ES2230271T3 - Un dispositivo para el tratamiento catalitico de fluidos. - Google Patents

Un dispositivo para el tratamiento catalitico de fluidos.

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ES2230271T3 ES01904724T ES01904724T ES2230271T3 ES 2230271 T3 ES2230271 T3 ES 2230271T3 ES 01904724 T ES01904724 T ES 01904724T ES 01904724 T ES01904724 T ES 01904724T ES 2230271 T3 ES2230271 T3 ES 2230271T3
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Tomas Dahlberg
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Abstract

Un dispositivo para tratamiento catalítico de fluidos e intercambio de calor entre los citados fluidos y un medio fluido separado antes o después del tratamiento catalítico, comprendiendo el citado dispositivo: un intercambiador de calor de placas (1) que tiene al menos dos circuitos separados para intercambiar calor entre medios fluidos, estando definidos los citados circuitos por una pluralidad de placas (2) apiladas interconectadas, teniendo el citado intercambiador de calor de placas (1) una abertura de entrada (9, 11) y una abertura de salida (10, 22) para cada circuito, comunicándose cada abertura de entrada (11) y de salida (22) con una lumbrera (7, 8) generalmente cilíndrica que se extiende en el intercambiador de calor de placas (1) principalmente en dirección perpendicular a la dirección general de las placas (2) del intercambiador de calor, comunicándose cada lumbrera (7, 8) con uno de los circuitos, en el que al menos una (7) de las citadas lumbreras contiene un elemento catalizador de malla metálica (21) obturado (12) y conectado de forma liberable (14) con la abertura del intercambiador de calor (1) en la lumbrera actual (7) con el fin de que el fluido que atraviesa la lumbrera (7) sea forzado simultáneamente a través del elemento catalizador de malla metálica (21).

