RU2100713C1

RU2100713C1 - Catalytic reactor-receiver and method of thermochemical transformation of light energy

Info

Publication number: RU2100713C1
Application number: RU95116900/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Аникеев; А.В. Гудков
Original assignee: Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН
Priority date: 1995-10-03
Filing date: 1995-10-03
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: power engineering; devices used for transformation of solar radiation energy into high-efficiency chemical energy. SUBSTANCE: catalytic reactor-receiver includes cylindrical or taper catalytic absorber, transparent sleeve enclosing the catalytic absorber, passage for introducing the reaction mixture into central part of absorber, outlet branch pipe for discharge of reaction products and sun ray reflector made in form of cone. Method of thermochemical transformation of solar energy in catalytic absorber from low-temperature area of absorber to high-temperature area, radial introduction of starting reaction mixture through catalytic absorber, thus providing for presence of reaction products in space between transparent wall and catalytic absorber. EFFECT: enhanced efficiency. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно, к устройствам и способам проведения процессов конверсии химических реагентов, позволяющим преобразовывать с высокой эффективностью энергию солнечного излучения в химическую энергию продуктов реакции. Такая конструкция каталитического реактора приемника и способа осуществления термохимических превращений может быть использована для реализации за счет энергии солнечного излучения многих эндотермических каталитических реакций, конверсии углеводородов для получения водорода и синтез газа, для аккумулирования и передачи энергии, разложения вредных и токсичных химических соединений. The invention relates to the field of energy, and more particularly, to devices and methods for carrying out the conversion processes of chemical reagents, which allows the conversion of solar radiation energy into chemical energy of reaction products with high efficiency. This design of the catalytic reactor of the receiver and the method of thermochemical transformations can be used to realize many endothermic catalytic reactions due to the energy of solar radiation, the conversion of hydrocarbons to produce hydrogen and synthesis gas, for the accumulation and transfer of energy, the decomposition of harmful and toxic chemical compounds.

Известны конструкции реакторов-приемников [1, 2] солнечной энергии рассматриваемые в качестве аналогов. К основным недостаткам таких конструкций можно отнести следующие. Кварцевые стенки или окна, предназначенные для ввода солнечного потока, выполнены в виде пластины или цилиндра большого диаметра, что усложняет технологию их изготовления, не позволяет проводить процесс конверсии при повышенных давлениях, приводит к необходимости герметизировать соединение кварц-металл по большому периметру. Known designs of reactor receivers [1, 2] of solar energy considered as analogues. The main disadvantages of such designs include the following. Quartz walls or windows intended for introducing solar flux are made in the form of a plate or cylinder of large diameter, which complicates the technology of their manufacture, does not allow the conversion process at elevated pressures, leads to the need to seal a quartz-metal compound along a large perimeter.

К недостаткам способа осуществления процессов термохимического преобразования солнечной энергии в таких конструкциях следует отнести первоначальный ввод исходных химических реагентов в пространство между прозрачной стенкой и каталитическим абсорбером и такую организацию движения реагентов, при которой, во-первых, с увеличением степени превращения реагента снижается тепловой поток на единицу поверхности катализатора, во-вторых, с увеличением объема продуктов реакции уменьшается время их контакта с катализатором. The disadvantages of the method for carrying out the processes of thermochemical conversion of solar energy in such structures include the initial introduction of the initial chemical reagents into the space between the transparent wall and the catalytic absorber and such an organization of the movement of reagents, in which, firstly, with an increase in the degree of conversion of the reagent, the heat flux decreases by one the surface of the catalyst, and secondly, with an increase in the volume of reaction products, the time of their contact with the catalyst decreases.

Известна конструкция каталитического гелиореактора, принятая за прототип [3] Устройство представляет из себя приемник солнечной энергии цилиндрической формы, спереди закрытый прозрачным кварцевым окном. Внутри полости реактора размещается каталитический абсорбер, выполненный из нескольких слоев с регулярной сотовой структурой ячеек разделенных меду собой зазором. A known design of a catalytic helioreactor, adopted as a prototype [3] The device is a cylindrical solar energy receiver, front closed with a transparent quartz window. Inside the reactor cavity is a catalytic absorber made of several layers with a regular honeycomb cell structure separated by a honey gap.

Каталитический гелиореактор работает следующим образом. Реакционный газовый поток проходит через противоточный теплообменник, где частично нагревается за счет тепла выходящих газов, поступает в коллектор и выходит в пространство между прозрачным окном и первым слоем каталитического абсорбера. The catalytic helioreactor operates as follows. The reaction gas stream passes through a counterflow heat exchanger, where it is partially heated by the heat of the exhaust gases, enters the collector and enters the space between the transparent window and the first layer of the catalytic absorber.

Сконцентрированный солнечный поток проходит через прозрачное окно и нагревает слои каталитического абсорбера. Реакционная газовая смесь проходит через слои каталитического абсорбера, на поверхности которого и происходят химические превращения. Concentrated solar flux passes through a transparent window and heats the layers of the catalytic absorber. The reaction gas mixture passes through the layers of a catalytic absorber, on the surface of which chemical transformations occur.

К недостаткам прототипа можно отнести следующие:
1. Для изоляции полости реактора требуется прозрачное окно большого диаметра плоской, слабо выгнутой (выпуклой) формы. Это снижает уровень давления, при котором возможно проводить процессы в термохимическом реакторе, значительно усложняет технологию изготовления таких стекол (материал стекол как правило кварц или ситалл);
2. исходные реагенты обогащенные углеводородами, вначале поступают в пространство между прозрачной стенкой и первым абсорбером. При контакте таких углеводородных смесей с прозрачным материалом на его поверхности может происходить пиролиз углеводородов с образованием углерода и его последующим отложением на поверхности прозрачного окна. Это приводит к сильному разогреву таких углеродных пятен на поверхности прозрачного материала и его разрушению;
3. Реакция конверсии и разложения химических реагентов происходят в основном с увеличением объема реакционной смеси, следовательно, в реакторе, содержащем плоские цилиндрические каталитические абсорберы, в процессе реакции будет увеличиваться линейная скорость реактантов и, следовательно, снижаться удельное время контакта. В этом случае с целью достижения требуемой степени превращения необходимо увеличивать габариты каталитических абсорберов, обеспечивая при этом подвод тепла на них в том же количестве;
4. Движение реакционной смеси, по мере конверсии, несмотря на частичное непосредственное нагревание абсорберов лучистым потоком, происходит при снижении теплового потока, подводимого к ним.The disadvantages of the prototype include the following:
1. To isolate the cavity of the reactor requires a transparent window of large diameter of a flat, slightly curved (convex) shape. This reduces the pressure level at which it is possible to carry out processes in a thermochemical reactor, significantly complicates the manufacturing technology of such glasses (glass material is usually quartz or glass);
2. The initial reagents enriched in hydrocarbons first enter the space between the transparent wall and the first absorber. When such hydrocarbon mixtures come in contact with a transparent material, hydrocarbon pyrolysis can occur on its surface with the formation of carbon and its subsequent deposition on the surface of the transparent window. This leads to a strong heating of such carbon spots on the surface of a transparent material and its destruction;
3. The reaction of conversion and decomposition of chemicals occurs mainly with an increase in the volume of the reaction mixture, therefore, in a reactor containing flat cylindrical catalytic absorbers, the linear velocity of the reactants will increase during the reaction and, therefore, the specific contact time will decrease. In this case, in order to achieve the desired degree of conversion, it is necessary to increase the dimensions of the catalytic absorbers, while providing the same amount of heat to them;
4. The movement of the reaction mixture, in the course of conversion, despite the partial direct heating of the absorbers by the radiant flux, occurs when the heat flux supplied to them decreases.

Изобретение решает задачу высокоэффективного преобразования и аккумулирования сконцентрированной солнечной энергии в продукты термохимической каталитической реакции, увеличивает надежность эксплуатации и ресурс работы устройства, позволяет проводить процессы высокотемпературной конверсии химических реагентов при повышенных давлениях. The invention solves the problem of highly efficient conversion and accumulation of concentrated solar energy into products of a thermochemical catalytic reaction, increases the reliability of operation and the service life of the device, allows for high-temperature conversion of chemical reagents at elevated pressures.

