氣態(tài)污染物的催化凈化

第十一章氣態(tài)污染物的催化凈化主要內(nèi)容:

第一節(jié)：催化作用和催化劑

第二節(jié)：氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第三節(jié)：氣固催化反應(yīng)器及計(jì)算

第四節(jié)：氣態(tài)污染物的催化凈化工藝本章重點(diǎn)與難點(diǎn)：１．氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；２．氣態(tài)污染物的催化凈化工藝；３．選擇性催化還原和非選擇性催化還原法。

第十一章氣態(tài)污染物的催化凈化催化轉(zhuǎn)化：是指廢氣通過催化劑床層的催化反應(yīng)，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。優(yōu)點(diǎn)：①

對(duì)不同濃度的污染物具有很高轉(zhuǎn)化率；②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；③

操作過程簡化。缺點(diǎn)：催化劑較貴，且廢氣預(yù)熱需耗一定能量，這樣使凈化處理的費(fèi)用增加。第一節(jié)催化作用和催化劑一、催化作用１．概念：化學(xué)反應(yīng)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(yīng)終止時(shí)不變的作用稱為催化作用２．機(jī)理：通過加入催化劑，改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)物活化能，從而達(dá)到加快反應(yīng)速度的目的。3.兩個(gè)顯著的特征：1）

催化劑能加速反應(yīng)速度（正、逆）而不能使平衡移動(dòng)；2）

催化作用具有特殊的選擇性。二.催化劑（一）

組成主活性組分：催化劑主體，可單獨(dú)作為催化劑；

助催化劑：（1）本身無活性(2)具有提高活性組分活性的作用；

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(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度作用，可增加延長催化劑使用壽命。（二）

催化劑的性能主要指：其活性、選擇性和穩(wěn)定性1．活性衡量催化劑效能大小的標(biāo)準(zhǔn)。

公式表示為：

式中：A--------催化劑活性，

kg/(h.g)；W--------產(chǎn)品質(zhì)量，

kg；t----------反應(yīng)時(shí)間，

h；WR-------催化劑質(zhì)量，

g。

工業(yè)中，常把產(chǎn)品量換算為轉(zhuǎn)化率X表示

2．催化劑的選擇性選擇性是指若化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上有幾個(gè)反應(yīng)方向時(shí)，一種催化劑在一定條件下只對(duì)其中的一個(gè)反應(yīng)起加速作用的特征，表示為：

活性與選擇性是催化劑本身最基本的性能指標(biāo)，是選擇和控制反應(yīng)參數(shù)的基本依據(jù)，二者均可度量催化劑加速化學(xué)反應(yīng)速度的效果，但反映問題的角度不同?；钚?-------催化劑對(duì)提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用；選擇性-----表示催化劑對(duì)提高原料利用率的作用；3．催化劑的穩(wěn)定性

定義：催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中保持活性的能力。

包括：（1）熱穩(wěn)定性；（2）機(jī)械穩(wěn)定性：（3）抗毒穩(wěn)定性。

影響催化劑壽命的因素主要有：催化劑的老化和中毒。

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。催化劑的中毒：是指反應(yīng)物中少量雜質(zhì)使催化活性迅速下降的現(xiàn)象。

第二節(jié)氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

一．氣固催化反應(yīng)過程氣固催化反應(yīng)一般經(jīng)歷如下五個(gè)步驟：①外擴(kuò)散過程：反應(yīng)物從氣相主體到催化劑外表面；②內(nèi)擴(kuò)散過程：催化劑外表面到微孔內(nèi)顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)；③化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制過程：顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)產(chǎn)物離開內(nèi)表面；④內(nèi)擴(kuò)散：產(chǎn)物微孔到外表面；⑤外擴(kuò)散：外表面到氣相主體

吸附過程：反應(yīng)物在催化及表面上被吸附；

表面過程：吸附的反應(yīng)物在催化劑表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（表面反應(yīng)過程）；脫附過程：反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑表面上脫附下來。上述幾步速度最慢（阻力最大）者決定整個(gè)過程的總反應(yīng)濃度，這一步稱為控制步驟

二．氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式：1.表面化學(xué)反應(yīng)速率方程式（吸附表面反應(yīng)及脫附）2.受內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率方程

3.外擴(kuò)散控制的速率方程

4.氣固反應(yīng)總速率方程

第三節(jié)

氣固催化反應(yīng)器及設(shè)計(jì)一．氣固催化反應(yīng)器類型與選擇固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：催化劑不易磨損，使用壽命長；反應(yīng)氣體與催化劑接觸緊密，轉(zhuǎn)化率高等。缺點(diǎn)：床層軸向溫度不均勻。分類:（1）絕熱式：

a.單段式;b.多段式;c.列管式;d.徑向式。（2）換熱式。（二）氣固反應(yīng)器的選擇

一般原則：1１．根據(jù)催化劑反應(yīng)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)。２．床層阻力應(yīng)盡可能的小.３．在滿足溫度條件下，應(yīng)盡量使催化劑裝填系數(shù)大，以提高設(shè)備利用率，４．反應(yīng)器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，且造價(jià)低廉，安全可靠。二、固定床反應(yīng)器的計(jì)算（一）流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)模型目前有兩種理論模型：①

