Презентация на тему 7. Термообезвреживание газообразных выбросов

наст. время является непременным требованием для всех производств. Помимо

механических, физико-химических и химических методов для очистки газов широко применяют термические методы.

Термовосстановительные методы специфичны и индивидуальны к загрязни-телю. В газоочистке приме-няют способы термохим. (с использованием аммиака) и термокат. восстановления NOx до N2, термокат. восст-ния SO2 до S2 и нек. др.

Термоокислительные процессы для термообез-вреживания пригодны толь-ко с кислородом, т.к. с др. окислителями безвредные продукты окисления прин-ципиально невозможны.

Методы термообезвреживания:

(в объеме) и на границе раздела фаз (на пов-сти).

Газофазный процесс –
прямое сжигание в пламени газ. выбросов при т-рах выше т-ры воспламенения горючих компонентов выбросов (для паров углевод-ов - 500...750°С).
дожигание орг. соед-ний в газовом факеле при более высоких т-рах (800–11500C).

Каталитический процесс
требует более низких т-р 200 – 4000С до 500 (ниже т-ры воспламенения).
Используют при малом содержании горючих орг. в-в в отходящих газах, когда прямое сжигание не выгодно. Степень очистки газа до 99,9 %.

установки
камерные печи
факельное сжигание

топлива и применяют для обезвреживания промышл. газов, содержащих легко

окисляющиеся орг. примеси, ех. пары углеводородов. Продуктами сгорания углеводородов являются СО2 и вода, а орг. сульфидов — SО2 и вода. Для сжигания необходим избыток кислорода на 10—15% больше стехиом-го кол-ва.
Если конц-ция горючих компонентов выбросов не достигает нижнего предела воспламенения ("бедные" горючим выбросы), то их огневая обр-ка требует доп. расхода топлива на прогрев до т-ры самовоспламенения.
Дожигание при высоких т-рах применяется для очистки от трудноокисляемых орг. смесей, в том числе в присутствии тв. в-в (сажа, древесная пыль и др.). При наличии в смеси соединений, содержащих серу, фосфор, галогены, последние превращаются в высокотоксичные соединения

газах горючих компонентов. Система, содержащая токсичные в-ва, может быть

обезврежена ТО, если при этом образуются менее токсичные продукты.
Огневой обработкой, как и термокат. окислением, принципиально возможно обезвредить лишь в-ва, содержащие только Н, С и О (ех, Н2, СО, углеводороды CmHn и КПУ – СmНпОp). Загрязнители, содержащие S, Р, галогены, металлы и др., нельзя подавать на термоокислительную обработку, так как продукты их сгорания будут содержать высокотоксичные соединения.

тогда он используется только на 1 ступени очистки. Экономичность дожигания

м.б. значительно повышена предварит. адс-ным концент-рированием загрязнений. Газы пропускают через слой адс-та, а насыщ. адсорбент продувают воздухом, к-рый затем поступает на дожигание. Такой метод позволяет повысить конц-цию загрязнителя в 40 раз.
Недостатком ТО, резко снижающим его экологическую эфф-сть, явл-ся превращение части отходов и азота воздуха в токсичные продукты: терм. и топливные оксиды азота, СО, канцерогены (бензапирен, диоксины и др.).
Термокатализ неприемлем для обр-ки паров ВМС и высококипящих соед-ний, к-рые, плохо испаряясь с кат-ра, коксуются и "отравляют" его сажистыми продуктами неполного ок-ния. Т-ры процесса термокат. ок-ния ниже (350...500°С), но также требуют соот-щих затрат топлива.

