Методы каталитической и термической очистки отходящих газов

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:

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.

Изменение реакционного пути химического взаимодействия в присутствии катализатора в соответствии с указанными механизмами приводит к понижению его энергии активации, что и выражается в ускоряющем действии катализатора, как это следует из уравнения Аррениуса:

где к — константа скорости реакции; к0 — предэкспоненциальный множитель; Е — энергия активации; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

В некоторых типах каталитических взаимодействий с понижением энергии активации уменьшается предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса. Поэтому рассчитанное на основании снижения значения Е увеличение константы скорости и соответственно скорости каталитического взаимодействия несколько превышает действительное. В случае каталитических взаимодействий, при которых не происходит изменения к0 по сравнению с некатализируе- мыми, ускоряющее действие катализатора выражают его активностью А, характеризующейся отношением констант скоростей реакций, происходящих с участием катализатора к., и без него к:

где ДЕ = Е-ЕК; Ек—энергия активации реакции в присутствии катализатора.

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.

Активность различных катализаторов при заданных условиях конвертирования определенной газовой смеси наиболее просто можно сопоставить по степени превращения исходных реагентов. Оценка активности одного катализатора в различных условиях проведения определенного каталитического превращения может быть выражена, например, отношением количеств образующихся в единицу времени продуктов Gn к объему V, массе GK, работающей S или удельной $уд поверхности катализатора:

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%).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >