1.2. Расчет оборудования и процессов массопередачи

При разработке процессов каталитической очистки и их аппаратурно-технологического оформления основной задачей является:

определение оптимальной совокупности параметров полного каталитического превращения обезвреживаемых примесей,

правильный выбор конструктивного варианта, размера контактного аппарата с учетом исходных данных по объемному расходу очищаемых газов, их температуре и давлению, составу примесей.

Основная цель – определить толщину каталитического слоя, необходимую для достижения заданной степени очистки реагентов в контактном аппарате, определяемой уравнением Викке:

y = 1 – ехр (–N),

(1.1)

где N – число единиц переноса массы

,

(1.2)

где:  – коэффициент массопередачи, м/с; а – удельная доступная поверхность катализатора, м²/м³; y – толщина слоя катализатора, м;  – линейная скорость потока при рабочей температуре, м/с.

Коэффициент массопередачи  находится из уравнения

при Rе  30,

(1.3)

при Rе  30,

(1.4)

где: N_ид – диффузионный критерий Нусселата; d_э – эквивалентный диаметр каналов, образованных частицами катализатора, м:

,

(1.5)

где Е – порозность слоя катализатора, м³/м³ (величина табличная), а₀ – удельная поверхность слоя катализатора, м²/м³,

Данная формула (1.5) справедлива для катализаторов сферической и цилиндрической формы, а также проволочных катализаторов типа НИИОГАЗ-Д.

,

(1.6)

где: d – диаметр зерна катализатора, м; l – высота цилиндрической частицы катализатора, м.

Для частиц сферической формы d/l = 1, для проволочных катализаторов d/l = 0.

Rе – критерий Рейнольдса

,

(1.7)

где:  – линейная скорость потока, м/с.

Она определяется по допускаемому гидравлическому сопротивлению слоя Kt в зависимости от порозности катализатора Е и эквивалентного диаметра каналов слоя катализатора d_э. Эту скорость можно выбрать из табл. 1.1.

Таблица 1.1

Рекомендуемые скорости процесса очистки, отнесенные

к полному сечению слоя (для рабочей Т = 250 С)*

dэ	Порозность катализатора
	0,35	0,40	0,45
Допускаемое гидравлическое сопротивление слоя 2000 Па
0,001	0,4–0,5	0,5–0,6	0,8–0,9
0,002	0,5–0,6	0,6–0,7	0,9–1,05
0,003	0,6–0,7	0,7–0,8	1,0–1,2
Допускаемое гидравлическое сопротивление слоя 1000 Па
0,001	0,3–0,4	0,35–0,45	0,5–0,6
0,002	0,35–0,45	0,4–0,5	0,6–0,7
0,003	0,4–0,5	0,45–0,55	0,7–0,8

*Примечание: с увеличением рабочей температуры на 50 С скорость подачи газа на очистку следует уменьшить на 0,025 м/с.

,

(1.8)

где: d – диаметр зерна катализатора, м;  – коэффициент кинематической вязкости воздуха при рабочих условиях, м²/с; S_с – критерий Шмидта, D – коэффициент диффузии, м²/с, определяемый по формуле:

(1.9)

где: t_р – рабочая температура перед слоем катализатора, С; Р – давление перед слоем катализатора, МПа; V_А – мольный объем обезвреживаемого компонента; V_В – мольный объем воздуха; М_А – молекулярная масса обезвреживаемого компонента; М_В – молекулярная масса воздуха (мольные объемы водорода – 1,98; воздуха – 20,1; кислорода в соединения – 5,48; углерода – 16,5; оксида углерода – 18,9; шестичленного кольца в органических соединениях – 20);

а = а0  (1 – Е)  К ,

(1.10)

где: К – коэффициент, учитывающий экранирование поверхности зерен в слое катализатора, то есть коэффициент доступной поверхности. Его можно найти из рис. 1.1.

Рис. 1.1. Зависимость коэффициента доступной

поверхности от порозности катализатора.

Таким образом, найдя по уравнению (1.1) число единиц переноса, из (1.2) – наибольшую толщину слоя катализатора, имеем

.

(1.11)

В свою очередь, коэффициент массопередачи  определяется из уравнений (1.3) и (1.4), а удельная доступная поверхность катализатора – из (1.10).

Если известна высота слоя катализатора h, то можно определить для степень очистки по этим уравнениям. Обычную рабочую толщину слоя катализатора для компенсации влияния неравномерности газораспределения принимают:

h = (2,25 ÷ 1,45)  h.

(1.12)

Необходимая поверхность фильтрования

,

(1.13)

где: V – объем очищаемых газов (действительный), м³/ч.

Поверхность фильтрования для наиболее распространенного варианта размещения катализатора в кольцевых корзинах рассчитывают по среднему диаметру.

Рекомендуемое соотношение

Н/Дср = 1,5–3,5,

(1.14)

где: Н – рабочая высота кольцевой корзины, м; Д_ср – средний диаметр кольца, м.

S =  Н Дср.

(1.15)

Найдя S из (1.13 ) и задаваясь соотношением Н/Д_ср, находят Д_ср и Н.

Объем катализатора V_к, м³

Vк =  Дср h (Н + 2h).

(1.16)

В данной методике, предназначенной для инженерных расчетов, не учитывается стадия окисление примесей на поверхности контакта (кинетика). Учет этого процесса приводит к увеличению расчетной высоты слоя катализатора на 10...30 %. Однако для этого необходимо знать вид кинетического уравнения для конкретной системы “вещество – катализатор” и параметры кинетического уравнения: константы скорости химической реакции, коэффициента кинетического уравнения, предэкспонециальный множитель, энергии активации и адсорбционных связей. В газовых выбросах обычно количество загрязняющих компонентов больше одного. В этом случае в инженерных расчетах следует вести анализ по тому компоненту, у которого отношение его исходной концентрации к предельно-допустимой наибольшее.

В последнее время все большее распространение получают “сотовые” катализаторы: керамические блоки, пронизанные большим количеством прямых каналов квадратного, шестиугольного и круглого сечения. Для расчетов толщины слоя “сотовых” катализаторов может быть использовано уравнение

y = 1 – (0,82  l –14,63Z + 0,098  l–88,72Z +0,0135  l–212,27Z ),

(1.17)

где , d_э – эквивалентный диаметр каналов, м,

,

(1.18)

где: f – площадь канала, м², П – периметр канала, м.

,

(1.19)

где – диффузионный критерий Пекле.

Все остальные обозначения те же.