Bardzo krótkie monolity o przekroju trójkątnym dla szybkich reakcji katalitycznych
Przeprowadzono badania wnikania ciepła
i oporów przepływu dla krótkich monolitów
o trójkątnym kształcie przekroju poprzecznego
kanałów. Szczególną uwagę zwrócono na
wpływ długości kanałów (odniesionej do ich
średnicy hydraulicznej) na charakterystyki
transportowe i hydrodynamiczne. Uzyskano
równania korelacyjne opisujące wnikanie ciepła
(masy) i opory przepływu z zadowalającą
dokładnością. Wyniki otrzymane dla struktur
trójkątnych porównano z monolitem ceramicznym
i złożem ziaren usypanych.
Four short monoliths with triangular shape were prepd. by
microwelding of kanthal strips and studied for heat transfer
and air flow resistance. The results were compared with
those for the ceramic monolith and packed bed and correlated
by dimensionless equations describing the phenomena
with a satisfactory accuracy.
W ostatnich latach intensywnie badano transport ciepła i masy
oraz opory przepływu dla metalowych struktur krótkokanałowych
(bardzo krótkich monolitów) o różnym kształcie przekroju poprzecznego
kanałów1-4). Rozwój tych badań nastapił w wyniku poszukiwania
rozwiązania o właściwościach pośrednich pomiędzy reaktorami
monolitycznymi a reaktorami ze złożem ziaren usypanych. W pierwszym
przypadku opory przepływu są niewielkie, natomiast transport
masy jest mało intensywny, czego wynikiem jest ograniczona ogólna
szybkość procesu, szczególnie dla szybkich reakcji katalitycznych.
W przypadku reaktorów ze złożem ziaren usypanych wymiana
aInstytut Inżynierii Chemicznej PAN, Gliwice; bUniwersytet Jagielloński, Kraków
Marzena Iwaniszyna, *, Joanna Ochońskab, Przemysław Jodłowskib, Joanna Łojewskab, Andrzej Kołodzieja
Bardzo krótkie monolity o przekroju trójkątnym
dla szybkich reakcji katalitycznych
Very short monoliths of triangular cross-sectional channel
shape for fast catalytic reactions
Mgr inż. Joanna OCHOŃSKA w roku 2009
ukończyła studia na Wydziale Chemicznym
Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Jest pracownikiem
Wydziału Chemii [...]
Projektowanie katalitycznego reaktora strukturalnego do redukcji tlenków azotu. Ocena aktywności i metody syntezy katalizatorów na bazie zeolitów podstawionych kationem miedzi
Badano reakcję redukcji tlenków azotu z udziałem
amoniaku (SCR-NH3) na katalizatorach
zeolitowych podstawionych kationem miedzi.
Stosowano zeolity w postaci proszku oraz naniesione
na struktury krótkokanałowe. Zeolity
w formie proszku wykazały prawie 100-proc.
selektywność do azotu oraz 100-proc. konwersję
NO, jednak główną ich wadą jest dezaktywacja
w wysokiej temperaturze (poza katalizatorem
ultrastabilizowanym USY). Strukturalne
katalizatory, mimo niskich konwersji spowodowanych
zbyt małą ilością materiału aktywnego,
są w porównaniu z katalizatorami proszkowymi
w znacznie mniejszym stopniu ograniczone
transportem masy, a także zapewniają mniejsze
opory przepływu.
Three com. zeolites were modified by introduction of
Cu2+ ions, optionally deposited on kanthal carrier by dipcoating
(short-channel structures) and tested for catalytic
activity in redn. of NOx with NH3 + O2 to N2 at 500°C. The
powder zeolites exhibited almost 100% selectivity towards
N2 and 100% converstion of NO, but were easily deactivated
under harsh thermal conditions (except for ultrastabilized
USY zeolite). Structured zeolite catalysts revealed
low conversion due to low catalyst loading but were much
less affected by mass transfer limitation and get low flow
resistance.
Ogólnoświatowy trend tworzenia technologii przyjaznych dla
środowiska spowodował znaczny wzrost badań nad katalizatorami
aUniwersytet Jagielloński, Kraków; bInstytut Inżynierii Chemicznej PAN Gliwice; cPolitechnika Opolska
Joanna ochońskaa, Przemysław Jodłowskia, marzena iwaniszynb, *, andrzeJ kołodzieJc, Joanna łoJewskaa
Projektowanie katalitycznego
reaktora strukturalnego do redukcji tlenków azotu.
