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第七章 气态污染物控制技术基础 (3)

第七章 气态污染物控制技术基础 (3). 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. 第四节 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 SO 2 和 NO x 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. 来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含 SO 2 的尾气. 含有约为初始进气 SO 2 浓度 3% 的尾气. 含有约为初始进气 SO 2 浓度 0.3% 的尾气. 水. 水. 填充床吸收塔. 填充床吸收塔. 段间冷却的四层催化床.

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第七章 气态污染物控制技术基础 (3)

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Presentation Transcript

  1. 第七章 气态污染物控制技术基础(3) • 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

  2. 第四节 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

  3. 来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO2的尾气 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 水 填充床吸收塔 填充床吸收塔 段间冷却的四层催化床 第二级 催化床 预除尘和水分 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℃ 催化净化工艺

  4. 催化净化工艺 催化剂：Pt (Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3等

  5. 气体催化净化 • 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 • 具有选择性

  6. 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 活性组分：催化剂主体，可单独作为催化剂； 助催化剂：（1）本身无活性(2)具有提高活性组分活性的作用； 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。

  7. 催化剂的性能 • 活性 W－产品质量 WR－催化剂质量 t－反应时间 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作用的特征，表示为：

  8. 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——分永久性中毒和暂时性中毒 是指反应物中少量杂质（如HCN、CO、H2S、S、As、Pb等）使催化活性迅速下降的现象。

  9. 主气流 微孔 固相 催化剂粒子示意图 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—吸附过程 • (4)吸附的反应物转为为生成物—表面过程 • (5)生成物从催化剂表面脱附下来—脱附过程 • (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

  10. 催化剂反应动力学 • 催化剂中的浓度分布 CAg、CAs、CAc——反应物A在气相主体、催化剂外表面、颗粒中心处的浓度 CA* ——在颗粒温度下A的平衡浓度

  11. 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/h NA0－反应物A的初始流量，kmol/h VR－反应气体体积，m3 x－转化率 L－反应床长度，m A－反应床截面积，m2 Q－反应气体流量，m3 t－接触时间，h cA0－反应物的初始浓度,kmol/m3

  12. 催化反应动力学方程 • 宏观动力学方程 • 外扩散的传质速率

  13. 催化反应动力学方程 • 宏观动力学方程 • 内扩散反应速率

  14. 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

  15. 催化反应动力学方程 • 催化剂有效系数 • 实验测定

  16. 催化反应动力学方程 • 催化剂有效系数 • 一级不可逆反应

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 固定床反应器 • 多段绝热反应器 • 相邻两段之间引入热交换

  26. 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

  27. 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

  28. 固定床的阻力计算 • 颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：

  29. 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，即与截面积的三次方成反比 • 与粒径成反比 • 与孔隙率的三次方成反比

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