RU2417840C1 - Catalytic element - Google Patents

Catalytic element Download PDF

Info

Publication number
RU2417840C1
RU2417840C1 RU2009139305/04A RU2009139305A RU2417840C1 RU 2417840 C1 RU2417840 C1 RU 2417840C1 RU 2009139305/04 A RU2009139305/04 A RU 2009139305/04A RU 2009139305 A RU2009139305 A RU 2009139305A RU 2417840 C1 RU2417840 C1 RU 2417840C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
catalytic
catalytic element
catalyst
granules
highly porous
Prior art date
Application number
RU2009139305/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Геннадьевич Тарарыкин (RU)
Александр Геннадьевич Тарарыкин
Original Assignee
Александр Геннадьевич Тарарыкин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Геннадьевич Тарарыкин filed Critical Александр Геннадьевич Тарарыкин
Priority to RU2009139305/04A priority Critical patent/RU2417840C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2417840C1 publication Critical patent/RU2417840C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to catalytic elements. Described is a catalytic element having a regular structure, characterised by that the element consists of two structurally merged components, the first component being a bearing matrix, made from one or more types of highly porous permeable cellular materials in which space is formed, and the second component being discrete granules of one or more types, which completely or partly lie in the formed space at least in one of the matrices.
EFFECT: described catalytic element enables to regulate heat- and mass-exchange parametres of processes by combining catalyst components of one or more different types; avoiding loss of the catalytic element due to wearing.
13 cl, 13 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к каталитическим элементам регулярной структуры, которые могут найти применение в различных каталитических процессах.The invention relates to catalytic elements of regular structure, which may find application in various catalytic processes.

Самый распространенный и простой в изготовлении тип катализаторов - это катализаторы, выполненные в форме различных гранул. Размеры формованных гранул катализаторов лежат в диапазоне от долей миллиметров, но, как правило, не менее 0,5 мм до нескольких десятков миллиметров, как правило, не более 100 мм по наибольшему размеру, например длине.The most common and simplest type of catalysts to manufacture is catalysts made in the form of various granules. The sizes of the molded granules of the catalysts range from fractions of millimeters, but, as a rule, not less than 0.5 mm to several tens of millimeters, as a rule, not more than 100 mm in the largest size, for example, length.

Гранулированные катализаторы можно готовить как экструзией, так и другими методами, например прессованием или скатыванием. Все методы формовки высокопроизводительны и позволяют получать широчайший спектр рецептур и форм катализаторов. Форма гранулированных катализаторов определяется методом производства, например экструдаты прессованием через фильеры, таблетки или более сложные формы, полученные прессованием, сферические тела, полученные скатыванием. Гранулы более сложных форм могут иметь различную геометрию сечения - трилистники, оребренные или иные, а также один или более сквозных каналов.Granular catalysts can be prepared both by extrusion and by other methods, for example by pressing or rolling. All molding methods are highly productive and allow you to get a wide range of formulations and forms of catalysts. The shape of the granular catalysts is determined by the production method, for example, extrudates by compression through dies, tablets or more complex forms obtained by compression, spherical bodies obtained by rolling. Granules of more complex shapes can have different cross-sectional geometry - trefoils, finned or otherwise, as well as one or more through channels.

Примеры некоторых, наиболее распространенных гранулированных катализаторов приведены на Фиг.2.Examples of some of the most common granular catalysts are shown in FIG. 2.

Но гранулированные катализаторы имеют свои недостатки при эксплуатации:But granular catalysts have their disadvantages during operation:

высокое сопротивление потоку; износ катализатора, связанный с истиранием, что приводит к потере ценных компонентов, например драгметаллов; выделение пыли; и рост сопротивления слоя; невысокие параметры теплоотдачи внутри слоя. В аппаратах происходит расслоение катализатора по размерам гранул, забивание аппаратов пылью от истирания.high flow resistance; catalyst wear associated with abrasion, which leads to the loss of valuable components, such as precious metals; dust emission; and increase in layer resistance; low heat transfer parameters inside the layer. In the apparatus, the catalyst is stratified by the size of the granules, and the apparatus becomes clogged with dust from abrasion.

Частично недостатки гранулированных катализаторов устраняет другой тип катализаторов, а именно сотовые блоки. Применение сотовых блоков обеспечивает низкое сопротивление потоку. Сотовые блоки технологичны в эксплуатации, практически не имеют истирания и уноса, связанного с трением и вибрациями.Partially, the disadvantages of granular catalysts are eliminated by another type of catalyst, namely cell blocks. The use of cell blocks provides low flow resistance. Cellular units are technologically advanced in operation, practically have no abrasion and entrainment associated with friction and vibration.

Тем не менее, сотовым блокам присущи и существенные недостатки, связанные как с изготовлением, так с эксплуатацией блоков. При формовке блоков используют сложную и дорогую оснастку, производительность формовки низкая, формование сотовых структур возможно для ограниченного количества составов керамики, большинство рецептур либо не дают качественных каналов либо растрескиваются при сушке и термообработке. Из самого распространенного носителя - гамма-оксида алюминия и модифицирующих керамику добавок - изготовить блок нельзя, чаще всего монолит блока и активный слой - это два различных материала, что создает сложность в технологическом процессе изготовления блочного катализатора и может приводить к отслаиванию активного слоя при эксплуатации.However, the cellular blocks are inherent and significant disadvantages associated with both the manufacture and operation of the blocks. When forming blocks, complex and expensive equipment is used, molding performance is low, molding of honeycomb structures is possible for a limited number of ceramic compositions, most formulations either do not provide high-quality channels or crack during drying and heat treatment. It is impossible to make a block from the most common carrier - gamma-alumina and ceramic-modifying additives, most often the block monolith and the active layer are two different materials, which creates complexity in the manufacturing process of the block catalyst and can lead to peeling of the active layer during operation.

Блоки сотовой структуры весьма чувствительны к термоударам - перепадам температур при эксплуатации, у них малая термическая устойчивость, т.е. растрескивание при высоких и переменных температурах, плохой теплообмен керамики и возможность отвода тепла реакции в потоке внутри канала.Honeycomb blocks are very sensitive to thermal shock - temperature drops during operation, they have low thermal stability, i.e. cracking at high and variable temperatures, poor heat transfer of ceramics and the possibility of heat dissipation of the reaction in the stream inside the channel.

Сотовая конструкция катализатора всегда имеет две четкие геометрические составляющие: канал и стенка канала.The honeycomb structure of the catalyst always has two distinct geometric components: the channel and the channel wall.

Наличие каналов большой протяженности и малого по сравнению с длиной диаметра всегда создает опасность закупорки каналов реагентами или продуктами реакции, или сажей. Кроме того, в канале существует сильное отличие структуры потока по оси и в пристенном слое, что создает дополнительные диффузионные ограничения. Массообмен между соседними каналами невозможен.The presence of channels of great length and small in comparison with the length of the diameter always creates a danger of clogging of the channels with reagents or reaction products, or soot. In addition, there is a strong difference in the flow structure in the channel along the axis and in the wall layer, which creates additional diffusion restrictions. Mass transfer between adjacent channels is not possible.

Для предотвращения байпасов, то есть потока реагентов по наружной поверхности блока мимо каналов, требует применения высокотемпературных уплотнительных устройств. Устройство автомобильного нейтрализатора, состоящего из керамического блока металлического корпуса и термостойких уплотнений, приведено на Фиг.13.To prevent bypasses, that is, the flow of reagents along the outer surface of the unit past the channels, requires the use of high-temperature sealing devices. The device of the automobile converter, consisting of a ceramic block of a metal housing and heat-resistant seals, is shown in Fig.13.

Известны сотовые каталитические элементы (RU 2128081, B01J 35/04, 1999; JP 62-191048, B01J 35/04, 1987; DE 3430886, B01J 35/04, 1986; JP 53-137866, B01D 53/34, 1978. JP 54-141382, B01J 1/00, 1979; EP 0260704, B01J 21/04, 1988 и др.).Cellular catalytic elements are known (RU 2128081, B01J 35/04, 1999; JP 62-191048, B01J 35/04, 1987; DE 3430886, B01J 35/04, 1986; JP 53-137866, B01D 53/34, 1978. JP 54-141382, B01J 1/00, 1979; EP 0260704, B01J 21/04, 1988, etc.).

В патенте RU 2209117, B01J 35/04, 27.07.2003 описан каталитический элемент регулярной сотовой структуры, который выполнен в виде слоя из отдельных призм, соединенных боковыми гранями и имеющих сотовые каналы, отдельные призмы при укладке их в слой сотовой структуры имеют зазор между боковыми гранями 0,1-1,0 диаметра сотового канала. Для укладывания по периметру слоя используются усеченные под диаметр контактного аппарата блоки треугольной и трапециевидной форм. Данные катализаторы применяются при проведении высокотемпературных процессов в газовой фазе, например окислении аммиака.In the patent RU 2209117, B01J 35/04, 07.27.2003 a catalytic element of a regular honeycomb structure is described, which is made in the form of a layer of separate prisms connected by side faces and having honeycomb channels, individual prisms having a gap between the side prisms faces 0.1-1.0 diameter of the honeycomb channel. For laying along the perimeter of the layer, triangular and trapezoidal blocks truncated to the diameter of the contact apparatus are used. These catalysts are used when carrying out high-temperature processes in the gas phase, for example, the oxidation of ammonia.

Предложены сотовые катализаторы для производства серной кислоты - процесс окисления диоксида серы. Наибольшее распространение блочные сотовые катализаторы получили в процессах очистки газов от вредных примесей.Cellular catalysts for the production of sulfuric acid, a process for the oxidation of sulfur dioxide, are proposed. Block cellular catalysts are most widely used in the processes of gas purification from harmful impurities.

Во всех перечисленных процессах сотовые блочные катализаторы проявляют свои положительные качества, при этом сохраняя недостатки, прежде всего низкую термическую стойкость - растрескивание, отслаивание активного каталитического слоя от монолита блока, забивание каналов.In all of the above processes, cellular block catalysts exhibit their positive qualities, while retaining the disadvantages, primarily low thermal stability - cracking, peeling of the active catalytic layer from the block monolith, clogging of channels.

Известен каталитический элемент, который представляет собой кассету (сборку), в которой отдельные каталитические элементы, полученные стандартными методами гранулирования, объединены общей блочной конструкцией (RU 2362624, B01J 35/04, 27.07.09). Каталитические элементы представляют собой стержни или гранулы катализатора круглого или иного сечения и собраны с помощью дистанционирующего устройства в единый блок. Дистанционирующее устройство может быть выполнено в виде сетки, в которой собирается блок катализаторов, в виде штырей, на которых фиксируются каталитические элементы, либо в виде пластин, в которых механически могут быть зафиксированы каталитические элементы. Каталитический элемент может быть сформирован из параллельных или расположенных под углом слоев стержней катализатора, то же самое возможно при загрузке блоков в реактор. Каталитические элементы в реакторе будут ориентированы в направлении «поток вдоль», «поток перпендикулярно», «поток под углом» к стержням, при этом степень турбулизации потока будет значительно отличаться. Элемент может быть сформован из разнородных по составу стержней катализатора, то есть из различных катализаторов, имеющих одинаковую форму. Элемент может быть сформирован из разных по диаметру стержней катализатора. Сама геометрия стержня может быть по сечению не только круглой, но и иной, что делает возможным увеличение геометрической поверхности.A known catalytic element, which is a cassette (assembly), in which individual catalytic elements obtained by standard granulation methods are combined by a common block design (RU 2362624, B01J 35/04, 07.27.09). The catalytic elements are rods or pellets of a catalyst of circular or other cross-section and are assembled using a spacer device in a single unit. The spacer device can be made in the form of a grid in which the catalyst block is assembled, in the form of pins on which the catalytic elements are fixed, or in the form of plates in which the catalytic elements can be mechanically fixed. The catalytic element can be formed from parallel or angled layers of catalyst rods, the same is possible when loading the blocks into the reactor. The catalytic elements in the reactor will be oriented in the direction of “flow along”, “flow perpendicularly”, “flow at an angle” to the rods, while the degree of turbulization of the flow will vary significantly. The element can be formed from heterogeneous catalyst rods, that is, from various catalysts having the same shape. The element may be formed from catalyst rods of different diameters. The geometry of the rod itself can be not only round, but also different in cross section, which makes it possible to increase the geometric surface.

Достоинства предлагаемого элемента. Простое и производительное, как у экструдатов, формование каталитических стержней из широкого спектра составов керамики, в том числе из активных оксидов алюминия. Низкое сопротивление потоку. Постоянное "лобовое набегание" потока на каталитический элемент. Поток не замкнут в канале, как у сотового блока. Постоянные изменения направления и смешения потока по слоям элемента. Хорошее перемешивание и турбулизация потока реагентов от слоя к слою. Высокие массо- и теплообменные характеристики. Отсутствие контакта между стержнями и, как следствие, износа трением. Нет пыли при работе катализаторного слоя. Термостойкость. Отсутствие термического расширения-сжатия, так как каталитический элемент термокомпенсирован самой конструкцией и не является монолитом. Не происходит растрескивания. Нет опасности "забивания" слоя катализатора пылью, реагентами, сажей.Advantages of the proposed item. Simple and productive, as with extrudates, molding of catalytic rods from a wide range of ceramic compositions, including active aluminum oxides. Low flow resistance. Constant "frontal run-in" of the flow on the catalytic element. The stream is not closed in the channel, like a cell unit. Constant changes in the direction and mixing of the flow through the layers of the element. Good mixing and turbulization of the flow of reagents from layer to layer. High mass and heat transfer characteristics. Lack of contact between the rods and, as a consequence, wear by friction. No dust during operation of the catalyst bed. Heat resistance. The absence of thermal expansion-contraction, since the catalytic element is thermally compensated by the structure itself and is not a monolith. No cracking occurs. There is no danger of “clogging” the catalyst layer with dust, reagents, soot.

Недостатком этого комбинированного катализатора является необходимость разрабатывать и изготавливать сложные элементы крепления и размещения самих гранул и конструкции, дистанционирующие гранулы друг от друга.The disadvantage of this combined catalyst is the need to develop and manufacture complex fastening and placement elements of the granules themselves and structures spacing the granules from each other.

Еще один известный тип катализаторов - это катализаторы, в которых в качестве носителя используются высокопористые проницаемые ячеистые материалы (ВПЯМ). Эти катализаторы могут быть изготовлены из металлов, сплавов углеродных материалов или из керамики. Другое распространенное название для высокопористых ячеистых материалов - пенометаллы и пенокерамика (metal foam, porous metal, open cell foam).Another known type of catalyst is catalysts in which highly porous permeable cellular materials (HPMP) are used as a carrier. These catalysts can be made of metals, alloys of carbon materials, or ceramic. Another common name for highly porous cellular materials is foam metals and ceramic foam (metal foam, porous metal, open cell foam).

ВПЯМ-носители и катализаторы обладают рядом присущих только им достоинств, в том числе по сравнению с сотовыми и гранулированными катализаторами.HPLM carriers and catalysts possess a number of inherent advantages only to them, including in comparison with cellular and granular catalysts.

У катализаторов из ВПЯМ нет трущихся частей, а следовательно, износа и пыления при работе, свойственного, например, дискретным гранулам.The catalysts from HPMP have no rubbing parts, and therefore, wear and dust during operation, which is characteristic, for example, of discrete granules.

Общая пористость ВПЯМ может достигать 95% их объема. Как следствие, у них очень низкое сопротивление потоку, что позволяет применять их даже в режиме естественной конвекции реагентов, что труднодостижимо для катализаторов из гранул и блоков.The total porosity of HPMP can reach 95% of their volume. As a result, they have a very low flow resistance, which allows them to be used even in the mode of natural convection of reagents, which is difficult to achieve for catalysts made of granules and blocks.

Сетчатая структура твердого каркаса и свободно доступные открытые поры делают этот материал одинаково проницаемым для потока в любом направлении, чего нет, например, в блочных катализаторах, где есть четкое разделение поверхностей на непроницаемую боковую и открытую фронтальную поверхность, каналы и стенки. Поток реагентов в ВПЯМ не замкнут в единичном канале, как у блоков. Явления закупорки каналов сажей или продуктами реакции для катализаторов из ВПЯМ практически не существует.The mesh structure of the solid skeleton and freely accessible open pores make this material equally permeable to flow in any direction, which is not the case, for example, in block catalysts, where there is a clear separation of surfaces into an impermeable side and open front surface, channels and walls. The flow of reagents in HPLC is not closed in a single channel, as in blocks. There is practically no phenomenon of clogging of the channels with soot or reaction products for catalysts from HPMP.

Постоянное изменение направления потока в макропорах ликвидирует застойные зоны, турбулизует поток реагентов и обеспечивает их постоянное перемешивание. Более теплопроводный, чем керамика, пенометалл, из которого изготовлен ВПЯМ, и турбулизованный поток обеспечивают перемешивание и высокие массо- и теплообменные характеристики.A constant change in the direction of flow in macropores eliminates stagnant zones, turbulizes the flow of reagents and ensures their constant mixing. More thermally conductive than ceramic, the foam metal from which HPLM is made, and a turbulent flow provide mixing and high mass and heat transfer characteristics.

Большой объем свободного пространства ячеистого металла обуславливает низкий объемный вес катализатора. Поэтому катализаторы на основе ВПЯМ имеют малую тепловую инерцию, быстро прогреваются теплом реакции и выходят на рабочий режим.The large volume of free space of the cellular metal leads to a low volumetric weight of the catalyst. Therefore, catalysts based on HPLM have low thermal inertia, quickly warm up with the reaction heat, and enter the operating mode.

Так как водопоглощение ВПЯМ гораздо ниже, чем у пористых гранул, а тепловая инерция у металла практически отсутствует и катализатор быстро нагревается, то на его поверхности практически исключен процесс образования пленок конденсата из продуктов реакции, например воды. Это существенное преимущество катализаторов из ВПЯМ как перед гранулированными катализаторами, так и перед керамическими блоками с их низкой теплопроводностью.Since the water absorption of HPLM is much lower than that of porous granules, and the thermal inertia of the metal is practically absent and the catalyst quickly heats up, the formation of condensate films from reaction products, for example, water, is practically excluded on its surface. This is a significant advantage of HPLC catalysts over both granular catalysts and ceramic blocks with their low thermal conductivity.

Пенометалл (ВПЯМ) - единственный доступный материал для носителей и катализаторов, у которого можно очень просто осуществить прямой электронагрев катализатора, например, для запуска каталитической реакции или ее поддержания.Foam metal (HPLM) is the only material available for carriers and catalysts, which can be very simple to directly heat the catalyst, for example, to start the catalytic reaction or to maintain it.

Очень важным положительным качеством для конструирования катализаторов из ВПЯМ являются их механические свойства. Эти материалы лучше других переносят ударные или длительные деформирующие нагрузки. Даже будучи деформированными, катализаторы на основе пенометаллов сохраняют свою работоспособность.A very important positive quality for the design of catalysts from HPMP is their mechanical properties. These materials better than others withstand shock or prolonged deforming loads. Even when deformed, foam-based catalysts retain their performance.

Катализаторы из металлических ВПЯМ гораздо меньше, чем блочные, восприимчивы к резким перепадам температур - термоударам.Catalysts made of metal HPMP are much smaller than block catalysts, they are susceptible to sudden changes in temperature - thermal shock.

В то же время катализаторы из высокопористых ячеистых материалов не лишены своих недостатков.At the same time, catalysts made of highly porous cellular materials are not without their drawbacks.

Преимущества малой плотности: отсутствие тепловой инерции и высокая теплопроводность превращаются в недостаток этого типа катализаторов при нестационарном поступлении реагентов. Если концентрация поступающих на катализатор реагентов снижается или даже на короткое время, падает до нуля, то он остывает также быстро как нагревается. При восстановлении подачи реагентов остывший катализатор может не «зажечься», при этом происходит проскок непрореагировавших веществ, что недопустимо при взрывоопасных или токсичных веществах. В этом случае предпочтительнее гранулированный катализатор, имеющий большую массу и тепловую инерцию.Advantages of low density: the absence of thermal inertia and high thermal conductivity turn into a disadvantage of this type of catalysts during unsteady supply of reagents. If the concentration of reagents entering the catalyst decreases, or even for a short time, drops to zero, then it cools down as quickly as it heats up. When the supply of reagents is restored, the cooled catalyst may not “ignite”, and a breakdown of unreacted substances occurs, which is unacceptable with explosive or toxic substances. In this case, a granular catalyst having a large mass and thermal inertia is preferable.

Катализаторы из керамических ячеистых материалов в отличие от своих металлических аналогов, как правило, не имеют достаточной механической прочности. Они хрупки, не выдерживают нагрузок и ударов и, несмотря на наличие целого ряда патентов, не нашли применения в промышленных процессах.Catalysts made of ceramic cellular materials, unlike their metal counterparts, as a rule, do not have sufficient mechanical strength. They are fragile, do not withstand loads and impacts and, despite the presence of a number of patents, have not found application in industrial processes.

Адгезия (сцепление) промежуточного активного слоя, который наносится на металлические ВПЯМ, из-за большой разницы теплового расширения металл - керамика слабее, чем у блочных сотовых, и для качественного сцепления металл - подложка применяются сложные технологические процессы.Adhesion (adhesion) of the intermediate active layer, which is applied to metal HPMP, is weaker than metal block ceramics due to the large difference in thermal expansion of metal than ceramics, and complex technological processes are used for high-quality metal-substrate adhesion.

