高效催化器及其用途的製作方法
2023-07-26 03:34:06 1
本發明涉及石油煉製、化工、環境保護及其它應用催化裝置的領域，具體涉及高效催化器及其用途。
背景技術：
由於生產反應效率及環境保護等因素的需要，目前催化器被廣泛用於石油煉製、有機化工、無機化工、環境保護等領域，為提高催化效率，傳統方法是在工藝允許條件下，不斷提高催化劑與物料的接觸面積，然而該方法會導致催化劑（通常較為昂貴）消耗量大、易堵塞、運行能耗高，使得催化器的生產應用不僅成本高昂，還耗費大量人力物力，並且傳統方法所投入成本的增加幅度遠高於催化效率提高的幅度。
技術實現要素：
為了解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種設計合理、結構簡單、流動阻力小、催化效率高且經濟實用的高效催化器及其用途。
為了實現上述的技術目的，本發明的技術方案為：
高效催化器，包括內部設置有催化劑的催化器本體和使得催化器能夠正常運作的必要輔件，所述的必要輔件與傳統催化器所需的輔件大致相同，根據催化器的針對用途和應用情況，通常可以包括殼體、襯墊、導流孔板、減震裝置等，本發明的技術方案與傳統催化器的不同之處在於，所述的催化劑本體內設有至少一個流道，可以根據催化器的實際需要進行設計成單流道、多個並列流道或串聯流道的形式進行使用，所述的流道為直通型流道，所述催化器本體內的流道中設置有使流道內流體產生旋流的擾流器。
所述的流道為直通型的管道，是指單個管形流道或多個管形流道並列組成蜂窩流道，其中直通型的流道不包含由鐵絲網流道或自由堆放的填料空隙所組成的無規則流道，可以根據需要將直通型的流道設計成任意形式的截面，相對於多邊形或者其他不規則的流道截面而言，圓形管道更為有利於提高催化器的催化效率和節約材料。
催化器通常情況下包括均相催化器（催化劑與反應物是三相流體中的相同相）、多相催化器（催化劑與反應物是不同的相）和酶催化器（催化劑與反應物介於均相催化與多相催化之間）。
當高效催化器用於多相催化時，催化器本體內設置有催化劑的載體，當高效催化器用於均相或酶催化時，催化器本體的流道為流體（含催化劑、反應物）的流道。
使流道內產生旋流的擾流器通常可以分為端部擾流、切向擾流（旋流或旋風分離器類型）、插入式旋流擾流器等，結合用途與擾流效果的考慮，在多相催化時，插入式旋流擾流器有更好的擾流效果，為了提高多相催化（擾流）的效果，在催化劑所在界面，形成一個流阻相對較小的空間，迫使旋流流體直接衝擊催化劑界面。
進一步，作為本發明擾流器的其中一種實施方式，所述的擾流器為同軸插入設置在流道內，所述的擾流器由軸與設於軸上的螺旋擾流片組成，所述的軸上還設有至少一個與流道固定連接的連接件，擾流器設於流道內部，其可以採用端部固定的方式固定於流道上（當流道較短時，如小於500mm情況下）或者通過連接件的摩擦力、彈力與流道內壁相抵將擾流器的軸固定在流道內，也可以通過將連接件粘接或焊接在流道內的形式進行固定擾流器的軸。
擾流器的螺旋擾流片的螺距可以根據需要及實際實驗調試進行確定設置，其中擾流器的螺旋擾流片還可以做多頭結構（即擾流器的軸截面上的螺旋擾流片可以設置成多片）。
進一步，所述擾流器的有效截面積與該擾流器所在流道截面積的比值大於或等於30%且小於或等於90%，優選的，所述擾流器的有效截面積與該擾流器所在流道截面積的比值大於或等於40%且小於或等於80%，更為優選的，所述擾流器的有效截面積與該擾流器所在流道截面積的比值大於或等於50%且小於或等於70%，更進一步優選的，所述擾流器的有效截面積與該擾流器所在流道截面積的比值為50%，其中所述的面積比可以根據反應物的流速、黏度、流道面積和設計對體積的要求等因素進行結合實際測試數據來確定。
所述擾流器的有效截面積指的是，擾流器的螺旋擾流片最少旋轉360度時端面的正投影面積，所述的擾流器設於管道中心時，所述正投影面積含軸的投影面積。
