Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Марта 2013 в 19:21, лабораторная работа
Забруднення навколишнього середовища згубно впливає на здоров’я людей і тварин. Особливо шкідливими є газоподібні забруднювачі повітря, до яких відносяться перш за все діоксид сірки (SO2) та оксиди азоту (NOx, в основному NO та NO2). Діоксид сірки утворюється у великих кількостях при згоранні мазуту на електростанціях, заводах, на великих отеплювальних системах; він також попадає у відхідні гази при отриманні сірки та переробці руди в металургії. Оксиди азоту викидаються із відхідними газами заводів по виробництву азотної кислоти, викидаються при розчиненні металів, а також при згоранні палива. Тому перед промисловими кампаніями постала важлива проблема охорони та збереження здоров’я населення, особливу роль у вирішенні якої відіграє каталіз.
Лабораторна робота №6
КАТАЛІТИЧНЕ ОЧИЩЕННЯ ГАЗІВ ВІД ОКСИДІВ АЗОТУ
МЕТА РОБОТИ: визначення швидкості G та ступеню розкладу NOx L, а також необхідного об’єму реактору при реалізації процесу за присутності газоподібного відновника.
ВСТУП
Забруднення навколишнього середовища згубно впливає на здоров’я людей і тварин. Особливо шкідливими є газоподібні забруднювачі повітря, до яких відносяться перш за все діоксид сірки (SO2) та оксиди азоту (NOx, в основному NO та NO2). Діоксид сірки утворюється у великих кількостях при згоранні мазуту на електростанціях, заводах, на великих отеплювальних системах; він також попадає у відхідні гази при отриманні сірки та переробці руди в металургії. Оксиди азоту викидаються із відхідними газами заводів по виробництву азотної кислоти, викидаються при розчиненні металів, а також при згоранні палива. Тому перед промисловими кампаніями постала важлива проблема охорони та збереження здоров’я населення, особливу роль у вирішенні якої відіграє каталіз.
ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Каталітичні методи очищення – методи, що базуються на перебігу каталітичних реакцій, в результаті котрих утворюються менш отруйні речовини або такі, що легко вловлюються сорбційними методами, або ці забруднюючі речовини розкладаються до елементарних складових. Каталітичне очищення – це кінцева ступінь очищення.
Каталіз – це процес прискорення хімічних реакцій під дією речовин-каталізаторів, котрі вступають у проміжну взаємодію із реагуючими речовинами, проте не входять до складу продуктів реакції та регенеруються після кожного циклу проміжних взаємодій. Застосування каталізаторів дозволяє збільшити швидкість хімічних реакцій від надзвичайно малих величин до дуже великих і, що є ще більш важливим, направляти хімічні реакції у бік утворення необхідного продукту із ряду можливих.
Каталіз можна застосовувати для прискорення всіх термодинамічно можливих хімічних перетворень, крім того це відбувається без затрат енергії та без витрат самого каталізатора. Це і пояснює зростання використання каталізу у промисловості.
Каталізатор – це речовина, яка змінює швидкість хімічної реакції (найчастіше знижуючи її енергію активації), а сама після реакції залишається хімічно незмінною і в тій же кількості, що й до реакції.
Енергія активації – мінімальна кількість енергії, що необхідна системі для проходження реакції (Дж/моль).
Каталізатор змінює механізм
реакції на енергетично більш
вигідний, тобто знижує енергію активації.
Каталізатор утворює з
За принципом фазового стану реагентів та каталізаторів розрізняють наступні типи каталізу:
Гомогенний каталіз
Гомогенний каталіз може протікати у газоподібній чи рідкій фазах при відповідному стані каталізатора. На перший план виходять умови перебігу реакцій: концентрації реагентів, температура, тиск, інтенсивність перемішування. Механізм гомогенного каталізу полягає в утворенні між реагентами та каталізатором малостійких проміжних сполук (відбувається зниження енергії активації), що існують у тій самій фазі і після розпаду яких каталізатор регенерується.
За механізмом розрізняють іонні, радикальні та молекулярні каталітичні реакції. Механізм іонного каталізу полягає в обміні протонами між каталізатором та реагентами, який супроводжується внутрішньомолекулярними перетворен-нями. При радикальному механізмі, коли каталізатор лише ініціює ланцюгову реакцію, швидкість процесу не пропорційна концентрації каталізатора.
Каталізаторами в розчинах слугують мінеральні кислоти, луги, іони металів, а також речовини, які сприяють виділенню вільних радикалів. Прикладом гомогенного каталізу є синтез бісфенолу А (хлоридна кислота в якості каталізатору):
а також розклад пероксиду водню у присутності іонів йоду (реакція протікає у дві стадії):
H2O2 + I H2O + IO
H2O2 + IO H2O + O2 + I
Основним недоліком
Легкість відділення газової або рідкої реакційної суміші від твердого каталізатору послугувала причиною широкого використання гетерогенного каталізу. Більшість нині існуючих промислових процесів — реакції між газоподібними реагентами за участі твердих каталізаторів.
