RU2186226C2

RU2186226C2 - Catalytic reactor

Info

Publication number: RU2186226C2
Application number: RU99121867A
Authority: RU
Inventors: Свен Мелкер Нильссон
Original assignee: Кемира Металкат Ои
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: catalytic reactors. SUBSTANCE: catalytic reactor has substrate formed by winding alternating flat and fluted metal strips forming end-to-end gas flow channels running through substrate in axial direction. Substrate enclosure is made of steel sheet whose thickness is equal to or slightly greater than that of flat and fluted metal strips. EFFECT: enhanced strength, reduced mass, facilitated assembly of enclosure with substrate, extended service life of reactor. 4 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение имеет отношение к усовершенствованию таких каталитических реакторов (контактных аппаратов), которые содержат металлическую подложку. Обычно такая подложка образована чередующимися плоскими и рифлеными (гофрированными, волнистыми) металлическими полосами (толщиной 0,05-0,1 мм), намотанными друг на друга (свернуты в рулон) вокруг оси, с образованием каналов, проходящих по оси через подложку, предназначенных для сквозного протекания и каталитической очистки отработанных газов. The present invention relates to the improvement of such catalytic reactors (contact apparatuses) that contain a metal substrate. Typically, such a substrate is formed by alternating flat and corrugated (corrugated, wavy) metal strips (0.05-0.1 mm thick) wound on each other (rolled up) around the axis, with the formation of channels passing along the axis through the substrate, intended for through flow and catalytic treatment of exhaust gases.

Для достижения желательной каталитической очистки металлические полосы имеют покрытие (так называемое промывочное покрытие), которое обычно образовано оксидом алюминия и благородными металлами (такими как, например, родий, платина, палладий). To achieve the desired catalytic purification, the metal strips have a coating (the so-called wash coating), which is usually formed by alumina and noble metals (such as, for example, rhodium, platinum, palladium).

Намотанная указанным образом подложка заключена в металлическую оболочку. В соответствии с известным состоянием техники эта оболочка изготовлена из металлического листа толщиной от 1 до 1,5 мм, то есть в 10-30 раз больше толщины металлической полосы. Причина выбора такой относительно большой толщины оболочки заключается в том, что должна быть обеспечена возможность крепления оболочки при помощи сварки или пайки, с одной стороны, к подложке и, с другой стороны, к охватывающему оболочку кожуху. The substrate wound in this manner is enclosed in a metal sheath. In accordance with the known state of the art, this shell is made of a metal sheet with a thickness of 1 to 1.5 mm, that is, 10-30 times the thickness of the metal strip. The reason for choosing such a relatively large thickness of the shell is that it must be possible to fasten the shell by welding or soldering, on the one hand, to the substrate and, on the other hand, to the casing enclosing the shell.

Одной из проблем каталитических реакторов такой конструкции является недостаточная прочность. При протекании по каналам горячих газов (с температурой до 1000^oС) стенки тонких металлических полос быстро нагреваются, что приводит к осевому и радиальному расширению подложки. С другой стороны, охватывающая оболочка не имеет прямого контакта с газами. Так как в дополнение к этому она намного толще и поэтому имеет большую тепловую массу, то ее нагрев и расширение происходят с намного меньшей скоростью. В результате этого создается существенная сила сжатия в пространстве между самым верхним наружным слоем подложки и оболочкой, что может быть потенциальной причиной деформации наружных рифлений подложки с последующим разрушением каналов в этом слое.One of the problems of catalytic reactors of this design is the lack of strength. When flowing through the channels of hot gases (with temperatures up to 1000 ^o C) the walls of thin metal strips quickly heat up, which leads to axial and radial expansion of the substrate. On the other hand, the enveloping shell does not have direct contact with gases. Since, in addition to this, it is much thicker and therefore has a large thermal mass, its heating and expansion occur at a much lower rate. As a result of this, a substantial compression force is created in the space between the uppermost outer layer of the substrate and the shell, which may be a potential cause of the deformation of the external corrugations of the substrate with subsequent destruction of the channels in this layer.

