Каталітичні методи

Каталітичні методи очищення очищення газів засновані на гетерогенному каталізі і служать для перетворення домішок у нешкідливі або легко видаляються з газу з'єднання. Процеси гетерогенного каталізу протікають на поверхні твердих тіл - каталізаторів. Каталізатори повинні мати певні властивості: активність, пористої структурою, стійкістю до отрути, механічну міцність, селективність, термостійкістю, низьким гідравлічним опором, мати невелику вартість.

Особливість процесів каталітичної очистки газів полягає в тому, що вони протікають при малих концентраціях що видаляються домішок. Основною перевагою методу є те, що він дає високий ступінь очищення, а недоліком - утворення нових речовин, які треба видаляти з газу адсорбцією або абсорбцією.

Розрізняють три основні області протікання каталітичних процесів: кінетичну, внешнедіффузіонную і внутрідіффузіонную. В залежності від стадії, лімітуючої загальну швидкість процесу, використовуються різні рівняння кінетики процесу.

Під внешнедіффузіонной області швидкість реакції визначається швидкістю перенесення компонента до поверхні зерен каталізатора:

де Fч - зовнішня поверхню частинки каталізатора; bг - коефіцієнт массоотдачі; Са, Сар - концентрації компонента А в газовому потоці і його рівноважна на поверхні частинки каталізатора відповідно.

У галузі хімічної кінетики швидкість незворотною (оборотної) реакції першого порядку визначається за рівнянь:

Для незворотною реакції n-го порядку рівняння має вигляд:

Для всередині дифузійного області і реакції першого порядку сумарну швидкість каталітичного процесу знаходять, комбінуючи рівняння массопередачі з рівнянням дифузії та реакції всередині частки:

Для частинок каталізатора циліндричної форми отримують:

де Vч - обсяг часток каталізатора; k - константа швидкості реакції, віднесена до 1 м3 каталізатора; Е = Саср/Саг, Саср - середня концентрація компонента А всередині доби; Саг - максимально можлива концентрація компоненту А у поверхні каталізатора; Са0 - початкова концентрація компонента.

Каталітичні реактори можуть бути з нерухомим, рухомим і псевдозрідженим шаром каталізатора. Вони працюють за принципом ідеального витіснення або ідеального змішування. Для визначення розмірів реакторів роблять кінетичні розрахунки, а також розрахунок матеріальних і теплових балансів.

При очищенні газів реакції протікають головним чином у дифузійних областях. Длянахожденія розмірів реактора визначають кількість одиниць переносу та висоту, еквівалентну одиниці переносу (ВЕП):

Рис. 5.20. Схеми каталітичних реакторів:

а - з нерухомим шаром каталізатора; б - те саме, і охолодженням; в -- багатошаровий з охолодженням;
г - з псевдоожоженним шаром; д - те саме, і охолодженням; е - багатоступінчастий з псевдозрідженим шаром; ж - з рухомим шаром; 1 - нерухомий шар; 2 -- холодильник; 3 - зважений шар;
4 - регенератор; 5 - рухомий шар; 6 - елеватор.

Число одиниць переносу розраховують з рівняння:

де Нр - висота реактора; gГ - масова швидкість газу, кг/(м2.ч); МСР - Середня молекулярна маса компонентів газового потоку; а - питома поверхню каталізатора, м2/м3; РСР - середнє логарифмічні парціальний тиск компонента А в плівці газу близько поверхні каталізатора; Ра - парціальний тиск компонента А, Па; Раi - парціальний тиск компонента на поверхні каталізатора, Па; уа - зміна числа молей компонента А в результаті реакції (на 1 моль вихідної речовини А); Ncp = Pcp/P - Середнє логарифмічні значення концентрації реагенту А в плівці газу; Na і Nai - мольна частка компонента А в газі і на поверхні каталізатора відповідно.

Для визначення кількості одиниць перенесення графічним інтегруванням відкладають на осі ординат значення Ра, а на осі абсцис РСР/[(P + Pa * ya) * (Pa-Pai)].
Значення ВЕП і N0 можна визначити за формулами. Гідравлічний опір реактора розраховують за різними формулами в залежності від його конструкції.
Для реактора з нерухомим шаром каталізатора

Для реактора зі зваженим шаром частинок швидкість початку зважування знаходять за формулою:

Гідравлічний опір зваженого шару розраховується за формулою:

Для відводу (підведення) тепла з реакторів з нерухомим шаром використовують теплообмінники, розташовані поза шарів каталізатора, а в реакторах зі зваженим шаром - теплообмінники, розташовані всередині шарів каталізатора. Поверхня теплообміну розраховують по рівнянню тепловіддачі.
Коефіцієнт тепловіддачі від зваженого шару до поверхні теплообміну при оптимальної швидкості газу розраховують за формулою:

Каталітичне окислення використовують для видалення діоксиду сірки іздимових газів, а каталітичне відновлення для знешкодження газів від оксидів азоту. Окислення проводять на ванадієвої каталізаторі при 450-480 С. Після окислення гази направляють на абсорбцію.

Каталітичне відновлення оксидів азоту виробляють до елементного азоту в присутності газу-відновлювача. Як відновників використовують метан, коксовий і природний газ, оксид вуглецю, водень, аміак. Каталізаторами служать платинові метали, паладій, рутеній, платина, родій або сплави, що містять нікель, хром, мідь, цинк, ванадій, церій та ін Ступінь очищення досягає 96%.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://62.76.177.129/win-1251/lab/ochist/index.html