Каталитические реакторы для промышленных химических процессов и сжигания топлива

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Каталитические реакторы -- устройства, в которых осуществляются химические превращения под воздействием катализаторов, являются в настоящее время основными аппаратами химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Совершенство их конструкции в значительной степени определяет производственные показатели этих отраслей. Кроме того, развитие промышленности требует создания реакторов вое большей единичной мощности. Настоящее сообщение посвящено некоторым новым направлениям в области конструирования каталитических реакторов, а также в области их использования для осуществления наиболее распространенного химического процесса - сжигания топлива.

Стационарно работающие реакторы с неподвижным слоем катализатора.

Ограничимся рассмотрением реакторов для процессов гетерогенного катализа. Наиболее широко используются реакторы с неподвижным слоем твердого зернистого катализатора, работающие в стационарном режиме. Основные требования, предъявляемые к конструкции реактора, определяются необходимостью обеспечения оптимальных условий работы катализатора, а также высокой скорости реакции, максимальной селективности, возможности длительной непрерывной работы, малого гидравлического сопротивления и ряда других показателей. Оптимальные условия работы катализатора зависят главным образом от температуры и вытекают из закономерностей кинетики каталитического процесса. Кинетика собственно каталитической реакции должна определяться экспериментально, а влияние процессов переноса вещества и тепла учитываться методами математического моделирования. На основании полученных таким образом данных определяются оптимальный режим, принцип конструкции, основные размеры, устойчивость, параметрическая чувствительность и другие показатели, необходимые для конструирования реактора. В частности, если известна кинетика процесса, то его оптимальные температуры, зависящие от глубины превращения, легко находятся обычными методами оптимизации. На рис. 1 приведены кривые оптимальных температур для некоторых процессов.

Реализация оптимального температурного режима требует соответствующего охлаждения или нагрева катализатора, что и должна обеспечивать конструкция реактора. При малых единичных мощностях реакторов эта задача успешно решается в трубчатых аппаратах с внутренним теплообменом.

Рис. 1

Рис. 2

Тепло от катализатора, расположенного в трубках, передается исходному газу или другому охлаждающему агенту, протекающему в межтрубном пространстве. Варьируя размеры и форму труб и интенсивность теплообмена по высоте слоя, можно достаточно точно реализовать оптимальный температурный режим. Однако с увеличением мощности конструкция такого реактора становится громоздкой; число труб достигает десятков тысяч, и для установок высокой производительности трубчатый вариант становится крайне неудобным. Альтернативой является замена внутреннего теплообмена промежуточным. При этом в каждом слое катализатора реакция протекает адиабатически, а теплоотвод от реакционной смеси осуществляется в промежутках между слоями.

На рис. 2 изображен ход обратимой экзотермической реакции окисления двуокиси серы. Протекание такой реакции в каждом слое катализатора ограничивается достижением равновесия, что исключает опасность перегревов.

Для необратимых экзотермических реакций задача усложняется: необходимо принудительно регулировать температуру в конце каждого слоя, не допуская превышения максимально допустимого уровня. В Институте катализа Сибирского отделения АН СССР эта задача решена для процесса окисления метилового спирта в формальдегид. Здесь трудность усугубляется возможностью возникновения при перегреве объемной цепной реакции полного сгорания формальдегида, что в определенных условиях может привести к взрыву. Регулирование температуры в конце слоя достигается изменением температуры входа в слой. Эффективность регулирования определяется параметрической чувствительностью про цесса1 в данном случае - отношением изменения температуры на выходе к ее изменению на входе. Это отношение должно быть возможно меньшим.

Поскольку для экзотермических реакций температура в слое катализатора повышается, параметрическая чувствительность очень сильно зависит от энергии активации. Задачу уменьшения параметрической чувствительности удалось решить, переведя процесс в первых слоях катализатора во «внутридиффузионный режим», когда суммарная скорость процесса зависит от скорости переноса вещества внутри зерен катализатора. Как показал еще 40 лет назад академик Я. Б. Зельдович, при этом режиме наблюдаемая энергия активации снижается в два раза по сравнению с истинной. Переход во внутридиффузионную область был достигнут увеличением размера зерен катализатора. В результате удалось создать простую и надежную автоматическую систему регулирования температуры. Был спроектирован и сооружен опытно-промышленный реактор мощностью 60 тыс. т в год 37%-ного формалина и обоснована возможность создания каталитических реакторов описанного типа для необратимых экзотермических реакций любой мощности.

Каталитические реакторы с нестационарным режимом.

Недостатками стационарных каталитических реакторов с промежуточным теплообменом являются сложность и большая металлоемкость их конструкции. От всего объема реактора на долю катализатора приходится менее 5%, а остальной объем занимают теплообменник, различные распределительные устройства и т. п.

Новые возможности открывает использование каталитических реакторов с нестационарным режимом.

Распространено мнение, что стационарный режим с минимальными колебаниями температуры и концентраций компонентов реакционной смеси обеспечивает максимальную эффективность процесса. Однако в последнее время появилось большое число работ, показавших, что существуют определенные нестационарные режимы, значительно превосходящие по своей эффективности стационарные.

Влияние нестационарное™ определяется изменением состава и свойств катализатора под действием реакционной среды, а также динамическими свойствами каталитического реактора в целом.

Многочисленными исследованиями, в том числе проведенными в Институте катализа, установлено, что твердые катализаторы под воздействием реакционной среды и температуры постепенно меняют свое состояние, т. е. химический состав, структуру поверхности и каталитические свойства. Каждому постоянному составу реакционной смеси и значению температуры отвечает определенное стационарное состояние катализатора.

У металлических катализаторов при вариации состава реакционной среды изменяются свойства в результате хемосорбции и абсорбции реагентов их продуктов их превращения, наблюдается реконструкция граней кристаллов, изменение состава поверхности металлических сплавов. Еще сильнее меняются свойства окненых катализаторов окислительно-восстановительных реакций при изменении соотношения концентраций окисляющего и восстанавливающего компонентов реакционной смеси. Воздействие реакционной среды наблюдается и в процессах кислотно-основного катализа. При этом могут изменяться степень гидратации кислотных центров, соотношение числа бренстедовских и льюисовских центров, координационная ненасыщенность катионов и другие свойства катализатора.

Изменения катализатора, как правило, связаны не с этапами самой каталитической реакции, а с побочными процессами, скорость которых меньше, а энергия активации выше, чем у каталитической реакций.

Если время релаксации велико по сравнению с длительностью работы катализатора, то появляется возможность вести каталитические реакции при нестационарном состоянии катализатора. Это позволяет значительно повышать интенсивность и избирательность промышленных каталитических процессов. Действительно, стационарное состояние катализатора, определяемое заданным составом реакционной смеси и значением температуры, лишь случайно может совпасть с оптимальным в отношении его каталитических свойств. Более вероятно, что оптимальный состав отличается от стационарного.

Одним из возможных способов реализации нестационарного режима может быть переключение направления подачи реакционной смеси в слое катализатора. При этом способе, разработанном в Институте катализа Ю.Ш. Матросом и А.А. Ивановым, катализатор выполняет не только свою основную функцию - ускорение реакции, но также и функцию регенератора тепла, что позволяет исключить поверхностный теплообмен и благодаря этому во многих случаях существенно упростить конструкцию реактора (рис. 3).

Если слой катализатора вначале разогреть до температуры, достаточной для протекания химической реакции с заметной скоростью, и направить в него реакционную смесь с более низкой температурой, при которой реакция практически не идет, то через некоторое время в слое возникнет тепловой фронт, движущийся в направлении фильтрации смеси со скоростью, много меньшей скорости фильтрации. Форма и скорость перемещения фронта определяются кинетикой каталитической реакции, в основном энергией активации, а также тепловым эффектом, эффективной теплопроводностью слоя и теплоемкостями катализатора и реакционной смеси и могут быть рассчитаны.

