УСТРОЙСТВО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК B01D53/86 F28D5/00 

Изобретение относится к экологически чистому окислению газообразных соединений и может быть использовано в теплоэнергетике, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, двигателестроении, а также в установках очистки воздуха производственных и бытовых помещений.

Известно устройство каталитического окисления органических соединений, содержащее корпус, внутри которого расположен блочный керамический носитель с сотовой структурой, покрытой стабилизированным γ-Al₂O₃ и каталитически активным веществом [Большаков А.М. Автомобильные каталитические конвенторы. /Химическая технология. 2000. №1. С.2-12].

Недостатки устройства обусловлены структурой и материалом применяемого блочного носителя. Сотовая структура носителя характеризуется низкой удельной поверхностью, однонаправленностью каналов и недостаточной турбулизирующей способностью газового потока, что снижает интенсивность протекания каталитических процессов в устройстве. Кроме того, керамический материал обладает повышенной хрупкостью и неспособностью противостоять ударным механическим нагрузкам, а также низкой теплопроводностью, что требует продолжительного разогрева блочного носителя и обусловливает его чувствительность к тепловым ударам.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство каталитического окисления газообразных соединений, содержащее корпус с впускным и выпускным патрубками, внутри которого размещен блочный носитель из открытоячеистой металлической пены, покрытой слоем вторичного носителя из оксида алюминия и каталитическим слоем из благородного металла [патент РФ №2029107, F01N 3/00, 1995].

Устройство с металлическим блоком из открытоячеистой металлической пены лишено многих недостатков, присущих устройствам с керамическим блоком на основе сотовой структуры. Оно способно работать при воздействие интенсивных ударных и циклических механических нагрузок и устойчиво к тепловым ударам благодаря высокой теплопроводности каркаса металлической пены.

Однако известное устройство не обладает высокой эксплуатационной надежностью из-за возможности перегрева металлического блока и отслоения от него вторичного носителя и каталитического слоя.

Настоящее изобретение позволяет повысить надежность работы устройства каталитического окисления газообразных соединений за счет установки в блочном носителе из открытоячеистой металлической пены системы термостабилизации.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство каталитического окисления газообразных соединений, состоящее из корпуса с впускным и выпускным патрубками, внутри которого размещен блочный носитель, выполненный из открытоячеистой металлической пены, покрытой слоями вторичного носителя и каталитически активного вещества, согласно изобретению дополнительно снабжено тепловыми трубами, испарительные участки которых расположены в блочном носителе, а конденсаторные участки - вне корпуса, при этом испарительные участки тепловых труб скреплены с блочным носителем.

Количество тепловых труб и размещение их в устройстве определяются из условий обеспечения максимальной эффективности отвода избыточного количества тепла от открытоячеистой металлической пены и поддержания ее температуры в диапазоне, приемлемом для наиболее полного каталитического окисления газообразных соединений. Выбор конструкционных материалов для составляющих элементов тепловых труб осуществляется исходя из условий работы каталитического устройства - химического состава и температуры газообразных соединений.

Тепловые трубы по своей природе стремятся к работе в условиях равномерной температуры, что позволяет с их помощью снизить градиент температуры между неодинаково нагретыми областями металлической пены, то есть выравнять температуру по всему объему блочного носителя. Тепловые трубы благодаря своей высокой эффективной теплопроводности обеспечивают передачу теплоты на значительные расстояния от испарительных участков, размещенных в блочном носителе, к конденсаторным участкам, расположенным в другом устройстве, работающем одновременно с устройством каталитического окисления газообразных соединений, или в среде, выполняющей роль окончательного стока теплоты, где сброс тепла происходит за счет естественного или принудительного охлаждения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство каталитического окисления газообразных соединений, общий вид, а на фиг.2 - схема работы тепловой трубы.

Устройство содержит корпус 1, имеющий входной 2 и выходной патрубок 3. Внутри корпуса 1 размещен блочный носитель 4, выполненный из открытоячеистой металлической пены, покрытой слоями вторичного носителя и каталитически активного вещества. В блочном носителе 4 размещены испарительные участки 6 тепловых труб 5, а конденсаторные участки 7 выведены за пределы корпуса 1. Испарительные участки 6 скреплены с блочным носителем 4 и между ними имеется тепловой контакт.

Тепловая труба 5 представляет собой тонкостенную герметичную металлическую трубу 8, к внутренней стенке которой прикреплен фитиль 9 из капиллярного пористого материала. Фитиль 9 пропитан рабочей жидкостью - теплоносителем. Объем внутри трубы 8, свободный от фитиля 9, служит паровым каналом 10 (фиг.2).

Устройство каталитического окисления газообразных соединений работает следующим образом.

