气态污染物控制技术基础第二部分解析ppt课件

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第七章 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2气体吸收本章主要内容21、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学3、气固相催化反应器的设计、气固相催化反应器的设计三、气体催化净化三、气体催化净化31、催化原理和催化剂三、气体催化净化31 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂借助催化剂的催化作用，使气态污染物在催化剂表面发生借助催化剂的催化作用，使气态污染物在催化剂表面发生化学反应，而转化为无害或易于处理的物质的净化方法化学反应，而转化为无害或易于处理的物质的净化方法催化原理：改变反催化原理：改变反应历程，降低活化应历程，降低活化能，提高反应速度能，提高反应速度反应速度常数随活化反应速度常数随活化能降低呈指数增长能降低呈指数增长三、气体催化净化三、气体催化净化4催化原理催化原理1、催化原理和催化剂借助催化剂的催化作用，使气态污染物在催化1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够反复催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够反复利用，所以一般情况下催化剂的用量很少。利用，所以一般情况下催化剂的用量很少。催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改变反催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改变反应的产物。应的产物。对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态，即不对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态，即不改变化学平衡关系。改变化学平衡关系。催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般只能催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般只能催化特定的一个或一类反应。催化特定的一个或一类反应。三、气体催化净化三、气体催化净化5催化原理催化原理催化反应的基本特征催化反应的基本特征1、催化原理和催化剂催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能优点：优点：对不同浓度的污染物具有很高转化率；对不同浓度的污染物具有很高转化率；污染物与主气流不需要分离，避免二次污染；污染物与主气流不需要分离，避免二次污染；操作过程简单。操作过程简单。缺点：缺点：催化剂较贵，且废气预热需耗一定能量，费用增加。催化剂较贵，且废气预热需耗一定能量，费用增加。应用：应用：工业尾气和烟气去除工业尾气和烟气去除SO2和和NOx有机挥发性气体有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化汽车尾气的催化净化三、气体催化净化三、气体催化净化61 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂催化原理催化原理优点：三、气体催化净化61、催化原理和催化剂催化原理催化剂催化剂定义定义加速化学反应，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存在状态存在状态气态、液态或固态气态、液态或固态形状形状颗粒状（球形、圆柱形、条形）、网状、片状颗粒状（球形、圆柱形、条形）、网状、片状和蜂窝状等和蜂窝状等物质组成物质组成一种物质、几种物质一种物质、几种物质三、气体催化净化三、气体催化净化71 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂催化剂定义加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不催化剂的组成催化剂的组成活性组分活性组分 载体载体 助催化剂助催化剂 催化剂的主体催化剂的主体可单独作为催化剂可单独作为催化剂本身无活性，提高活性本身无活性，提高活性组分的催化能力组分的催化能力K2SO4、Na2O、K2O承载催化剂活性组分和助催承载催化剂活性组分和助催化剂的成分，起增加催化剂化剂的成分，起增加催化剂的比表面积、节约活性组分、的比表面积、节约活性组分、加强传热、提高稳定性和机加强传热、提高稳定性和机械强度、延长催化剂寿命等械强度、延长催化剂寿命等作用作用三、气体催化净化三、气体催化净化8催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂催化剂的组成催化剂的主体本身无活性，提高活性组分的催化能力K用用 途途主要活性物质主要活性物质载载 体体助催化剂助催化剂SO2氧化成氧化成SO3V2O5 