第五章第五章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础本章对气体吸收、气体吸附、气体催化转化的基本章对气体吸收、气体吸附、气体催化转化的基本原理和工艺设备作一概要介绍，为学习气态污本原理和工艺设备作一概要介绍，为学习气态污染物的控制技术打下基础。染物的控制技术打下基础。1一、气液平衡一、气液平衡l在一定在一定T T、P P下，吸收过下，吸收过程的传质速率等于解吸程的传质速率等于解吸过程的传质速率时，即过程的传质速率时，即为动态平衡。为动态平衡。（1 1）气体在液相中的平）气体在液相中的平衡溶解度衡溶解度l溶解度是系统的溶解度是系统的温度，温度，总压和气相组成总压和气相组成的函数。的函数。5-1 5-1 吸收法净化气态污染物吸收法净化气态污染物2（2 2）亨利定律亨利定律 物理吸收；物理吸收；总压不高（总压不高（5105105 5PaPa）；稀溶液）；稀溶液可表示为：可表示为：式中式中 X-X-被吸收组分在液相中的摩尔分数；被吸收组分在液相中的摩尔分数； E E、m-m-亨利系数。亨利系数。 Y Y* *- -溶质在气相中的摩尔分数。溶质在气相中的摩尔分数。 3l当溶质在溶液中的含量以浓度当溶质在溶液中的含量以浓度C(kmol/mC(kmol/m3 3) )表表示时，亨利定律可以表示为另一种常用形式示时，亨利定律可以表示为另一种常用形式 或或 比例系数比例系数H H愈大，表明同样分压下的愈大，表明同样分压下的溶解度愈大溶解度愈大，因，因而称而称H H为溶解度系数。为溶解度系数。4二、吸收原理二、吸收原理1 1、吸收机理、吸收机理双膜理论双膜理论 (1) (1) 存在相界面：存在相界面：气膜、液膜气膜、液膜；(2) (2) 吸收过程分为五步；吸收过程分为五步；(3)(3)被吸收组分在两相主体中的扩被吸收组分在两相主体中的扩散阻力略而不计；散阻力略而不计；(4)(4)相界面处没有任何传质阻力；相界面处没有任何传质阻力；(5)(5)吸收过程看作是通过气液膜的吸收过程看作是通过气液膜的稳定扩散稳定扩散。5u双膜理论把吸收过程简化成通过双膜理论把吸收过程简化成通过气液两层气液两层层流膜层流膜的分子扩散，的分子扩散，通过此两层膜的分子通过此两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。扩散阻力就是吸收过程的总阻力。62 2、吸收速率方程、吸收速率方程l气液两相间的传质速率取决于通过气液两相间的传质速率取决于通过气膜和液膜的分子扩散速气膜和液膜的分子扩散速率率。其中气膜传质速率：。其中气膜传质速率：vN NA A被吸收组分被吸收组分A A的传质速率，的传质速率，kmol/(mkmol/(m3 3s)s)； P PAiAi和和P PA A分别为被吸收组分分别为被吸收组分A A在气液相界面和气相主体的分压在气液相界面和气相主体的分压; ;k kg g气膜传质分系数，气膜传质分系数，kmol/(mkmol/(m2 2sPa)sPa)。D DAgAg吸收质吸收质A A在气相内的分子扩散系数，在气相内的分子扩散系数，kmol/(msPakmol/(msPa) ) ；Z Zg g气膜层厚度，气膜层厚度，m m。7液膜传质速率为：液膜传质速率为：D DAlAl吸收质吸收质A A在液相内的分子扩散系数，在液相内的分子扩散系数，m m2 2/s/s；Z Zl l液膜层厚度，液膜层厚度，m m；C CAiAi和和C CA A分别表示被吸收组分在气液相界面和液相主体中的分别表示被吸收组分在气液相界面和液相主体中的浓度，浓度，kmol/mkmol/m3 3； k kL L液膜传质分系数，液膜传质分系数，m ms s；8在气液相界面上，因吸收组分在气液相界面上，因吸收组分A A通过气膜的传质速率等于通过通过气膜的传质速率等于通过液膜的传质速率，则稳定吸收过程的液膜的传质速率，则稳定吸收过程的总传质速率方程式总传质速率方程式: :式中：式中： 与气相中组分分压成相平衡的液相主体中被吸收组与气相中组分分压成相平衡的液相主体中被吸收组分的摩尔浓度分的摩尔浓度, , kmolkmolm m3 3 ; ; 与液相主体中吸收质浓度成平衡的气相虚拟分压与液相主体中吸收质浓度成平衡的气相虚拟分压,Pa.,Pa.9lK KG G和和K KL L总传质系数；它们与传质分系数的关系分别为总传质系数；它们与传质分系数的关系分别为 气膜阻力和液膜阻力的大小取决于气膜阻力和液膜阻力的大小取决于组分组分A A的溶解度系数的溶解度系数H H。