大气污染控制工程气态污染物控制技术之吸附与净化

三、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
三、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
三、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
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
固相
(1),(7)：外扩散；(2),(6)内扩散 (3),(4),(5)：动力学过程
催化剂粒子示意图
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
例：A＋B R＋S
表面反应控制
A的吸附： B的吸附： 表面反应： R的脱附： S的脱附：
吸附或脱附控制
反应速度取决于带 ^ 反应(最慢反应)，其它都达到平衡
三、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:
➢ 活性组分 ＋ 助催化剂 ＋ 载体
▪ 活性
催化剂的性能
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
NOx的选择性催化还原（SCR）
催化净化工艺
▪ 车用催化转化器
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
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
进3%气的S尾O2气浓度
始 浓进度气0.S3O%2的
水
尾气
水
预除尘 和水分
段间冷却 的四层催
化床
填充 床吸 收塔
第二级 催化床
填充 床吸 收塔
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：420～550℃
催化净化工艺
NOx Combustor
NH3 filter
Mixer
Reactor
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，m2 Q－反应气体流量，m3 t－接触时间，h cA0－反应物的初始浓度,kmol/m3
大气污染控制工程气态污染 物控制技术之吸附与净化
Hale Waihona Puke Baidu
第7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 教学重点： ➢ 催化作用原理、多相催化反应的物理化学过程及动力学
方程、气－固相催化反应器的设计计算与结构类型选择 教学难点： ➢ 多相催化反应的物理化学过程及动力学方程、气－固相
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主 气
➢ (4)吸附的反应物转为为生成物 流
➢ (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 微孔
➢ (7)生成物从外表面扩散到气流主体
催化反应器的设计计算与结构类型选择
§3 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
来自冶炼厂或硫 含有约为初始
含有约为初
磺燃烧的富含 SO2的尾气
二、催化反应动力学方程
▪ 催化剂有效系数
➢ 实验测定
二、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
➢ 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：
二、催化反应动力学方程
▪ 宏观动力学方程
➢ 外扩散的传质速率
二、催化反应动力学方程
▪ 宏观动力学方程
➢ 内扩散反应速率
二、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 η值较小
动方式决定
三、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
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
(a)直接换热
(b)间接换热
固定床反应器
▪ 列管式反应器
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：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
三、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