АДСОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ТОКСИЧНЫХ ПРИМЕСЕЙ Российский патент 2005 года по МПК B01J35/06 B01J35/08 B01D53/34 B01D53/94 

Изобретение относится к области химической промышленности, к новым катализаторам, которые могут использоваться, в частности, в процессах очистки выхлопных газов автомобильных двигателей, в процессах глубокого окисления токсичных органических примесей в отходящих промышленных газах и в других областях.

Известны традиционные гетерогенные каталитические системы, представляющие собой слои твердого катализатора, сформированного в виде гранул, блоков и пр., через которые пропускают газовую реакционную смесь.

Так, известна каталитическая система в виде неподвижного слоя гранулированного катализатора, используемая в способе очистки отходящих газов промышленных предприятий от токсичных органических примесей [Термические методы обезвреживания отходов - Л.: Химия, 1975, стр.25-40]. Способ основан на проведении реакции окисления отходящих газов кислородом при пропускании очищаемого газа через неподвижный слой зернистого катализатора.

Недостатком известной каталитической системы является то, что хотя она и позволяет осуществлять способ с высокой эффективностью очистки, однако требует постоянного подогрева очищаемых газов перед подачей их в слой катализатора до температуры протекания реакции окисления - до 200-400°С, что обуславливает высокую энергоемкость этого способа, в особенности при очистке газов с низким содержанием токсичных примесей. Такие недостатки проявляются, в частности, при каталитической очистке низкоконцентрированных газовых выбросов промышленных предприятий, например вентиляционных газов, имеющих, как правило, малое содержание токсичных примесей и низкую температуру, недостаточную для осуществления реакций окисления примесей. Аналогичные недостатки каталитической системы проявляются при ее использовании в каталитических нейтрализаторах выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в которых в момент пуска двигателя температура также недостаточно высока для эффективного проведения каталитических реакций.

Известна адсорбционно-каталитическая система, используемая в способе очистки отходящих газов от токсичных органических примесей в неподвижном слое гранулированного материала, совмещающего в себе свойства катализатора и адсорбента (Патент США №4234549, МПК В 01 D 53/42, приоритет 29.06.79, опубл. 18.11.80). Способ основан на циклическом осуществлении процесса очистки, причем цикл включает две последовательные стадии. Первая стадия цикла (адсорбция) заключается в предварительном накоплении имеющихся в очищаемом газе токсичных примесей в слое катализатора-адсорбента. Накопление происходит за счет адсорбции и/или хемосорбции при пропускании очищаемых газов через слой катализатора при температуре ниже характерной температуры начала окисления этих примесей. Вторая стадия цикла (регенерация) заключается в окислении адсорбированных в слое катализатора токсичных примесей. Окисление происходит при пропускании через слой катализатора воздуха, нагретого до температуры выше характерной температуры начала глубокого окисления адсорбированных примесей. Этот способ обеспечивает высокую степень очистки отходящих газов с низкими исходными концентрациями примесей, при этом он существенно менее энергоемок по сравнению с вышеописанным способом, поскольку для подъема температуры катализатора используется тепло протекающих каталитических реакций.

Недостатком известной адсорбционно-каталитической системы является то, что энергозатраты при проведении второй стадии цикла достаточно велики, так как температуру в адсорбционно-каталитической системе на уровне характерной для протекания реакции окисления адсорбированных примесей, требуется поддерживать в течение длительного, до 10 часов, времени. Также применение такой системы обуславливает периодичность очистки отходящих газов, так как она происходит только на первой стадии цикла, а на время осуществления второй стадии прерывается. Кроме того, при нагреве описанной адсорбционно-каталитической системы в процессе регенерации возможна десорбция непрореагировавшего реагента, что может существенно понижать общую эффективность каталитического превращения, либо требовать технологического усложнения каталитической системы, например, установки дополнительного реактора, для удаления десорбирующихся веществ.

Перед авторами ставилась задача разработать адсорбционно-каталитическую систему, отличающуюся технологической простотой, низким энергопотреблением и высокой эффективностью очистки газовых выбросов, в частности, обеспечивающей минимальный уровень выбросов непрореагировавших реагентов при проведении регенерации адсорбента-катализатора.

