Способ очистки отходящих газов

 

Союз Советских

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (») 849594

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 25.06.79 (21) 2784649/23-26 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 15.04.82. Бюллетень № 14 ,(45) Дата опубликования описания 15.04.82 (51)М Кч з В 01 D53/36 (53) УДК 66.074.3 (088.8) Государственный комитет по делам изобретений и открытий (54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ

Изобретение относится к очистке газов, выбрасываемых в атмосферу, от вредных примесей, и может быть широко использовано при каталитическом обезвреживании отходящих газов различных производств.

Известен способ каталитического окисления окиси углерода, содержащийся в помещении или в выхлопных автомобильных газах, при котором газы с начальной температурой 20 С подают на катализатор, закрепленный во вращающейся кассете (1).

Однако этот способ затруднительно использовать на практике для очистки больших количеств отходящих газов из-за необходимости вращать значительные количества 15 катализатора.

Известны способы катал итической очистки отходящих газов от окиси углерода, паров бензина, бензола, крезола и других веществ, которые осуществляют в кон- 20 тактных аппаратах с одним или двумя адиабатически работающими неподвижными слоями катализатора. Нагрев исходной смеси до температуры начала реакции, которая в зависимости от типа выбранного катализатора колеблется в пределах 150—

300 С, осуществляют за счет тепла отходящих газов в теплообменных устройствах и (или) путем дополнительного подвода тепла (сжигая топливо).

Наиболее близким к изобретению является способ очистки отходящих газов в контактных аппаратах с одним или двумя адиабатическими слоями катализатора, где нагрев исходной смеси осуществляют в теплообменнике за счет тепла прореагировавших газов после слоя катализатора (2).

Реализация такого способа требует достаточно сложного конструктивного оформления контактных аппаратов, наличия значительных теплообменных поверхностей и в ряде случаев дополнительных энергетических затрат на подогрев исходной смеси. Известным способом затруднительно перерабатывать газы с переменным во времени составом и концентрацией вредных примесей.

Целью изобретения является создание способа, который позволил бы проводить очистку газов в широких пределах по концентрации вредных примесей постоянного и переменного во времени состава при минимальном количестве катализатора, был бы прост конструктивно, не требовал дополнительного подвода тепла и теплообменной аппаратуры.

Для этого каталитическую очистку проводят в неподвижном слое катализатора, в котором процесс осуществляют при периодическом (в течение 10 — 100 мин) измене849594

65 нив направления на противоположное движущегося через слой катализатора потока реакционной смеси или при изменении температуры реакционной смеси перед слоем катал из атор а ил и его ч а стя м и от 0 — 150 С до 200 — 550 С в течение 10 — 100 мин.

Осуществление процесса в указанных условиях позволяет создать простые и дешевые конструкции контактных аппаратов, снизить их металлоемкость в 3 — 5 раз. Кроме того, возможна переработка газов с низким содержанием вредных примесей, которые ранее из-за сложности очистки выбрасывались в атмосферу, например газы с содержанием окиси углерода 0,1 — 0,5 об. /,, паров спиртов (метанола, пропанола и др.)

0,01 — 0,05 об. о/о, паров альдегидов (формальдегида, ацетальдегида, пропионовый и др.) 0,01 — 0,05 об. о/О и (или) углеводородов (метан, бутан, этилен, бензол и др.)

0,01 — 0,1 об. о/,. Такой способ также целесообразно применять при переменном во времени содержании вредных примесей — окиси углерода от 0,1 до 3,5 об. /О, водорода от

0,2 до 4 об. о/о, паров спиртов и альдегидов от 0,01 до 1,5 об. /о, углеводородов от 0,01 до 1,5 об. о/О. При этом температура исходной реакционной смеси может изменяться от

0 до 150,С.

Поддержание заданного технологического режима — полная степень превращения вредных примесей обеспечения выбором ряда параметров, а именно линейной скоростью, временем переключения и др.

Предлагаемый способ осуществления процесса исключает установку теплообменной аппаратуры и (или) дополнительного подвода тепла для подогрева исходной реакционной смеси, так как сам слой катализатора выполняет роль регенеративных теплообменников, причем теплообмен между газом и зернами катализатора осуществляется наиболее эффективно прямым контактом.