Известен катализатор получения синтез-газа (Заявка RU 2006125733/04, B01J 35/04, 27.01.08), в котором носитель катализатора содержит пористое тело, которое изготовлено, по меньшей мере, из вещества, выбранного из керамической пены и керамического сотового покрытия. Обладая указанными выше достоинствами, он обладает также и существенным недостатком - он хрупкий и может быть полностью разрушен при попадании во фронт ударной волны при аварийной ситуации.A known synthesis gas catalyst (Application RU 2006125733/04, B01J 35/04, 01/27/08), in which the catalyst carrier contains a porous body, which is made of at least a substance selected from ceramic foam and ceramic honeycomb coating. Possessing the above advantages, it also has a significant drawback - it is fragile and can be completely destroyed when a shock wave hits the front in an emergency.

Известна система для контролирования и удаления водорода (Заявка RU 2002129113, С01В 3/58, 10.04.04), в которой в качестве носителя катализатора используется металлический ВПЯМ. Однако катализатор приходится размещать в теплоизолирующей опоре, что усложняет конструкцию рекомбинатора водорода. Кроме того, опытная эксплуатация этих катализаторов подтвердила недостаток, связанный с быстрым остыванием катализатора, при снижении концентрации поступающего водорода в потоке, после повторного достижения взрывоопасных концентрации этот катализатор начинал работать с существенной задержкой.A known system for controlling and removing hydrogen (Application RU 2002129113, C01B 3/58, 04/10/04), in which metal catalyst is used as a catalyst carrier. However, the catalyst must be placed in a heat insulating support, which complicates the design of the hydrogen recombiner. In addition, the pilot operation of these catalysts confirmed the disadvantage associated with the rapid cooling of the catalyst, with a decrease in the concentration of incoming hydrogen in the stream, after the explosive concentration was again reached, this catalyst began to work with a significant delay.

Данное изобретение решает задачу создания такого каталитического элемента, который объединяет в себе достоинства катализаторов блочной конструкции и гранулированных, но лишен их недостатков.This invention solves the problem of creating such a catalytic element, which combines the advantages of block-structure catalysts and granular, but devoid of their disadvantages.

Технический результат - практически полное исключение потерь от истирания и уноса даже у самых непрочных гранулированных катализаторов, в том числе в процессах с высокими или переменными скоростями потоков и вибрацией;EFFECT: almost complete elimination of losses from abrasion and entrainment even of the most fragile granular catalysts, including in processes with high or variable flow rates and vibration;

обеспечение более устойчивой работы в процессах с нестационарной или прерывистой подачей реагентов; возможность регулирования и улучшения гидродинамических характеристик потоков в каталитических реакторах (аппаратах); возможность регулирования тепло- и массообменных параметров процесса;ensuring more stable operation in processes with unsteady or intermittent supply of reagents; the ability to control and improve the hydrodynamic characteristics of flows in catalytic reactors (apparatuses); the ability to control heat and mass transfer process parameters;

устойчивая работа в условиях высокой влажности и низких температур; свободное формообразование и ориентация каталитических устройств (аппаратов) в пространстве; технологическая гибкость и возможность создания «умных» каталитических систем, приспосабливающихся к фактическим условиям протекания реакций.steady work in the conditions of high humidity and low temperatures; free shaping and orientation of catalytic devices (devices) in space; technological flexibility and the ability to create “smart” catalytic systems that adapt to the actual conditions of the reaction.

Сущность изобретения иллюстрируется Фиг.1, на которой представлен принцип формирования предлагаемого нового каталитического элемента.The invention is illustrated in figure 1, which presents the principle of formation of the proposed new catalytic element.

В матрице из высокопористого ячеистого материала ВПЯМ известными способами формируют пространства - полости, каналы, гнезда.In a matrix of highly porous cellular material of HPLM by known methods they form spaces - cavities, channels, nests.

Затем берутся любые необходимые катализаторы дискретной гранулированной формы. Дискретные гранулы размещают в полостях, сформированных в ВПЯМ. Гранулы внутри матрицы из ВПЯМ закрепляют любыми известными технологическими приемами, например пластической деформацией самой матрицы, стопорными устройствами или даже свободно засыпают в предназначенные для этого полости, каналы или гнезда.Then, any necessary catalysts of a discrete granular form are taken. Discrete granules are placed in cavities formed in HPM. The granules inside the matrix of HPLC are fixed by any known technological methods, for example, plastic deformation of the matrix itself, locking devices or even freely fall asleep in the cavities, channels or nests intended for this.

В результате получается каталитический элемент по данному изобретению, характеризующийся новыми свойствами и открывающий технологические возможности, не существующие у его составляющих по отдельности.The result is a catalytic element according to this invention, characterized by new properties and opening up technological capabilities that do not exist separately from its components.

На Фиг.1, поз.1, обозначены дискретные гранулы; поз.2 - высокопористый ячеистый материал со сформированными в нем гнездами (отверстиями) для гранул; поз.3 обозначен результат предлагаемого технического решения - новый каталитический элемент.In figure 1, 1, discrete granules are indicated; pos.2 - highly porous cellular material with nests (holes) for granules formed in it; pos.3 indicates the result of the proposed technical solution - a new catalytic element.

Некоторые из возможных видов дискретного гранулированного катализатора (гранул) представлены на Фиг.2, а структура и общий вид ВПЯМ - на Фиг.3.Some of the possible types of discrete granular catalyst (granules) are presented in Figure 2, and the structure and general view of the HPLM are shown in Figure 3.

Примеры (фотографии) готовых каталитических элементов по данному изобретению приведены на Фиг.4.Examples (photos) of the finished catalytic elements according to this invention are shown in Fig.4.

Существует ряд гранулированных катализаторов на основе носителей из высокоактивной гамма-окиси алюминия. Они обладают очень высокими каталитическими свойствами. Но их существенный недостаток - хрупкость и истираемость мягкого гамма-оксида. Помещенные в матрицу из ВПЯМ, как предлагается в данном изобретении, гранулы катализатора сохранят все свои преимущества, а механические свойства гранул, защищенных матрицей, не будут иметь никакого значения.There are a number of granular catalysts based on carriers of high activity gamma alumina. They have very high catalytic properties. But their significant drawback is the fragility and abrasion of soft gamma oxide. Placed in a matrix of HPLM, as proposed in this invention, the catalyst granules will retain all their advantages, and the mechanical properties of the granules protected by the matrix will not matter.

Без предлагаемого технического решения данные катализаторы практически не используются, например, на движущихся объектах, а в стационарных аппаратах за время эксплуатации теряют от истирания до 50% своей массы, в том числе активных драгоценных металлов, нанесенных на носитель катализатора.Without the proposed technical solution, these catalysts are practically not used, for example, on moving objects, and in stationary devices during operation they lose from abrasion up to 50% of their mass, including active precious metals deposited on the catalyst carrier.

Матрица из ВПЯМ, даже не обладая каталитическими свойствами, может быть полезной, например, когда она играет роль теплового радиатора - быстро отводя тепло реакции, или, наоборот, быстро прогревая инерционную массу керамических гранул. Такое применение может быть критически важным для реакции и процессов с взрывоопасными реагентами, когда необходимо предотвратить быстрые локальные перегревы катализатора или реактора, способные вызвать воспламенение или взрыв. Примером такого процесса может быть каталитическая рекомбинация («холодное» сжигание) водорода в системах водородной безопасности.A matrix from HPLC, even without catalytic properties, can be useful, for example, when it plays the role of a heat radiator - quickly removing heat of reaction, or, conversely, quickly warming up the inertial mass of ceramic granules. Such an application can be critical for reactions and processes with explosive reagents when it is necessary to prevent rapid local overheating of the catalyst or reactor, which can cause ignition or explosion. An example of such a process is the catalytic recombination (“cold” burning) of hydrogen in hydrogen safety systems.

На Фиг.5 изображено два варианта каталитического устройства. Первый (поз.4) состоит только из гранулированного катализатора - стержней регулярной формы, содержащих платину на носителе из оксидной керамики. Второй (поз.5) представляет собой каталитический элемент по данному изобретению, в котором те же гранулы (стержни) закреплены в пеномедной матрице.Figure 5 shows two variants of the catalytic device. The first (item 4) consists only of a granular catalyst - rods of regular shape containing platinum on an oxide ceramic support. The second (item 5) is a catalytic element according to this invention, in which the same granules (rods) are fixed in a foam-honey matrix.

На третьем (поз.6) рисунке Фиг.5 приведен график локальных температур по длине стержней керамического катализатора, то есть по ходу потока реагентов. На графике кривая 7 соответствует распределению температуры по длине каталитического стержня без радиатора из пенометалла, а кривая 8 - для варианта с матрицей из медного ВПЯМ по данному изобретению.In the third (item 6) figure of Figure 5 is a graph of local temperatures along the length of the rods of the ceramic catalyst, that is, along the flow of reagents. In the graph, curve 7 corresponds to the temperature distribution along the length of the catalytic rod without a foam metal radiator, and curve 8 for the variant with a copper HPLC matrix according to this invention.

Видно, что применение предлагаемого каталитического элемента благодаря хорошему теплорассеянию на матрице из медного ВПЯМ позволило ликвидировать локальный (до 600°С) перегрев керамики и выравнить температуру катализатора. Это не только продлевает срок жизни самого катализатора, но и снижает опасность взрыва.It can be seen that the use of the proposed catalytic element due to good heat dissipation on a matrix of copper HPMP allowed eliminating local (up to 600 ° C) ceramic overheating and equalizing the temperature of the catalyst. This not only extends the life of the catalyst itself, but also reduces the risk of explosion.

Катализатором может быть только матрица из ВПЯМ, а гранулы внутри нее играть роль теплового тормоза или теплового инерта. Это свойство будет важным для процессов с опасностью быстрого разогрева или, наоборот, с быстрым охлаждением. Например, из-за малой инерции пенометалла каталитический процесс может быстро и неконтролируемо войти в опасные высокотемпературные параметры или, наоборот, из-за быстрого остывания ВПЯМ каталитическая реакция может прекратиться - «схлопнуться».The catalyst can only be a matrix of HPLC, and the granules inside it play the role of a thermal brake or thermal inert. This property will be important for processes with the danger of rapid heating or, conversely, with rapid cooling. For example, due to the low inertia of the foam metal, the catalytic process can quickly and uncontrolledly enter dangerous high-temperature parameters, or, conversely, due to the rapid cooling of the HPLC, the catalytic reaction can stop - “collapse”.

Техническое решение на основе данного изобретения будет полезным, например, для работы каталитических реакторов при очистке вредных выбросов от нестационарных источников загрязнений. Так, при очистке выбросов от полиграфических машин концентрация загрязнений в воздухе изменяется в течение рабочего дня в десятки раз, временами падая до нуля. Гранулированный катализатор в матрице из ВПЯМ способен своей массой и тепловой инерцией сгладить эти колебания. И, наоборот, при резком росте концентраций пенометаллическая матрица быстро распределит возросшую на несколько сотен градусов температуру в аппарате и предотвратит опасный перегрев катализатора и узлов аппарата.A technical solution based on this invention will be useful, for example, for the operation of catalytic reactors in the purification of harmful emissions from non-stationary sources of pollution. So, when cleaning emissions from printing machines, the concentration of pollution in the air changes dozens of times during the working day, sometimes falling to zero. The granular catalyst in the HPLC matrix is able to smooth out these vibrations with its mass and thermal inertia. And, on the contrary, with a sharp increase in concentrations, the foam matrix will quickly distribute the temperature in the apparatus, increased by several hundred degrees, and prevent dangerous overheating of the catalyst and apparatus assemblies.

