10催化轉(zhuǎn)化法.ppt

1、第十章 催化轉(zhuǎn)化法,1、催化反應(yīng)機(jī)理 催化作用加快反應(yīng)速度的原理是由于催化劑的參與， 改變了原來的反應(yīng)途徑。 在無催化劑時(shí)，A、B兩種物質(zhì)按照下面的方式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)： A+B AB 當(dāng)有催化劑K參與時(shí)，反應(yīng)過程發(fā)生了變化，即： A+K AK AK+B AB+K 由于加入了催化劑，誘發(fā)了原反應(yīng)所沒有的中間反應(yīng)，使化學(xué)反應(yīng)沿著新途徑進(jìn)行，降低了反應(yīng)的活化能，從而大大加快了化學(xué)反應(yīng)速度。,催化反應(yīng)分類,均相 常用液相催化反應(yīng)體系：接觸容易，分離難 非均相（多相催化） 常用氣固相催化體系：接觸最重要，分七個(gè)步驟（對(duì)比吸附過程）,2、催化劑（1）催化劑的組成,主要有3部分組成： a.活性組分:能單獨(dú)對(duì)化

2、學(xué)反應(yīng)起催化作用。 如貴金屬催化劑的鉑、鈀等。有時(shí)可以單 獨(dú)使用。如將二氧化硫氧化為三氧化硫所 用的催化劑五氧化二釩。還有脫水用的三 氧化二鋁催化劑，以其暴露于內(nèi)、外表面 的部分起活性組分的作用，而其體相部分 實(shí)際上起著載體的作用。,b.助催化劑： 單獨(dú)存在時(shí)并沒有催化活性，然而它的少量加入，卻能明顯提高活性組分的催化性能。例如二氧化硫催化氧化反應(yīng)中所用的五氧化二釩-氧化鉀催化劑中，氧化鉀的存在，可大大提高五氧化二釩的催化活性。 除此之外，助催化劑的加入，也可以提高活性組分對(duì)反應(yīng)的催化選擇性或提高活性組分的穩(wěn)定性。,c.載體:載體的功能: 承載活性組分和助催化劑，提供大的比表 面積，提高活性組

3、分和助催化劑的分散度。 改善催化劑的傳熱、抗熱沖擊和抗機(jī)械沖 擊的性能，因此要求選用有一定機(jī)械強(qiáng)度、耐 磨強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性與導(dǎo)熱性好的多孔性惰性材 料作載體。常見的催化劑載體有硅膠、硅藻土 、分子篩、氧化鋁等。d 其他，如粘合劑、導(dǎo)熱劑，造孔劑等。,（2）催化劑的性能,a.催化劑的活性 催化劑的活性（催化活性）是催化劑加快化學(xué)反應(yīng)速度的一種量度，也就是衡量催化劑催化性能大小的指標(biāo)。換句話說，催化劑活性是指有催化劑存在時(shí)的反應(yīng)速度與無催化劑存在時(shí)反應(yīng)速度之差。 b.催化劑的選擇性（轉(zhuǎn)化率） 當(dāng)反應(yīng)能按熱力學(xué)可能的方向同時(shí)發(fā)生幾個(gè)不同的反應(yīng)時(shí)，某一種催化劑只能加速某一特定反應(yīng)，而不能加速所有的反應(yīng)，

4、這種性質(zhì)稱為催化劑的選擇性。催化劑的這種性能，在工業(yè)上具有特別重要的意義，使人們可以有選擇地得到所需要的產(chǎn)品。,c.催化劑的穩(wěn)定性（使用壽命） 是指催化劑在化學(xué)反應(yīng)中保持活性的能力。它包括熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和抗毒穩(wěn)定性。它們共同決定了催化劑在工業(yè)裝置中的使用期限。 影響催化劑壽命的因素很多，可歸結(jié)為二個(gè)方面： * 催化劑的老化：催化劑在正常工作條件下逐漸失去活性的過程。工作溫度對(duì)催化劑的老化影響很大，工作溫度越高，老化速度越快。因此，在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)選擇合適的反應(yīng)溫度。 * 催化劑中毒：在催化劑使用過程中，由于反應(yīng)原料中帶來的雜質(zhì)（毒物），而使催化劑的活性和選擇性減小或者消失的現(xiàn)象。

