Тором; 3 — вихревой сме­ситель; 4— корпус подо­гревателя; 5 — газовая горелка

двух концентрически расположенных перфорированных ци­линдров, приваренных к опорной плите. Сверху цилиндры закрыты коническими крышками. В крышке наружного ци­линдра имеется люк для загрузки катализатора. Очищаемый газ вводится в реактор через штуцер в корпусе подогрева­теля и через отверстия перфорированного корпуса горелоч- ного устройства поступает в зону горения газообразного топлива. Далее очищаемый газ интенсивно перемешивается

в вихревом смесителе с дымовыми газами и направляется в раздающий канал корзины. Пройдя слой катализатора, где лрои-сходит окисление органических примесей, газ выбрасы­вается из аппарата.

Примером аппарата совмещенного типа может служить каталитический реактор, разработанный Институтом газа АН СССР (рис. 3). Очищаемый газ подается под напором в межтрубное пространство теплообменника /, где нагревает­ся за счет тепла очищенного газа и поступает в проточный подогреватель смешивающего типа 2. Непосредственно в по­токе очищаемого газа установлена струнная горелка. Пред­варительно нагретый в теплообменнике газ, смешиваясь с продуктами сгорания топлива, нагревается до температуры 300—400 °С и поступает в слой катализатора 3. На опорной решетке камеры расстилается мелкая сетка, поддерживаю­щая слой катализатора. Очищаемый газ проходит через слой катализатора, нагревается за счет теплового эффекта реак­ции окисления органических веществ и поступает в теплооб­менник, где отдает свое тепло входящему на очистку газу.

4. PAC4F.T КАТАЛИТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА

   1. Методика расчета

Целью технологического расчета является определение основных размеров слоя катализаторов при оптимальных па­раметрах каталитической очистки.

Методика расчета зависит от области, в которой проте­кает каталитическая очистка.

Если процесс каталитической очистки газа протекает в кинетической области, то для адиабатического реактора в первом приближении можно записать:

(6)

(7)

где Со — начальная концентрация примеси в газе, моль/м³; АН — теплота сгорания окисляемого вещества, Дж/моль; р — плотность очищаемого газа, кг/м³; с_р — теплоемкость очищаемого газа, Дж/кг-К; Т_н — температура газа на входе в слой катализатора, К-

Из уравнений (6) и (7) следует:

coj р г--^х (8)

б

177 /К*. V* ^сз. . .) ‘

ехр

Уравнение (8) обычно решают численным методом, одна­ко возможны случаи, когда его можно решить аналитически.

Объем катализатора

*3600 * ^

где V‘o — объемным расход очищаемого газа при нормальных условиях, м³/ч.

Необходимая поверхность фильтрации, т. е. площадь се­чения слоя перпендикулярного направлению движения газо­вого потока:

' СО)

где Vo — фиктивная линейная скорость газа при нормальных условиях, т. е. скорость фильтрации, отнесенная к полной поверхности фильтрации, м/с.

Рекомендуемые значения и₀ приведены в приложении 4. Расчетная высота слоя катализатора

(И)

Для компенсации влияния неравномерности - газораспре­деления по фильтрующей поверхности рабочую толщину слоя катализатора необходимо увеличить в 1,25—1,45 раза, а при наличии в газовом выбросе пыли смолистых коксую­щихся соединений, каталитических ядов — в 1,5—1,8 раза.

Поверхность фильтрации для наиболее распространенно­го варианта размещения катализатора в кольцевых корзи­нах рассчитывается по сродному диаметру.

