§4. Каталитическое дожигание вредных выбросов

ПРЕДПРИЯТИЙ

Для очистки газов и вентиляционного воздуха от окисей углерода, окислов азота, паров летучих растворителей (например, бензол, толуол, ксилол, спирты, уайт-спирит, бензин, простые и сложные эфиры, ацетон) применяют каталитические и термокаталитические методы газоочистки.

В большинстве случаев катализатор – это металлы или их соединения (платина Ptи металла платинового ряда: рутенийRu, родийRh, палладийPd, осмий Оs, иридийIr; переходные металлы и их соединения: например, окись меди, двуокись марганца, а также и промотированные катализаторы, в состав которых кроме соединений переходных металлов вводятся в небольшом количестве < 0,1 % благородные металлы). Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительные количества катализатора, расположенного таким образом, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. Катализаторы обычно выполняются в форме шаров, колец, проволоки, свитой в спираль.

Объём катализаторной массы определяется исходя из максимальной скорости обезвреживания газа, которая в свою очередь зависит от природы и концентрации вредных веществ в отводящем газе, температуры и давления каталитического процесса и активности катализатора. Скорость обезвреживания принимается от 2000 до 60000 объёмов газа на объем катализаторной массы в час.

Принцип расчета каталитического реактора заключается в определении величины наружной поверхности катализатора, к которой может быть подведено в результате массопередачи необходимое количество удаляемой примеси. При этом необходимый объём катализатора:

где V– объём катализатора, м³;

S– наружная поверхность зёрен, м²;

S₀– наружная поверхность зёрен в единице объёма катализатора, м²/м³.

П– пористость слоя катализатора;

S– поверхность одного зерна, м²;

V– объём одного зерна, м³.

Для зёрен сферической формы и цилиндра с высотой, равной диаметру

d_З– диаметр зерна, м.

Скорость массопередачи компонента, который находится в реакционной смеси в недостаточно по сравнению со стехиометрическим отношением, определяется уравнением

G– количество удаляемого компонента, кг моль/ч;

 – коэффициент массопередачи, м/ч;

с– средняя логарифмическая разность концентраций удаляемого компонента в газовом потокес_Ни у поверхности зёрен катализатора в начале и в конце слоя катализатора

с_К, кгмоль/м.

–средняя логарифмическая разность парциальных давлений удаляемого компонента, Па;

p_Н,p_К– парциальные давления удаляемого компонента до и после слоя катализатора, Па;

R= 8,32 Дж/мольК – газовая постоянная;

Т– температура в реакционной зоне, К.

В табл. 4.1 приведены значения температуры окисления различных веществ на катализаторах [6].

После преобразования получим выражение для определения объёма катализатора:

(4.2)

Значения G,p_H,p_Kсодержатся в условиях расчёта и зависят от размера и формы зёрен катализатора.

Коэффициент массопередачи определяется в зависимости от режима течения газа по следующим формулам:

при Re= 0,01…2 (4.3)

при Re= 2…30 (4.4)

при Re= 30…8000 (4.5)

где – диффузионный критерий Нуссельта; (4.6)

–критерий Рейнольдса; (4.7)

–критерий Шмидта (диффузионный критерий Прандтля); (4.8)

 – коэффициент кинематической вязкости при рабочих давлениях, м²/с;

–эквивалентный диаметр зерна катализатора;

–коэффициент диффузии улавливаемого газового компонента в воздухе, м²/с;p₀ = 9,8 10⁴Па,p– давление смеси, Па;D₀ – величина, определяется по табл. 1 §3 или ориентировочно по уравнению:

Здесь p– давление смеси, ат;V_A,V_B– молярные объёмы газов;М_А,М_В– молекулярные массы газов;– скорость газа при рабочих условиях, м/с;w_C– линейная скорость газа при нормальных условиях, отнесённая к полной фильтрующей поверхности. На практикеw₀обычно принимают равной 0,5… 1 м/с.

