6.2. Газдарды адсорбционды тазалау

Шығарылатын газдарды тазалау процесінде қолданылатын адсорбенттер келесі талаптарға сәйкес келуі керек:

• газды қоспаларда азғантай концентрацияда компоненттерді жұту кезінде жоғарғы адсорбциондық қабілеті болуы керек;

• жоғарғы іріктемелікке ие болуы;

• үлкен механикалық беріктіліктілі болу;

• регенерацияға қабілеті болу;

• төмен құнды болу.

Адсорбент ретінде көбірек таралған белсенді көмірлер, силикагелдер, алюмогелдер және цеолиттер сияқты материалдар.

Белсенді көмір - органикалық кеуекті адсорбенттер. Оларды әртүрлі органикалық шикізаттардан алады: көмір, шымтезек, ағаш, жануар сүйектері, жаңғақ қабығы. Өндіру кезінде осы материалды ауа кіргізбей термиялық өңдеуден (600-900°С) өткізеді, нәтижесінде ұшатын заттарды одан шығарады. Сосын бу, газдар және химиялық реагенттермен (белсендіргіш) өңдеп, активтеу арқылы жақсартады. Температураны, белсендіргішті беру жылдамдығын және активтендіру уақытын өзгерте отырып, адсорционды-құрылымдық қасиеттері алдын-ала берілген көмірді алуға болады. Міндетіне байланысты көмір бөлінеді: ағартатын (ерітінділерді тұссіздендіру үшін), рекуперационды (тез қайнайтын ерітінділердің буын ұстап қалу үшін) және газдық (аз мөлшерді молекулалы газдың буларын және газды қоспадағы аз концентрациялы газдарды сіңіру үшін). Газды тазалауда соңғы екі түрі көбірек маңызға ие. Мөлшері және пішініне қарай белсенді көмір түйіршектелген және ұнтақталған болып бөлінеді. Түйіршектелгендерді диаметрі 2-5 мм цилиндр түрінде шығарады және оның биіктігі диаметрінен әрқашан үлкен. Көбінесе газ ағындарын тазалау және бөлу кезінде қолданады. Ұнтақталған көмірлер шамасы 0,15 мм-ден кем бөлшектерден тұрады. Оларды сұйық фазадағы заттарды тазалауда жиі қолданады.

Белсенді көмір су өткізбейді және ең алдымен су өткізбейтін заттарды адсорбтайды олардың қатарына көптеген органикалық заттар жатады. Адсорционды белсенділігі адсорбирленетін заттың молекулярлық салмағын және температурасын көтергенде өседі.

Көмірдің таңбасы тегін және тағайындалуын көрсетеді: АУ-белсенді көмір; БАУ-қайыңды белсенді көмір; АГ-түйіршікті белсенді көмір; СКТ-күкірт-калиймен активтендірілген көмір, шымтезекті; КАУ-сүйекті белсенді көмір; АР-рекуперационды белсенді көмір. Біраз белсенді көмірлердің сипаттамасы мен қолданылу аймағы 6.2. кестеде берілген.

Адсорбент ретінде белсенді көмірдің теріс өзгешелігі - оның жаңғыштығы. Ауалы атмосферада көмірдің тотығуы 250 °С-тан жоғары температурада басталады. Өрт қауіптілігін азайту үшін көмірге 5%-ті силикагель қосады.

Қазіргі кезде полимерлі материалдан жасалған - MSC түрдегі молекулярлы-електі көмір кең таралуда. Бұл топшаға саран полимерінен жасалған САУ (6.2. кесте) көмірі жатады. Көмірдің MSC түрі өзінің құрылысы арқасында газ қоспасындағы қарсы компонент суды сіңіре алады.

6.2 - кесте. Белсенді көмірдің қолданылу аймағы мен сипаттамасы

Марка	Түйіршік мөлшері, мм	Үйінді тығыздық, кг/	Қорғаныш әрекетінің уақыты, мин	Микропораны адсорбциялаудың шекті көлемі, /г	Қолданылу аймағы
БАУ	1-5	350	-	0,26	Газ және буды адсорциялау
АГ-3	1,5-2,7	450	38	0,30	Газ және буды адсорциялау
АГ-5	1-1,5	450	45	0,30	Газ және буды адсорциялау
САУ	1-5	450	-	0,36	Газ және буды адсорциялау
КАУ	1-5	400	-	0,33	Газ және буды адсорциялау
АРТ	1-6	550-600	-	0,33	Газдарды жіңішке тазалау
СКТ-1	0,5-2,7	470	70	0,45-0,59	Газдарды күкіртсутектен тазалау
СКТ-2	1,0-2,7	460	-	0,45-0,59	Көмірсутекті газдарды ұстап қалу
СКТ-3	1-3,5	380	-	0,46	Көмірсутекті газдарды ұстап қалу
СКТ-4	1-3,5	430	50	-	Көмірсутекті газдарды ұстап қалу
СКТ-6	0,5	470	65	-	Радиобелсенді газдарды адсорциялау

Силикагельдер. Өзінің химиялық табиғатына байланысты гидратты аморфты кремнезем ( ) болып келеді. Оны күкірт қышқылымен сұйық шынының әрекеттесуі жолымен алады. Реакция өнімдерін сумен шаяды, 5-7% ылғалдылық қалғанша кептіреді, 800°C-та қыздырады, одан кейін кейін ұсақтайды және франкцияда 0,2-7 мм размерде ыдыратады немесе диаметрі 3-6 мм шар тәрізді түйіршік алады. Силикагельдер берік, мөлдір шыны тәрізді немесе күңгірт (матовый) дән тәрізді болады. Газдарды құрғату және полярлы органикалық (мысалы, метил спирті) заттардың буын жұту үшін қолданады. Полярлы емес заттардың буын нашар жұтады.Белсенді көмірмен салыстырғандағы артықшылығы: арзан, жанбайды, алынған кезде кеуек құрылысын реттеуге болады, ұнтақталуға қарсы жоғары механикалық беріктікке ие, регенерацияның төменгі температурасына (110-120°C) ие.

