（化学工程专业论文）流向变换催化燃烧空气净化过程的模型化研究.pdf

北京化工大学博士学位论文 摘要 作y , j 空气污染的主要来源之一，挥发性有机物( v o c s ) 是继s 0 2 、n o 。及 、 氟早昂之后，又一类对环境造成严重危害的大气污染物。近年来，作为一种 典型的有机废气，油漆、涂料、胶粘剂、制鞋等行业产生的含芳烃空气造成的 急、慢性中毒时有发生，它的治理日益受到人们的关注。 流向变换催化燃烧反应器具有很高的的集成度和热回收效率，即使污染 物浓度很低，反应也能自热进行。而且由于气固两相的体积热容量相差很大， 使这一过程的抗干扰能力较强，反应器具有比定态操作更大的操作弹性，即使 原料气浓度和流量在一定范围内频繁波动，系统也能维持正常操作。它是最 早实现工业化、应用最广泛的人为非定态过程之一，也是非定态催化反应技术 、 最能体现其优势、研究最活跃的领域之一。4 一 本文以含芳烃的空气作为模拟工业废气，从实验和模型化两方面系统开展 了净化低浓度有机废气的流向变换催化燃烧反应器的研究，考察了主要操作参 数对反应器性能的影响以及进料浓度发生波动时反应器的性能，根据实验研究 和数值模拟的结果，提出了反应器优化设计和优化操作的策略，并利用实验和 模拟计算得到的结果，建立了基于r b f 人工神经网络的流向变换反应器温度分 布的拟定态和动态模型，开展了在原料气浓度发生较大波动时反应器的智能控 制研究。 首先，采用积分反应器，在消除内、外扩散影响的实验条件下，对芳烃在 ， n z p 一3 型催化剂上催化燃烧的本征动力学进行了系统的实验研究。l 根据实验数 据对模型参数进行了估值并对模型进行了统计检验，进而对竞争模型进行了判 识。结果表明，芳烃在负载铂催化剂上催化燃烧的本征速率模型与表面反应控 制的机理模型相容，模型能够描述芳烃催化燃烧的动力学行为，其结果可以用 于反应器的模型化研究。，l 然后，设计并建立了一套小型中试规模的流向变换催化燃烧装置，建立了 ( i i ) 北京化工大学博士学位论文 有关分析、测试手段，在较宽的实验条件变化范围内，分别进行了含单组分芳 烃( 主要是异丙苯) 和混合物芳烃( 苯、甲苯和二甲苯) 模拟工业废气的流向 r 。 变换催化燃烧实验研究s 系统考察了操作条件对反应器拟定态性能的影响，获 得了大量迄今未见报道的、有价值的信息。结果表明：热波特性是流向变换催 化燃烧反应器的重要性质，换向周期是一个既能有效控制反应段温度水平，又 很容易人为地改变的操作参数。通过调整换向周期，可使不同浓度的废气稳定、 自热地催化燃烧；当气速较小、换向周期较短时，在反应器内可能形成马鞍形 的轴向温度分布：v o c s 浓度过高、操作条件不合适都会不可逆转地破坏系统的 热平衡而发生“飞温”，“飞温”一般发生在流向变换后一段时间内且热点出现 在催化剂床层的两端；“飞温”相对而言是一个较快的过程，在进料浓度较高时 必须及时对反应器加以监控：流向变换催化燃烧反应器床层温度对操作条件波 动的敏感性在一般情况下很小，“熄火”是一个相对缓慢的过程，由反应物浓度 阶式降低引起的“熄火”过渡过程要持续很长时间，固定床热容越大，这一过 程持续的时间越长：反应器的总热效应是反应和与外界热交换的综合结果， 各种因素对反应器温度场的影响因v o c s 种类的差异而有所不同。火 ， 进而，基于一系列基本假设，建立了流向变换催化燃烧反应器的非均相、 ， 非定态、一维模型。睹虑到所涉及反应体系床层温度较高且轴向温差很大，在 、 模型中着重考虑了辐射传热和轴向有效热导。选择了一种“自适应、变步长、 弱隐式全局差分方法”求解所得的数学模型，并用m a t l a b 语言编写了相应的 模拟程序。对流向变换催化燃烧反应器性能模拟的结果表明，所采用的算法可 靠、收敛性好，所编程序能够满足模拟与设计要求。卜 ， 利用所建立的反应器动态模型，对本征动力学研究得到的两种模型做了进 一步的判识，采用反应速率方程模型b 在不进行参数修正的情况下，模拟计算 的反应器瞬态温度分布鳆线的形状和变化趋势与实验数据基本吻合。在此基础 上系统考察了操作参数、反应器的装填结构、催化剂活性衰减对反应器温度特 性的影响：讨论了进料浓度发生周期性波动时反应器床层温度的变化，结合实 验结果，针对反应物浓度变化的不同范围，对反应器的优化设计和优化控制问 厂 题进行了讨论。f 模拟结果表明：在一定的范围内，反应器温度随着切换周期的 1 1 1 北京化工大学博士学位论文 变化7 i 一个变化相对较平缓的平台区域，当换向周期大于一定值时，床层温度 水平随着换向周期变长而单调降低；反应器内最高温度和催化剂床层平均温度 随浓度的升高而单调上升，升高的幅度及变化的局部特征随有机物种类的不同 而有所差异。当有机物的进料浓度围绕平均值发生周期性的波动时，反应器会 达到；外一种形式的循环定态，其最高温度和催化剂床层的平均温度与不波动 时比较有不同程度的提高。进料浓度波动的振幅越大，温度变化越大；波动的 频率越大，温度改变越小：净化含混合芳烃时温度的波动要比单有机物时温 度的改变小得多。反应器的特征温度随着催化剂床层长度的增加而降低，随惰 性床层长度的增加而单调增加。因此，不仅可以针对不同的浓度范围选择适宜 的设计参数以降低设备费用并使反应器操作弹性增大。催化剂活性的降低小于 l 一定值时，反应器特征温度出现代偿性升高，仍能维持较高的转化率。士 ， 最后，根据模拟计算和实验研究的结果，从流向变换催化燃烧过程的内在 机理出发，建立了基于r b f 人工神经网络的床层温度分布的拟定态和动态模型o i 基于m c g s 组态软件，对原有实验系统进行了改造，并在改造后的系统上，以 含甲苯空气为模拟工业废气，以换向周期为控制参数、以反应器的温度水平作 为被控参数，实现了流向变换催化燃烧反应过程的简单、有效的实时控制，使 反应器在输入条件发生一定范围的剧烈波动时，仍能实现稳定操作。 所有这些结果，为系统探索流向变换催化燃烧过程的普遍规律和这项技术 的工业化奠定了坚实的科学与技术基础。 