Реактор для проведения каталитических процессов

 

Использование: для очистки дымовых газов от оксидов азота. Реактор состоит из днища, крышки и корпуса, внутри которого установлена центральная полая колонна с соосно расположенной в ней дополнительной колонной меньшего диаметра, меньшей высоты и заглушенным верхним торцом. Внутренний объем корпуса разделен посредством глухих перегородок по высоте на три реакционные камеры. В каждой из них установлена колосниковая решетка со слоем катализатора. В средней реакционной камере над колосниковой решеткой рядами в обеих колоннах напротив друг друга выполнены сквозные отверстия, соединенные между собой радиальными газоходами. В нижней реакционной камере под колосниковой решеткой в обеих колоннах выполнены сквозные отверстия, а на уровне колосниковой решетки в кольцевом пространстве между колоннами установлена горизонтальная глухая перегородка. В верхней и нижней реакционных камерах выше колосниковых решеток выполнены сквозные отверстия в центральной колонне. Штуцеры ввода/вывода газа установлены под опорными решетками в верхней и средней реакционных камерах. В средней камере в кольцевом пространстве между колоннами и внутри дополнительной колонны установлены распределители газа, выполненные в форме тора с равномерной перфорацией в стенках, каждый из которых соединен патрубком со штуцером на крышке или днище. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к конструкциям каталитических реакторов, и может быть использовано, например, для очистки дымовых газов ТЭЦ от оксидов азота.

Известен реактор, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса, крышки и днища, центральной колонны с отверстиями для прохождения газа. Внутренний его объем разделен на несколько реакционных камер посредством герметичных перегородок, установленных либо горизонтально, либо под углом 8-25^о к горизонтальной поверхности. В каждой реакционной камере имеется одна или более опорная решетка, на которой размещен слой катализатора. Такие реактора используются в промышленности, однако их конструкция не предусматривает возможности дополнительного подвода газа в основной поток после частичного прохождения им слоев катализатора и качественного перемешивания основного и дополнительного потоков, что особенно важно при реализации некоторых каталитических процессов, например процесса селективного восстановления оксидов, азота до молекулярного азота.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому является конструкция реактора, содержащая вертикальный цилиндрический корпус, крышку и днище, полую центральную колонну со сквозными отверстиями для прохождения газа, герметичные перегородки, разделяющие его внутренний объем на три реакционные камеры, в каждой из которых на опорных решетках размещены слои катализатора. В верхнем торце центральной колонны установлен штуцер для подачи в реактор дополнительного потока исходного газа. Основной поток газа вводится в реактор и выходит из него посредством двух других штуцеров, расположенных на его корпусе. По наибольшему количеству сходных признаков этот реактор принят за прототип предлагаемого изобретения.

Однако известная конструкция не решает в полной мере задачу качественного перемешивания основного и дополнительного потоков исходного газа, что приводит к снижению степени превращения при реализации в нем химических процессов. Недостаточное перемешивание обусловлено тем, что путь, проходимый совместно двумя потоками в центральной колонне слишком короткий, а интенсификации процесса смешения в конструкции не предусмотрено.

Цель изобретения увеличение степени превращения исходных компонентов посредством полного и качественного перемешивания газовых потоков.

Предлагаемый реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус: крышку, днище, полую центральную колонну с выполненными в ней рядами сквозных отверстий для прохождения газа, в верхнем торце которой установлены штуцера для подвода в реактор дополнительных потоков газа. Внутренний объем реактора разделен по высоте герметичными перегородками на три реакционные камеры. В каждой камере установлены опорные решетки, несущие на себе слои катализатора. Внутри центральной колонны соосно ей установлена дополнительная колонна меньшего диаметра, герметично соединенная с днищем. Между колоннами имеется свободное кольцевое пространство. Дополнительная колонна выполнена ниже центральной колонны приблизительно на высоту верхней реакционной камеры, а ее верхний торец герметично заглушен. На уровне средней реакционной камеры выше опорной решетки со слоем катализатора в центральной и дополнительной колоннах напротив друг друга выполнены рядами сквозные отверстия. Отверстия центральной колонны соединены с отверстиями в дополнительной колонне радиальными газоходами. Такие же ряды отверстий в центральной и дополнительной колоннах выполнены в нижней реакционной камере под опорной решеткой со слоем катализатора, но они не соединены между собой газоходами. Над рядами отверстий нижней камеры и ниже опорной решетки с катализатором в кольцевом пространстве между основной и дополнительной колоннами установлена глухая перегородка. В центральной колонне выполнены два ряда отверстий для прохода газа следующим образом. Первый ряд на уровне верхней реакционной камеры над опорной решеткой со слоем катализатора, второй ряд на уровне средней реакционной камеры также над опорной решеткой со слоем катализатора.