5、如：催化劑本身的某些雜質(zhì)、含S及鹵素化合物、重金屬化合物等。 按毒物與催化劑表面作用的程度可分為暫時(shí)性中毒和永久性中毒。,（3）凈化氣態(tài)污染物對(duì)催化劑的要求,a.高活性：要求催化劑具有去除有害物質(zhì)的極高效率，因?yàn)闅怏w中所含有害物質(zhì)濃度低，只有催化劑的活性很高，才能有效地去除有害物質(zhì)。 b.高機(jī)械強(qiáng)度：因要處理的氣體量往往很大，故要求催化劑具有能承受流體沖刷壓力的強(qiáng)度。 c.高選擇性：要處理的氣體中往往成分復(fù)雜，因此，要求催化劑有高的選擇性。 d.高穩(wěn)定性：被處理的氣體中通常含有催化劑毒物，因此要求催化劑抗毒能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性高，壽命長。除此，要求催化劑還要有高的熱穩(wěn)定性和比較寬的溫度范圍。 e

6、.其它 要求催化劑易于制造、價(jià)廉、使用性能好、耐磨、具有較小的壓力降等。,（4）催化劑的分類,金屬元素催化劑（鉑，銀，鈀，鐵，銅） 化合物為主要活性物質(zhì)（氧化物，硫化物）,固定床反應(yīng)器,最主要的氣固相催化反應(yīng)器 優(yōu)點(diǎn): 流體接近于平推流，返混小，反應(yīng)速度較快 固定床中催化劑不易磨損，可長期使用 停留時(shí)間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，高選擇性和轉(zhuǎn)化率 缺點(diǎn): 傳熱差(熱效應(yīng)大的反應(yīng)，傳熱和溫控是難點(diǎn)) 催化劑更換需停產(chǎn)進(jìn)行,固定床反應(yīng)器,單層絕熱反應(yīng)器 結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，氣流阻力小 內(nèi)部溫度分布不均 用于化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)小的場合,固定床反應(yīng)器,多段絕熱反應(yīng)器 相鄰兩段之間引入熱交換,固定床反應(yīng)

7、器,列管式反應(yīng)器 用于對(duì)反應(yīng)溫度要求高，或反應(yīng)熱效應(yīng)很大的場合,其他反應(yīng)器 徑向反應(yīng)器 薄層床反應(yīng)器 自熱式反應(yīng)器,反應(yīng)器類型的選擇,根據(jù)反應(yīng)熱的大小和對(duì)溫度的要求，選擇反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型 盡量降低反應(yīng)器阻力 反應(yīng)器應(yīng)易于操作，安全可靠 結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用經(jīng)濟(jì),固定床的阻力計(jì)算,顆粒固定床，歐根（Ergun）公式：,固定床的阻力計(jì)算,實(shí)際計(jì)算應(yīng)根據(jù)溫度和流量的變化，將床層分段計(jì)算,阻力與床高和空塔氣速的平方成正比，即與截面積的三次方成反比 與粒徑成反比 與孔隙率的三次方成反比,環(huán)境工程中使用的催化劑,有害物排放濃度要求很低，催化反應(yīng)要有極高效率 處理氣體量大，催化劑活性要求高，耐

8、沖刷、壓力降低，強(qiáng)度高 抗毒性強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性高，很好的選擇性 設(shè)備簡單，占地少，催化劑便于恢復(fù)再生，無二次污染,氣體催化凈化方法,催化還原法脫氮 汽車尾氣凈化 脫臭 催化法去除高濃度SO2廢氣,氮氧化合物的去除,氮氧化合物的來源與危害 脫氮： 催化還原法 液體吸收法 吸附法,非選擇性催化還原法（NSCR）脫氮,H2+NO2H2O+NO 2H2+O22H2O 2H2+2NO2H2O+N2 CH4+4NO24NO+CO2+2H2O CH4+2O2CO2+2H2O CH4+4NOCO2+2N2+2H2O CO+NO2CO2+NO 2CO+O22CO2 2CO+2NO2CO2+N2,非選擇性催化還原法

9、（NSCR）脫氮,催化劑 Pt，Pd 載體：氧化鋁 影響因素 活性 空間速度 反應(yīng)溫度 還原劑用量,非選擇性催化還原法（NSCR）脫氮流程圖,選擇性催化還原法（SCR）脫氮,選擇性催化還原法脫氮過程中的主要反應(yīng)有： 4NH3+6NO5N2+6H2O 8NH3+6NO27N2+12H2O 實(shí)際中還會(huì)有副反應(yīng)發(fā)生： 4NH3+3O22N2+6H2O 2NH3N2+3H2 4NH3+5O24NO+6H2O,選擇性催化還原法（SCR）脫氮,催化劑 非貴金屬：Cu，F(xiàn)e，V，Cr，Mn等 影響因素 催化劑活性 反應(yīng)溫度 空速影響 還原劑用量 前處理：除塵，除硫，干燥，預(yù)熱,選擇性催化還原法（SCR）脫氮

10、 流程圖,汽車尾氣的催化凈化,催化還原反應(yīng)： CO和CH的氧化,汽車尾氣的催化凈化,催化劑要求 催化劑的性能必須適于在內(nèi)燃機(jī)旁安裝，要求催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小等； 催化劑的性能必須適應(yīng)于經(jīng)常、大幅度地氣體流量、組成和溫度的變化； 催化劑必須有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以防由于汽車行駛的振動(dòng)和溫度的急劇變化而破碎，致使催化劑的活性降低和堵塞管路；,汽車尾氣的催化凈化,催化劑要求 催化劑的活性在高溫（8001000）和在低溫（150200）下都比較高，用量要小，可以便于安裝； 催化劑必須具有合適的孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)，以使尾氣流過的阻力最小； 希望催化器在除去尾氣中的烴類和一氧化碳時(shí)，也能除去氧化

11、氮,汽車尾氣的催化凈化,轉(zhuǎn)化器,汽車尾氣的催化凈化,兩段串聯(lián)的汽車排氣凈化流程,汽車尾氣的催化凈化,三效催化劑 將烴類、一氧化碳和NOX同時(shí)進(jìn)行氧化和還原的催化劑。 還原性：Rh（銠） 氧化性：Pt（鉑），Pd（鈀） 載體：氧化鋁 助催化劑：Ba（鋇），La（鑭）,惡臭氣體的去除,惡臭氣體的來源與組成 惡臭氣體的危害 惡臭氣體的去除 吸附法 直接燃燒法 催化轉(zhuǎn)化法 電子除臭法 化學(xué)噴劑 臭氧氧化 生物法,催化燃燒法脫臭,干法催化氧化SO2,氣固相催化法 多用于處理硫酸生產(chǎn)尾氣和有色金屬煙氣制酸（高濃度SO2，含量大于2） 催化劑V2O5（五氧化二釩） 反應(yīng)溫度400600 煙氣進(jìn)入前必須除塵（濕法和干法）、除砷和氟,干式催化氧化法脫硫系統(tǒng)流程圖,濕法催化氧化SO2,固液相催化法 多用于處理高濃度SO2尾氣凈化 催化劑：？ 煙氣進(jìn)入前必須除塵，同時(shí)增濕冷卻到60 用含有Fe3稀硫酸吸收SO2,濕式催化氧化法脫硫系統(tǒng)流程圖,優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，運(yùn)行可靠，設(shè)備不易