Устройство для каталитической очистки отходящего газа-носителя путем окисления вредных для окружающей среды компонентов Советский патент 1993 года по МПК B01J8/02 

Изобретение касается устройства для каталитического окисления вредных для окружающей среды компонентов в охлажденном газе- носителе технологического процесса.

Целью изобретения является усовершенствование известного устройства таким образом, чтобы эксплуатация его обеспечивала бы максимальную гибкость при незначительном техническом уходе и при хорошей доступности, и чтобы одинаковым образом учитывались экономические и технологические требования, а также и аспекты, техники безопасности.

Значительное преимущество данного изобретения - это существенное сокращение затрат для подачи через каналы газа-носителя и чистого газа. Благодаря применению тепловых труб оба этих газовых потока во всем диапазоне теплообмена можно подавать параллельно и рядом друг с другом. Для этого требуются лишь прямолинейные газовые каналы, которые также требуют лишь перегородку для разделения газовых потоков. Одновременно они также могут выполнять несущую функцию для тепловых труб. Оба прямолинейных газовых канала должны быть соединены друг с другом исключительно в зоне позади катализатора с помощью простого 180° изгиба. Такое положение вещей приводит таким образом к созданию компактного устройства, которое в зависимости от соответствующих местных условий можно эксплуатировать как в гори00

го

О

ч ел

ON

GJ

зонтальном, так и вертикальном расположении. Следовательно, исключительно увеличиваются возможности использования предложенного устройства.

Существенным преимуществом данного изобретения является также многоступенчатость системы рециркуляции тепловой энергии из тепловых труб. Такое исполнение позволяет оба компонента каждой обменной ступени, т.е. нагруженную чистым газом охлаждающую часть, с одной стороны, и нагруженную газом-носителем нагревательную часть, с другой стороны, целенаправленно, то есть гибко, приспособить к соответствующим технологическим условиям надлежащим образом.

В этой связи большое значение далее имеет тот факт, что особенно первая обменная ступень, расположенная в направлении протекания газа-носителя, относительно отношения размеров теплообменной поверхности нагревательной части и охлаждающей части выполнена таким образом, что рабочая температура внутри тепло- вых труб увеличивается и сильно приближается к более высоким газовым температурам. Осуществление этой меры, следовательно, в критических участках тепловых труб, нагруженных газом-носителем, приводит к повышенной температуре стенки трубы и, таким образом, также к значительно более высокой надежности.

Следующее особое преимущество данного изобретения представляется в функции тепловых труб как подогревателей газа-носителя, охлажденного в собственно технологическом процессе получения продукта, с одной стороны, и как вторичные холодильники чистого газа для каталитического окисления, с другой стороны, как выпрямителя для объемного потока газа, что означает оптимальное использование возможностей преобразования при окислении в катализаторе.

Скорость преобразования при окислении углеводородных фракций в газе-носителе в значительной мере зависит от местной скорости протекания газа-носителя в катализаторе. Если эта местная скорость протекания неравномерна (неодинакова), то осуществляется также неодинаковые преобразования, т.е. катализатор работает с различными по месту КПД. При этом места с более высокой скоростью газа дают меньший КПД, чем места с меньшей скоростью газа. Для того, чтобы достичь желаемого КПД, представляется поэтому важным обеспечить максимально равномерную скорость протекания в катализаторе. Это, согласно изобретению, гарантируется расположением катализатора непосредственно и прямолинейно позади подогревательной части обменной ступени, лежащей в направлении потока газа-носителя (конечная ступень).

При этом тепловые трубы, в свою очередь, по своим свойствам полностью равномерного распределения температуры по их длине, способствуют оптимальному использованию свойств катализатора.

Благодаря использованию тепловых труб можно идеальным образом регенерировать тепло из чистого газа позади катализатора и подогревать газ-носитель перед катализатором, при этом тепловые трубы

обеспечивают как равномерное распределение температуры, так и равномерное распределение скорости по всему поперечному сечению катализатора. Скорость преобразования в катализаторе равным образом зависит от местной температуры протекающего газа-носителя, то ecri, места с более высокой температурой газа достигают более высокой бтепени преобразования, чем места с более низкой температурой газа.

