【清華】7-氣態(tài)污染物控制技術基礎-第二部分-328903352

(1)固定床吸附器內(nèi)的濃度分布二、氣體吸附14.吸附工藝與設備計算固定床吸附器計算吸附床處理氣體量與出口氣體中污染物濃度之間關系的曲線二、氣體吸附2(2)穿透點與穿透曲線4.吸附工藝與設備計算固定床吸附器計算穿透時間或者保護作用時間：從含污染物的氣流開始通入吸附床到產(chǎn)生穿透的時間二、氣體吸附3(3)保護作用時間的確定4.吸附工藝與設備計算固定床吸附器計算假定吸附層完全飽和，在吸附持續(xù)時間τ’內(nèi)，所吸附污染物的量為:x=a·S·L·ρb

式中：

x——在時間τ′內(nèi)的吸附量，kg；

a——靜活度值，%；

S——吸附層的截面積，m2；

L——吸附層厚度，m；

ρb——吸附劑的堆積密度，kg/m3;同時：

x=v·S·c0τ’

v——氣體流速，m/s；c0——氣流中污染物初濃度，kg/m3

。則實際上，總有部分吸附劑未得到利用(死區(qū))，希洛夫方程當吸附速率無限大時τ-L繪圖為直線1。K的物理意義？K——濃度分布曲線在吸附層中移動單位長度所需要的時間。K＝τ/(L-h)如何減少死區(qū)長度？二、氣體吸附44.吸附工藝與設備計算固定床吸附器計算二、氣體吸附5（4）固定床吸附器計算流程4.吸附工藝與設備計算固定床吸附器計算選定吸附劑和操作條件，空床流速一般取0.1～0.6m/s。根據(jù)凈化要求確定穿透點濃度，實驗測得穿透時間。以吸附劑床層高度為橫坐標，以穿透時間為縱坐標，標出各測定值，作出希洛夫直線。根據(jù)計劃采用的脫附方法和脫附再生時間、能耗等因素確定操作周期，從而確定所需要的穿透時間。用希洛夫公式計算所需的催化劑床層高度。根據(jù)氣體流量與空床氣速求吸附劑層截面積。根據(jù)截面積求出吸附器的直徑或者邊長。求出所需的吸附劑質量?？紤]到裝填損失，每次新裝吸附劑時需要的吸附劑量為(1.05～1.2)M。計算壓力損失。二、氣體吸附64.吸附工藝與設備計算固定床吸附器計算壓力損失:吸附床層孔隙率氣體繞吸附劑顆粒流動的雷諾數(shù)吸附劑顆粒的平均直徑

(1)吸附劑用量就全床對污染物作物料衡算，得GS(Y1－Y2)＝LS(X1－X2)考慮吸附器的上部，得GS(Y－Y2)＝LS(X－X2)Y＝(LS/GS)X+［Y2－(LS/GS)X2］污染物在氣相中的含量為Y惰性氣體的氣相質量流量為GS污染物在吸附相中的含量為X凈吸附劑的質量流量為LS

吸附操作線方程二、氣體吸附74.吸附工藝與設備計算移動床吸附器計算吸附速率方程吸附器長度吸附傳質單元高度和傳質單元數(shù)的確定采用固定床吸附器數(shù)據(jù)估算二、氣體吸附8

