《大气污染物控制工程》气态污染物控制技术基础：吸附器的设计课件

7-6

吸附器的设计计算第七章

气态污染物控制基础7-6吸附器的设计计算第七章气态污染物控制基础1一、固定床吸附器计算

固定床吸附器内的浓度分布一、固定床吸附器计算固定床吸附器内的浓度分布2一、固定床吸附器计算

固定床吸附器内的浓度分布一、固定床吸附器计算固定床吸附器内的浓度分布3一、固定床吸附器计算

固定床吸附器内的浓度分布一、固定床吸附器计算固定床吸附器内的浓度分布4一、固定床吸附器计算

固定床吸附器内的浓度分布一、固定床吸附器计算固定床吸附器内的浓度分布5一、固定床吸附器计算

穿透时间(保护作用时间)穿透时间或者保护作用时间：从含污染物的气流开始通入吸附床到产生穿透的时间吸附床处理气体量出口气体中污染物浓度一、固定床吸附器计算穿透时间(保护作用时间)穿透时间或者6一、固定床吸附器计算x=a·S·L

·ρbx=v·S·c0·

τ’x——在时间τ′内的吸附量，kg；a——静活度值，%；S——吸附层的截面积，m2；L——吸附层厚度，m；ρb——吸附剂的堆积密度，kg/m3；v——气体流速，m/s；c0——气流中污染物初浓度，kg/m3

。vc0

'

a

b

L

穿透时间(保护作用时间)假定吸附层完全饱和一、固定床吸附器计算x=a·S·L·ρbx——在时7一、固定床吸附器计算0vc0

a

b

L

K

(L

h)K＝τ

/(L-h)K——保护作用系数

'

0

hh0LL12

穿透时间(保护作用时间)

吸附速率无限大→线1

考虑“死区”→线2一、固定床吸附器计算0vc0abL8一、固定床吸附器计算

固定床吸附器计算流程

吸附剂，操作条件，空床流速（0.1-0.6

m/s）

净化要求→穿透点浓度→穿透时间

作出希洛夫直线

确定操作周期→所需穿透时间→催化剂床层高度

求吸附剂层截面积→直径/边长

吸附剂质量（取安全系数

1.05-1.2）

压力损失一、固定床吸附器计算固定床吸附器计算流程9一、固定床吸附器计算

压力损失计算ppLRe

3d

150(1

)

(1

)

2

p

1.75

pRe

d

p吸附床层孔隙率气体绕吸附剂颗粒流动的雷诺数吸附剂颗粒的平均直径0.10.21.00.525 12×30目活性炭2010100500.1

0.250

1006×12目活性炭0.16cm分子筛球0.32cm分子筛球4×18目活性炭0.5 1.0 2.0 5.0 10

20入口气体空塔速度,cm·s-1吸附器压力损失,cmH2O·m-1床深一、固定床吸附器计算压力损失计算ppLRe3d15010二、移动床吸附器计算全床污染物物料衡算吸附器的上部吸附操作线方程GS(Y1－Y2)＝LS(X1－X2)GS(Y－Y2)＝LS(X－X2)Y＝(LS/GS)X+［Y2－(LS/GS)X2］

吸附剂用量

污染物在气相中的含量为Y

惰性气体的气相质量流量为GS

污染物在吸附相中的含量为X

净吸附剂的质量流量为LS二、移动床吸附器计算全床污染物物料衡算吸附器的上部G11二、移动床吸附器计算

移动床吸附器的高度

吸附速率方程

吸附器长度

吸附传质单元高度和传质单元数的确定LdX

GdY

K a(Y

Y

*)dLS S Y p1S)YY pG dYL

(Y2K a Y

Y

*

OGGSKY

apH

OGY1Y2dYN

Y

Y

*采用固定床吸附器数据估算污染物在气相中的含量为Y惰性气体的气相质量流量为GS污染物在吸附相中的含量为X净吸附剂的质量流量为LS气相总吸附系数为KY单位体积吸附剂的表面积为apLS,XLS,X+dXdLGS,YGS,Y-dY二、移动床吸附器计算移动床吸附器的高度吸附速率方程127-7

