Назначение и аппаратурное оформление каталитических методов очистки

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.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАТАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

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 катализатора.

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.

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.

Масса и свойства катализатора теоретически не должны претерпевать изменений в процессе его работы. На практике, однако, в процессе эксплуатации катализаторов они в той или иной степени подвергаются постепенной дезактивации или деструкции. Последние вызываются химическими (отравление каталитическими ядами, присутствующими в конвертируемых газах, недостаточная селективность катализатора, возможность образования нелетучих продуктов и т. п.) и физическими (механическое истирание, спекание, агрегатирование под действием избыточной свободной энергии поверхности и т. п.) факторами и ведут к необходимости периодической регенерации (активации) или замены катализаторов. В этой связи к промышленным катализаторам предъявляют требования в отношении высокой активности и теплопроводности, а также стойкости к механическим и термическим нагрузкам. Наряду с этим они должны быть дешевыми и, обладая необходимыми структурными параметрами, иметь, возможно, более низкие температуры зажигания и геометрию частиц, обеспечивающую низкое гидравлическое сопротивление слоя.

Необходимые для эффективного осуществления соответствующих процессов газоочистки катализаторы обычно подбирают экспериментальным путем.

В процессах санитарной каталитической очистки отходящих газов промышленности высокой активностью характеризуются контактные массы на основе благородных металлов (платина, палладий, серебро и др.), оксидов марганца, меди, кобальта, а также оксидные контакты, активированные благородными металлами (1,0−1,5%).

Среди катализаторов условно различают:

цельнометаллические — представляют собой металлы платиновой группы или неблагородные металлы, нанесенные на сетки, ленты, спирали;

смешанные — включают металлы платиновой группы и оксиды неблагородных металлов, нанесенных на оксид алюминия или другие металлы;

керамические — состоящие из металлов платиновой группы или оксидов неблагородных металлов, нанесенных на керамическую основу виде сот или решеток;

насыпные — приготовленные в виде гранул или таблеток различной формы с нанесенными на него металлом платиновой группы или оксидами неблагородных металлов, а так же виде зерен оксидов неблагородных металлов.

Достоинства и недостатки: наибольшее преимущество перед другими типами катализаторов имеют катализаторы, нанесенные на металлические носители: более термостабильные имеют период эксплуатации 1 год и более, отличаются высокой износостойкостью и прочностными характеристиками; имеют развитую поверхность и пониженную насыпную плотность; их регенерация не представляет существенных трудностей. Это обуславливают широкую распространенность цельно-металлических каталлизаторов для обработки значительных объемов газовых выбросов, содержащих пары растворителей, фенолов и других токсичных органических веществ.

Более простые и дешевые в изготовлении катализаторы на основе из керамики: характеризуются низким гидравлическим сопротивлением, меньшей насыпной плотностью, но менее термостабильные, чем цельнометаллические.

Термический метод обезвреживания получил более широкое распространение, так как некоторые вредные примеси трудно или невозможно полностью нейтрализовать другими методами из-за сложности их состава, низкой концентрации, а также из-за отсутствия эффективных средств улавливания. Он заключается в том, что все органические вещества полностью окисляются кислородом воздуха при высокой температуре до нетоксичных соединений. В результате выделяются минеральные продукты, вода, диоксид углерода, а также теплота, которые требуют дальнейшей их утилизации.

Метод термического окисления (дожига) органических веществ, содержащихся в отходящих газах, относится к энергоемким. Для поддержания необходимой температуры обезвреживания отходящих газов (800 -1200°С) используется высококалорийное топливо, поэтому преимущественно этот способ применяется для обезвреживания газов сложного состава и в тех случаях, когда возврат уловленных примесей в производство экономически нерентабелен.

Наиболее экономичным приемом термического обезвреживания газов из выбросов является их использование вместо дутьевого воздуха при сжигании высококалорийного топлива (природного газа, мазута) в действующих тепловых агрегатах, таких как печи, сушилки, топки и т. д. Для обеспечения надежного и качественного горения минимальное содержание кислорода в газовых выбросах должно быть около 17%.

К преимуществам термического метода обезвреживания отходящих газов относятся отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты установок, простота обслуживания, высокая эффективность, возможность обезвреживания горючих выбросов сложного состава.

Метод дожига углеводородов получает все большее распространение. Накоплен опыт термического обезвреживания воздуха, содержащего примеси стирола, формальдегида, толуола, бутилацетата и других органических веществ.

Установки прямого сжигания представляют собой камеру, в которую по самостоятельным каналам подается топливо, очищаемый газ и воздух. Для полного окисления горючих компонентов необходимо тщательное перемешивание смеси. С целью снижения затрат отходящие газы чаще всего сжигаются совместно с твердыми отходами. В результате упрощается проблема утилизации промышленных отходов в целом, а также резко снижаются энергетические и эксплуатационные затраты. С помощью современных установок термодожига можно обеспечить полную безвредность и высокую производительность этого процесса.

