大氣污染控制工程講義氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)氣體

1、第七章 氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié) 氣體吸收一 概述1定義：吸收凈化法是利用廢氣中各混合組分在選定的吸收劑中溶解度不同，或者其中某一種或多種組分與吸收劑中活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到將有害物從廢氣中分離出來，凈化廢氣的目的的一種方法。吸收2分類：（1）物理吸收：可看成是單純的物理溶解過程。如：水吸收HCL、CO2等。吸收限度取決于氣體在液體中的平衡濃度；吸收速率主要取決于污染物從氣相轉(zhuǎn)入液相的擴(kuò)散速度。（2）化學(xué)吸收：吸收過程中組分與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如：堿液吸收CO2、SO2等；酸液吸收NH3等。吸收限度同時(shí)取決于氣液平衡和液相反應(yīng)的平衡條件；吸收速率同時(shí)取決于擴(kuò)散速度和反應(yīng)速度。（3）異

2、同點(diǎn)：同：兩類吸收所依據(jù)的基本原理以及所采用的吸收設(shè)備大致相同。異：一般來說，化學(xué)反應(yīng)的存在能提高反應(yīng)速度，并是吸收的程度更趨于完全。結(jié)合大氣污染治理工程中所需凈化治理的廢氣，具有氣量大，污染物濃度低等特點(diǎn)，實(shí)際中多采用化學(xué)吸收法。二 吸收凈化的基本原理1氣液相平衡（1）定義：在一定的溫度和壓力下，氣液兩相發(fā)生接觸后，吸收質(zhì)便由氣象向液相移動(dòng)，隨著液體中吸收質(zhì)濃度的逐漸增加，吸收速率逐漸漸少，解析速率逐漸增大，經(jīng)過一段時(shí)間接觸后，吸收速率和解析速率相等，即吸收質(zhì)在氣象中的分壓和在液相中的濃度不再變化，此時(shí)氣液兩相達(dá)到平衡，簡稱相平衡。在平衡狀態(tài)下，被吸收氣體在溶液上方的分壓稱為平衡分壓，可溶氣

3、體在溶液中的濃度稱為平衡濃度，或平衡溶解度，溶解度。（2）氣體在液體中的溶解度：在100kg水中溶解氣體的千克數(shù)。參見P241圖7-4，常見氣體在水中的溶解度，可知：不同性質(zhì)的氣體在同一溫度和壓力下的溶解度不同；氣體的溶解度與溫度有關(guān)，多數(shù)氣體的溶解度隨溫度的升高而降低；溫度一定時(shí)，溶解度隨溶質(zhì)分壓升高而增大。在吸收系統(tǒng)中，增加氣相總壓，組分的分壓會(huì)增加，溶解度也隨之增加。2亨利定律（1）定義：對(duì)于稀溶液，在較低壓力下，xp是通過原點(diǎn)的直線，但在壓力偏高時(shí)與直線偏差很大，這樣在較低壓力下，我們就可用“亨利定律”來表示。對(duì)于非理想溶液，當(dāng)總壓不高（一般不超過5105Pa）時(shí)，溫度一定，稀溶液中溶

4、質(zhì)的溶解度與氣相中溶質(zhì)的平衡分壓成正比，即：式中：c可溶氣體在溶液中的濃度(即平衡濃度或飽和濃度)，Kg/m3；p*被吸收氣體在溶液面上的分壓（稱平衡分壓或飽和分壓），Kpa。H亨利系數(shù)，mol/ m3pa或： x溶質(zhì)在氣相、液相中的摩爾分?jǐn)?shù)（無量綱）E亨利系數(shù)或： y*溶質(zhì)在氣相、液相中的摩爾分?jǐn)?shù)m亨利系數(shù), 又稱相平衡常數(shù)。（2）應(yīng)用：用亨利定律判斷氣液接觸時(shí)溶質(zhì)的傳質(zhì)方向，即溶質(zhì)是由氣相傳到液相（被吸收），還是從液相傳到氣相（被解吸）現(xiàn)以一傳質(zhì)設(shè)備來說明傳質(zhì)過程的進(jìn)行：y1、y2分別表示進(jìn)、出口氣相中溶質(zhì)的濃度；x1、x2分別表示進(jìn)、出口液相中溶質(zhì)的濃度；x2*、y2*分別表示進(jìn)、出口氣