Силикагельдің меншікті беті екі­үш ретке тағайындалуына байланысты өзгеруі мүмкін. Өнеркәсіпте үйме тығыздығы 400-900 кг/ , 0,2-7мм мөлшердегі түйіршікпен кесекті (дұрыс емес пішінді түйіршік) және түйіршікті (дұрыс пішінді түйіршік) силикагельдер шығарады. Әр түрлі адсорбция әдістері үшін өзінің гранулометриялық құрамын ұсынады: қайнайтын қабатты процестер үшін-0,1-0,25мм; қозғалатын қабатты процестер үшін-0,5-2,0мм; тұрақты қабатты процестер үшін-2,0-7,0мм. Кейбір силикагельдердің сипаттамасы 6.3-кестеде келтірілген.

Силикагельдердің жетіспеушілігіне, әсіресе ұсақ кеуектілердің тамшы ылғалдылығының әсерінен оның түйіршіктерінің бұзылуы жатады.

6.3-кесте. Кейбір силикагель маркаларының сипаттамасы

Марка	Пораның орташа радиусы, м	Меншікті бет, кг/	Кеуектілік жиынтығы, кг/
КСК-ірі кеуекті ірі силикагель, түйіршікті		300-450	(0,9-1,1)
МСК-ірі кеуекті ұсақ силикагель, кесекті	(6,4 7)	282-288	(0,93-0,97)
КСМ-ұсақ кеуекті ірі силикагель, түйіршікті	(0,8 )	400-750	(0,25-0,6)
МСМ-ұсақ кеуекті ұсақ силикагель, кесекті	(1,3 )	550-580	0,34
КСС-орташа кеуекті ірі силикагель, түйіршікті	(1,8 )	500-650	(0,64-0,85)

Алюмогельдер (альминийдің белсенді оксиді). Сутартқыш адсорбент болып табылады. Алюмогельді алу технологиясы селикагельді алу технологиясына ұқсас. Газды қоспадағы кейбір полярлы органикалық заттарды сіңіру үшін және газдарды құрғату үшін қолданады. Газдарды құрғату кезінде олар өз массасынан 4-тен 10%-ға дейін су буын сіңіре алады. Өнеркәсіпте цилиндр пішінді түйіршікті алюмогельдер (түйіршік диаметрі 2,5-5 мм және 3-7 мм биіктігі), сонымен қатар шар тәрізді пішінді (бөлшек диаметрі 3-4 мм). Алюмогельдер силикагельге қарағанда су әсеріне беріктеу келеді.

Цеолиттер. Бұл құрамында сілтілік және сілтілік жер металдарының оксидтері бар алюмосиликаттар. Цеолиттердің негізгі ерекше өзгешілігі - қатаң тұрақты кеуекті құрылысы (поралар бірдей мөлшерлі), оларды іріктеуші адсорбция үшін қолдануға мүмкіндік береді.

Цеолиттер табиғи және синтетикалық деп бөлінеді. Табиғидан морденитті, шабазитті және эрионитті тәжірибеде қолданады. Пора мөлшері дейін, ал микропора көлемі . Табиғи цеолиттер табиғатта шашыраған, оның үстіне оларды қолдануды қиындататын әртүрлі қоспалармен олар ластанған.

Қазіргі уақытта 100-ге жуық цеолит атауы синтезделген. Көбінесе келесі маркадағы синтетикалық цеолиттерді қолданады: КА, NaA, CaA, CaX, NaX. Бірінші әріп тор зарядын өтейтін катион пішініне сәйкес келеді, екіншісі – кристалдық тор түрі. Әрбір маркаға пораның айқын мөлшері сәйкес келеді. Синтетикалық цеолиттер шар тәрізді пішінді түйіршік (диаметр 2-5 мм) және цилиндрлік пішінді (диаметрі 2-4мм және ұзындығы 2-4мм) түрінде шығарылады. КА цеолиті тек газдарғы құрғату үшін, NaA цеолиті газдарды – күкіртсутек, аммиак, метан, көміртек оксиді және т.б. адсорбтайды, СаА цеолиті тек нормаль құрылысты спирттерді және көмірсутектерді сіңіреді. Кейбір цеолиттердің сипаттамасы 6.4-кестеде келтірілген.

6.4-кесте. Кейбір өнеркәсіптік цеолиттердің сипаттамасы.

Марка	Түйір мөлшері , мм	Үйме тығыздығы , кг/	Меншікті бет S,	Ұнтақталуға механикалық беріктілік, %	Пора мөлшері, А
КА	0,1-0,32	0,62	-	-	3
NaA	0,1-0,6	0,65	00	70	4
CaA	0,1-0,6	0,65	750-800	-	5
CaX	0,1-0,6	0,6	1030	-	8
NaX	0,1-0,6	0,6	1030	70	10

Соңғы кезде газды қалдық құрамын зиянды қоспадан тазалау үшін белсенді көміртекті талшық қолданылады. Белсенді көмірмен салыстырғанда артықшылығы келесідей: сүзгіштік және адсорбционды қасиеттерге, десорбция – адсорбция процестерінің жоғары жылдамдығына ие, сонымен қатар жоғары химиялық, термиялық және реакционды тұрақтылыққа ие.

Адсорбционды тазалаудың даму бағыттарының бірі регенерацияланбайтын оны ары қарай пайдалану үшін арзан адсорбенттерді іздеу. Мұндай адсорбенттің мысалы ретінде глинозем алынады, фторлы қосылыстарды сіңіру үшін қолданатын және альминий өндірісі үшін шикізат болып табылады.

