OCHRONA ATMOSFERY
Wykład 9
Dr hab. inż. Krzysztof GOSIEWSKI
Profesor AJD
Regeneratory ciepła
i reaktory katalityczne
z regeneracją ciepła
– Autotermia
układów
reakcyjnych
Regeneracja ciepła i regeneratory
• Regeneratory ciepła to aparaty, których cechą szczególną jest to, że w
zasadzie pracują w ciągłym stanie nieustalonym. Wymiana ciepła
odbywa się w nich poprzez czynnik pośredniczący, którym z reguły jest
wypełnienie mające postać ciała stałego akumulującego ciepło. Poprzez
regenerator czynniki oddający i pobierający ciepło płyną na zmianę: raz
grzejący oddaje swoje ciepło masie wypełnienia magazynując je w tym
wypełnieniu, drugi raz poprzez wypełnienie płynie gaz ogrzewany, który
odbiera ciepło nagromadzone (zakumulowane) w tym wypełnieniu w
poprzednim okresie.
Regeneratory ciepła
Urządzenie do termicznego rozkładu metanu
parą wodną
spaliny powietrze do kotła
Schemat poglądowy działania
obrotowego regeneratora ciepła
typu Ljungstroem
Autotermia
• Wykorzystanie ciepła generowanego przez egzotermiczną
reakcję chemiczną do podgrzania płynu na wlocie reaktora do
temperatury niezbędnej dla przebiegu reakcji nazywamy
autotermią.
• Układ wymiany ciepła w którym gorące medium po reaktorze
oddaje ciepło strumieniowi płynu wpływającego do reaktora
nazywamy autotermicznym.
Wymiennik
ciepła
Reaktor
T
1
T
2
T
3
T
4
Uproszczony schemat autotermicznego odzysku ciepła reakcji
Regenerator ciepła
i reaktor katalityczny z
regeneracją ciepła
Urządzenie do termicznego rozkładu metanu
parą wodną
katalizator
inert
wylot
wlot
zanieczyszczonego
gazu
paliwo
zawór przełączający
katalizator
inert
wylot
wlot
zanieczyszczonego
gazu
paliwo
zawór przełączający
Katalityczne spalanie
zanieczyszczeń
z regeneracyjnym, autotermicznym
odzyskiem ciepła
Katalityczne odsiarczanie gazów z
produkcją kwasu siarkowego
Gazy odlotowe z różnych
procesów (w tym np.
spaliny kotłowe) często
zawierają znaczne ilości
wilgoci (H
2
O)! Wówczas
tylko metoda kondensacji
zapewnia handlowe
stężenie kwasu siarkowego
Autotermię uzyskuje się
bez trudności stosując
zewnętrzne płaszczowo-
rurowe wymienniki ciepła
W tym zakresie autotermię
można uzyskać stosując
regeneracyjną wymianę ciepła
Reaktory z rewersją przepływu
(reaktory rewersyjne ang.: reverse flow
reactors)
Inert
Inert
Katalizator
Wlot
Inert
Inert
Katalizator
Wlot
Inert
Inert
Katalizator
Wlot
To jest to samo, tylko inaczej
narysowane !
katalizator
inert
wylot
wlot
zanieczyszczonego
gazu
paliwo
zawór przełączający
katalizator
inert
wylot
wlot
zanieczyszczonego
gazu
paliwo
zawór przełączający
Inert
Inert
Katalizator
Wlot
Kształtowanie się ”fali cieplnej” w
reaktorze rewersyjnym
Ukształtowana „fala cieplna” w cyklicznym
stanie ustalonym reaktora
l [m]
INERT
INERT
KATALIZATOR
t
1
t
2
t
3
t
1
T [K]
T
max
t
2
t
3
t
4
t
4
T
wlot
T
zap
T
ad
Warianty reaktorów rewersyjnych
a) bez sekcji wypełnionych materiałem nieaktywnym (inertem)
Wlot
Katalizator
Wylot
b) z sekcjami inertu i wymiennikiem do odbioru ciepła
Warianty reaktorów rewersyjnych
Wym. ciepła
Katalizator
Katalizator
Inert
Wlot
Wylot
Inert
Warianty reaktorów rewersyjnych
c)
z odpływem gorącego gazu
(z zewnętrznym wymiennikiem ciepła)
Inert
Wlot
Wylot
Wym.
ciepła
Wylot
Odpływ do
30%
gazu
Inert
Katalizator
Katalizator
Warianty reaktorów rewersyjnych
d) bez katalizatora (reakcja homogeniczna)
z wewnętrznym wymiennikiem do odbioru ciepła
Wylot
Wlot
Inert
Wym.
ciepła
Inert
• bez katalizatora (reakcja
homogeniczna) z zewnętrznym
wymiennikiem do odbioru ciepła
Inert
Wlot
Wylot
Wym.
ciepła
Wylot
Odpływ do
30%
gazu
Inert
Warianty reaktorów rewersyjnych
Obrotowy katalityczny reaktor z
regeneracją ciepła
Wymiennik
ciepła
Reaktor
T
1
T
2
T
3
T
4
Uklad autotermiczny z zewnetrznym wymiennikiem ciepla
Wymiennik
ciepła
Reaktor
T
1
T
2
T
3
T
4
Uklad autotermiczny z zewnetrznym wymiennikiem ciepla
zewnętrznym
Dlaczego w reaktorach rewersyjnych
łatwiej jest uzyskać autotermię niż w
układzie z zewnętrznym
wymiennikiem ciepła?
Tajemnica
lepszych
warunków
autotermii
w układach z rewersyjnych z regeneracją ciepła polega na
znacznym
ograniczeniu
strat
ciepła
w układzie.
Inert
Inert
Katalizator
Wlot
Wyprowadzanie gorących strumieni
na zewnątrz układu reakcyjnego
powoduje duże straty ciepła
do otoczenia
Zintegrowanie układu reakcji
w jednym aparacie z regeneracyjną
wymianą ciepła znacznie
ogranicza straty ciepła
do otoczenia
Zastosowania reaktorów
rewersyjnych w ochronie
środowiska
• Katalityczne utlenianie SO
2
;
• Spalanie
lotnych
związków
organicznych;
• Katalityczna redukcja NO
x
;
• Katalityczne
i
niekatalityczne
(termiczne)
spalanie
metanu
z
górniczych gazów wentylacyjnych.
Reaktory przeciwprądowe jako inny przykład
rozwiązania zintegrowanego układu
autotermicznego
• Medium reakcyjne płynie przeciwprądowo w reaktorze, który stanowi jednocześnie przeciwprądowy
wymiennik
ciepła
i
reaktor
(w górnej części wypełniony katalizatorem).
• Rozwiązanie takie posiada zalety zbliżone do reaktora rewersyjnego, jednak bez konieczności
stosowania cyklicznego przełączania kierunku przepływu.
Konstrukcja
płytowa
przeciw-
prądowego
reaktora
(reformera)