Ossidazione catalitica
Che cos'è?
Gli ossidatori catalitici funzionano in modo molto simile agli ossidatori termici, con la differenza principale che il gas, dopo aver attraversato l'area della fiamma, passa attraverso un letto di catalizzatore. Il catalizzatore ha l'effetto di aumentare la velocità di reazione di ossidazione, consentendo la conversione a temperature di reazione inferiori rispetto alle unità di ossidazione termica. I catalizzatori, quindi, consentono di utilizzare anche ossidanti più piccoli. Il principio è illustrato nella Figura 1.
Il gas di scarico viene riscaldato da bruciatori ausiliari a circa 300–500 °C prima di entrare nel letto del catalizzatore. La temperatura massima dei gas di scarico di progetto del catalizzatore è generalmente di 500–700 °C. Esistono catalizzatori a bassa temperatura che funzionano a temperature di 200–250 °C.
Il metodo di contatto del flusso di gas con il catalizzatore serve a distinguere i sistemi di ossidazione catalitica. Vengono utilizzati sia sistemi a letto fisso che a letto fluido.
I catalizzatori per l'ossidazione dei VOC sono tipicamente metalli preziosi, come platino, palladio e rodio, supportati su ceramica o metallo, o metalli di base supportati su pellet di ceramica, ossidi metallici singoli o misti, spesso supportati da un supporto meccanicamente forte, come gli ossidi di rame, cromo, manganese, nichel, cobalto, ecc. I catalizzatori a base di platino sono attivi per l'ossidazione dei COV contenenti zolfo, mentre sono rapidamente disattivati dalla presenza di cloro.
Il gas di scarico viene riscaldato da bruciatori ausiliari a circa 300–500 °C prima di entrare nel letto del catalizzatore. La temperatura massima dei gas di scarico di progetto del catalizzatore è generalmente di 500–700 °C. Esistono catalizzatori a bassa temperatura che funzionano a temperature di 200–250 °C.
Il metodo di contatto del flusso di gas con il catalizzatore serve a distinguere i sistemi di ossidazione catalitica. Vengono utilizzati sia sistemi a letto fisso che a letto fluido.
I catalizzatori per l'ossidazione dei VOC sono tipicamente metalli preziosi, come platino, palladio e rodio, supportati su ceramica o metallo, o metalli di base supportati su pellet di ceramica, ossidi metallici singoli o misti, spesso supportati da un supporto meccanicamente forte, come gli ossidi di rame, cromo, manganese, nichel, cobalto, ecc. I catalizzatori a base di platino sono attivi per l'ossidazione dei COV contenenti zolfo, mentre sono rapidamente disattivati dalla presenza di cloro.
Figura 1. Principio dell'ossidazione catalitica
Figura 2. Principio dell'ossidazione catalitica con recupero di calore
La presenza di veleni catalizzatori o agenti mascheranti (accecanti) nel flusso di gas di scarico, come particolati o sostanze chimiche reattive, può avere un impatto significativo sulla vita utile del catalizzatore. L'avvelenamento da accecamento può essere reversibile, ad esempio il rivestimento della superficie del catalizzatore con oli o grassi ne riduce l'efficienza, ma il rivestimento può essere bruciato aumentando la temperatura. Tuttavia, se sono presenti determinate sostanze chimiche, l'avvelenamento del catalizzatore diventa irreversibile.
Come per l'ossidazione termica, vengono utilizzati ossidanti catalitici diretti, ossidanti catalitici rigenerativi e ossidanti catalitici recuperativi.
Le condizioni operative normali per gli ossidatori catalitici includono:
Come per l'ossidazione termica, vengono utilizzati ossidanti catalitici diretti, ossidanti catalitici rigenerativi e ossidanti catalitici recuperativi.
Le condizioni operative normali per gli ossidatori catalitici includono:
- gas naturale come combustibile preferito (quando è necessario combustibile aggiuntivo);
- un bruciatore distribuito come bruciatore adatto;
- camere costruite in acciaio inossidabile o acciaio al carbonio;
- una sezione del bruciatore con una lunghezza sufficiente per fornire un flusso uniforme e una distribuzione della temperatura attraverso la superficie del catalizzatore;
- profilo di flusso piatto attraverso la superficie del catalizzatore;
- gas di scarico che si muove attraverso il letto del catalizzatore in 'plug flow' con una miscelazione posteriore minima;
- un tempo di permanenza tipico di 0.3–0.5 secondi.
Design, manutenzione ed efficienza
L'ossidazione catalitica dovrebbe essere progettata in modo tale da facilitare la rimozione del catalizzatore per scopi di pulizia o sostituzione. Gli ossidanti catalitici devono essere ispezionati regolarmente e, se necessario, puliti per mantenere buone prestazioni ed efficienza. Quando si verificano depositi in eccesso, è necessario intraprendere azioni preventive pulendo (parzialmente) il gas in ingresso prima che entri nell'ossidatore.
La temperatura del letto del catalizzatore, la caduta di pressione attraverso il letto del catalizzatore, la temperatura di combustione e il contenuto di monossido di carbonio e ossigeno del flusso di gas effluente devono essere monitorati per mantenere condizioni di combustione ottimali.
L'ossidazione catalitica è più adatta a sistemi con volumi di gas di scarico inferiori, quando vi è poca variazione nel tipo e nella concentrazione di VOC e dove non sono presenti veleni catalizzatori o altri contaminanti.
La temperatura del letto del catalizzatore, la caduta di pressione attraverso il letto del catalizzatore, la temperatura di combustione e il contenuto di monossido di carbonio e ossigeno del flusso di gas effluente devono essere monitorati per mantenere condizioni di combustione ottimali.
L'ossidazione catalitica è più adatta a sistemi con volumi di gas di scarico inferiori, quando vi è poca variazione nel tipo e nella concentrazione di VOC e dove non sono presenti veleni catalizzatori o altri contaminanti.
applicabilità
L'ossidazione catalitica viene utilizzata principalmente per la rimozione dei VOC dall'evaporazione del solvente. Esempi di implementazione sono:
Tabella 1 mostra i limiti applicativi e le restrizioni associate all'ossidazione catalitica (adattato da EIPPCB, 2016, Tabella 3.209).
Tabella 1. Limiti applicativi e restrizioni associati all'ossidazione catalitica.
- Stazioni di rifornimento alla rinfusa;
- Produzione di prodotti chimici organici;
- Produzione di gomma e polimeri;
- Produzione di resina;
- Applicazione ed essiccazione di rivestimenti carichi di solventi.
Tabella 1 mostra i limiti applicativi e le restrizioni associate all'ossidazione catalitica (adattato da EIPPCB, 2016, Tabella 3.209).
Tabella 1. Limiti applicativi e restrizioni associati all'ossidazione catalitica.
| Problema | Limiti/Restrizioni |
|---|---|
| Flusso di gas (Nm3/ H) | 1200-90000 (ossidante diritto e rigenerativo) 90-90000 (ossidante termico recuperativo) |
| Temperatura (° C) | 300-500 prima del catalizzatore 500-700 dopo il catalizzatore |
| Pressione (MPa) | atmosferico |
| Caduta di pressione (mbar) | 10 - 50 |
| Contenuto di particolato (Nm3/ H) | <3 |
| Tempo(i) di residenza | 0.3 - 0.5 (dipende dal volume del letto catalitico) |
