1、第七章 氣態污染物控制技術基礎(3)o氣體催化凈化氣體催化凈化n催化作用和催化劑催化作用和催化劑n氣固催化反應動力學氣固催化反應動力學n氣固相催化反應器的設計氣固相催化反應器的設計第四節 氣體催化凈化o含塵氣體通過催化床層發生催化反應，使污染物轉化為無害或易于處理的物質o應用n工業尾氣和煙氣去除SO2和NOxn有機揮發性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化n汽車尾氣的催化凈化催化凈化工藝段間冷卻的四層催化床第二級催化床預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氣SO2濃度3%的尾氣含有約為初始進氣SO2濃度0.3%的尾氣水單級吸收工藝二級吸收工藝SO

2、2單級和二級凈化工藝的流程圖催化反應：420550223SO1/2OSOVanadium 3224SOH OH SO催化凈化工藝催化劑：Pt (Pd,過渡金屬，稀土)/Al2O3 等氣體催化凈化o催化作用n改變反應歷程，降低活化能n提高反應速率 （阿累尼烏斯方程）l 顯著特征顯著特征對于正逆反應的影響相同，不改變化學平衡具有選擇性exp()EKART催化劑o加速化學反應，而本身的化學組成在反應前后保持不變加速化學反應，而本身的化學組成在反應前后保持不變的物質的物質o組成：活性組分組成：活性組分 助催化劑助催化劑 載體載體n活性組分：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：

3、（1）本身無活性(2)具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。催化劑的性能o活性RWAtW100B反應所得目的產物摩爾數通過催化劑床層后反應了的反應物摩爾數l選選擇擇性性100B反應所得目的產物摩爾數通過催化劑床層后反應了的反應物摩爾數l選選擇擇性性 選擇性是指若化學反應在熱力學上有幾個反應方向時，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一種催化劑在一定條件下只對其中的一個反

4、應起加速作用的特征，表示為：作用的特征，表示為：催化劑的性能o穩定性穩定性n熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性n表示方法：壽命表示方法：壽命n老化老化o活性組分的流失、燒結、積炭結焦、機械粉碎等活性組分的流失、燒結、積炭結焦、機械粉碎等n中毒中毒分永久性中毒和暫時性中毒分永久性中毒和暫時性中毒是指反應物中少量雜質（如是指反應物中少量雜質（如HCN、CO、H2S、S、As、Pb等）等）使催化活性迅速下降的現象。使催化活性迅速下降的現象。氣固催化反應動力學o反應過程反應過程n(1)反應物從氣流主體反應物從氣流主體-催化劑外表面催化劑外表面n(2) 進一步向催化劑的微孔

5、內擴散進一步向催化劑的微孔內擴散n(3)反應物在催化劑的表面上被吸附反應物在催化劑的表面上被吸附吸附過程吸附過程n(4)吸附的反應物轉為為生成物吸附的反應物轉為為生成物表面過程表面過程n(5)生成物從催化劑表面脫附下來生成物從催化劑表面脫附下來脫附過程脫附過程n(6)脫附生成物從微孔向外表面擴散脫附生成物從微孔向外表面擴散n(7)生成物從外表面擴散到氣流主體生成物從外表面擴散到氣流主體(1),(7)：外擴散；：外擴散；(2),(6)內擴散內擴散 (3),(4),(5)：動力學過程：動力學過程主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖催化劑反應動力學o催化劑中的濃度分布CAg、CAs、CAc反應物反應物A在

6、在氣相主體、催化劑外表面、氣相主體、催化劑外表面、顆粒中心處的濃度顆粒中心處的濃度CA* 在顆粒溫度下在顆粒溫度下A的平衡的平衡濃度濃度催化反應動力學方程o表面化學反應速率o對于催化床AARddNrV A0A0AA0A0RddddddddxNxNxxrNcVA LQ tt催化反應動力學方程o宏觀動力學方程n外擴散的傳質速率AGeaAGAS()vK SCCK KGG擴散系數，擴散系數，擴散系數，擴散系數，m/hm/hS Se e單位體積催化劑的外表面積，單位體積催化劑的外表面積，單位體積催化劑的外表面積，單位體積催化劑的外表面積，mm2 2/m/m3 3a a催化劑的有效表面系數；球形催化劑的有

7、效表面系數；球形催化劑的有效表面系數；球形催化劑的有效表面系數；球形a a1 1C CAGAG主氣流中反應物主氣流中反應物主氣流中反應物主氣流中反應物A A的濃度，的濃度，的濃度，的濃度，mol/mmol/m3 3C CASAS催化劑外表面上催化劑外表面上催化劑外表面上催化劑外表面上A A的濃度，的濃度，的濃度，的濃度，mol/mmol/m3 3AGeaAGAS()vK SCCK KGG擴散系數，擴散系數，擴散系數，擴散系數，m/hm/hS Se e單位體積催化劑的外表面積，單位體積催化劑的外表面積，單位體積催化劑的外表面積，單位體積催化劑的外表面積，mm2 2/m/m3 3a a催化劑的有效

