close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12189

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 12189
(13) C1
(19)
C 10G 9/00
C 10G 15/00
H 05B 7/00
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
АЦЕТИЛЕНА И ВОДОРОДА
(21) Номер заявки: a 20070701
(22) 2007.06.08
(43) 2009.02.28
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Галиновский Антон Александрович; Горбунов Андрей Васильевич; Моссэ Альфред Львович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
(56) US 4144444, 1979.
BY 7932 C1, 2006.
BY 2618 C1, 1999.
RU 2177022 C1, 2001.
GB 1044764 A, 1966.
GB 975862 A, 1964.
BY 12189 C1 2009.08.30
(57)
Плазмохимический реактор для получения ацетилена и водорода, содержащий закалочную камеру и электродуговой плазмотрон постоянного тока, содержащий катод, анод,
газовое завихрительное кольцо непрерывного режима работы, отличающийся тем, что к
BY 12189 C1 2009.08.30
аноду плазмотрона подсоединен цилиндрический канал, длина которого составляет от 2
до 5 величин его внутреннего диаметра; плазмотрон выполнен с разрядной камерой, обеспечивающей работу по схеме с односторонним истечением пирогаза в канал, в которую
через газовое завихрительное кольцо поступает смесь азота и газообразного углеводородного сырья в массовом соотношении, равном 1 : (2,9-5,0), причем закалочная камера в
нижней части реактора выполнена в виде проточного рекуперативного бункера, который
последовательно соединен со сборником закалочных жидких углеводородов, отстойником, насосом и емкостью для добавления углеводородов на закалку с одной стороны и с
теплообменником и фильтром для газоочистки пирогаза с другой стороны.
Изобретение относится к области химической промышленности и водородной энергетики, в частности к получению газов на основе ацетилена и водорода, и может найти применение в создании аппаратов и процессов для производства ацетилена, потребляемого
основным органическим синтезом и металлообработкой при ацетилено-кислородной
сварке и резке металлоконструкций машиностроительного и строительного назначения, а
также для производства технического водорода для газоснабжения топливных элементов
и других устройств современной водородной энергетики.
Известен ряд способов получения ацетилена и водорода и их смесей путем высокотемпературного, в том числе плазменного, пиролиза жидких или газообразных (в основном алкановых) углеводородов и соответствующих устройств для их реализации.
Так, известно устройство [1] для получения газа на основе ацетилена и водорода,
представляющее собой струйный плазмохимический реактор, содержащий электродуговой плазмотрон постоянного тока, в который при температуре 3770 К вводятся газообразное углеводородное сырье и дополнительный плазмообразующий газ (водород или азот).
В этом устройстве образуется пирогаз, содержащий ацетилен и водород, причем он (пирогаз) после выхода из плазмотрона в канал реактора подвергается закалке жидкими углеводородами для предотвращения разложения образовавшегося ацетилена. Такое устройство
имеет недостаток - повышенное рабочее давление - 0,3-4,0 МПа, требующее использования в сочетании с ним дополнительных систем компрессирования пирогаза.
Также известно устройство [2] для получения газа на основе ацетилена и водорода,
представляющее собой плазмохимический реактор, работающий при атмосферном
(0,1 МПа) давлении пирогаза и включающий последовательно соединенные камеру смешения впрыскиваемого углеводородного сырья со струями плазмы из трех пристыкованных к камере плазмотронов и цилиндрический канал реактора.
Это устройство имеет два недостатка:
использование в качестве плазмообразующего газа дорогого и взрывоопасного водорода;
применение однофазных плазмотронов переменного тока, которые работают в неравномерном (во времени) температурном режиме, что приводит к неравномерному по длине
цилиндрического канала ПХР превращению углеводородного сырья в ацетиленовый продукт и из-за этого к постепенному зарастанию стенок отложениями сажи (т.е. побочным
продуктом пиролиза сырья).
Наиболее близким к заявляемому плазмохимическому реактору, выбранным в качестве прототипа является плазмохимический реактор для пиролизного получения низших
олефинов (в том числе ацетилена) и технического водорода из углеводородного сырья [3].
Он представляет собой последовательно соединенные электродуговой плазмотрон постоянного тока (в котором идет пиролиз углеводородного сырья с образованием пирогаза,
содержащего ацетилен и водород) и закалочную камеру для получения холодного пирогаза с высокой концентрацией ацетилена и водорода (в качестве закалочного агента используется распыл воды или бензина). В реакторе поддерживается непрерывный режим
2
BY 12189 C1 2009.08.30
работы плазмотрона постоянного тока, а также атмосферное давление пирогаза в канале
реактора. При этом плазмотрон выполнен по схеме с двумя анодами, двумя катодами и
двумя газовыми завихрительными кольцами, обеспечивающими двустороннее истечение
из плазмотрона в закалочную камеру струй пирогаза. Плазмотрон также содержит рубашку водяного охлаждения электродов, которые изготовлены из меди. Такая конструкция
плазмотрона включает два газовых завихрительных кольца для раздельного ввода (по
двум газовым линиям) поступающих на плазменный пиролиз алканового углеводородного
сырья (природного газа или парообразного бензина) и вспомогательного плазмообразующего газа. Плазмообразующий газ используется в трех отдельных вариантах - водорода
(а), природного газа (б) и азота (в). Электропитание плазмотрона осуществляется от выпрямительного источника постоянного тока. Данный плазмохимический реактор использует принцип высокотемпературного пиролиза дешевого углеводородного алканового
сырья в газообразном виде.
Плазмохимический реактор имеет следующие недостатки.
В варианте его работы с водородом (а) как вспомогательным плазмообразующим газом
недостаток - это само использование постоянной подачи в плазмотрон по газоходу дорогого и
взрывоопасного водорода, а также повышенные удельные энергозатраты, равные 11,5 кВтч
на 1 нм3 получаемого после закалки пирогаза ацетилена (10,0 кВтч на 1 кг С2Н2).
В варианте работы реактора с подачей в плазмотрон природного газа (б) как плазмообразующего газа недостатками являются повышенные удельные энергозатраты - 12 кВтч
на 1 нм3 получаемого ацетилена (10,3 кВтч на 1 кг С2Н2), а также необходимость выполнять высоковольтный поджиг в среде взрывоопасного природного газа в момент пуска
плазмотрона.
В варианте работы реактора с подачей в плазмотрон азота (в) как плазмообразующего
газа недостатками являются:
сложный состав пирогаза, получаемого после закалки, который содержит ацетилен
(4,8 об. %), водород (30,1 об. %) и цианистый водород HCN (12,3 об. %), что требует использования в комплексе с данным реактором системы химического выделения целевых
продуктов (ацетилена и водорода) повышенной сложности;
высокие удельные энергозатраты - не менее 30 кВтч на 1 кг получаемого ацетилена.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности за счет снижения энергозатрат и повышение безопасности при эксплуатации плазмохимического реактора.
Задача решается следующим образом. Известный плазмохимический реактор для получения ацетилена и водорода содержит закалочную камеру и электродуговой плазмотрон
постоянного тока, содержащий катод, анод, газовое завихрительное кольцо непрерывного
режима работы.
Согласно предлагаемому изобретению, к аноду плазмотрона подсоединен цилиндрический канал, длина которого составляет от 2 до 5 величин его внутреннего диаметра;
плазмотрон выполнен с разрядной камерой, обеспечивающей работу по схеме с односторонним истечением пирогаза в канал, в которую через газовое завихрительное кольцо поступает смесь азота и газообразного углеводородного сырья в массовом соотношении,
равном 1 : (2,9-5,0), причем закалочная камера в нижней части реактора выполнена в виде
проточного рекуперативного бункера, который последовательно соединен со сборником
закалочных жидких углеводородов, отстойником, насосом и емкостью для добавления углеводородов на закалку с одной стороны и с теплообменником и фильтром для газоочистки с другой стороны.
За счет указанных конструктивных особенностей, заявляемый плазмохимический реактор обеспечивает получение на выходе газовой смеси с содержанием 25-30 об. % С2Н2,
40-45 об. % Н2 и не более 0,2 об. % HCN в непрерывном режиме работы. При этом уровень удельных энергозатрат составляет 7,8-8,5 кВтч на 1 кг С2Н2 и исключается необхо-
3
BY 12189 C1 2009.08.30
димость подачи в плазмотрон такого взрывоопасного и дорогого компонента, как компримированный водород.
Заявляемый плазмохимический реактор работает в стационарном режиме с непрерывной подачей смеси азота и газового углеводородного сырья (природного или сжиженного
газов или паров бензина). Массовое соотношение смеси азота и газового углеводородного
сырья отличается от соотношения 1 : 1,1, использованного в прототипе. Это в сочетании с
конструктивными особенностями заявляемого реактора обеспечивает необходимое повышение его эффективности. К таким конструктивным особенностям (являющимся отличительными признаками изобретения) относятся: подсоединение к аноду плазмотрона
цилиндрического канала, длина которого составляет от 2 до 5 величин его внутреннего
диаметра; выполнение плазмотрона с одной разрядной камерой, обеспечивающей работу
по схеме с односторонним истечением пирогаза в канал; а также выполнение закалочной
камеры в нижней части реактора в виде проточного рекуперативного бункера, который
последовательно соединен со сборником закалочных жидких углеводородов, отстойником, насосом и емкостью для добавления углеводородов на закалку с одной стороны и с
теплообменником и фильтром для газоочистки пирогаза с другой стороны, что в совокупности обеспечивает узкий диапазон скорости закалки пирогаза - от 5⋅105 до 106 К/с, высокоэффективной для снижения энергозатрат на получение ацетилена и водорода.
На фигуре схематично показан общий вид предлагаемого плазмохимического реактора.
Данный плазмохимический реактор состоит из трех основных узлов: электродугового
плазмотрона постоянного тока, цилиндрического канала реактора и закалочной камеры в
нижней части реактора, выполненной в виде проточного рекуперативного бункера. Плазмотрон содержит водоохлаждаемый катод 1 чашечной формы, соединенный с водоохлаждаемым цилиндрическим анодом 2 через газовое завихрительное кольцо 3 с резьбовыми
фланцами (на фигуре не показаны). Между анодом 2 и катодом 1 горит электрическая дуга для нагрева смеси плазмообразующего газа и сырья. Анод 2 и катод 1 снабжены рубашками водяного охлаждения (на фигуре не показаны) с токонесущими частями,
изготовленными из меди (на фигуре не показаны). К аноду 2 плазмотрона подсоединен
цилиндрический канал 4 реактора, предназначенный для завершения образования содержащего ацетилен пирогаза и изготовленный из нержавеющей стали типа 12Х18Н10. К цилиндрическому каналу 4 присоединена закалочная камера 5 в нижней части реактора,
выполненная в виде проточного рекуперативного бункера из нержавеющей стали типа
12X18Н10, последовательно соединенного со сборником 6 закалочных жидких углеводородов с примесью сажи. Сборник 6 присоединен к отстойнику 7 для декантационного
очищения закалочных жидких углеводородов (закалочной среды) от сажи. Отстойник 7
подсоединен к насосу 8 для подачи жидких углеводородов в закалочную камеру 5 в нижней части реактора, выполненную в виде проточного рекуперативного бункера. Насос 8
соединен трубопроводом 12 с закалочной камерой 5 и емкостью 9 для добавления жидких
углеводородов на закалку. К закалочной камере 5 в нижней части реактора, выполненной
в виде проточного рекуперативного бункера, с другой стороны присоединен теплообменник 10, который соединен с фильтром 11 для газоочистки отходящего пирогаза от сажи.
Для постоянного энергоснабжения и водяного охлаждения анода и катода плазмотрон
подключен к стандартному выпрямительному блоку электропитания и стандартному блоку оборотного водоснабжения (на фигуре не показаны).
Плазмохимический реактор работает следующим образом.
Первый из режимов работы (нестационарный) используют для запуска установки (выхода на стационарный непрерывный режим получения пирогаза на основе ацетилена и водорода). В этом режиме в плазмохимическом реакторе с электродуговым плазмотроном
мощностью не менее 100 кВт, собранном по вышеописанной и иллюстрируемой фигурой
схеме, вначале включают проточную подачу жидких углеводородов (например, дизельного топлива марки Л-0,5-40) от насоса 8 через закалочную камеру 5 в нижней части реакто4
BY 12189 C1 2009.08.30
ра, выполненную в виде проточного рекуперативного бункера, и сборник 6 закалочных
жидких углеводородов, отстойник 7, емкость 9 для добавления жидких углеводородов на
закалку с постоянным расходом в диапазоне 1-1,5 м3/ч. Затем подают техническую воду в
рубашки водяного охлаждения (на фигуре не показаны) катода 1, анода 2 и цилиндрического канала 4 реактора с постоянным суммарным расходом не менее 2,5 м3/ч под давлением не менее 0,4 МПа. Одновременно подают в газовое завихрительное кольцо 3
технический азот (чистотой не менее 99 %) с постоянным расходом не менее 2,0 г/с под
давлением 0,5-1,0 МПа. После этого от выпрямительного блока электропитания (типа серийного АПР-410) с напряжением холостого хода не менее 530 В вначале выполняется
подача силового напряжения между анодом 2 и катодом 1 плазмотрона, а затем подается
высоковольтный импульс для зажигания электрической дуги между анодом 2 и катодом 1
в плазмотроне. Подают газообразное углеводородное сырье (пропан-бутан или природный
газ) в газовое завихрительное кольцо 3 с постоянным расходом, рассчитанным из условия
обеспечения соотношения расходов от 2,9 до 5,0 кг газообразного углеводородного сырья
на 1 кг азота.
Второй режим работы (стационарный) плазмохимического реактора используют после
окончания первого режима. Критерием начала второго режима является достижение следующих параметров: стабильное горение дуги в плазмотроне при равномерной (с колебаниями не более 2 % от средних значений) подаче смеси азота и газообразного
углеводородного сырья (сырьевая смесь) в массовом соотношении, равном 1 : (2,9-5,0);
проточная подача жидких углеводородов через закалочную камеру 5 в нижней части реактора, выполненную в виде проточного рекуперативного бункера с постоянным расходом в
диапазоне 1,0-1,5 м3/ч; энергозатраты 2,6-2,8 кВтч на кг углеводородного сырья (это соответствует энергозатратам 7,8-8,5 кВтч/кг ацетилена и 35-45 кВтч/кг водорода в пирогазе).
При этом электрическая мощность на дуге плазмотрона составляет не менее 80 кВт.
Такой второй режим работы предназначен для непрерывного (период работы длительностью не менее 100 часов) получения пирогаза на основе ацетилена и водорода. В ходе
данного режима блок электропитания обеспечивает непрерывный режим работы плазмотрона на постоянном токе. В нем непрерывно генерируется высокотемпературная струя
пирогаза, входящая после плазмотрона в цилиндрический канал 4 реактора. Тепловая защита стенок реактора и сопряженного с ним плазмотрона обеспечивается за счет технической воды, подаваемой в непрерывном режиме под давлением в рубашки водяного
охлаждения (на фигуре не показаны). В цилиндрическом канале 4 реактора течет струя
пирогаза со среднемассовой температурой 1800-2500 К, непрерывно образующаяся за счет
пиролиза сырья (пропан-бутана или природного газа). Пирогаз в циллиндрическом канале
4 по составу представляет собой частично термически диссоциированную и ионизованную смесь на основе азота и углеводородного сырья, содержащую в том числе ацетилен и
водород. Пирогаз проходит со скоростью около 30-40 м/с по цилиндрическому каналу 4
реактора, в котором завершаются реакции пиролиза сырьевой смеси, после чего в закалочной камере 5 в нижней части реактора, выполненной в виде проточного рекуперативного бункера, закаливается (с одновременной рекуперацией тепла пирогаза) путем
взаимодействия с проточными жидкими углеводородами, непрерывно подаваемыми от
насоса 8 в закалочную камеру 5 с расходом 1,0-1,5 м3/ч. При данной закалке в непрерывном режиме с производительностью не менее 25-30 кг/ч образуется целевой продукт - пирогаз на основе ацетилена (С2Н2) и водорода (Н2). Образующийся таким образом продукт
непрерывно выводится и поступает из закалочной камеры 5 в нижней части реактора, выполненной в виде проточного рекуперативного бункера, через теплообменник 10 и фильтр
11 на отдельный участок, снабженный стандартным промышленным химическим оборудованием для выделения чистых ацетилена и водорода (на фигуре не показан). Закалочные жидкие углеводороды с примесью сажи, образующейся при абсорбции струи пирогаза
с сажей в жидкости, в непрерывном режиме циркулируют с помощью насоса 8 через зака5
BY 12189 C1 2009.08.30
лочную камеру 5 в нижней части реактора, выполненную в виде проточного рекуперативного бункера, и устройства очистки от сажи - сборник 6 и отстойник 7, причем уменьшение количества жидких углеводородов, разложившихся в ходе пиролиза, пополняется за
счет дозированной подачи новых (не загрязненных сажей) порций углеводородов из емкости 9 по трубопроводу 12 от насоса 8 в закалочную камеру 5 в нижней части реактора,
выполненную в виде проточного рекуперативного бункера.
В ходе второго режима работы плазмохимического реактора ведут периодический
(1 раз в сутки) контроль состава пирогаза на выходе из фильтра 11 с помощью стандартного газового хроматографа (на чертеже не показан).
Например, в оптимальном режиме работы плазмохимический реактор для получения
ацетилена и водорода состоит из трех основных частей:
электродугового плазмотрона постоянного тока, содержащего катод 1, анод 2, газовое
завихрительное кольцо 3 непрерывного режима работы;
цилиндрического канала 4 реактора длиной 0,36 м и внутренним диаметром 0,08 м,
подсоединенного к аноду 2 плазмотрона;
закалочной камеры 5 с внутренним диаметром 0,36 м в нижней части реактора, выполненной в виде проточного рекуперативного бункера.
В ходе получения пирогаза на основе смеси ацетилена и водорода реактор работает в
непрерывном режиме с поддержанием скорости закалки пирогаза 5-105 К/с за счет протока жидких углеводородов (дизельного топлива). При этом энтальпия пирогаза на выходе
из плазмотрона равна 12,9 МДж/кг, расходы азота и пропан-бутана равны соответственно
7,3 кг/ч и 23,8 кг/ч, а удельные энергозатраты (в расчете на мощность плазмотрона) в данном примере составляют 2,6 кВтч/кг сырья (сжиженного пропан-бутана с содержанием
пропана 72,5 объемных % и частично пиролизуемых жидких углеводородов - промышленного дизельного топлива), что соответствует 7,8 кВтч/кг ацетилена. Мощность плазмотрона при этом составляет 87,6 кВт.
В реализованном с помощью реактора режиме состав продукта - пирогаза - на выходе
из него соответствует приведенному в таблице.
Компоненты пирогаза
Концентрация компонентов в пирогазе на выходе из
реактора, объемные %
Этилен (С2Н4)
2,5
Ацетилен (С2Н2)
29,3
Пропилен (С3Н6)
0,3
Метан (СH4)
2,5
Пропан (С3Н8)
<0,1
н-Бутан (С4Н10)
<0,1
Этан (С2Н6)
<0,1
Изобутан (С4Н10)
<0,1
Водород (Н2)
45,1
Азот (N2)
20,1
Пирогаз полученного состава пригоден для переработки в ацетилен чистотой до
99,5 % и технический водород чистотой до 99 % с использованием стандартной техноло-
6
BY 12189 C1 2009.08.30
гии для химической промышленности (основного органического синтеза) и системы газоочистки и разделения.
Полученный побочный продукт – сажа - образуется в объеме проточной углеводородной жидкости в количестве 6 % от массового выхода пирогаза в единицу времени и не
приводит к отложениям на внутренних стенках плазмохимического реактора.
Источники информации:
1. Патент США № 3622493, МПК C22D 7/08, 1971.
2. Патент США № 4105888, МПК Н05В 7/18, 1978.
3. Патент США № 4144444, МПК Н05В 7/18; В01К 001/00; В23К 009/00; 1979 (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
316 Кб
Теги
by12189, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа