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文檔簡(jiǎn)介
第十一章氣態(tài)污染物的催化凈化主要內(nèi)容:
第一節(jié):催化作用和催化劑
第二節(jié):氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第三節(jié):氣固催化反應(yīng)器及計(jì)算
第四節(jié):氣態(tài)污染物的催化凈化工藝本章重點(diǎn)與難點(diǎn):1.氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué);2.氣態(tài)污染物的催化凈化工藝;3.選擇性催化還原和非選擇性催化還原法。
第十一章氣態(tài)污染物的催化凈化催化轉(zhuǎn)化:是指廢氣通過(guò)催化劑床層的催化反應(yīng),是其中的污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害或易于處理與回收利用物質(zhì)的凈化方法。優(yōu)點(diǎn):①
對(duì)不同濃度的污染物具有很高轉(zhuǎn)化率;②污染物與主氣流不需要分離,避免了可能產(chǎn)生的第二次污染;③
操作過(guò)程簡(jiǎn)化。缺點(diǎn):催化劑較貴,且廢氣預(yù)熱需耗一定能量,這樣使凈化處理的費(fèi)用增加。第一節(jié)催化作用和催化劑一、催化作用1.概念:化學(xué)反應(yīng)速度因加入某種物質(zhì)而改變,而被加入物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì),在反應(yīng)終止時(shí)不變的作用稱為催化作用2.機(jī)理:通過(guò)加入催化劑,改變了反應(yīng)歷程,降低了反應(yīng)物活化能,從而達(dá)到加快反應(yīng)速度的目的。3.兩個(gè)顯著的特征:1)
催化劑能加速反應(yīng)速度(正、逆)而不能使平衡移動(dòng);2)
催化作用具有特殊的選擇性。二.催化劑(一)
組成主活性組分:催化劑主體,可單獨(dú)作為催化劑;
助催化劑:(1)本身無(wú)活性(2)具有提高活性組分活性的作用;
載體:起支撐活性組分的作用,使催化劑具有合適形狀與粒度,從而有大的比表面積,增大催化劑活性,節(jié)約活性組分用量,并有傳熱、稀釋和增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度作用,可增加延長(zhǎng)催化劑使用壽命。(二)
催化劑的性能主要指:其活性、選擇性和穩(wěn)定性1.活性衡量催化劑效能大小的標(biāo)準(zhǔn)。
公式表示為:
式中:A--------催化劑活性,
kg/(h.g);W--------產(chǎn)品質(zhì)量,
kg;t----------反應(yīng)時(shí)間,
h;WR-------催化劑質(zhì)量,
g。
工業(yè)中,常把產(chǎn)品量換算為轉(zhuǎn)化率X表示
2.催化劑的選擇性選擇性是指若化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上有幾個(gè)反應(yīng)方向時(shí),一種催化劑在一定條件下只對(duì)其中的一個(gè)反應(yīng)起加速作用的特征,表示為:
活性與選擇性是催化劑本身最基本的性能指標(biāo),是選擇和控制反應(yīng)參數(shù)的基本依據(jù),二者均可度量催化劑加速化學(xué)反應(yīng)速度的效果,但反映問(wèn)題的角度不同?;钚?-------催化劑對(duì)提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用;選擇性-----表示催化劑對(duì)提高原料利用率的作用;3.催化劑的穩(wěn)定性
定義:催化劑在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中保持活性的能力。
包括:(1)熱穩(wěn)定性;(2)機(jī)械穩(wěn)定性:(3)抗毒穩(wěn)定性。
影響催化劑壽命的因素主要有:催化劑的老化和中毒。
催化劑的老化:是指催化劑在正常工作條件逐步失去活性過(guò)程。催化劑的中毒:是指反應(yīng)物中少量雜質(zhì)使催化活性迅速下降的現(xiàn)象。
第二節(jié)氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
