RU94671U1

RU94671U1 - CATALYTIC HEATER

Info

Publication number: RU94671U1
Application number: RU2009138709/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Кузнецов; Анатолий Иванович Ларионов; Александр Сергеевич Иванов; Юрий Петрович Прилепо; Леонид Иванович Шейко; Кирилл Сергеевич Кузнецов; Владимир Михайлович Яцко
Original assignee: Сергей Анатольевич Кузнецов
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2010-05-27

Abstract

1. Каталитический подогреватель, содержащий узел смешения газа с воздухом и каталитический теплообменник в виде замкнутой камеры, заполненной катализатором, имеющий каналы для прохождения подогреваемой среды и расположенный в корпусе, содержащем также узлы подвода и отвода этой среды, отличающийся тем, что каналы для прохождения подогреваемой среды выполнены в виде трубного пучка, с определенным шагом распределенного внутри камеры теплообменника и проходящего через гранулированный катализатор, который заполняет пространство камеры теплообменника между трубным пучком. ! 2. Каталитический подогреватель по п.1, отличающийся тем, что узлы подвода и отвода подогреваемой среды имеют входную и выходную камеры с патрубками и соединены трубным пучком. ! 3. Каталитический подогреватель по п.1, отличающийся тем, что заполнение пространства камеры теплообменника гранулированным катализатором ограничено перфорированными дисками. ! 4. Каталитический подогреватель по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности камеры каталитического теплообменника установлен электроподогреватель. 1. A catalytic heater containing a gas-air mixing unit and a catalytic heat exchanger in the form of a closed chamber filled with a catalyst, having channels for passing a heated medium and located in a housing containing also nodes for supplying and removing this medium, characterized in that the channels for passing a heated the media are made in the form of a tube bundle, with a certain step, distributed inside the chamber of the heat exchanger and passing through a granular catalyst that fills the chamber eploobmennika between the tube bundle. ! 2. The catalytic heater according to claim 1, characterized in that the nodes of the inlet and outlet of the heated medium have inlet and outlet chambers with nozzles and are connected by a tube bundle. ! 3. The catalytic heater according to claim 1, characterized in that the filling of the space of the heat exchanger chamber with a granular catalyst is limited to perforated disks. ! 4. The catalytic heater according to claim 1, characterized in that an electric heater is installed on the inner surface of the chamber of the catalytic heat exchanger.

Description

Каталитический подогреватель относится к технологическому оборудованию, используемому в газовой промышленности, например, для подогрева редуцируемого газа с целью исключения гидратообразования при редуцировании.A catalytic heater refers to technological equipment used in the gas industry, for example, for heating a reduced gas in order to prevent hydrate formation during reduction.

Известны различные конструкции подогревателей газа, основанные на подогреве газа горелками с открытым пламенем (А.Н.Крошко, Автономные энергоустановки на газопроводах, М. «Недра», 1983 г., стр 81-89). В данной конструкции подогреватель газа представляет собой камеру сгорания с вытяжной трубой, в которой установлена газовая горелка и теплообменник в виде отрезка трубопровода по которому проходит подогреваемый газ.There are various designs of gas heaters based on gas heating with open flame burners (A.N. Kroshko, Autonomous power plants on gas pipelines, M. "Nedra", 1983, pp. 81-89). In this design, the gas heater is a combustion chamber with an exhaust pipe, in which a gas burner and a heat exchanger are installed in the form of a section of the pipeline through which the heated gas passes.

Однако использование открытого пламени горелки, непосредственно контактирующего с теплообменником газа, не всегда отвечает требованиям безопасности и надежности работы. Открытое пламя при изменении газовоздушной смеси может привести к взрывоопасному состоянию. Газовая горелка не достаточно надежна в работе и требует постоянного контроля и обслуживания в процессе работы.However, the use of an open flame of a burner in direct contact with a gas heat exchanger does not always meet the requirements of safety and reliability. An open flame when changing the air-gas mixture can lead to an explosive state. A gas burner is not reliable enough and requires constant monitoring and maintenance during operation.

Известен подогреватель газа, использованный в автоматическом редуцирующем пункте и описанный в патенте (RU 2347973, опубл. 27.02.2009 г.), в котором для повышения безопасности и надежности работы изменена система нагрева газа без использования открытого пламени в камере сгорания. В данном подогревателе газа камера сгорания выполнена в виде камеры каталитического окисления газа, к противоположным боковым поверхностям которой прикреплены полупроводниковые термоэлектрические батареи, расположенные между пластинчатыми радиаторами. Камера каталитического окисления газа представляет собой замкнутую полость, заполненную гранулированным катализатором, соединенную с вытяжной трубой и блоком инжекционной системы подачи топлива. Теплообменник выполнен в виде спирального отрезка трубы и размещен вокруг вытяжной трубы над камерой каталитического окисления газа. Подогрев редуцируемого газа осуществляется при прохождении его через теплообменник, нагреваемый камерой каталитического окисления и горячим воздухом. Данный подогреватель газа обладает достаточной безопасностью и надежностью, но имеет невысокую эффективность подогрева редуцируемого газа, обусловленную местом расположения теплообменника, его геометрическими характеристиками и характером теплообмена. Кроме того, размещение теплообменника вокруг вытяжной трубы над камерой каталитического окисления существенно увеличивают габарит и металлоемкость подогревателя газа.Known gas heater used in an automatic reducing station and described in the patent (RU 2347973, publ. February 27, 2009), in which to increase the safety and reliability of the operation, the gas heating system was changed without using an open flame in the combustion chamber. In this gas heater, the combustion chamber is made in the form of a catalytic gas oxidation chamber, to the opposite side surfaces of which are semiconductor thermoelectric batteries located between the plate radiators. The catalytic gas oxidation chamber is a closed cavity filled with a granular catalyst connected to a chimney and a block of the fuel injection system. The heat exchanger is made in the form of a spiral pipe segment and is placed around the exhaust pipe above the catalytic gas oxidation chamber. The reduced gas is heated by passing it through a heat exchanger heated by a catalytic oxidation chamber and hot air. This gas heater has sufficient safety and reliability, but has a low efficiency of heating the reduced gas, due to the location of the heat exchanger, its geometric characteristics and the nature of heat transfer. In addition, the placement of the heat exchanger around the exhaust pipe above the catalytic oxidation chamber significantly increase the size and metal consumption of the gas heater.

В качестве прототипа выбран каталитический подогреватель, описанный в патенте (RU №2269725, опубл. 10.02.2006 г.), являющийся наиболее близким по технической сущности и конструктивному исполнению. Данный подогреватель предназначен для нагрева воды и состоит из генератора синтез-газа, узлов смешения природного газа с воздухом и каталитического теплообменника. Каталитический теплообменник в виде замкнутой камеры имеет каналы для прохождения нагреваемой среды и каталитические теплообменные панели, имеющие внутри каталитические слои в виде гофрированных и плоских лент. Катализатор спечен с внешними стенками панелей. Размер гофр увеличивается от входа к выходу из каталитического теплообменника. На входе и выходе каталитического теплообменника установлены патрубки подвода и отвода подогреваемой воды, которая протекает по каналам между теплообменных панелей. Принцип работы водогрейного котла заключается в каталитическом окислении природного газа, выполняемого по двум стадиям - на первой стадии в генераторе синтез-газа осуществляется каталитическое окисление природного газа при недостатке кислорода в синтез-газ, а на второй стадии в каталитическом теплообменнике после ввода дополнительного кислорода воздуха происходит полное окисление синтез-газа. Таким образом, основным преимуществом такого устройства является эффективный беспламенный и экологически чистый нагрев воды. Однако устройство имеет сложную конструкцию и технологический процесс осуществления нагрева воды в две стадии. Изготовление данного устройства требует специального оборудования и разработки определенной технологии получения теплообменных панелей заданной конфигурации и спекания катализатора со стенками панелей. Использование данного устройства для подогрева газа потрует его конструктивной переработки.The catalytic heater described in the patent (RU No. 2269725, publ. 10.02.2006), which is the closest in technical essence and design, is selected as a prototype. This heater is designed to heat water and consists of a synthesis gas generator, units for mixing natural gas with air and a catalytic heat exchanger. The catalytic heat exchanger in the form of a closed chamber has channels for passing the heated medium and catalytic heat transfer panels having inside the catalytic layers in the form of corrugated and flat ribbons. The catalyst is sintered with the outer walls of the panels. The size of the corrugations increases from entrance to exit of the catalytic heat exchanger. At the inlet and outlet of the catalytic heat exchanger, pipes for supplying and discharging heated water, which flows through the channels between the heat exchange panels, are installed. The principle of operation of a hot water boiler consists in the catalytic oxidation of natural gas, which is carried out in two stages: at the first stage, the synthesis gas is catalytically oxidized in the synthesis gas generator when there is a lack of oxygen in the synthesis gas, and at the second stage in the catalytic heat exchanger, after the introduction of additional air oxygen, complete oxidation of synthesis gas. Thus, the main advantage of such a device is an effective flameless and environmentally friendly heating of water. However, the device has a complex structure and the technological process of heating water in two stages. The manufacture of this device requires special equipment and the development of a specific technology for producing heat exchange panels of a given configuration and sintering of the catalyst with the walls of the panels. Using this device to heat the gas will waste its constructive processing.

