华东理工大气污染控制工程课件催化

1、大气污染控制工程大气污染控制工程 修光利 2011-4 ?气体扩散 ?气体吸收 ?气体吸附 ?气体催化净化 第第7章章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础 第第7章章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础 ?气体催化净化气体催化净化 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 4 气体催化净化气体催化净化 ?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 段间冷却 的四层催 化床 第二级 催化床 预除尘

2、 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 223 SO1/2OSO Vanadium ? 3224 SOH OH SO? 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 NOx NH3 filter Combustor Mixer Reactor NOx的选择

3、性催化还原（SCR） 3222 8NH6NO7N12H O? 322 4NH6NO5N6H O? 催化剂200300：Pt (Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5) 催化净化工艺催化净化工艺 ?车用催化转化器车用催化转化器 一、催化作用和催化剂一、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 exp() E KA RT ? 多相催化过程多相催化过程 ? 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

4、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 催化剂催化剂 ?特点：加快反应速度，不影响化学反应平衡。 ?催化剂组成： 气态、液态、气态、液态、固态 活性物质活性物质 助催化剂：本身无活性，但可提高催化剂的活性和助催化剂：本身无活性，但可提高催化剂的活性和稳定性 载体：承载活性组分的作用，是催化剂具有合适的比表面积、有载体：承载活性组分的作用，是催化剂具有合适的比表面积、有

5、一定的强度、热稳定性和导热性好的多孔性惰性材料（一定的强度、热稳定性和导热性好的多孔性惰性材料（氧化铝为为 主）；还有硅藻土、硅胶、主）；还有硅藻土、硅胶、分子筛等。等。 催化剂催化剂 ?催化剂的性能催化剂的性能 活性：取决于比表面和活性中新密度，与化学成分、制造有关。 如何表征？ 选择性：针对目标物。好还是不好？ 稳定性：催化剂保持活性的能力。热稳定性、机械稳定性、抗中 毒性。正常寿命为2000030000h ? 催化剂老化：正常工作情况下，失去活性；温度重要 活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等 ? 催化剂中毒：少量杂质引起的活性迅速下降的现象。（暂时、 永久） 对大多数催化剂，毒物

6、： HCN、CO、H2S、S、As、Pb W产品质量 WR催化剂质量 t反应时间 R W A tW ? 反应所得目的产物摩尔数 100 B ? ? 通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数 ?选择性选择性 气固催化反应动力学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

7、 固相 催化剂粒子示意图 催化剂反应动力学催化剂反应动力学 ?催化剂中的浓度分布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 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： 例：AB RS 反应速度取决于带 反应(最慢反应)，其它都达到平衡 二、催化反应动力学方程二、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/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，m 2 Q反应气体流量，m3 t接触时间，h cA0反应物的初始浓度,kmol/m 3

8、 A A R d d N r V ? ? A0A0 AA0A0 R dddd dddd xNxNxx rNc VA LQ tt ? 二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程 ?宏观动力学方程宏观动力学方程 外扩散的传质速率外扩散的传质速率 K S C C AGeaAGAS ()vK SCC? G扩散系数， m/h e单位体积催化剂的外表面积， m 2/m3 a 催化剂的有效表面系数；球形 a 1 AG主气流中反应物 A的浓度，mol/m 3 AS催化剂外表面上 A的浓度，mol/m 3 rA 二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程 ?宏观动力学方程宏观动力学方程 内扩散反应速率 s

9、S f AsiAS ()vK S f C? K反应速率常数 催化剂有效系数 i单位体积催化剂的内表面积 ,m 2/m3 与浓度分布有关的函数 sAS 0 sASi ()d () i s K f CS K f CS ? ? ? ? 实际反应速率 按外表面反应物浓度计算得到的理论反应速率 值约为1时：催化剂颗粒小，反应速度慢，内扩散快，内扩散对反应速度 无影响； 值小：表示催化剂颗粒大，化学反应速度快，内扩散影响不容忽视。 ?催化剂有效系数催化剂有效系数? 一级不可逆反应一级不可逆反应 二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程 内外扩散的影响内外扩散的影响 ? 外扩散控制外扩散控制 降低催化剂

10、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 内外扩散的影响内外扩散的影响 ? 内扩散控制内扩散控制 降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度 表现因数：，工业上一般0.20.8 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 1? eff V D K R则为内扩散可以忽略不计 三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计 ?设计基础设计基础 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 V Q

11、 R /tVQ? R催化剂体积 ,m 3 反应气体的实际体积流量 ,m 3/h 催化床空隙率 ,% 三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计 ? 设计基础设计基础 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 三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计 ?设计基础设计基础 空间速度 ?单位时间通过单位体积催化床的反应物料 体积 spNR /WQV? V Q spRN 1/WVQ? ? ? R

12、催化剂体积 ,m 3 N标态下反应气体体积流量 ,m 3/h ?接触时间空间速度的倒数 固定床的阻力固定床的阻力 ?与颗粒层过滤器、与颗粒层过滤器、 吸附器等都一样的吸附器等都一样的 阻力公式。阻力公式。 ?欧根等温流动阻力欧根等温流动阻力 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 Re 75.1 150 1 3 2 vpd R f d vH fp s E s 固定床的阻力计算固定床的阻力计算 实际计算应根据温度和流量的变化，将实际计算应根据温度和流量的变化，将 床层分段计算床层分段计算 ? 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

13、比 三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计 ?经验计算法经验计算法 ?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 V Q W Rsp /VQ W? R催化剂体积 ,m 3 反应气体体积流量 ,m 3/h SP空间速度， 1/h ?催化剂装量 三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计 ?数学模型法数学模型法 ?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 d RT ? ? A RA0 0 A AAAAA0 (1) x nnn i x WN r rk Ck QNx Qn P ? ? ? ? WR催化剂重量,kg Q气体体积流

14、量,m3/h 反应体系中各种气体分子的总摩尔数 i n ? 三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计 ?数学模型法数学模型法 ?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 固定床反应器固定床反应器 ?单层绝热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 固定床反应器固定床反应器 ?多段绝热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 固定床反应器固定床反应器 ?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，安全可靠反应器应易于操作，安全可靠 结