Если процесс каталитической очистки газа протекает во внешнеднффузиониой области, то из уравнения (5) следует,

Так как коэффициент массопередачи изменяется при из­менении температуры в меньшей степени, чем константа скорости реакции в кинетической области, то расчет можно* вести на среднюю температуру слоя:.-,

« = «..#*7*/«'. •). (О 4

С*6Р 13

’МОУ 13

Л6»а==ЛoCXip [— aTFJ = 2,1 -1 0s <?xpj — sT31~65T" J 8-32 (c"'). 12

t (— + — т ) = -шг(т- + 1Г'(Шт)7=1733 (,м'/м >• 13

"•= мгhr = ттзта«Г“°'Ч1?85 М- 13

где Dо — коэффициент диффузии примеси в газе при 0°С, м²/с; е — порозность слоя катализатора, м³/м³; vo — коэф­фициент кинематической вязкости газа при нормальной тем­пературе, м²/с; d₃ — эквивалентный диаметр каналов, обра­зованных частицами катализатора, м.

^d‘ ⁼ мГ-еГ ’ ⁽¹⁵⁾'

где йи — удельная поверхность слоя частиц, м²/м³.

Для сферических частиц

С*6Р

Для цилиндрических частиц

6/2 1 d\ ^а° ИГ(“з* ^ Т Ту ’

где d — диаметр частицы, м; / — высота цилиндра, м.

Удельная доступная шоверхность катализатора

а=а₀Ф, (18)

где Ф — коэффициент формы зерна, учитывающий неравно- доступность поверхности зерна обдуваемому потоку.

Ф = —7 ,w:, Т— • С9>

’МОУ

После определения времени контакта дальнейший расчет совпадает с изложенным выше.

На первый взгляд, при протекании процесса во внешне­диффузионной области активность катализатора не имеет значения. На самом деле, чем выше активность катализато­ра, тем ниже температура, при которой процесс переходит во внешнедиффузионную область.

Если процесс на данном катализаторе идет во внешне- диффузионной области, то дальнейшее повышение активно­сти катализатора не имеет смысла.

2. Примеры расчета

Пример!.

Исходные данные: газовый выброс мощностью 10000 м³/ч содержит бензол в количестве 0,2 г/м³. Предполагается ис­пользовать оксидный алюмомедный катализатор, на котором процесс протекает в кинетической области и описывается уравнением

Г е:-ПОП 1

2,1 • Ю⁵ехр [--ду]со(1-х).

и-

Оптимальная температура на входе в слой катализато­ра— 650 К. Определить объем катализатора, необходимый для достижения степени очистки, равной 0,95.

Решение.

1. Определяется максимальная температура в слое ката­лизатора, т. е. конечная температура очищаемого газа (7):

Г« = 7\.+ -^-с„л-=650+Щ^-0,2-10-³-0,95 = 656 (К).

2. Изменение температуры по слою катализатора соста­вит всего 6 К, поэтому при расчете времени контакта изме­нением константы скорости но слою катализатора можно пренебречь и подставить в уравнение (8) значение констан­ты скорости .при средней температуре слоя:

'Р Т_и-\-Т_к П50-{-6п6 _пс«j /1/\

/ ср—— g — 9 ^:—Ь5о(К),

Г Е 1 Г 55000 1

Л₆»а==ЛoCXip [— aTFJ = 2,1 -1 0^s <?xpj — sT31~65T" J ⁸-³2 (c"').

Возможно аналитическое решение уравнения (8):

д:

^xz=Co j Wod—*) ⁼ "s^T¹'¹ l — 0,95 ⁼

и

3 Объем катализатора Vr-

liGUO 3600

V ^VrZ 10000-0.36 . , ₃v

.ЧГ.ПЛ ^апл ' ¹ \^Л1 >•

При м е р 2.

Исходные данные: газовый выброс мощностью 12500 м³/ч содержит фенол в количестве 1,25 г/м³. Требуемая степень очистки 0,90. Предполагается использовать алюмоплатино- вын катализатор АП-56. Зерна катализатора цилиндриче­ской формы, d—0,003 м, /=0,005 м. Порозность слоя ката­лизатора— 0,375 м³/м\ Установлено, что оптимальная тем­пература на входе в слой катализатора—520 К. Процесс протекает во внешнедиффузионной области. Определить гео­метрические размеры корзины с катализатором кольцевого типа.

