реактор термоокислительного пиролиза метана

Формула изобретения

1. Реактор термоокислительного пиролиза метана, содержащий цилиндрическую камеру смешения, камеру сгорания, средства подвода метана и кислорода, сверхзвуковой газодинамический преобразователь, отличающийся тем, что сверхзвуковой газодинамический преобразователь выполнен в виде эжектирующего устройства, установленного в камере разрежения, размещенной между камерами смешения и сгорания и сообщенной через предохранительный клапан с камерой смешения, и электрогидравлического устройства, выполненного в виде рабочего высоковольтного искрового разрядника, установленного в камере смешения перед входом эжектирующего устройства, механически связанного со средствами подвода метана и кислорода и электрически с приводом предохранительного клапана и с источником импульсного электропитания.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что эжектирующее устройство выполнено в виде последовательно установленных сопел Лаваля, причем кольцевой зазор между выходом предыдущего сопла и входом последующего сопла сообщен с камерой разрежения устройства.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что электроды рабочего высоковольтного искрового разрядника выполнены в виде соосно установленных проводящих труб, подключенных к средствам подвода метана и кислорода, причем одна из труб, связанная с отрицательным потенциалом источника импульсного электропитания, снабжена полым проводящим шаром с отверстиями для истечения газовой среды.

4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что крышка камеры смешения выполнена в виде полусферы для отражения ударных волн.

5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что перед средствами подвода метана и кислорода установлены обратные клапаны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области органической химии, в частности к реакторам термоокислительного пиролиза газообразных углеводородов для производства метанола и бензинов.

Известно, что из метана, используемого в химической промышленности в качестве сырья, возможно произвести метанол, синтез-газ, бензины и другие химические продукты.

Из метана получают метиловый спирт по формуле:



Для осуществления этой реакции метан и кислород, взятые отдельно, нагревают до 500^oС, смешивают в соотношении 2:1. Смесь поступает в камеру сжигания реактора, где она находится доли секунд при температуре выше 1000^oС, после этого газы охлаждают, сепарируют для выделения целевого продукта.

Метан применяют для получения синтез-газа, из которого производят бензины.

Синтез-газ получают пиролизом метана в реакторе при температуре 1400-1500^oС с одновременным окислением:

2 CH₄ + O₂ --> 2 CO + H₂

2CH₄__ CH CH+3H₂

Устройства для реализации указанных реакций энергоемки и требуют больших материальных затрат.

Известен способ обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов и устройство для его реализации по авторскому свидетельству СССР N 595945, кл. С 02 F 1/48 от 23.02.1967 г. (см.книгу Л.А.Юткин "Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности", Ленинград, "Машиностроение", 1986, с. 212-217), заключающийся в том, что жидкость обрабатывают электромагнитным полем.

Для повышения степени обработки жидкость обрабатывают импульсным электромагнитным полем с длительностью импульса 10^-5 10^-7 мкс и с мгновенной мощностью импульса 50-1000 МВт.

При относительно высокой эффективности известного способа устройства для его реализации сложны в конструктивном исполнении из-за наличия множества электродов, при этом известный способ не обеспечивает перемешивание различных жидкостей, а отходящие газы не используются.

Известна реакционная камера для получения пирогаза, указанная в способе получения пирогаза по авторскому свидетельству N 1601107, кл. С 10 С 15/00, опубликованному в БИ N 39, 1990 г.

В соответствии с описанием изобретения пирогаз получают путем разложения жидких органических продуктов под действием импульсных разрядов с последующим выводом целевых продуктов из реакционной камеры.

Для повышения КПД процесса и снижения его энергозатрат его осуществляют при плотности мощности теплового импульса, равной (0,5-0,7)10¹¹ Вт/м² и длительности импульса, равной (0,66-0,68)10^-2с.

Заявителю не известна указанная в способе терминология и величина энергозатрат для повышения КПД пpoцесса для разложения жидких органических продуктов, касающееся как единицы измерения Вт/м² (возможно единица измерения Вт/м³), так и таких громадных энергетических затрат.

Кроме того, известно, что КПД импульсных разрядов составляет порядка 70-80% при прямом превращении электрической энергии в механическую, а остальная энергия расходуется на ионизацию, диссоциацию и нагрев жидких продуктов.

