Технологическая часть

 

Технологическая схема и ее описание

 

Типичной является схема установки каталитического обезвреживания отходящих газов в производстве клеенки, показанная на рис.5. В газовых выбросах этих производств, поступающих из камер сушки клеенки, присутствует пары керосина (100-1000 мг/м³), уайт-спирита (до 200 мг/м³) и ряда органических соединений.

Отходящие из сушильного агрегата газы при 80-200°С вентилятором через брызгоотбойник подают в теплообменник для предварительного подогрева теплом конвертированных газов до 200-220°С, а затем в подогреватель, где их температуру увеличивают до 250-327°С за счет тепла дымовых газов, получаемых сжиганием газообразного топлива. Для сжигания используют кислород, содержащийся в очищаемых газах. Сжигание органических примесей до СО₂ и Н₂О проводят в реакторе на катализаторе. Конвертированные газы из реактора через теплообменник вентилятором возвращают в сушильный агрегат. С целью компенсации потерь кислорода и доведения температуры обезвреженных газов до уровня, соответствующего условиям сушки клеенки (120-170°С), перед поступлением в сушильный агрегат их разбавляют воздухом. Часть прошедших очистку газов сбрасывают в атмосферу. При использовании алюмоплатинового катализатора полная очистка при объемной скорости 40 тыс. ч‾¹ достигается при 290°С, более высокая температура (350°С) необходима для обеспечения того же эффекта при объемной скорости газа 60 тыс. ч‾¹.

Рис.5. Схема установки каталитического дожигания отходящих газов:

1 - сушильная камера; 2, 7 - вентиляторы; 3 - брызгоотбойник; 4 - теплообменник; 5 - подогреватель; 6 - реактор

Расчетная часть

 

Определяем основные размеры реактора для каталитического окисления вредных примесей промышленного выброса.

Исходные данные: объем выброса G’= 12000 м³/ч; температура выброса 15°С; температура в реакторе 250°С; ПДК фенола 0,01 мг/м³; катализатор - АП-56 имеет следующую характеристику: диаметр частиц 0,003 м, длина частиц 0,005 м, форма - цилиндрическая, порозность слоя катализатора e = 0,375; требуемая степень очистки по веществу с меньшей ПДК, т.е. по фенолу 0,997.

Химический состав выброса, % (об.): азот - 78, кислород - 21, пары воды - 0,5, диокид углерода - 0,5.

Концентрация вредных примесей, г/м³: фенол - 1,45.

Расчет.

Кинетическое уравнение окисления фенола на катализаторе АП-56:

 

Фенол - АП - 56

k0=1,06*107; Е=55268 кДж/моль; b0=1, 19*10-7; Q=67829 кДж/моль

 

где r - скорость химической реакции, г/ (м³*с);

k - константа скорости химической реакции, с^-1;

C - концентрация окисляемого вещества, г/м³;

b - коэффициент кинетического уравнения;

k₀, b_{0 -} предэкспоненциальные множители

E - энергия активации, кДж/моль;

Q - энергия адсорбционных стадий, кДж/моль;

R - универсальная газовая постоянная, кДж/ (моль*К);

T - температура, К;

m, x - показатели степени в кинетических уравнениях.

1. Конечная концентрация фенола:

С_К = 1,45 (1 - 0,997) =0,00435 г/м³.

 

2. Необходимое число единиц переноса

 

где С_н, С_к, - начальная и конечная концентрация окисляемого вещества, г/м³.

 

 

3. Скорость фильтрования принимаем u_ф = 0,5 м/с.

4. Коэффициент массопередачи определяют по формулам

 

 

где D₀ - коэффициент диффузии, м²/с;

ε - порозность слоя катализатора, м³/м³;

ν₀ - кинематическия вязкость воздуха при нормальной температуре, м²/с;

d_э - эквивалентный диаметр каналов слоя катализатора, м.

Для этого рассчитаем некоторые величины.

4.1 Коэффициент диффузии вычисляем из выражения

 

 

где V_А, V_В - мольные объемы окисляемого вещества и воздуха соответственно;

М_А, М_В - молекулярные массы окисляемого вещества и воздуха;

Р₀ - атмосферное давление, МПа.

Мольный объем фенола С₆H₆O V_A = 16,5 6 + 1,98 6 + 5,48 - 20 = 96,36, мольный объем воздуха V_B = 20,1, молекулярная масса фенола М_А = 94,12, молекулярная масса воздуха М_В = 29, давление Р₀ = 0,1 МПа.

 

 

4.2 Удельная поверхность слоя цилиндрических частиц

 

где d, l - диаметр и длина частицы соответственно, м.

 

 

4.3 Эквивалентный диаметр каналов, образованных частицами катализатора:

 

 

4.4 Конечная температура катализатора Т_к рассчитывается по формуле:

 

Т_к=Т_н+g_{а. р} (С_н-С_к),

где q_{а. р. -} удельная величина адиабатического разогрева, м³ К/г.

Величину q_{а. р} вычисляют по формуле

 

где Q_H - теплота сгорания окисляемого вещества, кДж/моль;

c_V - теплоемкость воздуха, кДж/ (м³ К), равная

 

где с_р - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/ (моль К), с_р = 30 кДж/ (моль × К).

Теплоту сгорания органического вещества находят из соотношения

Q_н=393,6·n_C+121,0·m_H

где n_C, m_H - число атомов углерода и водорода в молекуле вещества.

Q_н=393,6·6+121,0·6=3087,6 кДж/моль,

Т_к=523+33,96· (1,45-0,0084) =572,09 К

 

4.5 Средняя температура катализатора:

 

Т_с = 0,5· (Т_н + Т_к) = 0,5· (523+572,09) =547,58 К

 

5. Удельная доступная поверхность катализатора:

 

а=а₀ (1-ε) φ,

где а₀ - удельная поверхность слоя катализатора, м²/м³;

φ - коэффициент доступной поверхности, φ=0,85.

а=1733· (1-0,375) ·0,85=920,66 м²/м³.

6. Высота слоя по массопередаче:

 

где N - необходимое число единиц переноса;

β - коэффициент массопередачи, м/с;

а - удельная доступная поверхность катализатора, м²/м³;

u_ф - скорость фильтрования, м/с;

Т_н - температура в реакторе, К; Т₀ =273 К.

 

 

7. Константа скорости реакции окисления фенола:

 

 

8. Коэффициент кинетического уравнения:

 

 

9. Скорость реакции окисления фенола:

 

 

10. Составляющая высота слоя по кинетике рассчитывается по формуле:

 

 

11. Рабочая высота слоя катализатора:

 

h= (1.25÷1.45) h_р = 1,35·0,06208=0,083808 м

h_р=h_β+h_r = 0,0441+0,01798=0,06208 м

 

12. Необходимая поверхность фильтрования:

 

где G^' - объем промышленного выброса, м³/ч.

 

13. Объем катализатора составит V_к (м³):

 

где Н - рабочая высота кольцевой корзины, м; D_ср - средний диаметр кольца, м. Принимаем кольцевую корзину, у которой отношение H/D_ср = 2, тогда Н=2·1,03=2,06 м

 

Выводы

 

В курсовой работе проведен анализ и изучен каталитический метод очистки отходящих газов. Этот метод очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Методы используется для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей.

Так же рассмотрены катализаторы, применяемые для этого метода. Катализаторы для таких процессов приготовляют на основе меди, хрома, кобальта, марганца, никеля, платины, палладия и других металлов. В отдельных случаях используют некоторые природные материалы (бокситы, цеолиты).

Изучены конструкции различных каталитических реакторов. Рассмотрена и представлена схема установки каталитического обезвреживания.

Произведен расчет каталитического реактора с катализатором - АП-56. Вычислены его основные размеры: диаметр, высота и объем.

Используемые в промышленной практике установки каталитической очистки газовых выбросов от паров органических веществ различаются конструкцией контактных аппаратов, способами повышения до необходимого уровня температуры поступающих в них газовых потоков, используемыми катализаторами, приемами рекуперации тепла, наличием рецикла обезвреженных газов.

Список использованной литературы

 

1. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. / Техника защиты окружающей среды / - М.: Химия, 1989. - 511 с.

2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. /Технологические аспекты экологической безопасности - Калуга: изд.Н. Бочкаревой, 200. - 800 с.

3. Юшин В.В., Попов В.М., Кукин П.П. и др. /Техника и технология защиты воздушной среды - М.: Высш. шк., 2005. - 391 с.

4. Защита атмосферы от промышленных загрязнений / Справ. изд. в 2-х ч. под ред. Калверта С., Инглунда Г. / - М.: Металлургия, 1988. - 758 с.

5. Страус В. /Промышленная очистка газов/ пер. с англ. - М.: Химия, 1981. - 616 с.

6. Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. /Защита воздушного бассейна от загрязнений предприятиями химической промышленности / - М.: Химия, 1974. - 474 с.

7. Павлов К.Ф., Романков Н.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1981, 560 с.

8. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991 г. - 352с.

9. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. - М.: Химия, 1991 г. - 496с.

10. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для техникумов. - М.: Химия, 848 с.

11. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд.3-е. В 2-х кН. М.: Химия, 2002 г.