Каталитическая очистка газов
Каталитическая очистка газов
Каталитическая очистка газов основана на гетерогенном катализе и служит для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ – катализаторов.
Процесс протекает на поверхности твердых тел, покрытых катализатором. При этом сам катализатор остается неизменным после окончания процесса. Подбор катализатора и проведение процесса – сложная задача, решаемая эмпирическим путем. Основные критерии выбора – активность и долговечность.
Для того, чтобы произошла химическая реакция между атомами, молекулами и ионами, необходимо их непосредственное взаимодействие. При t = 500ºC в 1 см³ реакционной смеси происходит 
столкновений всех, но химическая реакция происходит лишь в том случае, если система обладает необходимым запасом энергии (активации), если частицы сближаются на расстоянии, при котором происходит перекрытие электронных облаков, а следовательно и перераспределение электронных плотностей, то только в том случае может произойти разрушение старых и образование новых химических связей.
Энергия активации – основная расчетная характеристика, определяющая скорость каталитической реакции. Чем больше энергия, тем меньше частиц обладают такой энергией и тем медленнее протекает реакция.
Катализаторы с энергетической точки зрения, понижают энергетический барьер, который должна преодолеть система при переходе от начального состояния к конечному.
Механизм каталитического процесса:
1-я стадия – внешняя диффузия реагирующих веществ к поверхности катализатора;
2-я стадия – внутренняя диффузия в порах зерна катализатора;
Рекомендуемые материалы
3-я стадия – активизированная (химическая) адсорбция одного или нескольких компонентов на поверхности катализатора;
4-я стадия – химическая реакция (перегруппировка атомов);
5-я стадия – обратная диффузия продукта в порах зерна катализатора;
6-я стадия – диффузия продукта от поверхности зерна;
Основная расчетная характеристика необходимая для разрушения старых связей и образования новых – энергия активации (внутренняя энергия) определяет скорость каталитической реакции. Чем больше энергия активации, тем меньше частиц в системе обладают такой энергией и тем медленнее протекает реакция. Катализаторы, с энергетической точки зрения , понижают энергетический барьер, который должна преодолеть система при переходе из начального состояния в конечное.
В зависимости от условий проведения каталитической очистки в механизме массопередачи могут преобладать либо химические превращения (кинетическая область), либо диффузионное торможение.
В кинетической области суммарная скорость каталитического процесса определяется скоростью химической реакции и зависит лишь от природы реагирующих веществ и вида катализатора.
,
где 
- константа скорости реакции (уравнение Аррениуса);
Е – энергия активности;
∆Р – движущая сила процесса;
Рб – безразмерное давление, показывающее отношение рабочего давления к атмосферному;
n – общий порядок реакции;
βn – коэффициент пересчета к нормальному давлению и температуре;
Эту скорость невозможно увеличить улучшением структурных свойств катализатора (увеличением макро и микропор), или увеличением турбулентности потока.
Ее можно увеличить только изменяя природу катализатора или повышая температуру процесса.
Скорость процесса во внешнедиффузионной области (предполагается что реакция происходит мгновенно) увеличить путем увеличения макропор (наружной поверхности) катализатора и перемешиванием реагентов.
Скорость диффузии 
;
G - количество вещества, перенесенного за время в направлении, перпендикулярном к поверхности зерна катализатора;
Дэ - суммарный коэффициент эффективной диффузии в газовой среде, определенный с учетом молекулярной и турбулентной диффузии;
ак - внешняя поверхность зерна катализатора;
dC/dt - градиент концентрации;
Коэффициент молекулярной диффузии в газовой фазе по уравнению Арнольда:
;
где МА, МВ - мольные массы вещества А и В, г/моль;
VA, VB - мольные объемы вещества А и В, смоль;
Р - общее давление (0,1 МПа), 
- константа Седерленда,
тогда 
;
- температура кипения компонента;
при 
=1
Дтурб. диф. – определяется экспериментально.
Скорость процесса во внутри диффузионной области определяется скоростью подвода реагирующих веществ в зону реакции в микропорах зерна катализатора. Увеличить скорость можно путем уменьшения размеров зерна катализатора или увеличением внутренней поверхности катализатора, создаваемой тонкими порами малой длины. Большинство промышленных процессов тормозится внутренней диффузией, поэтому катализаторы должны обладать микропористой структурой. Время диффузии τ компонента (ЗВ) в поры катализатора на глубину l определяется по формуле Энштейна:
, если 
, то 
;
если 
, то 
, r – радиус поры;
если 
, то 
;
Специфичность процессов катализа состоит в том, что они протекают при малых концентрациях ЗВ и получают газ любой степени чистоты.
Эффективность процесса определяется не только свойствами самого катализатора, но и способом его применения: в виде неподвижного фильтрующего слоя, взвешенного (кипящего) и движущегося
Основные технологические характеристики катализаторов:
- активность – характеризуется интенсивностью процесса на данном катализаторе, выражается количеством продукта, получаемого за 1 час с 1ед объема катализатора 
- селективность – количество основного исходного вещества, превратившегося в целевой продукт к общему количеству исходного вещества
Рекомендация для Вас - 5. Проектирование реляционных баз данных.
- стабильность – способность сохранять акт + селект во времени в условиях промышленной эксплуатации. Потеря активности чаще всего связана с отравлением катализатора.
Регенерация катализатора – обработка кислородом, воздухом; воздух + пар, при t = 400 - 500ºС, в зависимости от термической стойкости катализатора.
Выводы:
1) Если реакция протекает в кинетической области – катализатор должен обладать высокой активностью и иметь развитую внутреннюю поверхность макро- и микропор, которые обеспечили бы подвод необходимого количества реагента в зону реакцию
2) Если реакция протекает в области внешней диффузии, мелкие поры практически бесполезны, а велико значение крупных пор и развитой внешней поверхностью.
3) При реакции, протекающей в области внутренней диффузии – главную роль выполняют мелкие поры, необходимо использовать катализатор с развитой внутренней структурой.