Одним из таких устройств является установка типа «Вихрь» для бездымного сжигания нефтепродуктов, подлежащих вторичному использованию. В этой установке совмещены функции обезвреживания газов и сжигания отходов. Поступающий в установку шлам первоначально автоматически обезвоживается, а затем направляется в топочную камеру, где сжигается в ускоренном режиме при температуре порядка 1000 °C и подаче строго рассчитанного количества сжатого воздуха. Такие жесткие условия процесса способствуют тому, что побочные реакции окисления, ведущие к образованию тяжелых смолистых продуктов, оседающих плотными трудновыгораемыми наслоениями, отсутствуют. Процесс обеспечивает полное окисление продуктов, бездымность горения, отсутствие запахов и требуемую степень обезвреживания отходящих газов. По простоте конструкции, надежности в работе, высокому КПД и возможности подключения теплообменников для утилизации тепла установка «Вихрь» значительно превосходит другие агрегаты аналогичного назначения.

Недостаток метода — необходимость высоких температур, что приводит к повышенным энергозатратам.

С целью снижения температуры обезвреживания органических примесей применяют установки сжигания, где в качестве инициатора окисления используются различные катализаторы. Тем самым достигается снижение температуры обезвреживания более чем в два раза и обеспечивается возможность нейтрализации газов с низким содержанием вредных примесей.

Особенность установки термокаталитического обезвреживания состоит в том, что затраты энергии необходимы только в момент пуска, т. е. когда требуется подогреть газовый поток до начальной температуры каталитического окисления (300 — 400 °С). Затем процесс протекает самопроизвольно за счет теплоты реакции окисления.

Термокаталитическое дожигание органических веществ до диоксида углерода и воды применяют в тех случаях, когда отходящие газы представляют собой многокомпонентную смесь различных органических веществ. В настоящее время разработаны типовые схемы обезвреживания выбросов от сушильных камер путем сжигания паров растворителей на поверхности катализатора. Внедрение схем, предусматривающих последующую утилизацию теплоты, позволяет достичь сокращения расхода теплоносителей не менее чем на 20% (при сжигании паров с низким содержанием горючего компонента).

ГЛАВА 2. КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специфика газовых выбросов производства электронных компонентов (отсутствие пыли) позволяет использовать для обезвреживания отходящих газов современные каталитические технологии.

Для обезвреживания газовых выбросов в настоящее время применяют следующие методы: адсорбционный, мембранный, микробиологический, окислительный (термический и каталитический). Использование метода сорбционной очистки показало ряд его недостатков: энергоемкость, низкую степень очистки, большие габариты установок и др.

Производство электронных компонентов является источником загрязнения окружающей среды, в том числе атмосферного воздуха, в который выбрасываются огромные количества загрязнителей — оксиды азота, озон, органические соединения и др.

Например, особенностью технологии производства ОАО «Элеконд» являются разовые выбросы таких компонентов, как ацетофенон (0,1 кг/ч, превышение ПДВ в 20 раз), гамма-бутиролактон (0,015 кг/ч, превышение ПДВ в 7 раз), диметилформамид (0,023 кг/ч, превышение ПДВ в 3 раза). При этом обнаружена отрицательная реакция иммунной системы рабочих предприятия и членов их семей на токсиканты.

В ОАО «Элеконд» отрабатывались различные методы каталитической очистки газовых выбросов: плазмокаталитический и термокаталитический. Использовался композитный катализатор мультифункционального назначения на основе пеноматериалов и наноструктированных каталитических покрытий производства ЗАО «ЭКАТ».

Особенностями этих катализаторов являются сверхвысокая проницаемость для газового потока, интенсивный теплои массообмен по всему объёму, отсутствие сквозных каналов и, следовательно, возможности проскока реагентов сквозь структуру блока. Эти особенности эффективно раскрываются в процессах каталитического преобразования веществ относительно малых концентраций, которые наиболее характерны для решения экологических задач, в частности для очистки вентиляционных и газовых выбросов.

Принцип действия плазмокаталитической очистки газовых выбросов основан на совместном воздействии плазмы барьерного разряда, озона высокой концентрации и каталитического воздействия на молекулы газообразных загрязнений и патогенную микрофлору. В процессе разрушения (трансформации) вредных веществ под действием низкотемпературной плазмы и других физико-химических факторов воздействия происходит возбуждение молекул, атомов и радикалов в очищаемом потоке.

Принцип действия термокаталитической очистки газовых выбросов основан на беспламенном разложении и окислении загрязняющих органических веществ до углекислого газа, воды и азота на нагреваемых каталитических блоках.

Одной из наиболее сложных задач, которые решались на предприятии, была очистка воздуха от продуктов растворения марганца в азотной кислоте (при растворении 1 кг металлического марганца выделяется 557,2 г диоксида азота).

Чтобы уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, был разработан способ селективной термокаталитической очистки газовых выбросов от оксидов азота с использованием аммиака и изготовлена пилотная установка, эффективность которой демонстрирует рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость концентрации диоксида азота на входе (красная линия) и на выходе (синяя линия) термокаталитической установки.