催化原理7-7催化原理13一、催化原理

气体催化净化：气态污染物无害/易处理物质催化反应

催化净化的特点：避免二次污染、操作简化、高转化率

应用对象：SO2和NOx、VOCs和臭气、汽车尾气

……一、催化原理气体催化净化：气态污染物无害/易处理物质14一、催化原理

催化作用：催化剂加快反应速率

反应速率与活化能K

A

exp(

E/RT

)改变反应路径，降低活化能→提高反应速率Ea,0A---B

A---B---K A---KAK+BEaE3E2E1能量A+B

+KAB+K一、催化原理催化作用：反应速率与活化能KAe15一、催化原理

催化作用的局限性：

催化剂不能改变反应转化率；

催化剂不能改变自由能；

催化剂不能改变化学反应所能达到的平衡状态；

催化剂对可逆反应的正逆反应速率的影响是相同的。一、催化原理催化作用的局限性：16一、催化原理

转化率高，浓度适应范围大；

催化剂可反复使用，用量少；

选择性高；

不需分离污染物，避免二次污染。

催化反应优点：

催化反应缺点：

催化剂价格昂贵；

较高特定反应温度，需预热。一、催化原理转化率高，浓度适应范围大；催化剂可反复使17二、催化剂

简介：

定义——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

存在状态——气态、液态或固态（常用）

形状——蜂窝状、板状、颗粒状、柱状……二、催化剂简介：18二、催化剂

组成：

活性组分——核心，可单独使用，常用贵金属/稀土类

助催化剂——热稳定性↑，化学稳定性↑，本身无催化作用

载体——惰性组分，比表面积↑，活性组分↓，传热↑，稳定性↑，机械强度↑，寿命↑二、催化剂组成：19二、催化剂

组成：二、催化剂组成：20二、催化剂

性能：

活性：转化率W

——产品质量；W

——催化剂质量；Rt

——反应时间。RWtWA

c0x

c0

ce

100%c0——入口污染物浓度；ce——出口污染物浓度。

选择性cejB

c0

cecej——出口目的产物浓度；c0——入口污染物浓度；ce——出口污染物浓度。Ni常压，250℃Cu，140～290

atm300～400

℃CH43CH

OHCO+H2活性：提高产品产量选择性：提高原料利用率二、催化剂性能：转化率W——产品质量；W——催化剂质21二、催化剂

性能：

稳定性——保持活性的能力使用寿命影响因素：热稳定性机械稳定性化学稳定性

老化：正常工作状态下逐渐失活原因：活性组分流失、烧结、表面积炭结焦、杂质向外迁移、机械性粉碎

中毒：反应物杂质迅速降低催化活性本质：毒性比反应物对活性组分亲和力更强常见毒物：

HCN、CO、H2S、S、As、Pb二、催化剂性能：使用寿命影响因素：热稳定性机械稳定性22二、催化剂制备浸渍法、沉淀-沉积法、溶胶-凝胶法等活性组分结构、晶型、金属-载体相互作用二、催化剂制备浸渍法、沉淀-沉积法、溶胶-凝胶法等23研究思路活性金属Pd、Pt、Rh、Ru、Ni

载体

ZrO2、Al2O3、TiO2、AC、SiO2催化剂

污染物BrO3-、NO3-

无机化合物

有机化合物

ClO4-、Cr(VI)氯酚、卤代烃卤代酸污染物处理：反应条件的影响污染物催化加氢

机制催化剂特性：金属-载体相互作用载体作用改变活性组分存在形式催化剂活性影响因素：活性金属金属盐前体物载体制备方法反应条件的影响：污染物在溶液中的扩散污染物在催化剂表面的吸附脱附等研究思路活性金属Pd、Pt、Rh、Ru、Ni载体Zr247-8

气固催化反应动力学7-8气固催化反应动力学25一、气固催化反应过程

气固催化反应步骤① 气相主体→外表面(外扩散)② 外表面→微孔表面(内扩散)③ 吸附→化学反应→脱附(动力学过程)④

微孔表面→外表面(内扩散)⑤ 外表面→气相主体(外扩散)主气流微孔固相催化剂粒子示意图一、气固催化反应过程气固催化反应步骤① 气相主体→外表面26一、气固催化反应过程

催化剂中的浓度分布

外扩散：推动力近似常量（cAg-cAs）

内扩散：边扩散边反应

中心浓度：与反应类型有关（cAc≥

cA*）cAg

——气相主体A组分浓度;cAs——催化剂外表面A组分浓度；cAc——催化剂颗粒中心A组分浓度;cA*——催化反应中A的平衡浓度。一、气固催化反应过程催化剂中的浓度分布27一、气固催化反应过程

气固催化反应控制过程

控制步骤：速度最慢的步骤

化学动力学控制cAg

cAs

cAc

cA

*一、气固催化反应过程气固催化反应控制过程cAgcAs28一、气固催化反应过程

气固催化反应控制过程

控制步骤：速度最慢的步骤

外扩散控制cAg

cAs

cAc

cA

*一、气固催化反应过程气固催化反应控制过程cAgcA29一、气固催化反应过程

气固催化反应控制过程

控制步骤：速度最慢的步骤

内扩散控制cAg

cAs

cAc

cA

*一、气固催化反应过程气固催化反应控制过程cAgcAs30二、化学反应动力学方程

幂函数型

A→B(n级不可逆）

可逆反应：A 1 Anr

k

caA＋bB lL＋mMAr

k

cm1cm

2cm3cm

4

k

cn1cn

2cn3cn

41 A B L M 2 A B L M

基元反应：

非基元反应：幂指数需实验测定A 1 A B 2 L Mr

kcacb

kcl

cm二、化学反应动力学方程幂函数型可逆反应：A 1 An31三、内扩散对反应速率影响

催化剂有效系数(η)Siksf(cA

)dSksf(cAS

)Si

0ks ——按单位内表面积计算的反应速率常数；f(cAS)——按外表面上反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数；f(cA)

