1、第第7 7章章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础l教学内容教学内容:l气体扩散气体扩散 l气体吸收气体吸收 l气体吸附气体吸附 l气体催化净化气体催化净化l教学重点教学重点l掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程本原理和过程 l了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性 l教学重点教学重点l初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器第第7章章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础(3)l4气体催化净化气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气固相催化反应器
2、的设计教学重点：催化作用原理、多相催化反应的物理化学过程及动力学方程、气固相催化反应器的设计计算与结构类型选择教学难点：多相催化反应的物理化学过程及动力学方程、气固相催化反应器的设计计算与结构类型选择4 气体催化净化气体催化净化l含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质物转化为无害或易于处理的物质l应用应用工业尾气和烟气去除SO2和NOx有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化催化净化工艺催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺 燃 烧 的 富 含SO
3、2的尾气水含 有 约 为 初始进气SO2浓度3%的尾气含有约为初始进气SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：420550223SO1/2OSOVanadium 3224SOH OH SO催化净化工艺催化净化工艺催化剂：Pt(Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3 等VOCs的催化氧化催化净化工艺催化净化工艺NOxNH3 filter Combustor MixerReactorNOx的选择性催化还原（的选择性催化还原（SCR）32228NH6NO7N12H O3224NH6NO5N6H O催化剂200300：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al
4、2O3(TiO2,V2O5)32228NH6NO7N12H O3224NH6NO5N6H O催化剂200300：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)催化净化工艺催化净化工艺l车用催化转化器车用催化转化器一一、催化作用和催化剂催化作用和催化剂l催化作用催化作用改变反应历程，降低活化能提高反应速率 （阿累尼乌斯方程）l 显著特征显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡选择性exp()EKART催化剂催化剂l加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质保持不变的物质l组成组成活性组分 助催化剂 载体催化剂的性能催化剂
5、的性能l活性活性RWAtW100B 反应所得目的产物摩尔数通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数l选择性选择性100B 反应所得目的产物摩尔数通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数l选择性选择性催化剂的性能催化剂的性能l稳定性稳定性热稳定性、机械稳定性和化学稳定性表示方法：寿命老化l活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等中毒l对大多数催化剂，毒物：对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb气固催化反应动力学气固催化反应动力学l反应过程反应过程(1)反应物从气流主体-催化剂外表面(2)进一步向催化剂的微孔内扩散(3)反应物在催化剂的表面上
6、被吸附(4)吸附的反应物转为为生成物(5)生成物从催化剂表面脱附下来(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散(7)生成物从外表面扩散到气流主体(1),(7)：外扩散；：外扩散；(2),(6)内扩散内扩散(3),(4),(5)：动力学过程：动力学过程主气流微孔固相催化剂粒子示意图催化剂反应动力学催化剂反应动力学l催化剂中的催化剂中的浓度分布浓度分布催化剂反应动力学催化剂反应动力学催化剂反应动力学催化剂反应动力学二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程l表面化学反应速率表面化学反应速率l对于催化床对于催化床AARddNrV A0A0AA0A0RddddddddxNxNxxrNcVA LQ tt二、催
7、化反应动力学方程二、催化反应动力学方程l宏观动力学方程宏观动力学方程外扩散的传质速率AGeaAGAS()vK SCCK KGG扩散系数，扩散系数，扩散系数，扩散系数，m/hm/hS Se e单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，mm2 2/m/m3 3a a催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形a a1 1C CAGAG主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3C CASAS催化剂外表面
8、上催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3AGeaAGAS()vK SCCK KGG扩散系数，扩散系数，扩散系数，扩散系数，m/hm/hS Se e单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，mm2 2/m/m3 3a a催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形a a1 1C CAGAG主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3C
9、 CASAS催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程l宏观动力学方程宏观动力学方程内扩散反应速率AsiAS()vK S f CK Ks s反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数S Si i单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积,mm2 2/m/m3 3f f与与与与浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数AsiAS()