对于易溶气体，总阻力近似等于气膜阻力，这种情况称为对于易溶气体，总阻力近似等于气膜阻力，这种情况称为气膜控制（如碱或氨吸收气膜控制（如碱或氨吸收SOSO2 2）。对于难溶气体，总阻力近似等于液膜阻力，这种情况称为对于难溶气体，总阻力近似等于液膜阻力，这种情况称为液膜控制（如碱吸收液膜控制（如碱吸收COCO2 2）。对于中等溶解度的气体，气膜阻力与液膜阻力处于同一数对于中等溶解度的气体，气膜阻力与液膜阻力处于同一数量级，两者皆不能忽略（如水吸收量级，两者皆不能忽略（如水吸收SO2 ）。）。 10l三、化学吸收中的气液平衡关系三、化学吸收中的气液平衡关系l 化学吸收过程既服从化学吸收过程既服从相平衡关系相平衡关系，也服从，也服从化学平衡化学平衡关系。关系。在这种情况下，亨利定律仅可适用于被溶解气体在这种情况下，亨利定律仅可适用于被溶解气体没有变化没有变化的的分子的浓度，此浓度决定于溶液中进行反应的分子的浓度，此浓度决定于溶液中进行反应的平衡条件平衡条件。l 被吸收组分被吸收组分A A与溶液中所含的组分与溶液中所含的组分B B发生相互反应：发生相互反应：11l化学平衡关系式可写成化学平衡关系式可写成 由上式并根据亨利定律求得由上式并根据亨利定律求得气相中组分气相中组分A A的平衡分压的平衡分压若已知系统中各组分初始浓度，按此式可计算出气体组分的总若已知系统中各组分初始浓度，按此式可计算出气体组分的总浓度浓度C CA A。12化学吸收过程中有三种常见的情况：化学吸收过程中有三种常见的情况：l被吸收组分与溶剂相互作用被吸收组分与溶剂相互作用 令其相互作用按下式进行令其相互作用按下式进行: : A+BM A+BM 13 组分组分A A在溶液中的总浓度在溶液中的总浓度C CA A，C CA A=A+M=A+M，因此有因此有由此得由此得 若吸收过程是稀溶液吸收，服从亨利定律，即若吸收过程是稀溶液吸收，服从亨利定律，即则则 可视为常数，形式上服从亨利定律，但增大了可视为常数，形式上服从亨利定律，但增大了(1+KB)(1+KB)倍。倍。如如用水吸收氨。用水吸收氨。14 被吸收组分在溶液中离解被吸收组分在溶液中离解 若上述反应产物若上述反应产物M M又发生离解，则平衡关系又发生离解，则平衡关系应按离解反应平衡来确定。设离解反应为应按离解反应平衡来确定。设离解反应为kk115l离解常数为：离解常数为： 则组分则组分A A在溶液中的总浓度在溶液中的总浓度C CA AA+M+AA+M+A- - ，若溶液中无同离若溶液中无同离子存在，则子存在，则KK+ +=A=A- - 则：则：MM可以表示为可以表示为KABKAB，所以所以 16l解此方程得解此方程得其中其中 把把A代入亨利定律表达式中，得代入亨利定律表达式中，得在这种情况下，在这种情况下， 与与C CA A不呈直线关系。不呈直线关系。COCO2 2和和SOSO2 2在在水中的溶解即为按上述过程进行的例子。水中的溶解即为按上述过程进行的例子。17 被吸收组分和吸收剂中活性组分相互作用被吸收组分和吸收剂中活性组分相互作用 l A+BMA+BM 设溶液中活性组分设溶液中活性组分B B的起始浓度为的起始浓度为 ，若平衡时反应率，若平衡时反应率为为R R，则则 ，由化学平衡关系式得，由化学平衡关系式得 若物理溶解量忽略不计若物理溶解量忽略不计,由上式得由上式得用气液平衡关系式代入上式，得用气液平衡关系式代入上式，得: :18四、四、 吸收设备吸收设备1 1、对吸收设备的基本要求：、对吸收设备的基本要求： 气液之间有较大的接触面积和一定的接触时间；气液之间有较大的接触面积和一定的接触时间； 气液之间扰动强烈气液之间扰动强烈, ,吸收阻力小吸收阻力小, ,吸收效率高；吸收效率高； 操作稳定操作稳定, ,并有合适的操作弹性；并有合适的操作弹性； 气流通过时的压降小；气流通过时的压降小； 结构简单结构简单, ,制作维修方便制作维修方便, ,造价低廉；造价低廉； 针对具体情况针对具体情况, ,要求具有抗腐和防堵能力。