Через входной патрубок 2 в корпус 1 поступают газообразные соединения, имеющие определенный химический состав и температуру, и заполняют поровое пространство открытоячеистой металлической пены блочного носителя 4 (фиг.1). Разогрев блочного носителя 4 до температуры каталитической реакции может осуществляться путем пропускания через него электрического тока или в результате внутрипорового теплообмена с поступающей смесью предварительно нагретых газообразных соединений. По достижению блочным носителем 4 стационарной рабочей температуры в устройстве начинается реакция каталитического окисления газообразных соединений и продукты реакции покидают устройство через выходной патрубок 3.

При этом в каждой из тепловых труб 5 происходят следующие процессы. Теплота от нагревшейся открытоячеистой металлической пены блочного носителя 4 передается кондуктивной теплопроводностью последовательно к стенке 8 испарительного участка 6, фитилю 9 и к заполняющему его капиллярно-пористую структуру теплоносителю (фиг.2).

Теплоноситель подбирается таким образом, что имеет температуру фазового перехода из жидкого в газообразное состояние, близкую к стационарной рабочей температуре устройства каталитического окисления. Вследствие этого при стационарном режиме работы устройства тепловые трубы не функционируют.

При непредусмотренном повышении температуры блочного носителя 4 выделяющаяся от него дополнительная теплота передается испарительной части 6 тепловых труб 5. Это приводит к испарению теплоносителя из пор фитиля 9 в паровой канал 10. В результате у блочного носителя 4 отбирается тепло, соответствующее теплоте парообразования теплоносителя, и происходит его охлаждение.

Пар по паровому каналу 10 движется из испарительного 6 в конденсаторный 5 участок с пониженной температурой и более низким давлением пара. Здесь пар конденсируется и вновь образуется жидкость, при этом высвобождается ее скрытая теплота конденсации, которая теплопроводностью через стенку 8 передается в окружающее конденсаторный участок 7 пространство. Жидкость впитывается в поры фитиля 9 и по ним под действием капиллярных и гравитационных сил возвращается в испарительный участок 6, где вновь испаряется, отбирая тепло от блочного носителя 4.

Тепловые трубы 5 работают на принципе замкнутого испарительно-конденсационного цикла, перенося тепло от их испарительных участков, а по сути охлаждая блочный носитель из открытоячеистой металлической пены, к конденсаторным участкам, находящимся вне устройства каталитического окисления, с очень высокой скоростью, достигаемой за счет циркуляции теплоносителя при высокой скорости пара и высокой теплоте парообразования и конденсации его.

Процесс охлаждения блочного носителя продолжается до тех пор, пока его температура остается выше стационарной рабочей температуры каталитического устройства. При выравнивании этих температур процесс переноса тепла от испарительных к конденсаторным участкам прекращается, и тепловые трубы перестают функционировать до тех пор, пока вновь не появится градиент температур.

Наличие тепловых труб с их высокой скоростью теплопередачи обеспечивает оперативное регулирование температуры блочного носителя и устройства каталитического окисления в целом. Благодаря этому предотвращается перегрев блочного носителя и обеспечивается не только сохранение целостности устройства, но и полнота протекания в нем каталитического процесса окисления газообразных соединений, для которых создаются и поддерживаются оптимальные температурные условия.

Изобретение относится к экологически чистому окислению газообразных соединений и может быть использовано в теплоэнергетике, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, двигателестроении, а также в установках очистки воздуха производственных и бытовых помещений. Устройство каталитического окисления газообразных соединений состоит из корпуса (1) с впускным (2) и выпускным (3) патрубками, внутри которого размещен блочный носитель (4), выполненный из открытоячеистой металлической пены, покрытой слоями вторичного носителя и каталитически активного вещества. Устройство дополнительно снабжено тепловыми трубами (5), испарительные участки (6) которых расположены в блочном носителе (4) и скреплены с ним, а конденсаторные участки (7) - вне корпуса. Через патрубок (2) в корпус (1) поступают газообразные соединения и заполняют блочный носитель (4). При достижении блочным носителем (4) стационарной рабочей температуры в устройстве протекает реакция каталитического окисления газообразных соединений. Продукты реакции покидают устройство через патрубок (3). При непредусмотренном повышении температуры блочного носителя (4) его охлаждение происходит в результате передачи тепла испарительной части (6) тепловых труб (5). Далее пар попадает в конденсаторный участок (7). Скрытая теплота конденсации пара передается в окружающее пространство. Изобретение позволяет повысить надежность работы устройства за счет установки системы термостабилизации. 2 ил.

Устройство каталитического окисления газообразных соединений, состоящее из корпуса с впускным и выпускным патрубками, внутри которого размещен блочный носитель, выполненный из открытоячеистой металлической пены, покрытой слоями вторичного носителя и каталитически активного вещества, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено тепловыми трубами, испарительные участки которых расположены в блочном носителе, а конденсаторные участки - вне корпуса, при этом испарительные участки тепловых труб скреплены с блочным носителем.