Ocena aktywności i metody syntezy katalizatorów
na bazie zeolitów podstawionych kationem miedzi
Structured reactor for NOx reduction.
Activity and synthesis methods
for structured zeolitic packings exchanged with copper cation
Mgr inż. Joanna OCHOŃSKA - notkę biograficzną i fotografię Au[...]
Racjonalna technicznie optymalizacja katalitycznych reaktorów chemicznych
W celu ułatwienia poszukiwań odpowiedniego
rodzaju wypełnienia reaktorów katalitycznych
zaproponowano proces optymalizacji oparty
na kryteriach oceny efektywności działania.
Przedstawiono model kryterialny uwzględniający
efekt pracy reaktora, czyli zysk (transport
masy z reakcją chemiczną) oraz koszt
operacji (opory przepływu płynu przez reaktor).
Zaprezentowano wyniki uzyskane podczas
optymalizacji różnych wypełnień reaktorowych.
A criterial model of chem. reactors including effects of
reactor operation, profits (mass transport with chem.
reaction) and operation cost (flow resistance through the
reactor) was developed. Variuos catalytic reactor packings
were optimized.
Klasyczne zagadnienie optymalizacji kosztowej oparte na rachunku
ekonomicznym i opisane np. przez Sieniutycza1) jest zapewne najbardziej
właściwe i wiarygodne z punktu widzenia praktyki. Wymaga ono
jednak znajomości nie tyle inżynierii, co ekonomii. Często cena np.
analogicznych aparatów dwóch producentów różni się istotnie. Ceny
katalogowe są zwykle poważnie obniżane w ofertach przetargowych.
Ceny ropy naftowej, stali i energii zmieniają się znacznie w ciągu
1-2 lat. Dodatkowym problemem jest brak wiarygodnych cen aparatury
chemicznej. Parametrem przyjmowanym zwykle arbitralnie i bez
głębszego uzasadnienia jest graniczny okres zwrotu inwestycji, który
zdecydowanie determinuje położenie szukanego optimum. Wobec tych
zastrzeżeń rachunek ekonomiczny obarczony jest znacznym stopniem
niepewności.
W tej sytuacji pożyteczną rolę odgrywają pewne ogólne wskazówki
projektowe. Większość projektantów optymalizuje swoje projekty
aInstytut Inżynierii Chemicznej PAN, Gliwice; bPolitechnika Opolska, Opole;
cUniwersytet Jagielloński, Kraków
Andrzej Kołodzieja, b, Joanna Łojewska c, Mieczysław Jaroszyńskia, Marzena Iwaniszyna, *,
Joanna Ochońska a, C, Przemysław Jodłowskic, Bożena Janusa, Tadeusz Kleszcza
Racjonalna technicznie optymalizacja
katalitycznych reaktorów chemic[...]
Selective catalytic reduction of nitrogen oxides on a zeolite catalyst deposited on metallic foam carrier Selektywna katalityczna redukcja tlenków azotu na katalizatorze zeolitowym osadzonym na pianie metalowej DOI:10.15199/62.2015.9.36
NO-contg. air was purified by NH3 treatment in a catalytic
reactor at 150-400°C. Zeolite was catalyst deposited
by in situ method on the FeCrAl foam surface (30 pores
on in.). The concns. of NOx and NH3 in the inlet and outlet
streams were measured by using Fourier transform
IR spectrometer and the conversion of the reactants and
reaction selectivity to N2 were detd. The tests showed
a high catalytic activity (up to 78%) and selectivity (about
95% below 300°C). Above the temp., the oxidn. of NH3
began to dominate. Addnl., the measurements of the
flow resistance through the catalyst bed for varying air
flow rates were made and compared with the calcd. values
of flow resistance through the granular and monolith
types of beds, resp.Prowadzono badania oporów przepływu dla piany
metalowej stosowanej jako nośnik katalizatora
zeolitowego. Stwierdzono dobrą aktywność
i selektywność katalizatora w reakcji selektywnej
katalitycznej redukcji tlenków azotu amoniakiem
w temp. poniżej 300°C. Dla wyższych temperatur
zachodzi utlenianie amoniaku. Opory
przepływu dla pian są zadowalająco małe.