关键词：流向变换反应器i 挥发性有机物，、芳烃，。催化燃烧， n z p 催化剂i 热波：可操作叉r b f 神经元网络 ( i v ) 北京化工大学博士学位论文 a b s t r a c t a sal 【i n do ft h em a i na t m o s p h e r i cp o l l u t a n t s g a s e o u se m i s s i o n sc o n t a i n v o l a t i l e o r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) l e a d t o m a n yd i s e a s e s ，s u c h a s e d e m a ， e m p h y s e m a ，c a n c e ra n de v e nd e a t ha th i g hc o n c e n t r a t i o n f u r t h e rm o r e ，t h e ya l s o p a r t i c i p a t ei nt h eg r e e n h o u s ee f f e c t ，t h er e d u c t i o no ft h eo z o n ei nt h es t r a t o s p h e r i c l a y e ra n dt h ep r o d u c t i o no fa c t i n i cs m o g i nr e c e n ty e a r sa i rc o n t a m i n a t e dw i t h a r o m a t i ch y d r o c a r b o n sr e l e f i s e df r o mp a i n t i n g ，c o a t i n ga n da d h e n s i v ei n d u s t r i e sh a s c a u s e dm a n yh e a l t hh a z a r d s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e n p a y i n g t oi t s p u r i f i c a t i o n b e c a u s ec a t a l y t i cc o m b u s t i o no fv o c si nar e v e r s ef l o wr e a c t o r ( r f r ) h a s h i g h d e g r e eo fi n t e g r a t i o na n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y ，e v e ni n l e tt e m p e r a t u r ea n d r e a c t a n t c o n c e n t r a t i o no fw a s t eg a sa r ev e r yl o w , t h er e a c t o rc a nb eo p e r a t e da u t o t h e r m a l l y , b e s i d e s ，o w i n g t oc o n s i d e r a b l ed i f f e r e n c ei nv o l u m i n a lh e a t c a p a c i t y b e t w e e n g a s e o u sp h a s e a n ds o l i d p h a s e ，t h e r e a c t o rh a s h i g hs t a b i l i t y e v e nt h ef e e d c o m p o s r i o n a n dg a s v e l o c i t y f l u c t u a t e f r e q u e n t l y i nac e r t a i n r a n g e c a t a l y t i c c o m b u s t i o ni nr f ri so n eo ft h ee a r l i e s t i n d u s t r i a l l yp r a c t i c e d a n dt h em o s t e x t e n s i v e l y u s e d u n s t e a d y s t a t er e a c t i o nt e c h n i q u e s i nt h i sw o r k , c a t a l y t i cc o m b u s t i o no f a r o m a t i c sc o n t a i n i n gw a s t eg a si nar f ri s s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d t h ei n f l u e n c eo fm a i n o p e r a t i o np a r a m e t e r s a n dt h e f l u c t u a t i o no fr e a c t a n tc o n c e n t r a t i o no nt h e p e r f o r m a n c e o ft h er e a c t o rw a s i n v e s t i g a t e di nap i l o tp l a n t ah e t e r o g e n e o u so n e - d i m e n s i o n a lw i t ha x i a ld i s p e r s i o n m o d e lo ft h er f rw a sd e v e l o p e d b a s