Какие существуют термохимические способы обезвреживания газовых выбросов
При рассмотрении возможности и целесообразности термического обезвреживания необходимо учитывать характер образующихся продуктов горения. Продукты сжигания газов, содержащих соединения серы, галогенов, фосфора, могут превосходить по токсичности исходный газовый выброс. В этом случае необходима дополнительная очистка.
Термическое дожигание весьма эффективно при обезвреживании многокомпонентных высококонцентрированных газов, содержащих токсичные вещества в виде твердых включений органического происхождения (сажа, частицы углерода, древесная пыль и т. д.).
Важнейшими факторами, определяющими целесообразность термического обезвреживания, являются затраты энергии (топлива) для обеспечения высоких температур в зоне реакции, калорийность обезвреживаемых примесей, возможность предварительного подогрева очищаемых газов. Повышение концентрации дожигаемых примесей ведет к значительному снижению расходов топлива. В отдельных случаях процесс может протекать в автотермическом режиме, т. е. рабочий режим поддерживается только за счет тепла реакции глубокого окисления вредных примесей и предварительного подогрева исходной смеси отходящими обезвреженными газами.
Существует несколько различных систем термического обезвреживания, отличающихся друг от друга температурой процесса, гидродинамическими условиями в зоне реакции и временем пребывания газов в реакционной зоне.
Различают камерные печи, печи с циклонным движением газов, регенеративные установки термического обезвреживания, аппараты со струйным смешением, системы обезвреживания в технологических аппаратах (например, в котлах).
Камерные печи — одни из первых промышленных аппаратов термоочистки. обычно рабочее пространство печи делится на две камеры: камеру горения вводимого в систему топлива и камеру смешения, куда вводится очищаемый воздух. Гидродинамические условия в указанных зонах печей существенно отличаются, и поэтому требуется специальное перемешивание потоков. Время пребывания газов в камере смешения составляет 3-5 с, удельный расход тепла на обезвреживание 270-280 ккал/м 3 очищаемого газа.
В настоящее время более распространены печи термического обезвреживания с использованием циклонного принципа движения газов. Циклонный принцип обеспечивает интенсивное перемешивание потоков и, как следствие, эффективное дожигание при меньших (0,1-0,5 с), чем в камерных печах, временах пребывания газов в реакционной
Источник
Термохимическое обезвреживание газообразных выбросов
Очистка промышленных газообразных выбросов, содержащих токсичные вещества, в настоящее время является непременным требованием во всех производствах.
Помимо механических, физико-химических и химических методов очистки газов широко применяют термические методы. Примерный состав продуктов, находящихся в промышленных газообразных выбросах, приведен в табл. 3.2.
Методы сжигания вредных примесей, способных окисляться, находят все большее применение для очистки дренажных и вентиляционных выбросов. Эти методы выгодно отличаются от других (например, мокрой очистки в скрубберах) более высокой степенью очистки, отсутствием в большинстве случаев коррозионных сред и исключением сточных вод. Как правило, примеси сжигают в камерных топках с использованием газообразного или жидкого топлива. Иногда на практике представляется возможным окислять органические вещества, находящиеся в газовых выбросах, на поверхности катализатора, что дает возможность понизить температуру процесса.
Состав отходящих газов по отраслям промышленности
| Вид производства | Химический состав газообразныхотходов |
| Переработка нефти | Меркаптаны, сероводород, аммиак, органические соединения азота, оксид углерода |
| Производство газа из каменного угля | Соединения серы (сероводород, серо-углерод, тиофен, тиолы, серооксид углерода) |
| Переработка природного газа | Сероводород, меркаптаны |
| Производство кислот и щелочей | Кислородные соединения азота и серы |
| Производство минеральных и органических удобрений | Аммиак, соединения серы, фтористый водород, меркаптаны, триметиламин и др. |
| Химические заводы (по производству смол, лаков, пластмасс, жиров, масел и т.д.) | Формальдегид, амины, амиды, растворители, соединения серы, ацетилен, фенол и др. |
| Фармацевтические заводы, пиво-варенные заводы, процессы сбраживания | Амины, восстановленные соединения серы, фурфурол, метанол |
| Текстильные и бумажные фабрики | Мочевина, продукты распада крахмала, диметилсульфид |
Большое распространение для уничтожения токсичных веществ в отходящих газах получили установки факельного сжигания. К факельным установкам предъявляются высокие требования в отношении обеспечения безопасной и надежной работы в условиях пожаро- и взрывоопасности химических производств.
Химические реакции между ингредиентами газовых выбросов, которые в обычных условиях практически незаметны, значительно ускоряются с повышением температуры. Система, содержащая токсичные вещества, может
быть обезврежена посредством термообработки, если реакции, происходящие в ней, приведут к образованию менее токсичных компонентов.
По типу происходящих реакций методы термообезвреживания можно разделить на восстановительные и окислительные. Термовосстановительные
методы специфичны и разрабатываются индивидуально для каждого конкретного загрязнителя. Из них к настоящему времени в технике газоочистки нашли применение способы термохимического (с использованием аммиака) и термокаталитического восстановления NOх до N2, термокаталитического восстановления SO2 до S2 некоторые другие.
Из всех термоокислительных процессов для термообезвреживания пригодны исключительно реакции с кислородом, поскольку при участии иных окислителей принципиально невозможно получить безвредные продукты окисления. Поэтому далее под термином «окисление» подразумевается процесс, окислителем в котором служит кислород.
Термоокисление газообразных загрязнителей может происходить в газовой фазе (в объеме) или на границе раздела фаз (на поверхности). Газофазный процесс осуществляют непосредственной огневой обработкой (сжиганием в пламени) газовых выбросов при температурах, превышающих температуру воспламенения горючих компонентов выбросов. 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.
Термоокислительные методы менее специфичны, чем термовосстановительные, однако и они не универсальны.
Возможности термоокислительного метода обезвреживания ограничиваются также количеством отбросных газов и содержанием в них горючих компонентов. Если концентрация горючих компонентов выбросов не достигает нижнего предела воспламенения («бедные» горючим выбросы), то их огневая обработка требует дополнительного расхода топлива на прогрев выбросов до температуры самовоспламенения, которая для паров углеводородов составляет около 500. 750°С. Температурный уровень процесса термокаталитического окисления несколько ниже (обычно 350. 500°С), что также требует соответствующих затрат топлива.
Степень нейтрализации обезвреженных газовых выбросов:
(3.95)
где Фвх и Фух — суммарная токсичность подлежащих нейтрализации и нейтрализированных газовых выбросов.
Источник
Какие существуют термохимические способы обезвреживания газовых выбросов
Название: Технология защиты окружающей среды — Ветошкин А.Г.
Рейтинг: 
3.3. Термохимическое обезвреживание газообразных выбросов
Очистка промышленных газообразных выбросов, содержащих токсичные вещества, в настоящее время является непременным требованием во всех производствах.
Помимо механических, физико-химических и химических методов очи- стки газов широко применяют термические методы. Примерный состав про- дуктов, находящихся в промышленных газообразных выбросах, приведен в табл. 3.2.
Методы сжигания вредных примесей, способных окисляться, находят все большее применение для очистки дренажных и вентиляционных выбросов. Эти методы выгодно отличаются от других (например, мокрой очистки в скрубберах) более высокой степенью очистки, отсутствием в большинстве случаев коррозионных сред и исключением сточных вод. Как правило, при- меси сжигают в камерных топках с использованием газообразного или жид- кого топлива. Иногда на практике представляется возможным окислять орга- нические вещества, находящиеся в газовых выбросах, на поверхности ката- лизатора, что дает возможность понизить температуру процесса.
Состав отходящих газов по отраслям промышленности
Химический состав газообразных отходов
Меркаптаны, сероводород, аммиак, ор- ганические соединения азота, оксид углерода
Производство газа из каменного угля
Соединения серы (сероводород, серо- углерод, тиофен, тиолы, серооксид уг- лерода)
Переработка природного газа
Производство кислот и щелочей
Кислородные соединения азота и серы
Производство минеральных и ор-
Аммиак, соединения серы, фтористый водород, меркаптаны, триметиламин и др.
Химические заводы (по производ- ству смол, лаков, пластмасс, жи- ров, масел и т.д.)
Формальдегид, амины, амиды, раство- рители, соединения серы, ацетилен, фенол и др.
Фармацевтические заводы, пиво- варенные заводы, процессы сбра- живания
Амины, восстановленные соединения серы, фурфурол, метанол
Текстильные и бумажные фабри-
Мочевина, продукты распада крахма-
Большое распространение для уничтожения токсичных веществ в отхо- дящих газах получили установки факельного сжигания. К факельным уста- новкам предъявляются высокие требования в отношении обеспечения безо- пасной и надежной работы в условиях пожаро- и взрывоопасности химиче- ских производств.
Химические реакции между ингредиентами газовых выбросов, которые в обычных условиях практически незаметны, значительно ускоряются с повы- шением температуры. Система, содержащая токсичные вещества, может быть обезврежена посредством термообработки, если реакции, происходя- щие в ней, приведут к образованию менее токсичных компонентов.
По типу происходящих реакций методы термообезвреживания можно разделить на восстановительные и окислительные. Термовосстановительные методы специфичны и разрабатываются индивидуально для каждого кон- кретного загрязнителя. Из них к настоящему времени в технике газоочистки нашли применение способы термохимического (с использованием аммиака)
и термокаталитического восстановления NOх до N2, термокаталитического восстановления SO2 до S2 некоторые другие.
Из всех термоокислительных процессов для термообезвреживания при- годны исключительно реакции с кислородом, поскольку при участии иных окислителей принципиально невозможно получить безвредные продукты окисления. Поэтому далее под термином «окисление» подразумевается про- цесс, окислителем в котором служит кислород.
Термоокисление газообразных загрязнителей может происходить в газо-
вой фазе (в объеме) или на границе раздела фаз (на поверхности). Газофаз-
ный процесс осуществляют непосредственной огневой обработкой (сжигани-
ем в пламени) газовых выбросов при температурах, превышающих темпера-
туру воспламенения горючих компонентов выбросов. Для организации про-
цесса окисления на границе раздела фаз используют катализаторы — конден-
сированные вещества, способные за счет активности поверхностных частиц
ускорять процесс окисления того или иного загрязнителя при температурах
ниже температуры воспламенения.
Термоокислительные методы менее специфичны, чем термовосстанови-
тельные, однако и они не универсальны.
Возможности термоокислительного метода обезвреживания ограничи-
ваются также количеством отбросных газов и содержанием в них горючих
компонентов. Если концентрация горючих компонентов выбросов не дости-
гает нижнего предела воспламенения («бедные» горючим выбросы), то их ог-
невая обработка требует дополнительного расхода топлива на прогрев вы-
бросов до температуры самовоспламенения, которая для паров углеводоро-
дов составляет около 500. 750°С. Температурный уровень процесса термока-
талитического окисления несколько ниже (обычно 350. 500°С), что также
требует соответствующих затрат топлива.
Степень нейтрализации обезвреженных газовых выбросов:
где Фвх и Фух — суммарная токсичность подлежащих нейтрализации и нейтра-
лизированных газовых выбросов.
3.3.1. Каталитические методы очистки газовых выбросов
Каталитические методы очистки основаны на взаимодействии удаляе- мых веществ с вводимым в очищаемую газовую среду веществом в присут- ствии катализатора. В результате реакций находящиеся в газе примеси пре- вращаются в другие соединения, представляющие меньшую опасность, или легко отделяются от газа.
Каталитическая очистка позволяет обезвреживать оксиды азота, оксид углерода, другие вредные газовые загрязнения. Благодаря применению ката- лизаторов можно достичь высокой степени счистки газа, достигающей в ряде
случаев 99,9 %. Каталитическая очистка применяется в основном при не-
большой концентрации удаляемого компонента в очищаемом газе.
Каталитическое термообезвреживание 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. При температуре 100…150°С процессы рас-
сматриваются как необратимые, что позволяет получать газ с весьма низким
Щелочные материалы и их соединения, нанесенные на различные носи-
тели (например, оксиды металлов), часто оказываются более эффективными
и надежными, а также гораздо более дешевыми, чем катализаторы из благо-
родных металлов. На таких катализаторах реакция окисления начинается при
невысоких температурах (около 200°С), что значительно повышает возмож-
ность их использования для каталитического сжигания газов. В качестве но-
сителя катализатора рекомендуются оксид алюминия, кизельгур и силикаты.
Каталитические методы очистки газов основаны на гетерогенном ката-
лизе и служат для превращения примесей в безвредные или легко удаляемые
соединения. Суть каталитических процессов газоочистки заключается в реа-
лизации химических взаимодействий, приводящих к конверсии обезврежи-
ваемых примесей в другие продукты в присутствии специальных катализато-
ров. Катализаторы не вызывают изменения энергетического уровня молекул
взаимодействующих веществ и смещения равновесия простых реакций. Их
роль сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Катали-
тические взаимодействия в гетерогенном катализе происходят на границе
раздела фаз газовой смеси и поверхности катализатора. Катализатор обеспе-
чивает взаимодействие на его поверхности конвертируемых веществ с обра-
зованием активированных комплексов в виде промежуточных поверхност-
ных соединений катализатора и реагирующих веществ, формирующих затем
продукты катализа, освобождающие и восстанавливающие поверхность ка-
тализатора. Схема этого процесса для газовой реакции А + В → С
ствии катализатора K может быть представлен в виде:
K [АB] → C + K , (3.96)
где K[АВ]- активированное промежуточное соединение на поверхности ката-
Изменение пути химического взаимодействия в присутствии катализа-
тора приводит к понижению его энергии активации, что выражается в уско-
ряющем действии катализатора. Это следует из уравнения Аррениуса:
k = k0 ⋅ exp(−E / RT ) , (3.97)
где k — константа скорости реакции; k0 — предэкспоненциальный множитель; Е
— энергия активации; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
Ускоряющее действие катализатора выражают его активностью А, ха- рактеризующей отношение констант скоростей реакций, происходящих с участием катализатора kк и без него:
A = kк/k = [k0/exp(Eк/R.T)]exp(E/R.T)/k0 = exp(ΔE/R.T), (3.98)
где ΔЕ = (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 превраще-
ния, структуры катализатора, содержания в нем промоторов, давления, объ-
емного 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. Ос-
новным достоинством каталитического метода очистки газов является то, что
он дает высокую степень очистки, а недостатком — образование новых ве-
ществ, которые надо удалять из газа абсорбцией или адсорбцией.
Оценка активности катализатора в различных условиях проведения про-
цеса каталитического превращения может быть выражена отношением коли-
чества образующихся в единицу времени продуктов Gп к объему V, массе Gк,
работающей поверхности S катализатора:
В процессе эксплуатации катализаторов они в той или иной степени подвергаются постепенной дезактивации или деструкции, которые вызыва- ются химическими отравлениями, каталитическими ядами, механическим ис- тиранием, спеканием, агрегатированием, что приводит к необходимости пе- риодической регенерации (активации) или замены катализаторов.
Катализаторы должны обладать высокой активностью и теплопроводи- мостью, развитой пористой структурой, стойкостью к ядам, механической прочностью, селективностью, термостойкостью, иметь низкие температуры
«зажигания», обладать низким гидравлическим сопротивлением, иметь низ-
В процессах санитарной каталитической очистки отходящих газов высо-
кой активностью обладают катализаторы на основе благородных металлов
(платина, палладий, серебро и др.), оксидов марганца, меди, кобальта, а так-
же оксидные контактные массы, активированные благородными металлами
Основные недостатки: обычно установки для каталитической очистки сложны, громоздки; в качестве эффективных катализаторов приходится при- менять дорогостоящие вещества — платину, палладий, рутений; используют
и более дешевые — никель, хром, медь, но они менее эффективны. В целом наблюдается тенденция расширения применения каталитической очистки.
