МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Утверждено на заседании

кафедры отопления, вентиляции

и кондиционирования

«22» марта 2005г.

КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Процессы и аппараты очистки технологических и вентиляционных выбросов от загрязнении для подготовки магистров техники и технологии по программе Система обеспечения микроклимата зданий и сооружений»

Ростов-на-Дону

2005

Каталитическое обезвреживание газовых выбросов (расчет оборудования).

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Процессы и аппараты очистки технологических и вентиляционных выбросов от загрязнений». Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т.,200с.

Проведена методика расчета установок каталитической очистки газов, включая рекуператор, теплогенератор и термокаталитический реактор. Рассмотрены тепловые процессы и аэродинамика термокаталитических аппаратов.

Предназначены для обучения магистров техники и технологии по программам 550110 «Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений» и «Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий».

Составители:

д-р техн. наук, проф.

канд. техн. наук, доц.

Рецензент:

канд. техн. наук, доц. .

Редактор

Темплан 2005 г., поз.

ЛР 020818 от 13.01.99. Подписано в печать. Формат 60х84/16.Бумага писчая. Ризограф.

Уч.-изд. л. Тираж 30 экз. Заказ

Редакционно-издательский центр Ростовского

государственного строительного университета.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

г. Ростов. н/Д, .

©Ростовский государственный строительный

университет, 2005

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………….4

Расчет оборудования для каталитического обезвреживания газовых выбросов……………………………………………………………………….5

1. Расчет процессов массообмена с участием химической реакции, расчет контактного узла термокаталитического аппарата…………………………5

2. Тепловые процессы в термокаталитических аппаратах, расчет

рекуперации теплоты…………………………………………………………10

3. Аэродинамики аппаратов каталитической очистки газов……………….20

Литература…………………………………………………………………….25

Введение

Широкое применение природного газа в промышленности и в агропромышленном комплексе ставим вопрос не только о его рациональном и эффективном применении, но и в равной степени об оздоровлении окружающей человека среды.

Данные о увеличивающемся загрязнении атмосфера промышленных центров и вредном влиянии его на здоровье людей убеждают в том, что защита воздушного бассейна от загрязнений одна из важнейших научно-технических проблем современности.

Основные вещества, выбрасываемые в воздушный бассейн при сжигании газообразного топлива, - продукты полного сжигания (углекислый газ, азот, водяные пары), а также оксид углерода, углеводороды, оксиды азота. При сжигании неочищенных сероводородсодержащих газов (Оренбургское, Астраханское и других месторождения) в атмосферу поступают серный и сернистый ангидриды, несгоревший сероводород. Из них вредными для здоровья людей веществами являются соединения серы, оксид углерода, оксиды азота, углеводороды (в том числе канцерогенный бензпирен).

При современном уровне развития техники и технологии очистки загрязненных газов специалисты имеют возможность выбора оборудования и технического решений, обеспечивающих необходимую степень очистки газов.

В данных методических указаниях рассмотрена методика расчета установок каталитической очистки от углеводородных примесей в отходящих газах.

РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

При разработке процессов и конструкций аппаратов каталитической очистки основной задачей является отыскание оптимальной совокупности параметров полного каталитического превращения обезвреживаемых примесей, правильный выбор конструктивного варианта (типоразмера контактного аппарата с учетом исходных данных по объемному расходу очищаемых газов, их температуре и давлению, составу примесей).

1.  Расчет процессов массообмена с участием химической реакции, расчет контактного узла термокаталитического аппарата.[1]

Основная цель расчета - определить толщину каталитического слоя, необходимую для достижения заданной степени очистки. Степень очистки реагентов в контактном аппарате определяется уравнением Викке.

