CN1126586C - 化学反应器中的紊流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对催化转换器的一些改进，从而可以使气体的压降与质量传递之间的比例最优化。为此目的，催化转换器包含由紊流发生器(3，4)形成的风道(1)，紊流发生器沿气流通道横向延伸。为此，催化转换器应满足一定的结构条件。这些条件是：从催化转换器(1)到更靠近所述入口的紊流发生器(3)的中心的距离，限定紊流发生器(3，4)的侧面(5)相对于穿过催化转换器风道(2)上的基座(8)的垂直面的倾斜度的夹角，上表面(6)相对于基座(8)的高度与风道(2)的液力直径D_h之比，第一与第二紊流发生器(3，4)在长度方向上的中心距离部与所述高度之比，每个紊流发生器(3、4)的上表面(6)的长度与催化转换器的基座(8)之上的所述表面的高度之比。

Description

化学反应器中的紊流发生器

技术领域

本发明涉及对催化转换器的一些改进，从而可以使气体的压降与质量传递之间的比例最优化。

背景技术

通常，一个催化转换器包含一个由大量相邻的小风道构成的衬板，在这些风道中流过的一种气体或混和气体将被转换。有许多材料可以用于构成催化转换器，例如陶瓷材料或不锈钢，铝等金属。

通常，陶瓷催化转换器的风道的横截面为三角形或多边形，即六边形。这种类型的催化转换器由挤压法制成，该方法制成的风道在整个长度方向上的横截面均保持相同，而且风道壁光滑平坦。

用金属制造催化转换器衬板时，常常将波形金属带和平金属带绕着一个轴线缠绕在一起。这样制成的风道的横截面形状为三角形或梯形。市场供应的金属催化转换器，其风道在整个长度范围内具有相同的横截面尺寸，这与陶瓷催化转换器一样，而且其风道壁也是光滑平坦的。

最重要的基本特征是，在气体或流过风道的混和气体与催化转换器风道壁之间会发生物质传递。物质传递系数是一个表示物质传递率的一个量度，如果要达到高效催化转换效果，则物质传递系数必须较高。

对于内燃机或工业中使用的上述各种催化转换器，风道具有相对较小的横截面形状，因此，气体速度也较小，这样气体会沿风道方向以相对规则的层流动。这样，气体主要为层流。只在邻近风道入口处的一小段长度内，才会出现一些指向风道壁的横流。为了给气体归类，需采用所谓的雷诺数，在这些应用中，雷诺数在100到600之间。只要雷诺数低于2000，则气体保持为层流。

在这一技术领域中有一个熟知的事实是，层流气体会在靠近风道壁处形成一个边界层，边界层的气体速度大致为零。这个边界层会严重减少物质传递系数，尤其是对于所谓的完全形成的气体来说更是如此。为了增加物质传递系数，必须使气体流向风道表面，从而减少边界层并增加各层间的气体传导。这可以通过紊流实现。当雷诺数达到大约2000以上时，光滑平坦的风道中的层流会变成紊流。为了使此处涉及的催化转换器风道中的雷诺数达到这一量级，需要使气体速度大大超过现有风道中的常规速度。为了使上述各种具有低雷诺数的催化转换器中产生紊流，需要采用人为方法，例如在风道中安装特殊的紊流发生器。

现在已有大量紊流发生器问世。在SE-B-46101B中的一个催化转换器的风道中带有横向波纹形的紊流发生器。在GB-A-2001547中的一个催化转换器的风道中带有的紊流发生器的结构为，从结构材料中横向穿出的金属片。此外，还有这二种紊流发生器的组合品产生。

这些紊流发生器的一个共同特点是，它们能显著增加物质传递能力。然而，压降值也显著增加。事实上已证明，压降的增幅已超过了物质传递的增幅。这种压降取决于紊流发生器的结构、尺寸以及几何形状。然而，已经知道上述各种紊流发生器产生的压降太大，因而不能被广泛采用。

发明内容

本发明的目的是找出一种紊流发生器，它们在催化转换器风道中的位置和结构能达到这样的效果，即获得压降与物质传递能力的最佳比值。在此，需采用液力直径这一概念。液力直径即流过气体的风道的横截面积与风道周长之比。在催化转换器风道的入口处，物质传递系数较高，这是因为边界层很薄。沿着主气流方向，边界层的厚度逐渐增加，而物质传递系数，即向风道表面传递的物质的比率逐渐减少。为了提高物质传递能力，并因此提高催化转换效率，风道壁上的紊流发生器不能距入口太近，这是由于此处物质传递能力已经很高。而且，在此处加上紊流发生器后还会使压降增大，这是不希望出现的。

本发明特征在于，为了实现上述目的，催化转换器的结构应当满足如权利要求所限定的某些条件。

附图说明

以下参考附图更详细地解释本发明，附图包括：

图1是一个立体图，显示了形成有根据本发明的紊流发生器的催化转换器的风道；

图2是以侧视图显示了风道；以及

图3是通过位于紊流发生器区域中的风道的横截面图。

具体实施方式

在附图中显示了根据本发明的催化转换器中的一个风道2的入口1以及该风道的一部分。附图中仅仅显示了最接近入口1的第一紊流发生器3和第二紊流发生器4。风道2的高度为h。从入口至第一紊流发生器3的中心处的距离X₁由下列公式确定： $0.01<\frac{X_1}{\mathrm{Dh}\&CenterDot;\mathrm{Re}\&CenterDot;\mathrm{Sc}}<0.015$

