Навігація
Головна
Високотемпературне знешкодження газових викидівОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ВИКИДІВГранично допустимі викиди шкідливих речовинМетодика розрахунку викидів за характеристиками обладнаннядругий. ЗАХИСТ АТМОСФЕРИ ВІД ВИКИДІВ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН
ОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ВИКИДІВМетоди очищення аерозольних викидівОчищення і утилізація викидівВисокотемпературне знешкодження газових викидівГранично допустимі викиди шкідливих речовин
 
Головна arrow Екологія arrow Теоретичні основи захисту навколишнього середовища
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Термохімічне знешкодження газових викидів

Крім механічних, фізико-хімічних і хімічних методів очищення газів широко застосовують термічні методи. Методи спалювання та допалювання шкідливих домішок, здатних окислюватися, знаходять все більше застосування для очищення дренажних і вентиляційних викидів. Ці методи вигідно відрізняються від інших (наприклад, мокрого очищення в скрубберах) більш високим ступенем очищення, відсутністю в більшості випадків корозійних середовищ і винятком стічних вод.

Хімічні реакції між інгредієнтами газових викидів, які в звичайних умовах практично непомітні, значно прискорюються з підвищенням температури. Система, що містить токсичні речовини, може бути знешкоджена термообробкою, якщо реакції, що відбуваються в ній, приведуть до утворення менш токсичних компонентів.

За типом відбуваються реакцій методи термообезврежіванія можна розділити на термовосстановітельние і термоокислювальне.

Термовосстановітельние методи специфічні і розробляються індивідуально для кожного конкретного забруднювача. З них до теперішнього часу в техніці газоочистки знайшли застосування способи термохімічного (з використанням аміаку) і термокаталітіческого відновлення NO x до Ν 2, термокаталітіческого відновлення SO 2 до S 2, деякі інші.

З усіх термоокислювальне процесів для термообезврежіванія придатні виключно реакції з киснем, оскільки за участю інших окислювачів принципово неможливо отримати нешкідливі продукти окислення. Тому далі під терміном "окислення" мається на увазі процес, окислювачем у якому служить кисень.

Термоокислению газоподібних забруднювачів може відбуватися в газовій фазі (в обсязі) або на межі розділу фаз (на поверхні).

Газофазний процес здійснюють безпосередньої вогневої обробкою (спалюванням в полум'я) газових викидів при температурах, що перевищують температуру займання горючих компонентів викидів.

Для організації процесу окислення на межі розділу фаз використовують каталізатори - конденсовані речовини, здатні за рахунок активності поверхневих частинок прискорювати процес окислення того чи іншого забруднювача при температурах нижче температури займання.

Термоокислювальне методи менш специфічні, ніж термовосстановітельние, однак і вони не універсальні. Можливості термоокислительного методу знешкодження обмежуються також кількістю отбросних газів і вмістом в них горючих компонентів. Якщо концентрація горючих компонентів викидів не досягає нижньої межі займання ("бідні" пальним викиди), то їх вогнева обробка вимагає додаткової витрати палива на прогрів викидів до температури самозаймання, яка для пар вуглеводнів становить близько 500 ... 750 ° С. Температурний рівень процесу термокаталітіческого окислення трохи нижче (зазвичай 350 ... 500 ° С), що також вимагає відповідних витрат палива.

Ступінь нейтралізації знешкоджених газових викидів

data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

(7.80)

де С вх і С ух - сумарна токсичність підлягають нейтралізації і нейтралізувати газових викидів.

Каталітичне очищення газових викидів

Каталітичний метод очищення заснований на взаємодії знешкоджує речовині вводиться в очищається газове середовище окислюючими речовиною в присутності каталізатора. У результаті реакцій знаходяться в газі домішки перетворюються на інші сполуки, що становлять меншу небезпеку, або легко відділяються від газу.

Каталітичні нейтралізатори застосовують для знешкодження оксиду вуглецю, летючих вуглеводнів, розчинників, відпрацьованих газів у хімічних установках і вихлопів автомобільного транспорту.

