Расчет реактора каталитического обезвреживания газовой смеси

1—горелка; 2—слой катализатора; 3—теплообменник-рекуператор.

Рисунок 2-Каталитический дожигатель конструкции Гипрогазочистка 
         Газ, содержащий вредные примеси, подогревается очищенными газами в теплообменнике-рекуператоре. Затем смешивается с топочными газами, образующимися при сжигании топлива в горелках 1, после чего происходит обезвреживание на поверхности катализатора 2. [9]

         Недостатком аппаратов с фильтрующим слоем является возможность засорения катализатора твердыми частицами. В этом случае могут быть использованы трубчатые реакторы с нанесенными на внутреннюю поверхность трубок катализаторами. Для отвода (подвода) тепла из реакторов с неподвижным слоем используют теплообменники, расположенные вне слоев катализатора. 
         2)Каталитические реакторы со взвешенным слоем катализатора. Недостатком фильтрующего слоя является наличие зон, плохо омываемых газом в местах соприкосновения гранул катализатора. Для устранения этих недостатков используют кипящий слой, в котором каждая гранула катализатора интенсивно , со всех сторон соприкасается с газом, что интенсифицирует процесс очистки, который представлен на рисунке 3. 
 
 
1 - цилиндрическая часть корпуса; 2- зернистый катализатор; 3 – верхняя часть корпуса; 4 – циклон; 5 – шнековое устройство; 6 - газораспределительная решетка.

Рисунок 3- Каталитический реактор с кипящим слоем катализатора

         Достоинством таких аппаратов является также хорошая теплопроводность слоя, возможность механизировать и интенсифицировать процесс загрузки и выгрузки катализатора, исключение возможности локального перегрева или переохлаждения, возможность использовать мелкий катализатор (в фильтрующем слое мелкозернистый катализатор не используется из-за повышенного сопротивления и неравномерности температурного слоя). [8]

         К недостаткам взвешенного слоя следует отнести истирание и унос пылевидного катализатора из аппарата, что требует установки пылеулавливающего аппарата и предъявляет повышенные требования к прочности катализаторов, а также невозможность осуществления противотока, что снижает движущую силу процесса. Перечисленные недостатки не являются определяющими и многие из них могут быть полностью или частично устранены.

         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, представленный на рисунке 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. 
 
 
1 — цилиндрический корпус; 2 — циклон; 3 — сопло; 4 — бункер;5 –инжекторное устройство.

Рисунок 4- Каталитический реактор с пылевидным реактором

         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. [6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчетная часть

         Определяем основные размеры реактора для каталитического окисления вредных примесей промышленного выброса.

Объем выброса G = 15000 м³/час

Температура выброса t = 14˚C

Температура в реакторе t_р = 300˚C

ПДК фенола 0,01 мг/м³

ПДК ксилола 50 мг/м³

Катализатор CuO

диаметр частиц 0,002 м,

длина частиц 0,004 м,

форма частиц цилиндрическая,

Порозность ε = 0,45

Требуемая степень очистки  по веществу с меньшей ПДК,

т.е. по фенолу 0,998

Химический состав выброса, % (об.):

Азот   78

Кислород  21

Пары воды  0,5

Диоксид углерода 0,5

Концентрация вредных  примесей:

Фенол 1,7 г/м³

Ксилол 0,5 г/м³

Значения необходимых  величин в процессе расчета взяты  из справочников.

Расчет:

Кинетическое уравнение  окисления фенола на катализаторе CuO

 

k₀ = 9,11 ∙10¹³

E =134403 кДж/моль

b₀ = 2,76 ∙10^-5

Q =72016 кДж/моль

Где r- скорость химической реакции, г/м³*с

k- константа скорости химической реакции,с^-1

С-концентрация окислительного вещества,г/м³

b- коэффициент кинетического уравнения

k₀,b₀- предэкспоненциальные множители

Е- энергия активации, кДж/моль

Q- энергия адсорбционных стадий, кДж/моль

 

1. Конечная концентрация фенола  С_к составит:

С_к= 1,7(1-0,998)= 0,0034 г/м³

 

2. Необходимое число единиц переноса определяется по формуле:

    

где С_н,С_к – начальная и конечная концентрация окисляемого вещества, г/м³.

3. Определим скорость фильтрования (см.по таблице приложения 1)U_ф= 0,775 м/с.

 

4. Коэффициент массопередачи определяют по формуле:

   

 

    

где - коэффициент диффузии, м²/с

      - порозность слоя катализатора, м³/м³

      - кинематическая вязкость воздуха при нормальной температуре, м²/с;

    - эквивалентный диаметр каналов слоя катализатора, м

Для этого рассчитываем некоторые величины:

 

1)  Рассчитываем по формуле коэффициент диффузии:

  

где V_A,V_B – мольные объемы окисляемого вещества и воздуха соответственно;

M_A, M_B – молекулярные массы окисляемого вещества и воздуха;

P₀ – атмосферное давление, Мпа.

