АППАРАТ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01J8/04 B01D53/74 

Аппарат каталитического окисления предлагается использовать в химической технологии как средство очистки газа от вредных примесей в герметично замкнутых помещениях. Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано в эколого-технических системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов, подводных лодок и герметичных помещений (типа бомбоубежищ и т.д.) для очистки атмосферы гермообъектов от выделяемых людьми и внутренним оборудованием вредных микропримесей. Изобретение может быть также использовано для очистки выхлопных, отходящих газов промышленных предприятий, а также для очистки вентиляционных газов, насыщенных органическими веществами.

Известен каталитический аппарат (реактор), содержащий теплообменники, катализатор и нагреватели, установленные в одном корпусе (авт. св. SU 1832533). Каталитический аппарат содержит два каталитических блока, каждый из которых имеет регенеративный теплообменник и слой катализатора, установленные в одном корпусе, камеру, соединяющую реактор с расположенными в ней между слоями катализатора нагревательными элементами, подводящие воздуховоды, клапаны изменения направления потока газов. Каталитические блоки снабжены в нижней части клапанами, соединяющими их с атмосферой, в корпусе установлены с зазором относительно друг друга и образуют с корпусом вертикальный канал, соединяющий камеру с клапаном изменения направления потока газов, нагревательные элементы помещены в пластинчатые теплообменники, а регенеративные теплообменники разделены на секции, установленные с зазором между ними. В средней части канала вертикальными перегородками и днищем образован канал ввода топлива, в котором на высоте слоя катализатора установлен пластинчатый теплообменник. Клапан изменения направления потока газов содержит торцевую полость, сообщающуюся со средним карманом поворотного переключателя и вертикальным каналом аппарата.

К основным недостаткам аналога относятся невысокий КПД процесса из-за больших потерь тепла, недостаточная очистка газа и опасность эксплуатации аппарата, особенно в гермопомещениях, из-за наличия впрыскивания топлива для разогрева регенеративного теплообменника, а также сложность конструкции.

Наиболее близким из аналогов - прототипом является аппарат каталитического окисления, содержащий каталитический пакет, включающий размещенные в едином корпусе катализатор и электронагреватель, теплообменник-рекуператор, входные и выходные патрубки, причем теплообменник-рекуператор образован навитыми на корпус каналами, его вход соединен с каналом очищаемого газа, а выход - с каналом очищенного гaзa (aвт.cв. SU 1762459).

Аппарат каталитического окисления работает следующим образом. Очищаемый газ через входной патрубок поступает в канал теплообменника-рекуператора и, соприкасаясь со стенками, подогревается до температуры ниже начала процесса. Выходя из канала теплообменника-рекуператора, газ попадает в электронагреватель, где нагревается до температуры начала процесса каталитического дожигания. Далее газ проходит через слой катализатора, где происходит дожигание органических примесей с выделением тепла, которое отводится отходящим газом. После катализатора газ снова попадает в канал теплообменника-рекуператора и отдает тепло нагреваемым газам.

Недостатками данного устройства являются:
невысокий КПД процесса, связанный с тем, что горячий поток очищенного газа контактирует с наружной стенкой теплообменника, существенно повышая ее температуру, опасность эксплуатации из-за высокой температуры наружной поверхности.

Задачей изобретения является повышение КПД аппарата каталитического окисления, путем уменьшения теплопотерь, обеспечение безопасности эксплуатации и снижение температуры наружной поверхности аппарата, отличающейся от окружающей не более чем на 5-15^oС.

Поставленная задача решается тем, что в аппарате каталитического окисления, содержащем каталитический пакет, включающий размещенные в едином корпусе катализатор и электронагреватель, теплообменник-рекуператор, входные и выходные патрубки, причем теплообменник-рекуператор образован навитыми на корпус каналами, его вход соединен с каналом очищаемого газа, а выход - с каналом очищенного газа, в отличие от известного аналога каналы теплообменника-рекуператора выполнены в виде навитых на корпус пластин и торцевых теплоизолирующих крышек, при этом один конец каждой пластины закреплен на цилиндре по его образующей, канал очищаемого газа образован наружной и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками, а канал очищенного газа образован внутренней и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками, причем на наружную поверхность канала очищаемого газа нанесен слой теплоизоляции, каталитический пакет разделяет внутреннюю полость корпуса теплообменника-рекуператора на две камеры, канал очищаемого газа сообщается с входом каталитического пакета через отверстие в корпусе и первую камеру, а канал очищенного газа сообщается с выходом каталитического пакета через отверстие в корпусе и вторую камеру.

При данном конструктивном исполнении увеличивается площадь поверхности теплообмена и наружная поверхность теплообменника-рекуператора, контактирующая с окружающей средой, имеет низкую температуру, так как температура очищаемого и очищенного газа снижается к периферии теплообменника-рекуператора. Это позволяет достичь очень низкой разницы температур между потоками очищенного и очищаемого газа (5-15^oС) и снизить до минимума потери тепла в окружающую среду, а, следовательно повысить КПД.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 дан продольный разрез аппарата каталитического окисления, на фиг.2 дан поперечный разрез аппарата каталитического окисления.

Аппарат каталитического окисления состоит из каталитического пакета 1, размещенного внутри теплообменника-рекуператора 2. Каталитический пакет 1 образован электронагревателем 3 и катализатором 4, ограниченным механическими фильтрами 5, 6 и единым корпусом 7 каталитического пакета 1.