Р е ш е и и е.

1. Так как коэффициент массопередачи мало изменяется при изменении температуры, то расчет ведется на среднюю температуру слоя катализатора:

Г,+ _C„.r=520+ -f • '•²⁵' «И-Мв-

= 535 (К).

2. Удельная поверхность слоя катализатора АП-56 (17):

6 /2 1 d 6/2 1 0.003 \

t (— ⁺ — т ) ⁼ -шг(т- ⁺ 1Г'(Шт)^{7=1733 (,м}'/^м >•

3. Эквивалентный диаметр каналов слоя (15):

"•= мгhr = ттзта«Г“°'Ч^1?85 М-

4. Коэффициент массопередачи при нормальной темпера­туре (14):

, _0395PoO.c7voO.64

“о — _С0.(Н4,0.31,^0.36 •

Вязкость воздуха при 273 К (vo) равна 13,3-10~⁶ м²/е> ^ко* эффлциент диффузии фенола в воздухе (приложение 3) — 7,2-10"⁶ м²/с.

Рекомендуемая величина скорости фильтрации (прило­жение 4) — 0,5 м/с.

_А 0.395(7.2• 10-⁶)°‘^<70.5°-^м _₀₀₅₉ /_м/сч

1* 0.375^0€4(13,3-Ю-®)⁰³¹ (1.385-10~³)°³⁰ ’ ^К ' V

5. Коэффициент массопередачн при рабочей температу­ре (5):

/ Г \1.з / 535 \1.з

Р = Ро(-₇₇) =0,059 у~27т) =0,14 (м/с).

6. Для определения удельной доступной поверхности ка­тализатора определим коэффициент формы (17):

ф _ Ml _ 3-0,003*0,005

/ \"³ / 0,003 \/ 3 \1:3

(/ ⁺ Т/ (т j 2^0.005+ —0,003*-0,005)

= 0,85.

Тогда удельная доступная поверхность

а=а₀Ф= 1733-0,85= 1473 (м²).

7. Время контакта (12)

’ ⁼ ]ПГ ^!П I •— х ⁼ 0,14-1473 ¹¹¹ 1 —0,98 ■⁼⁼⁰-¹⁹ (^СЬ

8. Объем катализатора

^=^“W⁰-^I9=°'⁶⁶<'^m3>-

9. Необходимая поверхность фильтрации (10)

р Vr 12500 р л, / о\

~ 3GO‘Ou₀ ^— 3600-0,5 —⁶’⁹⁴ (^М*)'

10. Расчетная высота слоя катализатора:

Ар= -£• = -|!| =0,095 (м).

Для компенсации влияния неравномерности газораспре­деления по фильтрующей поверхности увеличим ее в 1,4 ра­за. Тогда рабочая высота слоя

Л= 1,4Л_Р= 1,4-0,095=0,13 (м).

11. Рекомендуемое соотношение высоты корзины для ка­тализатора к ее среднему диаметру H/D_cр составляет 1,5—3. Принимаем H/D_cr,—2. Тогда

F=д£>(_Г//=л2£)_ср²,

12. Высота корзины

Я=2£>ср=2-1,05=2,1 (м).

Внутренний диаметр корзины

£>вн=£>ср—/1=1,05—0,13=0,92 (м).

. Наружный диаметр корзины

iDHtp⁼⁼JDcp~\~h⁼⁼ 1,05-j~0,13= 1,18 (м).

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое каталитическая очистка газовых выбросов?

2. В каких случаях целесообразно использовать каталити­ческий метод для очистки газовых выбросов от органических веществ?

3. Каковы основные требования к катализаторам газо­очистки?

4. Какие типы катализаторов используют для очистки газовых выбросов от органических веществ?

5. Что такое каталитический яд?