Description

Un dispositivo para el tratamiento catalítico de fluidos.
La presente invención se refiere a un dispositivo para realizar tratamiento catalítico de fluidos e intercambio de calor entre los citados fluidos y un medio fluido separado antes de o después del tratamiento catalítico, comprendiendo el citado dispositivo un intercambiador de calor de placas que tiene al menos dos circuitos separados para intercambiar calor entre medios fluidos, estando los citados circuitos definidos por una pluralidad de placas apiladas, interconectadas, teniendo el intercambiador de calor de placas una abertura de entrada y una de salida para cada circuito, comunicándose cada abertura de entrada y salida con una lumbrera o abertura de paso generalmente cilíndrica que se extiende en el interior del intercambiador de calor principalmente en dirección perpendicular a la dirección general de las placas del intercambiador de calor, comunicándose la citada lumbrera con uno de los circuitos.
Para proporcionar agua caliente sanitaria y agua para calefacción doméstica, por ejemplo, es conocido utilizar calderas que tienen quemadores para combustión catalítica de un combustible gaseoso con aire o un combustible líquido atomizado con aire. Los gases de escape se hacen pasar a través de un intercambiador de calor tras haber salido de la cámara de combustión de la caldera. La combustión catalítica puede proporcionar una combustión efectiva produciendo unos gases de escape muy limpios. En particular, el contenido en No_{x} puede ser extremadamente bajo. Es también conocido que un intercambio de calor entre gases de escape y agua que se va a calentar puede realizarse más eficientemente en un intercambiador de calor de placas. Una combinación de un quemador catalítico y un intercambiador de calor de placas tendría ciertamente como resultado un dispositivo que combina las ventajas de un quemado limpio y un diseño de bajo peso, compacto. Una combinación de quemador catalítico con un intercambiador de calor de tubos es conocido por los documentos CH-A-682 346 y US-A-3 709 473.
Para uso a alta temperatura puede fabricarse un intercambiador de calor de placas más eficientemente mediante soldadura fuerte o soldando las placas del intercambiador juntas. Sin embargo, los catalizadores utilizados generalmente para realizar combustión catalítica contienen metales nobles u óxidos metálicos que pueden ser afectados negativamente por materiales vaporizados presentes durante un proceso de soldadura fuerte o soldadura a elevada temperatura. Así, no es aconsejable incluir un material catalizador en el proceso de fabricación de intercambiadores de calor de placas.
De acuerdo con la presente invención, al menos una de las lumbreras del intercambiador de calor contiene un elemento catalizador de malla metálica obturado y conectado de forma liberable a las aberturas del intercambiador de calor de la lumbrera actual para que el fluido que pasa por la lumbrera sea forzado simultáneamente a pasar a través del elemento catalítico de malla metálica.
En caso de que el dispositivo vaya a ser utilizado para combustión de, por ejemplo, gas natural o combustible líquido atomizado con aire se monta el citado elemento catalizador de malla metálica junto con un encendedor para combustión de combustible con aire en una lumbrera de entrada del intercambiador de calor de placas.
Sin embargo, el mismo modo de montar el elemento catalizador puede usarse en un dispositivo para vaporizar, por ejemplo, alcohol metílico y subsiguientemente craquear el mismo catalíticamente si el citado elemento catalizador de malla metálica se monta en una lumbrera de salida del intercambiador de calor para craqueo catalítico de un fluido precalentado en el intercambiador de calor de placas. El craqueo catalítico de alcohol metílico conducirá a la formación de gas hidrógeno que puede usarse a continuación en una pila de combustible para producir electricidad.
Una explicación más detallada de la presente invención y de las ventajas obtenidas por la misma resultarán evidentes de la siguiente descripción de una realización preferida, en referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Fig. 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo de acuerdo con la invención para la combustión de un combustible con aire y para calentar agua para uso doméstico.
La Fig. 2 es una sección a lo largo de la línea II-II de la Fig. 1.
La Fig. 3 es una vista en perspectiva de dos intercambiadores de calor de placas adyacentes en el dispositivo mostrado en las figuras 1 y 2, estando las placas separadas.
La Fig. 4 es una vista en perspectiva y en despiece de las partes del quemador mostrado en la Fig. 2.
La Fig. 5 es una sección a través de una realización modificada de un quemador catalítico para ser usado en un dispositivo del tipo mostrado en la Fig. 2.
Como se muestra en las Fig. 1 y 2, un intercambiador de calor de placas 1 está compuesto por un número de placas 2 apiladas que definen dos sistemas de canales separados para dos medios fluidos diferentes entre ellos. Como se muestra en la Fig. 3, cada una de las placas 2 está provista de cuatro agujeros 3, 4, 5 y 6, los cuales en la pila de placas, definirán cuatro lumbreras: una lumbrera de entrada y de salida para cada uno de los dos medios para intercambiar calor. La Fig. 2 muestra la lumbrera de entrada 7 para los gases de escape de la combustión de un combustible con aire y una lumbrera de salida 8 para los citados gases que salen del dispositivo a una temperatura baja. El número de referencia 9 en la figura 1 designa una entrada para agua que se va a calentar y una salida para el agua calentada ha sido designada con 10.
Como se muestra con más detalle en la Fig. 2, un tubo metálico 11 para introducir combustible y aire está unido a una brida 12 que a su vez está sujeta por medio de pernos 14 aplicada a una placa de extremo 13 en la pila de placas 2. Una primera red 15 permeable al gas, conformada como parte de una esfera, está conectada al extremo inferior del tubo metálico 11. El extremo inferior del tubo 11 tiene también una placa de obturación metálica 16 que se extiende en un plano radial y que comprende una segunda red tubular 17 permeable al gas. La citada segunda red tubular 17 comprende una placa de obturación metálica 18 en forma de disco desde la cual una tercera red tubular 19 que tiene un diámetro mayor que la segunda red 18 se extiende hacia arriba y está conectada rígidamente a la placa 16. Un encendedor eléctrico 20 está unido a la brida 12 y sirve para iniciar la combustión. Los componentes 11, 12 y 15-20 forman un quemador 21 que es separable y fácil de reemplazar debido a la conexión por medio de los pernos 14. La unidad 21 se muestra separadamente en la Fig. 4, en la cual, sin embargo, los componentes están mostrados separados.
Las redes permeables al gas 15, 17 y 19 comprenden preferiblemente una malla de hilo metálico basada en una aleación del tipo que se vende bajo la marca comercial Kanthal - que consiste principalmente en hierro, cromo y aluminio y usada ampliamente para bobinas de calentamiento eléctrico a altas temperaturas. La malla de hilo lleva un recubrimiento cerámico, por ejemplo, de sílice u óxido de aluminio, que a su vez ha sido dopado con un material catalizador tal como un metal del grupo del paladio o un óxido metálico adecuado. El diámetro de la red exterior 19 es ligeramente menor que el de la lumbrera de entrada 7 para los gases de combustión formados por la combustión de la mezcla gas-aire y definida por los agujeros 3 de las placas 2. Preferiblemente, los agujeros 3 son de un diámetro mayor que los de los agujeros 4-6 de las placas restantes.
La lumbrera de entrada 7 y la lumbrera de salida 8 se comunican por medio de canales definidos por las placas 2 como es convencional en intercambiadores de calor de placas de dos circuitos. La lumbrera 8 comunica con un tubo de salida 22 de gases de escape. La entrada 9 para agua que se va a calentar y la salida 10 de agua se comunican por medio de canales formados por las placas 2 y situados adyacentes a los canales que guían a los gases de escape a través del intercambiador de calor de placas.
El dispositivo mostrado en las Figs. 1-4 operará como sigue:
Una mezcla de combustible (por ejemplo gas natural o combustible líquido atomizado) y aire se hace pasar hacia abajo a través del tubo 11 y pasará al espacio limitado por las redes de catalizador primera y segunda 15 y 17. Aquí, la mezcla combustible-aire es encendida por el encendedor eléctrico 20 - una bujía de chispa o una bobina calentadora eléctrica de tipo convencional. La combustión se completa haciendo pasar la mezcla combustible-aire a través de las tres redes 15, 17 y 19. La temperatura de combustión máxima será de aproximadamente 800ºC. Los gases de combustión pasarán ahora inmediatamente a través del intercambiador de calor de placas a través de cada uno de los canales formados en el mismo por las placas 2. Los restantes canales se usan para flujos de agua que se va a calentar mediante los gases de combustión. Como es bien conocido en la técnica, un intercambiador de calor de placas puede tener una gran capacidad de intercambio de calor comparada con su volumen, y los gases de escape que salen del dispositivo a través del tubo de salida 22 de los gases de escape puede tener una temperatura sólo unos pocos grados centígrados por encima de la temperatura del agua calentada. Como es bien conocido, una combustión catalítica puede realizarse con un mínimo de exceso de aire y proporcionar gases de escape muy limpios - incluso en lo que se refiere a contenidos en No_{x}. Puede obtenerse un alto grado de eficiencia térmica.
El dispositivo descrito anteriormente es de un diseño muy compacto debido a la situación de la unidad de quemador 21 dentro de la lumbrera de entrada 7. El modo de montar la unidad 21 hace posible realizar una soldadura fuerte o soldar las placas 2 juntas, separadas de las redes 15, 17 y 19 que contienen catalizador. El flujo de gases de combustión desde la lumbrera 7 hasta la lumbrera 8 seguirá un camino definido por la resistencia al flujo ofrecida por el citado camino. La menor resistencia puede ser ofrecida por la distancia más corta. Con el fin de hacer uso del volumen total del intercambiador de calor puede ser ventajoso usar espesor variable de la tercera red 19 - es decir, las partes de la red 19 situadas más cerca de la lumbrera de salida 8 pueden hacerse de red de malla de hilo metálico doble. Esto se ha mostrado en la Fig. 5, en la cual la parte de la red 19 más cercana a la lumbrera de salida 8 está suplementada por una parte de red 19a. La unidad 21 es fácil de reemplazar en caso de necesidad y la combinación de un quemador de catalizador incorporado y un intercambiador de calor de placas es excepcional en lo que se refiere a los bajos peso y volumen en relación a su capacidad calorífica.
El dispositivo mostrado puede ser utilizado para craqueo catalítico de un fluido que necesita precalentamiento antes del craqueo catalítico. Por ejemplo, puede introducirse metanol a través del tubo 22, precalentado mediante agua caliente que se hace pasar a través del intercambiador desde la primera salida 10 hasta la primera entrada 9. El metanol precalentado se craqueará cuando pase a través de las redes de catalizador 19, 17 y 15. El flujo que sale del dispositivo a través del tubo 11 puede más tarde ser una fuente de oxígeno e hidrógeno para usar en una pila de combustible.
Lista secuencial
1.
Intercambiador de calor de placas
2.
Placas
3.
Agujero
4.
Agujero
5.
Agujero
6.
Agujero
7.
Lumbrera de entrada
8.
Lumbrera de salida
9.
Entrada de agua
10.
Salida de agua
11.
Tubo
12.
Brida
13.
Placa de extremo
14.
Perno
15.
Primera red
16.
Placa de obturación
17.
Segunda red
18.
Placa de cierre
19.
Tercera red
20.
Encendedor
21.
Unidad de quemador
22.
Tubo de gas