e do nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n d s i m u l a t i o n s ，d e s i g n i n ga n do p e r a t i o ns t r a t e g yo f t h er e a c t o ri sd i s c u s s e d w i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n ds i m u l a t i o nr e s u l t st h er b f ( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k sm o d e l sf o rp r e d i c t i n gp s e u d o s t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n tt e m p e r a t u r e p r o f i l e s w e r ed e v e l o p e d r e a l t i m ec o n t r o l e x p e r i m e n t so ft h er e a c t o r u n d e rt h e v 北京化s - 大学博士学位论文 s e v e r ef l u c t u a t i o ni nf e e dc o n c e n t r a t i o nw e r ec a r r i e do u t f i r s t ，t h r e e k i n d so fi n t r i n s i c k i n e t i cm o d e l so fc a t a l y t i cc o m b u s t i o n o f a r o m a t i c so v e rp tc a t a l y s t sw e r ed e v e l o p e dw i t hs u r f a c e r e a c t i o nc o n t r o la s s u m p t i o n a n ds o m er a t i o n a l s i m p l i f i c a t i o n t h e i n t r i n s i ck i n e t i c e x p e r i m e n t s o fc a t a l y t i c c o m b u s t i o no fa r o m a t i c so v e rad o m e s t i cn o b l em e t a ls u p p o r t e dc a t a l y s t ，n z p 3 c a t a l y s t ，w e r eu n d e r t a k e n i na n i n t e g r a l m i c r o r e a c t o r m o d e lp a r a m e t e r sw e r e e s t i m a t e dw i t hs i m p l e xm e t h o d s s t a t i s t i c a lt e s ts h o w st h a tt h e s em o d e l sa r eh i g h l y a c c e p t a b l e a f t e r w a r d s ，ap i l o tp l a n tp a c k e dw i t hal i t r e o fc a t a l y s tw a sd e s i g n e da n d c o n s t r u c t e d s o m ee f f e c t i v em e a s u r e sw e r ea d o p t e di no r d e rt ok e e pt h er e a c t o r a d i a b a t i ci nr a d i a ld i r e c t i o na n dt or e d u c et h ea x i a lh e a tc o n d u c t i v i t ya l o n gt h ew a l l o ft h er e a c t o r t h ec o n c e n t r a t i o no fv o c sw a sa n a l y z e db yag ca n dt h et r a n s i e n t a x i a l t e m p e r a t u r ep r o f i l e w a sa u t o m a t i c a l l ym o n i t o r e da n dc o l l e c t e d b yap c p u r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t s o fw a s t e g a sc o n t a i n i n gs i n g l e a r o m a t i c h y d r o c a r b o n ( c u m i n ) a n da r o m a t i cm i x t u r e s ( b e n z e n e ，t o l u e n ea n dx y l e n e ) w e r ec a r r i e do u ti na l a r g er a n g eo fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s i n f l u e n c eo f t h ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h ef e e d c o