Также на предприятии имелись разрозненные источники выбросов органических веществ, в частности уксусной кислоты, растворителей и электролитов. Нейтрализация этих выбросов осуществлялась различными устройствами очистки на базе плазмои термокаталитической технологий.

Предложенный каталитический метод обезвреживания с использованием различных его схем позволил минимизировать концентрацию токсикантов (см. таблицу).

Таблица. Минимизация воздействия выбросов

Предотвращенный экологический ущерб по оксидам азота в 2008 г. составил 1223,8 тыс. руб., по ацетофенону — 410, 9 тыс. руб., по ЛВЖ (растворители, кислоты) — 54,6 тыс. руб.

Внедрение процессов очистки газовых выбросов способствовало сертификации ОАО «Элеконд» на соответствие ГОСТ Р ИСО 14 001−98.

ГЛАВА 3. АППАРАТЫ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Очистку газов с использованием катализа проводят в реакторах гетерогенных реакций в системе газ — твердое. Из этого следует, что конструкции каталитических газоочистителей определяются объемными расходами газов, кинетическими закономерностями протекающих реакций, температурными и аэродинамическими условиями процесса, структурными, прочностными и другими характеристиками применяемых катализаторов. Последние могут быть разнообразных размеров и формы: насыпные шарики, таблетки, цилиндры, пластины, соты и т. д.

В соответствии с существующей классификацией газоочистных каталитических устройств их принято делить на следующие группы:

реакторы каталитические, в которых происходит контакт газового потока с твердым катализатором, размещенным в отдельном корпусе (тип К);

реакторы термокаталитические, в которых контактный узел и подогреватель размещены в общем корпусе (тип СТК), реакционная зона совмещена с рекуператором (тип KB), имеется встроенный регенератор (тип ТКВ).

Среди промышленных газоочистных аппаратов первой группы наиболее распространены полочные, радиальные и горизонтальные реакторы.

В производствах синтеза аммиака и некоторых других продуктов применяют полочный реактор для конверсии оксида углерода (рис. 2).

В цилиндрическом корпусе аппарата па колосниковые решетки с металлическими сетками, размеры ячеек которых несколько меньше зерен катализатора, насыпают слой керамической пли металлической насадки (кольца Рашига, седла Инталокс и т. д.), поверх которого загружают катализатор. Над слоем катализатора также размещают сетку с насадкой, предназначенной для выравнивания скоростей газа п температур по сечению аппарата.

Существует ряд условий нормальной работы реактора: равномерное распределение газового потока по сечению аппарата, поминальный гранулометрический состав загружаемого катализатора, исключение быстрых перепадов температур в аппарате и др.

Рис. 2. Полочный реактор для конверсии оксида углерода:

/ — корпус реактора; 2 — катализатор

Одна из основных проблем в совершенствовании конструкций газоочистителей с насыпным слоем катализатора — обеспечение механической прочности гранул. По данным ГИАП, гидравлическое сопротивление слоя, в котором содер-ог жится до 7% пыли и мелочи катализатора, увеличивается на порядок (в 30 раз), при этом снижаются равномерность распределения газового потока и степень очистки газа. Это обстоятельство следует иметь в виду при загрузке катализатора и эксплуатации аппарата.

Для расчета гидравлического сопротивления (в Па) свеже-загруженного слоя катализатора рекомендуется использовать зависимость ДР = ywV (2*)] [я (I — в)/в"] fek, (4.3)

где у— удельный вес газовой смеси, H/mj; w — скорость в расчете на полное сечение аппарата, м/с; s — удельная поверхность гранул, м2/м8; в — порозность слоя; ft — коэффициент сопротивления; h — высота слоя, м.

В радиальном реакторе конверсии оксида углерода (рис. 4.21) катализатор размещается в корзинах, образованных коаксиально расположенными центральной трубой и обечайкой корпуса.

Рабочие поверхности корзин перфорированы, а между корпусом реактора и наружной обечайкой катализаторной корзины образуется кольцевой канал, по которому транспортируются газовые потоки.

В отличие от полочных в радиальных реакторах можно смоделировать равномерность распределения потоков (по высоте) [12], однако здесь степень использования рабочего объема несколько ниже из-за усадки катализатора и образования паразитных объемов.

Применяют также горизонтальные каталитические газоочистители. Для аппаратов требования к прочности гранул катализатора менее жесткие и усадка не играет особой роли, однако их можно эксплуатировать лишь в ограниченных диапазонах градиентов температур.

В радиальных каталитических реакторах очистки газа от СО методом конверсии используют, как правило, железохроми-стый катализатор. Очищаемые газы содержат 83—88% Нг, 4—5% (Ns + Ar), 3—5% СОг, 3—5% СО и 0,5% СН". Остаточное содержание СО в очищенном газе составляет (при конверсии с водяным паром) менее 0,1%. Парогазовую смесь перед подачей в реактор подогревают до температуры 190—210 «С, объемные скорости составляют 10 000—20 000 ч-1.