要求具有抗腐和防堵能力。 最常用的有最常用的有填料塔、板式塔、文丘里洗涤器填料塔、板式塔、文丘里洗涤器192 2、吸收设备、吸收设备 （1 1）填料塔）填料塔常用填料有常用填料有拉西环、拉西环、鲍尔环，鞍形和波鲍尔环，鞍形和波纹填料纹填料等。等。对填料的基本要求对填料的基本要求是：是：单位体积填料单位体积填料所具有的所具有的表面积表面积大，大，气体通过填料时的气体通过填料时的阻力低阻力低20l填料塔的优点：填料塔的优点：生产能力大、分离效率高，生产能力大、分离效率高，压降小，持液量小、操作弹性大。压降小，持液量小、操作弹性大。l缺点缺点：液体负荷较小时不能有效润湿填料表：液体负荷较小时不能有效润湿填料表面，使传质效率低。面，使传质效率低。21（2 2）板式塔）板式塔优点：优点：空塔速度较高，空塔速度较高，生产能力大，塔板效率生产能力大，塔板效率稳定且造价低，检修、稳定且造价低，检修、清洗方便。清洗方便。缺点：缺点：压损大、操作弹压损大、操作弹性小性小22（3 3）文丘里洗涤器）文丘里洗涤器优点：优点：体积小、处理能体积小、处理能力大，又可兼作冷却力大，又可兼作冷却除尘设备，除尘设备，缺点：缺点：压损大、能耗高压损大、能耗高235-2 吸附法净化气态污染物吸附法净化气态污染物 一、一、 物理吸附与化学吸附物理吸附与化学吸附 物物理理吸吸附附: :由由分分子子间间范范德德华华力力引引起起，可可单单层层吸吸附，亦可多层吸附。附，亦可多层吸附。特征：特征： 吸附质与吸附剂间不发生化学反应；吸附质与吸附剂间不发生化学反应； 吸附过程快，瞬间即达平衡；吸附过程快，瞬间即达平衡； 吸附为吸附为放热放热反应反应； 具有具有可逆性可逆性。24l化化学学吸吸附附：由由吸吸附附剂剂与与吸吸附附质质间间的的化化学学键键力力引引起起，单层吸附，需要一定的单层吸附，需要一定的活化能活化能。吸附力较强，。吸附力较强， 特征：特征： 吸附有很强的吸附有很强的选择性选择性； 吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长的时间；吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长的时间； 升高温度升高温度可提高吸附速率。可提高吸附速率。 25 二、吸附剂二、吸附剂 1 1工业吸附剂必需具备的条件工业吸附剂必需具备的条件 (1)(1)要有巨大的内表面要有巨大的内表面 例如，活性炭的内表面例如，活性炭的内表面1000m1000m2 2g g以上。以上。 (2)(2)对不同气体具有选择性的吸附作用对不同气体具有选择性的吸附作用。 例如，木炭吸附例如，木炭吸附S0S02 2或或NHNH3 3的能力较吸附空气大。的能力较吸附空气大。l 一般地说，吸附剂对各种吸附组分的吸附能力，一般地说，吸附剂对各种吸附组分的吸附能力，随吸附组分随吸附组分沸点沸点的升高而加大，首先被吸附的是的升高而加大，首先被吸附的是高高沸点沸点的组分。的组分。26 (3)(3)吸附容量大。吸附容量大。 (4)(4)较高的机械强度、热稳定性及化学稳定性。较高的机械强度、热稳定性及化学稳定性。 (5)(5)来源广泛，价格低廉。来源广泛，价格低廉。 （6 6）良好的再生性能）良好的再生性能2 2常用工业吸附剂常用工业吸附剂 活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土和沸石分子筛活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土和沸石分子筛l活性炭活性炭：吸附净化尾气中的有机蒸气、恶臭物：吸附净化尾气中的有机蒸气、恶臭物质和某些其它有害气体质和某些其它有害气体27l活性氧化铝活性氧化铝：用于气体的干燥，石油气的脱硫以及：用于气体的干燥，石油气的脱硫以及含氟废气的净化。含氟废气的净化。l硅胶：硅胶：用于气体的干燥和烃类气体回收。用于气体的干燥和烃类气体回收。l白土：白土：分为漂白土和酸性白土。漂白土成分为硅酸分为漂白土和酸性白土。