СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности для нагрева жидкости без использования теплопередающих поверхностей. Оно может быть использовано во всех отраслях промышленности. Преимущественная область использования - обеспечение энергией теплоемких систем сбора, подготовки и переработки углеводородного сырья, а также производств химии и нефтехимии.

Известен способ (см. патент РФ №2045715, МПК⁶ F 25 В 29/00, опубл. 10.10.95 г., Бюл. №28) нагрева жидкости, включающий нагнетание жидкости циркуляционным насосом, ускорение ее движения и создание вихревого потока, последующее торможение жидкости, придание ей линейного движения, отбор тепла и подачу жидкости на вход циркуляционного насоса. Тепло генерируется путем изменения физико-механических параметров жидкостной среды, в частности изменения ее давления, скорости и направления движения. Т.е. путем преобразования энергии, привнесенной в поток жидкости циркуляционным насосом при ее нагнетании.

Недостатком описанного способа является снижение интенсивности нагрева жидкости из-за уменьшения ее скорости вращения по длине вихревого потока.

Интенсифицируют превращение энергии давления жидкости в тепло путем изменения ее физико-механических параметров посредством кавитации (см. патент РФ №2153131, МПК⁷ F 24 Н 1/00, F 24 D 3/02, опубл. 20.07.00 г., Бюл. №20).

При изменении параметров жидкости в кавитирующем потоке, таких как давление, объем, плотность жидкостной среды, последняя интенсивно нагревается. Количество вырабатываемого тепла в единицу времени (теплопроизводительность) равно количеству электрической энергии, затрачиваемой на нагнетание жидкости.

Однако на предприятиях сбора, подготовки, переработки углеводородного сырья, химии, нефтехимии и пр. при выполнении технологических процессов периодически требуется повышенное количество тепла. Применение для покрытия пиковых тепловых нагрузок нагнетателей жидкости, имеющих запас постоянной повышенной мощности, технически и экономически не целесообразно.

Целью настоящего изобретения является повышение количества вырабатываемого тепла без увеличения затрат электрической энергии на изменение физико-механических параметров жидкостной среды.

Указанная цель достигается тем, что в способе нагрева жидкости, включающем превращение энергии ее давления в тепло путем изменения физико-механических параметров жидкости посредством кавитации, отбор от нагретой жидкости тепла потребителем и подачу охлажденной жидкости на нагнетание, в кавитирующую жидкость (воду) подают метаносодержащий газ, проводят контакт этого газа и кавитирующей жидкости с прохождением экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и (или) высших углеводородов, после отбора тепла охлажденную жидкость очищают от кислородоорганических соединений, высших углеводородов и непрореагировавших газов, повышают давление очищенной жидкости.

С целью повышения эффективности подачу метаносодержащего газа в кавитирующую жидкость и проведение контакта между ними производят многократно.

С целью интенсификации экзотермических реакций синтеза высших углеводородов контакт метаносодержащего газа и кавитирующей жидкости проводят в присутствии катализаторов, содержащих карбиды, нитриды, бориды и оксиды металлов IV группы Периодической системы элементов.

С целью интенсификации экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений подают метаносодержащий газ, в состав которого входит кислород.

С целью интенсификации экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений и высших углеводородов контакт метаносодержащего газа, в состав которого входит кислород, и кавитирующей жидкости осуществляют в присутствии катализаторов, содержащих цинк, хром, металлы VIII группы Периодической системы элементов (никель, кобальт, железо с добавками оксида алюминия, оксида тория, циркония, титана и др.) и сверхвысококремнеземные синтетические цеолиты типа ZSM, промотированных солями металлов (калия, свинца, кальция, цезия, серебра, никеля и др.).

С целью повышения эффективности и экологичности процесса нагрева жидкости непрореагировавшие газы подают в метаносодержащий газ (рециркулируют).

По данным патентно-технической литературы не обнаружена аналогичная совокупность отличительных признаков, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемого способа нагрева жидкости.

