ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Каталитические процессы очистки газовых выбросов

Термоокисление газообразных загрязнителей может происходить в га­зовой фазе (в объеме) или на границе раздела фаз (на поверхности). Для организации процесса окисления на границе раздела фаз используют ката­лизаторы - конденсированные вещества, способные за счет активности по­верхностных частиц ускорять процесс окисления того или иного загрязни­теля при температурах ниже температуры воспламенения.

Каталитическое обезвреживание газовых выбросов используют обыч­но тогда, когда содержание горючих органических продуктов в отходящих газах мало, и не выгодно использовать для их обезвреживания метод пря­мого сжигания. В этом случае процесс протекает при 200...300°С, что зна­чительно меньше температуры, требуемой для полного обезвреживания при прямом сжигании в печах и равной 950.. ,1100°С.

Щелочные материалы и их соединения, нанесенные на различные но­сители (например, оксиды металлов), часто оказываются более эффектив­ными и надежными, а также гораздо более дешевыми, чем катализаторы из благородных металлов. На таких катализаторах реакция окисления начи­нается при невысоких температурах (около 200°С), что значительно повы­шает возможность их использования для каталитического сжигания газов. В качестве носителя катализатора рекомендуются оксид алюминия, ки­зельгур и силикаты.

Каталитические методы очистки газов основаны на гетерогенном ка­тализе и служат для превращения примесей в безвредные или легко уда­ляемые соединения. Суть каталитических процессов газоочистки заключа­ется в реализации химических взаимодействий, приводящих к конверсии обезвреживаемых примесей в другие продукты в присутствии специаль­ных катализаторов. Катализаторы 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 газовой смеси и поверхности катализа­тора. Катализатор 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 и вос­станавливающие поверхность катализатора. Схема этого процесса для га­зовой реакции А + В ^ С в присутствии катализатора K может быть пред­ставлен в виде:

А + В + К ^ К[АВ]; К[АВС + К, (5.1)

Где К[АВ]- активированное промежуточное соединение на поверхности ка­тализатора.

Изменение пути химического взаимодействия в присутствии катали­затора приводит к понижению его энергии активации, что выражается в ускоряющем действии катализатора. Это следует из уравнения Аррениуса: к = к0 • exp(-E/RT), (5.2)

Где k - константа скорости реакции; k0 - предэкспоненциальный множи­тель; Е - энергия активации; R - газовая постоянная; Т- абсолютная темпе­ратура.

Ускоряющее действие катализатора выражают его активностью А, ха­рактеризующей отношение констант скоростей реакций, происходящих с участием катализатора кк и без него:

A = кк/к = [к0 exp(EK/RT)]exp(E/RT)/k0 = exp(AE/RT), (5.3)

Где АЕ = Е - Ек - энергия активации реакции в присутствии катализатора. Активность катализатора 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.

Особенность процессов каталитической очистки газов заключается в том, что они протекают при малых концентрациях удаляемых примесей. Основным достоинством каталитического метода очистки газов является то, что он дает высокую степень очистки, а недостатком - образование но­вых веществ, которые надо удалять из газа абсорбцией или адсорбцией.

Оценка активности катализатора в различных условиях проведения процеса каталитического превращения может быть выражена отношением количества образующихся в единицу времени продуктов Gn к объему V, массе Gk, работающей поверхности S катализатора:

А = Gn/V; A = Gn / Gk; A = Gn / S. (5.4)

В процессе эксплуатации катализаторов они в той или иной степени подвергаются постепенной дезактивации или деструкции, которые вызы­ваются химическими отравлениями, каталитическими ядами, механиче­ским истиранием, спеканием, агрегатированием, что приводит к необхо­димости периодической регенерации (активации) или замены катализато­ров.

Катализаторы должны обладать высокой активностью и теплопрово - димостью, развитой пористой структурой, стойкостью к ядам, механиче­ской прочностью, селективностью, термостойкостью, иметь низкие темпе­ратуры «зажигания», обладать низким гидравлическим сопротивлением, иметь низкую стоимость.

В процессах санитарной каталитической очистки отходящих газов вы­сокой активностью обладают катализаторы на основе благородных метал­лов (платина, палладий, серебро и др.), оксидов марганца, меди, кобальта, а также оксидные контактные массы, активированные благородными ме­таллами (1,0.1,5%).