Автореферат
к магистрской работе по теме:
"Применение Reverse-процесса для каталитического окисления органических примесей"

      1 Актуальность и мотивация применения Реверс-процесса
      2 Обзор существующих исследований и разработок
      3 Перечень нерешенных проблем и подлежащих решению задач
      4 Заключение
       Литература

    1. Актуальность и мотивация применения Реверс-процесса

     В настоящее время распространено мнение о том, что для процессов со сравнительно медленным изменением активности катализатора стабилизация во времени условий работы реактора является залогом высокой эффективности процесса. Однако возможен и другой, принципиально отличающийся от "стационарного" подход к обеспечению оптимальных условий процесса - "нестационарный". Пусть в искусственно создаваемом нестационарном, например циклическом, режиме средние значения нагрузки и начального состава реакционной смеси равны нагрузке и составу смеси для процесса, осуществляемого традиционным стационарным способом. Совершенно ясно, что в нестационарных условиях возникают широкие возможности в формировании полей концентраций, температур и, что особенно важно, состояний катализатора, при которых можно добиться более благоприятных, чем в стационарном состоянии, условий протекания процесса. Стационарный режим, надежная стабилизация которого кажется на первый взгляд залогом высокой эффективности процесса, оказывается лишь частным случаем нестационарного режима. Эффект перехода от стационарных методов осуществления гетерогенных каталитических процессов к искусственно создаваемым нестационарным: может быть обусловлен, во-первых, воздействием реакционной среды на катализатор, нестационарными характеристиками катализатора и, во-вторых, динамическими свойствами каталитического реактора в целом.
     Одним из перспективных направлений обезвреживания загрязнителей является использование для этой цели катализа, сущность которого заключается в обработке отходящих газов на катализаторе с целью превращения токсичных компонентов в безвредные или получения полезных продукта относительно низких температурах и концентрациях удаляемых примесей. Катализ находит широкое применение для обезвреживания газовых выбросов и сточных вод промышленных предприятий. В подавляющем большинстве случаев именно каталитические методы обезвреживания обеспечивают минимальные капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению с другими методами. За последнее время широкое признание получил предложенный и разработанный в Институте катализа СО АН России новый так называемый нестационарный метод осуществления каталитических процессов, реализуемый в режиме периодического изменения направления подачи реакционной смеси через неподвижный слой катализатора, - REVERSE-процесс.[1]
      Основным направлением исследований в моей работе является изучение процессов каталитического окисления с применением реверс-процесса. В часности проводятся исследования по установлению параметров, режимов, условий окисления газа метана, отходящего с вентиляционным воздухом шахт. Также планируется создать экспериментальную установку, - реверсивный реактор, - для практического определения размеров реактора, количества контактной массы в зависимости от объемов пропускаемой газовой смеси.
     Проблема выброса вентиляционного воздуха, содержащего метан, из шахт довольно актуальна с точки зрения экологии и требует незамедлительного решения.      Выбрасываемый из шахтной вентиляции воздух содержит относительно малое количество метана (около 4-9% об.). Но если учесть объемы выбросов вентиляционного воздуха шахт, то наблюдается острая необходимость очистки шахтного вентиляционного воздуха от метана. Проблему составляет малое содержание метана в вентиляционном воздухе. Обычные трех-, четырехслойные каталитические реакторы не могут обеспечить необходимую степень окисления метана. таким образом, очистка шахтного вентиляционного воздуха становится дорогой и нецелесообразной. Решить проблему можно с помощью применения монослойного каталитического реактора.



Для того чтобы доказать принципиальную возможность такого способа осуществления каталитического процесса, необходимо убедиться в том, что: a) в нестационарном режиме в слое катализатора могут существовать высокие температуры при очень низких температурах исходной реакционной смеси; б) длина слоя катализатора, на которой осуществляется этот подъем, невелика; в) можно подобрать такие условия переключения направления фильтрации смеси, которые обеспечивают запирание части тепла в слое катализатора и хорошее приближение к теоретическому оптимальному режиму.

     2 Обзор существующих исследований и разработок

      В области изучения реверсивных процессов проводились и проводятся исследования.
      Надо заметить, что данная тема ранее основательно не разрабатывалась, поэтому материалов по теме довольно немного Экспериментально наблюдалось медленное изменение скорости реакции окислении этилена на серебре, связанное, по-видимому, с изменением содержании кислорода в приповерхностном слое [2]. В таблице 1 приведены основные опубликованные к настоящему времени экспериментально работы, в которых показана эффективность перехода к искусственно создаваемым нестационарным условиям в каталитических реакторах по сравнению с традиционными стационарными способами. В качестве управлений в этих работах выбраны начальный состав и нагрузка. Не всегда искусственные нестационарные процессы оказывались эффективнее стационарных. Как правило, в приведенных работах нет убедительных доказательств причин изменения эффективности при переходе к нестационарному режиму. Чаще всего - это обсуждение возможных гипотез.


    3 Перечень нерешенных проблем и подлежащих решению задач

Вряд ли может надеяться на быстрое достижение высокой эффективности новых промышленных процессов в искусственно создаваемых, нестационарных режимах или в окрестности оптимальных неустойчивых стационарных состояний, если опираться лишь на экспериментальные работы па опытных установках; чаще всего невозможно в обозримые сроки экспериментально подобрать оптимальные условия для нестационарного процесса.
      Первую и, пожалуй, главную проблему составляют основанные на глубоких физико-химических исследованиях: построение и анализ моделей нестационарных процессии и каталитических реакторах, учитывающих возденемте реакционной среды на катализатор.
      Вторая проблема- это разработка методов математического моделирования и оптимизации, а также теории автоматическою управлении нестационарными процессами на основе использования современной вычислительной техники. Для решения этой проблемы оказываются недостаточными известные методы математического моделирования. Так, для нестационарного процесса оптимальными могут оказаться совсем другая пористая структура, форма и размеры зерен катализатора, скорость фильтрации реакционной смеси и т. д. Сложнее оказываются и математические задачи.
      И, наконец, третья проблема - создание принципиально новых констукций реакторов, арматуры и систем автоматического управления для осуществления нестационарных каталитических процессов.[3]
    4 Заключение

    Предложенный способ утилизации газа метана, содержащегося в вентиляционном воздухе в малых количествах, является перспективным для Украины, а особенно для Донбасса. Несмотря на низкое содержание метана в вентиляционном воздухе, учитывая объемы выбросов можно утверждать, что данные выбросы являются одним из источников глубочайших экологических проблем региона (основной проблемой является создание парникового эффекта) [4].
    В то же время, полученные при разложении СО₂ и H₂O относятся к безвредным отходам и практически не утилизируются. Однако возможно использовать полученный в результате реакции перегретый водяной пар, как теплоноситель.
    Можно смело утверждать, что данные разработки помогут уменьшить одну из экологических поблем современности. Таким образом можно говорить о том, что исследования в данном направлении являются весьма перспективными и требуют дальнейших разработок.

     Литература

1. "Экология и катализ" М.: Химия, 1992 - 214 с.
   
   
2. "Математическое моделироваие каталитических реакторов". М.: Химия, 1989 - 176 с.
   
   
3. "Уголь Украины" К.: "Київ", 2004, №6 - 32 с.
   
   
4. "Уголь" М.: "Госхимиздат", 2004, №3 - 27 с.