Мольные объемы фенола составляют C₆H₆O= 96,36

Мольный объем воздуха=20,1

Молекулярная масса  фенола М_А=94,12

 Молекулярная масса  воздуха М_В=29

Давление Р₀=0,1 Мпа

 

7,2∙10^-6 м²/с

 

2) Удельная поверхность слоя цилиндрических частиц

   

где d, l – диаметр и длина частицы соответственно, м.

 м³/м³

 

3)Эквивалентный диаметр каналов слоя катализатора определяются по формуле:

 

 

4)Конечная температура катализатора Т_к рассчитывается по формуле: 
 
Т_к=Т_н+g_а.р(С_н-С_к), 
 
где q_а.р. - удельная величина адиабатического разогрева, м³ К/г.

Величину q_а.р вычисляют по формуле:

 м³∙К/г.

 
где Q_H - теплота сгорания окисляемого вещества, кДж/моль;

c_V - теплоемкость воздуха, кДж/(м³ К), равная

C_V=Cp-R/22.4 
где с_р - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(моль К), с_р = 30 кДж/(моль × К).

 

Теплоту сгорания органического  вещества находят из соотношения 
 
Q_н=393,6·n_C+121,0·m_H 
 
где n_C, m_H - число атомов углерода и водорода в молекуле вещества. 
 
Q_н=393,6·6+121,0·6=3087,6 кДж/моль, 
 
с_v=(30-8,31)/22,4=0,966кДж/(м³К) 
м³∙К/г. 
Т_к=523+33,96·(1,7-0,0034)=580,61 К

 

4.5. Средняя температура  катализатора:

Т_с = 0,5·(Т_н + Т_к) = 0,5·(523+580,61)=551,805 К

 

 

где вязкость воздуха при 0˚С = 13,3∙10^-6 м²/с

 

 м/с.

 

5.Удельная доступная поверхность катализатора:

 

где а₀ – удельная поверхность слоя катализатора, м²/м³;

– коэффициент доступной поверхности =0,85.

 _м²/м³

 

6.Высота слоя по  массопередаче:

 
 
где N – необходимое число единиц переноса;

µ – коэффициент массопередачи, м/с;

а – удельная доступная  поверхность катализатора, м²/м³;

u_ф – скорость фильтрования, м/с;

Т_н –температура в реакторе, К; Т₀ =273 К.

 

7. Константа скорости  реакции окисления фенола:

 

с^-1.

 

8. Коэффициент кинетического  уравнения:

 

9. Скорость реакции  окисления фенола:

г/м³∙с.

 

10. Составляющая высота  слоя по кинетике рассчитывается  по формуле: 
 

м.

 

 

11Рабочая высота слоя  катализатора:

 

h_p= 1,35(0,0034+3,14)=4,25 м

 

12. Необходимая поверхность  фильтрования:

 
 
где G^' - объем промышленного выброса, м³/ч.

м³

13. Объем катализатора  составит V_к(м³):

 

V=π*D_cp*h_p(H+2h)

 
где Н – рабочая высота кольцевой  корзины, м;

D_ср – средний диаметр кольца, м.

Принимаем кольцевую  корзину, у которой отношение H/D_ср = 2, тогда 

,

м,

Н=2∙0,905=1,81 м.

4. Объем катализатора:

V_k=3,14*0,905*4,25(1,81+2*4,25)=124,51 м³

 

 

 

 

Выводы

         В курсовой работе проведен анализ и изучен каталитический метод очистки отходящих газов. Этот метод очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Методы используется для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. 

         Так же рассмотрены катализаторы, применяемые для этого метода. Катализаторы для таких процессов приготовляют на основе меди, хрома, кобальта, марганца, никеля, платины, палладия и других металлов. В отдельных случаях используют некоторые природные материалы (бокситы, цеолиты).

         Изучены конструкции различных каталитических реакторов. Рассмотрена и представлена схема установки каталитического обезвреживания.

         Произведен расчет каталитического реактора с катализатором CuO. Вычислены его основные размеры: диаметр, высота и объем.

         Используемые в промышленной практике установки каталитической очистки газовых выбросов от паров органических веществ различаются конструкцией контактных аппаратов, способами повышения до необходимого уровня температуры поступающих в них газовых потоков, используемыми катализаторами, приемами рекуперации тепла, наличием рецикла обезвреженных газов.

 

 

 

 

 

Список использованной литературы 
1. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. / Техника защиты окружающей среды / - М.: Химия, 1989. - 511 с. 

2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. /Технологические аспекты экологической безопасности – Калуга: изд. Н.Бочкаревой, 200. - 800 с.

3. Юшин В.В., Попов В.М., Кукин П.П. и др. /Техника и технология защиты воздушной среды – М.: Высш. шк., 2005. - 391 с.

4. Защита атмосферы от промышленных загрязнений / Справ. изд. в 2-х ч. под ред. Калверта С., Инглунда Г./ - М.: Металлургия, 1988. - 758 с.

5. Страус В. /Промышленная очистка газов/ пер. с англ. – М.: Химия, 1981. – 616 с.