Предлагаемое техническое решение ставит своей задачей создание каталитического подогревателя, предназначенного для подогрева газа, при упрощении конструкции каталитического подогревателя путем изменения конструкции каталитического теплообменника.The proposed technical solution aims at creating a catalytic heater designed for gas heating, while simplifying the design of the catalytic heater by changing the design of the catalytic heat exchanger.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагается каталитический подогреватель, содержащий узел смешения газа с воздухом и каталитический теплообменник в виде замкнутой камеры, заполненной катализатором и имеющий каналы для прохождения подогреваемой среды. Каталитический теплообменник расположен в корпусе, содержащем также узлы подвода и отвода этой среды. В отличие от прототипа каналы для прохождения подогреваемой среды выполнены в виде трубного пучка, равномерно с определенным шагом распределенного внутри камеры теплообменника и проходящего через гранулированный катализатор, который заполняет пространство камеры теплообменника между трубным пучком.The problem is solved due to the fact that a catalytic heater is proposed comprising a gas-air mixing unit and a catalytic heat exchanger in the form of a closed chamber filled with a catalyst and having channels for the passage of the heated medium. The catalytic heat exchanger is located in the housing, which also contains units for supplying and discharging this medium. In contrast to the prototype, the channels for passing the heated medium are made in the form of a tube bundle uniformly distributed with a certain pitch inside the heat exchanger chamber and passing through a granular catalyst that fills the space of the heat exchanger chamber between the tube bundle.

Кроме этого узлы подвода и отвода подогреваемой среды имеют входную и выходную камеры с патрубками и соединены трубным пучком. Заполнение пространства камеры теплообменника гранулированным катализатором ограничено перфорированными дисками, а на внутренней поверхности камеры каталитического теплообменника установлен электроподогреватель.In addition, the nodes for supplying and discharging the heated medium have inlet and outlet chambers with nozzles and are connected by a tube bundle. Filling the space of the heat exchanger chamber with a granular catalyst is limited by perforated disks, and an electric heater is installed on the inner surface of the catalytic heat exchanger chamber.

Техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция каталитического подогревателя, на фиг.2 представлен разрез - вид сверху каталитического теплообменника.The technical solution is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows the design of the catalytic heater, Fig.2 shows a section - a top view of the catalytic heat exchanger.

Каталитический подогреватель состоит из (фиг.1) узла смешения газа с воздухом 1 и корпуса 2 в виде замкнутой цилиндрической поверхности, внутри которой расположен каталитический теплообменник 3. Узел смешения газа с воздухом 1 содержит патрубок подвода топливного газа 4, камеру смешения газа с воздухом 5, имеющую окно, через которое в камеру поступает воздух, а также трубопровод 6 для подачи смеси воздуха с газом в каталитический теплообменник 3. Каталитический теплообменник 3 выполнен в виде замкнутой камеры. Внутри камеры размещен трубный пучок 7, состоящий из отрезков труб равномерно с определенным шагом распределенных внутри камеры. Трубный пучок 7 может быть распределен по двум окружностям (фиг.2) со смещением радиусов расположения отрезков труб относительно друг друга. Шаг распределения трубного пучка определен возможностью заполнения пространства между отрезками трубопроводов гранулированным катализатором 8 и обеспечением равномерного нагрева труб катализатором. Трубный пучок закреплен на концах с помощью металлических дисков 9, 10 имеющих отверстия для размещения и жесткого закрепления отрезков труб. Металлические диски 9, 10 прикреплены к стенке камеры каталитического теплообменника 3. Гранулированный катализатор 8 распределен в пространстве между трубным пучком 7. Заполнение пространства камеры каталитического теплообменника гранулированным катализатором ограничено металлическими перфорированными дисками 11, 12, что обеспечивает равномерную подачу газо-воздушной смеси через отверстиями в дисках из узла смешения 1 в каталитический теплообменник 3. На внутренней поверхности камеры каталитического теплообменника 3 расположен электроподогреватель - электрическая спираль 13, предназначенная для запуска процесса каталитического окисления. Стенки камеры каталитического теплообменника теплоизолированные с внутренней стороны. В нижней и верхней части корпуса 2 образованы входная 14 и выходная 15 камеры с патрубками для подвода 16 и отвода 17 подогреваемой среды - природного газа. Входная и выходная камеры соединены между собой трубным пучком. Для отвода продуктов каталитического окисления к диску 10 трубного пучка подсоединен трубопровод - дефлектор 18, выведенный через верхнюю торцевую стенку корпуса 2The catalytic heater consists of (Fig. 1) a unit for mixing gas with air 1 and a housing 2 in the form of a closed cylindrical surface inside which there is a catalytic heat exchanger 3. The unit for mixing gas with air 1 contains a pipe for supplying fuel gas 4, a chamber for mixing gas with air 5 having a window through which air enters the chamber, as well as a pipe 6 for supplying a mixture of air with gas to the catalytic heat exchanger 3. The catalytic heat exchanger 3 is made in the form of a closed chamber. Inside the chamber is placed a tube bundle 7, consisting of pipe segments evenly with a certain pitch distributed inside the chamber. The tube bundle 7 can be distributed in two circles (figure 2) with a shift of the radii of the pipe segments relative to each other. The step of the distribution of the tube bundle is determined by the possibility of filling the space between the pipe segments with a granular catalyst 8 and ensuring uniform heating of the pipes by the catalyst. The tube bundle is fixed at the ends using metal disks 9, 10 having openings for placement and rigid fastening of pipe sections. Metal disks 9, 10 are attached to the wall of the chamber of the catalytic heat exchanger 3. The granular catalyst 8 is distributed in the space between the tube bundle 7. The filling of the space of the catalytic heat exchanger chamber with the granular catalyst is limited by metal perforated disks 11, 12, which ensures uniform flow of the gas-air mixture through the openings in disks from the mixing unit 1 to the catalytic heat exchanger 3. On the inner surface of the chamber of the catalytic heat exchanger 3 is located an electric preheater - an electric coil 13, designed to start the catalytic oxidation process. The walls of the catalytic heat exchanger chamber are thermally insulated from the inside. In the lower and upper part of the housing 2 are formed inlet 14 and outlet 15 of the chamber with nozzles for supplying 16 and removal 17 of the heated medium - natural gas. The inlet and outlet chambers are interconnected by a tube bundle. To divert the products of catalytic oxidation, a pipe is connected to the disk 10 of the tube bundle — a deflector 18 discharged through the upper end wall of the housing 2