С целью сокращения количества катализатора и уменьшения гидравлического сопротивления реактора слой катализатора помещают между двумя слоями инертного материала с размером зерен в 5 — 20 раз превышающем размер зерен катализатора, которые выполняют функции регенераторов тепла. При этом исходная реакционная смесь поступает в слой катализатора с температуро" 250 †3 С. При такой темпера.-урс скорость реакции значительна и для достижения полной степени превращения требуется малая высота слоя катализатора.

На фиг. 1 — 4 даны принципиальные схемы осуществления предлагаемого способа; на фиг. 5 — профили температур и степеней превращения продуктов по длине слоя.

На фиг. 1 изображена схема окисления окиси углерода, включающая контактный аппарат с трубопроводами и установленны;..и на них задвижками 1 — 4 с одним слоем

l0

50 катализатора и заключенными между ним двумя слоями инертной засыпки И> и И .

В качестве инертной засыпки могут быть выбраны, например, частицы кварца, керамические кольца Рашига либо другой инертный материал фракции 25 — 75 мм. На предварительно разогретый слой катализатора

350 С поступает реакционная смесь с содержанием окиси углерода 1,5 об. о/о с температурой 40 С. Линейная скорость смеси

0,6 м/сек. Высота засыпки катализатора

1 м, инерта — по 1,2 м, Направление подачи газа показано сплошными стрелками.

При этом задвижки 1 и 3 открыты, а задвижки 2 и 4 — закрыты. В инертной засыпке И, исходная смесь нагревается до

270 — 290 С, которая превышает температуру начала реакции. По длине слоя катализатора возникает тепловой фронт F>. Через 25 мин тепловой фронт займет положение Fq. В этот момент времени производят быстрое и одновременное переключение задвижек 1, 3 и 2, 4 и меняют направление движения исходной реакционной смеси на противоположное (показано пунктирными стрелками) . Фронт реакции F будет двигаться в противоположном направлении и через следующие 25 мин займет положение

F<, после чего полный цикл, равный 50 мин, повторяется, обеспечивая тем самым непрерывный выход прореагировавшей реакционной смеси из слоя катализатора.

Инертная засыпка выполняет роль регенеративного теплообменннка — постоянно нагревая исходную реакционную смесь с входной температуры 40 С до температуры, превышающей температуру начала реакции, и постоянно охлаждая прореагировавшую смесь за счет передачи тепла реакции охлажденному до 40 С инертному материалу.

На фиг. 2 изображена схема каталитического обезвреживания при изменении входной температуры смеси от 0 — 150 С до

200 — 550 С в течение 10 — 100 мин. При этой схеме подачу исходной реакционной смеси в слой ведут в одном направлении. В слое — инертная засыпка И и катализатор

К, разделенном на две одинаковые части А и В, тепловой фронт реакции перемещается из положения F, в F и далее по схеме

F F, - F + F> и т. д. Перемещение теплового фронта F в положение F. и наоборот осуществляют с помощью попеременного переключения задвижек 1 — 6. Прореагировавшую реакционную смесь выводят из слоя катализатора в направлении, показанном стрелками.

Например, на слой А, предварительно разогретый до 350 С, исходную смесь ссодержанием окиси углерода 2,8 об. /о и температурой 20 С подают в направлении, указанном сплошными стрелками. При этом задвижки 1, 3 и 5 открыты, а задвижки 2, 4 и 6 закрыты. Возникший тепловой фронт

849594 начнет перемещаться из положения F> в положение Fg. Через 40 мин (время полуцикла), реакционная смесь О температурой

350 С. переходит в ненагретую часть слоя

В. В этот момент одновременно начинают закрывать задвижки 1 и 3 и открывать задвижку 2. При этом исходная реакционная смесь с начальной температурой 20 С начинает поступать в.часть слоя В. После полного закрытия задвижек 1 и 3 и полного открытия задвижки 2 начинают одновременно срабатывать задвижки 4, 5 и 6. При этом задвижка 5 закрывается, а задвижки 4 и 6 открываются и прореагировавшую реакционную смесь подают на вход части А и выводят из катализатора (пунктирные стрелки). При переходе теплового фронта из положения F, в положение F» (и наоборот) температура на входе в инертную засыпку повышается от 20 до 550 С и снова понижается до 20 С. При этом инертная засыпка выполняет роль регенеративного теплообменника. При последовательном переключении задвижек 1 — 6 осуществляют непрерывное движение теплового фронта по схеме F F, Ð, F, и т. д. в одном направлении, обеспечивая также непрерывный выход прореагировавшей смеси из слоя катализатора.