Эти методы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
3.3.2. Теория процесса катализа
Роль катализаторов в технологических процессах исключительно вели- ка. С их участием осуществляются такие процессы, как производство серной кислоты, синтез аммиака, получение из угля жидкого топлива, переработка нефти и природного газа, синтез искусственного каучука, пластмасс, гидро- генизация жиров, ряд процессов в растительных и животных организмах, протекающих с применением биологических катализаторов (ферментов) и другие технологии.
Катализом называют изменение скорости реакции или возбуждение ее, происходящее под действием веществ (катализаторов), которые участвуют в процессе, но в нем не расходуются и к концу реакции остаются химически неизменными, хотя физически могут изменяться. Наличие катализаторов не отражается стехиометрическими уравнениями химических реакций.
Катализаторы в равной степени изменяют скорость прямой и обратной реакций, иногда в миллионы и большее число раз. Равная степень воздейст- вия на скорость прямой и обратной реакций обусловливает важнейшую осо- бенность катализаторов: они не изменяют состояния химического равнове- сия, константы равновесия, а лишь ускоряют или замедляют достижение ре- акцией ее равновесного состояния.
Увеличение скорости реакции называют положительным катализом или просто катализом, а замедление скорости — отрицательным катализом (ингибированием). Механизм действия ингибиторов отличен от действия ка- тализаторов.
Химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, полу- чили название каталитических. Из их числа выделяют автокаталитические (самоускоряющиеся) реакции, в которых роль катализаторов выполняют один или несколько продуктов реакции.
В свою очередь, на эффективность действия катализаторов зачастую влияют другие вещества (каталитические яды и промоторы).
Каталитические яды — это вещества, снижающие или полностью унич- тожающие активность катализаторов. К ним относятся, например, соедине- ния мышьяка, ртути, свинца, цианиды, отравляющие платиновые катализато- ры. В производственных условиях реагирующие вещества стараются очи- щать от каталитических ядов, а отравленные катализаторы регенерируют. Промоторы — вещества, усиливающие действие катализаторов. Напри-
мер, платиновые катализаторы промотируют добавками железа, алюминия и
Катализаторы могут обладать так называемым свойством специфично- сти. Специфичность катализатора состоит в том, что во многих случаях он избирательно увеличивает скорость только определенной реакции, не влияя заметно на скорость других, возможных в данной системе. Так, в зависимо- сти от типа катализатора, из этилового спирта при 300°С можно получить
воду и этилен (катализатор — оксид алюминия) или водород и уксусный аль-
дегид (катализатор — медный или никелевый):
C2H5OH → H2O + C2H4 ; (3.100)
C2H5OH → H2 + CH3CHO. (3.101)
Однако специфичность не является общим свойством катализаторов. Так, металлические Ni, Pd или Pt катализируют целый ряд реакций гидроге- низации и дегидрогенизации.
Различают два вида катализа: гомогенный (однородный) и гетерогенный
При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор обра-
зуют однофазную систему (жидкую или газовую). Примером гомогенного
катализа могут служить реакции горения водорода и оксида углерода, в ко-
торых роль катализаторов выполняют активированные частицы, а также ре-
акция окисления диоксида серы в присутствии диоксида азота в камерном и
башенном методах производства серной кислоты.
Установлено, что скорость химической реакции при гомогенном катали-
зе пропорциональна концентрации катализатора.
При гетерогенном катализе катализатор составляет самостоятельную
фазу (обычно твердую). Этот тип катализа получил очень широкое распро-
странение в промышленности. Большую часть продукции, вырабатываемой
химической и смежными отраслями промышленности, получают с помощью
гетерогенного катализа, как правило газового, т.е. когда ускоряются реакции
газовой фазы. Менее распространен гетерогенный катализ в жидкой фазе
Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности ката-
лизатора. Твердые катализаторы, которые наиболее распространены, чаще
всего выпускают в виде зерен, таблеток, гранул. Это в основном металлы и
их оксиды, например медь, серебро, платина, платиноиды, хром, молибден,
железо, никель, кобальт и др. Часто металлы используют в виде дисперсий на
Носители, или трегеры, представляют собой пористые, индифферент-
ные вещества, в качестве которых применяют пемзу, силикагель, каолин, ак-
тивированный уголь, алюмосиликаты и др. Носители увеличивают поверх-
ность катализатора, а также прочность контактов. Механическая прочность
катализаторов является их важнейшим свойством. В целом использование
носителя снижает себестоимость катализатора.
