Способ каталитического обезвреживания газообразных отходов

 

Использование: для очистки газовых выбросов от вредных примесей органических веществ. Сущность изобретения: газообразные отходы с примесями горючих компонентов пропускают через два неподвижных слоя инертного теплоаккумулирующего материала и расположенный между ними слой катализатора при периодическом изменении направления движения потока газообразных отходов на противоположное. При концентрации горючих компонентов 0,3 - 1 г/м³ линейная скорость пропускания газов через катализатор в 1,2 - 10 раз выше скорости пропускания через слои инертного материала. При концентрации 2 - 10 г/м³ линейная скорость пропускания газов через катализатор в 1,2 - 10 раз меньше скорости пропускания через слои инертного материала. Величины линейных скоростей отнесены к величинам полных сечений соответствующих слоев. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам каталитического обезвреживания газообразных промышленных отходов от вредных примесей и может быть использовано в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ каталитического обезвреживания газообразных отходов, содержащих горючие компоненты, путем пропускания их через неподвижный слой катализатора и инертного зернистого материала с периодическим изменением направления движения газов и высокотемпературной зоны на противоположное [1] При таком методе осуществления процесса требуемый технологический режим обеспечивается выбором таких параметров, как линейная скорость газа, время между переключениями, размеры частиц катализатора и инерта и др.

Однако известным способом затруднительно перерабатывать газы с низким (С < 1 г/м³) и высоким (С > 2 г/м³) содержанием органических примесей. С целью реализации высокотемпературных режимов в слое катализатора при переработке низкоконцентрированных газов необходимо добавлять топливо [2] либо использовать катализатор и инертный материал малых размеров, либо проводить процесс при высоких линейных скоростях, либо уменьшать времена обращения потоков. Использование мелкозернистого катализатора и инерта, высоких линейных скоростей газа в расчете на полное сечение слоя ведет к увеличению гидравлического сопротивления реактора, а следовательно, затрат на электроэнергию и оборудование, что ведет к снижению технико-экономических показателей процесса. Использование дополнительного топлива усложняет технологическую схему процесса, увеличивает себестоимость очистки.

Переработка высококонцентрированных газов сопряжена с опасностью роста температуры в слое выше пределов термостабильности катализатора, что приводит к его преждевременному износу. Во избежание этого при проведении технологического процесса можно использовать следующие приемы: разбавление газов, использование частиц катализатора и инерта крупных размеров, уменьшение линейной скорости газа в реакторе, увеличение времени обращения потоков. Это приводит, однако, к увеличению габаритов реактора, мощности вентиляторов, росту металлоемкости оборудования, а в конечном итоге к увеличению себестоимости очистки газов, к снижению технико-экономических показателей процесса.

Цель изобретения создание способа обезвреживания отходящих газов, обеспечивающего высокую эффективность процесса в более широком диапазоне концентраций примесей в обезвреживаемом газе и снижение затрат на очистку.

Поставленная цель достигается тем, что каталитическую очистку газовых выбросов проводят при пропускании их последовательно через слои инертного материала, катализатора, инертного материала при периодическом изменении направления движения очищаемого газа на противоположное так, что газовые выбросы с концентрацией вредных примесей 0,3-1 г/м³ пропускают через слой катализатора со скоростью, отнесенной к полному сечению слоя, в 1,2-10 раз выше, чем скорость пропускания газа через слои инертного материала, отнесенная к полному сечению слоев. Газовые выбросы с концентрацией вредных примесей 2-10 г/м³ пропускают через слой катализатора с вышеуказанной относительной скоростью в1,2-10 раз ниже, чем через слои инертного материала.

По сравнению с прототипом изобретение обладает новизной и имеет следующие существенные отличия: газовые выбросы с концентрацией вредных примесей 0,3-1 г/м³ пропускают через слой катализатора со скоростью, отнесенной к его полному сечению, в 1,2-10 раз выше, чем скорость пропускания газа через слои инертного материала, отнесенная к их полному сечению; газовые выбросы с концентрацией вредных примесей 2-10 г/м³ пропускают через слой катализатора с вышеуказанной относительной скоростью в 1,2-10 раз ниже, чем через слои инертного материала.

На фиг.1 изображена принципиальная схема очистки газовых выбросов с низким содержанием горючих компонентов.

