Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Каталитические методы
Каталитические методы очистки очистки газов основаны на гетерогенном катализе и служат для превращения примесей в безвредные или легко удаляемые из газа соединения. Процессы гетерогенного катализа протекают на поверхности твёрдых тел — катализаторов. Катализаторы должны обладать определёнными свойствами: активностью, пористой структурой, стойкостью к ядам, механической прочностью, селективностью, термостойкостью, низким гидравлическим сопротивлением, иметь небольшую стоимость.
Особенность процессов каталитической очистки газов заключается в том, что они протекают при малых концентрациях удаляемых примесей. основным достоинством метода является то, что он даёт высокую степень очистки, а недостатком — образование новых веществ, которые надо удалять из газа адсорбцией или абсорбцией.
Различают три основные области протекания каталитических процессов: кинетическую, внешнедиффузионную и внутридиффузионную. В зависимости от стадии, лимитирующей общую скорость процесса, используются различные уравнения кинетики процесса.
Во внешнедиффузионной области скорость реакции определяется скоростью переноса компонента к поверхности зёрен катализатора:
где Fч
— внешняя поверхность частицы катализатора; bг
— коэффициент массоотдачи; Са
, Сар
— концентрации компонента А в газовом потоке и его равновесная на поверхности частицы катализатора соответственно.
В области химической кинетики скорость необратимой (обратимой) реакции первого порядка определяется по уравнениям:
Для необратимой реакции n-го порядка уравнение имеет вид:
Для внутри диффузионной области и реакции первого порядка суммарную скорость каталитического процесса находят, комбинируя уравнение массопередачи с уравнением диффузии и реакции внутри частицы:
Для частиц катализатора цилиндрической формы получают:
где Vч
— объем частиц катализатора; k — константа скорости реакции, отнесённая к 1 м3
катализатора; Э=Саср
/Саг
, Саср
— средняя концентрация компонента А внутри поры; Саг
— максимально возможная концентрация компонента А у поверхности катализатора; Са0 — начальная концентрация компонента.
Каталитические реакторы могут быть с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора. Они работают по принципу идеального вытеснения или идеального смешения. Для определения размеров реакторов производят кинетические расчёты, а также расчёт материальных и тепловых балансов.
При очистке газов реакции протекают главным образом в диффузионных областях. Длянахождения размеров реактора определяют число единиц переноса и высоту, эквивалентную единице переноса (ВЕП):
Рис. 5.20. Схемы каталитических реакторов:
а — с неподвижным слоем катализатора; б — то же, и охлаждением; в — многослойный с охлаждением;
г — с псевдоожоженным слоем; д — то же, и охлаждением; е — многоступенчатый с псевдоожиженным слоем; ж — с движущимся слоем; 1 — неподвижный слой; 2 — холодильник; 3 — взвешенный слой;
4 — регенератор; 5 — движущийся слой; 6 — элеватор.
Число единиц переноса рассчитывают по уравнению:
где Нр
— высота реактора; Gг
— массовая скорость газа, кг/(м2.
ч); Мср
— средняя молекулярная масса компонентов газового потока; а — удельная поверхность катализатора, м2
/м3
; Рср
— среднее логарифмическое парциальное давление компонента А в плёнке газа около поверхности катализатора; Ра
— парциальное давление компонента А, Па; Раi
— парциальное давление компонента на поверхности катализатора, Па; уа
— изменение числа молей компонента А в результате реакции (на 1 моль исходного вещества А); Ncp
=Pcp
/P — среднее логарифмическое доля компонента А в газе и на поверхности катализатора соответственно.
Для определения числа единиц переноса графическим интегрированием откладывают на оси ординат значения Ра
, а на оси абсцисс Рср
/[(P+Pa
*ya
)*(Pa
-Pai
)].
разным формулам в зависимости от его конструкции.
Для реактора с неподвижным слоем катализатора
Для реактора со взвешенным слоем частиц скорость начала взвешивания находят по формуле:
Гидравлическое сопротивление взвешенного слоя рассчитывается по формуле:
Для отвода (подвода) тепла из реакторов с неподвижным слоем используют теплообменники, расположенные вне слоёв катализатора, а в реакторах со взвешенным слоем — теплообменники, расположенные внутри слоёв катализатора. Поверхность теплообмена рассчитывают по уравнению теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи от взвешенного слоя к поверхности теплообмена при оптимальной скорости газа рассчитывают по формуле:
Каталитическое окисление используют для удаления диоксида серы издымовых газов, а каталитическое восстановление для обезвреживания газов от оксидов азота. Окисление проводят на ванадиевом катализаторе при 450-480 С. после окисления газы направляют на абсорбцию.
Каталитическое восстановление оксидов азота производят до элементного азота в присутствии газа-восстановителя. В качестве восстановителей используют метан, коксовый и природный газ, оксид углерода, водород, аммиак. Катализаторами служат платиновые металлы, палладий, рутений, платина, родий либо сплавы, содержащие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и др. Степень очистки достигает 96%.