RU2182847C1

RU2182847C1 - Catalytic oxidation apparatus

Info

Publication number: RU2182847C1
Application number: RU2000125139/12A
Authority: RU
Inventors: С.Ю. Романов; бкин А.М. Р; А.М. Рябкин; Ю.М. Прохоров; А.М. Ракитин; О.В. Кирюшин; Т.К. Широкова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2002-05-27

Abstract

FIELD: chemical technological for cleaning gas from toxic impurities in hermetically closed rooms; life-support systems of manned spacecraft, submarines and hermetic rooms of bomb-proof shelters. SUBSTANCE: proposed apparatus includes heat exchanger-recuperator, inlet and outlet branch pipes, catalyst and electric heater arranged inside it. Heat exchanger is made in form of plates wound on housing forming passages of heat exchanger together with end heat-insulating covers. Inlet of heat exchanger is connected with passages of gas to be cleaned and outlet is connected with cleaned gas passage. Outer surface of passage through which gas to be cleaned flows is coated with heat-insulating layer. Catalyst and heater are arranged in one housing forming catalytic pack dividing inner cavity of heat exchanger housing into two chambers. Passage of gas to be cleaned is communicated with inlet holes of catalytic pack through hole in housing and first chamber; cleaned gas passage is communicated with outlet of catalytic pack through hole in housing and second chamber. EFFECT: enhanced efficiency of cleaning exhaust gases and industrial gases saturated with organic agents. 2 dwg

Description

Аппарат каталитического окисления предлагается использовать в химической технологии как средство очистки газа от вредных примесей в герметично замкнутых помещениях. Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано в эколого-технических системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов, подводных лодок и герметичных помещений (типа бомбоубежищ и т.д.) для очистки атмосферы гермообъектов от выделяемых людьми и внутренним оборудованием вредных микропримесей. Изобретение может быть также использовано для очистки выхлопных, отходящих газов промышленных предприятий, а также для очистки вентиляционных газов, насыщенных органическими веществами. The catalytic oxidation apparatus is proposed to be used in chemical technology as a means of purifying gas from harmful impurities in hermetically sealed rooms. Most effectively, the present invention can be used in the ecological and technical life support systems of manned spacecraft, submarines and pressurized rooms (such as bomb shelters, etc.) to clean the atmosphere of sealed objects from harmful microimpurities emitted by people and internal equipment. The invention can also be used for cleaning exhaust and exhaust gases of industrial enterprises, as well as for cleaning ventilation gases saturated with organic substances.

Известен каталитический аппарат (реактор), содержащий теплообменники, катализатор и нагреватели, установленные в одном корпусе (авт. св. SU 1832533). Каталитический аппарат содержит два каталитических блока, каждый из которых имеет регенеративный теплообменник и слой катализатора, установленные в одном корпусе, камеру, соединяющую реактор с расположенными в ней между слоями катализатора нагревательными элементами, подводящие воздуховоды, клапаны изменения направления потока газов. Каталитические блоки снабжены в нижней части клапанами, соединяющими их с атмосферой, в корпусе установлены с зазором относительно друг друга и образуют с корпусом вертикальный канал, соединяющий камеру с клапаном изменения направления потока газов, нагревательные элементы помещены в пластинчатые теплообменники, а регенеративные теплообменники разделены на секции, установленные с зазором между ними. В средней части канала вертикальными перегородками и днищем образован канал ввода топлива, в котором на высоте слоя катализатора установлен пластинчатый теплообменник. Клапан изменения направления потока газов содержит торцевую полость, сообщающуюся со средним карманом поворотного переключателя и вертикальным каналом аппарата. Known catalytic apparatus (reactor) containing heat exchangers, a catalyst and heaters installed in one housing (ed. St. SU 1832533). The catalytic apparatus contains two catalytic units, each of which has a regenerative heat exchanger and a catalyst layer installed in one housing, a chamber connecting the reactor with heating elements located between the catalyst layers, supplying air ducts, and valves for changing the direction of gas flow. The catalytic units are equipped at the bottom with valves connecting them to the atmosphere, are installed in the housing with a gap relative to each other and form a vertical channel with the housing connecting the chamber to the valve for changing the direction of gas flow, the heating elements are placed in plate heat exchangers, and regenerative heat exchangers are divided into sections installed with a gap between them. In the middle part of the channel, vertical partitions and a bottom form a fuel inlet channel in which a plate heat exchanger is installed at the height of the catalyst layer. The valve for changing the direction of gas flow contains an end cavity communicating with the middle pocket of the rotary switch and the vertical channel of the apparatus.