10、vK S f CK Ks s反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数S Si i单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积,mm2 2/m/m3 3f f与与与与浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数浓度分布有关的函数二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程l催化剂有效系数催化剂有效系数 反应催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响 在内扩散的影响下l催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度衡浓度l催化剂
11、内表面积并未充分利用催化剂内表面积并未充分利用l值较小值较小sAS0sASi()d()isK f CSK f CS实际反应速率按外表面反应物浓度计算得到的理论反应速率二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程l催化剂有效系数催化剂有效系数 实验测定计算法l等温一级不可逆反应，球形催化剂等温一级不可逆反应，球形催化剂l若若 s很小，很小，1，说明内扩散的影响可以忽略；，说明内扩散的影响可以忽略；反之不容忽视反之不容忽视sss1vsseff311()tannnK cRD s s齐勒模数齐勒模数齐勒模数齐勒模数R R催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度K Kv v反应速率常数反
12、应速率常数反应速率常数反应速率常数D Deffeff内扩散系数内扩散系数内扩散系数内扩散系数计算法l等温一级不可逆反应，球形催化剂等温一级不可逆反应，球形催化剂l若若 s很小，很小，1，说明内扩散的影响可以忽略；，说明内扩散的影响可以忽略；反之不容忽视反之不容忽视sss1vsseff311()tannnK cRD s s齐勒模数齐勒模数齐勒模数齐勒模数R R催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度K Kv v反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数D Deffeff内扩散系数内扩散系数内扩散系数内扩散系数二、催化反应动力学方程二、催化反应动力学方程l催化剂有效系数催化剂
13、有效系数 一级不可逆反应内外扩散的影响内外扩散的影响l外扩散控制外扩散控制降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：KG消除方法l提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度l气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除下限流速响消除下限流速内外扩散的影响内外扩散的影响l内扩散控制内扩散控制降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：消除方法l尽量减小催化剂颗粒大小尽量减小催化剂颗粒大小l粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除响消除三、催
14、化反应器的设计三、催化反应器的设计l设计基础设计基础停留时间l决定反应的转化率决定反应的转化率l由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定式决定R/tVQV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,mm3 3Q Q反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量,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催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,mm3 3Q Q反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积
15、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,%,%三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计l设计基础设计基础反应器的流动模型l活塞流、混合流活塞流、混合流l实际流态介于两者之间实际流态介于两者之间l反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异l不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布应的统计分布停留时间分布函数停留时间分布函数l工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器高比大的固定床活塞流反应器三、催化反应
16、器的设计三、催化反应器的设计l设计基础设计基础空间速度l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spNR/WQVspRN1/WVQV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,mm3 3Q QN N标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量,mm3 3/h/hl接触时间空间速度的倒数接触时间空间速度的倒数spRN1/WVQV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,mm3 3Q QN N标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量,mm3 3/h/
17、hl接触时间空间速度的倒数接触时间空间速度的倒数三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计l经验计算法经验计算法l将催化床作为一个整体将催化床作为一个整体l利用经验参数设计利用经验参数设计l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Rsp/VQ WV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,mm3 3Q Q反应气体体积流量反应气体体积流量反应气体体积流量反应气体体积流量,mm3 3/h/hWWSPSP空间速度，空间速度，空间速度，空间速度，1/1/h hl催化剂装量催化剂装量Rsp/VQ WV VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,mm3 3Q Q反应气体体积
18、流量反应气体体积流量反应气体体积流量反应气体体积流量,mm3 3/h/hWWSPSP空间速度，空间速度，空间速度，空间速度，1/1/h hl催化剂装量催化剂装量三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计l数学模型法数学模型法l反应的动力学方程反应的动力学方程 物料流动方程物料衡算物料流动方程物料衡算热量衡算热量衡算l反应热效应小的催化床反应热效应小的催化床等温分布计算等温分布计算ARA00AAAAAA0d(1)xnnnixWNrrk Ck QNxRTQnPWWR R催化剂重量催化剂重量催化剂重量催化剂重量,kgkgQ Q气体体积流量气体体积流量气体体积流量气体体积流量,mm3 3/h/h反应体系
19、中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数inARA00AAAAAA0d(1)xnnnixWNrrk Ck QNxRTQnPWWR R催化剂重量催化剂重量催化剂重量催化剂重量,kgkgQ Q气体体积流量气体体积流量气体体积流量气体体积流量,mm3 3/h/h反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数inWWR R催化剂重量催化剂重量催化剂重量催化剂重量,kgkgQ Q气体体积流量气体体积流量气体体积流量气体体积流量,mm3 3/h/
20、h反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数in三、催化反应器的设计三、催化反应器的设计l数学模型法数学模型法l转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差轴向温差l轴向等温分布计算轴向等温分布计算ArA0ArA0rA0PARA0A0d()d()()dddxQrVHNxHNHxN CTxVNr反应的热效应反应的热效应反应的热效应反应的热效应,kJ/molkJ/molN N0 0总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量,mol/hmol/h混合气体
21、的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,kJ/(molkJ/(mol K)K)rHPCArA0ArA0rA0PARA0A0d()d()()dddxQrVHNxHNHxN CTxVNr反应的热效应反应的热效应反应的热效应反应的热效应,kJ/molkJ/molN N0 0总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量,mol/hmol/h混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,kJ/(molkJ/(mol K)K)rHPC反应的热效应反应的热效应反应的热效应反应的热效应,kJ/molkJ/molN
22、 N0 0总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量,mol/hmol/h混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,kJ/(molkJ/(mol K)K)rHPC固定床反应器固定床反应器l最主要的气固相催化反应器最主要的气固相催化反应器优点:l流体接近于平推流，返混小，反应速度较快流体接近于平推流，返混小，反应速度较快l固定床中催化剂不易磨损，可长期使用固定床中催化剂不易磨损，可长期使用l停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率缺点:l传热差传热差(热效应大的反
23、应，传热和温控是难点热效应大的反应，传热和温控是难点)l催化剂更换需停产进行催化剂更换需停产进行固定床反应器固定床反应器l单层绝热反应器单层绝热反应器结构简单，造价低廉，气流阻力小内部温度分布不均用于化学反应热效应小的场合固定床反应器固定床反应器l多段绝热反应器多段绝热反应器相邻两段之间引入热交换(a)直接换热直接换热(b)间接换热间接换热固定床反应器固定床反应器l列管式反应器列管式反应器用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合l 其他反应器其他反应器径向反应器薄层床反应器自热式反应器反应器类型的选择反应器类型的选择根据反应热的大小和对温度的要求，选择反应器的结构类型尽量降低反应器阻力反应
24、器应易于操作，安全可靠结构简单，造价低廉，运行与维护费用经济固定床的阻力计算固定床的阻力计算l颗粒固定床，欧根（颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：）公式：23semsem(1)150/1.75(1)HvPfdfRd vRP P床层阻力床层阻力床层阻力床层阻力,PaPaHH床床床床高高高高,mmv v空床流速空床流速空床流速空床流速,m/sm/s气体粘度气体粘度气体粘度气体粘度,PaPa s s气体密度气体密度气体密度气体密度,kg/mkg/m3 3d ds s颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径,mm空床孔隙率空床孔隙率空床孔隙率空床孔隙率
25、,%,%23semsem(1)150/1.75(1)HvPfdfRd vRP P床层阻力床层阻力床层阻力床层阻力,PaPaHH床床床床高高高高,mmv v空床流速空床流速空床流速空床流速,m/sm/s气体粘度气体粘度气体粘度气体粘度,PaPa s s气体密度气体密度气体密度气体密度,kg/mkg/m3 3d ds s颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径,mm空床孔隙率空床孔隙率空床孔隙率空床孔隙率,%,%固定床的阻力计算固定床的阻力计算实际计算应根据温度和流量的变化，将床层分段计算 阻力与床高和空塔气速的平方成正比，即与截面积的三次方成反比 与粒径成反比 与孔隙率的三次方成反比23s(1)HvPfd本章小结本章小结l掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程原理和过程 l了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性 l初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器l作业题作业题:P301-303 :P301-303 1 1、2、6、12