m p o s i t i o n ，t h ec o m p o n e n t s t ob e p u r i f i e d ，t h ed u r a t i o n o fa p e r i o da n dg a sv e l o c i t y , o nt h ep e r f o r m a n c eo f t h er e a c t o ri nc y c l i cs t e a d ys t a t ew a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e r m a lw a v ei st h em o s ti m p o r t a n tp r o p e r t yo f r e v e r s e f l o wc a t a l y t i cc o m b u s t i o nr e a c t o r d u r a t i o no f a p e r i o di sap a r a m e t e r t h a ti n f l u e n c e s t h et e m p e r a t u r el e v e lo fr e a c t o ra n da l s oc o u l db ec o n t r o l l e de a s i l y b ya d j u s t i n gt h i s o p e r a t i n gp a r a m e t e r , w a s t eg a sw i t hd i f f e r e n ti n l e tc o n c e n t r a t i o n sc o u l db ep u r i f i e d w i t hh i g hc o n v e r s i o n ，a u t o t h e r m a l l ya n ds t a b l y i tw a sf o u n dt h a tt h er e a c t o rm i g h t p r e s e n ts a d d l es h a p e t r a n s i e n tt e m p e r a t u r e p r o f i l e sa t av e r yl o w s p a c ev e l o c i t ya n d a s h o r tp e r i o dd u r a t i o n i tw a sa l s oo b s e r v e dt h a tw h e n t h ei n l e tc o n c e n t r a t i o no f v o c s w a st o oh i g ha n do p e r a t i o nc o n d i t i o nw a si m p r o p e rt h er e a c t o rc o u l dn o tr e a c ht h e c y c l i cs t e a d ys t a t ea n d t h et e m p e r a t u r eo f c a t a l y s tb e dw o u l d r u n - a w a y ，w h i c ho f t e n o c c u r r c dw i t h i nas h o r tt i m ea f t e rt h ef l o wd i r e c t i o nw a ss w i t c h e da n dt h eh o ts p o ti s ( v i ) 北京化工大学博士学位论文 n e a r b y t h et w oe n d so ft h e c a t a l y s tb e d h o w e v e r , t h e r e v e r s ef l o wc a t a l y t i c c o m b u s t i o nr e a c t o rd i s p l a y e di n s e n s i t i v i t yt ot h ef l u c t u a t i o no ff e e dc o n d i t i o na n d e x t i n c t i o no f r e a c t o r w a sas l o wp r o c e s s ，w h i c hw o u l dl a s tr a t h e rl o n gt i m ea f t e rt h e i n l e tc o n c e n t r a t i o no fv o c sw a ss t e p p e dd o w n i ng e n e r a l ，t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r e p r o f i l ew a s o v e r a l lr e s u l to fr e a c t i o na n dt r a n s f e ri nt h er e a c t o ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f t e m p e r a t u r ep r o f i l e sd e p e n d a l s oo nt h ek i n do f v o c s f u r t h e r m o r e ，b a s e d o ns o m e a c c e p t a b l ea s s u m p t i o n s ，ah e t e r o g e n e o u s o n e - d i m e n s i o n a lm o d e lt a k i n ga c c o u n to fa x i a ld i s p e r s i o ni nt h eb e d so far f r c o n s i s t e do fo n e c a t a l y s t b e di nt h em i d d l ea n dt w oi n e r tb e d si s p r o p o s e d c o n s i d e r i n g t h er e m a r k a b l ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e a l o n g t h ea x i a ld i r e c t i o ni nt h e r e a c t o r i n v e s t i g a t e d 。