RU2180869C1

RU2180869C1 - Gas cleaning unit

Info

Publication number: RU2180869C1
Application number: RU2001104843A
Authority: RU
Inventors: Г.Э. Кузьмицкий; Н.Н. Федченко; А.М. Макаров; А.А. Макаров; В.И. Будников; В.Н. Федченко; В.Н. Аликин
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова"
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-03-27

Abstract

FIELD: cleaning process gases ventilation gases from admixtures of organic agents. SUBSTANCE: proposed unit includes catalytic section with current-heated catalytic sets made from foamed metal with different catalytic coats, helical recuperative heat exchanger and monitoring control package. Current heating of catalytic sets is effected by means of electric heaters built in sets. Monitoring control package is used for control of heating of catalytic sets ensuring safety of process and protracted recording of its parameters. EFFECT: reduction of overall dimensions and mass by 10 times and reduction of power requirements by 50% as compared with similar units. 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике очистки технологических и вентиляционных газов от примесей органических веществ и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где ведутся работы с органическими веществами. The invention relates to techniques for cleaning process and ventilation gases from impurities of organic substances and can be used in any industry where work with organic substances is underway.

Известна конструкция устройства для очистки газов, содержащая вертикальный корпус, крышки со штуцерами для ввода и вывода газов, расположенную в корпусе каталитическую вставку, состоящую из нескрепленных между собой блоков, расположенных последовательно по направлению газового потока и включающих в себя каталитический элемент, установленный в кассету специальной конструкции, образующей лабиринтное уплотнение и термическую набивку компенсационного зазора термического расширения между кассетой и корпусом устройства (заявка 99104943 от 11.03.99 г. на изобретение "Устройство для очистки газов"). A known design of a device for gas purification, comprising a vertical housing, covers with fittings for input and output of gases, a catalytic insert located in the housing, consisting of blocks that are not fastened together, arranged in series in the direction of the gas flow and including a catalytic element mounted in a special cartridge design, forming a labyrinth seal and thermal packing of the compensation gap of thermal expansion between the cartridge and the housing of the device (application 99104943 from 1 1.03.99, the invention "Device for gas purification").

Наиболее близким по конструкции является каталитический аппарат по а.с. 1762459, принятый авторами за прототип. Аппарат состоит из спирального теплобменника-рекуператора, где спиральные каналы выполнены из гофрированных полуцилиндрических обечаек одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала, причем гофрированные складки выполнены поперек движения газового потока. Концы теплообменника соединены со штуцерами ввода и вывода очищаемых газов. Внутри теплообменника расположена каталитическая секция и электронагреватель, причем электронагреватель расположен над слоем насыпного катализатора. Данный аппарат имеет большие габариты, вес и энергопотребление, так как в нем используется принцип нагрева электронагревателями всего газового потока до насыпного катализатора для обеспечения требуемой температуры каталитического процесса. Кроме того, конструкция не предусматривает безопасного ведения процесса при аварийном выбросе органических соединений в очищаемый газовый поток. The closest in design is a catalytic apparatus for AS 1762459, adopted by the authors for the prototype. The apparatus consists of a spiral heat exchanger-recuperator, where the spiral channels are made of corrugated semi-cylindrical shells of the same diameter, offset from each other by the width of the channel, and the corrugated folds are made across the movement of the gas stream. The ends of the heat exchanger are connected to the fittings of the input and output of the cleaned gases. A catalytic section and an electric heater are located inside the heat exchanger, the electric heater being located above the bulk catalyst layer. This unit has large dimensions, weight and energy consumption, since it uses the principle of heating the entire gas stream by electric heaters to a bulk catalyst to ensure the required temperature of the catalytic process. In addition, the design does not provide for safe process management in the event of an accidental release of organic compounds into the cleaned gas stream.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и безопасности процесса и расширение возможностей его применения, уменьшение веса, габаритов и энергопотребления устройства. The objective of the invention is to increase the efficiency and safety of the process and expand the possibilities of its application, reducing the weight, dimensions and power consumption of the device.