活塞流反應(yīng)器特點(diǎn)：所有粒子通過反應(yīng)器的時(shí)間完全相同。②

理想混合反應(yīng)器特點(diǎn)：反應(yīng)器出口的物料濃度與反應(yīng)器內(nèi)完全相同。如流化床反應(yīng)器、連續(xù)釜反應(yīng)器――――理想混合型；固定床反應(yīng)器（尤其徑高比大的）―――活塞流型（二）固定反應(yīng)器的計(jì)算計(jì)算方法：①經(jīng)驗(yàn)法；②數(shù)學(xué)模型法

１．經(jīng)驗(yàn)法利用實(shí)驗(yàn)或工廠現(xiàn)有裝置所得的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(Vsp,t等)來設(shè)計(jì)新的反應(yīng)器的一種方法。優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡便，設(shè)計(jì)可靠，應(yīng)用廣泛；不足之處：要求設(shè)計(jì)條件與原生產(chǎn)工藝條件或中間試驗(yàn)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(yàn)條件要有足夠的試生產(chǎn)規(guī)模，否則將導(dǎo)致大的誤差。⑴空間速度：單位時(shí)間內(nèi)單位體積催化劑能處理的反應(yīng)混合氣體的體積量，即：

⑴

Qn0---標(biāo)況下反應(yīng)氣體初始體積流量，m3/h;VR----催化床層體積，

m3Vsp---空間速度;

h-1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(qiáng)度愈大。⑵接觸時(shí)間：反應(yīng)物通過床層的時(shí)間。若在標(biāo)況下計(jì)算接觸時(shí)間，即標(biāo)準(zhǔn)接觸時(shí)間：

⑶⑶催化體積用量：

⑷催化床層高

其中

（空隙率）

ρs,ρp----------催化堆積密度與顆粒密度，

Kg/m32．?dāng)?shù)學(xué)模型（介紹）產(chǎn)生發(fā)展于20世紀(jì)60年代反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程物料流動(dòng)方程物料衡算方程熱量衡算方程

四個(gè)方程聯(lián)立求解，從而求出指定條件下達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需催化劑體積等參數(shù)值。固定床壓力降歐根等溫流動(dòng)阻力公式式中：△P------床層壓力降，Pa；L---------床高，m；ρ--------氣體密度，kg/m3；u0--------空床速度，m/s；ε-------床層空隙率，%；ds-------顆粒的體積表面積平均直徑，m；μ-------氣體粘度，Pa*s。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催化法治理廢氣的一般工藝過程包括：（1)

廢氣預(yù)處理去除催化劑毒物級(jí)固體顆粒物（避免催化劑中毒）；（2)

廢氣預(yù)熱到要求的反應(yīng)溫度（如選擇性催化還原去除NOX廢氣的預(yù)熱溫度須達(dá)200~220OC以上）；（3）催化反應(yīng)；（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）SO2氣體的催化凈化

（二）NOX的催化凈化

１．

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。２．

按還原劑是否與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)分為非選擇性還原和選擇性還原（用氨作還原劑對(duì)含NOX的氣體進(jìn)行催化還原處理，使氨能有選擇的和氣體中的NOX進(jìn)行反應(yīng)，而不和氧反應(yīng)。（三）汽車尾氣的催化凈化

（二）NOX的催化凈化

１．

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。

２．

按還原劑是否與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)分為非選擇性還原和選擇性還原（用氨作還原劑對(duì)含NOX的氣體進(jìn)行催化還原處理，使氨能有選擇的和氣體中的NOX進(jìn)行反應(yīng)，而不和氧反應(yīng))。非選擇性催化還原法還原劑:

H2、CH4、合成氨釋放氣反應(yīng)特點(diǎn):反應(yīng)分兩步進(jìn)行1）脫色反應(yīng)：2)脫除反應(yīng)(慢)常用催化劑:Pt或Pd常以0.5%的Pt或Pd載于氧化鋁載體上。優(yōu)缺點(diǎn)：1）燃量消耗量大（耗用于比NOX含量高得多的O2）；

2)產(chǎn)生大量熱，須增設(shè)廢熱鍋爐來降低反應(yīng)氣體溫度，同時(shí)回收廢熱。3）需貴金屬作催化劑。4）投資大。選擇性催化還原法

還原劑:NH3（常用）

、H2S、CO反應(yīng)特點(diǎn):：使氨能有選擇的和氣體中的NOX進(jìn)行反應(yīng)，而不和氧反應(yīng)。常用催化劑:1)貴金屬2)非貴金屬的氧化物或鹽類Cu、Cr、Fe、V、Mn優(yōu)點(diǎn)：1）

還原劑基本上不與氧反應(yīng)，避免了無謂消耗，同時(shí)大大減小了反應(yīng)熱，催化床溫度變化小易于控制，采用一段流程即可；2）

催化劑易得，選擇余地大；3）

還原劑NH3相對(duì)易得，起燃溫度低反應(yīng)熱低，床溫通常低于3000C,有利于延長催化劑壽命和降低反應(yīng)器對(duì)材料要求。(三）汽車尾氣的催化凈化汽車尾氣中