大气污染控制工程11第十一章气态污染物的催化净化

第十一章气态污染物的催化净化主要内容:第一节：催化作用和催化剂第二节：气固催化反应动力学第三节：气固催化反应器及计算第四节：气态污染物的催化净化工艺本章重点与难点：１．气固催化反应动力学；２．气态污染物的催化净化工艺；３．选择性催化还原和非选择性催化还原法。第十一章气态污染物的催化净化催化转化：是指废气通过催化剂床层的催化反应，是其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用物质的净化方法。优点：①对不同浓度的污染物具有很高转化率；②污染物与主气流不需要分离，避免了可能产生的第二次污染；③操作过程简化。缺点：催化剂较贵，且废气预热需耗一定能量，这样使净化处理的费用增加。第一节催化作用和催化剂一、催化作用１．概念：化学反应速度因加入某种物质而改变，而被加入物质的数量和性质，在反应终止时不变的作用称为催化作用２．机理：通过加入催化剂，改变了反应历程，降低了反应物活化能，从而达到加快反应速度的目的。3.两个显著的特征：1）催化剂能加速反应速度（正、逆）而不能使平衡移动；2）催化作用具有特殊的选择性。二.催化剂（一）组成主活性组分：催化剂主体，可单独作为催化剂；助催化剂：（1）本身无活性(2)具有提高活性组分活性的作用；载体：起支撑活性组分的作用，使催化剂具有合适形状与粒度，从而有大的比表面积，增大催化剂活性，节约活性组分用量，并有传热、稀释和增强机械强度作用，可增加延长催化剂使用寿命。（二）催化剂的性能主要指：其活性、选择性和稳定性1．活性衡量催化剂效能大小的标准。公式表示为：式中：A--------催化剂活性，kg/(h.g)；W--------产品质量，kg；t----------反应时间，h；WR-------催化剂质量，g。工业中，常把产品量换算为转化率X表示RWtWA%100物摩尔数通过催化剂床层的反应反应物反应了的摩尔数X2．催化剂的选择性选择性是指若化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作用的特征，表示为：活性与选择性是催化剂本身最基本的性能指标，是选择和控制反应参数的基本依据，二者均可度量催化剂加速化学反应速度的效果，但反映问题的角度不同。活性--------催化剂对提高产品产量的作用；选择性-----表示催化剂对提高原料利用率的作用；%100的反应物摩尔数通过催化剂床层后反应数反应所得目的产物摩尔B3．催化剂的稳定性定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。包括：（1）热稳定性；（2）机械稳定性：（3）抗毒稳定性。影响催化剂寿命的因素主要有：催化剂的老化和中毒。催化剂的老化：是指催化剂在正常工作条件逐步失去活性过程。催化剂的中毒：是指反应物中少量杂质使催化活性迅速下降的现象。第二节气固催化反应动力学一．气固催化反应过程气固催化反应一般经历如下五个步骤：①外扩散过程：反应物从气相主体到催化剂外表面；②内扩散过程：催化剂外表面到微孔内颗粒内表面吸附反应；③化学动力学控制过程：颗粒内表面吸附反应产物离开内表面；④内扩散：产物微孔到外表面；⑤外扩散：外表面到气相主体吸附过程：反应物在催化及表面上被吸附；表面过程：吸附的反应物在催化剂表面上发生化学反应（表面反应过程）；脱附过程：反应产物从催化剂表面上脱附下来。上述几步速度最慢（阻力最大）者决定整个过程的总反应浓度，这一步称为控制步骤二．气固催化反应动力学方程式：1.表面化学反应速率方程式（吸附表面反应及脱附）2.受内扩散影响的反应速率方程3.外扩散控制的速率方程4.气固反应总速率方程第三节气固催化反应器及设计一．气固催化反应器类型与选择固定床反应器优点：催化剂不易磨损，使用寿命长；反应气体与催化剂接触紧密，转化率高等。缺点：床层轴向温度不均匀。分类:（1）绝热式：a.单段式;b.多段式;c.列管式;d.径向式。（2）换热式。（二）气固反应器的选择一般原则：1１．根据催化剂反应热的大小及催化剂的活性温度范围，选择合适的结构类型，保证床层温度控制在许可的范围内。２．床层阻力应尽可能的小.３．在满足温度条件下，应尽量使催化剂装填系数大，以提高设备利用率，４．反应器应结构简单，便于操作，且造价低廉，安全可靠。二、固定床反应器的计算（一）流体在反应器内的流动模型目前有两种理论模型：①活塞流反应器特点：所有粒子通过反应器的时间完全相同。②理想混合反应器特点：反应器出口的物料浓度与反应器内完全相同。如流化床反应器、连续釜反应器――――理想混合型；固定床反应器（尤其径高比大的）―――活塞流型（二）固定反应器的计算计算方法：①经验法；②数学模型法１．经验法利用实验或工厂现有装置所得的经验参数(Vsp,t等)来设计新的反应器的一种方法。优点：计算简便，设计可靠，应用广泛；不足之处：要求设计条件与原生产工艺条件或中间试验条件尽量保持一致。因此，不宜高倍数放大，且要求中间试验条件要有足够的试生产规模，否则将导致大的误差。⑴空间速度：单位时间内单位体积催化剂能处理的反应混合气体的体积量，即：⑴Qn0---标况下反应气体初始体积流量，m3/h;VR----催化床层体积，m3Vsp---空间速度;h-1意义：Vsp越大，通过单位体积催化剂的混合物量越多，生产强度愈大。RnspVQV0⑵接触时间：反应物通过床层的时间。若在标况下计算接触时间，即标准接触时间：⑶⑶催化体积用量：001nRspnQVVttQtQVQVonnspnR000⑷催化床层高其中（空隙率）ρs,ρp----------催化堆积密度与颗粒密度，Kg/m3221441DVDVLRRps12．数学模型（介绍）产生发展于20世纪60年代反应动力学方程物料流动方程物料衡算方程热量衡算方程四个方程联立求解，从而求出指定条件下达到规定转化率所需催化剂体积等参数值。固定床压力降欧根等温流动阻力公式式中：△P------床层压力降，Pa；L---------床高，m；ρ--------气体密度，kg/m3；u0--------空床速度，m/s；ε-------床层空隙率，%；ds-------颗粒的体积表面积平均直径，m；μ-------气体粘度，Pa*s。3201dsuLPm第四节气态污染物的催化净化工艺一．催化净化法的一般工艺催化法治理废气的一般工艺过程包括：（1)废气预处理去除催化剂毒物级固体颗粒物（避免催化剂中毒）；（2)废气预热到要求的反应温度（如选择性催化还原去除NOX废气的预热温度须达200~220OC以上）；（3）催化反应；（4）废热和副产品的回收利用等。一．几种主要污染物的催化净化（一）SO2气体的催化净化（二）NOX的催化净化１．该法是利用不同还原剂，在一定的温度和催化剂作用下，将NOX还原为无害的N2和H2O。２．按还原剂是否与空气中的O2发生反应分为非选择性还原和选择性还原（用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理，使氨能有选择的和气体中的NOX进行反应，而不和氧反应。（三）汽车尾气的催化净化（二）NOX的催化净化１．该法是利用不同还原剂，在一定的温度和催化剂作用下，将NOX还原为无害的N2和H2O。２．按还原剂是否与空气中的O2发生反应分为非选择性还原和选择性还原（用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理，使氨能有选择的和气体中的NOX进行反应，而不和氧反应)。非选择性催化还原法还原剂:H2、CH4、合成氨释放气反应特点:反应分两步进行1）脱色反应：2)脱除反应(慢)常用催化剂:Pt或Pd常以0.5%的Pt或Pd载于氧化铝载体上。优缺点：1）燃量消耗量大（耗用于比NOX含量高得多的O2）；2)产生大量热，须增设废热锅炉来降低反应气体温度，同时回收废热。3）需贵金属作催化剂。4）投资大。选择性催化还原法还原剂:NH3（常用）、H2S、CO反应特点:：使氨能有选择的和气体中的NOX进行反应，而不和氧反应。常用催化剂:1)贵金属2)非贵金属的氧化物或盐类Cu、Cr、Fe、V、Mn优点：1）还原剂基本上不与氧反应，避免了无谓消耗，同时大大减小了反应热，催化床温度变化小易于控制，采用一段流程即可；2）催化剂易得，选择余地大；3）还原剂NH3相对易得，起燃温度低反应热低，床温通常低于3000C,有利于延长催化剂寿命和降低反应器对材料要求。(三）汽车尾气的催化净化汽车尾气中的主要污染物有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、NOX、SO2、铅化合物、苯并芘等。这些污染物对人类及环境的危害都是极其严重的。因此，目前许多国家将CO、NOX、SO2作为主要污染物列入制定的汽车排气标准中。经过大量的研究工作，目前汽车尾气的净化方法基本有如下三种：１．一段净化法（又称催化还原法）；２．二段净化法（又称催化氧化还原法）；３．三元净化法。