1、第七章第七章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础气体吸收气体吸收气体吸附气体吸附气体的催化净化气体的催化净化本章主要内容本章主要内容21 1、吸收原理、吸收原理2 2、物理吸收传质计算、物理吸收传质计算3 3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算4 4、吸收设备、吸收设备3一、气体吸收一、气体吸收1 1、吸收原理、吸收原理4吸收机理、气液平衡吸收机理、气液平衡吸收速率：吸收质在单位时间内通过单位面积界吸收速率：吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量面而被吸收剂吸收的量一、气体吸收一、气体吸收亨利定律式 xmy Hcp/ 气相分传质速率方程 iyAyykN iGAppkN
2、液相分传质速率方程 xxkNixA cckNLiA 气相总传质速率方程 *yAyyKN *GAppKN 液相总传质速率方程 xxKN*xA ccKN*LA xyy11kmkKLGG111HkkK吸收速率吸收推动力吸收速率吸收推动力吸收系数吸收系数吸收速率吸收推动力吸收速率吸收推动力吸收阻力吸收阻力用一相主体与界面的用一相主体与界面的浓度差表示推动力浓度差表示推动力用一相主体的浓度与其平用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力衡浓度之差表示推动力气膜控制气膜控制(易溶气体易溶气体)液膜控制液膜控制(难溶气体难溶气体)气、液膜控制气、液膜控制 1. 水或氨水吸收氨水或氨水吸收氨 2. 浓硫酸吸收
3、三氧化硫浓硫酸吸收三氧化硫 3. 水或稀盐酸吸收氯化氢水或稀盐酸吸收氯化氢 4. 酸吸收酸吸收5%氨氨 5. 碱或氨水吸收二氧化硫碱或氨水吸收二氧化硫 6. 氢氧化钠溶液吸收硫化氢氢氧化钠溶液吸收硫化氢 7. 液体的蒸发或冷凝液体的蒸发或冷凝1. 水或弱碱吸收水或弱碱吸收二氧化碳二氧化碳2. 水吸收氧气水吸收氧气3. 水吸收氯气水吸收氯气 1. 水吸收二氧化碳水吸收二氧化碳2. 水吸收丙酮水吸收丙酮3. 浓硫酸吸收二氧浓硫酸吸收二氧化氮化氮4. 碱吸收硫化氢碱吸收硫化氢吸收过程的控制步骤吸收过程的控制步骤一、气体吸收一、气体吸收1 1、吸收原理、吸收原理吸收速率：吸收速率：GGL111KkHk
4、5一、气体吸收一、气体吸收1 1、吸收原理、吸收原理界面浓度的计算：界面浓度的计算： 作图法作图法气液相平衡时气液相平衡时, , 气液界面两侧气液界面两侧气相传质速率与液相传质速率气相传质速率与液相传质速率相等相等xxkyykNixiyAyxkkxxyyii界面浓度界面浓度(xi, yi)就是通过点就是通过点(x, y)斜率为斜率为-kx/ky的直线与气液平的直线与气液平衡线的交点衡线的交点yxAIxiyi6一、气体吸收一、气体吸收2 2、物理吸收传质计算、物理吸收传质计算吸收操作线方程：吸收操作线方程：)(11XGLsYXGLsYBB塔内任一截面上气液两相组成塔内任一截面上气液两相组成: 在
5、吸收塔任何断面上，气相中污染在吸收塔任何断面上，气相中污染物减少的量等于液相中增加的量物减少的量等于液相中增加的量 在整个吸收过程中，吸收剂和混合在整个吸收过程中，吸收剂和混合气体中惰性成分的总量不变气体中惰性成分的总量不变 物料恒算：物料恒算：7)()(1S1BXXLYYG一、气体吸收一、气体吸收2 2、物理吸收传质计算、物理吸收传质计算吸收操作线方程：吸收操作线方程：逆流吸收塔的操作线逆流吸收塔的操作线并流吸收塔的操作线是怎样的？并流吸收塔的操作线是怎样的？吸收推动力)(11XGLsYXGLsYBB8一、气体吸收一、气体吸收2 2、物理吸收传质计算、物理吸收传质计算吸收剂用量：吸收剂用量：
