Реактор термоокислительного пиролиза метана
Авторы патента:
Изобретение относится к органической химии, в частности к реакторам термоокислительного пиролиза метана. Цель изобретения - расширение технологических возможностей и повышение производительности реактора. Реактор содержит цилиндрическую камеру смешения со средствами подвода метана и кислорода, камеру сгорания, сверхзвуковой газодинамический преобразователь, выполненный в виде эжектирующего устройства и электрогидравлического устройства, вспомогательное оборудование. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.
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:




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 800oС. 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 1000-1200oС. 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 10000oС 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 600-700oС. 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 CnH2n+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.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Похожие патенты:
Реактор термоокислительного пиролиза метана // 1778146
Способ парафазного крекинга // 38239
Изобретение относится к устройствам для обработки горячей текучей средой перемешиваемых продуктов, в частности, для извлечения с помощью пара эфирных масел из растительного сырья
Реактор-фильтр // 2063799
Изобретение относится к аппаратам для проведения физико-химических процессов, сопровождающихся выделением твердой фазы, и фильтрования суспензии и может быть использовано в химико-фармацевтической, химической и других отраслях народного хозяйства
Способ воздействия на вещество // 2063678
Изобретение относится к способам воздействия на вещества с помощью электромагнитных сигналов и может быть использовано, например, для осаждения или рассеяния облаков аэрозолей, для распыления жидкостей и во всех других случаях, где требуется увеличение или уменьшение размеров капель жидкости
Установка для производства метанола // 2062143
Изобретение относится к области органической химии, в частности к установкам для производства метанола
Смеситель газов // 2061536
Изобретение относится к энергетической технике, в частности к устройствам для эжектирования, смешивания и подачи газообразного топлива к технологическим агрегатам, и может быть использовано в металлургической промышленности для вдувания в горн доменной печи, например, смесей природного и коксового газов, природного и колошникового, коксового и колошникового, природного и кислорода или дутья с различным содержанием кислорода и т.п
Способ переработки жидких нефтяных продуктов и устройство для его осуществления (варианты) // 2057785
Изобретение относится к переработке нефтепродуктов
Насадка для тепломассообменных аппаратов // 2056933
Изобретение относится к конструкциям насадок для проведения тепломассообменных процессов в системах газ-жидкость и сепарации и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности
Способ приведения в пульсацию частиц одного диэлектрика, распределенных в объеме другого диэлектрика // 2056932
Изобретение относится к способам воздействия на вещества с помощью электромагнитных излучений и может быть использован в различных областях
Изобретение относится к области химии полимеров, в частности получения последних плазменным методом, и может быть использовано для создания полимеров с различными свойствами
Реактор // 2101079
Изобретение относится к энергетике и химии, в частности к химическому оборудованию, а именно, к высокотемпературным теплообменникам
Изобретение относится к упорядоченной набивке массообменной колонны, а также к массообменной колонне с такой набивкой