Очистка газов, основанная на катализе (стр. 4 из 5)
Для упорядоченного перемешивания твердой фазы в кипящем слое иногда вводят механические мешалки, что способствует усреднению времени пребывания частиц в аппарате.
Для увеличения степени очистки газов используют многополочные аппараты с кипящем слоем.
Для отвода (подвода) тепла из реакторов со взвешенным слоем используют теплообменники, расположенные внутри слоев катализатора.
3. Каталитические реакторы с пылевидным катализатором. В аппаратах с пылевидным катализатором измельченный катализатор распыляют в рабочую зону с помощью специальных сопел (рис.4). Этим достигается более полное использование реакционного объема. Реакция протекает в тот момент, когда частицы катализатора находятся в полете.
Обычно процессы каталитического восстановления и окисления рассматривают отдельно.
Рис.4. Каталитический реактор с пылевидным реактором:
1 - цилиндрический корпус; 2 - циклон; 3 - сопло; 4 - бункер; 5 - эжекторное устройство
Каталитическое окисление используют для удаления диоксида серы из дымовых газов, очистки выбросов от окиси углерода, органических веществ, а каталитическое восстановление для обезвреживания газов от оксидов азота.
После каталитического окисления газы направляют на дальнейшую переработку, например, абсорбцию, с получением готового продукта. Для некоторых газов эта стадия не предусмотрена, так как загрязнитель превращается в безвредное соединение.
2. Технологическая часть
2.1 Технологическая схема и ее описание
Типичной является схема установки каталитического обезвреживания отходящих газов в производстве клеенки, показанная на рис.5. В газовых выбросах этих производств, поступающих из камер сушки клеенки, присутствует пары керосина (100-1000 мг/м3), уайт-спирита (до 200 мг/м3) и ряда органических соединений.
Отходящие из сушильного агрегата газы при 80-200°С вентилятором через брызгоотбойник подают в теплообменник для предварительного подогрева теплом конвертированных газов до 200-220°С, а затем в подогреватель, где их температуру увеличивают до 250-327°С за счет тепла дымовых газов, получаемых сжиганием газообразного топлива. Для сжигания используют кислород, содержащийся в очищаемых газах. Сжигание органических примесей до СО2 и Н2О проводят в реакторе на катализаторе. Конвертированные газы из реактора через теплообменник вентилятором возвращают в сушильный агрегат. С целью компенсации потерь кислорода и доведения температуры обезвреженных газов до уровня, соответствующего условиям сушки клеенки (120-170°С), перед поступлением в сушильный агрегат их разбавляют воздухом. Часть прошедших очистку газов сбрасывают в атмосферу. При использовании алюмоплатинового катализатора полная очистка при объемной скорости 40 тыс. ч‾1 достигается при 290°С, более высокая температура (350°С) необходима для обеспечения того же эффекта при объемной скорости газа 60 тыс. ч‾1.
Рис.5. Схема установки каталитического дожигания отходящих газов:
1 - сушильная камера; 2, 7 - вентиляторы; 3 - брызгоотбойник; 4 - теплообменник; 5 - подогреватель; 6 - реактор
3. Расчетная часть
Определяем основные размеры реактора для каталитического окисления вредных примесей промышленного выброса.
Исходные данные: объем выброса G’= 12000 м3/ч; температура выброса 15°С; температура в реакторе 250°С; ПДК фенола 0,01 мг/м3; катализатор - АП-56 имеет следующую характеристику: диаметр частиц 0,003 м, длина частиц 0,005 м, форма - цилиндрическая, порозность слоя катализатора e = 0,375; требуемая степень очистки по веществу с меньшей ПДК, т.е. по фенолу 0,997.
Химический состав выброса, % (об.): азот - 78, кислород - 21, пары воды - 0,5, диокид углерода - 0,5.
Концентрация вредных примесей, г/м3: фенол - 1,45.
Расчет.
Кинетическое уравнение окисления фенола на катализаторе АП-56:
| Фенол - АП - 56 |  | k0=1,06*107;Е=55268 кДж/моль;b0=1, 19*10-7;Q=67829 кДж/моль |
где r - скорость химической реакции, г/ (м3*с);
k - константа скорости химической реакции, с-1;
C - концентрация окисляемого вещества, г/м3;
b - коэффициент кинетического уравнения;
k0, b0 - предэкспоненциальные множители
E - энергия активации, кДж/моль;
Q - энергия адсорбционных стадий, кДж/моль;
R - универсальная газовая постоянная, кДж/ (моль*К);
T - температура, К;
m, x - показатели степени в кинетических уравнениях.
1. Конечная концентрация фенола:
СК = 1,45 (1 - 0,997) =0,00435 г/м3.
2. Необходимое число единиц переноса
где Сн, Ск, - начальная и конечная концентрация окисляемого вещества, г/м3.
3. Скорость фильтрования принимаем uф = 0,5 м/с.
4. Коэффициент массопередачи определяют по формулам
где D0 - коэффициент диффузии, м2/с;
ε - порозность слоя катализатора, м3/м3;
ν0 - кинематическия вязкость воздуха при нормальной температуре, м2/с;
dэ - эквивалентный диаметр каналов слоя катализатора, м.
Для этого рассчитаем некоторые величины.
4.1 Коэффициент диффузии вычисляем из выражения
где VА, VВ - мольные объемы окисляемого вещества и воздуха соответственно;
МА, МВ - молекулярные массы окисляемого вещества и воздуха;
Р0 - атмосферное давление, МПа.
Мольный объем фенола С6H6OVA= 16,5 6 + 1,98 6 + 5,48 - 20 = 96,36, мольный объем воздуха VB= 20,1, молекулярная масса фенола МА = 94,12, молекулярная масса воздуха МВ = 29, давление Р0 = 0,1 МПа.
4.2 Удельная поверхность слоя цилиндрических частиц
где d, l - диаметр и длина частицы соответственно, м.
4.3 Эквивалентный диаметр каналов, образованных частицами катализатора:
4.4 Конечная температура катализатора Тк рассчитывается по формуле:
Тк=Тн+gа. р (Сн-Ск),
где qа. р. - удельная величина адиабатического разогрева, м3 К/г.
Величину qа. р вычисляют по формуле
где QH - теплота сгорания окисляемого вещества, кДж/моль;
cV - теплоемкость воздуха, кДж/ (м3 К), равная
где ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/ (моль К), ср = 30 кДж/ (моль × К).
Теплоту сгорания органического вещества находят из соотношения
Qн=393,6·nC+121,0·mH
где nC, mH - число атомов углерода и водорода в молекуле вещества.
Qн=393,6·6+121,0·6=3087,6кДж/моль,
Тк=523+33,96· (1,45-0,0084) =572,09 К
4.5 Средняя температура катализатора:
Тс = 0,5· (Тн + Тк) = 0,5· (523+572,09) =547,58 К
5. Удельная доступная поверхность катализатора:
а=а0 (1-ε) φ,
где а0 - удельная поверхность слоя катализатора, м2/м3;
φ - коэффициент доступной поверхности, φ=0,85.
а=1733· (1-0,375) ·0,85=920,66 м2/м3.
6. Высота слоя по массопередаче:
где N - необходимое число единиц переноса;
β - коэффициент массопередачи, м/с;
а - удельная доступная поверхность катализатора, м2/м3;
uф - скорость фильтрования, м/с;
Тн - температура в реакторе, К; Т0 =273 К.
7. Константа скорости реакции окисления фенола:
8. Коэффициент кинетического уравнения:
