氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化

第七章氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)(3)氣體催化凈化催化作用和催化劑氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)氣－固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!概述：1、催化轉(zhuǎn)化法：依靠催化劑的催化用作，使氣態(tài)污染物進(jìn)行某些化學(xué)反應(yīng)而去除污染物的凈化方法。①將污染物直接轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)②將污染物轉(zhuǎn)化為易被除去的物質(zhì)或更易回收的物質(zhì)，如：②適合進(jìn)行氧化——還原反應(yīng)的污染物去除2、特點(diǎn)：①凈化效率高，投資高，運(yùn)行費(fèi)用高。結(jié)果：第四節(jié)氣體催化凈化氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!應(yīng)用工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2和NOx有機(jī)揮發(fā)性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化汽車尾氣的催化凈化氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!①主活性物質(zhì)：能加快反應(yīng)速度的物質(zhì)。可作為催化劑單獨(dú)使用。催化劑的核心。②助催化劑：本身沒(méi)有活性，但它的存在可提高或增大主活性物質(zhì)的催化劑性能。加放少量的作用：提高活性組分的分散度。使催化劑具有較大的表面積。改善催化劑的性能(活性、選擇性)，增加催化劑的機(jī)械強(qiáng)度，耐磨性，硬度，熱穩(wěn)定性。③載體：承載主活性物質(zhì)和助催化劑的物質(zhì)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!催化凈化工藝段間冷卻的四層催化床第二級(jí)催化床預(yù)除塵和水分填充床吸收塔填充床吸收塔來(lái)自冶煉廠或硫磺燃燒的富含SO2的尾氣水含有約為初始進(jìn)氣SO2濃度3%的尾氣含有約為初始進(jìn)氣SO2濃度0.3%的尾氣水單級(jí)吸收工藝二級(jí)吸收工藝SO2單級(jí)和二級(jí)凈化工藝的流程圖催化反應(yīng)：420～550℃氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!催化凈化工藝NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的選擇性催化還原（SCR）氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!氣體催化凈化催化作用改變反應(yīng)歷程，降低活化能提高反應(yīng)速率（阿累尼烏斯方程）顯著特征對(duì)于正逆反應(yīng)的影響相同，不改變化學(xué)平衡選擇性氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!

由于催化劑的加入，形成了中間產(chǎn)物，使反應(yīng)的途徑發(fā)生了變化，降低了反應(yīng)所需的活化能2、催化作用的特征：(1)只能加快化學(xué)反應(yīng)速度，縮短平衡所需時(shí)間，但平衡不發(fā)生移動(dòng)。(2)具有特殊的選擇性化學(xué)本質(zhì)：非催化條件加入催化劑活化能小氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!①單位體積(質(zhì)量)催化劑在一定條件下，單位時(shí)間內(nèi)所得到的產(chǎn)品數(shù)量。二、催化劑的性能：(1)活性：催化劑的活性是平衡量催化劑催化效能大小的標(biāo)準(zhǔn)活性的表示方法——活性

kg/h·g—催化劑質(zhì)量(g)W—產(chǎn)品質(zhì)量—反應(yīng)時(shí)間h氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!

(2)催化劑的選擇性對(duì)某一特定反應(yīng)起作用—不起作用氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!②催化劑中毒：反應(yīng)物料中少量的雜質(zhì)使催化劑活性迅速下降的現(xiàn)象。永久性中毒：和毒性物質(zhì)的親和能力較強(qiáng)，不可恢復(fù)活性。暫時(shí)性中毒：和毒性物質(zhì)的親和能力較弱，可恢復(fù)活性