Поставленная задача решается за счет того, что известное устройство для очистки газов, содержит корпус в виде спирального рекуператора, концы которого соединены со штуцерами ввода и вывода очищаемых газов. Корпус выполнен из полуцилиндрических обечаек одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала и соединенных продольными кромками с полуцилиндрическими обечайками, имеющими диаметр, больший на ширину канала. На обечайках выполнены гофры. Внутри спирального теплообменника расположена каталитическая кассета. Устройство дополнительно включает сменный фильтр, расположенный на входе спирального теплообменника; пламепреградители, расположенные на входе и выходе спирального теплообменника; термодатчики, расположенные на каталитическом блоке и на выходе теплообменника; дифференциальный датчик давления газов на входе и выходе устройства и выносной контроллер. Кроме того, каталитические кассеты выполнены съемными и содержат электронагреватели, поджатые ленточными пружинами к каталитическим элементам, выполненным из открытоячеистого пеноникеля и покрытым каталитическим составом. The problem is solved due to the fact that the known device for gas purification, contains a housing in the form of a spiral recuperator, the ends of which are connected to the fittings of the input and output of the cleaned gases. The housing is made of semi-cylindrical shells of the same diameter, offset relative to each other by the width of the channel and connected by longitudinal edges with semi-cylindrical shells having a diameter greater than the width of the channel. Corrugations are made on the shells. A catalytic cassette is located inside the spiral heat exchanger. The device further includes a replaceable filter located at the inlet of the spiral heat exchanger; flame arresters located at the inlet and outlet of the spiral heat exchanger; temperature sensors located on the catalytic unit and at the outlet of the heat exchanger; differential gas pressure sensor at the inlet and outlet of the device and a remote controller. In addition, the catalytic cassettes are removable and contain electric heaters, drawn by tape springs to the catalytic elements made of open-cell foam nickel and coated with a catalytic composition.

На фиг.1 показан общий вид устройства; на фиг.2 - разрез устройства для очистки газов; на фиг.3 - разрез вида сверху; на фиг.4 показана каталитическая секция; на фиг.5 - ее разрез. Figure 1 shows a General view of the device; figure 2 is a section of a device for cleaning gases; figure 3 is a section view from above; 4 shows a catalytic section; figure 5 - its section.

Устройство для очистки газов включает токонагреваемую сменную каталитическую кассету 1, спиральный противоточный теплообменник-рекуператор 2, теплоизоляцию 3, пламепреградители 4, фильтр 5, термопары 6, дифференциальный датчик давления 7, контроллер 8. A device for gas purification includes a current-exchangeable catalytic cartridge 1, a spiral countercurrent heat exchanger-recuperator 2, thermal insulation 3, flame arresters 4, filter 5, thermocouples 6, differential pressure sensor 7, controller 8.

Нагрев каталитических блоков 9 осуществляется электронагревателями 10, поджатыми к блокам ленточными пружинами 11. Спиральные каналы 12 выполнены из полуцилиндрических гофрированных обечаек 13, 14 одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала и соединенных с обечайками 15, 16, имеющими увеличенный на ширину канала диаметр, через основание 17, крышку 18 и разделители 19. The heating of the catalytic blocks 9 is carried out by electric heaters 10, drawn by the belt springs 11. The spiral channels 12 are made of semi-cylindrical corrugated shells 13, 14 of the same diameter, offset from each other by the channel width and connected to the shells 15, 16 having a diameter increased by the channel width , through the base 17, the cover 18 and the dividers 19.