заключается в реализации хим. р-ций обезвреживания примесей в присутствии

кат-ров. Роль кат-ров сводится к ув-нию скорости хим. взаимодействий.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ.
При гомогенном катализе реакции происходят в объёме фазы (газовой), при гетерогенном – на поверхности кат-ра.
Схема этого процесса для газовой реакции А + В = С в присутствии катализатора K может быть представлена в виде:
А + B + K → K[АВ]; K[АВ] → C + K,
где K[АВ] - активированное промеж. соед-ние на пов-сти катализатора.
Ускорение процесса в присутствии катализатора связано с понижением его энергии активации. Это следует из ур-ния Аррениуса:
k = k0•exp(—E / RT),
где k – константа скорости реакции; k0 – предэкспоненц. множитель;
Е – энергия активации; R – газовая постоянная; Т – абс. температура.

процесс, включающий:
1) диффузию исх. реагентов из ядра газ.

потока к пов-сти гранул катализатора (внешняя диффузия),
2) проникание этих в-в по порам кат-ра к акт. центрам его внутренней поверхности (внутренняя диффузия),
3) активированную адсорбцию продиф-ших реагентов пов-стью кат-ра с обр-нием поверхн. хим. соед-ний,
4) хим. взаим-е адс. в-в c обр-нием новых продуктов,
5) десорбцию продуктов
6) их перенос к внеш. пов-сти гранул кат-ра
(внутр. диффузия)
7) затем от этой пов-сти в ядро газ. потока (внешняя диффузия).

стадий и лимитируется наиболее медленной из них.

Скорость катализа можно

выразить через кол-во примеси GA конвертируемой в единицу времени τ или кол-во образующегося в единицу времени продукта Gп каталитического взаимодействия:
W = dGA / dτ = —k •ΔC; W = dGп / dτ = k ΔC,
где k - константа скорости процесса; ΔС - движущая сила процесса, представляющая по ЗДМ произведение конц-ций реаг-щих веществ.

Константа скорости каталитического превращения при данной температуре является функцией констант скоростей прямой, обратной и побочной реакций, а также коэффициентов диффузии исходных реагентов и продуктов их взаимодействия.

переноса компонента к пов-сти зёрен кат-ра:
где Fч -

внешняя поверхность частицы катализатора;
г - коэффициент массоотдачи в газовой фазе;
СА – конц-ция в-ва А в газ. потоке;
С*А – равновесная конц-ция А на пов-сти ч-цы кат-ра.

Для внутридиффузионной области и реакции первого порядка суммарную скорость кат. процесса находят, комбинируя ур-ние массопередачи с ур-нием диффузии и реакции внутри частицы:

где Vч - объем частиц кат-ра; k - константа скорости реакции, на 1 м3 кат-ра;
ЭC = CА/CnА; CA - средняя конц-ция в-ва А внутри поры;
CnA – макс. возможная конц-ция в-ва А у пов-сти кат-ра;
C0A - начальная концентрация в-ва А.

– E/RT
где
k – константа скорости реакции;
k0 –

предэкспоненц. множитель;
Е – энергия активации;
R – газовая постоянная;
Т – абс. температура.

При гетерогенно-каталитической очистке газ. загрязнений процесс может проходить в разных областях:
адсорбционной
внешне диффузионной
внутри диффузионной
кинетической
В зав-сти от т-ры и особенностей процесса какая-то из них оказывается лимитирующей и определяет область протекания процесса?

кат-ра, так и газового потока. В наиб. степени она

зависит от т-ры, структуры кат-ра, промоторов, давления, объемного расхода, конц-ции и мол. масс исх. реагентов и продуктов конверсии в газ. смеси.
Катализаторы могут обладать специфичностью и избирательно увеличивает скорость только определенной реакции, не влияя заметно на скорость других, возможных в данной системе. Так, в зав-сти от типа кат-ра из этилового спирта при 300°С можно получить :
Al2O3 Сu, Ni
C2H5OH → H2O + C2H4 ; C2H5OH → H2 + CH3CHO.

Специфичность не является общим свойством катализаторов. Так, металлические Ni, Pd или Pt катализируют целый ряд реакций гидрогенизации и дегидрогенизации.