Она включает в себя каталитический реактор 1, четырехходовый переключающий клапан 2 и трубопроводы. Каталитический реактор состоит из трех соединенных между собой частей, причем центральная часть с катализатором 3 имеет меньшее сечение, чем торцовые части 4 и 5 с инертным материалом. Тем самым обеспечивается линейная скорость газа в слое катализатора выше скорости газа в слоях инерта. Очистка низкоконцентрированных газов по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Первоначально реактор разогревают до заданной температуры (фиг.2, линия 1), затем в один из слоев инерта (в нижний 5, как показано на фиг.1 сплошными стрелками) с низкой линейной скоростью подают холодные очищаемые газы, которые здесь нагреваются до температуры начала каталитической реакции. Далее разогретые газы с высокой скоростью проходят через слой катализатора 3, где за счет выделения тепла реакций и резкого увеличения скорости газа происходит крутой подъем температуры и формирование тепловой волны, которая медленно перемещается в направлении фильтрации газа (фиг.2, линия 2 и 3). В результате этого достигается неочевидный положительный эффект увеличение максимальной температуры с ростом линейной скорости газа в слое, благодаря которому даже при низких концентрациях примесей удается реализовать высокотемпературный режим в слое с высокой степенью превращения токсичных веществ.

После выхода газа из слоя катализатора 3 в слой инерта 4 скорость газа вновь уменьшается, он отдает тепло инертной насадке и с низкой температурой через переключающее устройство 2 поступает в атмосферу. После достижения тепловой волной границы слоя катализатора 3 и инерта 4 (фиг.2, линия 4) производят переключение направления фильтрации газа на противоположное с помощью переключателя 2, после чего весь цикл повторяется. Вследствие различия скоростей газа в слоях катализатора и инерта общее гидравлическое сопротивление оказывается значительно ниже, чем в случае реализации такого режима при одинаково высокой линейной скорости во всем аппарате.

Принципиальная схема обезвреживания высококонцентрированных газов приведена на фиг.3. В отличие от схемы, изображенной на фиг.1, каталитический реактор 1 состоит из трех соединенных между собой частей, причем центральная часть 3 с катализатором имеет большее сечение, чем торцевые части 4 и 5 с инертным материалом. В результате этого обеспечивается линейная скорость газа в слое катализатора ниже, чем скорость газа в слоях инерта.

Очистку высококонцентрированных газовых выбросов по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.

Розогрев реактора производят как описано выше, затем в один из слоев инерта с высокой линейной скоростью подают холодные очищаемые газы. Нагретые в слое инерта до температуры начала каталитической реакции газы с низкой скоростью проходят, реагируя, через слой катализатора 3, где в результате снижения скорости потока формируется тепловая волна с максимальной температурой, не превышающей пределы термостойкости катализатора. Положение тепловой волны по мере ее движения в слое катализатора показано на фиг.4 линиями 2, 3 и 4. В результате изменения скорости газа в слое катализатора достигается неочевидный положительный эффект уменьшение максимальной температуры при снижении линейной скорости газа в слое, благодаря которому даже при высоких концентрациях окисляемых примесей становится возможным осуществлять процесс очистки при умеренных температурах и с высокой степенью превращения.

После выхода газа из слоя катализатора 3 в слой инерта 4 скорость газа вновь увеличивается, он обменивается теплом с инертной насадкой и с низкой температурой через переключатель 2 выбрасывается в атмосферу. После достижения тепловой волной границы слоя катализатора 3 и инерта 4 (фиг.4, линия 4) происходит переключение направления потока газа на противоположное.

Таким образом, возникает возможность высокоэффективной очистки газовых выбросов с низким и высоким содержанием органических примесей в автотермическом режиме при значительном уменьшении затрат на очистку.

Очистку газов с концентрацией примесей 0,3-1 г/м³ целесообразно проводить при линейных скоростях в слое катализатора выше в 1,2-10 раз (предпочтительно в 1,5-5 раз). Обезвреживание газов с высоким содержанием органических примесей 2-10 г/м³ целесообразно проводить при линейных скоростях в слое катализатора в 1,2-10 раз (предпочтительно в 1,5-5 раз) ниже, чем в слоях инертного материала.