6、当出塔吸收液浓度当出塔吸收液浓度X1和进塔气相和进塔气相中吸收质浓度中吸收质浓度Y1成平衡，成平衡，X1 =X1*吸收液的吸收能力得到充分发挥吸收液的吸收能力得到充分发挥 ，对应液气比为最小液气比：对应液气比为最小液气比：21*21min)(XXYYGLsB9一、气体吸收一、气体吸收2 2、物理吸收传质计算、物理吸收传质计算吸收塔设计：吸收塔设计：（1 1）吸收塔的塔径：根据空塔气速确定）吸收塔的塔径：根据空塔气速确定（2 2）吸收塔的塔高：）吸收塔的塔高：yy*T12)()(NHYYdYaKGzYYyHy气相总传质单元高度，反映了吸收设备传质效能气相总传质单元高度，反映了吸收设备传质效能的高
7、低的高低Ny气相总传质单元数，反映了吸收过程的难易程度气相总传质单元数，反映了吸收过程的难易程度10一、气体吸收一、气体吸收2 2、物理吸收传质计算、物理吸收传质计算吸收塔设计：吸收塔设计：（3 3）传质单元数的求取：）传质单元数的求取： 对数平均法：对数平均法：在相平衡线近似为直线的情况下，在相平衡线近似为直线的情况下，m12yYYYN*11*22*11*22mln)()(YYYYYYYYYm12xXXXN*11*22*11*22mln)()(XXXXXXXXXYXAB Y=Y-Y* Y1 Y212)(*yYYYYdYN11一、气体吸收一、气体吸收2 2、物理吸收传质计算、物理吸收传质计算吸
8、收塔设计：吸收塔设计：（3 3）传质单元数的求取：）传质单元数的求取：12)(*yYYYYdYN 图解积分法：图解积分法：12一、气体吸收一、气体吸收3 3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算化学反应对吸收的影响化学反应对吸收的影响极慢反应极慢反应水吸收水吸收SO2缓慢反应缓慢反应Na2CO3吸收吸收CO2 较快反应较快反应 NaOH吸收吸收CO2 瞬时反应瞬时反应 碱液吸收碱液吸收SO2 13一、气体吸收一、气体吸收3 3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算化学吸收速率化学吸收速率物理吸收时：物理吸收时：化学吸收时，由于液相发生化学反应，传质分系数和传化学吸收时，由于液相发生化学反应，传质分
9、系数和传质推动力增大：质推动力增大：化学吸收速率：化学吸收速率： 由于化学反应使吸收速率增强的系数由于化学反应使吸收速率增强的系数)()(AAiLAAiLcckcckN)(AAiLcckNAAiAAiLLcccckk)(AAiLcckN14一、气体吸收一、气体吸收3 3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算气液平衡气液平衡平衡浓度计算平衡浓度计算平衡分压与平衡溶解度之间的关系平衡分压与平衡溶解度之间的关系l溶于液相的溶质量：溶于液相的溶质量： CA=A物理平衡物理平衡+A化学消耗化学消耗 l被吸收组分的气液平衡关系取决于相平衡，又被吸收组分的气液平衡关系取决于相平衡，又服从化学平衡服从化学平衡l
10、一般化学反应一般化学反应l被吸收组分与溶剂相互作用被吸收组分与溶剂相互作用l被吸收组分在溶液中离解被吸收组分在溶液中离解l被吸收组分与溶剂中活性组分作用被吸收组分与溶剂中活性组分作用 15一、气体吸收一、气体吸收3 3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算气液平衡气液平衡 一般化学反应一般化学反应亨利定律：亨利定律：A=HApA* abdcAAkBDCHp/1*1badcBADCk化学平衡：化学平衡：abdckBDCA/1得到：得到：16一、气体吸收一、气体吸收3 3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算气液平衡气液平衡 被吸收组分被吸收组分A与溶剂与溶剂B的相互作用：水吸收氨的相互作用：水吸收氨
11、 )1 (*BkHCpAAA 被吸收组分被吸收组分A在溶液中解离：水吸收在溶液中解离：水吸收CO2、SO2 )4()2()1 ( 21*AAAAAAAKCKKCHBkp 被吸收组分被吸收组分A与溶剂中活性组分与溶剂中活性组分B作用：作用：若物理溶解量可忽略不计：若物理溶解量可忽略不计： *A*ABB*ApkpkCRCC11001k1=kHA17k:化学反应平衡常数化学反应平衡常数11BkBkkKA主要参数主要参数G1 、 G2入塔、出塔气体的入塔、出塔气体的总摩尔流率，总摩尔流率，kmol/(m2h)y1、y2入塔、出塔气体的入塔、出塔气体的SO2摩尔分率摩尔分率pH1浆液的初始浆液的初始pH
12、值值W单位时间通过塔任一截单位时间通过塔任一截面单位面积的吸收剂体积面单位面积的吸收剂体积流率，流率，m3/m2h气体进口气体进口G1,y1气体出口气体出口G2,y2液体进口液体进口W2,x2液体出口液体出口W1,x1dzzx, yW一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算18(1) 气相气相SO2的物料衡算的物料衡算气体进口气体进口G1,y1气体出口气体出口G2,y2液体进口液体进口W2,x2液体出口液体出口W1,x1dzzx, yW一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算19(2) (2
13、) 化学反应平衡化学反应平衡 20水吸收水吸收SO2的平衡常数的平衡常数一、气体吸收一、气体吸收SO2溶于水形成的各种物质浓溶于水形成的各种物质浓度度(pSO2S为液体上方为液体上方SO2分压分压) SO2H2O=KhspSO2SHSO3-=KhsKs1pSO2s/H+SO32-=KhsKs1Ks2pSO2s/H+23、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算(2) (2) 化学反应平衡化学反应平衡 一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算如吸收剂中活性组分为碱如吸收剂中活性组分为碱MOH，离解：，离解： MOH=M+
14、1+OH-1水的离解平衡常数：水的离解平衡常数： KW =OH-1?H+1任意时间溶液的电荷守恒：任意时间溶液的电荷守恒： H+M+=OH-+HSO3-+2SO32- 即：即：H+M+=KW/H+1-KhsKs1pSO2s/H+2KhsKs1Ks2pSO2s/H+2 2122(3) 在塔底（在塔底（z=ZT）和）和z之间计算之间计算SO2的物料平衡的物料平衡 气体进口气体进口G1,y1气体出口气体出口G2,y2液体进口液体进口W2,x2液体出口液体出口W1,x1dzzx, yW由塔底随气相进入的由塔底随气相进入的SO2 + z处随液相进入的处随液相进入的SO2 =塔底随液相流出的塔底随液相流出
15、的SO2+ z处随气相流出的处随气相流出的SO2z处随气相流出的SO2=G1(1-y1)y/(1-y)塔底随液相流出的塔底随液相流出的SO2=G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)z处随液相进入的处随液相进入的SO2=W(SO2H2O+HSO3-+SO32-)将化学平衡关系将化学平衡关系SO2H2O=KhspSO2S HSO3-=KhsKs1pSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2pSO2s/H+2代入代入一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算23(3) 在塔底（在塔底（z=ZT）和）和z之间计算之间计算SO2的物料平衡的物料
