1、氣態(tài)污染物控制基礎(chǔ)原理第1頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四第7章 氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)(3)4氣體催化凈化催化作用和催化劑氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)教學(xué)重點(diǎn)：催化作用原理、多相催化反應(yīng)的物理化學(xué)過程及動(dòng)力學(xué)方程、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)構(gòu)類型選擇教學(xué)難點(diǎn)：多相催化反應(yīng)的物理化學(xué)過程及動(dòng)力學(xué)方程、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)構(gòu)類型選擇第2頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四4 氣體催化凈化含塵氣體通過催化床層發(fā)生催化反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化為無害或易于處理的物質(zhì)應(yīng)用工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2和NOx有機(jī)揮發(fā)性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化

2、汽車尾氣的催化凈化第3頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化凈化工藝段間冷卻的四層催化床第二級(jí)催化床預(yù)除塵和水分填充床吸收塔填充床吸收塔來自冶煉廠或硫磺燃燒的富含SO2的尾氣水含有約為初始進(jìn)氣SO2濃度3%的尾氣含有約為初始進(jìn)氣SO2濃度0.3%的尾氣水單級(jí)吸收工藝二級(jí)吸收工藝SO2單級(jí)和二級(jí)凈化工藝的流程圖催化反應(yīng)：420550第4頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化凈化工藝催化劑：Pt (Pd,過渡金屬，稀土)/Al2O3 等VOCs的催化氧化第5頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化凈化工藝NOxNH3 filter Comb

3、ustor MixerReactorNOx的選擇性催化還原（SCR）第6頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化凈化工藝車用催化轉(zhuǎn)化器第7頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四一、催化作用和催化劑催化作用改變反應(yīng)歷程，降低活化能提高反應(yīng)速率 （阿累尼烏斯方程） 顯著特征對(duì)于正逆反應(yīng)的影響相同，不改變化學(xué)平衡選擇性第8頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化劑加速化學(xué)反應(yīng)，而本身的化學(xué)組成在反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)組成活性組分 助催化劑 載體第9頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化劑的性能活性W產(chǎn)品質(zhì)量WR催化劑質(zhì)量t反應(yīng)時(shí)

4、間第10頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化劑的性能穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性表示方法：壽命老化活性組分的流失、燒結(jié)、積炭結(jié)焦、機(jī)械粉碎等中毒對(duì)大多數(shù)催化劑，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第11頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過程(1)反應(yīng)物從氣流主體-催化劑外表面(2) 進(jìn)一步向催化劑的微孔內(nèi)擴(kuò)散(3)反應(yīng)物在催化劑的表面上被吸附(4)吸附的反應(yīng)物轉(zhuǎn)為為生成物(5)生成物從催化劑表面脫附下來(6)脫附生成物從微孔向外表面擴(kuò)散(7)生成物從外表面擴(kuò)散到氣流主體(1),(7)：外擴(kuò)散；(2),(6)內(nèi)擴(kuò)散

5、(3),(4),(5)：動(dòng)力學(xué)過程主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖第12頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)催化劑中的濃度分布第13頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第14頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速度取決于帶 反應(yīng)(最慢反應(yīng))，其它都達(dá)到平衡例：AB RS表面反應(yīng)控制 吸附或脫附控制A的吸附：B的吸附：表面反應(yīng)：R的脫附：S的脫附：第15頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四二、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程表面化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)于催化床NA反應(yīng)物A的流量，kmol/hNA0反

6、應(yīng)物A的初始流量，kmol/hVR反應(yīng)氣體體積，m3x轉(zhuǎn)化率L反應(yīng)床長度，mA反應(yīng)床截面積，m2Q反應(yīng)氣體流量，m3t接觸時(shí)間，hcA0反應(yīng)物的初始濃度,kmol/m3第16頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四二、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程宏觀動(dòng)力學(xué)方程外擴(kuò)散的傳質(zhì)速率第17頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四二、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程宏觀動(dòng)力學(xué)方程內(nèi)擴(kuò)散反應(yīng)速率第18頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四二、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)反應(yīng)催化劑微孔內(nèi)濃度分布對(duì)反應(yīng)速率的影響 在內(nèi)擴(kuò)散的影響下催化劑微孔內(nèi)表面上反應(yīng)物很低，沿微孔方向降至平衡濃度催化

7、劑內(nèi)表面積并未充分利用值較小第19頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四二、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定第20頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四二、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)一級(jí)不可逆反應(yīng)第21頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四內(nèi)外擴(kuò)散的影響外擴(kuò)散控制降低催化劑表面反應(yīng)物濃度，從而降低反應(yīng)速度表現(xiàn)因數(shù)：KG消除方法提高氣速，以增強(qiáng)湍流程度，減小邊界層厚度氣速提高到一定程度，轉(zhuǎn)化率趨于定值，外擴(kuò)散影響消除下限流速第22頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四內(nèi)外擴(kuò)散的影響內(nèi)擴(kuò)散控制降低催化劑內(nèi)反應(yīng)物濃度，從而

8、降低反應(yīng)速度表現(xiàn)因數(shù)：消除方法盡量減小催化劑顆粒大小粒徑減小到一定程度，轉(zhuǎn)化率趨于定值，內(nèi)擴(kuò)散影響消除第23頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四三、催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)停留時(shí)間決定反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率由催化床的空間體積、物料的體積流量和流動(dòng)方式?jīng)Q定第24頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四三、催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)反應(yīng)器的流動(dòng)模型活塞流、混合流實(shí)際流態(tài)介于兩者之間反應(yīng)器內(nèi)每一點(diǎn)的流態(tài)各不相同，停留時(shí)間各異不同停留時(shí)間的物料在總量中所占的分率具有相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分布停留時(shí)間分布函數(shù)工業(yè)上，連續(xù)釜式反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器；徑高比大的固定床活塞流反應(yīng)器第25頁，共37頁，2

9、022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四三、催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)空間速度單位時(shí)間通過單位體積催化床的反應(yīng)物料體積第26頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四三、催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法將催化床作為一個(gè)整體利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)通過中間實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝條件第27頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四三、催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型法反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程 物料流動(dòng)方程物料衡算熱量衡算反應(yīng)熱效應(yīng)小的催化床等溫分布計(jì)算第28頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四三、催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型法轉(zhuǎn)化率較高的工業(yè)反應(yīng)器，溫度分布具有明顯的軸向溫差軸向等溫分布計(jì)算第29頁

10、，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四固定床反應(yīng)器最主要的氣固相催化反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn): 流體接近于平推流，返混小，反應(yīng)速度較快固定床中催化劑不易磨損，可長期使用停留時(shí)間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，高選擇性和轉(zhuǎn)化率缺點(diǎn):傳熱差(熱效應(yīng)大的反應(yīng)，傳熱和溫控是難點(diǎn))催化劑更換需停產(chǎn)進(jìn)行第30頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四固定床反應(yīng)器單層絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，氣流阻力小內(nèi)部溫度分布不均用于化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)小的場合第31頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四固定床反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器相鄰兩段之間引入熱交換(a)直接換熱(b)間接換熱第32頁，共3

11、7頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四固定床反應(yīng)器列管式反應(yīng)器用于對(duì)反應(yīng)溫度要求高，或反應(yīng)熱效應(yīng)很大的場合 其他反應(yīng)器徑向反應(yīng)器薄層床反應(yīng)器自熱式反應(yīng)器第33頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四反應(yīng)器類型的選擇根據(jù)反應(yīng)熱的大小和對(duì)溫度的要求，選擇反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型盡量降低反應(yīng)器阻力反應(yīng)器應(yīng)易于操作，安全可靠結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用經(jīng)濟(jì)第34頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四固定床的阻力計(jì)算顆粒固定床，歐根（Ergun）公式：第35頁，共37頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)3分，星期四固定床的阻力計(jì)算實(shí)際計(jì)算應(yīng)根據(jù)溫度和流量的變化，將床層分段計(jì)算 阻力與床高和空塔氣速的平方成正比，即與截面積