CN110013764B - 离子液体相变蓄热式催化氧化装置 - Google Patents

离子液体相变蓄热式催化氧化装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种离子液体相变蓄热式催化氧化装置，主要解决现有技术中蓄热放热过程温度变化大、蓄热密度低、安全性较差的问题。本发明通过采用一种离子液体相变蓄热式催化氧化装置，化工装置产生的含VOC的废气进入相变蓄热器进行预热后进入气体混合器与空气或氧气混合，混合气体经阻火装置进入催化氧化反应器，催化氧化反应器出口的净化后的高温气体进入相变蓄热器，将热量转化为相变材料的潜热储存，降温后的净化气体进入尾气处理装置，处理后的气体达标排放的技术方案较好地解决了上述问题，可用于催化氧化中。

Description

离子液体相变蓄热式催化氧化装置
技术领域
本发明涉及一种离子液体相变蓄热式催化氧化装置。
背景技术
化工装置中产生的有机尾气一般会通过催化氧化方式脱除其中的有害气体再排放或进一步处理，也会通过催化氧化将尾气中的氧气脱除，防止下游工艺氧含量超标而发生燃爆，此外，通常采用蓄热的方式将反应器产生的热量来预热原料气，上述措施结合可实现安全、环保、节能的要求。
催化氧化反应过程会释放出大量热量，且有机气体处理过程通常不是连续运行，难以实现热量连续换热，可采用蓄热方式实现热量在时空转移，达到节能目的。显热蓄热利用蓄热介质的温度升高实现能量贮存，通常要求比较大的比热，显热蓄热的热量储存密度低，蓄热、放热过程温度变化大，目前常用的蓄热材料有蜂窝陶瓷、氧化铝、二氧化钛等。相变蓄热利用蓄热材料的相变来进行热量的储存和利用，该方式热量存储密度高，基本在等温条件下实现热量转移，常见的潜热蓄热材料有熔融盐、水凝胶、有机醇等。
离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子所组成的、在室温或接近室温条件下呈液态的盐类，是一种新兴的绿色功能材料。离子液体液程宽、不挥发、不燃烧、热稳定性好、导热性好、热容和热能存储密度高，且可以通过改变阴、阳离子结构进行定向设计，因此具有作为相变蓄热或蓄冷材料的潜力。
CN202166064U公开了一种蓄热式催化氧化反应器，其壳体内设有上下分布的催化反应层和蓄热层，催化反应层和蓄热层均匀分隔为若干轴向气流通道，气流通道的下端设有旋转组合阀组，完成进气、催化氧化、换向清洗、蓄热、低温排气的过程。CN203208897U公开了一种蓄热式催化氧化炉，包括过滤器、蓄热室和排风机，废气进口通过过滤器与蓄热室连接，蓄热室通过排风机与烟囱连接，蓄热室设置有三个蓄热体，分别通过电加热室与催化室连接，可以处理不同浓度、不同种类有机废气。CN205505032U公开了一种蓄热式催化氧化装置，包括燃烧器，废气入口、催化氧化装置和气体出口，催化氧化结构包括蓄热室和燃烧室，并分别通过集气罩罩住，能够防止催化剂温度过高而失效。CN202868649U公开了一种蓄热式催化氧化装置，包括燃烧喷嘴、燃烧室和三条以上废气通道，燃烧喷嘴设置在燃烧室内，所有废气通道的上端交汇处汇集于燃烧室内，与燃烧室构成密闭结构，每条废气通道的下端均设置了进气口、出气口和清洗口，每条废气通道内由下端至上端依次设置低温蓄热段、催化氧化段和高温蓄热段。
上述蓄热式催化氧化装置中，蓄热方式均采用显热蓄热，一般采用蜂窝陶瓷蓄热体，将废热转化为蓄热材料的显热来进行回收利用，蓄热过程温度会逐渐升高，设备的散热会损失较多热量，进而降低材料的储热密度。本发明提出采用离子液体作为相变储能材料，实现催化氧化过程的相变等温蓄热，具有蓄热、放热过程温度恒定，工艺波动小、储能效率和密度高的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中蓄热放热过程温度变化大、蓄热密度低、安全性较差的问题，提供一种新的离子液体相变蓄热式催化氧化装置，具有蓄热放热过程温度恒定、蓄热密度高、安全性较好的优点。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种离子液体相变蓄热式催化氧化装置，包括气体混合器、阻火装置、催化氧化反应器、相变蓄热器、尾气处理装置，所述气体混合器设有气体入口管线，气体混合器通过管线与阻火装置相连，阻火装置通过管线与催化氧化反应器相连，催化氧化反应器通过管线与相变蓄热器相连，相变蓄热器通过管线与尾气处理装置相连；所述相变蓄热器上设有冷流体入口、冷流体出口、热流体入口、热流体出口，相变蓄热器内设有导热管、导热翅片、离子液体相变蓄热材料、蓄热室，相变蓄热器外设有保温层；化工装置产生的含VOC的废气进入相变蓄热器进行预热后进入气体混合器与空气或氧气混合，混合气体经阻火装置进入催化氧化反应器，催化氧化反应器出口的净化后的高温气体进入相变蓄热器，将热量转化为相变材料的潜热储存，降温后的净化气体进入尾气处理装置，处理后的气体达标排放；所述相变蓄热器内采用离子液体。
上述技术方案中，优选地，阻火装置为阻火器；离子液体为咪唑类离子液体。
上述技术方案中，优选地，阻火装置内填充防爆波纹阻火填料。
上述技术方案中，优选地，催化氧化反应器反应温度为150-400℃。
上述技术方案中，优选地，尾气处理装置为火炬或吸收塔。
上述技术方案中，优选地，在阻火装置前设置可燃气体和氧含量分析设备，一旦检测到超过爆炸下限或氧含量超标，启动氮气吹扫，气体进行安全泄放。
上述技术方案中，优选地，空气或氧气与氮气、预热后的废气混合后进入气体混合器。
