催化法净化气态污染物.ppt
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1、第七章 催化法净化气态污染物,气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气固相催化反应器的设计,气体催化净化,催化转化:是指含有污染物的气体通过催化床层发生催化反应,使其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用的物质的净化方法应用工业尾气和烟气去除SO2和NOx有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化,该法与其他净化法的区别在于,化学反应发生在气流与催化剂接触过程中,反应物和产物无需与主气流分离,因此避免了其他方法可能产生的二次污染,使操作过程大为简化。另一特点是对不同浓度的污染物均有较高的去除率。,一、催化作用和催化剂,1。催化作用 能加速化学反应趋向平衡而在反应前后
2、其化学组成和数量不发生变化的物质叫催化剂(或称触媒),催化剂使反应加速的作用称为催化作用。由于催化剂参加了反应,改变了反应的历程,降低了反应总的活化能,使反应速度加大,提高反应速率,但催化剂的数量和结构在反应前后并没有发生变化。两者的关系用阿累尼乌斯方程表示:,式中:K反应速度常数;A频率因子,单位与K相同。E活化能,kj/mol;R气体常数,8.314J/(mol.K)T绝对温度,K.,气体催化净化,由上式可见,反应速度是随活化能的降低而呈指数增长。催化作用具有两个基本特性:(1)对任意可逆反应,催化作用既能加快正反应速度,也能加快逆反应速度,而不改变该反应的化学平衡。(2)特定的催化剂只能
3、催化特定的反应,即催化剂的催化性能具有选择性。,2.催化剂,凡能加速化学反应,而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质称为催化剂特点:能降低该反应的活化能,使反应进行得比均想时更快,但它并不影响化学反应的平衡。(1)催化剂的组成 活性组分(主体)+助催化剂+载体表 净化气态污染物所用的几种催化剂的组成,能单独对化学反应起催化作用,可作为催化剂单独使用。,本身无活性,但具有提高活性组分活性的作用。,其承载活性组分的作用,是催化剂具有合适形状与粒度从而增加表面积、增大催化活性、节约活性组分用量,并有传热、稀释和增强机械强度作用。,(2)催化剂的性能,衡量催化剂催化性能的指标主要有活性、选择性和稳定
4、性。催化剂的活性和失活 在工业上,催化剂的活性常用单位体积(或质量)催化剂在一定条件(温度、压力、空速和反应物浓度)下,单位时间内所得的产品量来表示。,m产品质量mR催化剂质量t反应时间,催化剂使用一段时间后,由于各种物质及热的作用,催化剂的组成及结构渐起变化,导致活性下降及催化性能劣化,这种现象称为催化剂的失活。发生失活的原因主要有沾污、熔结、热失活与中毒。,催化剂的性能,催化剂的选择性 催化剂的选择性是指当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性。它用B表示,即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
5、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,活性指催化剂对提高产品产量的作用,而选择性则表示催化剂对提高原料利用率的作用。,催化剂的选择性,选择性-对于某一化学反应在理论上有几个方向时,催化剂只对其中一个方向其加速作用,称为催化剂的选择性例如:,催化剂的性能,稳定性包含:热稳定性、机械稳定性和化学稳定性表示方法:寿命影响使用寿命的因素:老化、中毒老化活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等中毒对大多数催化剂,毒物:HCN、CO、H2S、S、As、Pb,影响稳定性的因素1)老化催化剂在正常工作条件下逐渐失去活性的过程,一般温度越高,老化速度越快2)中毒微量外来物质的存在使得催化
6、剂的活性和选择性大大降低,外来物质称为催化剂毒物 暂时性中毒-用水蒸气吹洗再生中毒 永久性中毒-活性中心被破坏,无法修复,老化的本质-活性组分,1)含尘气流的冲刷作用,使得催化剂表面磨损,活性组分流失2)局部温度过热,使得催化剂多孔结构被熔毁烧结;低熔点的活性组分流失3)内部杂质向表面迁移,阻碍活性组分与反应物的接触4)在冷热交替的作用下机械粉碎5)积炭,中毒的本质?,引起催化剂中毒的化学本质是由于活性组分对毒物有更强的亲和力1)暂时性中毒,亲和力较弱,通过水蒸气就可以将毒物驱离催化剂表面,使其恢复活性2)永久性中毒,亲和力强,无法将毒物驱离,催化剂再生,再生是指催化剂在使用一段时间之后由于催
7、化剂的暂时性中毒或者老化,使催化剂失去了活性或者活性降低了,我们需要经过一系列的工艺处理来恢复活性,这就是再生,比如烧焦、水蒸汽及溶剂冲洗等。,催化剂寿命,寿命-催化剂投入运行后,到中毒和老化失去活性需要更换的时间理论上,寿命是无限的实际上,由于受外界条件的影响,其表面和内部结构发生变化,从而失去活性,催化剂的制备,1.基本原料的选择2.杂质的去处3.提纯后的物质通过反应转变为化合物,化合物为颗粒或者薄膜状,沉积在多孔性载体上化学浸渍法将活性组分制成溶液,浸渍已成型的载体,再经干燥和灼烧制成的催化剂;制备催化剂的最简便方法,活性组分多数情况下仅仅分布在载体表面上,利用率高、用量少、成本低混捏法
8、:将活性组分和载体采用物理的方法混捏在一起,处理成型后制的催化剂,活性组分利用率低,2.催化剂载体,什么是载体?催化剂仅在厚度为20-30nm处起作用,因此常把催化剂负载在具有较大表面积的惰性物质上-称为载体为什么要使用载体?1.使用载体可以节约催化剂,提高活性组分的分散度和有效表面积,提高其活性2.载体增强催化剂的机械强度3.使催化在使用过程中,不会出现体积收缩4.避免催化剂活性组分在高温下的烧结,延长其使用寿命载体使用前经过什么处理?载体在使用前要经过酸洗/碱洗,水洗和煅烧,去除杂质并使催化剂在使用温度条件下具有一定的稳定性。,载体的选择原则?1)考虑载体组分可能具有催化活性2)考虑载体组
9、分的多孔性和表面积大小3)考虑载体的导热性能-局部过热,产率下降4)考虑载体的机械强度-固定床,流化床5)载体在反应条件下的稳定性-不分解,不变形,不反应可以做载体的都有哪些物质?通常采用具有巨大表面积的惰性材料作为载体,如氧化铝、陶土、活性炭、硅藻土等,环境领域 对催化剂的要求:,在环境领域对催化剂的性能都有哪些要求?1)要求处理后有害物质含量降到ppm或ppb级,催化剂具有较高的去处效率2)被处理气体或液体中,含有粉尘、重金属。硫化物等,催化剂应具有较高的抗毒性,高化学稳定性3)要求处理气体或液体量大,催化剂要能承受流体冲刷和压力降4)催化设备结构简单,催化剂可再生性能强,二 催化反应类型
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