Следовательно, полная энергия электрических импульсных разрядов для достижения цели изобретения увеличится на порядок с учетом потерь в контуре.

По мнению заявителя, запланированная мощность электрического контура устройства для получения пирогаза потребует подключения к нему нескольких ГРЭС, что практически невозможно, а реакционная камера от воздействия тепловых импульсов будет плавиться и разрушаться.

В связи с тем, что в известном способе не достигается цель изобретения, заявитель не принимает во внимание известное техническое решение.

Известен реактор термоокислительного пиролиза метана по авторскому свидетельству N 1778146, кл. C 10 G 9/38, опубликованному в БИ N 44, 1992, с. 66.

В соответствии с описанием изобретения известный реактор термоокислительного пиролиза метана содержит цилиндрическую камеру смешения, снабженную средствами подвода метана и кислорода, и камеру сгорания.

Для повышения производительности реактор дополнительно снабжен сверхзвуковым диффузором, установленным между камерами смешения и сгорания, а средства подвода метана и кислорода выполнены в виде концентрично установленных сопел Лаваля.

Недостатками реактора являются следующие:

узкий диапазон технологических возможностей и относительно низкая производительность;

большие энергетические затраты для предварительного нагрева и сжатия метана и кислорода.

Из анализа приведенных аналогов наиболее близким техническим решением являются реактор термоокислительного пиролиза метана по авторскому свидетельству N 1778146, кл. C 10 G 9/38, опубликованному в БИ N 44, 1992, с.66.

Цель изобретения расширение технологических возможностей и повышение производительности реактора.

Для достижения цели изобретения в известном реакторе термоокислительного пиролиза метана, содержащем цилиндрическую камеру смешения, снабженную средствами подвода метана и кислорода, выполненные в виде сопел Лаваля, камеру сгорания и сверхзвуковой газодинамический преобразователь, сверхзвуковой газодинамический преобразователь выполнен в виде эжектирующего устройства, установленного между камерами смешения и сгорания, камера разрежения которого сообщена через предохранительный клапан с камерой смешения, и электрогидравлического устройства, причем последнее выполнено в виде рабочего высоковольтного искрового разрядника, установленного в камере смешения перед входом эжектирующего устройства, механически связанного со средствами подвода метана и кислорода и электрически с приводом предохранительного клапана и с источником импульсного электропитания.

Кроме того, для достижения цели изобретения эжектирующее устройство выполнено в виде последовательно установленных сопел Лаваля, кольцевой зазор между выходом предыдущего сопла и входом последующего сопла сообщен с камерой разрежения устройства; электроды рабочего высоковольтного искрового разрядника выполнены в виде соосно установленных проводящих труб, подключенных к средствам подвода метана и кислорода, причем одна из труб, связанная с отрицательным потенциалом источника импульсного электропитания, снабжена полым проводящим шаром с отверстиями для истечения газовой среды; крышка камеры смешения выполнена в виде полусферы для отражения ударных волн; перед средствами подвода метана и кислорода установлены обратные клапаны.

При патентных исследованиях не обнаружена заявляемая совокупность признаков реактора термоокислительного пиролиза метана для достижения цели изобретения.

Из анализа патентных исследований возможно заключить, что предлагаемое изобретение является новым, так как не известно из уровня техники и позволяющее осуществлять как известные химические реакции, так и новые реакции, например, реакции для получения бензинов и других целевых продуктов за счет изменения температуры и давлений в камерах реактора.

Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники. Изобретение является промышленно применимым, так как может быть освоено на предприятиях химической промышленности.

На фиг.1 схематично изображен реактор с вспомогательным оборудованием и средствами автоматизации;

на фиг.2 то же, продольный разрез реактора;

на фиг.3 то же, разрез по А-А на фиг.2;

на фиг.4 то же, схема источника импульсного электропитания.

Реактор 1 термоокислительного пиролиза метана содержит цилиндрическую камеру 2 смешения, снабженную средствами 3 и 4 подвода метана и кислорода, камеру 5 сгорания, сверхзвуковой газодинамический преобразователь 6, выполненный в виде эжектирующего устройства 7 и электрогидравлического устройства 8, вспомогательное оборудование и средства автоматизации.

Камера 2 смешения изготовлена из высокопрочного жаростойкого проводящего материала, в верхней части которой установлена крышка 9, выполненная в виде полусферы для отражения ударных волн.

Средства 3 подвода метана в камеру 2 смешения выполнены в виде трубы 10, в которую встроено сопло Лаваля 11 и обратный клапан 12.

Средства 4 подвода кислорода в камеру 2 смешения выполнены в виде трубы 13, в которую встроено сопло Лаваля 14 и обратный клапан 15. Подача метана и кислорода в камеру 2 смешения осуществляется от источников питания посредством компрессоров через трубопроводы 16 и 17 (источники питания и компрессоры условно не показаны).

Камера 5 сгорания представляет из себя изготовленный из жаропрочного материала корпус 18, в котором смонтирована жаропрочная керамическая футеровка 19. В нижней части камеры 5 сгорания смонтирована посредством болтовых соединений крышка 20 с отверстиями 21. Под (днище) 22 крышки 20 изготовлен из жаропрочной керамики. Отверстие 21 сообщено с трубопроводом 23 с приводным клапаном 24 для отвода продуктов сгорания, выпадающих в осадок. Верхняя часть камеры 5 сгорания механически связана посредством фланцевого соединения с корпусом камеры 2 смешения.

Камера 5 сгорания оснащена системой нагревания ее полости, состоящей из известных газовых горелок 25, распределительных коллекторов 26 и 27 метана и кислорода, связанных трубопроводами 28 и 29 с трубопроводами 16 и 17 подачи метана и кислорода от источником питания, и системой отвода газопарообразных продуктов химических реакций, состоящей из радиально-кольцевого коллектора 30, выполненного в керамической футеровке 19, и отводящего трубопровода 31, сообщенного через приводной клапан 32 с холодильником-конденсатором 33 известной конструкции. В газовых горелках 25 предусмотрены элементы системы зажигания смеси газов (условно не показаны), электрически связанные со станцией 34 управления. В камере 5 сгорания установлена сменная сетка-катализатор 35 для ускорения химических реакций. Сетка-катализатор 35 изготавливается из сплавов металлов, например, платиновой группы для получения целевого продукта. Корпус 18 камеры 5 сгорания выполнен, проводящим электрический ток, и снабжен проводящими опорами 36, электрически подключенными к заземляющему контуру (не показан).

Сверхзвуковой газодинамический преобразователь 6, выполненный в виде эжектирующего устройства 7, установленного между камерами 2 и 5 смешения и сгорания, и электрогидравлического (электропневматического) устройства 8, предназначен для изменения температура и давления газовых потоков и ускорения химических реакций.

Эжектирующее устройство 7 выполнено в виде последовательно установленных сопел Лаваля 37, 38, кольцевой зазор 39 которого, образующийся между выходом предыдущего сопла 37 и входом последующего сопла 38, сообщен с камерой разрежения 40, причем последняя через трубопровод 41 с приводным предохранительным клапаном 42 сообщена с камерой 2 смешения.

Сопло 37 закреплено в отверстии 43 кольцевой перегородки 44, а сопло 38

на кольцевой перегородке 45, при этом выходное отверстие сопла 38 сообщено с полостью камеры 5 сгорания. Между кольцевыми перегородками 44 и 45 закреплена цилиндрическая сетка-катализатор 46. Сетка-катализатор 46 изготавливается из различных сплавов металлов для получения целевого продукта.

Электрогидравлическое (электропневматическое) устройство 8 выполнено в виде рабочего высоковольтного искрового разрядника, электроды которого представляют из себя соосно установленные проводящие трубы 47 и 48, механически подключенные к средствам 3 и 4 подвода метана и кислорода и электрически связанные с приводом предохранительного клапан 42 и с источником 49 импульсного электропитания. Проводящие трубы 47 и 48 размещены в камере 2 смешения. Одна из труб, например, труба 47, снабжена полым шаром 50 с отверстиями 51 и связана с отрицательным потенциалом источника 49 импульсного электропитания. Полый шар 50 и свободный конец трубы 48 образуют рабочий искровый промежуток, который размещен напротив входа эжектирующего устройства 7. Отверстия 51 полого шара 50 предназначены для ускорения перемешивания газовых потоков метана и кислорода. Полый шар 50 имеет возможность продольного перемещения для регулирования рабочего искрового промежутка.

Источник 49 импульсного электропитания включает генератор 52 высоковольтных искровых разрядов и устройство 53 изменения частоты повторения искровых импульсов.

Генератор 52 высоковольтных искровых разрядов, подключенный к сети 54 переменного тока, состоит из высоковольтного трансформатора 55, в первичную цепь которого включено балластное сопротивление R, выпрямителя 56, искрового разрядника 57, разрядного конденсатора 58. Искровый разрядник 57 с формирующим промежутком выполнен управляемым посредством пускового блока 59. Искровый разрядник 57 выполнен в виде двух основных электродов (шаров), один из которых может перемещаться для регулирования формирующего промежутка и пускового электрода 60, расположенного между основными электродами искрового разрядника 57. Пусковой электрод 60 предназначен для образования искрового разряда в формирующем промежутке с напряжением не менее 30-50 кВ по управляющим импульсам пускового блока 59. Пусковой блок 59 подключен к станции 34 управления с органами управления. Искровый разрядник 57 подключен через устройство 53 изменения частоты повторения искровых импульсов к рабочему высоковольтному разряднику электрогидравлического устройства 8.

Устройство 53 изменения частоты повторения искровых импульсов состоит из электрических цепей, в одну из них включен приводной выключатель 61 импульсного напряжения, а в другую цепь нормально-открытый контакт "ПК" предохранительного клапана 42, замыкающий цепь силового контактора "К" при превышении давления газов в камере 2 смешения (см.фиг.4).

Для обеспечения работы реактора предусмотрены средства автоматизации (фиг. 1), к которым относятся системы измерения, контроля и регулирования расхода метана и кислорода, подаваемых в камеру 2 смешения и в камеру 5 сгорания; измерения и контроля давления в камере 2 смешения; измерения, контроля и регулирования температуры в камере 5 сгорания; измерения и контроля температуры отходящих продуктов химических реакций.

Система измерения, контроля и регулирования расхода метана и кислорода, подаваемых в камеру 2 смешения, состоит из серийно выпускаемых отборных устройство 62, 63, импульсного регулятора 64 соотношения подаваемых газов, связанного через станцию 34 управления с приводными поворотными заслонками 65 и 66. Вторичные приборы системы устанавливаются на станции 34 управления.

Система измерения, контроля и регулирования расхода метана и кислорода, подаваемых в камеру 5 сгорания, состоит из аналогичных отборных устройство 67, 68, регулятора 69 соотношения подаваемых газов, связанного через станцию 34 управления с приводными поворотными заслонками 70 и 71. Вторичные приборы системы устанавливаются на станции 34 управления.

Система измерения и контроля давления в камере 2 смешения состоит из отборного устройства 72, связанного с вторичным прибором, установленным на станции 34 управления.

Система измерения, контроля и регулирования температуры в камере 5 сгорания состоит из термопар 73 (условно показана одна термопара) и вторичного прибора, установленного на станции 34 управления, с регулирующим устройством, воздействующим на приводные клапаны 74 и 75.

Система контроля и измерения температуры отходящих продуктов химических реакций состоит из термопары 76 и вторичного прибора, установленного на станции 34 управления.

Кроме того, холодильник-конденсатор 33 снабжен приводными клапанами 77, 78. Приводной клапан 77 предназначен для разгрузки жидкой фракции из холодильника-конденсатора 33 для дальнейшей переработки, а приводной клапан 78 газообразной фракции, которая может быть использована либо для дальней переработки, либо возвращена в трубопровод 16.

Реактор термоокислительного пиролиза метана работает следующим образом.

