10催化转化法.ppt

1、第十章 催化转化法,1、催化反应机理 催化作用加快反应速度的原理是由于催化剂的参与， 改变了原来的反应途径。 在无催化剂时，A、B两种物质按照下面的方式进行化学反应： A+B AB 当有催化剂K参与时，反应过程发生了变化，即： A+K AK AK+B AB+K 由于加入了催化剂，诱发了原反应所没有的中间反应，使化学反应沿着新途径进行，降低了反应的活化能，从而大大加快了化学反应速度。,催化反应分类,均相 常用液相催化反应体系：接触容易，分离难 非均相（多相催化） 常用气固相催化体系：接触最重要，分七个步骤（对比吸附过程）,2、催化剂（1）催化剂的组成,主要有3部分组成： a.活性组分:能单独对化

2、学反应起催化作用。 如贵金属催化剂的铂、钯等。有时可以单 独使用。如将二氧化硫氧化为三氧化硫所 用的催化剂五氧化二钒。还有脱水用的三 氧化二铝催化剂，以其暴露于内、外表面 的部分起活性组分的作用，而其体相部分 实际上起着载体的作用。,b.助催化剂： 单独存在时并没有催化活性，然而它的少量加入，却能明显提高活性组分的催化性能。例如二氧化硫催化氧化反应中所用的五氧化二钒-氧化钾催化剂中，氧化钾的存在，可大大提高五氧化二钒的催化活性。 除此之外，助催化剂的加入，也可以提高活性组分对反应的催化选择性或提高活性组分的稳定性。,c.载体:载体的功能: 承载活性组分和助催化剂，提供大的比表 面积，提高活性组

3、分和助催化剂的分散度。 改善催化剂的传热、抗热冲击和抗机械冲 击的性能，因此要求选用有一定机械强度、耐 磨强度及热稳定性与导热性好的多孔性惰性材 料作载体。常见的催化剂载体有硅胶、硅藻土 、分子筛、氧化铝等。d 其他，如粘合剂、导热剂，造孔剂等。,（2）催化剂的性能,a.催化剂的活性 催化剂的活性（催化活性）是催化剂加快化学反应速度的一种量度，也就是衡量催化剂催化性能大小的指标。换句话说，催化剂活性是指有催化剂存在时的反应速度与无催化剂存在时反应速度之差。 b.催化剂的选择性（转化率） 当反应能按热力学可能的方向同时发生几个不同的反应时，某一种催化剂只能加速某一特定反应，而不能加速所有的反应，

4、这种性质称为催化剂的选择性。催化剂的这种性能，在工业上具有特别重要的意义，使人们可以有选择地得到所需要的产品。,c.催化剂的稳定性（使用寿命） 是指催化剂在化学反应中保持活性的能力。它包括热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性。它们共同决定了催化剂在工业装置中的使用期限。 影响催化剂寿命的因素很多，可归结为二个方面： * 催化剂的老化：催化剂在正常工作条件下逐渐失去活性的过程。工作温度对催化剂的老化影响很大，工作温度越高，老化速度越快。因此，在催化剂的活性温度范围内选择合适的反应温度。 * 催化剂中毒：在催化剂使用过程中，由于反应原料中带来的杂质（毒物），而使催化剂的活性和选择性减小或者消失的现象。

5、如：催化剂本身的某些杂质、含S及卤素化合物、重金属化合物等。 按毒物与催化剂表面作用的程度可分为暂时性中毒和永久性中毒。,（3）净化气态污染物对催化剂的要求,a.高活性：要求催化剂具有去除有害物质的极高效率，因为气体中所含有害物质浓度低，只有催化剂的活性很高，才能有效地去除有害物质。 b.高机械强度：因要处理的气体量往往很大，故要求催化剂具有能承受流体冲刷压力的强度。 c.高选择性：要处理的气体中往往成分复杂，因此，要求催化剂有高的选择性。 d.高稳定性：被处理的气体中通常含有催化剂毒物，因此要求催化剂抗毒能力强，化学稳定性高，寿命长。除此，要求催化剂还要有高的热稳定性和比较宽的温度范围。 e