Процес каталізу на поверхні твердого каталізатору відбувається в кілька елементарних стадій:
Прикладами гетерогенного каталізу є гідрування моноксиду вуглецю на поверхні залізо-родієвого каталізатору:
та окислення SO2 до SO3 на каталізаторі V2O5 при виробництві сульфатної кислоти (контактний метод).
Ферментативний каталіз
Найчастіше в ролі каталізатора виступають d-елементи: Zn, Al, Fe, Pt, Pd, Ni, Au. Вони напилюються на керамічні носії – інертні або малоактивні матеріали, які служать для стабілізації на поверхні каталізатора частинок активної каталітичної фази.
Роль носія у гетерогенному каталізі полягає у попередженні агломерації чи спікання активного компоненту, що дозволяє підтримувати високу площу контакту активної речовини та реагентів. Кількість носія, як правило, набагато більша від кількості нанесеного на неї активного компоненту. Основними вимогами до носіїв є велика площа поверхні та пористість, термічна стабільність, хімічна інертність, висока механічна міцність. У деяких випадках носій впливає на властивості активної фази. У якості носіїв застосовують як природні (глини, пемза, діатоміт, азбест та ін..), так і синтетичні матеріали (активоване вугілля, силікагель, алюмосилікати, оксиди алюмінію, магнію, цирконію та ін..).
Каталізатори мають вигляд гранул діаметром від 1 мм до 1 см або бувають у вигляді металічної сітки, гофри з напиленням, сот тощо.
Для знешкодження відхідних
газів від оксидів азоту
Високотемпературне
каталітичне відновлення
У якості каталізаторів використовують метали платинової групи (паладій, рутеній, платина, родій) або більш дешеві, але малоефективні та стабільні при експлуатації суміші, які включають нікель, хром, мідь, цинк, ванадій, церій та інші елементи. Із метою збільшення поверхні контакту їх наносять на пористі чи непористі матеріали (кераміка, оксид алюмінію, силікагель, металічні ленти і т. п.) різної форми. Відновниками є метан, оксид вуглецю, водень або азото-водна суміш.
Ефективність знешкодження NOx залежить перш за все від активності використовуваного каталізатора. Частково, каталізатори на платинових металах при об’ємних швидкостях газу (2-12) год-1 дозволяють досягати остаточного вмісту NOx 5 - 5 (об.).
Відхідні нітрогеновмісні гази азотнокислого виробництва зазвичай необхідно підігрівати від 30-35 до температури запалювання каталізатора. Остання залежить від природи використовуваного відновника: 450-800° - для метану, 350° - для пропану і бутану, 150-200° - для водню та оксиду вуглецю.
Суть відновних процесів, що протікають, виражається наступними реакціями:
Нагрівання та відновлення нітрогеновмісних газів проводять шляхом їх змішування із газом-відновником та спалюванні утворюваної суміші над шаром каталізатору. На практиці зазвичай використовують природний газ, бо він доступний та дешевий. Незважаючи на те, що усі процеси відновлення NOx екзотермічні, нагрівання реакційної суміші відбувається в основному за рахунок реакції відновника з киснем, оскільки вміст останнього в нітрогеновмісних газах зазвичай у кілька раз перевищує концентрацію у них NOx. У процесі відновлення температура газу швидко зростає до 700 і більше, тому виникає необхідність використання термостійких каталізаторів або відновників із низькою температурою запалювання або проведення ступінчастого контакту із проміжним охолодженням очищуваного газового потоку.
Використовувані технологічні схеми
знешкодження відхідних газів відрізняються
в основному способами
Рис. 1 Схема установки каталітичного знешкодження відхідних нітрогеновмісних газів виробництв слабкої азотної кислоти під тиском 0,73 МПа:
1 – підігрівач-сепаратор; 2 – теплообмінник; 3 – змішувач; 4 – реактор; 5 - рекупераційна турбіна; 6 – котел-утилізатор; 7 – вихлопна труба4 8 - топка
Схема високотемпературного каталітичного відновлення NOx на виробництві азотної кислоти представлена на рис. 1. Відхідні гази містять, у %:
NOx – 0,05-0,1;
N2 – 96,0-96,2;
O2 – 2,2-3,0 та деяку кількість захоплюваних із абсорбційної колони парів азотної кислоти.
Для знешкодження відхідні
азотовмісні гази подають у підігрівач-
Информация о работе Каталітичне очищення газів від оксидів азоту