Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Хведчин Игорь Васильевич Моссэ Альфред Львович Скоморохов Дмитрий Сергеевич Ложечник Александр Васильевич Савчин Василий Васильевич Леончик Александр Игоревич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Плазмохимический реактор конверсии углеводородов, включающий электродуговой плазмотрон постоянного тока, содержащий водоохлаждаемый катод, соединенный с водоохлаждаемым цилиндрическим анодом через газовое завихрительное кольцо непрерывного режима работы с резьбовым фланцем, катод и анод содержат штуцера, снабженные рубашками водяного охлаждения с медными токоведущими частями закалочную камеру,расположенную в нижней части реактора и выполненную в виде проточного рекуперативного бункера, цилиндрический узел подачи углеводородов, установленный между анодом и закалочной камерой соосно им, при этом закалочная камера снабжена цилиндрической вставкой с продольными технологическими отверстиями, выполненной из коррозионностойкого материала, например из нержавеющей стали. 17061 1 2013.04.30 Изобретение относится к области химической промышленности и водородной энергетики, в частности к плазмохимическим реакторам конверсии углеводородов, и может найти применение при создании аппаратов и процессов для производства ацетилена и других углеводородов. Известен ряд способов конверсии жидких или газообразных (в основном алкановых) углеводородов с целью получения ацетилена и водорода и их смесей путем высокотемпературного, в том числе плазменного, пиролиза и соответствующих устройств для реализации данных процессов. Так известно устройство для получения газа на основе ацетилена и водорода, представляющее собой плазмохимический реактор 1, работающий при атмосферном (0,1 МПа) давлении пирогаза и включающий последовательно соединенные камеру смешения впрыскиваемого углеводородного сырья со струями плазмы из трех присоединенных к камере плазмотронов и цилиндрический канал реактора. Это устройство имеет два основных недостатка использование в качестве плазмообразующего газа дорогого и взрывоопасного водорода неравномерное по длине цилиндрического канала плазмохимического реактора превращение углеводородного сырья в ацетиленовый продукт, что приводит к постепенному зарастанию стенок отложениями сажи (побочным продуктом пиролиза сырья) из-за применения однофазных плазмотронов переменного тока, которые работают в неравномерном во времени, температурном режиме. Также известен плазмохимический реактор для пиролизного получения низших непредельных углеводородов и технического водорода из углеводородного сырья 2. Он представляет собой последовательно соединенные электродуговой плазмотрон постоянного тока и закалочную камеру для получения холодного пирогаза с высокой концентрацией ацетилена и водорода. В реакторе поддерживается непрерывный режим 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. Плазмообразующий газ используется в трех отдельных вариантах водород (а), природный газ (б) и азот (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 подачей водорода (а), как плазмообразующего газа, недостатком является использование дорогого и взрывоопасного водорода для постоянной подачи в плазмотрон по газоходу, а также повышенные удельные энергозатраты, равные 11,5 кВтч на 1 нм 3 получаемого после закалки пирогаза (10,0 кВтч на 1 кг ацетилена (22. В варианте работы реактора с подачей в плазмотрон природного газа (б), как плазмообразующего газа, недостатками являются повышенные удельные энергозатраты 12 кВтч на 1 нм 3 получаемого пирогаза (10,3 кВтч на 1 кг ацетилена (22, 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(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. Наиболее близким к заявляемому плазмохимическому реактору, выбранным в качестве прототипа, является плазмохимический реактор для получения ацетилена 3. Данный плазмохимический реактор для получения ацетилена (конверсии углеводородов) 2 17061 1 2013.04.30 содержит электродуговой плазмотрон постоянного тока, содержащий катод, анод с подсоединенным цилиндрическим каналом, длина которого составляет от 2 до 5 величин его внутреннего диаметра, газовое завихрительное кольцо непрерывного режима работы,обеспечивающих работу по схеме с односторонним истечением пирогаза в канал, и закалочную камеру. Через газовое завихрительное кольцо поступает смесь азота и газообразного углеводородного сырья в массовом соотношении, равном 1(2,9-5,0). 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. Плазмохимический реактор имеет следующие недостатки использование в качестве углеводородного сырья для получения ацетилена и водорода взрывоопасных газообразных углеводородов ограничение спектра материалов в качестве углеводородного сырья ограничение зоны реакции цилиндрическим каналом, что может привести к неполному протеканию реакции конверсии пропан-бутана в ацетилен. Задачей заявляемого изобретения является расширение спектра материалов, используемых для получения пирогаза, повышение безопасности при эксплуатации плазмохимического реактора, увеличение зоны реакции, обеспечивающее более полную конверсию углеводородов. Задача решается следующим образом. Известный плазмохимический реактор конверсии углеводородов содержит электродуговой плазмотрон постоянного тока, содержащий водоохлаждаемый катод, соединенный с водоохлаждаемым цилиндрическим анодом через газовое завихрительное кольцо непрерывного режима работы с резьбовым фланцем, катод и анод содержат штуцера, снабженные рубашками водяного охлаждения с медными токоведущими частями закалочную камеру, расположенную в нижней части реактора и выполненную в виде проточного рекуперативного бункера. Согласно предлагаемому изобретению, плазмохимический реактор дополнительно содержит цилиндрический узел подачи углеводородов, установленный между анодом и закалочной камерой соосно им, при этом закалочная камера снабжена цилиндрической вставкой с продольными технологическими отверстиями. Цилиндрическая вставка выполнена из коррозионностойкого материала, например из нержавеющей стали. За счет указанных конструктивных особенностей обеспечивается следующее. В качестве плазмообразующего газа используется воздух, что значительно снижает взрывоопасность процесса, тем самым повышая безопасность эксплуатации реактора, и уменьшает стоимость получения ацетилена и водорода. Присоединенный к аноду плазмотрона цилиндрический узел подачи углеводородов позволяет осуществлять подачу не только газообразных, но и жидких углеводородов. Цилиндрическая вставка с продольными технологическими отверстиями позволяет увеличить зону реакции, что в свою очередь обеспечивает более полное прохождение конверсии углеводородного сырья. Также цилиндрическая вставка позволяет осуществлять процесс закалки продуктов конверсии с максимальной эффективностью (скоростью),что в свою очередь позволяет избежать нежелательных вторичных реакций с образованием побочных продуктов. Совокупность таких конструктивных особенностей, как дополнительное введение цилиндрического узла подачи углеводородов, его установка между анодом и закалочной камерой соосно им, а также установка в закалочной камере цилиндрической вставки с продольными технологическими отверстиями, обеспечивает подачу не только газообразных, но и жидких углеводородов и при этом увеличивает зону реакции, что в свою очередь обеспечивает более полное прохождение конверсии углеводородного сырья в целевые продукты. 3 17061 1 2013.04.30 На фигуре схематично показан общий вид предлагаемого плазмохимического реактора. Данный плазмохимический реактор состоит из трех основных узлов электродугового плазмотрона постоянного тока, цилиндрического узла подачи углеводородов и закалочной камеры в нижней части реактора, выполненной в виде проточного рекуперативного бункера. Плазмотрон содержит водоохлаждаемый катод 1, соединенный с водоохлаждаемым цилиндрическим анодом 2 через газовое завихрительное кольцо 3 с резьбовым фланцем 4. Между катодом 1 и анодом 2 горит электрическая дуга для нагрева плазмообразующего газа. Катод 1 содержит штуцера 10 и 13, а анод 2 содержит штуцера 11 и 14, предназначенные для подачи и отвода воды соответственно на их охлаждение, и снабжены рубашками водяного охлаждения (на фигуре не показаны). На штуцерах 10 и 11 установлены токоведущие части, изготовленные из меди. К аноду 2 плазмотрона подсоединен цилиндрический узел 5 подачи углеводородов, снабженный штуцером 9 и предназначенный для подачи углеводородов в плазменный поток. К цилиндрическому узлу 5 подачи углеводородов присоединена закалочная камера 6, выполненная в виде проточного рекуперативного бункера. В закалочной камере 6, предназначенной для резкого охлаждения пирогаза закалочной жидкостью, установлена цилиндрическая вставка 7, выполненная из коррозионностойкого материала, например из нержавеющей стали, с продольными технологическими отверстиями 8, которые обеспечивают циркуляцию закалочной жидкости в закалочной камере 6. Отвод пирогаза из закалочной камеры 6 осуществляется через патрубок 12. Для обеспечения работы плазмотрон подключен к стандартному источнику питания постоянного тока и системе оборотного водоснабжения (на фигуре не показаны). Для циркуляции закалочной жидкости используют насос (на фигуре не показан) с емкостью для хранения и подачи жидких углеводородов. Плазмохимический реактор работает следующим образом. Работа реактора включает два режима. Первый из режимов работы (нестационарный) используют для запуска установки (выхода на стационарный непрерывный режим получения пирогаза). В этом режиме в плазмохимическом реакторе с электродуговым