КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР-ПРИЕМНИК И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно, к устройствам и способам проведения процессов конверсии химических реагентов, позволяющим преобразовывать с высокой эффективностью энергию солнечного излучения в химическую энергию продуктов реакции. Такая конструкция каталитического реактора приемника и способа осуществления термохимических превращений может быть использована для реализации за счет энергии солнечного излучения многих эндотермических каталитических реакций, конверсии углеводородов для получения водорода и синтез газа, для аккумулирования и передачи энергии, разложения вредных и токсичных химических соединений.

Известны конструкции реакторов-приемников [1, 2] солнечной энергии рассматриваемые в качестве аналогов. К основным недостаткам таких конструкций можно отнести следующие. Кварцевые стенки или окна, предназначенные для ввода солнечного потока, выполнены в виде пластины или цилиндра большого диаметра, что усложняет технологию их изготовления, не позволяет проводить процесс конверсии при повышенных давлениях, приводит к необходимости герметизировать соединение кварц-металл по большому периметру.

К недостаткам способа осуществления процессов термохимического преобразования солнечной энергии в таких конструкциях следует отнести первоначальный ввод исходных химических реагентов в пространство между прозрачной стенкой и каталитическим абсорбером и такую организацию движения реагентов, при которой, во-первых, с увеличением степени превращения реагента снижается тепловой поток на единицу поверхности катализатора, во-вторых, с увеличением объема продуктов реакции уменьшается время их контакта с катализатором.

Известна конструкция каталитического гелиореактора, принятая за прототип [3] Устройство представляет из себя приемник солнечной энергии цилиндрической формы, спереди закрытый прозрачным кварцевым окном. Внутри полости реактора размещается каталитический абсорбер, выполненный из нескольких слоев с регулярной сотовой структурой ячеек разделенных меду собой зазором.

Каталитический гелиореактор работает следующим образом. Реакционный газовый поток проходит через противоточный теплообменник, где частично нагревается за счет тепла выходящих газов, поступает в коллектор и выходит в пространство между прозрачным окном и первым слоем каталитического абсорбера.

Сконцентрированный солнечный поток проходит через прозрачное окно и нагревает слои каталитического абсорбера. Реакционная газовая смесь проходит через слои каталитического абсорбера, на поверхности которого и происходят химические превращения.

К недостаткам прототипа можно отнести следующие:
1. Для изоляции полости реактора требуется прозрачное окно большого диаметра плоской, слабо выгнутой (выпуклой) формы. Это снижает уровень давления, при котором возможно проводить процессы в термохимическом реакторе, значительно усложняет технологию изготовления таких стекол (материал стекол как правило кварц или ситалл);
2. исходные реагенты обогащенные углеводородами, вначале поступают в пространство между прозрачной стенкой и первым абсорбером. При контакте таких углеводородных смесей с прозрачным материалом на его поверхности может происходить пиролиз углеводородов с образованием углерода и его последующим отложением на поверхности прозрачного окна. Это приводит к сильному разогреву таких углеродных пятен на поверхности прозрачного материала и его разрушению;
3. Реакция конверсии и разложения химических реагентов происходят в основном с увеличением объема реакционной смеси, следовательно, в реакторе, содержащем плоские цилиндрические каталитические абсорберы, в процессе реакции будет увеличиваться линейная скорость реактантов и, следовательно, снижаться удельное время контакта. В этом случае с целью достижения требуемой степени превращения необходимо увеличивать габариты каталитических абсорберов, обеспечивая при этом подвод тепла на них в том же количестве;
4. Движение реакционной смеси, по мере конверсии, несмотря на частичное непосредственное нагревание абсорберов лучистым потоком, происходит при снижении теплового потока, подводимого к ним.

Изобретение решает задачу высокоэффективного преобразования и аккумулирования сконцентрированной солнечной энергии в продукты термохимической каталитической реакции, увеличивает надежность эксплуатации и ресурс работы устройства, позволяет проводить процессы высокотемпературной конверсии химических реагентов при повышенных давлениях.

Каталитический реактор-приемник (рис. 1) состоит из каталитического пористого абсорбера в виде стакана цилиндрической или конической формы 1, прозрачного стакана-стенки 2 с размерами, близкими размерам активированного катализатором абсорбера, находящегося внутри герметически закрывающего каталитический абсорбер, канала 3 для радиального ввода реакционной смеси в центральную часть через активированный катализатором пористый абсорбер, выходного патрубка 4 для выхода продуктов реакции, отражателя солнечных лучей 5, выполненного в виде конуса, основания 6 для крепления прозрачного стакана и каталитического абсорбера; каталитический реактор-приемник приведен на рис. 2.

Каталитический реактор-приемник работает следующим образом.

Газовый поток (химический реагент) подается во входной патрубок и поступает в канал, находящийся в центре каталитического абсорбера, который нагревается солнечным потоком через прозрачную стенку стакана. Далее, газ выходит в радиальном направлении через каталитический абсорбер по всей его длине из области низких температур в область высоких температур поверхности и реагирует на каталитической поверхности абсорбера. Продукты реакции выходят в пространство между абсорбером и прозрачной стенкой и далее через выходной патрубок выходят наружу.

Как видно из описания, каталитический реактор и способ осуществления термохимических превращений солнечной энергии позволяют высокоэффективно преобразовать и аккумулировать сконцентрированную солнечную энергию в продукты термохимической каталитической реакции, увеличить надежность эксплуатации и ресурс работы, проводить процессы высокотемпературной конверсии при повышенных давлениях.

Использование: в области энергетики, в частности в устройствах и способах, позволяющих преобразовывать энергию солнечного излучения в химическую энергию с высокой эффективностью. Каталитический реактор - приемник, состоит из каталитического абсорбера цилиндрической или конической форм, прозрачного стакана, герметически закрывающего каталитический абсорбер, канала для ввода реакционной смеси в центральную часть абсорбера, выходного патрубка для выхода продуктов реакции, отражателя солнечных лучей, выполненного в виде конуса. Способ осуществления термохимических превращений солнечной энергии в каталитическом реакторе-приемнике заключается в движении реакционной смеси вдоль каталитического абсорбера из области низких температур в область высоких температур поверхности абсорбера, радиальном вводе исходной реакционной смеси через каталитический абсорбер, что обеспечивает нахождение в пространстве между прозрачной стенкой и каталитическим абсорбером продуктов реакции. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Каталитический реактор-приемник световой энергии, содержащий проницаемый для газа и активированный катализатором абсорбер этой энергии, нагреваемый сконцентрированным световым потоком через прозрачную стенку, отличающийся тем, что его активированный катализатором абсорбер выполнен в виде цилиндрического или конического стакана с каналом в центре для ввода превращаемого химического реагента. 2. Реактор-приемник по п. 1, отличающийся тем, что прозрачная стенка реактора выполнена в виде стакана с размерами, близкими размерам активированного катализатором абсорбера, находящегося внутри. 3. Способ осуществления термохимических превращений световой энергии в каталитическом реакторе-приемнике этой энергии, включающий подачу превращаемого химического реагента через активированный катализатором пористый абсорбер этой энергии, нагреваемый непосредственно сконцентрированным световым потоком, отличающийся тем, что движение реакционной смеси в радиальном направлении каталитического абсорбера осуществляют из области низких температур в область высоких температур поверхности абсорбера. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что осуществляют радиальный ввод исходной реакционной смеси через активированный катализатором пористый абсорбер. 5. Способ по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что в пространстве между прозрачной стенкой и активированным катализатором абсорбером находятся продукты реакции.