——按催化剂颗粒内反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数；Si ——单位体积催化剂床层中催化剂的内表面积。内外浓度差三、内扩散对反应速率影响催化剂有效系数(η)Siks32三、内扩散对反应速率影响

催化剂有效系数测定无内扩散 有内扩阻力 散阻力rprs0颗粒直径反应速率

实验法：

颗粒逐级压碎，反应速率rp→rsη=

rp/rsdp三、内扩散对反应速率影响催化剂有效系数测定无内扩散 有内33三、内扩散对反应速率影响

催化剂有效系数测定

计算法：

（假设）等温一级不可逆反应，球形催化剂1

3

1

s

tan

n

s

s

sk

cn-1

s

As Deff

R

s ——齐勒模数；R ——催化剂特征长度,球形颗粒半径；ks ——反应速率常数；Deff

——内扩散系数；n ——反应级数。n-1s

AsDeff

k

c

1n-1s

Ass1k

c

Deff

三、内扩散对反应速率影响催化剂有效系数测定1 334三、内扩散对反应速率影响

影响因素

催化剂有效系数

:

≈1，化学反应动力学控制

<<1，内扩散控制

大多数气固催化反应，R𝑘s𝐷���<1时，内扩散可忽略

工业催化剂

=0.2～0.8三、内扩散对反应速率影响影响因素大多数气固催化反应，35四、外扩散控制的反应速率方程

外扩散的传质速率rA

kGSe(cAg

cAs)

kG——以浓度差为推动力的扩散系数；Se——单位体积催化剂的外表面积；ψ——催化剂外表面的有效表面积系数，球形=1，无定形颗粒=0.9，片状颗粒=0.81；cAg、cAs

——气相主体和催化剂外表面上反应物A的浓度。四、外扩散控制的反应速率方程外扩散的传质速率36五、总反应速率

反应阻力对反应速率的影响

稳态下对整个过程：AgAAT AgA11kG

Se

ks

Si

c

c*r

k

(c

c*

)

*ArA

kGSe(cAg

cAs)

ksSi

(cAs

c )

推动力阻力化学反应阻力内扩散阻力五、总反应速率反应阻力对反应速率的影响AgAAT AgA37五、总反应速率

内扩散影响1ks

Si

内扩散降低催化剂内部反应物浓度，从而降低反应速率

表现因数：催化剂有效系数η

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。五、总反应速率内扩散影响38五、总反应速率

外扩散影响1kG

Se

降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速率

表现因数：外扩散传质系数kG

消除方法：

提高气速，以增强湍流程度，减小气膜厚度；

气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除。五、总反应速率外扩散影响39六、表观化学反应速率方程

以A

→B的反应为例讨论反应速率的表达式

单位反应体积中某反应物数量随时间的变化率dNAdVrA

NA——反应物A的流量；V

——反应气体体积。

工程上常以反应物的转化率x来表示，转化率与反应物流量之间的关系AA0A0dVR

AdL

Qdt

dtr

Ndx

NA0dx

NA0dx

c

dx六、表观化学反应速率方程以A→B的反应为例讨论反应速率407-9

气固相催化反应器的设计7-9气固相催化反应器的设计41一、固定床反应器

单段绝热反应器

不与外界进行热交换

结构简单

造价低

适用于反应热小的反应一、固定床反应器单段绝热反应器42一、固定床反应器

多段绝热反应器

相邻两段之间引入热交换一、固定床反应器多段绝热反应器43一、固定床反应器

列管式反应器

管径相对催化剂颗粒不能太小，要避免堵塞

传热效果好

结构复杂，不耐高压一、固定床反应器列管式反应器44一、固定床反应器

优点

缺点

结构简单

传热差

催化剂不易磨损

催化剂更换需停产

反应速率大

具有高选择性和转化率一、固定床反应器优点 缺点45二、流化床反应器加入了冷却管和横向挡板自由床有内部构件的流化床无复杂构件二、流化床反应器加入了冷却管自由床有内部构件的流化床无复杂构46二、流化床反应器

优点

缺点

小粒径催化剂，表面利用率↑

气固接触不均匀，转化率低

传热系数大

催化剂细粉易带出，需除尘

较易再生

设计较为困难二、流化床反应器优点 缺点47三、反应器设计基础VR——催化剂体积,m3；ε

——催化床空隙率,%；q——反应气体的实际体积流量,m3/h

。q

停留时间

反应物通过催化床的时间。

对于薄层床以外的其他固定床反应器，简化为活塞流反应器t

VR三、反应器设计基础VR——催化剂体积,m3；ε——催化48三、反应器设计基础

空间速度

单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积spRWV

qN

接触时间

空间速度的倒数，表征气体在催化反应器中的停留时间τ′=1/Wsp=VR/

qNVR——催化剂体积,m3；qN——标态下反应气体体积流量,m3/h。三、反应器设计基础空间速度spRWVqN接触时间49四、催化剂的装量计算

经验计算法

将催化床作为一个整体

利用实验或工厂现有装置所得的经验参数设计

通过中间实验确定最佳工艺条件VR——催化剂体积，

m3；qN

——标态下反应气体体积流量，m3/h；Wsp——空间速度，1/h。RVWsp