Адсорбенттің регенерациясы. Регенерация оның порасынан адсорбенттелген затты жоюдан тұрады. Жалпы тазалау процесінің тиімділігі адсорбенттен адсорбенттелетін затты қаншалықты тез және толық айыруға байланысты болады. Адсорбентті регенерациялауға адсорбционды-десорбциондық кезеңдегібарлық энергетикалық шығынының 60-70% кетеді.

Адсорбенттің регенерациясын келесі әдістердің бірімен жүргізеді:

- жылулық әсер. Үдеріс 300-400 °C-та әртүрлі құрылымды пеште жүргізіледі: барботажды, көп қолданылатын және қайнаған қабатпен. Жылулық регенерация кезінде 5-10% адсорбент жоғалады және адсорбенттелетін заттың бұзылуы болады;

- қаныққан және ысытылған су буымен десорбциялау. Екінші жағдайда 200-300 °C-та ысытылған бу қолданылады.

- инертті газбен 120-140°C десорбциялау.

Адсорберлердің түрлері

Адсорберлердің негізгі міндеті – адсорбент пен тазаланатын газ интенсивті байланысын қамтамасыздандыру. Адсорбент күйі тәуелділігіне байланысты адсорбердің үш тобын ажыратады:

1. Жылжымайтын адсорбент қабатты адсорберлер. Жылжымайтын адсорбент қабатты адсорберлер цилиндрлі тігінен немесе көлденең абсорбент қабатпен толтырылған сыйымдылық болып келеді. Адсорбент торда орналасады, ал газдың берілуін жоғарыдан төмен қарай жүргізеді. Қажет жағдайда сөреге аздаған қабатпен орналастырады. (6.7-сурет). Үдерістің үздіксіз жұмыс жасауын қамтамасыз ету үшін адсорбция және регенерация тәртібінде әрбірі периодты жұмыс жасайтын бірнеше адсорбционды қондырғыларды орнату керек.

Екі немесе төрт сатылы кезеңде жұмыс жасауы мүмкін. Төрт сатылы кезеңде жұмыс келесі кезеңдермен жүзеге асады:

1) адсорбция;

2) десорбция –булы газ қоспасының берілуін тоқтатады және жылу тасымалдағыш (бу) жіберіледі; қыздырудың нәтижесінде бөліну құрылғысынан бумен бірге шығатын жұтылған компоненттердің десорбциясы жүреді.

3) адсорбентті кептіру – будың берілуі тоқтатылады және оның орнына ыстық ауа жіберіледі.

4) адсорбентті салқындату – ыстық ауа орнына салқын ауа жіберіледі.

Екі сатылы кезеңде кептіру және салқындату процестері адсорбция процесімен бірге жүзеге асады. Ұсталған өнімдердің конденсация және рекуперация процестері шығарғыш қондырғыларда жүргізіледі.

Ұсынылған құрылымдарда адсорбция және десорбция кезеңдері бір корпусқа біріктірілген.

Периодты әсерлі жылжымайтын адсорбент қабаты бар адсорберлерді есептеу. Адсорбердің бұл түрінің есептеуі құрылымдық мөлшерін (диаметр, биіктік), адсорбент көлемін, қорғағыш әсердің уақытын, гидравликалық кедергіні және басқа да шамаларды анықтауға келіп тіреледі.

Периодты адсорберде заттың концентрациясының уақыт және қабат биіктігі бойынша өзгеруі жүреді. Адсорбция процесінің жылдамдығының өзгеруіне байланысты екі кезеңге бөлінеді: 1) кемитін жылдамдық кезеңі уақытпен және қабат биіктігімен шектеледі; 2) тұрақты жылдамдықты кезең . Адсорбция процесінің ұзақтығы тең:

, (6.26)

мұнда, -адсорция уақыты; - десорбция уақыты, - адсорбенттерді кептіру және салқындату уақыты.

Адсорбция ұзақтығын шынында мына қатынастан жуықтап есептеуге болады:

, (6.27)

мұнда, - адсорбент массасы, кг; және - адсорбенттегі үдеріс басында және соңындағы заттың концентрациясы; - газды қоспаның жалған жылдамдығы, м/с; - адсорбер қимасы, ; - газды қоспаның тығыздығы, кг/ ; және - газдағы үдеріс басында және соңындағы заттың концентрациясы.

Адсорбенттің жұмыс жасайтын қабатының биіктігі кезінде келесі қатынастан анықталады

, (6.28)

мұнда, – тасымалдау бірлігінің саны, h – тасымалдау биіктігінің саны

, (6.29)

мұнда, – массаны берудің коэффициенті [теңдік (4.54)].

Тасымалдау бірлігінің санын уақыты кезіндеанықтау үшін у-x диаграммасында адсорбция изотермасын және жұмысшы сызықты тұрғызады. Жұмысшы сызық теңдеуі уақыты кезінде келесі түрге ие:

(6.29)

Бұл – координат басы арқылы өтетін, бұрыш тангенсі y/ -ке тең тізу сызықтың теңдігі. Интегралды графикалық интегралдау арқылы табады. Ол тасымалдау бірлігінің санына тең:

(6.29)

мұнда, - адсорбент жұмысшы қабатының соңындағы заттың концентрациясы.

Адсорбер қимасының ауданын келесі формуламен табады:

(6.31)

мұнда, – газдың шығыны, кг/с; – адсорбердің толық қимасына жабылған газдың жылдамдығы, м/с (0,08-0,25 м/с тең деп алады).

2. Жылжыйтын адсорсербент қабатты адсорберлер. Бұл топтың адсорберлерінде жылжымайтын қабатты адсорберлердің кемшіліктері жоқ, бұнда процестің үзіліссіздігі қамтамасыз етілуі мүмкін, адсорбенттің адсорбционды сыйымдылығы толығырақ қолданылады, бір құрылғыда бірнеше кезеңдер біріктірілуі мүмкін сол себепті орын алатын аудан кішірейеді. Бұған қоса, онда гидравликалық кедергі аз және ол басқару мен автоматтандыруда қарапайымдау. Кемшіліктеріне адсорбенттердің ұнтақталуын және қондырғыларды көшіру кезінде процестің гидродинамикалық сипаттамаларын қатаң сақтау керектігін жатқызуға болады.

Жылжыйтын қабатты қондырғылардың екі түрі 6.8. суретте көрсетілген, бір қондырғыда бірнеше кезеңдер біріктірілуі мүмкін кезде (6.8 a - сурет) және регенерация қондырғы сыртында жүргізілген кезде.

Бір корпус ішінде кезеңдер біріктірілетін жылжыйтын адсорбент қабатты адсорберлер тиімдірек, келешегі бар болып келеді.

Жылжыйтын адсорбент қабатты адсорберлерді есептеудің келесі шарты ғана жылжымайтын адсорбент қабатты адсорберлердің есептеуіне ұқсас келеді, қатты фазаның қозғалыс жылдамдығын, сонымен қатар адсорбент шығынын қосымша есептеу керектігі. Қондырғыдағы адсорбенттің қозғалу жылдамдығы келесі теңдікпен анықталады

(6.32)

мұнда, - қатты фазадағы – бен тең салмақтағы адсорбат концентрациясы, кг/ ; - жылжымалы адсорбент қабатының анықтығы, бірлік бөлігі ( =0,33-0,49).

Сурет 6.8 – Жылжыйтын адсорбент қабатты адсорбер

а – бір қондырғыда бірнеше кезеңдер біріктірілгенде: 1-адсорбция аймағы; 2- бөлгіш тәрелке; 3-мұздатқыш; 4-жылытқыш; 5- бекітпе; б- қондырғы сыртындағы регенерациямен: 1-газды бөлгіш тор; 2-бункер; 3- корпус; 4-жалғастық; 5- таспалы сүзгіш; 6-бекітпе; 7- адсорбент.

Қайнап тұрған қабатты адсорберлер.

Сурет 6.9 - Қайнап тұрған қабатты адсорберлер:

а – бір камералы адсорбер: 1- төменгі жалғастық; 2- конустық түбі; 3-тор; 4-адсорбентті енгізетін келте құбыр;5- циклондық құрылғы; 6- цилиндр; 7-адсорбент; 8-абсорбентті шығаратын келте құбыр;

б-көп камералы адсорбер: 1- жалғастық; 2-қайта қайрайтын құбыр; 3-кіретін құбыр; 4-шығатын жалғастық;5- саңылауы бар тарелкелер; 6- корпус; 7- шығатын құбыр.

Адсорберлер жұмысын күшейту үшін қайнайтын қабаттардың қолдануы мүмкін, бөлшектер мөлшері кіші болған сайын олардың қабаттағы қозғалысы аз. Бұл ПКФ-ны көбейтуге, кедергіні азайтуға және ұйғарымды газ жылдамдығын көбейтуге мүмкіндік береді. Қайнайтын қабатты қондырғылар периодты және үздіксіз әрекетті болуы мүмкін.

Қолайлы гидродинамикалық шарттарды қалыптастыру көптеген факторларға байланысты: газ ағындарының жылдамдығы, адсорбент мөлшері мен тығыздығы, қондырғы пішіні, қайнайтын қабат диаметрі мен биіктігі, қатты фаза беру тәсілі, газ беретін тордың құрылысы және т.б. Қайнайтын қабат биіктігі шамамен диаметріне тең болғанда тұрақты қайнайтын қабатқа жетеді. 6.9-суретте қайнайтын қабатты адсорбент құрылысы берілген.

Адсорбенттің өлшенген қабатты адсорберлерін есептеу. Үдеріске бойлық араластырудың әсері бойлық араластыру коэффициентімен ескеріледі:

(6.33)

Адсорбер диаметрі келесі формуламен есмептеледі:

(6.34)

Газдың орташа жылдамдығын келесі формуламен есептейді:

(6.35)

Тәрелкедегі өлшенген қабат биіктігін келесі қатынастан анықтайды

(6.36)

Өлшенген қабат кеуектілігін келесі тәуелділіктен анықтауға болады

(6.37)

мұнда, - жылжымайтын қабат кеуектілігі; =0,4; -сорбент қабатының биіктігі: =50-60 мм; – Рейнольдс өлшемі; – Архимед өлшемі; - адсорбент түйірінің диаметрі; - адсорбент тығыздығы; - газдың тығыздығы; -газ тұтқырлығының динамикалық коэффициенті.

Көп сатылы қондырғы жұмысшы аймағының биіктігін келесі формуламен есептейді: .

Қондырғының саты санын адсорбция изотермасы мен жұмысшы сызық шығарылған Ү-X диаграммасынан табады.

Барлық бағана үшін материалдық теңгерім теңдігі келесі түрге ие болады: (6.38)

мұнда, – бағанадан шығатын жерде адсорбентті өңдеу деңгейі; >0,8; , –газды фазадағы бағанаға сәйкесінше кіретін және шығатын жеріндегі компонент концентрациясы.

-ны есептеп, тәрелкенің шын санын анықтайды:

(6.39)

Бойлық араластыру коэффициентін келесі формуламен есептейді

(6.40)

мұнда, -мөлшерсіз жиынтық ( -жуықтама тығыздық).

Егер дебағанадағы барлық қабаттар бірдей, яғни адсорбент бөлшектері шар тәрізді, бірдей мөлшерлі, қабат көлеміне біркелкі таралғанболса кез келген қабаттан шығатын жердегі компонент концентрациясын есептеу үшін теңдігі ұсынылады:

(6.41)

Бұл теңдікті қолдана отырып бағанадағы тарелке санын есептеуге де болады.

