Способ изготовления активированного трубчатого каталитического элемента (варианты)
Способы относятся к производству прямоточных реакторов с активированным взрывом настенным слоем катализатора и включают соосное размещение внутри металлической трубы цилиндрического заряда взрывчатого вещества, заполнение катализатором полости между зарядом взрывчатого вещества и внутренней поверхностью трубы, инициирование заряда взрывчатого вещества. По варианту 1 на внутреннюю поверхность трубы предварительно наносят шероховатости. Высоту и шаг профиля неровностей выбирают соизмеримыми толщине наносимого слоя катализатора. А между зарядом взрывчатого вещества и слоем катализатора обеспечивают коаксиальный воздушный зазор, равный где D - внутренний диаметр трубы, dBB - диаметр заряда ВВ,
вв,
кат - плотности взрывчатого вещества и катализатора,
- коэффициент, зависящий от свойств взрывчатого вещества и катализатора. На концы трубы устанавливают металлические крышки высотой, равной диаметру трубы, и толщиной, равной
= a
dвв, где а - коэффициент, зависящий от свойств взрывчатого вещества, материала крышек и трубы. Всю сборку перед инициированием заряда помещают в противоразгрузочную оснастку, препятствующую разрушению трубы. По варианту 2 между зарядом взрывчатого вещества и внутренней поверхностью трубы соосно им дополнительно устанавливают армирующую сетку. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Заявляемая группа изобретений относится к производству прямоточных реакторов с активированным взрывом настенным слоем катализатора. Изготовленный каталитический элемент представляет собой элементарный реактор, способный работать в различных средах, в том числе и с принудительной теплоотдачей, имеющий низкое и постоянное газодинамическое сопротивление, а его размеры могут варьироваться в широких пределах.
Известен способ изготовления трубчатого каталитического элемента с настенным слоем катализатора, согласно которому производится смешение каталитической массы со связующим жидким полимерным термостойким клеем, перемешивание, загрузка в разъемную форму, уплотнение и спекание при температуре 600oС в течение 3-х часов (US 4541996 А, 17.09.1985). Известен способ, согласно которому сначала методом экструзии формируется трубка из окиси алюминия (Al2O3), поверхность которой затем покрывается катализатором (SU 725698 А, 05.04.1980). К недостаткам данных технологий следует отнести сложность повышения активности катализатора в процессе его нанесения. Известен способ, согласно которому изготавливают катализаторы с повышенной активностью путем загружения каталитической массы в цилиндрический стальной контейнер и нагруженном волной детонации внешнего заряда взрывчатого вещества. Этот способ требует сложной технологической оснастки, уничтожаемой при каждом подрыве, и большого расхода ВВ, поскольку масса ВВ, как правило, на один, два порядка превышает массу обрабатываемого катализатора. Катализатор после обжатия остается в виде порошка или отдельных спеков, а далее требуется его последующее формование (SU 1273156 А, 30.11.1986). Наиболее близким техническим решением является способ изготовления трубчатого каталитического элемента, заключающийся в размещении внутри металлической трубы цилиндрического заряда взрывчатого вещества (ВВ), заполнении катализатором полости между внутренней поверхностью трубы и зарядом ВВ, инициировании заряда ВВ (RU 2036721 С1, 09.06.1995). Данное техническое решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, выбрано в качестве ближайшего аналога для обоих вариантов способа изготовления активированного трубчатого каталитического элемента. Однако оно обладает следующими недостатками: - наличием деформации концов трубы при прохождении волны детонации и, как следствие, скол концевых слоев спрессовавшегося катализатора на высоту, равную ~ диаметру трубы; - в процессе эксплуатации каталитического реактора, особенно при наличии вибрирующих нагрузок, возможно растрескивание и отслоение слоя катализатора вследствие его недостаточной жесткости и прочности сцепления с поверхностью трубы; - при осуществлении способа требуются специальные приспособления, препятствующие разрушению трубы при подрыве заряда, либо необходимо использование толстостенных неразрушаемых труб, что приводит к значительному расходу металла; - существует ряд катализаторов, которые невозможно нанести на металлическую поверхность вследствие их плохой прессуемости, например, активированный уголь - сибунит. Задачей, на решение которой направлена настоящая группа изобретений, является устранение известных недостатков. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик каталитических реакторов путем улучшения качества получаемого покрытия. Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления активированного трубчатого каталитического элемента, включающем соосное размещение внутри металлической трубы цилиндрического заряда ВВ, заполнении катализатором полости между зарядом ВВ и внутренней поверхностью трубы, инициировании заряда ВВ, согласно изобретению: ПО ВАРИАНТУ I: - внутренняя поверхность трубы предварительно подвергается механической обработке, заключающейся в нанесении шероховатостей, увеличивающей прочность сцепления катализатора, причем высоту и шаг профиля неровностей выбирают соизмеримыми толщине наносимого слоя катализатора; - между зарядом ВВ и слоем катализатора обеспечивают коаксиальный воздушный зазор, равный
где D - внутренний диаметр трубы; dBB - диаметр заряда ВВ;



- на концы трубы устанавливают металлические крышки, препятствующие деформации при прохождении волны детонации, причем высоту крышки выбирают равной диаметру трубы, а толщину, равной

- каталитический элемент в сборе перед инициированием заряд ВВ помещают в противоразгрузочную оснастку, препятствующую разрушению трубы, при подрыве заряда;
ПО ВАРИАНТУ II:
- между зарядом ВВ и внутренней поверхностью трубы соосно им устанавливают армирующую сетку, увеличивающую прочностные свойства катализатора;
- размер ячеек и толщину сетки выбирают соизмеримыми толщине наносимого слоя катализатора;
- между зарядом ВВ и слоем катализатора обеспечивают коаксиальный воздушный зазор, равный

где D - внутренний диаметр трубы; dBB - диаметр заряда ВВ;



- на концы трубы устанавливают металлические крышки, препятствующие деформации при прохождении волны детонации, причем высоту крышки выбирают равной диаметру трубы, а толщину, равной

- каталитический элемент в сборе перед инициированием заряд ВВ помещают в противоразгрузочную оснастку, препятствующую разрушению трубы, при подрыве заряда. При использовании труднопрессуемых катализаторов процесс может проводиться в два этапа: на первом - на внутренней поверхности трубы формируют слой из легкопрессуемого носителя, а на втором - наносят слой катализатора. В качестве противоразгрузочной оснастки может быть использована неразрушаемая металлическая обойма, на внешнюю поверхность трубы предварительно наносят защитный слой, при этом высота металлической крышки равна наружному диаметру обоймы. Отличительные признаки в устойчивой взаимосвязи всей совокупности существенных признаков позволили:
- за счет предварительного нанесения на внутреннюю поверхность трубы шероховатостей увеличить прочность сцепления катализатора с внутренней поверхностью трубы;
- за счет использования армирующей сетки между внутренней поверхностью трубы и зарядом ВВ исключить возможность растрескивания катализатора и увеличить его прочность;
- за счет обеспечения между зарядом ВВ и слоем катализатора воздушного зазора, равного:

улучшить качество полученного покрытия, регулировать величину слоя катализатора и обеспечить оптимальные условия прессования катализатора;
- за счет применения неразрушаемых крышек уменьшить деформацию концов трубы и тем самым исключить скол концевых слоев спрессовавшегося катализатора;
- за счет использования противоразгрузочной оснастки исключить возможность разрушения трубы при инициировании заряда;
- за счет двукратного воздействия обеспечить изготовление трубчатого каталитического элемента с труднопрессуемым катализатором, например, активированным углем с добавками серебра. Каждый из указанных существенных признаков необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, нового сверхэффекта, а не суммы эффектов, неприсущего признакам в их разобщенности. Сущность предложенных технических решений поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство для изготовления активированного трубчатого катализатора, реализующее способ по варианту I, с предварительно нанесенными шероховатостями на внутренней поверхности трубы. На фиг.2 изображено устройство для изготовления активированного трубчатого катализатора, реализующее способ по варианту II с применением армирующей сетки между внутренней поверхностью трубы и зарядом ВВ, причем второе устройство изображено установленньм в неразрушаемую металлическую обойму. На фиг.3 изображен график оптимальных режимов прессования. На фиг.4 изображена внутренняя поверхность трубы с нанесенной шероховатостью. Устройство, посредством которого реализуют способ изготовления активированного трубчатого каталитического элемента согласно варианту I, изображено на фиг.1 и состоит из металлической трубы 1, на внутреннюю поверхность которой наносят шероховатости 2, например, резьбу с высотой и шагом профиля 0,5-2 мм, соизмеримые с толщиной наносимого слоя катализатора ~2-5 мм. Внутри трубы по оси помещают заряд ВВ 3, выполненный в виде удлиненного цилиндра. Нижнее и верхнее отверстия трубы закрывают металлическими крышками 4. Размеры крышек выбирают из условия неразрушаемости концов трубы, т.е. высота крышек не должна быть меньше диаметра трубы, а толщина равна


причем увеличение mвв соответствует режиму перепрессовки и сопровождается растрескиванием готового катализатора, а уменьшение mBB соответствует режиму недопрессовки, когда готовый катализатор получают рыхлым с недостаточной прочностью. Исходя из цилиндрической геометрии устройства, реализующего способ, вышеприведенная формула преобразуется в

Это ознанает, что для каждого типа ВВ существует гиперболическая зависимость оптимального соотношения D/dBB от плотности засыпки катализатора


где dзаз,





можно пренебречь следовательно диаметр зазора, необходимый для оптимального прессования будет определяться как

Таким образом, определяя величину воздушного зазора между зарядом ВВ и массой катализатора, в соответствии с вышеприведенной формулой обеспечивают режим оптимального прессования для заданной массы катализатора и типа ВВ. Вариант I способа применим для повышения прочности скрепления катализатора с внутренней поверхностью трубы, посредством шероховатостей. Тем самым обеспечивают увеличение поверхности контакта каталитического слоя и стенки и исключают образование зазора между внутренней поверхностью трубы и катализатором. Данный вариант применим для каталитических элементов, работающих в относительно постоянном температурном режиме. Устройство, изображенное на фиг.2, посредством которого реализуют способ изготовления активированного трубчатого металлического элемента согласно варианту 2, состоит из конструктивных элементов, аналогичных варианту I, отличительными особенностями данного варианта способа являются использование в качестве удерживающего элемента армирующей сетки 7 толщиной 0,1-0,5 мм и размером ячеек 1-3 мм, соизмеримыми с толщиной наносимого слоя катализатора 2-5 мм. Армирующую сетку устанавливают соосно между зарядом ВВ и внутренней поверхностью трубы. Вариант II способа применим при работе катализатора в условиях циклических температурных режимов или в случаях применения малопрочных катализаторов для предотвращения его растрескивания и надежного удержания внутри трубы. В отдельных случаях применения малопрочных катализаторов, работающих в условиях циклических температурных нагрузок, возможно совмещенное использование обоих вариантов способов. Для предотвращения разрушения трубы при ударно-волновом воздействии, в качестве противоразгрузочной оснастки используют контейнер с песком. При использовании в качестве каталитического элемента тонкостенной трубы или трубы из легкоразрушаемого материала, например алюминия, в качестве противоразгрузочной оснастки используют неразрушаемую металлическую обойму 8, кроме того, для облегчения извлечения (выдавливания) каталитического элемента после взрывного прессования на внешнюю поверхность трубы предварительно наносят защитный слой 9. Крышки при этом изготавливают по размеру обоймы. Примеры применения способа изготовления активированного трубчатого каталитического элемента согласно заявленной группе изобретений. Пример 1. Внутри трубы 1 (см. фиг.1), изготовленной из стали 12








цилиндрический заряд 3, бумажная труба для обеспечения воздушного зазора 6 и армирующая сетка 7. Для обеспечения коаксиальности установки под бумажную трубку и армирующую сетку в крышках сделаны концентрические проточки. Пространство между внутренней поверхностью трубы 1 и бумажной трубкой заполнялось катализатором. Верхнее отверстие закрывалось крышкой из алюминиевого сплава. Производился подрыв детонатора 10, вызывавший детонацию заряда 3. После взрывной обработки готовый каталитический элемент извлекали из обоймы вручную. Остатки масляной краски удаляли растворителем на основе скипидара (например, РС-2). В результате обжатия получили равномерное покрытие толщиной 3 мм. Количество примеров не ограничивает возможности способа по обоим вариантам. При использовании конденсированных эластичных ВВ способ позволяет наносить покрытия на внутреннюю поверхность изогнутых труб, например, на выхлопные трубы двигателей внутреннего сгорания и т.п. Способ не имеет ограничений в части геометрических размеров каталитических элементов. Использование предлагаемых технических решений позволяет:
- за счет регулируемого зазора обеспечивать прессование настенного слоя катализатора в широком диапазоне размеров, типов ВВ, катализатора и плотностей начальной засыпки;
- за счет применения неразрушаемых металлических крышек исключить деформацию концов трубы и, как следствие, исключить откол верхних слоев напрессованного катализатора;
- за счет применения армирующей сетки и нанесения шероховатостей на внутреннюю поверхность трубы увеличить прочность спрессованного катализатора и прочность его сцепления со стенкой трубы;
- за счет использования контейнера с песком или неразрушаемой металлической обоймы исключить возможность разрушения трубы при ударно-волновом воздействии.
Формула изобретения

где D - внутренний диаметр трубы;
dвв - диаметр заряда взрывчатого вещества;






где D - внутренний диаметр трубы;
dвв - диаметр заряда взрывчатого вещества;



и на концы трубы устанавливают металлические крышки высотой, равной диаметру трубы, и толщиной, равной


РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4