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В узел смешения газа с воздухом 1 по патрубку 4 подают топливный газ, который смешивается с воздухом, поступающим через окно в камеру смешения 5. По трубопроводу 6 из камеры смешения газа с воздухом 5 газовоздушную смесь поступает в камеру каталитического теплообменника 3 в пространство между металлическими дисками 9 и 11. Подачу газо-воздушной смеси изменяют ручкой регулировки. Далее газо-воздушная смесь равномерно поступает через перфорированные отверстия в диске 11 к катализатору 8. Газо-воздушная смесь взаимодействует с гранулированным катализатором, обеспечивая процесс каталитического окисления с выделением тепла. Для запуска каталитического процесса в камере теплообменника 3 производят предварительный нагрев гранулированного катализатора с помощью электронагревателя 13. Подают напряжение на электроподогреватель и отключают, когда начнется процесс окисления. За счет реакции газо-воздушной смеси с катализатором происходит разогрев катализатора 8 до температуры Т=300°C. По патрубку 16 во входную камеру 14 подают газ низкого давления. Из входной камеры 16 газ равномерно поступает в трубный пучок 7, нагревается до заданной температуры и через выходную камеру 15 и патрубок отвод 17 подогретый газ поступает по назначению для дальнейшего использования. Продукты реакции каталитического окисления скапливаются в промежутке между дисками 10, 12 и через дефлектор 18 отводятся в атмосферу.In the gas-air mixing unit 1, a fuel gas is supplied through the pipe 4, which is mixed with the air entering through the window into the mixing chamber 5. Through the pipe 6 from the gas-air mixing chamber 5, the air-gas mixture enters the chamber of the catalytic heat exchanger 3 into the space between the metal disks 9 and 11. The flow of the gas-air mixture is changed with the adjustment knob. Next, the gas-air mixture uniformly enters through the perforated holes in the disk 11 to the catalyst 8. The gas-air mixture interacts with the granular catalyst, providing a catalytic oxidation process with heat. To start the catalytic process in the chamber of the heat exchanger 3, a granular catalyst is preheated using an electric heater 13. A voltage is applied to the electric heater and turned off when the oxidation process begins. Due to the reaction of the gas-air mixture with the catalyst, the catalyst 8 is heated to a temperature of T = 300 ° C. The pipe 16 in the inlet chamber 14 serves low pressure gas. From the inlet chamber 16, the gas evenly enters the tube bundle 7, is heated to a predetermined temperature, and the heated gas enters the intended purpose for further use through the outlet chamber 15 and the branch pipe 17. The products of the catalytic oxidation reaction accumulate in the gap between the disks 10, 12 and are discharged into the atmosphere through the deflector 18.

Предлагаемый подогреватель изготовлен из деталей, имеющих простую конструкцию, технологию изготовления и обработки - корпуса цилиндрической формы с вставленным и закрепленным на нем с помощью металлических дисков трубным пучком. Гранулированный катализатор засыпают в пространство между трубным пучком, зафиксированное с двух сторон перфорированными дисками. Таким образом конструктивное исполнение каталитического подогревателя позволяет сократить количество технологических операций при его изготовлении по сравнению с прототипом. В связи с этим данный подогреватель имеет простую конструкцию и может использоваться не только для подогрева газа, но и для подогрева жидкости.The proposed heater is made of parts having a simple design, manufacturing and processing technology — a cylindrical-shaped body with a tube bundle inserted and fixed onto it using metal disks. The granular catalyst is poured into the space between the tube bundle, fixed on both sides by perforated disks. Thus, the design of the catalytic heater allows you to reduce the number of technological operations in its manufacture in comparison with the prototype. In this regard, this heater has a simple design and can be used not only for heating gas, but also for heating liquids.

Claims

1. A catalytic heater containing a gas-air mixing unit and a catalytic heat exchanger in the form of a closed chamber filled with a catalyst, having channels for passing a heated medium and located in a housing containing also nodes for supplying and removing this medium, characterized in that the channels for passing a heated the medium is made in the form of a tube bundle, with a certain step distributed inside the chamber of the heat exchanger and passing through a granular catalyst that fills the chamber eploobmennika between the tube bundle.

2. The catalytic heater according to claim 1, characterized in that the nodes of the inlet and outlet of the heated medium have inlet and outlet chambers with nozzles and are connected by a tube bundle.

3. The catalytic heater according to claim 1, characterized in that the filling of the space of the heat exchanger chamber with a granular catalyst is limited to perforated disks.

4. The catalytic heater according to claim 1, characterized in that an electric heater is installed on the inner surface of the chamber of the catalytic heat exchanger.