При приближении фронта к концу слоя движение газовой смеси переключается на противоположное и создается аналогичный фронт, перемещающийся в обратном направлении. В результате в слое создается зона высоких температур, колеблющаяся внутри него в соответствии с циклами переключения направления газа. Поскольку тепло реакции выделяется только в зоне высоких температур, эта зона устойчиво сохраняется даже для реакций с малым адиабатическим разогревом.

Рис. 3

Рис. 4

Если пренебречь различием температур внутри зерен катализатора, что допустимо при их малом размере, то можно приближенно рассчитать максимальную температуру и скорость перемещения фронта. Последняя величина для обратимой экзотермической реакции пропорциональна скорости фильтрации, будучи меньше ее примерно на три порядка, что определяется в основном отношением теплоемкостей слоя катализатора и реакционной смеси. Так как время контакта реакционной смеси с катализатором в большинстве случаев измеряется секундами, время прохождения фронта через слой должно измеряться тысячами секунд, т. е. часами.

Глубина превращения реакционной смеси в слое быстро возрастает при увеличении температуры. Для необратимых экзотермических реакций она достигает предела в области температурного максимума, а для обратимых экзотермических реакций в этой зоне степень превращения приближается к равновесной и возрастает в области снижения температуры. В связи с этим желательно, чтобы форма кривой снижающихся по мере роста степени превращения температур отвечала оптимальной (см. рис. 1, кривая 1).

На протяжении цикла температура выхода из слоя возрастает, и средняя ее величина должна превышать температуру входа в аппарат на величину теплового эффекта реакции, т. е. разогрева реакционной смеси, выраженного в градусах.

Определенные сложности возникают при выборе конструкции клапанов на трубопроводах большого диаметра для реакторов высокой мощности, так как от них требуется быстродействие при достаточной плотности. Положение упрощается для реактора, в котором периодически меняются места входа и выхода реакционной смеси при сохранении направления движения (рис. 4). В этом случае быстродействие клапанов не требуется. Входящий в реактор холодный газ выходит с температурой, повышенной на величину адиабатического разогрева; внутри же слоя катализатора непрерывно перемещается горячая зона, температура которой достаточно высока для полного превращения реагентов.

Каталитические реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора.

Эти реакторы нашли широкое применение для каталитического крекинга, дегидрирования, частично для парциального окисления. Здесь применяются мелкозернистые катализаторы, взвешенные в потоке реакционной смеси (рис. 5). Преимущества реакторов такого типа обусловлены повышенной величиной коэффициента теплоотдачи, снижающей необходимую поверхность теплообмена, высокой эффективной теплопроводностью слоя и уменьшением вредного влияния внутренней диффузии благодаря меньшему размеру зерен катализатора. Трудности вызывают повышенные требования к механической прочности катализатора и необходимость дополнительных устройств для отделения катализаторной пыли, выносимой из реактора. Основной недостаток реакторов со взвешенным слоем катализатора заключается в интенсивном перемешивании реакционной смеси вдоль реактора, в результате чего ее состав во всем реакторе близок к конечному составу на выходе из аппарата. Кроме того, в потоке образуются так называемые пузыри, т. е. объемы с пониженной концентрацией катализатора, что приводит к проскокам через слой катализатора не полностью прореагировавшей смеси, а также существенно снижает скорость реакции и селективность в отношении промежуточных продуктов.

Рис. 5. Схема каталитического реактора с превдоожиженным слоем катализатора. 1 -- решетки; 2 -- насадки; 3 -- теплообменники; 4 -- фильтры

Этот недостаток можно смягчить, повысив интенсивность обмена между пузырями и областями с большей плотностью катализатора. В Институте катализа членом-корреспондентом АН СССР М. Г. Слинько, В. С. Шеплевым и другими предложено применять для этой цели специальные малообъемные насадки, например проволочные кольца, спирали, сетки и т. д., помещаемые в слой катализатора и во много раз увеличивающие коэффициенты обмена между пузырями и плотной фазой. Испытания этих устройств в реакторах окисления нафталина во фталевый ангидрид, окислительного аммонолиза пропилена, синтеза акриловой кислоты и других показали высокую эффективность малообъемной насадки. Ее применение, повышая скорость реакции и селективность, несомненно, расширит область использования реакторов с псевдоожиженным слоем.

