РЕАКТОР ОЧИСТКИ СБРОСНЫХ ГАЗОВ Российский патент 1995 года по МПК F23G7/06 

Изобретение относится к технике термокаталитической очистки сбросных газов от токсичных примесей и может быть использовано в промышленной экологии при детоксикации вентиляционных выбросов и в пищевой промышленности при сушке пищевых продуктов топочными газами.

Известен реактор очистки сбросных газов, содержащий цилиндрическую камеру с каталитически активным элементом, расположенным пленкой по внутренней поверхности камеры, и расположенный по оси камеры источник инфракрасного излучения.

Недостатками этого устройства являются невозможность окисления пылевидных токсичных веществ, неразвитая поверхность каталитически активного элемента и за счет экзотермического эффекта реакции окисления токсичных веществ из-за их неравномерной активации при неравномерной освещенности, что приводит к образованию зон локального перегрева и выходу из строя катализатора.

Предлагаемый реактор очистки сбросных газов, содержащий цилиндрическую камеру с каталитически активным элементом и источник инфракрасного излучения, снабжен расположенным по оси камеры источником ультрафиолетового излучения, а каталитически активный элемент выполнен геликоидальным с увеличивающейся к периферии толщиной витка, по меньшей мере одна из сторон профиля которого выполнена по линии, удовлетворяющей уравнению в эллиптических координатах с центром координат на оси камеры
y(1-x²)y-x² + _ y +
+ (y²-1)y²-x² + 4a 0 где х и у координаты,
а задаваемая константа, определяющая условия работы катализатора, м², изготовлен из токопроводного материала, соединен с источником тока и служит источником инфракрасного излучения.

Такая конструкция реактора позволяет окислять пылевидные токсичные вещества за счет наличия источника ультрафиолетового излучения, развить поверхность каталитически активного элемента и обеспечить однородный нагрев каталитически активного элемента за счет равномерного энерговвода от источника тока, равномерной освещенности его поверхности источником ультрафиолетового излучения и равномерного по поверхности экзотермического эффекта реакции окисления токсичных веществ за счет одинаковой вероятности их активации инфракрасным и ультрафиолетовым излучением и одинаковой вероятности окисления с одинаковой скоростью в любой точке поверхности каталитически активного элемента благодаря его форме.

В предпочтительном варианте источник инфракрасного излучения примыкает ко внутренней поверхности камеры.

Это снижает материалоемкость устройства за счет исключения мертвых зон.

В другом предпочтительном варианте витки источника инфракрасного излучения выполнены примыкающими к источнику ультрафиолетового излучения.

Это позволяет исключить образование осевого потока газа, в котором токсичные вещества не вступают в контакт с катализатором, что повышает качество газоочистки.

Поверхность дальнего от оси камеры края витка целесообразно выполнять с наклоном к ней не более, чем на 85^о.

Изменение этого угла за пределы указанного интервала приводит к резкому падению КПД использования ультрафио- летового излучения из-за падения освещенности каталитически активного элемента.

Угол наклона поверхности витка на ближнем к оси камеры крае целесообразно выбирать в интервале 5-85^о.

Изменение этого угла в меньшую сторону аналогично сказанному выше приводит к снижению КПД использования ультрафиолетового излучения и увеличению диаметра камеры, а увеличение выше максимального значения приводит к резкому возрастанию гидравлического сопротивления камеры и увеличению энергоемкости процесса.

Для упрощения технологии изготовления каталитически активного элемента возможно выполнение увеличения толщины витка в одном направлении.

Возможно выполнение витка симметричным относительно средней линии, перпендикулярной оси камеры.

Это выравнивает условия окисления токсичных компонентов на освещенных поверхностях витка.

В другом предпочтительном варианте шаг геликоида равен максимальной толщине витка.

Это минимизирует материалоемкость устройства, увеличивая удельную поверхность катализатора на единицу длины камеры, и повышает КПД использования ультрафиолетового излучения.

Возможно снабжение реактора по меньшей мере одним дополнительным каталитически активным элементом, выполненным с противоположным направлением навивки геликоида и установленным за предыдущим последовательно и соосно.