其中Dh为风道的液力直径；

Re为雷诺数；

Sc为气体混合物的施密特数。

从上述公式中可以明显看出X₁取决于雷诺数，并因而取决于气体速度。因而第一紊流发生器3的最佳位置取决于主要运行条件。

如图2所示，每个紊流发生器3、4均有一个特定的几何形状。因此，它们由一个倾斜的后侧面5、一个平的上表面6以及一个倾斜的前侧面7形成。

根据本发明，适用以下条件：

限定紊流发生器3、4的后侧面5相对于催化转换器风道2的基座8的夹角θ应在35至50度之间，而上表面6相对于基座8的高度e与风道2的液力直径Dh之比应在0.35到1.0之间。此外，第一和第二紊流发生器3、4的中心之间的距离P与高度e之比应在20至50之间，而每个紊流发生器3、4的上表面6的长度B与上表面6相对于催化转换器基座8的高度e之比应在1.5至4之间。

根据本发明的原理使紊流发生器3、4具有特定的几何形状，并使二者之间以及二者与风道2的入口1之间具有预定的距离，而风道2的横截面形状则为优选的三角形或梯形，从而可以达到增加物质传递的目的，并因此增加催化转换能力，同时又使压降的增加幅度较为适度。当气流到达紊流发生器3时，由于横截面积减小，而使得气流速度局部性升高，图3用于显示该特征。之后，气流通过紊流发生器3并离开形成在上表面6与前侧面7之间相交处的边缘，此时气流由于受到这一分隔并遇到横截面积急剧扩张的情况，因而产生强烈的紊流运动。这一过程会非常有效地增加物质传递能力。

紊流发生器4位于距第一紊流发生器3为计算距离P处，以使因此产生的紊流能被尽可能完全利用，并可以在气流通过紊流发生器4以前形成一个二次接触区，如图1中以O表示的区域。这样，可以防止不必要的过度压降，而不会使已产生的紊流中物质传递能力显著增加。在二次接触区O内，气体在到达紊流发生器4之前，又在很大程度上邻近光滑表面流动。

很重要的一点是，紊流发生器3、4的边缘是足够的尖，从而产生分隔点(变速点)。如图2所示，半径r应使得r与Dh的比值在0.04至0.2之间。

根据本发明的原理成形的紊流发生器对于高速气流同样有效。在高速时，气流即使在光滑风道中也会形成紊流。通过收敛/发散效果以及气体的分隔、二次接触机构，可使自然形成的紊流增强。

通过下面的方式可以利用根据本发明的物质传递能力的增加。物质传递能力j一般取决于下面公式：j＝p·h_M·A(W_1S-W_1W)，其中：

h_M是物质传递系数，

A是传递表面，

W_1S是气体中的物质1的含量百分比(体积)，

W_1W是表面处物质1的含量百分比，

ρ是气体的密度。

表达式W_1S-W_1W是未转换气体浓度的一个测量值。如果h_w增加，则对于一个恒定大小的表面A，其催化转换率也增加。另一方面，如果不需要增加j，换言之，即物质传递保持恒定，则可以减小风道表面面积。这样，就可以减少承载材料(金属催化转换器中的不锈钢以及涂浆层)以及催化转换器中的非常昂贵的贵金属，这样就可以获得显著的经济收益。

此外，对于该催化转换器的一个给定的前区域，希望减小风道表面的面积，这种面积减小可以通过增大液力直径来实现。这将使压降减小，从而弥补在产生紊流时引起的额外压降。这样，尽管物质传递能力增加(hw提高)，压降增加会受到限制。因此，较高的物质传递系数会弥补风道表面面积减小造成的影响。这样，承载材料和涂浆层以及催化转换器中的昂贵的贵金属的用量又可以减少，从而获得显著的经济收益。

假定我们具有预定尺寸的一个直的光滑风道。对于这种所谓的气流完全形成区，其压降(对于一个给定风速)与液力直径成反比。当液力直径增加，例如增加1倍，则压降会相应减少。对于完全形成的气流与物质含量百分比来说，物质传递表面也与液力直径成反比。因此，物质传递也会减少。如果在一个相对较大的风道中装有根据本发明的紊流发生器，则压降和物质传递将增加。不需减少物质传递即可使压降值增加到适于小型风道的值。物质传递的精确数值取决于各紊流发生器的几何形状。当物质传递系数达到适于小型风道的值两倍时，则可以只使用几乎一半的材料(承载材料、涂浆层和贵金属)就可获得相同的催化转换效果。

Claims (1)

1.一种改进的催化转换器，用以优化流过催化转换器的气体的压降与物质传递能力的比值，为此目的，催化转换器具有一个风道(1)，该风道由紊流发生器(3、4)形成，紊流发生器在气体流动通道中横向延伸并且具有后侧面(5)、上表面(6)、和前侧面(7)，其特征在于，为了满足所述要求，催化转换器的结构满足下列条件：

从催化转换器入口(1)到最靠近所述入口的紊流发生器(3)的中心的距离X1由下式限定： $0.01<\frac{X_1}{\mathrm{Dh}\&CenterDot;\mathrm{Re}\&CenterDot;\mathrm{Sc}}<0.015$ 其中：Dh为风道的液力直径，

  Re为雷诺数，

  Sc为气体混合物的施密特数；

限定了紊流发生器(3、4)的后侧面(5)相对于穿过催化转换器风道(2)的基座(8)的竖直平面的倾斜度的角θ应在35至50°之间；

上表面(6)相对于基座(8)的高度e与风道(2)的液力直径Dh之比在0.35至1.0之间；

从风道入口(1)看，第一和第二紊流发生器(3、4)的中心间的距离P与上述高度e之比在20至50之间；以及

每个紊流发生器(3、4)的上表面(6)的长度B与所述表面相对于催化转换器的基座(8)的高度e之比在1.5至4.0之间。

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