Сурет 6.10 - Еріткіштің буын ұстау үшін адсорбционды қондырғының схемасы:

1-cүзгіш; 2-қиыршық тасты оттыбөгеттегіш; 3-жарылатын мембранамен сақтандырғыш құрылғы; 4-калорифер; 5-айналма сызық; 6-адсорбер; 7-конденсатор; 8,9-желдеткіштер.

Қалдықтарды залалсыздандыратын адсорбционды әдістер ұсталған өнімді [көбінесе, еріткіштер: ацетон, толуол және басқалар (6.10)] рекуперирлеу керек кезде жағымсыз иістерді жою үшін көп қолданыс тапты. Күкірт диоксиді, азот оксидтерінің қалдықтарын, сонымен қатар олардың қоспаларын адсорбционды тазалау туралы мәліметтер бар.

Газдарды катализатормен тазалау

Газдарды катализатормен тазалау гетерогенді катализге негізделген және қоспаны зиянсыз қосылысқа немесе газды қоспадан оңай жойылатын қосылысқа айналдыру үшін қызмет етеді. Әдіс артықшылығы:

- тазалаудың жоғарғы деңгейі;

- ықшамдылық;

- аз ғана металды қажетсіну;

- жоғарғы өнімділік;

- автоматты басқарудың жеңілдігі.

Кемшілігі:

- жиі газдан жоюға тура келетін жаңа заттардың құрылуы;

- катализаторлардың жоғарғы құны.

Газды катализатормен тазалаудың ерекшелігі аз мөлшерді қоспасы бар шегінетін газдың көп көлемін тазалайды. Бұдан басқа газда бір емес бірнеше зиянды компонент болуы мүмкін.

Газды тазалау кезінде реакциялар көбінесе диффузионды аймақта өтетіндіктен, катализаторлардың жоғары дамыған кеуекті құрылысы болуы керек (§4.2 қараңыз).

Газды тазалау үшін керек катализаторлар. Катализаторлар келесі қасиеттерге ие болуы керек:

- шығарылатын компонентке қатысты белсенділік және іріктемелілік;

- кеуекті құрылысты;

- катализаторлы уларға қатысты беріктілік;

- механикалық беріктілік;

- тұтанудың төменгі температурасы;

-жұмыстың үлкен температуралық аралығы;

-термоберіктілік;

- төменгі гидравликалық кедергі;

- аз құнды болу.

Катализді белсенді зат – катализатордың негізі. Ол айырбас әрекетті реакцияға түседі. Қазіргі кезде әр түрлі үдерістерді жүргізу үшін катализді белсенді заттарды таңдауда жеткілікті үлкен тәжірибе жинақталған. Катализді белсенді зат ретінде таза металдар, метал оксидтері, сонымен қатар химиялық қосылыстардың көп саны қолданылады. Газды тазалауда қолданылатын катализді белсенді зат ретінде қолданылатын негізгі материалдар: платиналы металдар, палладий, рутений, родий, құрамында хром, мыс, мырыш, ванадий бар қорытпалар.

Күшейткіш –катализатор белсенділігін жоғарылатын заттар. Сонымен қатар әдетте олар катализаторлық қасиеттерге ие емес, бірақ катализді белсенді заттардың әсерін арттырады. Күшейткіштер катализді белсенді заттардың әсерін жүз және мыңдаған есе арттыра алады. Олардың әсері әлі соңына дейін зерттелмеген, олар катализді белсенді затпен реакцияға түседі деп болжайды. Күшейткіш ретінде әртүрлі заттар қолдануы мүмкін, көбінесе олардың таңдалуы эмпирикалық жолмен жүргізіледі.

Сақтаушылар –катализатор жағылған негіз. Олар бірқатар жағдайда катализатордың белсенділігі мен іріктемелілігіне әсер етеді. Сақтаушылар ретінде көбінесе жетілген беті бар инертті кеуекті заттар қолданылады: силикагельдер, алюмосиликагельдер, цеолиттер және т.б.

Көбінесе түйіспелі масса ретінде қолданылады:

1. Металды сақтаушыдағы белсенді металды катализатор. Мысалы, катализатор- платина немесе басқа асыл металл күшейткішпен бірге никель қорытпасының жоңқасына жағылады. Іріктемелі реакциялар үшін арнайы катализаторлар өңделген. Қарапайым катализаторлы қондырғы терең емес ұяқалып болып келеді, бірақ та кейбір амалдар үшін цилиндрлік үлгіні қолданады.

2. Метал оксидті сақтаушыдағы белсенді металды катализатор. Мысалы, платина тобындағы металдың жұқа қабатын күйген α альминий оксиді немесе фосфор (шырағдан түріндегі) сақтаушыға жағады. Сақтаушыны бір-біріне қарай жылжыған қатарлармен орналасқан цилиндрлі түйіршік түрінде дайындайды.

Катализатор ретінде платиналы бүркеуі бар және үлкен меншікті бетпен алюминийдің γ оксиді болуы мүмкін. Бұл топқа алюминий оксиді сақтағышты палладийлі катализаторы жатады.

3. Белсенді катализатор – металл оксидініңастындағы металл оксиді. Жоғары меншікті беті бар белсенді оксидтер (мысалы, γ- ), сақтаушыға металл оксиді (мысалы, γ- ) жағылуы мүмкін. Мұндай жүйе келесі артықшылыққа ие: ол жоғары температураға шыдай алады; оның құрамына арзан материалдар кіреді (асыл металдар катализаторларымен салыстырғанда); бұдан басқа ол өзек немесе таблетка түрінде әзірленеді.

Бұл санатқа сондай-ақ катализаторлар жатады, сақтаушыны қосқанда тұтастай белсенді металдан тұрады.Олардың санына мыс оксиді мен марганец («Хопкалит») қоспасын жатқызады, 300-400°C –та метаннан (400°C-та 30%-i) басқа көмірсутектердің толық жануын қамтамасыз етеді.

