РЕАКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК B01J35/04 

Изобретение относится к устройствам для осуществления гетерогенно-каталитических реакций, в частности реакций паровой конверсии углеводородов. Оно позволяет утилизировать тепло теплонапряженных элементов конструкции и получать водородосодержащие газы.

Изобретение может быть использовано в конструкциях транспортной и стационарной энергетики, а также в химической и других отраслях промышленности.

Известен каталитический элемент для неподвижного слоя катализатора в каналах гетерогенно-каталитического реактора (авторское свидетельство 1576193, МПК B 01 J 35/02, опубликовано 07.07.90, Бюллетень 25). Каталитический элемент (реакционный элемент) выполнен в виде пространственно деформированной пластины с каталитическим активным слоем на ее поверхности. Пластина деформирована относительно большей из осей симметрии на угол 90-180^o. Отношение ширины пластины к диаметру канала реактора составляет 0,1-0,7. Пластины, изготовленные из листового материала с высокой теплопроводностью, загружены в канал гетерогенно-каталитического реактора и образуют тем самым пористый проницаемый слой. За счет того что пластины изготавливают из материала с высокой теплопроводностью, эффективная теплопроводность слоя достаточно высокая.

Однако отсутствие жесткого контакта пластин со стенкой реактора и между собой не позволяет использовать в полной мере теплопроводность материала пластин. Более того, в процессе эксплуатации реактора из-за загрязнения свободно соприкасающихся поверхностей контакт между ними будет ослабляться и тепловое сопротивление увеличиваться. Дополнительно нарушение контакта будет происходить, если реактор установлен на транспортном средстве, когда возможны тряска и вибрация устройства. Все это неминуемо приведет к уменьшению интенсивности тепломассообмена.

Известен также реакционный элемент аппарата для каталитической конверсии метана из описания к авторскому свидетельству СССР 1780826, МПК B 01 J 8/06, опубликованному 15.12.92, Бюллетень 46.

Реакционный элемент содержит трубу, в которой коаксиально и с зазором относительно внутренней поверхности трубы закреплен катализатор. Реакционный элемент снабжен перфорированной вставкой коаксиально и с зазором, установленной на катализаторе.

Наружная поверхность вставки снабжена каталитически активным покрытием. Покрытие может быть выполнено путем плазменного напыления порошка металлического никеля на поверхность вставки. Каталитически активное покрытие вставки позволяет интенсифицировать суммарный теплоперенос от наружной трубы на вставку и к потоку реагирующей смеси и интенсифицировать процесс термохимического аккумулирования тепловой энергии за счет создания по сечению кольцевого канала оптимальных профилей температурного и концентрационного полей.

В данном аналоге тепло к поверхности катализатора и к каталитической поверхности перфорированной вставки для проведения химической реакции подается только за счет конвекции от нагреваемой стенки. Интенсивность теплоотдачи по сравнению с заявленным реакционным элементом низкая.

Из всех известных аналогов наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту при его использовании является реакционный элемент, известный из описания к авторскому свидетельству 1710117, МПК B 01 J 8/02, опубликованному 07.02.92 г.. Бюллетень 5. Этот реакционный элемент принимается за прототип.

Известный реакционный элемент гетерогенно-каталитического реактора с неподвижным слоем катализатора выполнен в виде металлической сетчатой трубки, установленной на оправку соосно реакционной трубе. Металлическая сетчатая трубка набрана из ряда последовательных слоев с каталитически активным слоем и увеличивающимся от внутреннего слоя к наружному шагом ячеек.

Реакционные элементы загружают в реакционную трубу в количестве, необходимом для требуемой степени завершения реакции паровой конверсии. За счет того что реакционный элемент выполнен из набора сеток с высокой теплопроводностью, температурные градиенты по слою катализатора минимальные, несмотря на высокую эндотермичность реакции.

Температура внутренних слоев сеток реакционного элемента практически не отличается от температуры наружного слоя. Эффективность работы внутренних слоев катализатора сопоставима с эффективностью работы внешних слоев.

Интенсифицирование тепломассообмена от стенки реакционной трубы происходит за счет многослойного выполнения реакционного элемента.

Однако в прототипе присутствует каскад термических сопротивлений: от нагреваемой стенки к газу, от газа к внешней поверхности сетчатой трубки, от внешней поверхности к внутренней поверхности пор. Теплоперенос от реакционной нагреваемой трубы к сетчатой поверхности катализа из-за большого числа последовательных термических сопротивлений недостаточно высок. Кроме того, наличие зазора между реакционной трубой и реакционным элементом не позволяет использовать последний в качестве силового элемента конструкции.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является значительная интенсификация процесса тепломассообмена и обеспечение минимальных температурных градиентов по объему реактора, а также придание дополнительной прочности конструкции.

Заявленный реакционный элемент, как и прототип, представляет собой пористый проницаемый материал с набором ячеек, ограниченный стенками гетерогенно-каталитического реактора.

В отличие от прототипа реакционный элемент выполнен в виде высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ), объемные ячейки которого образованы металлическими ребрами-перемычками, создающими жесткий каркас реакционного элемента. Перемычки имеют каталитически активное покрытие. Высокопористый ячеистый материал жестко соединен с теплопередающей стенкой гетерогенно-каталитического реактора.

Заявленная совокупность существенных признаков при использовании изобретения обеспечивает поступление тепла к каталитически активному покрытию металлических перемычек не только за счет конвективной теплопередачи, но и путем теплопроводности по всему жесткому каркасу реакционного элемента. Это позволяет значительно интенсифицировать теплоперенос в процессе химической реакции и обеспечить минимальные температурные градиенты по объему реактора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен поперечный разрез гетерогенно-каталитического реактора прямоугольного сечения с заявленным реакционным элементом;
- на фиг.2 - узел А в увеличенном виде.

Заявляемый реакционный элемент, как и прототип, представляет собой пористый проницаемый материал с набором ячеек 1, ограниченный стенками 2 гетерогенно-каталитического реактора. В отличие от прототипа реакционный элемент выполнен в виде высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ), жестко прикрепленного (пайка, сварка и т.п.) к стенкам реактора. ВПЯМ имеет трехмерную пентагондодекаэдрическую объемную структуру, ячейки 1 которой образованы металлическими ребрами-перемычками 3, создающими жесткий каркас реакционного элемента. Металлические перемычки 3 обладают высокой теплопроводностью и имеют каталитически активное покрытие 4.

Гетерогенно-каталитический реактор с реакционным элементом работает следующим образом.

Исходная парогазовая смесь поступает в реактор, стенка 2 которого подвергается тепловому (Q) и силовому (Р) воздействиям. ВПЯМ с размером ячейки 1 (1-5) мм и открытой пористостью 0,80-0,98 оказывает малое гидравлическое сопротивление потоку химически реагирующего газа, а высокая теплопроводность металлических перемычек 3 и однородность структуры ВПЯМ обеспечивают равномерное по объему реактора распределение тепла от нагреваемой стенки 2. Необходимое для проведения эндотермической реакции тепло подается к каталитически активному покрытию 4 не только за счет конвективной теплопередачи, но и путем теплопроводности по каркасу реакционного элемента, что позволяет значительно интенсифицировать процесс теплопереноса и обеспечить минимальные температурные градиенты по объему реактора.

Жесткое соединение реакционного элемента со стенками 2 гетерогенно-каталитического реактора придает его конструкции дополнительную прочность, обусловленную высокими механическими свойствами ВПЯМ вследствие трехмерного строения его структуры. Реакционный элемент из ВПЯМ может быть сделан любой формы (круглой, квадратной и т.п.) в зависимости от формы охлаждаемой поверхности.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для утилизации тепловых потерь через стенки аппаратов, а также с уходящими газами. Теплонапряженная часть конструкции делается одной из стенок гетерогенно-каталитического реактора, в котором проводится, например, реакция парового риформинга метана
CH₄+H₂O←→3H₂+CO,
при этом в реакции может быть поглощено тепло Q=6,6 МДж/кг, равное теплоте реакции, и получен молекулярный водород Н₂, являющийся экологически чистым топливом. Проведенные на нашем предприятии расчетно-экспериментальные работы подтвердили возможность снятия больших тепловых нагрузок с теплонапряженных элементов конструкций.

Реакционный элемент реактора относится к устройствам для осуществления гетерогенно-каталитических реакций, в частности реакций паровой конверсии углеводородов. Выполнен в виде высокопористого материала с набором ячеек. Перемычки ячеек высокопористого материала снабжены каталитически активным покрытием, а сам материал реакционного элемента занимает весь объем реактора и жестко связан с его теплопередающими стенками. Данная конструкция устройства обеспечивает ее дополнительную прочность и позволяет интенсифицировать процесс тепломассообмена. 2 ил.

Реакционный элемент гетерогенно-каталитического реактора, выполненный в виде высокопористого материала с набором ячеек, отличающийся тем, что перемычки ячеек высокопористого материала снабжены каталитически активным покрытием, а сам материал реакционного элемента занимает весь объем реактора и жестко связан с его теплопередающими стенками.