有害气体控制工程学习教案

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1、会计学1有害气体有害气体(qt)控制工程控制工程第一页，共61页。 催化法与吸收、吸附法不同，应用催化法治理污染物时，无需将污染物与主气流分离，可直接(zhji)将有害物质转化成无害物质，这不仅可避免产生二次污染，而且又可简化操作过程。 催化(cu hu)转化法的特点第1页/共61页第二页，共61页。(1) 废气中的气态污染物含量低,反应热效应小,一般可不考虑催化床层的传热问题,因而反应器结构简单,往往采用一段绝热固定床催化反应器,或是便于更换的“模屉”式绝热固定床反应器，就能满足要求。(2) 由于催化净化装置和处理系统,仅是生产工艺的一个附属部分,这就要求净化工艺尽可能简单,占地面积小,设备

2、投资省,操作费用低。(3)要求催化转化过程不产生二次污染。(4) 由于要处理的废气量往往很大，比如一个60万kW的火电厂烟气排放量将达160万m3/h，因此(ync)要求催化剂具有能承受流体冲刷和压力变化的能力。(5) 废气的成分复杂,有的反应条件变动大,因而要求催化剂具备高的选择性、高的机械强度、高的热稳定性、强的抗毒能力和宽广的活性温度范围。 催化净化(jnghu)工艺及催化剂的要求第2页/共61页第三页，共61页。第3页/共61页第四页，共61页。第4页/共61页第五页，共61页。催化剂有两个最大的实用属性:一、催化剂加速(ji s)化学反应速度,使许多化学反应得以按工业规模进行,或显著

3、改善了反应装置的温度和压力条件,从而提高了化工生产的经济效果；二、催化剂保持自身的化学性质不变使它在生产过程的一段期限内不断起催化作用,从而进一步提高催化工业的经济效果. 第5页/共61页第六页，共61页。(一) 催化剂的组成(z chn) 1活性组分(zfn) 2助催化剂 3载体(zit) （二） 催化剂的表面与孔结构 1催化剂的表面积 2.催化剂的孔结构 第6页/共61页第七页，共61页。(三) 催化剂的性能(xngnng) 1.催化剂的活性 2催化剂的选择性 3催化剂的稳定性 (四) 有害气体治理(zhl)工程中常用的催化剂 1.有害气体(qt)治理工程对催化剂的要求 2. 有害气体治理

4、工程中常用的催化剂 第7页/共61页第八页，共61页。各类催化剂的外观(wigun) 第8页/共61页第九页，共61页。第9页/共61页第十页，共61页。 当催化(cu hu)剂和反应物同处在一个溶液或气体混合物组成的均匀体系中时,其催化(cu hu)作用称为均相催化(cu hu)作用。而当催化(cu hu)剂和反应物处在不同的相时(通常催化(cu hu)剂呈固体,反应物为液体或气体),其催化(cu hu)作用称为多相催化(cu hu)作用。催化(cu hu)转化法净化气态污染物即属多相催化(cu hu)作用。第10页/共61页第十一页，共61页。 在多相催化作用(zuyng)中，反应物在催化

5、剂表面上接触是一个关键，因为催化反应是在催化剂表面上完成的。反应物接触催化剂表面首先需在表面上吸附，这种吸附往往是化学吸附，化学吸附的结果，导致了反应物分子化学键的松弛，使反应得以进行下去。因此，也称固体催化剂为触媒。第11页/共61页第十二页，共61页。(二) 催化作用特征(tzhng) 1.加快化学反应(huxu fnyng)速度，控制 2.反应方向 2. 催化作用不能改变(gibin)化学平衡和反应热 3.催化作用有特殊的选择性 (三) 催化作用原理 1.催化作用的化学本质 2. 催化理论 第12页/共61页第十三页，共61页。第13页/共61页第十四页，共61页。第14页/共61页第十

