Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО
Представлена установка для определения свойств каталитических покрытий, и обобщены результаты экспериментального исследования теплопереноса в МКР для окисления СО, изготовленном из каталитических покрытий с активным компонентом CuО, которые получены напылением в струе низкотемпературной плазмы. Пред...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2005
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61478 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО / В. Снапкаускене, В. Валинчюс, П. Валаткявичюс // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 5. — С. 50-57. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859666579321520128 |
|---|---|
| author | Снапкаускене, В. Валинчюс, В. Валаткявичюс, П. |
| author_facet | Снапкаускене, В. Валинчюс, В. Валаткявичюс, П. |
| citation_txt | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО / В. Снапкаускене, В. Валинчюс, П. Валаткявичюс // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 5. — С. 50-57. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Представлена установка для определения свойств каталитических покрытий, и обобщены результаты экспериментального исследования теплопереноса в МКР для окисления СО, изготовленном из каталитических покрытий с активным компонентом CuО, которые получены напылением в струе низкотемпературной плазмы.
Представлено установку для визначення властивостей каталітичного покриття та узагальнено результати експериментального дослідження теплопереносу у МКР для окислення СО, виготовленого з каталітичного покриття з активним компонентом CuО, що одержано напиленням у струмині низькотемпературної плазми.
The specific experimental set-up for the investigation of catalytic coatings properties is presented. Using this device the investigation of thermal processes of catalytic monolithic reactor (CMR) formed by plasma spray technology from active component CuO for catalytic oxidation of CO has been performed.
|
| first_indexed | 2025-11-30T11:25:07Z |
| format | Article |
| fulltext |
Введение
Успешная защита окружающей среды от авто;
мобильных выхлопных газов, выбросов тепловых
электростанций и промышленных предприятий
невозможна без применения катализаторов. В
мировой научно;технической литературе имеет;
ся много статей о различных каталитических
нейтрализаторах: пористых монолитных, в виде
псевдокипящего или насыпного слоя, мембран;
ных. Наиболее широко применяются и имеют
исключительные свойства пористые монолитные
50 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Представлено установку для визна)
чення властивостей каталітичного покрит)
тя та узагальнено результати експеримен)
тального дослідження теплопереносу у
МКР для окислення СО, виготовленого з
каталітичного покриття з активним ком)
понентом CuО, що одержано напилен)
ням у струмині низькотемпературної
плазми. Проаналізовано дослідні дані,
проведено їх порівняння з результатами
робіт інших авторів. Показано, що тепло)
перенос у МКР залежить від температури
та витрати вхідних газів у МКР та від по)
чаткової концентрації СО у вихлопних га)
зах. При ступені конверсії СО менше 30 %
середня температура вздовж МКР стала,
а з збільшенням ступеня конверсії понад
30 % температура реактора у осьовому
та радіальному напрямках неравномірна.
Найбільше підвищення температури
помічено у осьовій частині МКР по його
довжині.
Представлена установка для опреде)
ления свойств каталитических покрытий,
и обобщены результаты эксперимен)
тального исследования теплопереноса в
МКР для окисления СО, изготовленном
из каталитических покрытий с активным
компонентом CuО, которые получены
напылением в струе низкотемператур)
ной плазмы. Проанализированы опыт)
ные данные, проведено их сравнение с
результатами работ других авторов. По)
казано, что теплоперенос в МКР зави)
сит от температуры и расхода входящих
в МКР газов и от начальной концентра)
ции СО в выхлопных газах. При степени
конверсии СО меньше 30% средняя
температура по длине МКР постоянна, а
с увеличением степени конверсии свы)
ше 30% температура реактора в осевом
и радиальном направлениях не равно)
мерна. Самое большое повышение тем)
пературы замечено в осевой части МКР
по его длине.
The specific experimental set)up for
the investigation of catalytic coatings
properties is presented. Using this device
the investigation of thermal processes of
catalytic monolithic reactor (CMR) formed
by plasma spray technology from active
component CuO for catalytic oxidation of
CO has been performed. Obtained
research results were compared with data
by other researchers. It was determined
that heat transfer in CMR depends on the
inflowing into CMR exhaust gas flow rate
and temperature, as well as initial CO con)
centration. At conversion degree less than
30% the average temperature along CMR
axis is constant. When conversion degree
is higher than 30%, CMR layers' tempera)
ture field in axial and radial directions is not
homogeneous. The temperature gradient
reaches its maximal value along the cen)
tral part of CMR axis.