обладают кат-ры на основе благородных металлов (платина, палладий, серебро

и др.), оксидов марганца, меди, кобальта, а также оксидные контактные массы, активированные благородными металлами (1,0-1,5%).
Осн. недостатки: установки сложны и громоздки; в кач-ве эфф. кат-ров — дорогостоящие платину, палладий, рутений; используют и более дешевые — никель, хром, медь, но они менее эффективны.
Щелоч. металлы и их соед-ния, нанесённые на носители (ех, оксиды металлов), часто оказываются более эфф-ми, надежными, и более дешевыми, чем кат-ры из благородных металлов. На таких кат-рах р-ция окисления начинается при невысоких т-рах (около 200°С), что значительно повышает возм-сть их исп-ния для кат. сжигания газов. В кач-ве носителя - оксид алюминия, кизельгур и силикаты.

что они протекают при малых конц-циях удаляемых примесей.
Основным

достоинством кат. метода очистки газов является то, что он даёт высокую степень очистки,
а недостатком - образование новых веществ, которые надо удалять из газа абсорбцией или адсорбцией.

В процессе эксплуатации катализаторов они в той или иной степени подвергаются постепенной дезактивации или деструкции, к-рые вызываются хим. отравлениями, кат. ядами, механическим истиранием, спеканием, агрегатированием, что приводит к необходимости периодической регенерации (активации) или замены катализаторов.
Кат-ры должны обладать высокой активностью и теплопроводностью, развитой пористой структурой, стойкостью к ядам, механической прочностью, селективностью, термостойкостью, иметь низкие температуры «зажигания», обладать низким гидравлическим сопротивлением, иметь низкую стоимость.

методом конденсации. Эти способом улавливают и возвращают в технол. процесс

пары р-лей лаков и красок соотв-щих производств, особенно при ощутимых потерях промежуточных или конечных продуктов. Иногда конденсацию применяют для извлечения дорогостоящих или особо опасных в-в.
КОНДЕНСАЦИЯ (уплотнение, сгущение) – это переход в-ва из газообразного состояния в жидкое или твёрдое при докритич. параметрах; фазовый переход первого рода.
Конденсация – экзотермич. процесс, при к-ром выделяется теплота фазового перехода – теплота конденсации.
Конденсир. фаза может образовываться в объёме пара или на пов-сти  твёрдого тела и жидкости, имеющих более низкую т-ру, чем т-ра насыщения  пара при данном давлении (точка росы).
ТОЧКА РОСЫ – это температура парогазовой смеси, при к-рой парциальное давление водяного пара рп соответствует давлению насыщенного пара рнас (рп = рнас).
При достижении точки росы в парогазовой смеси и на предметах, с к-рыми она соприкасается, начинается конденсация  пара, т.е. появляется роса.

плёнка жидкости (плёночная конденсация); на пов-сти, не смачивающейся конденсатом

или смачивающейся частично, - отдельные капли (капельная конденсация).

охлаждении пара или одноврем. понижении его давления и т-ры,

к-рое приводит к тому, что конденсиров. фаза становится Т.Д. более устойчивой, чем газообразная.

pнасыщ

пара р-ля над р-ром равно мольной доле растворённого вещества.

N2 = Δp/po1

пар

Второй закон Рауля – понижение т-ры кипения и повышение т-ры замерзания р-ра прямо пропорц. моляльной конц-ции р-ра:
∆Ткип = ЕСm и ∆Тзам = КСm

т-ра газа снижается до т-ры, при к-рой компонент А

имеет давление пара pA = (pа)п.
Начальная точка росы или т-ра насыщения для каждого компо-нента м. б. определена из кривой зависимости т-ры от давления пара для данного компонента при известной мольной доли в парах:
уА • P = (рА)п,
где yA – мольн.доля компонента А в парах; Р - суммарное абс. давление газа; (рА)п – парциаль-ное давление в-ва А в парах.

