Каталитическая очистка хвостовых нитрозных газов. Вариант 5 (1093764)
Текст из файла
Московский Государственный Университет Инженерной Экологии
Курсовая работа
Каталитическая очистка хвостовых нитрозных газов.
Вариант № 5.
Студент Карлов В.В.
группа И-41
Преподаватель Василевская М.В.
Москва 2005.
РАСЧЁТ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ НИТРОЗНЫХ ГАЗОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Загрязнение атмосферы оксидами азота (NO)Х производствами различных отраслей промышленности составляет:
-тепловые электростанции - 72,5%;
-автотранспорт - 17,3%;
-черная металлургия - 6,1;
-производство строительных материалов - 1,8;
-химическая промышленность - 1,7;
-нефтеперерабатывающая промышленность – 0,6.
Непрерывный рост производства азотной кислоты тесно связан с повышением объема отходящих газов, а, следовательно, с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота, которые чрезвычайно опасны для любых живых организмов. Оксиды азота вызывают раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, ухудшение снабжения кислородом и другие нежелательные последствия, в том числе, связанные с воздействием на нервную систему человека. Понятно, почему при проведении патентных исследований по процессам очистки газов особое внимание уделяется очистке отходящих газов именно от оксидов азота и оксидов серы.
Отходящие газы производства азотной кислоты содержат после абсорбционных колонн от 0,05 до 0,2 % (об.) оксидов азота, которые по санитарным требованиям без дополнительной очистки запрещено выбрасывать в атмосферу.
Одним из направлений снижения концентрации оксидов азота в отходящих газах является каталитическое восстановление оксидов азота горючими газами: водородом(Н2), природным газом(СН4), оксидом углерода(СО), аммиаком(NH3). Условия проведения процесса и тип используемого катализатора определяются видом применяемого газа.
Рассмотрим подробнее процесс каталитического окисления нитрозных газов.
1. Основы процесса
Процесс основан на сжигании оксидов азота на катализаторе с помощью горючих газов. В отличие от других способов очистки в данном случае оксиды азота не улавливаются, а разрушаются, восстанавливаются до элементарного азота. Себестоимость этого способа очистки зависит от стоимости катализатора и газа-восстановителя, механической прочности катализатора, а также сочетания узла каталитической очистки выхлопных газов с аппаратурой основного производства и аппаратурного оформления самого узла каталитической очистки. В качестве катализаторов наиболее широкое распространение получили металлы платиновой группы ( Pt, Pd, Ni, Ag) и некоторые оксиды(Cr2O3, V2O5, и др.), включая природные минералы, представляющие собой сложную комбинацию различных оксидов.
В результате исследований установлено, что наиболее подходящим катализатором является таблетированный оксид алюминия (Al2O3), содержащий 2 % масс.палладия(Pd)- катализатор АПК-2. Опытно-промышленные испытания показали возможность полной очистки отходящих газов от оксидов азота при объемной скорости 8000 – 16000 ч-1, соотношения метана к кислороду 0,65 - 0,7 и температуре процесса 750 °С. Температура инициирования реакции на данном катализаторе при применении природного газа составляет 400 °С.
Увеличение скорости реакции затруднено из-за отсутствия гибкого регулирования температуры на входе в реактор. Единственной возможностью увеличения скорости реакции остается повышение концентрации метана. Это приводит как к отложению сажи на катализаторе, так и увеличению содержания оксида углерода и не прореагировавшего метана в очищенных газах. Для достижения остаточной концентрации оксидов азота 0,002-0,008 % об. в процессе восстановления поддерживают 10 %-ный избыток природного газа против стехиометрии. В качестве второго слоя в каталитической системе используют оксид алюминия, что позволяет снизить расход палладия. Срок службы катализатора АПК-2 составляет 3 года; потери палладия - 2-5% в год. В течение этого времени содержание оксидов азота в очищенном газе повышается от 0,002 – 0,003 до 0,008 – 0,01 % NОХ при начальном содержании их в очищенном газе порядка 0,1 %.
2. Аппаратурное оформление очистки
Принципиальная схема каталитической очистки включает в себя камеру подготовки газа (камера сгорания), камеру смешения и реактор.
Конструктивно аппараты на установках каталитической очистки отходящих газов могут использоваться в вертикальном или горизонтальном исполнении.
Для примера рассмотрим реактор каталитической очистки (полочного типа).
Хвостовые нитрозные газы (рис. 4.1) входят сверху при температуре 400 – 520 °С. Чтобы исключить локальный прогрев корпуса, внутреннюю корзину футеруют слоем каолиновой ваты толщиной 70 – 100 мм.
Рис. 4.1. Схема реактора каталитической очистки
3. Расчет реактора
3.1. Физико-химические основы процесса очистки.
