, ,kJ/molkJ/molN N0 0总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量, ,mol/hmol/h混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热, ,kJ/(

19、molkJ/(mol K)K)rHPC反应的热效应反应的热效应反应的热效应反应的热效应, ,kJ/molkJ/molN N0 0总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量, ,mol/hmol/h混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热, ,kJ/(molkJ/(mol K)K)rHPC固定床反应器o最主要的气固相催化反应器n优点: o流体接近于平推流，返混小，反应速度较快o固定床中催化剂不易磨损，可长期使用o停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率n缺点:o传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)o催化剂更换需停产进行固定床反应器o单层绝热反应器n结构简单，造价低廉，气流阻力小n内部温度分布不均n用于化学反应热效应小的场合固定床反应器o多段绝热反应器n相邻两段之间引入热交换固定床反应器o列管式反应器n用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合l 其他反应器其他反应器径向反应器薄层床反应器自热式反应器反应器类型的选择n根据反应热的大小和对温度的要求