气态污染物的催化净化

1、第十一章第十一章 气态污染物的催化净化气态污染物的催化净化n 主要内容主要内容: : n 第一节：催化作用和催化剂n 第二节：气固催化反应动力学n第三节：气固催化反应器及计算 n第四节：气态污染物的催化净化工艺n本章重点与难点：本章重点与难点：n气固催化反应动力学；n气态污染物的催化净化工艺；n选择性催化还原和非选择性催化还原法。n 第十一章 气态污染物的催化净化n催化转化：催化转化：是指废气通过催化剂床层的催化反应，是其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用物质的净化方法。n优优 点：点：n 对不同浓度的污染物具有很高转化率；n 污染物与主气流不需要分离，避免了可能产生的第二次污染；n 操

2、作过程简化。n缺缺 点点：催化剂较贵，且废气预热需耗一定能量，这样使净化处理的费用增加。第一节第一节 催化作用和催化剂催化作用和催化剂n一、催化作用n概念：化学反应速度因加入某种物质而改变，而被加入物质的数量和性质，在反应终止时不变的作用称为催化作用n机理：通过加入催化剂，改变了反应历程，降低了反应物活化能，从而达到加快反应速度的目的。n3.两个显著的特征：n1） 催化剂能加速反应速度（正、逆）而不能使平衡移动；n2） 催化作用具有特殊的选择性。二二. .催化剂催化剂n（一）（一） 组成组成n主活性组分：主活性组分：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(2)具

3、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。n（二） 催化剂的性能n主要指：其活性、选择性和稳定性1 1活性活性n衡量催化剂效能大小的标准。 n 公式表示为：n 式中：A-催化剂活性， kg/(h.g)；n W-产品质量， kg；n t-反应时间， h；n WR-催化剂质量， g。n 工业中，常把产品量换算为转化率X表示n RWtWA%100物摩尔数通过催化剂床层的反应反应物反应了的摩尔数X2 2催化剂的选择性催化剂的选择性n选择性是

4、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作用的特征，表示为：n n 活性与选择性是催化剂本身最基本的性能指标，是选择和控制反应参数的基本依据，二者均可度量催化剂加速化学反应速度的效果，但反映问题的角度不同。n活性-催化剂对提高产品产量的作用；n选择性-表示催化剂对提高原料利用率的作用；%100的反应物摩尔数通过催化剂床层后反应数反应所得目的产物摩尔B3 3催化剂的稳定性催化剂的稳定性n 定义：定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。n 包括：包括：（1）热稳定性；（2）机械稳定性：（3）抗毒稳定性。n 影响催化剂寿命的因素影响催化剂寿命的因素主

5、要有：催化剂的老化和中毒。n 催化剂的老化催化剂的老化：是指催化剂在正常工作条件逐步失去活性过程。n催化剂的中毒：催化剂的中毒：是指反应物中少量杂质使催化活性迅速下降的现象。 第二节第二节 气固催化反应动力学气固催化反应动力学 n一气固催化反应过程一气固催化反应过程n气固催化反应一般经历如下五个步骤：n外扩散过程： 反应物从气相主体到催化剂外表面；n内扩散过程： 催化剂外表面到微孔内颗粒内表面吸附反应；n化学动力学控制过程：颗粒内表面吸附反应产物离开内表面；n内扩散： 产物微孔到外表面；n外扩散： 外表面到气相主体n 吸附过程：吸附过程：反应物在催化及表面上被吸附；n 表面过程：表面过程：吸附

6、的反应物在催化剂表面上发生化学反应（表面反应过程）；n脱附过程：脱附过程：反应产物从催化剂表面上脱附下来。n上述几步速度最慢（阻力最大）者决定整个过程的总反应浓度，这一步称为控制步骤 二气固催化反应动力学方程式：二气固催化反应动力学方程式：n1.表面化学反应速率方程式表面化学反应速率方程式（吸附表面反（吸附表面反应及脱附）应及脱附） n2.受内扩散影响的反应速率方程受内扩散影响的反应速率方程 n3.外扩散控制的速率方程外扩散控制的速率方程 n4.气固反应总速率方程气固反应总速率方程 第三节第三节 气固催化反应器及设气固催化反应器及设计计n一气固催化反应器类型与选择n固定床反应器n优点：催化剂不

7、易磨损，使用寿命长；反应气体与催化剂接触紧密，转化率高等。n缺点：床层轴向温度不均匀。n分类:（1）绝热式：n a.单段式; b.多段式; c.列管式; d.径向式。 n （2）换热式。（二）气固反应器的选择二）气固反应器的选择n 一般原则：一般原则：1 根据催化剂反应热的大小及催化剂的活性温度范围，选择合适的结构类型，保证床层温度控制在许可的范围内。n床层阻力应尽可能的小.n在满足温度条件下，应尽量使催化剂装填系数大，以提高设备利用率，n反应器应结构简单，便于操作，且造价低廉，安全可靠。二、固定床反应器的计算二、固定床反应器的计算n（一）流体在反应器内的流动模型（一）流体在反应器内的流动模型