漂白土成分为硅酸铝盐，对各种铝盐，对各种油类油类脱色很有效，并可除去油中的臭脱色很有效，并可除去油中的臭味；酸性白土是味；酸性白土是SiOSiO2 2和和AlAl2 2O O3 3比值较低的白土经酸处比值较低的白土经酸处理后得到的，其脱色效率比天然漂白土高。理后得到的，其脱色效率比天然漂白土高。283 3、吸附剂的、吸附剂的再生再生l(1) (1) 加热再生加热再生 l(2)(2)降压或真空解吸降压或真空解吸 l(3)(3)置换再生：适用于对温度敏感的物质置换再生：适用于对温度敏感的物质 l(4)(4)溶剂萃取溶剂萃取 29三、吸附机理三、吸附机理1 1、吸附平衡吸附平衡l经多年研究，已观测到经多年研究，已观测到6 6种类型的等温吸附线：种类型的等温吸附线：微孔填充的特征微孔填充的特征代表在多相基质上不代表在多相基质上不受限制的多层吸附受限制的多层吸附吸附质与吸附剂相吸附质与吸附剂相互之间的作用微弱互之间的作用微弱30由于均匀基质上惰由于均匀基质上惰性气体分子性气体分子分阶段分阶段多层吸附多层吸附而引起而引起 具有滞后回线，具有滞后回线，适用于孔尺寸分适用于孔尺寸分布的估算布的估算与第四类相似，只与第四类相似，只是吸附质与吸附剂是吸附质与吸附剂之间相互作用较弱之间相互作用较弱31l相应的等温吸附方程式如下相应的等温吸附方程式如下： （1 1）弗罗德里希方程）弗罗德里希方程 对对型等温吸附线提出如下指数方程：型等温吸附线提出如下指数方程：X XT T被吸附组分的质量与吸附剂质量之比值；被吸附组分的质量与吸附剂质量之比值；pp被吸附组分在气相中的分压，被吸附组分在气相中的分压，PaPa；k k和和nn经验常数，与吸附剂、吸附质的种类及经验常数，与吸附剂、吸附质的种类及吸附温度有关，通常吸附温度有关，通常n n1 1。32该方程只适用于吸附等温线的该方程只适用于吸附等温线的中压中压部分，在使用中经部分，在使用中经常取它的常取它的对数对数形式，即形式，即 以以 作图，可得一直线，作图，可得一直线，直线斜率为直线斜率为1/n1/n，截距截距可以求得可以求得n n和和k k的值。如果斜率在的值。如果斜率在0.1-0.50.1-0.5之间，表示之间，表示吸附容易进行，若吸附容易进行，若大于大于2 2，则吸附难以进行。，则吸附难以进行。33 （2 2）朗格缪尔等温方程式）朗格缪尔等温方程式l能较好适用于能较好适用于型吸附等温线型吸附等温线 VV气体分压为气体分压为P P时被吸附气体在标态下的体积；时被吸附气体在标态下的体积； V Vm m吸附剂被覆盖满一层时被吸附气体在标态下的吸附剂被覆盖满一层时被吸附气体在标态下的 体积；体积； BB常数。常数。v以以P/VP/V对对P P作图，得一直线。由直线斜率作图，得一直线。由直线斜率1/Vm1/Vm和截距和截距(1/BVm)(1/BVm)便可计算便可计算B B与与VmVm值。值。34 3 3BETBET方程方程l勃劳纳尔勃劳纳尔( (BrunauerBrunauer) )、埃麦特埃麦特(Emmett)(Emmett)及泰及泰勒勒(Teller)(Teller)三人提三人提出适合出适合、型吸附等温线的多分子层吸附理论，并建立型吸附等温线的多分子层吸附理论，并建立了等温方程式（其中一种表示方法）：了等温方程式（其中一种表示方法）： VV在压力为在压力为P P、温度为温度为T T条件下被吸附气体的体积；条件下被吸附气体的体积； P P0 0在吸附温度下吸附质的饱和蒸气压，在吸附温度下吸附质的饱和蒸气压，PaPa； CC常数，与吸附质的汽化热有关。常数，与吸附质的汽化热有关。重要用途重要用途:可测定和计算可测定和计算固体吸附剂的比表面积固体吸附剂的比表面积。根据斜率和截。根据斜率和截距求出距求出Vm,则可计算出吸附剂的比表面积。则可计算出吸附剂的比表面积。