第七章—催化法净化气态污染物

rSO3
k c c c i j m 1 SO2 O2 SO3
二、气固相催化反应动力学
2.宏观速率方程
如果把速率方程表示成以催化剂颗粒体Байду номын сангаас为 基准的平均反应速率与其影响因素之间的关联式， 则该平均反应速率称宏观反应速率。
RA
Vs 0
rA dVs
Vs 0
dVs
建立宏观速率方程的方法是通过对催化剂的
扩散到催化剂的外表面处
⑦生成物从催化剂表面扩散
到主气流中被带走
气固相催化反应过程示意图
一、气固相催化反应过程
①、⑦为外扩散过程，主要受气流状 况的影响；②、⑥为内扩散过程，主要受 微孔结构的影响；③、④、⑤都与表面化
学有关，统称为表面化学反应过程，主要受 化学反应和催化剂性质、温度、气体压强等 因素的影响。
二、催化剂
催化剂的结构
➢主活性物质可以单独对反应产生催化作用，由 于催化作用一般发生在主活性物质的表面20～ 30nm内。
➢助催剂本身无催化性能，但它的少量加入可以 改善催化剂的某些性能。
➢载体通常是惰性物质，它具有两种作用：一是 提供大的比表面积，节约主活性物质，提高催 化剂的活性；二是增强催化剂的机械强度、热 稳定性及导热性，延长催化剂的寿命。
一、气固相催化反应过程
➢ 化学动力学控制 在此情况下，内、外扩散 进行得很快，化学反应速率最慢，总反应速 率主要取决于化学反应速率。
➢ 内扩散控制 由于受催化剂颗粒中微孔大小 和形状的影响，内扩散速率最慢，因而总反 应速率取决于内扩散速率。
➢ 外扩散控制 吸附和表面化学反应很快，反 应物一到催化剂外表面即被反应掉，这时总 反应速率决定于反应物扩散到催化剂外表面 的速率。
一、气固相催化反应过程
不同控制过程反应物的浓度分布
二、气固相催化反应动力学
1.本征速率方程
对于一般反应：a A+b B = l L+ｍ M
其速率方程的幂指数形式的通式为：
r kc pA pB pL pM kc' pA'pB 'pL 'pM'
例如：SO2催化转化为SO3的反应为：
SO2 +1/2 O2 = SO3 如不考虑逆反应，以产物SO3生成表示的反应 速率为：
一、催化作用
催化剂：能够加速化学反应速率或改变化学反 应方向，而其本身的化学性质和数量在反应前 后没有改变的物质。 催化作用：催化剂在化学反应过程中所起的加 速作用 均相催化：催化剂和反应物处于同一相 多相催化：催化剂与反应物处在不同相
对于气态污染物的催化净化而言，催化剂 通常是固体，因而属于气固相催化反应。
二、催化剂
催化剂的性能：活性、选择性和稳定性
➢ 活性是指催化剂加速化学反应速率的能力，通常 用单位时间内单位体积（或质量）催化剂在动力 学范围内指定的反应条件下所得到的产品数量来 表示。
➢ 催化剂的选择性是指在几个平行反应中对某个特 定反应的加速能力，常用反应得到的目的产物量 与反应物质反应了的量之比来表示。
V2O5 4%～7% CuO 3%～7%
Pt 或Pd 0.5%
CuCrO2
Al2O3
Ni或Al2O3 Al2O3
Al2O3-SiO2
Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
Ni Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
助催化剂 K2O或Na2O
Pt0.01%～0.015%
第二节 气固相催化反应过程 及速率方程
该法对废气组成有较高要求，废气中不能有 过多不参加反应的颗粒物质或使催化剂性能降低、 寿命缩短的物质。
第七章 催化法净化气态污染物
本章学习内容： 催化作用与催化剂 气固相催化反应过程及速率方程 催化反应器及其设计 影响催化转化的因素 催化转化法的应用
第一节 催化作用与催化剂
催化作用 催化剂
大气污染控制工程
第七章 催化法净化气态污染物
第七章 催化法净化气态污染物
催化法是利用催化剂在化学反应中的催化作 用，将废气中有害的污染物转化成无害的物质， 或转化成更易处理或回收利用的物质的方法。
化学反应发生在气流与催化剂接触过程中， 反应物和产物无需与主气流分离，使操作过程大 为简化，对不同浓度的污染物均具有较高的去除 率。
一、催化作用
催化作用机理 阿累尼乌斯方程： k=k0exp(-E/RT)
反应速率是随活化 能的降低呈指数规律加 快的，催化剂加速反应 速率正是通过降低活化 能来实现的
对反应A+B C
反应途径
一、催化作用
催化剂的作用除了能加快化学反应速率外， 还具有以下两个特征： （1）催化剂只能缩短反应达到平衡的时间， 而不能使平衡移动，更不能使热力学上不可能 发生的反应发生。 （2）催化作用具有特殊的选择性。对同种催 化剂而言，在不同的化学反应中可表现出明显 不同的活性；而对相同的反应来说，选择不同 的催化剂可以得到不同的产物。
气固相催化反应过程 气固相催化反应动力学 总反应速率方程式
一、气固相催化反应过程
①反应物从气流主体向催化剂外表面扩散
②反应物由催化剂外表面沿微孔方向向催化剂内部扩散
③反应物在催化剂的表面上被吸附
④吸附的反应物发生化学反应
转化成反应生成物
⑤反应生成物从催化剂
表面上脱附下来
⑥脱附的生成物从微孔向外
二、催化剂
用途 SO2氧化成SO3
HC和CO氧化为 CO2和H2O
苯、甲苯氧化为 CO2和H2O
汽车排气中HC 和CO的氧化
NOX 还原为N2
常用的几种废气净化剂的组成
主要活性物质 V2O5 6%～12%
Pt、Pd、Rh
载体
SiO2 Ni、NiO
CuO、Cr2O3、Mn2O3和稀土 类氧化物
Pt、Pd等 CuO、Cr2O3、MnO2
➢ 催化剂的稳定性是指在催化反应过程中催化剂保 持活性的能力，它包括热稳定性、机械稳定性和 抗毒稳定性三方面，通常用寿命来表示。
二、催化剂
催化净化法选用催化剂的原则： 应根据污染气体的成分和确定的化学反应来
选择恰当的催化剂，催化剂要求有很好的活性和 选择性、足够的机械强度、良好的热稳定性和化 学稳定性。选择催化剂还要考虑其经济性。
物料衡算和热量衡算，得到颗粒内的反应物浓度
及温度分布表示式，代入本征反应速率方程中，
并由上式积分得到。
二、气固相催化反应动力学
(1) 物料衡算
设球形颗粒的半径为R，处 于连续流动的气流中，气体在颗 粒内的有效扩散系数为De(m2/s)，