612%SiO2K2O或或Na2OHC和和CO氧化氧化为为CO2和和H2OPt、Pd、RhNi、NiOCuO、Cr2O3、Mn2O3和稀土类氧化物和稀土类氧化物Al2O3苯、甲苯氧化苯、甲苯氧化为为CO2和和H2OPt、Pd等等Ni或或Al2O3CuO、Cr2O3、MnO2Al2O3汽车排气中汽车排气中HC和和CO的氧化的氧化V2O5 47%CuO 37%Al2O3SiO2Pt 0.010.015%NOX还原为还原为N2Pt 或或Pd 0.5%Al2O3SiO2Al2O3MgO、NiCuCrO2Al2O3SiO2Al2O3MgO三、气体催化净化三、气体催化净化9催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂用 途主要活性物质载 体助催化剂SO2氧化成SO3V催化剂的性能催化剂的性能活性活性：衡量催化剂效能大小的指标：衡量催化剂效能大小的指标 转化率转化率单位体积单位体积(或质量或质量)催化剂在一定条件催化剂在一定条件(温度、压力、空速和温度、压力、空速和反应物浓度反应物浓度)下，单位时间内所得的产品量下，单位时间内所得的产品量W产品质量产品质量WR催化剂质量催化剂质量t反应时间反应时间反应物通过催化剂床层后消耗量与进入反应器的反应物反应物通过催化剂床层后消耗量与进入反应器的反应物总量之比总量之比三、气体催化净化三、气体催化净化10催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂催化剂的性能活性：衡量催化剂效能大小的指标单位体积(或质量)选择性选择性当化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化当化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作用剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作用活性活性提高产品产量提高产品产量选择性选择性提高原料利用率提高原料利用率 Ni 常压常压，250度度 Cu，140-290 atm 300-400度度CH4CH3OHCO+H2三、气体催化净化三、气体催化净化11催化剂的性能催化剂的性能催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂选择性当化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定稳定性稳定性表示方法：催化剂寿命表示方法：催化剂寿命催化剂在化学反应过程中保持活性的能力催化剂在化学反应过程中保持活性的能力热稳定性热稳定性机械稳定性机械稳定性化学稳定性化学稳定性影响因素影响因素老化：老化：在正常工作条件下逐渐失去活性的过程在正常工作条件下逐渐失去活性的过程低熔点活性组分的流失、催化剂烧结、低温表面积炭结焦、低熔点活性组分的流失、催化剂烧结、低温表面积炭结焦、内部杂质向表面迁移、冷热应力交替作用所造成的机械性粉碎内部杂质向表面迁移、冷热应力交替作用所造成的机械性粉碎中毒：中毒：反应物中少量的杂质使催化剂活性迅速下降反应物中少量的杂质使催化剂活性迅速下降暂时中毒；永久中毒：暂时中毒；永久中毒：HCN、CO、H2S、S、As、Pb三、气体催化净化三、气体催化净化12催化剂的性能催化剂的性能催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂稳定性催化剂在化学反应过程中保持活性的能力热稳定性机械稳定性常用催化剂的使用温度常用催化剂的使用温度催化催化剂品种品种活性活性组分含量分含量/%90%转化温度化温度/C最高使用温度最高使用温度/CPtAl2O30.10.5250300650PdAl2O30.10.5250300650PdNi、Cr丝网网0.10.5250300650Pd蜂蜂窝陶瓷陶瓷0.10.5250300650Mn、CuAl2O3510350400650Mn、Cu、Cr-Al2O3510350400650MnCu、Co-Al2O3510350400650Mn、FeAl2O3510350400650稀土催化稀土催化剂510350400700锰矿石石颗粒粒2535300350500三、气体催化净化三、气体催化净化13催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂常用催化剂的使用温度催化剂品种活性组分含量/%90%转化温度催化剂配方的实验室研制催化剂配方的实验室研制基本原料的选择基本原料的选择杂质的去除杂质的去除把提纯后的物质转变为所需要的化合物，使其成为微粒、把提纯后的物质转变为所需要的化合物，使其成为微粒、颗粒或薄膜，或将其沉积在载体上颗粒或薄膜，或将其沉积在载体上载体在使用前要经过一定的预处理，如水洗、酸洗、碱载体在使用前要经过一定的预处理，如水洗、酸洗、碱洗、煅烧等，以保证其稳定性洗、煅烧等，以保证其稳定性将成型后的催化剂进一步处理，如焙烧、还原、氧化、将成型后的催化剂进一步处理，如焙烧、还原、氧化、硫化、羟基化等，使之具有一定性质和数量的活性中心，硫化、羟基化等，使之具有一定性质和数量的活性中心，即活化即活化三、气体催化净化三、气体催化净化14催化剂的制备催化剂的制备催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂催化剂配方的实验室研制三、气体催化净化14催化剂的制备催化剂制备方法：制备方法：浸渍法、沉淀法、溶胶凝胶法、喷涂法、浸渍法、沉淀法、溶胶凝胶法、喷涂法、微波法微波法浸渍法：浸渍法：浸渍负载浸渍负载活性物质活性物质硝酸盐、醋酸盐、铵盐；硝酸盐、醋酸盐、铵盐；分步浸渍或将多种活性组分制成杂多酸溶液一次浸渍；分步浸渍或将多种活性组分制成杂多酸溶液一次浸渍；采用氧化铝载体时，载体应先用水处理。