Каталитические методы
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 F>ч> - внешняя поверхность частицы катализатора; b>г> - коэффициент массоотдачи; С>а>, С>ар> - 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 V>ч> - объём частиц катализатора; k - константа скорости реакции, отнесённая к 1 м3 катализатора; Э=С>аср>/>Саг>, С>аср> - средняя концентрация компонента А внутри поры; С>аг> - 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 Н>р> - высота реактора; G>г> - массовая скорость газа, кг/(м2.ч); М>ср> - средняя молекулярная масса компонентов газового потока; а - удельная поверхность катализатора, м2/м3; Р>ср> - среднее логарифмическое парциальное давление компонента А в плёнке газа около поверхности катализатора; Р>а> - парциальное давление компонента А, Па; Р>аi> - парциальное давление компонента на поверхности катализатора, Па; у>а> - изменение числа молей компонента А в результате реакции (на 1 моль исходного вещества А); N>cp>=P>cp>/P - среднее логарифмическое значение концентрации реагента А в плёнке газа; N>a> и N>ai> - мольная доля компонента А в газе и на поверхности катализатора соответственно.
Для определения числа единиц
переноса графическим интегрированием
откладывают на оси ординат значения
Р>а>,
а на оси абсцисс Р>ср>/[(P+P>a>*y>a>)*(P>a>-P>ai>)].
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 применялись материалы сети Интернет из общего доступа