Возможно применение в составе предлагаемого каталитического элемента и гранул и матрицы ВПЯМ, обладающих каталитическими свойствами, но являющихся разными катализаторами. Например, отличающихся по составу входящих в них активных металлов или их концентрацией. Этот технический прием будет полезным для реакций, требующих для своего «старта» более активных (концентрированных) катализаторов, а в дальнейшем на разогретом потоке способны «работать» менее активные, но и менее дорогие.It is possible to use in the composition of the proposed catalytic element both granules and a VPNM matrix having catalytic properties, but being different catalysts. For example, differing in the composition of their active metals or their concentration. This technique will be useful for reactions that require more active (concentrated) catalysts for their “start”, and subsequently less active, but also less expensive, can “work” on a heated stream.

Существуют условия, когда от катализатора требуется сохранение работоспособности при высокой влажности поступающих на катализатор газообразных реагентов, или при образовании воды, как продукта химической реакции. В этом случае высокопористые активные гранулы быстро и в большом количестве адсорбируют воду в порах и капиллярах образуется блокирующая пленка конденсата, и катализатор теряет свою активность или совсем перестает работать. Катализаторы из пенометалла - ВПЯМ меньше подвержены действию конденсирующихся паров жидкости. Однако по активности они в большинстве случаев уступают высокопористым гранулам.There are conditions when the catalyst is required to maintain operability at high humidity of gaseous reactants entering the catalyst, or during the formation of water as a product of a chemical reaction. In this case, highly porous active granules quickly and in large quantities adsorb water in the pores and capillaries, a blocking film of condensate forms, and the catalyst loses its activity or completely stops working. Foam catalysts - HPLM are less susceptible to condensing liquid vapors. However, in most cases they are inferior in activity to highly porous granules.

Совмещение в одном каталитическом элементе двух составляющих: матрицы из пенометалла и гранул позволяет решить задачу работы катализаторов в условиях низких температур и высокой влажности потока. Имея очень тонкий активный слой, нанесенный на металлическую основу, ВПЯМ практически лишен водопоглощения и быстро высыхает от тепла реакции. Низкая теплоемкость и хорошая теплопроводность металла позволяют ему практически мгновенно прогреваться и служить для размещенных в нем гранул - «стартером» каталитического процесса.The combination of two components in one catalytic element: the matrix of foam metal and granules allows us to solve the problem of the operation of the catalysts in low temperature and high humidity conditions. Having a very thin active layer deposited on a metal base, HPLM is practically devoid of water absorption and dries quickly from the heat of reaction. Low heat capacity and good thermal conductivity of the metal allow it to warm up almost instantly and serve for the granules placed in it - the “starter” of the catalytic process.

Каталитические свойства самих составляющих предлагаемого каталитического элемента - матрицы ВПЯМ и гранул - в составе даже одного элемента могут быть разными.The catalytic properties of the constituents of the proposed catalytic element themselves — the HPMP matrix and granules — in the composition of even one element can be different.

При движении потока реагентов через слой катализатора происходит их химическое взаимодействие с образованием продуктов реакции. В результате реакции, по ходу потока изменяются практически все его основные свойства. Меняется химический состав, температура, мольное и объемное соотношение продуктов и реагентов. В итоге могут изменяться объем потока и плотность и, как следствие, скорость и особенно гидравлическое сопротивление слоя, которое растет пропорционально квадрату скорости. Особенно существенные изменения происходят при газофазных процессах.When the flow of reagents through the catalyst bed occurs, they chemically interact with the formation of reaction products. As a result of the reaction, almost all of its basic properties change along the flow. The chemical composition, temperature, molar and volume ratio of products and reagents are changing. As a result, the flow volume and density, and, as a result, the velocity and especially the hydraulic resistance of the layer, which grows in proportion to the square of the velocity, can change. Particularly significant changes occur during gas phase processes.

То есть на всем пути через катализатор от входа в слой до выхода из него свойства потока на каждом последующем уровне отличаются от предыдущего. Это справедливо для всех видов катализаторов - гранулированных, блочных, пенометаллических, даже для катализаторов в виде тонкого (в несколько миллиметров) пакета платиноидных сеток. В обычных катализаторах этот изменяющийся поток все время взаимодействует с одной и той же средой, например слоем одинаковых гранул или протяженным каналом блока. Если практически все свойства потока изменяются при прохождении слоя катализатора, то иметь одинаковый по всей длине слоя катализатор в любом случае неоптимально. Желательно иметь для меняющихся состава, температуры, скорости и других параметров свой оптимизированный катализатор.That is, all the way through the catalyst from the entrance to the bed to the exit from it, the flow properties at each subsequent level differ from the previous one. This is true for all types of catalysts - granular, block, foam-metal, even for catalysts in the form of a thin (several millimeters) packet of platinum chains. In conventional catalysts, this variable flow constantly interacts with the same medium, for example, a layer of identical granules or an extended channel of a block. If almost all the properties of the flow change with the passage of the catalyst bed, then having the same catalyst along the entire length of the bed is in any case not optimal. It is desirable to have an optimized catalyst for changing composition, temperature, speed, and other parameters.

Каталитический элемент по данному изобретению открывает возможности конструировать «умный» катализатор, в котором свойства меняются по ходу потока (процесса), приспосабливаясь к реальным условиям химической реакции. Достичь этого возможно, собирая в каталитическом элементе матрицы ВПЯМ, и заключенные в них гранулы со свойствами, оптимизированными под фактический поток.The catalytic element according to this invention opens up the possibility of constructing a “smart” catalyst, in which the properties change along the flow (process), adapting to the actual conditions of the chemical reaction. It is possible to achieve this by collecting in the catalytic element the HPLC matrix and the granules enclosed in them with properties optimized for the actual flow.

В составе одного каталитического элемента могут применяться различные по характеристикам дискретные гранулы катализатора внутри матрицы из ВПЯМ.As part of one catalytic element, discrete catalyst granules of different characteristics can be used inside the HPMP matrix.

Так, при начале реакции, в первых слоях катализатора (лобовой слой) концентрация реагентов в потоке максимальна, и может быть использован менее активный, например, содержащий меньше драгоценного металла катализатор. По ходу потока концентрация реагентов из-за протекания химической реакции снижается, и требуется катализатор с большим содержанием активных компонентов. В этом случае в составе одного каталитического элемента могут быть применены его составляющие, например гранулы или с изменяющимися по ходу потока каталитическими свойствами.So, at the beginning of the reaction, in the first layers of the catalyst (frontal layer), the concentration of reagents in the stream is maximum, and a less active, for example, catalyst containing less precious metal, can be used. Downstream, the concentration of reagents decreases due to a chemical reaction, and a catalyst with a high content of active components is required. In this case, components of one catalytic element can be used, for example granules or with catalytic properties that vary along the flow.

На Фиг.6 изображен фрагмент каталитического элемента, в котором концентрация палладия в гранулах (стержнях) катализатора от лобового слоя до выхода потока из каталитического элемента изменяется, увеличиваясь в 10 раз. Цифрами на Фиг.6 указано процентное содержание активного драгоценного металла - палладия в дискретном катализаторе, увеличивающееся по ходу потока и обеспечивающее наиболее полное протекание реакции (конверсии) даже с понижением концентрации реагентов по ходу реакции. То есть в составе одного каталитического элемента применены разные гранулированные катализаторы внутри одной матрицы катализатора из ВПЯМ.Figure 6 shows a fragment of a catalytic element in which the concentration of palladium in the granules (rods) of the catalyst from the frontal layer to the exit of the stream from the catalytic element changes, increasing by 10 times. The numbers in Fig. 6 indicate the percentage of active precious metal - palladium in a discrete catalyst, increasing along the flow and providing the most complete reaction (conversion) even with a decrease in the concentration of reagents during the reaction. That is, in the composition of one catalytic element different granular catalysts are used inside the same catalyst matrix from HPLM.

При этом концентрация палладия оптимальна для условий протекания реакции на каждом дискретном уровне. Вариант такого «интеллектуального» каталитического элемента позволяет существенно снизить массу используемого драгоценного металла, что недостижимо, используя только гранулы или только ВПЯМ катализаторы по отдельности.In this case, the concentration of palladium is optimal for the reaction conditions at each discrete level. A variant of such an “intelligent” catalytic element can significantly reduce the mass of the precious metal used, which is unattainable using only granules or only HPMP catalysts separately.

Такой же технический прием может быть использован при разогреве потока реагентов теплом реакции. Если на входе в каталитический элемент температура потока не достаточна для начала реакции, требуется применение более активных катализаторов, далее разогретая реакционная смесь может реагировать и на катализаторе с меньшим содержанием активных компонентов. Такое применение предлагаемого каталитического элемента может существенно снизить расход дорогих компонентов - драгоценных металлов.The same technique can be used when heating the reagent stream with reaction heat. If at the inlet to the catalytic element the flow temperature is not sufficient to start the reaction, the use of more active catalysts is required, then the heated reaction mixture can also react on a catalyst with a lower content of active components. Such an application of the proposed catalytic element can significantly reduce the consumption of expensive components - precious metals.

Например, в каталитических процессах обезвреживания вредных выбросов использование дорогих платиновых металлов по сравнению с никелевыми, медными и хромовыми аналогами позволяет снизить температуру начала реакции (зажигания) на несколько сотен градусов. Это дает серьезные технические преимущества платиноидным катализаторам, однако их стоимость очень высока. Применяя каталитический элемент по данному изобретению, можно сконструировать его из ВПЯМ-металла, покрытого платиноидами и размещенных в нем гранул из дешевого катализатора (например, никель-хром-медного). В этом случае платинированная матрица зажжется при низкой температуре, а более дешевые (без платиновых металлов) гранулированные керамические катализаторы «включаться в работу» уже после разогрева теплом реакции на матрице.For example, in catalytic processes for the neutralization of harmful emissions, the use of expensive platinum metals in comparison with nickel, copper and chromium counterparts can reduce the temperature of the onset of the reaction (ignition) by several hundred degrees. This gives serious technical advantages to platinum catalysts, but their cost is very high. Using the catalytic element of this invention, it is possible to construct it from an HPMP metal coated with platinoids and granules placed therein from a cheap catalyst (for example, nickel-chromium-copper). In this case, the platinized matrix will ignite at low temperature, and the cheaper (without platinum metals) granular ceramic catalysts “come into operation” after heating the reaction on the matrix with heat.

Каталитический элемент может содержать высокопористый ячеистый материал более чем одного типа, например может быть выполнен из разных ВПЯМ, отличающихся по геометрическим, каталитическим, химическим, структурным, тепловым, акустическим или иным характеристикам.The catalytic element may contain highly porous cellular material of more than one type, for example, it can be made of different HPLC, differing in geometric, catalytic, chemical, structural, thermal, acoustic, or other characteristics.