Это позволяет турбулизировать газовый поток, интенсифицировав в нем массообмен и увеличив качество очистки.

Возможен монтаж каталитически активного элемента в съемной кассете. Это снижает материалоемкость ремонтных работ при отравлении катализатора.

Возможно выполнение каталитически активных элементов сетчатыми, перфорированными или пористыми.

Это увеличивает удельную поверхность катализатора и повышает качество очистки газового потока за счет его турбулизации при возможности прохода потока по каналу геликоида или сквозь него.

Возможно выполнение геликоида с уменьшающимся по направлению к выходу из камеры шагом. Это позволяет повысить эффективность очистки газового потока за счет его турбулизации при увеличении скорости истечения, особенно при выполнении каталитически активных элементов сетчатыми, перфорированными или пористыми.

Возможно также снабжение реактора по меньшей мере одной съемной плоской катализаторной кассетой, выполненной сетчатой, перфорированной или пористой, установленной за геликоидальными каталитически активными элементами и полностью перекрывающей сечение камеры. Это позволяет полностью исключить проскок струй газа, не обработанных на катализаторе, что повысит качество очистки.

Желательна установка плоских катализаторных кассет под углом 5-85^ок оси камеры, что позволяет достичь максимальной турбулизации газового потока на плоских катализаторных кассетах без значительного увеличения длины камеры и повысить качество очистки газового потока.

Возможно выполнение плоской катализаторной кассеты из каталитически активной массы с токопроводным наполнителем, соединенной с источником тока и служащей источником инфракрасного излучения.

Это повышает эффективность газоочистки.

Еще одним предпочтительным вариантом предусмотрено снабжение реактора источником ультразвука, соединенным по меньшей мере с одним каталитически активным элементом. Это увеличивает срок работы катализатора за счет окисления адсорбированных токсичных веществ в массе катализатора.

Последним вариантом выполнения предусмотрено снабжение реактора источниками ультрафиолетового излучения, объединенными в съемные кассеты, установленные до (и) или после плоской катализаторной кассеты, желательно параллельно ей. Это повышает качество газоочистки.

На фиг.1 изображен реактор, продольный разрез; на фиг.2 фрагмент геликоидального каталитически активного элемента с толщиной витка, увеличивающейся в одном направлении; на фиг.3 то же, с симметричным витком; на фиг.4 реактор с тремя геликоидальными каталитически активными элементами с противоположным направлением навивки, продольный разрез; на фиг.5 то же, с пористыми геликоидальными каталитически активными элементами, дополнительными плоскими катализаторными кассетами, выполненными сетчатыми, и дополнительными источниками ультрафиолетового излучения.

Реактор очистки сбросных газов содержит цилиндрическую камеру 1 с геликоидальным каталитически активным элементом 2, одна (фиг.2) или две (фиг.3) стороны профиля которого выполнены по линии, удовлетворяющей приведенному уравнению, изготовленным из токопроводного материала, соединенным с источником 3 тока и служащим источниками инфракрасного излучения, и расположенный по оси камеры 1 источник 4 ультрафиолетового излучения.

При выполнении реактора с несколькими геликоидальными каталитически активными элементами 2 (фиг.4, 5) направление навивки смежных элементов 2 выполняют противоположным.

Витки элементов 2 выполнены (фиг.2, 3) примыкающими ко внутренней поверхности камеры 1 и к источнику 4 ультрафиолетового излучения, причем их поверхность на дальнем от оси крае наклонена к оси на угол ϕ₁, не превышающий 85^о, а на ближнем к оси крае на угол ϕ₂, который выбирают из интервала 5-85^о. Шаг Р геликоида равен максимальной толщине S витка.