УДК 536.244: 54.44
СНАПКАУСКЕНЕ В., ВАЛИНЧЮС В., ВАЛАТКЯВИЧЮС П.
Литовский энергетический институт, Литва
ТЕПЛОПЕРЕНОС В МОНОЛИТНОМ КАТАЛИТИЧЕСКОМ
РЕАКТОРЕ (МКР) ПРИ ОКИСЛЕНИИ СО
C – концентрация;
cp – удельная теплоемкость;
d – диаметр МКР;
G – массовый расход выхлопных газов;
L – длина МКР;
Nud – число Нуссельта по диаметру МКР;
Pe – число Пекле;
Q – количество теплоты;
q – плотность теплового потока;
r – радиус МКР;
Red – число Рейнольдса по диаметру МКР;
t – температура;
X – CO конверсия;
x, y – продольная и нормальная координаты МКР;
ΔH – энтальпия реакции;
λ – коэффициент теплопроводности;
МКР – монолитный каталитический реактор.
Индексы:
0 – начальное значение;
1 – на входе в МКР;
2 – на выходе из МКР.
каталитические реакторы. Они состоят из боль;
шого количества различных по геометрической
форме параллельных трубчатых микроканалов,
стенки которых покрыты слоем (толщина
10...100 мкм) пористых каталитически активных
материалов. Преимущества МКР – незначитель;
ное падение давления в нем, короткий путь диф;
фузии реагентов в покрытом слое и более низкая
стоимость производства [1]. Еще одним преиму;
ществом монолитного реактора, которому в ли;
тературе, на наш взгляд, уделяется мало внима;
ния, является более эффективный теплоперенос,
поскольку в каналах монолита теплота теплопро;
водностью распределяется лучше, чем по объему
беспорядочно ссыпанных гранул. Хотя эти реак;
торы имеют ряд преимуществ, однако из;за ла;
минарного течения теплоносителя в микрокана;
лах МКР тепло; и массоперенос ограничен.
Согласно литературным данным, самый большой
недостаток МКР, широко применяемых в настоя;
щее время, состоит в том, что их субстрат изготавли;
вается из плохо проводящего теплоту керамическо;
го материала кордиерита (Mg2Al3[AlSi5O18]) или
муллита (3Al2O3·SiO2). При высоких температу;
рах реакции, особенно при больших температур;
ных напорах, внутри таких МКР могут появлять;
ся так называемые горячие зоны, в которых
активный материал выгорает, а субстрат перегре;
вается 2. В таких случаях лучше применять ме;
таллические субстраты. Они химически более ус;
тойчивы и обладают лучшей теплопроводностью,
а в микроканалах создается небольшая разница
давления [3]. Кроме того, конструкция металли;
ческого субстрата тверже, поэтому исключается
появление трещин при термических ударах.
В новом поколении нейтрализаторов не толь;
ко вместо керамики применяется металлический
субстрат. Самые лучшие в мире промышленные
катализаторы – благородные металлы – из;за
высокой их цены, большой испаряемости при
высоких температурах и других недостатках мед;
ленно вытесняются более дешевыми оксидами
металлов, цеолитами и др. материалами, которые
можно успешно применять в качестве эффектив;
ных катализаторов. Например, гопкалит, состоя;
щий из двуокиси магния и окиси меди (60%
МnО2 и 40% СuО) или различные оксиды (50%
МnО2, 30% СuО, 15% СоО3 и 5% Ag2О3) широко
применяются на практике 4. Для производства
МКР часто используют смесь Al2О3 и СuО, а так;
же хромит меди, манганиты, ферриты.
В научно;технической литературе весьма мало
данных о тепловых и гетерогенных процессах,
происходящих в пограничном слое оксидного
каталитического покрытия. Из;за сложности
экспериментов результаты часто анализируют в
упрощенном виде, а это не всегда обосновано 5.