Во всех нижеследующих примерах средняя за цикл расчетная степень превращения компонентов близка к 100% в реальных условиях не ниже 98% П р и м е р 1 (по прототипу). Исходную реакционную смесь с температурой 150^оС, содержащую 0,6 г/м³ бутанола, остальное воздух, подают в контактный аппарат на предварительно разогретые слои инерта и катализатора до 350^оС. Высота слоев: катализатора 1,8 м, инерта по 2,1 м. Линейная скорость смеси 1,2 м/с. Катализатор алюмомеднохромовый в виде колец 15х15х3 мм, инерт полуфарфоровые кольца Рашига 15х15х3 мм. Время цикла 12 мин. Гидравлическое сопротивление аппарата 8500 Па.

П р и м е р 2. условия процесса аналогичны примеру 1, отличаются тем, чято реакционная смесь содержит 0,3 г/м³ бутанола, остальное воздух. Из-за низкой концентрации примесей в реакторе не достигается устойчивый высокотемпературный режим, температура в слое катализатора постепенно снижается, процесс затухает.

П р и м е р 3. Условия процесса аналогичны примеру 1, отличаются тем, что реакционная смесь содержит 4 г/м³ метанола, 3 г/м³ формальдегида. Температура смеси 20^оС. Высота слоев: катализатора 0,4 м, инертного материала по 0,4 м. Линейная скорость смеси 0,4 м/с. Время цикла 8 мин. Гидравлическое сопротивление аппарата 250 Па. Максимальная температура в слое 820^оС, что превышает предел термостабильности катализатора. Степень превращения в начале близка к 100% затем быстро снижается из-за термической дезактивации катализатора.

П р и м е р 4. Реакционная смесь имеет температуру 150^оС и содержит 0,3 г/м³ бутанола, остальное воздух. Высота слоев: катализатора 1,8 м, инерта по 0,45 м. Линейная скорость смеси в слое катализатора 1,5 м/с, в слое инертного материала в 10 раз ниже и составляет 0,15 м/с. Время цикла 12 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 6500 Па.

П р и м е р 5. Состав реакционной смеси: ацетон 0,4 г/м³, толуол 0,6 г/м³, остальное воздух. Температура смеси 20^оС. высота слоев: катализатора 0,6 м, инертного материала по 1,2 м. Скорость газа в слое катализатора 0,6 м/с, что в 1,2 раза выше скорости газа в слоях инерта, равной 0,5 м/с. Время цикла 30 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 1000 Па.

П р и м е р 6. Условия процесса аналогичны примеру 4, отличаются тем, что в исходной смеси содержится 0,2 г/м³ ксилола. Из-за низкого содержания примесей в реакторе не достигается высокотемпературный устойчивый режим, процесс затухает.

П р и м е р 7. Реакционная смесь с температурой 150^оС содержит 0,3 г/м³ толуола и 0,4 г/м³ ксилола. Скорость смеси в слое катализатора 1,2 м/с, в слоях инертного материала в 2 раза ниже 0,6 м/с. Высота слоя катализатора 1,2 м, а слоев инертного материала по 1,4 м. Время цикла 20 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 3300 Па.

П р и м е р 8. Смесь с температурой 20^оС содержит 0,5 г/м³ бутана, 1,5 г/м³ пропана, остальное воздух. Скорость смеси в слое катализатора 0,5 м/с, а в слоях инертного материала в 1,2 раза больше и составляет 0,6 м/с. Высота слоя катализатора 0,5 м, слоев инерта по 1 м. Время цикла 15 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 1100 Па.

П р и м е р 9. Состав реакционной смеси: бутилацетат 2 г/м³, этилцеллозольв 3 г/м³, ксилол 3,5 г/м³, бензол 1,5 г/м³, остальное воздух. Температура 30^оС. Скорость смеси в слое катализатора 0,1 м/с, что в 10 раз меньше скорости газа в слоях инертного материала 1 м/с. Высота слоя катализатора 0,3 м, слоев инертного материала по 1,4 м. Время цикла 24 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 3100 Па.

П р и м е р 10. Смесь содержит 1,5 г/м³ этилгексанола, 3,5 г/м³ бутанола, остальное воздух. Температура 100^оС. В слое катализатора ее скорость 0,15 м/с, что в 5 раз ниже скорости газа в слоях инертного материала 0,75 м/с. Высота слоя катализатора 0,3 м, слоев инерта по 1,2 м. Время цикла 35 мин, гидравлическое сопротивление 2150 Па.

