Физико химическая сорбция

Министерство Образования и науки РФ

Марийский государственный технический университет 
 
 

Кафедра  БЖД 
 
 

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ  РАБОТА №1:

РАСЧЕТ  ПАРАМЕТРОВ КАТАЛИТИЧЕСКОГО  ОКИСЛЕНИЯ ВРЕДНОЙ  ПРИМЕСИ В ВОЗДУХЕ  РАБОЧЕЙ ЗОНЫ 

Вариант 18 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. БЖД-31

Смоленцев Алексей 

Проверила: доцент  каф. Физики

Смотрина  Т.В. 
 
 
 
 

Йошкар-Ола

2011 г.

Содержание: 

Характеристика термических методов обезвреживания газовых выбросов….3

    а)  термическое окисление………………………………………………………3

    б)  термокаталитические методы……………………………………………….4

Расчет теплового  эффекта, Расчет свободной энергии  Гиббса G……………..6  

Вывод…………………………………………………...…………………………..7

Расчетная работа……………………………………….…………………………..8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Характеристика  термических методов  обезвреживания газовых       выбросов 

    В технологии важнейшей задачей является создание малоотходных процессов. Применительно  к газообразным отходам усовершенствование технологии должно в первую очередь  обеспечить небольшой объем выбросов. Между тем, традиционный подход заключается в уменьшении массы выбрасываемых вредных веществ, а объем воздуха, в котором они содержатся (собственно объем газообразных выбросов), чаще не принимается во внимание. Однако, затраты на газоочистку возрастают пропорционально объему перерабатываемых газов. Масса улавливаемых или нейтрализуемых веществ влияет на стоимость очистки в значительно меньшей степени.

    Очистка больших объемов газовых выбросов, содержащих примеси органических веществ  в малых концентрациях, обычно осуществляется путем термической или термокаталитической нейтрализации этих веществ до безвредных соединений.

     Применение  термических методов эффективно для дожигания пыли многокомпонентных  и запыленных отходящих газов. 
 

Термическое окисление 

Для осуществления реакции окисления необходимо поддержание высоких температур очищаемого газа и наличие достаточного количества кислорода. Выбор схемы дожигания зависит от температуры и количества выбросов от содержания в них вредных примесей, кислорода и т. д. Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки 90-99 %, если время пребывания загрязняющих веществ в высокотемпературной зоне не менее 0,5ч и температура обезвреживания газов, содержащих оксид углерода, составляет 660—750 градусов.

При выборе методов  и схем очистки в первую очередь  определяется способ очистки загрязнённого  воздуха, количество ступеней очистки  и тип пылегазоулавливающих аппаратов. Устанавливать следует только такие  устройства, которые в конкретных условиях сочетали бы в себе требуемую эффективность очистки, надёжность и экономичность. Поскольку сухая одноступенчатая очистка в ряде случаев не может обеспечить надлежащей эффективности, проводят двух- и трёхступенчатую очистки.

Достоинства и недостатки:

Установки для  термического дожигания органических примесей промышленных газов достаточно просты по конструкции, занимают небольшую  площадь, эффективность их работы не зависит от срока службы.

Термическое дожигание  является наиболее простым и самым  старым способом очистки от дурнопахнущих соединений на предприятиях агропромышленного комплекса, однако при этом и самым дорогим. 

Термокаталитический метод 

     Наиболее массовое применение термокаталитические методы находят при очистке газов от оксидов азота,  обезвреживания органических соединений и СО. К недостаткам следует отнести тот факт, что для концентраций выше 1 г/м3 и больших объемов очищаемых газов использование термокаталитического метода требует высоких энергозатрат, а также большого количества катализатора. Каталитические методы газоочистки отличаются универсальностью. С их помощью можно освобождать газы от различных органических соединений, монооксида углерода и других токсичных примесейпреобразовывая при этом вредные примеси в безвредные, менее вредные. Гетерогенно-каталитическое превращение газообразных примесей осуществляют в реакторе, загруженном твердым катализатором в виде пористых гранул, колец, шариков или блоков со структурой, близкой к сотовой. Химическое превращение происходит на развитой внутренней поверхности катализаторов, достигающей 1000 м2/г. Применение каталитических методов чаще всего ограничивается трудностью поиска и изготовления пригодных для длительной эксплуатации и достаточно дешевых катализаторов.

     Термокаталитический метод за счёт снижения температуры  процесса до 200–400 0С в 2–2.5 раза дешевле термического из-за уменьшения расхода энергии на подогрев газов. Этот метод применяется для очистки газов, содержащих CO, органические соединения, и обеспечивает более полное удаление примесей (97–99.9%), чем термическое дожигание.

     Каталитическое  окисление в стационарном режиме протекает при более низких температурах, чем воспламенение органических веществ, что повышает безопасность очистки. Каталитическое дожигание  органических веществ и оксида углерода является одним из наиболее перспективных методов газоочистки, так как даёт возможность перерабатывать многокомпонентные газы с малыми начальными концентрациями вредных примесей, добиваться высоких степеней очистки, вести процесс непрерывно, избегать в большинстве случаев образования вторичных загрязнителей.

     Основные  преимущества каталитического способа  сжигания по сравнению с ближайшим  аналогом — термическим, заключаются  в его высокой эффективности, экономичности и отсутствии вредных  побочных явлений. В последние годы потребность в катализаторах для нужд охраны окружающей среды за рубежом возрастает быстрыми темпами. Массово используются установки каталитической очистки газов для различных отраслей промышленности, в то время как на территории СНГ насчитывается несколько десятков работающих установок каталитической очистки газов в основном зарубежного производства. Наибольшее распространение получили каталитические методы обезвреживания отходящих газов в неподвижном слое катализатора. Можно выделить два принципиально различных метода осуществления процесса газоочистки - в стационарном и в искусственно создаваемом нестационарном режимах.

     При стационарном методе приемлемые для практики скорости химических реакций достигаются на большинстве дешевых промышленных катализаторов при температуре 200-60 C°. После предварительной очистки от пыли и различных каталитических ядов, газы обычно имеют значительно более низкую температуру. Подогрев газов до необходимых температур можно осуществлять за счет ввода горячих дымовых газов или с помощью электроподогревателя. После прохождения слоя катализатора очищенные газы выбрасываются в атмосферу, что требует значительных энергозатрат. Добиться снижения энергозатрат можно, если тепло отходящих газов использовать для нагревания газов, поступающих в очистку. Для нагрева служат обычно рекуперативные трубчатые теплообменники.

     Нестационарный метод предусматривает периодическое изменение направлений фильтрации газовой смеси в слое катализатора с помощью специальных клапанов. Процесс протекает следующим образом. Слой катализатора предварительно нагревают до температуры, при которой каталитический процесс протекает с высокой скоростью. После этого в аппарат подают очищенный газ с низкой температурой, при которой скорость химического превращения пренебрежимо мала. От прямого контакта с твердым материалом газ нагревается, и в слое катализатора начинает с заметной скоростью идти каталитическая реакция. Слой твердого материала (катализатора), отдавая тепло газу, постепенно охлаждается до температуры, равной температуре газа на входе. Поскольку в ходе реакции выделяется тепло, температура в слое может превышать температуру начального разогрева. В реакторе формируется тепловая волна, которая перемещается в направлении фильтрации реакционной смеси, т.е. в направлении выхода из слоя. Периодическое переключение направления подачи газа на противоположное позволяет удержать тепловую волну в пределах слоя как угодно долго. Преимущество этого метода в устойчивости работы при колебаниях концентраций горючих смесей и отсутствие теплообменников. 
 
 
 
 
 
 
 

     Расчет  теплового эффекта, Расчет свободной энергии Гиббса G    

Тепловой эффект реакции, теплота, выделенная или поглощенная термодинамической системой при протекании в ней химической реакции. Определяется при условии, что система не совершает никакой работы (кроме возможной работы расширения), а температуры реагентов и продуктов равны. Поскольку теплота не является функцией состояния, т.е. при переходе между состояниями зависит от пути перехода, то в общем случае тепловой эффект реакции не может служить характеристикой конкретной реакции. 

Температурная зависимость тепловой эффект реакции дается Кирхгофа уравнением. применение которого, строго говоря, требует знания парциальных молярных теплоемкостей всех участвующих в реакции веществ, однако в большинстве случаев эти величины неизвестны. Поскольку для реакции, протекающих в реальных растворах и других термодинамически неидеальных средах, тепловой эффект реакции, как и другие парциальные молярные величины, существенно зависят от состава системы и экспериментальных условий, разработан подход, облегчающий сопоставление энергетики разных реакций и систематику тепловой эффект реакции. Этой цели служит понятие стандартного теплового эффекта реакции (обозначается  ). Под стандартным понимается тепловой эффект реакции, осуществляемой (часто гипотетически) в условиях, когда все участвующие в реакции вещества находятся в заданных стандартных состояниях. Дифференцированный и интегральный стандартные тепловой эффект реакции всегда численно совпадают. Стандартный тепловой эффект реакции легко рассчитать с использованием таблиц стандартных теплот образования или теплот сгорания веществ (см. ниже). Для неидеальных сред между реально измеренными и стандартными тепловыми эффектами реакции существует большое расхождение, что необходимо иметь в виду при использовании теплового эффекта реакции в термодинамических расчетах. 

Применение табличных величин   позволяет вычислять тепловые эффекты многих тысяч реакций, хотя сами эти величины известны лишь для нескольких тысяч соединений. Такой метод расчета непригоден, однако, для реакций с небольшими тепловыми эффектами, так как расчетная малая величина, полученная как алгебраическая сумма нескольких больших величин, характеризуется погрешностью, которая по абсолютной величине может превосходить тепловой эффект реакции. Расчет теплового эффекта реакции с помощью величин  основан на том, что энтальпия есть функция состояния. Это позволяет составлять системы термохимических уравнений для определения теплового эффекта требуемой реакции. Вычисляют практически всегда стандартные тепловые эффекты реакции. Помимо рассмотренного выше метода расчет теплового эффекта реакции проводят по температурной зависимости константы равновесия -уравнения изобары и изохоры реакции с помощью формулы:  , где DG⁰ = RТ ln К-стандартная энергия Гиббса реакции, К -константа равновесия, a DS⁰-стандартная энтропия реакции, вычисляемая по стандартным энтропиям всех веществ, участвующих в реакции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Вывод 

     Диметилформамид очистили процессом каталитического окисления. Расчет показал что при температуре окисления 723К свободная энергия Гиббса отрицательна, а значит реакция протекает самопроизвольно, без затраты работы извне, и реакцию окисления можно использовать как метод очистки. Далее из уравнения изотермы химической реакции была рассчитана константа равновесия, по которой впоследствии была найдена неизвестная концентрация вредного вещества. Найденная концентрация во много раз меньше ПДК, что свидетельствует о том, что процесс каталитического очищения проведен успешно.