КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ГЕЛИОРЕАКТОР Российский патент 1995 года по МПК F24J1/00 F24J2/42 

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам позволяющим преобразовывать энергию солнечного излучения в энергию химического топлива и, может быть использовано, как для создания солнечных станций, работающих на замкнутых термохимических циклах, так и для осуществления высокотемпературных процессов с применением простых концентраторов солнечной энергии. Предлагаемая конструкция гелиоприемника может быть использована для проведения процессов, связанных с запасанием и транспортировкой энергии и солнечной энергии.

Основная цель, возникающая при создании таких конструкций, является достижение с наибольшей эффективностью преобразования потоков сконцентрированной солнечной энергии в энергию продуктов химической реакции или достижения требуемого выхода целевого продукта.

Из анализа конструкций каталитических реакторов-приемников сконцентрированной солнечной энергии с неподвижным слоем катализатора следует, что основное сопротивление теплопередачи сосредоточено на границе стенка-катализатор. В таких реакторах-приемниках температура стенки превышает температуру слоя катализатора на 100-200^оС. Для большинства термохимических процессов температура проведения составляет от 500 до 900^оС, следовательно, температура стенки при этом должна достигать 700-1100^оС. Тогда, если участь, что уровень непроизводительных потерь переизлучением и конвекцией из полости приемника определяется температурой стенок полости, то ее снижение приблизительно до температуры слоя катализатора приведет к значительному снижению потерь и, следовательно, повышению эффективности термохимического преобразования.

Выполнение стенок реактора-приемника или его части из пpозрачного для солнечного излучения материала (кварц, прозрачная окись алюминия) позволит значительно снизить сопротивление теплопередачи энергии солнечного потока через стенку к катализатору и осуществить нагрев его частиц непосредственно лучистым потоком.

Известна конструкция гелиоприемника объемного типа для термохимического преобразования солнечной энергии в реакции углекислотной конверсии метана, принятая нами за прототип. Устройство представляет из себя приемник цилиндрической формы, спереди закрытый прозрачным кварцевым окном. Внутри полости реактора устанавливается абсорбер - каталитический диск, выполненный из набора пористых пластин окиси алюминия с нанесенным Rh в количестве 0,2%. Пластины абсорбера тесно прилегают друг к другу.

Гелиоприемник работает следующим образом. Смесь метана с углекислым газом через входной патрубок поступает в пространство между прозрачным окном и абсорбером, и далее, проходя абсорбер, претерпевает химические превращения. Первая пластина абсорбера непосредственно нагревается лучистым потоком солнечной энергии, прошедшим через прозрачное кварцевое стекло.

К недостаткам прототипа можно отнести следующие:
1. Использование пеноструктурных материалов с нерегулярными размерами пор (ячеек) в качестве носителей каталитических поверхностей в гелиоприемниках объемного типа приводит к тому, что такой слой не обеспечивает равномерное сопротивление газовому потоку в продольном направлении по всему сечению пластины, а следовательно, приводит к различным линейным скоростям потока, временам контакта реакционной смеси с поверхностью катализатора и степеням превращения. В результате возникает неравномерный теплосъем с поверхности катализатора и, как следствие, возникают локальные перегревы поверхности каталитической пластины, приводящие к ее разрушению, неустойчивости режимов работы реактора, падению каталитической активности и т.д.

2. Лучистым потоком непосредственно нагревается лишь тонкий лобовой слой поверхности первого слоя абсорбера, а нагрев остальной части его объема осуществляется уже за счет теплопроводности, так как в случае абсорбера с нерегулярной тонкой структурой пор лучистый поток не проникает вглубь слоя, а во-вторых, за счет многократных переотражений теряет свою энергию в тонком слое абсорбера.

3. Равная каталитическая активность всех слоев абсорбера не обеспечивает требуемых условий оптимального осуществления процессов преобразования солнечной энергии. Действительно, первый слой абсорбера, принимающий на себя всю энергию солнечного потока, испытывает наибольшие тепловые и гидродинамические нагрузки. Кроме того, на него подается свежая реакционная смесь. Следовательно, эта часть объема абсорбера не должна иметь тот же уровень каталитической активности, что и объем катализатора на выходе абсорбера. И связано это с тем, что высокую каталитическую активность, которая необходима для слоя абсорбера на его выходе, создаваемую или развитой поверхностью носителя, или (и) малым размером частиц активного компонента на его поверхности, не удастся сохранить в условиях работы первого слоя. Поверхность носителя будет уменьшаться, мелкие частицы активного компонента будут коагулировать или сублимировать с поверхности.

4. Непосредственное сопротивление пластин абсорбера между собой. Это приводит к тому, что любые деформации одной из них, возникающие вследствие, например, неравномерного нагрева или съема тепла, будут действовать на соседние и приводить к разрушению последних.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков прототипа для создания устройства, обеспечивающего надежную работу и высокую эффективность преобразования солнечной энергии в химическую за счет:
- использования каталитических поверхностей с регулярной (сотовой) структурой пор;
- рационального расположения элементов (слоев) абсорбера.

1. Поставленная цель достигается, во-первых, в результате изготовления абсорбера с организованной, регулярной структурой ячеек. Сам абсорбер состоит из нескольких слоев, однако структура ячеек и их размер может меняться от слоя к слою. Такая организация структуры слоев абсорбера приводит к следующим преимуществам:
- позволяет лучистому потоку проникать через первый слой абсорбера на следующий вплоть до последнего, осуществляя их непосредственный нагрев;
- выравнивать перепад давления и равномерно распределять концентрации реагентов по всем слоям абсорбера;
- позволит целенаправленно изменять времена контакта реактантов с каталитическими слоями для достижения необходимой степени превращения реагентов.

2. Слои абсорбера устанавливаются с зазором между собой, что дает, во-первых, дополнительный объем в котором происходит выравнивание градиентов давления и концентрации за слоем в его радиальном направлении и, во-вторых, отсутствие механического воздействия соседних слоев друг на друга.

Количество слоев, так же как и расстояния между ними, могут быть различными и, в конечном счете, определяются типом проводимой реакции, производительностью катализатора, гидродинамическим сопротивлением слоев, условиями эксплуатации и т.д.

3. По уровню каталитической активности отдельные слои различаются. Поскольку первый лобовой слой работает (находится) в наиболее жестких условиях (высокая плотность потока, высокие температуры, свежая реакционная смесь), то уровень активности этого слоя должен быть меньше, чем второго слоя. Каталитическая активность слоев абсорбера должна возрастать от слоя к слою по мере прохождения реактора.

4. С целью достижения равномерного теплосъема со всей поверхности слоя абсорбера реактора-приемника необходимо также регулирование размера ячеек и по радиусу.

Описание устройства в статике.

Гелиоприемник объемного типа, фиг.1, представляющий собой соединение каталитического реактора и приемника лучистой энергии, состоит из корпуса 1, прозрачного окна 2, через которое сконцентрированный солнечный поток проходит и нагревает каталитический абсорбер 3, который состоит из трех слоев 3(1), 3(2), 3(3) (фиг.2), патрубка 4 для входа в реактор исходной реакционной смеси, смесителя-теплообменника или испарителя 5, коллектора 6, выходного патрубка 7 для выхода продуктов реакции.

Описание работы устройства.

Гелиоприемник объемного типа работает следующим образом. Реакционный газовый поток, например, смесь метана и углекислого газа (СН₄ + СО₂) или газокапельный поток, в случае проведения реакции паровой конверсии метана, подается во входной патрубок 4. Далее, проходя через теплообменник 5, в котором тепло выходящих газов отдается входящим, поступает в коллектор 6, через который и поступает в пространство между прозрачным окном 2 и первым слоем каталитического абсорбера 3(1). Здесь происходит распределение и выравнивание концентрации исходного реагента. Затем исходные реагенты поступают на вход первого слоя абсорбера 3(1), где в результате эндотермической каталитической реакции превращаются в продукты реакции, например, водород и окись углерода (Н₂ + СО).

Солнечный поток, сконцентрированный зеркальным концентратором, проходит через прозрачное окно 2 и нагревает все три слоя каталитического абсорбера в реакторе-приемнике (см. фиг. 2). Это достигается в результате того, что первые слои абсорбера имеют крупные ячейки регулярной сотовой структуры, через которые солнечный поток проходит на последующий слой абсорбера, абсорбируется и непосредственно нагревает его. В результате уменьшения размера ячеек (при той же толщине стенок) от слоя к слою доля лучистого потока, поступающая на следующий слой абсорбера, уменьшается, но увеличивается геометрическая поверхность последующего слоя. В результате, на выходе последнего слоя абсорбера 3(3) достигается полное поглощение и преобразование всего лучистого потока.

