Очистка газов, основанная на катализе

Курсовой проект

По дисциплине: Техника и технология очистки отходящих газов

На тему: Очистка газов, основанная на катализе

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Классификация методов и аппаратов для обезвреживание газовых выбросов

1.2 Каталитическая очистка газов. Суть метода.

1.3 Катализаторы для очистки газов

1.4 Конструкция каталитических реакторов

2. Технологическая часть

2.1 Технологическая схема и ее описание

3. Расчетная часть

Выводы

Список использованной литературы

Одним из следствий техногенного влияния на окружающую среду в ряде стран в настоящее время является заметное ухудшение состояния атмосферного воздуха. Наиболее крупнотоннажные (млн. т. в год) глобальные загрязнения атмосферы образуют СО2
(2*104
), пыль (250), СО (200), SО2
(150), углеводороды (> 50), NОх
(50). Номенклатура загрязнений весьма широка и включает, помимо названных, сероводород, сероуглерод, аммиак, галогены и их производные, сажу, оксиды металлов, различные соли и другие соединения.

Все промышленные выбросы в атмосферу классифицируют по агрегатному состоянию (газообразные, жидкие, твердые и смешанные), по характеру организации отвода и контроля (организованные и неорганизованные), по режиму отвода (непрерывные и периодические), по температурному потенциалу - нагретые (температура выбросов превышает температуру воздуха) и холодные, по локализации (в основном, вспомогательном, подсобном производстве), по признакам очистки - удаляемые без нее (организованные и неорганизованные) и после нее (организованные). Различают также первичные выбросы, поступающие в атмосферу непосредственно от источников загрязнений, и вторичные выбросы, которые, являясь продуктами превращений первичных выбросов, могут быть более токсичны и опасны.

Под очисткой газового потока понимают отделение от него или превращение в безвредную форму загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу вместе с газовым потоком. Воздушными массами загрязнения могут переноситься на большие расстояния и существенно влиять на состояние атмосферы и здоровье человека. В частности, происходящее с интенсивностью 0,4% в год накопление в атмосфере СО2
вследствие поглощения им ИК-излучения солнца может вызывать глобальное повышение температуры ("парниковый" эффект). Трансформация в атмосфере SО2
, NOх
и других аналогичной природы выбросов может завершаться образованием кислотных туманов и выпадением кислотных дождей (снегов), вызывающих коррозию многих неорганических материалов (объектов), а также угнетение и уничтожение различных объектов флоры и фауны. Находящиеся в атмосферном воздухе аэрозоли (пыли, дымы, туманы) задерживают падающую на поверхность Земли солнечную радиацию, способствуя похолоданию на планете. Оседающая же на поверхности ледников пыль ускоряет их таяние вследствие более интенсивного поглощения солнечной энергии. Атмосферные аэрозоли вследствие их более или менее длительной седиментации обусловливают загрязнение токсичными веществами поверхностных и подземных вод, а также почвы.

Эти обстоятельства обусловливают жесткие требования, предъявляемые к производственным выбросам в атмосферу и содержанию загрязнений в атмосферном воздухе. Выполнение этих требований контролируется специальными службами предприятий, а также ведомственных и государственных органов путем, в частности, установления соответствия измеряемых показателей регламентируемым величинам ПДК и ПДВ.

Основными путями борьбы с пылевыми выбросами в атмосферу должны оставаться совершенствование технологических процессов с доведением до минимума вредных выбросов и создание безотходных, замкнутых технологических циклов. Однако в тех, пока еще многочисленных, случаях, когда эти задачи не могут быть решены, необходимо применять наиболее эффективные и экономичные средства очистки воздуха и газов от пыли перед выбросом их в атмосферу.

В курсовом проекте рассмотрены методы очистки отходящих газов в химической промышленности, а именно каталитическую очистку газов. Рассмотрены катализаторы и каталитические реакторы применяемые при каталитической очистки.

В технологической части рассмотрена схема.

В расчетной части представлен расчет каталитического реактора.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются промышленные предприятия, транспорт, тепловые электростанции, животноводческие комплексы. Загрязнения в атмосферу поступают из источников непрерывно или периодически, залпами или мгновенно. В случае залповых выбросов за короткий промежуток времени в воздух выделяется большое количество вредных веществ. Залповые выбросы возможны при авариях, при сжигании быстрогорящих отходов производства на специальных площадках уничтожения. При мгновенных выбросах загрязнения выбрасываются в доли секунды иногда на значительную высоту. Они происходят при взрывных работах и авариях.

С отходящими газами в атмосферу поступают твердые, жидкие, паро - и газообразные неорганические и органические вещества, поэтому по агрегатному состоянию загрязнения подразделяют на твердые, жидкие, газообразные и смешанные.

Отходящие газы промышленности, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперсной - твердые частицы или капельки жидкости. Такие системы называют аэрозолями, которые разделяют на пыли, дымы, и туманы. Пыли содержат твердые частицы размером от 5 до 50 мкм, а дымы - от 0,1 до 5 мкм. Туманы состоят из капелек жидкости размером 0,3-5 мкм и образуются в результате конденсации паров или при распылении жидкости в газе.

Организованный промышленный выброс - это выброс, поступающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы, а неорганизованным выбросом называют промышленный выброс, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворенной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки и хранения продукта.

Классификация методов и аппаратов представлена на схеме 1.

Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электрические методы. Кроме того, аппараты отличаются друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц. В основе работы сухих аппаратов лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мокрых пылеуловителях осуществляется контакт запыленных газов с жидкостью (осаждение происходит на капли, на поверхность газовых пузырей или на пленку жидкости). В электрофильтрах отделение заряженных частиц аэрозоля происходит на осадительных электродах.

Выбор метода и аппарата зависит от их дисперсного состава.

Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных
веществ применяют методы: абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, каталитические, термические, конденсации и компримирования.

Абсорбционные методы
очистки отходящих газов подразделяют по следующим признакам:

1) по абсорбируемому компоненту;

2) по типу применяемого абсорбента;

3) по характеру процесса - с циркуляцией и без циркуляции газа;

4) по использованию абсорбента - с регенерацией (возвращением его в цикл (циклические) и без регенерации (не циклические);

5) по использованию улавливаемых компонентов - с рекуперацией и без рекуперации;

6) по типу рекуперируемого продукта;

7) по организации процесса - периодические и непрерывные;

8) по конструктивным типам абсорбционной аппаратуры.

Схема 1. Классификация методов и аппаратов для обезвреживание газовых выбросов.

Для физической абсорбции применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные растворы этих веществ. При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей и щелочей, органических веществ и водные суспензии различных веществ.

Выбор метода очистки зависит от многих факторов: концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах, объема и температуры газа, содержания примесей, наличия хемосорбентов, возможности использования продуктов рекуперации, требуемой степени очистки. Выбор производит на основании результатов технико-экономических расчетов.

Адсорбционные методы
очистки газов используют для удаления из них газообразных и парообразных примесей. Методы основаны на поглощении примесей пористыми телами-адсорбентами. Процессы очистки проводят в периодических или непрерывных адсорберах. Достоинством методов является высокая степень очистки, а недостатком - невозможность очистки запыленных газов.

Каталитические методы
очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Методы используются для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. Их проводят в реакторах различной конструкции.

В рекуперационной технике наряду с другими методами для улавливания паров летучих растворителей используют методы конденсации и компримирования.

Метод конденсации
-
уменьшения давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры. Смесь паров растворителя с воздухом предварительно охлаждают в теплообменнике, а затем конденсируют. Достоинство: простота аппаратурного оформления; эксплуатация рекуперационной установки. Однако проведение процесса очистки паровоздушных смесей методом конденсации сильно осложнено, поскольку содержание паров летучих растворителей в этих смесях обычно превышает нижний предел их взрываемости. Недостатки: высокие расходы холодильного агента, электроэнергии и низкий процент конденсации паров (выход) растворителей (70-90%).