16、平衡 一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算得到：得到：G1y1+WKhspSO2s(1+Ks1/H+2Ks1Ks2/H+2) =G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)+G1(1-y1)y/(1-y) 令令=H+ ；A=KW/H+1-H+1；B=KhsKs1； C=KhsKs1Ks2；D=G1(1-y1)/W；E=y2/(1-y2) 则质量守恒关系简化为：则质量守恒关系简化为：)1(222EyyCBKDphssso24(4) 计算吸收塔高度计算吸收塔高度 一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算
17、化学吸收计算 质量守恒关系：质量守恒关系： 电荷守恒关系：电荷守恒关系： 两式联立，得：两式联立，得： )1(222EyyCBKDphsssoCBKApWsso2232积分即可得塔高：积分即可得塔高：上式又可写为：上式又可写为： 边界条件：边界条件：)(1)(ffyECBDCBKKAf)2()()(22hsW23)(dd)(12mzmTT0012dd)()(zzmm25一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算y1=0.2，y2=0.01，pH1=11，气体摩尔流量在，气体摩尔流量在0.0060.015kmol/(m2s)之间变化，水的体积流量
18、为之间变化，水的体积流量为2030m3/(m2h)。利用例。利用例7-1的吸收系的吸收系数方程式计算填料层高度数方程式计算填料层高度zT。26一、气体吸收一、气体吸收3、化学吸收传质计算、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算化学吸收计算不同气体流量下填料层高度随浆液初始不同气体流量下填料层高度随浆液初始pH的变化的变化27一、气体吸收一、气体吸收4、吸收设备和工艺、吸收设备和工艺吸收剂的选择吸收剂的选择常见气态污染物与适宜的吸收剂常见气态污染物与适宜的吸收剂污染物污染物适宜的吸收剂适宜的吸收剂污染物污染物适宜的吸收剂适宜的吸收剂氯化氢氯化氢水、氢氧化钙水、氢氧化钙氨氨水、硫酸、硝酸水、硫酸、硝酸
19、氟化氢氟化氢水、碳酸钠水、碳酸钠苯酚苯酚氢氧化钠氢氧化钠二氧化硫二氧化硫氢氧化钠、亚硫酸钠、氢氧氢氧化钠、亚硫酸钠、氢氧化钙、碳酸钙化钙、碳酸钙有机酸有机酸氢氧化钠氢氧化钠硫化氢硫化氢二乙醇胺、氨水、碳酸钠二乙醇胺、氨水、碳酸钠硫醇硫醇次氯酸钠次氯酸钠氯气氯气氢氧化钠、亚硫酸钠氢氧化钠、亚硫酸钠(a)填料塔；填料塔；(b)板式塔；板式塔；(c)降膜塔；降膜塔；(d)喷雾塔；喷雾塔；(e)鼓泡塔；鼓泡塔；(f)搅拌鼓泡搅拌鼓泡塔塔；(g)文丘里洗涤器文丘里洗涤器一、气体吸收一、气体吸收4、吸收设备和工艺、吸收设备和工艺吸收设备吸收设备28一、气体吸收一、气体吸收4、吸收设备和工艺、吸收设备和工艺
20、吸收工艺流程吸收工艺流程 除尘除尘在吸收塔前增设预洗涤塔，采取将吸收置于预洗涤塔之在吸收塔前增设预洗涤塔，采取将吸收置于预洗涤塔之上，两塔合为一体，下段为预洗段，上段为吸收段上，两塔合为一体，下段为预洗段，上段为吸收段采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态污染物采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态污染物 烟气的预冷却烟气的预冷却一般将高温烟气冷却到一般将高温烟气冷却到333K 左右左右冷却烟气的方法：在低温省煤器中间接冷却、直接增湿冷却烟气的方法：在低温省煤器中间接冷却、直接增湿冷却、用预洗涤塔冷却、用预洗涤塔(或预洗涤段或预洗涤段)除尘增湿降温除尘增湿降温29一、气体吸收一、气体吸