351 1、吸附工艺及设备、吸附工艺及设备（1 1）固定床吸附流程）固定床吸附流程（2 2）移动床吸附流程）移动床吸附流程（3 3）流化床吸附流程）流化床吸附流程四、四、 吸附工艺及设备计算吸附工艺及设备计算36373839上节课小结上节课小结一、一、新型电袋除尘器新型电袋除尘器 串联和混合式两种串联和混合式两种二、除尘器选择与发展二、除尘器选择与发展三、吸收法净化气态污染物三、吸收法净化气态污染物l亨利定律、双膜理论、亨利定律、双膜理论、化学吸收过程化学吸收过程四、吸附法净化气态污染物四、吸附法净化气态污染物l物理吸附与化学吸附的特征物理吸附与化学吸附的特征l工业吸附剂必需具备的条件工业吸附剂必需具备的条件l等温吸附方程式等温吸附方程式l吸附设备吸附设备404142432 2、固定床吸附器计算、固定床吸附器计算（1 1）固定床吸附器内的浓度分布）固定床吸附器内的浓度分布 含有一定浓度污染物的气流，连续通过固定床吸附含有一定浓度污染物的气流，连续通过固定床吸附器，在不同时间内，吸附床器，在不同时间内，吸附床不同截面处不同截面处气流中污染气流中污染物的物的浓度分布浓度分布如图所示。如图所示。 44从含污染物的气流开始从含污染物的气流开始通入吸附床到通入吸附床到“穿透点穿透点”这段时间称为穿透时这段时间称为穿透时间，或保护作用时间间，或保护作用时间45 表示吸附床处理气体量与出口气体中污染物浓度表示吸附床处理气体量与出口气体中污染物浓度之间关系的曲线称为之间关系的曲线称为穿透曲线。穿透曲线。46 （2 2）保护作用时间的确定）保护作用时间的确定l假定假定：吸附层达到穿透点时全部处于：吸附层达到穿透点时全部处于饱和状态饱和状态，即达到它的，即达到它的平衡吸附容量平衡吸附容量a a；吸附过程按照朗格缪尔等温线的第三段，；吸附过程按照朗格缪尔等温线的第三段，即气相中即气相中P P相当大，那么相当大，那么a=a=VmVm，静活度不再与气相浓度有关。，静活度不再与气相浓度有关。在吸附持续时间内，所吸附污染物的量为在吸附持续时间内，所吸附污染物的量为同时同时 xx在时间在时间内的吸附量，内的吸附量，kgkg； aa静活度值，；静活度值，；SS吸附层的截面积，吸附层的截面积，m m2 2； LL吸附层厚度，吸附层厚度，m m；b b吸附剂的堆积密度，吸附剂的堆积密度，kg/mkg/m3 3； vv气体流速气体流速m/sm/s； CoCo气流中污染物初浓度，气流中污染物初浓度，kgkgm m3 347实际上实际上要比要比小。曲线小。曲线2 2为为实际测得的，当实际测得的，当L LLo(Lo(吸附区吸附区长度长度) )时，它是直线且与直线时，它是直线且与直线1 1平行，在平行，在L LL L0 0时，是一条通过时，是一条通过原点的曲线。原点的曲线。v由图可以看出由图可以看出即即 48l式中式中K K称为称为吸附层保护作用系数吸附层保护作用系数，其物理意义是：，其物理意义是：当浓度分布当浓度分布曲线进入平移阶段后，浓度分布曲线在吸附层中移动曲线进入平移阶段后，浓度分布曲线在吸附层中移动单位长度单位长度所需要的时间所需要的时间。那么。那么1 1K K就表示此浓度分布曲线在吸附层中前就表示此浓度分布曲线在吸附层中前进的线速度进的线速度，m ms s。代入上式，得代入上式，得此即著名的此即著名的希洛夫方程式希洛夫方程式49l0 0称为称为保护作用时间损失保护作用时间损失。有时人们将上式改写为。有时人们将上式改写为: :hh吸附层中未被利用部分的长度，亦称为吸附层中未被利用部分的长度，亦称为“死层死层”。它与。它与0 0的关系为的关系为: : 3 3、移动床吸附器的计算（自学）、移动床吸附器的计算（自学）503 3、用希洛夫公式进行固定床设计计算：、用希洛夫公式进行固定床设计计算：（1 1）选定吸附剂和操作条件选定吸附剂和操作条件，如温度、压力、气体，如温度、压力、气体流速等。空床流速一般取流速等。空床流速一般取0.1-0.6m/s0.1-0.6m/s，可根据已，可根据已经处理气量确定。经处理气量确定。（2 2）根据排放标准或者净化要求，确定穿透点浓度根据排放标准或者净化要求，确定穿透点浓度。在载气流量一定的前提下，选取不同吸附层厚度在载气流量一定的前提下，选取不同吸附层厚度做实验，测得相应的穿透时间。做实验，测得相应的穿透时间。51l（3 3）以吸附剂床层高度为横坐标，以穿透时间为）以吸附剂床层高度为横坐标，以穿透时间为纵坐标，标出各测定值，纵坐标，标出各测定值，作出希洛夫直线作出希洛夫直线。l（4 4）根据计划采用的脱附方法和脱附再生时间、）根据计划采用的脱附方法和脱附再生时间、能耗等因素能耗等因素确定操作周期确定操作周期，从而确定所需要的穿，从而确定所需要的穿透时间。