Claims (7)

1. Un dispositivo para tratamiento catalítico de fluidos e intercambio de calor entre los citados fluidos y un medio fluido separado antes o después del tratamiento catalítico, comprendiendo el citado dispositivo:
un intercambiador de calor de placas (1) que tiene al menos dos circuitos separados para intercambiar calor entre medios fluidos, estando definidos los citados circuitos por una pluralidad de placas (2) apiladas interconectadas, teniendo el citado intercambiador de calor de placas (1) una abertura de entrada (9, 11) y una abertura de salida (10, 22) para cada circuito,
comunicándose cada abertura de entrada (11) y de salida (22) con una lumbrera (7, 8) generalmente cilíndrica que se extiende en el intercambiador de calor de placas (1) principalmente en dirección perpendicular a la dirección general de las placas (2) del intercambiador de calor, comunicándose cada lumbrera (7, 8) con uno de los circuitos,
en el que al menos una (7) de las citadas lumbreras contiene un elemento catalizador de malla metálica (21) obturado (12) y conectado de forma liberable (14) con la abertura del intercambiador de calor (1) en la lumbrera actual (7) con el fin de que el fluido que atraviesa la lumbrera (7) sea forzado simultáneamente a través del elemento catalizador de malla metálica (21).
2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el citado elemento catalizador de malla de hilo metálico (21), junto con un encendedor (20) para la combustión de combustible con aire, está montado en una lumbrera de entrada (7) del intercambiador de calor de placas.
3. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el citado elemento catalizador de malla de hilo metálico (21) está montado en una lumbrera de salida (7) del intercambiador de calor (1) para craqueo catalítico de un fluido precalentado en el intercambiador de calor de placas (1).
4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque el citado elemento catalizador de malla de hilo metálico (21) comprende al menos dos catalizadores de malla de hilo metálico separados (15, 17, 19) dispuestos en serie en el camino del flujo.
5. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizado porque al menos uno (17, 19) de los citados catalizadores de malla de hilo metálico es de forma generalmente cilíndrica y se extiende a través de casi la longitud total de la lumbrera (7).
6. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizado porque uno (15) de los citados dos catalizadores de malla de hilo metálico es de forma parcialmente esférica.
7. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el citado catalizador de malla de hilo metálico (15, 17, 19) contiene un metal del grupo de metales del Pd o un óxido metálico adecuado soportado sobre un material cerámico que a su vez es llevado por una red de un metal resistente al calor o una aleación de un metal resistente al calor.
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