环保设备及应用-气固反应设备.ppt

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1、第四节 气固催化反应设备,一、催化转化净化和催化剂 二、气固催化反应器 三、气态污染物的催化净化工艺 四、NOX的催化净化 五、气固催化反应器设计,一、催化转化净化和催化剂,（一）催化转化净化： 是指废气通过催化剂床层的催化反应，使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： 对不同浓度的污染物具有很高转化率； 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； 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。,（二）催化剂,1、组成 主活性组分 助催化剂 载体 2、催化剂的性能 活性 选择性 稳定性,催化剂主体，可单独作为催

2、化剂；,无活性，具有提高活性组分活性的作用；,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。,（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,（2）催化剂的选择性,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

3、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；,（3）催化剂的稳定性,是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 催化剂的中毒,是指催化剂在正常工作条件逐步失去活性过程。,指反应物中少量杂质使催化活性迅速下降的现象。,二、气固催化反应器,流化床反应器和固定床反应器。 固定床反应器优点： 催化剂不易磨损，使用寿命长； 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较

4、少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。 固定床反应器缺点： 固定床中的传热较差； 催化剂的更换必须停产进行。,（一）固定床催化反应器类型 固定床反应器,绝热式 换热式 自热式,单段式 多段式,1. 绝热式反应器,它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。,绝热床反应器示意图,两层绝热，层间间接冷却的情况,多段绝热床示意图,不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简

5、单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。此外还应注意到绝热床的高径比不宜过大。 应用：近代的大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。,2. 换热式反应器,换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体( 在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。,乙炔法合成氯乙烯反应器,列管式反应器优点：, 传热较好，管内温度较易控制； 返混小、选择性较高； 只要增加管数，便可有

6、把握地进行放大； 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂 适用：原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。,3.自热式反应器,反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。,自热式反应器示意图,（二）气固反应器的选择,一般原则： 1、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。,三、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

7、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。,（二）催化净化装置的应用,1、SO2气体的催化净化 2、NOX的催化净化 3、汽车尾气的催化净化,四、NOX的催化净化,、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。 、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

8、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：

9、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。,五、固定床反应器的设计,计算方法： 经验法；数学模型法 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。,空间速度

10、：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： 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。,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： 催化体积用量：,催化床层高 其中（空隙率） s,p-催化堆积密度与颗粒密度， Kg/m3,（5）固定床压力降计算公式： 式中：流体密度 dS 颗粒比外表面积相当直径 f 摩擦系数 L 床层高度 u0空管流速 B床层空隙率 当Re10 时， f = 1/Re 当Re1000 时，f = 1.75。,