Каталитическая очистка хвостовых нитрозных газов

 

 

 

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 % NО_Х 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]:

    (3)

    (4)

    (5)

,  (6)

где V - объемный расход газа; С - концентрация соответствующего компонента; F - площадь проходного сечения реактора; W - скорость соответствующей химической реакции; С_р - теплоемкость газовой смеси; DH - тепловой эффект химической реакции; l - высота слоя контактной массы.

 

Скорости реакций (1) и (2) выражают в виде зависимостей [3]:

  (7)

 

  (8)

Результаты исследований показали, что:

k₀₁  = 2,47×10⁵;  k₀₂  = 1,63×10⁹; E₁  = 11,8 кДж/моль;  E₂ = = 78,88 кДж/моль; DH₁ = 800 кДж;  DH₂ = 956 кДж; С_р = 31,2 кДж/(моль×К); i = 1,3; m = n = j = 1,0 [5].

Тогда уравнения математической модели процесса можно записать следующим образом:

 (9)

 (10)

     (11)

 (12)

 

3.2 Метод решения.

Для решения системы дифференциальных уравнений используем метод Рунге-Кутта 4-го порядка. Метод эффективен и реализуется программными средствами.

  (13)

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;

ПДК_NO = 0,6 мг/м³ = 0,448×10^-6 м³/м³ = 0,448×10^-4 % об.

(ПДК_NO2 = 0,085 мг/м³ = 0,634×10^-7 м³/м³ = 0,634×10^-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: С_О2 = 0,222 % об.; С_NO = 2,250 % об.; С_СН4 = 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:

 м³/ч

 м³/ч

 м³/ч

 м³/ч

 м³/ч

 

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.

 кг/м³     

m_CH4=1148*0,7143=820,00кг/ч

 

 кг/м³         

   m_O2=2132*1,4289=3045,7кг/ч

 

 кг/м³            

m_NO=1,3401*106,6=142,8 кг/ч

 

  кг/м³         

m_N2=63853,4*1,25=79816,75 кг/ч

 

 кг/м³   

m_H2O=0,804*14760=11860,7 кг/ч

 

  кг/м³

По вычисленным с помощью  ЭВМ значениям концентраций находим объемные расходы газов на выходе из аппарата:

    м³/ч

 м³/ч

 

По количеству прореагировавшего O₂ по реакции (1) определяем количество образовавшихся водяных паров, СО₂ и израсходованного метана:

V_H2O=DV_O2=2132-182,04=1949,96 м³/ч

V_CO2=DV_O2 /2=1949,96/2=974,98 м³/ч

DV_CH4=DV_O2 /2=974,98 м³/ч

Аналогично рассчитаем  количества реагентов по реакции(2):

V_NO=(106,6-0,01845)=106,58155 м³/ч

V_H2O= V_N2= V_NO/2=(106,6-0,01845)/2=53,29 м³/ч

V_CO2= V_H2O/2=53,29/2=26,645 м³/ч

DV_CH4=26,645 м³/ч

 

Количество метана на выходе из реактора может быть определено:

 м³/ч

V_CH4=1148-(974,98+26,645)=146,375 м³/ч

 

m_CH4=146,375*0,7143=104,56 кг/ч

m_O2=1,4289*182,04=260,12кг/ч

m_NO=1,3401*0,01845=0,0247 кг/ч

 

Находим количество прореагировавших веществ:

m_NO=142,8-0,0247=142,743 кг/ч

m_O2=3045,7-260,12=2785,58 кг/ч

 

Находим количество образовавшихся  веществ:

            64        44         36

СН₄ + 2О₂ ® CO₂ + 2H₂O + Q   

         2785,58   Х₁      У₁

 

Х₁=2785,58*44/64=1915,08 кг/ч

У₁=2785,58*36/64=1566,89 кг/ч

 

             120       44       36         56

СН₄ + 4NO® СО₂ + 2H₂O + 2N₂+ Q   

             142,743   Х₂       У₂         Z₂ 

 

Х₂=142,743*44/120=52,34 кг/ч

У₂=142,743*36/120=42,82 кг/ч

Z₂=142,743*56/120=66,61 кг/ч

 

 

m_CO2= Х₁  + Х₂ =1915,08+52,34=1967,42 кг/ч

    

     m_H2O=У₁+У₂+11860,7=1566,89+42,82+11860,7=13470,41 кг/ч

 

m_N2= Z₂+79816,75=66,61+79816,75=79883,36 кг/ч

 

 

Объем катализатора  V=p*D²*h/4=3,14*3,6²*0,6/4=6,107 м³.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                Таблица1.

Компонент		m, кг/ч	V,м3/ч			% об.
Вход в контактный аппарат
СН4 О2 NO N2 H2O	820,00 3045, 7 142,8 79816,75 11860,7			1148 2132 106,6 63853,4 14760	1,4 2,6 0,13 77,87 18
Всего	95685,95			82000	100