фототермокаталитический реактор экологической очистки выбросных газов

Формула изобретения

1. Фототермокаталитический реактор экологической очистки выбросных газов от углеводородных примесей, включая оксид углерода, содержащий корпус с технологическими патрубками, катализаторные элементы, источники инфракрасного излучения, отличающийся тем, что катализаторные элементы содержат электрообмотку сопротивления, размещенную на катализаторных элементах, и закручивающие или турбулизирующие катализаторные вставки, выполненные в виде плоских кольцевых и полуконических перфорированных элементов и установленные соосно источникам инфракрасного излучения.

2. Фототермокаталитический реактор по п.1, отличающийся тем, что турбулизирующие кольцевые и полуконические вставки могут иметь различную степень перфорации как по радиусу, так и по всей поверхности.

3. Фототермокаталитический реактор по п.1, отличающийся тем, что катализаторные элементы некруглого сечения имеют внутренний эквивалентный диаметр, равный (6,5-16,5)d_из, где d_из - диаметр излучателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам очистки и обезвреживания отходящих отработавших газов от углеводородных примесей и оксида углерода, содержащихся в технологических и вентиляционных выбросах, и может быть использовано в химической, лакокрасочной, приборостроительной и других отраслях промышленности, а также в производственных помещениях и местах общего пользования населения.

Известны устройства для глубокого окисления углеводородных примесей малой концентрации в объеме инертного газа с использованием инфракрасного излучения и катализатора:

SU: №788896, кл. F 23 G 7/06, 1981; №834991, кл., В 01 J 19/08, 1982; №1119391, кл. F 23 G 7/06, 1984; №1241803, кл. F 23 G 7/06, 1984; №1357062, кл. В 01 J 19/00, 1985; №1417562, кл. F 23 G 7/06, 1986; №1425411, кл. F 23 G 7/06,1987; №1477562, кл. F 23 G 7/06,1987; №1627785, кл. F 23 G 7/06, 1989; №1726005, кл. В 01 J 19/00, 1990; №1745009, кл. F 23 G 7/06, 1992; №1802587, кл. F 23 G 7/06, 1992; №1801752, кл. F 23 G 7/06, 1993; RU: №2096077, кл. В 01 J 19/00, 1997; №2203729, В 01 J 19/00, 2003; США: №6027698, кл. В 01 J 19/00, 1998; Германия: №19848208, кл. В 01 J 8/02, 1998.

Недостатками этих устройств являются низкая эффективность использования энергии инфракрасных излучателей для активации углеводородных соединений, ограниченный диапазон использования по технологическим характеристикам газовой смеси (примесям органической и неорганической твердой фазы, капельной жидкой фазы, общей концентрации углеводородных соединений).

Известно устройство для беспламенного сжигания газовых выбросов (SU №1745009, кл. F 23 G 7/06, 1992), содержащее корпус, внутри которого установлены реакционные камеры, выполненные из съемных катализаторных кассет с турбулизирующими пластинами, по оси которых установлены источники инфракрасных лучей, причем турбулизирующие пластины установлены на смежных кассетах на разной высоте. Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования энергии инфракрасных излучателей, большое потребление электроэнергии, отсутствие возможности регулирования степени турбулизации газового потока, узкая область применения устройства.

Известно устройство для беспламенного сжигания газовых технологических и вентиляционных выбросов (RU: №2096077, кл. В 01 J 19/00, 1997), содержащее корпус с установленными в нем термокаталитическими элементами, которые выполнены в виде трубного пучка, при этом каждая труба на входе снабжена винтовой вставкой-держателем источника инфракрасного излучения, расположенного по оси трубы, на внутренней поверхности которой закреплены катализаторные решетки.

Это устройство является наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату и выбрано в качестве прототипа.

В известном устройстве технологический или вентиляционный газ, содержащий углеводородные соединения в паровой фазе, поступает в термокаталитический реактор. Проходя по трубному каталитическому пространству в виде закрученного потока, он облучается инфракрасным светом, углеводородные молекулы поглощают кванты света, активируются и при соприкосновении с катализатором окисляются до воды и диоксида углерода, обезвреженный газ выводится из реактора.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования энергии инфракрасных излучателей для активации углеводородных соединений, невозможность регулирования температуры разогрева катализатора, низкая эффективность работы на газовых смесях, содержащих твердую и жидкую фазу углеводородных соединений.

Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат на процесс глубокого окисления углеводородных соединений малой концентрации в объеме инертных газов, расширение диапазона применения устройства, повышение эффективности обезвреживания газовых выбросов при меньшем числе источников инфракрасного излучения.

Этот результат достигается тем, что в устройстве для экологической очистки выбросных газов от углеводородных примесей, находящихся в паровой, жидкой и твердой фазе, содержащем корпус с технологическими патрубками, катализаторные элементы, источники инфракрасного излучения и вставки, согласно изобретению, катализаторные элементы содержат электрообмотку сопротивления, размещенную на катализаторных элементах, и закручивающие или турбулизирующие катализаторные вставки, установленные соосно источникам инфракрасного излучения. Кроме того, температура поверхности катализаторного покрытия в катализаторном элементе регулируется пропорциональным регулятором. Турбулизирующие катализаторные вставки выполнены в виде сетки или плоских кольцевых и полуконических перфорированных элементов, размещены вдоль оси источников инфракрасного излучения. Турбулизирующие кольцевые и полуконические вставки могут иметь различную степень перфорации как по радиусу, так и по всей поверхности. Катализаторные элементы некруглого сечения имеют эквивалентный диаметр, равный (6,5-16,5)d_из, где d_из - диаметр излучателя. Закручивающие катализаторные вставки выполнены в виде лепестков, установленных под углом 80'-60' к оси источника инфракрасного излучения и с кольцевым зазором от источников инфракрасного излучения.