作為本發明催化劑的負載形式，當本發明催化器用於多相催化時，所述的催化劑為複合電鍍沉積於擾流器外表面或催化載體上的催化劑層，其中催化載體為流道內壁，通過複合電鍍的方法，可以獲得良好的催化劑附著效果。
本發明的高效催化器在均相催化時，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為4mm≤d≤50mm，進一步優選為15mm≤d≤25mm，其中更大的通道內徑d在相同的流速下能夠獲得更高的雷諾數，通道內徑的大小也可以根據設計經濟性、運行條件而定。
作為本發明的高效催化器在內燃機尾氣催化方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為2mm≤d≤150mm；當安裝條件充足時，可以僅設置一個流道（採用排氣管或與排氣管直徑相當的陶瓷管等作為催化劑的附著載體），一般情況下，內徑d應小於150mm；當安裝條件有限時，內徑d的優選值為5mm≤d≤25mm，具體實際情況亦可根據設計時結合尾氣流速、允許的安裝體積等條件在於實際測試進行調整確定最佳的參數。
作為本發明的高效催化器在鍋爐、爐窯煙氣的催化方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為6mm≤d≤300mm；當煙氣量較少、安裝條件充分時，可以僅設置一個流道（採用排煙管或陶瓷管等作為催化劑的附著載體），一般情況下，內徑d應小於300mm；當安裝條件有限時，內徑d的優選值為5mm≤d≤50mm，具體實際情況亦可根據設計時結合煙氣流速、煙氣中的顆粒物直徑、允許的安裝體積等條件再與實際測試進行調整確定最佳的參數。
作為本發明的高效催化器在酶催化方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為6mm≤d≤200mm；進一步優選值為15mm≤d≤25mm，其中更大的通道內徑d在相同的流速下能夠獲得更高的雷諾數，通道內徑的大小也可以根據設計經濟性、運行條件而定。
作為本發明的高效催化器在汙水處理方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為20mm≤d≤200mm；進一步優選值為50mm≤d≤100mm，其中更大的通道內徑d在相同的流速下能夠獲得更高的雷諾數，通道內徑的大小也可以根據設計經濟性、運行條件而定。
進一步，所述的擾流器還可以為設置在流道內壁的螺旋擾流片組成或由軸與設於軸上的螺旋擾流片以及設置在流道內壁的螺旋擾流片組成，所述的軸上設有至少一個與流道內壁徑向相抵的彈性元件且所述的軸為同軸插入設置在流道內且軸上的螺旋擾流片與流道內壁上的螺旋擾流片的旋向為相反。
進一步的，所述直通型流道外設有一個或多個套管，所述直通型流道的外壁面與套管間以及套管與套管間形成環形流道，所述環形流道內設有擾流器，所述擾流器設置於環形流道內壁或外壁或兩者結合，旋向相同或相反，根據需要設定。
無論是將擾流器設於流道內部、流道內壁或流道內壁和流道內部結合的形式，其都可以在較高的處理流速下進行工作，其中被裹挾的生物汙泥，可在設於流道出口端設置的旋流分離裝置進行回收，並可以返回進行利用，在流道內部和內壁面同時設置擾流器並使軸上的螺旋擾流片與流道內壁上的螺旋擾流片的旋向為相反，可以實現多維度的擾流效果，其中流道內部指流道中心位置，另外，設於流道內部的擾流器可以設為彈性填料。
採用上述的技術方案，其與現有技術相比，本發明技術方案的有益效果為：通過在催化器的流道內設置使催化器流道內流體產生旋流的擾流器，提高了催化劑與反應物的接觸機率和催化效率，使得在相對較小的比表面積或相對較大單個流道截面積條件下，獲得更為理想的催化效果，並且減少了催化器中的催化劑材料用量和運行阻力，而且在多相催化應用時，通過採用複合電鍍的方法將催化劑沉積於催化劑載體上，獲得了更為良好的催化劑附著效果，通過該方案可以將其廣泛應用於內燃機尾氣與鍋爐、窯爐煙氣的催化以及均相、酶、汙水生物酶催化的領域中，在煙氣處理時，還通過將煙氣處理的通道設置成圓形管狀通道，能夠消除氣流死角，從而提高了催化器內的催化劑利用效率。
