КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ

Каталитический подогреватель относится к технологическому оборудованию, используемому в газовой промышленности, например, для подогрева редуцируемого газа с целью исключения гидратообразования при редуцировании.
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.
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.
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.
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.
Предлагаемое техническое решение ставит своей задачей создание каталитического подогревателя, предназначенного для подогрева газа, при упрощении конструкции каталитического подогревателя путем изменения конструкции каталитического теплообменника.
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.
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.
Техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция каталитического подогревателя, на фиг.2 представлен разрез - вид сверху каталитического теплообменника.
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 2
Устройство работает следующим образом.
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.
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.