Курсовая работа: Применение катализа для защиты окружающей среды

Прежде всего, это оксиды азота, которые выбрасываются в атмосферу тепловыми электростанциями, автотранспортом, предприятиями химической промышленности. Аммиак появляется в атмосфере при производстве минеральных удобрений и работе холодильной техники, сероводород — за счет газодобычи и нефтепереработки. Весьма разнообразны источники выбросов органических веществ — нефтехимия, мебельная и лакокрасочная промышленность, машиностроение и многое другое.

Особое внимание сейчас уделяется озонразрушающим газам — диоксиду углерода, закиси азота, метану и фторуглеводородам. Выбросы этих газов ограничены в соответствии с Киотским протоколом. В табл. 2 приведены источники выбросов этих газов и их относительная опасность. В настоящее время стоимость 1 т С0₂ при международной торговле выбросами составляет около 10 евро, стоимость 1 т N0 превышает 3 тыс. евро. Счетом этого очистка газовых выбросов от метана и закиси азота становится экономически перспективной.

Каталитическая очистка токсичных соединений основана на протекании ряда химических реакций.

Наибольшее промышленное распространение для очистки газов от оксидов азота в присутствии в отходящих газах кислорода имеет процесс их селективного восстановления аммиаком (см. рис. 1, реакция 1).

Проблема очистки газов от сероводорода решается путем применения катализатора, позволяющего селективно окислять H₂ S до элементарной серы (см. 2) — товарного продукта. Очистку газов от аммиака проводят с помощью катализаторов, на которых образуется только молекулярный азот и не появляются оксиды азота (см. 3). Наиболее разнообразными являются органические загрязнители. Их очистка основана на глубоком окислении загрязнителей до углекислого газа и паров воды (см. 4). Очистка газов от N₂ 0 осуществляется путем разложения закиси азота на азот и кислород (см. 5) на цеолитных катализаторах. Наконец, для удаления метана предлагается окислять его до С0₂ и Н₂ 0 (см. 6). Учитывая соотношение цен на выбросы метана и углекислого газа (см. табл. 2), это экономически вполне оправданно.

Для очистки газов от органических веществ и оксидов азота широко применяют реверс-процесс [1], который основан на периодических изменениях направлений фильтрации очищаемых газов в слое твердого катализатора. Теплоемкость твердого катализатора в тысячу раз больше теплоемкости газа. Поэтому тепловая волна в слое катализатора движется медленно, а газ движется быстро. Тепло, выделяемое при реакции обезвреживания, сохраняется в слое твердого катализатора. После изменения направления фильтрации газа накопленное тепло служит для разогрева очищаемого газа. Переключение осуществляют через каждые 15-30 мин. Температура на входе в слой катализатора равна температуре очищаемого газа. На выходе температура равна входной плюс величина разогрева за счет реакции. В центре каталитического слоя температура составляет 300-700°С в зависимости от концентрации обезвреживаемых веществ и режима переключения. Таким способом можно обеспечить очистку газов от самых разных веществ. Основное преимущество реверс-процесса — это снижение энергозатрат в 3-5 раз по сравнению с традиционными каталитическими методами. В настоящее время для очистки газов от органических загрязнителей (фенол, метанол, формальдегид, стирол, бутанол, ацетон, синильная кислота, нитрил акриловой кислоты, бензол и др.) на основе реверс-процесса создано и эксплуатируется в России и США более 60 установок производительностью от 0,5 до 30 тыс. м³ / ч. В качестве базовых для этих установок используют российские катализаторы: медно-хромовый ИКТ-12-8 и марганцевый ИКТ-12-40.

Реверс-процесс в России был применен для очистки газов от оксидов азота [1]. Очистка основана на селективном восстановлении оксидов азота аммиаком. Процесс эффективен при переменных концентрациях оксидов азота. Аммиак адсорбируется на катализаторе и служит для восстановления оксидов азота. Степень очистки газов от оксидов азота превышает 99 %. Остаточное содержание оксидов азота в газах меньше 30 мг/м³ . Такая установка производительностью 10 — 12 тыс. м³ /ч эксплуатируется на ФГУП "Бийский олеумный завод" для очистки отходящих газов производства промышленных взрывчатых веществ после абсорбционных колонн.

Для очистки газов от сероводорода предложен каталитический способ, основанный на селективном окислении H₂ S до серы (Пат. 2276097 РФ) [2]. В зависимости от концентрации сероводорода процесс осуществляют либо в адиабатических реакторах (при низких концентрациях 0,01— 5 об. % H₂ S), либо в реакторах с кипящим слоем катализатора (при высоких концентрациях (5-95 об.% H₂ S)). Обычно низкие концентрации сероводорода характерны для хвостовых газов процесса Клауса, а высокие концентрации присущи попутным нефтяным газам. В качестве примера на рис. 3 показаны две установки, одна из которых построена на ОАО "Омский НПЗ" для очистки хвостовых газов процесса Клауса (рис. 3, а), а другая — на нефтегазовых промыслах в Татарстане для очистки попутного газа (рис. 3, б). Одним из озон разрушающих газов является метан. Из всех выбросов метана в атмосферу на долю угольных шахт приходится 10%. При добыче угля часть метана извлекается путем дегазации пластов. Эти выбросы содержат метан с концентрацией от 30 до 70%. Такой газ может быть использован в стандартном теплоэнергетическом оборудовании. Однако объем его в выбросах угольных шахт составляет всего 15%. Гораздо сложнее использовать вентиляционные выбросы угольных шахт, которые содержат около 1% метана. Только угольные шахты Кузбасса в России выбрасывают в атмосферу ежегодно около 2 млрд. м³ метана. С целью реализации требований Киотского протокола можно предложить следующие каталитические процессы. Например, для переработки таких вентиляционных газов угольных шахт можно использовать реверс-процесс (рис. 4) [3]. В настоящее время основная проблема заключается в создании первой демонстрационной установки на одной из шахт России.

Еще одним из озонразрушающих газов является закись азота. Содержание N₂ 0 в отходящих газах производства адипиновой кислоты достигает 12%. Чаще всего такие газовые выбросы обезвреживают с использованием высокотемпературных термических методов. Основной недостаток таких методов — большой расход топлива. Для осуществления реакции разложения N₂ 0 на азот и кислород разработан кобальтцеолитный катализатор. Это позволяет осуществлять процесс обезвреживания без дополнительного расходования топлива только за счет выделяющегося тепла при разложении N₂ 0. Экономия топлива (природного газа) составит на одном из заводов Украины после пуска такой каталитической установки около 5 млн м³ в год. Каталитический метод обеспечит остаточное содержание N₂ 0 в очищенных газах менее 100 мг/м³ [4].

Для очистки сточных вод от различных токсичных соединений разрабатывается метод, основанный на окислении загрязнителей в жидкой фазе на твердом катализаторе. Процесс проводят при давлении 20 — 30 атм. при температуре 200 — 250С. Вода при таких условиях остается жидкой. Например, такой метод позволяет очищать сточную воду от аммиака с эффективностью до 99%. Продуктами окисления являются только азот и вода. В качестве катализатора служит синтетический пористый углеродный материал. Особенно такой метод эффективен для очистки сточных вод, содержащих много различных загрязнителей. Метод проверен также для очистки сточных вод от соединений, содержащих в своем составе азот или хлор [5].

Для очистки низкоконцентрированных сточных вод от органических загрязнителей разработан адсорбционно-каталитический метод (Пат. 2176618 РФ). Сначала сточные воды пропускают через слой катализатора-адсорбента при нормальной температ