Электронагреватели в керамическом или нержавеющем изолированном корпусе кассеты зажаты между каталитическими блоками ленточными пружинами для обеспечения тесного контакта и улучшения теплообмена с каталитическими блоками. В качестве носителя каталитических блоков использован окрытоячеистый пеноникель, имеющий хорошую теплопроводность и жаростойкость. Каталитический состав на каждом слое блоков меняется в сторону увеличения содержания драгоценных металлов по ходу потока газа для уменьшения материалоемкости и стоимости блоков при сохранении высокой активности и ресурса. Сменный гофрированный фильтр выполнен из проницаемой ткани. Пламепреградители представляют собой металлическую сетку. Спиральный теплообменник выполнен из металлических полуцилиндрических обечаек одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала и соединенных продольными кромками с полуцилиндрическими обечайками, имеющими диаметр, больший на ширину канала. На полуцилиндрических обечайках выполнены гофры в направлении потока газа. Для улучшения жесткости конструкции и турбулизации газового потока между стенками канала через равные промежутки помещены разделители из витой металлической ленты. Контроль температуры электронагревательных элементов и газов на выходе каталитических блоков осуществляется термодатчиками. Увеличение гидравлического сопротивления фильтра при выработке его ресурса работы контролируется дифференциальным датчиком давления. Управление, автоматическое поддержание оптимальной температуры процесса и регистрацию параметров работы устройства осуществляет выносной контроллер. Electric heaters in a ceramic or stainless insulated cassette housing are sandwiched between the catalytic blocks by tape springs to ensure close contact and improve heat transfer with the catalytic blocks. An open-cell foam nickel having good thermal conductivity and heat resistance was used as a carrier of catalytic blocks. The catalytic composition on each layer of blocks changes in the direction of increasing the content of precious metals along the gas flow to reduce the material consumption and cost of the blocks while maintaining high activity and resource. Replaceable pleated filter made of permeable fabric. Flame arresters are a metal mesh. The spiral heat exchanger is made of metal semi-cylindrical shells of the same diameter, offset relative to each other by the width of the channel and connected by longitudinal edges with semi-cylindrical shells having a diameter greater than the width of the channel. Corrugations are made on the semi-cylindrical shells in the direction of gas flow. To improve the rigidity of the structure and turbulization of the gas flow between the walls of the channel at equal intervals placed separators of twisted metal tape. The temperature control of electric heating elements and gases at the outlet of the catalytic blocks is carried out by thermal sensors. The increase in the hydraulic resistance of the filter during the development of its service life is controlled by a differential pressure sensor. Management, automatic maintenance of the optimum process temperature and registration of the operation parameters of the device are carried out by a remote controller.

Устройство для очистки газов работает следующим образом. A device for cleaning gases works as follows.