На фиг. 3, 4 изображена другая схема каталитического обезвреживания, осуществляемая также при температуре смеси на выходе в слой от 0 — 150 С до 200 — 550 С в течение 10 — 100 мин. При этой схеме подачу исходной реакционной смеси в слой, разделенный на две неравные части А и В, ведут периодически по двум направлениям. Часть

А представляет из себя засыпку инертного материала ИА и слой катализатора К А. а часть  — слои инертной засыпки Ив, и

Из, н заключенный между ними слой катализатора Кв . Часть слоя В служит периодическим «запалом» основного слоя А, температура смеси на входе в который периодически изменяют. Например, в части А и

В, предварительно разогретые до 350 С, исходную реакционную смесь с содержанием окиси углерода 1,4 об. и температурой

40 С подают в направлении, показанном стрелками (фиг. 3). При этом в каждой части слоя А и В возникают два тепловых фронта Рц, и F p„, которые начинают перемещаться в противоположных направлениях. Задвижка 1 закрыта, задвижка 3 открыта, а задвижку 2 открывают не полностью, регулируя медленное движение фронта F>, по отношению к скорости движения фронта F,. За период времени

20 мин тепловые фронты займут положение

Рл, и Рв, (фиг. 4), после чего задвижки

2 и 3 закрывают, а задвижку 1 открывают.

При этом меняется направление подачи исходной реакционной смеси (показано стрелками). Окись углерода, содержащаяся в исходной смеси, будет окисляться в зоне

65 щения продуктов по двуокиси углерода и воды. В данном примере время контакта реакционной смеси с катализатором в

1,5 2,5 раза меньше, чем в реакторе, работающем в стационарном режиме, за счет загрузки на торцах слоя инертного материала.

Пример 2. Исходную реакционную смесь, содержащую, об. о/о.. 0,2 метана, 0,1 этилена, 0,1 бутана, остальное воздух подают в контактный аппарат с одним адиабатическим слоем катализатора (фиг. 1) . реакции F а,, а так как в зону Fë, ее не будет поступать, то реакция там прекращается и тепловой фронт F A, «выходит» из слоя. Прн достижении через 5 мин тепловым фронтом FD, положения, показанного на фиг. 3, он разделяется на два тепловых фронта F<, и Рь, . В этом положении переключаются задвижки 1, 2 и 3 и цикл, равный по времени 25 мин, повторяется. Перед частью слоя А в месте ввода исходной смеси периодически, через 25 мин, температура изменяется от 40 до 480 С. При последовательном переключении задвижек 1, 2 и

3 осуществляют пульсирующее возникнове-!

5 ние и затухание теплового фронта F,, что обеспечивает непрерывный выход прореагировавшей реакционной смеси из слоя катализатора. При этом часть слоя В периодически выполняет роль «запала».

20 Пример 1. Исходную реакционную смесь, содержащую, об.. о/о 0,8 окиси углерода, 0,05 метилового спирта и 0,1 формальдегнда, 19,8 кислорода и 79,25 азота подают в контактный аппарат с одним адиабатическим слоем окисно-медного катализатора (фиг. 1). Температура исходной смеси 0 С, линейная скорость смеси 1 м/сек. Высота слоя катализатора К 0,8 м, инертных засыпок И1 и И2 — по 1,6 м. В качестве инерт50 ной засыпки используются частицы кварца размером 30 мм.

В данном примере осуществляют изменение направления движения потока реакционной смеси (фиг. 1) на противополож35 ное путем изменения места ее ввода на вывод через 16 мин. Через следующие 16 мин опять изменяют направление движения исходной реакционной смеси и т. д. Продол>кительность одного цикла составляет

40 32 мин.