Полочные и радиальные каталитические реакторы используют также в процессах гидрирования азотоводородных смесей, при которых синтез-газ очищают от кислорода, оксида и диоксида углерода.

Полочный реактор, предназначенный для этих целей (аппарат предкатализа или метанатор) представляет собой колонный аппарат цилиндрической формы, внутри которого находится центральная труба с электроподогревателем и катализа-торная коробка. Газовый поток входит в центральную трубу, обогревается электроподогревателем, поднимается вверх, откуда в кольцевом пространстве между корпусом и катализаторной коробкой проходит вниз через слой катализатора.

Процесс протекает при температуре 300—350 °С, давлении 2—3 МПа, объемной скорости 4000—5000 ч~', линейной скорости в аппарате 0,3—0,4 м/с.

В реакторе используют алюмоникельхромовый катализатор (ТО) в таблетированном и формованном виде (с размером гранул от 4—5 до 8—10 мм).

В последнее время в связи с необходимостью своевременной регенерации и замены катализатора в конструировании каталитических газоочистителей наметилась тенденция к созданию аппаратов с быстрой загрузкой — выгрузкой катализатора без разборки аппарата.

Такие катализаторы обладают высокой эффективностью и термостойкостью, а их гидравлическое сопротивление значительно ниже слоя насыпного катализатора. Так, монолитный катализатор СКМ-1 в виде цилиндрических блоков диаметром до 3,6 м имеет 40 000 прямых каналов на 1 мг сечения. Гидравлическое сопротивление его в силу этого составляет всего 0,05 перепада давления в слое, состоящем из шариков диаметром 4 мм, при одинаковой линейной скорости газа.

В Канаде и США блочные катализаторы широко используют, например, в реакторах селективного каталитического восстановления (СКВ) в процессах очистки отходящих газов заводов по производству азотной кислоты н других химических продуктов.

Препятствием к широкому и повсеместному промышленному внедрению блочных конструкций является недостаточная технологичность их изготовления. Этого недостатка лишены пластинчатые каталпзаторные конструкции. Катализаторная насадка представляет собой набор пластин с катализаторным покрытием, устанавливаемых в разных сочетаниях. По имеющимся данным [68], металлоемкость реактора с подобным катализатором снижается в сравнении с аппаратами традиционных конструкций на 40%, а гидравлическое сопротивление уменьшается в 4,5 раза.

Перспективен пластинчатый реактор с катализаторным покрытием (ПКР) для очистки высокотемпературных нпзконапор-ных отходящих газов от органических веществ и оксида углерода. Простота конструктивного оформления процесса очистки позволяет выполнить в виде реактора часть газохода: разборные секции образованы плоскопараллельными пластинами с габаритными размерами по длине 350—500 мм и диаметру 400—1000 мм. Разработаны и испытаны термостойкие катали-заторные покрытия для ПКР на основе промышленных катализаторов АП-64, СТК-1−7, ГИПХ-105-Б и др.

В аппаратах ПКР значительно интенсифицируется процесс очистки газов, они могут работать при высоких линейных ско ростях и большой запыленности газовых потоков (скорость порядка 10 м/с и более, содержание пыли до 10 г/м3).

Простой и оригинальной конструкцией реактора термокаталитического типа ТК является устройство для термокаталитического сжигания отходящих газов, монтируемое в виде колпака на верхнюю часть дымовой трубы (рис. 4.26). В этом устройстве применяют сотовый катализатор с малым гидравлическим сопротивлением, позволяющий обеспечить высокоэффективную очистку.

На рис. 4.27 представлен каталитический дожигатель, относящийся к термокаталитическим реакторам типа KB, разработанный институтом «Гипрогазоочистка» и успешно прошедший промышленные испытания.

Особенность данного реактора—-дополнительный съем тепла за счет ошнпования цилиндрической перегородки внутри реактора. Аппарат работает следующим образом. Очищаемые газы поступают в трубное пространство сочлененного трубчатого рекуператора 2, затем в кольцевое пространство реактора между корпусом и цилиндрической перегородкой 3, где они дополнительно нагреваются за счет смешения с дымовыми газами от сжигания топлива в панельных горелках 4. Нагретые газы проходят через слой катализатора и через межтрубное пространство рекуператора 2 сбрасываются в атмосферу.

Аналогичные аппараты для газоочистки созданы в Великобритании фирмой «Джонсон Маттен Кемикал Лимитед» (производительность 1,7—13,6 тыс. м3/ч), в Германии фирмой «Рее-ко ГмбХ» (единичной мощностью 46 тыс. ма/ч).

Технико-экономические расчеты процессов термокаталитиче ской очистки газов показывают, что для реакторов этого тиш наиболее предпочтительны расходы газовых потоков 25— 40 тыс. м3/ч. С учетом этой тенденции разработаны реакторы ТКВ большой единичной мощности. Такие аппараты имеют улучшенные удельные показатели по металлоемкости, расходу топлива, ремонтопригодности и другим параметрам.

Дзержинским филиалом НИИОГаза разработан типоразмер-ный ряд термокаталитических реакторов очистки газов со встроенными рекуператорами тепла.

Достигнутый к настоящему времени уровень аппаратурного оформления каталитической очистки газов позволил создать метод, который по своим технико-экономическим показателям вполне конкурентоспособен с другими методами газоочистки (см. табл. 4.4).

Совершенствование существующих и создание новых перспективных аппаратов каталитической газоочистки в ближайшем будущем, по-видимому, будут развиваться в направлении разработки низконапорных пространственных каталитических насадок (комбинаций пластин, решеток и т. д.), а также внедрения в практику промышленной газоочистки нового поколения реакторов низкотемпературной фотокаталитической очистки газов.

Инженерный расчет аппаратов каталитической очистки газов может основываться на различных подходах к описанию процессов массообмена, происходящих в реакторах.

Так, при определении основных характеристик контактного узла в термокаталитических реакторах исходят из того, что процесс очистки протекает главным образом в диффузионной области, в силу чего для расчета степени превращения реагентов можно использовать уравнение Викке [70], а для расчета коэффициента диффузии — уравнения Е. Н. Фуллера, П. П. Шеттлера и Д. К. Гиддингса. Коэффициент массопередачи рассчитывают из критериальных уравнений.

Для определения сопротивления слоя катализатора удовлетворительно коррелируется формула Эргана. Что касается потерь давления в рекуператоре, то для их определения применяют известные методики, используемые при расчетах теплотехнического оборудования. Последние распространяются и на процедуру определения конструктивных характеристик рекуператоров тепла, входящих в установки термокаталитической очистки газов.

В качестве критерия оптимизации рекомендуется принимать переменную часть эксплуатационных затрат: на топливо, катализатор, энергию, преодоление гидравлического сопротивления в аппарате, содержание и ремонт реактора (амортизационные отчисления).

В связи с тем, что на начальных стадиях проектирования аппаратуры практически невозможно прогнозировать весь комплекс конструктивных и режимных параметров, можно ограничиться поэтапной оптимизацией контактного узла и рекуператора тепла. Например, оптимальную поверхность последнего определяют по наименьшей сумме приведенных затрат на нагрев годовых выбросов до рабочей температуры контактирования, преодоление гидравлического сопротивления в рекуператоре и амортизацию.

Приведенные затраты (коп/1000 м3) на нагрев:

ПЗТ = 11 000РвС (, ср (1Р _/")(]_ О) uj/q. (4.37)

где ро — плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м*; сРср—теплоемкость воздуха при средней температуре, Дж/(кг-К); 'о — начальная температура газовых выбросов, «С; fP — рабочая температура, °С; G— коэффициент рекуперации тепла; Цг —цена топлива, коп/м3; Q — теплотворная способность топлива, Дж/м3,

Приведенные затраты на преодоление гидравлического сопротивления:

ПЗэ = (ДРТ + ДРМ) НУ (3600ц,), (4.38)

где ДРТ, ДР" — гидравлическое сопротивление трубного и межтрубного пространства соответственно, Па; Цэ — иена электроэнергии, коп/кВт.; т|в — КПД вентилятора.

Приведенные затраты на содержание рекуператора п ремонт:

ПЗр= GQFXf (U + E)/(Ко-Ю-Т). (4.39)

где F — поверхность теплообмена рекуператора, м!; Цр — цена единицы поверхности теплообмена, руб/м!; U — нормативный срок окупаемости, год-1; Е — коэффициент амортизационных отчислений, год-1; Ve —объемный расход газов, м*/ч; 7 — число часов работы аппарата в год, ч/год.

По вычисленным при различных заданных степенях рекуперации тепла приведенным затратам ПЗТ, П33 и ПЗР строят график зависимости суммы затрат и по ее минимуму определяют оптимальный коэффициент рекуперации тепла и теплообменную поверхность.

Аналогичным образом при различных температурах перед слоем катализатора определяют приведенные затраты, отнесенные к контактному узлу, включающие затраты на нагрев газов, преодоление гидравлического сопротивления слоя катализатора, а также затраты па катализатор. Последние рассчитывают из соотношения;

ПЗк = УкРкЦК' 100/ (V 10-ЗшГ), (4.40)

где VK — объем катализатора, м3; рк — насыпная плотность катализатора, кг/м3; Цк — цена катализатора, руб/кг; Vo — объемный расход газовых выбросов, м3/ч; (о — срок службы катализатора, годы.

Несколько иной подход к определению оптимальных параметров узла контактирования полочных реакторов каталитической очистки газов содержится в [71], где эта задача решается методом неопределенных множителей Лагранжа.

ГЛАВА 4. СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ СМОЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ

каталитическая очистка газ вещество Изобретение относится к аппаратам для очистки от токсичных веществ выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в транспортных средствах, а также в стационарных силовых установках, включающих двигатели внутреннего сгорания, в том числе газовые турбины.

Изобретение предназначено для защиты атмосферы от загрязнения выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и решает важную экологическую задачу.

Известен каталитический газоочиститель. Недостаток этого газоочистителя состоит в малой удельной поверхности катализатора и как следствие в недостаточной степени очистки выхлопных газов от токсичных веществ. Наиболее близким по технической сущности к заявленному очистителю является реактор каталитической нейтрализации выхлопных газов прототип. Недостаток реактора по прототипу состоит в том, что в условиях переменных температур, обусловленных режимом работы двигателя, носитель катализатора растрескивается, а образующаяся пыль частично оседает на гранулах катализатора, увеличивая его аэродинамическое сопротивление и диактивируя поверхность.

Тем самым ограничивается срок службы и ухудшаются эксплуатационные свойства катализатора по прототипу.

Цель изобретения состоит в улучшении эксплуатационных свойств очистителя выхлопных газов путем повышения долговечности носителя катализатора. Указанная цель достигается тем, что в очистителе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания от токсичных веществ, содержащем корпус с патрубками для входа и выхода выхлопных газов, внутри которого размещен пакет каталитических элементов, последние выполнены из пористых металлов со сквозными порами диаметром 0,5−5,0 мм, с удельной поверхностью 0,5−50 м2/г, причем на поверхность металлов нанесено каталитически активное покрытие, а в пакете последовательно установлено 1−20 каталитических элементов на расстоянии 0−40 мм друг от друга так, чтобы суммарное аэродинамическое сопротивление пакета составляло 100−500 мм в.с. (10−50 кПа).

В частном случае носитель катализатора выполнен из металлов: никеля, кобальта, меди, железа, хрома или их сплавов. Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью изобретения заключается в том, что:

выхлопные газы двигателя с температурой 100−800oC поступают через выхлопной патрубок в корпус очистителя и затем в размещенный внутри него пакет каталитических элементов;

выхлопные газы омывают поверхность каталитических элементов, проходят через сквозные поры в них, благодаря чему происходит выравнивание температуры по сечению потока выхлопных газов и их контактированию с катализатором, чем обеспечивается очистка выхлопных газов от токсичных компонентов;

благодаря высокой удельной поверхности каталитических элементов происходит интенсивный тепломассообмен между выхлопными газами и катализатором, причем избыточное тепло, выделяющееся в окислительных процессах, протекающих на поверхности катализатора, отводится пористым металлом носителя, а его температура стабилизируется на уровне, обеспечивающем механическую прочность.

Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков изобретения позволяет улучшить эксплуатационные свойства очистителя выхлопных газов, поскольку обеспечивает необходимую долговечность каталитических элементов при воздействии переменных температур и напоров выхлопных газов во всем диапазоне рабочих режимов двигателя, т. е. достичь поставленной цели.

Наличие отмеченных отличительных признаков по сравнению с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «новизна». Отличительные признаки газоочистителя, согласно изобретению, состоят в следующем:

каталитические элементы выполнены из пористого металла со сквозными порами диаметром 0,5−5,0 мм, толщиной 2,0−20 мм с удельной поверхностью 0,5−50 м2/г;

количество каталитических элементов в камере 1−20, установленных на расстоянии 0−40 мм друг от друга так, чтобы аэродинамическое сопротивление пакета составляло 100−500 мм в.c. (10−50 кПа). Достижение цели изобретения при работе очистителя выхлопных газов обеспечивается сочетанием указанных отличительных признаков с упомянутыми выше известными признаками по прототипу. Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень» .

На фиг. 1 изображена конструктивная схема очистителя выхлопных газов с плоскими каталитическими элементами; на фиг.2 — конструктивная схема очистителя выхлопных газов с коническими элементами. Обозначения на чертежах: 1 — корпус очистителя, 2 — пакет каталитических элементов, 3 — вставка, 4 — каталитический элемент, А — вход выхлопных газов, Б — выход выхлопных газов.

Очиститель выхлопных газов состоит из корпуса 1, внутри которого размещен пакет каталитических элементов 2, фиксируемый относительно корпуса вставкой 3. Пакет 2 оснащен выполненными из пористого металла с каталитически активным покрытием элементами 4. В пакете 2 1 — 20 элементов 4, жестко пространственно фиксированных последовательно друг за другом на расстоянии 0−40 мм так, что их суммарное аэродинамическое сопротивление составляет 100−500 мм в.c. (10−50 кПа). В частном случае (фиг.1) элементы 4 могут быть плоскими и устанавливаться, касаясь друг друга, или коническими (фиг. 2).

Во всех случаях каталитические элементы 4 выполнены из пористых металлов: никеля, кобальта, меди, железа, хрома или их сплавов. Металлы имеют сквозные поры диаметром 0,5−5,0 мм при удельной поверхности 0,5−50 м2/г.