Следующее преимущество тепловых труб заключается в их полной независимости друг от друга. Поскольку каждая тепловая труба представляет собой закрытую работоспособную систему, то в случае какого-либо обоснованного повреждения тепловой трубы, будь то вследствие коррозии или в результате какого-либо другого местного или обусловленного случаем влияния, как, например, дефектный сварной шов на тепловой трубе и т.д., то не будет выходить из строя комплект подогревательный узел или охлаждающий узел. Выходит из строя только лишь поврежденная труба, производительность которой составляет лишь

небольшую долю всей производительности, и приход из строя которой, следовательно, не приводит к существенной помехе каталитического окисления.

Данное изобретение позволяет, таким

образом, подогревать газ-носитель, подводимый с температурой часто около 50°С, в результате дополнительной тепловой энергии, образующейся при каталитическом окислении, до так называемой температуры реагирования катализатора примерно 300°С, не подводя при этом снаружи необходимое для этого количество тепловую энергию. С другой стороны, данное изобретение позволяет охлаждать чистый газ, выходящий из катализатора, до благоприятной температуры трубы, примерно 100-120°С.

Возрастающее число тепловых труб в отдельных обменных ступенях в направлении протекания газа-носителя позволяет

еще более чувствительное приспособление отдельных обменных ступеней к соответстт вующим технологическим условиям). Так, благоприятный вариант осуществления, например, состоит в том, что при трехступенчатой системе рециркуляции тепловой энергии первая обменная ступень состоит из пучка примерно от 8 до 12 рядов труб, узких в направлении потока. Вторая обменная ступень в этом случае, оснащена приблизительно 20-24 рядами труб, в то время как третья и последняя обменная ступень снабжены примерно 30-36 рядами труб. Чем теплее газовые потоки, тем больше рядов труб имеются в соответствующей обменной ступени.

Предпочтительное усовершенствование состоит в том, что на первой обменной ступени должно быть достигнуто максимально большое отношение поверхности между охлаждающей частью и подогревающей частью. Оребрение в охлаждающей части сохраняется сравнительно узким, с тем, чтобы необходимой большой обменной поверхности. Должна быть также облегчена и очистка участков тепловых труб, нагруженных газом-носителем.

Если на первой обменной ступени участки тепловых труб в подогревательной части - неоребренные, то вторая обменная ступень из в общем трех обменных ступеней предусматривает надлежащим образом уже сребренные участки тепловых труб в подогревательной части. Относительно того факта, что также и вторая обменная ступень все еще несет определенный остаточный риск для загрязнения и нагрузки, расстояние между ребрами однако в подогревательной части рассчитывается больше, чем в охлаждающей части. Становящаяся, возможно, необходимой, очистка облегчается в результате этого.

Третья обменная ступень расположенная непосредственно перед катализатором, называемая также конечной ступенью, которая работает предпочтительно в температурном диапазоне свыше 130°С и поэтому должна перерабатывать лишь еще в значительной ступени сухие газы-носители, может быть снабжена как в нагревательной части, так и в охлаждающей части высокоэффективными сребренными участками тепловых труб идентичного размера и одинакового расстояния друг от друга.

Вследствие небольшой температуры, преобладающей еще в подогревательной части первой обменной ступени, и в результате поэтому высокой агрессивности капелек кислоты, захватываемых газом-носителем, неоребренные участки тепловых труб предпочтительно

выполняются из коррозионноотойкого материала.

В этой связи далее может быть предпочтительным неоребреиные участки тепловых 5 труб снабжены пластмассовым покрытием из кислотостойкого материала. При этом материале речь может идти о политетрафторэтилене, поливинилиденфториде или полифторэтилене.

0 Поскольку в подогреоательной части первой обменной ступени, расположенной в направлении протекания газа-носителя, этот газ-носитель нагружен остаточными каплями продукта и дополнительно может 5 еще уносить агрессивные компоненты кислоты и прочие связанные с риском остаточные вещества, эта первая обменная ступень служит как предохранительная ступень и предварительный отделитель дополнитель: 0 но связана с устройством промывки и очистки.

Тепловые трубы каждой обменной ступени, в отдельности или группами, могут .монтироваться на подшипниках, с возмож- 5 ностью замены в перегородке, которая отделяет газовый канал, проводящий газ-носитель, от газового канала, проводящего чистый газ. Таким образом, можно при необходимости без проблем заменять или 0 каждую отдельную тепловую трубу или тепловые трубы, соединенные группами. Установка на подшипниках тепловых труб в перегородке, разделяющей газовый канал, проводящий газ-носитель, от газового кана- 5 ла, проводящего чистый газ, способствует дальнейшему упрощению всего устройства. Конические опорные выступы, позволяют как при отдельной тепловой трубе, так и при тепловых трубах, соединенных rpynria- 0 ми, относительно просто заменять эти тепловые трубы. Конусность опорных выступов, с одной стороны, и приспособленные к ним выемки в перегородке, с другой стороны, позволяет наряду с безупречной герметиза- 5 цией газового канала, проводящего газ-носитель, от газового канала, проводящего чистый газ, выбирать такую установку на подшипниках как точку фиксации для термического расширения тепловых труб. Та- 0 кие тепловые трубы могут в этом случае свободно расширяться по обе стороны под влиянием различных температур.