П р и м е р 11. Аналогичен примеру 10, отличается тем, что реакционная смесь содержит 5 г/м³ метанола, 6 г/м³ формальдегида, остальное воздух. Время цикла 25 мин, гидравлическое сопротивление 3600 Па, температура в слое катализатора 820^оС, что выше предела термостабильности катализатора. Степень превращения вначале близка к 100% затем снижается вследствие термической дезактивации катализатора.

П р и м е р 12. Реакционная смесь с температурой 20^оС содержит оксид углерода 4 г/м³, формальдегид 3 г/м³, метанол 3 г/м³, остальное воздух. Смесь подают в слой катализатора со скоростью 0,14 м/с, а в слои инертного материала со скоростью в 1,4 раза выше 0,2 м/с. высота слоя катализатора 0,25 м, слоев инерта по 0,4 м. Время цикла 45 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 100 Па.

П р и м е р 13. Воздушную смесь с температурой 35^оС, содержащую 2 г/м² пропилена, подают в слой катализатора со скоростью 0,1 м/с, а в слои инертного материала со скоростью в 5 раз выше 0,5 м/с. Высота слоя катализатора 0,25 м, слоев инертного материала по 1,6 м. Время цикла 30 мин, гидравлическое сопротивление 2400 Па.

П р и м е р 14. Реакционную смесь, содержащую 0,6 г/м³ ацетона, 0,8 г/м³ бутанола, остальное воздух, с температурой 25^оС подают в слои катализатора и инерта с одинаковой скоростью 0,7 м/с. Высота слоя катализатора 0,6 м, слоев инертного материала по 1,4 м. Время цикла 25 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 2200 Па.

П р и м е р 15. Условия процесса аналогичны примеру 14, отличаются тем, что реакционную смесь подают в слой катализатора со скоростью 0,5 м/с, а в слои инертного материала со скоростью 0,7 м/с. Время цикла 30 мин, гидравлическое сопротивление аппарата 1800 Па.

Примеры конкретного выполнения предлагаемого способа обезвреживания сведены в таблицу.

Как следует из примеров, оптимальными условиями ведения процесса являются: при переработке газов с низким содержанием примесей соотношение линейных скоростей газа в слоях катализатора и инерта 1,5-5 раз, а газов с высоким содержанием примесей соотношение скоростей в слоях инерта и катализатора 1,5-5 раз.

Как следует из примеров 14 и 15, в диапазоне концентраций 1-2 г/м³ возможно применение как способа по прототипу (пример 14), так и заявляемого способа (пример 15), однако в последнем случае гидравлическое сопротивление аппарата ниже.

Если при переработке газов с низким содержанием органических примесей линейная скорость в слое катализатора будет выше чем в 10 раз, то резко увеличивается гидравлическое сопротивление слоя катализатора, если линейная скорость в слое катализатора выше менее, чем в 1,2 раза снижается максимальная температура в слое катализатора, что приводит к затуханию процесса.

Если при очистке газов с высокой концентрацией вредных примесей линейная скорость в слое катализатора будет ниже скорости в слоях инертного материала более, чем в 10 раз, максимальная температура в слоев снижается, процесс затухает, а если линейная скорость в слое катализатора будет ниже скорости в слоях инерта менее чем в 1,2 раза, это приведет к высоким максимальным температурам в слое катализатора, превышающим температуру термостабильности катализатора и преждевременному его износу.

Реализация предлагаемого способа позволяет перерабатывать газы с низким и высоким содержанием органических соединений, снизить гидравлическое сопротивление реактора и затраты на электроэнергию, увеличить срок службы катализатора, снизить себестоимость очистки.

Формула изобретения

СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ, содержащих горючие компоненты, путем пропускания их через два неподвижных слоя инертного теплоаккумулирующего материала и расположенный между ними слой катализатора при периодическом изменении направления движения потока газообразных отходов на противоположное, отличающийся тем, что газообразные отходы с концентрацией горючих компонентов 0,3 - 1 г/м³ пропускают через слой катализатора с линейной скоростью, в 1,2 - 10 раз более высокой, чем скорость пропускания через слои инертного теплоаккумулирующего материала, а газообразные отходы с концентрацией горючих компонентов 2 - 10 г/м³ пропускают через слой катализатора с линейной скоростью, в 1,2 - 10 раз меньшей, чем скорость пропускания через слой теплоаккумулирующего инертного материала, при этом величины всех линейных скоростей отнесены к величинам полных сечений соответствующих слоев в обоих диапазонах указанных концентраций.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7