Теплообменник-рекуператор 2 представляет собой корпус 8 с входным отверстием 9 и выходным отверстием 10. На корпус 8 навита группа из трех пластин, которая в совокупности с торцевыми теплоизолирующими крышками 11 образует канал очищаемого газа 12 и канал очищенного газа 13. Для обеспечения процесса рекуперации на наружную поверхность канала очищаемого газа нанесен слой теплоизоляции 14. Конец каждой пластины закреплен на корпусе 8 по его образующей. Входной патрубок 15 теплообменника-рекуператора 2 соединен с каналом очищаемого газа 12, образованного наружной и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками 11. Выходной патрубок 16 из теплообменника-рекуператора 2 соединен с каналом очищенного газа 13, образованного внутренней и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками 11. Внутренняя полость корпуса 8 разделена разъемным крепежным соединением 17 каталитического пакета 1 на две камеры. Одна камера 18 на входе в каталитический пакет 1 через отверстие 9 в корпусе 8 и отверстия 19 в корпусе 7 каталитического пакета 1 сообщена с каналом очищаемого газа 12, а вторая камера 20 на выходе из каталитического пакета 1 соединена с каналом очищенного газа 13 через отверстие 10 в корпусе 8 рекуператора-теплообменника 2. На выходе каталитического пакета 1 установлен механический фильтр 6, отделяющий катализатор 4 от второй камеры 20. В центре теплоизолирующей крышки 11 со стороны электронагревателя 3 имеется люк 21, через который вставляется внутрь каталитический пакет 1.

Аппарат каталитического окисления работает следующим образом. Очищаемый газ, содержащий примеси летучих органических веществ, поступает в теплообменник-рекуператор 2 через входной патрубок 15 в канал очищаемого газа 12 и, двигаясь по спирали, нагревается от тепла выходящих очищенных газов, движущихся ему навстречу также по спирали по каналу очищенного газа 13. Пройдя несколько витков, очищаемый газ через входное отверстие 9 попадает в первую камеру 18 внутри корпуса 8, проходит через отверстия 19 в корпусе 7 каталитического пакета 1 в зону электронагревателя 3, где подогревается до рабочей температуры, а затем поступает в катализатор 4. Пройдя через катализатор 4, в котором происходит окисление вредных примесей, очищенный газ через механический фильтр 6, установленный на выходе из каталитического пакета 1, выходит во вторую камеру 20 корпуса 8 и через выходное отверстие 10 поступает в канал очищенного газа 13, где он охлаждается встречным потоком входящего очищаемого газа, а затем через патрубок 16 выходит из аппарата каталитического окисления.

Благодаря более высокому КПД при одинаковых с прототипом характеристиках можно снизить площадь теплообменных поверхностей. Объединение катализатора и нагревателя в каталитический пакет, фиксируемого в корпусе теплообменника-рекуператора с помощью разъемного соединения, позволяет также снизить массогабаритные характеристики аппарата, упростить и сделать более удобным техническое обслуживание, позволяет в процессе эксплуатации заменять каталитический пакет, в случае выхода из строя катализатора или нагревателя, что делает возможным использование аппарата в течение длительного периода времени.

Изобретение может быть использовано в химической технологии для очистки газа от вредных примесей в герметично замкнутых помещениях и наиболее эффективно в эколого-технических системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов, подводных лодок и герметичных помещений типа бомбоубежищ. Изобретение обеспечивает повышение КПД аппаратов каталитического окисления за счет уменьшения теплопотерь, безопасности эксплуатации и снижение температуры наружной поверхности аппарата, отличающейся от окружающей не более чем на 5-15^oС. Аппарат состоит из теплообменника-рекуператора, входных и выходных патрубков и размещенных в нем катализатора и электронагревателя. Теплообменник выполнен в виде навитых на корпус пластин, образующих каналы теплообменника вместе с торцевыми теплоизолирующими крышками. Вход теплообменника соединен с каналом очищаемого газа, а выход - с каналом очищенного газа. На наружную поверхность канала очищаемого газа нанесен слой теплоизоляции. Катализатор и нагреватель размещены в одном корпусе, образуя каталитический пакет, разделяющий внутреннюю полость корпуса теплообменника на две камеры. Канал очищаемого газа через отверстие в корпусе и первую камеру сообщен с входными отверстиями каталитического пакета, а канал очищенного газа через отверстие в корпусе и вторую камеру - с выходом каталитического пакета. Изобретение может быть использовано также для очистки выхлопных, отходящих газов промышленных предприятий и очистки вентиляционных газов насыщенных органическими веществами. 2 ил.

Аппарат каталитического окисления, содержащий каталитический пакет, включающий размещенные в едином корпусе катализатор и электронагреватель, теплообменник-рекуператор, входные и выходные патрубки, причем теплообменник-рекуператор образован навитыми на корпус каналами, его вход соединен с каналом очищаемого газа, а выход - с каналом очищенного газа, отличающийся тем, что каналы теплообменника выполнены в виде навитых на корпус пластин и торцевых теплоизолирующих крышек, при этом один конец каждой пластины закреплен на цилиндре по его образующей, канал очищаемого газа образован наружной и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками, а канал очищенного газа образован внутренней и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками, причем на наружную поверхность канала очищаемого газа нанесен слой теплоизоляции, каталитический пакет разделяет внутреннюю полость корпуса теплообменника-рекуператора на две камеры, канал очищаемого газа сообщается с входом каталитического пакета через отверстие в корпусе и первую камеру, а канал очищенного газа сообщается с выходом каталитического пакета через отверстие в корпусе и вторую камеру.