附圖說明
圖1為本發明高效催化器的流道呈蜂窩式排布時的催化器本體整體式端部的剖視圖；
圖2為本發明高效催化器本體的其中一種實施方式的流道排布結構示意；
圖3為圖2所示結構的爆炸示意圖；
圖4是本發明高效催化器的擾流器的實施方式之一的局部剖切視圖，其示出了擾流器為插入設置在流道內的結構狀態；
圖5為圖4所示結構狀態的流道徑向剖切示意圖；
圖6是本發明高效催化器之擾流器的有效截面積與催化器本體流道的截面積的對比示意圖；
圖7是本發明高效催化器的擾流器的實施方式之二的局部剖切視圖，其示出了擾流器為設置在流道內壁的螺旋擾流片時的結構狀態；
圖8為圖7所示結構狀態的流道徑向剖切示意圖；
圖9是本發明高效催化器的擾流器實施方式之三的局部剖切示意圖，其示出了擾流器為軸與設於軸上的螺旋擾流片以及設置在流道內壁的螺旋擾流片組成時的結構狀態；
圖10為圖9所示結構狀態中，將軸從流道內拆出時的示意圖；
圖11為本發明高效催化器的擾流器實施方式之四的結構示意圖；
圖12為本發明催化器在入口端設置預處理裝置時的處理流程圖示。
具體實施方式
如圖1至3之一所示，本發明包括內部設置有催化劑的催化器本體和使得催化器能夠正常運作的必要輔件，所述的必要輔件與傳統催化器所需的輔件大致相同，根據催化器的針對用途和應用情況，通常可以包括殼體2、襯墊、導流孔板、減震裝置和用於支撐流道的定位板3等，本發明的技術方案與傳統催化器的不同之處在於，所述的催化劑本體內設有至少一個流道1，可以根據催化器的實際需要進行設計成單流道、多個並列流道或串聯流道的形式進行使用，所述的流道1為直通型流道，所述催化器本體內的流道1中設置有使流道內流體產生旋流的擾流器。
其中，所述的流道1為直通型的管道，是指單個管形流道或多個管形流道並列組成蜂窩流道，其中直通型的流道不包含由鐵絲網流道或自由堆放的填料空隙所組成的無規則流道，可以根據需要將直通型的流道設計成任意形式的截面，相對於多邊形或者其他不規則的流道截面而言，圓形管道更為有利於提高催化器的催化效率和節約材料。
所述的催化器本體的流道1為圓形管狀通道，通常，其內徑≤300mm，催化器的內徑與長度成反比，在相同內徑下，長度越長越有利於提高催化器的抗毒害能力，在不影響堵塞的前提下，催化器內徑較小有利於提高催化效率，但是隨之而來的問題是流體阻力會隨之增加，通常，在設計阻力要求不高的條件下，採用較小的內徑d，如5～25mm。在安裝條件充足且流體流量不大的情況下，為了簡化裝置，可以採用單個圓形管狀通道作為催化器本體，此時，圓形管狀通道的最大內徑d一般不超過300mm為宜。
所述的擾流器為使催化器本體內的流道產生旋流的旋流式擾流器，其螺旋角可以參照旋流分離器採用15°～30°的螺旋角，擾流器的設置形式也可以採用設置在催化器本體的流道內壁上、插入設置在流道的軸心位置、設置在流道的入口端部的中心位置、流道入口端側壁或採用前述的集合形式進行設置擾流器。
催化器通常情況下包括均相催化器（催化劑與反應物是三相流體中的相同相）、多相催化器（催化劑與反應物是不同的相）和酶催化器（催化劑與反應物介於均相催化與多相催化之間）。
當高效催化器用於多相催化時，催化器本體內設置有催化劑的載體，其中所述的載體可以為擾流器的外表面和流道的內壁，當高效催化器用於均相或酶催化時，催化器本體的流道1為流體（含催化劑、反應物）的流道。
使流道內產生旋流的擾流器通常可以分為端部擾流、切向擾流（旋流或旋風分離器類型）、插入式旋流擾流器等，結合用途與擾流效果的考慮，在多相催化時，插入式旋流擾流器有更好的擾流效果，為了提高多相催化（擾流）的效果，在催化劑所在界面，形成一個流阻相對較小的空間，迫使旋流流體直接衝擊催化劑界面。