Опорные выступы, согласно п. 9. могут быть подогнаны коническими поверхностя- 5 ми в выемки, Эта подгонка может осуществляться при вертикальном расположении тепловых труб исключительно в результат центра тяжести.

Если же, напротив, тепловые трубы монтируются в приближенно горизонтальной

плоскости, т.е. в несколько наклонном положении, примерно 3°-5°. Плотная посадка обеспечивается при этом с помощью пружины прижатия.

Каждый опорный выступ однако также может герметично ввинчиваться конической резьбой в соответствующую выемку.

Компенсаторы учитывают различную характеристику расширения отдельных участков газовых каналов в результате преобладающих там различных температур. .

На фиг. 1 представлен вид сбоку, частичный разрез устройства для каталитического окисления газа-носителя; на фиг. 2 - общий вид, частичный разрез устройства для каталитического окисления газа-носителя; на фиг. 3 - выполнение и установка на подшипниках тепловых труб применяемых в устройстве фиг. 1; на фиг; 4 - расположение и установка на подшипниках тепловой трубы в устройстве согласно фиг. 2.

На фиг. 1 позицией 1 обозначено устройство для каталитического окисления вредных для окружающей среды компонентов в охлажденном газе-носителе технологического процесса. В этом процессе речь может идти, например, о получении ангидрида фталевой кислоты.

Устройство 1 включает два параллельно проходящих по отношению друг к другу, прямолинейно простирающихся газовых канала 2,3, которые на одном конце соединены друг с другом посредством - образного колена. Газовый канал 2 служит для прохождения газа-носителя, а газовый канал 3 - для прохождения очищенного газа. Другие концы газовых каналов 2, 3 соединены через конические штуцеры 5,6 с уменьшающимся в диаметре газопроводами 7, 8.

В газопроводы 7, 8 интегрированы запорные клапаны 9. Между запорными клапанами 9 и коническими штуцерами 5, 6 газопроводы 7,8 соединяются друг с другом через поперечный трубопровод 10, В поперечный трубопровод установлен запорный клапан 11.

В продольном прохождении газовых каналов 2,3 предусмотрены компенсаторы 12 для того, чтобы учитывать тепловые расширения отдельных участков газовых каналов.

Газовые каналы 2, 3 соединены друг с другом через трехступенчатую систему рециркуляции тепловой энергии 13с возможностью теплопередачи. Каждая обменная ступень J, II, 111 системы рециркуляции тепловой энергии 13 состоит из множества тепловых труб 14, которые пронизывают поперек газовые каналы 2,3. Каждая обменная ступень I. II, III состоит в результате этого из охлаждающей части 15 в газовом

канале 3 и из подогревательной части в газовом канале 2. В примере осуществления в первой обменной ступени I, расположенной рядом с коническими выступами 5, находятся одиннадцать рядов труб, во второй обменной ступени II. расположенной на некотором расстоянии от этой, расположены двадцать два ряда труб, а в третьей и последней обменной ступени III (конечная

0 ступень) - тридцать три ряда труб с тепловыми трубами 14.

Рядом с обменными ступенями I, II, III предусмотрены герметично закрывающиеся отверстия для осуществления техниче5 ского ухода 17 в стенках газовых каналов 2. 3.

Далее на фиг. 1 видно, что после подогревательной части 16 третьей обменной ступени III, газовая горелка 18 интегрирова0 на в газовый канал 2. На некотором расстоянии от газовой горелки 18 примыкает катализатор 19. Между газовой горелкой 18 и катализатором 19 снова расположено закрываемое отверстие для технического ухо5 да 17 в стенке газового канала 2.

Наконец, фиг. 1 показывает еще. что между коленом 4, соединяющим оба канала 2, 3 и охлаждающей частью 15 последней обменной ступени HI в шаговый канал 3 ус0 тановлен дополнительный теплообменник 20.

Представленное на фиг. 2 устройство 1 для каталитического окисления вредных для окружающей среды компонентов газа-носи5 теля технологического процесса, с конструктивной точки зрения, в основном, соответствует устройству 1 фиг. 1. Различие состоит лишь в том, что устройство 1 на фиг. 2 поставлено вертикально, и что тепловые

0 трубы 14 в трех обменных ступенях I, II, III расположены наклонно к горизонтали под углом примерно 3-5°. Далее отсутствуют компенсаторы 12.

Из фиг. 3 можно видеть установку на

5 подшипниках тепловых труб 14 в трех обменных ступенях I, II, II устройства 1. Видно, что тепловые трубы 14 с их средними участками длины с опорными выступами 21 подогнаны с возможностью замены в пере0 городку 22, отделяющей газовый канал 2, проводящий газ-носитель от газового канала 3. проводящего очищенный газ. Опорные выступы 21 имеют по окружности конические поверхности 23, которые приспособле5 ны к выемкам 24 в перегородке 22.

Далее видно, что участки тепловых труб 25 в подогревательной части 16 первой в направлении потока газа-носителя ступени 1-неоребрепные, а участки тепловых труб 26 в охлаждающей части 15-оребренные. Неоребренные участки тепловых труб 25 состоят из коррозионностойкого материала. Они могут быть снабжены, как обозначено штрих-пунктирной линией, пластмассовым покрытием 27 из кислотостойкого материала.

Тепловые трубы 14 второй обменной ступени II являются сребренными как в охлаждающей части 15, так и подогревательной части 16. Правда, расстояние между ребрами на участках тепловых труб 29 в охлаждающей части 15 меньше, чем рассчитано на участках тепловых труб 28 в подогревательной части 16 так, что теплообменная поверхность участков тепловых труб 29 в охлаждающей части - больше, чем теплообменная поверхность участков тепловых труб 28 в подогревательной части 16.

В третьей и последней обменной ступени III участки тепловых труб 30 в подогревательной части 16 и в охлаждающей части 15 оснащены ребрами идентичными по размеру и по расстоянию между ними.

В устройстве 1 на фиг. 2, в котором тепловые трубы 14 расположены с небольшим наклоном к горизонтали, осуществляется согласно фиг. 4, подгонка опорных выступов 21 к выемкам 24 перегородки 22 с помощью пружины 31, которая, с одной стороны, над тарелкой 32 опирается на оребрение 33 тепловых труб 14, а с другой стороны, на опору 34, установленной над завинчивающимся болтом 35 на наружной стенке 36 газового канала 2. Тепловые трубы 14 проходят в этом случае как через наружную стенку 36 газового канала 2, так и через наружную стенку 38 газового канала 3. Отверстия 39 - учитывающие также оребрение 33 - в наружных стенках 36 и 38, в направлении внешней среды с помощью корпуса выступающей части 40.

Из фиг. 1 и 3, помимо этого, можно еще увидеть, что к участкам тепловых труб 25 в подогревательной части 16.в направлении протекания газа-носителя первой обменной ступени I относится промывное и очистное устройство 37,

В практическом использовании газ-носитель, проходящий из основного процесса, подается через газопровод 7 и конический штуцер 5 в газовый канал 2. Поскольку температура реагирования катализатора 19 начинается лишь, примерно, ниже 300°С, то необходимо газ-носитель к началу процесса теплообмена подогреть сначала с помощью газовой горелки 18 перед катализатором 19 и многократно в закрытом контуре провести через устройство 1. Для этого запорные клапаны 9 в газопроводах 7, 8 закрывают, а

запорный клапан 11 в поперечном трубоп роводе 10 открывают.

Если газ-носитель достиг необходимой температуры, то запорный клапан 11 в по- 5 перечном трубопроводе 10 закрывают, и открываются запорные клапаны 9 в газопроводах 7, 8 снова. Газ-носитель протекает затем через отдельные подогревательные части 16 обменных ступеней I.II и

0 III, и тем самым постепенно нагреваются до рабочей температуры катализатора 19.

Из очищенного газа, выходящего из катализатора, в охлаждающих частях 16 об- меннах ступеней I, II, III отводится тепло, и

5 через тепловые трубы 14 передается на подогревательные части 16. Таким образом, газ-носитель нагревается до рабочей температуры катализатора 19, в противоположность этому, очищенный газ охлаждают до

0 той температуры, которая позволяет очищенный газ с желаемой температурой примерно 100-120°С переводить в дымовую трубу.

