СВОБОДНО-ПОРШНЕВОЙ РЕАКТОР СЖАТИЯ Российский патент 2003 года по МПК B01J3/03 C10G9/18 

Изобретение относится к устройствам для реализации химических модификаций веществ при высоких давлениях и температурах и предназначено для осуществления технологии пиролиза углеводородного сырья, направленной на максимальный выход целевых продуктов в возможно более жестких условиях по температуре, давлению и времени протекания процесса,
Для реализации указанных условий реакций значительное распространение в последнее время получили свободно-поршневые реакторы сжатия, характерной особенностью которых является отсутствие механической связи между поршнем и другими узлами установки ("Импульсное сжатие газов в химии и технологии", "Наука", М., 1982 г., стр. 176-222.).

Известен свободно-поршневой реактор сжатия для импульсного сжатия газов, предназначенный для проведения экзотермических химических реакций в режиме быстрых, последовательно повторяющихся циклов сжатия - расширения.

Устройство содержит корпус, установленный вертикально и выполненный в виде цилиндра с закрепленными на его торцах крышками. При этом внутри цилиндра образуется цилиндрическая камера, в полости которой размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободный поршень. Поршень делит камеру на две области, предназначенные для проведения реакций.

В стенке цилиндрической камеры попарно-симметрично относительно его продольной оси выполнены два продувочных отверстия для ввода сырья и два продувочных отверстия для вывода продуктов реакции. В нижней крышке цилиндрической камеры установлен узел запуска, выполненный в виде быстродействующего импульсного газового тарельчатого клапана-устройства, позволяющего осуществить подачу порции сжатого толкающего газа в виде газового импульса заданной формы с крутым передним и задним фронтами и участком постоянной подачи газа заданной длительности (Патент РФ 2142844, опубл. 20.12.99, бюл. 35).

Работа устройства начинается при крайнем нижнем положении поршня с подачи перерабатываемого сырья через продувочные отверстия в верхнюю полость и подачи сжатого толкающего газа в виде газового импульса почти прямоугольной формы. Подобная форма импульса обеспечивается за счет быстрого открытия тарельчатого клапана. Под давлением поступающего газа поршень с сильным ускорением движется вверх, отсекая верхнюю полость от продувочных отверстий с подаваемым сырьем и сжимая находящееся в ней сырье. При этом нижняя полость сообщается с продувочными отверстиями, предназначенными для вывода продуктов реакции, и происходит быстрый выхлоп сжатого толкающего газа. (К этому моменту быстродействующий импульсный газовый клапан закрыт.) Выхлоп сопровождается резким падением давления в нижней полости, после чего она заполняется сырьем, поступающим через продувочные отверстия. При этом кинетическая энергия поршня достаточна для сжатия сырья в верхней полости до температур и давлений, обеспечивающих индуцирование и протекание целевой экзотермической реакции. Под давлением продуктов реакции поршень отбрасывается вниз, сжимая порцию сырья в нижней полости и одновременно сообщая верхнюю полость с продувочными отверстиями. Цикл завершается продувкой верней полости, то есть вытеснением продуктов реакции перерабатываемого сырья.

Далее, под давлением продуктов реакции в нижней полости поршень вновь начинает двигаться вверх и описанный выше цикл повторяется.

Дальнейшая работа устройства представляет собой непрерывную последовательность подобных циклов с попеременной продувкой обеих полостей. При этом поддержание поршня в заданном режиме колебаний осуществляется за счет тепла протекающих экзотермических реакций.

Как видно из описания к изобретению, реактор не решает задачи переработки тяжелого углеводородного сырья, технология пиролиза которого сопровождается эндотермическими реакциями. Последнее ограничивает возможности использования описанного устройства. Ограничивает возможности устройства и конструктивное выполнение обеих реакционных областей в одном цилиндрическом корпусе.

Известен свободно-поршневой реактор сжатия для осуществления химических реакций, например, крекинга углеводородного сырья, реакций синтеза и др., содержащий смонтированные на горизонтальной раме две оппозитно расположенные цилиндрические камеры с крышками на внутренних и внешний торцах, во внутренней полости каждой из которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения, жестко соединенные между собой штоком, свободные поршни одинакового диаметра d; две реакторные области, расположенные в надпоршневых областях; окна для подачи перерабатываемого сырья и выпуска продуктов реакции; узел подвода энергии с приспособлением для запуска. Входные приспособления каждого цилиндра снабжены тарельчатыми клапанами и связаны с емкостью, содержащей перерабатываемый газ, который сжимают с помощью компрессора до умеренно невысокого давления и подают в реакторную область. Причем можно подавать разные виды газа, например, два реагента или реагент и дополнительный инертный транспортирующий газ. Кроме того, каждая реакторная область снабжена дополнительными тарельчатыми клапанами для подачи нагнетаемого газа под высоким давлением из емкости с высоким давлением. Последнее и служит узлом подвода энергии. Поршень при этом связан с контактным устройством, которое управляет соленоидами, воздействующими на впускные клапаны. Когда соленоиды обесточены, отверстия для впуска перекрыты.

Выпускные отверстия каждой камеры расположены таким образом, что они открыты в конце такта расширения соответствующей реакторной области, тогда как другой поршень завершает такт сжатия в противоположном цилиндре. (Патент США 2814551, 26.11.1957).

Устройство работает следующим образом. Из положения, когда в левой реакторной области находится сжатый поршнем газ (подвергаемый реакции или уже прореагировавший), на левый поршень действует значительное давление сжатого газа. При этом продукты реакции, удаляемые или уже удаленные из правой реакторной области через впускные клапаны, заменяются свежей порцией перерабатываемого сырья. Поршень под действием давления, расширяющегося в пространстве газа, движется с ускорением вправо, при этом выпускные отверстия в правом цилиндре закрыты правым поршнем. Соленоид при этом обесточен и впускной клапан справа закрывается. Под действием продолжающегося движения поршня вправо свежий газ, находящийся в правой реакторной области, сжимается до остановки поршня. После завершения этой части такта давление расширяющегося газа на поршень слева падает ниже контролируемого давления сжатого газа в магистрали. В этот момент на соленоид подается напряжение и соответствующий входной тарельчатый клапан слева открывается и впускает нагнетаемый газ, который при этом расширяется и высвобождает энергию, необходимую для уравновешивания давления, потерь тепла, тепла экзотермической реакции и энергии, расходуемой в ходе впуска и выпуска газа в первой половине рабочего цикла. Газ подается в количестве, требуемом для поддержания всего устройства в движении. Сжатие в реакционном пространстве правого цилиндра и расширение в пространстве левого цилиндра продолжаются до тех пор, пока движение поршня не прекратится. После этого впускные и выпускные отверстия левого цилиндра открываются в конце такта, в результате чего свежий газ подается в пространство и замещает выпущенный газ через выпускные отверстия. После этого операции повторяются в обратном направлении.

Описанное устройство, принятое за прототип изобретения, просто в изготовлении. Однако, как и указанное выше устройство - аналог, предназначено для реализации только экзотермических реакций, что ограничивает его возможности, несмотря на использование двух независимых друг от друга цилиндров.

Кроме того, использование в качестве источника энергии для поддержания незатухающих движений поршня емкостей с высоким давлением усложняет его эксплуатацию.

Изобретение решает техническую задачу создания свободно-поршневого реактора сжатия с таким конструктивным его исполнением, которое позволило бы осуществлять все реакции: экзотермические и эндотермические, расширяя тем самым варианты применения и ассортимент перерабатываемого сырья.

Сущность изобретения заключается в разработке свободно-поршневого реактора сжатия, предназначенного преимущественно для пиролиза углеводородного сырья, содержащего два оппозитно расположенных цилиндрических модуля с крышками на внешних торцах и поршнями во внутренних полостях диаметром d, связанными между собой и установленными с возможностью возвратно-поступательного движения, две реакторные области, расположенные в цилиндрических модулях в надпоршневых пространствах, окна для подачи перерабатываемого сырья и выпуска продуктов пиролиза, выполненные в боковых стенках цилиндрических модулей, и узел подвода энергии с пусковым устройством.

Новизна изобретения заключается в выполнении узла подвода энергии в виде цилиндропоршневой пары с диаметром поршня D, причем D>d, установленной между цилиндрическими модулями реактора соосно с ними таким образом, что поршень имеет возможность возвратно-поступательного движения и связан одинаковой длины штоками с поршнями цилиндрических модулей реактора через отверстия в перегородках, выполненных между торцами цилиндрических модулей и торцами цилиндра узла подвода энергии, снабженного впускными и выпускными окнами и приспособлением для воспламенения горючей смеси, при этом цилиндрические модули оснащены датчиками положения поршней.

Целесообразно пусковое устройство реактора выполнить в виде снабженных электромагнитными приводами пусковых клапанов, при этом приводы соединены с электронным блоком синхронизации.

Предполагается также узел подвода энергии выполнить с двумя камерами сжатия горючей смеси и снабдить приспособлением для подачи горючей смеси, а приспособление для воспламенения горючей смеси выполнить в виде свечи зажигания или форсунки.

Суть изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема заявляемого устройства (вариант горизонтального расположения).

Свободно-поршневой реактор сжатия содержит:
1 и 1' - левый и правый цилиндрические модули реактора;
2 и 2' - крышки на внешних торцах цилиндрических модулей (левого и правого);
3 и 3' - перегородки между торцами цилиндра узла подвода энергии и цилиндрических модулей;
4 и 4' - поршни левого и правого цилиндрических модулей диаметром d;
5 и 5' - левая и правая реакторная области;
6 и 6' - приспособления для подачи перерабатываемого сырья;
7 и 7' - приспособления для подачи водорода;
8 и 8' - приспособления для выпуска продуктов реакции;
9 - узел подвода энергии;
10 - цилиндр узла подвода энергии;
11 - поршень узла подвода энергии диаметром D;
12 - приспособление для подачи горючей смеси или воздуха;
13 - приспособление для выпуска продуктов сгорания;
14 и 14' - свечи зажигания или форсунки;
15 и 15' - пусковые клапаны;
16 - впускные окна узла подвода энергии;
17 и 17' - датчики положения поршней реакторных модулей;
18 - выпускные окна узла подвода энергии;
19 и 19' - впускные окна реакторных областей;
20 и 20' - выпускные окна реакторных областей;
21 и 21' - камеры сжатия узла подвода энергии.

Таким образом, свободно-поршневой реактор сжатия представляет собой собранные соосно два цилиндрических модуля 1, 1' и цилиндр узла подвода энергии 10. В центре расположена цилиндропоршневая пара - узел подвода энергии 9 с поршнем 11 диаметром D, установленным с возможностью возвратно-поступательного движения. Цилиндр 10 снабжен окнами 16 для подачи горючей смеси или воздуха и выпускными окнами 18 для выпуска продуктов сгорания, а также приспособлениями для воспламенения горючей смеси: свечами зажигания или форсунками 14, 14'. Поршень 11 образует левую и правую камеры сжатия между перегородками 3 и 3' и своими внешними сторонами.

С помощью штоков одинаковой длины через отверстия в перегородках 3 и 3' поршень 11 соединен с поршнями 4 и 4' диаметром d, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения в левом и правом цилиндрических модулях 1 и Г, расположенных симметрично относительно центра симметрии и оппозитно друг относительно друга. Торцы цилиндрических модулей 1 и 1' закрыты крышками 2 и 2' на внешних торцах. Между внешними сторонами поршней 4 и 4' и крышками на внешних торцах цилиндрических модулей 2 и 2' в надпоршневых полостях расположены реакторные области 5 и 5'. Реакторные области снабжены приспособлениями 6 и 6' для подачи перерабатываемого сырья, окнами 19 и 19' и приспособлениями 7 и 7' для введения в камеру нагретого водорода, а также выпускными устройствами 8 и 8' с окнами 20 и 20' для выведения продуктов пиролиза.

Существенным является выполнение условия D>d. Как показал расчет и подтвердил эксперимент, наиболее благоприятное отношение диаметров D/d для двухтактного цикла примерно равно 1,5.

Устройство работает следующим образом. В качестве примера рассмотрен вариант горизонтального расположения оси.

Пуск осуществляется с помощью клапанов 15 или 15'. Вначале поршень 11 узла подвода энергии 9, а вместе с ним и поршни 4 и 4' перемещают сжатым воздухом, подаваемым через пусковой клапан 15 или 15' в крайнее правое или крайнее левое пусковое положение, соответствующее правой мертвой точке (ПМТ) или левой мертвой точке (ЛМТ).

Для этого в правой (левой) камере сжатия узла подвода энергии 9 и в реакторной области 5' (5) устройствами, не показанными на чертеже, создают режим декомпрессии. После перемещения поршней в ПМТ (ЛМТ) режим декомпрессии ликвидируют. Пусковыми клапанами 15 и 15' с электромагнитным приводом управляют через электронный блок синхронизации (не показан).

При подаче сигнала и открытии пускового клапана 15' (15) импульс сжатого воздуха перемещает поршень 11 в левую (правую) сторону. Осуществляется 1-й такт цикла - наполнение цилиндра и сжатие горючей смеси, поступающей в цилиндр 10 через окна 16. В тот момент, когда поршень 11 подходит к ЛМТ (ПМТ), с некоторым опережением до нее, правый (левый) датчик положения поршней 17' (17) формирует сигнал, который через электронный блок синхронизации управляет работой свечи зажигания 14 (14'). При проскакивании искры между электродами свечи зажигания горючая смесь воспламеняется и продукты сгорания, расширяясь, толкают поршень 11 в правую (левую) сторону. Осуществляется 2-й такт цикла - расширение и выпуск отработавших газов через выпускные окна 18. С некоторым опережением до ПМТ (ЛМТ) левый (правый) датчик 17 (17') положения поршней формирует сигнал, по которому генерируется искра свечи зажигания правой (левой) камеры сжатия цилиндра 10. После воспламенения сжатой горючей смеси в правой (левой) камере сжатия продукты сгорания, расширяясь, перемещают поршень влево (вправо) и таким образом цикл повторяется.

Итак, в цилиндре 10 осуществляется двухтактный цикл газового двигателя двойного действия с воспламенением от искры.

После достижения установившегося режима работы при требуемой частоте циклов осуществляют ввод в работу реакторных модулей с левой 5 и правой 5' реакторными областями.

Частоту циклов регулируют количеством горючей смеси, подаваемой в камеры сжатия 21 и 21' узла подвода энергии 9. В зависимости от конкретного технологического процесса процедура ввода в работу реакторных модулей может быть различной.

Например, при осуществлении реакций пиролиза мазута в реакторные области 5 и 5' через окна 19 и 19' подают под некоторым давлением водород, предварительно нагретый с помощью приспособлений 7 и 7' до температуры 900-1000К. При движении поршня 11, под действием расширяющихся продуктов сгорания, и поршней 4 и 4' к ЛМТ (ПМТ) с некоторым опережением до нее по сигналу от датчика 17 (17') положения поршня через электронный блок синхронизации формируется ответный сигнал, который поступает на приспособление для подачи перерабатываемого сырья 6 (6'), например, форсунку. Происходит впрыск мазута в среду сжатого и нагретого водорода и протекают реакции пиролиза. Осуществляется 1-й такт цикла - наполнение реактора, сжатие газа и впрыск сырья. Продолжительность подачи сигнала от электронного блока синхронизации на приспособление 6 (6') - форсунку определяет цикловую подачу мазута в реакторные области 5 и 5' цилиндрических модулей 1 и 1' реактора.

При движении поршня 11 под действием расширяющихся продуктов сгорания и поршней 4 и 4' в обратном направлении от ЛМТ (ПМТ) происходит резкое падение давления и температуры в реакторной камере и "закалка" продуктов реакции. Продукты пиролиза через окна 20 (20') и приспособления 8 (8') удаляются по трубопроводу из реакторной области 5 (5'). Осуществляется 2-й такт - расширение и выпуск продуктов реакции. В правой 5' (левой 5) реакторной области в соответствующие моменты протекают аналогичные процессы: наполнение водородом, его сжатие, впрыск мазута, реакции пиролиза, "закалка" продуктов реакции, выпуск. Затем цикл повторяется.

Таким образом, в реакторных областях 5 и 5' осуществляется двухтактный цикл импульсного сжатия газов.

Выше приведен пример реализации эндотермической реакции, которая возможна благодаря предложенному решению непрерывной работе узла 9 подвода энергии.

Для реализации экзотермических реакций, например, при переработке газофазных продуктов мощность узла 9 подвода энергии в основном используют в период запуска устройства, а после выхода на стационарный режим ее или уменьшают, или отключают узел подвода энергии 9 совсем.

Таким образом, предложенный свободно-поршневой реактор сжатия обладает более широкими функциональными возможностями, так как позволяет реализовать как экзотермические, так и эндотермические реакции, т.е. достигается технический результат, сформулированный ранее в поставленной задаче. Кроме того, устройство мобильно, легко модернизируется под соответствующий технологический процесс благодаря предусмотренной возможности замены реакторных цилиндрических модулей.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что использование цилиндро-поршневой пары в качестве привода известно, например, для двигателя внутреннего сгорания, в котором она используется для повышения эффективности газообмена (Патент 1192635, опубл. 15.11.85).

Использование же цилиндро-поршневой пары с указанными выше техническими дополнениями в качестве узла 9 подвода энергии для свободно-поршневого реактора сжатия не известно.

Для эксперимента на опытной лабораторной установке в качестве пиролизуемого сырья был выбран мазут 100 с содержанием серы 2-4%, плотностью 970 кг/м³ и t_нз=330^oС.

Как показали результаты переработки, на выходе было получено, %:
Этилен до - 33-34
Пропилен до - 12-13
Бутадиен до - 3-4
Пироконденсат до - 7-8
Тяжелая смола - 22-23
что свидетельствует о глубокой - до 80% переработке нефти.

Что касается промышленной применимости устройства, то расчеты показали, что для нефтехимической отрасли, например, рентабельным будет свободно-поршневой реактор сжатия, обеспечивающий переработку 50-60 тысяч тонн мазута или других углеводородов в год. Такая производительность может быть обеспечена опытно-промышленным образцом свободно-поршневого реактора сжатия, содержащим 4 пары цилиндров, расположенных горизонтально, с рабочим объемом одного реакторного цилиндра 21,5 л. Суммарный объем 8 цилиндров при этом равен 172 л. Основные параметры устройства:
- диаметр цилиндрической камеры реактора 260 мм;
- диаметр цилиндра узла подвода энергии 360 мм;
- ход поршня 540 мм.

Ориентировочные габариты:
L=6,5-7,0 м; В=7,0-7,5 м; Н=1,5-1,7 м.

Масса: 30-35 т.

Свободно-поршневой реактор сжатия предназначен преимущественно для пиролиза углеводородного сырья. Содержит два оппозитно расположенных цилиндрических модуля с крышками на внешних торцах и поршнями во внутренних полостях диаметром d, связанных между собой и установленных с возможностью возвратно-поступательного движения. Также содержит две реакторные области, расположенные в цилиндрических модулях в надпоршневых пространствах, окна для подачи перерабатываемого сырья и выпуска продуктов пиролиза, выполненные в боковых стенках цилиндрических модулей, и узел подвода энергии с пусковым устройством. Узел подвода энергии выполнен в виде цилиндро-поршневой пары с диаметром поршня D, причем D>d, установленной между цилиндрическими модулями реактора соосно с ними. При этом поршень имеет возможность возвратно-поступательного движения и связан одинаковой длины штоками с поршнями цилиндрических модулей реактора через отверстия в перегородках, выполненных между торцами цилиндрических модулей и торцами цилиндра узла подвода энергии, снабженного впускными и выпускными окнами и приспособлением для воспламенения горючей смеси. Цилиндрические модули оснащены датчиками положения поршней. Предложенная конструкция устройства позволяет расширить ассортимент перерабатываемого сырья за счет возможности проведения как эндотермических, так и экзотермических реакций. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Свободно-поршневой реактор сжатия, преимущественно для пиролиза углеводородного сырья, содержащий два оппозитно расположенных цилиндрических модуля с крышками на внешних торцах и поршнями во внутренних полостях диаметром d, связанных между собой и установленных с возможностью возвратно-поступательного движения, две реакторные области, расположенные в цилиндрических модулях в надпоршневых пространствах, окна для подачи перерабатываемого сырья и выпуска продуктов пиролиза, выполненные в боковых стенках цилиндрических модулей, и узел подвода энергии с пусковым устройством, отличающийся тем, что узел подвода энергии выполнен в виде цилиндро-поршневой пары с диаметром поршня D, причем D>d, установленной между цилиндрическими модулями реактора соосно с ними таким образом, что поршень имеет возможность возвратно-поступательного движения и связан одинаковой длины штоками с поршнями цилиндрических модулей реактора через отверстия в перегородках, выполненных между торцами цилиндрических модулей и торцами цилиндра узла подвода энергии, снабженного впускными и выпускными окнами и приспособлением для воспламенения горючей смеси, при этом цилиндрические модули оснащены датчиками положения поршней. 2. Свободно-поршневой реактор сжатия по п.1, отличающийся тем, что пусковое устройство реактора выполнено в виде снабженных электромагнитными приводами пусковых клапанов, при этом приводы соединены с электронным блоком синхронизации. 3. Свободно-поршневой реактор сжатия по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел подвода энергии выполнен с двумя камерами сжатия горючей смеси и снабжен приспособлением для подачи горючей смеси, а приспособление для воспламенения горючей смеси выполнено в виде свечи зажигания или форсунки.