气态污染物控制技术基础 (2)ppt课件

1、第七章 气态污染物控制技术根底(3)o气体催化净化气体催化净化o催化作用和催化剂催化作用和催化剂o气固催化反响动力学气固催化反响动力学o气固相催化反响器的设气固相催化反响器的设计计第四节 气体催化净化o含尘气体经过催化床层发生催化反响，使污染物转化为无害或易于处置的物质o运用o工业尾气和烟气去除SO2和NOxo有机挥发性气体VOCs和臭气的催化熄灭净化o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熄灭的富含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响：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o改动反响历程，降低活化能o提高反响速率o 阿累尼乌斯方程l 显著特征显著特征l对于正逆反响的影响一样，不改动化学平衡对于正逆反响的影响一样，不改动化学平衡l具有选择性具有选择性exp()EKART催化剂o加速化学反响，而本身的化学组成在反响前后坚持不变加速化学反响，而本身的化学组成在反响前后坚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：催化剂主体，

3、可单独作为催化剂；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：1本身无活性本身无活性(2)具有提高活性组分活性具有提高活性组分活性的作用；的作用；n 载体：起支撑活性组分的作用，使催化剂具有适宜外形与载体：起支撑活性组分的作用，使催化剂具有适宜外形与粒度，从而有大的比外表积，增大催化剂活性，节约活性粒度，从而有大的比外表积，增大催化剂活性，节约活性组分用量，并有传热、稀释和加强机械强度作用，可添加组分用量，并有传热、稀释和加强机械强度作用，可添加延伸催化剂运用寿命。延伸催化剂运用寿命。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

4、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 选择性是指假设化学反响在热力学上有几个反响方向选择性是指假设化学反响在热力学上有几个反响方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反响起时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反响起加速作用的特征，表示为：加速作用的特征，表示为：催化剂的性能o稳定性稳定性o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o表示方法：寿命表示方法：寿命o老化老化o活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等等o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

5、性中毒o是指反响物中少量杂质如是指反响物中少量杂质如HCN、CO、H2S、S、As、Pb等使催化活性迅速下降的景象。等使催化活性迅速下降的景象。气固催化反响动力学o反响过程反响过程o(1)反响物从气流主体反响物从气流主体-催化剂外外表催化剂外外表o(2) 进一步向催化剂的微孔内分散进一步向催化剂的微孔内分散o(3)反响物在催化剂的外表上被吸附反响物在催化剂的外表上被吸附吸附过程吸附过程o(4)吸附的反响物转为为生成物吸附的反响物转为为生成物外表过程外表过程o(5)生成物从催化剂外表脱附下来生成物从催化剂外表脱附下来脱附过程脱附过程o(6)脱附生成物从微孔向外外表分散脱附生成物从微孔向外外表分散

6、o(7)生成物从外外表分散到气流主体生成物从外外表分散到气流主体o(1),(7)：外分散；：外分散；(2),(6)内分散内分散 o(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表示图催化剂反响动力学o催化剂中的浓度分布CAg、CAs、CAc反响物反响物A在气相主体、催化剂外外表、在气相主体、催化剂外外表、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响动力学方程o外表化学反响速率o对于催化床AARddNrV A0A0AA0A0RddddddddxNxNxxrNcVA LQ tt催化反响动力学方程o宏观动力学方程o外分散的传质

7、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

8、，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

9、，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3催化反响动力学方程o宏观动力学方程o内分散反响速率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

10、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响动力学方程o催化剂有效系数o反响催化剂微孔内浓度分布对反响速率的影响 在内分散的影响下催化剂微孔内外表上反响物很低，沿微孔方向降至平衡浓度催化剂内外表积并未充分利用值较小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响动力学方程o催化剂有效系数o实验测定计算法l等温一级不可逆反应，球

11、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sss1vs

12、seff311()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响动力学方程o催化剂有效系数o一级不可逆反响催化反响器的设计o设计根底o停留时间o决议反响的转化率o由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决议R/tVQV VR R催催化化剂剂体体积积催催化化剂剂体体积积, ,mm3 3Q Q反反应应气气体体的的实实际际体体积积流流量量反反应应气气体体的的实实际际体体积积流流量量, ,mm3 3

13、/h/h催催化化床床空空隙隙率率催催化化床床空空隙隙率率,%,%R/tVQV VR R催催化化剂剂体体积积催催化化剂剂体体积积, ,mm3 3Q Q反反应应气气体体的的实实际际体体积积流流量量反反应应气气体体的的实实际际体体积积流流量量, ,mm3 3/h/h催催化化床床空空隙隙率率催催化化床床空空隙隙率率,%,%催化反响器的设计o设计根底o反响器的流动模型o活塞流、混合流o实践流态介于两者之间o反响器内每一点的流态各不一样，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，延续釜式反响器理想混合反响器；径高比大的固定床活塞流反响器催化反响器的设计o

14、设计根底o空间速度o单位时间经过单位体积催化床的反响物料体积spNR/WQVspRN1/WVQV 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spRN1/WVQV 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响器的

15、设计o阅历计算法o将催化床作为一个整体o利用阅历参数设计o经过中间实验确定最正确工艺条件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

16、催化剂装量催化剂装量催化反响器的设计o数学模型法o反响的动力学方程 物料流动方程物料衡算热量衡算o反响热效应小的催化床等温分布计算ARA00AAAAAA0d(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

17、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催化反响器的设计o数学模型法o转化率较高的工业反响器，温度分布具有明显的轴向温差o轴向等温分

18、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 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)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

19、 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固定床反响器o最主要的气固相催化反响器o优点: o流体接近于平推流，返混小，反响速度较快o固定床中催化剂不易磨损，可长期运用o停留时间可严厉控制，温度分布可适当调理，高选择性和转化率o缺陷:o传热差(热效应大的反响，传热和温控是难点)o催化剂改换需停产进展固定床反响器o单层绝热反响器o构造简单，造价低廉，气流阻力小o内部温度分布不均o用于化学反响热效应小的场所固定床反响器o多段绝热反响器o相邻两段之间引入热交换固定床反响器o列管式反响器o用于对反响温度要求高，或反响热效应很大的场所l 其他反响器其他反响器l径向反响器径向反响器l薄层床反响器薄层床反响器l自热式反响器自热式反响器反响器类型的选择n根据