大氣污染控制工程氣態(tài)污染物控制技術(shù)之吸附與凈化

第7章氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容:氣體擴散氣體吸收氣體吸附氣體催化凈化教學(xué)重點掌握氣體擴散、氣體吸收、吸附和催化的基本原理和過程了解常用吸收劑、吸附劑和催化劑的特性教學(xué)重點初步學(xué)會設(shè)計吸收塔、吸附床和催化轉(zhuǎn)化器建議學(xué)時數(shù)：8學(xué)時（自學(xué)）第一頁，共三十七頁。第7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)動力學(xué)氣－固相催化反應(yīng)器的設(shè)計教學(xué)重點：催化作用原理、多相催化反應(yīng)的物理化學(xué)過程及動力學(xué)方程、氣－固相催化反應(yīng)器的設(shè)計計算與結(jié)構(gòu)類型選擇教學(xué)難點：多相催化反應(yīng)的物理化學(xué)過程及動力學(xué)方程、氣－固相催化反應(yīng)器的設(shè)計計算與結(jié)構(gòu)類型選擇第二頁，共三十七頁?！?氣體催化凈化含塵氣體通過催化床層發(fā)生催化反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化為無害或易于處理的物質(zhì)應(yīng)用:工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2和NOx有機揮發(fā)性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化汽車尾氣的催化凈化第三頁，共三十七頁。催化凈化工藝段間冷卻的四層催化床第二級催化床預(yù)除塵和水分填充床吸收塔填充床吸收塔來自冶煉廠或硫磺燃燒的富含SO2的尾氣水含有約為初始進氣SO2濃度3%的尾氣含有約為初始進氣SO2濃度0.3%的尾氣水單級吸收工藝二級吸收工藝SO2單級和二級凈化工藝的流程圖催化反應(yīng)：420～550℃第四頁，共三十七頁。催化凈化工藝NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的選擇性催化還原（SCR）第五頁，共三十七頁。催化凈化工藝車用催化轉(zhuǎn)化器第六頁，共三十七頁。一、催化作用和催化劑

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）顯著特征對于正逆反應(yīng)的影響相同，不改變化學(xué)平衡選擇性第七頁，共三十七頁。催化劑加速化學(xué)反應(yīng)，而本身的化學(xué)組成在反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)組成活性組分＋助催化劑＋載體第八頁，共三十七頁。催化劑的性能活性W－產(chǎn)品質(zhì)量WR－催化劑質(zhì)量t－反應(yīng)時間第九頁，共三十七頁。催化劑的性能穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性表示方法：壽命老化活性組分的流失、燒結(jié)、積炭結(jié)焦、機械粉碎等中毒對大多數(shù)催化劑，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第十頁，共三十七頁。氣固催化反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)過程(1)反應(yīng)物從氣流主體-催化劑外表面(2)進一步向催化劑的微孔內(nèi)擴散(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(6)脫附生成物從微孔向外表面擴散(7)生成物從外表面擴散到氣流主體 (1),(7)：外擴散；(2),(6)內(nèi)擴散 (3),(4),(5)：動力學(xué)過程主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖第十一頁，共三十七頁。催化劑反應(yīng)動力學(xué)催化劑中的濃度分布第十二頁，共三十七頁。催化劑反應(yīng)動力學(xué)第十三頁，共三十七頁。催化劑反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)速度取決于帶^反應(yīng)(最慢反應(yīng))，其它都達到平衡例：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：第十四頁，共三十七頁。二、催化反應(yīng)動力學(xué)方程表面化學(xué)反應(yīng)速率對于催化床NA－反應(yīng)物A的流量，kmol/hNA0－反應(yīng)物A的初始流量，kmol/hVR－反應(yīng)氣體體積，m3x－轉(zhuǎn)化率L－反應(yīng)床長度，mA－反應(yīng)床截面積，m2Q－反應(yīng)氣體流量，m3t－接觸時間，hcA0－反應(yīng)物的初始濃度,kmol/m3第十五頁，共三十七頁。二、催化反應(yīng)動力學(xué)方程宏觀動力學(xué)方程外擴散的傳質(zhì)速率第十六頁，共三十七頁。二、催化反應(yīng)動力學(xué)方程宏觀動力學(xué)方程內(nèi)擴散反應(yīng)速率第十七頁，共三十七頁。二、催化反應(yīng)動力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)反應(yīng)催化劑微孔內(nèi)濃度分布對反應(yīng)速率的影響