8、表面系數；球形催化劑的有效表面系數；球形催化劑的有效表面系數；球形催化劑的有效表面系數；球形a a1 1C CAGAG主氣流中反應物主氣流中反應物主氣流中反應物主氣流中反應物A A的濃度，的濃度，的濃度，的濃度，mol/mmol/m3 3C CASAS催化劑外表面上催化劑外表面上催化劑外表面上催化劑外表面上A A的濃度，的濃度，的濃度，的濃度，mol/mmol/m3 3催化反應動力學方程o宏觀動力學方程n內擴散反應速率AsiAS()vK S f CK Ks s反應速率常數反應速率常數反應速率常數反應速率常數催化劑有效系數催化劑有效系數催化劑有效系數催化劑有效系數S Si i單位體積催化劑的內表

9、面積單位體積催化劑的內表面積單位體積催化劑的內表面積單位體積催化劑的內表面積, ,mm2 2/m/m3 3f f與與與與濃度分布有關的函數濃度分布有關的函數濃度分布有關的函數濃度分布有關的函數AsiAS()vK S f CK Ks s反應速率常數反應速率常數反應速率常數反應速率常數催化劑有效系數催化劑有效系數催化劑有效系數催化劑有效系數S Si i單位體積催化劑的內表面積單位體積催化劑的內表面積單位體積催化劑的內表面積單位體積催化劑的內表面積, ,mm2 2/m/m3 3f f與與與與濃度分布有關的函數濃度分布有關的函數濃度分布有關的函數濃度分布有關的函數催化反應動力學方程o催化劑有效系數n反

10、應催化劑微孔內濃度分布對反應速率的影響 在內擴散的影響下l催化劑微孔內表面上反應物很低，沿微孔方向降至平催化劑微孔內表面上反應物很低，沿微孔方向降至平衡濃度衡濃度l催化劑內表面積并未充分利用催化劑內表面積并未充分利用l值較小值較小sAS0sASi()d()isK f CSK f CS實際反應速率按外表面反應物濃度計算得到的理論反應速率催化反應動力學方程o催化劑有效系數n實驗測定計算法l等溫一級不可逆反應，球形催化劑等溫一級不可逆反應，球形催化劑l若若 s很小，很小， 1，說明內擴散的影響可以忽略；，說明內擴散的影響可以忽略；反之不容忽視反之不容忽視sss1vsseff311()tannnK c

11、RD s s齊勒模數齊勒模數齊勒模數齊勒模數R R催化劑特征長度催化劑特征長度催化劑特征長度催化劑特征長度K Kv v反應速率常數反應速率常數反應速率常數反應速率常數D Deffeff內擴散系數內擴散系數內擴散系數內擴散系數計算法l等溫一級不可逆反應，球形催化劑等溫一級不可逆反應，球形催化劑l若若 s很小，很小， 1，說明內擴散的影響可以忽略；，說明內擴散的影響可以忽略；反之不容忽視反之不容忽視sss1vsseff311()tannnK cRD s s齊勒模數齊勒模數齊勒模數齊勒模數R R催化劑特征長度催化劑特征長度催化劑特征長度催化劑特征長度K Kv v反應速率常數反應速率常數反應速率常數反

12、應速率常數D Deffeff內擴散系數內擴散系數內擴散系數內擴散系數催化反應動力學方程o催化劑有效系數n一級不可逆反應催化反應器的設計o設計基礎n停留時間o決定反應的轉化率o由催化床的空間體積、物料的體積流量和流動方式決定R/tVQV VR R催化劑體積催化劑體積催化劑體積催化劑體積, ,mm3 3Q Q反應氣體的實際體積流量反應氣體的實際體積流量反應氣體的實際體積流量反應氣體的實際體積流量, ,mm3 3/h/h催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率,%,%R/tVQV VR R催化劑體積催化劑體積催化劑體積催化劑體積, ,mm3 3Q Q反應氣體的實際體積流量反應氣體的實際體積流

13、量反應氣體的實際體積流量反應氣體的實際體積流量, ,mm3 3/h/h催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率,%,%催化反應器的設計o設計基礎n反應器的流動模型o活塞流、混合流o實際流態介于兩者之間o反應器內每一點的流態各不相同，停留時間各異o不同停留時間的物料在總量中所占的分率具有相應的統計分布停留時間分布函數o工業上，連續釜式反應器理想混合反應器；徑高比大的固定床活塞流反應器催化反應器的設計o設計基礎n空間速度o單位時間通過單位體積催化床的反應物料體積spNR/WQVspRN1/WVQ V VR R催化劑體積催化劑體積催化劑體積催化劑體積, ,mm3 3Q QN N標態下反應氣體