Процесс каталитической очистки хвостовых нитрозных газов можно описать двумя основными суммарными реакциями:
СН4 + 2О2 CO2 + 2H2O + Q (1)
СН4 + 4NO СО2 + 2H2O + 2N2+ Q (2)
В адиабатических условиях в реакторе с неподвижным слоем катализатора процесс может быть описан системой уравнений [3]:
где V - объемный расход газа; С - концентрация соответствующего компонента; F - площадь проходного сечения реактора; W - скорость соответствующей химической реакции; Ср - теплоемкость газовой смеси; H - тепловой эффект химической реакции; l - высота слоя контактной массы.
Скорости реакций (1) и (2) выражают в виде зависимостей [3]:
Результаты исследований показали, что:
k01 = 2,47105; k02 = 1,63109; E1 = 11,8 кДж/моль; E2 = = 78,88 кДж/моль; H1 = 800 кДж; H2 = 956 кДж; Ср = 31,2 кДж/(мольК); i = 1,3; m = n = j = 1,0 [5].
Тогда уравнения математической модели процесса можно записать следующим образом:
3.2 Метод решения.
Для решения системы дифференциальных уравнений используем метод Рунге-Кутта 4-го порядка. Метод эффективен и реализуется программными средствами.
i = 1, 2, 3,…,n
3.3. Исходные данные.
ЗАДАНИЕ:
- определить высоту слоя контактной массы в каталитическом реакторе для обеспечения концентрации оксида азота в отходящих из аппарата очищенных газах не болев ПДК;
- составить материальный баланс для каталитического реактора.
В соответствии со списком № 3086-84 [1] максимально разовая ПДК окислов азота в атмосферном воздухе населенных мест;
ПДКNO = 0,6 мг/м3 = 0,44810-6 м3/м3 = 0,44810-4 % об.
(ПДКNO2 = 0,085 мг/м3 = 0,63410-7 м3/м3 = 0,63410-5 % об.) (14)
Исходные данные:
диаметр аппарата - 3,6 м
объемный расход газа н.у. - 82000 м3/ч,
температура на входе в аппарат - 700K
начальная концентрация (% об.):
метана - 1,4
кислорода - 2,6
оксида азота - 0,13
начальная температура - 700 К
шаг по высоте слоя - 0,1 м
3.4. Расчет высоты слоя контактной массы.
Результаты расчета по программе для решения системы дифференциальных уравнений, реализующей метод Рунге-Кутта четвертого порядка, приведены далее. Счет по программе заканчивается, когда концентрация NO становится меньше ПДК.
Результаты расчета:
Высота слоя катализатора h = 0.6 м
Концентрации: СО2 = 0,222 % об.; СNO = 2,250 % об.; ССН4 = 0,179 % об.
Температура Т = 1014,81 К
Таким образом, расчет показывает, что заданная концентрация NO достигается при высоте контактной массы 0,6 м. В этом случае при диаметре контактного аппарата 3,6 м требуется объем контактной массы в 6,107 м3:
V=п * d^2 / 4 * h = 3.14 * 3.6^2 / 4 * 0.6 = 6.107 м3
3.5 Материальный баланс каталитического реактора.
Известно, что О2 и NO поступают в аппарат с нитрозными газами, имеющими в своем составе также N2, пары воды, NO2, N2O4 и т.п. [3]. Примем для упрощения расчетов, что нитрозные газы состоят из азота и паров воды. Пусть последних после смешения нитрозных газов с метаном в смеси содержится 18 % об., а остальное – азот.
Реакции (1)и (2) протекают без изменения объема, суммарные объемы на входе и на выходе из аппарата будут одинаковыми.
Концентрация азота в газе на входе в аппарат:
У = 100 - (18 + 2,6 + 0,13 + 1,4) = 77,87 %
Количества реагентов на входе в аппарат:
Объемные расходы:
Полученные значения вносим в таблицу 1. Затем по этим величинам с учетом соотношения (8) [1] рассчитаем массовые расходы каждого компонента и определяем суммарный расход смеси.
mCH4=1148*0,7143=820,00кг/ч
mO2=2132*1,4289=3045,7кг/ч
mNO=1,3401*106,6=142,8 кг/ч
mN2=63853,4*1,25=79816,75 кг/ч
mH2O=0,804*14760=11860,7 кг/ч
По вычисленным с помощью ЭВМ значениям концентраций находим объемные расходы газов на выходе из аппарата:
По количеству прореагировавшего O2 по реакции (1) определяем количество образовавшихся водяных паров, СО2 и израсходованного метана:
VH2O=VO2=2132-182,04=1949,96 м3/ч
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.