конденсации.
В производственных условиях т-ру и давление принимают такими, чтобы энергозатраты

составляли незначительную долю затрат на технологию. Поэтому степень извлечения даже дорогостоящих продуктов не превышает 70-80%. Конденсация паров производится в испарителях холодильных машин. При экономически и технически приемлемых параметрах хладагента конденсацию целесообразно применять, если конц-ция легкокипящих соединений в воздухе достигает 5-10 г/м3.

не только полезна, но и необходима. Это
– предварит.

осаждение осн. массы паров загрязнителей перед адсорберами при высокой степени загрязнения выбросов;
– парциальное извлечение паров соед-ний фосфора, мышьяка, тяж.металлов, галогенов перед ТО смеси загрязнителей;
– конденсация загрязнителей после хим. обр-ки с целью перевода в легкоконденсируемые соед-ния, ех, после хемосорбции.
Конденсация м. б. применена для обр-ки систем, содержащих пары в-в при т-рах, близких к точке росы (углеводороды и др.орг.соед-ния с выс. т-рой кипения, при обычных усл. и присутствующие в газовой фазе в отн. выс. конц-циях). Для этого используют конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением. Для более летучих р-лей возможна двухстадийная конденсация с исп. водяного охлаждения на 1 стадии и низкотемпературного - на 2. Макс. снижение содержания инертных или неконденсирующихся газов в обрабатываемой смеси позволяет облегчить проведение процесса конденсации и повысить ее эконом. эфф-сть, поскольку даёт возможность исключить необходимость охлаждения до очень низких т-р, соответствующих точке росы.

II – двухфазная система «жидкость + насыщенный пар»,
область

III – газообразное вещество. 
K – критическая точка

жидкость

газ

легко окисляемых токсичных и дурно пахнущих примесей. Их преимуществами

явл-ся отн.простота аппаратуры и универсальность использования, т.к. на работу терм. нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов.
Суть высокотемпературной очистки газов заключается в окислении обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы практ. для любых паров и газов, продукты сжигания к-рых менее токсичны, чем исх. в-ва. Прямое сжигание используют в случаях, когда конц-ция горючих в-в в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения.
При обр-ке горючих газов для разрушения токсичных орг. в-в может быть использовано дожигание, однако его применение затруднено тем, что конц-ция орг. примесей, распределенных в большом объеме воздуха, очень низка.
Дожигание представляет собой метод очистки газов терм. окислением углеводородов до СО2 и Н2О. В ходе дожигания др. компоненты газ. смеси, ех, галоген- и серосодержащие орг. соед-ния, также претерпевают хим. изменения и в новой форме могут эффективно удаляться из газовых потоков.
Для нагрева таких больших количеств воздуха до температур дожигания расходуется очень большое кол-во энергии. Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию загрязнений перед дожиганием. Газы пропускают через слой адсорбента, а насыщенный адсорбент продувают воздухом, к-рый затем поступает на дожигание. Такой метод позволяет повысить концентрацию загрязнителя в 40 раз.

на взаимодействии удаляемых веществ с вводимым в очищаемую газовую

среду веществом в присутствии катализатора. В рез-те примеси превращаются в другие соединения, представляющие меньшую опасность, или легко отделяются от газа.
Каталитическая очистка позволяет обезвреживать оксиды азота, оксид углерода, другие вредные газ. загрязнения. Благодаря применению кат-ров можно достичь 99,9 % степени очистки газа. Кат. очистка применяется при небольшой концентрации загрязн.в-в.
Каталитическое термообезвреживание используют обычно тогда, когда содержание горючих органических продуктов в отходящих газах мало, и не выгодно использовать для их обезвреживания метод прямого сжигания. В этом случае процесс протекает при 200_300°С, что значительно меньше температуры, требуемой для полного обезвреживания при прямом сжигании в печах и равной 950_1100°С. При температуре 100_150°С процессы рассматриваются как необратимые, что позволяет получать газ с весьма низким содержанием примесей.