Поставленная задача решается тем, что адсорбционно-каталитическая система для очистки газов от токсичных примесей, включающая гранулы сорбента, способного сорбировать по меньшей мере один из реагентов, и катализатор представляет собой геометрически структурированную структуру, в которой катализатор выполнен в виде микроволокон диаметром 5-20 мкм, гранулы сорбента размещены внутри катализатора, соотношения размера гранул сорбента и микроволокон катализатора составляет не менее 10:1. Причем микроволокна катализатора структурированы в виде тканого, плетеного либо прессованного материала.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности очистки газов, в частности, в снижении выбросов токсичных соединений, уменьшении энергозатрат и возможности проведения очистки в непрерывном режиме.

Это обусловлено следующим. При нагреве адсорбционно-каталитической системы для регенерации адсорбента-катализатора разогретым потоком газа, повышение температур гранул сорбента и волокон катализатора происходит с разной скоростью за счет различной интенсивности теплообмена гранул и волокон с газом. В связи с существенно меньшим характерным размером волокна катализатора имеют существенно более высокую удельную поверхность теплообмена в единице объема системы, чем гранулы, и поэтому нагреваются намного быстрее. В результате, в момент, когда гранулы нагреваются до температуры, при которой начинается заметная десорбция ранее сорбированных примесей, катализатор уже имеет температуру, достаточно высокую для осуществления реакции. За счет этого эффекта десорбирующиеся примеси эффективно окисляются в слое микроволокнистого катализатора и их концентрация в очищенной газовой смеси мала или равна нулю на протяжении всего цикла регенерации. Тепло протекающих реакций за счет интенсивного теплообмена с микроволокнами катализатора эффективно используется для дальнейшего нагрева системы и завершения регенерации, что позволяет существенно снизить потребление энергии в процессе очистки газовых выбросов. Регенерация системы может выполняться без прекращения подачи очищаемой газовой смеси, т.е. очистка газов может вестись в непрерывном режиме.

Адсорбционно-каталитическая система для гетерогенных реакций содержит гранулы сорбента, расположенные в геометрически структурированном слое микроволоконистого катализатора, причем размер гранул сорбента превосходит характерный размер микроволокон катализатора по меньшей мере в 10 раз. При этом микроволокна катализатора могут быть структурированы в виде тканого, плетеного либо прессованного материала.

Процесс очистки газов с использованием такой системы основан на том, что очищаемую газообразную реакционную смесь пропускают через указанную систему, периодически изменяя температуру смеси, в частности, периодически повышая ее для проведения регенерации сорбента.

Достоинствами предлагаемой адсорбционно-каталитической системы являются: технологическая простота и надежность (простая система управления процессом, отсутствие механических переключающих устройств потока), пониженное энергопотребление на проведение процесса очистки, возможность осуществления очистки газов в непрерывном режиме.

Примеры использования заявляемой адсорбционно-каталитической системы

Пример 1

Адсорбционно-каталитическая система включает в себя сферические гранулы алюмооксидного сорбента, способного адсорбировать стирол. Гранулы расположены внутри слоя микроволокнистого катализатора (платина, нанесенная на металлические микроволокна). Размер гранул сорбента - около 1 мм, характерный диаметр микроволокон катализатора - около 20-50 микрон. Микроволокна структурированы в виде прессованного материала, из которого изготовлен плоский слой, причем пропускание газов ведут в направлении перпендикулярно поверхности слоя. На очистку подают вентиляционные газовые выбросы, представляющие собой воздух, содержащий стирол в концентрации 50 мг/м³, с температурой 25°С. Указанные выбросы пропускают через заявляемую адсорбционно-каталитическую систему.

На стадии адсорбции очищаемый газ пропускают через описанную систему без нагрева, при этом протекает очистка газа за счет адсорбции стирола на гранулах сорбента, поэтому концентрация последнего в выбрасываемом в атмосферу очищенном газе не превышает 0.1-0.5 мг/м³.

Через 20 часов после начала стадии адсорбции концентрация стирола в очищенном газе увеличивается до 1 мг/м³. После этого стадию адсорбции завершают и начинают стадию окисления адсорбированного стирола и регенерации сорбента. Для этого очищаемый газ нагревают в промежутке между частями слоя катализатора от электрического источника тепла. После достижения температуры катализатора около 250-300°С происходит нагрев гранул сорбента до температуры 60-100°С, при которой начинается интенсивная десорбция стирола из гранул сорбента. Выделяющийся стирол окисляется в слое катализатора с выделением большого количества тепла. Нагрев газов прекращают в момент начала протекания реакции окисления, и далее регенерация происходит за счет тепла самой реакции. В процессе регенерации концентрация стирола в очищенном газе на выходе из слоя катализатора не превышает 1-2 мг/м³, максимальная температура в слое катализатора достигает 550°С. Средняя степень очистки за цикл составляет более 99%. После завершения регенерации температура системы автоматически снижается до исходной (25°С).