При охлаждении подложки возникает противоположная проблема. Тонкие стенки каналов охлаждаются с намного большей скоростью, чем существенно более толстая оболочка, которая к тому же, как упоминалось ранее, не имеет прямого контакта с газовым потоком. Следовательно, сжатие подложки будет происходить намного быстрее, чем сжатие оболочки. Если в такой ситуации индивидуальные металлические полосы соединены вместе, то между слоями в радиальном направлении будет возникать существенное напряжение как результат разностей степени сжатия подложки и оболочки. When cooling the substrate, the opposite problem arises. The thin walls of the channels are cooled at a much greater rate than the substantially thicker shell, which, moreover, as mentioned earlier, does not have direct contact with the gas stream. Consequently, the compression of the substrate will occur much faster than the compression of the shell. If in this situation the individual metal strips are connected together, then between the layers in the radial direction there will be significant stress as a result of differences in the compression ratio of the substrate and the sheath.

В таких подложках, в которых покрытие представляет собой единственный связующий элемент, прочность связи будет превышена с образованием трещин и зазора, обычно в ближайшей к оболочке паре слоев. В подложках с диаметром около 100 мм может образоваться зазор 1 мм. In such substrates in which the coating is the only bonding element, the bond strength will be exceeded with the formation of cracks and a gap, usually in the pair of layers closest to the shell. In substrates with a diameter of about 100 mm, a gap of 1 mm may form.

Значительное напряжение развивается в таких подложках, слои которых соединены пайкой твердым припоем. В особенности между самыми внешними слоями подложки и оболочкой напряжение может достигать такой величины, что возникает риск разрыва паяных соединений. Прочность каталитического реактора в значительной степени связана с указанными проблемами. Significant stress develops in such substrates, the layers of which are connected by brazing. In particular, between the outermost layers of the substrate and the sheath, the voltage can reach such a value that there is a risk of rupture of the soldered joints. The strength of the catalytic reactor is largely associated with these problems.

Разность расширения оболочки и подложки является основной причиной возникновения напряжения при сжатии или при растяжении. Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание такого каталитического реактора, который имеет оболочку, более приспособленную к движениям подложки, что позволяет предотвратить вредное воздействие на подложку механических напряжений сжатия или растяжения. Отличительные характеристики оболочки указаны в формуле изобретения. Толщина оболочки будет иметь такую же величину, что и толщина металлической полосы, или незначительно превосходить ее, так что любое напряжение сжатия, которое может быть приложено к рифлениям металлической полосы, или любое напряжение растяжения, которое может быть приложено к паяным или сварным соединениям, не будет превосходить прочности конструкции. Если толщина металлических полос лежит в упомянутом диапазоне, то есть составляет 0,5-0,1 мм, то оболочка может иметь толщину в диапазоне 0,1-0,5 мм. The difference between the expansion of the shell and the substrate is the main cause of stress during compression or in tension. The objective of the present invention is to eliminate these drawbacks and create a catalytic reactor that has a shell that is more adapted to the movements of the substrate, which helps to prevent the harmful effects of compressive or tensile stresses on the substrate. Distinctive characteristics of the shell are indicated in the claims. The shell thickness will be the same as the thickness of the metal strip, or slightly exceed it, so that any compression stress that can be applied to the corrugations of the metal strip, or any tensile stress that can be applied to soldered or welded joints, is not will exceed structural strength. If the thickness of the metal strips lies in the above range, that is, 0.5-0.1 mm, then the shell may have a thickness in the range of 0.1-0.5 mm.

Второе преимущество, которое может быть получено за счет оболочки, имеющей существенно сниженную толщину по сравнению с известными ранее оболочками, заключается в существенном снижении массы (веса). Одним из следствий этого является то, что такая оболочка может нагреваться и охлаждаться намного быстрее, чем известные ранее оболочки. При этом разность температур между оболочкой и подложкой не будет столь большой, как раньше, поэтому будут меньше разности расширения и сжатия оболочки и самых верхних слоев подложки. Более того, это будет вызывать меньшие напряжения сжатия и расширения. Уменьшенная разность расширения самых верхних слоев подложки и оболочки, принимая во внимание более быстрое охлаждение последней, приводит к снижению растрескивания или к его устранению, а также снижает риск образования зазоров между указанными деталями. В результате существенно повышается прочность и надежность каталитического реактора. The second advantage that can be obtained by a shell having a significantly reduced thickness compared to previously known shells is a significant reduction in mass (weight). One consequence of this is that such a shell can be heated and cooled much faster than previously known shells. In this case, the temperature difference between the shell and the substrate will not be as large as before, therefore, there will be less difference between the expansion and compression of the shell and the uppermost layers of the substrate. Moreover, this will cause lower compression and expansion stresses. The reduced expansion difference of the uppermost layers of the substrate and the shell, taking into account the faster cooling of the latter, reduces cracking or eliminates it, and also reduces the risk of gaps between these parts. As a result, the strength and reliability of the catalytic reactor is significantly increased.