Каталитически активные элементы 2 установлены (фиг.5) в съемных кассетах 5 и выполнены пористыми с уменьшающимся к выходу из камеры 1 шагом. В реакторе (фиг. 5) установлены съемные сетчатые плоские катализаторные кассеты 6, полностью перекрывающие сечение камеры 1 и наклоненные к ее оси на угол в интервале 5-85^о, выполненные из каталитически активной массы с токопроводным наполнителем и служащие дополнительными источниками инфракрасного излучения, до и после которых параллельно им установлены дополнительные источники 7 ультрафиолетового излучения, объединенные в съемные кассеты 8. Каталитически активные элементы 2 и 6 последовательно соединены с источником 9 ультразвука и источником 3 тока.

Реактор работает следующим образом.

Газовый поток, содержащий токсичные примеси, поступает в камеру 1 и перемещается по ней в винтовом канале каталитически активных элементов 2. Активирующее излучение инфракрасного диапазона спектра, испускаемое элементами 2 при пропускании по ним тока от источника 3, активирует газовую фазу токсичных примесей, окисляющуюся на поверхности элементов 2, а ультрафиолетовое излучение источника 4 аналогичным образом воздействует на пылеобразные токсичные компоненты газового потока. Воздействие излучения источника 4 и экзотермический эффект реакции окисления токсичных примесей не вызывают локального перегрева каталитически активных элементов 2 благодаря их равномерной освещенности источником 4 и равной скорости протекания по их длине окислительных реакций, что достигается выполнением формы их поверхности в соответствии с приведенным уравнением. При расположении в камере 1 нескольких элементов 2 в зоне перехода газового потока с одного элемента 2 на другой изменяется направление закручивания газового потока, возникают активные турбулентные закручивания газового потока, возникают активные турбулентные завихрения, способствующие ускорению массообменных процессов при перемешивании слоев газового потока, что повышает вероятность контакта токсичных примесей с катализатором и качество очистки газового потока. Уменьшение шага геликоидальных элементов 2 по направлению к выходу из камеры 1 при их выполнении сетчатыми, перфорированными или пористыми (фиг.5) приводит к проходу части газового потока сквозь их витки, что увеличивает удельный КПД по высоте каталитически активных элементов 2 и турбулизации газового потока. Прошедший по винтовому каналу геликоидальных элементов 2 газовый поток поступает в зону установки плоских катализаторных кассет 6, полностью перекрывающих сечение камеры 1, что при их наличии полностью исключает возможность проскока отдельных струй газового потока без контакта с катализатором. При аналогичном воздействии на токсичные примеси активирующих излучений плоских катализаторных кассет 6 при пропускании по ним тока от источника 3 и источников 7 ультрафиолетового излучения в кассетах 8 газовый поток доочищается от остаточных количеств токсичных примесей. Установка кассет 6 под углом к оси камеры 1 обеспечивает турбулизацию газового потока, интенсифицирующую в нем массообменные процессы и повышающую качество очистки, которая при угле наклона больше 85^о оказывается незначительной, но возрастает по мере уменьшения этого угла, однако наклон меньше 5^о приводит к необходимости резкого увеличения длины камеры 1, что резко снижает удельный КПД реактора по его длине. Очищенный газовый поток удаляется из камеры 1 и в случае использования реактора в пищевой промышленности для сушки пищевых продуктов топочными газами подается в камеру сушки, а в случае использования в промышленной экологии для очистки вентиляционных выбросов вредных производств сбрасывается в атмосферу.

Для снижения вероятности отравления катализатора сорбируемыми токсичными примесями каталитически активные элементы 2 и 6 обрабатывают ультразвуком источника 9, который активирует сорбированные катализатором токсичные вещества, окисляемые до безвредных непосредственно в массе катализатора.

При выходе из строя отдельных каталитически активных элементов 2 или 6 возможен ремонт реактора сменой соответствующих кассет 5 или 6, позволяющий использовать остальные исправные каталитически активные элементы 2 и 6 без их смены, что снижает материалоемкость ремонтных работ.

Таким образом предлагаемый реактор позволяет с высокой надежностью очищать сбросные газы от токсичных примесей при отсутствии возможности выхода из строя катализатора под действием локального перегрева, снижении вероятности отравления катализатора. Реактор обладает широким спектром действия за счет расширения диапазона активирующего излучения, что позволяет окислять в нем как газообразные так и пылевидные токсичные примеси, сниженной материалоемкостью ремонтных работ и увеличенным удельным КПД по длине реакционной камеры.

Сущность изобретения: реактор содержит цилиндрическую камеру с установленным по оси источником ультрафиолетового излучения и соосный ей геликоидальный каталитически активный элемент с профилем витка, по меньшей мере одна из сторон которого удовлетворяет уравнению, описывающему множество линий, равноосвещенных линейным источником, соединенный с источником тока и служащим источником инфракрасного излучения. Реактор исключает возможность локального перегрева каталитически активного элемента под действием излучения и экзотермического эффекта реакции окисления токсичных примесей и расширенными технологическими возможностями за счет возможности окисления как газовых, так и пылевидных токсичных примесей. 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. РЕАКТОР ОЧИСТКИ СБРОСНЫХ ГАЗОВ, содержащий цилиндрическую камеру с каталитически активным элементом и источник инфракрасного излучения, отличающийся тем, что он снабжен расположенным по оси камеры источником ультрафиолетового излучения, а каталитически активный элемент выполнен геликоидальным с увеличивающейся к периферии толщиной витка, по меньшей мере одна из сторон профиля которого выполнена по линии, удовлетворяющей уравнению в эллиптических координатах с центром координат на оси камеры


где x и y координаты;
a задаваемая константа, определяющая условия работы катализатора,
изготовлен из токопроводного материала, соединен с источником тока и служит источником инфракрасного излучения. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что витки источника инфракрасного излучения выполнены примыкающими к внутренней поверхности камеры. 3. Реактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что витки источника инфракрасного излучения выполнены примыкающими к источнику ультрафиолетового излучения. 4. Реактор по пп.1 3, отличающийся тем, что поверхность дальнего от оси камеры края витка наклонена к ней не более чем на 85^o. 5. Реактор по пп.1 4, отличающийся тем, что угол наклона поверхности витка на ближнем к оси камеры крае равен 5 85^o. 6. Реактор по пп.1 5, отличающийся тем, что толщина витка увеличивается в одном направлении. 7. Реактор по пп.1 5, отличающийся тем, что виток выполнен симметричным относительно средней линии, перпендикулярной оси камеры. 8. Реактор по пп.2 7, отличающийся тем, что шаг геликоида равен максимальной толщине витка. 9. Реактор по пп.1 8, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним дополнительным каталитически активным элементом, выполненным с противоположным направлением навивки геликоида и установленным за предыдущим последовательно и соосно. 10. Реактор по пп.1 9, отличающийся тем, что каталитически активные элементы смонтированы в съемных кассетах. 11. Реактор по пп. 1 10, отличающийся тем, что каталитически активные элементы выполнены сетчатыми, перфорированными или пористыми. 12. Реактор по пп.1 11, отличающийся тем, что геликоид выполнен с уменьшающимся по направлению выхода из камеры шагом. 13. Реактор по пп.1 12, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одной съемной плоской катализаторной кассетой, выполненной сетчатой, перфорированной или пористой, установленной за геликоидальными каталитически активными элементами и полностью перекрывающей сечение камеры. 14. Реактор по п.13, отличающийся тем, что плоская катализаторная кассета установлена под углом 5 85^o к оси камеры. 15. Реактор по пп.13 и 14, отличающийся тем, что плоская катализаторная кассета выполнена из каталитически активной массы с токопроводным наполнителем, соединена с источником тока и служит источником инфракрасного излучения. 16. Реактор по пп.13 15, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными источниками ультрафиолетового излучения, объединенными в съемные кассеты, установленные до и/или после плоской катализаторной кассеты. 17. Реактор по п. 16, отличающийся тем, что кассеты с дополнительными источниками ультрафиолетового излучения расположены параллельно плоской катализаторной кассете. 18. Реактор по пп.1 17, отличающийся тем, что он снабжен источником ультразвука, соединенным по меньшей мере с одним каталитическим элементом.