6、五页，共61页。第15页/共61页第十六页，共61页。第16页/共61页第十七页，共61页。按控制过程不同可将反应(fnyng)过程分为：1)化学动力学控制 此情况化学反应(fnyng)过程阻力最大,化学反应(fnyng)速度最慢, 总反应(fnyng)速度主要取决于化学反应(fnyng)的速度。2)内扩散控制 此情况内扩散过程的阻力最大,内扩散速度较慢, 总反应(fnyng)速度主要取决于内扩散过程速度。3)外扩散控制 此种情况外扩散过程的阻力最大,外扩散过程速度较慢, 总反应(fnyng)速度主要取决于外扩散过程速度。第17页/共61页第十八页，共61页。第18页/共61页第十九页，共61

7、页。化学反应速度一般定义为单位反应空间(kngjin)体积中某反应物数量随时间的变化率，表示为：式中 A反应物A的反应速度，mol/(m3h)； nA反应物A的摩尔数，mol； V反应空间(kngjin)体积，m3； 反应时间，h。dVndAA)(一) 表面(biomin)化学反应速度第19页/共61页第二十页，共61页。当V为常量(chngling)时，则表示为： 式中 cA反应物A的浓度，mol/m3ddcAA第20页/共61页第二十一页，共61页。第21页/共61页第二十二页，共61页。1. 空间(kngjin)速度 空间(kngjin)速度（简称空速），表示单位时间内、单位体积催化剂所

8、能处理的反应混合物的体积。空速越大，即通过单位体积催化剂的反应混合物的流量越大，表明催化剂的生产能力越强，或称生产强度越大。第22页/共61页第二十三页，共61页。 反应过程中,气体混合物体积流量随操作状态(压力、温度)而变化,在某些反应中还随反应前后气体混合物摩尔数而变化,如SO2+1/2O2SO3的反应,反应混合物总摩尔数在反应不断减少;对NO2+CONO+CO2的反应,反应混合物总摩尔数在反应过程中不变;对CH4+H2OCO+3H2的反应,混合物总摩尔数,随着反应的进行而增多.在计算时一般采用(ciyng)不含生成物的反应混合物组成为基准来计算体积流量,称为初始体积流量Q0,这样,反应混

9、合物在反应温度和压力条件下的初始流量就与反应过程中总摩尔数的变化无关。第23页/共61页第二十四页，共61页。 在流动系统中，如果不考虑反应混合物经催化床的压力降，则可视为恒压过程(guchng)，但在催化剂床层不同部位，反应混合物的温度可能是不同的，为了比较和计算方便，常将反应操作条件下反应混合物的初始体积流量Q0，换算成标准状况下的初始体积流量QN，依据空速的定义，可将空间速度表示如下 ：RNSPVQW第24页/共61页第二十五页，共61页。式中 WSP空间速度，m3/m3催化剂h或h-1； QN标准状况下混合气体的初始体积流量，m3/h； VR催化剂体积，m3。如果不按初始体积流量而按某

10、一气体组成的体积流量来计算(j sun)空间速度，则应说明按哪一种反应状态的气体组成计算(j sun)。第25页/共61页第二十六页，共61页。2. 接触时间 空间速度的倒数定义为接触时间,若采用操作条件下混合气体的初始体积流量Q0；则接触时间为：若按标准状况下反应气体初始流量QN计算,称为标准接触时间,以0表示(biosh),则 可以看出,当气体的体积流量一定时,催化剂床层的体积与接触时间成正比。换言之,当处理的气体量一定时,在达到一定反应率时,所需接触时间越短,则催化剂用量越少,表明反应器生产强度越大。 0QVRNRQV0第26页/共61页第二十七页，共61页。第27页/共61页第二十八页

11、，共61页。动力学方程所表示的关系,是在温度、压力(yl)一定的情况下,化学反应速度与各反应物浓度的函数关系。研究表明,化学反应遵循质量作用定律,反应速度与反应物浓度成指数函数关系,如下列均相反应：n1A+n2B n3C+n4D第28页/共61页第二十九页，共61页。 对于可逆反应的速度，常以正、逆反应速度之差的净速度来表示，则上列(shngli)反应的动力学方程可表示为： 式中m分别为各组分反应级数，如反应为基元反应，则m=n，若不为基元反应，则需经实验测定。kC及kC分别为正逆反应速度常数。4321432mDmCmBmAcmDmCmBmAcACCCCkCCCCk第29页/共61页第三十页，