(2)移動床吸附器的高度4.吸附工藝與設備計算移動床吸附器計算氣體吸收氣體吸附氣體的催化凈化本章主要內(nèi)容91.催化原理和催化劑借助催化劑的催化作用，使氣態(tài)污染物在催化劑表面發(fā)生化學反應，而轉化為無害或易于處理的物質的凈化方法。催化原理：改變反應歷程，降低活化能，提高反應速度反應速度常數(shù)隨活化能降低呈指數(shù)增長三、氣體催化凈化10催化原理1.催化原理和催化劑催化劑本身在反應前后不發(fā)生變化，催化劑能夠反復利用，所以一般情況下催化劑的用量很少。催化劑只能改變反應的歷程和反應速率，不能改變反應的產(chǎn)物。對于可逆反應，催化劑不改變反應的平衡狀態(tài)，即不改變化學平衡關系。 催化劑對反應有較好的選擇性，一種催化劑一般只能催化特定的一個或一類反應。三、氣體催化凈化11催化原理催化反應的基本特征優(yōu)點：對不同濃度的污染物具有很高轉化率；污染物與主氣流不需要分離，避免二次污染；操作過程簡單。缺點：催化劑較貴，且廢氣預熱需耗一定能量，費用增加。應用：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。三、氣體催化凈化121.催化原理和催化劑催化原理催化劑定義——加速化學反應，而本身的化學組成在反應前后保持不變的物質。存在狀態(tài)——氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。形狀——顆粒狀（球形、圓柱形、條形）、網(wǎng)狀、片狀和蜂窩狀等。物質組成——一種物質、幾種物質。三、氣體催化凈化131.催化原理和催化劑催化劑的組成活性組分＋載體＋助催化劑催化劑的主體可單獨作為催化劑本身無活性，提高活性組分的催化能力K2SO4、Na2O、K2O承載催化劑活性組分和助催化劑的成分，起增加催化劑的比表面積、節(jié)約活性組分、加強傳熱、提高穩(wěn)定性和機械強度、延長催化劑壽命等作用三、氣體催化凈化14催化劑1.催化原理和催化劑用途主要活性物質載體助催化劑SO2氧化成SO3V2O56%~12%SiO2K2O或Na2OHC和CO氧化為CO2和H2OPt、Pd、RhNi、NiOCuO、Cr2O3、Mn2O3和稀土類氧化物Al2O3苯、甲苯氧化為CO2和H2OPt、Pd等Ni或Al2O3CuO、Cr2O3、MnO2Al2O3汽車排氣中HC和CO的氧化V2O54%～7%CuO3%～7%Al2O3-SiO2Pt0.01%～0.015%NOX還原為N2Pt或Pd0.5%Al2O3-SiO2、Al2O3-MgO、NiCuCrO2Al2O3-SiO2、Al2O3-MgO三、氣體催化凈化15催化劑1.催化原理和催化劑催化劑的性能(1)活性：衡量催化劑效能大小的指標轉化率單位體積(或質量)催化劑在一定條件(溫度、壓力、空速和反應物濃度)下，單位時間內(nèi)所得的產(chǎn)品量式中：W——產(chǎn)品質量；WR——催化劑質量；t——反應時間。反應物通過催化劑床層后消耗量與進入反應器的反應物總量之比三、氣體催化凈化16催化劑1.催化原理和催化劑式中：（2）選擇性當化學反應在熱力學上有幾個反應方向時，一種催化劑在一定條件下只對其中的一個反應起加速作用?；钚浴岣弋a(chǎn)品產(chǎn)量選擇性——提高原料利用率

Ni

常壓，250℃

Cu，140～290atm

300～400℃CH4CH3OHCO+H2三、氣體催化凈化17催化劑的性能催化劑1、催化原理和催化劑式中：(3)穩(wěn)定性表示方法：催化劑壽命催化劑在化學反應過程中保持活性的能力熱穩(wěn)定性機械穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性三、氣體催化凈化18催化劑的性能催化劑1.催化原理和催化劑影響因素老化：在正常工作條件下逐漸失去活性的過程 低熔點活性組分的流失、催化劑燒結、低溫表面積炭結焦、

內(nèi)部雜質向表面遷移、冷熱應力交替作用所造成的機械性粉碎中毒：反應物中少量的雜質使催化劑活性迅速下降 暫時中毒；永久中毒：HCN、CO、H2S、S、As、Pb常用催化劑的使用溫度催化劑品種活性組分含量/%90%轉化溫度/oC最高使用溫度/oCPt-Al2O30.1~0.5250~300650Pd-Al2O30.1~0.5250~300650Pd-Ni、Cr絲網(wǎng)0.1~0.5250~300650Pd-蜂窩陶瓷0.1~0.5250~300650Mn、Cu-Al2O35~10350~400650Mn、Cu、Cr-Al2O35~10350~400650Mn-Cu、Co-Al2O35~10350~400650Mn、Fe-Al2O35~10350~400650稀土催化劑5~10350~400700錳礦石顆粒25~35300~350500三、氣體催化凈化19催化劑1.催化原理和催化劑(1)反應物從氣流主體

催化劑外表面(2)進一步向催化劑的微孔內(nèi)擴散(3)反應物在催化劑的表面上被吸附(4)吸附的反應物轉化為生成物(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)：動力學過程主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖三、氣體催化凈化20氣固催化反應過程2.氣固催化反應動力學氣固催化反應的控制步驟：速度最慢的步驟三、氣體催化凈化21氣固催化反應過程2、氣固催化反應動力學不同控制過程反應物的濃度以AB的反應為例討論反應速度的表達式單位反應體積中某反應物數(shù)量隨時間的變化率式中：NA——反應物A的流量，kmol/h;