t h ei n f l u e n c eo f r a d i a t i o nh e a tt r a n s f b ro na x i a le f f e c t i v et h e r m a l c o n d u c t i v i t yi si n c l u d e d a na d o p t i v ew e a k l y i m p l i c i tf i n i t ed i f f e r e n c ea l g o r i t h m ， w h i c hw a sd e v e l o p e db yo u rg r o u pi su s e dt os o l v et h em o d e lp a r t i a ld i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sa n d t h ep r o g r a mi sd e v e l o p e di nm a t l a b l a n g u a g e p r i m a r ys i m u l a t i o n r e s u l t sa r ei ng e n e r a la g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t l lr e s p e c tt ot h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ep r o f i l eo ft h e r e a c t o r , t w oi n t r i n s i cr e a c t i o nr a t em o d e l so b t a i n e df r o mt h ek i n e t i ci n v e s t i g a t i o n m e n t i o n e da b o v ea r ed i s c r i m i n a t e da n di ti sf o u n dt h a tu s i n gm o d e lbt h es h a p ea n d t e n d e n c yo ft e m p e r a t u r ep r o f i l e ss i m u l a t e ds h o wg o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a l d a t a b a s e do nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ft h e o p e r a t i o np a r a m e t e r s ，t h ep a c k i n gs t r u c t u r eo f r e a c t o ra n dc a t a l y s td e a c t i v a t i o no n t h ep e r f o r m a n c eo ft h er e a c t o ra r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r e l e v e lo ft h eb e dd e c r e a s e sw i t hp e r i o dd u r a t i o nw h e ni sa b o v eac e r t a i nv a l u ea n d i n c r e a s e sw i t ht h ei n l e tc o n c e n t r a t i o n w h e nt h ew a s t eg a sc o n t a i n i n g s i n g l ea r o m a t i c h y d r o c a r b o ni sp u r i f i e da n d i n l e tc o n c e n t r a t i o no fv o ci s c h a n g e dp e r i o d i c a l l y a r o u n dg i v e n a v e r a g ev a l u ew i t ha s m a l la m p l i t u d et h er e a c t o rw i l la p p r o a c ha n o t h e r c y c l i cs t e a d y s t a t ea n dt h et e m p e r a t u r el e v e lo ft h er e a c t i o ns e c t i o nw i l li n c r e a s e t h e f l u c t u a t i o no fc o n c e n t r a t i o no fv o c sh a sl e s si n f l u e n c eo na v e r a g et e m p e r a t u r eo f 北京化_ t - 大学博士学位论文 t h e c a t a l y s t b