Из изложенного можно сделать вывод о том, что тонкая оболочка дает два преимущества, а именно приводит к снижению разности расширения и сжатия (подложки и оболочки) и к уменьшению вызванного оболочкой сжатия за счет ее лучшей пластичности. Оба преимущества действуют в одном направлении и повышают надежность каталитического реактора. From the foregoing, it can be concluded that a thin shell gives two advantages, namely, it reduces the difference in expansion and compression (substrate and shell) and reduces the compression caused by the shell due to its better ductility. Both advantages act in one direction and increase the reliability of the catalytic reactor.

Для обеспечения соединения и предотвращения осевых перемещений оболочки относительно подложки на поверхности последней образованы идущие по периферии канавки, а в оболочке выполнены выступы, входящие в указанные канавки, когда оболочку надевают на подложку. To ensure the connection and prevent axial movements of the shell relative to the substrate, grooves running along the periphery are formed on the surface of the latter, and protrusions are formed in the shell, which enter these grooves when the shell is put on the substrate.

В оболочке может быть создан прокаткой по меньшей мере один участок, образующий кольцевой выступ, выступающий из поверхности оболочки и предназначенный для снижения осевых усилий, возникающих между подложкой и оболочкой при нагревании и охлаждении реактора. At least one portion can be created in the shell by rolling, forming an annular protrusion protruding from the surface of the shell and designed to reduce the axial forces arising between the substrate and the shell during heating and cooling of the reactor.

На каждой торцевой стороне оболочки может быть предусмотрено кольцо, выступающее в направлении удаления от подложки в виде ее продолжения, при этом соединение оболочки с кожухом, охватывающим каталитический реактор, осуществляется при помощи указанных колец. Кольца имеют коническое расширение в направлении удаления от подложки. On each end side of the shell, a ring can be provided that protrudes in the direction of removal from the substrate in the form of its extension, while the connection of the shell with the casing enclosing the catalytic reactor is carried out using these rings. The rings have a conical extension in the direction away from the substrate.

На фиг. 1 и 2 приведено поперечное сечение подложки, образованной чередующимися плоскими и рифлеными металлическими полосами, намотанными спирально друг на друга (в рулон), причем можно увидеть охватывающую подложку оболочку соответственно в открытом и закрытом положениях. In FIG. Figures 1 and 2 show a cross-section of a substrate formed by alternating flat and corrugated metal strips wound spirally on each other (into a roll), whereby the envelope covering the substrate can be seen in open and closed positions, respectively.

На фиг. 3 показан вид сбоку каталитического реактора, частично охваченного кожухом (закатанного в так называемую "банку" (canning)). In FIG. Figure 3 shows a side view of a catalytic reactor partially covered by a casing (rolled into a so-called "canning").

На фиг.1 приведено поперечное сечение подложки 1 в качестве примера известной конструкции, в которой чередующиеся плоские и рифленые металлические полосы 2 и 3 намотаны спирально друг на друга, в результате чего образуются каналы 4, предназначенные для сквозного протекания газа через подложку 1. Если до намотки произвести оксидирование указанных металлических полос 2, 3, с последующим нанесением на них каталитического покрытия (промывочного покрытия), которое само по себя является предпочтительным для достижения оптимальной эффективности реактора, то возникает неудобство, связанное с тем, что после проведения намотки металлических полос 2, 3 необходимо для соединения полос при помощи сварки или пайки снимать покрытие с наружного участка 2а плоской металлической полосы 2, а также с ближайшего участка рифленой металлической полосы 3. Кроме того, слой оксидирования также должен быть удален (сошлифован). После этого вокруг подложки 1 может быть напрессована обычная толстая оболочка, которую приваривают или припаивают к указанным открытым участкам полос. Figure 1 shows the cross section of the substrate 1 as an example of a known construction in which alternating flat and grooved metal strips 2 and 3 are wound spirally on top of each other, as a result of which channels 4 are formed, which allow gas to pass through the substrate 1. If windings to oxidize these metal strips 2, 3, followed by applying a catalytic coating (flushing coating) on them, which in itself is preferred to achieve optimal efficiency In fact, the inconvenience arises from the fact that after winding the metal strips 2, 3 it is necessary to remove the coating by welding or soldering to remove the coating from the outer portion 2a of the flat metal strip 2, as well as from the nearest portion of the corrugated metal strip 3. In addition Moreover, the oxidation layer must also be removed (sanded). After that, an ordinary thick shell can be pressed around the substrate 1, which is welded or soldered to the indicated open sections of the strips.

Недостатки указанного способа сборки заключаются в том, что, с одной стороны, он является относительно сложным и длительным, а также в том, что, с другой стороны, дорогой материал покрытия приходится частично удалять. The disadvantages of this assembly method are that, on the one hand, it is relatively complex and time consuming, and also that, on the other hand, expensive coating material has to be partially removed.

За счет применения тонкой оболочки в соответствии с настоящим изобретением указанный способ может быть упрощен. После проведения намотки подложки 1 металлические полосы 2, 3 с нанесенным на них покрытием соединяют вместе на концевом участке 2а при помощи скоб (не показаны), чтобы предотвратить изгиб полос 2, 3 в направлении удаления друг от друга. После этого подложка 1 может быть снята со станка, на котором проводилась операция намотки, и тонкая оболочка 6 может быть надета с плотной посадкой на подложку 1, после чего производится сварка оболочки 6 вдоль ее продольного стыка. Through the use of a thin shell in accordance with the present invention, this method can be simplified. After winding the substrate 1, the metal strips 2, 3 coated on them are joined together at the end portion 2a using brackets (not shown) to prevent the strips 2, 3 from bending in the direction of separation from each other. After that, the substrate 1 can be removed from the machine on which the winding operation was performed, and the thin shell 6 can be worn tightly on the substrate 1, after which the shell 6 is welded along its longitudinal joint.

Совершенно ясно, что такой способ сборки является более удобным, быстрым и, следовательно, не столь дорогим, как известные ранее способы. Кроме того, за счет применения более тонкой оболочки появляются другие преимущества, о которых речь впереди. It is clear that such an assembly method is more convenient, faster, and therefore not as expensive as previously known methods. In addition, through the use of a thinner shell, other advantages appear, which are discussed below.

В том случае, когда подложка 1 изготовлена из чередующихся плоских и рифленых металлических полос 2, 3 таким образом, что образованные на рифленых полосах 3 ушки используются для удержания (соединения) полос вместе за счет входа этих ушек в каналы, образованные за счет вальцевания на плоских полосах 3, тогда подложка 1 будет иметь вид, показанный на фиг.3, то есть она будет иметь периферические канавки 7 на поверхности окружности. По той причине, что в этом случая использована тонкая оболочка 6, в ней легко могут быть образованы выступы 8 с острыми кромками, которые входят в канавки 7 на поверхности окружности 1. Соединение выступов с канавками обеспечивает необходимую осевую фиксацию оболочки 6 относительно подложки 1, причем указанное соединение получают без необходимости отдельного крепления оболочки 6, например, за счет сварки, пайки, клепки или любым иным путем. In the case when the substrate 1 is made of alternating flat and corrugated metal strips 2, 3 in such a way that the ears formed on the corrugated strips 3 are used to hold (connect) the strips together due to the entry of these ears into the channels formed by rolling on flat stripes 3, then the substrate 1 will have the form shown in figure 3, that is, it will have peripheral grooves 7 on the surface of the circle. For the reason that a thin shell 6 is used in this case, protrusions 8 with sharp edges can easily be formed in it, which enter the grooves 7 on the surface of the circumference 1. The connection of the protrusions with the grooves provides the necessary axial fixation of the shell 6 relative to the substrate 1, moreover the specified connection is obtained without the need for a separate fastening of the shell 6, for example, by welding, soldering, riveting or in any other way.

Из фиг.3 также видно, что оболочка 6 имеет некоторые участки 9, которые получены прокаткой и образуют известные сами по себе кольцевые выступы, идущие по периферии вокруг оболочки 6. В известных оболочках эти кольцевые выступы использовались только для образования зазора 10 между оболочкой 6 и наружным кожухом 11 каталитическим реактором, чтобы уменьшить передачу теплоты к кожуху 11. From figure 3 it is also seen that the shell 6 has some sections 9, which are obtained by rolling and form known annular protrusions themselves, extending around the periphery around the shell 6. In the known shells, these annular protrusions were used only to form a gap 10 between the shell 6 and the outer casing 11 by a catalytic reactor to reduce the transfer of heat to the casing 11.