采用氧化铝载体时，载体应先用水处理。煅烧活化煅烧活化除掉易挥发组分，使催化剂有稳定的活性；除掉易挥发组分，使催化剂有稳定的活性；使催化剂形成一定的晶型结构，保持适宜的孔隙结构和比使催化剂形成一定的晶型结构，保持适宜的孔隙结构和比表面积表面积提高催化剂的机械强度；提高催化剂的机械强度；煅烧温度过高可能出现烧结现象，使活性降低。煅烧温度过高可能出现烧结现象，使活性降低。15三、气体催化净化三、气体催化净化催化剂的制备催化剂的制备催化剂催化剂1 1、催化原理和催化剂、催化原理和催化剂制备方法：浸渍法、沉淀法、溶胶凝胶法、喷涂法、微波法15三(1)反应物从气流主体反应物从气流主体催化剂外表面催化剂外表面(2)进一步向催化剂的微孔内扩散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被吸附反应物在催化剂的表面上被吸附(4)吸附的反应物转化为生成物吸附的反应物转化为生成物(5)生成物从催化剂表面脱附下来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：动力学过程主主气气流流微孔微孔固相固相催化剂粒子示意图催化剂粒子示意图三、气体催化净化三、气体催化净化16气固催化反应过程气固催化反应过程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学(1)反应物从气流主体催化剂外表面主气流微孔固相催化剂粒子l催化剂中的浓度分布催化剂中的浓度分布三、气体催化净化三、气体催化净化17气固催化反应过程气固催化反应过程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学催化剂中的浓度分布三、气体催化净化17气固催化反应过程2、气气固催化反应的控制步骤：速度最慢的步骤气固催化反应的控制步骤：速度最慢的步骤三、气体催化净化三、气体催化净化18气固催化反应过程气固催化反应过程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学不同控制过程反应物的浓度不同控制过程反应物的浓度气固催化反应的控制步骤：速度最慢的步骤三、气体催化净化18气aAbB lLmM动力学方程式：反应速度与反应物浓度间函数关系动力学方程式：反应速度与反应物浓度间函数关系基于非均匀表面的幂指数型基于非均匀表面的幂指数型可逆反应速率方程为：可逆反应速率方程为：基元反应：基元反应：A Bn级不可逆反应，级不可逆反应，幂指数形式的动幂指数形式的动力学方程为：力学方程为：非基元反应，幂指数需要实验测定非基元反应，幂指数需要实验测定化学反应动力学方程化学反应动力学方程三、气体催化净化三、气体催化净化192 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学aAbB lLmM动力学方程式：反应速SO2催化氧化动力学方程催化氧化动力学方程如不考虑逆反应，以产物如不考虑逆反应，以产物SO3生成表示的反应速率为：生成表示的反应速率为：a、b、l幂指数，对不同催化剂而言有不同值幂指数，对不同催化剂而言有不同值当采用钒催化剂，实验测得：当采用钒催化剂，实验测得：a=0.8，b=1，l=0.8：三、气体催化净化三、气体催化净化化学反应动力学方程化学反应动力学方程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学20SO2催化氧化动力学方程如不考虑逆反应，以产物SO3生成表示设设SO2的转化率为的转化率为x,a、b为为SO2和和O2的初始浓度，则：的初始浓度，则：以转化率来表示动力学方程以转化率来表示动力学方程:影响反应速度的因素有影响反应速度的因素有:反应速度常数反应速度常数k、平衡转化、平衡转化率率x*、瞬时转化率、瞬时转化率x和气体起始组成。和气体起始组成。三、气体催化净化三、气体催化净化SO2催化氧化动力学方程催化氧化动力学方程化学反应动力学方程化学反应动力学方程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学21设SO2的转化率为x,a、b为SO2和O2的初始浓度，则SO2在钒催化剂上的反应速度常数在钒催化剂上的反应速度常数温度温度,k温度温度,k温度温度,k3904004104204300.250.340.430.550.694404504604755000.871.051.321.752.905255505756004.67.010.515.2三、气体催化净化三、气体催化净化SO2催化氧化动力学方程催化氧化动力学方程化学反应动力学方程化学反应动力学方程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学22SO2