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单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第7章 气态污染物控制技术基础,教学内容:,气体扩散,气体吸收,气体吸附,气体催化净化,教学重点,掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程,了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性,教学重点,初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器,第7章 气态污染物控制技术基础(3),4,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,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,应用,工业尾气和烟气去除SO,2,和NO,x,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,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,2,的尾气,水,含有约为初始进气SO,2,浓度3%的尾气,含有约为初始进气SO,2,浓度0.3%的尾气,水,单级吸收工艺,二级吸收工艺,SO,2,单级和二级净化工艺的流程图,催化反应：420550,催化净化工艺,催化剂：Pt (Pd,过渡金属，稀土)/Al,2,O,3,等,VOCs的催化氧化,催化净化工艺,NO,x,NH,3,filter,Combustor,Mixer,Reactor,NO,x,的选择性催化还原（SCR）,催化净化工艺,车用催化转化器,一,、,催化作用和催化剂,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,）,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,催化剂,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,组成,活性组分 助催化剂 载体,催化剂的性能,活性,W,产品质量,W,R,催化剂质量,t,反应时间,催化剂的性能,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,活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等,中毒,对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H,2,S、S、As、Pb,气固催化反应动力学,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；(2),(6)内扩散,(3),(4),(5)：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,催化剂中的浓度分布,催化剂反应动力学,催化剂反应动力学,反应速度取决于带,反应(最慢反应)，其它都达到平衡,例：AB,RS,表面反应控制 吸附或脱附控制,A的吸附：,B的吸附：,表面反应：,R的脱附：,S的脱附：,二、催化反应动力学方程,表面化学反应速率,对于催化床,N,A,反应物,A,的流量，kmol/h,N,A0,反应物,A,的初始流量，kmol/h,V,R,反应气体体积，m,3,x,转化率,L,反应床长度，m,A,反应床截面积，m,2,Q,反应气体流量，m,3,t,接触时间，h,c,A0,反应物的初始浓度,kmol/m,3,二、催化反应动力学方程,宏观动力学方程,外扩散的传质速率,二、催化反应动力学方程,宏观动力学方程,内扩散反应速率,二、催化反应动力学方程,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,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,催化剂内表面积并未充分利用,值较小,二、催化反应动力学方程,催化剂有效系数,实验测定,二、催化反应动力学方程,催化剂有效系数,一级不可逆反应,内外扩散的影响,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：,K,G,消除方法,提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度,气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除下限流速,内外扩散的影响,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,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,三、催化反应器的设计,设计基础,停留时间,决定反应的转化率,由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定,三、催化反应器的设计,设计基础,反应器的流动模型,活塞流、混合流,实际流态介于两者之间,反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异,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,停留时间分布函数,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,三、催化反应器的设计,设计基础,空间速度,单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积,三、催化反应器的设计,经验计算法,将催化床作为一个整体,利用经验参数设计,通过中间实验确定最佳工艺条件,三、催化反应器的设计,数学模型法,反应的动力学方程 物料流动方程物料衡算热量衡算,反应热效应小的催化床,等温分布计算,三、催化反应器的设计,数学模型法,转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差,轴向等温分布计算,固定床反应器,最主要的气固相催化反应器,优点:,流体接近于平推流，返混小，反应速度较快,固定床中催化剂不易磨损，可长期使用,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:,传热差(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,固定床反应器,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,多段绝热反应器,相邻两段之间引入热交换,(a)直接换热,(b)间接换热,固定床反应器,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,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,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,颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：,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,本章小结,掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程,了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性,初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器,作业题:P301-303,1,、2、6、12,
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