当前课程知识点：大气污染控制工程 > 第七章 气态污染物控制技术基础（选修） > 7-9 气固相催化反应器的设计 > Video
同学们好，这一讲我们介绍气固相催化反应器的设计
工业上常用的气固催化器分为固定床和流化床两种类型
固定床反应器由于结构简单
在工业上应用广泛
选择性催化还原脱硝、汽车尾气净化都采用的是固定床反应器
最简单的固定床反应器是单段绝热反应器
是不和外界进行热交换的反应器
其结构很简单，是一高径比不大的圆筒体
内部装有均匀堆置的催化剂
预热到适当温度的烟气从反应器上部通入
均匀通过床层进行反应，反应后气体经下部引出
这种反应器的优点是结构简单，造价便宜
缺点是只适用于化学反应热较小的场合
反应热较大时，可以采用多段绝热反应器
它的结构和单段绝热反应器类似
只是增加了分段及段间反应物料的换热
能在一定程度上调节反应温度
根据换热要求可以在反应器外另设换热管件
也可在反应器内各段之间设置换热构件
第三类是列管式反应器
列管式反应器内布置了很多管子
通常在管内装催化剂，管外装载热体
管径20-30mm以上，最小也不小于15mm
催化剂的颗粒直径不得超过管内径的1/8
一般为2-6 mm的颗粒，避免堵塞管子
这种反应器适用于温度分布要求很高或反应热特别大的情况
但结构复杂，不适用于高压工作
固定床反应器的主要优点是结构较简单
催化剂不易磨损，流体接近于活塞流，返混小
反应速度较快，另外，停留时间可严格控制
具有较高选择性和转化率
其缺点也很明显，其传热能力较小
且催化剂更换需停产进行
另一种催化设备是流化床催化反应器
根据其结构主要分为两类，一种是自由床
除了下部气流分布板之外，反应器内没有复杂的构件
气体排出时经过一个旋风除尘器，避免把催化剂带出
自由床主要适用于反应气体需要和催化剂密切接触的情况，使用较少
更多的情况下我们使用有内部构件的流化床
和自由床相比，这种流化床加入了冷却管和横向挡板
冷却管用来换热
横向挡板是为了促进气流和催化剂的混合均匀
流化床的优点很明显
首先是可以使用粒度很小的固体颗粒
有利于消除内扩散阻力
充分发挥催化剂表面的利用率
第二是流化床的传热系数比固定床要大得多
适用于反应热大的情况
另外，流化床的催化剂可以较为方便地再生
适用于催化剂活性消失很快而需及时进行再生的情况
它的缺点主要是气固接触不均匀，导致转化率低
并且由于催化剂磨损产生大量的细粉
容易被气流带出，必须设置除尘装置
此外，流化床的设计较为困难
反应器设计就是在特定反应条件下
确定催化剂的合理装量
气固催化反应器设计时
首先需要考虑反应器的停留时间和空间速度
停留时间是指反应物通过催化床的时间
它决定了物料在催化剂表面化学反应的转化率
对于薄层床以外的其他固定床反应器
我们可以把它简化为活塞流反应器
此时停留时间可以表示为催化剂的体积乘以催化床空隙率
再除以反应气体的实际体积流量
由于反应中温度、压力都可能发生变化
实际体积流量q是随时间变化的
停留时间的计算因而是不方便的
在工业上，我们常常用空间速度和接触时间来表征停留时间
空间速度是指单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积
记为Wsp
用标准状况下反应气体体积的流量再除以催化剂体积得到
显然，空间速度越大，停留时间越短
基于这种关系
我们把空间速度的倒数称为反应物与催化剂的接触时间
确定了空间速度后，我们就可以计算催化剂的装量
计算的途径有两种，一种是经验计算法，一种是数学模型法
经验计算法就是把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
或通过中试确定反应的最佳工艺条件参数以及最佳操作条件
并求出相应条件下催化剂的体积
反应床的截面积以及高度等
假设我们已经得到生产经验数据或者中试的结果
并掌握所选催化剂在一定的反应条件下
达到规定转化率的空间速度
就可以用设计流量除以空间速度求得催化剂的装量
需要注意的是
经验计算法要求设计条件尽量符合
所借鉴的原生产工艺条件和中间试验条件
不宜于高倍放大
数学模型法是借助反应的动力学方程
物料流动方程、物料衡算、以及热量衡算方程
通过联立求解方程
得到指定反应条件和转化率条件下的催化剂体积
固体催化剂装量的数学模型有两种形式
等温分布模型和轴向温度分布模型
对于绝热固定床或反应热效应较小的催化床
轴向温差可以忽略，以化学动力学为控制步骤时
对以转化率表示的体系反应速率方程积分
可以得到催化剂装量的计算公式
这个公式中NA0是反应物的初始流量
对于等温床，反应速率仅仅是转化率的函数
把反应速率方程代入积分项
同时考虑q随时间的变化，就可以求出催化剂的装量
很多时候，工业上用的反应器有比较明显的轴向温差
此时要考虑热量衡算式
求出转化率和温度的关系，才能求得催化剂的装量
如果过程的转化率从x0变化到x
反应产热全部用来加热物料
体系的温度相应地从T0转变到T
对总分子数不变的反应体系
我们可以推导出温度和转化率的关系
从这个温度和转化率关系可以看出
转化率越高，温度变化越大
反应的热效应越高，温度变化也越大
混合气体的平均定压比热越大，温度变化则越小
把这个温度与转化率的关系式
代入催化剂装量的积分式
将对转化率的积分变为对温度的积分
即可求出催化剂的体积
固定床催化反应器的设计除了前面介绍的计算的方法外
还有一些需要注意的问题
一是反应床内气流分布要均匀
我们可以通过在进口前粗直管段或气流分布器实现
二是设计上要考虑对催化剂失活的补偿
比如在计算催化剂装量时乘以一个大于1的保险系数
或者提供适当高度的保护层
三是在废气进入催化床之前进行预净化
避免粉尘粘在催化剂表面或者堵塞催化剂微孔
此外，还有要对腐蚀气体采用涂层或内衬结构
提供可靠的催化剂活化条件和再生条件等
有关气体催化净化的内容我们就介绍到这里，同学们再见
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
--硫氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
--氮氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
-第五章 颗粒污染物控制技术基础--第5章 作业习题
-6-1 重力沉降室
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
-6-2 旋风除尘器
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
-6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
-6-5 电除尘器的结构和设计
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
-6-6 袋式除尘器的工作原理
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
-6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
-6-8 袋式除尘器的设计和应用
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
-6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
-6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
-6-11 除尘器的选择与发展
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
-第六章 除尘装置--第六章 作业习题
-期中测试--期中测试
-7-1 物理吸收传质计算
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
-7-2 化学吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
-7-4 气体吸附原理与速率
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-7-4 气体吸附原理与速率--作业
-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
-7-6 吸附器的设计计算
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
-7-7 催化原理
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-7-7 催化原理--作业
-7-8 气固催化反应动力学
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
-7-9 气固相催化反应器的设计
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-7-9 气固相催化反应器的设计--作业
-第七章 气态污染物控制技术基础（选修）--第七章 作业习题
-8-1 概述
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-8-1 概述--作业
-8-2 燃烧前燃料脱硫
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-第八章 硫氧化物控制技术--8-2 燃烧前燃料脱硫
-8-3 流化床燃烧脱硫
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-8-3 流化床燃烧脱硫--作业
-8-4 高浓度二氧化硫回收
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-8-4 高浓度二氧化硫回收--作业
-8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）
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-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）
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-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-8 湿式氨法烟气脱硫技术（选修）
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-8-8 湿式氨法烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-9 喷雾干燥法烟气脱硫技术（选修）
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-8-9 喷雾干燥法烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-10 循环流化床干法烟气脱硫
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-8-10 循环流化床干法烟气脱硫--作业
-8-11 烟气脱硫技术的综合比较
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-8-11 烟气脱硫技术的综合比较--作业
-8-12 二氧化硫控制策略（访谈）（选修）
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--参考链接
-第八章 硫氧化物控制技术--第八章 作业习题
-9-1 概述
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-9-1 概述--作业
-9-2 低氮氧化物燃烧技术
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--9-2 低氮氧化物燃烧技术
-9-3 选择性催化还原技术
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--9-3 选择性催化还原技术
-9-4 选择性非催化还原技术
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-第九章--9-4 选择性非催化还原技术
-9-5 SNCR-SCR联合烟气脱硝技术（选修）
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-9-5 SNCR-SCR联合烟气脱硝技术（选修）--作业
-9-6 烟气同时脱硫脱硝技术（选修）
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-9-6 烟气同时脱硫脱硝技术（选修）--作业
-9-7 固定源氮氧化物控制技术评价
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-9-7 固定源氮氧化物控制技术评价--作业
-9-8 超低排放技术访谈
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--第九章作业习题
-10-1 概述
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-第十章 挥发性有机物控制技术--10-2 蒸气压及蒸发
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-第十章 挥发性有机物控制技术--10-3 VOCs污染预防
-10-4 冷凝法控制VOCs污染
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-10-4 冷凝法控制VOCs污染--作业
-10-5 燃烧法控制VOCs污染
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-第十章--10-5 燃烧法控制VOCs污染
-10-6 生物法控制VOCs污染（选修）
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-10-6 生物法控制VOCs污染（选修）--作业
-第十章 挥发性有机物控制技术--第十章作业习题
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-11-1 机动车污染概述--作业
-11-2 内燃机工作原理和污染物生成机制
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-第十一章--11-2 内燃机工作原理和污染物生成机制
-11-3 机动车排放控制技术
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--11-3-2
-第十一章 机动车污染控制--11-3 机动车排放控制技术
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-第十一章--11-4 先进车辆技术和清洁替代燃料技术
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-11-5 交通规划与交通管理（选修）--作业
-第十一章 机动车污染控制--第十一章作业习题
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-12-1 全球气候变化与温室效应--作业
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-12-2 气候变化的应对措施--作业
-12-3 臭氧层破坏问题
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-12-4 臭氧层破坏的应对措施
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-第十二章 全球性大气环境问题--第十二章作业习题
-Lecture 01
--Video
-Lecture 02
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-Conversation
--Video
-附加：--Exercise
