logo
МЕТОДИЧКА

Практическая работа 3 каталитическая очистка газов

Цель работы: изучить теоретические основы каталитических методов очистки газов и виды применяемых катализаторов.

Теоретические сведения

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газах, превращаются в другие соединения, т.е. в отличие от других методов очистки примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие которых в удаляемых газах допустимо. Эффективность каталитической очистки газов зависит от температуры процесса, природы реагирующих веществ, размера микро- и макропор, внутренней поверхности катализатора, скорости диффузии и химической реакции и т.д. Однако, с течением времени активность катализаторов теряется.

Важнейшей характеристикой катализаторов является температура зажигания – минимальная температура, при которой катализатор начинает проявлять свои свойства. Температура зажигания зависит от присутствующих в газе веществ и типа катализатора.

Каталитические методы получают все большее распространение благодаря глубокой очистке газов от токсичных примесей (до 99,9 %) при сравнительно невысоких температурах и давлении, а также весьма малых начальных концентрациях примесей. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации, малогабаритны, компактны, высокопроизводительны.

Недостаток многих процессов каталитической очистки – образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (адсорбцией, абсорбцией), что усложняет процесс очистки и снижает экономический эффект каталитического процесса.

Применяемые катализаторы должны обладать следующими свойствами, влияющими на качество очистки:

Обычно применяемые катализаторы представляют собой смесь нескольких веществ (контактная масса): каталитически активного вещества, активатора и носителя.

Каталитически активное вещество – основа катализатора, именно оно вступает в реакцию обменного действия. В качестве каталитически активных веществ используют чистые металлы (платину, палладий, рутений, родий); оксиды металлов; сплавы, содержащие никель, хром, цинк, медь, ванадий. Активаторы – вещества, которые повышают активность катализаторов, но сами обычно не обладают каталитическими свойствами. Носитель – основание, на которое наносится катализатор. В качестве носителей используют инертные пористые вещества, обладающие развитой поверхностью: силикагели, алюмосиликаты и т.п.

В качестве контактной массы чаще всего используют:

  1. Активный металлический катализатор на металлическом носителе. Например, катализатор – платина или другой благородный металл – вместе с активаторами наносят на стружку из никелевого сплава. Разработаны специальные катализаторы для селективных реакций. Обычная каталитическая установка представляет собой неглубокую матрицу, хотя для некоторых операций используются цилиндрические патроны.

  2. Активный металлический катализатор на носителе из оксида металла. Например, тонкий слой металла платиновой группы наносят на носитель – обожжённый оксид алюминия, либо фосфор. Носитель изготавливают в виде цилиндрических гранул, расположенных рядами, смещёнными по отношению друг к другу.

  3. Активный катализатор – оксид металла на подложке из оксида металла. Активные оксиды, обладающие высокой удельной поверхностью, могут быть нанесены на носитель из оксида металла. Такая система обладает следующими преимуществами: она способна выдержать высокие температуры; в её состав входят дешёвые материалы (по сравнению с катализаторами из благородных металлов); она может быть изготовлена в виде стержней или таблеток.

  4. Активный оксид металла на металлическом носителе. Например, каталитическая система, представляющая собой металлическую проволоку в качестве носителя. В процессах очистки газов такие системы практически не используются.

Стоимость катализатора зависит от стоимости исходного сырья и технологии его получения. С целью снижения стоимости следует синтезировать, где это возможно, катализаторы, не содержащие драгоценных металлов или снижать их содержание. В ряде случаев такие катализаторы по активности и другим показателям не уступают катализаторам, в состав которых входят драгоценные металлы.

Каталитическая очистка газов проводится в каталитических реакторах различных типов. По способу взаимодействия газов с катализатором реакторы подразделяются на три группы:

  1. Каталитические реакторы с фильтрующим слоем катализатора. Принцип действия основан на фильтрации газа через слой неподвижного катализатора. Катализатор может находиться в виде металлических сеток, натянутых по ходу движения газа или в виде твердых тел, расположенных на перфорированных решетках. Достоинство таких аппаратов – простота конструкции. Основной недостаток – отсутствие теплообмена, что позволяет проводить в них только те реакции, которые сопровождаются небольшими тепловыми эффектами.

  2. Каталитические реакторы со взвешенным слоем катализатора. Достоинство этих реакторов – высокая интенсивность процесса очистки; хорошая теплопроводность слоя; возможность механизации процесса загрузки и выгрузки катализатора.

  3. Каталитические реакторы с пылевидным катализатором. Скорость процесса в таких реакторах высокая, т.к. измельчённый катализатор распыляют непосредственно в рабочую зону с помощью специальных сопел. Реакция протекает в тот момент, когда частицы катализатора находятся в полете.

Каталитические методы очистки выбросов считаются наиболее прогрессивными, и в перспективе они могут занять лидирующее положение в области очистки газов, особенно при разработке новых, более дешевых типов катализаторов. Обеспечивая высокую степень очистки отходящих газов от вредных примесей, технологические схемы газоочистки с применением катализаторов позволят решить проблему загрязнения атмосферы с учётом экологических требований.