上述技术方案中，优选地，化工装置产生的含VOC的废气可选择地经过气体压缩机后进入相变蓄热器。
上述技术方案中，优选地，化工装置产生的含VOC的废气进入相变蓄热器进行预热至100-120℃后进入气体混合器与空气或氧气混合。
上述技术方案中，优选地，催化氧化反应器出口的净化后的高温气体进入相变蓄热器，将热量转化为相变材料的潜热储存，净化气体温度降至150-200℃后进入尾气处理装置。
传统蓄热式催化氧化装置一般采用蜂窝陶瓷等显热蓄热方式，蓄热、放热过程温度变化大，蓄热密度低。本发明提出采用离子液体作为相变蓄热材料，实现蓄热、放热过程温度恒定，相变潜热大，蓄热能力能够提高50％以上。此外，本发明提出采用气体混合器实现有机气体与氧气进行混合，提高混合均匀性，避免局部分布不均进入爆炸极限。通过可燃气体和氧含量分析设备以及氮气吹扫、紧急泄放等措施防止混合气体发生燃爆，实现蓄热式催化氧化过程的本质安全，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图。
图1中，1催化氧化反应器；2相变蓄热器；3气体混合器；4气体压缩机；5尾气处理装置；6-1待处理有机气体；6-2经过相变蓄热器后的有机气体；7空气或氧气；8氮气；9气体泄放管线；10-1进反应器前的混合气体；10-2反应器出口气体；10-3经过蓄热器后的已处理气体；11排放气体；12可燃气体和氧含量分析装置；13阻火器。
图2为离子液体相变蓄热器结构图。
图2中，2-1冷流体入口；2-2冷流体出口；2-3热流体入口；2-4热流体出口；2-5导热管；2-6导热翅片；2-7离子液体相变蓄热材料；2-8保温层；2-9换热室；2-10蓄热室。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
一种离子液体相变蓄热式催化氧化装置，包括气体混合器、阻火装置、催化氧化反应器、相变蓄热器、尾气处理装置，所述气体混合器设有气体入口管线，气体混合器通过管线与阻火装置相连，阻火装置通过管线与催化氧化反应器相连，催化氧化反应器通过管线与相变蓄热器相连，相变蓄热器通过管线与尾气处理装置相连；所述相变蓄热器上设有冷流体入口、冷流体出口、热流体入口、热流体出口，相变蓄热器内设有导热管、导热翅片、离子液体相变蓄热材料、蓄热室，相变蓄热器外设有保温层。
某化工装置产生的含丙烯、丙烷的有机气体首先进入射流混合器3与空气混合，控制氧气含量低于10％。混合后的气体进入相变蓄热器2进行预热至200℃，蓄热器采用固定化的咪唑类离子液体(溴化1-癸基-3-甲基咪唑离子液体)，蓄热器最外层填充保温棉，经预热后的混合气体经过阻火装置13进入催化氧化反应器1，阻火装置内填充防爆波纹阻火填料。混合气体在催化氧化反应器内转化为二氧化碳和水，根据所选催化剂的性能，操作温度为180-220℃。反应后250℃的气体进入蓄热器内降温至200℃左右，净化后的气体进入吸收塔5经水吸收、进一步降温后排放。为提高蓄热式催化氧化装置的安全性，在阻火装置前设置可燃气体和氧含量分析设备12，一旦检测到氧含量超过10％启动氮气吹扫线8，气体通过泄放管线9进行排放。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件，某化工装置产生的含乙烯、甲烷和二氧化碳的有机气体通过压缩机4增压至1.0MPa后进入射流混合器3与氧气混合，控制氧气含量低于8％。混合后的气体进入相变蓄热器2进行预热至350℃，蓄热器采用固定化的咪唑类离子液体(溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑离子液体)，相变温度在350℃左右，蓄热器最外层填充保温棉，经预热后的混合气体经过阻火装置13进入催化氧化反应器1，阻火装置内填充防爆波纹阻火填料。混合气体在催化氧化反应器内转化为二氧化碳和水，根据所选催化剂的性能，操作温度为350-380℃。反应后380℃左右的气体进入蓄热器内降温至350℃左右，净化后的气体10-3进入火炬5燃烧后排放。为提高蓄热式催化氧化装置的安全性，在阻火装置前设置可燃气体和氧含量分析设备12，一旦检测到氧含量超过8％启动氮气吹扫线8，气体通过泄放管线9进行排放。
【实施例3】
按照实施例1所述的条件，某化工装置产生的含乙烯、甲烷和二氧化碳的有机气体通过压缩机4增压至1.0MPa后进入射流混合器3与氧气混合，控制氧气含量低于8％。混合后的气体进入相变蓄热器2进行预热至350℃，蓄热器采用固定化的咪唑类离子液体(六氟磷酸1-辛基-3-甲基咪唑离子液体)，相变温度在350℃左右，蓄热器最外层填充保温棉，经预热后的混合气体经过阻火装置13进入催化氧化反应器1，阻火装置内填充防爆波纹阻火填料。混合气体在催化氧化反应器内转化为二氧化碳和水，根据所选催化剂的性能，操作温度为350-380℃。反应后380℃左右的气体进入蓄热器内降温至350℃左右，净化后的气体10-3进入火炬5燃烧后排放。为提高蓄热式催化氧化装置的安全性，在阻火装置前设置可燃气体和氧含量分析设备12，一旦检测到氧含量超过8％启动氮气吹扫线8，气体通过泄放管线9进行排放。
本发明提出采用离子液体作为相变蓄热材料，实现蓄热、放热过程温度恒定，相变潜热大，相比传统显热蓄热方式蓄热能力能够提高50％以上。此外，本发明提出采用气体混合器实现有机气体与氧气进行混合，提高混合均匀性，避免局部分布不均进入爆炸极限。通过可燃气体和氧含量分析设备以及氮气吹扫、紧急泄放等措施防止混合气体发生燃爆，实现蓄热式催化氧化过程的本质安全，相比传统技术大大提高了安全性，取得了较好的技术效果。

Claims (8)

1.一种离子液体相变蓄热式催化氧化装置，包括气体压缩机、气体混合器、阻火装置、催化氧化反应器、相变蓄热器、尾气处理装置，所述气体混合器设有气体入口管线，气体混合器通过管线与阻火装置相连，阻火装置通过管线与催化氧化反应器相连，催化氧化反应器通过管线与相变蓄热器相连，相变蓄热器通过管线与尾气处理装置相连；
所述相变蓄热器上设有冷流体入口、冷流体出口、热流体入口、热流体出口，相变蓄热器为包括蓄热室和换热室的两层结构，相变蓄热器内设有导热管、导热翅片和离子液体相变蓄热材料，相变蓄热器外设有保温层；化工装置产生的含VOC的废气进入相变蓄热器进行预热后进入气体混合器与空气或氧气混合，混合气体经阻火装置进入催化氧化反应器，催化氧化反应器出口的净化后的高温气体进入相变蓄热器，将热量转化为相变材料的潜热储存，降温后的净化气体进入尾气处理装置，处理后的气体达标排放；所述相变蓄热器内采用离子液体；
在阻火装置前设置可燃气体和氧含量分析设备，一旦检测到超过爆炸下限或氧含量超标，启动氮气吹扫，气体进行安全泄放；
化工装置产生的废气可选择地经过气体压缩机后进入相变蓄热器。
2.根据权利要求1所述离子液体相变蓄热式催化氧化装置，其特征在于，阻火装置为阻火器；离子液体为咪唑类离子液体。
3.根据权利要求1或2所述离子液体相变蓄热式催化氧化装置，其特征在于，阻火装置内填充防爆波纹阻火填料。
4.根据权利要求1所述离子液体相变蓄热式催化氧化装置，其特征在于，催化氧化反应器反应温度为150-400℃。
5.根据权利要求1所述离子液体相变蓄热式催化氧化装置，其特征在于，尾气处理装置为火炬或吸收塔。
6.根据权利要求1所述离子液体相变蓄热式催化氧化装置，其特征在于，空气或氧气与氮气、预热后的废气混合后进入气体混合器。
7.根据权利要求1或6所述离子液体相变蓄热式催化氧化装置，其特征在于，化工装置产生的含VOC的废气进入相变蓄热器进行预热至100-120℃后进入气体混合器与空气或氧气混合。
8.根据权利要求1所述离子液体相变蓄热式催化氧化装置，其特征在于，催化氧化反应器出口的净化后的高温气体进入相变蓄热器，将热量转化为相变材料的潜热储存，净化气体温度降至150-200℃后进入尾气处理装置。
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