5、、液相中溶質(zhì)的平衡濃度。若測得yyi*，則該組分將被溶液吸收吸收過程；若測得yyi*，則該組分將從溶液中解吸出來脫吸過程。同理：xxi*脫吸過程。（3）結(jié)論：亨利定律只適用于常壓或低壓下的稀溶液，而且吸收質(zhì)（被吸收組分）在氣相與溶劑中的分子狀態(tài)應(yīng)相同，若被溶解的氣體分子在溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則此時(shí)亨利定律只適用于溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的那部分吸收質(zhì)分子的濃度，而該濃度決定于液相化學(xué)反應(yīng)的平衡條件。三 化學(xué)吸收的氣液平衡氣體溶于液體中，若發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則被吸收組分的氣液平衡關(guān)系應(yīng)既服從相平衡關(guān)系，又應(yīng)服從化學(xué)平衡關(guān)系。即有：反應(yīng)方程式為： 前提：被吸收組分濃度及各反應(yīng)組分濃度較低 亨利定律關(guān)系式：

6、化學(xué)平衡關(guān)系式：討論：1被吸收組分與溶劑的相互作用 反應(yīng)式表示為：被吸收組分A進(jìn)入液相后的總濃度CA可寫成：其化學(xué)平衡常數(shù)于是有： 若是稀溶液吸收，則遵循亨利定律，即有A=HAPA*，于是有：例如：用水吸收氨氣.2被吸收組分在溶液中離解設(shè)反應(yīng)產(chǎn)物的解離反應(yīng)式為：吸收平衡時(shí)，離解常數(shù)為：當(dāng)溶液中無相同離子存在時(shí)，K+=A-，于是有：被吸收組分A在溶液中的總濃度為物理溶解量與離解溶解量之和，即：組分的物料平衡方程式聯(lián)解得：式中：3被吸收組分與溶劑中活性組分作用設(shè)溶劑中活性組分B的起始濃度為CB0，反應(yīng)達(dá)平衡后，轉(zhuǎn)化率為R，則溶液中活性組分B的濃度，而生成物M的平衡濃度為由化學(xué)平衡關(guān)系得平衡常數(shù)：又

7、亨利定律A=HAPA*，得：若物理溶解量可忽略不計(jì)，則由上式可得：變換為：結(jié)論：溶液的吸收能力CA*隨PA*增大而增大，溶液的吸收能力CA*隨k增大而減小。溶液的吸收能力還受活性組分起始濃度CB0的限制，CA*CB0（只能趨近于而不能超過）3伴有化學(xué)吸收的吸收速率（1）雙膜理論描述氣液兩相之間的傳質(zhì)過程適用于物理吸收過程，也可用來分析伴有化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)吸收過程雙膜理論示意圖如下：直線雙膜理論模型兩相中濃度分布；虛線擴(kuò)散邊界層理論模型兩相中濃度分布?；菊擖c(diǎn)：a在氣液兩相接觸時(shí)，兩相間有個(gè)相界面。在相界面附近兩側(cè)分別存在一層穩(wěn)定的滯留膜層（不發(fā)生對(duì)流作用的膜層）氣漠和液膜。b氣液兩個(gè)膜層分別將各

8、項(xiàng)主體流與相界面隔開，滯留膜的厚度隨各項(xiàng)主體的流速和湍流狀態(tài)而變，流速愈大，膜厚度愈薄。氣液相質(zhì)量傳遞過程： 直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。a在界面上，氣液兩相呈平衡態(tài)，即液相的界面濃度和界面處的氣相組成呈平衡的飽和狀態(tài)，也可理解為在相界面上無擴(kuò)散阻力；b在兩相主體中吸收質(zhì)的濃度均勻不變，因而不存在傳質(zhì)阻力，僅在薄膜中發(fā)生濃度變化；存在分子擴(kuò)散阻力，兩相薄膜中的濃度差等于膜外的氣液兩相的平均濃度差。c通過上述分析可以看出傳質(zhì)的推動(dòng)力來自可溶組分的分壓差和在溶液中該組分的濃度差，而傳質(zhì)阻力主要來自氣膜和液膜。（2）吸收傳質(zhì)速率方程吸收速率：氣體吸收質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)通過單位界面而被吸收劑吸收的量傳質(zhì)速率=傳