12、共61页。第30页/共61页第三十一页，共61页。 连续流动的体系(tx)，其化学反应过程是一个稳定的传质过程，总过程的反应速度（或传质速度）等于任一分步的传质速度，因而可得：解出CAS： ASiAASAgaeGCSkCCSK)(AgaeGiAaeGASCSKSkSKC第31页/共61页第三十二页，共61页。代入实际反应速度(fn yng s d)方程可得：令：则 A = KT CAgAgiAaeGACSkSK1)11(1)11(iAaeGTSkSKK第32页/共61页第三十三页，共61页。该式即为气固相催化反应的宏观动力学方程，KT称为表观速度常数，分母(fnm)中的第一项，即 表示外扩散阻

13、力；第二项，即 ，表示内扩散阻力和表面化学反应阻力之和，在外扩散过程控制时，第一项阻力远大于第二项阻力，因而有aeGSK1iASk1aeGTSKK第33页/共61页第三十四页，共61页。当内扩散过程控制时,KT kA Si而当内、外扩散对反应速度影响(yngxing)皆很小，过程受化学动力学控制时，KT kA第34页/共61页第三十五页，共61页。第35页/共61页第三十六页，共61页。第36页/共61页第三十七页，共61页。固体的流态化技术是近些年来发展起来的一项新技术,流化床气固相催化反应器是流态化技术在气固相催化工艺方面的具体应用。流化床气固催化反应器具有温度分布均匀、传热效率高、气固之

14、间接触面积大、传质速率高等优点，因而大大强化了操作,简化了流程。但如第三章所讲流化床的固有缺点, 它的应用尤其是在净化气态污染物中的应用发展不快。流化床结构及计算已在第三章中讲过,本节只重点介绍(jisho)目前应用最多的固定床催化反应器。 第37页/共61页第三十八页，共61页。1. 固定床催化反应器的特点 固定床反应器优点是轴向返混少,气体(qt)在床层内流动接近理想置换流动,因而反应速度快,催化剂用量少,设备体积小. 从设计和操作上,可严格控制气体(qt)停留时间和调节床层温度分布,有利于提高转化率和选择性,固体催化剂还不被磨损. 最大缺点是传热问题.因催化剂颗粒静止不动及本身导热性差,

15、活塞流的流动又限制了流体径向换热能力,加之催化反应有时会放出大量热,反应器轴向会有一个最高温度点称为“热点”,若设计和控制不当造成热点过热甚至产生“飞温”,将对催化剂性能及设备产生不利影响,甚至会带来不安全因素.另外,固定床使用的催化剂颗粒比流化床粗,使其表面有效系数低.第38页/共61页第三十九页，共61页。2. 固定床催化反应器的类型和结构 （1）绝热式固定床反应器 绝热式就是不和外界进行任何热交换(jiohun)的反应器，它又分为单层式和多层式。 （2）管式固定床反应器 管式固定床反应器属换热式反应器,它与外界有热量交换(jiohun).管式反应器又以催化剂装填部位不同分为多管式和列管式

16、两种。 （3）其它反应器 还有径向反应器和薄层反应器等类型。 第39页/共61页第四十页，共61页。第40页/共61页第四十一页，共61页。一般的选择原则是：1根据催化反应热的大小、反应对温度的敏感程度及催化剂活性温度范围，选择反应器的结构(jigu)类型，把温度分布控制在一个许可的范围内。2. 反应器的阻力降要小，这对气态污染物的净化尤为重要。第41页/共61页第四十二页，共61页。3. 反应器操作容易,安全可靠,并力求结构(jigu)简单,造价低廉,运行与维护费用低。 由于污染气体风量大，污染物含量低，因而催化反应热效应小，要想使污染气体达到排放标准，就必须有较高的催化反应转化率。因此选用