По этим данным можно вычислить значение объёмной скорости v, при которой осуществляется каталитическая очистка газа. Если расчеты выполнены для очистки определенного количества газа в час, то делением объема этого газаV_газа, приведенного к нормальным условиям, на необходимый объём катализатораV, определяют максимальную объёмную скорость. Для обеспечения длительности работы катализатора рассчитанное значение объёмной скорости целесообразно уменьшить в 1,5...2 раза.

Необходимая теоретическая толщина слоя катализатора hдля достижения заданной степени очисткиопределяется по формуле:

(4.9)

где – число единиц переноса; (4.10)

–эффективная удельная поверхность катализатора, мг/м³;

 – коэффициент формы зерна, учитывающий неравнодоступность всей поверхности зерна обдуваемому потоку, например, для катализаторов в форме цилиндрических зёрен длиной l_Зи диаметромd_З

(4.11)

Гидравлическое сопротивление слоя насыпного катализатора определяют по уравнению:

(4.12)

Здесь – коэффициент динамической вязкости газа при рабочих условиях, Нс/м²;_Г– плотность газа, кгс²/м⁴.

Промышленные процессы газоочистки, основанные на каталитических реакциях окисления, имеют различные варианты технического решения, схематически представленные на рис. 4.1, где а – схема простого каталитического дожигания; б – схема с частичной рециркуляцией газов; в – «мазутная» схема; г – схема каталитического дожигания с утилизацией тепла. В зависимости от конструкции реактора катализатор укладывают в виде плоского или в виде кольцевого слоя.

Пример расчета. Определить необходимый объём катализатора, энергозатраты и максимальную объёмную скорость, при которой проходит очистка технологических выбросов от паров толуола на палладий-марганцевом катализаторе (пиролюзит с размером гранул 5 мм, промотированный азотнокислым палладием) для обеспечения требуемой степени очистки газа. Очистка осуществляется при давленииp= 1,5 ат. Начальное содержание паров толуола в технологических выбросахс_Н= 10⁴мг/м³, конечное содержаниес_К= 0,2510³мг/м³.

Решение.Температуру в реакторе примем равной 220°С, что гарантирует протекание процесса окисления в области внешней диффузии [4].

Определим количество катализатора, необходимое для обеспечения требуемой скорости очистки газа в количестве 1000 м³от паров толуола.

1. Количество паров толуола, которое должно прореагировать:

2. Наружная поверхность в единице объёма определяется

при П= 0,5;d_З = 510^-3м.

3. Определяем режим течения газа по зависимости (4.7)

при w₀= 0,5 м/с;_220°С= 7,3910^-5м²/с.

4.Значение коэффициента массопередачи определяем по (4.5), (4.6)

5. Определяем по (4.2) необходимый объём катализатора

6. Максимальная объёмная скорость

Если принять коэффициент запаса n= 2, то можно получить значение объёмной скорости порядка 1000 ч^-1, если линейная скорость не превышает 0,5 м/с.

7. Необходимая теоретическая толщина слоя катализатора для достижения заданной степени очистки определяется по (4.9)

–коэффициент формы зерна, вычисляемый по формуле (4.11)

8. Гидравлическое сопротивление слоя насыпного катализатора определяем по (4.12)

Наиболее распространенная схема технологического оформления процессов каталитической очистки газов – схема с рекуперацией тепла (рис. 4.2).

Содержащий примеси толуола воздух через входной патрубок подается в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 1. После предварительного нагрева в рекуператоре воздух по периферийным каналам поступает в камеру сгорания 2. Перед входом в каталитическую камеру 3 воздух смешивается с продуктами сгорания природного газа, приобретая при этом температуру, обеспечивающую оптимальную скорость реакции окисления толуола в присутствии катализатора. В результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты реакции – углекислый газ и водяной пар С₇Н₈+ 9 О₂= 7СО₂+ +4Н₂О. Пройдя кассеты с катализатором, воздух направляется в трубчатые пучки рекуператора, отдаёт тепло поступающему в реактор газовоздушному потоку и через выходной патрубок отводится в атмосферу.