4. Металды сақтаушыдағы белсенді металл оксиді. Мысалы, сақтағыш ретінде металл сым болатын катализаторлы жүйе. Мұндай жүйе газдарды тазалау процестерінде іс жүзінде қолданылмайды.

Қазіргі кезде бірнеше реакцияларға (бәрнеше зиянды заттарды залалсыздандыруда) белсенділік танытатын кешенді катализаторларды дамытуда.

Әдетте катализаторлы реакцияның басталуы үшін керек температура газда кездесетін заттар мен катализатор түріне тәуелді болады. Кейбір катализаторлы улар әрекетінің аспектілері §4.2 қарастырылған.

Қалдықтарды тазалау кезінде катализаторға негізгі катализаторлы улардың әрекетін қарастырайық.

Аэрозольдарда кездесетін майлармен пайда болған фосфор органикалық қосылыстар тотығу кезінде катализаторды жұқа залалсыздандыратын қабатпен жабатын фосфор қышқылын бөледі.

Ауыр металдар – қорғасын және мышьяк - жұқа залаласыздандыратын қабат құра отырып фосфаттар сияқты әсер етеді. Катализатордың залалсыздануы және бітелуінің себебі тазаланған газда шаңның болуы мүмкін.

6.5-кесте. Катализаторлы тотығу кезінде катализаторлардың тұтану температурасы.

Тазаланған газдағы ластағыш заттар	Катализаторлы тотығудың температурасы, °С
Альдегидтер, антрацендер, май булары, көмірсутектер	320-370
Сутек, көміртек оксиді, метан, көміртек	650-980
Парафиндер, май булары	340-450
Сутек, метан, көміртек оксиді, формальдегид	320-370
Еріткіштер, шайыр	340
Фенол	260-400
Риянды және фтальды қышқылдар, нафтахиондар, көміртек оксиді, формальдегид	320-430
Көмірсутектер	320-340
Еріткіштер	260-650
Көмірсутектер	320
Еріткіштер, лактар	320-370
	320-370

Егер бұл шаң отқа төзімді (алюминий оксиді, кремний және темір) болса, онда оның залалсыздану әрекеті тұрақты болуы мүмкін, егер біріктірілу жүрмесе, сүзгіш элементтер тазалануы және катализатор белсенділігі біртіндеп қалпына келуі мүмкін.

Уақытша белсенділікті жоғалту толық емес жану кезінде күйе және ұсақ көмір шаңының бөлінуі әсерінен болуы мүмкін. Бұл жағдайда қысқа уақытта температураның 350 °C­қа дейін көтерілуі кезінде көмір катализаторды күйдіреді.

Катализатордың құны бастапқы шикізат құнына және оны алу технологиясына байланысты болады. Катализаторды дайындауда жиі қымбат және сирек меалдар қолданылады: платина, күміс, радий, палладий, рутений, церий және т.б., сонымен қатар түсті металдар: мыс, мырыш, хром, никель, кобальт, қалайы, алюминий, титан, молибден және т.б. Катализатордың құнын түсіру мақсатында мүмкін жерде құрамында қымбат металдар барына синтездеу жүргізу және оның құрамын азайту. Мұндай катализаторлар белсенділігі және басқа да көрсеткіштері бойынша құрамында қымбат металдар бар катализаторлардан кем түспейді.

Катализаторлар құнына оларды жасау технологиясы айтарлықтай әсер етеді. Катализаторды алу технологиясы оны қандай күйде алатынына байланысты болады. Мысалы, металды тор, кеңірдектелген (гофрленген) таспа, керамикалық кәсек, таблетка, шығыршық, шар түрінде және т.б. Көбінесе жиі түйісу беті катализді белсенді заттарға күшейткіштерді және толықтырғыштарды қоса отырып бірлесіп тұндыружолымен таблетка түрінде алынады.

Мұндай катализаторлардың өндірісі келесі кезеңдерден тұрады: шикізатты дайындау, еріту, тұндыру, сүзу, жуу, кептіру, қыздыру, формаға құю.

Каталитизаторлы реакторлар құрылымы. Құрылымға қойылатын талаптар:

- жоғары өнімділік;

- қолайлы технологиялық режимдердегі процестің үздіксіздігін қамтамасыз ету;

- басқарудың жеңілділігі;

- автоматтандырудың мүмкіндігі;

-азғантай гидравликалық қарсыласу;

- катализаторды жүктеу және түсірудің жеңілдігі;

-жылуды рекуперациялау және газды қоспаны жылыту үшін қондырғының бар болуы;

- өнімнің металды аз қажетсінуі, монтаж, жөндеу және тасымалдаудың қол жетімділігі.

Қондырғылар катализатормен газдың әрекеттесу әдісіне байланысты 3 топқа бөлінеді:

1. Катализаторлы сүзгіш қабатты катализаторлы реакторлар. Сүзгіш қабатты қондырғыларға сыйымдылықты, құбырлы және сөрелі қондырғылар, олардыңәрекет қағидаты жылжымайтын катализатор қабаты арқылы газды сүзгілеуге негізделген (6.11-cурет). Бұл принципке көптеген түйісу қондырғыларының жұмысы негізделген. Катализатор газ қозғалысы жүрісінде керілгенметалды тор түрінде, құбырлы түйіспелі қондырғы немесе саңылаулы торда орналасқан әр түрлі формадағы қатты дене түрінде болуы мүмкін. Мұндай қондырғылардың артықшылығы: құрылымының оңайлылығы. Кемшіліктеріне жылуалмасу жоқтығын жатқызуға болады, оларда азғантай жылулық әсерлермен жүретін реакцияларды ғана өткізуге мүмкіндік береді.

Бір қондырғыда процестің толық өтуі үшін бірнеше түйісу массалы қабаттары орнатылуы мүмкін. Көп қабатты түйіспелі қондырғыларды көбінесе тазаланған газды қосымша өңдеу (жылыту, салқындату және т.б.) керек болған кезде орнатады. Бұл әрбір сөреде оңтайлы температуралы режимде процесті жүргізуге мүмкіндік береді.

6 .11-сурет. Катализатордың сүзгіш қабатты түйіспелі қондырғылардың схемасы.

а-тор түріндегі катализатормен түйіспелі қондырғы; б-құбырлы түйіспелі қондырғы; в-саңылау торлы түйіспелі қондырғы; г-көп қабатты түйіспелі қондырғы; д-Фильд құбырлы түйіспелі қондырғы; е-жылу алмасушысымен түйіспелі қондырғы.

Сүзгіш қабатты катализаторлы түйісу қондырғылары функциональды тағайындалуына байланысты құрылымдық безендірілуінің бірнеше нұсқалары бар: бөлек корпуста (К түрі) орналасқан қатты катализатормен каталитизаторлы реакторлар; жалпы корпуста түйіспелі түйін және жылытқыш (ТК түрі) орналасқан катализаторлы реакторлар; жалпы корпуста түйіспелі түйін және жылу рекуператоры (КВ түрі) орналасқан термокатализаторлы реакторлар; жалпы корпуста жылытқыш, түйіспелі түйін және жылу рекуператоры (ТКВ түрі) орналасқан катализаторлы реакторлар. Экологиялық талаптарға ең жоғарғыьды деңгейде жауап беретін, ең келешегі бар ТКВ қондырғы болып табылады.

Мысалы, Гипрогаз тазалау құрылымының термокатализаторлы жаққышы (6.12-сурет).

Құрамында зиянды қоспалар бар газ жылуалмасушы рекуператорда таза газбен жылытылады. Сосын жанарғысында 1 отынды жағу кезінде пайда болған оттық газбен араласады, содан кейін катализатор бетінде зарарсыздандыру жүргізіледі.

Сүзгіш қабатты қондырғылардың кемшілігіне катализатордың қатты бөлшектермен бітелуі жатады. Бұл жағдайда құбырдың ішкі бетіне катализатор жағылған құбырлы реакторлар қолданылуы мүмкін.

6.12-cурет. Гипрогаз тазалау құрылымының катализаторлы жаққышы: 1-жанарғысы; 2-катализатор қабаты; 3-жылуалмасушы-рекуператор

Сүзгіш қабатты реактордың есебі. Реактордың гидравликалық кедергісін оның құрылымына байланысты әр түрлі формуламен есептейді.

Жылжымайтын қабатты катализаторлы реактор үшін:

(6.42)

мұнда, - кедергі коэффициенті Re<50 кезіндегішамасы =220/Re; Re>50 кезіндегі шамасы ; - газдың жалған жылдамдығы, м/c; - катализатор жылжымайтын қабатының биіктігі,м; - жылжымайтын қабат аластығы; a- катализатордың салыстырмалы беті,

Реактордың мөлшерін табу үшін тасымалдау бірлігіне (ВЕП) тең тасымалдау бірлігінің санын және биіктікті анықтайды:

(6.43)

(6.44)

(6.45)

Тасымалдау бірлігінің санын мына теңдікпен есептейді

(6.46)

мұнда, -реактордың биіктігі; -газдың массалы жылдамдығы, кг/( ); -газ ағыны компоненттерінің орташа молекуларлық массасы; а-катализатордың меншікті беті, ; - катализатордың беті жанындағы газ қабықшасындағы А компоненттің орташа логарифмдік парциальды қысымы; - А компонентінің парциальды қысымы, Па; -катализатордың бетіндегі компоненттің парциальды қысымы, Па; - реакция нәтижесінде (бастапқы А заттың 1 мольға) А компонентінің моль санының өзгеруі; – газ қабықшасындағы А реагенті концентрациясының орташа логарифмдік мәні; және - cәйкесінше газдағы және катализатор бетіндегі А компонентінің мольді үлесі.

ВЕП және мәндерін (6.44) және (6.46) формулаларымен анықтауға болады.

Жылжымайтын қабатты реакторлардан жылуды бұру үшін (жеткізу) катализатор қабатының сыртында орналасқан жылуалмастырғышты қолданады.

2. Катализатордың өлшенетін қабатымен катализаторлы реакторлар.Сүзгіш қабаттың кемшілігі катализатор түйіршігінің жанасу жерінде газбен нашар шайылатын аймақтың болуы. Бұл кемшіліктерді жою үшін катализатордың әрбір бөлшегі (6.13-cурет) бар жағынан қарқынды газбен жанасатын тазалау процесін қарқындататын қайнайтын қабатты қолданады.

Мұндай қондырғылардың артықшылығы болып қабаттың жақсы жылуөткізгіштігі, катализаторды жүктеу және шығару процесін механизациялау мен интенсивтендіру, жергілікті қатты ысыту мен қатты салқындату мүмкіндігін жою, ұсақ катализаторды (сүзгіш қабатта көтеріңкі кедергіге және температуралық қабаттың әркелкілігіне байланысты ұсақ түйіршікті катализатор қолданылмайды) пайдалану мүмкіндігі жатады.

6.13-сурет.Катализатордың қайнайтын қабатты катализаторлы реактор:

1- корпустың цилиндрлік бөлігі; 2-түйіршікті катализатор; 3-корпустың жоғарғы бөлігі; 4-циклон; 5-шүмектік құрылғы; 6-таратушы тор.

Өлшенетін қабаттың кемшіліктеріне шаң ұстағыш қондырғыны қондыруды талап ететін және катализатор беріктігіне қойылатын жоғары талаптар, сонымен қатар процестің жылжымалы күшін төмендететін қарсытокты жүзеге асырудың мүмкінсіздігі қондырғыдан шаң тәрізді катализатордың алып кетуін және майдалануын жатқызуға болады. Аталған кемшіліктер айқындаушы болып табылмайды және олардың көбі толықтай немесе жартылай жойылуы мүмкін.

Кейде қайнайтын қабатта қатты фазадағы реттелген араластыру үшін қондырғыдағы бөлшектердің болу уақытын орташалауға мүмкіндік беретін механикалық араластырғышты енгізеді.

Қайнайтын қабатты көп сөрелі қондырғылар газды тазалау деңгейін арттыру үшін қолданылады.

Өлшенетін қабатты реактордың бөлшектері үшін өлшеу басындағы жылдамдығын келесі формула бойынша табады:

(6.47)

(6.48)

Өлшенетін қабаттың гидравликалық кедергісі келесі формуламен есептеледі

(6.49)

H мен мәнін келесі түрде анықтайды:

(6.50)

(6.51)

мұнда, - өлшенген қабаттың орташа алыстығы; H- өлшенген қабаттың биіктігі.

Өлшенетін қабатты реакторлардан жылуды бұру үшін (жеткізу) катализатор қабатының ішінде орналасқан жылуалмастырғышты қолданады. Жылуалмасудың бетін жылу берудің теңдеуімен есептейді.

Өлшенетін қабаттан жылу алмасу бетіне оңтайлы газ жылдамдығында жылу берудің коэффициентін келесі формуламен есептейді.

(6.52)

мұнда, – Нуссельт критерийі; - газдың жылу өткізгіштік коэффициенті, Вт/(м К).

3. Шаң тәрізді катализатормен катализаторлы реакторлар.Шаң тәрізді катализаторлы қондырғыларда жұмысшы аймаққа майдаланған катализаторды арнайы пысылдауықтар (6.14-сурет) көмегімен шашады. Бұнымен реакционды көлемді толықтай пайдалану жүзеге асады. Катализатор бөлшектері ұшу кезінде болғанда реакция өтеді.

Әдетте катализаторлы қалпына келтіру және тотықсыздану процестері бөлек қарастырылады.

6.14-сурет. Шаң тәрізді реактормен катализаторлы реактор.

1- цилиндрлі корпус; 2- циклон; 3- қақпақ; 4- бункер; 5- эжекторлы қондырғы.

Катализаторлы тотықсыздануды түтіндік газдардан күкірт диоксидін жою, қалдықтарды көміртек тотығы және органикалық заттардан тазалау үшін, ал катализаторлы қалпына келтіру газдарды азот оксидінен залалсыздандыру үшінқолданады.

Катализаторлы тотықсыздандырудан кейін газды келесі өңдеуге жібереді, мысалы, дайын өнімді алу үшін жүретін абсорцияға. Кейбір газдар үшін бұл кезең қарастырылмаған, себебі ластастағыш зиянсыз қосылысқа айналады. Көбінесе су және көміртек диоксиді осы қосылыстар болып табылады. Бірақ та көміртек диоксидінің зиянсыздығы салыстырмалы (§1.1 қара) түрде ғана.

Азот оксидтерін катализаторлы қалпына келтіру қалпына келтіруші газ қатысында азот элементіне дейін жүргізіледі.

Шегінетін газды азот окидінен залалсыздандыру үшін жоғары температуралы катализаторлы қалпына келтіру, іріктемелі катализаторлы қалпына келтіру және гетерогенді қалпына келтіргіштермен ыдырату қолданылады.

Азот оксидтерін жоғары температуралы қалпына келтіру. Үдеріс катализатор бетінде қалпына келтіруші газбен нитрозды газ түйіскенде жүзеге асады.

Катализатор ретінде платина тобындағы металдар (палладий, рутений, платина, родий) немесе арзандау құрамды пайдалануда тиімді және тұрақты құрамында никель, хром, мыс, мырыш, ванадий, церий және т.б. элементтер қолданылады. Беттердің түйісуін арттыру үшін оларды әр түрлі формадағы кеуекті және кеуекті емес материалдарға (керамика, алюминий оксиді, силикагель, металдық таспалар және т.с.с.) жағады. Қалпына келтірушілер метан, табиғи, коксті немесе мұнайлы газ, көміртек оксиді, сутек немесе азот-cутекті қоспаларболып табылады.

зарарсыздандыру тиімділігі қолданылатын катализатор белсенділігіне байланысты. Әсіресе платиналы метал негіздегі катализаторлар газдың көлемді жылдамдығында қалдықты құрамды жеткізеді алады.

Өтетін қалпына келтіру процестерінің мәні келесі реакциялармен көрсетіледі:

Катализатор қабаты үстінде пайда болған нитроздыгаздарды қыздыружәне қалпына келтіру оларды қалпына келтіруші газбен араластыру және жағу жолымен іске асады. Тәжірибеде әдетте қол жетімділігі және төмен құнына байланысты табиғи газды пайдаланады. - ны қалпына келтіруші барлық процестер жылу шығаратын болғанына қарамастан, әдетте нитрозды газдарда оттектің болуы концентрациясын көп есе артыратындықтан, реакциялық қоспаны қыздыру көбінесе қалпына келтірушінің оттекпен реакциясы әсерінен жүзеге асады. Қалпына келтіру процесінде газдың температурасы тез арада 700°С дейін және одан жоғары көтеріледі, сондықтан температураға шыдамды катализаторларды немесе жағудың төменгі температуралы қалпына келтіргіштерді немесе өңделетін газ ағындарын аралық салқындатумен сатылы түйісуді жүргізу қажеттілігі пайда болады.

Қалдықтарды катализаторлы тазалау әдістері үдемелі болып есептелінеді және олар газды тазалау аймағында маңызды орын алуы мүмкін.