Метод компримирования -
то же явление, что и метод конденсации, но применительно к парам растворителей, находящимся под избыточным давлением. Однако метод компримирования более сложен в аппаратурном оформлении, так как в схеме улавливания паров растворителей необходим компримирующий агрегат. Кроме того, он сохраняет все недостатки, присущие методу конденсации, и не обеспечивает возможность улавливания паров летучих растворителей при их низких концентрациях.

Термические методы
(методы прямого сжигания) применяют для обезвреживания газов от легкоокисляемых токсичных, атакже дурнопахнущих примесей. Методы основаны на сжигании горючих примесей в топках печей или факельных горелках. Преимуществом метода является простота аппаратуры, универсальность использования. Недостатки: дополнительный расход топлива при сжигании низкоконцентрированных газов, а также, необходимость дополнительной абсорбционной или адсорбционной очистки газов после сжигания.

Каталитическая очистка газов основана на гетерогенном катализе и служит для превращения примесей либо в безвредные соединения, либо в соединения, легко удаляемые из газовой смеси.

Достоинства метода:

– высокая степень очистки;

– компактность;

– небольшая металлоемкость;

– высокая производительность;

– легкость автоматического управления.

Недостатки:

– образование новых веществ, которые часто надо удалять из газа;

– высокая стоимость катализаторов.

Особенность каталитической очистки газов состоит в том, что очищаются большие объемы отходящих газов с малым содержанием примеси. Кроме того, в газах могут содержаться не один, а несколько вредных компонентов.

Суть каталитических процессов газоочистки заключается в реализации химических взаимодействий, приводящих к конверсии подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов. Последние не вызывают изменения энергетического уровня молекул взаимодействующих веществ и смещения равновесия простых реакций. Их роль сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Каталитические взаимодействия в гетерогенном катализе происходят на границе раздела фаз конвертируемой газовой смеси и катализатора. Последний обеспечивает взаимодействие на его поверхности конвертируемых веществ с образованием активированных комплексов в виде промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ, формирующих затем продукты катализа, освобождающие (восстанавливающие) поверхность катализатора. Схема этого явления для газовой реакции А+В→С
в присутствии катализатора К
может быть представлена следующим образом:

А+В+К → К [АВ], К [АВ]
→ С+К,

где К [АВ] - активированное промежуточное соединение на поверхности канализатора.

очистка газ катализ выброс

В ряде случаев функции поверхности катализатора заключаются в зарождении реакционных цепей, развивающихся затем в объеме конвертируемой газовой фазы, где осуществляется дальнейшая конверсия целевого компонента по гетерогенно-гомогенному механизму.

Изменение реакционного пути химического взаимодействия в присутствии катализатора в соответствии с указанными механизмами приводит к понижению его энергии активации, что и выражается в ускоряющем действии катализатора, как это следует из уравнения Аррениуса:

где k
-
константа скорости реакции; k
0
-
предэкспоненциальный множитель: Е -
энергия активации; R
-
газовая постоянная; Т -
абсолютная температура.

В некоторых типах каталитических взаимодействий с понижением энергии активации уменьшается предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса.

Поэтому рассчитанное на основании снижения значения Е
увеличение константы скорости и соответственно скорости каталитического взаимодействия несколько превышает действительное.

В случае каталитических взаимодействий, при которых не происходит изменения kQ
по сравнению с некатализируемыми, ускоряющее действие катализатора выражают его активностью А, характеризующейся отношением констант скоростей реакций, происходящих с участием катализатора kК
и без него k:

∆Е=Е-Ек
;

где Ек
-
энергия активации реакции в присутствии катализатора.

Активность катализатора обычно определяется совокупностью физико-химических свойств как самого катализатора, так и конвертируемого газового потока. В наибольшей степени она зависит от температуры каталитического превращения, структуры катализатора, содержания в нем промоторов, давления, объемного расхода, концентрации и молекулярных масс исходных реагентов и продуктов конверсии в газовой смеси.