Каталитический реактор-приемник (рис. 1) состоит из каталитического пористого абсорбера в виде стакана цилиндрической или конической формы 1, прозрачного стакана-стенки 2 с размерами, близкими размерам активированного катализатором абсорбера, находящегося внутри герметически закрывающего каталитический абсорбер, канала 3 для радиального ввода реакционной смеси в центральную часть через активированный катализатором пористый абсорбер, выходного патрубка 4 для выхода продуктов реакции, отражателя солнечных лучей 5, выполненного в виде конуса, основания 6 для крепления прозрачного стакана и каталитического абсорбера; каталитический реактор-приемник приведен на рис. 2. The catalytic receiver reactor (Fig. 1) consists of a porous catalytic absorber in the form of a cylindrical or conical glass 1, a transparent glass wall 2 with dimensions close to the dimensions of the absorbent activated by the catalyst inside the hermetically sealed catalytic absorber, channel 3 for radial input of the reaction mixture into the central part through a porous absorber activated by the catalyst, the outlet pipe 4 for the output of the reaction products, the reflector of the sun's rays 5, made in the form of noosa, base 6 for mounting a transparent glass and a catalytic absorber; the catalytic receiver reactor is shown in Fig. 2.

Каталитический реактор-приемник работает следующим образом. The catalytic reactor-receiver operates as follows.

Газовый поток (химический реагент) подается во входной патрубок и поступает в канал, находящийся в центре каталитического абсорбера, который нагревается солнечным потоком через прозрачную стенку стакана. Далее, газ выходит в радиальном направлении через каталитический абсорбер по всей его длине из области низких температур в область высоких температур поверхности и реагирует на каталитической поверхности абсорбера. Продукты реакции выходят в пространство между абсорбером и прозрачной стенкой и далее через выходной патрубок выходят наружу. The gas stream (chemical reagent) is fed into the inlet pipe and enters the channel located in the center of the catalytic absorber, which is heated by the solar stream through the transparent wall of the glass. Further, the gas exits radially through the catalytic absorber along its entire length from the low temperature region to the high surface temperature region and reacts on the catalytic surface of the absorber. The reaction products exit into the space between the absorber and the transparent wall and then through the outlet pipe exit.

Как видно из описания, каталитический реактор и способ осуществления термохимических превращений солнечной энергии позволяют высокоэффективно преобразовать и аккумулировать сконцентрированную солнечную энергию в продукты термохимической каталитической реакции, увеличить надежность эксплуатации и ресурс работы, проводить процессы высокотемпературной конверсии при повышенных давлениях. As can be seen from the description, the catalytic reactor and the method for performing thermochemical conversions of solar energy make it possible to highly efficiently convert and accumulate concentrated solar energy into products of the thermochemical catalytic reaction, increase the reliability of operation and service life, and carry out high-temperature conversion processes at elevated pressures.

Claims

1. The catalytic reactor-receiver of light energy, containing a gas-permeable and activated catalyst absorber of this energy, heated by a concentrated light stream through a transparent wall, characterized in that its activated catalyst absorber is made in the form of a cylindrical or conical glass with a channel in the center for introducing the converted chemical reagent.

2. The reactor-receiver according to claim 1, characterized in that the transparent wall of the reactor is made in the form of a glass with dimensions close to the dimensions of the absorber activated by the catalyst inside.

3. A method for carrying out thermochemical transformations of light energy in a catalytic receiver reactor of this energy, comprising supplying a converted chemical reagent through a porous absorber of this energy activated by a catalyst, heated by a directly concentrated light stream, characterized in that the reaction mixture moves in the radial direction of the catalytic absorber from low temperatures to the high temperature area of the absorber surface.

4. The method according to p. 3, characterized in that the radial introduction of the initial reaction mixture through a catalyst activated porous absorber.

5. The method according to PP. 3 and 4, characterized in that in the space between the transparent wall and the activated catalyst by the absorber are reaction products.