气态污染物控制基础原理

气态污染物控制基础原理第一页，共三十七页，2022年，8月28日第7章气态污染物控制技术基础(3)§4气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气－固相催化反应器的设计教学重点：催化作用原理、多相催化反应的物理化学过程及动力学方程、气－固相催化反应器的设计计算与结构类型选择教学难点：多相催化反应的物理化学过程及动力学方程、气－固相催化反应器的设计计算与结构类型选择第二页，共三十七页，2022年，8月28日§4气体催化净化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应用工业尾气和烟气去除SO2和NOx有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化第三页，共三十七页，2022年，8月28日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SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：420～550℃第四页，共三十七页，2022年，8月28日催化净化工艺催化剂：Pt(Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3等VOCs的催化氧化第五页，共三十七页，2022年，8月28日催化净化工艺NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的选择性催化还原（SCR）第六页，共三十七页，2022年，8月28日催化净化工艺车用催化转化器第七页，共三十七页，2022年，8月28日一、催化作用和催化剂

催化作用改变反应历程，降低活化能提高反应速率（阿累尼乌斯方程）显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡选择性第八页，共三十七页，2022年，8月28日催化剂加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质组成活性组分＋助催化剂＋载体第九页，共三十七页，2022年，8月28日催化剂的性能活性W－产品质量WR－催化剂质量t－反应时间第十页，共三十七页，2022年，8月28日催化剂的性能稳定性热稳定性、机械稳定性和化学稳定性表示方法：寿命老化活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等中毒对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第十一页，共三十七页，2022年，8月28日气固催化反应动力学反应过程(1)反应物从气流主体-催化剂外表面(2)进一步向催化剂的微孔内扩散(3)反应物在催化剂的表面上被吸附(4)吸附的反应物转为为生成物(5)生成物从催化剂表面脱附下来(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散(7)生成物从外表面扩散到气流主体

(1),(7)：外扩散；(2),(6)内扩散

(3),(4),(5)：动力学过程主气流微孔固相催化剂粒子示意图第十二页，共三十七页，2022年，8月28日催化剂反应动力学催化剂中的浓度分布第十三页，共三十七页，2022年，8月28日催化剂反应动力学第十四页，共三十七页，2022年，8月28日催化剂反应动力学反应速度取决于带^反应(最慢反应)，其它都达到平衡例：A＋BR＋S表面反应控制吸附或脱附控制A的吸附：B的吸附：表面反应：R的脱附：S的脱附：第十五页，共三十七页，2022年，8月28日二、催化反应动力学方程表面化学反应速率对于催化床NA－反应物A的流量，kmol/hNA0－反应物A的初始流量，kmol/hVR－反应气体体积，m3x－转化率L－反应床长度，mA－反应床截面积，m2Q－反应气体流量，m3t－接触时间，hcA0－反应物的初始浓度,kmol/m3第十六页，共三十七页，2022年，8月28日二、催化反应动力学方程宏观动力学方程外扩散的传质速率第十七页，共三十七页，2022年，8月28日二、催化反应动力学方程宏观动力学方程内扩散反应速率第十八页，共三十七页，2022年，8月28日二、催化反应动力学方程催化剂有效系数反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催化剂内表面积并未充分利用η值较小第十九页，共三十七页，2022年，8月28日二、催化反应动力学方程催化剂有效系数实验测定第二十页，共三十七页，2022年，8月28日二、催化反应动力学方程催化剂有效系数一级不可逆反应第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日内外扩散的影响外扩散控制降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：KG消除方法提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除－下限流速第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日内外扩散的影响内扩散控制降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：η消除方法尽量减小催化剂颗粒大小粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日三、催化反应器的设计设计基础停留时间决定反应的转化率由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日三、催化反应器的设计设计基础反应器的流动模型活塞流、混合流实际流态介于两者之间反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异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－活塞流反应器第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日三、催化反应器的设计设计基础空间速度单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日三、催化反应器的设计经验计算法将催化床作为一个整体利用经验参数设计通过中间实验确定最佳工艺条件第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日三、催化反应器的设计数学模型法反应的动力学方程＋物料流动方程＋物料衡算＋热量衡算反应热效应小的催化床－等温分布计算第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日三、催化反应器的设计数学模型法转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差轴向等温分布计算第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日固定床反应器最主要的气固相催化反应器优点:流体接近于平推流，返混小，反应速度较快固定床中催化剂不易磨损，可长期使用停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率缺点:传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)催化剂更换需停产进行第三十页，共三十七页，2022年，8月28日固定床反应器单层绝热反应器结构简单，造价低廉，气流阻力小内部温度分布不均用于化学反应热效应小的场合第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日固定床反应器多段绝热反应器相邻两段之间引入热交换(a)直接换热(b)间接换热第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日固定床反应器列管式反应器用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合其他反应器径向反应器薄层床反应器自热式反应器第三十三页，共三十七页，2022年，8月28日反应器类型的选择根据反应热的大小和对温度的要求，选择反应器的结构类型尽量降低反应器阻力反应器应易于操作，安全可靠结构简单，造价低廉，运行与维护费用经济第三十四页，共三十七页，2022年，8月28日固定床的阻力计算颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：第三十五页，共三十七页，2022年，8月28日固定床的阻力计算实际计算应根据温度和流量的变化，将床层分段计算阻力与床高和空塔气速的平方成正比，即与截面积