очищення очищення газів засновані на гетерогенному каталізі і служать для перетворення домішок у нешкідливі або легко видаляються з газу з'єднання. Процеси гетерогенного каталізу протікають на поверхні твердих тіл - каталізаторів. Каталізатори повинні мати певні властивості: активністю, пористою структурою, стійкістю до отрут, механічною міцністю, селективністю, термостійкістю, низьким гідравлічним опором, мати невелику вартість.
Особливість процесів каталітичного очищення газів полягає в тому, що вони протікають при малих концентраціях видаляються домішок. Основною перевагою методу є те, що він дає високий ступінь очищення, а недоліком - утворення нових речовин, які треба видаляти з газу адсорбцією або абсорбцією.
Розрізняють три основні області перебігу каталітичних процесів: кінетичну, внешнедіффузіонную і внутрідіффузіонную. У залежності від стадії, що лімітує загальну швидкість процесу, використовуються різні рівняння кінетики процесу.
Під внешнедіффузіонной області швидкість реакції визначається швидкістю перенесення компонента до поверхні зерен каталізатора:
де FЧ - зовнішня поверхня частинки каталізатора; bг - коефіцієнт массоотдачи; Са, Сар - концентрації компонента А в газовому потоці і його рівноважна на поверхні частки каталізатора відповідно.
У галузі хімічної кінетики швидкість незворотної (оборотного) реакції першого порядку визначається за рівнянням:
Для необоротної реакції n-го порядку рівняння має вигляд:
Для всередині дифузійної області та реакції першого порядку сумарну швидкість каталітичного процесу знаходять, комбінуючи рівняння массопередачи з рівнянням дифузії і реакції всередині частинки:
Для частинок каталізатора циліндричної форми отримують:
де Vч - обсяг часток каталізатора; k - константа швидкості реакції, віднесена до 1 м3 каталізатора; Е = Саср / Саг, Саср - середня концентрація компонента А всередині пори; Саг - максимально можлива концентрація компонента А біля поверхні каталізатора; Са0 - початкова концентрація компонента .
Каталітичні реактори можуть бути з нерухомим, рухомим і псевдозрідженим шаром каталізатора. Вони працюють за принципом ідеального витіснення або ідеального змішування. Для визначення розмірів реакторів виробляють кінетичні розрахунки, а також розрахунок матеріальних і теплових балансів.
При очищенні газів реакції протікають головним чином в дифузійних областях. Длянахожденія розмірів реактора визначають число одиниць переносу та висоту, еквівалентну одиниці переносу (СЄП):
Рис. 5.20. Схеми каталітичних реакторів:
а - з нерухомим шаром каталізатора; б - те ж, та охолодженням, в - багатошаровий з охолодженням;
г - з псевдоожоженним шаром; д - те ж, та охолодженням, е - багатоступінчастий з псевдозрідженим шаром, ж - з рухомим шаром; 1 - нерухомий шар; 2 - холодильник; 3 - зважений шар;
4 - регенератор; 5 - рухомий шар; 6 - елеватор.
Число одиниць переносу розраховують за рівнянням:
де Нр - висота реактора; Gг - масова швидкість газу, кг / (м2.ч); Мср - середня молекулярна маса компонентів газового потоку, а - питома поверхня каталізатора, м2/м3; Рср - середнє логарифмічне парціальний тиск компонента А в плівці газу біля поверхні каталізатора; Ра - парціальний тиск компонента А, Па; Раi - парціальний тиск компонента на поверхні каталізатора, Па; уа - зміна числа молей компонента А в результаті реакції (на 1 моль вихідної речовини А); Ncp = Pcp / P - середнє логарифмічне значення концентрації реагенту А в плівці газу; Na і Nai - мольна частка компонента А в газі і на поверхні каталізатора відповідно.
Для визначення кількості одиниць переносу графічним інтегруванням відкладають на осі ординат значення Ра, а на осі абсцис Рср / [(P + Pa * ya) * (Pa-Pai)].
Значення СЄП і N0 можна визначити за формулами. Гідравлічний опір реактора розраховують за різними формулами в залежності від його конструкції.
Для реактора з нерухомим шаром каталізатора
Для реактора зі зваженим шаром частинок швидкість початку зважування знаходять за формулою:
Гідравлічний опір зваженого шару розраховується за формулою:
Для відводу (підведення) тепла з реакторів з нерухомим шаром використовують теплообмінники, розташовані поза шарів каталізатора, а в реакторах зі зваженим шаром - теплообмінники, розташовані усередині шарів каталізатора. Поверхня теплообміну розраховують за рівнянням тепловіддачі.
Коефіцієнт тепловіддачі від зваженого шару до поверхні теплообміну при оптимальній швидкості газу розраховують за формулою:
Каталітичне окислення використовують для видалення діоксиду сірки іздимових газів, а каталітичне відновлення для знешкодження газів від оксидів азоту. Окислення проводять на ванадієвої каталізаторі при 450-480 С. Після окислення гази направляють на абсорбцію.
Каталітичне відновлення оксидів азоту виробляють до елементного азоту в присутності газу-відновника. В якості відновників використовують метан, коксовий та природний газ, оксид вуглецю, водень, аміак. Каталізаторами служать платинові метали, паладій, рутеній, платина, родій або сплави, що містять нікель, хром, мідь, цинк, ванадій, церій і ін Ступінь очищення досягає 96%.