Каталитические реакторы для дожигания отходящих газов

Канд. техн. наук Л. К. Акимова, П. И. Батура, Н. А. Докина (ДПИ)

Выбросы коксохимических предприятий содержат твердые частицы, сернистые соединения, капельки смолы, нафталин, фенолы и другие вредные вещества. Для удаления из газов нежелательных примесей газо- и парообразных веществ применяют различные методы очистки, в том числе и каталитические. При некаталитических методах примеси выводятся из газовой смеси конденсацией или поглощением жидкими или твердыми поглотителями. При каталитических же способах удаляемые примеси не выводятся из системы, а превращаются в другие вещества, которые остаются в газовой смеси или легко удаляются на последующих стадиях очистки [1, 2].

Существует немало работ посвященных вопросам очистки различных газов, главным образом химическими и сорбционными методами. Каталитическим методам сравнительно недавно стали уделять внимание, хотя известно, что во многих случаях они наиболее эффективны для очистки как технологических, так и выбросных газов.

Основные преимущества каталитических способов очистки газов по сравнению с некаталитическими в том, что они могут осуществляться непрерывно, при достаточно больших объемных скоростях, без смены катализатора в течение длительного времени, обеспечивают высокую и стабильную очистку. В процессе каталитической очистки газов на поверхности твердого контакта происходят химические превращения, приводящие к удалению из реакционной смеси нежелательных примесей.

Рис. 1. Схема установки каталитического окисления углеводородов:

1—ротаметр; 2—реактор проточного типа с катализаторной насадкой; 3—катализатор; 4—газовые пипетки; 5—вакуумный насос; 6—поглотительные сосуды; 7—лагометр; 8–капельница; I—воздух; II—в атмосферу; III—газ

Очистку газов от органических примесей проводили каталитическим окислением на различных катализаторах с частицами размером 5—10 мкм. При этом использовали известные катализаторы, наиболее доступные и дешевые: I—нанесенный оксидный меднохромовый на шамотной крошке; II—марганцевую руду Никопольского месторождения; III—ферромарганцевый агломерат Донецкого металлургического завода. Катализатор выбирали по степени обезвреживания газов от органических соединений (бензола, фенола, нафталина).

Каталитическое окисление чистых органических веществ, содержащихся в выбросных газах, проводили на установке, смонтированной из типового лабораторного оборудования (см. рис. 1). Варьировали типы катализаторов, их температуру, содержание окисляемых веществ и расход воздуха перед химическим реактором.

Содержание фенола в газовой фазе до и после реактора определяли фотокалориметрическим методом, нафталина—пикратным, а бензольных углеводородов—поглощением их активированным углем [3].

Анализ данных показывает, что обезвреживание бензола на меднохромовом катализаторе протекает при повышенных температурах (400—560 °С), начало реакции при 400—405 °С. Чем выше температура слоя катализатора, тем больше содержание оксида углерода в продуктах окисления. Окисление бензола на марганцевой руде протекает при более низких температурах (250—405 °С); степень обезвреживания составляет от 64 до 100 %. Скорость адиабатического разогрева катализатора 7,66 °С/мин в течение первых 10—15 мин от начала реакции, а затем она снижается до 4 °С/мин. При снижении температуры слоя катализатора с 250 до 150°С скорость адиабатического разогрева марганцевой руды падает на примерно 2,2°С/мин.

Для практических целей достаточно высокая степень окисления бензола на марганцевой руде достигается при 200—250 °С, температура начала реакции 145—150 °С. При повышенных температурах (>300°С) скорость адиабатического разогрева марганцевой руды возрастает незначительно (на примерно 1,34 °С/мин) по сравнению со скоростью ее разогрева при начальной температуре 250 °С. На ферромарганцевом агломерате бензол окисляется до 96,3—97 % в интервале 280— 340 °С. Температура начала реакции280—300 °С. Такая высокая степень обезвреживания бензола на этом катализаторе достигается при содержании бензола в газовой смеси, превышающем почти в 10 раз его содержание в смеси, окисляемой на меднохромовом катализаторе при 400—500 °С.

Полное окисление фенола на меднохромовом катализаторе происходит при 350—450 °С, температура начала реакции 380—385 °С. На марганцевой руде фенол окисляется при 200—300 °С, начало реакции обезвреживания находится в интервале 176—180 °С. В этом случае окисление фенола до 93,1—96 % происходит даже тогда, когда его содержание достигает 210—180 мг/л воздуха. На ферромарганцевом агломерате фенол окисляется на 91,6—93 % при 255—340 °С. Температура начала реакции 310—320 °С (примерна равна температуре начала окисления бензола на ферромарганцевом агломерате).

Сравнительный анализ каталитического окисления бензола, фенола и нафталина свидетельствует, что высокая степень их обезвреживания (на 85—100 %) достигается при 340—350 °С на марганцевой руде и .ферромарганцевом агломерате, стоимость который меньше, чем промышленных катализаторов (1 т марганцевой руды стоит 35—40 руб., а ферромарганцевого агломерата до 70—75 руб. Цена катализатора НИИОгаз-8Д 4770 руб., ИК-12-1 до 7420 руб. и т. д.).

Результаты исследований могут быть использованы для различных производств, технологические выбросы которых содержат органические вещества.

Список литературы

1. Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология.— М.: Высшая школа, 1985.— 448 с.

2. Очистка технологических газов / Т. А. Семенова.— М.: Химия, 1969.— 230 с.

3. Глузман Л. Д., Эдельман И. И. Лабораторный контроль коксохимического производства.— М.: Металлургия, 1968.— 472 с.