透时间。l（5 5）用希洛夫公式计算所需的）用希洛夫公式计算所需的吸附床层高度吸附床层高度，根，根据求出的高度，确定是否分层布置或者串联吸附据求出的高度，确定是否分层布置或者串联吸附床布置。床布置。52l（6 6）根据气体流量与空床气速求吸附剂层截面积）根据气体流量与空床气速求吸附剂层截面积A A，根据求得的截面积，确定是否并联吸附器。根据，根据求得的截面积，确定是否并联吸附器。根据截面积求出截面积求出吸附器的直径和边长。吸附器的直径和边长。l（7 7）求出所需的）求出所需的吸附剂质量。每次吸附剂装填总质吸附剂质量。每次吸附剂装填总质量计算：量计算：考虑到装填损失，每次新装吸附剂需要的量为考虑到装填损失，每次新装吸附剂需要的量为（1.05-1.2）m53l（8 8）计算压力损失）计算压力损失（9 9）计算吸附装置的气流分布、连接管口等附件。）计算吸附装置的气流分布、连接管口等附件。吸附剂床层的孔隙率；吸附剂床层的孔隙率；dp吸附剂颗粒的平均直径，吸附剂颗粒的平均直径，m；-气体密度，气体密度，kg/m3。545-3 催化法净化气态污染物催化法净化气态污染物一、催化剂和催化作用一、催化剂和催化作用1 1催化剂催化剂 凡能够凡能够加速加速化学反应速度，而本身的化学性质化学反应速度，而本身的化学性质在化学反应前后在化学反应前后保持不变保持不变的物质，称为催化剂的物质，称为催化剂。 提高催化剂加速化学反应速度的效能，延长催提高催化剂加速化学反应速度的效能，延长催化剂实际使用的期限化剂实际使用的期限，始终是研制工业催化剂和，始终是研制工业催化剂和设计催化反应工业装置的基本问题。设计催化反应工业装置的基本问题。55（1 1）催化剂的组成）催化剂的组成 由由主活性物质、助催化剂和载体主活性物质、助催化剂和载体组成。组成。 主活性物质：能单独对化学反应起催化作用。主活性物质：能单独对化学反应起催化作用。 助催化剂：本身没有什么催化性能，但它的少助催化剂：本身没有什么催化性能，但它的少量加入能明显量加入能明显提高提高主活性物质的催化性能。主活性物质的催化性能。 载体：用以承载载体：用以承载主活性物质和助催化剂主活性物质和助催化剂，基本，基本作用在于提供大的比表面以节约主活性物质，并改作用在于提供大的比表面以节约主活性物质，并改善催化剂的善催化剂的传热、抗热冲击和机械冲击传热、抗热冲击和机械冲击等物理性能。等物理性能。56 （2 2）催化剂的性能）催化剂的性能主要有三项：主要有三项：活性、选择性和稳定性活性、选择性和稳定性。 催化剂的活性催化剂的活性l 在工业上，催化剂的活性常用在工业上，催化剂的活性常用单位体积单位体积( (或质量或质量) )催催化剂在一定条件（温度、压力、空速和反应物浓度）化剂在一定条件（温度、压力、空速和反应物浓度）下，单位时间内所得到的产品数量下，单位时间内所得到的产品数量来表示：来表示：AA催化剂的活性，催化剂的活性，kgkg(hg)(hg)； mm产品质量，产品质量，kgkg；m mR R催化剂质量，催化剂质量，g g；tt反应时间，反应时间，h h。57 催化剂的选择性催化剂的选择性 选择性的大小通常用选择性的大小通常用反应所得的目的产物摩尔数反应所得的目的产物摩尔数与某反应物反应了的摩尔数之比与某反应物反应了的摩尔数之比来表示。活性表示来表示。活性表示催化剂对提高产品催化剂对提高产品产量产量的作用，而选择性表示催化的作用，而选择性表示催化剂对提高剂对提高原料利用率原料利用率的作用。的作用。 58催化剂的稳定性催化剂的稳定性 催化剂在化学反应过程中保持催化剂在化学反应过程中保持活性活性的能力的能力称为催称为催化剂的稳定性。化剂的稳定性。 包括三个方面：包括三个方面：热稳定性、机械稳定性和抗毒稳热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性定性。它们共同决定了催化剂在工业装置中的。它们共同决定了催化剂在工业装置中的使用使用期限期限。通常用。通常用寿命寿命来表示催化剂的稳定性。来表示催化剂的稳定性。