Активность различных катализаторов при заданных условиях конвертирования определенной газовой смеси наиболее просто можно сопоставить по степени превращения исходных регентов. Оценка активности одного катализатора в различны условиях проведения определенного каталитического превращения может быть выражена, например, отношением количества образующихся в единицу времени продуктов GП
к объему V, массе GK
, работающей Sили удельной SУД
поверхности катализатора:

А=GП
/V; А= GП
/GК
; А= GП
/S; АУД
= GП
/SУД
·V.

Гетерогенное каталитическое превращение является сложным многоступенчатым процессом, включающим в качестве основных стадий диффузию исходных реагентов из ядра газового потока к поверхности гранул (зерен) катализатора (внешняя диффузия), проникание этих веществ в порах катализатора к активным центрам его внутренней поверхности (внутренняя диффузия), активированную адсорбцию продиффундировавших реагентов поверхностью катализатора с образованием поверхностных химических соединений, химическое взаимодействие адсорбированных веществ с образованием продуктов, десорбцию продуктов и их перенос к наружной поверхности гранул катализатора (внутренняя диффузии) и затем от этой поверхности в ядро газового потока (внешняя диффузия).

Наблюдаемая скорость такого комплексного процесса определяется скоростью наиболее медленной, лимитирующей его стадии при условии практически мгновенного достижения равновесия в других стадиях. В случае примерного равенства скоростей каждой стадии процесса говорят о протекании каталитического превращения в смешанной области.

Катализаторы должны обладать следующими свойствами:

– активностью и селективностью к извлекаемому компоненту;

– пористой структурой;

– стойкостью к катализаторным ядам;

– механической прочностью;

– низкой температурой зажигания;

– большим температурным интервалом работы;

– термостойкостью;

– низким гидравлическим сопротивлением;

– иметь небольшую стоимость.

Обычно катализатор представляет собой смесь нескольких веществ (контактная масса): каталитически активного вещества, активатора и носителя.

Каталитически активное вещество - основа катализатора. Именно оно вступают в реакцию обменного действия. В настоящее время накоплен достаточно большой опыт выбора каталитически активных веществ для проведения различных процессов. В качестве каталитически активного вещества используются чистые металлы, оксиды металлов, а также большое количество химических соединений. Основные материалы, используемые в качестве каталитически активных веществ, применяемых при очистке газов: платиновые металлы, палладий, рутений, родий, сплавы, содержащие никель, хром, медь, цинк, ванадий.

Активаторы - вещества, которые повышают активность катализаторов. При этом сами активаторы обычно не обладают каталитическими свойствами, но способны усиливать действие каталитически активных веществ. Активаторы могут усиливать действие каталитически активных веществ в сотни и тысячи раз. Их действие до конца не изучено, предполагают, что они вступают в реакцию с каталитически активным веществом. В качестве активатора могут использоваться самые разнообразные вещества, выбор которых осуществляется чаще всего эмпирическим путем.

Носители - основание, на которое наносится катализатор. В ряде случаев они могут оказывать влияние на активность и селективность катализаторов. В качестве носителей чаще всего используют инертные пористые вещества, обладающие развитой поверхностью: силикагели, алюмосиликаты, цеолиты и т.д.

В качестве контактной массы чаще всего используют:

1. Активный металлический катализатор на металлическом носителе. Например, катализатор - платина или другой благородный металл - вместе с активаторами наносят на стружку из никелевого сплава. Разработаны специальные катализаторы для селективных реакций. Обычная каталитическая установка представляет собой неглубокую матрицу, хотя для некоторых операций используются цилиндрические патроны.

2. Активный металлический катализатор на носителе из оксида металла. Например, тонкий слой металла платиновой группы наносят на носитель - обожженный α-оксид алюминия либо фосфор (свечного типа). Носитель изготавливают в виде цилиндрических гранул, расположенных рядами, смещенными по отношению друг к другу.

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-А12
О3
), обладающие высокой удельной поверхностью, могут быть нанесены на носитель из оксида металла (например, на γ-А12
О3
). 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.