АДСОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Полезная модель относится к технологиям окисления токсичных примесей летучих органических соединений в отходящих газах промышленных предприятий и может быть использовано в химической, нефтехимической, лакокрасочной, машиностроительной и других отраслях промышленности.
Для очистки отходящих газов с низкими концентрациями токсичных примесей наиболее эффективным и экономически выгодным является применение каталитических систем, обеспечивающих окисление примесей кислородом воздуха в присутствии катализатора до экологически безвредных продуктов. Такие системы отличаются высокой степенью очистки газов. В то же время для осуществления таких процессов в слое катализатора требуется поддерживать достаточно высокие температуры (для различных примесей диапазон таких температур может составлять от 150-200 до 500-600°С). Это обуславливает их относительно высокое энергопотребление, а также необходимость применения дорогих и громоздких теплообменников, особенно в случаях низких концентраций горючих примесей и большого объема очищаемых газов. К тому же каталитический реактор надо долго греть перед пуском, что осложняет его применение для очистки газов из периодических источников (Ю.Ш. Матрос, А.С. Носков, В.А. Чумаченко. Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств. Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение, 1991, 224 с).
Известна адсорбционно-каталитическая система для очистки отходящих газов от органических примесей [US США N 4234549, B01D 53/42]. Процесс очистки в этой системе является циклическим и осуществляется в две стадии, на первой происходит очистка газов за счет адсорбции примесей в слое адсорбента-катализатора при температурах ниже температур окисления примесей, на второй - регенерация адсорбционной емкости адсорбента-катализатора за счет окисления сорбированных примесей при повышенной температуре в токе кислород-содержащего регенерирующего газа, например, воздуха. Окисление происходит при пропускании через слой адсорбента-катализатора регенерирующего потока, нагретого до температуры выше температуры начала глубокого окисления адсорбированных примесей. Этот способ существенно менее энергоемок, чем описанный выше каталитический процесс, т.к. энергия тратится периодически в течение относительно короткого промежутка времени и только на нагрев слоя адсорбента-катализатора до температуры, достаточной для начала окисления сорбированных примесей с последующим использованием тепла протекающих каталитических реакций для поддержания необходимого температурного режима.
С другой стороны, энергетические затраты на проведение второй стадии цикла все же недостаточно низки, особенно в аппаратах большой мощности по очищаемому газу. Это связано с необходимостью нагрева больших объемов газа до высоких температур (250-350°С). Расход энергии может быть снижен за счет снижения расхода регенерирующего потока на стадии регенерации, но в этом случае процесс не может осуществляться в непрерывном режиме, так как требуется прекращать подачу очищаемых газов на время регенерации. Кроме того, весьма значительны также неизбежные потери энергии на непроизводительный нагрев подводящих трубопроводов и корпуса реактора.
Полезная модель решает задачу разработки эффективного адсорбционно-каталитического реактор для очистки газов от органических примесей.
Задача решается тем, что в адсорбционно-каталитическом реакторе для очистки газов от летучих токсичных органических примесей за счет адсорбции этих примесей в неподвижном слое адсорбента-катализатора и периодического окисления сорбированных примесей при повышении температуры адсорбента-катализатора, состоящим из указанного неподвижного слоя адсорбента-катализатора, расположенного внутри реактора с герметичным корпусом, снабженным входным и выходным патрубками для ввода и вывода очищаемого газового потока, а также нагревательного элемента, предназначенного для периодического нагрева очищаемого потока, нагревательный элемент располагается непосредственно внутри слоя адсорбента-катализатора в зоне входа очищаемого потока в слой. Нагревательный элемент может быть выполнен в виде электронагревательной спирали, выполненной из нихрома или других материалов с аналогичными свойствами.
Схема адсорбционно-каталитического реактора для очистки газов от летучих органических примесей представлена на Фиг., где: 1 - корпус реактора, 2 - слой адсорбента-катализатора, 3 - нагревательный элемент, 4 - поток очищаемого газа, 5 - поток очищенных газов.
Процесс очистки газов от летучих органических примесей осуществляют следующим образом. Поток очищаемых газов подается в реактор (поз. 1 на Фиг. ) через входной патрубок и далее проходит через слой адсорбента-катализатора (поз. 2), выходя из реактора через выходной патрубок. Как и в процессах, описанных выше, здесь происходит чередование двух стадий в слое адсорбента-катализатора - адсорбции подаваемых примесей при температуре ниже температуры их окисления до проскока их через слой адсорбента-катализатора и окисление сорбированных на первой стадии примесей при повышении температуры в слое до температуры начала глубокого окисления адсорбированных примесей.
В отличие от известных систем, в которых стартовый нагрев слоя осуществляется за счет подачи в него нагретого газового регенерирующего потока, в данном реакторе такой стартовый нагрев проводят за счет прямого нагрева части слоя катализатора нагревателем (поз. 3), расположенным внутри этого слоя, при этом регенерирующий поток продолжает поступать в слой адсорбента-катализатора с естественной (например, комнатной) температурой, без предварительного подогрева.
В результате стартового нагрева происходит инициация реакций окисления сорбированных примесей, после чего в слое возникает тепловая волна, в которой процесс окисления протекает за счет использования тепла реакций окисления для разогрева остальной части слоя, при этом нагреватель может быть отключен. За счет того, что регенерирующий поток подается в слой адсорбента-катализатора без нагрева, слой после прохождения такой тепловой волны имеет низкую температуру, необходимую для эффективной сорбции примесей в следующем цикле очистки газов. В качестве регенерирующего потока может использоваться воздух, либо поток очищаемых газов, в последнем случае процесс очистки становится непрерывным.
Важно, что тепловая волна может распространяться в слое адсорбента-катализатора не только параллельно направлению течения очищаемого потока, но и в других направлениях, за счет теплопроводности. Это позволяет обеспечивать эффективное окисление примесей во всем слое при стартовом нагреве только небольшой части слоя. При этом расход энергии на стартовый нагрев постоянен и практически не зависит от объема слоя и от объемов очищаемого газа. Таким образом, исключается рост энергозатрат с ростом мощности реактора по очищаемым газам, что обеспечивает весьма низкую энергоемкость процесса вне зависимости от масштаба реактора.
Вторым важным достоинством реактора является то, что вся подводимая энергия тратится непосредственно на нагрев адсорбента-катализатора, при этом полностью исключаются потери энергии на непроизводительный нагрев подводящих трубопроводов, патрубков и корпуса реактора, за счет чего обеспечивается существенное дополнительное снижение энергоемкости процесса.
Процесс очистки в таком реакторе можно вести в непрерывном режиме, так как нет необходимости прерывать подачу смеси во время регенерации слоя. С другой стороны, реактор можно использовать также и для очистки газов из периодических источников выбросов.
Технический результат полезной модели заключается в, уменьшении энергетических затрат на осуществление процесса очистки газов, в том числе и при больших объемах очищаемых газов, а также возможности проведения очистки как в периодическом, так и в непрерывном режимах.