17、单层绝热反应器，包括径向反应器，对实现气态污染物的催化转化有着绝对的优势。氮氧化物催化转化、有机蒸气催化燃烧和汽车尾气净化，无一例外地都采用了单层绝热床反应技术。第42页/共61页第四十三页，共61页。第43页/共61页第四十四页，共61页。 下面是一个典型气固相催化治理气态污染物的工艺流程,用再热式催化氧化系统进行火电厂烟气脱硫的工艺流程.安装在美国(mi u)圣路易市伍得河 (Wood River)火电厂,工艺过程为:烟气经机械除尘、电除尘除去烟气中夹带的固体微粒,除尘后的烟气经再热炉加热到723K,再进入装有Cat-ox牌号钒催化剂的反应器,在催化反应器中进行SO2的催化氧化,SO2转化

18、率约90%,转化后的烟气经热交换器回收热量(用于预热进入转化器的冷烟气)后进入填料吸收塔,在塔内被冷却,在冷却过程中烟气中的SO3和水结合生成硫酸,吸收塔顶部出口气体温度约393K,经烟囱排放。塔底流出热硫酸,经冷却,一部分循环到吸收塔,一部分作成品酸出售。第44页/共61页第四十五页，共61页。 此法的主要优点是流程简单,不需增加原料,无再生步骤，既达到了烟气净化的目的,又实现了“废物资源化”,得到了硫酸产品(chnpn),但由因处理烟气量大,烟气中SO2浓度低,因使得设备庞大,造价昂贵。 由“再热式催化氧化法”净化烟气中低浓度SO2的流程不难看出,催化法净化气态污染物的工艺过程一般包括：废

19、气预处理,除去催化剂毒物和颗粒物；废气预热,达到指定的反应温度,即供给催化反应热能；催化反应,废热的回收；副产品(chnpn)的回收利用等。 第45页/共61页第四十六页，共61页。第46页/共61页第四十七页，共61页。 气固相催化反应系统操作时，应注意以下几点：1. 温度的调控 温度是影响催化反应的一个非常重要的因素，催化反应只有在一定的温度范围内才能进行。而一般的催化反应都有热效应（吸热或放热）。因此，温度的调节和控制(kngzh)对催化反应设备的生产能力、净化效果都有很大影响。对温度的调控要注意对反应类型的研究。第47页/共61页第四十八页，共61页。 对不可逆反应，由于不存在平衡的限

20、制，无论是吸热还是放热，也不论反应达到的阶段如何，只要所选催化剂的活性温度范围和设备条件允许，应尽可能地提高反应温度，以提高反应速度，如催化燃烧净化有机废气。但是这里面还要保证不要伴有副反应发生。因此，实际操作时还要根据具体情况确定(qudng)。 对于可逆吸热反应，由于温度升高能同时提高反应速度常数和平衡反应率，因此高温操作无疑是有利的，不过也必须注意催化剂的活性温度范围和设备的条件。第48页/共61页第四十九页，共61页。 对可逆放热反应,情况较复杂,这里有一个温度对反应速度常数和平衡转化率的共同影响问题。低温时,因逆反应的速度较小,加之低温时平衡转化率较高,两者影响加起来表现为反应速度随

21、温度的升高而加大,当超过某一温度Tm达到高温段时,逆反应速度加大,加之到高温段时平衡反应率降低,总的表现为反应速度随温度的升高而降低。Tm称为最佳温度,它是相对于某一混合物的组成定的,能使该组成达到最大反应速度的温度,称为对应于该组成的最佳温度。事实上,可逆放热反应的最佳温度不是一个固定温度,而是随反应率升高而要求反应温度降低的一个温度区间。操作调控(dio kn)时要争取在最佳温度区间内操作。 第49页/共61页第五十页，共61页。一个可逆放热反应系统组成的最佳温度可由作图方法求取，也可由解析法计算，这里不再详述。 2. 操作压力加压条件下可提高催化反应的速度，减小设备体积，在化工生产中可根