На фиг. 5 приведены профили температур и степеней превращения продуктов по длине слоя. Линия 1 соответствует профилю температуры по длине слоя в момент вре45 мени t — — 96 мин (после 6 переключений направления потока), линии И и 1II — профилям температур в моменты времени t> =

= 106 и t3 —— 112 мин. В момент времени 4 производят переключение направления потока. На фиг. 4 также показаны профили степеней превращения по длине слоя в моменты времени tь t2 и t3 (линии а, Ь, с), Видно, что в любой момент времени полуцпкла достигается полная степень превра849594

45

60

Катализатор такой же, как в примере 1. Высоты слоев катализатора К вЂ” 0,6 м, инертной засыпки И1и И вЂ” по 0,5 м. Линейная скорость смеси 0,2 м/сек, температура смеси 10 С. До ввода реакционной смеси слой разогрет до 350 С. Направление движения смеси изменяют через 50 мин, продолжительность одного цикла 100 мин. Средняя за цикл степень превращения 100 /О.

Пример 3. Состав реакционной смеси — бутанол 0,018 об. /О, остальное воздух. Температура смеси 150 С. Высоты засыпок; катализатора К вЂ” 1,8 м, ннерта И1 ti

И2 — по 2,1 м. Линейная скорость смеси

1,2 м/сек. Остальные условия аналогичны примеру 1. Время одного полного ци кл а

12 мин, степень превращения 1000/О, Пример 4. Аналогичен примеру 1, отличается тем, что исходную смесь; состоящую из 0,05 об. /О бензола и 0,5 об. /О водо-рода, подают в аппар ат с тем пер атурой

150 С. Средняя за щикл степень превращения 1000/О, продолжительность одного цикла 36 мин., Пример 5. Аналогичен примеру 3, отличается тем, что температура исходной смеси (0,03 об. /, метанола, 0,05 об. /О формальдегида, остальное воздух) 0 С.

Средняя за цикл степень превращения

99,99 /О, продолжительность одного полного цикла 10 мин.

Пример 6, Состав исходной смеси, об. О/О : 0,15 ацетальдегида, 0,05 этанола, 19,9 кислорода и 79,9 азота. Температура смеси 40 С. Высоты слоев: катализатора

К вЂ” 1,2 м, инертной засыпки Nt и И, — по

2 м. Линейная скорость смеси 0,7 м/сек. Катализатор — платина на носителе. Длительность одного полного цикла 80 мин, средняя за цикл степень превращения—

1P0o/ ,Пример 7. Состав исходной смеси—

0 035 об. О/О пропилена, остальное воздух, температура смеси 60 С. Высоты слоев: катализатора К вЂ” 2,0 м, инертной засыпки И> и И вЂ” по 2,5 м. Линейная скорость

1,5 м/сек. Остальные условия аналогичны примеру 1. Длительность цикла 26 мин, степень превращения 1000/О.

Пример 8а. Исходная реакционная смесь, начальная температура и катализатор такие же, как в примере 1. Слой разделен на две равные части. В каждой части А В высота слоя катализатора К вЂ” 1,2 м, .;.::сота инертной засыпки И вЂ” 1,2 м. В данном примере осуществляется изменение

"емпературы перед частями слоя А и В. Линейная скорость смеси 0,8 м/сек. Часть А предварительно разогрета до 350 С. Реакционная смесь, пройдя через слои А и В, выходит из аппарата с температурой, плавно изменяющейся от 0 до 420 С в течение полуцикла 20 мин, после чего производят переключение задвижек в такой же последовательности, которая приведена в описании к фиг. 2. При этом температура реакционной смеси на входе в верхнюю часть слоя В меняется следующим образом: через 12 мин температура достигает 420 С.

После переключения задвижек 1 — 6 через указанное время полуцикла (20 мин) исходную смесь подают на часть слоя В. Через следующие 20 мин тепловой фронт полностью переходит из положения F> в положение Е и цикл продолжительностью

40 мин повторяется. На выходе из реактора достигается полная степень превращения.