Каталітичне дожигание як метод термічної нейтралізації газових викидів використовують для перетворення токсичних компонентів, що містяться в газах, в нетоксичні або менш токсичні шляхом їх контакту з каталізаторами. Каталітичне очищення дозволяє знешкоджувати оксиди азоту, оксид вуглецю, інші шкідливі газові забруднення. Каталітичне очищення застосовується в основному при невеликій концентрації видаляється компонента в очищаемом газі, коли невигідно використовувати для їх знешкодження метод прямого спалювання. У цьому випадку процес протікає при температурі 200 ... 300 ° С, що значно менше температури, необхідної для повного знешкодження при прямому спалюванні в печах і рівної 950 ... 1100 ° С. Завдяки застосуванню каталізаторів можна досягти високого ступеня очищення газу, що досягає в ряді випадків 99,9%.

Катализом називають зміну швидкості реакції або збудження її, що відбувається під дією речовин (каталізаторів), які беруть участь у процесі, але в ньому не витрачаються і до кінця реакції залишаються хімічно незмінними, хоча фізично можуть змінюватися. Розрізняють два види каталізу: гомогенний (однорідний) і гетерогенний (неоднорідний).

data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

При гомогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор утворюють однофазну систему (рідку або газову). Прикладом гомогенного каталізу можуть служити реакції горіння водню і оксиду вуглецю, в яких роль каталізаторів виконують активовані частинки.

При гетерогенному каталізі каталізатор становить самостійну фазу (зазвичай тверду). Цей тип каталізу отримав дуже широке поширення в промисловості. Більшу частину продукції, вироблюваної хімічної та суміжними галузями промисловості, отримують за допомогою гетерогенного каталізу, як правило газового, тобто коли прискорюються реакції газової фази. Менш поширений гетерогенний каталіз в рідкій фазі.

Каталітичні реакції підкоряються загальним законам хімії та термодинаміки, але мають при цьому свої особливості, так як в них завжди бере участь один додатковий компонент - каталізатор. Дія каталізаторів принципово відрізняється від дії інших факторів, що сприяють інтенсифікації хімічних реакцій, наприклад температури, тиску, радіаційного впливу. Підвищення температури може прискорювати реакцію внаслідок збільшення енергетичного рівня реагуючих молекул, тобто їх активації за рахунок введеної ззовні теплоти. При цьому змінюється внутрішня енергія системи і зміщується положення рівноваги.

Каталізатор не впливає ні на рівновагу хімічної реакції, ні на інші термодинамічні характеристики реакцій. Змінюючи в рівній мірі швидкість прямої і зворотної реакцій, він сприяє підвищенню швидкості досягнення рівноваги за даних умов.

Ускоряющее дію каталізаторів зводиться до зниження енергії активації реакцій утворюються проміжних сполук. Це випливає з рівняння Арреніуса:

(7.81)

де k - константа швидкості реакції; k 0 - пред експонентний множник; Е - енергія активації; R - газова постійна; Т - абсолютна температура.

Ускоряющее дію каталізатора виражають його активністю А, що характеризує ставлення констант швидкостей реакцій, що відбуваються за участю каталізатора k до і без нього k:

(7.82)

де E, Е К - енергія активації реакції без каталізатора і в присутності каталізатора; ΔΕ = Е - Е К - зниження енергії активації в присутності каталізатора.

Наприклад, реакція розкладання аміаку в відсутність каталізатора має енергію активації 297400 Дж / моль, а при наявності ванадієвого каталізатора - тільки 163800 Дж / моль, енергія активації процесу розкладання оксиду азоту без каталізатора і з платиновим каталізатором відповідно 245700 і 136500 Дж / моль.

Ускоряющее дію каталізатора можна простежити на прикладі окислення сірчистого ангідриду:

(7.83)

що у відсутність каталізатора протікає вкрай повільно [при 420 ° С (623 К) енергія активації становить Е = 420000 Дж / (моль · К)]. При проведенні цієї реакції на ванадієвої каталізаторі енергія активації становить Е до = 268000 Дж / (моль · К). Підставивши ці величини в рівняння (7.82) і враховуючи, що R = 8,3 Дж / (моль · К), отримуємо:

тобто швидкість реакції зростає в сотні мільярдів разів.

Основною перевагою каталітичного методу очищення газів є те, що він дає високий ступінь очищення, а недоліком - утворення нових речовин, які треба видаляти з газу абсорбцією або адсорбцією.

Каталізатори. Каталітичні взаємодії в гетерогенному каталізі відбуваються на межі розділу фаз газової суміші і поверхні каталізатора.