К основным недостаткам аналога относятся невысокий КПД процесса из-за больших потерь тепла, недостаточная очистка газа и опасность эксплуатации аппарата, особенно в гермопомещениях, из-за наличия впрыскивания топлива для разогрева регенеративного теплообменника, а также сложность конструкции. The main disadvantages of the analogue are the low efficiency of the process due to large heat losses, insufficient gas purification and the danger of operating the apparatus, especially in pressurized rooms, due to the presence of fuel injection for heating the regenerative heat exchanger, as well as the complexity of the design.

Наиболее близким из аналогов - прототипом является аппарат каталитического окисления, содержащий каталитический пакет, включающий размещенные в едином корпусе катализатор и электронагреватель, теплообменник-рекуператор, входные и выходные патрубки, причем теплообменник-рекуператор образован навитыми на корпус каналами, его вход соединен с каналом очищаемого газа, а выход - с каналом очищенного гaзa (aвт.cв. SU 1762459). The closest of the analogues is a prototype of a catalytic oxidation apparatus containing a catalytic package comprising a catalyst and an electric heater placed in a single housing, a heat exchanger-recuperator, inlet and outlet pipes, and the heat exchanger-recuperator is formed by channels wound on the housing, its input is connected to the channel of the gas to be cleaned , and the exit - with the channel of the purified gas (aut.st. SU SU 1762459).

Аппарат каталитического окисления работает следующим образом. Очищаемый газ через входной патрубок поступает в канал теплообменника-рекуператора и, соприкасаясь со стенками, подогревается до температуры ниже начала процесса. Выходя из канала теплообменника-рекуператора, газ попадает в электронагреватель, где нагревается до температуры начала процесса каталитического дожигания. Далее газ проходит через слой катализатора, где происходит дожигание органических примесей с выделением тепла, которое отводится отходящим газом. После катализатора газ снова попадает в канал теплообменника-рекуператора и отдает тепло нагреваемым газам. The catalytic oxidation apparatus operates as follows. The gas to be cleaned through the inlet pipe enters the channel of the heat exchanger-recuperator and, in contact with the walls, is heated to a temperature below the beginning of the process. Leaving the channel of the heat exchanger-recuperator, the gas enters the electric heater, where it is heated to the temperature of the beginning of the catalytic afterburning process. Then the gas passes through the catalyst bed, where the afterburning of organic impurities takes place with the release of heat, which is removed by the exhaust gas. After the catalyst, the gas again enters the channel of the heat exchanger-recuperator and gives off heat to the heated gases.

Недостатками данного устройства являются:
невысокий КПД процесса, связанный с тем, что горячий поток очищенного газа контактирует с наружной стенкой теплообменника, существенно повышая ее температуру, опасность эксплуатации из-за высокой температуры наружной поверхности.The disadvantages of this device are:
low efficiency of the process, due to the fact that the hot stream of purified gas is in contact with the outer wall of the heat exchanger, significantly increasing its temperature, the danger of operation due to the high temperature of the outer surface.

Задачей изобретения является повышение КПД аппарата каталитического окисления, путем уменьшения теплопотерь, обеспечение безопасности эксплуатации и снижение температуры наружной поверхности аппарата, отличающейся от окружающей не более чем на 5-15^oС.The objective of the invention is to increase the efficiency of the catalytic oxidation apparatus, by reducing heat loss, ensuring safe operation and lowering the temperature of the outer surface of the apparatus, which differs from the surrounding one by no more than 5-15 ^o C.

Поставленная задача решается тем, что в аппарате каталитического окисления, содержащем каталитический пакет, включающий размещенные в едином корпусе катализатор и электронагреватель, теплообменник-рекуператор, входные и выходные патрубки, причем теплообменник-рекуператор образован навитыми на корпус каналами, его вход соединен с каналом очищаемого газа, а выход - с каналом очищенного газа, в отличие от известного аналога каналы теплообменника-рекуператора выполнены в виде навитых на корпус пластин и торцевых теплоизолирующих крышек, при этом один конец каждой пластины закреплен на цилиндре по его образующей, канал очищаемого газа образован наружной и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками, а канал очищенного газа образован внутренней и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками, причем на наружную поверхность канала очищаемого газа нанесен слой теплоизоляции, каталитический пакет разделяет внутреннюю полость корпуса теплообменника-рекуператора на две камеры, канал очищаемого газа сообщается с входом каталитического пакета через отверстие в корпусе и первую камеру, а канал очищенного газа сообщается с выходом каталитического пакета через отверстие в корпусе и вторую камеру. The problem is solved in that in a catalytic oxidation apparatus containing a catalytic package comprising a catalyst and an electric heater placed in a single housing, a heat exchanger-recuperator, inlet and outlet pipes, the heat exchanger-recuperator formed by channels twisted on the housing, its input is connected to the channel of the gas to be cleaned and the outlet is with a purified gas channel, in contrast to the known analogue, the channels of the heat exchanger-recuperator are made in the form of plates and end heat-insulating covers wound on the body, wherein one end of each plate is fixed to the cylinder along its generatrix, the channel of the gas to be cleaned is formed by the outer and neighboring plates and end heat-insulating covers, and the channel of the purified gas is formed by the inner and neighboring plates and end heat-insulating covers, and a layer of thermal insulation is applied to the outer surface of the channel of the gas to be cleaned , the catalytic package divides the internal cavity of the heat exchanger-heat exchanger housing into two chambers, the channel of the gas to be cleaned communicates with the input of the catalytic package Erez opening in the housing and the first chamber and the purified gas outlet passage communicates with the catalytic stack through an opening in the housing and a second chamber.