e dw h e nw a s t e g a sc o n t a i n i n g a r o m a t i cm i x t u r ei s p u r i f i e d t h e t e m p e r a t u r el e v e lo ft h ec a t a l y s tb e di n c r e a s e sw i t ht h el e n g t ho ft h ei n e r tb e d sa n d d e c r e a s e sw i t hl e n g t h e n i n gc a t a l y s tb e d ，s oi ti sp o s s i b l et os a v ec a t a l y s tc o s ta n dt o a t t a i ns a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c eo ft h er e a c t o rb ys e l e c t i n gp r o p e rd e s i g np a r a m e t e r s a c c o r d i n g t od i f f e r e n tr a n g e so fi n l e tc o n c e n t r a t i o no fv o c s i ti sa l s of o u n dt h a ti na r f rt h et e m p e r a t u r el e v e lo ft h ec a t a l y s tb e dw i l lr i s ew h e nt h ec a t a l y s td e a c t i v a t e s t os o m ee x t e n t ，w h i c he n a b l et h er e a c t o rk e e ph i g hc o n v e r s i o n f i n a l l y , q u a s i - s t e a d y s t a t ea n dd y n a m i cr b f ( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) n e u r a l n e t w o r k sm o d e l so f t e m p e r a t u r ep r o f i l eo f t h er e a c t o ra r ed e v e l o p e db a s e do nr e s u l t s o fs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s t h er e s u l t so fp r o c e s sc o n t r o le x p e r i m e n t sc a r r i e d o u ti nt h ep i l o tp l a n ts h o wt h a tb y a d j u s t i n gt h ep e r i o dd u r a t i o nb a s e do nr b f n e u r a l n e t w o r km o d e lt h er f rc a nm a i n t a i ns t a b l e o p e r a t i o n e v e nt h e i n p u tc o n d i t i o n c h a n g e s i nl a r g ee x t e n t k e y w o r d s ：v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，a r o m a t i c s ，c a t a l y t i ec o m b u s t i o n ， n z p - 3c a t a l y s t ，r e v e r s ef l o wr e a c t o r , t h e r m a lw a v e ，r b fn e u r a l n e t w o r km o d e l ( v i i i ) 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 2 _ 0 0 3 年千月笞日 圩掌冲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留、使用学位论文的 规定。特授权北京化工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和 借阅。同意学校向国家有关部门或机构送论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后使用授权说明) 学位论文作者签名：中呻 签字日期：j 嘲年干月悟日 导师躲雪敛鲁 签字日期：砌? 年4 月z d 日 北京化工大学博士学位论文 致谢 本论文是在李成岳教授和周集义总工程师的悉心指导下完成的。三年多来， 先生宽于待人、严于律己的处世理念，严谨的治学态度和精深的学术造诣使我 受益匪浅，他们对科学和社会的强烈责任感和无私奉献精神更是不断感染我， 鞭策我努力前进! 陈标华教授是论文指导小组成员，他在实验设备设计、安装及研究过程中 进行了具体的指导，论文得以顺利完成有他付出的辛劳：陈洪达工程师为实验 工作的顺利开展提供了帮助：硕士生安娜在流向切换催化反应器自动控制的实 现及有关研究做了大量的工作：范胜华、刘建鹏、周光大、刘波等同学也参加 了论文的部分实验工作；刘辉教授、李建伟、张金昌副教授、李英霞老师等为 研究工作给予了许多的指导和帮助；梁日忠、王二强、乔聪震、潘向东、李云 阁等师兄弟也给予了很多的支持与帮助。在此，向他们一并表示衷心的感谢! 