Як ефективних каталізаторів доводиться застосовувати дорогі речовини - платину, паладій, рутеній; використовують і дешевші - нікель, хром, мідь, але вони менш ефективні. У процесах санітарної каталітичного очищення відхідних газів високої активністю володіють каталізатори на основі благородних металів (платина, паладій, срібло та ін.), Оксидів марганцю, міді, кобальту, а також оксидні контактні маси, активовані благородними металами (1,0 ... 1 , 5%).

Тверді каталізатори, які найбільш поширені, найчастіше випускають у вигляді зерен, таблеток, гранул. Це в основному метали і їх оксиди, наприклад мідь, срібло, платина, платиноїди, хром, молібден, залізо, нікель, кобальт та ін. Часто метали використовують у вигляді дисперсій на поверхні носіїв.

Каталізатори повинні володіти високою активністю і теплопровідністю, розвиненою пористою структурою, стійкістю до каталітичних отрут, механічною міцністю, селективністю, термостійкістю, мати низькі температури "запалювання", володіти низьким гідравлічним опором.

Температурою запалювання каталізатора називають мінімальну температуру реагує суміші, при якій процес починає протікати з достатньою швидкістю. Чим активніше каталізатор, тим нижче температура запалювання.

Важливою особливістю каталізаторів є їх вибірковість (селективність) по відношенню до певних реакцій. Селективність каталізатора полягає в тому, що в багатьох випадках він вибірково збільшує швидкість тільки певної реакції, не впливаючи помітно на швидкість інших, можливих в даній системі. При цьому температура протікання каталізуються реакції знижується, внаслідок чого інші можливі реакції не йдуть.

Вибірковість дії каталізатора I кат можна визначити як відношення швидкості утворення цільового продукту до сумарної швидкості перетворення основного вихідного реагенту, в нашому випадку забруднюючої агента, по всіх напрямах:

(7.84)

де G П - кількість продукту; G вих - кількість основного вихідного реагенту; v п / v вих - співвідношення стехіометричних коефіцієнтів при утворенні продукту з основного вихідної речовини.

У процесі експлуатації каталізатори в тій чи іншій мірі піддаються поступової дезактивації або деструкції, які викликаються хімічними отруєннями, каталітичними отрутами, механічним стиранням, спіканням, агрегатуванням, що призводить до необхідності періодичної регенерації (активації) або заміни каталізаторів.

На ефективність дії каталізаторів найчастіше впливають інші речовини (каталітичні отрути і промотори).

Отруєння каталізатора - це часткова або повна втрата його активності в результаті дії сторонніх домішок - контактних отрут. Отруєння може бути оборотним і необоротним. При оборотному отруєнні домішки знижують активність каталізатора тільки при їх присутності в зоні каталізу, при видаленні отрут каталізатор відновлює свою колишню активність. При необоротному отруєнні активність каталізатора не відновлюється і після видалення контактних отрут із зони реакції.

Каталітичні отрути - це речовини, що знижують або повністю знищують активність каталізаторів. До них відносяться, наприклад, сполуки миш'яку, ртуті, свинцю, ціаніди, отруйні платинові каталізатори. У виробничих умовах реагують речовини намагаються очищати від каталітичних отрут, а отруєні каталізатори регенерують.

Промотори - речовини, що підсилюють дію каталізаторів. Наприклад, платинові каталізатори промотують добавками заліза, алюмінію та ін.

Кінетика реакцій гетерогенного каталізу. Зниження енергії активації реакції в присутності каталізатора пояснюється утворенням проміжних сполук (активованих комплексів). Зміна реакційного шляху відбувається в цьому випадку завдяки освіті проміжних неміцних продуктів взаємодії реагуючих речовин з каталізатором.

Спочатку каталізатор і реагує речовина утворюють проміжне з'єднання, яке потім реагує з іншим вихідною речовиною, даючи кінцеві продукти реакції і вивільняючи каталізатор. Проміжні сполуки дуже нестійкі, з малим періодом життя, існують тільки в процесі каталізу. Їх властивості різко відрізняються від властивостей аналогічних сполук, що утворюють об'ємну фазу.

Схематично реакцію між вихідними речовинами А, B за участю каталізатора К можна представити таким чином:

(7.85)

де AК- активований проміжне з'єднання; С і D - продукти реакції.