Применение насадок позволяет приблизить характер движения реакционной смеси вдоль реактора к режиму идеального вытеснения, сохраняя циркуляцию зерен катализатора. Это может привести к тому, что в определенных частях реактора состояние катализатора будет отличаться от стационарного. В тех случаях, когда это выгодно (окислительное дегидрирование бутана, некоторые реакции парциального окисления), отклонение от стационарности можно усилить с помощью искусственной циркуляции катализатора (рис. 6).

Рис. 6

Рис. 7

Интенсивное перемешивание частиц катализатора в псевдоожиженном слое придает ему высокую теплопроводность, приближающуюся к теплопроводности массивных металлов. Это способствует достижению постоянства температур во всем объеме реактора. Как указывалось выше, для ряда процессов это выгодно, но в других случаях требуется повышение или понижение температуры с ростом глубины превращения, как показано на рис. 8.

В таких случаях внутри слоя можно расположить сетчатые устройства, снижающие циркуляцию зерен катализатора, а следовательно, и теплопроводность слоя. Эти меры в сочетании с регулированием расположения теплоотводящих поверхностей позволяют достигнуть желаемого изменения температуры по высоте реактора. На рис. 7 приведен пример такого регулирования в случае полного сжигания бутана (адиабатический разогрев 3000°С). Нетрудно достичь и более значительного изменения температуры вдоль слоя.

Недостатком каталитических реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора является повышенное гидравлическое сопротивление, обычно в 2--3 раза превышающее гидравлическое сопротивление реакторов с неподвижным слоем.

Каталитические реакторы для сжигания топлива.

В настоящее время газообразное и жидкое топливо сжигается в основном в факельных печах при температуре 1200-1600°С. Этот способ достаточно эффективен, но для технологических целей, на которые расходуется большая часть топлива, не всегда удобен. Так, часто требуется использовать топочные газы при значительно меньших температурах, для чего топливо сжигают с большим избытком воздуха или разбавляют топочные газы холодным воздухом. В обоих случаях растут потери тепла с отходящими газами и снижается коэффициент полезного использования топлива. Кроме того, высокая температура в факельных печах приводит к образованию окислов азота, выбрасываемых в атмосферу с отходящими газами. Обезвреживание этой очень вредной примеси связано с большими трудностями.

Для устранения указанных недостатков в Институте катализа разработаны каталитические методы сжигания топлива (Э.А. Левицкий и сотрудники). Благодаря присутствию катализатора сжигание может быть весьма полным при достаточно низких температурах (400-700°С). При этом тепловая напряженность реакционного объема в 10 раз и более выше, чем в факельных топках, что позволяет в несколько раз сократить размеры и массу тепловых установок. Благодаря снижению температуры окислы азота не образуются.

В каталитических генераторах тепла достигается коэффициент полезного использования потенциальной химической энергии топлива 0,8- 0,95.

Каталитическое сжигание открывает во многих отраслях промышленности интересные возможности как экономии топлива, так и упрощения производственных процессов.

Развитие исследований и опытных работ в этом направлении, планируемое на ближайшие годы, должно обеспечить значительное расширение использования каталитических процессов в различных отраслях народного хозяйства страны.

В Институте катализа Сибирского отделения АН СССР уже около шести лет проводятся теоретические и экспериментальные исследования путей использования нестационарных каталитических процессов в химическом производстве. Эти исследования показали, что переход от традиционных стационарных режимов реакций к искусственно создаваемым нестационарным часто приводит к значительному повышению эффективности соответствующих промышленных процессов [1]. Освоение нестационарных режимов дает возможность существенно уменьшить как производственные энергетические затраты, так и капитальные затраты на сооружение каталитических реакторов, позволяет упростить их конструкции и увеличить надежность работы. Открываются перспективы эффективной утилизации в таких реакторах низкокалорийного топлива с получением высокопотенциального тепла.

Повышение эффективности каталитических процессов в нестационарном режиме обусловлено двумя факторами: состоянием катализатора и достижением оптимальных условий протекания реакции.

Первый фактор связан с воздействием на твердые катализаторы реакционной среды. Исследования, в значительной части проведенные в Институте катализа [2], показали, что у них под воздействием компонентов реакционной смеси меняются химический состав, структура поверхности и каталитические свойства.

Например, у металлических катализаторов в результате адсорбции реагентов и продуктов их превращения происходят реконструкция кристаллических граней, изменение поверхностного состава и, соответственно, глубокие изменения каталитических свойств. Еще отчетливее проявляются изменения свойств у оксидных катализаторов окислительно-восстановительных реакций при вариации соотношения концентраций окислительного и восстановительного компонентов в реакционной смеси. На рис. 1 отражены указанные явления для оксидных ванадиево-молибденовых катализаторов окисления акролеина в акриловую кислоту, в том числе показано изменение энергии связи кислорода на поверхности катализатора, определяющее его каталитические свойства.

Реакционная смесь воздействует на твердые катализаторы и в процессах кислотно-основного катализа.

Таким образом, можно считать надежно установленным, что каждому составу реакционной смеси и величине ее температуры соответствует определенное стационарное состояние твердого катализатора, т. е. его определенный химический состав, структура поверхности и каталитические свойства.

каталитический реактор теплообмен металлоемкость

Рис. 8

Важным фактором при осуществлении химических реакций является скорость приближения свойств катализатора к стационарному состоянию, которая характеризуется временем релаксации.

В одном из предельных случаев, когда оно достаточно мало по сравнению с длительностью каталитического процесса, катализатор всегда находится в стационарном состоянии, но это состояние, заданное внешними факторами -- определенным составом реакционной смеси и температурой, как правило, не является оптимальным в отношении его каталитических свойств. Отсюда вытекают важные для теории катализа выводы - о пределах постоянства удельной каталитической активности твердых катализаторов и некоторых важных закономерностях кинетики реакций гетерогенного катализа.

В другом предельном случае время установления стационарного состояния катализатора под воздействием реакционной среды велико по сравнению с длительностью каталитического процесса. Это весьма распространенное явление, поскольку изменения катализатора часто связаны не с ходом каталитической реакции, а с побочными процессами, скорость которых может быть много меньше скорости самой реакции. В этом случае катализатор находится в нестационарном состоянии, что открывает широкие возможности повышения интенсивности и избирательности промышленных каталитических процессов.

При проведении каталитических реакций нестационарное состояние катализатора достигается путем его попеременной обработки газовыми смесями различного состава, варьированием состава исходной реакционной смеси, изменением во времени ее начальной температуры по определенному закону и т. п. Один из наиболее удобных способов реализации процесса при нестационарном состоянии катализатора с одновременным обеспечением оптимальных температурных условий самой реакции - это создание фронта реакции, движущегося в слое катализатора.

Выполненные в Институте катализа исследования показали, что если слой катализатора вначале разогреть до температуры, достаточной для протекания химической реакции с заметной скоростью, а затем направить в него реакционную смесь с низкой температурой, при которой реакция практически не идет, то через некоторое время в слое установится тепловой фронт, движущийся в направлении фильтрации смеси через катализатор со скоростью много меньше скорости фильтрации.

В реальных каталитических реакторах толщина слоя катализатора конечна, поэтому непрерывный нестационарный режим в движущейся зоне реакции поддерживается следующим образом. При приближении фронта к концу слоя направление движения реакционной смеси переключается на противоположное и образуется аналогичный фронт, перемещающийся в обратном направлении. В результате в слое создается зона высоких температур, колеблющаяся внутри его в соответствии с периодическим изменением направления движения смеси реагентов. Простой способ осуществления такого процесса показан на рис. 2, где приведена схема однослойного реактора с переключающими клапанами. На рис. 3 изображены температурные и концентрационные поля в этом реакторе» Твердый катализатор выполняет здесь не только свою основную функцию ускорения реакции, но также обеспечивает и рекуперацию реакционного тепла.

Рис. 9

Метод изменения направления реакционной смеси в слое катализатора, по-видимому, впервые был предложен Д.А. Франк-Каменецким [3] для реакции дегидратации изопропилового спирта. В Институте катализа проведен теоретический анализ описанного процесса для окисления двуокиси серы в производстве серной кислоты, а также полного окисления углеводородов и ряда других органических веществ [4].

Во-первых, показано, что разность максимальной и начальной температур в движущемся фронте может значительно превышать величину адиабатического разогрева реакции. Вообще говоря, эта разность может быть сделана сколь угодно большой за счет подбора катализатора, активного в желаемой области температур. Результат выглядит несколько парадоксально: чем менее активен катализатор, тем выше достигаемая температура. Отсюда вытекает возможность при высокой температуре осуществлять реакции с малым адиабатическим разогревом, т. е. с малыми концентрациями реагирующих компонентов.

Второй вывод относится к скорости движения температурного и концентрационного фронта вдоль слоя катализатора.

Эта скорость обычно значительно меньше скорости фильтрации и при некоторых допущениях может быть выражена уравнением

где v - скорость движения фронта, и - скорость фильтрации, Tад - адиабатический разогрев, х - степень превращения, Tад - начальная температура или температура входа, Tмакс - максимальная температура, Ск и Сг - теплоемкости слоя катализатора и газа, - порозность слоя (доля свободного объема зернистого слоя катализатора).

Рис. 10

Грубая оценка скорости движения фронта при малых адиабатических разогревах показывает, что ее отношение к скорости фильтрации приблизительно равно соотношению теплоемкостей проходящего газа и слоя катализатора, что составляет около 10-3. Отсюда следует, что если время прохождения реакционной смеси через слой катализатора для промышленных процессов составляет несколько секунд, то время движения фронта реакции вдоль этого слоя (длительность цикла) будет в тысячу раз большим, т. е. достигнет десятков минут. Экспериментальные данные показали, что длительность цикла составляет от 10 мин до 1 ч. Это означает, что работа реактора с переключением направления вполне осуществима технически.

Анализ изменения температуры в слое катализатора показывает, что температура входа в течение цикла не меняется и может быть сколь угодно малой. Зона высоких температур осуществления реакций в середине слоя за время цикла несколько смещается в сторону выхода. Температура выхода изменяется существенно: в начале цикла она близка к температуре входа, а в дальнейшем нарастает. Средневзвешенная температура выхода при установившемся после нескольких переключений процессе превышает температуру входа на величину адиабатического разогрева реакции, зависящую от вида реакции и концентрации реагирующего вещества. При 1%-ной его концентрации разогрев достигает следующих величин: при окислении двуокиси серы - около 30°С, при окислении окиси углерода -- примерно 90°С, при полном окислении метана - до 250°С.

Превышение температуры выхода над температурой входа определяет интенсивность теплообмена в аппарате. В Институте катализа экспериментально показано, что нормальная работа аппарата без подвода тепла и использования внешнего теплообмена возможна при разности температур выхода и входа, превышающей 20°, т. е. при низких концентрациях реагирующего газа (S02 - 0,7%, СО - 0,25%, СН4 - 0,1%). Если адиабатический разогрев превышает указанную величину, то часть тепла реакции может выводиться из реактора.

В зоне низких температур, где реакция не протекает, катализатор может быть заменен инертной насадкой. В случае необратимых реакций степень превращения реагентов достигает наибольшего значения в области температурного максимума, а остальная часть катализатора служит здесь в основном для рекуперации тепла. В случае обратимых процессов степень превращения в зоне высоких температур достигает равновесного значения и возрастает при последующем снижении температуры. Расчет реактора должен проводиться так, чтобы температуры в этой области снижались по мере увеличения степени превращения в соответствии с оптимальной кривой. Это позволяет добиться высокого конечного превращения реагирующих газов в одном слое катализатора, тогда как при осуществлении обратимых экзотермических процессов в стационарных условиях требуется создавать несколько слоев с промежуточным отводом тепла.

В ходе разработки нестационарного метода проведения каталитических реакций в Институте катализа в первую очередь экспериментально исследовалось окисление двуокиси серы с целью использования слабоконцентрированных газов цветной металлургии для получения серной кислоты. В обычном производстве этого продукта из серы или колчедана используются газы с содержанием двуокиси серы 7-10%. Отходящие тазы цветной металлургии во многих случаях значительно менее концентрированные.

Рис. 11. Схема контактного каталитического реактора, установленного на Красноуральском медеплавильном комбинате.

Обычную технологию можно использовать при концентрации свыше 4%, но при этом приходится значительно увеличивать поверхность теплообменников. Переработка более слабых газов требует непрерывной работы подогревателей, т. е. дополнительного расхода топлива. Большая часть таких газов не используется.

Вначале исследования велись на пилотной установке в Институте катализа, затем - на большом аппарате диаметром 3 м совместно с сотрудниками НПО «Минудобрения» Министерства по производству минеральных удобрений и работниками промышленности. Проведены длительные испытания аппарата при широком варьировании параметров процесса, полностью подтвердившие результаты расчетов. Это позволило перейти в 1982 г. к промышленной реализации процесса на Красноуральском медеплавильном комбинате, работники которого творчески участвовали в проектировании и сооружении установки. Значительные опасения вызывала работа клапанов переключения потоков, от которых требовались как значительная плотность, так и быстродействие. Заводские умельцы разработали удачную конструкцию и изготовили клапаны, удовлетворяющие этим требованиям.

На рис. 11 представлена общая схема реактора, отличающаяся наличием в его средней части смесителя реагирующих газов. В ходе работ выяснилось, что хотя потери тепла через стенки аппарата относительно невелики, они все же приводят к охлаждению периферийной части слоя катализатора и снижению степени превращения. Установка смесителя устранила этот недостаток. В таблице приведены показатели работы реактора, хорошо совпадающие с расчетными.

Основные достоинства новой конструкции: возможность работы при концентрации S02 до 0,7% без подогрева, т. е. без затраты топлива; устойчивая работа при переменной начальной концентрации S02 и нагрузке (расходе смеси в аппарате); возможность немедленного возобновления работы после нескольких суток остановки без включения подогревателя; снижение металлоемкости в 6-10 раз по сравнению с прежними конструкциями, что важно с точки зрения не только экономии металла, но и уменьшения расходов на монтаж и ремонт; пониженное гидравлическое сопротивление. Переключающие клапаны установки работают автоматически, а именно: при изменении концентрации газа автоматически меняется режим их работы для обеспечения необходимой длительности цикла.

Табл. 1. Опытные и расчетные показатели работы установки по переработке отходящих газов цветной металлургии

Опыт работы описанной установки весьма заинтересовал работников цветной металлургии; приняты решения об использовании нестационарного метода для осуществления различных промышленных процессов. Это обещает значительный экономический эффект.

По нашему мнению, необходимо изыскать средства для переработки в серную кислоту всех отходящих газов, содержащих более 0,7% двуокиси серы. Утилизация выбросов предприятий цветной металлургии в масштабе страны может дать несколько миллионов тонн серной кислоты в год (при условии организации ее транспортировки) с перспективой значительного увеличения в дальнейшем. При этом будут одновременно решены три задачи: получение дополнительных количеств серной кислоты, необходимой для производства удобрений, ликвидация дефицита серы, который сейчас начинает ощущаться, и резкое уменьшение загрязнения воздуха в районах расположения заводов цветной металлургии.