Piany metalowe charakteryzują się małą gęstością, dużą powierzchnią
właściwą i wolną objętością (do 97%) oraz relatywnie małymi oporami
przepływu. Dzięki tym zaletom mogą być stosowane w katalizie
Dr inż. Anna GANCARCZYK w roku 1996 ukończyła
studia na Wydziale Technologii Chemicznej
Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Tytuł doktora
nauk technicznych uzyskała w 2009 r. Obecnie
jest pracownikiem Instytutu Inżynierii Chemicznej
Polskiej Akademii Nauk w Gliwicach. Specjalność
- reaktory fazowe.
Instytut Inżynierii Chemicznej PAN, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice,
tel. (0-32) 231-08-11, fax: (0-32) 231-03-18, e-mail: miwaniszyn@iich.gliwice.pl
* Autor do korespondencji:
Dr inż. Marzena IWANISZYN w roku 2010
ukończyła studia na Wydziale Chemicznym
Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Stopień doktora
nauk technicznych uzyskała w 2014 r. Jest
pracownikiem In[...]
Structure, manufacture and uses of solid foams Struktura, wytwarzanie i zastosowanie pian stałych DOI:10.15199/62.2015.10.34
A review, with 28 refs., of the available on the market solid
foams made of metals, ceramics, polymers, C1 and glass.
Piany stałe są obecnie produkowane z różnorodnych
materiałów (metal, ceramika, tworzywa
sztuczne, węgiel, szkło). Przedstawiono
przegląd pian dostępnych na rynku, różne metody
ich produkcji, zastosowania oraz potencjalne
możliwości wykorzystania. Szczególną
uwagę zwrócono na morfologię pian jako na
jeden z głównych parametrów, których znajomość
jest niezbędna przy ich badaniach, a następnie
zastosowaniu.
Piany stałe reprezentują nowoczesną generację materiałów porowatych,
które już od wielu lat wzbudzają duże zainteresowanie pod
względem udoskonalania sposobów ich produkcji, a przede wszystkim
potencjalnych możliwości ich zastosowania. Istotny jest fakt, że
piany stałe mogą być wytwarzane z prawie każdego materiału. Na
rynku dostępne są piany metalowe (aluminiowe, niklowe, miedziane),
ceramiczne (Al2O3, ZrO2, mullit, SiC), polimerowe (polistyrenowe,
polietylenowe, PVC), jak również szklane i węglowe (grafitowe,
amorficzne)1, 2). W wyniku procesu
spieniania materiału litego
jego podstawowe właściwości,
takie jak gęstość, przewodność
elektryczna, moduł Younga
i wytrzymałość, ulegają zmianie.
Materiał porowaty rozszerza
je bowiem na obszar
mniejszych wartości. Oznacza
to, że piany charakteryzują
się mniejszą przewodnością
i wytrzymałością w porównaniu
z materiałem litym, ale są od niego znacznie lżejsze i bardziej elastyczne. Pozwala to stosować
piany stałe jako izolatory ciepła, pochłaniacze energii lub lekkie
materiały strukturalne.
Rozpatrując ewentualne zastosowanie piany stałej, w pierwszym
kroku należy określić wymagane parametry, takie jak typ struktury
porów (zamknięty, otwarty, mieszany), porowatość, rodzaj materiału,
kształt elementów. Należy wziąć pod uwagę również względy ekonomiczne:
koszty produkcji, obróbki i transportu.
Morfologia pian
Piany stałe, ze względu na strukturę ich porów, dzie[...]
Transport masy i opory przepływu dla krótkokanałowych sinusoidalnych wypełnień katalitycznych
Strukturalne wypełnienia krótkokanałowe reaktorów
zaproponowali Kołodziej i Łojewska1)
opierając się rozważaniach teoretycznych i literaturowych.
Wyniki badań jednego z zaproponowanych
wariantów, struktury o kanałach
sinusoidalnych, przedstawiono w niniejszej
pracy. Dokonano badań eksperymentalnych
oporów przepływu oraz transportu ciepła
i masy. Opis wnikania masy uzyskano stosując
analogię transportu ciepła i masy. Skorelowano
wyniki w oparciu o rozwiązania teoretyczne dla
rozwijającego się przepływu laminarnego. Zastosowano
rozwiązania dla kanału trójkątnego
wobec braku opracowań dla kanałów sinusoidalnych.
Przeprowadzone obliczenia dowiodły
możliwości znacznego skrócenia reaktora.
Sinusoidal short-channel structures, as developed by
Kolodziej and Lojewska, 2007, were made of Kanthal steel
sheets and studied for heat transfer efficiency under laminar
air flow in a lab. unit. The results were presented as dimensionless
functions of Fanning coef., Re and Nu nos. vs.
dimensionless length of the channel. Per analogy, the mass
transfer efficiency in the structures was also estd. The studied
structures were more efficient than wire grids (61.7 mesh/in),
grain beds (2 mm) and ceramic monoliths (100 channels/in2).
Monolity ceramiczne są najpopularniejszym wypełnieniem reaktorów
chemicznych. Swoją popularność zawdzięczają małym oporom
przepływu oraz znacznej powierzchni właściwej. Ponadto efektywność
katalizatora nanoszonego w postaci cienkich warstw jest znaczna.
Istotną wadą monolitów jest jednak niewielka intensywność transportu
ciepła i masy w porównaniu z klasycznymi reaktorami z usypanym
złożem ziaren katalitycznych. Intensywność transportu może istotnie
ograniczać wydajność reaktorów, szczególnie w przypadku szybkich
reakcji katalitycznych. Z drugiej strony reaktory ze złożem ziaren
są rozwiązaniem konserwatywnym. Opory przepływu są tu znaczne,
a współczynnik efektywności ziaren niewielki. Z tej przyczyny
wciąż trwają po[...]
Dopalanie lotnych związków organicznych na katalizatorach na nośniku siatkowym
Przeprowadzono modelowanie i badania eksperymentalne
reaktora katalitycznego do dopalania
lotnych związków organicznych (LZO)
wypełnionego siatkami katalitycznymi. Katalizator
(spinel Co3O4) naniesiono na siatki stosując
technologię plazmową. Przeprowadzono
badania kinetyczne w reaktorze bezgradientowym.
Do opisu reaktora zastosowano model
przepływu tłokowego. Przeprowadzono
eksperymenty dopalania n-heksanu (temp. do
560°C, przepływy do 10 Nm3/h). Rozbieżność
eksperymentów w sto-sunku do przewidywań
modelowych nie przekraczała 12%.
The catalyst (spinel Co3O4) was deposited by plasma technique.
The kinetic studies were performed in a gradientless
reactor. The plug-flow reactor model was applied.
Exps. were performed for catalytic combustion of n-hexane
(temp. up to 560°C, gas stream up to 10 m3/h STP). The
validation showed max. error of 12% between model and
experiment.
Dopalanie katalityczne jest prawdopodobnie najskuteczniejszym
obecnie sposobem usuwania wielu "palnych" składników gazów
odlotowych. Należy do tych składników duża i zróżnicowana grupa,
zwana lotnymi związkami organicznymi (LZO), która stanowi poważny
problem dla środowiska. Typowa emisja LZO charakteryzuje się
małymi stężeniami (często na poziomie ppm) i dużymi strumieniami
gazów odlotowych. Antropogeniczna emisja LZO na świecie osiąga
150 mln t/r (w przeliczeniu na węgiel)1). Znaczna część to groźne
trucizny, substancje rakotwórcze i mutagenne.
Tradycyjnie do dopalania katalitycznego stosowane są reaktory
ze złożem usypanym ziaren katalitycznych oraz reaktory
monolityczne. Te pierwsze są rozwiązaniem nieco przestarzałym,
cechują je znaczne opory przepływu i niewielka efektywność ziaren
katalitycznych, wymuszająca znaczne zużycie katalizatorów (np.
Andrzej Kołodzieja, b, Joanna Łojewska c, Marzena Iwaniszynb, *, Przemysław Jodłowskic, Joanna Ochońska c,
Anna Rogulska c, Anna Gancarczykb, Aneta Matuszek-Chmurowska a, Jacek Tyczkowskid
aPolitechnika Opolsk[...]