Такая конструкция устройства обеспечивает регулирование температуры в катализаторном слое, что позволяет снизить потребление электроэнергии, уменьшить число катализаторных элементов и источников излучения на единицу объема обезвреживаемого газа.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства. На фиг.2 показано сечение реактора при различном исполнении катализаторных элементов (цилиндрическое, сотовое, S - образное). На фиг.3 представлен разрез катализаторного элемента. На фиг.4 представлены варианты исполнения турбулизирующих катализаторных вставок.

Устройство для экологической очистки выбросных технологических и вентиляционных газов от углеводородных примесей содержит корпус 1 с штуцерами подвода напряжения 18 и 19, приемную 2 и выпускную 3 камеры, катализаторные элементы 4-6 с катализаторным покрытием 7, закрепленные в трубных решетках 20 и 21, источники инфракрасного излучения 8, турбулизирующие катализаторные вставки 9-13 или закручивающие катализаторные вставки 14, электрообмотку сопротивления 15, регулятор 16 и крепежную арматуру 17.

Устройство работает следующим образом.

Отработанный выбросной или вентиляционный газ, содержащий углеводородные соединения в паровой, жидкой или твердой аэрозольной фазе, подается в приемную камеру 2 (см. фиг.1), а затем поступает в катализаторные элементы 4-6. В катализаторных элементах газовая смесь, проходя через турбулизирующие катализаторные вставки 9-13 или закручивающие катализаторные вставки 14, интенсивно перемешивается при непрерывном облучении инфракрасным светом, испускаемым инфракрасными источниками излучения 8. Углеводородные молекулы избирательно поглощают кванты света определенной резонансной длины волны, активируются и при контакте с катализаторной поверхностью 7 элементов 4-6 окисляются до молекул воды и диоксида углерода. Температура каталитического окисления углеводородных соединений поддерживается в слое катализатора 7 электрообмоткой сопротивления 15, с помощью регулятора 16. Очищенный от углеводородных соединений газ выводится в камеру 3, откуда затем удаляется из реактора.

Процесс фотохимического окисления на поверхности катализатора происходит при определенных условиях как по диапазону испускаемых ИК-излучателем длин волн инфракрасного спектра, так и по геометрическим параметрам компоновки реактора. Оптимальными параметрами для защищаемой конструкции реактора являются параметры, увязанные с геометрическими характеристиками ИК-излучателя. Теоретически и экспериментально установлено, что около 80% энергии излучения поглощается не молекулами углеводородов, а поверхностью катализатора, корпуса и т.д.

Установка электрообмотки сопротивления 15 и регулятора 16 обеспечивает регулирование и поддержание заданного температурного режима работы катализатора, что обеспечивает снижение мощности источников ИК-излучателей. Одновременно снижается вероятность перегрева и потери активности катализатора при резких изменениях концентрации углеводородных соединений в исходной газовой смеси. Снижается гидравлическое сопротивление реактора из расчета на единицу обрабатываемого газа за счет увеличения эффективного проходного диаметра одного катализаторного элемента.

Реакция окисления в поле ИК-света происходит в узком диапазоне расстояния между источником излучения и катализатором в катализаторном элементе. Для защищаемого конструктивного варианта реактора внутренний диаметр катализаторного элемента составляет: для круглого сечения (6,2-15,3)d_из, где d_из - диаметр ИК-излучателя, а для некруглого сечения эквивалентный диаметр, равный (6,5-16,5)d_из.

В известных конструкциях проточных и вихревых фотохимических термокаталитических реакторов по обезвреживанию выбросных газов максимальное значение внутреннего диаметра катализаторного элемента или расстояния между каталитическими поверхностями не превышает 6,6d_из.

Эффективность каталитического окисления зависит и от режима течения газа у каталитической поверхности. Турбулизирующие катализаторные вставки не только увеличивают общую поверхность катализатора, но и обеспечивают разрушение ламинарного слоя у его поверхности. Режим течения газа зависит и от технологических параметров исходной газовой смеси, поэтому предусмотрены различные конструктивные варианты исполнения и компоновки турбулизирующих катализаторных вставок в катализаторных элементах (см. фиг.2-4).

В известных конструкциях проточных и вихревых фотохимических термокаталитических реакторов по обезвреживанию выбросных газов минимальное значение потребляемой источниками ИК-излучения энергии составляет около 1,0 Вт/час на один кубический метр обезвреживаемого газа, в предлагаемой конструкции потребление энергии снижено на (20-26)%.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить затраты электроэнергии на проведение процесса окисления углеводородов, снизить гидравлическое сопротивление и уменьшить число источников ИК-излучения из расчета на единицу объема обезвреживаемого выбросного или вентиляционного газа.