Комбинируя в составе предлагаемого каталитического элемента ВПЯМ или гранулы с различными геометрическими характеристиками, можно регулировать гидродинамические параметры работы каталитических реакторов.Combining the composition of the proposed catalytic element VPNM or granules with different geometric characteristics, you can adjust the hydrodynamic parameters of the catalytic reactors.

Так, при высоких скоростях потока реагентов, особенно газовых, в каталитических аппаратах всегда существуют неравномерности скоростей по длине или, что чаще, по сечению. Это ведет к неравномерной рабочей нагрузке на слой катализатора. Часть катализатора, на которую поток реагентов поступает с большей скоростью, работает с перегрузкой, в то время как другие участки могут быть недогружены.So, at high flow rates of reagents, especially gas, in the catalytic apparatus, there are always uneven speeds along the length or, more often, over the cross section. This leads to an uneven working load on the catalyst bed. The part of the catalyst, to which the reagent flow arrives at a higher speed, works with overload, while other sections may be underloaded.

На Фиг.7 приведены фотографии ВПЯМ, значительно отличающиеся по размерам пор, а соответственно и по гидродинамическому сопротивлению потоку.Figure 7 shows the photos of HPLM, significantly different in pore size, and, accordingly, in hydrodynamic resistance to flow.

На Фиг.8 изображен вариант готового каталитического элемента с разными по размерам пор пенометаллическими матрицами. Центральная часть имеет поры диаметром 1-1.5 мм и обладает в 4 раза большим газодинамическим сопротивлением, чем периферийная с порами 3-4-мм. Применение такого каталитического элемента позволяет выравнить эпюру скоростей по сечению аппарата и создать равномерную нагрузку на весь катализатор. Таким же образом, применяя по сечению аппарата каталитические элементы с разным сопротивлением, можно выравнивать поток реагентов по скоростям не только по оси реактора, но и в том случае, если поток «прижат» к одной из стенок из-за конструкции реактора, например неоптимального ввода реагентов в аппарат. Такое техническое решение особенно действенно при высоких скоростях и газовых потоках.On Fig shows a variant of the finished catalytic element with different pore sizes of foam matrices. The central part has pores with a diameter of 1-1.5 mm and has 4 times greater gas-dynamic resistance than the peripheral one with pores of 3-4 mm. The use of such a catalytic element allows you to equalize the velocity plot along the cross section of the apparatus and create a uniform load on the entire catalyst. In the same way, using catalytic elements with different resistances over the cross section of the apparatus, it is possible to equalize the flow of reagents at speeds not only along the axis of the reactor, but also if the flow is “pressed” to one of the walls due to the design of the reactor, for example, non-optimal input reagents in the apparatus. Such a technical solution is especially effective at high speeds and gas flows.

Еще одним из вариантов «интеллектуального» каталитического элемента может быть конструкция, у которой матрица ВПЯМ с гранулами на входе потока имеет поры минимального размера, а дальше по ходу потока размер пор пенометалла увеличивается. Это позволяет гибко реагировать, например, на быстрый рост температуры потока, ведущий к увеличению объема и, следовательно, скорости. Такие условия существуют в адиабатических, то есть идущих при постоянном давлении процессах. Крупнопористая матрица имеет существенно меньшее сопротивление и будет оптимальна для возросших скоростей потока через катализатор.Another option of an “intelligent” catalytic element may be a design in which the HPLC matrix with granules at the inlet of the stream has pores of a minimum size, and further along the stream, the pore size of the foam metal increases. This allows a flexible response, for example, to a rapid increase in flow temperature, leading to an increase in volume and, therefore, speed. Such conditions exist in adiabatic, that is, processes that occur at constant pressure. The large-pore matrix has a significantly lower resistance and will be optimal for increased flow rates through the catalyst.

Технологические возможности предлагаемого каталитического элемента позволяют создавать из него пространственные конструкции сложной и разнообразной формы. Матрица из высокопористого ячеистого материала ВПЯМ может иметь непрямолинейную или произвольную форму, которую ей легко придать, например, гальваническим формованием, пластической деформацией, штамповкой, сваркой, резанием и другими известными приемами. Некоторые варианты геометрической формы несущих матриц из ВПЯМ иллюстрирует Фиг.9. Из рисунка видно, что пенометалл является не просто катализатором, а самонесущей матрицей любой необходимой формы для размещения гранул катализатора.The technological capabilities of the proposed catalytic element allow you to create from it spatial structures of complex and diverse shapes. The matrix of highly porous VPNM cellular material can have a non-linear or arbitrary shape, which can be easily given, for example, by galvanic molding, plastic deformation, stamping, welding, cutting and other known techniques. Some variants of the geometric shape of the bearing matrix of HPLC is illustrated in Fig.9. It can be seen from the figure that foam metal is not just a catalyst, but a self-supporting matrix of any necessary shape for placement of catalyst granules.

Известно, что каталитические аппараты с засыпными гранулированными катализаторами преимущественно имеют вертикальное положение, а катализатор засыпается на специальные полки, сетки или в корзины. Горизонтальный вариант реактора с гранулированным катализатором является сложной и недостаточно надежной конструкцией, особенно если имеет место вибрация, толчки или другие сотрясения, например, в транспортных средствах.It is known that catalytic apparatuses with granular charge catalysts predominantly have a vertical position, and the catalyst is filled up on special shelves, grids or in baskets. The horizontal version of the reactor with a granular catalyst is a complex and not sufficiently reliable design, especially if there is vibration, shock, or other shock, for example, in vehicles.

Сложная конструкция и ненадежность горизонтальных каталитических устройств привели к практически полному прекращению использования гранулированных катализаторов в автомобильных нейтрализаторах выхлопных газов. Тем не менее, потенциал таких катализаторов еще далеко не исчерпан, и гранулы по сравнению с керамическими блоками в этом процессе имеют свои положительные качества.The complex design and unreliability of horizontal catalytic devices has led to the almost complete cessation of the use of granular catalysts in automotive exhaust gas converters. Nevertheless, the potential of such catalysts is far from exhausted, and granules in comparison with ceramic blocks in this process have their positive qualities.

Применение каталитического элемента «ВПЯМ плюс гранулы» по данному изобретению делает возможным создание каталитических реакторов любой геометрической формы, включая сложные, криволинейные, переменного сечения и с переменным составом катализаторов по ходу каталитической сборки. При этом сами каталитические элементы могут быть сориентированы в нужном направлении (или разных направлениях) и заключены в любой геометрический объем в соответствии с конструктивными требованиями к каталитическому реактору.The use of the catalyst “HPLC plus granules” according to this invention makes it possible to create catalytic reactors of any geometric shape, including complex, curved, variable cross-section and with a variable composition of the catalysts during the catalytic assembly. In this case, the catalytic elements themselves can be oriented in the desired direction (or in different directions) and enclosed in any geometric volume in accordance with the design requirements for the catalytic reactor.

Есть инженерные задачи когда при конструировании существует дефицит свободного места для размещения каталитического аппарата. К примеру, для изделий морской, космической или авиационной техники часто возникают стесненные условия и для размещения каталитического реактора остается очень мало пространства или даже свободное пространство вообще изогнуто. Эта сложная задача достаточно просто решается с использованием предлагаемого каталитического элемента.There are engineering problems when during design there is a shortage of free space to accommodate the catalytic apparatus. For example, confined conditions often arise for marine, space or aviation technology products and very little space remains to accommodate a catalytic reactor, or even free space is generally curved. This difficult task is quite easily solved using the proposed catalytic element.

На Фиг.10 приведен пример формообразования каталитического реактора в кольцевом зазоре, остающемся свободным вокруг условного агрегата. Цифрами на рисунке обозначены: поз.9 - свободное кольцевое пространство, «предоставляемое» конструкцией агрегата; поз.10 - каталитические элементы нужной формы по данному изобретению, расположенные в свободном пространстве; поз 11 - поток реагентов на каталитические элементы.Figure 10 shows an example of the shaping of the catalytic reactor in the annular gap, remaining free around the conditional unit. The numbers in the figure denote: item 9 - free annular space "provided" by the design of the unit; Pos.10 - catalytic elements of the desired shape according to this invention, located in free space; POS 11 - flow of reagents to the catalytic elements.

Размещение каталитических элементов в свободном зазоре создало нужный эффект - свободную геометрию катализатора независимо от «предоставляемых» конструкцией - места, формы или размеров.Placing the catalytic elements in the free gap created the desired effect — the free geometry of the catalyst, regardless of the location “provided” by the structure, shape or size.

Таким образом, из нескольких каталитических элементов, набирая их последовательно, можно создавать каталитические сборки для проведения многостадийных процессов, собирать гибкие модульные системы. Работоспособность составляющих каталитический элемент гранул и каталитической матрицы от формы элемента не зависит, а гранулы катализатора, закрепленные в ВПЯМ, не подвергаются ни трению, ни износу даже при работе в условиях сильных вибраций или ударов.Thus, from several catalytic elements, collecting them sequentially, it is possible to create catalytic assemblies for conducting multi-stage processes, to assemble flexible modular systems. The performance of the granules and the catalyst matrix constituting the catalytic element does not depend on the shape of the element, and the catalyst granules fixed in the HPLC are not subject to friction or wear even when operating under conditions of strong vibration or shock.

Существуют технические задачи, когда состояние катализатора должно поддерживаться постоянным даже без подачи на него потока химических реагентов. Например, катализатор должен иметь температуру выше температуры окружающей среды. Причем иногда это состояние должно поддерживаться на протяжении длительного времени, часами или иногда сутками.There are technical problems when the state of the catalyst must be maintained constant even without the flow of a stream of chemical reagents. For example, the catalyst should have a temperature above ambient temperature. Moreover, sometimes this condition should be maintained for a long time, for hours or sometimes for days.

Такие требования могут предъявляться к каталитическим устройствам «постоянной готовности». Например, в системах взрыво- и пожаробезопасности и других подобных. В этих случаях для поддержания нужной температуры обычно внутри каталитического устройства размещают дополнительные нагревательные приборы постоянного действия.Such requirements may be imposed on catalytic devices of “constant readiness”. For example, in explosion and fire safety systems and other similar ones. In these cases, to maintain the desired temperature, usually additional continuous heating devices are placed inside the catalytic device.

Предлагаемый вариант каталитического элемента имеет матрицу из пенометалла, которая может играть роль непосредственного нагревателя для размещенных в ней гранул, даже не являясь катализатором. Для этого достаточно подключить электрическое напряжение непосредственно к металлическому ВПЯМ. При этом прямой обогрев гранул теплом омического сопротивления матрицы из пенометалла будет эффективнее и экономичнее, чем дополнительным нагревателем, размещенным, например, в воздухе.The proposed embodiment of the catalytic element has a matrix of foam metal, which can play the role of a direct heater for the granules placed in it, without even being a catalyst. To do this, just connect the electrical voltage directly to the metal HPM. In this case, direct heating of the granules with the heat of the ohmic resistance of the foam metal matrix will be more efficient and economical than with an additional heater placed, for example, in air.

Как дискретные гранулы при обычном применении в виде засыпных слоев в каталитических аппаратах, так и катализаторы на основе ВПЯМ являются беспорядочно ориентированными средами, не имеющими какого-либо преимущественного направления. Сотовые блочные катализаторы, наоборот, имеют однонаправленные регулярные каналы, создающие диффузионные и тепловые затруднения по разделению потока на пристенный и центральный (вдоль оси канала).Both discrete granules during normal use in the form of filling layers in catalytic apparatuses, and HPMP-based catalysts are randomly oriented media that do not have any preferred direction. Cellular block catalysts, on the contrary, have unidirectional regular channels, which create diffusion and thermal difficulties in separating the flow into the wall and central (along the channel axis).

Предлагаемый каталитический элемент позволяет достигать эффекта преимущественного направления потока, наиболее выгодного для конкретных условий протекания процесса. Например, интенсифицируя перемешивание или, наоборот, снижая турбулизацию потока.The proposed catalytic element allows you to achieve the effect of the predominant flow direction, the most beneficial for specific conditions of the process. For example, by intensifying mixing or, conversely, reducing the turbulization of the flow.

Так, гранулы внутри ВПЯМ матрицы могут иметь согласованную пространственную ориентацию, т.е. быть специально расположенными друг относительно друга регулярным образом, для наилучшего взаимодействия с потоком реагентов.So, the granules inside the HPLC matrix can have a consistent spatial orientation, i.e. be specially arranged relative to each other in a regular manner, for the best interaction with the flow of reagents.

На Фиг.11 показан пример организации потока реагентов в каталитическом элементе по схемам: «поток - поперек» поз.12 и «поток - вдоль» поз.13 относительно гранулированного катализатора.Figure 11 shows an example of the organization of the flow of reagents in the catalytic element according to the schemes: "flow-across" pos.12 and "flow-along" pos.13 relative to the granular catalyst.

На Фиг.12 схематически изображено устройство каталитического реактора (например, для очистки вредных газовых выбросов), в котором два каталитических элемента по данному изобретению с гранулами катализатора внутри ВПЯМ повернуты на 90° друг относительно друга. На Фиг.12 поз.14 обозначены: сориентированные под углом друг к другу каталитические элементы; поз.-15 корпус условного реактора.12 schematically shows a catalytic reactor device (for example, for purifying harmful gas emissions) in which two catalytic elements of the present invention with catalyst granules inside the HPMP are rotated 90 ° relative to each other. On Fig pos.14 indicated: oriented at an angle to each other catalytic elements; pos.-15 conditional reactor vessel.

Такие технические приемы позволяют интенсифицировать каталитический процесс, обеспечивая турбулизацию потока и постоянное «лобовое набегание» потока на катализатор, а также лучшее перемешивание и массо- и теплообменные характеристики.Such techniques can intensify the catalytic process, providing flow turbulization and constant “frontal run-up” of the flow on the catalyst, as well as better mixing and mass and heat transfer characteristics.

Также, если необходимо, можно, наоборот, снижать интенсивность протекания реакции, ориентируя гранулированный катализатор соответствующим образом. Например, исключить лобовое поступление реагентов на катализатор, ориентируя гранулы вдоль потока. Такие технические решения эффективны в первую очередь для процессов со свободным (конвективным) движением реагентов, когда любое снижение сопротивления является желательным и существенным.Also, if necessary, it is possible, on the contrary, to reduce the reaction rate by orienting the granular catalyst accordingly. For example, to exclude the frontal flow of reagents to the catalyst, orienting the granules along the flow. Such technical solutions are effective primarily for processes with the free (convective) movement of reagents, when any reduction in resistance is desirable and significant.

Таким образом, не являясь по отдельности катализатором с регулярными геометрическими свойствами, дискретные гранулы и катализаторы на основе ВПЯМ, объединенные в составе предлагаемого каталитического элемента, приобретают важное в технологии катализа свойство - регулярность среды и ориентации по отношению к потоку реагентов. При этом в отличие от сотовых блочных катализаторов, в которых поток и канал совпадают по направлению, предлагаемый каталитический элемент дает возможность для создания любых желаемых комбинаций по ориентации потока и катализатора.Thus, not being a separate catalyst with regular geometric properties, discrete granules and catalysts based on HPLC combined in the composition of the proposed catalytic element acquire an important property in the catalysis technology - the regularity of the medium and orientation with respect to the flow of reagents. Moreover, unlike cellular block catalysts, in which the flow and channel coincide in direction, the proposed catalytic element makes it possible to create any desired combinations in the orientation of the flow and catalyst.

При работе обычного блочного катализатора, заключенного в корпус, или гранул, засыпанных на полку (в корзину) реактора, всегда существует опасность байпаса - проскока реагентов мимо катализатора по образовавшимся пустотам, просветам или трещинам. Для исключения байпасов требуется применение специальных уплотнений или иных технических приемов.During the operation of a conventional block catalyst enclosed in a housing, or pellets, sprinkled on a shelf (in a basket) of a reactor, there is always a danger of bypass - reagent leakage past the catalyst through voids, gaps or cracks formed. To eliminate bypasses, the use of special seals or other technical methods is required.

Так, при работе автомобильного нейтрализатора быстрый перепад температур в нем может достигать 500-800°С. Это требует установки особых уплотнений между керамическим блоком и металлическим корпусом. Уплотнения должны сохранять работоспособность при высоких и переменных температурах, компенсировать сильно отличающиеся тепловые расширения металла и керамики, и в тоже время быть герметичными и не допускать возникновения зазоров.So, during the operation of an automobile converter, the rapid temperature difference in it can reach 500-800 ° C. This requires the installation of special seals between the ceramic block and the metal casing. Seals must remain operational at high and variable temperatures, compensate for the very different thermal expansions of the metal and ceramics, and at the same time be airtight and prevent gaps.

У предлагаемого каталитического элемента нет самого понятия - боковых или замкнутых поверхностей. Не существует и преимущественного направления, например протяженного канала, для движения потока. Гранулы размещены в несущей каталитической матрице, они не могут ссыпаться к какому-то краю и создать байпас. Даже растрескавшись, гранулы катализатора остаются в своих гнездах и продолжают работать.The proposed catalytic element does not have the concept itself - lateral or closed surfaces. There is no advantageous direction, for example, an extended channel, for the movement of the flow. The pellets are placed in a supporting catalytic matrix, they cannot be poured to some edge and create a bypass. Even cracked, the catalyst granules remain in their nests and continue to work.

Пример образования байпасов в каталитическом нейтрализаторе со стандартным керамическим блочным катализатором и вариант решения данной технической проблемы с помощью предлагаемого элемента проиллюстрирован на Фиг.13 Слева изображен стандартный автомобильный каталитический нейтрализатор, а справа - вариант нейтрализатора с использованием предлагаемого каталитического элемента.An example of the formation of bypasses in a catalytic converter with a standard ceramic block catalyst and a solution to this technical problem using the proposed element is illustrated in Fig. 13. A standard automobile catalytic converter is shown on the left, and a catalyst variant using the proposed catalytic element is shown on the right.

Цифрами на Фиг 13. схематично обозначены: поз.16 - продольный разрез корпуса каталитического реактора (например, автомобильного нейтрализатора выхлопных газов); 17 - байпас газов мимо каталитического блока через дефект в уплотнении; 18 - поврежденное высокотемпературное уплотнение; на поз.19 - стандартный блочный керамический катализатор; 20 - каталитические элементы по данному изобретению, повернутые под углом 90 относительно друг друга; 21 - корпус условного каталитического реактора.The numbers in Fig. 13 are schematically indicated: pos. 16 is a longitudinal section through the body of a catalytic reactor (for example, an automobile exhaust gas neutralizer); 17 - gas bypass past the catalytic unit through a defect in the seal; 18 - damaged high temperature seal; on pos.19 - standard block ceramic catalyst; 20 - catalytic elements according to this invention, rotated at an angle of 90 relative to each other; 21 - housing conventional catalytic reactor.

Из рисунка Фиг.13 видно, что при данном техническом решении, когда катализаторами являются и керамические гранулы и матрица из пенометалла (пенокерамики), проницаемая для газа со всех сторон, не существует самой возможности байпасов газа, и даже растрескивание керамических гранул, размещенных в матрице ВПЯМ, не снижает работоспособности устройства.From the figure of Fig. 13 it can be seen that with this technical solution, when the ceramic granules and the foam metal matrix (foam ceramics) are permeable to gas from all sides, there is no possibility of gas bypasses, and even cracking of ceramic granules placed in the matrix VLYAM, does not reduce the health of the device.

Каталитический элемент по данному изобретению по своей конструкции термокомпенсирован, то есть безразличен к любым переменным температурам. Такое свойство ему придает сочетание упругой сжимаемой матрицы ВПЯМ и зафиксированных в ней дискретных гранул.The catalytic element according to this invention is thermally compensated in its construction, that is, indifferent to any variable temperatures. This property is given to him by the combination of an elastic compressible HPLC matrix and discrete granules fixed in it.

Пример 1. Известна группа гранулированных катализаторов для конверсии (окисления) токсичного монооксида углерода (угарный газ) в безопасную двуокись. Носителем (основой) этого катализатора служит высокопористая окись гамма-оксида алюминия, а каталитически активным металлом - палладий. Носитель данного катализатора имеет очень невысокие механические свойства, прежде всего твердость и стойкость к истиранию. Так, потери катализатора в виде пыли от истирания, включая унос драгоценного металла, составляли за время реальной эксплуатации 40-50% массы. Особенно это явление присутствовало на движущихся объектах в присутствии вибраций. Замена гранулированного катализатора блочными в данном случае невозможна, так как из за плохой адгезии не удается сформировать на керамической (или металлической) поверхности блока качественный активный слой-подложку для последующего нанесения каталитически активного металла - палладия.Example 1. A group of granular catalysts is known for the conversion (oxidation) of toxic carbon monoxide (carbon monoxide) to safe dioxide. The carrier (base) of this catalyst is highly porous gamma-alumina, and the catalytically active metal is palladium. The carrier of this catalyst has very low mechanical properties, especially hardness and abrasion resistance. So, the loss of catalyst in the form of dust from abrasion, including the ablation of a precious metal, amounted to 40-50% of the mass during the actual operation. Especially this phenomenon was present on moving objects in the presence of vibrations. Replacing a granular catalyst with a block one is impossible in this case, because of poor adhesion it is not possible to form a high-quality active layer-substrate on the ceramic (or metal) surface of the block for subsequent deposition of a catalytically active metal - palladium.

Был создан и испытан каталитический элемент по данному изобретению, в котором гранулы «мягкого» катализатора - палладий на гамма-оксиде алюминия, были заключены в матрицу из высокопористого пеноникеля.A catalytic element according to this invention was created and tested in which granules of a “soft” catalyst - palladium on gamma-alumina, were enclosed in a matrix of highly porous foam nickel.