另外，我要特别感谢黎明化工研究院给我提供这样一个宝贵的深造机会， 感谢领导和同事的关怀和支持。 在求学的日子里，我的妻子和家人在生活上给了我极大的关怀和爱护，论 文的完成饱含着她的辛劳。希望论文的完成能够给她带来安慰与快乐。同时， 也要为在此期间减少了对孩子的呵护与教育表示歉意! 感谢国家自然科学基金委对本课题财政上的资助! 最后，感谢所有关心、支持和帮助过我的人们! 斗学坤 2003 年4 月 北京化工大学博士学位论文 前言 环境闻鬏楚当翦全篷器嚣瞧静一个重大润题。臻壤恶像严重逢藏躲人类 的生存和社会的可持续发展。面对环境恶化的不断加剧，各豳政府纷纷提出了 各蠡豹痤蘑菇薅，摹l 定穗应静法律来糙裁污染裼戆捺敖，同辩提出霹持续发怒 战略，敲励环境友好生产技术的开发。1 9 9 4 年7 月，美图政府发稚了名为“面向 可持续发震的来来技术”静报衡。热拿大联邦政府单程1 9 9 3 年就制定了绿色计 划。并被列入联邦重大科技计划。日本政府非常蘑视利用先进技术节约8 源和资 源，倡导以绿色技术推动绿色革命，日本的环境技术已同电子技术、汽车技术并列 为世界三大领先技术。我国政府对此擞十分重视，中爨2 1 擞纪议程作先全 球第一个国家缀可持续发展的战略规划，它从中国的具体国情和人口、环境与发 展懿慧侮联系惑发，握爨了挺遨审国经济、社会、资滚髑饔境耀互辏调豹霹持续 发展战略目标，加大了对环境相关技术的开发和基础研究的资助力度。可以预 冤基予冒持续发展恶怒轻绿色纯学熬潺洁生产技术是2 l 毽纪化学纯工技术豹笈 展趋势和生长点，采用环境友好技术将是国家和企业最终的选择。 律为空气污染的主要来源之一，挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ，缩写v o c s ，下噱) 是除s o s 、n o x 及氟里昂之外，又一类对环 境造成污染的大气污染物。该类有机物多数为有毒、有恶臭的气体，某些脊 枫纺谯鼹光鲍爨麓下辘与氧化裁发生必纯学爱应，形成光化学烟雾，在一次 污染的同时还谶成二次污染；部分有机物，如氯乙烯、苯、雾环芳烃等，已 技涯明瓷致癌锈矮；芟孛戆聱分舍氟露橇兹，懿蘸氟烃( c f c s ) 积禽氮氯氟 烃( h c f c s ) ，已被证明对臭氟层具有破坏作用。因此控制大气中挥发性有 飙勃黎常重要。翠在t 9 7 0 年，美国翻定的清洁空气法就包括了减少v o c s 的排放燕。1 9 9 0 年它又在当年实施的清洁空气法修正案中要求：在其聪 的九年内使大气中有机化学晶的排放鬟减少9 0 ，而其中7 0 就为v o c s 。 1 9 9 6 年日本立法限制5 3 种v o c s 的搀放，2 0 0 2 年掇隈卷41 4 9 秘v o c s 筑撵 放。其它经济发展较快的国家和地区，也开始制定限制v o c s 排放的法规。 我簪颁布的中华人民共和蠲大气污染防治法规定了大气污漆物综合挥放 标准( g b l 6 2 9 7 一1 9 9 6 ) ，其中对1 4 癸v o c s 规定了最高允许稍 放浓度，最高允 许排放速率和无组织排放限值。对此，豳绕改善生悉环境和有效利用资源的 战略性要求，各国、各大公司都投入了大量的人力、物力，致力于控制空气 中挥发性有机物含量的新技术研究和开发。我国化学工业整体技术落后，由废 气中的有毒有机物造成的污染非常严重。因此开发赫的脱除有毒有机物的气体 净化技术龙为迫切。 袭这方嚣，鼹期性泼变淡内的l 定态镁纯燃烧技术滚囱交换催纯燃 烧技术其窍独特静优势，它已在环境工程、低晶位能源幂j 用方面短示了广溺的 应用前景。其中戢有碾弓i 力韵是将这类技术用于含少墓有机簿物如印利厂、胶 片厂、喷漆厂、电子元件厂以及一系剐石油与有机化工生产过程排放废气的净 化，引起了国际上许多大公司和学术界的注意，杜邦、道化学、盂山都和托酱 索等大公词纷纷出资资助有关技术的研究和开发。 化学反应器的滤向变换强制周期操作可以从多方蕊改善反应系统的操 乍性 能。其一，对子篾单可逆放热反应，虫于出口湿度较低从嚣霹以褥到比最优定 态操侔更蔫的肇穰转纯率，对于复杂反应霹戬改善过程钓选弹性线撼寒收率。 其二，改善反应嚣豹动态搡佟特襁。强铡瘸期操作在定范阑内阿懿沈窥态搡 律其有更犬的弹毪，降低反应器对输入条件波动的敏感稷度。其三，流稷集成 度高。流向变换反应器一般集反应器和蓄热、换热器于一体，不仅降低设备费 用，而且热回收率很高。因此，从上世纪7 0 年代以来，人们就致力予有关流向 变换倦化反应过程的开发，流向变换催化燃烧反废技术是其较为成功的应用之 一。 懿人黝残究结果粒我识螅藏期实验磅究表甥，虽然波囱变换强制周期操作 镤托燃烧爱盛器是存较强弱性能稳定性，毽反盛器蠖能对不弱输入条铬静敏 感性楚有涯澍靛，考虑封反应器尺寸的不同、催能剂活髋及凡俺参数的差异、 反应物的性质及箕组成都会对反应器的性能造成影墒，需要通过模型研究、 整体优化来进行反应器的设计和确定适敷的操作条件。另外，对于废气净化 过程，其最大特点就是输入条件经常发生较大范围的波动，如何针对不同性 北京化工大学博士学位论文 质的变化和变化范围，设计合适的反应器形式、装填结构，制定优化策略并 实现优化控制，问题十分复杂，单靠实验研究很难充分了解非定态催化反应的 规律。因此在系统实验研究的基础上，深入开展反应机理和动力学研究，进而 通过模型化方法寻找最优的非定态操作策略和控制手段，然后在实验装置上验 证，是一条理想的技术开发途径。这些研究内容也正是催化化学、催化剂制备 化学工艺学、化学反应工程学、过程控制学、应用数学和计算科学之间相互交 叉的前沿领域。 本课题系国家自然科学基金资助项目一“流向变换催化燃烧反应器及其控 制技术的应用基础研究”的一部分，拟以芳烃类挥发性有机物作为模型化合物 进行流向变换催化燃烧及其控制技术的应用基础研究，目的在于全面掌握流向 变换催化燃烧技术的特性，为这项技术在我国实现产业化奠定科学基础。此前 已经进行了含苯、甲苯、二甲苯混合物的有机废气的催化燃烧净化的初步实验 研究。实验表明，流向变换催化燃烧反应器适于低浓度大流