V——反應氣體體積，m3。工程上常以反應物的轉化率x來表示。轉化率與反應物流量之間的關系三、氣體催化凈化22表觀化學反應速率方程2.氣固催化反應動力學aA＋bB

lL＋mM動力學方程式：反應速度與反應物濃度間函數(shù)關系基于非均勻表面的冪指數(shù)型可逆反應速率方程為：基元反應：ABn級不可逆反應，冪指數(shù)形式的動力學方程為：非基元反應，冪指數(shù)需要實驗測定化學反應動力學方程三、氣體催化凈化232.氣固催化反應動力學SO2催化氧化動力學方程如不考慮逆反應，以產(chǎn)物SO3生成表示的反應速率為：l、m、n—冪指數(shù)，對不同催化劑而言有不同值當采用釩催化劑，實驗測得：l=0.8，m=1，n=－0.8：

三、氣體催化凈化化學反應動力學方程2、氣固催化反應動力學24設SO2的轉化率為x,a、b為SO2和O2的初始濃度，則：以轉化率來表示動力學方程，則影響反應速度的因素有:反應速度常數(shù)k、平衡轉化率x*、瞬時轉化率x和氣體起始組成。三、氣體催化凈化SO2催化氧化動力學方程化學反應動力學方程2.氣固催化反應動力學25SO2在釩催化劑上的反應速度常數(shù)溫度/℃k溫度/℃k溫度/℃k3904004104204300.250.340.430.550.694404504604755000.871.051.321.752.905255505756004.67.010.515.2三、氣體催化凈化SO2催化氧化動力學方程化學反應動力學方程2.氣固催化反應動力學26平衡轉化率與溫度和壓力的關系溫度/℃壓力/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當爐氣的起始組成SO2為7.5%,O2為10.5%,N2為82%時三、氣體催化凈化SO2催化氧化動力學方程化學反應動力學方程2.氣固催化反應動力學27三、氣體催化凈化化學反應動力學方程2.氣固催化反應動力學

二氧化硫催化氧化反應速率28催化劑有效系數(shù)：等溫時，催化劑內(nèi)顆粒中的實際反應速度與按外表面反應組分濃度及催化劑內(nèi)表面積計算的理論反應速率之比反應物濃度高反應物濃度低內(nèi)外反應速率不一致內(nèi)表面不能全部發(fā)揮效能ks——按單位內(nèi)表面積計算的反應速率常數(shù)；f(cAS)——按外表面上反應組分濃度計算的動力學方程的濃度函數(shù)；f(cA)——按催化劑顆粒內(nèi)反應組分濃度計算的動力學方程的濃度函數(shù)；Si——單位體積催化劑床層中催化劑的內(nèi)表面積。三、氣體催化凈化29內(nèi)擴散過程對表面反應速率的影響2.氣固催化反應動力學式中：催化劑有效系數(shù)

實驗測定:首先測得顆粒的實際反應速度γp，然后將顆粒逐級壓碎，使其內(nèi)表面轉變?yōu)橥獗砻?，在相同條件下分別測定反應速度，直至反應速度不再變，這時的速度即為消除了內(nèi)擴散影響的反應速度γs，則η=γp/γs。三、氣體催化凈化30有內(nèi)擴散阻力無內(nèi)擴散阻力0γpγs內(nèi)擴散過程對表面反應速率的影響2、氣固催化反應動力學式中：

s——齊勒模數(shù)；R——催化劑特征長度,球形顆粒半徑；ks——反應速率常數(shù)；Deff——內(nèi)擴散系數(shù)；n

——反應級數(shù)。

計算法等溫一級不可逆反應，球形催化劑三、氣體催化凈化31催化劑有效系數(shù)

內(nèi)擴散過程對表面反應速率的影響2.氣固催化反應動力學催化劑有效系數(shù)完全取決于齊勒模數(shù)齊勒模數(shù)小，則內(nèi)擴散可忽略不同形狀催化劑上進行一級不可逆反應時的三、氣體催化凈化32內(nèi)擴散過程對表面反應速率的影響2.氣固催化反應動力學催化劑有效系數(shù)

：受內(nèi)擴散影響的反應速率與不受內(nèi)擴散影響的反應速率之比;η接近或等于1時，反應過程屬化學反應動力學控制;若η遠小于1，則為內(nèi)擴散控制;工業(yè)上η一般在0.2～0.8之間。齊勒模數(shù)：反映反應速率與擴散速率對過程影響程度的參數(shù)；

s很小時，擴散速率大于反應速率，屬化學反應控制，η≈1；隨著

s的增大，擴散過程對整個過程的影響逐漸增大，當

s很大時，反應受內(nèi)擴散控制，此時η≈1/

s

。三、氣體催化凈化33內(nèi)擴散過程對表面反應速率的影響2.氣固催化反應動力學外擴散的傳質速率式中：kG——以濃度差為推動力的擴散系數(shù)，m/h；Se——單位體積催化劑的外表面積，m2/m3；