Кроме того, в большинстве публикаций рассмат;
ривается способность катализаторов нейтрализо;
вать NOx, SO2 или углеводороды, но о деструк;
ции СО информации недостаточно. В свете этих
фактов в настоящей работе, создавая необходи;
мую систему каталитического горения, опира;
лись на ранее упомянутые основные принципы,
а тепловые процессы и влияющие на них факто;
ры исследовали в МКР для окисления СO, поль;
зуясь общими законами исследования каталити;
ческого процесса. Методом плазменного
напыления на металлический субстрат получены
каталитические покрытия, в составе которых нет
благородных металлов, а активный материал –
окись меди. Изготовлена также установка для ис;
следования каталитических свойств покрытия.
До настоящего времени такие МКР, изготовлен;
ные плазменным методом напыления с примене;
нием оплавленных материалов (окиси титана,
хрома, ванадия, молибдена, вольфрама и др.),
исследованы недостаточно, а данные об их свой;
ствах отсутствуют.
Экспериментальная установка и методи�
ческие замечания
Изготовление каталитических покрытий и МКР.
Для исключения недостатков широко применяе;
мых керамических МКР использована созданная
в Литовском энергетическом институте плазмен;
ная установка [6]. На ленту из нержавеющей ста;
ли толщиной 50 мкм (субстрат) был нанесен ка;
талитически активный слой толщиной 40 мкм и
изготовлены каталитические покрытия. Приме;
няя современную плазменную технологию нане;
сения покрытий и изменяя параметры плазмен;
ной струи, можно создавать высококачественные
покрытия необходимой пористости и толщины,
с большой свободной поверхностью и с хорошей
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 51
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
адгезией между покрытием и субстратом. Изме;
няя дисперсность частиц, можно получить необ;
ходимую элементарную структуру поверхности.
Для получения покрытий в работе применялся
электродуговой подогреватель газа мощностью
30...35 кВт. Лента из нержавеющей стали (длина
720·10–3 м, ширина 90·10–3 м) прикреплялась на
специальном вращающемся барабане, а плазмо;
трон находился в поступательном движении от;
носительно покрываемой ленты. Каталитически
активный слой наносился на обе стороны субст;
рата. Подслой был образован из смеси 50 мкм
дисперсных порошков Al и Al(OH)3, а активный
слой – из смеси Al(OH)3 и недорогих активных и
обладающих стойкостью к вредным веществам,
содержащимся в выхлопных газах, катализаторов
Cr2O3 и Cu. Одна из покрытых лент гофрирова;
лась специальным приспособлением, а вторая
оставалась ровной. Из двух таких лент совмест;
ной их круткой изготовлен МКР диаметром
30·10–3 м и длиной 90·10–3 м, в 1 см2 которого на;
считывается около 70 треугольных микрокана;
лов. Высота каждого из них 0,7·10–3 м, а длина
3·10–3 м. Общая поверхность МКР 0,26 м2.
Методика проведения экспериментов. Тепло;
вые процессы в МКР исследовались в специаль;
но изготовленной установке (рис. 1). В ней для
получения выхлопных газов с определенной
концентрацией СО и окислителя сжигается
смесь пропана;бутана с воздухом и можно регу;
лировать дополнительную подачу воздуха. Смесь
выхлопных газов проходит участок стабилиза;
ции, в котором ее параметры выравниваются,
поток охлаждается или нагревается. Для умень;
шения тепловых потерь поверхность канала изо;
лирована.
Перед МКР и за ним имеются отводы для оп;
ределения температур выхлопных газов и кон;
центрации их слагаемых (рис. 1). Хромель;алю;
мелевыми термопарами (Т1–Т15) измеряется
температура внутренних слоев МКР от входа газа
на расстояниях x/L = 0,17; 0,34; 0,5; 0,67; 0,83 по
радиальному направлению у/r = 0,26; 0,73; 1. Для
определения тепловых потерь через стенку каме;
ры каталитического горения приварены хро;
мель;алюмелевые термопары Р1–Р3. Для регист;
рации показаний термопар использованы
система сбора данных KEITHLEY (США)
“Multimeter 2700” и персональный компьютер.