При подаче метаносодержащего газа в кавитирующую жидкость - воду и их контакте происходит очень быстрое сжатие кавитационных пузырьков с последующим их исчезновением, т.е. коллапсом. Процесс сжатия и коллапса кавитационных пузырьков происходит под действием на них давления газовой фазы. Скорость сжатия кавитационных пузырьков очень высока и зависит от величины давления подаваемой газовой фазы. Чем больше величина этого давления, тем выше скорость сжатия и коллапса кавитационных пузырьков. По данным скоростной киносъемки она достигает 5·10²-1·10³ м/с. В связи с этим время сжатия пузырька до его полного исчезновения невелико. Например, для кавитационного пузырька радиусом 1 мм при давлении 1·10⁵ Па это время составляет 1·10^-7 c, а при Р=1·10⁶ Па величина τ=3·10^-8 с. В связи с тем, что время сжатия кавитационного пузырька очень мало, весь процесс его сжатия и коллапса происходит без теплообмена с окружающей средой, т.е. адиабатически. Поэтому в заключительной стадии сжатия и коллапса кавитационного пузырька внутри него повышается давление до величин порядка 10⁸ Па и увеличивается температура до 10⁴ °С (см. кн. Физика. Большой энциклопедический словарь/ гл. ред. А.М.Прохоров - М.: Большая Российская энциклопедия 1999, с.236-237).

Высокие скорости сжатия кавитационного пузырька и большое давление внутри него накладываются на скорости молекул, флуктуирующих под действием тепловой энергии. Это обуславливает интенсивное движение последних, от действия которого разрываются межмолекулярные связи. Вода разлагается на кислород и водород

При высокой температуре электроны атомов находятся в возбужденном состоянии. Они занимают самые высокие энергетические уровни, где связь с протонами у них чрезвычайно слаба. В связи с этим происходит отрыв электронов с их высокоэнергетических уровней свободных атомов. Из разрушенных молекул и атомов образуется ионизированный газ. В этом газе отрицательно заряженные электроны готовы вступить в связь со свободными протонами. А положительно заряженные протоны готовы вступить в связь со свободными электронами или со свободными нейтронами. Таким образом, вещество жидкости становится химически активным.

При взаимодействии кавитационных пузырьков с метаносодержащим газом происходит внедрение химически активного вещества из кавитационных пузырьков в газовую фазу. Внедрение происходит под воздействием удара кумулятивных струй, возникающих в кавитационных пузырьках при их несферическом сжатии. В природе практически нет материала, который мог бы противостоять удару этих кумулятивных струй.

На фиг.1 представлена схема взаимодействия кавитационных пузырьков 1 с образованием кумулятивных струй 2 при встрече с пузырьками 3 метаносодержащего газа.

Во время ударного контакта кавитационного пузырька и метаносодержащего газа происходит передача энергии кавитационного пузырька метаносодержащему газу. При этом происходит нагрев метаносодержащего газа до температур порядка 350-1200°С и местное давление при ударе достигает более 10,0 МПа.

В этих условиях между химически активным ионизированным газообразным веществом кавитационных пузырьков и метаносодержащим газом происходят следующие экзотермические реакции синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и высших углеводородов:

- прямого синтеза алифатических и ароматических углеводородов из метана СН₄ и водорода 2Н из молекул воды, разложившихся в кавитационных пузырьках, с выделением тепла (Q)

nCH₄+2Н → алифатические и ароматические углеводороды +Q (2)

- синтеза кислородоорганического соединения - метанола СН₃ОН путем прямого окисления метана CH₄ кислородом О из молекул воды, разложившихся в кавитационных пузырьках, с выделением тепла

- получения синтез-газа, состоящего из оксида углерода СО и водорода Н₂, путем окисления метана CH₄ кислородом из молекул воды, разложившихся в кавитационных пузырьках, с выделением тепла

- получения диоксида углерода CO₂ и водорода Н₂ при реакции оксида углерода СО с химически активными молекулами воды из кавитационных пузырьков с выделением тепла

- синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) из оксида углерода СО, диоксида углерода и водорода Н₂ с выделением тепла

- синтеза высших углеводородов С_nH_2n+2 и С_nН_2n из метанола СН₃ОН с выделением тепла

- синтеза высших углеводородов с выделением тепла

Таким образом, при подаче в кавитирующую жидкость (воду) метаносодержащего газа и проведении контакта этого газа и кавитирующей жидкости с прохождением экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и (или) высших углеводородов выделяется дополнительное количество тепла, за счет которого повышается общее количество вырабатываемого тепла без увеличения затрат электрической энергии на изменение физико-механических параметров жидкостной среды.