影响催化剂寿命的因素有影响催化剂寿命的因素有催化剂老化和催化剂中毒催化剂老化和催化剂中毒两个方面两个方面59 2 2、催化作用、催化作用 催化作用分为催化作用分为均相和多相均相和多相两类。两类。l均相催化作用：均相催化作用：催化剂和反应物同处在一个由溶液催化剂和反应物同处在一个由溶液或气体混合物组成的均匀体系中。或气体混合物组成的均匀体系中。l多相催化作用：多相催化作用：催化剂与反应物处在催化剂与反应物处在不同的相不同的相( (通常通常催化剂呈固体，反应物为液体或气体催化剂呈固体，反应物为液体或气体) ) 。l催化转化法净化气态污染物，就属于催化转化法净化气态污染物，就属于多相催化多相催化作用作用。60（3 3）催化剂的结构特性）催化剂的结构特性l催化剂的催化剂的形状、堆积密度、孔结构、比表形状、堆积密度、孔结构、比表面积面积等结构特征是选择使用催化剂的重要等结构特征是选择使用催化剂的重要依据。依据。 A.A.催化剂的比表面积：催化剂的比表面积：直接影响催化剂的直接影响催化剂的活性活性61B.B.催化剂的孔结构：催化剂的孔结构：直接影响催化剂的表面积、寿直接影响催化剂的表面积、寿命、机械强度等性能命、机械强度等性能l催化剂的活性随催化剂的活性随空隙率的增大而升高空隙率的增大而升高，压力降随，压力降随之降低，机械强度随之下降，较理想的孔隙率：之降低，机械强度随之下降，较理想的孔隙率：0.4-0.60.4-0.6C.C.催化剂的形状：催化剂的形状：对催化床的对催化床的温度分布与控制及压温度分布与控制及压力损失力损失有很大影响。有很大影响。 网状、蜂窝状、片状、颗粒状网状、蜂窝状、片状、颗粒状62 催化作用的特征：催化作用的特征：l 其一，其一，催化剂催化剂只能加速化学反应的速度只能加速化学反应的速度，而不能使，而不能使平衡移动，也不能使热力学上不可能发生的反应发生。平衡移动，也不能使热力学上不可能发生的反应发生。l其二其二，催化作用有特殊的，催化作用有特殊的选择性选择性。l 催化作用的催化作用的这两个基本特征这两个基本特征是催化反应理论研究的是催化反应理论研究的中心问题。中心问题。63二、气固催化反应动力学二、气固催化反应动力学 1 1、气固催化反应过程：、气固催化反应过程： (1)(1)反应物从气相主体扩散至催化剂外表面；（反应物从气相主体扩散至催化剂外表面；（外扩散外扩散）(2)(2)反应物由催化剂外表面向微孔内扩散；（反应物由催化剂外表面向微孔内扩散；（内扩散内扩散）(3)(3)在催化剂内表面上被吸附，反应生成产物，产物脱附离开在催化剂内表面上被吸附，反应生成产物，产物脱附离开催化剂内表面（化学动力学控制）；催化剂内表面（化学动力学控制）；(4)(4)产物从微孔向外表面扩散（产物从微孔向外表面扩散（内扩散内扩散）；）；(5)(5)产物从外表面进入气相主体（产物从外表面进入气相主体（外扩散外扩散） 。64 2 2、气固反应动力学方程、气固反应动力学方程 表面化学反应速率方程表面化学反应速率方程 对于达到稳定时的气固催化连续体系，其反应速度可由对于达到稳定时的气固催化连续体系，其反应速度可由如下公式计算如下公式计算: : V VR R催化剂体积，催化剂体积，m m3 3； S SR R催化剂表面积，催化剂表面积，m m2 2； W WR R催化剂质量。催化剂质量。65l 对催化剂床层，由上式可得到工程上常用的催化反应速度对催化剂床层，由上式可得到工程上常用的催化反应速度表示式表示式 N NA0A0反应物反应物A A的初始流量，的初始流量，kmol/hkmol/h；xx转化率，；转化率，；AA反应床截面积，反应床截面积，mm；LL反应床长度，反应床长度，m m；QQ反应气体流量，反应气体流量，m m3 3h h；tt反应气体与催化剂表面的接触时间，反应气体与催化剂表面的接触时间，h h。c cA0A0 反应物的初始浓度，反应物的初始浓度，kmol/hkmol/h66三、气三、气- -固相催化反应器的设计固相催化反应器的设计l1 1、气固相催化反应器的类型、气固相催化反应器的类型l固定床、流化床两大类固定床、流化床两大类u（1 1）固定床）固定床优点：优点：l返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得到较高选择性；联副反应时可得到较高选择性；催化剂机械损耗小；催化剂机械损耗小；结构简单。