第07章 气态污染物控制技术3 大气污染控制工程电子教案

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 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 催化净化工艺 车用催化转化器 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 不改变化学平衡选择性 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 催化剂的性能 活性 W 产品质量WR 催化剂质量t 反应时间 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 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 催化剂反应动力学 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 最慢反应 其它都达到平衡 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 催化反应动力学方程 宏观动力学方程外扩散的传质速率 催化反应动力学方程 宏观动力学方程内扩散反应速率 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 值较小 催化反应动力学方程 催化剂有效系数 实验测定 催化反应动力学方程 催化剂有效系数 一级不可逆反应 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 固定床反应器 多段绝热反应器相邻两段之间引入热交换 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 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