При данном конструктивном исполнении увеличивается площадь поверхности теплообмена и наружная поверхность теплообменника-рекуператора, контактирующая с окружающей средой, имеет низкую температуру, так как температура очищаемого и очищенного газа снижается к периферии теплообменника-рекуператора. Это позволяет достичь очень низкой разницы температур между потоками очищенного и очищаемого газа (5-15^oС) и снизить до минимума потери тепла в окружающую среду, а, следовательно повысить КПД.With this design, the heat exchange surface area increases and the outer surface of the heat exchanger-heat exchanger in contact with the environment has a low temperature, since the temperature of the cleaned and purified gas decreases to the periphery of the heat exchanger-heat exchanger. This allows you to achieve a very low temperature difference between the flows of the purified and purified gas (5-15 ^o C) and to minimize heat loss to the environment, and therefore increase efficiency.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 дан продольный разрез аппарата каталитического окисления, на фиг.2 дан поперечный разрез аппарата каталитического окисления. The invention is illustrated in figure 1 and figure 2. Figure 1 shows a longitudinal section of a catalytic oxidation apparatus, figure 2 shows a cross section of a catalytic oxidation apparatus.

Аппарат каталитического окисления состоит из каталитического пакета 1, размещенного внутри теплообменника-рекуператора 2. Каталитический пакет 1 образован электронагревателем 3 и катализатором 4, ограниченным механическими фильтрами 5, 6 и единым корпусом 7 каталитического пакета 1. The catalytic oxidation apparatus consists of a catalytic bag 1 located inside the heat exchanger-recuperator 2. The catalytic bag 1 is formed by an electric heater 3 and a catalyst 4, limited by mechanical filters 5, 6 and a single housing 7 of the catalytic bag 1.

Теплообменник-рекуператор 2 представляет собой корпус 8 с входным отверстием 9 и выходным отверстием 10. На корпус 8 навита группа из трех пластин, которая в совокупности с торцевыми теплоизолирующими крышками 11 образует канал очищаемого газа 12 и канал очищенного газа 13. Для обеспечения процесса рекуперации на наружную поверхность канала очищаемого газа нанесен слой теплоизоляции 14. Конец каждой пластины закреплен на корпусе 8 по его образующей. Входной патрубок 15 теплообменника-рекуператора 2 соединен с каналом очищаемого газа 12, образованного наружной и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками 11. Выходной патрубок 16 из теплообменника-рекуператора 2 соединен с каналом очищенного газа 13, образованного внутренней и соседней пластинами и торцевыми теплоизолирующими крышками 11. Внутренняя полость корпуса 8 разделена разъемным крепежным соединением 17 каталитического пакета 1 на две камеры. Одна камера 18 на входе в каталитический пакет 1 через отверстие 9 в корпусе 8 и отверстия 19 в корпусе 7 каталитического пакета 1 сообщена с каналом очищаемого газа 12, а вторая камера 20 на выходе из каталитического пакета 1 соединена с каналом очищенного газа 13 через отверстие 10 в корпусе 8 рекуператора-теплообменника 2. На выходе каталитического пакета 1 установлен механический фильтр 6, отделяющий катализатор 4 от второй камеры 20. В центре теплоизолирующей крышки 11 со стороны электронагревателя 3 имеется люк 21, через который вставляется внутрь каталитический пакет 1. The heat exchanger-recuperator 2 is a housing 8 with an inlet 9 and an outlet 10. A group of three plates is wound on the housing 8, which together with the end heat-insulating covers 11 forms a channel for the gas to be cleaned 12 and a channel for the purified gas 13. To ensure the recovery process, the outer surface of the channel of the gas to be cleaned has a thermal insulation layer 14. The end of each plate is fixed to the housing 8 along its generatrix. The inlet pipe 15 of the heat exchanger-recuperator 2 is connected to the channel of the cleaned gas 12 formed by the outer and adjacent plates and the end insulating covers 11. The outlet pipe 16 of the heat exchanger-recuperator 2 is connected to the channel of the cleaned gas 13 formed by the inner and adjacent plates and the end insulating covers 11 The internal cavity of the housing 8 is divided by a detachable mounting connection 17 of the catalytic package 1 into two chambers. One chamber 18 at the entrance to the catalytic package 1 through the hole 9 in the housing 8 and the holes 19 in the housing 7 of the catalytic package 1 is in communication with the channel of the cleaned gas 12, and the second chamber 20 at the outlet of the catalytic package 1 is connected to the channel of the purified gas 13 through the hole 10 in the housing 8 of the heat exchanger-heat exchanger 2. At the outlet of the catalytic package 1, a mechanical filter 6 is installed that separates the catalyst 4 from the second chamber 20. In the center of the heat-insulating cover 11 from the side of the electric heater 3 there is a hatch 21 through which it is inserted inside to atalytic package 1.