Гранулы были получены по стандартной технологии - экструзией на шнековом грануляторе и имели цилиндрическую форму с диаметром цилиндра 2,8 мм и высотой 20 мм. Структура гранул высокопористая, суммарный объем не менее 80%. По этой причине гранулы имеют невысокие механические свойства. «Стойкость к истиранию» по стандартной методике для катализаторов не выше 59%. Нанесенным активным компонентом являлся дисперсный палладий - средний размер кристаллитов 2-5 нанометров, в количестве 2,4% по массе.The granules were obtained by standard technology - by extrusion on a screw granulator and had a cylindrical shape with a cylinder diameter of 2.8 mm and a height of 20 mm. The structure of the granules is highly porous, the total volume of at least 80%. For this reason, the granules have low mechanical properties. "Abrasion resistance" by the standard method for catalysts is not higher than 59%. The applied active ingredient was dispersed palladium — the average crystallite size was 2–5 nanometers, in an amount of 2.4% by weight.

В матрице из пенометалла методом деформации (выдавливания) калиброванным инструментом - стержнем диаметром 3 мм были сформированы полости (гнезда), в которые свободно входили гранулы катализатора. После помещения керамических гранул в сформованные гнезда каталитический элемент был спрессован (обжат по двум направлениям) на гидравлическом ручном прессе. В результате этого гранулы оказались жестко закреплены в своих гнездах. В дальнейшем для их исследования гранулы могли быть извлечены только с разрушением матрицы.In the matrix of foam metal by the method of deformation (extrusion) with a calibrated tool - a rod with a diameter of 3 mm, cavities (nests) were formed into which the catalyst granules freely entered. After the ceramic granules were placed in the formed nests, the catalytic element was pressed (compressed in two directions) on a hydraulic hand press. As a result of this, the granules were rigidly fixed in their nests. In the future, for their study, the granules could be removed only with the destruction of the matrix.

Эти каталитические элементы были подвергнуты испытаниям на вибростенде и ударным нагрузкам. Потерь от истирания не наблюдалось, от ударных нагрузок часть гранул в полостях пеноникеля потрескалась, однако на работоспособности каталитического элемента это никак не сказалось. Таким образом, новый каталитический элемент, обладая достоинствами двух катализаторов, оказался избавлен от их основных недостатков.These catalytic elements were subjected to vibration test and shock tests. No abrasion losses were observed, part of the granules in the foam nickel cavities cracked due to shock loads, but this did not affect the performance of the catalytic element. Thus, the new catalytic element, possessing the advantages of two catalysts, was spared from their main disadvantages.

Пример 2. В системах водородной безопасности применяются катализаторы «беспламенного сжигания» водорода в кислороде воздуха с образованием воды, так называемые рекомбинаторы водорода. Задача этих катализаторов и устройств не допустить создания взрывоопасных концентраций водорода (гремучего газа) в воздухе замкнутых помещений. Для этих целей применяются как гранулированные, так и пенометаллические катализаторы, содержащие платиновые металлы.Example 2. In hydrogen safety systems, catalysts for the "flameless burning" of hydrogen in oxygen in the air with the formation of water, the so-called hydrogen recombiners, are used. The task of these catalysts and devices is to prevent the creation of explosive concentrations of hydrogen (explosive gas) in the air of enclosed spaces. For these purposes, both granular and foam metal catalysts containing platinum metals are used.

Гранулированные катализаторы на основе оксидных носителей, обладая хорошей активностью, имеют серьезный недостаток: при комнатных и более низких температурах образовавшаяся пленка воды (продукт реакции) не испаряется, остается в порах носителя и блокирует газофазную реакцию кислорода с водородом. Гранулированный керамический катализатор перестает работать.Granular oxide-based catalysts, having good activity, have a serious drawback: at room temperature and lower temperatures, the formed water film (reaction product) does not evaporate, remains in the pores of the carrier and blocks the gas-phase reaction of oxygen with hydrogen. Granular ceramic catalyst stops working.

Катализаторы из ВПЯМ с нанесенными активными металлами платиновой группы мало подвержены действию образовавшегося конденсата, так как их пористость и толщина слоя гораздо меньше, чем у алюмооксидных гранул. То есть водопоглощение практически отсутствует. При этом практически нулевая по сравнению с керамикой тепловая инерция тонкого металла достаточна для быстрого испарения образовавшейся водяной пленки теплом химической реакции. Однако низкая тепловая инерция пенометалла приводит к практически мгновенному остыванию катализатора при резком снижении концентрации водорода в помещении, так как прекращает выделяться тепло химической реакции. Если содержание водорода в воздухе вновь вырастает, холодный катализатор не «зажигается», то есть не начинает работать много дольше безопасного срока.Catalysts from HPLM with supported platinum group active metals are not much affected by the condensate formed, since their porosity and layer thickness are much smaller than that of alumina pellets. That is, water absorption is practically absent. In this case, the thermal inertia of the thin metal, which is practically zero in comparison with ceramics, is sufficient for rapid evaporation of the water film formed by the heat of a chemical reaction. However, the low thermal inertia of the foam metal leads to almost instantaneous cooling of the catalyst with a sharp decrease in the concentration of hydrogen in the room, since the heat of the chemical reaction ceases to be released. If the hydrogen content in the air rises again, the cold catalyst does not “ignite”, that is, it does not start working much longer than the safe period.

Были изготовлены каталитические элементы на основе активных керамических гранул, помещенных в матрицы из катализатора на основе пенометалла.Catalytic elements were manufactured on the basis of active ceramic granules placed in matrices from a foam-based catalyst.

Гранулированный катализатор представлял собой специальную керамическую структуру на основе оксида алюминия с бимодальной пористой структурой. При этом количество микропор (10-15 нанометров) было не менее 80%, а транспортных макропор (более 5000 нанометров) составляло до 20%. Активным компонентом служила платина с добавкой рутения (в сумме 1,3% платиновых металлов по массе). Форма гранул катализатора - цилиндрическая, диаметром 12 мм, высотой 12 мм. Фотографии гранул данного каталитического элемента приведены на фиг.2 - фотография справа.The granular catalyst was a special ceramic structure based on alumina with a bimodal porous structure. The number of micropores (10-15 nanometers) was at least 80%, and transport macropores (more than 5000 nanometers) amounted to 20%. The active component was platinum with the addition of ruthenium (a total of 1.3% by weight of platinum metals). The shape of the granules of the catalyst is cylindrical, 12 mm in diameter, 12 mm high. Photos of the granules of this catalytic element are shown in figure 2 - photograph on the right.

Матрицей служил катализатор из пеноникеля с нанесенной платиной в количестве до 1,3 г на литр ВПЯМ. Отверстия (гнезда) под катализатор нужного размера были заложены заранее, во время изготовления ВПЯМ, на операции гальванического формования пенометалла.The matrix was a foam nickel catalyst coated with platinum in an amount of up to 1.3 g per liter of HPLM. The holes (nests) for the catalyst of the required size were laid in advance, during the manufacture of HPLC, for the operation of galvanic formation of foam metal.

В таком каталитическом элементе благодаря гораздо более высокой активности гранулированного катализатора реакция на гранулах начиналась уже при 0°С, металлическая матрица из пенометалла быстро (за 5-6 сек) нагревалась выделяющимся теплом и «подхватывала» реакцию всем объемом каталитического элемента. При прекращении подачи водорода каталитический элемент, нагретый до 90°С, благодаря тепловой инерции керамической массы гранул сохранял рабочую температуру 25-30 мин и мгновенно включался в работу при возобновлении подачи водорода. Таким образом, предлагаемый по данному изобретению каталитический элемент устранил недостатки, присущие его составляющим, стал практически безынерционным и позволил существенно повысить взрывобезопасность защищаемых объектов.In such a catalytic element, due to the much higher activity of the granular catalyst, the reaction on the granules began already at 0 ° C, the metal matrix from the foam metal was quickly (in 5-6 seconds) heated by the heat generated and “picked up” the reaction with the entire volume of the catalytic element. When the hydrogen supply ceased, the catalytic element heated to 90 ° C, due to the thermal inertia of the ceramic mass of the granules, kept the operating temperature for 25-30 minutes and immediately turned on when the hydrogen supply was resumed. Thus, the catalytic element proposed according to this invention eliminated the disadvantages inherent in its components, became practically inertialess and allowed to significantly increase the explosion safety of the protected objects.

Пример 3. Экзотермические, то есть протекающие с большим тепловыделением каталитические реакции на гранулированном катализаторе часто приводят к локальным, перегревам зон реакции внутри аппарата. Основная причина - низкая теплопроводность керамических носителей и высокие стартовые концентрации реагентов, «набегающих» на лобовой слой гранул в аппарате. В ряде процессов приходится применять менее активные, чем хотелось бы, катализаторы только для удержания тепловых режимов внутри аппарата в приемлемых параметрах. Для преодоления противоречия между необходимой активностью и возможными локальными перегревами катализатора был изготовлен каталитический элемент, содержащий высокоактивные стержни из платинированной керамики, помещенные в матрицу из пеномеди.Example 3. Exothermic, that is, catalytic reactions occurring with a large heat release on a granular catalyst often lead to local, overheating of the reaction zones inside the apparatus. The main reason is the low thermal conductivity of ceramic carriers and the high starting concentrations of reagents that “run” onto the frontal layer of granules in the apparatus. In a number of processes, it is necessary to use less active than desired catalysts only to maintain the thermal conditions inside the apparatus at acceptable parameters. To overcome the contradiction between the necessary activity and possible local overheating of the catalyst, a catalytic element was manufactured containing highly active platinum-plated ceramic rods placed in a foamomed matrix.

Стержни из высокотемпературной керамики формовались на специальном поршневом гидравлическом стенде методом экструзии керамической массы через фильеру. Размер стержней после обжига - диаметр 6 мм, длина 60 мм. Стержни (гранулы) имеют сквозное отверстие диаметром 2 мм.Rods made of high-temperature ceramics were molded on a special piston hydraulic bench by extrusion of a ceramic mass through a die. The size of the rods after firing is 6 mm in diameter and 60 mm in length. The rods (granules) have a through hole with a diameter of 2 mm.

Матрица из пеномеди имела средний размер открытых пор 1,5-2,5 мм. Толщина пенометалла 10 мм. Отверстия под гранулированный стержневой катализатор выполнялись на сверлильном станке по кондуктору на глубину 8 мм.The foamomed matrix had an average open pore size of 1.5-2.5 mm. The thickness of the foam metal is 10 mm. The holes for the granular rod catalyst were carried out on a drilling machine along a conductor to a depth of 8 mm.

Перед размещением катализаторных стержней матрица нагревалась до 250°С, после чего стержни тугой посадкой входили в просверленные глухие отверстия. Из остывшей матрицы стержни впоследствии могли быть извлечены только пробойником с разрушением. Способ размещения гранулированных стержней и внешний вид подобного каталитического элемента проиллюстрирован на фиг.5, поз 5.Before placing the catalyst rods, the matrix was heated to 250 ° C, after which the rods entered the drilled blind holes with a tight fit. From the cooled matrix, the rods could subsequently be removed only with a breakdown punch. The method of placement of granular rods and the appearance of such a catalytic element is illustrated in figure 5, position 5.

