РЕАКТОР ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ Российский патент 2002 года по МПК B01J8/04 B01D53/34 

Изобретение относится к химическому аппаратостроению и может использоваться для каталитической очистки отходящих газов от оксидов азота, а также газов, образующихся при производстве азотной кислоты, разделении серной и азотной кислот и др. Кроме того, реактор может использоваться для каталитического обезвреживания газов от органических примесей.

Известны контактные аппараты для обезвреживания отходящих газов от органических веществ и оксидов азота в так называемом нестационарном режиме [Патент РФ 1829173, B 01 D 53/34, 1997; патент РФ 2058186, 10.09.99, авт. свид. СССР 1011950, B 01 D 53/34, 15.04.1983, авт. св. CCCР 1535619, 15.01.90, pat. PL 154894, B 01 D 53/36, 28.02.1992; патент РФ 2064331, B 01 J 8/04, 16.03.1994].

Характерной особенностью таких аппаратов является необходимость подвода тепла в зону химической реакции для проведения процесса в автотермическом режиме. Как правило, отходящие газы имеют низкие концентрации компонентов, подлежащих обезвреживанию, их адиабатический разогрев сравнительно невысок, и процесс обезвреживания в стационарном режиме осуществить невозможно. Вводимое в зону реакции дополнительное тепло увеличивает адиабатический разогрев до величины, необходимой для поддержания процесса обезвреживания в автотермическом режиме.

Наиболее близким является контактный аппарат, описанный в [Pat. PL 154894, B 01 D 53/36, 28.02.1992]. Аппарат (фиг.1) состоит из вертикального цилиндрического металлического корпуса с плоским днищем и крышкой, на которой снизу установлены электронагреватели. Корпус аппарата разделен вертикальной перегородкой на две камеры, в которых на колосниковых решетках размещены два одинаковых по объему слоя инертной насадки, на которых сверху насыпаны одинаковые по объему слои катализатора. Снизу, под колосниковыми решетками, расположены штуцеры подвода - отвода газа.

При работе контактного аппарата катализатор нагревают до температуры начала химической реакции, очищаемый газ подают сначала в одну камеру, а выводят из аппарата через другую камеру. Через определенное время, называемое полуциклом, подачу газа в камерах меняют на противоположное, осуществляя тем самым нестационарный режим обезвреживания. При этом тепло химической реакции постоянно находится в слоях катализатора. При низких концентрациях газов, подлежащих обезвреживанию, когда собственного тепла химической реакции для ее проведения в автотермическом режиме не хватает, дополнительное тепло вводят путем включения электронагревателей.

Конструкция контактного аппарата по прототипу не дает возможности проводить очистку газа в более экономичном режиме из-за сравнительно больших теплопотерь в окружающую среду - особенно в зоне высоких температур (~400^oС над слоем катализатора), через крышу аппарата. Кроме того, из-за переключения направления подачи газа одна половина цилиндрической стенки корпуса по периметру и другая ее половина работают в переменном температурном режиме, т. е. цилиндр по сечению нагрет неравномерно, что вызывает переменные напряжения и снижает его механическую прочность и устойчивость. Для полного перемешивания всего объема реакционной смеси в зоне, где установлены электронагреватели, необходимо смесительное устройство, которого в прототипе нет. Его отсутствие компенсируется избыточным количеством катализатора, что экономически нецелесообразно.

Изобретение решает задачу упрощения конструкции аппарата и увеличения надежности его работы.

Задача решается следующей конструкцией реактора.

Реактор (фиг. 1) состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 со штуцерами ввода-вывода газа 2, конической крышки 3 и плоского днища 4. Внутреннее пространство разделено глухой горизонтальной перегородкой 5 на две камеры - верхнюю I и нижнюю II, соединенные между собой центральной опорной трубой-смесителем 6 с внутренними турбулизирующими перегородками 7. В каждой камере на колосниковых решетках 8 размещен слой интертной насадки 9 (например, кольца Рашига) и сверху насадки - слой катализатора 10. Сверху каждой камеры, над слоем катализатора размещены съемные пакеты электронагревателей в виде ТЭНов, размещенных в кассетах, в каждой из которых, снизу и в торце, имеются окна 12 для прохода газа, остальное сечение реактора перекрыто глухой перегородкой 13. В верхней камере II крышка 3 экранирована от теплопотерь дополнительной перегородкой 14. Для селективной каталитической очистки газов от оксидов азота в середине смесителя 6 установлен коллектор-распылитель газа 16 с отверстиями, соединенный трубопроводом 15 со штуцером 17 подвода восстановителя (аммиака, аммиачной воды). Для каталитической очистки газов от органических и других примесей установка деталей 15, 16 и 17 не требуется.

При этом достигаемый технический результат от использования всей совокупности описанных выше существенных признаков заключается в снижении металлоемкости и стоимости реактора, уменьшении теплопотерь в окружающую среду и, как следствие, уменьшении количества тепла, подводящего в зону реакции.

Работа реактора осуществляется следующим образом.

Перед пуском слои катализатора и прилегающую к ним часть инертной насадки нагревают до 280-380^oС путем подачи атмосферного воздуха попеременно через штуцеры 2 в камеру I, затем подают отходящий газ с температурой 60-80^oС. (Ход газа во время первого полуцикла показан на фиг.2 сплошными стрелками). Холодный очищаемый газ, проходя через слой инертной насадки 9 и слой катализатора 10, в камере I нагревается, как в регенеративном теплообменнике до температуры, при которой реакция селективного восстановления протекает с достаточно высокой скоростью при 280-380^oС. Одновременно в газовый поток, содержащий оксид азота, через распылительный коллектор 16 подают восстановитель, который по ходу потока перемешивается в смесителе 6, затем через пакеты нагревателей 11 и окна 12 реакционная смесь дополнительно перемешивается и поступает в камеру II на слой катализатора 10, где оксиды азота окончательно восстанавливаются, тепло прореагировавшей смеси поглощается в инертной насадке 9, после чего смесь через боковой штуцер 2 выходит из аппарата в атмосферу.