14、體積流量標態下反應氣體體積流量標態下反應氣體體積流量標態下反應氣體體積流量, ,mm3 3/h/hl接觸時間空間速度的倒數接觸時間空間速度的倒數spRN1/WVQ V VR R催化劑體積催化劑體積催化劑體積催化劑體積, ,mm3 3Q QN N標態下反應氣體體積流量標態下反應氣體體積流量標態下反應氣體體積流量標態下反應氣體體積流量, ,mm3 3/h/hl接觸時間空間速度的倒數接觸時間空間速度的倒數催化反應器的設計o經驗計算法o將催化床作為一個整體o利用經驗參數設計o通過中間實驗確定最佳工藝條件Rsp/VQ WV VR R催化劑體積催化劑體積催化劑體積催化劑體積, ,mm3 3Q Q反應氣體體

15、積流量反應氣體體積流量反應氣體體積流量反應氣體體積流量, ,mm3 3/h/hWWSPSP空間速度，空間速度，空間速度，空間速度，1/1/h hl催化劑裝量催化劑裝量Rsp/VQ WV VR R催化劑體積催化劑體積催化劑體積催化劑體積, ,mm3 3Q Q反應氣體體積流量反應氣體體積流量反應氣體體積流量反應氣體體積流量, ,mm3 3/h/hWWSPSP空間速度，空間速度，空間速度，空間速度，1/1/h hl催化劑裝量催化劑裝量催化反應器的設計o數學模型法o反應的動力學方程 物料流動方程物料衡算熱量衡算o反應熱效應小的催化床等溫分布計算ARA00AAAAAA0d(1)xnnnixWNrrk C

16、k QNxRTQnPWWR R催化劑重量催化劑重量催化劑重量催化劑重量, ,kgkgQ Q氣體體積流量氣體體積流量氣體體積流量氣體體積流量, ,mm3 3/h/h反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數inARA00AAAAAA0d(1)xnnnixWNrrk Ck QNxRTQnPWWR R催化劑重量催化劑重量催化劑重量催化劑重量, ,kgkgQ Q氣體體積流量氣體體積流量氣體體積流量氣體體積流量, ,mm3 3/h/h反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子

17、的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數inWWR R催化劑重量催化劑重量催化劑重量催化劑重量, ,kgkgQ Q氣體體積流量氣體體積流量氣體體積流量氣體體積流量, ,mm3 3/h/h反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數反應體系中各種氣體分子的總摩爾數in催化反應器的設計o數學模型法o轉化率較高的工業反應器，溫度分布具有明顯的軸向溫差o軸向等溫分布計算ArA0ArA0rA0PARA0A0d ()d()()dddxQrVHNxHNHxN CTxVNr反應的熱效應反應的熱效應反應的熱效應反應的熱效應, ,kJ/molkJ/molN N

18、0 0總的衡分子流量總的衡分子流量總的衡分子流量總的衡分子流量, ,mol/hmol/h混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱, ,kJ/(molkJ/(mol K)K)rHPCArA0ArA0rA0PARA0A0d ()d()()dddxQrVHNxHNHxN CTxVNr反應的熱效應反應的熱效應反應的熱效應反應的熱效應, ,kJ/molkJ/molN N0 0總的衡分子流量總的衡分子流量總的衡分子流量總的衡分子流量, ,mol/hmol/h混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱, ,kJ/(

19、molkJ/(mol K)K)rHPC反應的熱效應反應的熱效應反應的熱效應反應的熱效應, ,kJ/molkJ/molN N0 0總的衡分子流量總的衡分子流量總的衡分子流量總的衡分子流量, ,mol/hmol/h混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱混合氣體的平均定壓比熱, ,kJ/(molkJ/(mol K)K)rHPC固定床反應器o最主要的氣固相催化反應器n優點: o流體接近于平推流，返混小，反應速度較快o固定床中催化劑不易磨損，可長期使用o停留時間可嚴格控制，溫度分布可適當調節，高選擇性和轉化率n缺點:o傳熱差(熱效應大的反應，傳熱和溫控是難點)o催化劑更換需停產進行固定床反應器o單層絕熱反應器n結構簡單，造價低廉，氣流阻力小n內部溫度分布不均n用于化學反應熱效應小的場合固定床反應器o多段絕熱反應器n相鄰兩段之間引入熱交換固定床反應器o列管式反應器n用于對反應溫度要求高，或反應熱效應很大的場合l 其他反應器其他反應器徑向反應器薄層床反應器自熱式反應器反應器類型的選擇n根據反應熱的大小和對溫度的要求