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(yīng)動(dòng)力學(xué)n第三節(jié)：氣固催化反應(yīng)器及計(jì)算 n第四節(jié)：氣態(tài)污染物的催化凈化工藝n本章重點(diǎn)與難點(diǎn)：本章重點(diǎn)與難點(diǎn)：n氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；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(guò)催化劑床層的催化反應(yīng)，是其中的污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)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(diǎn)：點(diǎn)：n 對(duì)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(guò)程簡(jiǎn)化。n缺缺 點(diǎn)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)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(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(chēng)為催化作用n機(jī)理：通過(guò)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。n3.兩個(gè)顯著的特征：n1） 催化劑能加速反應(yīng)速度（正、逆）而不能使平衡移動(dòng)；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(dú)作為催化劑；n 助催化劑：助催化劑：（1）本身無(wú)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(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度作用，可增加延長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)。 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(yīng)時(shí)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(guò)催化劑床層的反應(yīng)反應(yīng)物反應(yīng)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(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：n n 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(wèn)題的角度不同。n活性-催化劑對(duì)提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用；n選擇性-表示催化劑對(duì)提高原料利用率的作用；%100的反應(yīng)物摩爾數(shù)通過(guò)催化劑床層后反應(yīng)數(shù)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)過(guò)程中保持活性的能力。n 包括：包括：（1）熱穩(wěn)定性；（2）機(jī)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(guò)程。n催化劑的中毒：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)第二節(jié) 氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) n一氣固催化反應(yīng)過(guò)程一氣固催化反應(yīng)過(guò)程n氣固催化反應(yīng)一般經(jīng)歷如下五個(gè)步驟：n外擴(kuò)散過(guò)程： 反應(yīng)物從氣相主體到催化劑外表面；n內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程： 催化劑外表面到微孔內(nèi)顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)；n化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程：顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)產(chǎn)物離開(kāi)內(nèi)表面；n內(nèi)擴(kuò)散： 產(chǎn)物微孔到外表面；n外擴(kuò)散： 外表面到氣相主體n 吸附過(guò)程：吸附過(guò)程：反應(yīng)物在催化及表面上被吸附；n 表面過(guò)程：表面過(guò)程：吸附

6、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(guò)程）；n脫附過(guò)程：脫附過(guò)程：反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑表面上脫附下來(lái)。n上述幾步速度最慢（阻力最大）者決定整個(gè)過(guò)程的總反應(yīng)濃度，這一步稱(chēng)為控制步驟 二氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式：二氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式：n1.表面化學(xué)反應(yīng)速率方程式表面化學(xué)反應(yīng)速率方程式（吸附表面反（吸附表面反應(yīng)及脫附）應(yīng)及脫附） n2.受內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率方程受內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率方程 n3.外擴(kuò)散控制的速率方程外擴(kuò)散控制的速率方程 n4.氣固反應(yīng)總速率方程氣固反應(yīng)總速率方程 第三節(jié)第三節(jié) 氣固催化反應(yīng)器及設(shè)氣固催化反應(yīng)器及設(shè)計(jì)計(jì)n一氣固催化反應(yīng)器類(lèi)型與選擇n固定床反應(yīng)器n優(yōu)點(diǎn)：催化劑不

7、易磨損，使用壽命長(zhǎng)；反應(yīng)氣體與催化劑接觸緊密，轉(zhuǎn)化率高等。n缺點(diǎn)：床層軸向溫度不均勻。n分類(lèi):（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(yīng)器的選擇二）氣固反應(yīng)器的選擇n 一般原則：一般原則：1 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(lèi)型，保證床層溫度控制在許可的范圍內(nèi)。n床層阻力應(yīng)盡可能的小.n在滿(mǎn)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，n反應(yīng)器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)算二、固定床反應(yīng)器的計(jì)算n（一）流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)模型（一）流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)模型

8、n目前有兩種理論模型：n 活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器n特點(diǎn)：所有粒子通過(guò)反應(yīng)器的時(shí)間完全相同。n 理想混合反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器n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。n如流化床反應(yīng)器、連續(xù)釜反應(yīng)器理想混合型；n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（二）固定反應(yīng)器的計(jì)算n計(jì)算方法：經(jīng)驗(yàn)法；數(shù)學(xué)模型法經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法n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(lái)設(shè)計(jì)新的反應(yīng)器的一種方法。n優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)可靠，應(yīng)用廣泛；n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

9、大的誤差。n空間速度空間速度：?jiǎn)挝粫r(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：n n nQn0 -標(biāo)況下反應(yīng)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(guò)單位體積催化劑的混合物量越多，生產(chǎn)強(qiáng)度愈大。RnspVQV0n接觸時(shí)間接觸時(shí)間：反應(yīng)物通過(guò)床層的時(shí)間。n若在標(biāo)況下計(jì)算接觸時(shí)間，即標(biāo)準(zhǔn)接觸時(shí)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(xué)模型（介紹） 產(chǎn)生發(fā)展于20世紀(jì)60年代n反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程n物料流動(dòng)方程n物料衡算方程n熱量衡算方程n 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n歐根等溫流動(dòng)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(guò)程包括：n（1) 廢氣預(yù)處理去除催化劑毒物級(jí)固

11、體顆粒物（避免催化劑中毒）；n（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)200220OC以上）；n（3）催化反應(yīng)；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(wú)害的N2和H2O。n 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)。n（三）汽車(chē)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(wú)害的N2和H2O。 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(yīng)特點(diǎn)反應(yīng)特點(diǎn): 反應(yīng)分兩步進(jìn)行n1）脫色反應(yīng)：2)脫除反應(yīng)(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(diǎn)：優(yōu)缺點(diǎn)：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(shè)廢熱鍋爐來(lái)降低反應(yīng)氣體溫度，同時(shí)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(yīng)特點(diǎn)反應(yīng)特點(diǎn):：n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)。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(lèi) Cu、Cr、Fe、V、Mnn優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n1） 還原劑基本上不與氧反應(yīng)，避免了無(wú)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；n2） 催化劑易得，選擇余地大；n3） 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(zhǎng)催化劑壽命和降低反應(yīng)器對(duì)材料要求。( (三）