КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области химии, а именно к устройствам и системам для каталитической очистки выхлопных газов дизельных двигателей и может применяться для очистки выхлопов стационарных дизель-генераторов, а также выхлопов дизельных двигателей в автомобильном, водном и железнодорожном транспорте.
Очистка выхлопов дизельных двигателей является важной экологической и экономической задачей. Задачами такой очистки является окисление содержащихся в выхлопах вредных примесей - монооксида углерода (СО), углеводородов и сажи, а также восстановление оксидов азота. Наиболее эффективным на сегодня является подход, основанный на проведении указанных реакций в присутствии катализаторов.
Известен ряд каталитических систем, выполненных на основе гибких структурированных микроволокнистых носителей, в частности - стеклотканей, применение которых в ряде каталитических реакций является чрезвычайно перспективным. (Патенты РФ №2069584, B01J 23/38, 1996.11.27, №2289565, С07С 7/167, 2006.12.20, №2252208, С07С 19/01, 2005.05.20, №2250890, С07С 17/10, 2005.04.27, №2250891, С07С 21/06, 2005.04.27, №2252915, С01В 17/78, B01J 23/56, 2005.05.27).
В то же время, существует задача поиска оптимального способа расположения такого катализатора в реакционном объеме, обеспечивающего максимальную эффективность осуществления реакции (достижение высоких конверсии исходных реагентов) в движущемся потоке выхлопных газов при минимальных габаритах контактного устройства (реактора) и минимальном гидравлическом сопротивлении реакционному потоку.
Известна каталитическая система с радиальным слоем стеклотканного материала, содержащая хотя бы один слой гибкого волокнистого катализатора и опорно-распределительное симметричное устройство, осевая линия которого либо совпадает с направлением движения потока реакционной смеси, либо отклоняется от него на угол не более 30°, где катализатор устанавливают на частично или полностью проницаемой для потока реакционной смеси боковой поверхности устройства (Патент РФ №2200622, B01J 8/04, 2003.03.20). Система отличается низким гидравлическим сопротивлением и высокой эффективностью осуществления реакции.
Недостатками этой системы является возможность закупорки проходов в слоях катализатора сажей, содержащейся в потоке выхлопных газов, что может приводить к снижению эффективности работы системы вплоть до полной потери работоспособности, а также возможная осевая неоднородность распределения потока реакционной смеси.
Известен каталитический блок для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящий из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде тканных, либо плетеных либо прессованных плоских полотен, и слоев проницаемого для реакционного потока объемного структурообразующего элемента, отличающаяся тем, что слои гибкого каталитического материала и структурообразующего элемента расположены относительно друг друга на расстоянии 1-20 мм, образуя при этом в совокупности призму, основание которой перпендикулярно направлению расположения слоев. (Патент РФ на полезную модель №101652, B01J 8/00, 2011.01.27). Применение описанного блока обеспечивает возможность компактного и технологически простого формирования каталитических систем различной геометрии в каталитических реакторах различного масштаба при сохранении высокой эффективности протекания каталитических реакций, относительно низкое гидравлическое сопротивление каталитической системы потоку реакционной смеси и снижение риска закупорки проходов в слоях катализатора сажей.
Недостатком таких систем являются недостаточно низкое гидравлическое сопротивление при больших расходах реакционной смеси, а также возможное наличие неоднородностей распределения реакционного потока по сечению каталитической системы, снижающих эффективность ее работы.
Перед авторами ставилась задача разработать простую и удобную в эксплуатации каталитическую систему для очистки выхлопных газов дизельных двигателей, обеспечивающую высокий уровень однородности распределения потока выхлопных газов по объему катализатора, низкое гидравлическое сопротивление при больших расходах реакционной смеси, а также минимальный риск закупорки проходов в слоях катализатора сажей.
Задача решается тем, что предложена каталитическая система для очистки выхлопных газов дизельных двигателей, состоящая из множества каталитических блоков призматического сечения с попеременно чередующимися слоями гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде тканных, либо плетеных либо прессованных плоских полотен, и слоями проницаемого для реакционного потока объемных структурообразующих элементов, выполненная, по меньшей мере, из одного осесимметричного кольца из каталитических блоков, ориентированных таким образом, что плоскости слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала и слоев объемных структурообразующих элементов в блоках расположены по радиальным линиям параллельно оси симметрии кольца, а также из, по меньшей мере, одной непроницаемой для реакционного потока перегородки, перекрывающей внутреннее сечение кольца из блоков, перекрывающей внутреннее сечение кольца из блоков в плоскости, перпендикулярной оси симметрии кольца. При этом объемный структурообразующий элемент может быть выполнен в виде металлической равномерно гофрированной сетки либо металлической сетки объемного плетения, а микроволокнистый каталитический материал может быть выполнен на основе стеклотканевого носителя. Каталитическая система может быть выполнена из двух и более осесимметричных колец из каталитических блоков, последовательно расположенных вдоль общей оси симметрии. Каталитическая система может дополнительно содержать внутренний и внешний газораспределительный элементы. При этом внутренний газораспределительный элемент может быть выполнен в виде двух сплошных непроницаемых для потока выхлопных газов дисков, расположенных во внутреннем пространстве кольца каталитических блоков перпендикулярно оси симметрии кольца, имеющих диаметр 0.46-0.70 от диаметра внутреннего пространства кольца и находящихся на расстоянии 0.40-0.70 и 0.75-1.0 высоты кольца соответственно от нижней плоскости кольца. Внешний газораспределительный элемент может быть выполнен в виде кольцеобразной частично проницаемой для потока выхлопных газов перегородки с долей свободного прохода 0.3-0.6, поверхность которой параллельна оси симметрии кольца блоков, а высота составляет 0.4-0.6 высоты кольца блоков.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в том, что радиальное расположение каталитических блоков позволяет формировать компактную каталитическую систему с большим сечением для прохода потока выхлопных газов, что обеспечивает снижение скорости потока внутри блоков и соответствующее снижение гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси. Ориентация плоскостей слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала и слоев объемных структурообразующих элементов в блоках по радиальным линиям параллельно оси симметрии кольца обеспечивает перераспределение потоков внутри блоков по оси системы и, таким образом, позволяет минимизировать неоднородности распределения потока по объему каталитической системы даже при наличии существенной осевой неоднородности распределения потока по осевой координате системы. При этом исходная осевая неоднородность распределения потока может быть минимизирована за счет использования внутреннего и внешнего газораспределительных элементов.
Система поясняется Фиг., на которой изображен пример каталитической системы, состоящей из трех горизонтально расположенных осесимметричных колец 1-3, каждое из которых состоит из восьми каталитических блоков прямоугольного сечения 4. Кольца расположены последовательно одно над другим вдоль общей вертикальной оси симметрии 5. Внутреннее сечение нижнего кольца в плоскости, перпендикулярной оси симметрии кольца, снизу перекрыто непроницаемой для реакционного потока перегородкой 6. Плоскости слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала 7 и слоев объемных структурообразующих элементов 8 в блоках расположены вертикально, параллельно осевой линии, по радиальным линиям от оси симметрии к внешней части системы. Реакционный поток может подаваться сверху во внутреннюю часть системы, после чего он проходит в горизонтальном направлении сквозь каталитические блоки через проходы, образованные слоями проницаемого для реакционного потока объемных структурообразующих элементов, где поток контактирует с микроволокнистым катализатором. Прореагировавший поток выходит с внешней стороны системы. Во внутреннем пространстве системы расположен внутренний газораспределительный элемент, состоящий из внутренних газораспределительных горизонтальных дисков 9 и 10. Снаружи системы расположен внешний газораспределительный элемент, представляющий собой перфорированное кольцо 11. Стрелками показаны линии движения реакционного потока.
Расположение каталитических блоков в несколько слоев в форме радиальных колец позволяет сформировать каталитическую систему с большим боковым сечением для прохода реакционного потока, что обеспечивает снижение скорости потока внутри блоков и соответствующее снижение гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси. Известно, что гидравлическое сопротивление каталитических блоков потоку, движущемуся в любом направлении вдоль поверхности объемных структурообразующих элементов является относительно невысоким по сравнению с сопротивлением при течении потока сквозь слои структурообразующих элементов и слои катализатора. По этой причине, вертикальное расположение указанных слоев по радиальным направляющим обеспечивает не только горизонтальное течение потока сквозь каталитический блок с минимальным гидравлическим сопротивлением, но также и возможность вертикального перераспределения потока внутри блоков при наличии вертикальной неоднородности потока на входе в блоки, типичной для радиальных каталитических систем, с соответствующим повышением однородности распределения потока по объему каталитической системы и общему повышению эффективности работы каталитической системы. При этом отсутствие неоднородности распределения потока по радиальным направляющим обеспечивается общей осевой симметричностью системы.
Минимизация исходной неоднородности распределения потока по оси системы может осуществляться за счет применения внутреннего и внешнего газораспределительных элементов. Обтекание потоком внутреннего газораспределительного элемента, состоящего из двух дисков, перпендикулярных оси симметрии системы, вызывает локальное увеличение статического давления в этой области системы и выравнивает распределение давления по оси системы. Внешний газораспределительный элемент, выполняемый в виде кольцеобразной частично проницаемой для потока выхлопных газов перегородки, поверхность которой параллельна оси симметрии кольца блоков, позволяет повысить статическое давление на выходе системы и обеспечить постоянную величину перепада статического давления по высоте слоя катализатора
Оптимальным диаметром дисков внутреннего газораспределительного элемента является величина 0.58 от внутреннего диаметра кольца блоков с допустимым изменением этой величины в диапазоне 0.46-0.70. Меньший диаметр дисков приводит к снижению эффективности распределения потока, больший - к избыточному росту гидравлического сопротивления. Диски внутреннего газораспределительного элемента располагаются на расстоянии 0.67 и 0.92 высоты системы соответственно от нижней плоскости системы с допустимой вариацией этих величин в диапазонах 0.40-0.70 и 0.75-1.0. Иное расположение дисков приводит к возникновению вторичных неоднородностей потока, ухудшающих равномерность распределения потока по объему каталитических блоков. Оптимальная высота внешнего газораспределительного элемента составляет 0.5 от высоты системы (допустимый диапазон вариации этой величины - 0.4-0.6), оптимальная величина доли свободного прохода в нем - 0.35 (с допустимой вариацией в диапазоне 0.3-0.6). Большее значение высоты внешнего газораспределительного элемента и меньшее значение доли его свободного прохода приводит к избыточному росту гидравлического сопротивления системы, напротив, меньшая высота и большая доля свободного прохода - к снижению эффективности выравнивания потока по высоте системы.
Применение описанной системы обеспечивает очистку выхлопных газов дизельных двигателей с высокой эффективностью, с минимальным гидравлическим сопротивлением и минимальным риском снижения работоспособности системы в результате закупорки проходов в слоях катализатора сажей.