Многократная подача метаносодержащего газа в кавитирующую жидкость и контакт между ними повышают эффективность процессов массо - и теплообмена и, как следствие, увеличивают количество прореагировавшего метана в экзотермических реакциях синтеза, что в конечном итоге приводит к повышению получаемого тепла.

Проведение контакта метаносодержащего газа и кавитирующий жидкости в присутствии катализаторов, содержащих карбиды, нитриды, бориды и оксиды металлов IV группы Периодической системы элементов, позволяет интенсифицировать на два - три порядка экзотермическую реакцию (2) прямого синтеза алифатических и ароматических углеводородов из метана СН₄ и водорода 2Н из молекул воды, разложившихся в кавитационных пузырьках, и тем самым увеличить количество выделяемого тепла в единицу времени.

Подача метаносодержащего газа в кавитирующую жидкость, в составе которого входит кислород, позволяет увеличить выход синтетических кислородоорганических соединений по реакциям (3), (7)-(13), синтез-газа по реакциям (4), (5) и, как следствие, высших углеводородов по реакциям (15), (16), что в конечном итоге позволяет увеличить количество выделяемого тепла.

Контакт метаносодержащего газа, в состав которого входит кислород, и кавитирующей жидкости в присутствии катализаторов, содержащих металлы: цинк, хром, VIII группы Периодической системы элементов (никель, кобальт, железо с добавками оксида алюминия, оксида тория, циркония, титана и др.), позволяет интенсифицировать в несколько раз прохождение экзотермических реакций:

- (4) и (5) окисления метана СН₄ кислородом из молекул воды, разложившихся в кавитационных пузырьках, до получения синтез-газа, состоящего из оксида углерода СО и водорода Н₂;

- (7)-(13) синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) из оксида углерода СО и водорода Н₂;

- (15), (16) синтеза высших углеводородов;

сверхвысококремнеземные синтетические цеолиты типа ZSM, промотированных солями металлов (калия, свинца, кальция, цезия, серебра, никеля и др.), ускоряют прохождение реакции (14) синтеза высших углеводородов С_nН_2n+2 и С_nН_2n из метанола СН₃ОН.

Это в конечном итоге приводит к образованию из прореагировавшего метана 78% парафиновых и 15% алифатических, ароматических углеводородов нормального строения, 3% разветвленных парафиновых и олефиновых углеводородов, а также 4% кислородоорганических соединений с выделением дополнительного количества тепла.

Количество тепла, получаемого от экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений и высших углеводородов, составляет порядка 401 кДж/моль прореагировавшего метана.

Рециркуляция непрореагировавших газов с метаносодержащим газом позволяет повысить количество прореагировавшего метана на 30-40% и, как следствие, увеличить количество получаемого тепла и повысить экологичность процесса за счет снижения (исключения) сбросных газов.

После отбора тепла потребителем охлажденную жидкость - воду очищают от кислородоорганических соединений выпариванием последних или ректификацией. Очистку жидкости от сконденсировавшихся высших углеводородов и непрореагировавших газов выполняют сепарацией или фильтрацией. После чего очищенную жидкость подают на нагнетание (рецикл).

Предлагаемый способ реализуется в установке, принципиальная схема которой представлена на фиг.2. Установка содержит насос 1, реактор 2, теплообменник 3, трехфазный разделитель 4, блок ректификации 5, трубопроводы 6, 7, 8, эжектор 9.

