Общие сведения о каталитическом методе очистки отходяших газов

Методические указания

к выполнению практического задания

«Расчет каталитического реактора»

по дисциплине

«Методы защиты воздушного бассейна»

для студентов специальности 6.040106

«Экология, охрана окружающей среды и сбалансированное природопользование»

дневной и заочной форм обучения

Севастополь

УДК 504.3:628.5

Расчет каталитического реактора: Методические указания к практическому заданию по дисциплине «Методы защиты воздушного бассейна» для студентов специальности 6.040106 «Экология, охрана окружающей среды и сбалансированное природопользование» дневной и заочной форм обучения /Сост. В.В. Макаров, А.А. Павлова. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2012 - 21 с.

Целью методических указаний является оказание помощи студентам дневной и заочной форм обучения в выполнении практического задания при расчете каталитического реактора по дисциплине «Методы защиты воздушного бассейна». Кратко изложена теоретическая часть метода каталитической очистки, приведен пример расчета каталитического реактора, контрольные вопросы.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Прикладная экология и охрана труда» СевНТУ (протокол от 2012 года).

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ

в качестве методических указаний.

Рецензент В.В. Севриков, профессор, доктор техн. наук.

содержание

Цель работы………………………………………………………………………3

1. Общие сведения о каталитическом методе очистки отходящих газов…….3

2. Конструкция аппаратов……………………………………………………….10

2.1 Контактные аппараты…………………………………………………….10

2.2 Аппараты с взвешенным (кипящим) слоем катализатора……………..12

3. Порядок выполнения работы………………………………………………...15

4. Пример расчета контактного реактора……………………………………...16

5. Индивидуальные задания…………………………………………………….23

6. Контрольные вопросы………………………………………………………...24

Литература………………...……………………………………………………..25

Цель работы: ознакомиться с методикой расчета каталитического реактора и рассчитать реактор по заданию преподавателя.

Каталитические методы являются наиболее перспективными для процессов очистки отходящих газов. Их сущность состоит в том, что под действием специальных веществ, присутствующие в отходящих газах примеси превращаются в нейтральные вещества либо в соединения, легко удаляемые из газовой смеси (экологический катализ). Причем вещества, принимающие активное участие в химической реакции (катализаторы), остаются неизменными после окончания процесса. Преимущество каталитических процессов очистки состоит в том, что они компактны, высокопроизводительны, стабильно обеспечивают высокую степень очистки. К недостаткам большинства каталитических методов следует отнести высокую стоимость катализаторов и невозможность утилизировать примеси из отходящих газов, которые в большинстве случаев разлагаются на нейтральные продукты и выбрасываются в атмосферу с отходящими газами.

В зависимости от агрегатного состояния веществ, участвующих в катализе, каталитические процессы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. От вида катализа зависит технология очистки и выбор оборудования. При гомогенном катализе и катализатор, и реагирующие вещества находятся в одной фазе, например, газовой. При гетерогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Обычно при очистке газов от примесей в качестве катализаторов используют твердые вещества.

Для того чтобы произошла химическая реакция между атомами, молекулами или ионами, необходимо их непосредственное взаимодействие (столкновение). При температуре 500°С в 1 см³ реакционной смеси происходит 10²⁸ столкновений частиц в секунду. Но не каждое столкновение приводит к химической реакции. Химическая реакция происходит лишь в том случае, когда система обладает необходимым запасом внутренней энергии (активации), если частицы сближаются на расстояние, при котором происходит перекрытие их электронных облаков, а, следовательно, и перераспределение электронных плотностей.

Энергия активации является основным фактором, определяющим скорость каталитической реакции. Чем больше энергия активации, тем меньше частиц обладают в системе такой энергией и тем медленнее протекает реакция. В то же время величина энергии активации значительно меньше энергии, требуемой для разрыва старых связей, она частично компенсируется энергией, освобождаемой при образовании новых. Степень компенсации может быть выражена уравнением:

_k= , (1.1)

где E_c – сумма энергий разрываемых связей; E – энергия активации.

Специфичность процессов каталитической очистки газов состоит в том, что они протекают при малых концентрациях удаляемых примесей. Требования качества окружающей среды предполагают снижение концентрации удаляемого компонента на один, два и более порядков, что усложняет выбор катализаторов и каталитических реакторов. Для правильного выбора катализатора и каталитических реакторов необходимо хотя бы в общих чертах представить механизм каталитического процесса.

Катализ на твердых катализаторах складывается из следующих стадий: внешняя диффузия реагирующих веществ в поверхности катализатора, внутренняя диффузия в порах зерна катализатора; активированная (химическая) адсорбция одного или нескольких реагирующих компонентов на поверхности катализатора, перегруппировка атомов (химическая реакция); обратная диффузия продукта в порах зерна катализатора; диффузия продуктов от поверхности зерна.

Каждая из стадий каталитического процесса должна обладать энергией активации, значительно меньшей, чем энергия активации реакции в отсутствии катализатора, иначе каталитический процесс окажется энергетически невозможен. Общая скорость каталитического процесса определяется относительными скоростями отдельных стадий и может лимитироваться наиболее медленной из них. Различают процессы, протекающие в кинетической внешнедиффузионной и внутридиффузионной областях.

Во внешнедиффузионной области суммарная скорость каталитического процесса лимитируется скоростью подвода (диффузии) реагирующих веществ в зону реакции. При этом предполагается, что химическая реакция протекает мгновенно. Скорость каталитических процессов, протекающих в внешнедиффузионной области, можно увеличить путем увеличения макропор (наружной поверхности) катализатора и перемешиванием реагентов.

Скорость диффузии определяют, используя первый закон Фика:

U_д= , (1.2)

где G – количество вещества, перенесенного за время τ в направлении, перпендикулярном к поверхности зерна катализатора;

D_Э – суммарный коэффициент эффективной диффузии в газовой среде, рассчитывается с учетом молекулярной и турбулентной диффузии;

α_k – внешняя поверхность зерен катализатора;

dC/dz – градиент концентрации.

Коэффициент молекулярной диффузии в газовой фазе определяют по уравнению:

D_г= , (1.3)

где М_А, М_В – мольные массы вещества А и В, г/моль;

V_A, V_B – мольные объемы вещества А и В, см³/моль;

Р – общее давление (0,1 МПа);

С_А+В – константа Сезерленда,

С_А+В=1,4φ(Т^′_АТ^′_В), (1.4)

где Т – температура кипения компонентов А,В, К,

φ=8 . (1.5)

При V_A≈V_B коэффициент φ равен 1. Коэффициент турбулентной диффузии определяют экспериментально.

Во внутридиффузионной области суммарная скорость каталитического процесса лимитируется скоростью подвода реагирующих веществ в зону реакции в микропорах зерна катализатора. Увеличить скорость таких процессов можно путем уменьшения размеров зерна катализатора или увеличением внутренней поверхности катализатора, создаваемой тонкими порами малой длины. Время τ диффузии компонента в поры катализатора на глубину l определяют по формуле Эйнштейна:

τ= . (1.6)

Если длина свободного пробега молекулы компонента λ меньше диаметра поры (λ<2r), то D_Э=D_г. При стесненном режиме, когда λ>2r, коэффициент эффективной диффузии определяют по формуле:

D_Э= , (1.7)

где r- радиус поры.

При λ=2r: D_Э=D_г(1-e^2r/λ). (1.8)

Дата добавления: 2015-06-04