, (1)

где N – число единиц переноса массы

, (2)

β – коэффициент массопередачи, м/с

α – удельная доступная поверхность катализатора, м2/м3

h – толщина слоя катализатора, м

ω – линейная скорость потока при рабочей температуре, м/с

Коэффициент массопередачи β находиться из уравнения

при Re<30 (3)

при Re>30 (4)

Nu – диффузионный критерий Нуссельта,

dэ – эквивалентный диаметр каналов, образованных частицами катализатора, м,

ε – порозность слоя катализатора, м3/м3(см. таблицу 1);

a0 – удельная поверхность слоя катализатора, м2/м3,

.

где d – диаметр зерна катализатора, м;

l – высота цилиндрической частицы катализатора, м.

Эта формула справедлива для катализаторов сферической и цилиндрической формы, а также проволочных катализаторов типа НИИ ОГАЗ-Д

Для частиц сферической формы , для проволочных катализаторов d/l=0.

Re – критерий Рейнольдса

Re =

где ω – линейная скорость потока, м/с;

d- диаметр зерна катализатора, м

* - коэффициент кинематической вязкости воздуха при рабочих условиях, м2/с.

Она принимается по допускаемому гидравлическому сопротивлению слоя катализатора в зависимости от порозности катализатора и эквалентного диаметра каналов слоя катализаторов dэ (см. таблицу 1).

Таблица 1

Рекомендуемые скорости фильтрования, отнесенные

к полному сечению слоя (для рабочей температуры 2500С)

dэ

= 0,35

= 0,40

= 0,45

Допускаемому гидравлическое сопротивление слоя 2000 Па

0,001 0,4-0,5 0,5-0,6 0,8-0,9

0,002 0,5-0,6 0,6-0,7 0,9-1,05

0,003 0,6-0,7 0,7-0,8 1,0-1,2

Допускаемое сопротивление слоя 1000 Па

0,001 0,3-0,4 0,35-0,45 0,5-0,6

0,002 0,35-0,45 0,4-0,5 0,6-0,7

0,003 0,4-0,5 0,45-0,55 0,7-0,8

Применение: с увеличением рабочей температуры на 500С скорость фильтрования следует уменьшить на 0,025 м/с

Критерий Шмидта Sс определяется по формуле:

,

где Д – коэффициент диффузии, м2/с, определяемый по формуле:

Д =

tp – рабочая температура перед слоем катализатора, 0С,

p – давление перед слоем катализатора, Мпа,

VА – мольный объем обезвреживаемого компонента,

MА – молекулярная масса обезвреживаемого компонента,

VВ - мольный объем воздуха,

MВ - молекулярная масса воздуха.

Мольные объемы: водорода 1,98; воздуха – 20,1; кислорода в соединениях – 5,48; углерода – 16,5; оксида углерода – 18,9; шестичленного кольца в органических соединениях _20.

а=а0(I-) кэ, (5)

где Кэ – коэффициент, учитывающий экранирование поверхности зерен
в слое катализатора, т. е. коэффициент доступной поверхности (см. рис. 1).

Таким образом, определив из уравнения (I) число единиц переноса, из уравнения (2) находим необходимую толщину слоя катализатора

, (6)

Коэффициент массопередачи β определяется из уравнения (3) и (4), а удельная доступная поверхность катализатора (а) – из уравнения (5).

Если известна высота слоя катализатора h, то можно определить для компенсации степень очистки по этим же уравнениям. Обычно рабочую толщину слоя катализатора для компенсации влияния неравномерности газораспределения принимают:

hp= (1.25±1.45) h.

Необходимая поверхность фильтрования определяется по формуле

S=, (7)

где V – действительный объем очищаемых газов, м3/ч

Поверхность фильтрования для наиболее распространенного варианта размещения катализатора в кольцевых корзинах рассчитывают по среднему диаметру.


Рис.1 Зависимость коэффициента доступной поверхности φ

от порозности слоя катализатора

Рекомендуемое соотношение Н/Дср.=1,5-3,5.

Н - Рабочая высота кольцевой корзины, м.

Дср.- средний диаметр кольца, м.