В соответствии с отличительной характеристикой настоящего изобретения эти кольцевые выступы 9 могут быть использованы для придания оболочке 6 упругости, чтобы свести к минимуму любые осевые напряжения, которые могут возникать между подложкой 1 и оболочкой 6 в ходе нагревания или охлаждения каталитического реактора. In accordance with the distinguishing characteristic of the present invention, these annular protrusions 9 can be used to elasticize the shell 6 in order to minimize any axial stresses that may arise between the substrate 1 and the shell 6 during heating or cooling of the catalytic reactor.

Для того чтобы свести к минимуму любые радиально направленные усилия, которые могут воздействовать на оболочку 6 и которые могут быть вызваны жесткостью кожуха 11, оболочка 6 преимущественно имеет на каждой из своих сторон по кольцу 12, которые выступают в стороны в виде продолжения подложки 1. Кольца 12 облегчают операцию сварки готового каталитического реактора с кожухом 11. До их установки кольцам может быть придана небольшая конусность, с расширением при удалении от подложки 1, причем такая конфигурация обеспечивает удовлетворительный упор кольца 12 во внутреннюю сторону кожуха 11 при вводе каталитического реактора в кожух 11, что дополнительно облегчает операцию сварки. In order to minimize any radially directed forces that may affect the shell 6 and which may be caused by the stiffness of the casing 11, the shell 6 preferably has a ring 12 on each of its sides that protrudes to the sides as an extension of the substrate 1. Rings 12 facilitate the welding operation of the finished catalytic reactor with the casing 11. Prior to their installation, the rings can be slightly tapered, expanding away from the substrate 1, and this configuration provides a satisfactory arrangement p of the ring 12 to the inner side of the casing 11 when entering the catalytic reactor into the casing 11, which further facilitates the welding operation.

Дополнительным преимуществом использования соединения каталитического реактора с кожухом 11 при помощи колец 12 с каждой из сторон является, за счет указанных гибких колец 12, уменьшение или устранение вибраций и других перемещений, а также небольших деформаций кожуха 11, которые в результате не распространяются в полной мере в подложке. Следовательно, такая конструкция способствует увеличению прочности/надежности реактора. An additional advantage of using the connection of the catalytic reactor with the casing 11 using the rings 12 on each side is, due to these flexible rings 12, the reduction or elimination of vibrations and other movements, as well as small deformations of the casing 11, which as a result do not fully propagate the substrate. Therefore, this design helps to increase the strength / reliability of the reactor.

Из приведенного описания становится ясно, что тонкостенная оболочка 6 в соответствии с настоящим изобретением различными путями способствует увеличению прочности/ надежности каталитического реактора. Следствием гибкого охватывания подложки 1 оболочкой 6 является сведение к минимуму риска деформации подложки 1, которая могла бы приводить к образованию трещин в материале каталитического реактора, в результате чего увеличивается срок службы каталитического реактора. From the above description, it becomes clear that the thin-walled shell 6 in accordance with the present invention in various ways helps to increase the strength / reliability of the catalytic reactor. The consequence of the flexible covering of the substrate 1 by the shell 6 is to minimize the risk of deformation of the substrate 1, which could lead to the formation of cracks in the material of the catalytic reactor, thereby increasing the life of the catalytic reactor.

Claims

1. A catalytic reactor, which includes a substrate 1 of a thin metal sheet formed by alternating flat and grooved metal strips 2, 3, which are wound spirally with the formation of channels for through flow 4, passing through the substrate in the axial direction, and a shell covering the substrate 1, characterized in that the flat and corrugated stripes have a thickness of 0.05-0.1 mm, the shell is made of a metal sheet with a thickness of 0.1-0.5 mm, and on the surface of the circumference of the substrate 1 formed along the periphery of the channel 7, and in the casing 6, protrusions 8 of the corresponding configuration are made, which enter the grooves when the casing 6 is put on the substrate 1 to ensure connection and to prevent axial movements of the casing 6 relative to the substrate 1.

2. The catalytic reactor according to claim 1, characterized in that at least one portion 9 is formed on the shell 6 by forming an annular protrusion protruding outward from the surface of the shell 6, designed to reduce axial forces arising between the substrate 1 and the shell 6 in as a result of heating or cooling a catalytic reactor.

3. The catalytic reactor according to claim 1 or 2, characterized in that on each end side of the shell 6 there is a ring 12 protruding in the direction of removal from the substrate 1 in the form of its extension, and the connection of the shell with the casing 11, covering the catalytic reactor, is carried out at using the indicated rings 12.

4. The catalytic reactor according to claim 3, characterized in that the ring 12 has a conical extension in the direction of removal from the substrate 1.