8、n目前有两种理论模型：n 活塞流反应器活塞流反应器n特点：所有粒子通过反应器的时间完全相同。n 理想混合反应器理想混合反应器n特点：反应器出口的物料浓度与反应器内完全相同。n如流化床反应器、连续釜反应器理想混合型；n固定床反应器（尤其径高比大的）活塞流型（二）固定反应器的计算（二）固定反应器的计算n计算方法：经验法；数学模型法经验法经验法n利用实验或工厂现有装置所得的经验参数(Vsp,t等)来设计新的反应器的一种方法。n优点：计算简便，设计可靠，应用广泛；n不足之处：要求设计条件与原生产工艺条件或中间试验条件尽量保持一致。因此，不宜高倍数放大，且要求中间试验条件要有足够的试生产规模，否则将导致

9、大的误差。n空间速度空间速度：单位时间内单位体积催化剂能处理的反应混合气体的体积量，即：n n nQn0 -标况下反应气体初始体积流量，m3/h;n VR -催化床层体积， m3n Vsp-空间速度; h-1n意义： Vsp越大，通过单位体积催化剂的混合物量越多，生产强度愈大。RnspVQV0n接触时间接触时间：反应物通过床层的时间。n若在标况下计算接触时间，即标准接触时间：n n催化体积用量催化体积用量：n n 001nRspnQVVttQtQVQVonnspnR000n催化床层高催化床层高n n其中 （空隙率）n ns,p-催化堆积密度与颗粒密度， Kg/m3221441DVDVLRRps

10、12数学模型（介绍） 产生发展于20世纪60年代n反应动力学方程n物料流动方程n物料衡算方程n热量衡算方程n 四个方程联立求解，从而求出指定条件下达到规定转化率所需催化剂体积等参数值。 固定床压力降n欧根等温流动阻力公式n式中：P-床层压力降，Pa；nL-床高， m；n-气体密度，kg/m3；nu0-空床速度，m/s；n-床层空隙率，%；nds-颗粒的体积表面积平均直径，m；n-气体粘度，Pa*s。3201dsuLPm第四节气态污染物的催化净化工艺第四节气态污染物的催化净化工艺一催化净化法的一般工艺一催化净化法的一般工艺n催化法治理废气的一般工艺过程包括：n（1) 废气预处理去除催化剂毒物级固

11、体颗粒物（避免催化剂中毒）；n（2) 废气预热到要求的反应温度（如选择性催化还原去除NOX废气的预热温度须达200220OC以上）；n（3）催化反应；n（4）废热和副产品的回收利用等。一几种主要污染物的催化净化一几种主要污染物的催化净化n（一）SO2气体的催化净化 n（二）NOX的催化净化 n 该法是利用不同还原剂，在一定的温度和催化剂作用下，将NOX还原为无害的N2和H2O。n 按还原剂是否与空气中的O2发生反应分为非选择性还原和选择性还原（用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理，使氨能有选择的和气体中的NOX进行反应，而不和氧反应。n（三）汽车尾气的催化净化 （二）（二）NONOX

12、X的催化净化的催化净化 n 该法是利用不同还原剂，在一定的温度和催化剂作用下，将NOX还原为无害的N2和H2O。 按还原剂是否与空气中的O2发生反应分为非选择性还原和选择性还原（用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理，使氨能有选择的和气体中的NOX进行反应，而不和氧反应)。非选择性催化还原法非选择性催化还原法n还原剂还原剂: H2、CH4 、合成氨释放气n反应特点反应特点: 反应分两步进行n1）脱色反应：2)脱除反应(慢)n常用催化剂常用催化剂:nPt或Pd常以0.5%的Pt或Pd载于氧化铝载体上。n优缺点：优缺点：n1）燃量消耗量大（耗用于比NOX含量高得多的O2） ； n2)产生大量

13、热，须增设废热锅炉来降低反应气体温度，同时回收废热。n3）需贵金属作催化剂。n4）投资大。选择性催化还原法选择性催化还原法 n还原剂还原剂: NH3 （常用） 、H2S 、 COn反应特点反应特点:：n使氨能有选择的和气体中的NOX进行反应，而不和氧反应。n常用催化剂常用催化剂:n1)贵金属 2)非贵金属的氧化物或盐类 Cu、Cr、Fe、V、Mnn优点：优点：n1） 还原剂基本上不与氧反应，避免了无谓消耗，同时大大减小了反应热，催化床温度变化小易于控制，采用一段流程即可；n2） 催化剂易得，选择余地大；n3） 还原剂NH3相对易得，起燃温度低反应热低，床温通常低于3000C,有利于延长催化剂寿命和降低反应器对材料要求。( (三）