Через определенный промежуток времени направление движения очищаемого газового потока изменяют на противоположное (второй полуцикл) и реакционная смесь проходит тот же путь, но в обратном направлении (на фиг.1 показан штриховыми стрелками). По истечении заданного промежутка времени направление подачи холодного газа опять меняют на противоположное, осуществляя тем самым непрерывную работу реактора в так называемом нестационарном режиме. При этом количество вводимого в реакционную смесь тепла регулируется нагревателями 11 в зависимости от концентрации примесей в очищаемом газе.

Предлагаемое изобретение имеет сходные признаки с прототипом.

Контактный аппарат предназначен для селективной очистки газов от оксидов азота, от органических примесей и др.

Контактный аппарат включает вертикальный цилиндрический корпус, днище и крышку.

Контактный аппарат имеет две колосниковые решетки, на которых размещены слои инертной насадки и слои катализатора на них.

У контактного аппарата имеются штуцеры для входа очищаемого газа и выхода очищенного газа.

В зоне между слоями катализатора установлены электронагреватели.

Корпус аппарата разделен перегородкой на две камеры.

Отличительные признаки следующие:
корпус аппарата разделен на две камеры горизонтальной перегородкой;
камеры расположены в корпусе друг над другом;
камеры соединены друг с другом вертикальной трубой-смесителем, размещенной по оси верхней камеры;
съемные электронагреватели размещены в горизонтальных смесителях с отверстиями для прохода через них газа;
для процесса селективного восстановления оксидов азота в центральной части трубы-смесителя установлен коллектор-распылитель, к которому подводят восстановитель в виде жидкой или паровой фазы.

Пример 1.

На фиг.1 показана конструкция ректора, предназначенного для селективной каталитической очистки газов от оксидов азота.

Производительность по газу 5-10 тыс.м³/ч.

Количество катализатора АВК-10 -6 м³ (5,4 т).

Количество инертной насадки -14 м³ (9,8 т).

Концентрация оксидов азота 2-3 г/м³,
Температура нитрозных газов 20-30^oС,
Температура газа в аппарате:
- максимальная, в зоне реакции, 450^oС,
- рабочая, в слое катализатора, 320-350^oС,
- на входе-выходе газа в аппарат переменная в течение полуцикла 20-200^oС,
- начала химической реакции 180-200^oС.

Расчетное гидравлическое сопротивление 400 мм вод. ст.

Суммарная расчетная мощность электронагревателя 56 кВт.

Для осуществления процесса по заданным условиям - объема газа, концентрации примесей, количества катализатора и инертной насадки, гидравлического сопротивления и др. требований, диаметр реактора составил 2,8 м с общей его высотой 7,4 м.

Расчетные теплопотери от аппарата в окружающую среду составляют до 10500 ккал/ч (при окружающем воздухе с температурой - 40^oС), что составляет ~21% от установленной мощности электронагревателей.

Пример 2 (прототип). То же, что и в примере 1.

Расчетные теплопотери в окружающую среду на 32% больше, чем в аппарате в примере 1, и составляют ~13860 ккал/ч.

Таким образом, предлагаемая конструкция реактора более компактна, что снижает теплопотери в окружающую среду. Металлические стенки корпуса в каждом сечении по периметру испытывают одинаковые температурные напряжения.

Изобретение относится к химическому аппаратостроению и может использоваться для очистки газов от оксидов азота, обезвреживания отходящих газов от органических примесей. Содержит днище и крышку с входным и выходным штуцерами. Внутренний объем реактора разделен горизонтальной глухой перегородкой на две камеры, в каждой из которых на колосниковых решетках размещены слои инертной насадки с катализатором на них, между которыми установлены электронагреватели. Перегородка расположена между верхней и нижней камерами, которые соединены между собой вертикальной трубой-смесителем, расположенной по оси верхней камеры. В верхней части каждой камеры установлены горизонтальные смесители, в которых расположены электронагреватели. Для процесса селективного восстановления оксидов азота в центральной части трубы-смесителя установлен коллектор-распылитель восстановителя, подаваемого в виде жидкой или паровой фазы. Данная конструкция устройства позволяет снизить металлоемкость и стоимость реактора, упростить его, обеспечивая повышение надежности в работе. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Реактор для каталитической очистки газов от оксидов азота, обезвреживания отходящих газов от органических и других примесей, содержащий днище и крышку с входным и выходным штуцерами, разделенный перегородкой на две камеры, в каждой из которых на колосниковых решетках размещены слои инертной насадки с катализатором на них, между которыми установлены электронагреватели, отличающийся тем, что перегородка, разделяющая внутренний объем реактора, выполнена горизонтальной глухой и расположена между верхней и нижней камерами, которые соединены между собой вертикальной трубой-смесителем, расположенной по оси верхней камеры. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что в верхней части каждой камеры установлены горизонтальные смесители. 3. Реактор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что электронагреватели расположены в горизонтальных смесителях. 4. Реактор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что для процесса селективного восстановления оксидов азота в центральной части трубы-смесителя дополнительно установлен коллектор-распылитель восстановителя, подаваемого в виде жидкой пли паровой фазы.