S=πH Дср.

Определив значение S из уравнения (6) и задаваясь соотношением Н/Дср., находим Дср и Н.

Объем катализатора Vк, м3:

Vк= πДср. h(H+2h). (8)

В данной методике, предназначенной для инженерных расчетов, не учитывается кинематика процесса окисления примесей на поверхности контакта. Учет этого процесса приводит к увеличению расчетной высоты слоя катализатора на 10-30 %. Однако для этого необходимо знать вид кинетического уравнения для конкретной системы «вещество-катализатор» и параметры кинетического уравнения: константу скорости химической реакции, коэффициент кинетического уравнения, предэкспонециальные множители, энергию активации, энергию адсорбционных связей.

В газовых выбросах обычно количество загрязняющих компонентов больше одного. В этом случае в инженерных расчетах следует вести анализ по тому компоненту, у которого отношение его исходной концентрации к предельно допустимой наибольшее.

В последнее время все большее распространение получают «сотовые» катализаторы: керамические блоки, пронизанные большим количество прямых каналов квадратного, шестиугольного и круглого сечения. Для расчета толщины слоя «сотовых» катализаторов может быть использовано уравнение:

у= 1-(0,82l-14.63z+0,098l-88.72z+0,0135l-212.27z), (9)

где z = ,

dэ - эквивалентный диаметр каналов, м,

dэ=,

где f - площадь канала, м2,

П - периметр канала, м,

(10)

где Pe =- диффузионный критерий Пекле.

2. Тепловые процессы в термокаталитических аппаратах.

Расчет рекуперации теплоты.

Технология каталитического обезвреживания газовых выбросов предусматривает нагрев их до определенной температуры.

Тепловые процессы в термокаталитических аппаратах состоят из следующих стадий (см. рис. 2):

1  - подогрев газовых выбросов в рекуператоре за счет теплоты очищенных газов;

2  - последующий нагрев газов до необходимой по условиям работы контактного узла температуры в теплогенераторе;

3  - адиабатический разогрев очищаемой среды в слое катализатора за счет экзотермичности реакций каталитического окисления;

4  - охлаждение очищенных газов в рекуператоре.

В качестве рекуператора большей частью применяют рекуператоры из гладких стальных труб.

Когда в газовых выбросах присутствуют соединения, способные образовать отложения на внутренних поверхностях элементов газоочистной системы, целесообразно газовые выбросы направлять в трубное пространство рекуператора. Если же в газовых выбросах подобные соединения отсутствуют, то с точки зрения наиболее эффективной рекуперации теплоты газовые выбросы лучше направлять в межтрубное пространство, а очищенные газы - в трубное.

Для рекуператоров применяют обычные бесшовные цельнотянутые трубы с внутренним диаметром от 15 до 100 мм и толщиной стенки 2-5 мм. Трубы при помощи сварки крепят к трубным доскам из листовой стали, служащих для подвода и отвода газов.

Цель расчета рекуператора является определение его поверхности нагрева.

Количество теплоты, воспринятсе в рекуператоре газовыми выбросами (Q, ) определяется по уравнению:

Q=η1·V'T·CT1(tM-t'M)=VT·CT(tT"-tT'), (11)

где η1 – коэффициент, учитывающий потери теплоты рекуператором в окружающую среду, η1=0,95±0,97;

V'T – объем очищенных газов, поступающих из каталитического реактора, м3/ч, (при определенных условиях V'T =VT);

CT1 – теплоемкость газов, , может быть принята равной 1,34;

tM – температура газов на выходе из реактора, 0С;

t'M – температура очищенных газов на выходе из рекуператора, 0С (по практическим данным может быть принята С);

VT – объем очищаемых газов, м3/г;

CT - теплоемкость этих газов, (зависит от температуры поступаю-щих на очистку газов и может колебаться от 1,319 до 1,33);

tT"- температура очищенных газов на входе в рекуператор, 0С;

tT' - температура очищенных газов на выходе из рекуператора, 0С.