Нестационарный метод может дать существенный эффект и при производстве серной кислоты из серы или серного колчедана. Несомненна целесообразность его применения во второй стадии производства по схеме двойного контактирования, когда перерабатывается газ с концентрацией двуокиси серы около 1%, здесь возможно значительное уменьшение металлоемкости оборудования. Применение метода на первой стадии должно сопровождаться использованием тепла реакции. Сейчас «Гипрохим» ведет соответствующую проработку, и затем предполагается сооружение опытно-промышленных установок.

Из других областей использования нестационарного метода в рассматриваемом варианте полностью проработано каталитическое дожигание вредных горючих компонентов в отходящих газах промышленности. Если адиабатический разогрев газа достигает 20°С, то процесс можно осуществлять без расхода тепла и сооружения теплообменников. При меньшей величине адиабатического разогрева приходится расходовать горючее, но в очень малых количествах. Так, при использовании в качестве горючего природного газа его содержание в смеси достаточно довести до 0,1%.

Значительный экономический эффект может дать применение нестационарного метода для сжигания малокалорийных газовых смесей, которые в больших количествах образуются в черной металлургии, при проведении горных разработок, в ряде других производств. Например, при агломерации железной руды на Западносибирском металлургическом комбинате образуется газ, содержащий 1,2% окиси углерода. Такая смесь сама не горит, а если и удается ее сжечь, то температура горения не превышает 100°С, так что полученное тепло вряд ли целесообразно использовать. Применение нестационарного реактора коренным образом меняет положение. Благодаря катализатору при любых концентрациях окиси углерода достигается ее полное окисление, а регулирование свойств катализатора внутри реакционной зоны позволяет, обеспечить достаточно высокую температуру сжигания и получать в парообразователе пар высокого давления при небольшой поверхности теплообмена. В рассматриваемом случае энергетический эффект эквивалентен 50 тыс. т у. т. в год. В черной металлургии объем подобных выбросов, которые можно успешно перерабатывать новым методом, весьма значителен.

Существенным источником энергии может стать и сжигание метана в вентиляционных газах угольных шахт. Количество метана, выделяющегося при добыче угля, составляет в масштабах страны десятки миллиардов кубических метров в год. По сравнению с объемом добычи природного газа это не так много, но все же использование вредного побочного продукта может заменить десятки миллионов тонн угля.

Все сказанное -- лишь отдельные примеры того, как применение нестационарного метода каталитического сжигания позволяет ввести в действие скрытые энергетические резервы. Наряду с этим нестационарный метод можно применять в промышленности для осуществления целого ряда каталитических процессов.

В заключение отметим, что возможности нестационарного метода исследованы пока не полностью. Более полная реализация оптимального состояния катализатора обеспечит дальнейшее расширение области применения метода и улучшение показателей каталитических процессов.

Литература

1. Боресков Г.К., Матрос Ю.Ш., Киселев О.В., Бунимович Г.А. // Докл. АН СССР.-- 1977.-- Т. 237, № 1.-- С. 160--163; Матрос Ю.Ш. // Журн. Всесоюз. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева.-- 1977.-- Т. 22.-- № 5.-- С. 576--579; Боресков Г.К.// Вести. АН СССР.-- 1980.--№ 12.--С. 46-53.

2. Боресков Г.К. // Кинетика и катализ.-- 1980.-- Т. 21, № 1.-- С. 5--16.

3. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.-- М.: Наука, 1967.

4. Боресков Г.К., Матрос Ю.Ш., Киселев О.В., Бунимович Г.А.//Докл. АН СССР.-- 1977.-- Т. 237, № 1.-- С. 160--163; Боресков Г.К., Киселев О.В., Матрос Ю.Ш. // Докл. АН СССР.- 1979.- Т. 248, № 2.- С. 406-408.

Размещено на Allbest.ru