21、收4、吸收设备和工艺、吸收设备和工艺吸收工艺流程吸收工艺流程 结垢和堵塞结垢和堵塞控制溶液或料浆中水分的蒸发量控制溶液或料浆中水分的蒸发量控制溶液控制溶液pH值值控制溶液中易于结晶物质不要过饱和控制溶液中易于结晶物质不要过饱和保持溶液有一定的晶种保持溶液有一定的晶种严格除尘，控制进入吸收系统的尘量严格除尘，控制进入吸收系统的尘量 设备结构上设计或选择不易结垢和堵塞的吸收器设备结构上设计或选择不易结垢和堵塞的吸收器 30一、气体吸收一、气体吸收4、吸收设备和工艺、吸收设备和工艺吸收工艺流程吸收工艺流程 除雾除雾雾气中所含液滴的直径主要在雾气中所含液滴的直径主要在1060m之间，工艺上之间，工艺上
22、要对吸收设备提出除雾的要求要对吸收设备提出除雾的要求 气体再加热气体再加热烟气在洗涤中被冷却增湿，如果排入大气后，在一定烟气在洗涤中被冷却增湿，如果排入大气后，在一定的气象条件下，将发生的气象条件下，将发生“白烟白烟”白烟没有充分稀释之前如果回到地面，容易出现较高白烟没有充分稀释之前如果回到地面，容易出现较高浓度的污染浓度的污染防止发生白烟的措施？防止发生白烟的措施？31气体吸收气体吸收气体吸附气体吸附气体的催化净化气体的催化净化本章主要内容本章主要内容321 1、吸附原理、吸附原理2 2、吸附剂、吸附剂3 3、吸附速率、吸附速率4 4、吸附工艺与设备计算、吸附工艺与设备计算二、气体吸附二、气
23、体吸附33常见吸附剂的性能常见吸附剂的性能二、气体吸附二、气体吸附342、吸附剂、吸附剂静活性：静活性：在一定温度下，与气体中在一定温度下，与气体中吸附质的初始浓度达到平衡时单位吸附质的初始浓度达到平衡时单位吸附剂上可能吸附的最大吸附量吸附剂上可能吸附的最大吸附量吸附剂的活性吸附剂的活性动活性：动活性：吸附床发生泄漏时，吸附床发生泄漏时，单位质量吸附剂的平均吸附量单位质量吸附剂的平均吸附量二、气体吸附二、气体吸附352、吸附剂、吸附剂 初选：吸附质极性、分子大小、气体浓度、净化要求初选：吸附质极性、分子大小、气体浓度、净化要求 吸附剂可获得性、价格吸附剂可获得性、价格 活性试验：吸附剂的性质活
24、性试验：吸附剂的性质 寿命实验：使用寿命和脱附性能寿命实验：使用寿命和脱附性能 全面评估：活性、使用寿命、脱附状况、价格、运费全面评估：活性、使用寿命、脱附状况、价格、运费吸附质吸附质吸附剂吸附剂分子量大的有机物分子量大的有机物/非极性分子非极性分子极性分子极性分子大分子物质大分子物质小分子物质小分子物质活性炭活性炭分子筛分子筛/硅胶硅胶/活性氧化铝活性氧化铝大孔径的活性炭和硅胶大孔径的活性炭和硅胶分子筛分子筛二、气体吸附二、气体吸附36吸附剂的选择吸附剂的选择2、吸附剂、吸附剂加热、降压、置换、溶剂萃取加热、降压、置换、溶剂萃取再生剂：水蒸汽、空气再生剂：水蒸汽、空气适合用水蒸汽再生的吸附质
25、适合用水蒸汽再生的吸附质丙酮丙酮苯苯粗苯粗苯溴氯甲烷溴氯甲烷丁醇丁醇四氯化碳四氯化碳二硫化碳二硫化碳二氧化碳二氧化碳汽油汽油碳卤化合物碳卤化合物庚烷庚烷己烷己烷 脂族烃脂族烃芳族烃芳族烃异丙醇异丙醇酮类酮类醋酸乙酯醋酸乙酯乙醇乙醇二氯化乙烯二氯化乙烯氟代烃氟代烃丁酮丁酮二氯甲烷二氯甲烷二乙醚二乙醚甲醇甲醇氯苯氯苯全氯乙烯全氯乙烯甲苯甲苯粗甲苯粗甲苯三氯乙烷三氯乙烷三氯乙烯三氯乙烯二甲苯二甲苯混合二甲苯混合二甲苯四氢呋喃四氢呋喃二、气体吸附二、气体吸附37吸附剂的再生吸附剂的再生2、吸附剂、吸附剂3、吸、吸附速率附速率吸附过程吸附过程二、气体吸附二、气体吸附38物理吸附速率方程物理吸附速率方程二
26、、气体吸附二、气体吸附393、吸附速率、吸附速率二、气体吸附二、气体吸附40物理吸附速率方程物理吸附速率方程3、吸附速率、吸附速率dMAdtKYap(YAYA*)KXap(XA*XA)二、气体吸附二、气体吸附41物理吸附速率方程物理吸附速率方程3、吸附速率、吸附速率mMMMYKtMAAAA)(dd式中：式中： K化学平衡常数化学平衡常数M系统平衡时的吸附量，系统平衡时的吸附量，kg/m3动力学过程控制：动力学过程控制：二、气体吸附二、气体吸附42化学化学吸吸附速率方程附速率方程3、吸附速率、吸附速率活性炭吸活性炭吸附二氧化硫、二硫化碳、甲苯及附二氧化硫、二硫化碳、甲苯及氨的氨的吸附速吸附速率率
