大气污染控制工程课件07-3气态污染物控制技术基础.ppt

第7章 气态污染物控制技术基础 l教学内容: l气体扩散 l气体吸收 l气体吸附 l气体催化净化 l教学重点 l掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基 本原理和过程 l了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性 l教学重点 l初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器 第7章 气态污染物控制技术基础(3) l4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 4 气体催化净化 l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 l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 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：420550 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 催化净化工艺 NOx NH3 filter Combusto r Mixer Reactor NOx的选择性催化还原（SCR） 催化净化工艺 l车用催化转化器 一、催化作用和催化剂 l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） l 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 催化剂 l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 l组成 活性组分 助催化剂 载体 催化剂的性能 l活性 WW产品质量产品质量 WW R R 催化剂质量催化剂质量 t t反应时间反应时间 催化剂的性能 l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 l活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等 中毒 l对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、 As、Pb 气固催化反应动力学 l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 催化剂反应动力学 l催化剂中的 浓度分布 催化剂反应动力学 催化剂反应动力学 反应速度取决于带反应速度取决于带 反应反应( (最慢反应最慢反应) )，其它都达到平衡，其它都达到平衡 例：例：A AB B R RS S 表面反应控制表面反应控制 吸附或脱附控制吸附或脱附控制 A A的吸附：的吸附： B B的吸附：的吸附： 表面反应：表面反应： R R的脱附：的脱附： S S的脱附：的脱附： 二、催化反应动力学方程 l表面化学反应速率 l对于催化床 N NA A 反应物反应物A A的流量，的流量，kmol/hkmol/h N N A0A0 反应物反应物A A的初始流量，的初始流量，kmol/h kmol/h V VR R 反应气体体积，反应气体体积，mm 3 3 x x转化率转化率 L L反应床长度，反应床长度，mm A A反应床截面积，反应床截面积，mm 2 2 Q Q反应气体流量，反应气体流量，mm 3 3 t t接触时间，接触时间，h h c c A0A0 反应物的初始浓度反应物的初始浓度, ,kmol/mkmol/m 3 3 二、催化反应动力学方程 l宏观动力学方程 外扩散的传质速率 二、催化反应动力学方程 l宏观动力学方程 内扩散反应速率 二、催化反应动力学方程 l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 l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 l催化剂内表面积并未充分利用 l值较小 二、催化反应动力学方程 l催化剂有效系数 实验测定 二、催化反应动力学方程 l催化剂有效系数 一级不可逆反应 内外扩散的影响 l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 l提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度 l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 内外扩散的影响 l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： 消除方法 l尽量减小催化剂颗粒大小 l粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影 响消除 三、催化反应器的设计 l设计基础 停留时间 l决定反应的转化率 l由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方 式决定 三、催化反应器的设计 l设计基础 反应器的流动模型 l活塞流、混合流 l实际流态介于两者之间 l反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异 l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 l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 三、催化反应器的设计 l设计基础 空间速度 l单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积 三、催化反应器的设计 l经验计算法 l将催化床作为一个整体 l利用经验参数设计 l通过中间实验确定最佳工艺条件 三、催化反应器的设计 l数学模型法 l反应的动力学方程 物料流动方程物料衡算 热量衡算 l反应热效应小的催化床等温分布计算 三、催化反应器的设计 l数学模型法 l转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的 轴向温差 l轴向等温分布计算 固定床反应器 l最主要的气固相催化反应器 优点: l流体接近于平推流，返混小，反应速度较快 l固定床中催化剂不易磨损，可长期使用 l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: l传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点) l催化剂更换需停产进行 固定床反应器 l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 固定床反应器 l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 固定床反应器 l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 l 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 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 固定床的阻力计算 l颗粒固定床，欧根（Ergun）公式： 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