中毒的化學(xué)本質(zhì)：活性組分與毒性物質(zhì)具有較強(qiáng)的親和能力。防止催化劑中毒的方法a．選擇抗毒性好的催化劑b．對(duì)氣體進(jìn)行精制，除去毒物，改變流程設(shè)計(jì)如要除去等氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)催化劑中的濃度分布?xì)鈶B(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速度取決于帶^反應(yīng)(最慢反應(yīng))，其它都達(dá)到平衡例：A＋BR＋S表面反應(yīng)控制吸附或脫附控制A的吸附：B的吸附：表面反應(yīng)：R的脫附：S的脫附：氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!⑥反應(yīng)物分子從催化劑內(nèi)部向外表面主氣流擴(kuò)散B內(nèi)擴(kuò)散⑦從外表面向氣相中擴(kuò)散。B外擴(kuò)散氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!分析：①A組分通過(guò)氣膜擴(kuò)散到外表面，為外擴(kuò)散過(guò)程③中心處，由于擴(kuò)散和反應(yīng)的過(guò)程。②外表面通過(guò)微孔向內(nèi)表面擴(kuò)散，由于內(nèi)擴(kuò)散與反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。

對(duì)于不可逆反應(yīng)對(duì)于可逆反應(yīng)(平衡濃度)遠(yuǎn)離反應(yīng)難當(dāng)——接近反應(yīng)易氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!主體邊界中心傳質(zhì)LPAG

b.內(nèi)擴(kuò)散控制總阻力=內(nèi)擴(kuò)散阻力PA*≈≈氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!二、表面反應(yīng)速度和化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程：1、表面化學(xué)反應(yīng)速度(1)表面化學(xué)反應(yīng)速度①靜止體系：?jiǎn)挝豢臻g中反物A隨著時(shí)間的濃度化率—反應(yīng)速度—反應(yīng)物的摩爾數(shù)—反應(yīng)時(shí)間—反應(yīng)空間體積②恒溫過(guò)程(體積不發(fā)生變化)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!

工程上常用轉(zhuǎn)化率來(lái)表示∴——表示瞬間A的流量—反應(yīng)氣流量氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!E—反應(yīng)的活化能(2)反應(yīng)速率常數(shù)T每升高10℃，反應(yīng)可提高2－4倍k與溫度T的關(guān)系，阿侖尼烏斯關(guān)系式a—頻率因數(shù)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!（2）表面反應(yīng)速度（有內(nèi)擴(kuò)散存在）AB受內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速度不受內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速度—以單位催化劑內(nèi)表面積為基準(zhǔn)的表面化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)m/h—催化劑的有效系數(shù)＝越小，說(shuō)明受內(nèi)擴(kuò)散阻力越大時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散阻力為0一般情況下～氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!

當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定傳質(zhì)時(shí)外擴(kuò)散速度＝內(nèi)擴(kuò)散存在的表面反應(yīng)速度代入得令則—表觀反應(yīng)速度常數(shù)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!②減小，只有，能提高反應(yīng)速度。提高內(nèi)表面的利用率，減少催化劑顆粒粒徑。，此時(shí)反應(yīng)的顆粒直徑為最大顆粒直徑（消除內(nèi)擴(kuò)散影響）討論：提高的措施氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)停留時(shí)間決定反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率由催化床的空間體積、物料的體積流量和流動(dòng)方式?jīng)Q定氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)空間速度單位時(shí)間通過(guò)單位體積催化床的反應(yīng)物料體積氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型法反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程＋物料流動(dòng)方程＋物料衡算＋熱量衡算反應(yīng)熱效應(yīng)小的催化床－等溫分布計(jì)算氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!固定床反應(yīng)器最主要的氣固相催化反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn):流體接近于平推流，返混小，反應(yīng)速度較快固定床中催化劑不易磨損，可長(zhǎng)期使用停留時(shí)間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，高選擇性和轉(zhuǎn)化率缺點(diǎn):傳熱差(熱效應(yīng)大的反應(yīng)，傳熱和溫控是難點(diǎn))催化劑更換需停產(chǎn)進(jìn)行氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!固定床反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器相鄰兩段之間引入熱交換(a)直接換熱(b)間接換熱氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!反應(yīng)器類型的選擇根據(jù)反應(yīng)熱的大小和對(duì)溫度的要求，選擇反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型盡量降低反應(yīng)器阻力反應(yīng)器應(yīng)易于操作，安全可靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用經(jīng)濟(jì)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!固定床的阻力計(jì)算實(shí)際計(jì)算應(yīng)根據(jù)溫度和流量的變化，將床層分段計(jì)算阻力與床高和空塔氣速的平方成正比，即與截面積的三次方成反比與粒徑成反比與孔隙率的三次方成反比氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!催化劑是由多種物質(zhì)組成復(fù)雜體系，有的只是一種物質(zhì)，其中固體催化劑應(yīng)用最廣，由主活性物質(zhì)，助催化劑，載體組成。催化劑和催化作用一、催化劑及其組成1、催化劑定義（固體多見(jiàn)）能加快化學(xué)反應(yīng)速度，而本身的化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)稱之為催化劑。2、催化劑的組成氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!③應(yīng)為顆粒狀或成型體的惰性物質(zhì)。載體滿足的條件：①多孔的具有較大的比表面積；②具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，耐熱、導(dǎo)熱性好；顆粒：柱形，球形，片狀，條形，粒形成型體：鎳鉻片網(wǎng)屜Pt/AL2O3陶瓷棒嵌磚

蜂窩陶瓷體常用的材料有硅澡土、硅膠、活性炭、分子篩及某些金屬氧化物。氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!催化凈化工藝催化劑：Pt(Pd,過(guò)渡金屬，稀土)/Al2O3等VOCs的催化氧化氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!催化凈化工藝車用催化轉(zhuǎn)化器氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!多相催化劑：反應(yīng)物與催化劑為不同相，觸媒。均相催化劑：反應(yīng)物與催化劑為同相催化作用及其特征1、催化作用：催化劑在化學(xué)反應(yīng)中所起的作用稱催化作用由反應(yīng)物與催化劑的相態(tài)分為2、催化作用的特征：氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!同一催化劑對(duì)不同的反應(yīng)，其活性不同CH4CH3OH選擇性：相同的反應(yīng)物，不同的催化劑，產(chǎn)物不同不反應(yīng)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!反應(yīng)物反應(yīng)了的量mol通過(guò)床層的總反應(yīng)物的量mol工業(yè)催化劑的活性，常把產(chǎn)品的產(chǎn)量換算為轉(zhuǎn)化率100%②實(shí)驗(yàn)室中用比活性—比表面積—比活性氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!(3)催化劑的穩(wěn)定性催化劑在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中保持活性的能力，衡量催化劑的穩(wěn)定性常用催化劑的壽命來(lái)表示：影響催化劑壽命因素催化劑的老化催化劑中毒①催化劑的老化：在正常工作條件下逐漸失去活性的過(guò)程因素：低熔點(diǎn)活性組分的流失，內(nèi)部雜質(zhì)向表面的遷移，冷熱交替作用造成的機(jī)械性粉碎等因素，結(jié)焦。防止老化：在正常的活性溫度范圍內(nèi)，防止結(jié)焦。氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過(guò)程(1)反應(yīng)物從氣流主體-催化劑外表面(2)進(jìn)一步向催化劑的微孔內(nèi)擴(kuò)散(3)反應(yīng)物在催化劑的表面上被吸附(4)吸附的反應(yīng)物轉(zhuǎn)為為生成物(5)生成物從催化劑表面脫附下來(lái)(6)脫附生成物從微孔向外表面擴(kuò)散(7)生成物從外表面擴(kuò)散到氣流主體 (1),(7)：外擴(kuò)散；(2),(6)內(nèi)擴(kuò)散 (3),(4),(5)：動(dòng)力學(xué)過(guò)程主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!表面反應(yīng)過(guò)程多相催化反應(yīng)的物理化學(xué)過(guò)程及動(dòng)力學(xué)方程一、氣固相反應(yīng)的物理化學(xué)過(guò)程及控制步驟1、步驟的過(guò)程①反應(yīng)物分子從氣相主體通過(guò)氣膜擴(kuò)散至催化劑表面②反應(yīng)物分子通過(guò)催化劑外表面通過(guò)微孔向催化劑的內(nèi)表面擴(kuò)散③反應(yīng)物被催化劑表面吸附④反應(yīng)物分子在催化劑表面上發(fā)生化⑤反應(yīng)物分子脫離開(kāi)催化劑表面B學(xué)反應(yīng)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!綜上所述：整個(gè)催化反應(yīng)的速度受三個(gè)過(guò)程的影響。外擴(kuò)散過(guò)程內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程表面反應(yīng)過(guò)程─化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程其中阻力最大的過(guò)程控制著氣固催化反應(yīng)速度(1)一般分布規(guī)律(三種阻力并存)2、反應(yīng)物的濃度分布球形催化劑氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!濃度PAGPASPA*氣相邊界中心傳質(zhì)距離從濃度分布來(lái)看氣相主體＞外表面＞內(nèi)表面＞中心∴氣固催化反應(yīng)速度=外擴(kuò)散速度+內(nèi)擴(kuò)散速度+反應(yīng)速度總阻力=外擴(kuò)散阻力+內(nèi)擴(kuò)散阻力+反應(yīng)阻力a．外擴(kuò)散控制總阻力=外擴(kuò)散阻力≈≈總速度=外擴(kuò)散速度氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!邊界中心PAG主體傳質(zhì)距離PA*C．表面反應(yīng)控制，(化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制)總阻力=表面反應(yīng)阻力總速度=表面反應(yīng)速度氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!③對(duì)流動(dòng)氣體，因反應(yīng)時(shí)間不易確定—反應(yīng)物的流量

(2)催化劑表面化學(xué)反應(yīng)速度的表示方法常用單位體積和單位質(zhì)量表示催化劑參數(shù)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!

2、表面反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)力學(xué)方程的形式從研究反應(yīng)速度和反應(yīng)物濃度的關(guān)系來(lái)考慮——假設(shè)反應(yīng)不可逆對(duì)于基元反應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)為對(duì)于非基元反應(yīng)通過(guò)中間反應(yīng)，間接生成，其中由實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)于可逆反應(yīng)——?dú)鈶B(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散表面反應(yīng)氣膜外擴(kuò)散反應(yīng)物（氣相）催化劑表面生成物（固體表面）CAGCASCAC

三、氣固催化反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)方程1、一般形式—以濃度差為推動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)—單位體積催化劑的外表面積—催化劑顆粒的形狀系數(shù)，球形，無(wú)定形也稱催化劑的有效表面系數(shù)—組分的傳遞速度（1）外擴(kuò)散速度氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)反應(yīng)催化劑微孔內(nèi)濃度分布對(duì)反應(yīng)速率的影響在內(nèi)擴(kuò)散的影響下催化劑微孔內(nèi)表面上反應(yīng)物很低，沿微孔方向降至平衡濃度催化劑內(nèi)表面積并未充分利用η值較小h=實(shí)際反應(yīng)速率按外表面反應(yīng)物濃度計(jì)算得到的理論反應(yīng)速率氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)一級(jí)不可逆反應(yīng)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!討論：提高的措施

①減少，只能增大說(shuō)明膜厚越小，其值增量越大，這時(shí)增大氣流通過(guò)催化劑表面當(dāng)時(shí)說(shuō)明轉(zhuǎn)化率，但不能無(wú)限提高，當(dāng)增大到某一值時(shí)，阻力不發(fā)生變化，x也恒定，此速度為消除外擴(kuò)散速度的最大氣流速度。氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁(yè)!

動(dòng)力學(xué)控制）1、外擴(kuò)散控制時(shí)，2、內(nèi)擴(kuò)散控制時(shí)，3、內(nèi)外擴(kuò)散的阻力較小，則為表面反應(yīng)控制（化學(xué)氣態(tài)污染物控制技術(shù)-催化共58頁(yè)，您現(xiàn)在瀏