27、: : dMAdtk(MMA)tn k, n常数常数对上式积分，可得对上式积分，可得lnMMMAktn4、吸附工艺与设备计算、吸附工艺与设备计算 固定床吸附器固定床吸附器立式立式环式环式卧式卧式二、气体吸附二、气体吸附43吸附设备与工艺吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算、吸附工艺与设备计算 旋转床吸旋转床吸附器附器二、气体吸附二、气体吸附44吸附设备与工艺吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算、吸附工艺与设备计算 移动床吸附器移动床吸附器二、气体吸附二、气体吸附45吸附设备与工艺吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算、吸附工艺与设备计算 流化流化床床吸吸附器附器分分置在筛孔板上的吸附剂颗粒，在置
28、在筛孔板上的吸附剂颗粒，在高速含污染物气体的作用下，强烈高速含污染物气体的作用下，强烈搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化状态状态。气气体流体流速是固定床的速是固定床的3 34 4倍倍传热传质速率快，温度均匀传热传质速率快，温度均匀适于适于连续性、大气量的污染连续性、大气量的污染源源吸吸附剂磨损严重，排出气体含附剂磨损严重，排出气体含有吸附剂粉末，需要加装除尘有吸附剂粉末，需要加装除尘设备设备二、气体吸附二、气体吸附46吸附设备与工艺吸附设备与工艺 吸附流程与设备选择吸附流程与设备选择气态污染物的排放特征：连续气态污染物的排放特征：连续/ /间歇间歇排气量大小：排气量大
29、小：大大流化床流化床/ /移动床移动床小小旋转床旋转床/ /薄层床薄层床允许的压力损失：允许的压力损失：大大流化床流化床/ /厚层固定床厚层固定床小小旋转床旋转床/ /薄层床薄层床净化要求：高净化要求：高多级流动床吸附器多级流动床吸附器/ /厚床吸附器厚床吸附器二、气体吸附二、气体吸附474、吸附工艺与设备计算、吸附工艺与设备计算吸附设备与工艺吸附设备与工艺 吸附流程要求吸附流程要求二、气体吸附二、气体吸附484、吸附工艺与设备计算、吸附工艺与设备计算吸附设备与工艺吸附设备与工艺除雾除雾：活性炭要求气：活性炭要求气体相对湿度体相对湿度15mm。催化剂的颗粒直径不得超过管内径催化剂的颗粒直径不得
30、超过管内径的的1/8，一般为，一般为26 mm的颗粒。的颗粒。优点：传热效果好优点：传热效果好缺点：结构比较复杂，不易在高缺点：结构比较复杂，不易在高压下操作压下操作97三、气体催化净化三、气体催化净化 固定床反应器固定床反应器3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 列管式反应器列管式反应器98三、气体催化净化三、气体催化净化 流化床催化反应器流化床催化反应器3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 自由床自由床流化床内除分布板和旋风分流化床内除分布板和旋风分离器外，没有其它构件离器外，没有其它构件床中催化剂被反应气体密相床中催化剂被反应气体密相流化，例如乙炔与醋酸生成流化，
31、例如乙炔与醋酸生成醋酸乙烯醋酸乙烯利用气体自下而上通过团体颗粒利用气体自下而上通过团体颗粒层而使固体颗粒处于悬浮运动状层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气团相反应的装置。态，并进行气团相反应的装置。99三、气体催化净化三、气体催化净化 流化床催化反应器流化床催化反应器3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 设有内部构件的流化床设有内部构件的流化床床内设有换热管、挡板的流化床床内设有换热管、挡板的流化床应用最广泛，例如丙烯睛合成应用最广泛，例如丙烯睛合成优点：优点：可以使用粒度很小的固体颗粒，有可以使用粒度很小的固体颗粒，有利于消除内扩散阻力，充分发挥催化利于消除内扩散阻力，充分发