Концентрации CO, CO2, O2, CmHn перед МКР и
за ним регистрируются анализатором инфра;
красного излучения Tecnotest (Италия) “Multigas
488”. Расход сжигаемого газа измеряется тариро;
ванной диафрагмой, а расход воздуха, поступаю;
щего в камеру сжигания, шайбами критического
расхода.
Проведены эксперименты по теплоотдаче и
обобщены данные, полученные при измерении,
анализе и сравнении температур входящих в
МКР и выходящих из него газов, а также темпе;
ратуры стенки МКР при химическом горении
СO на каталитической поверхности и при отсут;
52 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 1. Схема установки для определения свойств каталитических покрытий. S1<S6, T1<T11, P1<P3
термопары; 1 – форсунка; 2 – камера сжигания газа; 3 – участок стабилизации; 4 – камера
каталитического горения; 5 – МКР.
ствии горения, при изменении начальной кон;
центрации СО, а также температуры и скорости
газов, поступающих в МКР. На первом этапе ра;
боты потоки пропана;бутана и воздуха были от;
регулированы так, чтобы на каталитической по;
верхности отсутствовала реакция окисления СО.
На втором этапе при тех же условиях экспери;
мента в МКР поступает СО необходимой кон;
центрации и при участии активной поверхности
CuO происходит экзотермическая реакция окис;
ления СО:
, ΔH(298) = 284,7 кДж/мол .
При проведении экспериментов температуру
каталитической поверхности повышают проте;
кающие по МКР горячие выхлопные газы, кото;
рые при отсутствии реакции отдают теплоту
стенкам МКР. Изготовленный МКР – неадиа;
батная система, так как между выхлопными газа;
ми и металлическими покрытиями стенок, коэф;
фициент теплопроводности которых λ = 15...25
Вт/(мК), происходит интенсивный теплообмен.
Расход протекающих через МКР выхлопных
газов в зависимости от поступающих в камеру
сжигания количеств пропан;бутана и воздуха из;
менялся от 1·10–3 до 2·10–3 кг/с, соответственно
Red = 2200, 3550 и 4750 при стандартных услови;
ях (20oС и 105 Ра). Концентрация СО в смеси вы;
хлопных газов составляла 2, 3 и 4%. Эксперимен;
ты проведены при атмосферном давлении.
Температура поступающих в МКР выхлопных га;
зов изменялась от 70 до 450oС. В этих условиях
средняя температура поверхности МКР достига;
ла 800oС.
Результаты и их обсуждение
Для проведения в МКР исследований по теп;
лообмену необходимо было убедиться в надежно;
сти покрытий, поскольку качественные покры;
тия должны быть устойчивыми к механическому
и термическому воздействию, иметь соответству;
ющую структуру и быть каталитически активны;
ми. Покрытия, полученные напылением в плаз;
менной струе, соответствуют этим требованиям.
Анализ данных по механическим свойствам по;
казывает, что каталитический слой покрытия
плотный, равномерный, пористый и имеет хоро;
шую адгезию с субстратом. Во время экспери;
ментов структура покрытий не изменяется, они
выдерживают механическую и термическую
стойкость до 1000oС и устойчивы к восстанавли;
вающим примесям 7. Кроме того, установлено,
что каталитические покрытия, полученные плаз;
менным методом, по степени конверсии СО
сходны с покрытиями, имеющими в своем соста;
ве благородные металлы.
В МКР протекают сложные процессы, охваты;
вающие химические реакции в тонком погранич;
ном слое, конвективный теплообмен между га;
зом и стенкой, теплообмен теплопроводностью и
излучением в окружающую среду.
При исследовании конвективного теплообме;
на уже первые наблюдения показали, что до 10%;
ной конверсии CO разница температур стенки
МКР по радиальному направлению у/r = 0,26...1
ввиду неравномерного течения газов во всем
МКР составляет 15%, но его средняя температу;
ра в интервале погрешности эксперимента сов;
падает со среднемассовой температурой газов,
поступающих в нейтрализатор. Так как явного
увеличения температуры газов, вытекающих из
МКР, не зафиксировано, можно утверждать, что
в ходе медленной каталитической реакции тем;
пература МКР по его длине постоянна. В этом
случае средняя температура реагирующей систе;
мы при 4%;ной конверсии СО повышается на
2...4oС по сравнению с нереагирующей системой
и до 20oС (в центральной части МКР) при 10%;
ной конверсии моноокиси углерода. В радиаль;
ном направлении МКР тепловое равновесие не
достигается даже при отсутствии каталитической
реакции.
При стабилизированном течении газов в мик;
роканалах МКР и увеличении температуры вхо;
дящего газа экзотермическая реакция проходит
достаточно быстро и степень конверсии СО уве;
личивается. Так как теплота, выделяющаяся на
каталитической поверхности микроканалов,
вследствие малой теплопроводности и скорости
газа (Red = 75–71) не успевает удалиться из реак;
ционной зоны, температура в ней начинает по;
вышаться. Таким образом, увеличиваются ско;
рость реакции, количество выделяющейся
теплоты и средняя температура МКР стенок
(рис. 2). В указанных на рис. 2 условиях экспери;
2 2
1
2
CO O CO+ →
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 53
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
мента при 25%;ной конверсии СО средняя тем;
пература МКР по длине повышается на 62 граду;
са, при 40% – на 116, а при 65% – на 147.
Во всех исследованных случаях при интенсив;
ной конверсии СО наибольшее повышение тем;
пературы каталитической стенки происходит по
длине МКР в радиальном направлении у/r = 0,26.
Это происходит вследствие неравномерности
температуры потока по сечению МКР и неодно;
временного сияния всех его слоев. При проведе;
нии экспериментов замечено, что при интенсив;
ной конверсии СО и средней температуре
каталитической стенки около 500oС интенсивное
сияние появляется только в центральной части
МКР. Дальнейшее повышение температуры при;
водит к сиянию слоев, более отдаленных от цен;
тра. При достижении средней температуры 600oС
интенсивно сияют все слои МКР. Значит, при те;
чении выхлопных газов в микроканале МКР со
скоростью 3...8 м/с и при интенсивной реакции
окисления СО реагенты в реакторе находятся
продолжительное время и поток газа из;за высо;
кого сопротивления переноса не в состоянии
удалить скопившуюся теплоту из МКР. Если в
вытекающих из камеры сгорания газах содержит;
ся 2–3% СО, то в интервале 1200 ≤ Red ≥ 2060, в
зависимости от степени конверсии, средняя тем;
пература поверхности каталитической стенки на
40...150oС выше средней температуры потока на
входе в реактор. При повышении начальной кон;
центрации СО до 4%, Red = 2060 и максимальной
конверсии средняя температура стенки выше
средней температуры газа на 270oС и тогда сияет
весь МКР.
Установив, что теплообмен в МКР зависит от
созданных в нем условий, исследовали зависи;
мость температуры его внутренних слоев от тем;
пературы и расхода газов, входящих в МКР, и от
начальной концентрации СО в выхлопных газах.
Влияние времени пребывания реагентов в МКР.
При течении выхлопных газов с температурой
300oС, 3% СО и Red = 1370 в МКР окисляется
76% вредного вещества. С увеличением скорости
потока (Red = 2060) степень конверсии СО
уменьшается на 45%. При Red = 2950 конверсия
только начинается. Такое изменение степени
конверсии способствует распределению средней
температуры слоев МКР (рис. 3).
Определив тепловой поток между газом и по;
верхностью по формуле
, (1)
установили, что с увеличением скорости течения
газов в микроканалах МКР уменьшается время
пребывания реагентов в реакционной зоне, реаги;
рует меньше СО, выделяется меньшее количество
тепла, что приводит к снижению температуры
стенки МКР (рис. 4). Подобные закономерности
получены и для потоков с концентрациями СО,
равными 2 и 4%, только при этом выделялось
разное количество теплоты. При представленных
на рис. 4 значениях Red и наличии в газах 2% СО
тепловой поток изменялся от 0,4 до 0,9 кВт/м2, а
при 4% СО – 1,7...2,3 кВт/м2.
При течении выхлопных газов в реакционной
камере с Red = 2720, как и при Red = 2060 (рис. 2),
в измеренных радиальных направлениях МКР
температура его стенки увеличивается и самая
большая разница температур между поступаю;
щими в нейтрализатор газами и каталитической
стенкой составляет 200oС. С уменьшением ско;
рости (Red = 1370) интенсивность нагрева по;
верхности по длине уменьшается, особенно в на;
чале МКР. Такое значительное изменение
температуры зависит от расхода входящего газа,
температуры, при которой проходит максималь;
( )1 2pQ G c t t= ⋅ −
54 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 2. Распределение температуры стенки МКР
при 3%<ной начальной концентрации СО и Red =
2060. Светлые точки 0– без реакции, темные –
происходит конверсия. ( ) – y/r = 0,26,
( ) – y/r = 0,73, ( ) – y/r = 1, ( ) – наружная
стенка камеры каталитического горения.
ная конверсия вредного вещества, и степени
конверсии. Ввиду сложности происходящих про;
цессов, прогнозировать заранее характер поля
температур в МКР рискованно.
Замечено, что в реакциях при участии катали;
затора СuO и Red = 1370 температуры поверхно;
стного слоя МКР (у/r = 1) повышаются до рас;
стояния х/L = 0,67, а затем стабилизируются или
даже падают. Область максимума температур бы;
ло бы не верно называть горячей зоной поверх;
ности, поскольку ближе к центру МКР профили
кривых температур не меняются, т. е. повышают;
ся. Такому падению температур способствуют
тепловые потери от поверхностных слоев МКР к
стенке камеры каталитического горения, которая
длиннее МКР. При более высоких Re максималь;
ная температура фиксируется в выходном сече;
нии МКР.
Влияние начальной концентрации СО. Увеличе;
ние концентрации СО в поступающих в МКР
выхлопных газах от 2 до 3% при их температуре
375oС приводит к повышению средней температу;
ры центральной части МКР от 9 ( при х/L = 0,17)
до 61oС (х/L = 0,83) при 50%;ной конверсии.
Увеличение концентрации СО от 3 до 4% приво;
дит к повышению средней температуры по длине
МКР от 120 до 204oС. Анализ температурных за;
висимостей от начальной концентрации СО по;
казал, что при 2; и 3%;ной концентрации СО в
реакционной среде и при окислительной реак;
ции средняя температура МКР повышается на
10oС, т.е. от 44 до 55oС. В обоих случаях прореа;
гировало 50% СО. Значительное изменение тем;
ператур (от 55 до 205oС) замечено при повыше;
нии начальной концентрации СО от 3 до 4%.
Влияние температуры реагентов. Температура
поступающего в МКР газа является одним из
главных факторов, непосредственно влияющих
на скорость реакции и количество выделяющйся
теплоты. Так как степень конверсии СО непо;
средственно зависит от температуры втекающих
в реакционную зону газов, с ее увеличением тем;
пература каталитической стенки повышается. Во
время реакции средняя температура каталитиче;
ской поверхности изменяется в зависимости от
температуры газа, протекающего по монолитно;
му каталитическому реактору, и степени конвер;
сии СО. При течении выхлопных газов в МКР с
температурой 300oС реагирует только 5% СО
(рис. 5), поэтому температура внутренних слоев
МКР по сравнению с температурой втекающих в
него выхлопных газов повышается только на
10oС. С увеличением температуры поступающих
в МКР газов от 315 до 372oС степень конверсии
СО увеличивается от 16 до 51%, поэтому выделя;
ющаяся во время реакции теплота и разность
средних температур между поступающими в
МКР газами и каталитической поверхностью все
время увеличиваются.
Аналогичные закономерности, согласно кото;
рым в зависимости от степени конверсии СО за;
мечена большая или меньшая разность темпера;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 55
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 3. Влияние времени пребывания выхлопных
газов с температурой 300 oС в реакционной зоне
на среднюю температуру стенок МКР при разных
Red: – 1370, – 2060, – 2950.