Свежая реакционная газовая смесь поступает на первый слой абсорбера 3(1), где на его каталитической поверхности начинают осуществляться химические превращения. По мере прохождения реакционной смеси вдоль поверхности каталитического слоя абсорбера, вследствие снижения концентрации исходного реагента в газовом потоке (см. фиг.3) и увеличения его линейной скорости в результате увеличения объема газовой смеси (почти все эндотермические реакции протекают с увеличением числа молей, например, СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂), снижается и результирующая скорость химического превращения. Действительно, пусть скорость химической реакции описывается выражением
W = S_уд ˙К˙ C_исходⁿ,
где S_уд - удельная поверхность катализатора,
К - константа скорости реакции,
С_исход - концентрация исходного реагента.

Для того чтобы осуществить полное превращение исходного реагента в заданном объеме реактора по мере уменьшения концентрации С_исход, необходимо, с одной стороны, увеличивать от слоя к слою поверхность каталитического абсорбера, следовательно S_уд, с другой - каталитическую активность слоев абсорбера К. Первое достигается в результате уменьшения размера ячеек слоя абсорбера (при постоянной толщине стенок), второе - увеличения количества активного компонента на поверхности абсорбера, уменьшения его дисперсности, выбора природы катализатора или носителя и т.д.

Уменьшение размера ячеек сот от слоя к слою каталитического абсорбера позволяет сохранить постоянным время контакта реакционной смеси с поверхностью катализатора по всему слою абсорбера в каталитическом реакторе-приемнике солнечного излучения.

В результате имеющего место в практике неравномерного нагрева всей поверхности абсорбера сконцентрированным солнечным потоком и вследствие различия в каталитических свойствах от ячейки к ячейке в пределах одного слоя абсорбера на его выходе может достигаться неравномерное превращение реагента. При плотном соединении слоев абсорбера неравномерность газового потока в одном из слоев будет передаваться в последующий, усиливаясь от слоя к слою. В наше случае газовый зазор между слоями абсорбера, через который проходит реагирующий газ, позволяет выравнивать имеющие место градиенты концентрации в радиальном направлении и тем самым обеспечить равномерные условия теплосъема с поверхности последующего слоя абсорбера.

В результате нагрева каждого слоя каталитического абсорбера до температур, часто превышающих 1000^оС, происходит их деформация, т.е. первоначально плоский слой приобретает выпуклость (вогнутость). При непосредственном контакте слоев между собой, особенно различных по своим физическим свойствам, происходит их механическое взаимодействие, приводящее к их взаимному разрушению. Наличие зазора между слоями исключает такое взаимодействие.

Использование: в процессах преобразования концентрированной солнечной энергию химического топлива. Сущность изобретения: каталитический гелиореактор для термохимического преобразования солнечной энергии выполнен в виде цилиндрической полости, внутри которой установлен каталитический абсорбер, состоящий из нескольких слоев с организованной структурой ячеек. Каждый отдельный слой имеет различный уровень каталитической активности и устанавливается с небольшим зазором между рядом стоящими слоями. Изобретение может быть использовано для проведения любых эндотермических реакций с целью аккумилирования энергии, получения электроэнергии в замкнутых химических циклах, создания наземных или космических автономных солнечных энергоустановок, получения синтез-газа с дальнейшим преобразованием его в различные углеводороды. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ГЕЛИОРЕАКТОР, содержащий корпус, закрытый кварцевым стеклом со стороны падающего сконцентрированного солнечного излучения, и расположенный в корпусе проницаемый для газообразных реагентов многослойный абсорбер, отличающийся тем, что слои абсорбера выполнены в виде сотовых ячеек, размер которых уменьшается от первого по ходу движения реагентов слоя к последнему, а каталитическая активность увеличивается в том же направлении. 2. Гелиореактор по п.1, отличающийся тем, что слои абсорбера расположены с зазором относительно друг друга.