结构简单。u缺点：缺点：传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温；应器也可能出现飞温；操作过程中催化剂不能更换，催操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用。化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用。l固定床催化反应器分为固定床催化反应器分为绝热式和列管式反应器绝热式和列管式反应器67绝热式反应器不与外界进行热交换绝热式反应器不与外界进行热交换68列管式反应器适用于温度分列管式反应器适用于温度分布要求很高或者反应热特别布要求很高或者反应热特别大的催化反应大的催化反应6970流化床催化反应器的型式流化床催化反应器的型式71l（2）气固相催化反应器选择的）气固相催化反应器选择的一般原则一般原则：l根据反应热的大小、反应对温度的敏感程度、催根据反应热的大小、反应对温度的敏感程度、催化剂的活性温度范围，选择反应器的结构类型，把化剂的活性温度范围，选择反应器的结构类型，把床温分布控制在一个合适的范围内；床温分布控制在一个合适的范围内；l反应器的气流压力损失要尽量小；反应器的气流压力损失要尽量小；l反应器应易于操作，安全可靠，并力求简单，造反应器应易于操作，安全可靠，并力求简单，造价低廉，运行与维护费用低。价低廉，运行与维护费用低。722 2、气、气- -固相催化反应器的设计基础固相催化反应器的设计基础（1 1）停留时间）停留时间l 反应物通过催化床的时间称为停留时间反应物通过催化床的时间称为停留时间。l停留时间决定了物料在催化剂表面化学反应的停留时间决定了物料在催化剂表面化学反应的转化率转化率，是，是反应器设计的一个非常重要的参数，它和反应器设计的一个非常重要的参数，它和反应速度反应速度共同决共同决定了反应器的定了反应器的催化剂装量。催化剂装量。l固定床的固定床的停留时间停留时间计算：计算：V VR R催化剂体积，催化剂体积，m m3 3；QQ反应气体实际体积流量，反应气体实际体积流量，m m3 3h h；催化床空隙率，。催化床空隙率，。73 （2 2）反应器的流动模型）反应器的流动模型l气气- -固相催化反应器为固相催化反应器为连续式连续式，有两种理论流动模型：，有两种理论流动模型：活塞流活塞流反应器和反应器和理想混合流理想混合流反应器。反应器。u活塞流反应器：物料通过反应器的活塞流反应器：物料通过反应器的时间时间完全相同。完全相同。u理想混合反应器：出口物料理想混合反应器：出口物料浓度浓度与反应器内完全相同。与反应器内完全相同。实际反应器内的物料流动模型总是介于上述实际反应器内的物料流动模型总是介于上述两种理论两种理论流动模型流动模型之间的。之间的。74 （3 3）空间速度）空间速度 空间速度系指单位时间内通过单位体积催化床的空间速度系指单位时间内通过单位体积催化床的反应物料反应物料体积体积，记为记为式中式中 Q QN N标准状态下的反应气体体积流量，标准状态下的反应气体体积流量，m m3 3/h/h 空间速度越大，停留时间越短。空间速度越大，停留时间越短。基于这种关系，把空间速度的基于这种关系，把空间速度的倒数称为反应物与催化剂的倒数称为反应物与催化剂的接触时间接触时间，记为，记为工程上常用工程上常用接触时间接触时间来表征气体在催化剂中停留时间。来表征气体在催化剂中停留时间。 752 2、气、气- -固相催化反应器设计计算固相催化反应器设计计算（自学）（自学） 一般方法：一般方法：经验计算法和数学模型法经验计算法和数学模型法。经验计算法把整个催化床作为一个整体，利用生产上经验计算法把整个催化床作为一个整体，利用生产上的经验参数设计新的反应器。的经验参数设计新的反应器。数学模型法是借助于反应的数学模型法是借助于反应的动力学方程、物料流动方动力学方程、物料流动方程及物料衡算和热量衡算方程程及物料衡算和热量衡算方程，通过对它们的联立求，通过对它们的联立求解，求出在指定反应条件下达到规定转化率所需要的解，求出在指定反应条件下达到规定转化率所需要的催化剂体积。催化剂体积。END76