9、質(zhì)推動(dòng)力傳質(zhì)系數(shù)或： 傳質(zhì)速率=傳質(zhì)推動(dòng)力/傳質(zhì)阻力，傳質(zhì)系數(shù)=1/傳質(zhì)阻力若以PAPAi或yAyAi為氣相傳質(zhì)推動(dòng)力，則a氣相分傳質(zhì)速率方程式為：式中：PA、PAi分別表示吸收質(zhì)A在氣相主體和相界面上的分壓，Pa； yA、yAi 分別表示吸收質(zhì)A在氣相主體和相界面上的摩爾分率； ky以為推動(dòng)力的氣相分傳質(zhì)系數(shù)，Kmol/（m2s）； kG以為推動(dòng)力的氣相分傳質(zhì)系數(shù)，Kmol/（m2sPa）b液相分傳質(zhì)速率方程:以xAixA或CAiCA為液相傳質(zhì)推動(dòng)力： （9.44） （9.45）式中：xAi、xA分別表示吸收質(zhì)A在液相主體和相界面上的摩爾分率； CAi、CA 分別表示吸收質(zhì)A在液相主體和相界

10、面上的摩爾濃度，Kmol/m3；kx以為推動(dòng)力的液相分傳質(zhì)系數(shù)，Kmol/（m2s）； kL以為推動(dòng)力的液相分傳質(zhì)系數(shù)，m/s。c總傳質(zhì)速率方程氣相總傳質(zhì)速率方程式：液相總傳質(zhì)速率方程式： 式中：kAG以PAPA*為推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，Kmol/（m2sPa）；ky以yAyA*為推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，Kmol/（m2s）；P*與液相主體中吸收質(zhì)濃度CA成平衡的氣相虛擬分壓，Pa；yA*與液相主體中吸收質(zhì)濃度xA成平衡的氣相虛擬分壓，Pa；kAL以CA*CA為推動(dòng)力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，m/s；kx以xA* xA為推動(dòng)力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，Kmol/（m2s）；xA*與氣相中吸收質(zhì)濃度yA成平衡

11、的液相虛擬濃度；CA*與氣相中吸收質(zhì)分壓PA成平衡的液相中吸收質(zhì)的摩爾濃度，Kmol/m3。（3）吸收控制步驟因?yàn)閭髻|(zhì)阻力為傳質(zhì)系數(shù)的倒數(shù)，則有： Ky為總阻力；ky為在氣相主體中的傳質(zhì)阻力；kx為在液相主體中的傳質(zhì)阻力?，F(xiàn)分三種情況進(jìn)行討論吸收控制步驟：a對(duì)于易溶氣體組分：溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度很大，從而m很小，m/kx可以忽略, 所以，即有屬于氣膜傳質(zhì)過程控制。b對(duì)于難溶氣體組分；m很大，有，屬于液膜傳質(zhì)過程控制。c對(duì)于中等溶解度的氣體組分；氣液兩相傳質(zhì)阻力都不可忽略，受氣液膜傳質(zhì)過程控制.例如：氣膜控制液膜控制雙膜控制H2O吸收NH3H2O或弱堿吸收CO2H2O吸收SO2H2O吸收HCL

12、H2O吸收CL2H2O吸收丙酮堿液或氨水吸收SO2H2O吸收O2濃硫酸吸收NO2濃硫酸吸收SO2H2O吸收H2弱堿吸收H2S四 吸收設(shè)備液體吸收過程是在塔器內(nèi)進(jìn)行的。為了強(qiáng)化吸收過程，降低設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用，要求吸收設(shè)備滿足以下基本要求：（1） 氣液之間應(yīng)有較大的接觸面積和一定的接觸時(shí)間；氣液之間擾動(dòng)強(qiáng)烈，吸收阻力低，吸收效率高；（2） 氣流通過時(shí)的壓力損失小，操作穩(wěn)定；（3） 結(jié)構(gòu)簡單，制作維修方便，造價(jià)低廉；（4） 應(yīng)具有相應(yīng)的抗腐蝕和防堵塞能力。1表面吸收器凡能使氣液兩相在接觸表面（靜止液面或流動(dòng)的液膜表面）上進(jìn)行吸收操作的設(shè)備均屬表面吸收器。有水平液面的表面吸收器、液膜吸收器、填料吸

13、收器和機(jī)械膜式吸收器。2鼓泡式吸收器鼓泡式吸收器中氣體以氣泡形式分散于液體吸收劑中。形式很多，基本上分為以下幾類：連續(xù)鼓泡式吸收器、板式吸收器、活動(dòng)（浮動(dòng)）填料吸收器（湍球塔）、液體機(jī)械攪拌吸收器。主要吸收設(shè)備有板式塔（如泡罩塔、篩板塔、浮閥塔等），湍球塔（即活動(dòng)填料塔）等。3噴灑吸收器該吸收器中液體以液滴形式分散于氣體中。分為三類：空心（噴嘴式）噴灑吸收器、高器速并流噴灑吸收器、機(jī)械噴灑吸收器。主要吸收設(shè)備有噴灑吸收塔、噴射吸收塔和文丘里吸收塔等。第三節(jié) 氣體吸附一 吸附概述1定義：利用多孔固體物質(zhì)表面上未平衡或未飽和的分子力，把流體（氣提或液體）混合物中一種或多種組分積聚或凝縮在固體表面，

14、將其從氣流中分離而除去的凈化過程吸附劑：具有吸附能力的固體物質(zhì)吸附質(zhì)：被吸附到固體表面的物質(zhì)2適用范圍能夠有效脫除一般方法難于分離的低濃度有害物質(zhì)（氣態(tài)污染物）常用于濃度低，毒性大的有害氣體的凈化，但處理的氣體量不宜過大；對(duì)有機(jī)溶劑蒸汽具有較高的凈化效率；當(dāng)處理的氣體量較小時(shí)，用吸附法靈活方便。如防毒面具。3特點(diǎn)：a優(yōu)點(diǎn)：凈化效率高，可回收有用組分，設(shè)備簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。b缺點(diǎn)：吸附容量小，設(shè)備體積大；吸附劑容量往往有限，需頻繁再生，間歇吸附過程的再生操作麻煩且設(shè)備利用率低。4應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于有機(jī)化工、石油化工等部門。環(huán)境治理方面：廢氣治理中，脫除水分、有機(jī)蒸汽、惡臭、HF 、SO2、N

15、OX等。成功的例子：用變壓吸附法來處理合成氨放氣，可回收純度很高（98%）的氫氣，實(shí)現(xiàn)廢物資源化。5吸附的種類根據(jù)吸附劑表面與被吸附物質(zhì)之間作用力不同。（1）物理吸附作用力：分子間范德華力(單層、雙層)范德華力：定向力、誘導(dǎo)力和逸散力的總稱物理吸附特征：吸附質(zhì)與吸附劑間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；吸附過程極快，參加吸附的各相間常常瞬時(shí)即達(dá)平衡；吸附為放熱反應(yīng)；吸附劑與吸附質(zhì)間的吸附力不強(qiáng)，當(dāng)氣體中吸附質(zhì)降壓或溫度升高時(shí)，被吸附的氣體能很容易的從固體表面逸出，而不改變氣體原來形狀；是一種不可逆過程（吸附與脫附）。（2）化學(xué)吸附作用力：化學(xué)鍵力（需一定的活化能故又稱活化能吸附）；單層吸附化學(xué)吸附特征：有很強(qiáng)的

16、選擇性；吸附速率較慢，達(dá)到吸附平衡需相當(dāng)長時(shí)間；升高溫度可提高吸附速率。二 吸附劑及再生1工業(yè)用吸附劑應(yīng)具備的條件：巨大的內(nèi)表面，大的比表面積即大的吸附容量；良好的選擇性；較高的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)與熱穩(wěn)定性；來源廣泛，造價(jià)低廉；良好的再生性能（從經(jīng)濟(jì)角度考慮）。2工業(yè)常用吸附劑活性炭：優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、抗腐蝕；缺點(diǎn)：可燃性，因此使用溫度不能超過200，在惰性氣流掩護(hù)下，操作溫度可達(dá)500活性氧化鋁：用于氣體干燥，石油氣脫硫，含氟廢氣凈化（對(duì)水有強(qiáng)吸附能力）硅膠：親水性，從水中吸附水份量可達(dá)硅膠自身質(zhì)量的50%，而難于吸附非極性物質(zhì)。常用于處理含濕量較高的氣體干燥，烴類物質(zhì)回收等。沸石分子篩：是一種人

17、工合成沸石，為微孔型、具有立方晶體的硅酸鹽。通式為：Mex/n(Al2O3)x(SiO2)ymH2O3影響氣體吸附的因素（1）操作條件：低溫（有利） 物理吸附；高溫（有利） 化學(xué)吸附吸附質(zhì)分壓上升，吸附量增加。氣流速度：對(duì)固定床為0.20.6m/s（2）吸附劑的性質(zhì)：如孔隙率、孔徑、粒度 比表面積 吸附效果（3）吸附質(zhì)的性質(zhì)與濃度：如臨界直徑、分子量、沸點(diǎn)、飽和性。例：同種活性炭做吸附劑，對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)物分子量和不飽和性越高，沸點(diǎn)越高，吸附越容易。（4）吸附劑的活性定義：以被吸附物質(zhì)的重量對(duì)吸附劑的重量或體積分?jǐn)?shù)表示，是吸附劑吸附能力的標(biāo)志。4吸附劑的再生再生方法：（1）加熱解吸再生；（2

18、）降壓或真空解吸再生；（3）溶劑萃取再生；（4）置換再生；（5）化學(xué)轉(zhuǎn)化再生。三 吸附機(jī)理1吸附平衡與吸附等溫線a吸附平衡：吸附質(zhì)與吸附劑長期接觸后，氣相中吸附質(zhì)的濃度與吸附劑（相）中吸附質(zhì)的濃度終將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。b平衡吸附量：吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的極限吸附量，亦稱靜吸附量分?jǐn)?shù)或靜活性分?jǐn)?shù)，用XT或m吸附質(zhì)/m吸附量表示，是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中一個(gè)十分重要的參數(shù)，用吸附等溫線或吸附等溫方程來描述。c等溫吸附線：吸附達(dá)平衡時(shí)，吸附質(zhì)在氣、固兩相中的濃度間有一定的函數(shù)關(guān)系，一般用等溫吸附線表示。目前已觀測到6種類型的等溫吸附線。d等溫吸附方程式：1）弗倫德里希（Freundlick）方程式式中：XT吸附質(zhì)質(zhì)量與

19、吸附劑質(zhì)量之比值，無量綱，單位吸附劑在吸附平衡時(shí)的飽和吸附量（m3/kg）或（kg/kg）；P吸附質(zhì)在氣相中的分壓， pa；K,n經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與吸附劑、吸附質(zhì)種類及吸附溫度有關(guān)，對(duì)于一定的吸附物質(zhì)，僅與平衡時(shí)的分壓和溫度有關(guān)，其值需由實(shí)驗(yàn)確定，而n12）朗格繆爾（Langmuir）方程式假設(shè)：a.固體表面的吸附能力只能進(jìn)行單分子層吸附與I型吸附線相吻合；b.固體表面各處的不飽和力相等，表面均勻，即各處的吸附熱相等。3）BET方程式多分子層吸附2吸附速率（1）定義：單位重量的吸附劑（或單位體積的吸附層）在單位時(shí)間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量。吸附速率的變化范圍很大，可從百分之幾秒到幾十小時(shí)。（2）吸附過程可分

20、為以下幾步：（1）外擴(kuò)散（氣膜擴(kuò)散）：吸附質(zhì)從氣流主體穿過顆粒周圍氣膜擴(kuò)散質(zhì)外表面。（2）內(nèi)擴(kuò)散（微孔擴(kuò)散）：吸附質(zhì)由外表面經(jīng)微孔擴(kuò)散至吸附劑微孔表面。（3）吸附：到達(dá)吸附劑微孔表面的吸附質(zhì)被吸附（對(duì)于化學(xué)吸附第三步還伴有化學(xué)反應(yīng)）。脫附過程是上過程的逆過程。四 吸附工藝與設(shè)備計(jì)算1分類按吸附劑在吸附器中的工作狀態(tài)分為：固定床、移動(dòng)床（超吸附）、流化床按操作過程的連續(xù)與否分為：間歇式、連續(xù)式。按吸附床再生的方法分：升溫解吸循環(huán)再生（變溫吸附）、減壓循環(huán)再生（變壓吸附）、溶劑置換再生2常見的幾種吸附流程a固定床吸附優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，吸附劑磨損??；缺點(diǎn)：間歇操作，操作必須周期性地變換，因而操作復(fù)

21、雜，勞動(dòng)強(qiáng)度高；設(shè)備龐大，生產(chǎn)強(qiáng)度低；吸附劑導(dǎo)熱性差，因而升溫及變溫再生困難b移動(dòng)床吸附特點(diǎn)：吸附劑在下降過程中，經(jīng)歷了冷卻、降溫、吸附、增濃、汽提-再生等階段，在同一設(shè)備內(nèi)完成了吸附、脫附（再生）過程；吸附過程是連續(xù)的，多用于處理穩(wěn)定、連續(xù)、大氣量的廢氣；吸附劑在移動(dòng)過程中有磨損。c流化床吸附3固定床吸附器的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)包括確定：（1）吸附器的型式；（2）吸附劑的種類；（3）吸附劑的需要量；（4）吸附床高度；（5）吸附周期（1）設(shè)計(jì)依據(jù)廢氣的流量、性質(zhì)及污染物濃度，國家排放標(biāo)準(zhǔn)。（2）吸附器的確定對(duì)吸附器的基本要求：具有足夠的過氣斷面和停留時(shí)間；良好的氣流分布；預(yù)先除去入口氣體中污染吸

22、附劑的雜質(zhì)；能夠有效的控制和調(diào)節(jié)吸附操作溫度；易于更換吸附劑。（3）吸附劑的選擇（同：工業(yè)吸附劑應(yīng)具備的條件）依據(jù)：等溫吸附線（得到或測出）須滿足條件：對(duì)所處理污染物選擇性強(qiáng)； 比表面積大； 吸附容量大； 具有較好機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。（4）吸附區(qū)高度的計(jì)算常用兩種：穿透曲線法；希洛夫近似法。吸附負(fù)荷曲線：結(jié)合圖7-23分析一下床層內(nèi)吸附質(zhì)濃度在整個(gè)操作過程的變化定義：在流動(dòng)狀態(tài)下，氣相中的吸附質(zhì)沿床層不同高度的濃度變化曲線，或在一定溫度下吸附劑種吸附的吸附質(zhì)沿床層不同高度的濃度變化曲線稱為。說明：橫軸Z吸附劑床層高度；橫軸X吸附劑的吸附負(fù)荷；X0吸附劑原始濃度（或反復(fù)再生過的吸附劑

23、中殘留的吸附質(zhì)濃度）；Xe吸附劑達(dá)到飽和時(shí)的負(fù)荷；0床層開始吸附的時(shí)間；b達(dá)到破點(diǎn)的時(shí)間；e全床達(dá)到吸附平衡（飽和）的時(shí)間。（a）圖：0； （b）圖：=；（c）圖：=+：（d）圖：=b：（e）圖：b； （f）圖：e：第四節(jié) 氣體催化轉(zhuǎn)化一 概述1催化劑：在化學(xué)反應(yīng)中加入某種物質(zhì)而使化學(xué)反應(yīng)速度發(fā)生明顯變化，而被加入的物質(zhì)在反應(yīng)前后的量及其化學(xué)性質(zhì)并不發(fā)生任何變化，這樣的物質(zhì)叫催化劑，催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中的作用叫做催化作用。2催化轉(zhuǎn)化：指廢氣通過催化劑床層的催化反應(yīng)，是其中的污染物轉(zhuǎn)化為無害或易于處理與回收利用物質(zhì)的凈化方法。優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)不同濃度的污染物具有很高轉(zhuǎn)化率； 污染物與主氣流不需要分離

24、，避免了可能產(chǎn)生的二次污染； 操作過程簡化。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。3機(jī)理：通過加入催化劑，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4催化作用具有兩個(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。5催化劑的組成（1）按物質(zhì)組成分：一種物質(zhì)組成、幾種物質(zhì)組成（2）按存在狀態(tài)分：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)（工業(yè)上應(yīng)用最廣泛，最重要）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

25、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，可增加延長催化劑使用壽命。常用的載體材料：硅藻土、硅膠、活性炭、分子篩以及某些金屬氧化物（如Al2O3、MgO等）多孔性惰性材料。6催化劑的性能主要指：其活性、選擇性和穩(wěn)定性（1）催化劑的活性意義：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

26、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)過程中保持活性的能力。包括：熱穩(wěn)定性；機(jī)械穩(wěn)定性：抗毒穩(wěn)定性；三者決定了使用壽命（使用壽命表示了催化劑的穩(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。a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程引起失活的因素有：低熔點(diǎn)活性組分的流失；催化劑燒結(jié)；低溫表面積炭結(jié)焦；內(nèi)部雜質(zhì)向表面遷移；冷熱應(yīng)力交替作用所造成的機(jī)械

27、性粉碎等。須指出：溫度對(duì)老化影響較大，工作溫度越高老化速度越快，因此，在有催化劑參與的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)在催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度發(fā)生明顯加速作用的溫度范圍（活性溫度）內(nèi)選擇合適的反應(yīng)溫度。b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。中毒的化學(xué)本質(zhì)是由于毒物比反應(yīng)物對(duì)活性組分具有更強(qiáng)的親和力。中毒又分為暫時(shí)性中毒：毒物與活性組分親和力較弱，可通過水蒸氣將毒物驅(qū)離催化劑表面，使其恢復(fù)活性（即催化劑再生）；永久性中毒：毒物與活性組分親和力較強(qiáng)，催化劑不能再生。不同類型的反應(yīng)和不同催化劑毒物不同，但對(duì)大多數(shù)催化反應(yīng)來說，HCN、CO、H2S、S、AS、Hg、Pb等都是較強(qiáng)的毒物。二 多相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

28、1氣固催化反應(yīng)過程氣固催化反應(yīng)一般經(jīng)歷如下五個(gè)步驟：外擴(kuò)散過程：反應(yīng)物從氣相主體 催化劑外表面；內(nèi)擴(kuò)散過程：催化劑外表面 微孔內(nèi)顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)；化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制過程：顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)產(chǎn)物離開內(nèi)表面；內(nèi)擴(kuò)散： 產(chǎn)物微孔 外表面；外擴(kuò)散： 外表面 氣相主體。上述幾步速度最慢（阻力最大）者決定整個(gè)過程的總反應(yīng)濃度，這一步稱為控制步驟2氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式若某氣固催化連續(xù)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)則某反應(yīng)速度可表示為： 意即：單位有效相界面積中（或單位反應(yīng)體積中、單位重量催化劑中）某一反應(yīng)物的摩爾流量的改變來表示。式中：NA反應(yīng)物A的流量， kmol/h；SR反應(yīng)表面積， m2；VR反應(yīng)氣體體積， m3；

29、WR催化劑重量， kg。（1）對(duì)于催化床，NA = NA0（1-X）； VR =AL=QT可由（2）式的工程上常用的反應(yīng)速度表達(dá)式： 式中： NA0反應(yīng)物初始流量， Kmol/h;x轉(zhuǎn)化率， %；L反應(yīng)床長度， m;A反應(yīng)床截面積， m2 ;Q反應(yīng)氣體流量， m3/h; t反應(yīng)氣體與催化劑表面接觸時(shí)間，h;CA0反應(yīng)物的初始濃度， Kmol/m3。 （2）受內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率方程式中：KS表面反應(yīng)速度常數(shù)，單位視反應(yīng)級(jí)數(shù)而定；f(CA)顆粒內(nèi)表面反應(yīng)物A實(shí)際濃度CA的函數(shù)；f(CAS)顆粒外A濃度CAS的函數(shù)；Si單位體積催化劑床層的內(nèi)表面積，m2。（3）外擴(kuò)散控制的速率方程式中：Kg以濃度差為推動(dòng)力的外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)，m/hSe單位體積催化劑床層中顆粒的外表面積，m2/m（4）氣固反應(yīng)總速率方程在穩(wěn)定情況下，氣固催化反應(yīng)總速率等于任一步驟的傳質(zhì)速度，即：于是有：（一級(jí)可逆反應(yīng)的總速度方程）由此看出：（1）若 或（KgSe）-1(KsSi)-11時(shí)，則 ，過程為化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制；1時(shí)