32、挥催化剂表面利用率；剂表面利用率；传热系数比固定床大得多，当大量传热系数比固定床大得多，当大量反应热放出时，能够很快传出；反应热放出时，能够很快传出；在催化剂必须定期再生，特别是催在催化剂必须定期再生，特别是催化剂活性消失很快而需及时进行再生化剂活性消失很快而需及时进行再生的情况下，具有优越性。的情况下，具有优越性。100三、气体催化净化三、气体催化净化 流化床催化反应器流化床催化反应器3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计缺点：缺点：气固接触严重不均，导致气固接触严重不均，导致转化率低；转化率低；固体颗粒间以及颗粒和器固体颗粒间以及颗粒和器壁间的磨损产生大量细粉，壁间的磨损产生大量
33、细粉，被气体夹带而出，必须设置被气体夹带而出，必须设置除尘装置；除尘装置；流化床反应器的放大远较流化床反应器的放大远较固定床反应器困难。固定床反应器困难。 调查核实所处理废气的组成、浓度、温度、湿度、含调查核实所处理废气的组成、浓度、温度、湿度、含氧量、含尘量等，特别要注意引起催化剂中毒物质的氧量、含尘量等，特别要注意引起催化剂中毒物质的含量含量 选择催化剂选择催化剂 根据反应热的大小、反应对温度的敏感程度、催化剂根据反应热的大小、反应对温度的敏感程度、催化剂的活性温度范围，选择反应器的结构类型的活性温度范围，选择反应器的结构类型 根据催化剂性能及催化反应确定预热温度、压力、空根据催化剂性能及
34、催化反应确定预热温度、压力、空速等反应条件及催化剂用量；速等反应条件及催化剂用量； 尽量降低反应器阻力尽量降低反应器阻力 反应器应易于操作，安全可靠反应器应易于操作，安全可靠 结构简单，造价低廉，运行与维护费用低结构简单，造价低廉，运行与维护费用低101三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 催化反应器的设计步骤催化反应器的设计步骤停留时间：反应物通过催化床的时间停留时间：反应物通过催化床的时间对于薄层床以外的其他固定床反应器，简化为活塞流反对于薄层床以外的其他固定床反应器，简化为活塞流反应器应器102VR催化剂体积催化剂体积,m3 催化床空隙率催化床
35、空隙率,%Q反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量, m3/h QRVt三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 催化反应器的设计基础催化反应器的设计基础103三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 催化反应器的设计基础催化反应器的设计基础空间速度：空间速度：单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积VR催化剂体积催化剂体积,m3qN标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量,m3/h接触时间：接触时间：空间速度的倒数，表征气体在催化反应器中空间速度的倒数，表征气体在
36、催化反应器中的停留时间的停留时间，= 1 / Wsp =VR / qNRNspVqW将催化床作为一个整体将催化床作为一个整体利用利用实验或工厂现有装置所得的实验或工厂现有装置所得的经验参数设计经验参数设计通过中间实验确定最佳工艺条件通过中间实验确定最佳工艺条件104VR催化剂体积催化剂体积， m3qN标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量，m3/hWSP空间速度空间速度，1/h 催化剂装量催化剂装量SPNWqV R三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 催化剂装量的经验计算催化剂装量的经验计算105三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反