Пример 8б. Исходные данные такие же, как в примерах 8а и 1. Отличие заключается в том, переключение задвижек и перераспределение исходной смеси между частями А и В (фиг. 2) производят в положении, когда тепловые фронты Fi u Fq соответственно находятся в середине частей А и В. Полуцикл начинается со времени, когда тепловой фронт Fi займет положение в середине части. Исходную смесь подают в направлении, показанном сплошными стрелками (фиг. 2).

Тепловой фронт проходит через верхнюю часть слоя В с теми же температурами, что и в примере 8а и через время полуцикла

20 мин занимает положение F2 в середине слоя В. Задвижки переключают (последовательность та же, что в описании к фиг. 2) и исходную смесь с температурой 0 С подают на верхнюю часть слоя B (пунктирные стрелки на фиг. 2). Через следующие

20 мин, т. е. через время цикла, равное

40 мин, тепловой фронт Fz занимает положение Fi (в середине части слоя А), и затем цикл повторяется. При этом в каждом полуцикле прореагировавшую реакционную смесь выводят последовательно из частей слоя А и В и из аппарата с плавно изменяющейся во времени температурой от 0 до

420 С. На выходе из аппарата средняя за цикл степень превращения составляет

99 99o/о

Пример 9. Аналогичен примеру 8 тем, что исходную реакционную смесь, состоящую из 0,02 об. /, изобутилового спирта, 19,99 об. О/О кислорода и 79,98 об. О/, азота с температурой 150 С подают последовательно на части слоя А и В (фиг. 2). Высоты засыпок катализатора К вЂ” 1,8 м, инерта

И вЂ” 2,2 м. Катализатор такой же как в примере 1. Линейная скорость смеси

1,2 м/сек. Продолжительность цикла 10 мин.

Температура на входе в частях слоя А и В плавно меняется в течение полуцикла от

150 до 320 С. На выходе из аппарата степень превращения 100,o/o.

Пример 10. Аналогичен примеру 8, отличается тем, что исходную реакционную смесь с изменяющейся случайным образом во времени концентрациями водорода от

0,1 до 0,6 об. %, окиси водорода от 0,2 до

0,8 об. О/О, метилового спирта от 0,05 до

0 1 об. О/О, формальдегида от 0 05 до

849594

5

Зо

50

0,2 об, о/О, при содержании кислорода

19,9 — 9 об. /о подают последовательно на части слоя A и В (фиг. 2) с температурой

40 С. Катализатор такой же, как в примере 1. Продолжительность цикла 48 мин.

Температура на входе в частях слоя А и В изменяется от 40 до 380 С. Средняя за.цикл степень превращения — 99,9О/О .

Пример 11. Аналогичен примеру 8, отличается тем, что исходную смесь, об. этан 0,1, этилен 0,1, кислород 19,9 и азот

79,9 с температурой 70 С подают последовательно на части слоя А и В (фиг. 2). Высота засыпок катализатора (палладий на носителе) — 1,3 м, инертной засыпки—

0,7 м. Линейная скорость смеси 0,2 м/сек.

Продолжительность цикла 100 мин, средняя за цикл степень превращения 100 /о, Температура на входе в частях слоя А и В изменяется от 70 до 200 С.

Пример 12. Исходную реакционную смесь с составом и температурой, приведенными в примере 1, подают в контактный аппарат с «запалом», как показано на фиг. 3.

Часть слоя А состоит из инертной засыпки высотой 1 м, расположенной над слоем ка.тализатора, и собственно катализатора, высота засыпки которого составляет 2 м.

Часть слоя  — слой катализатора высотой

0,6 м и инертная засыпка с обоих торцов по

0,3 м. Линейная скорость смеси 1 м/сек. Катализатор такой же, как в примере 1. Обе части слоя предварительно разогреты до

350 С. Исходную реакционную смесь подают как на основную часть слоя А, так и на «запал» В. Через 30 мин тепловые фронты Fg, n F)3 занимают положения F A, и

Рв,, после чего производят переключение задвижек и исходную реакционную смесь подают на часть слоя А через «запал» В.