6、.其它 要求催化剂易于制造、价廉、使用性能好、耐磨、具有较小的压力降等。,（4）催化剂的分类,金属元素催化剂（铂，银，钯，铁，铜） 化合物为主要活性物质（氧化物，硫化物）,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

7、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,固定床的阻力计算,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比,环境工程中使用的催化剂,有害物排放浓度要求很低，催化反应要有极高效率 处理气体量大，催化剂活性要求高，耐

8、冲刷、压力降低，强度高 抗毒性强，化学稳定性高，很好的选择性 设备简单，占地少，催化剂便于恢复再生，无二次污染,气体催化净化方法,催化还原法脱氮 汽车尾气净化 脱臭 催化法去除高浓度SO2废气,氮氧化合物的去除,氮氧化合物的来源与危害 脱氮： 催化还原法 液体吸收法 吸附法,非选择性催化还原法（NSCR）脱氮,H2+NO2H2O+NO 2H2+O22H2O 2H2+2NO2H2O+N2 CH4+4NO24NO+CO2+2H2O CH4+2O2CO2+2H2O CH4+4NOCO2+2N2+2H2O CO+NO2CO2+NO 2CO+O22CO2 2CO+2NO2CO2+N2,非选择性催化还原法

9、（NSCR）脱氮,催化剂 Pt，Pd 载体：氧化铝 影响因素 活性 空间速度 反应温度 还原剂用量,非选择性催化还原法（NSCR）脱氮流程图,选择性催化还原法（SCR）脱氮,选择性催化还原法脱氮过程中的主要反应有： 4NH3+6NO5N2+6H2O 8NH3+6NO27N2+12H2O 实际中还会有副反应发生： 4NH3+3O22N2+6H2O 2NH3N2+3H2 4NH3+5O24NO+6H2O,选择性催化还原法（SCR）脱氮,催化剂 非贵金属：Cu，Fe，V，Cr，Mn等 影响因素 催化剂活性 反应温度 空速影响 还原剂用量 前处理：除尘，除硫，干燥，预热,选择性催化还原法（SCR）脱氮

10、 流程图,汽车尾气的催化净化,催化还原反应： CO和CH的氧化,汽车尾气的催化净化,催化剂要求 催化剂的性能必须适于在内燃机旁安装，要求催化反应器结构简单、重量轻、体积小等； 催化剂的性能必须适应于经常、大幅度地气体流量、组成和温度的变化； 催化剂必须有足够的机械强度，以防由于汽车行驶的振动和温度的急剧变化而破碎，致使催化剂的活性降低和堵塞管路；,汽车尾气的催化净化,催化剂要求 催化剂的活性在高温（8001000）和在低温（150200）下都比较高，用量要小，可以便于安装； 催化剂必须具有合适的孔隙结构和颗粒结构，以使尾气流过的阻力最小； 希望催化器在除去尾气中的烃类和一氧化碳时，也能除去氧化

11、氮,汽车尾气的催化净化,转化器,汽车尾气的催化净化,两段串联的汽车排气净化流程,汽车尾气的催化净化,三效催化剂 将烃类、一氧化碳和NOX同时进行氧化和还原的催化剂。 还原性：Rh（铑） 氧化性：Pt（铂），Pd（钯） 载体：氧化铝 助催化剂：Ba（钡），La（镧）,恶臭气体的去除,恶臭气体的来源与组成 恶臭气体的危害 恶臭气体的去除 吸附法 直接燃烧法 催化转化法 电子除臭法 化学喷剂 臭氧氧化 生物法,催化燃烧法脱臭,干法催化氧化SO2,气固相催化法 多用于处理硫酸生产尾气和有色金属烟气制酸（高浓度SO2，含量大于2） 催化剂V2O5（五氧化二钒） 反应温度400600 烟气进入前必须除尘（湿法和干法）、除砷和氟,干式催化氧化法脱硫系统流程图,湿法催化氧化SO2,固液相催化法 多用于处理高浓度SO2尾气净化 催化剂：？ 烟气进入前必须除尘，同时增湿冷却到60 用含有Fe3稀硫酸吸收SO2,湿式催化氧化法脱硫系统流程图,优点：工艺简单，运行可靠，设备不易