Действие катализаторов сводится к уменьшению энергии активации ре-
акции. Реакция разложения аммиака в отсутствие катализатора имеет энер-
гию активации 297400 Дж/моль, а при наличии ванадиевого катализатора —
только 163800 Дж/моль. Энергия активации процесса разложения оксида азо-
та без катализатора и с платиновым катализатором — соответственно 245700 и
Снижение энергии активации реакции в присутствии катализатора объ-
ясняется образованием промежуточных соединений (активированных ком-
плексов). Вначале катализатор и реагирующее вещество образуют промежу-
точное соединение, которое затем реагирует с другим исходным веществом,
давая конечные продукты реакции и высвобождая катализатор.
Промежуточное соединение в катализе — это не обычное устойчивое со-
единение, которое может быть выделено в чистом виде или существует в ви-
де отдельной фазы. Промежуточные соединения очень нестойки, с малым
периодом жизни, существуют только в процессе катализа. Их свойства резко
отличаются от свойств аналогичных соединений, образующих объемную фа-
зу. Схематично реакцию между исходными веществами А, В с участием ка-
тализатора K можно представить следующим образом:
A + K → AK; AK + B → C + D + K, (3.102)
где С и D — продукты реакции.
Одна частица катализатора многократно и с большой скоростью вступа-
ет во взаимодействие. Так, одна частица коллоидной платины в секунду мо-
жет разложить 100000 молекул Н2О2, а одна частица фермента каталазы раз-
лагает до 300000 молекул Н2О2.
Разработано значительное число теорий катализа. Наиболее многочис-
ленны теории гетерогенного катализа. Общим для них является представле-
ние, что реакция осуществляется в той или иной форме через образование
поверхностных промежуточных соединений. Это означает, что активность
катализатора зависит от таких свойств его поверхности, как величина, хими-
ческий состав, строение, состояние.
На поверхности раздела фаз в гетерогенном катализе могут протекать раз-
личные процессы: взаимодействие атомов кристаллической или аморфной
поверхности, адсорбированных частиц газообразных молекул с поверхно-
стью, взаимодействие адсорбированных молекул между собой и т.д.
Центральной проблемой теории катализа является создание катализаторов с
заранее заданными свойствами.
3.3.3. Кинетика реакций гетерогенного катализа.
Гетерогенное каталитическое превращение является сложным много- ступенчатым процессом, включающим диффузию исходных реагентов из яд- ра газового потока к поверхности гранул катализатора (внешняя диффузия), проникание этих веществ в порах катализатора к активным центрам его внутренней поверхности (внутренняя диффузия), активированную адсорб- цию продиффундировавших реагентов поверхностью катализатора с образо- ванием поверхностных химических соединений, химическое взаимодействие адсорбированных веществ c образованием новых продуктов, десорбцию про-
дуктов и их перенос к наружной поверхности гранул катализатора (внутрен- няя диффузия) и затем от этой поверхности в ядро газового потока (внешняя диффузия).
Во внешнедиффузионной области скорость реакции определяется ско-
ростью (dG A / dτ ) переноса компонента к поверхности зерен катализатора:
1 ⋅ dG A
где Fч — внешняя поверхность частицы катализатора; βг — коэффициент массо-
отдачи в газовой фазе; СА, СА*- концентрации компонента А в газовом потоке
и его равновесная концентрация на поверхности частицы катализатора.
Интенсивность или скорость каталитического превращения может быть
выражена через количество конвертируемой в единицу времени τ примеси GA
или количества образующегося в единицу времени продукта Gп каталитиче-
где k — константа скорости процесса; ΔС — движущая сила процесса, пред- ставляющая согласно закону действия масс произведение концентрацией реагирующих веществ.
Константа скорости каталитического превращения при данной темпе- ратуре является функцией констант скоростей прямой, обратной и побочной реакций, а также коэффициентов диффузии исходных реагентов и продуктов их взаимодействия. Скорость гетерогенного каталитического процесса опре- деляется относительными скоростями отдельных его стадий и лимитируется наиболее медленной из них.
Для внутридиффузионной области и реакции первого порядка суммар- ную скорость каталитического процесса находят, комбинируя уравнение массопередачи с уравнением диффузии и реакции внутри частицы:
1 ⋅ dG A
где Vч — объем частиц катализатора; k — константа скорости реакции, отнесен-
| |
ная к 1 м3 катализатора; ЭC
C A — средняя концентрация компо-
нента А внутри поры;
C п — максимально возможная концентрация компонен-
та А у поверхности катализатора;
C 0 — начальная концентрация компонента.
3.3.4. Высокотемпературное обезвреживание газовых выбросов
Огневой обработкой, как и термокаталитическим окислением, принци- пиально возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не содер- жат каких-либо других элементов, кроме водорода Н, углерода С и кислорода
О. Это следующие химические соединения: водород Н2, оксид углерода СО, углеводороды CmHn и кислородные производные углеводородов CmHnОp . По- средством сжигания возможно обезвреживание перечисленных веществ в га- зообразном, жидком и твердом состояниях, диспергированных или компакт- ных, а посредством термокаталитического окисления — только в газообраз- ном. Термокатализ неприемлем и для обработки газов (паров) высокомоле- кулярных и высококипящих соединений, которые, плохо испаряясь с катали- затора, коксуются и «отравляют» его, т.е. заполняют активную поверхность сажистыми продуктами неполного окисления.
Загрязнители, содержащие какие-либо элементы, кроме Н, С и О — серу
S, фосфор Р, галогены, металлы и др., нельзя подавать на термоокислитель-
ную обработку, так как продукты сгорания будут содержать высокотоксич-
ные соединения. В реальных условиях и при сжигании чисто органических
соединений не удается обеспечить абсолютно полное окисление исходных
компонентов до практически безвредных углекислого газа СО2 и паров воды
Н2O. В дымовых газах всегда присутствуют оксид углерода СО и другие
продукты химического недожога (неполного окисления). Кроме того, при по-
вышенных температурах заметно ускоряется реакция окисления азота, кото-
рый поступает в зону горения с топливом и воздухом. Некоторые оксиды
азота оказывают вредное воздействие на организм человека и окружающую
Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от лег-
ко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей. Их преиму-
ществами являются относительная простота аппаратурного оформления и
универсальность использования, т.к. на работу термических нейтрализаторов
мало влияет состав обрабатываемых газов.
Суть высокотемпературной очистки газов заключается в окислении
обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы практически
для обезвреживания любых паров и газов, продукты сжигания которых менее
токсичны, чем исходные вещества. Прямое сжигание используют в тех слу-
чаях, когда концентрация горючих веществах в отходящих газах не выходит
за пределы воспламенения.
При обработке горючих газов для разрушения токсичных органических
веществ может быть использовано дожигание, однако применение этого ме-
тода затруднено тем, что концентрация органических примесей, распреде-
ленных в большом объеме воздуха, очень низка.
Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термического
окисления углеводородных компонентов до СО2 и Н2О. В ходе процесса до-
жигания другие компоненты газовой смеси, например, галоген- и серосодер-
жащие органические соединения, также претерпевают химические изменения
и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых по-
Для того, чтобы нагреть такие большие количества воздуха до темпера- тур, при которых проводится дожигание, расходуется очень большое количе- ство энергии. Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию загрязнений перед дожиганием. Обрабатываемые газы пропускают через слой адсорбента, а на- сыщенный адсорбент продувают воздухом, который затем поступает на до- жигание. Такой метод позволяет повысить концентрацию загрязнителя в 40 раз.
Источник