在钒催化剂上的反应速度常数温度,k温度,k温度,平衡转化率与温度和压力的关系平衡转化率与温度和压力的关系温度，温度，压力压力,MPa0.10.51.02.55.010.04004505005506000.99150.97500.93060.84920.72610.99610.98200.96750.92520.85200.99720.99200.97670.94560.88970.99840.99460.98520.96480.92670.99880.99620.98940.97480.94680.99920.99720.99250.98200.9616当炉气的起始组成当炉气的起始组成SO2为为7.5%,O2为为10.5%,N2为为82%时时三、气体催化净化三、气体催化净化SO2催化氧化动力学方程催化氧化动力学方程化学反应动力学方程化学反应动力学方程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学23平衡转化率与温度和压力的关系温度，压力,MPa0.10.5三、气体催化净化三、气体催化净化化学反应动力学方程化学反应动力学方程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学 二二氧氧化化硫硫催催化化氧氧化化反反应应速速率率24三、气体催化净化化学反应动力学方程2、气固催化反应动力学 二催化剂有效系数：等温时，催化剂内颗催化剂有效系数：等温时，催化剂内颗粒中的实际反应速度与按外表面反应组粒中的实际反应速度与按外表面反应组分浓度及催化剂内表面积计算的理论反分浓度及催化剂内表面积计算的理论反应速率之比应速率之比反应物反应物浓度高浓度高反应物反应物浓度低浓度低内外反应速率不一致内外反应速率不一致内表面不能全部发挥效能内表面不能全部发挥效能ks-按单位内表面积计算的反应速率常数按单位内表面积计算的反应速率常数f(cAS)-按外表面上反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数按外表面上反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数f(cA)-按催化剂颗粒内反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数按催化剂颗粒内反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数Si-单位体积催化剂床层中催化剂的内表面积单位体积催化剂床层中催化剂的内表面积三、气体催化净化三、气体催化净化25内扩散过程对表面反应速率的影响内扩散过程对表面反应速率的影响2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学催化剂有效系数：等温时，催化剂内颗粒中的实际反应速度与按外表催化剂有效系数催化剂有效系数 实验测定实验测定:首先测得颗粒的实际反应速度首先测得颗粒的实际反应速度p，然后将颗粒逐级压碎，使其内表面然后将颗粒逐级压碎，使其内表面转变为外表面，在相同条件下分别转变为外表面，在相同条件下分别测定反应速度，直至反应速度不再测定反应速度，直至反应速度不再变，这时的速度即为消除了内扩散变，这时的速度即为消除了内扩散影响的反应速度影响的反应速度s，则，则=p/s。三、气体催化净化三、气体催化净化26有内扩有内扩散阻力散阻力无内扩散无内扩散阻力阻力0ps内扩散过程对表面反应速率的影响内扩散过程对表面反应速率的影响2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学催化剂有效系数三、气体催化净化26有内扩散阻力无内扩散阻力 s齐勒模数齐勒模数R催化剂特征长度催化剂特征长度,球形颗粒半径球形颗粒半径ks反应速率常数反应速率常数Deff内扩散系数内扩散系数n 反应级数反应级数 计算法计算法等温一级不可逆反应，球形催化剂等温一级不可逆反应，球形催化剂三、气体催化净化三、气体催化净化27催化剂有效系数催化剂有效系数 内扩散过程对表面反应速率的影响内扩散过程对表面反应速率的影响2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学s齐勒模数 计算法三、气体催化净化27催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数 完全取决于齐完全取决于齐勒模数勒模数齐勒模数小，则内扩散可忽略齐勒模数小，则内扩散可忽略不同形状催化剂上进行一级不可逆反应时的不同形状催化剂上进行一级不可逆反应时的 三、气体催化净化三、气体催化净化28内扩散过程对表面反应速率的影响内扩散过程对表面反应速率的影响2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学催化剂有效系数完全取决于齐勒模数三、气体催化净化28内扩散催化剂有效系数催化剂有效系数：受内扩散影响的反应速率与不受内扩散影响的反应速率之比受内扩散影响的反应速率与不受内扩散影响的反应速率之比接近或等于接近或等于1时，反应过程属化学反应动力学控制时，反应过程属化学反应动力学控制 若若远小于远小于1，则为内扩散控制，则为内扩散控制工业上工业上 一般在一般在0.20.8之间之间齐勒模数：齐勒模数：反映反应速率与扩散速率对过程影响程度的参数反映反应速率与扩散速率对过程影响程度的参数 s很小时，扩散速率大于反应速率，属化学反应控制，很小时，扩散速率大于反应速率，属化学反应控制，1随着随着 s的增大，扩散过程对整个过程的影响逐渐增大，当的增大，扩散过程对整个过程的影响逐渐增大，当 s很大时，反应受内扩散控制，此时很大时，反应受内扩散控制，此时1/s 三、气体催化净化三、气体催化净化29内扩散过程对表面反应速率的影响内扩散过程对表面反应速率的影响2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学催化剂有效系数：齐勒模数：三、气体催化净化29内扩散过程对外扩散的传质速率外扩散的传质速率kG以浓度差为推动力的扩散系数以浓度差为推动力的扩散系数，m/hSe单位体积催化剂的外表面积单位体积催化剂的外表面积，m2/m3 催化剂外表面的有效表面积系数；催化剂外表面的有效表面积系数；球形球形=1，无定形颗粒无定形颗粒=0.9，片状颗粒片状颗粒=0.81CAg、CAs 气相主体和催化剂外表面上反应物气相主体和催化剂外表面上反应物A的浓度的浓度，mol/m3三、气体催化净化三、气体催化净化30外扩散控制的反应速率方程外扩散控制的反应速率方程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学外扩散的传质速率kG以浓度差为推动力的扩散系数，m/h三、对于整个反应过程而言，稳定状态下：对于整个反应过程而言，稳定状态下：推动力推动力阻力阻力外扩散阻力外扩散阻力化学反应阻力化学反应阻力内扩散阻力内扩散阻力三、气体催化净化三、气体催化净化31总反应速率总反应速率2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学对于整个反应过程而言，稳定状态下：推动力外扩散阻力化学反应内外扩散的影响内外扩散的影响内扩散控制内扩散控制降低催化剂内部反应物浓度，从而降低反应速度降低催化剂内部反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：催化剂有效系数表现因数：催化剂有效系数消除方法消除方法尽量减小催化剂颗粒大小尽量减小催化剂颗粒大小粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除三、气体催化净化三、气体催化净化32总反应速率总反应速率2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学内外扩散的影响内扩散控制三、气体催化净化32总反应速率2、气外扩散控制外扩散控制降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：外扩散传质系数表现因数：外扩散传质系数KG消除方法消除方法提高气速，以增强湍流程度，减小气膜厚度提高气速，以增强湍流程度，减小气膜厚度气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除三、气体催化净化三、气体催化净化33外扩散的影响外扩散的影响总反应速率总反应速率2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学外扩散控制三、气体催化净化33外扩散的影响总反应速率2、气固以以A B的反应为例讨论反应速度的表达式的反应为例讨论反应速度的表达式单位反应体积中某反应物数量随时间的变化率单位反应体积中某反应物数量随时间的变化率NA反应物反应物A的流量的流量，kmol/h;V反应气体体积反应气体体积，m3工程上常以反应物的转化率工程上常以反应物的转化率x来表示来表示转化率与反应物流量之间的关系转化率与反应物流量之间的关系：三、气体催化净化三、气体催化净化34表观化学反应速率方程表观化学反应速率方程2 2、气固催化反应动力学、气固催化反应动力学以A B的反应为例讨论反应速度的表达式NA反应固定床反应器固定床反应器优点优点:结构简单结构简单催化剂不易磨损，可长期使用催化剂不易磨损，可长期使用流体接近于活塞流，返混小，反应速度较快流体接近于活塞流，返混小，反应速度较快停留时间可严格控制，高选择性和转化率停留时间可严格控制，高选择性和转化率缺点缺点:传热差传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点热效应大的反应，传热和温控是难点)催化剂更换需停产进行催化剂更换需停产进行35三、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固定床反应器优点:35三、气体催化净化3、气固相催化反应单段绝热反应器单段绝热反应器不与外界进行任何热量交换。对于不与外界进行任何热量交换。对于放热反应，反应过程中所放出的热放热反应，反应过程中所放出的热量完全用来加热系统内的物料。量完全用来加热系统内的物料。结构简单，造价低廉结构简单，造价低廉内部温度分布不均内部温度分布不均用于化学反应热效应小的场合用于化学反应热效应小的场合36三、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单段绝热反应器36三、气体催化净化固定床反应器3、气固相催37三、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多段绝热反应器：相邻两段之间引入热交换多段绝热反应器：相邻两段之间引入热交换37三、气体催化净化固定床反应器3、气固相催化反应器的设计管内装催化剂，管外装载热体。管内装催化剂，管外装载热体。管径管径20mm 30mm以上，以上，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38三、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管内装催化剂，管外装载热体。优点：传热效果好38三、气体催化39三、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，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。39三、气体催化净化流化床催化反应器3、气固相催化反应器的40三、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40三、气体催化净化流化床催化反应器3、气固相催化反应器的优点：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。41三、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。优点：41三、气体催化净化流化床催化反应器3、气固相催化反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42三、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43VR催化剂体积催化剂体积,m3 催化床空隙率催化床空隙率,%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 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停留时间：反应物通过催化床的时间43VR催化剂体积,m3三44三、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，表征气体在催化反应器中的停留时间的停留时间，=1/Wsp =VR/qN44三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化反应器的将催化床作为一个整体将催化床作为一个整体利用实验或工厂现有装置所得的经验参数设计利用实验或工厂现有装置所得的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45VR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将催化床作为一个整体45VR催化剂体积，m3 催化剂装46三、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/m346三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化剂装量的47三、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应体系中各种气体分子的总摩尔数47三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化剂装量的48三、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 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48三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化剂装量的49三、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催化化剂剂装装填填时时自自由由落落下下的的高高度度应应小小于于0.6m，强强度度高高的的催催化化剂剂也也不不应应超超过过1m；床床层层装装填填一一定定要要均均匀匀，床床层层厚厚度度不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；反反应应床床内内气气流流分分布布要要均均匀匀，在在进进口口前前有有10倍倍于于管管径径的的直直管段，或采用气流分布器；管段，或采用气流分布器；对对正正常常运运行行条条件件下下催催化化剂剂的的逐逐渐渐失失活活，设设计计上上要要考考虑虑补补偿，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。对对腐腐蚀蚀气气体体要要采采用用涂涂层层或或内内衬衬结结构构，设设计计上上要要解解决决好好涂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。49三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计其它应该注意