進一步，如圖4或5所示，作為本發明擾流器的其中一種實施方式，所述的擾流器42為同軸插入設置在流道1內，所述的擾流器42由軸421與設於軸421上的螺旋擾流片422組成，所述的軸421上還設有至少一個與流道1固定連接的連接件423，擾流器42設於流道1內部，其可以採用端部固定的方式固定於流道上（當流道較短時，如小於500mm情況下）或者通過連接件的摩擦力、彈力與流道1內壁相抵將擾流器的軸421固定在流道1內，也可以通過將連接件423粘接或焊接在流道1內的形式進行固定擾流器42的軸421。
另外，擾流器的螺旋擾流片422的螺距可以根據需要及實際實驗調試進行確定設置，其中擾流器42的螺旋擾流片422還可以做多頭結構（即擾流器的軸截面上的螺旋擾流片可以設置成多片）。
進一步，如圖6所示，所述擾流器的有效截面積與該擾流器所在流道截面積的比值大於或等於30%且小於或等於90%，更進一步，所述的比值大於或等於40%且小於或等於80%，優選的，所述擾流器的有效截面積與該擾流器所在流道截面積的比值大於或等於50%且小於或等於70%，更為優選的，所述擾流器的有效截面積與該擾流器所在流道截面積的比值為50%；所述的擾流器的有效截面積指的是，擾流器的螺旋擾流片最少旋轉360度時截面的正投影面積，即擾流器的有效截面積為標註5所示的陰影部分，流道截面積為標註6所示流道截面的圓形面積，其中，所述的面積比可以根據反應物的流速、黏度、流道面積和設計對體積的要求等因素進行結合實際測試數據來確定。
所述擾流器的有效截面積指的是，擾流器的螺旋擾流片最少旋轉360度時端面的正投影面積，所述的擾流器設於管道中心時，所述正投影面積含軸的投影面積。
進一步，如圖7或8所示，所述的擾流器還可以為設置在流道1內壁的螺旋擾流片41組成，或者如圖9至10之一所示，所述的擾流器42由軸421與設於軸421上的螺旋擾流片422以及設置在流道1內壁的螺旋擾流片41組成，所述的軸421上設有至少一個與流道1內壁徑向相抵的彈性元件（未示出）且所述的軸421為同軸插入設置在流道1內且軸421上的螺旋擾流片422與流道1內壁上的螺旋擾流片41的旋向為相反。
進一步的，如圖11所示，所述直通型流道1外設有一個或多個套管7，所述直通型流道1的外壁與套管7間以及套管與套管間形成環形流道，所述環形流道內設有擾流器71，所述擾流器71設置於環形流道內壁，旋向相同。
無論是將擾流器設於流道內部、流道內壁或流道內壁和流道內部結合的形式，其都可以在較高的處理流速下進行工作，其中被裹挾的生物汙泥，可在設於流道出口端設置的旋流分離裝置進行回收，並可以返回進行利用，在流道內部和內壁面同時設置擾流器並使軸上的螺旋擾流片與流道內壁上的螺旋擾流片的旋向為相反，可以實現多維度的擾流效果，其中流道內部指流道中心位置，另外，設於流道內部的擾流器可以設為彈性填料。
如圖12所示，當催化器的入口端裝載有預處理裝置時，所述的預處理裝置包括對引起催化劑中毒的介質進行預催化或分離的裝置或導致催化器堵塞的顆粒物進行預分離的裝置或對催化條件不一致的混合介質進行分別催化（如：內燃機尾氣中不同成分的分別催化）或前述方法的結合。
作為本發明催化劑的負載形式，當本發明催化器用於多相催化時，所述的催化劑為複合電鍍沉積於擾流器或催化載體上的催化劑層，所述的催化載體為擾流器的外表面和流道的內壁，通過複合電鍍的方法，可以獲得良好的催化劑附著效果。
本發明的高效催化器在均相催化時，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為4mm≤d≤50mm，進一步優選為15mm≤d≤25mm，其中更大的通道內徑d在相同的流速下能夠獲得更高的雷諾數，通道內徑的大小也可以根據設計經濟性、運行條件而定。
作為本發明的高效催化器在內燃機尾氣催化方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為2mm≤d≤150mm，更優選為5mm≤d≤20mm；當安裝條件充足時，可以僅設置一個流道（採用排氣管或與排氣管直徑相當的陶瓷管等作為催化劑的附著載體），一般情況下，內徑d應小於150mm；當安裝條件有限時，內徑d的優選值為5mm≤d≤25mm，具體實際情況亦可根據設計時結合尾氣流速、允許的安裝體積等條件在於實際測試進行調整確定最佳的參數，當內燃機的排氣管長度合適，且做好保溫的前提下，可利用排氣管作為催化器，此時，排氣管內徑即為催化器流道內徑，從裝置的合理性考慮，所述圓形管狀通道內徑d不宜超過150mm。
另外，所述的擾流器可以設於催化器本體流道的軸心部、入口端部的中心位置、或入口端的側壁位置或前述的集合，其中擾流器的有效截面積與催化器本體流道的截面積比s1/s2優選為50%≤s1/s2≤90%，採用插入式將擾流器設置在流道的軸心位置，可以進一步獲得更好的擾流效果，特別是適合於流道內徑較小的情況下。
作為本發明的高效催化器在鍋爐、爐窯煙氣的催化方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為6mm≤d≤300mm；當煙氣量較少、安裝條件充分時，可以僅設置一個流道（採用排煙管或陶瓷管等作為催化劑的附著載體），一般情況下，內徑d應小於300mm；當安裝條件有限時，內徑d的優選值為5mm≤d≤50mm，具體實際情況亦可根據設計時結合煙氣流速、煙氣中的顆粒物直徑、允許的安裝體積等條件再與實際測試進行調整確定最佳的參數，另外可以結合處理煙氣的情況來進行確定流道的內徑尺寸，如煙氣中顆粒物直徑較小，則催化器內徑宜小，反之則大，如：天然氣鍋爐，可選用小內徑催化器；當催化器由多個圓形管狀通道並列組成時，所述圓形管狀通道內徑d優選為6mm≤d≤50mm。當催化器由單個圓形管狀通道時，所述圓形管狀通道內徑d，約等於排煙管內徑。
另外，所述的擾流器設於催化器本體流道的軸心部或入口端部中心部位，所述擾流器的有效截面積與催化器本體流道的截面積比s1/s2優選為50%≤s1/s2≤90%。
作為本發明的高效催化器在酶催化方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為6mm≤d≤200mm；進一步優選值為15mm≤d≤25mm，其中更大的通道內徑d在相同的流速下能夠獲得更高的雷諾數，通道內徑的大小也可以根據設計經濟性、運行條件而定，其中催化器本體內的流道為催化劑與待催化物料的流道，流道內壁的螺旋擾流片與插入設置的軸上的螺旋擾流片的旋向相反。
當擾流器僅設於催化器本體的流道軸心部時，所述擾流器優選採用比表面積較大的填料進行使用，其中採用比表面積較大的填料（如：彈性填料）有利於流道軸心部流體的擾流。
作為本發明的高效催化器在汙水處理方面的應用，其中催化器本體內的流道為圓形管狀通道，所述圓形管狀通道的內徑d的優選值為20mm≤d≤200mm；進一步優選值為50mm≤d≤100mm，其中更大的通道內徑d在相同的流速下能夠獲得更高的雷諾數，通道內徑的大小也可以根據設計經濟性、運行條件而定。
本發明通過在催化器流道內設置擾流器，提高催化劑與待催化物的接觸機率與催化效率。可以在相對較小的比表面積或相對較大的單個流道截面積條件下，獲得理想的催化效果，並因此減少催化器（含催化劑）用材與運行阻力，將流體通道設為圓形管狀通道，消除氣流死角、提高催化效率。通過在催化器流體通道內設置擾流器，進一步提高催化效率。
以上所述僅為本發明的舉例說明，對於本領域的技術人員而言，根據本發明的教導，在不脫離本發明的原理和精神的情況下凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化、修改、替換和變型，皆應屬本發明的涵蓋範圍。