Очиститель выхлопных газов работает следующим образом. Выхлопные газы с температурой 100−800oC поступают через входной патрубок внутрь корпуса 1, где проходят через пакет каталитических элементов 2, фиксируемый относительно корпуса 1 вставкой 3. При этом каталитические элементы 4 нагреваются до той же температуры, что обеспечивает протекание на их поверхности окислительно-восстановительных процессов в выхлопных газах, приводящих к их очистке от токсичных компонентов. Полнота очистки выхлопных газов обеспечивается указанной в изобретении удельной поверхностью каталитических элементов, их температурой и надлежащим выбором времени контакта между ними и выхлопными газами. Выхлопные газы, очищенные от токсичных компонентов, покидают корпус 1 очистителя через выходной патрубок и направляются в выхлопную трубу. Положительный эффект от внедрения очистителя, согласно изобретению, по сравнению с прототипом состоит в том, что благодаря улучшению эксплутационных свойств и упрощению конструкции очистителя расширяется область применения очистителя, что позволяет получить значительный экологический и экономический эффект; конструкция очистителя позволяет его миниатюризировать, уменьшить размеры и массу, особенно массу катализатора, что позволяет уменьшить затраты на его изготовление и упрощает его монтаж на действующих двигателях внутреннего сгорания.

Таким образом, изобретение позволяет решить техническую задачу, состоящую в улучшении эксплуатационных свойств очистителя выхлопных газов путем повышения долговечности носителя катализатора. Формула изобретения: 1. Очиститель выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания от токсичных веществ, содержащий корпус с патрубками для входа и выхода выхлопных газов, внутри которого размещен пакет каталитических элементов, отличающийся тем, что последние выполнены из пористых металлов со сквозными порами диаметром 0,5 — 5,0 мм, с удельной поверхностью 0,5 — 50,0 м2/г, причем на поверхность металлов нанесено каталитически активное покрытие, а в пакете последовательно установлено 1 — 20 каталитических элементов на расстоянии 0 — 40 мм друг от друга так, чтобы суммарное аэродинамическое сопротивление пакета составляло 100 — 500 мм в.с. (10 — 50 кПа). 2. Очиститель по п. 1, отличающийся тем, что размещенные внутри него каталитические элементы выполнены из металлов: никеля, кобальта, меди, железа, хрома или их сплавов.

ГЛАВА 5. РЕАКТОР С АКСИАЛЬНЫМ ВВОДОМ СЫРЬЯ И ВНУТРЕННЕЙ ФУТЕРОВКОЙ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

Внутреннее устройство реакторов, применяемых в настоящее время, не сложное. На рис. 1 приведена конструкция реактор с аксиальным вводом сырья и футеровкой широко зарекомендовавшая себя на практике. Каждый реактор включает в себя такие общие конструктивные детали, как корпус, днище, штуцеры для ввода и вывода сырья и продуктов реакции, распределитель, опорную решетку, катализатор п фарфоровые шарики, многозонную термопару, футеровочный слой и опорное кольцо. Сырье подается в реактор через верхний штуцер и распределитель, который обеспечивает равномерное распределение парогазового потока в верхнем пустотелом пространстве реактора. Затем поток проходит через слой фарфоровых шариков, которые предназначаются для более равномерного распределения потока по слою катализатора. Диаметр шариков может меняться, но обычно применяются шарики диаметром 16—20 мм. Пройдя слой катализатора, продукты реакции удаляются по центральной трубе через верхний боковой штуцер.

Опорная решетка служит для удержания фарфоровых шариков и катализатора. Обычно для лучшего распределения сырья и продуктов реакции на опорной решетке размещают три слоя фарфоровых шариков диаметром 20; 13 и б мм и далее укладывается катализатор. Нижнее днище реактора имеет люк, диаметром 500 мм, который используется при ревизии и ремонтах, два люка диаметром 175 мм для выгрузки катализатора, штуцер для отбора проб. Для замера и контроля температуры в слое катализатора в реакторе устанавливают три многозонных термопары, которые вводятся в слой через штуцер диаметром 50 мм.

Опорное кольцо предназначено для крепления аппарата на строительных инструкциях.

Корпус реакторов подобного типа изготовлен из стали марок 22К. или 09Г2ДТ и покрыт изнутри жароупорной торкрет-бетонной футеровкой, толщина которой обычно составляет 150 мм. Штуцеры изготавливают из низколегированных хромомолибденовых сталей 12ХМ, 12МХ, устойчивых при повышенных температурах в среде водородсодержащпх газов.

Внутренние детали реакторов выполнены из нержавеющей стали ЭИ496 или из стали Х5М.

Рис. 1. Футерованный реактор с аксиальным вводом сырья

1 — штуцер вводя сырья; 2 — распределитель; 3 -штуцер вывода продуктов реакции; 4 —корпус; 5 — наружная термопара; 6 — опорное кольцо; 7 — днище; 8 — люк для выгрузки катализатора; 9 — легкий шамот; 10 — люк; 11 — штуцер дли эжекции газов; 12 — опорная решетка; 13. 14. 15 — фарфоровые шарики; 16 — катализатор: 17 — футеровка; 19 — штуцер для термопары.

