Твердофазная каталитическая очистка газов от оксидов азота

Для обезвреживания отходящих газов от оксидов азота применяют высокотемпературное каталитическое восстановление, селективное каталитическое восстановление и разложение гетерогенными восстановителями.

Высокотемпературное каталитическое восстановление окси­дов азота. Процесс происходит при контактировании нитрозных газов с газами-восстановителями на поверхности катализаторов.

В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы (палладий, рутений, платина, родий) или более дешевые, но менее эффективные и стабильные в зксплуатации составы, включающие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы. С целью увеличения поверхности контакта их наносят на пористые или непористые материалы (керамика, оксид алюминия, силикагель, металлические ленты и т. п.) различной формы. Восстановителями являются метан, природный, коксовый или нефтяной газ, оксид углерода, водород или азото-водородная смесь.

Отходящие нитрозные газы азотнокислотных производств обычно необходимо нагревать от 30-35°С до температуры зажигания катализатора. Последняя зависит от природы используемого восстановителя: 450-480°С - для метана, 350°С - для пропана и бутана, 150-200°С - для водорода и оксида углерода.

Суть протекающих восстановительных процессов выражается следующими реакциями:

4NО + СН₄ → 2N₂ + С0₂ + 2Н₂0

2N0₂ +СН₄ → N₂ + С0₂ + 2Н₂0

2NО + 2СО → N₂ + 2С0₂

2N0₂ + 4СО → N₂ + 4С0₂

2NО + 2Н₂ → N₂ + 2Н₂О

2N0₂ + 4Н₂ → N₂ + 4Н₂0

 

Используемые технологические схемы обезвреживания отходящих газов различаются в основном способами подвода тепла к обрабатываемым газовым потокам, применяемыми катализаторами и приемами утилизации знергетического потенциала обезвреженых газов.

Селективное каталитическое восстановление оксидов азота.

Этот процесс выгодно отличается от высокотемпературного тем, что протекает в основном избирательно: используемый восстановитель (как правило, аммиак) реагирует преимущественно с N0 _х и почти не взаимодействует с находящимся в нитрозньүх газах кислородом, в связи с чем его расходуют в количествах, эквивалентных содержанию в обезвреживаемых газах оксидов азота или превышающих стехиометрию на 10-50% с целью более полного протекания следующих экзотермических реакций:

 

6NО + 4NНз → 5N₂ + 6Н₂O

6N0₂ + 8NНз → 7N₂ +12Н₂0

8NО + 2NНз → 5N₂О + ЗН₂О

5N0₂ + 2NНз → 7NО + ЗН₂О

 

Таким образом, безвредные продукты реакций (азот и вода) являются еще одним выгодньм отличием этого метода. Присутствие кислорода в отходящих газах благоприятствует реализации каталитического восстановления, реакции ускоряются, и процесс идет следующим образом:

 

4NО + 4NНз + 0₂ → 4N₂ + 6Н₂0

 

Селективное каталитическое восстановление происходит при температуре 180-360°С с выделением небольших количеств тепла.

При избытке аммиака его основное количество окисляется присутствующим в нитрозных газах кислородом по зкзотермической реакции:

 

4NНз +30₂ → 2N₂ + 6Н₂0

 

Процесс достаточно прост по аппаратурному оформлению и внедрен в производство азотной кислоты под давлением 0,35 МПа. Отходящие нитрозные газы таких производств содержат до 0,27 % (об.) NО + NО₂.

Разложение оксидов азота гетерогенными восстановителями.

При высоких температурах (500-1300°С) дефиксация азота в отходящих газах может быть проведена на твердых углерод-содержащих материалах, в частности на угле, коксе, графите. В таких процессах углерод вьполняет функции как катализатора, так и топлива. Каталитическое действие углерода связано с образованием комплексов углерод-кислород:

 

С + NО → (С—0) + 1/2 N₂

(С-0) + NО→ С0₂ + 1/2N₂

Однако, быстрая потеря активности такими катализаторами приводит к тому, что разложение оксидов азо­та происходит неполно. С целью увеличения степени разложения N0 _х предложено, например, вводить в графит карбонат натрия. С увеличением температуры степень и скорость процесса восстановления возрастают: при 800°С сте­пень восстановления N0 _х при использовании кокса может дости­гать 96 %, а при 1000 °С приближается к 100 %.

Задачи

 

1. Составьте материальный баланс процесса щелочной абсорбции оксидов азота, если на очистку поступает 7000 м³ газа, содержащего NO—0,5%; —0,5%; —91%; —3,1%; Н O—4,9%.

2. Степень абсорбции — 0,9995. Очистка осуществляется 5%-ным раствором соды. Коэффициент избытка раствора а=2.Определите расход азотоводородной смеси, содержа­щей 25% N₂ и 75% Н₂, для обезвреживания 10000 м³ нитрозного газа с концентрацией 0,25% NО₂, 0,2% NО³ 3,1% O₂. Рассчитайте также состав выходящего из ре­актора газа, если степень конверсии оксидов составля­ет 0,98, а избыток азотоводородной смеси составляет, 5%.

3. Составьте материальный баланс процесса абсорбции оксидов азота из 20000 м³ отходящих газов производства азотной кислоты, содержащих NO—0,3%, NО₂ — 0,5%, N₂—88%, О₂—3,5%, H₂O —7,7%. Абсорбентом служит известковое молоко (125 г/л СаО, d = 1120кг/м³). Степень абсорбции 0,9.

4. Рассчитайте расход газа - восстановителя для обезвре­живания 8,5 тыс. м³ нитрозных газов, содержащих NО₂ 0,7%, 0,25% NO, 2,1% О₂, 1,95% H₂O, 95% N₂, ката­литическим методом. Восстановителем служит газ, со­держащий 2% H₂O, 29% N₂, 69% Н₂. Степень избытка восстановителя а =1,3.

5. Определите расход природного газа (97,6% СН₄; 2,4% N₂) для обезвреживания 2000 м³ отходящего га­за, содержащего 0,3% NО₂; 0,15% NО; 2,1%. О₂. Рас­считайте также состав выходящего из реактора газа, если степень конверсии оксидов составляет 0,97.

6. Определите расход аммиачной смеси, содержащей 20% NНз, для обезвреживания 12000 м³ нитрозного газа, содержащего 0.2% и 0,15%NО. Рассчитайте концентрацию оксидов и аммиака в, отходящем газе, если степень обезвреживания составляет 0,95, а коэф­фициент избытка аммиачной смеси — 1,05

7. Определите содержание оксидов азота в выбрасывае­мом в атмосферу газе и необходимое количество аб­сорбента, если известно, что объем очищаемого газа 6000 м³/час, концентрация в нем оксидов азота () составляет 6 г/м³, степень улавливания 0,85. Очистка осуществляется раствором соды концент­рацией 105 г/л. Коэффициент избытка раствора равен 19

8. Очистка отходящих газов азотно-кислотного цеха осу­ществляется путем восстановления оксидов азота при­родным газом на платино-палладиевом катализаторе. Рассчитайте расход природного газа и состав газов по­сле каталитической очистки, если объем отходящих газов 5000 м , состав их: N— 0,2; — 0,1; —3,0; N — 96,7%. Состав природного газа, проценты: СН — 97,8; N —2,2, избыток его составляет 15% от стехиометрического количества. Расчеты вести по уравнени­ям:

9. На очистку поступает 2500 /час газа, содержащего 7% , 3% , 18,9% и 71,1% . Определите ча­совой расход воды, если очистка осуществляется при температуре 298 К и давлении 30*10 Па. Степень на­сыщения воды газами 72% от теоретически возможной. Остаточное содержание в газе 1%.

10. 9000 л соковых паров производства аммиачной селитры, содержащих 0,5 л/м³ NH₃, поступают на очистку в промыватель тарельчатого типа. Промыватель орошается конденсатом, подкисленным азотной кислотой. Объем конденсата – 25000 л, концентрация HNO_{3 –} 0,5 %. Рассчитайте концентрацию HNO₃, вытекающей из промывателя, если степень улавливания аммиака 98%.