一.氣固催化反應(yīng)過(guò)程氣固催化反應(yīng)一般經(jīng)歷如下五個(gè)步驟:①外擴(kuò)散過(guò)程:反應(yīng)物從氣相主體到催化劑外表面;②內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程:催化劑外表面到微孔內(nèi)顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng);③化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程:顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)產(chǎn)物離開內(nèi)表面;④內(nèi)擴(kuò)散:產(chǎn)物微孔到外表面;⑤外擴(kuò)散:外表面到氣相主體
吸附過(guò)程:反應(yīng)物在催化及表面上被吸附;
表面過(guò)程:吸附的反應(yīng)物在催化劑表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(表面反應(yīng)過(guò)程);脫附過(guò)程:反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑表面上脫附下來(lái)。上述幾步速度最慢(阻力最大)者決定整個(gè)過(guò)程的總反應(yīng)濃度,這一步稱為控制步驟
二.氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式:1.表面化學(xué)反應(yīng)速率方程式(吸附表面反應(yīng)及脫附)2.受內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率方程
3.外擴(kuò)散控制的速率方程
4.氣固反應(yīng)總速率方程
第三節(jié)
氣固催化反應(yīng)器及設(shè)計(jì)一.氣固催化反應(yīng)器類型與選擇固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn):催化劑不易磨損,使用壽命長(zhǎng);反應(yīng)氣體與催化劑接觸緊密,轉(zhuǎn)化率高等。缺點(diǎn):床層軸向溫度不均勻。分類:(1)絕熱式:
a.單段式;b.多段式;c.列管式;d.徑向式。(2)換熱式。(二)氣固反應(yīng)器的選擇
一般原則:11.根據(jù)催化劑反應(yīng)熱的大小及催化劑的活性溫度范圍,選擇合適的結(jié)構(gòu)類型,保證床層溫度控制在許可的范圍內(nèi)。2.床層阻力應(yīng)盡可能的小.3.在滿足溫度條件下,應(yīng)盡量使催化劑裝填系數(shù)大,以提高設(shè)備利用率,4.反應(yīng)器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于操作,且造價(jià)低廉,安全可靠。二、固定床反應(yīng)器的計(jì)算(一)流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)模型目前有兩種理論模型:①
活塞流反應(yīng)器特點(diǎn):所有粒子通過(guò)反應(yīng)器的時(shí)間完全相同。②
理想混合反應(yīng)器特點(diǎn):反應(yīng)器出口的物料濃度與反應(yīng)器內(nèi)完全相同。如流化床反應(yīng)器、連續(xù)釜反應(yīng)器――――理想混合型;固定床反應(yīng)器(尤其徑高比大的)―――活塞流型(二)固定反應(yīng)器的計(jì)算計(jì)算方法:①經(jīng)驗(yàn)法;②數(shù)學(xué)模型法
1.經(jīng)驗(yàn)法利用實(shí)驗(yàn)或工廠現(xiàn)有裝置所得的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(Vsp,t等)來(lái)設(shè)計(jì)新的反應(yīng)器的一種方法。優(yōu)點(diǎn):計(jì)算簡(jiǎn)便,設(shè)計(jì)可靠,應(yīng)用廣泛;不足之處:要求設(shè)計(jì)條件與原生產(chǎn)工藝條件或中間試驗(yàn)條件盡量保持一致。因此,不宜高倍數(shù)放大,且要求中間試驗(yàn)條件要有足夠的試生產(chǎn)規(guī)模,否則將導(dǎo)致大的誤差。⑴空間速度:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積催化劑能處理的反應(yīng)混合氣體的體積量,即:
⑴
Qn0---標(biāo)況下反應(yīng)氣體初始體積流量,m3/h;VR----催化床層體積,
m3Vsp---空間速度;
h-1意義:
Vsp越大,通過(guò)單位體積催化劑的混合物量越多,生產(chǎn)強(qiáng)度愈大。⑵接觸時(shí)間:反應(yīng)物通過(guò)床層的時(shí)間。若在標(biāo)況下計(jì)算接觸時(shí)間,即標(biāo)準(zhǔn)接觸時(shí)間:
⑶⑶催化體積用量:
⑷催化床層高
其中
(空隙率)
ρs,ρp----------催化堆積密度與顆粒密度,
Kg/m32.?dāng)?shù)學(xué)模型(介紹)產(chǎn)生發(fā)展于20世紀(jì)60年代反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程物料流動(dòng)方程物料衡算方程熱量衡算方程
四個(gè)方程聯(lián)立求解,從而求出指定條件下達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需催化劑體積等參數(shù)值。固定床壓力降歐根等溫流動(dòng)阻力公式式中:△P------床層壓力降,Pa;L---------床高,m;ρ--------氣體密度,kg/m3;u0--------空床速度,m/s;ε-------床層空隙率,%;ds-------顆粒的體積表面積平均直徑,m;μ-------氣體粘度,Pa*s。第四節(jié)氣態(tài)污染物的催化凈化工藝一.催化凈化法的一般工藝催化法治理廢氣的一般工藝過(guò)程包括:(1)
廢氣預(yù)處理去除催化劑毒物級(jí)固體顆粒物(避免催化劑中毒);(2)
廢氣預(yù)熱到要求的反應(yīng)溫度(如選擇性催化還原去除NOX廢氣的預(yù)熱溫度須達(dá)200~220OC以上);(3)催化反應(yīng);(4)廢熱和副產(chǎn)品的回收利用等。一.幾種主要污染物的催化凈化(一)SO2氣體的催化凈化
(二)NOX的催化凈化
1.
該法是利用不同還原劑,在一定的溫度和催化劑作用下,將NOX還原為無(wú)害的N2和H2O。2.
按還原劑是否與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)分為非選擇性還原和選擇性還原(用氨作還原劑對(duì)含NOX的氣體進(jìn)行催化還原處理,使氨能有選擇的和氣體中的NOX進(jìn)行反應(yīng),而不和氧反應(yīng)。(三)汽車尾氣的催化凈化
(二)NOX的催化凈化
1.
該法是利用不同還原劑,在一定的溫度和催化劑作用下,將NOX還原為無(wú)害的N2和H2O。
2.
按還原劑是否與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)分為非選擇性還原和選擇性還原(用氨作還原劑對(duì)含NOX的氣體進(jìn)行催化還原處理,使氨能有選擇的和氣體中的NOX進(jìn)行反應(yīng),而不和氧反應(yīng))。非選擇性催化還原法還原劑:
H2、CH4、合成氨釋放氣反應(yīng)特點(diǎn):反應(yīng)分兩步進(jìn)行1)脫色反應(yīng):2)脫除反應(yīng)(慢)常用催化劑:Pt或Pd常以0.5%的Pt或Pd載于氧化鋁載體上。優(yōu)缺點(diǎn):1)燃量消耗量大(耗用于比NOX含量高得多的O2);
2)產(chǎn)生大量熱,須增設(shè)廢熱鍋爐來(lái)降低反應(yīng)氣體溫度,同時(shí)回收廢熱。3)需貴金屬作催化劑。4)投資大。選擇性催化還原法
還原劑:NH3(常用)
、H2S、CO反應(yīng)特點(diǎn)::使氨能有選擇的和氣體中的NOX進(jìn)行反應(yīng),而不和氧反應(yīng)。常用催化劑:1)貴金屬2)非貴金屬的氧化物或鹽類Cu、Cr、Fe、V、Mn優(yōu)點(diǎn):1)
還原劑基本上不與氧反應(yīng),避免了無(wú)謂消耗,同時(shí)大大減小了反應(yīng)熱,催化床溫度變化小易于控制,采用一段流程即可;2)
催化劑易得,選擇余地大;3)
還原劑NH3相對(duì)易得,起燃溫度低反應(yīng)熱低,床溫通常低于3000C,有利于延長(zhǎng)催化劑壽命和降低反應(yīng)器對(duì)材料要求。(三)汽車尾氣的催化凈化汽車尾氣中
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