Аппарат каталитического окисления работает следующим образом. Очищаемый газ, содержащий примеси летучих органических веществ, поступает в теплообменник-рекуператор 2 через входной патрубок 15 в канал очищаемого газа 12 и, двигаясь по спирали, нагревается от тепла выходящих очищенных газов, движущихся ему навстречу также по спирали по каналу очищенного газа 13. Пройдя несколько витков, очищаемый газ через входное отверстие 9 попадает в первую камеру 18 внутри корпуса 8, проходит через отверстия 19 в корпусе 7 каталитического пакета 1 в зону электронагревателя 3, где подогревается до рабочей температуры, а затем поступает в катализатор 4. Пройдя через катализатор 4, в котором происходит окисление вредных примесей, очищенный газ через механический фильтр 6, установленный на выходе из каталитического пакета 1, выходит во вторую камеру 20 корпуса 8 и через выходное отверстие 10 поступает в канал очищенного газа 13, где он охлаждается встречным потоком входящего очищаемого газа, а затем через патрубок 16 выходит из аппарата каталитического окисления. The catalytic oxidation apparatus operates as follows. The cleaned gas containing impurities of volatile organic substances enters the heat exchanger-recuperator 2 through the inlet pipe 15 into the channel of the cleaned gas 12 and, moving in a spiral, is heated by the heat of the outgoing cleaned gases, moving towards it also in a spiral along the channel of the purified gas 13. Passing several turns, the gas to be cleaned through the inlet 9 enters the first chamber 18 inside the housing 8, passes through the openings 19 in the housing 7 of the catalytic package 1 into the zone of the electric heater 3, where it is heated to operating temperature, and it enters the catalyst 4. After passing through the catalyst 4, in which the oxidation of harmful impurities takes place, the purified gas through a mechanical filter 6 installed at the outlet of the catalytic bag 1 exits into the second chamber 20 of the housing 8 and enters the purified gas channel through the outlet 10 13, where it is cooled by a counter flow of incoming purified gas, and then through the pipe 16 exits the catalytic oxidation apparatus.

Благодаря более высокому КПД при одинаковых с прототипом характеристиках можно снизить площадь теплообменных поверхностей. Объединение катализатора и нагревателя в каталитический пакет, фиксируемого в корпусе теплообменника-рекуператора с помощью разъемного соединения, позволяет также снизить массогабаритные характеристики аппарата, упростить и сделать более удобным техническое обслуживание, позволяет в процессе эксплуатации заменять каталитический пакет, в случае выхода из строя катализатора или нагревателя, что делает возможным использование аппарата в течение длительного периода времени. Due to the higher efficiency with the same characteristics as the prototype, the area of heat exchange surfaces can be reduced. Combining the catalyst and the heater into a catalytic package fixed in the heat exchanger-heat exchanger housing using a detachable connection also allows to reduce the overall dimensions of the apparatus, simplify and make maintenance more convenient, and allow the catalytic package to be replaced during operation if the catalyst or heater fails , which makes it possible to use the apparatus for a long period of time.

Claims

A catalytic oxidation apparatus containing a catalytic package comprising a catalyst and an electric heater placed in a single housing, a heat exchanger-recuperator, inlet and outlet pipes, the heat exchanger-recuperator formed by channels wound on the housing, its inlet connected to the channel of the gas to be cleaned, and the outlet to the channel of the cleaned gas, characterized in that the heat exchanger channels are made in the form of plates wound on the body and end heat-insulating covers, while one end of each plate is fixed to the cylinder along its generatrix, the channel of the cleaned gas is formed by the outer and adjacent plates and end heat-insulating covers, and the channel of the cleaned gas is formed by the inner and neighboring plates and end heat-insulating covers, and a layer of thermal insulation is applied to the outer surface of the channel of the gas to be cleaned, the catalytic package divides the inner cavity of the heat exchanger-heat exchanger housing into two chambers, the channel of the cleaned gas communicates with the entrance of the catalytic package through an opening in the housing and the first chamber, and the channel of the cleaned gas It reported a yield of catalytic stack through an opening in the housing and a second chamber.