Реактор с радиальным вводом сырья и внутренней футеровкой. Реакторы данного типа отличаются от реакторов с аксиальным вводом сырья тем, что газосырьевая смесь проходит через слой катализатора в радиальном направлении. Как было указано выше, такое конструктивное решение позволяет значительно снизить гидравлическое сопротивление, уменьшить вероятность засорения катализатора продуктами коррозии. Реактор, показанный на рис. 2, применяется на установках типа ЛЧ-35−11/600 и включает в себя общие для этого типа аппаратов детали: корпус, днище, штуцеры для ввода и вывода сырья и продуктов реакции, штуцеры для термопары, выгрузки катализатора и отбора проб, футеровку и опорное кольцо. Внутреннее устройство отличается от реакторов с аксиальным вводом тем, что катализатор размещается во внутреннем перфорированном стакане, а между футеровкой и стаканом существует кольцевой зазор. Газосырьевая смесь по кольцевому зазору проходит через слой катализатора и выводится через центральную перфорированную трубу. Материальное исполнение, типы катализаторов, футеровки и шарика реакторов подобного типа такие же, как у реакторов с аксиальным вводом сырья.

Рис. 2. Реактор каталитического риформинга с радиальным вводом газосырьевой смеси

1 — штуцер ввода сырья; 2 — футероика; 3 — поверхностные термопары; 4 — корпус; 5 — многозонная термопара; 6 — фарфоровые шарики; 7 — штуцер вывода продуктов реакции; 8 — катализатор.

Рис. 3. Монометаллический реактор с радиальным вводом:

1 — штуцер ввода сырья; 2 — штуцер для термопары; 3 — распределитель; 4 — центральная труба; 5 — корпус; 6 — опора; 7 — катализатор; 8 — штуцер для выгрузки катализатора; 9 — штуцер выхода продуктов; 10, 11 — фарфоровые шарики.

Реакторы без футеровки. Конструктивно реакторы этого типа отличаются от реакторов с радиальным вводом сырья только отсутствием футеровочного слоя и материальным исполнением корпуса и штуцеров для ввода и вывода сырья. Конструкция и материальное оформление внутренних устройств особых отличий не имеют.

На рис. 3 представлена конструкция реактора без футеровки, предназначенного для установки каталитического риформинга ЛЧ-35−11/1000. Корпус реактора выполнен из стали типа 1Х2М1, штуцеры для ввода и вывода сырья — из стали 1Х2М1.

Эльтермап В. М. Охрана окружающей среды на химических и нефтехимических предприятиях. М.: Химия, 1985. 160 с, Лейкан И. И. Рассеивание вентиляционных выбросов химических предприятий. М.: Хнмня, 1982. 224 с.

Перегуд Е. А. Санитарно-химическин контроль воздушной среды. Л.: Химия, 197S. 336 с.

Наркевич И. П., Печковский В. В. Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ, М,; Химия, 1984, 240 с.

Экологические проблемы химического предприятия/О. Г. Воробьев, О. С. Балабеков, Ш, М. Молдабеков, Б. Ф. Уфимцев. Алма-Ата: Казахстан, 1984. 172 с.

С. Калверт, М. Треиюу и др. Защита атмосферы от промышленных загрязнении/Под ред. С, Калверта и Г. М. Инглунда. В 2-х т. М.: Металлургия, 1988, 1470 с, Техника защиты окружающей среды/Н. С, Торочешников, А. И. Родионов, Н. В. Кедьцев, В. Н. Клушин. М.: Химия, 1981. 368 с, Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. М.; Высшая школа, 1988. 272 с.

Ужов В. Н., Вальдберг А. Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М: Химия, 1972, 248 с.

Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М: Химия, 1981. 616 с.

Быстрое Г. А., Гслыгерин В. М" Титов Б. И. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л,; Химия, 1982. 264 с.

Т. А. Семенова, И. Л. Лейтес, Ю. В. Аксельрод и др. Очистка технологических газов/Под ред. Т. А. Семеновой. М; Химия, 1977. 488 с.

Кузнецов И. Е., Троицкая Т. М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. М.: Химия, 1979. 344 с.

Алтыбаев М. А. Разработка и внедрение хемосорбционной очистки промышленных газов от сернистых и фосфорных соединений в псевдоожиженном слое с утилизацией продуктов очистки: Дне. … д-ра техн. наук, Ташкент, 1989. 406 с.

Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрекий/Э. Я. Тарат, О. Г, Воробьев, О. С. Балабеков, В. И. Быков, О. Г. Ковалев/Под ред. Э. Я. Тарата. Л.: Химия, 1979. 208 с.

А. А. Соколовский, Т. И, Унанянц. Краткий справочник по минеральным удобрениям, —М.: Химия, 1977. 376 с.

Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений/ И. П. Мухленов, О. С. Ковалев, А. Ф. Туболкин, О. С. Балабеков и др./ Под ред. И. П. Мухленова и О. С. Ковалева. М.: Химия, 1987. 208 с.

Бесков С. Д. Технохимические расчеты. М.: Высшая школа, 1966. 520 с.

Коузов П. А., Малыгин А. Д., Скрябин Г. М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л: Химия, 1982. 256 с.