Из уравнения (11) определяем tT"

Требуемая поверхность нагрева, F, м2

F=, (12)

где κ – коэффициент теплопередачи, ;

Δt – температурный напор в рекуператоре, 0С.

Температурный напор определяется по формуле:

, (13)

где Δtб, Δtм – больший и меньший перепад температур на входе в рекуператор и выходе из него.

При параллельном токе перепады температур равны: и .

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

, (14)

αМ – коэффициент теплоотдачи со стороны очищенных (греющих) газов.

αТ – коэффициент теплоотдачи со стороны очищаемых (нагреваемых) газов.

очищенный газ

в атмосферу

3
 

2
 

1
 

газ на

очистку

 

 

Рис. 2. Схема технологии каталитического обезвреживания газовых выбросов

1-  рекуператор, 2- теплогенератор, 3- реактор

Коэффициенты теплоотдачи определяются для газов, перемещаемых по трубам, и газов, перемещаемым в межтрубном пространстве.

Для нахождения этих коэффициентов необходимо выбрать конструкцию рекуператора. Задаваясь скоростью газов в трубном пространстве (при нормальных условиях в пределах 7÷10м/с) определяют сечение для прохода газов в трубном пространстве

м2, (15)

где - объем газов, проходящих через трубное пространство, м3/с, при нормальных условиях,

- скорость газов в трубном пространстве, м/с при нормальных условиях.

Выбрав диаметр труб , определяют их количество

шт,

*площадь сечения одной трубы, м2.

Принимают расположение труб: шахматное или коридорное и в плане: по прямоугольнику, квадрату и т. п.

Общее число труб

,

* число труб по длине и ширине рекуператора,

* из конструктивных соображений быть неравным, и тогда уточняется скорость газов в трубном пространстве:

м/с.

Коэффициент теплоотдачи при движении газов внутри труб определяют по следующим формулам:

При турбулентном режиме (>5000; скорость движения газов в трубах, внутренний диаметр труб, - коэффициент кинематической вязкости, м2/с):

, Вт/м2К (16)

где *коэффициент теплопроводности газов, при средней температуре газов;

критерий Прандтля для газов при средней температуре газов;

* поправочный коэффициент, равный при 50ºС - 1,2, при 200ºС - I,0;

* коэффициент, который может быть принят равным I,0. при переходном режиме (Rе=2000÷5000)

, (17)

* коэффициент, может быть принят равным 0,95 при ламинарном

режиме

(18)

Определение Re, а также ведут при средней температуре газов:

* средняя температура газов в трубном пространстве, оС.

Коэффициент теплоотдачи, при движении газов в межтрубном пространстве определяют по тем же формулам, только вместо подставляют эквивалентный диаметр

(19)

m – длина рекуператора


S1-шаг труб по длине рекуператора, м.

ширина рекуператора, м.

шаг труб по ширине рекуператора, м. ;

число труб в пучке, шт;

наружный диаметр труб, м.

При определении значения критерия Re определяют, м/с.

(20)

* средняя температура газов в межтрубном пространстве, ºС.

При определении и должна быть 7-10 м/с при нормальных условиях.

В том случае, когда при разработке конструкции рекуператора предполагается, необходимо чтобы поток в межтрубном пространстве омывал трубы не продольно, а поперечно расчет остается таким же, а расчет выполняется в следующем порядке:

а) Задаемся скоростью газов в межтрубном пространстве задаются 7-10 м/с;

б) Принимают S1 и S2 в пределах .

где шаг труб в направлении движения газов;

шаг труб поперек движения газов.

в) Определяют ширину каналов для прохода газа в самом узком месте

м

г) Определяют сечение межтрубного пространства

м2

где объем газов, проходящих через межтрубное пространство, м3/с (при нормальных условиях);

скорость газов в межтрубном пространстве, м/с (при нормальных условиях);

д) Определяют высоту каналов одного хода газов в межтрубном пространстве h, м.