Штуцеры для ввода и вывода исходного газа размещены на корпусе реактора в верхней и средней реакционных камерах ниже уровня размещения опорных решеток. В двух верхних реакционных камерах между слоем катализатора и опорной решеткой размещен слой инертных частиц, устраняющий входные температурные неоднородности исходного потока, поступающего на слой катализатора через штуцеры входа/выхода. Для обеспечения перемешивания основного и дополнительного потоков ввод дополнительного газа осуществляется через горизонтально расположенные распределители газа, выполненные из изогнутой в форме тора трубы с равномерно распределенной по длине трубы перфорацией. Один из распределителей размещен в кольцевом пространстве между основной и дополнительной колоннами, а другой внутри дополнительной колонны. Распределители соединены патрубками со штуцерами подвода дополнительного потока, расположенными на торце центральной колонны.

На фиг.1 представлена схема реактора; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1.

Реактор содержит корпус 1, крышку 2, днище 3, штуцеры 4 ввода/вывода исходного газа, основную центральную колонну 5, штуцеры 6 для подвода дополнительного потока, герметичные перегородки 7, разделяющие реактор по высоте на три реакционных камеры, опорные решетки 8, слои 9 катализатора, слои 10 инертного материала, дополнительную колонну 11, соединенную газоходами 12 с реакционной камерой, между газоходами расположены каналы 13 для прохода газа, глухую перегородку 14, распределители дополнительного потока газа 15. В колоннах 5 и 11 расположены ряды отверстий 16.

Реактор работает следующим образом. Основной поток исходного газа поступает в реактор через штуцер 4, проходит через слой 10 инертного материала и часть слоя 9 катализатора. При прохождении потока через слой инертного материала происходит радиальное перемешивание потока и снижение пространственных неоднородностей, обусловленных влиянием входных условий. Затем поток проходит через слой катализатора и поступает в основную колонну через верхний ряд отверстий и через каналы 13 поступает в кольцевое пространство между основной и дополнительной колоннами, где смешивается с дополнительным потоком газа, который поступает через входной штуцер 6 и распределитель 15. Интенсивная турбулизация основного потока при прохождении через отверстия в колонне и через каналы 13 обеспечивает качественное перемешивание основного и дополнительного потоков, чему способствует также подача дополнительного потока в реактор через распределитель 15. Далее поток через отверстия в основной колонне поступает в нижнюю реакционную камеру, проходит через слой 9 катализатора и через отверстия в основной и дополнительной колоннах поступает в дополнительную колонну 11. Там поток смешивается с дополнительным потоком, поступающим через штуцер 6 и распределитель 15. Интенсификация перемешивания достигается прохождением основного потока через отверстия в основной и дополнительной колоннах и вводом дополнительного потока через распределитель 15 и дальнейшим прохождением потока в общем канале смешения в колонне 11, а также в газоходах 12. Далее поток поступает в среднюю реакционную камеру, проходит через слой катализатора 9 и инертного материала 10 и через штуцер 4 выходит из реактора.

Указанная конструкция реактора обеспечивает практически полное перемешивание основного потока на входе в первый слой катализатора и основного и дополнительного потоков на входе в остальные слои. Это позволяет увеличить степень превращения очистки газовых выбросов на 2-3% (с 94-95 до 97-98%), что значительно снижает выбросы вредных веществ в окружающую среду.

