Расчет блока каталитической очистки

При горении углеводородного топлива в топочной камере, образуются продукты неполного сгорания такие как NOx и CO, являющиеся опасными загрязнителями атмосферы и окружающей среды в целом. Для предотвращения попадания токсичных веществ в атмосферный воздух, в работе принято спроектировать блок каталитической очистки дымовых газов от указанных веществ. Данный блок представляет собой химический реактор идеального вытеснения с расположенной внутри сотовой конструкцией с нанесенным на нее палладием, и располагающимся после камеры сгорания. Выбор палладиевого катализатора обусловлен тем, что данный катализатор подходит как для окислительных реакций с участием диоксида углерода (CO), так и для восстановительных реакций оксидов азота (NO).

Реакция восстановления NO на палладиевом катализаторе выглядит следующим образом:

NO + CO = N₂ + C0₂.                    (1)

Как видно из реакции (1) оксиды азота восстанавливаются диоксидом углерода, что позволяет одновременно преобразовывать оба загрязнителя.

Кроме того, на палладиевом катализаторе возможна реакция окисления CO по следующей реакции:

CO + 0₂ = C0₂,                         (2)

что так же увеличивает степень очистки.

Целью расчета является нахождение геометрических размеров химического реактора, а также реакционного объема катализатора.

Исходные данные для расчета:

температура выброса: T в = 600°С;

концентрация оксида углерода: CO = 10%;

концентрация оксида азота: NO = 12,4;

концентрация кислорода: O 2 = 9,6%;

концентрация азота: N 2 = 68%;

объем газовых выбросов: W г = 15500 м 3 /ч;

энергия активации процесса: E a = кДж/моль.

Кинетика процесса

Для реактора, работающего в режиме идеального вытеснения, справедливо выражение:

где τ – время контакта газа с реакционным веществом, с; Vк– реакционный объем катализатора, м3;

V г – объем смеси газа, подвергшегося очистке, м³/ч;

С нач – начальная концентрация исходного вещества, моль/л;

x нач , x кон – начальная и конечная степени превращения;

xa– степень превращения исходного вещества; UA– скорость реакции.

Скорость реакции восстановления оксида азота на палладиевом катали заторе можно определить по уравнению Борескова:

где G a – начальная концентрация NO в газе, %; b – начальная концентрация CO в газе, %; T – температура дымовых газов на слое катализатора; x – степень превращения; k – константа скорости химической реакции.

Подставив значение скорости из уравнения (4) в уравнение (3), получаем:

Определение константы скорости

Константа скорости процесса при температуре 600 °C вычисляется по формуле:

где E a – энергия активации процесса восстановления, кДж/моль; T 1 – температура до начала реакции, K;

T2– температура окончания реакции, K; R = 8,31 – газовая постоянная.

Принимаем,T 2 = 973 K, тогда: