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)：氣固催化反應動力學第三節(jié)：氣固催化反應器及計算

第四節(jié)：氣態(tài)污染物的催化凈化工藝本章重點與難點：１．氣固催化反應動力學；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，是其中的污染物轉化為無害或易于處理與回收利用物質的凈化方法。優(yōu)點：①

對不同濃度的污染物具有很高轉化率；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：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)催化作用和催化劑一、催化作用１．概念：化學反應速度因加入某種物質而改變，而被加入物質的數(shù)量和性質，在反應終止時不變的作用稱為催化作用２．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。3.兩個顯著的特征：1）

催化劑能加速反應速度（正、逆）而不能使平衡移動；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、稀釋和增強機械強度作用，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準。

公式表示為：

式中：A--------催化劑活性，

kg/(h.g)；W--------產(chǎn)品質量，

kg；t----------反應時間，

h；WR-------催化劑質量，

g。

工業(yè)中，常把產(chǎn)品量換算為轉化率X表示

2．催化劑的選擇性選擇性是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：

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?；钚?-------催化劑對提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用；選擇性-----表示催化劑對提高原料利用率的作用；3．催化劑的穩(wěn)定性

定義：催化劑在化學反應過程中保持活性的能力。

包括：（1）熱穩(wěn)定性；（2）機械穩(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：是指反應物中少量雜質使催化活性迅速下降的現(xiàn)象。

第二節(jié)氣固催化反應動力學

一．氣固催化反應過程氣固催化反應一般經(jīng)歷如下五個步驟：①外擴散過程：反應物從氣相主體到催化劑外表面；②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；③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；④內(nèi)擴散：產(chǎn)物微孔到外表面；⑤外擴散：外表面到氣相主體

吸附過程：反應物在催化及表面上被吸附；

表面過程：吸附的反應物在催化劑表面上發(fā)生化學反應（表面反應過程）；脫附過程：反應產(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：1.表面化學反應速率方程式（吸附表面反應及脫附）2.受內(nèi)擴散影響的反應速率方程

3.外擴散控制的速率方程

4.氣固反應總速率方程

第三節(jié)

氣固催化反應器及設計一．氣固催化反應器類型與選擇固定床反應器優(yōu)點：催化劑不易磨損，使用壽命長；反應氣體與催化劑接觸緊密，轉化率高等。缺點：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）氣固反應器的選擇

一般原則：1１．根據(jù)催化劑反應熱的大小及催化劑的活性溫度范圍，選擇合適的結構類型，保證床層溫度控制在許可的范圍內(nèi)。２．床層阻力應盡可能的小.３．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，４．反應器應結構簡單，便于操作，且造價低廉，安全可靠。二、固定床反應器的計算（一）流體在反應器內(nèi)的流動模型目前有兩種理論模型：①

活塞流反應器特點：所有粒子通過反應器的時間完全相同。②

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

１．經(jīng)驗法利用實驗或工廠現(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。優(yōu)點：計算簡便，設計可靠，應用廣泛；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，否則將導致大的誤差。⑴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：

⑴

Qn0---標況下反應氣體初始體積流量，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)強度愈大。⑵接觸時間：反應物通過床層的時間。若在標況下計算接觸時間，即標準接觸時間：

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．數(shù)學模型（介紹）產(chǎn)生發(fā)展于20世紀60年代反應動力學方程物料流動方程物料衡算方程熱量衡算方程

四個方程聯(lián)立求解，從而求出指定條件下達到規(guī)定轉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)

廢氣預處理去除催化劑毒物級固體顆粒物（避免催化劑中毒）；（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200~220OC以上）；（3）催化反應；（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。（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還原劑:

H2、CH4、合成氨釋放氣反應特點:反應分兩步進行1）脫色反應：2)脫除反應(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：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，須增設廢熱鍋爐來降低反應氣體溫度，同時回收廢熱。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反應特點:：使氨能有選擇的和氣體中的NOX進行反應，而不和氧反應。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：1）

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；2）

催化劑易得，選擇余地大；3）

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）汽車尾氣的催化凈化汽車尾氣中