6. Какой катализатор из перечисленных в приложении 1 Вы бы выбрали для очистки газового выброса от паров ор­ганических соединений азота?

7. Нужна ли предварительная очистка от пыли газа, иду­щего на каталитическое обезвреживание, если ее концентра­ция составляет 5 г/м⁸?

1. Катализаторы глубокого окисления, типичные представители

Алюмомеднохромовый катализатор И КТ-12-8 предназна­чен для очистки газовых выбросов от органических веществ и оксида углерода. Катализатор представляет собой грану­лы. кольца с перегородкой. Рабочая температура—до 700°С. Допустимы кратковременные перегревы до темпера­туры не выше 850 °С.

Алюмомеднохромовый катализатор 11И НОГ АЗ-8Д пред­назначен для очистки отходящих газов промышленных про­изводств от органических веществ. Катализатор представля­ет собой гранулы черного цвета диаметром 5—8, длиной 10—12 мм. Катализатор не снижает каталитическую актив­ность при кратковременном повышении температуры до 700 °С. Ои устойчив к парам серасодержащих соединений с концентрацией их в газе до 1 г/м³. Каталитическими ядами являются соединения хлора, брома, фтора, йода, фосфора, свинца, олова, ртути.

Меднохромовый катализатор 11ИИОГАЗ-7Д предназначен для очистки отходящих газов промышленных производств от органических и азотсодержащих органических веществ. Ка­тализатор представляет собой таблетки черно-коричневого¹ цвета диаметром 8 и высотой 4,7 мм. Катализатор устойчи­во работает без изменения каталитической активности при температурах до 400°С. Катализатор устойчив к кратковре­менному воздействию хлорорганических соединений при со­держании их в газе до 0,01 г/м³. Каталитическими ядами являются соединения мышьяка, фосфора. Окисление органи­ческих соединений азота на этом катализаторе сопровожда­ется образованием преимущественно элементарного азота, а не оксидов азота.

Палладиевый катализатор 111 ПАК-0,2 предназначен для очистки отходящих газов различных производств и авто­транспорта от органических веществ и оксида углерода. Ка­тализатор представляет собой шарики серого цвета диамет­ром 3, 5, 6 мм. Катализатор устойчиво работает при дли­тельном воздействии температуры 800—900 °С. Каталитиче­скими ядами являются соединения свинца, мышьяка, ртути..

ВеЩсство	Химическая формула	Теплота сгорания
		к Д ж/моль	кДж/кг
Ацетон Бензол Ксилол Стиран Толуол Уксусная кислота Фенол Формальдегид 3. Определение	с3н6о с*н6 С8Н,о С8Н» С7И, СгН«02 С«НвО СНаО коэффициента	179Q ЗЗД1 4.562 4441 3910 874 3063 563 диффузии при	31964 42320 42943 42702 42500 14567 “32586 18767 меси в воздухе

Коэффициент диффузии примеси в воздухе при нормаль­ных условиях (Г₀=273 К, Л)=0,1 МПа) определяют по формуле Джнлилэнда:

986. 7,/ Г--- Т

* ^p°(^v'a + К Л'л ⁺-W_B •

где Мл, Мп—молекулярные массы «примеси и воздуха (Мл=29); Ка, Vb— мольные объемы примеси и воздуха (Кл = 20,1).

Мольный объем вещества равен сумме атомных объемов. Атомный объем водорода равен 1,98, кислорода — 5,48, угле­рода — 16,50. Для ароматического соединения из полученной суммы нужно вычесть 20. Рассчитанные по формуле Джили- лэнда коэффициенты диффузии приведены в таблице.

Рассчитанные значения коэффициентов диффузии

Вещество	Ar'lO6, м2/с	Вещество	D0-10е, мг/с
Ацетон	8.9	Толуол	6,8
Бензол	7,5	Уксусная кислота	9,8
Ксилол	6,2	Фенол	7,2
Стирол	7,2	Формальдегид	1.4,5