плазмотроном, собранном по вышеописанной и иллюстрируемой фигурой схеме, вначале включают проточную подачу углеводородов(например, пиролизная жидкость, полученная в результате паротермической деструкции автомобильных шин) с постоянным расходом от насоса (на фигуре не показан) через штуцер 9 цилиндрического узла 5 подачи углеводородов и закалочную камеру 6, выполненную в нижней части реактора в виде проточного рекуперативного бункера. В закалочной камере 6 через технологические отверстия 8 цилиндрической вставки закалочная жидкость поступает к насосу для дальнейшей циркуляции, а получаемый пирогаз через патрубок 12 поступает на дальнейшую очистку. Затем, с помощью системы оборотного водоснабжения (на фигуре не показана), через штуцера 10 и 11 подают техническую воду в рубашки водяного охлаждения (на фигуре не показаны) катода 1 и анода 2 с постоянным суммарным расходом для охлаждения катода 1 и анода 2. Одновременно подают сжатый воздух в газовое завихрительное кольцо 3 через резьбовой фланец 4 с постоянным расходом. После этого от источника питания постоянного тока (на фигуре не показан) выполняется подача силового напряжения между катодом 1 и анодом 2 плазмотрона, а затем подается высоковольтный импульс для поджига электрической дуги между катодом 1 и анодом 2 в плазмотроне. 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 5 от средних значений) подаче воздуха проточная подача углеводородов через цилиндрический узел 5 и закалочную камеру 6, выполненную в нижней части реактора в виде проточного рекуперативного бункера, с постоянным расходом. 4 17061 1 2013.04.30 Такой второй режим работы предназначен для непрерывного (период работы длительностью до 100 ч) получения пирогаза. В ходе данного режима источник питания постоянного тока (на фигуре не показан) обеспечивает непрерывный режим работы плазмотрона. Плазмотрон генерирует плазменную струю с температурой 3000-5000 К, направленную в цилиндрический узел 5 подачи жидких углеводородов. Тепловая защита плазмотрона обеспечивается за счет технической воды, подаваемой в непрерывном режиме под давлением в рубашки водяного охлаждения (на фигуре не показаны). Среднемассовая температура плазменного потока в цилиндрическом узле 5 подачи углеводородов составляет 20004000 К. При взаимодействии плазменной струи с потоком углеводородного сырья образуется пирогаз. Пирогаз с высокой скоростью поступает в закалочную камеру 6, выполненную в нижней части реактора в виде проточного рекуперативного бункера, и закаливается(с одновременной рекуперацией тепла пирогаза) путем взаимодействия с проточными жидкими углеводородами, непрерывно подаваемыми от насоса (на фигуре не показан) в цилиндрический узел 5 подачи углеводородов с заданным расходом. При данной закалке в непрерывном режиме образуется целевой продукт - пирогаз. Образующийся таким образом пирогаз через технологические отверстия 8 в цилиндрической вставке 7 и далее через патрубок 12 непрерывно выводится из закалочной камеры 6 и поступает на отдельный участок (на фигуре не показан), снабженный стандартным промышленным химическим оборудованием для выделения отдельных составляющих пирогаза. Жидкие углеводороды с примесью сажи, образующейся при абсорбции струи пирогаза в жидкости, в непрерывном режиме циркулируют с помощью насоса (на фигуре не показан) через цилиндрический узел 5 подачи углеводородов, закалочную камеру 6 в нижней части реактора,выполненную в виде проточного рекуперативного бункера. Причем уменьшение количества углеводородов, разложившихся в ходе пиролиза, пополняется за счет дозированной подачи новых (не загрязненных сажей) порций углеводородов из емкости (на фигуре не показана) от насоса (на фигуре не показан) в цилиндрический узел 5 подачи углеводородов. В ходе второго режима работы плазмохимического реактора ведется периодический контроль состава пирогаза на выходе из закалочной камеры 6 с помощью газового хроматографа (на фигуре не показан). Пирогаз полученного состава, например, пригоден для переработки в ацетилен чистотой до 99,5 , технический водород чистотой до 99 и другие полезные продукты с использованием стандартной технологии для основного органического синтеза химической промышленности и систем газоочистки и разделения. Источники информации 1. Патент США 4105888, МПК 05 7/18, 1978. 2. Патент США 4144444, МПК 05 7/1801 1/0023 9/00, 1979. 3. Патент РБ 12189, МПК 10 9/00,10 15/00,05 7/00 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5

МПК / Метки

МПК: H05B 7/00, C10G 9/00

Метки: углеводородов, реактор, плазмохимический, конверсии

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/5-17061-plazmohimicheskijj-reaktor-konversii-uglevodorodov.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Плазмохимический реактор конверсии углеводородов</a>

Похожие патенты