37、应器的设计气固相催化反应器的设计 催化剂装量的经验计算催化剂装量的经验计算催化床层高催化床层高 其中空隙率其中空隙率 s，p-催化堆积密度与颗粒密度，催化堆积密度与颗粒密度，kg/m3221441DVDVLRRps1106三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 催化剂装量的数学模型计算催化剂装量的数学模型计算绝热固定床或反应热效应小的催化床，轴向温差可忽略不计绝热固定床或反应热效应小的催化床，轴向温差可忽略不计，以化学动力学为控制步骤，以化学动力学为控制步骤WR催化剂装量催化剂装量 Q气体体积流量气体体积流量,m3/h反应体系中各种气体分子的总摩尔数反
38、应体系中各种气体分子的总摩尔数AAA0RrdxNdW xrdxNW0AAA0RnnnxNkQkCr1A0AAinPRTQin107三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 催化剂装量的数学模型计算催化剂装量的数学模型计算转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差：转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差： 反应的热效应反应的热效应, ,kJ/mol；N0总的分子流量总的分子流量, ,mol/h 混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,kJ/(molK) yA0物料物料A A的初始摩尔分率的初始摩尔分率0000 xxHCNNTTrP
39、A00 xxHCyrPA 对总分子数不变的反应体系，反应气流温度变化对总分子数不变的反应体系，反应气流温度变化rHPC108三、气体催化净化三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计气固相催化反应器的设计 其它应该注意的问题其它应该注意的问题 催化剂装填时自由落下的高度应小于催化剂装填时自由落下的高度应小于0.6m，强度高的催，强度高的催化剂也不应超过化剂也不应超过1m；床层装填一定要均匀，床层厚度不；床层装填一定要均匀，床层厚度不要超过催化剂的抗压强度所能承受的范围；要超过催化剂的抗压强度所能承受的范围； 反应床内气流分布要均匀，在进口前有反应床内气流分布要均匀，在进口前有10倍于管径的直倍
40、于管径的直管段，或采用气流分布器；管段，或采用气流分布器； 对正常运行条件下催化剂的逐渐失活，设计上要考虑补对正常运行条件下催化剂的逐渐失活，设计上要考虑补偿，或提供适当高度的保护层，或适当提高温度；偿，或提供适当高度的保护层，或适当提高温度； 进行预净化，避免过多的外来物粘在催化剂表面。进行预净化，避免过多的外来物粘在催化剂表面。 对腐蚀气体要采用涂层或内衬结构，设计上要解决好涂对腐蚀气体要采用涂层或内衬结构，设计上要解决好涂层与内衬的修补和更换问题；层与内衬的修补和更换问题； 提供可靠的催化剂活化条件和再生条件。提供可靠的催化剂活化条件和再生条件。1. 用双膜理论解释化学吸收的传质机理。2. 吸收操作线有什么特征？与气液平衡线有什么关系？3. 在什么情况下具有化学反应吸收过程的相平衡方程式为线性方程？在什么情况下是非线性关系？4. 应用吸附平衡数据能否顺利进行吸附系统的设计？为什么？5. 试推导郎格谬尔等温吸附线方程和BET等温吸附线方程？它们在实际应用中有何重要意义？6. 什么是催化剂的活性、选择性和稳定性？催化剂的活性一般如何表示？7. 为什么说气固催化反应过程的总反应速度受三个过程的影响？受哪三个过程的影响？109思考题思考题
