Очистка газов, основанная на катализе (стр. 3 из 5)
Катализатором может быть также γ-оксид алюминия с большой удельной поверхностью и платиновым покрытием. К этой же группе относится палладиевый катализатор на носителе из оксида алюминия.
3. Активный катализатор - оксид металла на подложке из оксида металла. Активные оксиды (например, γ-А12О3), обладающие высокой удельной поверхностью, могут быть нанесены на носитель из оксида металла (например, на γ-А12О3). Такая система обладает следующими преимуществами: она способна выдержать высокие температуры; в ее состав входят дешевые материалы (по сравнению с катализаторами из благородных металлов); кроме того, она может быть изготовлена в виде стержней или таблеток.
К этой категории относят также катализаторы, целиком состоящие из активного материала, включая и носитель; такие катализаторы называют иногда "бесподложечные". К их числу относят смесь оксидов меди и марганца ("Хопкалит"), обеспечивающую полное сгорание углеводородов при 300-400°С, за исключением метана (30% при 400°С).
4. Активный оксид металла на металлическом носителе. Например, каталитическая система, представляющая собой металлическую проволоку в качестве носителя. В процессах очистки газов такие системы практически не используются.
В настоящее время разрабатываются комплексные катализаторы, обладающие активностью к нескольким реакциям (при обезвреживании нескольких вредных веществ).
Температура, которая обычно необходима для начала каталитической реакции (температура зажигания), зависит от присутствующих в газе веществ и типа катализатора. Для некоторых веществ температура зажигания приведена в табл.1.
Таблица 1 - Температура зажигания катализаторов при каталитическом окислении.
| Загрязняющее вещество в очищаемых газах | Температура каталитического окисления,°С |
| Альдегиды, антрацены, пары масла, углеводороды | 320-370 |
| Водород, оксид углерода, метан, углерод | 650-980 |
| Оксид углерода, углеводороды | 340-450 |
| Парафины, пары масел | 320-370 |
| Водород, метан, оксид углерода, формальдегид | 340 |
| Растворители, смолы | 260-400 |
| Фенол | 320-430 |
| Маленовая и фталевая кислоты, нафтахиноны, оксид углерода, формальдегид | 320-340 |
| Углеводороды | 260-650 |
| Растворители | 320 |
| Углеводороды | 320-370 |
| Растворители, лаки | 320-370 |
Важнейшим требованием к катализаторам, используемым в очистке газов, является стойкость к каталитическим ядам.
Рассмотрим действие основных каталитических ядов на катализаторы при очистке выбросов.
Фосфорорганические соединения, встречающиеся в аэрозолях, образуемых смазками, при окислении дают фосфорную кислоту, которая покрывает катализатор тонким дезактивирующим слоем.
Тяжелые металлы - свинец и мышьяк - действуют подобно фосфатам, образуя тонкие дезактивирующие пленки. Дезактивация и засорение катализатора могут быть обусловлены присутствием пыли в очищенном газе.
Если эта пыль огнеупорная (оксиды алюминия, кремния и железа), ее дезактивирующее действие может быть постоянным; если не произошло спекание, фильтрующие элементы могут быть очищены и активность катализатора частично восстановится.
Временная потеря активности может быть вызвана отложением мелкой угольной пыли и сажи вследствие неполного сгорания. В этом случае уголь выжигается из катализатора при кратковременном повышении температуры до 350°С.
Стоимость катализатора зависит от стоимости исходного сырья и технологии его получения. Часто для приготовления катализаторов используют драгоценные и редкие металлы: платину, серебро, радий, палладий, рутений, церий и другие, а также цветные металлы: медь, цинк, хром, никель кобальт, олово, алюминий, титан, молибден и другие. С целью снижения стоимости следует синтезировать, где это возможно, катализаторы, не содержащие драгоценных металлов или снижать их содержание. В ряде случаев такие катализаторы по активности и другим показателям не уступают катализаторам, в состав которых входят драгоценные металлы.
Немаловажное влияние на стоимость катализаторов оказывает технология их приготовления. Технология получения катализаторов зависит от того, в каком виде его получают. Например, в виде металлических сеток, гофрированной ленты, керамических блоков, таблеток, колец, шариков и др. Наиболее часто контактные массы получают в виде таблеток путем совместного осаждения каталитически активных веществ с последующим добавлением активаторов и наполнителей.
Производство таких катализаторов включает следующие стадии: подготовку сырья, растворение, осаждение, фильтрование, промывку, сушку, прокаливание, формовку.
1.4 Конструкция каталитических реакторов
Требования к конструкции:
– высокая производительность;
– обеспечение непрерывности процесса при оптимальных технологических режимах;
– легкость в управлении;
– возможность автоматизации;
– малое гидравлическое сопротивление;
– доступность загрузки и выгрузки катализатора;
– наличие устройства для подогрева газовых смесей и рекуперации тепла;
– небольшая металлоемкость, доступность монтажа, ремонта и транспортировки.
По способу взаимодействия газов с катализатором аппараты подразделяются на 3 группы:
1. Каталитические реакторы с фильтрующим слоем катализатора. К аппаратам с фильтрующим слоем относятся емкостные, трубчатые и полочные аппараты, принцип действия которых основан на фильтрации газа через слой неподвижного катализатора (рис.1). На этом принципе основана работа большинства контактных аппаратов.
Причем катализатор может находиться в виде металлических сеток, натянутых по ходу движения газа, трубчатых контактных аппаратов или в виде твердых тел различной формы, располагаемых на перфорированных решетках. Достоинства таких аппаратов: простота конструкции. К недостаткам следует отнести отсутствие теплообмена, что позволяет проводить в них только те реакции, которые сопровождаются небольшими тепловыми эффектами.
Для полноты протекания процесса в одном аппарате может быть установлено несколько слоев контактной массы.
Многослойные контактные аппараты чаще всего устанавливают, когда имеется необходимость очищаемый газ подвергать дополнительной обработке (нагреванию, охлаждению и т.д.). Это позволяет вести процесс при оптимальном температурном режиме на каждой полке.
Рис.1. Схемы контактных аппаратов с фильтрующим слоем катализатора:
а - контактный аппарат с катализатором в виде сеток; б - трубчатый контактный аппарат; в - контактный аппарат с перфорированными решетками; г - многослойный контактный аппарат; д - контактный аппарат с трубками Фильда; е - контактный аппарат с теплообменником
В зависимости от функционального назначения контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора имеют несколько вариантов конструктивного оформления: реакторы каталитические с твердым катализатором, размещенном в отдельном корпусе (тип К); реакторы каталитические, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель (тип ТК); реакторы термокаталитические, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и рекуператор тепла (тип KB); реакторы каталитические, в которых в общем корпусе размещены подогреватель, контактный узел и рекуператор тепла (тип ТКВ). Наиболее перспективными являются аппараты ТКВ, которые в максимальной степени отвечают экологическим требованиям.
Например, термокаталитический дожигатель конструкции Гипрогазочистка (рис.2).
Рис.2. Каталитический дожигатель конструкции Гипрогазочистка:
1-горелка; 2-слой катализатора; 3-теплообменник-рекуператор.
Газ, содержащий вредные примеси, подогревается очищенными газами в теплообменнике-рекуператоре. Затем смешивается с топочными газами, образующимися при сжигании топлива в горелках 1, после чего происходит обезвреживание на поверхности катализатора 2.
Недостатком аппаратов с фильтрующим слоем является возможность засорения катализатора твердыми частицами. В этом случае могут быть использованы трубчатые реакторы с нанесенными на внутреннюю поверхность трубок катализаторами.
Для отвода (подвода) тепла из реакторов с неподвижным слоем используют теплообменники, расположенные вне слоев катализатора.
2. Каталитические реакторы со взвешенным слоем катализатора. Недостатком фильтрующего слоя является наличие зон, плохо омываемых газом в местах соприкосновения гранул катализатора. Для устранения этих недостатков используют кипящий слой, в котором каждая гранула катализатора интенсивно (рис.3), со всех сторон соприкасается с газом, что интенсифицирует процесс очистки.
Рис.3. Каталитический реактор с кипящим слоем катализатора:
1 - цилиндрическая часть корпуса; 2 - зернистый катализатор; 3 - верхняя часть корпуса; 4 - циклон; 5 - шнековое устройство; 6 - газораспределительная решетка.
Достоинством таких аппаратов является также хорошая теплопроводность слоя, возможность механизировать и интенсифицировать процесс загрузки и выгрузки катализатора, исключение возможности локального перегрева или переохлаждения, возможность использовать мелкий катализатор (в фильтрующем слое мелкозернистый катализатор не используется из-за повышенного сопротивления и неравномерности температурного слоя).
К недостаткам взвешенного слоя следует отнести истирание и унос пылевидного катализатора из аппарата, что требует установки пылеулавливающего аппарата и предъявляет повышенные требования к прочности катализаторов, а также невозможность осуществления противотока, что снижает движущую силу процесса. Перечисленные недостатки не являются определяющими и многие из них могут быть полностью или частично устранены.