В исходном состоянии реактор 1 термоокислительного пиролиза метана отключен от электропитания и источников метана и кислорода. Для приведения в действие реактора 1 включается сеть 54 переменного тока. Энергия сети переменного тока подводится к станции 34 управления, к высоковольтному трансформатору 55, вырабатывающему напряжение на вторичной обмотке не менее 30-50 кВ, и к системам автоматизации, которые приводятся в действие, после этого из станции 34 управления подают управляющие сигналы на включение компрессоров (не показаны), которые подают предварительно сжатые и подогретые метан и кислород в соответствии с алгоритмом управления по трубопроводам 16, 17 и 10, 13 через приводные поворотные заслонки 65, 66, обратные клапаны 12, 15, сопла 11, 14 Лаваля и трубы 47, 48 электрогидравлического устройства 8 в камеру 2 смешения реактора. В камере 2 смешения метан и кислород интенсивно перемешиваются за счет ускорения потоков газов в соплах 11, 14.

Известно, что при движении метана и кислорода через сопла 11 и 14 потоки газов приобретают сверхзвуковую скорость, причем с увеличением скорости происходит падение давления и температуры в соплах, а в полости камеры 2 смешения происходит газодинамическое торможение горючей смеси с ростом давления и температуры до заданных пределов. В случае превышения заданного давления автоматически открывается предохранительный клапан 42 и горючая смесь перетекает по трубопроводу 41 из полости камеры 2 смешения в камеру разряжения 40 эжектирующего устройства 7. Под действием возникшего давления в камере 2 смешения горючая смесь устремляется в эжектирующее устройство 7, в котором поток смеси газов приобретает сверхзвуковую скорость в сопле 37, а затем дополнительно ускоряется в сопле 38 с падением давления и температуры до значений, препятствующих ее самовоспламенению. При истечении горючей смеси из сопла 38 эжектирующего устройства 7 в камеру 5 сгорания в последней вновь происходит газодинамическое торможение горючей смеси с резким ростом давления и температуры, достаточными для самовоспламенения с параметрами до 200 атм. и 800^oС. Вследствие газодинамического торможения в камере 5 сгорания метанокислородная смесь самовоспламеняется и сгорает с образованием пирогаза, который из камеры под давлением вытесняется через сетку-катализатор 35, радиально-кольцевой коллектор 30, трубопровод 31 и предварительно открытый приводной клапан 32 в холодильник-конденсатор 33, в котором пирогаз охлаждается с образованием продуктов химических реакций ацетилена C₂H₂ и метилового спирта CH₃OH, затем продукты химических реакций сепарируют для выделения целевых продуктов.

Для увеличения производительности и расширения технологических возможностей метан и кислород при заданном объемном соотношении подают в камеру 2 смешения реактора 1 без предварительного подогрева и под давлением, не превышающим 4 атм.

Предварительно перед подачей метана и кислорода в камеру 2 смешения по управляющим сигналам станции 34 управления синхронно открывают приводные клапаны 74, 75, через проходные сечения которых подают метан и кислород заданного объемного соотношения к газовым горелкам 25. Посредством системы зажигания поджигают газовую смесь в газовых горелках для нагрева камеры 5 сгорания. По вторичным приборам станции 34 управления контролируют температуру нагрева газа в полости камеры 5 сгорания, например, температуру, достигающую 1000-1200^oС. При этом, в случае отсутствия подачи метана и кислорода в камеру 2 смешения, прогревается эжектирующее устройство 7, камера разрежения 40 и камера 2 смешения.

Одновременно включают компрессоры для подачи метана и кислорода в камеру 2 смешения и пусковой блок 59, который формирует управляющие импульсы для поджига искрового разрядника 57. В соответствии с заданным алгоритмом управления поджигается искровой разрядник 57, в котором возникает искровой разряд. При этом разрядный конденсатор 58, создающий импульсы высокого напряжения в пределах 30-50 кВ, разряжается. Разрядный ток конденсатора 58 течет к электроду 48 электрогидравлического устройства 8. Между проводящим шаром 50 электрода 47 и электродом 48 возникает высоковольтный искровой разряд в смеси метана и кислорода, сопровождающийся высоким давлением, достигающим несколько сот атмосфер, и высокой температурой до 10000^oС в канале искрового разряда, вследствие этого в камере 2 смешения возникает термическая ионизация газов. При искровом разряде происходит отщепление атомов от молекул метана и его окисление с образованием большого объема ионизированных нагретых газов, состоящих из CO, CO₂, H₂, H₂O (пар), C₂H₂, а также не прореагировавшего метана CH₄.

Частота повторения высокочастотных искровых импульсов соответствует частота заряда и разряда разрядного конденсатора 58 и в среднем составляет 50 Гц. При каждом искровом разряде возникает ударная волна, направленная перпендикулярно направлению искрового разряда. Под действием возникшего давления и ударных волн смесь газов устремляется в эжектирующее устройство 7, причем отраженные ударные волны от сферической поверхности крышки 9 камеры 2 смешения увеличивают скорость потока газов в эжектирующем устройстве 7, при этом на выходе сопла 38 давление потока газов может быть не менее 200 атм. и температура не ниже 600-700^oС.

В случае увеличения давления газов в камере 2 смешения выше допустимого значения открывается предохранительный клапан 42 (фиг.1-4), вследствие чего замыкается контакт "ПК" цепи силового контактора "К", который включает устройство 53 изменения частоты повторения искровых импульсов. После срабатывания силового контактора "К" включается выключатель 61 благодаря приведению в действием двигателя "Д" постоянного тока, вал которого приводится во вращение со скоростью, например, один оборот в минуту, вследствие чего между электродами 47 и 48 возбуждается только один высоковольтный искровый разряд в минуту. Газовая смесь из камеры 2 смешения под давлением перетекает через сетку-катализатор 46 в камеру 40 разрежения, а затем через кольцевой зазор 39 подсасывается в сопло 38 эжектирующего устройства 7. При снижении давления в камере 2 смешения ниже допустимого значения устройство 53 изменения частоты повторения искровых импульсов автоматически переключается в основное состояние.

Поток газов, истекающий из сопла 38 эжектирующего устройства 7 подается в камеру 5 сгорания, в которой осуществляются химические реакции, например:



где C_nH_2n+2 газообразные высокомолекулярные углеводороды;

H₂O водяной пар.

Газообразные высокомолекулярные углеводороды, водяной пар и не прореагировавшие газы вытесняются через сетку-катализатор 35, радиально-кольцевой коллектор 30, трубопровод 31, приводной клапан 32 в холодильник-конденсатор 33, в котором высокомолекулярные углеводороды и другие газы охлаждаются. Жидкие высокомолекулярные углеводороды разгружаются через приводной клапан 77 в сепаратор (не показан), в котором выделяют бензины (смесь высокомолекулярных углеводородов от гептана С₇H₁₆ до нонана С₉H₂₀) и другие продукты химических реакций.

В связи в тем, что продукты химических реакций имеют широкий диапазон изменений в зависимости от температуры и давлений в камерах 2,5 смешения и сгорания, то в каждом конкретном случае требуется экспериментальная проверка целевого продукта химических реакций при фиксированных параметрах реактора, в частности определения узких диапазонов регулирования высоковольтного искрового разрядника, скоростных температур в камере сгорания.

Таким образом, благодаря использованию новой совокупности существенных признаков реактора достигается цель изобретения расширение технологических возможностей и повышение производительности реактора.

Технико-экономическая эффективность реактора термоокислительного пиролиза метана заключается в том, что для получения целевых продуктов химических реакций, в частности получения высокомолекулярных жидких углеводородов (бензинов), исключается из технологических процессов дорогостоящая сырая нефть, а используется широко распространенный метан (биогаз, природный газ), что создает возможность получения относительно дешевого моторного топлива, причем в реакторе возможно использовать природный газ без дополнительного подогрева, что сокращает энергетические затраты на производство моторных топлив. Реактор с вспомогательным оборудованием не загрязняет окружающую среду.

Расход электроэнергии на приведение в действие электрогидравлического (электропневматического) устройства составляет 0,1-0,2 кВт.ч/м³ (см. книгу Г. Н. Гаврилова и др. "Разрядно-импульсная технология обработки минеральных сред", Киев, "Наукова Думка",1979, с.151, приложение 13).

Экономический эффект от использования изобретения в год составляет 15 млн. рублей в ценах 1991 г.