Если газ-носитель в катализаторе 19

5 был нагрет до такой степени, что очищенный газ также после протекания через охлаждающие части 15 обменных ступеней I, И, III имеет температуру, расположенную ниже температуры примерно 100-120°С,

0 благоприятной для отдачи в окружающую среду, то через теплообменник 20 отбирается такое количество тепла из очищенного газа, чтобы можно было обеспечить желаемую тем пе ратуру отдачи.

5

Формула изобретени я 1. Устройство для каталитической очистки отходящего газа носителя путем окисления вредных для окружающей среды

0 компонентов, включающее корпус с разделительной продольной перегородкой, образующей два канала, один из которых предназначен для газа-носителя, а другой - для чистого газа, теплообмен ное устройство

5 и катализатор, отличающееся тем, что оно снабжено очистителем-промывателем, а теплообменное устройство выполнено в виде двухступенчатой системы рециркуляции тепловой энергии из тепловых труб, по0 догреваемая часть которых расположена в канале для газа-носителя, а охлаждаемая часть - в канале для чистого газа, причем отношение величин теплообменных поверхностей подогревательной части к охлэждае5 мой части каждой обменной ступени уменьшается в направлении потока газа-носителя от одной обменной ступени к другой обменной ступени, а катализатор расположен непосредственно позади подогреваемой части последней обменной ступени.

2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что число тепловых труб увеличивается в направлении потока газа-носителя от одной ступени к другой обменной ступени,0

3.Устройство по пп. 1 и 2, о т ли ч а ю- щ е е с я тем. что участки тепловых труб в охлаждающей части первой в направлении потока газа-носителя обменной ступени снабжены ребрами.

4.Устройство по п. 3, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что неоребренные участки тепловых труб выполнены из крррозионностойкого материала.

5.Устройство по пп. 3 и 4, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что неоребренные участки тепловых труб снабжены пластмассовым покрытием из кислотостойкого материала.

6. Устройство по пп. .отличающееся тем, что очистное устройство расположено перед первой ступенью тепловых труб нагревательной части в направлении протекания газа-носителя.

7. Устройство по пп. 1-6, отличающееся тем, что тепловые трубы каждой 25 ступени по отдельности или группами устанавливаются на подшипниках.

0

5

0

5

8.Устройство по пп. 1-7, отличающееся тем, что подшипники выполнены в виде закрепленных в средних участках тепловых труб кольцевых конических опорных выступов, которые размещены в конических отверстиях разделительной перегородки.

9.Устройство по п. 8, отличающее- с я тем, что опорные выступы подогнаны в отверсти/ перегородки с помощью регулируемой силы натяжения пружины.

10.Устройство по п. 8, о т л и ч а ю щй- ё с я тем, что опорные выступы и отверстия выполнены с конической винтовой резьбой.

11.Устройство по пп. 1-10, отличаю- ще е с я тем, что корпус имеет размещенные между обменными ступенями и катализатором герметично закрываемые отверстия.

12.Устройство по пп. 1-11, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что оно снабжено компенсаторами.

13.УСТРОЙСТВО ПО ОДНОМУ ИЗ НТК

1-12, отличающееся тем, что оно снабжено размещенным в газовом канале, проводящим чистый газ, между катализатором и охлаждающей частью третьей ступени теплообменником.

Изобретение касается устройства для каталитического окисления вредных газовых выбросов. Устройство включает два проходящих параллельно друг другу газовых канала, которые на одном конце соединяются друг с другом через дугообразный изгиб (колено), а на другом конце примыкают к газопроводу для газа-носителя или к газопроводу для очищенного газа. Газовые каналы соединены друг с другом посредством трехступенчатой системы рециркуляции тепловой энергии. Обменные ступени системы рециркуляции тепловой энергии расположены на расстоянии по отношению друг к другу и состоят из отдельных тепловых труб, число которых увеличивается от одной обменной ступени до другой. Отношение размеров теплообмен ных поверхностей подогревательной части и охлаждающей части каждой обменной сту пени уменьшается в направлении протекания газ-носителя от одной обменной ступени к другой обменной ступени. Катализатор устанавливается непосредственно позади подогревательной части последней обменной ступени и газовый канал. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

з ФИГ1

со

27-Л

1C

-25 -U

21

/1

Щ-22

23

-26

,л

з

RG

-28 -(,

Мб

29

15

ФИГЗ

3 38