Очистка газов, основанная на катализе (стр. 2 из 5)
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.
1.2 Каталитическая очистка газов. Суть метода.
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; k0 - 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 kQпо сравнению с некатализируемыми, ускоряющее действие катализатора выражают его активностью А, характеризующейся отношением констант скоростей реакций, происходящих с участием катализатора kКи 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.
1.3 Катализаторы для очистки газов
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.