м

*число труб по ширине рекуператора (в направлении поперечном току газов в межтрубном пространстве).

е) Определяют коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве, , при поперечном обтекании труб:

при коридорном расположении труб

(21)

где наружный диаметр трубы, м;

*коэффициент теплопроводности газов, протекающих в межтрубном пространстве, при их средней температуре, ;

- критерий Прандтля для этих газов при их средней температуре;

*кинематическая вязкость этих газов при их средней температуре, м2/с;

скорость газов в межтрубном пространстве при их средней температуре, м/с

при шахматном расположении труб и

(22)

при шахматном расположении труб и <0,7

(23)

*продольный шаг труб (по длине рекуператора)

*поперечный ряд труб (по ширине рекуператора)

-  После определения количества теплоты, переданного в рекуператоре, среднего температурного напора и коэффициент теплопередачи определяют требуемую поверхность нагрева рекуператора F, м2

- определив F, находят длину рекуператорных труб

где средний диаметр труб, м.

При поперечном движении газов в межтрубном пространстве число ходов газов

Расход топливного газа в теплогенераторе при условии, что подогрев очищаемых газов в рекуператоре и их адиабатический разогрев в реакторе не достаточен для осуществления процесса окисления, рассчитывается по формуле:

(24)

где В – расход газа в теплогенераторе, м3/ч;

*теплоемкость воздуха при средней температуре,;

*коэффициент, учитывающий полноту сгорания топлива ;

*- низшая теплота сгорания топлива, кДж/м3;

tp –температура очищаемых газов на выходе из топки, 0С ;

t"T – температура очищаемых газов на входе в топку(температура после рекрута), 0С ;

VT – объемный расход очищаемых газов, м3/ч.

Температура газов на выходе из топки может быть определена следующим образом:

-  в слое катализатора за счет экзотермических реакций температура растет до tм.

tм = tp + qб. p. (CH-CK). (25)

-  зная температуру, необходимую для осуществления каталитического процесса tм для данного катализатора и данного состава очищаемых газов, находим

tp= tм – qо. p. (CH-CK).

qо. p. – удельная величина адиабатического разогрева воздуха при окислении органических соединений, м3К/г

(26)

где *- теплота сгорания окисляемого вещества, кДж/моль.

начальная и конечная концентрация окисляемого вещества, г/м3.

*молекулярная масса окисляемого вещества.

*теплоемкость воздуха, кДж/(м3К), равная

где СР – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(моль К), равная 30.

R – газовая постоянная для воздуха, кДж /(моль К), равная 8,31

кДж/(м3К)

Теплоту сгорания органического вещества находят из соотношения

(27)

число атомов углерода и водорода в молекуле вещества.

При сжигании в теплогенераторе природного газа необходимая температура tр создается за счет смещения продуктов сгорания природного газа с обезвреживаемыми газами. Тогда на входе в теплогенератор мы имеем tт обезвреженного газа, а на выходе из теплогенератора и на выходе, а реактор объем газов будет .

,

объем продуктов сгорания, образующихся при сжигании I м3

топливного газа

*теоретическое количество воздуха, потребное для сжигания одного м3 топливного газа (для природного газа )

*коэффициент избытка воздуха в газогорелочном устройстве, может быть принят равным 1,05+1,1.

Если нагрев очищаемых газов в теплогенераторе производится с помощью электроэнергии, то расходуемая на это мощность определяется по формуле

(28)

3. Аэродинамика аппаратов каталитической очистки газов

Для нормального ведения процесса каталитической очистки необходимо выбрать тягодутьевое устройство, обеспечивающее перемещение очищаемых газов через аппараты. Для этого определяется гидравлическое сопротивление системы.

Основное сопротивление создают слой катализатора и рекуператор.