Через 6 мин тепловой фронт Рв, занимает положение FA и Рв,, а тепловой фронт

FA, выходит из слоя. В течение этого времени, когда обе части слоя работали как один слой, температура в верхней части слоя А и в нижней части слоя В менялась следующим образом — при времени

/ = 20 мин (в момент переключения) она составляла 0 С, через 2 мин — 130 С, еще через 2 мин — 270 С, и в момент следующего переключения — 420 С. В то время, когда тепловой фронт Рв, разделяется, задвижки 1 — 3 опять переключают в той же последовательности, которая приведена в описании к фиг. 3, и исходную реакционную смесь снова подают с температурой 0 С между частями слоя А и В. Средняя за цикл, который составляет 36 мин, степень превращения 99,9%.

Пример 13. Аналогичен примеру 12, отличается тем, что исходную реакционную смесь, содержащую, об. : 0,1 пропионового альдегида, 19,95 кислорода и 79,95 азота подают в аппарат (фиг. 3) с температурой

50 С. Используют платиновый катализатор. При этом температура на входе в часть слоя А периодически изменяется от

50 до 220 С. Длительность цикла 80 мин, средняя за цикл степень превращения

1000/.

Пример 14. Аналогичен примеру 12, отличается тем, что исходную смесь, содержащую 0,05 об, /о метана и 0,2 об. /, окиси углерода (остальное воздух) подают в аппарат (фиг. 3) с температурой 150 С.

Катализатор такой же, как в примере 13.

Температуру на входе в часть слоя А изменяют от 150 до 280 С. Средняя за цикл степень превращения 100О/о, длительность цикла 16 мин.

Пример 15. Аналогичен примеру 12, отличается тем, что исходная смесь (водород 1,5 об. /о, пропанол 0,2 об. о/,; бутанол

0,1 об. /о, остальное воздух) поступает в аппараты (фиг. 3) с температурой 30 С.

Катализатор окисно-медный. На входе в часть слоя А температуру изменяют от 30 до 550 С. Средняя за цикл степень превращения 99,9 /о, длительность цикла 100 мин.

Пример 16. Аналогичен примеру 1, отличается тем, что содержание окиси углерода в исходной смеси изменяется случайным образом во времени — в пределах от

0,2 до 3,5 об. /о. Концентрация кислорода при этом примерно постоянна и равна

19,7 об. /о. Температура исходной смеси

20 С. Высота слоев катализатора К вЂ” 1,6 м, инертной засыпки И, и И вЂ” по 2 м. Линейная скорость смеси — 0,7 м/сек. Катализатор окисно-медный. Продолжительность одного цикла 90 мин, средняя за цикл степень превращения 99,9О/О.

Пример 17. Аналогичен примеру 7, отличается тем, что в исходной смеси случайным образом изменяется содержание циклопентана от 0,01 до 0,05 об. о/,. Температура смеси 70 С, Катализатор — платина на носителе. Продолжительность одного цикла 20 мин, средняя за цикл степень превращения 100О/о.

Формула изобретения

1. Способ очистки отходящих газов от. вредных примесей путем пропускания их через слой зернистого катализатора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью упрощения процесса и возможности очистки газов с переменным во времени составом и концентрацией примесей, процесс осуществляют при периодическом изменении направления движения очищаемого газа в слое катализатора на противоположное либо при периодическом изменении температуры газа перед слоем катализатора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодичность изменения температуры составляет 10 — 100 мин.

849594

12 фиг

3. Способ по п. 1, отличающийся, тем, что, с целью уменьшения количества катализатора и снижения гидравлического сопротивления слой катализатора помещают между двумя слоями инертного зернистого материала с размером зерен в 5 — 20 раз превышающим размер зерен катализатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1, Патент США М 3607133, кл. В 01 J

9/06, 1969.

2. Термические методы обезвреживания отходов. Л., «Химия», 1975, 25 — 40 (прототип).

849594

7", Р

ГФУЛЛФЯйб

Фиг.4

Т, с лаа ла лй7 ав

az а фиг.5

Составитель Т. Юдина

Техред И. Пенчко

Кооректор С. Файн

Редактор И. Гохфельд

Тин. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 365/275 Изд. № 132 Тираж 733 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открыти&

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5