Установка (фиг.2) работает следующим образом. Насосом 1 нагнетают жидкость - воду. Энергию давления превращают в реакторе 2 в тепло путем изменения физико-механических параметров жидкости посредством кавитации. От нагретой жидкости отбирают тепло в теплообменнике 3. По трубопроводу 6 в реактор 2 по трубопроводу 6 подают метаносодержащий газ 22. При контакте метаносодержащего газа 22 и кавитирующей жидкости 21 проходят экзотермические реакции синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и высших углеводородов. В результате этого выделяется дополнительное количество тепла, которым нагревается жидкость. После отбора тепла в теплообменнике 3 охлажденную жидкость очищают в трехфазном разделителе 4 от высших углеводородов и непрореагировавших газов, а в блоке ректификации 5 - от кислородоорганических соединений (спиртов). Очищенную жидкость подают по трубопроводу 7 на нагнетание в насосе 1.

Непрореагировавшие газы из трехфазного разделителя 4 по трубопроводу 8 подают с помощью эжектора 9 в метаносодержащий газ и, таким образом, рециркулируют.

В многоступенчатом реакторе 2, принципиальная схема которого показана на фиг.3, производят многократно подачу метаносодержащего газа 22 в кавитирующую жидкость 21 и проведение контакта между ними.

Многоступенчатый реактор (фиг.3) содержит несколько последовательно расположенных ступеней 10-12. Каждая ступень состоит из сопла Вентури 13 и сепаратора 14. Сопло Вентури 13 имеет патрубок 15 ввода метаносодержащего газа 22 и патрубок 16 ввода жидкости. Сепаратор 14 снабжен патрубком 17 вывода метаносодержащего газа и патрубком 18 вывода жидкости. При этом патрубки 18 вывода жидкости каждой предыдущей ступени соединены трубопроводом 19 с патрубком 16 ввода жидкости последующей ступени, а патрубок 17 вывода метаносодержащего газа каждой последующей ступени соединен трубопроводом 20 с патрубком ввода 15 газа каждой предыдущей ступени.

Жидкость подается последовательно по ступеням 10, 11, 12, а метаносодержащий газ 22 - с каждой последующей ступени на предыдущую, т.е. в обратном порядке по ступеням 12, 11, 10.

ПРИМЕР. В данной установке нагрев жидкости осуществляется следующим образом:

Насосом 1 (фиг.2) нагнетают жидкость - воду в реактор 2 (фиг.2). В реакторе 2 (фиг.3) в соплах Вентури 13 каждой его ступени 10-12 (фиг.3) жидкость разгоняется до скорости порядка 30 м/с, при которой происходит кавитация. В кавитирующую жидкость 21 подают по патрубку 15 природный метаносодержащий газ 22. В диффузоре 23 сопла Вентури 13 проводят контакт метаносодержащего газа 22 и кавитирующей жидкости 21 с прохождением экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и высших углеводородов.

Без применения катализаторов эффективность конверсии метана в кислородоорганические соединения (спирты) и высшие углеводороды составляет порядка 5-7% на каждой ступени реактора. Поэтому для проведения полной конверсии метана применяется десятиступенчатый реактор, в который жидкость нагнетается с давлением 10,0 МПа.

Эффективность процесса конверсии метана в кислородоорганические соединения (спирты) и высшие углеводороды на каждой ступени повышается до 16-18% при наличии в метаносодержащем газе до 2-8 об.% кислорода и при наличии в жидкости порошковых катализаторов, содержащих:

- карбиды, нитриды, бориды и оксиды металлов IV группы Периодической системы элементов;

- металлы: цинк, хром, VIII группы Периодической системы элементов (никель, кобальт, железо с добавками оксида алюминия, оксида тория, циркония, титана и др.);

- сверхвысококремнеземные синтетические цеолиты типа ZSM, промотированных солями металлов (калия, свинца, кальция, цезия, серебра, никеля и др.).

При эффективности процесса конверсии метана 16-18% применяется шестиступенчатый реактор, в который жидкость нагнетается с давлением 25 МПа.

Движение метаносодержащего газа с каждой последующей ступени на предыдущую осуществляется эжекцией за счет срабатывания энергии давления жидкости при кавитации.

При изменении физико-механических параметров жидкостной среды за счет кавитации энергия давления преобразуется в тепловую энергию. За счет прохождения экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и высших углеводородов выделяется дополнительное количество тепла порядка 401 кДж/моль прореагировавшего метана.

После отбора тепла в теплообменнике 3 (фиг.2) охлажденную жидкость очищают от высших углеводородов и непрореагировавших газов в трехфазном разделителе 4. При этом непрореагировавшие газы подают из трехфазного разделителя 4 через эжектор 9 в метаносодержащий газ. От кислородоорганических соединений (спиртов) жидкость очищают в блоке ректификации 5. Очищенную жидкость подают по трубопроводу 7 (фиг.2) в насос 1, которым вновь повышают ее давление.

Высшие углеводороды и спирты, получившиеся в результате конверсии метана при экзотермических реакциях и отделенные от жидкости в трехфазном разделителе 4 и блоке ректификации 5, используются в качестве жидкого топлива и сырья для химической промышленности.

Способ нагрева жидкости может быть использован в химической, нефтехимической и других областях промышленности при обеспечении энергией теплоемких систем сбора, подготовки и переработки углеводородного сырья. Сущность изобретения в том, что в кавитирующую жидкость (воду) подают метаносодержащий газ, проводят контакт этого газа и кавитирующей жидкости с прохождением экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и (или) высших углеводородов, после отбора тепла охлажденную жидкость очищают от кислородоорганических соединений, высших углеводородов и непрореагировавших газов, повышают давление очищенной жидкости, при этом подачу метаносодержащего газа в кавитирующую жидкость и проведение контакта между ними производят многократно. Контакт метаносодержащего газа и кавитирующей жидкости проводят в присутствии катализаторов, содержащих карбиды, нитриды, бориды и оксиды металлов IV группы Периодической системы элементов или металлы: цинк, хром, VIII группы Периодической системы элементов (никель, кобальт, железо с добавками оксида алюминия, оксида тория, циркония, титана и др.), и (или) сверхвысококремнеземные синтетические цеолиты типа ZSM, промотированных солями металлов (калия, свинца, кальция, цезия, серебра, никеля и др.). При этом непрореагировавшие газы подают в метаносодержащий газ. Такой способ повышает количество вырабатываемого тепла без увеличения затрат энергии на изменение физико-механических параметров жидкостной среды. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ нагрева жидкости, включающий превращение энергии ее давления в тепло путем изменения физико-механических параметров жидкости посредством кавитации, отбор от нагретой жидкости тепла, отличающийся тем, что в кавитирующую жидкость (воду) подают метаносодержащий газ, проводят контакт этого газа и кавитирующей жидкости с прохождением экзотермических реакций синтеза кислородоорганических соединений (спиртов) и (или) высших углеводородов, после отбора тепла охлажденную жидкость очищают от кислородоорганических соединений, высших углеводородов и непрореагировавших газов, повышают давление очищенной жидкости.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу метаносодержащего газа в кавитирующую жидкость и проведение контакта между ними производят многократно.3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что контакт метаносодержащего газа и кавитирующий жидкости проводят в присутствии катализаторов, содержащих карбиды, нитриды, бориды и оксиды металлов IV группы Периодической системы элементов.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в кавитирующую жидкость подают метаносодержащий газ, в состав которого входит кислород.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что контакт метаносодержащего газа, в состав которого входит кислород, и кавитирующей жидкости осуществляют в присутствии катализаторов, содержащих металлы: цинк, хром, VIII группы Периодической системы элементов (никель, кобальт, железо с добавками оксида алюминия, оксида тория, циркония, титана и др.) и (или) сверхвысококремнеземные синтетические цеолиты типа ZSM, промотированных солями металлов (калия, свинца, кальция, цезия, серебра, никеля и др.).6. Способ по п.4, отличающийся тем, что контакт метаносодержащего газа, в состав которого входит кислород, и кавитирующей жидкости осуществляют в присутствии катализаторов, в которые входят сверхвысококремнеземные синтетические цеолиты типа ZSM, промотированных солями металлов (калия, свинца, кальция, цезия, серебра, никеля и др.).7. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавшие газы подают в метаносодержащий газ (рециркулируют).