П р и м е р 1. В реакторе по прототипу размещено три слоя катализатора из частиц в форме цилиндрических гранул диаметром 5 мм и длиной 10 мм. Каждый слой катализатора содержит 6,8 м³ катализатора. В реакторе также размещено два слоя инертного материала из частиц в форме колец Рашига с внешним диаметром 8 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 2 мм. Каждый слой инерта содержит 56 м³ частиц. Через реактор пропускает газовую смесь, подлежащую очистке, в количестве 100 тыс. м³/ч. Концентрация токсичных компонент-оксидов азота, на входе в реакторе составляет 0,05%-ный объем. Между слоями катализатора в основной поток реакционной смеси вводят дополнительный газ, содержащий аммиачную воду. Суммарный расход дополнительного газа составляет 4 тыс. м³/ч. Каталитический процесс осуществляют с периодическим изменением направления движения потока реакционной смеси через реактор, изменяя местами вход и выход газа в реакторе с помощью внешних переключателей потока. Максимальная температура в слоях катализатора 310-330^оС. Средняя степень очистки от NO_x составила 90% при расчетной 95% П р и м е р 2. В заявляемом реакторе размещено три слоя катализатора из частиц в форме цилиндрических гранул диаметром 5 мм и длиной 10 мм. Каждый слой катализатора содержит 6,8 м³ катализатора. В реакторе также размещено два слоя инертного материала из частиц в форме колец Рашига с внешним диаметром 8 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 2 мм. Каждый слой инерта содержит 56 м³ частиц. Через реактор пропускают газовую смесь, подлежащую очистке, в количестве 100 тыс.м³/ч. Концентрация токсичных компонент-оксидов азота, на входе в реактор составляет 0,05%-ный объем. Между слоями катализатора в основной поток реакционной смеси вводят дополнительный газ, содержащий аммиачную воду. Суммарный расход дополнительного газа составляет 4 тыс.м³/ч. Каталитический процесс осуществляют с периодическим изменением направления движения потока реакционной смеси через реактор, изменяя местами вход и выход газа в реакторе с помощью внешних переключателей потока. Максимальная температура в слоях катализатора 310-330^оС. Средняя степень очистки от NO_x составила 93-94% при расчетной 95% Увеличение степени очистки связано с достижением полного перемешивания основного и дополнительного потоков газа между слоями катализатора, что обусловлено заявляемой конструкцией реактора.

Формула изобретения

1. РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, содержащий корпус, крышку, днище, штуцеры для ввода-вывода газа, полую центральную колонну с выполненными в ней рядами сквозных отверстий для прохождения газа, герметичными перегородками, разделяющими внутренний объем реактора по высоте на три реакционные камеры, в каждой из которых установлены опорные решетки, несущие на себе слои катализатора, отличающийся тем, что внутри центральной колонны соосно с нею установлена соединенная с днищем и заглушенная с верхнего торца дополнительная колонна меньшего диаметра, в средней реакционной камере выше опорной решетки со слоем катализатора в обеих колоннах напротив друг друга выполнены рядами сквозные отверстия, соединенные между собой радиальными газоходами, в нижней реакционной камере под опорной решеткой в обеих колоннах выполнены сквозные отверстия, а на уровне опорной решетки в кольцевом пространстве между колоннами установлена глухая горизонтальная перегородка, в верхней и нижней реакционных камерах выше опорных решеток со слоями катализатора выполнены сквозные отверстия в основной колонне, а в верхней и средней реакционных камерах под опорными решетками на корпусе реактора установлены штуцеры ввода-вывода газа.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в средней камере в кольцевом пространстве между колоннами и внутри дополнительной колонны установлены горизонтально распределители газа, выполненные в форме тора с равномерно перфорированными стенками, каждый из которых соединен посредством патрубка с установленными на крышке или днище реактора штуцерами подвода дополнительного газа.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в верхней и средней реакционных камерах между опорной решеткой и слоем катализатора размещен слой инертного проницаемого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2