氣態(tài)污染物的催化凈化

1、第十一章第十一章 氣態(tài)污染物的催化凈化氣態(tài)污染物的催化凈化n 主要內(nèi)容主要內(nèi)容: : n 第一節(jié)：催化作用和催化劑n 第二節(jié)：氣固催化反應動力學n第三節(jié)：氣固催化反應器及計算 n第四節(jié)：氣態(tài)污染物的催化凈化工藝n本章重點與難點：本章重點與難點：n氣固催化反應動力學；n氣態(tài)污染物的催化凈化工藝；n選擇性催化還原和非選擇性催化還原法。n 第十一章 氣態(tài)污染物的催化凈化n催化轉(zhuǎn)化：催化轉(zhuǎn)化：是指廢氣通過催化劑床層的催化反應，是其中的污染物轉(zhuǎn)化為無害或易于處理與回收利用物質(zhì)的凈化方法。n優(yōu)優(yōu) 點：點：n 對不同濃度的污染物具有很高轉(zhuǎn)化率；n 污染物與主氣流不需要分離，避免了可能產(chǎn)生的第二次污染；n 操

2、作過程簡化。n缺缺 點點：催化劑較貴，且廢氣預熱需耗一定能量，這樣使凈化處理的費用增加。第一節(jié)第一節(jié) 催化作用和催化劑催化作用和催化劑n一、催化作用n概念：化學反應速度因加入某種物質(zhì)而改變，而被加入物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，在反應終止時不變的作用稱為催化作用n機理：通過加入催化劑，改變了反應歷程，降低了反應物活化能，從而達到加快反應速度的目的。n3.兩個顯著的特征：n1） 催化劑能加速反應速度（正、逆）而不能使平衡移動；n2） 催化作用具有特殊的選擇性。二二. .催化劑催化劑n（一）（一） 組成組成n主活性組分：主活性組分：催化劑主體，可單獨作為催化劑；n 助催化劑：助催化劑：（1）本身無活性(2)具

3、有提高活性組分活性的作用；n 載體：載體：起支撐活性組分的作用，使催化劑具有合適形狀與粒度，從而有大的比表面積，增大催化劑活性，節(jié)約活性組分用量，并有傳熱、稀釋和增強機械強度作用，可增加延長催化劑使用壽命。n（二） 催化劑的性能n主要指：其活性、選擇性和穩(wěn)定性1 1活性活性n衡量催化劑效能大小的標準。 n 公式表示為：n 式中：A-催化劑活性， kg/(h.g)；n W-產(chǎn)品質(zhì)量， kg；n t-反應時間， h；n WR-催化劑質(zhì)量， g。n 工業(yè)中，常把產(chǎn)品量換算為轉(zhuǎn)化率X表示n RWtWA%100物摩爾數(shù)通過催化劑床層的反應反應物反應了的摩爾數(shù)X2 2催化劑的選擇性催化劑的選擇性n選擇性是

4、指若化學反應在熱力學上有幾個反應方向時，一種催化劑在一定條件下只對其中的一個反應起加速作用的特征，表示為：n n 活性與選擇性是催化劑本身最基本的性能指標，是選擇和控制反應參數(shù)的基本依據(jù)，二者均可度量催化劑加速化學反應速度的效果，但反映問題的角度不同。n活性-催化劑對提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用；n選擇性-表示催化劑對提高原料利用率的作用；%100的反應物摩爾數(shù)通過催化劑床層后反應數(shù)反應所得目的產(chǎn)物摩爾B3 3催化劑的穩(wěn)定性催化劑的穩(wěn)定性n 定義：定義：催化劑在化學反應過程中保持活性的能力。n 包括：包括：（1）熱穩(wěn)定性；（2）機械穩(wěn)定性：（3）抗毒穩(wěn)定性。n 影響催化劑壽命的因素影響催化劑壽命的因素主

5、要有：催化劑的老化和中毒。n 催化劑的老化催化劑的老化：是指催化劑在正常工作條件逐步失去活性過程。n催化劑的中毒：催化劑的中毒：是指反應物中少量雜質(zhì)使催化活性迅速下降的現(xiàn)象。 第二節(jié)第二節(jié) 氣固催化反應動力學氣固催化反應動力學 n一氣固催化反應過程一氣固催化反應過程n氣固催化反應一般經(jīng)歷如下五個步驟：n外擴散過程： 反應物從氣相主體到催化劑外表面；n內(nèi)擴散過程： 催化劑外表面到微孔內(nèi)顆粒內(nèi)表面吸附反應；n化學動力學控制過程：顆粒內(nèi)表面吸附反應產(chǎn)物離開內(nèi)表面；n內(nèi)擴散： 產(chǎn)物微孔到外表面；n外擴散： 外表面到氣相主體n 吸附過程：吸附過程：反應物在催化及表面上被吸附；n 表面過程：表面過程：吸附

6、的反應物在催化劑表面上發(fā)生化學反應（表面反應過程）；n脫附過程：脫附過程：反應產(chǎn)物從催化劑表面上脫附下來。n上述幾步速度最慢（阻力最大）者決定整個過程的總反應濃度，這一步稱為控制步驟 二氣固催化反應動力學方程式：二氣固催化反應動力學方程式：n1.表面化學反應速率方程式表面化學反應速率方程式（吸附表面反（吸附表面反應及脫附）應及脫附） n2.受內(nèi)擴散影響的反應速率方程受內(nèi)擴散影響的反應速率方程 n3.外擴散控制的速率方程外擴散控制的速率方程 n4.氣固反應總速率方程氣固反應總速率方程 第三節(jié)第三節(jié) 氣固催化反應器及設氣固催化反應器及設計計n一氣固催化反應器類型與選擇n固定床反應器n優(yōu)點：催化劑不

7、易磨損，使用壽命長；反應氣體與催化劑接觸緊密，轉(zhuǎn)化率高等。n缺點：床層軸向溫度不均勻。n分類:（1）絕熱式：n a.單段式; b.多段式; c.列管式; d.徑向式。 n （2）換熱式。（二）氣固反應器的選擇二）氣固反應器的選擇n 一般原則：一般原則：1 根據(jù)催化劑反應熱的大小及催化劑的活性溫度范圍，選擇合適的結(jié)構(gòu)類型，保證床層溫度控制在許可的范圍內(nèi)。n床層阻力應盡可能的小.n在滿足溫度條件下，應盡量使催化劑裝填系數(shù)大，以提高設備利用率，n反應器應結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，且造價低廉，安全可靠。二、固定床反應器的計算二、固定床反應器的計算n（一）流體在反應器內(nèi)的流動模型（一）流體在反應器內(nèi)的流動模型

8、n目前有兩種理論模型：n 活塞流反應器活塞流反應器n特點：所有粒子通過反應器的時間完全相同。n 理想混合反應器理想混合反應器n特點：反應器出口的物料濃度與反應器內(nèi)完全相同。n如流化床反應器、連續(xù)釜反應器理想混合型；n固定床反應器（尤其徑高比大的）活塞流型（二）固定反應器的計算（二）固定反應器的計算n計算方法：經(jīng)驗法；數(shù)學模型法經(jīng)驗法經(jīng)驗法n利用實驗或工廠現(xiàn)有裝置所得的經(jīng)驗參數(shù)(Vsp,t等)來設計新的反應器的一種方法。n優(yōu)點：計算簡便，設計可靠，應用廣泛；n不足之處：要求設計條件與原生產(chǎn)工藝條件或中間試驗條件盡量保持一致。因此，不宜高倍數(shù)放大，且要求中間試驗條件要有足夠的試生產(chǎn)規(guī)模，否則將導致

9、大的誤差。n空間速度空間速度：單位時間內(nèi)單位體積催化劑能處理的反應混合氣體的體積量，即：n n nQn0 -標況下反應氣體初始體積流量，m3/h;n VR -催化床層體積， m3n Vsp-空間速度; h-1n意義： Vsp越大，通過單位體積催化劑的混合物量越多，生產(chǎn)強度愈大。RnspVQV0n接觸時間接觸時間：反應物通過床層的時間。n若在標況下計算接觸時間，即標準接觸時間：n n催化體積用量催化體積用量：n n 001nRspnQVVttQtQVQVonnspnR000n催化床層高催化床層高n n其中 （空隙率）n ns,p-催化堆積密度與顆粒密度， Kg/m3221441DVDVLRRps

10、12數(shù)學模型（介紹） 產(chǎn)生發(fā)展于20世紀60年代n反應動力學方程n物料流動方程n物料衡算方程n熱量衡算方程n 四個方程聯(lián)立求解，從而求出指定條件下達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需催化劑體積等參數(shù)值。 固定床壓力降n歐根等溫流動阻力公式n式中：P-床層壓力降，Pa；nL-床高， m；n-氣體密度，kg/m3；nu0-空床速度，m/s；n-床層空隙率，%；nds-顆粒的體積表面積平均直徑，m；n-氣體粘度，Pa*s。3201dsuLPm第四節(jié)氣態(tài)污染物的催化凈化工藝第四節(jié)氣態(tài)污染物的催化凈化工藝一催化凈化法的一般工藝一催化凈化法的一般工藝n催化法治理廢氣的一般工藝過程包括：n（1) 廢氣預處理去除催化劑毒物級固

11、體顆粒物（避免催化劑中毒）；n（2) 廢氣預熱到要求的反應溫度（如選擇性催化還原去除NOX廢氣的預熱溫度須達200220OC以上）；n（3）催化反應；n（4）廢熱和副產(chǎn)品的回收利用等。一幾種主要污染物的催化凈化一幾種主要污染物的催化凈化n（一）SO2氣體的催化凈化 n（二）NOX的催化凈化 n 該法是利用不同還原劑，在一定的溫度和催化劑作用下，將NOX還原為無害的N2和H2O。n 按還原劑是否與空氣中的O2發(fā)生反應分為非選擇性還原和選擇性還原（用氨作還原劑對含NOX的氣體進行催化還原處理，使氨能有選擇的和氣體中的NOX進行反應，而不和氧反應。n（三）汽車尾氣的催化凈化 （二）（二）NONOX

12、X的催化凈化的催化凈化 n 該法是利用不同還原劑，在一定的溫度和催化劑作用下，將NOX還原為無害的N2和H2O。 按還原劑是否與空氣中的O2發(fā)生反應分為非選擇性還原和選擇性還原（用氨作還原劑對含NOX的氣體進行催化還原處理，使氨能有選擇的和氣體中的NOX進行反應，而不和氧反應)。非選擇性催化還原法非選擇性催化還原法n還原劑還原劑: H2、CH4 、合成氨釋放氣n反應特點反應特點: 反應分兩步進行n1）脫色反應：2)脫除反應(慢)n常用催化劑常用催化劑:nPt或Pd常以0.5%的Pt或Pd載于氧化鋁載體上。n優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：n1）燃量消耗量大（耗用于比NOX含量高得多的O2） ； n2)產(chǎn)生大量

13、熱，須增設廢熱鍋爐來降低反應氣體溫度，同時回收廢熱。n3）需貴金屬作催化劑。n4）投資大。選擇性催化還原法選擇性催化還原法 n還原劑還原劑: NH3 （常用） 、H2S 、 COn反應特點反應特點:：n使氨能有選擇的和氣體中的NOX進行反應，而不和氧反應。n常用催化劑常用催化劑:n1)貴金屬 2)非貴金屬的氧化物或鹽類 Cu、Cr、Fe、V、Mnn優(yōu)點：優(yōu)點：n1） 還原劑基本上不與氧反應，避免了無謂消耗，同時大大減小了反應熱，催化床溫度變化小易于控制，采用一段流程即可；n2） 催化劑易得，選擇余地大；n3） 還原劑NH3相對易得，起燃溫度低反應熱低，床溫通常低于3000C,有利于延長催化劑壽命和降低反應器對材料要求。( (三）