Вентилятор (не показан) через вход реактора подает технологические и вентиляционные газы. Входящий газ через сетку пламепреградителя 4 и фильтр 5 поступает в противоточный теплообменник-рекуператор 2, соприкасается со стенками, перемешивается разделителями и подогревается до температуры ниже начала процесса каталитического окисления. Попадая на каталитические блоки 9, нагретые электронагревателями 10 до температуры начала процесса каталитического окисления, органические примеси окисляются до углекислого газа, воды и азота с выделением тепла, которое отводится отходящим газом. После каталитических блоков газ снова попадает в теплообменник-рекуператор 2 и отдает тепло нагреваемым газам. Электронагреватели 10 после выхода на рабочий режим автоматически поддерживают температуру начала процесса каталитического дожига на блоках, регистрируемую термопарами 6 через контроллер 8. В случае потери активности каталитических блоков из-за закоксовывания блоков по специальной программе контроллера блоки могут быть регенерированы нагревом до максимальной рабочей температуры нагревателей. При достаточно больших концентрациях примесей органических веществ в технологических и вентиляционных газах устройство может работать без потребления электроэнергии. В случае вспышки или детонации газовой смеси при высоких концентрациях органических соединений от непредвиденных факторов, регистрируемых по резкому увеличению давления дифференциальным датчиком давления 7, контроллер 8 отключает нагрев устройства и подает сигнал оператору. Это же происходит и в случае увеличения гидравлического сопротивления фильтра 5, улавливающего минеральные и высокомолекулярные аэрозоли, пыль и другие механические примеси, а такения вентилятора и прекращения потока газа через реактор. Контроллер 8 также постоянно фиксирует в течение длительного срока параметры (температуру электронагревателя, газа и перепад давления на устройства) в цифровом виде. Пламепреградители 4 предотвращают распространение фронта пламени из устройства в случае аварийных ситуаций. Потери энергии в реакторе минимизируются снижением температуры проходящих газов, так как рабочая температура поддерживается только на каталитических блоках, на которых протекает реакция, и теплоизоляцией крышки устройства. Применение блочных катализаторов на основе пеноникеля с открытоячеистой структурой обеспечивает интенсивный массо- и теплообмен по всему объему катализатора, увеличивает время контакта газа с рабочей поверхностью и его равномерную газодинамическую и тепловую нагрузку за счет малого гидравлического сопротивления и турбулизации потока газа. Наличие канальной пористости в микроструктуре материала обеспечивает высокую проницаемость, тогда как отсутствие сквозных каналов уменьшает вероятность проскока реагентов при высоких удельных нагрузках. Это позволило резко уменьшить вес и габариты сменной каталитической секции и всего устройства по сравнению с прототипом. Возможность нанесения разного типа каталитических слоев по ходу движения газового потока позволило уменьшить его стоимость, сохраняя высокую эффективность и ресурс работы. A fan (not shown) supplies process and ventilation gases through the inlet of the reactor. The incoming gas through the grid of the flame arrester 4 and the filter 5 enters the counterflow heat exchanger-recuperator 2, comes into contact with the walls, mixes with separators and is heated to a temperature below the start of the catalytic oxidation process. Getting on the catalytic blocks 9, heated by electric heaters 10 to the temperature of the beginning of the catalytic oxidation process, organic impurities are oxidized to carbon dioxide, water and nitrogen with the release of heat, which is removed by the exhaust gas. After the catalytic units, the gas again enters the heat exchanger-recuperator 2 and gives off heat to the heated gases. After entering the operating mode, the electric heaters 10 automatically maintain the temperature of the start of the catalytic afterburning process on the blocks, recorded by thermocouples 6 through the controller 8. In case of loss of activity of the catalytic blocks due to coking of the blocks, the blocks can be regenerated by heating to the maximum working temperature of the heaters. With sufficiently high concentrations of organic impurities in the process and ventilation gases, the device can operate without electricity consumption. In the case of an outbreak or detonation of the gas mixture at high concentrations of organic compounds from unforeseen factors detected by a sharp increase in pressure by a differential pressure sensor 7, the controller 8 turns off the heating of the device and sends a signal to the operator. The same thing happens in the case of an increase in the hydraulic resistance of the filter 5, which traps mineral and high molecular aerosols, dust and other mechanical impurities, as well as fan retardation and the gas flow through the reactor stops. The controller 8 also constantly captures over a long period of time the parameters (temperature of the electric heater, gas and pressure drop across the devices) in digital form. Flame arresters 4 prevent the spread of the flame front from the device in case of emergency. Energy losses in the reactor are minimized by lowering the temperature of the passing gases, since the operating temperature is maintained only on the catalytic blocks on which the reaction proceeds and by the thermal insulation of the device cover. The use of open-cell foam nickel block catalysts provides intensive mass and heat transfer throughout the catalyst volume, increases the contact time of the gas with the working surface and its uniform gas-dynamic and thermal load due to low hydraulic resistance and turbulization of the gas flow. The presence of channel porosity in the microstructure of the material provides high permeability, while the absence of through channels reduces the likelihood of breakthrough of reagents at high specific loads. This made it possible to drastically reduce the weight and dimensions of the replaceable catalytic section and the entire device in comparison with the prototype. The possibility of applying different types of catalytic layers along the gas flow allowed to reduce its cost, while maintaining high efficiency and service life.

Технико-экономическая эффективность устройства заключается в снижении габаритов и веса конструкции в 10 раз, энергопотребления в 2 раза по сравнению с аналогами и прототипом. Feasibility of the device is to reduce the size and weight of the structure by 10 times, energy consumption by 2 times compared with analogues and prototype.

Claims

A device for cleaning gases, comprising a housing in the form of a spiral recuperator, the ends of which are connected to fittings for input and output of cleaned gases, made of half-cylindrical shells of the same diameter, offset relative to each other by the width of the channel and connected by longitudinal edges with half-cylindrical shells having a diameter larger than the width of the channel, and with corrugations made on the shells, with a catalytic cartridge located inside the spiral heat exchanger, characterized in that the device includes a completely replaceable filter located at the inlet of the spiral heat exchanger, flame arresters located at its inlet and outlet, temperature sensors located at the catalytic unit and the outlet of the heat exchanger, a differential gas pressure sensor at the inlet and outlet of the device and a remote controller, in addition, the catalytic cassettes are removable and contain electric heaters, drawn by tape springs to catalytic elements made of open-cell foam nickel and coated with a catalytic composition.