——催化劑外表面的有效表面積系數(shù)，球形=1，無定形顆粒=0.9，片狀顆粒=0.81；cAg

、cAs

——氣相主體和催化劑外表面上反應物A的濃度，mol/m3。三、氣體催化凈化34外擴散控制的反應速率方程2.氣固催化反應動力學

對于整個反應過程而言，穩(wěn)定狀態(tài)下：推動力阻力外擴散阻力化學反應阻力內(nèi)擴散阻力三、氣體催化凈化35總反應速率2.氣固催化反應動力學外擴散控制降低催化劑表面反應物濃度，從而降低反應速度；表現(xiàn)因數(shù)：外擴散傳質系數(shù)KG；消除方法提高氣速，以增強湍流程度，減小氣膜厚度；氣速提高到一定程度，轉化率趨于定值，外擴散影響消除。三、氣體催化凈化36外擴散的影響總反應速率2.氣固催化反應動力學內(nèi)外擴散的影響內(nèi)擴散控制降低催化劑內(nèi)部反應物濃度，從而降低反應速度;表現(xiàn)因數(shù)：催化劑有效系數(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，轉化率趨于定值，內(nèi)擴散影響消除。三、氣體催化凈化37總反應速率2.氣固催化反應動力學固定床反應器優(yōu)點:結構簡單；催化劑不易磨損，可長期使用；流體接近于活塞流，返混小，反應速度較快；停留時間可嚴格控制，高選擇性和轉化率。缺點:傳熱差(熱效應大的反應，傳熱和溫控是難點)；催化劑更換需停產(chǎn)進行。38三、氣體催化凈化3.氣固相催化反應器及其設計(1)單段絕熱反應器不與外界進行任何熱量交換。對于放熱反應，反應過程中所放出的熱量完全用來加熱系統(tǒng)內(nèi)的物料。特點：結構簡單，造價低廉;內(nèi)部溫度分布不均;用于化學反應熱效應小的場合。39三、氣體催化凈化固定床反應器3.氣固相催化反應器及其設計40三、氣體催化凈化固定床反應器3.氣固相催化反應器及其設計（2）多段絕熱反應器：相鄰兩段之間引入熱交換。管內(nèi)裝催化劑，管外裝載熱體。管徑20~30mm以上，>15mm。催化劑的顆粒直徑不得超過管內(nèi)徑的1/8，一般為2~6mm的顆粒。傳熱效果好;結構比較復雜，不易在高壓下操作。41三、氣體催化凈化固定床反應器3.氣固相催化反應器及其設計(3)列管式反應器特點調(diào)查核實所處理廢氣的組成、濃度、溫度、濕度、含氧量、含塵量等，特別要注意引起催化劑中毒物質的含量；選擇催化劑；根據(jù)反應熱的大小、反應對溫度的敏感程度、催化劑的活性溫度范圍，選擇反應器的結構類型；根據(jù)催化劑性能及催化反應確定預熱溫度、壓力、空速等反應條件及催化劑用量；盡量降低反應器阻力；反應器應易于操作，安全可靠；結構簡單，造價低廉，運行與維護費用低。42三、氣體催化凈化3.氣固相催化反應器的設計催化反應器的設計步驟停留時間：反應物通過催化床的時間。對于薄層床以外的其他固定床反應器，簡化為活塞流反應器43式中：VR——催化劑體積,m3；ε——催化床空隙率,%；Q——反應氣體的實際體積流量,m3/h。三、氣體催化凈化3.氣固相催化反應器及其設計催化反應器的設計基礎44三、氣體催化凈化3.氣固相催化反應器及其設計催化反應器的設計基礎空間速度：單位時間通過單位體積催化床的反應物料體積式中：VR——催化劑體積,m3；qN——標態(tài)下反應氣體體積流量,m3/h。接觸時間：空間速度的倒數(shù)，表征氣體在催化反應器中的停留時間τ′=1/Wsp

=VR/qN將催化床作為一個整體利用實驗或工廠現(xiàn)有裝置所得的經(jīng)驗參數(shù)設計通過中間實驗確定最佳工藝條件45式中：VR——催化劑體積，m3；qN——標態(tài)下反應氣體體積流量，m3/h；

Wsp——空間速度，1/h。

催化劑裝量三、氣體催化凈化3.氣固相催化反應器及其設計催化劑裝量的經(jīng)驗計算46三、氣體催化凈化3