22、据具体情况确定。而对于有害气体(qt)治理操作，采取加压操作是不经济的，因此一般在常压下操作。第50页/共61页第五十一页，共61页。3. 最终反应率 最终反应率即最终转化率,在气态污染物净化上讲的就是最终排放浓度。最终反应率的提高和催化剂用量紧密相连,要想获得高的最终反应率,须大大增加催化剂的用量,据经验,在催化燃烧时,相同条件下,若使反应率由68%提高到90%,催化剂用量要增加一倍,若再提高到99%,还要在原基础上再增加一倍,也就是说要使反应率由68%提高到99%,催化剂用量要翻两番。因此,在净化气态污染物时盲目地追求高反应率是不经济的,要根据环保法规(fgu)的要求恰当地确定。第51页/

23、共61页第五十二页，共61页。4. 空间速度 根据空间速度的定义，提高空速可以提高床层处理气体的能力，但是提高空速会带来两个问题，即压力降的升高和床层温度的降低，尤其是在有害气体治理上，由于气量大，浓度低，提高空速会增加床层阻力，造成经济上的不合算；浓度低，反应中放热少，过高的空速会破坏催化床层的热平衡，使床层温度不易控制，破坏了正常(zhngchng)操作，因此实际生产中应注意空间速度的调控，使空速保持在既能使系统有大的处理能力，又不致于使反应率降低，以保证处理的最佳效果。第52页/共61页第五十三页，共61页。5. 废气初始组成(z chn)的调控 废气的初始组成(z chn)对催化反应的

24、反应率、反应速度和催化剂用量都有影响。对于能够进行调控的废气，要争取使废气初始的组成(z chn)处在最佳的比例，比如采用选择性催化还原处理NOX时，要控制NOX/NH3=1.0：1.4，催化燃烧处理有机废气时要保证氧的含量在爆炸极限以下。当然对于一些不能改变成分的废气，比如燃烧烟气脱硫，是无法改变的 .第53页/共61页第五十四页，共61页。第54页/共61页第五十五页，共61页。1. 废气预处理 废气中含有的固体或液体颗粒(kl)会覆盖在催化剂表面,从而使其活性降低。废气中含有的催化剂毒物,即使很微量也能使催化剂失去活性。因此废气进入催化床层前应将毒物尽可能除去。一般固体颗粒(kl)采用除

25、尘器除去。困难的是废气中的气态催化剂毒物若专门设置净化这些毒物的装置,在技术上很困难,在经济上也不合算, 因此,主要是采取提高催化剂抗毒能力，或只把催化净化工艺使用在不含这些毒物的场合,或只使用到催化剂可以忍受的场合。第55页/共61页第五十六页，共61页。2. 热能的供给及废热回收 催化剂有一定的活性温度,低于此活性温度,催化反应进行得十分缓慢。因而进入催化床的废气需先预热到催化剂的活性温度以上同时催化剂床层也要预热。预热废气的方法有直接(zhji)预热和间接预热两种。直接(zhji)预热采用辅助燃烧器燃烧燃料气或燃料油让生成的高温烟气与待净化的废气混合,达到所需温度。间接预热采用换热器,用

26、高温气流预热，使净化的废气达到所需的温度。这两种方法可单独使用,也可混合使用。第56页/共61页第五十七页，共61页。3. 催化反应器因气态污染物的浓度很低,反应放热少,反应率只要能保证废气排放标准即可。因而一般采用较简单的一段绝热反应器即可满足要求,复杂的反应器结构(jigu)并不常见。4. 安全问题在有机物废气的催化燃烧中,所要处理的有机物废气在高温下与空气混合易引起爆炸,安全问题十分重要。一方面须控制有机物与空气的混合比,使之在爆炸下限；另一方面,催化燃烧系统应设监测报警装置和有防爆措施。第57页/共61页第五十八页，共61页。第58页/共61页第五十九页，共61页。第59页/共61页第六十页，共61页。第60页/共61页第六十一页，共61页。