气态污染物控制技术3

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气态污染物控制技术3
l 活性组分：是催化剂主体，单独对化学反应起 催化作用，可作为催化剂单独使用。
l 助催化剂:本身无活性，但具有提高活性组分 活性的作用。
l 载体:起承载活性组分作用，使催化剂具有合 适形状与粒度，大的比表面积，增大活性、减 少用量，增加机械强度，延长寿命等。
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气态污染物控制技术3
3 催化剂的性能
l 活性：是衡量催化剂效能大小的指标。
W－产品质量 WR－催化剂质量 t－反应时间
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催化剂的性能
l 稳定性：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。
Ø 热稳定性、机械稳定性和化学稳定性 Ø 表示方法：寿命 Ø 老化
l 活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等 Ø 中毒： Ø 暂时性和永久性中毒
l 球形催化剂 中组分A的 浓度分布
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催化剂反应动力学
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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
l 数学模型法
l 转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的 轴向温差
l 轴向等温分布计算
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固定床反应器
l 最主要的气固相催化反应器
Ø 优点: l 流体接近于平推流，返混小，反应速度较快； l 固定床中催化剂不易磨损，可长期使用； l 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。
l 对大多数催化剂，毒物：CO、H2S、S、As、 Pb 、HCN
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催化剂表面形态电镜照片
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4 气固催化反应动力学
l 反应过程：7个步骤
Ø (1)反应物从气流主体至催化剂外表面
Ø (2)进一步向催化剂的微孔内扩散
•主
Ø (3)反应物在催化剂的内表面上被吸附 气
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5 催化反应动力学方程
NA－反应物A的流量，kmol/h
（1）表面化学反应速率方程： NA0－反应物A的初始流量，kmol/h
对于气固催化连续系统
SR－反应表面积，m2 VR－反应气体体积，m3
WR－催化剂重量，kg
x－转化率
L－反应床长度，m
对于催化床
A－反应床截面积，m2 Q－反应气体流量，m3
Ø 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；
Ø 尽量降低反应器阻力； Ø 反应器应易于操作，安全可靠； Ø 结构简单，造价低廉，运行与维护费用经济。
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固定床的阻力计算
l 颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：
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3rew
Ø (4)吸附的反应物转化为生成物
流
Ø (5)生成物从催化剂表面脱附下来
Ø (6)脱附生成物从微孔向外表面扩散 Ø (7)生成物从外表面扩散到气流主体
•微孔 •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
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催化剂反应动力学
Ø 缺点: l 传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)； l 催化剂更换需停产进行。
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固定床反应器
l 单层绝热反应器
Ø 结构简单，造价低廉，气流阻 力小；
Ø 内部温度分布不均； Ø 用于化学反应热效应小的场合。
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固定床反应器
催化反应动力学方程
l 催化剂有效系数
Ø 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ห้องสมุดไป่ตู้浓度 催化剂内表面积并未充分利用 η值较小
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催化反应动力学方程
l 催化剂有效系数
Ø 实验测定
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l 多段绝热反应器
Ø 相邻两段之间引入热交换
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•(a)直接换热
•(b)间接换热 气态污染物控制技术3
固定床反应器
l 列管式反应器
Ø 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
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反应器类型的选择
Ø 改变反应历程，降低活化能； Ø 提高反应速率：
（阿累尼乌斯方程）。
催化作用显著特征
➢ 改变反应速度，对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡； ➢ 选择性
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2 催化剂
l 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。
l 组成
Ø 活性组分 ＋ 助催化剂 ＋ 载体
收塔
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•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℃
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VOCs催化净化工艺
VOCs的催化氧化
•催化剂：Pt (Pd，过渡金属，稀土)/Al2O3 等
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NOx催化净化工艺
t－接触时间，h
cA0－反应物的初始浓度,kmol/m3
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催化反应动力学方程
l 宏观动力学方程
Ø （2）外扩散的传质速率方程：
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催化反应动力学方程
l 宏观动力学方程
Ø （3）内扩散反应速率方程：
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•NOx
• Combustor
•NH3 filter
• Mixer
•Reactor
•NOx的选择性催化还原（SCR）
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汽车尾气催化净化工艺
l 车用催化转化器
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1 气体催化净化
l 催化作用 : 化学反应速度因加入某种物质而改变，而 被加入物质的数量和性质，在反应终了时不变的作用。
l 将催化床作为一个整体； l 利用经验参数设计； l 通过中间实验确定最佳工艺条件；
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催化反应器的设计
l 数学模型法
l 反应的动力学方程＋ 物料流动方程＋物料衡算 ＋热量衡算
l 反应热效应小的催化床－等温分布计算
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催化反应器的设计
气态污染物控制技术3
催化反应动力学方程
l 催化剂有效系数
Ø 一级不可逆反应
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6 内外扩散的影响
l 外扩散控制
Ø 降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度 Ø 表现因数：KG Ø 消除方法：
l 提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度； l 气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影
l 设计基础
Ø 停留时间 l 决定反应的转化率； l 由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方 式决定
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催化反应器的设计
l 设计基础
Ø 反应器的流动模型
l 活塞流、混合流；
l 实际流态介于两者之间； l 反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异 l 不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相
响消除——下限流速。
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气态污染物控制技术3
内外扩散的影响
l 内扩散控制
Ø 降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度 Ø 表现因数：η Ø 消除方法：
l 尽量减小催化剂颗粒大小； l 粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影
响消除。
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气态污染物控制技术3
7 催化反应器的设计
气态污染物控制技术3
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2020/11/22
气态污染物控制技术3
第四节 催化法净化气态污染物
l 气体催化－含有污染物的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 与回收利用物质的净化方法。
l 应用
Ø 工业尾气和烟气去除SO2和NOx； Ø 有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化； Ø 汽车尾气的催化净化。
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/22
气态污染物控制技术3
应的统计分布－停留时间分布函数；
l 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。
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气态污染物控制技术3
催化反应器的设计
l 设计基础
Ø 空间速度 l 单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积
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催化反应器的设计
l 经验计算法
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气态污染物控制技术3
烟气脱硫催化净化工艺
•来 自 冶 炼 厂 或 硫磺燃烧的富含 SO2的尾气
•含 有 约 为 初 始 度3进%的气尾SO气2 浓
•含 有 约 为
初始进气
•水
S0O.23%的浓尾气度
•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