Гетерогенне каталітичне перетворення є складним багатоступеневим процесом, що включає:

дифузію вихідних реагентів з ядра газового потоку до поверхні гранул каталізатора (зовнішня дифузія);

проникання цих речовин в порах каталізатора до активних центрів його внутрішньої поверхні (внутрішня дифузія);

активовану адсорбцію (хемосорбцію) продіффундіровавшіх реагентів поверхнею каталізатора з утворенням поверхневих хімічних сполук;

хімічну взаємодію адсорбованих речовин з утворенням нових продуктів;

десорбцію продуктів та їх перенесення до зовнішньої поверхні гранул каталізатора (внутрішня дифузія);

перенос продукту реакції від поверхні каталізатора в ядро газового потоку (зовнішня дифузія).

Константа швидкості каталітичного перетворення при даній температурі є функцією констант швидкостей прямої, зворотної та побічної реакцій, а також коефіцієнтів дифузії вихідних реагентів і продуктів їх взаємодії. Швидкість гетерогенного каталітичного процесу визначається відносними швидкостями окремих його стадій і лімітується найбільш повільної з них.

У загальному випадку сумарне рівняння швидкості всього процесу гетерогенного каталізу повинно включати опис його стадій. Відомо, що найбільш повільної стадією, лімітуючої процес, є дифузний перенесення газоподібної речовини через прикордонний шар газу, тобто внешнедіффузіонная область.

Якщо каталітичний процес іде під внешнедіффузіонной області, то його швидкість і визначається коефіцієнтом дифузії реагентів і продуктів реакції в газі. За законом Фіка при сталості умов дифузії

де G - кількість компонента, перенесене за час t в напрямку z, перпендикулярному поверхні зерна каталізатора, при концентрації з диффундирующего компонента в ядрі потоку реагентів (продуктів реакції); D е - ефективний коефіцієнт дифузії, який визначається сукупністю молекулярної і турбулентної (конвективної) дифузії; S - вільна поверхня зерен каталізатора.

У разі коли швидкість реакції по забруднюючих компонентів А лімітується зовнішньої дифузією, швидкість перенесення цього компонента до поверхні зерен каталізатора можна визначити по рівнянню массоотдачи:

(7.86)

де β г - коефіцієнт массоотдачи в газовій фазі; S ч - зовнішня поверхня частинки каталізатора; - концентрації компонента А в газовому потоці і його рівноважна концентрація на поверхні частинки каталізатора.

Для внутрідіффузіонной області та реакції першого порядку сумарну швидкість каталітичного процесу знаходять, комбінуючи рівняння масопередачі з рівнянням дифузії і реакції всередині частинки:

(7.87)

де k - константа швидкості реакції, віднесена до 1 м 3 каталізатора; V ч - обсяг частинок каталізатора; з А0 - початкова концентрація компонента; з А - середня концентрація компонента А всередині пори; з АП - максимально можлива концентрація компонента А у поверхні каталізатора.

Загальне рівняння швидкості каталітичного процесу, що протікає в кінетичній області, з урахуванням основних технологічних параметрів (концентрації, температури, тиску і активності каталізатора):

(7.88)

де - приріст кількості продукту в часі; v - насипний об'єм каталізатора; Δс - рушійна сила процесу при атмосферному тиску; р 1 - безрозмірне тиск, тобто відношення дійсної тиску до атмосферного; n - порядок реакції.

Інтенсивність або швидкість каталітичного перетворення може бути виражена в загальному вигляді через кількість конвертованій в одиницю часу t домішки G А чи кількість що утворюється в одиницю часу продукту G П каталітичного взаємодії:

(7.89)

де k A, k П - відповідно константи швидкості процесів по знешкоджують компоненту А і продукту реакції; Δс А, Δс П - відповідно рушійна сила процесів конверсії компонента А і продукту реакції.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Cхожі теми

Високотемпературне знешкодження газових викидів
ОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ВИКИДІВ
Гранично допустимі викиди шкідливих речовин
Методика розрахунку викидів за характеристиками обладнання
другий. ЗАХИСТ АТМОСФЕРИ ВІД ВИКИДІВ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН
ОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ВИКИДІВ
Методи очищення аерозольних викидів
Очищення і утилізація викидів
Високотемпературне знешкодження газових викидів
Гранично допустимі викиди шкідливих речовин
 
Дисципліни
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук