Каталитические
методы
Каталитические методы очистки
очистки газов основаны на гетерогенном катализе и служат для превращения
примесей в безвредные или легко удаляемые из газа соединения. Процессы
гетерогенного катализа протекают на поверхности твёрдых тел - катализаторов.
Катализаторы должны обладать определёнными свойствами: активностью, пористой
структурой, стойкостью к ядам, механической прочностью, селективностью,
термостойкостью, низким гидравлическим сопротивлением, иметь небольшую
стоимость.
Особенность процессов
каталитической очистки газов заключается в том, что они протекают при малых
концентрациях удаляемых примесей. Основным достоинством метода является то, что
он даёт высокую степень очистки, а недостатком - образование новых веществ,
которые надо удалять из газа адсорбцией или абсорбцией.
Различают три основные области
протекания каталитических процессов: кинетическую, внешнедиффузионную и
внутридиффузионную. В зависимости от стадии, лимитирующей общую скорость
процесса, используются различные уравнения кинетики процесса.
Во внешнедиффузионной области
скорость реакции определяется скоростью переноса компонента к поверхности зёрен
катализатора:
где Fч - внешняя
поверхность частицы катализатора; bг - коэффициент массоотдачи; Са,
Сар - концентрации компонента А в газовом потоке и его равновесная
на поверхности частицы катализатора соответственно.
В области химической кинетики
скорость необратимой (обратимой) реакции первого порядка определяется по
уравнениям:
Для необратимой реакции n-го
порядка уравнение имеет вид:
Для внутри диффузионной области
и реакции первого порядка суммарную скорость каталитического процесса находят,
комбинируя уравнение массопередачи с уравнением диффузии и реакции внутри
частицы:
Для частиц катализатора
цилиндрической формы получают:
где Vч - объём частиц
катализатора; k - константа скорости реакции, отнесённая к 1 м3
катализатора; Э=Саср/Саг, Саср - средняя
концентрация компонента А внутри поры; Саг - максимально возможная
концентрация компонента А у поверхности катализатора; Са0 - начальная
концентрация компонента.
Каталитические реакторы могут
быть с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора. Они
работают по принципу идеального вытеснения или идеального смешения. Для
определения размеров реакторов производят кинетические расчёты, а также расчёт
материальных и тепловых балансов.
При очистке газов реакции
протекают главным образом в диффузионных областях. Длянахождения размеров
реактора определяют число единиц переноса и высоту, эквивалентную единице переноса
(ВЕП):
Рис. 5.20. Схемы каталитических реакторов:
а - с неподвижным слоем катализатора; б - то же, и охлаждением; в -
многослойный с охлаждением;
г - с псевдоожоженным слоем; д - то же, и охлаждением; е - многоступенчатый с
псевдоожиженным слоем; ж - с движущимся слоем; 1 - неподвижный слой; 2 -
холодильник; 3 - взвешенный слой;
4 - регенератор; 5 - движущийся слой; 6 - элеватор.
Число единиц переноса
рассчитывают по уравнению:
где Нр - высота
реактора; Gг - массовая скорость газа, кг/(м2.ч); Мср
- средняя молекулярная масса компонентов газового потока; а - удельная
поверхность катализатора, м2/м3; Рср - среднее
логарифмическое парциальное давление компонента А в плёнке газа около
поверхности катализатора; Ра - парциальное давление компонента А,
Па; Раi - парциальное давление компонента на поверхности
катализатора, Па; уа - изменение числа молей компонента А в
результате реакции (на 1 моль исходного вещества А); Ncp=Pcp/P
- среднее логарифмическое значение концентрации реагента А в плёнке газа; Na
и Nai - мольная доля компонента А в газе и на поверхности
катализатора соответственно.
Для определения числа единиц
переноса графическим интегрированием откладывают на оси ординат значения Ра,
а на оси абсцисс Рср/[(P+Pa*ya)*(Pa-Pai)].
Значение ВЕП и N0 можно определить по формулам. Гидравлическое сопротивление
реактора рассчитывают по разным формулам в зависимости от его конструкции.
Для реактора с неподвижным слоем катализатора
Для реактора со взвешенным слоем
частиц скорость начала взвешивания находят по формуле:
Гидравлическое сопротивление
взвешенного слоя рассчитывается по формуле:
Для отвода (подвода) тепла из
реакторов с неподвижным слоем используют теплообменники, расположенные вне
слоёв катализатора, а в реакторах со взвешенным слоем - теплообменники,
расположенные внутри слоёв катализатора. Поверхность теплообмена рассчитывают
по уравнению теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи от взвешенного слоя к поверхности теплообмена при
оптимальной скорости газа рассчитывают по формуле:
Каталитическое окисление
используют для удаления диоксида серы издымовых газов, а каталитическое
восстановление для обезвреживания газов от оксидов азота. Окисление проводят на
ванадиевом катализаторе при 450-480 С. После окисления газы направляют на
абсорбцию.
Каталитическое восстановление
оксидов азота производят до элементного азота в присутствии
газа-восстановителя. В качестве восстановителей используют метан, коксовый и
природный газ, оксид углерода, водород, аммиак. Катализаторами служат
платиновые металлы, палладий, рутений, платина, родий либо сплавы, содержащие
никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и др. Степень очистки достигает 96%.
Список литературы
Для подготовки данной работы
были использованы материалы с сайта http://62.76.177.129/win-1251/lab/ochist/index.html