Таким образом, пеномедный ВПЯМ соприкасался только с торцами гранулированных каталитических стержней, на которых в ходе реакции развивалась максимальная температура, то есть служил теплоотводящим радиатором. На Фиг.5 приведены фотографии двух каталитических элементов - с ВПЯМ и без него, а также график температур по длине каталитического стержня. На графике температур по ходу реагентов вдоль стержня катализатора хорошо видно, что на каталитическом элементе - «стержневой катализатор плюс ВПЯМ» отсутствует локальный перегрев катализатора и реагентов. Для каталитических реакции, в которых реагенты создают взрывоопасные смеси, отсутствие локальных перегревов является решающим для безопасности проведения процесса. Этот каталитический элемент был испытан по штатной методике для каталитических рекомбинаторов водорода на действующей Калининской АЭС и показал более высокую активность, чем штатный катализатор.Thus, the foamed HPMN only came into contact with the ends of the granular catalytic rods, on which the maximum temperature developed during the reaction, that is, served as a heat sink. Figure 5 shows photographs of two catalytic elements - with and without HPLM, as well as a graph of temperatures along the length of the catalytic rod. The temperature graph along the reagents along the catalyst rod clearly shows that there is no local overheating of the catalyst and reagents on the catalytic element “core catalyst plus HPMP”. For catalytic reactions in which the reactants create explosive mixtures, the absence of local overheating is crucial for the safety of the process. This catalytic element was tested according to the standard method for catalytic hydrogen recombiners at the existing Kalinin NPP and showed higher activity than the standard catalyst.

Claims (13)

1. Каталитический элемент регулярной структуры, характеризующийся тем, что он состоит из двух конструктивно объединенных компонентов, первым компонентом является несущая матрица, выполненная из одного или более видов высокопористых проницаемых ячеистых материалов, в которой сформировано пространство, а вторым компонентом являются дискретные гранулы одного или более типов, которые полностью или частично размещены в сформированном пространстве, по крайней мере, в одной из матриц.1. A catalytic element of a regular structure, characterized in that it consists of two structurally combined components, the first component is a carrier matrix made of one or more types of highly porous permeable cellular materials in which space is formed, and the second component is discrete granules of one or more types that are fully or partially placed in the formed space in at least one of the matrices. 2. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что каталитическими свойствами обладает как высокопористый ячеистый материал несущей матрицы, так и размещенные в нем дискретные гранулы.2. The catalytic element according to claim 1, characterized in that the highly porous cellular material of the carrier matrix and the discrete granules disposed therein have catalytic properties. 3. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что каталитическими свойствами в нем обладают только дискретные гранулы, а высокопористый ячеистый материал является несущей матрицей или служит для придания каталитическому элементу нужных тепловых, гидродинамических или других характеристик.3. The catalytic element according to claim 1, characterized in that only discrete granules have catalytic properties in it, and the highly porous cellular material is a carrier matrix or serves to impart the desired thermal, hydrodynamic, or other characteristics to the catalytic element. 4. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что каталитическими свойствами в нем обладает только высокопористый ячеистый материал, а дискретные гранулы предназначены для придания каталитическому элементу нужных тепловых, гидродинамических или других характеристик.4. The catalytic element according to claim 1, characterized in that only highly porous cellular material has catalytic properties, and discrete granules are designed to give the catalytic element the desired thermal, hydrodynamic or other characteristics. 5. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что высокопористый ячеистый материал и размещенные в нем дискретные гранулы обладают одинаковыми каталитическими свойствами, то есть сами являются катализаторами одного типа или на них нанесен одинаковый каталитически активный компонент.5. The catalytic element according to claim 1, characterized in that the highly porous cellular material and discrete granules placed in it have the same catalytic properties, that is, they themselves are catalysts of the same type or the same catalytically active component is deposited on them. 6. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что высокопористый ячеистый материал и размещенные в нем дискретные гранулы обладают разными каталитическими свойствами, то есть сами являются разными катализаторами или на них нанесены различные каталитически активные компоненты.6. The catalytic element according to claim 1, characterized in that the highly porous cellular material and discrete granules placed in it have different catalytic properties, that is, they themselves are different catalysts or various catalytically active components are deposited on them. 7. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что он содержит дискретные гранулы более чем одного типа, например, состоит из разных материалов по геометрическим, химическим, структурным или каталитическим характеристикам.7. The catalytic element according to claim 1, characterized in that it contains discrete granules of more than one type, for example, consists of different materials according to geometric, chemical, structural or catalytic characteristics. 8. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что он содержит высокопористый ячеистый материал более чем одного типа, например, состоит из разных материалов по геометрическим, каталитическим, химическим, структурным, тепловым или акустическим характеристикам.8. The catalytic element according to claim 1, characterized in that it contains highly porous cellular material of more than one type, for example, consists of different materials according to geometric, catalytic, chemical, structural, thermal or acoustic characteristics. 9. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что матрица из высокопористого ячеистого материала имеет непрямолинейную или произвольную форму, которую придают ей любыми известными технологическими приемами, такими как: электрохимическое формование, пластическая деформация, штамповка или обработка резанием.9. The catalytic element according to claim 1, characterized in that the matrix of highly porous cellular material has an indirect or arbitrary shape, which is given to it by any known technological methods, such as: electrochemical molding, plastic deformation, stamping or cutting. 10. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что дискретные гранулы внутри матрицы из высокопористого ячеистого материала закреплены в сформированных пространствах любыми известными технологическими приемами, например пластической деформацией самой матрицы, стопорными устройствами или тугой посадкой гранул.10. The catalytic element according to claim 1, characterized in that the discrete granules inside the matrix of highly porous cellular material are fixed in the formed spaces by any known technological methods, for example, plastic deformation of the matrix itself, locking devices or tight fit of the granules. 11. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что дискретные гранулы внутри матрицы из высокопористого ячеистого материала не закреплены, а свободно засыпаны в предназначенные для этого сформированные пространства - полости, каналы или гнезда.11. The catalytic element according to claim 1, characterized in that the discrete granules inside the matrix of highly porous cellular material are not fixed, but are freely filled into the formed spaces intended for this purpose - cavities, channels or nests. 12. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что одна или более матриц может нагреваться до температуры, необходимой для запуска каталитического процесса, за счет собственного омического сопротивления при пропускании через нее электрического тока.12. The catalytic element according to claim 1, characterized in that one or more matrices can be heated to the temperature necessary to start the catalytic process, due to its own ohmic resistance when an electric current is passed through it. 13. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что помещенные в высокопористом ячеистом материале гранулы имеют согласованную пространственную ориентацию, т.е. специально сориентированные относительно друг друга регулярным образом. 13. The catalytic element according to claim 1, characterized in that the granules placed in a highly porous cellular material have a coordinated spatial orientation, i.e. specially oriented relative to each other in a regular way.
RU2009139305/04A 2009-10-26 2009-10-26 Catalytic element RU2417840C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009139305/04A RU2417840C1 (en) 2009-10-26 2009-10-26 Catalytic element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009139305/04A RU2417840C1 (en) 2009-10-26 2009-10-26 Catalytic element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2417840C1 true RU2417840C1 (en) 2011-05-10

Family

ID=44732558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009139305/04A RU2417840C1 (en) 2009-10-26 2009-10-26 Catalytic element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2417840C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012134317A1 (en) * 2011-03-25 2012-10-04 Tararykin Alexandr Gennadievich Catalytic element
RU2468866C1 (en) * 2011-09-15 2012-12-10 Владимир Андреевич Шепелин Method of manufacturing catalyst and impregnated porous catalyst carrier for hydrogen and oxygen recombination
RU2621689C1 (en) * 2015-12-24 2017-06-07 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Catalyst and method of producing synthesis gas from methane and its use
RU2665711C1 (en) * 2018-06-15 2018-09-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук Method for preparing catalyst for conversion of hydrocarbon fuels in synthesis gas and conversion process with application thereof
WO2019120874A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 BSH Hausgeräte GmbH Cooking device with a specifically designed catalyst device, and method for producing a cooking device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Защита атмосферы от выбросов токсичных веществ. Курс лекций, Уральский государственный университет им. А.М.Горького. Факультет химический. Кафедра физической химии. Екатеринбург, 2007. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012134317A1 (en) * 2011-03-25 2012-10-04 Tararykin Alexandr Gennadievich Catalytic element
RU2468866C1 (en) * 2011-09-15 2012-12-10 Владимир Андреевич Шепелин Method of manufacturing catalyst and impregnated porous catalyst carrier for hydrogen and oxygen recombination
RU2621689C1 (en) * 2015-12-24 2017-06-07 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Catalyst and method of producing synthesis gas from methane and its use
WO2019120874A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 BSH Hausgeräte GmbH Cooking device with a specifically designed catalyst device, and method for producing a cooking device
CN111448422A (en) * 2017-12-18 2020-07-24 Bsh家用电器有限公司 Cooking device with a specially designed catalytic device and method for producing a cooking device
RU2665711C1 (en) * 2018-06-15 2018-09-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук Method for preparing catalyst for conversion of hydrocarbon fuels in synthesis gas and conversion process with application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2417840C1 (en) Catalytic element
KR101346465B1 (en) Improved preferential oxidation catalyst containing platinum, copper and iron to remove carbon monoxide from a hydrogen-rich gas
EP2511644B1 (en) Heat exchanger
EP2693153B1 (en) Heat exchange member and heat exchanger
WO2014148584A1 (en) Heat exchanger
EP2496515B1 (en) Microfibrous media for optimizing and controlling highly exothermic and highly endothermic reactions/processes
US4058485A (en) Porous metal-alumina composite
FI104750B (en) Method for catalytic purification of car exhaust
JP6803920B2 (en) Methods and equipment for catalytic methanation of reaction gas
EP1485590B1 (en) A device for treatment of a gas flow
JP2012255105A (en) Heat reservoir
Twigg et al. Preparation and properties of ceramic foam catalyst supports
EP2161078A2 (en) Hydrocarbon reformer substrate having a graded structure for thermal control
JPH10266829A (en) Combination device of adsorber and catalyst unit for internal combustion engine
WO2012134317A1 (en) Catalytic element
JP5780263B2 (en) Chemical heat storage device
US20070000384A1 (en) Plane structure formed from a matrix and phase change material usable for treating gases
WO2006009453A1 (en) Catalyst packing, a structured fixed bed reactor and use
JP2016033434A (en) Chemical heat storage device
EP1485589A1 (en) A device for treatment of a gas flow
RU2362624C1 (en) Catalytic element
RU79451U1 (en) CATALYTIC ELEMENT
RU2318596C1 (en) Catalytic element for heterogeneous high-temperature reactions
US20240010565A1 (en) Shaped body, composite body, method for producing a shaped body and method for producing a composite body
RU2209117C1 (en) Catalytic element of regular cellular structure for heterogeneous high- temperature reactions

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121027

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20131110

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141027

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160927

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201027