Реактор термоокислительного пиролиза метана Советский патент 1992 года по МПК C10G9/38 

Изобретение относится к устройствам для химической переработки природного метана неполным его сжиганием в кислороде под давлением и может быть использовано в химической промышленности при получении ацетилена, синтез-газа и водорода.

Наиболее близким к изобретению является реактор для неполного сжигания под давлением предварительно перемешанных метанокислородных смесей.

Реактор состоит из конической камеры смешения, в верхней части которой расположены патрубки для ввода метана и кислорода, в нижней части камеры расположен распределитель, имеющий многочисленные каналы, сообщающиеся с камерой сгорания. К камере сгорания примыкают патрубки для ввода жидких нефти и воды с целью закалки продуктов реакции. Известный реактор работает следующим образом. В камеру смешения подают предварительно подогретые метан и кислород. Смешиваясь в камере смешения, горючая смесь поступает в распределитель, имея температуру не выше 500°С, а давление не выше 4 атм. На выходе из каналов распределителя метанокислородную смесь поджигают и ниже распределителя в камере сгорания устанавливается стационарное горение мета- нокислородной смеси. Газообразные продукты неполного сжигания (пирогаз), содержащие СО, С02, Н2, Н20 (пар) и С2Н2, из камеры сгорания поступают для извлечения ацетилена.

Недостатком такого реактора в случае проведения термоокислительного пиролиза является недостаточно высокая производительность по ацетилену, содержание которого в пирогазе не превышает 6-8 об.% вследствие недостаточно высокого (не выше 500°С) подогрева исходной метанокисло- родной смеси. При подогреве метанокисло- родной смеси выше 500°С происходит ее самовоспламенение в камере смешения. В случае же применения известного реактора для высокотемпературной кислородной конверсии метана при давлении свыше 30 атм. вообще невозможно осуществить подогрев горючей смеси без ее самовоспламенения, что приводит к недостаточно высокому (не более 80 об.%) содержанию водорода и окиси углерода в получаемом влажном конверсированном газе.

VI

vj 00

Ј О

Целью предлагаемого реактора является повышение производительности.

Указанная цель достигается тем, что реактор термоокислительного пиролиза метана, содержащий цилиндрическую камеру смешения, снабженную средствами повода метана и кислорода, и камеру сгорания, дополнительно содержит сверхзвуковой диффузор, установленный между камерами смешения и сгорания, а средства подвода метана и кислорода выполнены в виде кон- центрично установленных сопл Лаваля.

На чертеже представлена схема реактора.

Реактор включает в себя ресиверы 1 и 2, соединенные соответственно с патрубками 3 и 4 для подачи углеводорода и кислорода, сопла Лаваля 5 и 6, соединенные с ресиверами соответственно 1 и 2, камеру смешения 7, сверхзвуковой диффузор 8, камеру сгорания 9, форсунки 10 для закалки пирогаза, патрубок 11 для отбора газообразных продуктов реакции и патрубок 12 для удаления излишков воды и сажи.

Реактор работает следующим образом.

Предварительно сжатые (до 300 атм.) и подогретые (метан - до 700-900°С, кислород - до 150-200°С) метан и кислород поступают в ресиверы 1 и 2. Из ресиверов 1 и 2 метан и кислород истекают из сопл 5 и 6, приобретая при истечении сверхзвуковую скорость. Одновременно с увеличением скорости происходит падение давления и температуры в соплах до значений, исключающих самовоспламенение при смешении обоих компонентов. Если в ресивере 1 давление метана больше давления кислорода в ресивере 2, то скорость истечения метана будет больше скорости истечения кислорода, за счет чего возникает эффект эжекции кислорода в струю метана, при этом длина камеры смешения 7 составляет 6-10 диаметров этой камеры, т.е. оба газа смешиваются при указанной длине достаточно полно. Сокращению длины камеры 7 способствуют увеличение относительного диаметра сопла 5 и повышение скорости кислорода в сопле 6. После смешения компонентов полученная горючая метанокислородная смесь, имеющая пониженные, препятствующие ее самовоспламенению давление и температуру, из камеры 7 со сверхзвуковой скоростью поступает в диффузор 8, где происходит газодинамическое торможение горючей смеси, сопровождающееся согласно известным законам газовой динамики резким ростом давления и температуры, близким к значениям давления и температуры в ресиверах 1 и 2, до 200 атм. и 800°С,

Вследствие торможения и роста при этом давления и температуры горючая метанокислородная смесь самовоспламеняется и сгорает в камере сгорания 9. Продукты

реакции подвергают закалке с помощью форсунки 10, после чего пирогаз отбирают через патрубок 11. Слив излишков закалочной воды производят через патрубок 12. В случае кислородной конверсии закалку не

0 производят.

Преимуществом приведенной конструкции перед известными устройствами является возможность существенного повышения теплосодержания горючей смеси

5 за счет более высокого подогрева исходного сырья. Это осуществляется установкой функционально связанных конструктивных элементов: сопл Лаваля, позволяющих без самовоспламенения получить в камере

0 смешения метанокислородную смесь с пониженной температурой, и сверхзвукового диффузора, в котором в результате торможения и сжатия горючей смеси восстанавливается исходное суммарное тепло5 содержание метана и кислорода. В известных же устройствах не предусмотрены конструктивные элементы, обеспечивающие снижение температуры во время смешения компонентов и затем восстанов0 ление их исходного суммарного теплосодержания. Вследствие этого максимально возможный предварительный подогрев в этих устройствах ограничен температурой самовоспламенения при смешении нагре5 тых метана и кислорода.

В случае проведения термоокислительного пиролиза метана при коэффициенте расхода кислорода 0,28 расчетная температура горения после самовоспламенения в

0 диффузоре составляет 1400-1500°С. Получаемый после закалки водой охлажденный пирогаз согласно расчету содержит до 10 об. % ацетилена при давлении 10-30 атм. При проведении же кислородной конверсии метана

5 при коэффициенте 0,25 получаемый влажный конверсированный газ согласно термодинамическому расчету содержит более 90% водорода и окиси углерода при давлении до 150-250 атм.

0 Следует отметить, что реактор особенно эффективен при высоких до 100-300 атм давлениях, т.к. при этих давлениях возможность подогрева компонентов в существующих устройствах исключается полностью.

5 Формула изобретения

Реактор термоокислительного пиролиза метана, содержащий цилиндрическую камеру смешения, снабженную средствами подвода метана и кислорода, и камеру сгорания, отличающийся тем, что, с целью

повышения производительности, он дополнительно снабжен сверхзвуковым диффузором, установленным между камерами

смешения и сгорания, а срьдства подвода метана и кислорода выполнены в виде кон- центрично установленных сопл Лаваля.

Использование1 химическая промышленность, для получения ацетилена, синтез-газа и водорода с высокой производительностью./Сущность изобретения: метан и кислород подают в камеру смешения из концентрично установленных сопл Лаваля. Полученную смесь подают в камеру сгорания через сверхзвуковой диффузор. 1 ил.

Кислород

Пирогаз

11

L/J Метан

Вода