Далее процесс ведут в непрерывном режиме циклически, последовательно повторяя первую и вторую стадии.

В аналогичных условиях при проведении очистки газов с использованием гранулированного адсорбента-катализатора, применяемого в способе, описанном в Патенте США №4234549, во время регенерации адсорбента-катализатора реальная концентрация стирола в отходящих газах может достигать 50-100 мг/м³, а средняя за цикл степень очистки не превышает 96-98%.

Пример 2

Очистке подвергают выхлопы дизельного двигателя, содержащие токсичные примеси (СО, углеводороды, оксиды азота) в концентрациях 200-1000 ррм. Адсорбционно-каталитическая система, включает комбинацию гранулированного сорбента с размером гранул около 1-2 мм и стекловолокнистого платинового катализатора, структурированного в виде тканного материала (стеклоткани), причем нити тканного полотна выполняются из микроволокон катализатора с характерным размером около 10 микрон. При этом полотно стеклоткани скручено в многослойный цилиндр, где между слоями равномерно располагаются гранулы сорбента. Выхлопные газы пропускают через адсорбционно-каталитическую систему Пропускание выхлопов осуществляют в направлениях перпендикулярно поверхности цилиндра.

В начальном периоде очистки (при пуске двигателя) температура выхлопных газов мала и при этом происходит адсорбция токсичных примесей на гранулах сорбента. По мере роста температуры газов происходит нагрев каталитической стеклоткани до температуры 300-350°С, в то время как температура сорбента достигает величины 100-150°С и начинается десорбция примесей. Десорбировавшиеся примеси эффективно обезвреживаются в слоях стеклоткани, при этом в целом за пусковой период двигателя средняя степень очистки выхлопных газов составляет более 90% по СО и углеводородам и около 30-40% по оксидам азота. После завершения прогрева система работает в чисто каталитическом режиме.

Традиционные каталитические нейтрализаторы выхлопов в аналогичных условиях в пусковом периоде работы двигателя практически совсем не обеспечивают очистки газов.

Изобретение относится к области химической промышленности, к новым катализаторам, которые могут использоваться, в частности, в процессах очистки выхлопных газов автомобильных двигателей, в процессах глубокого окисления токсичных органических примесей в отходящих промышленных газах и в других областях. Описана адсорбционно-каталитическая система для очистки газов от токсичных примесей, включающая гранулы сорбента, способного сорбировать по меньшей мере один из реагентов, и катализатор, и представляет собой геометрически структурированную структуру, в которой катализатор выполнен в виде микроволокон диаметром 5-20 мкм, гранулы сорбента размещены внутри катализатора, соотношения размера гранул сорбента и микроволокон катализатора составляет не менее 10:1. Причем микроволокна катализатора структурированы в виде тканого, плетеного либо прессованного материала. Процесс очистки газов с использованием такой системы основан на том, что очищаемую газообразную реакционную смесь пропускают через указанную систему, периодически изменяя температуру смеси, в частности, периодически повышая ее для проведения регенерации сорбента. Технический эффект - технологическая простота и надежность (простая система управления процессом, отсутствие механических переключающих устройств потока), пониженное энергопотребление на проведение процесса очистки, возможность осуществления очистки газов в непрерывном режиме. 1 з.п. ф-лы.

1. Адсорбционно-каталитическая система для очистки газов от токсичных примесей, включающая гранулы сорбента, способного сорбировать по меньшей мере один из реагентов, и катализатор, отличающаяся тем, что она представляет собой геометрически структурированную структуру, в которой катализатор выполнен в виде микроволокон диаметром 5-20 мкм, гранулы сорбента размещены внутри катализатора, соотношения размера гранул сорбента и микроволокон катализатора составляет не менее 10:1.2. Каталитическая система по п.1, отличающаяся тем, что микроволокна катализатора структурированы в виде тканого, плетеного либо прессованного материала.