Рис. 4. Количество тепла, выделяемое из МКР при
конвекции. ( ) – Red = 2200, ( ) – Red = 3550, ( ) –
Red = 4750, для стандартных условий.
X – реакция не протекает.
тур между газами и каталитической стенкой, по;
лучены и для других определенных в этой работе
условий.
Полученные зависимости температуры ката;
литических поверхностей от температуры, расхо;
да газа и количества СО в выхлопных газах хоро;
шо совпадают с результатами работ других
авторов [8;10]. Результаты рассчитанных обоб;
щенных коэффициентов теплоотдачи при отсут;
ствии каталитических реакций горения СО хоро;
шо совпадают с данными, полученными Б.
Петуховым, которые можно обобщить зависимо;
стью [11]
при
. (2)
Однако из результатов работ некоторых иссле;
дователей видно, что процесс оксидации катали;
заторов Pt, Pd и Ce начинается от начала МКР, а
не от середины, и температура газов на выходе из
МКР равна температуре на входе в него [8, 9]. За;
мечена и менее значительная разность темпера;
тур в радиальном направлении, которая для суб;
страта из нержавеющей стали при полной
конверсии СО равна 30oС. При меньшей степени
конверсии такой МКР находится в стадии терми;
ческого равновесия [8]. Авторы работы [12] ука;
зывают, что при ламинарном течении средняя
температура стенки МКР на 100...150oС выше
температуры поступающего в него газа. В данной
работе зта разница достигает 270oС.
Выводы
По результатам исследования теплопереноса в
монолитном каталитическом реакторе с поверх;
ностью 0,26 м2, изготовленного из каталитичес;
ких покрытий, которые получены напылением в
струе низкотемпературной плазмы на тонкую
ленту из нержавеющей стали, и в составе которых
имеется CuО, можно сделать следующие выводы:
1. Оптимальные условия работы достигают;
ся при определенных параметрах выхлопных га;
зов на входе в МКР: температуре 320oС, концен;
трации СО 3% и Red = 2060.
2. При отсутствии окисления СО и степени
конверсии меньше 30% средняя температура по
длине МКР постоянна. В радиальном направле;
нии МКР разница температур между центром и
поверхностным слоем составляет 15...17% даже
без каталитических реакций. С увеличением сте;
пени конверсии свыше 30% температура реакто;
ра в осевом и радиальном направлениях из;за не
одинаковых условий течения газов неравномер;
на. Самое большое повышение температуры за;
мечено в осевой части МКР по его длине.
3. В МКР, изготовленных из нержавеющей
стали, горячие зоны не образуются и температура
его стенок падает сразу же после прекращения
подачи выхлопного газа, содержащего СО.
4. Для применения МКР из оксидных по;
крытий в практике необходимо, чтобы в МКР до;
стигалось тепловое равновесие, а температура ка;
талитической поверхности не превышала 600oС.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Khinast J. G., Bauer A., Bolz D., Panarello A.
Mass;transfer enhancement by static mixers in a wall;
coated catalytic reactor // Chemical Engineering
Science. 2003. Vol. 58. P. 1063;1070.
2. Williams J. L. Monolith structures, materials,
properties and uses // Catalysis Today. 2001. Vol. 69.
P. 3;9.
3. Andersson S., Schoon N. Methods to increase
the efficiency of a mettalic monolithic catalyst //
31
10
x
Pe d
−⋅ ≥
0,488
0,2355
3,655
1 1
exp 57,2
dNu
x x
Pe d Pe d
= +
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⋅ ⋅ ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
56 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 5. Влияние начальной температуры выхлопных
газов на среднюю температуру МКР при Red =
2730...2950 и 3%<ной начальной концентрации СО.
Industrial and Engineering Chemistry Research.
1993. Vol. 32. P. 1081;1086.
4. Catalysis: Science and technology // by
Anderson J. R., Boudart M. Springer;Verlag Berlin,
Heidelberg New York. 1982. Vol. 3. 287 p.
5. Ullah U., Waldram S. P., Bennett C. J., Truex
T. Monolithic reactors: mass transfer measurements
under reacting conditions // Chemical Engineering
Science. 1992. Vol. 47. No. 9;11. P. 2413;2418.
6. Valincius V., Krusinskaite V., Valatkevicius P.,
Valinciute V., Marcinauskas L. Electric and thermal
characteristics of the linear, sectional dc plasma gen;
erator // Plasma Sources Science and Technology.
2004. Vol. 13. P. 199;206.
7. Valatkevicius P., Krusinskaite V., Valinciute V.,
Valincius V. Preparation of catalytic coatings for
heterogeneous catalysts employing atmospheric
pressure non;equilibrium plasma // Surface &
Coatings Technology. 2003. Vol. 173;174. P.
1106;1110.
8. Tronconi E., Groppi G. A study on the thermal
behavior of structured plate;type catalysts with metallic
supports for gas/solid exothermic reactions // Chemical
Engineering Science. 2000. Vol. 55. P. 6021;6036.
9. Itaya Y., Hiroi T., Matsuda H., Hasatani M.
Convective heat transfer of exothermic reactive gas
flowing across a heating cylinder coated with plat;
inum catalyst in a narrow duct // International
Journal of Heat and Mass Transfer. 2002. Vol. 45. P.
1815;1821.
10. Werner K. Heat transfer with reaction in
monoliths // Chemical Engineering and Processing.
1994. Vol. 33. P. 227;236.
11. Петухов Б. С. Теплообмен и сопротивле;
ние при ламинарном течении жидкости в трубах.
Москва: Энергия. 1967. 411 с.
12. Geus J. W., van Giezen J. C. Monoliths in cat;
alytic oxidation // Catalysis Today. 1999. Vol. 47. P.
169;180.
Получено 12.05.2005 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 57
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61478 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T11:25:07Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Снапкаускене, В. Валинчюс, В. Валаткявичюс, П. 2014-05-06T11:56:36Z 2014-05-06T11:56:36Z 2005 Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО / В. Снапкаускене, В. Валинчюс, П. Валаткявичюс // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 5. — С. 50-57. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61478 536.244: 54.44 Представлена установка для определения свойств каталитических покрытий, и обобщены результаты экспериментального исследования теплопереноса в МКР для окисления СО, изготовленном из каталитических покрытий с активным компонентом CuО, которые получены напылением в струе низкотемпературной плазмы. Представлено установку для визначення властивостей каталітичного покриття та узагальнено результати експериментального дослідження теплопереносу у МКР для окислення СО, виготовленого з каталітичного покриття з активним компонентом CuО, що одержано напиленням у струмині низькотемпературної плазми. The specific experimental set-up for the investigation of catalytic coatings properties is presented. Using this device the investigation of thermal processes of catalytic monolithic reactor (CMR) formed by plasma spray technology from active component CuO for catalytic oxidation of CO has been performed. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО Heat transfer effects during the oxidation of CO in a catalytic monolithic reactor Article published earlier |
| spellingShingle | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО Снапкаускене, В. Валинчюс, В. Валаткявичюс, П. Тепло- и массообменные аппараты |
| title | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО |
| title_alt | Heat transfer effects during the oxidation of CO in a catalytic monolithic reactor |
| title_full | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО |
| title_fullStr | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО |
| title_full_unstemmed | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО |
| title_short | Теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (МКР) при окислении СО |
| title_sort | теплоперенос в монолитном каталитическом реакторе (мкр) при окислении со |
| topic | Тепло- и массообменные аппараты |
| topic_facet | Тепло- и массообменные аппараты |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61478 |
| work_keys_str_mv | AT snapkauskenev teploperenosvmonolitnomkatalitičeskomreaktoremkrpriokisleniiso AT valinčûsv teploperenosvmonolitnomkatalitičeskomreaktoremkrpriokisleniiso AT valatkâvičûsp teploperenosvmonolitnomkatalitičeskomreaktoremkrpriokisleniiso AT snapkauskenev heattransfereffectsduringtheoxidationofcoinacatalyticmonolithicreactor AT valinčûsv heattransfereffectsduringtheoxidationofcoinacatalyticmonolithicreactor AT valatkâvičûsp heattransfereffectsduringtheoxidationofcoinacatalyticmonolithicreactor |