在內(nèi)擴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值較小第十八頁，共三十七頁。二、催化反應(yīng)動力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)實驗測定第十九頁，共三十七頁。二、催化反應(yīng)動力學(xué)方程催化劑有效系數(shù)一級不可逆反應(yīng)第二十頁，共三十七頁。內(nèi)外擴散的影響外擴散控制降低催化劑表面反應(yīng)物濃度，從而降低反應(yīng)速度表現(xiàn)因數(shù)：KG消除方法提高氣速，以增強湍流程度，減小邊界層厚度氣速提高到一定程度，轉(zhuǎn)化率趨于定值，外擴散影響消除－下限流速第二十一頁，共三十七頁。內(nèi)外擴散的影響內(nèi)擴散控制降低催化劑內(nèi)反應(yīng)物濃度，從而降低反應(yīng)速度表現(xiàn)因數(shù)：η消除方法盡量減小催化劑顆粒大小粒徑減小到一定程度，轉(zhuǎn)化率趨于定值，內(nèi)擴散影響消除第二十二頁，共三十七頁。三、催化反應(yīng)器的設(shè)計設(shè)計基礎(chǔ)停留時間決定反應(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方式?jīng)Q定第二十三頁，共三十七頁。三、催化反應(yīng)器的設(shè)計設(shè)計基礎(chǔ)反應(yīng)器的流動模型活塞流、混合流實際流態(tài)介于兩者之間反應(yīng)器內(nèi)每一點的流態(tài)各不相同，停留時間各異不同停留時間的物料在總量中所占的分率具有相應(yīng)的統(tǒng)計分布－停留時間分布函數(shù)工業(yè)上，連續(xù)釜式反應(yīng)器－理想混合反應(yīng)器；徑高比大的固定床－活塞流反應(yīng)器第二十四頁，共三十七頁。三、催化反應(yīng)器的設(shè)計設(shè)計基礎(chǔ)空間速度單位時間通過單位體積催化床的反應(yīng)物料體積第二十五頁，共三十七頁。三、催化反應(yīng)器的設(shè)計經(jīng)驗計算法將催化床作為一個整體利用經(jīng)驗參數(shù)設(shè)計通過中間實驗確定最佳工藝條件第二十六頁，共三十七頁。三、催化反應(yīng)器的設(shè)計數(shù)學(xué)模型法反應(yīng)的動力學(xué)方程＋物料流動方程＋物料衡算＋熱量衡算反應(yīng)熱效應(yīng)小的催化床－等溫分布計算第二十七頁，共三十七頁。三、催化反應(yīng)器的設(shè)計數(shù)學(xué)模型法轉(zhuǎn)化率較高的工業(yè)反應(yīng)器，溫度分布具有明顯的軸向溫差軸向等溫分布計算第二十八頁，共三十七頁。固定床反應(yīng)器最主要的氣固相催化反應(yīng)器優(yōu)點: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，可長期使用停留時間可嚴格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，高選擇性和轉(zhuǎn)化率缺點:傳熱差(熱效應(yīng)大的反應(yīng)，傳熱和溫控是難點)催化劑更換需停產(chǎn)進行第二十九頁，共三十七頁。固定床反應(yīng)器單層絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，氣流阻力小內(nèi)部溫度分布不均用于化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)小的場合第三十頁，共三十七頁。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)間接換熱第三十一頁，共三十七頁。固定床反應(yīng)器列管式反應(yīng)器用于對反應(yīng)溫度要求高，或反應(yīng)熱效應(yīng)很大的場合其他反應(yīng)器徑向反應(yīng)器薄層床反應(yīng)器自熱式反應(yīng)器第三十二頁，共三十七頁。反應(yīng)器類型的選擇根據(jù)反應(yīng)熱的大小和對溫度的要求，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)簡單，造價低廉，運行與維護費用經(jīng)濟第三十三頁，共三十七頁。固定床的阻力計算顆粒固定床，歐根（Ergun）公式：第三十四頁，共三十七頁。固定床的阻力計算實際計算應(yīng)根據(jù)溫度和流量的變化，將床層分段計算

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第三十五頁，共三十七頁。本章小結(jié)掌握氣體吸收、吸附和催化的基本原理和過程了解常用吸收劑、吸附劑和催化劑的特性初步學(xué)會設(shè)計吸收塔、吸附床和催化轉(zhuǎn)化器第三十六頁，共三十七頁。內(nèi)容總結(jié)第7章氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)。初步學(xué)會設(shè)計吸收塔、吸附床和催化轉(zhuǎn)化器?！?氣體催化凈化。多相催化反應(yīng)的物理化學(xué)過程及動力學(xué)方程、氣－固相催化反應(yīng)器的設(shè)計計算與結(jié)構(gòu)類型選擇。工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2和NOx。來自冶煉廠或硫磺燃燒的富含SO2的尾氣。加速化學(xué)反應(yīng)，而本身的化學(xué)組成在反應(yīng)