Модуль 1 (вариант 10)

3.3. Каталитическая очистка газов

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.

При очистке газов реакции протекают в основном в диффузионных областях, поэтому катализаторы должны иметь высокоразвитую пористую структуру.

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 чаше 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 чаше всего используют:

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

Катализатором может быть также -оксид алюминия с большой удельной поверхностью и платиновым покрытием. К этой же группе относится палладиевый катализатор на носителе из оксида алюминия.

Активный катализатор  оксид металла на подложке из оксида металла. Активные оксиды (например, -А1₂О₃), обладающие высокой удельной поверхностью, могут быть нанесены на носитель из оксида металла (например, на -А1₂О₃). 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).

Немаловажное влияние на стоимость катализаторов оказывает технология их приготовления. Технология получения катализаторов зависит от того, в каком виде его получают. Например, в виде металлических сеток, гофрированной ленты, керамических блоков, таблеток, колец, шариков и др. Наиболее часто контактные массы получают в виде таблеток путем совместного осаждения каталитически активных веществ с последующим добавлением активаторов и наполнителей.

Производство таких катализаторов включает следующие стадии: подготовку сырья, растворение, осаждение, фильтрование, промывку, сушку, прокаливание, формовку.

Конструкция каталитических реакторов. Требования к конструкции:

 высокая производительность;

 обеспечение непрерывности процесса при оптимальных технологических режимах;

 легкость в управлении;

 возможность автоматизации;

 малое гидравлическое сопротивление;

 доступность загрузки и выгрузки катализатора;

 наличие устройства для подогрева газовых смесей и рекуперации тепла;

 небольшая металлоемкость, доступность монтажа, ремонта и транспортировки.

По способу взаимодействия газов с катализатором аппараты подразделяются на 3 группы:

1. Каталитические реакторы с фильтрующим слоем катализатора. К аппаратам с фильтрующим слоем относятся емкостные, трубчатые и полочные аппараты, принцип действия которых основан на фильтрации газа через слой неподвижного катализатора (рис. 24). На этом принципе основана работа большинства контактных аппаратов. Причем катализатор может находиться в виде металлических сеток, натянутых по ходу движения газа, трубчатых контактных аппаратов или в виде твердых тел различной формы, располагаемых на перфорированных решетках. Достоинства таких аппаратов: простота конструкции. К недостаткам следует отнести отсутствие теплообмена, что позволяет проводить в них только те реакции, которые сопровождаются небольшими тепловыми эффектами.

Рис. 24. Схемы контактных аппаратов с фильтрующим слоем катализатора:

а  контактный аппарат с катализатором в виде сеток; б  трубчатый контактный аппарат; в  контактный аппарат с перфорированными решетами; г  многослойный контактный аппарат; д  контактный аппарат с трубками Фильда; е  контактный аппарат с теплообменником

Для полноты протекания процесса в одном аппарате может быть установлено несколько слоев контактной массы. Многослойные контактные аппараты чаше всего устанавливают, когда имеется необходимость очищаемый газ подвергать дополнительной обработке (нагреванию, охлаждению и т. д.). Это позволяет вести процесс при оптимальном температурном режиме на каждой полке.

В зависимости от функционального назначения контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора имеют несколько вариантов конструктивного оформления: реакторы каталитические с твердым катализатором, размещенном в отдельном корпусе (тип К); реакторы каталитические, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель (тип ТК); реакторы термокаталитические, в которых в общем корпусе размешены контактный узел и рекуператор тепла (тип KB); реакторы каталитические, в которых в общем корпусе размещены подогреватель, контактный узел и рекуператор тепла (тип ТКВ). Наиболее перспективными являются аппараты ТКВ, которые в максимальной степени отвечают экологическим требованиям.

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 (рис. 25), со всех сторон соприкасается с газом, что интенсифицирует процесс очистки.

Рис. 25. Каталитический реактор с кипящим слоем катализатора:

Содержание