Сопротивление слоя катализатора можно определить по формулам:

при Re<50 (29)

при Re >

или при любом числе Re, (31)

где приведенный диаметр частиц;

*коэффициент динамической вязкости воздуха, Па·с;

*плотность воздуха, кг/м3;

Vr – объем частицы катализатора, м3;

внешняя поверхность частицы, м2.

Сопротивление рекуператора состоит из потерь в трубном пространстве и потерь в межтрубном пространстве. Если транспортировка очищаемых и очищенных газов осуществляется одним и тем же тягодутьевым устройством, то потери в трубном и межтрубном пространстве суммируются.

Расчет потерь в трубном пространстве

Потери давления складываются из потерь при входе газов в трубы рекуператора потерь при движении в трубах ΔР2, потерь при выходе газов из труб рекуператора и геометрического напора .

*Па (32)

плотность газов при их начальной температуре, кг/м3;

ρ0 – плотность газов при нормальных условиях, кг/м3,

S1 – коэффициент местного сопротивления при входе газа в трубы, S1 = 2,5 - 3,5.

, (33)

где μ - коэффициент трения

для гладкой металлической стенки А= 0,32; n=0,25;

для шероховатой А= 0,129; n=0,12.

Re – критерий Рейнольдса при движении газов в трубах при их средней температуре

(34)

где ξ2 - коэффициент местного сопротивления при выходе газов из труб рекуператора, ξ2=1,0;

Ρ2 - плотность газов при их конечной температуре tTK, кг/м3.

(35)

где ρв - плотность воздуха при 200С, кг/м3, равная 1,205 кг/м3;

ρr - плотность газов при их средней температуре, кг/ м3,

Геометрический напор ΔР4, определяемый разностью плотностей атмосферного воздуха и газа, а также высотой газового объема, может быть со знаком «-», если газ движется снизу вверх, и со знаком «+», если газ движется сверху вниз.

Расчет потерь в межтрубном пространстве ΔРMT.

Потери давления складываются из потерь давления при внешнем обтекании пучка труб ΔР1, потерь давления в переходных коробках при повороте потока на 1800С ΔР2 , потерь давления в подводящей коробке ΔР3, потерь давления в отводящей коробке ΔР4.

ΔРMT= ΔР1+ ΔР2+ ΔР3+ ΔР4.

Величина потерь ΔР1 зависит от расположения труб в рекуператоре:

при шахматном расположении труб

(36)

α- число труб в направлении потока газов

Δh1,СS, Cd - находят по номограммам [2], причем скорость потока

ω принимают в узком сечении труб при среднем температуре потока.

При коридорном расположении труб

(37)

при

при

CS, CRe,ξгр находит по номограмме [2]

При продольном движении в межтрубном пространстве

, (38)

Коэффициент μ может быть принят равным 0,038 или определен по формуле, применяемой при расчете μ при движении газов по трубам.

(39)

где ξ- коэффициент сопротивления при повороте на 180, равный 2,0;

tп - число перегородок;

ω0- скорость газов в переходных коробках, может быть принята равной 6-8 м/с;

ρ0 - плотность газов в межтрубном пространстве при нормальных условиях, кг/м3.

- средняя температура газов межтрубном пространстве,0С

где ξ- коэффициент сопротивления, равный 1,5;

ω0- скорость газов в подводящей коробке, может быть принята равной(1,25+1,5)ωMTP, м/с;

- температура газов на входе в межтрубном пространство, 0С

,

,

где - температура газов на выходе из межтрубного пространства,0С

Общие потери в рекуператоре

Сопротивления слоя и рекуператора составляют 85-90%

общего сопротивления установки каталитического обезвреживания.

Таким образом, общее сопротивление всей установки

ЛИТЕРАТУРА

1.  Славин атмосферы от промышленных загрязнении. М: ГАНГ, 199с.

2.  Технологические расчеты установок переработки нефти – М.: Химия, 1987.-352 с.