EA031840B1 - Системы реакторов на основе сверхзвуковой ударной волны и способы синтезирования олефин-углеводородных газов - Google Patents

Системы реакторов на основе сверхзвуковой ударной волны и способы синтезирования олефин-углеводородных газов Download PDF

Info

Publication number
EA031840B1
EA031840B1 EA201691041A EA201691041A EA031840B1 EA 031840 B1 EA031840 B1 EA 031840B1 EA 201691041 A EA201691041 A EA 201691041A EA 201691041 A EA201691041 A EA 201691041A EA 031840 B1 EA031840 B1 EA 031840B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
nozzle
raw materials
source gas
nozzles
supersonic
Prior art date
Application number
EA201691041A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201691041A3 (ru
EA201691041A2 (ru
Inventor
Артур Т. Мэттик
Карл Й. Стивенс
Карл Ноулен
Роберт Серфф
Вигго Хансен
Original Assignee
Юниверсити Оф Вашингтон Тру Итс Сентер Фор Коммершлайзейшн
Юоп Ллс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юниверсити Оф Вашингтон Тру Итс Сентер Фор Коммершлайзейшн, Юоп Ллс filed Critical Юниверсити Оф Вашингтон Тру Итс Сентер Фор Коммершлайзейшн
Publication of EA201691041A2 publication Critical patent/EA201691041A2/ru
Publication of EA201691041A3 publication Critical patent/EA201691041A3/ru
Publication of EA031840B1 publication Critical patent/EA031840B1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J7/00—Apparatus for generating gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
    • B01J12/005—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor carried out at high temperatures, e.g. by pyrolysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
    • C07C2/76—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen
    • C07C2/78—Processes with partial combustion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G15/00—Cracking of hydrocarbon oils by electric means, electromagnetic or mechanical vibrations, by particle radiation or with gases superheated in electric arcs
    • C10G15/08—Cracking of hydrocarbon oils by electric means, electromagnetic or mechanical vibrations, by particle radiation or with gases superheated in electric arcs by electric means or by electromagnetic or mechanical vibrations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G31/00—Refining of hydrocarbon oils, in the absence of hydrogen, by methods not otherwise provided for
    • C10G31/06—Refining of hydrocarbon oils, in the absence of hydrogen, by methods not otherwise provided for by heating, cooling, or pressure treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00121—Controlling the temperature by direct heating or cooling
    • B01J2219/00123—Controlling the temperature by direct heating or cooling adding a temperature modifying medium to the reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00132—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2219/00135—Electric resistance heaters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00159—Controlling the temperature controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/02—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties
    • B01J2219/0204—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties comprising coatings on the surfaces in direct contact with the reactive components
    • B01J2219/0218—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties comprising coatings on the surfaces in direct contact with the reactive components of ceramic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0881—Two or more materials
    • B01J2219/0883—Gas-gas

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

В описании раскрыты устройства и связанные с ними способы получения олефинов из насыщенных углеводородов. В одном варианте осуществления транспортирующий газ вводится в форсуночную часть для сырья со сверхзвуковой скоростью. В поток транспортирующего газа вводится исходный газ посредством форсунок для сырья, смещенных друг от друга в направлении вдоль потока. Форсунки для сырья вверху по потоку предназначены для впрыска исходного газа, для создания струй, повышающих глубину проникновения исходного газа и снижающих потери давления внизу по потоку форсунок для сырья. Исходный газ может быть регенеративно предварительно нагрет путем охлаждения сужающегося-расширяющегося сопла. Вода, водяной пар и/или газообразный водород могут быть введены в устройство для охлаждения критического сечения сужающегося-расширяющегося сопла.

Description

Настоящее изобретение относится, в целом, к реакторам на основе сверхзвуковой ударной волны, подходящим для образования олефиновых углеводородов. В частности, несколько вариантов осуществления настоящего изобретения направлены на получение олефиновых продуктов посредством пропускания исходного газа и транспортирующего газа через контролируемые ударные волны.
Уровень техники
Олефины являются ненасыщенными углеводородами с открытой цепью, т.е. это углеводороды, имеющие, по меньшей мере, несколько двойных или тройных связей углерод-углерод. Примерами олефинов, имеющих двойную связь углерод-углерод, могут служить этилен (С2Н4) и пропилен (СзН6). Ацетилен (С2Н2) является примером олефина, имеющего тройную связь углерод-углерод. Общепринятые способы производства олефинов включают в себя расщепления из сырой нефти. Например, длинные углеводородные цепи, имеющие простые связи углерод-углерод (т.е. насыщенные углероды) и/или циклические углеводороды, могут быть синтезированы в более короткие углеводородные цепи с двойной связью углерод-углерод под воздействием высоких температур и при наличии водяного пара. Температура, необходимая для поддержания этой реакции, может достигать 1200 К. Кроме того, общепринятый процесс расщепления требует качественного управления технологическим процессом, так как, если температура продукта или продолжительность обработки является избыточными, на оборудовании могут образовываться нежелательные углеродные отложения. Напротив, если температура продукта слишком мала или продолжительность обработки слишком коротка, то превращение в олефины является неполным, тем самым снижая эффективность при расщеплении.
На фиг. 1 показан олефиновый реактор 100 на основе ударной волны, выполненный в соответствии с известным уровнем техники, и соответствующий газовый график температур в реакторе. Реактор 100 на основе ударной волны предназначен для образования олефинов путем синтеза исходного газа (например, удаление атомов водорода из исходного газа). В показанном процессе высокотемпературный транспортирующий газ (например, водяной пар при температуре Тсо) подается на вход 115 дозвукового профиля 110. Исходный газ 120 (например, углеводороды, имеющие одинарные связи углерод-углерод или метан (СН4)) добавляется на некотором расстоянии ниже по течению от входа 115 посредством сопел 121 при температуре Tfo, которая меньше температуры Тсо. Смесь транспортирующего газа и исходного газа расширяется и ускоряется через диффузор 125. Транспортирующий газ 115 и исходный газ 120 дополнительно перемешиваются, так как они проходят через смесительную камеру 130 по направлению к месту 135 ударной волны. Поток смеси транспортирующего газа/исходного газа выше по течению от места 135 ударной волны является сверхзвуковым, в то время как поток смеси транспортирующего газа/исходного газа ниже по течению от места 135 ударной волны является дозвуковым. Переход от условий сверхзвуковой скорости (Т2, М2) к условиям дозвуковой скорости (Т3, М3) осуществляется стремительным повышением температуры в смеси, которая способствует преобразованию из метана и/или углеводородов, имеющих одинарные связи углерод-углерод, в углеводороды, имеющие, по меньшей мере, несколько двойных или тройных связей углерод-углерод. Углеводороды продолжают стремительно реагировать на участке 145 ниже по течению от места 135 ударной волны в связи с относительно высокой температурой на данном участке. Далее ниже по течению олефины входят в теплообменник 150, где они охлаждаются до более низкой температуры. Олефины, оставшиеся непрореагировавшие углеводороды и другие продукты реакции (например, транспортирующий газ, углерод) выходят из реактора 100 через выход 155 в виде потока 160.
Однако этот традиционный способ претерпевает несколько недостатков. Например, сопла 121 в потоке транспортирующего газа могут перегреваться, а также могут стать причиной нежелательной потери давления в транспортирующем газе. Смешение исходного газа и транспортирующего газа может быть неполным при приближении смеси к месту 135 ударной волны. Кроме того, стремительное повышение температуры на всем месте 135 ударной волны сложно контролировать, что может привести к перегреву или недогреву исходного газа. Такой перегрев/недогрев может привести к закоксовыванию или неполной реакции исходного газа.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение реактора на основе ударной волны для получения олефинов, выполненного в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 2 представляет собой частичное схематическое изображение сверхзвукового реактора для получения олефинов в поперечном сечении, выполненного в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой увеличенное изображение сужающегося-расширяющегося сопла реактора на фиг. 2 в поперечном сечении.
Фиг. 4 представляет собой вид сверху нескольких вариантов осуществления форсунок для исходного газа в расширяющейся части сопла, выполненных в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 5 представляет собой увеличенное схематическое изображение форсунки на фиг. 2 для исходного газа в поперечном сечении, выполненной в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
- 1 031840
Фиг. 6 и 7 схематически иллюстрируют компоновку форсунок для сырья, выполненных в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение, в целом, относится к получению олефиновых продуктов путем пропускания исходного сырья и транспортирующего газа через контролируемые ударные волны. В частности, некоторые примеры настоящего изобретения адресованы к устройствам и способам получения олефинов из исходного газа, такого как метан и/или углеводороды с одинарными связями углерод-углерод. В контексте настоящего описания термин олефины обозначает углеводороды, имеющие двойные или тройные связи углерод-углерод. Другими терминами, обозначающими такие углеводороды, являются олефинненасыщенные и/или ацетиленовые. Если не указано иное, термин олефин использован в настоящем описании для охвата этой вариации терминологии. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения высокотемпературный транспортирующий газ может быть получен путем воспламенения смеси горючего (например, метана или водорода) и окислителя (например, кислорода). Исходный газ, содержащий углеводороды, может быть введен и перемешан с потоком транспортирующего газа. При высокой температуре транспортирующий газ может обеспечить энтальпию, необходимую для синтеза исходного газа в олефины. Кроме того, присутствие транспортирующего газа в смеси снижает парциальное давление исходного газа, который, по меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способствует синтезу исходного газа в олефины. По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения синтез исходного газа в олефины является пиролитическим, т.е. при повышенной температуры в отсутствии свободного кислорода.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения направлены на улучшение аэродинамики введения исходного газа, в результате чего потери давления сокращаются, так как исходный газ входит в поток транспортирующего газа и смешивается с ним под действием высокой температуры. Например, исходный газ может быть введен в участок форсунок для сырья реактора посредством ряда форсунок для сырья, распределенных в различных местах вдоль потока. Выше по потоку форсунки для сырья образуют струи, которые проносились в непосредственной близости от нисходящего потока форсунок для сырья. Наличие струй предполагается для снижения потерь давления и улучшения перемешивания исходного сырья и транспортирующего газа. Такое аэродинамическое введение исходного сырья также предполагается для снижения силы ударных волн, которые обычно связаны со смешиванием сверхзвуковых потоков. Исходный газ может приблизиться к термическому расщеплению (например, олефинсоздающий или олефинсинтезирующий) температуры при прохождении через ряд наклонных ударных волн в участок форсунок для сырья. Ниже по потоку от участка форсунок исходный газ течет через сверхзвуковую смесительную камеру и далее к сверхзвуковому диффузору, где исходный газ подвергается контролируемому термическому расщеплению. По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сужающийся отрезок сверхзвукового диффузора уравновешивает повышение температуры, связанное с замедлением газов (при сверхзвуковой скорости газы замедляются, так как они подвержены сжатию) с уменьшением температуры, связанной с пиролитической реакцией (пиролитическая реакция понижает температуру газов, так как реакция является эндотермической). Баланс этих двух противоположных эффектов проистекает в общем изотермическом потоке газов, проходящих через сверхзвуковую смесительную камеру. Цепь нормальной ударной волны в расширяющемся сверхзвуковом диффузоре тормозит полученную смесь транспортирующего газа, сырья и олефинов из сверхзвукового потока в дозвуковой поток. Сопутствующее повышение температуры потока позволяет непрореагировавшему исходному газу подвергнуться пиролитической реакции для создания олефинов. Олефины, транспортирующий газ и любой оставшийся исходный газ проходят к выходному отверстию аппарата и далее к теплообменнику, который может снизить температуру смеси, задержать высокотемпературные химические реакции (например, олефинсоздающих или олефинразлагающих реакций).
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сужающееся-расширяющееся сопло, ускоряющее дозвуковой транспортирующий газ до сверхзвуковой скорости, может быть охлаждено с использованием исходного газа, окислителя, горючего, воды и/или водяного пара. Например, охлаждение может быть регенеративным охлаждением (т.е. предварительный нагрев исходного газа с его последующим направлением в смесительную камеру через форсунки) и/или пленочным охлаждением (т.е. быстроиспаряющаяся пленка воды, охлаждающая критическое сечение сопла, затем поступающая в участок форсунок для сырья). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для устранения эффектов каталитической стенки могут быть использованы подкладочные материалы, например стенка реактора из нержавеющей стали.
Конкретные детали в определенных вариантах осуществления настоящего изобретения изложены в последующем описании и на фиг. 2-7 для обеспечения всей полноты понимания таких вариантов осуществления. Однако для специалиста в данной области техники будет понятно, что это изобретение может быть осуществлено без одной или более конкретных деталей, описанных в приведенном ниже описании. Кроме того, несмотря на то что нижеприведенное описание раскрывает несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, другие варианты осуществления настоящего изобретения могут иметь различные конфигурации или различные компоненты, чем те, которые описаны в настоящем разделе.
- 2 031840
Таким образом, следует понимать, что настоящее изобретение может иметь другие варианты осуществления с дополнительными элементами или без некоторых элементов, показанных и описанных ниже со ссылкой на фиг. 2-7.
Фиг. 2, например, представляет собой частичное схематическое изображение сверхзвукового реактора 200 для получения олефинов в поперечном сечении, выполненного в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. На чертеже газовый поток, в целом, направлен слева направо. Кратко и как описано более подробно ниже, транспортирующий газ 209 вырабатывают в транспортирующем газогенераторе 201. Исходный газ 236 смешивают с транспортирующим газом 209 в участке 230 форсунок для сырья. Пиролитическая реакция поддерживается через сверхзвуковую смесительную камеру 240 и через сверхзвуковой диффузор 250, превращаясь в поток олефинов 254 на выходе 255 диффузора.
Реактор 200 в варианте осуществления, показанном на фиг. 2, содержит газогенератор 201 для транспортирующего газа, имеющий отверстие 202 подачи горючего и отверстие 203 подачи окислителя. При помощи воспламенителя 204 может быть инициирована химическая реакция для получения транспортирующего газа 209 из смеси горючего и окислителя в газогенераторе 201 для транспортирующего газа. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения воспламенитель 204 может быть платиновой проволокой под действием высокой температуры, свечей зажигания, свечей накаливания или устройством впрыска небольшого количества эфира и кислорода, которые, смешиваясь, самовоспламеняются при температуре около 200°С или более высокой температуре. Процесс генерации транспортирующего газа 209 обычно протекает самостоятельно, не требуя дополнительного подвода внешнего тепла для поддержания реакции после ее начала. В некоторых вариантах осуществления горючее и окислитель могут быть предварительно нагреты до высоких температур независимо друг от друга так, что реакция между горючим и окислителем начинается без какого-либо воспламенителя (т.е. реакция самовоспламенения). По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления горючим может служить метан и/или водород, а окислителем может быть кислород. Например, смесь водорода горючего и кислорода окислителя вырабатывает высокотемпературный пар в качестве транспортирующего газа 209. Возможны также другие комбинации горючего и окислителя. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения температура транспортирующего газа может достигать 3300-3360 К. Относительно высокая температура транспортирующего газа обеспечивает энтальпию, требуемую для пиролитической переработки исходного сырья газообразных углеводородов в олефины, имеющие двойные и/или тройные связи углерод-углерод.
Ниже по потоку от секции 210 подачи транспортирующего газа транспортирующий газ 209 ускоряется, проходя через сужающееся-расширяющееся сопло 220, от (а) дозвуковой скорости на входе в сопло 220 до (b) сверхзвуковой скорости на выходе. Сужающееся-расширяющееся сопло 220 подвергнуто воздействию высокой тепловой нагрузки в связи с высокой температурой транспортирующего газа 209. Критическое сечение 220с сопла 220 (ниже по потоку от докритической части 220а и выше по потоку от закритической части 220b) подвергнуто особенно высокой тепловой нагрузке от транспортирующего газа 209. В некоторых вариантах осуществления сужающееся-расширяющееся сопло 220 может быть охлаждено путем подачи пленки охлаждающей жидкости через одну или более форсунок 233 для охлаждающей пленки. Некоторые примеры охлаждающей жидкости включают в себя воду, водяной пар или водород. После охлаждения сужающегося-расширяющегося сопла 220 охлаждающая жидкость проходит вниз по потоку и смешивается с транспортирующим газом. При использовании воды в качестве охлаждающей жидкости она может стремительно испаряться в критическом сечении 220с и попадать в поток транспортирующего газа как перегретый водяной пар. В некоторых вариантах осуществления использование водорода в качестве охлаждающей жидкости призвано улучшить пиролитическую реакцию внизу потока. Докритические ударные волны 231 могут существовать при переходе от сужающегосярасширяющегося сопла 220 к участку 230 форсунок для сырья. В некоторых вариантах осуществления такой переход может быть предназначен для минимизации дозвуковых ударных волн 231.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения участок 230 форсунок для сырья может получить транспортирующий газ 209 на сверхзвуковой скорости. Участок 230 форсунок для сырья может иметь одну или более форсунок 235 для сырья (на фиг. 2 показаны три форсунки, в качестве форсунок 235а-235с для сырья), выполненных для введения исходного газа 236 в олефиновый реактор 200. Исходный газ может включать в себя, например, метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8) и/или другие насыщенные углеводороды. В некоторых вариантах осуществления форсунки 235а-235с для сырья могут быть распределены по потоку в нескольких местоположениях вдоль реактора 200. Например, вверху потока форсунки 235а для сырья могут ввести исходный газ в сверхзвуковой поток транспортирующего газа 209, образуя струи, проносящиеся по направлению низа потока форсунок 235b и 235с для сырья. Наличие струй внизу потока форсунок для сырья призвано для снижения потерь давления и улучшения глубины проникновения исходного газа подальше от стенок устройства в связи с тем, что исходный газ входит в поток. Струи могут также улучшить смешение исходного газа и транспортирующего газа. В некоторых вариантах осуществления более слабые ударные волны внизу потока форсунок 235b и 235с для сырья могут также минимизировать преждевременное повышение температуры исходного газа, что,
- 3 031840 в целом, способствует образованию нежелательных исходных изотопов (например, углерод). В некоторых вариантах осуществления около 50% от общего стока (т.е. общего потока газа через реактор) может быть введено через форсунки 235а-235с для сырья, что соответствует примерному соотношению 1:1 исходного сырья к транспортирующим газовым потокам. В других вариантах осуществления соотношение исходного сырья к транспортирующим газовым потокам может быть около 0,5 или 0,75, но другие соотношения также возможны.
В некоторых вариантах осуществления часть исходного газа может быть направлена вокруг критического сечения 220с сужающегося-расширяющегося сопла 220 перед входом в форсунки 235а-235с для сырья, таким образом, предварительно нагревая исходный газ, путем охлаждения критического сечения 220с. Передача избыточного тепла от критического сечения 220с назад в обработку призвана для помощи в улучшении общей эффективности процесса. В дополнение к этому или вместо введения исходного газа через форсунки 235а-235с для сырья в некоторых вариантах осуществления исходный газ может быть введен через сопловые форсунки 234а-234Ъ сужающегося-расширяющегося сопла 220. Такое расположение призвано для снижения общих потерь давления, так как сверхзвуковой поток еще не полностью расширен и не полностью ускорен до своей окончательной сверхзвуковой скорости в месте расположения сопловых форсунок 234а-234Ъ (т.е. число Маха ниже в сужающемся-расширяющемся сопле 220, чем в участке 230 форсунок для сырья). При относительно высокой температуре смеси транспортирующего газа/исходного газа некоторых металлов (например, Ni, Fe, оксиды Fe и др.) катализируют образование углерода из исходного газа. Углерод, в целом, является нежелательным побочным продуктом процесса. Поэтому, по меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления покровной слой 232 может быть нанесен поверх, по меньшей мере, части внутренней стенки олефинового реактора 200 для снижения или устранения нежелательных каталитических реакций. В некоторых вариантах осуществления, например, покровной слой 232 может быть выполнен из высокотемпературной керамики. Однако в других вариантах осуществления покровной слой 232 может быть выполнен из других подходящих материалов.
Ниже по потоку от участка 230 форсунок для сырья смесительная камера 240 для сырья выполнена с возможностью получения смеси транспортирующего газа 209 и исходного газа 236, в целом, на сверхзвуковой скорости. Перенос энтальпии от транспортирующего газа 209 к исходному газу 235 был, в целом, завершен посредством смесительной камеры 240 для сырья. Ниже по потоку от смесительной камеры 240 для сырья сверхзвуковая смесь транспортирующего газа и исходного газа поступает в сверхзвуковой диффузор 250. Так как смесь транспортирующего газа и исходного газа со сверхзвуковой скоростью входит в сужение 245 сверхзвукового диффузора 250, смесь замедляется через сужение 245, что повышает температуру газов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения смесь замедляется до околозвуковых скоростей (например, 1,1-1,2 М) при минимальном сечении сверхзвукового диффузора 250. Повышение температуры, сопровождающее замедление газов, способствует пиролизу исходного газа, который, в свою очередь, понижает температуру газов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сужение 245 может быть выполнено таким образом, что эти эффекты возрастающей и понижающей температур в большей степени или полностью нейтрализуются, приводя, в общем, изотермический поток газов через сужение 245. Как правило, различные олефиновые фракции синтезируются при различных температурах. Например, температурный диапазон от приблизительно 1600-1800 К способствует синтезу ацетилена (С2Н2) и короткому времени пребывания, в то время как температурный диапазон около 1000-1100 К и более длительному времени пребывания способствует синтезу этилена (С2Н4). Таким образом, конструктивное исполнение суживающегося отрезка (например, как быстро его поперечное сечение сужается в направлении вниз по потоку) может быть использовано для выбора предпочтительной олефиновой фракции путем установки изотермической температуры газов в потоке, способствующей необходимой пиролитической реакции.
Смесь транспортирующего газа, олефинов и оставшихся исходных газов замедляется от сверхзвуковой скорости до дозвуковой скорости потока при прохождении через цепь 251 нормальной ударной волны, способствующей смешению газов и повышению их температуры. Такое повышение температуры способствует пиролизу оставшегося сырья. После протекания через цепь 251 нормальной ударной волны газы содержат олефины, транспортирующий газ и оставшееся непрореагировавшее сырье. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения около 60-90% случаев получения олефинов может происходить со сверхзвуковой скоростью, а остальные 10-40% случаев получения олефинов завершается на дозвуковой скорости (в отличие от обычных реакторов на основе сверхзвуковой волны, имеющих около 0-5% случаев пиролитических реакций со сверхзвуковой скоростью и 95-100% случаев при дозвуковой скорости). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения газы, выходящие из сверхзвукового диффузора 250, могут быть направлены в теплообменник (не показан) для снижения температуры газов и задержки химических реакций. В других вариантах осуществления газы, выходящие из сверхзвукового диффузора 250, могут быть охлаждены путем введения теплоотводной жидкости, такой как вода или углеводород.
Фиг. 3 представляет собой увеличенное изображение сужающегося-расширяющегося сопла 220 олефинового реактора 200 на фиг. 2 в поперечном сечении. Как правило, при работе транспортирующий газ поступает в сужающееся-расширяющееся сопло 220 на входе 310 при дозвуковой скорости, а затем
- 4 031840 ускоряется, так как течет в осевом направлении через сужающееся-расширяющееся сопло 220. Транспортирующий газ течет со сверхзвуковой скоростью (М>1) на выходе 320 сужающегосярасширяющегося сопла 220. Как объяснялось выше со ссылкой на фиг. 2, в некоторых вариантах осуществления исходный газ может быть добавлен в сужающееся-расширяющееся сопло 220 через сопловую(ые) форсунку(и) 234. Добавление исходного газа в сужающееся-расширяющееся сопло 220, как ожидается, выгодно, так как поток еще не находится в своем конечном числе Маха (т.е. не полностью расширен и ускорен) и, следовательно, потери давления, связанные с введением исходного газа в сужающееся-расширяющееся сопло 220, гораздо меньше по сравнению с системами, в которых исходный газ добавляется к полностью расширенному и ускоренному потоку ниже по течению сужающегосярасширяющегося сопла 220. Переход от дозвукового потока на входе 310 к сверхзвуковому потоку на выходе 320 сопровождается нагревом сужающегося-расширяющегося сопла 220. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления сужающееся-расширяющееся сопло 220 может быть охлаждено с использованием, например, исходного газа, воды, водяного пара или водорода. Например, сужающеесярасширяющееся сопло 220 может быть выполнено так, что исходный газ циркулирует вокруг критического сечения 220с. Как показано на фиг. 3, например, позиция 331а представляет собой поток исходного газа в направлении бумаги, а позиция 331b представляет поток исходного газа от бумаги. Тем не менее, в других вариантах осуществления исходный газ может иметь различное расположение потоков относительно критического сечения 220с. В некоторых вариантах осуществления предварительно нагретый исходный газ может быть подан в сопловые форсунки 234 (фиг. 2), тем самым повышая общую эффективность использования энергии процесса. Поток предварительно нагретого исходного газа в сопловых форсунках 234 схематически проиллюстрирован пунктирной линией 340. В других вариантах осуществления вода, водяной пар или водород могут быть введены через охлаждающие пленочные форсунки 233 для пленочного охлаждения критического сечения сужающегося-расширяющегося сопла 220.
Фиг. 4 представляет собой вид сверху нескольких вариантов осуществления сопловых форсунок, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, если смотреть с внутренней стороны расширяющейся секции 220b сопла 220. Например, в одном варианте осуществления сопловая форсунка 234-1 содержит центральное отверстие 406а для впрыска транспортирующего газа и несколько дополнительных отверстий 407а, расположенные концентрично с центральным отверстием 406а для впрыска исходного газа. По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления такое распределение отверстий может дополнительно способствовать смешиванию исходного газа и транспортирующего газа. В другом примере форсунка 234-2 содержит центральное отверстие 406b для транспортирующего газа и дополнительные отверстия 407b для исходного газа, расположенные, в целом, перпендикулярно друг другу около центрального отверстия 406b. В еще одном примере форсунка 234-3 содержит центральное отверстие 406c для транспортирующего газа и угловые отверстия 407с для исходного газа, концентричного с центральным отверстием 406c. В других дополнительных вариантах осуществления форсунка 234 может иметь другие расположения и/или признаки.
Фиг. 5 представляет собой увеличенное схематическое изображение форсунки 235 на фиг. 2 для исходного газа в поперечном сечении, выполненной в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В показанном варианте осуществления транспортирующий поток приближается к форсунке 235 для сырья на скорости М>1. Исходный газ 236 может быть введен в поток транспортирующего газа под углом α (острый угол, для снижения потерь давления в транспортирующем потоке. Введение исходного газа 236 в транспортирующий поток образует струи 535, содержащие смесь транспортирующего газа и исходного газа. Граница 530 показана для наглядности, чтобы обозначить границу между областью потока преимущественно транспортирующего газа и областью потока, имеющего струи 535, а также указать на наличие головной ударной волны, полученной посредством исходных струй. Взаимодействие струй 535 и форсунок для сырья ниже по потоку более детально объясняется далее со ссылкой на фиг. 6 и 7.
Фиг. 6 и 7 схематически иллюстрируют компоновку форсунок 235а-235с для сырья на фиг. 2 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Компоновка форсунок для сырья обозначена y1 и y2 в вертикальном направлении и x1 и х2 в горизонтальном направлении. y1, y2 и/или x1, x2 могут быть выбраны для лучшего содействия смешиванию транспортирующего газа и исходного газа, а также для минимизации потерь давления при поступлении исходного газа в участок форсунок для сырья. Например, форсунки 235а для сырья могут находиться на различных у положениях, чем форсунки 235b и/или 235с для сырья (в шахматном порядке). По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления шахматный порядок форсунок для сырья может способствовать перемешиванию транспортирующего газа и исходного газа, а также может снизить потери давления в форсунках для сырья еще ниже по течению (например, 235b, 235с). В некоторых вариантах осуществления, например, диаметры форсунок 235а235с для сырья могут быть различными, что позволяет лучше контролировать сырьевой поток в участке форсунок для сырья. На фиг. 7 показан увеличенный вид форсунок 235а-235с для сырья в поперечном сечении. По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения форсунки 235а-235с для сырья могут иметь различные углы по отношению к направлению транспортирующего газового потока. Например, форсунка 235а для сырья в самом верху по потоку может вводить исходный
- 5 031840 газ под углом α. Форсунки 235b и 235с для сырья ниже по потоку могут вводить исходный газ под углами β и γ, являющимися большими, чем угол α. Струи, полученные форсункой 235а для сырья вверху по потоку, как правило, снижают скорость сверхзвукового потока так, что исходный газ может быть введен при относительно больших углах форсунок 235b и 235с для сырья, не приводя к значительным потерям давления.
Примеры
1. Реактор на основе ударной волны, содержащий участок форсунок для сырья, имеющий вход для приема транспортирующего газа со сверхзвуковой скоростью;
первую форсунку для сырья, расположенную с возможностью впрыска исходного газа в участок форсунок для сырья под первым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья; и вторую форсунку для сырья, расположенную с возможностью впрыска исходного газа в участок форсунок для сырья под вторым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, причем второй угол больше первого угла.
2. Реактор по п.1, в котором вторая форсунка для сырья расположена с возможностью впрыска исходного газа в пределах зоны струй, созданных первой форсункой для сырья.
3. Реактор по п.1, дополнительно содержащий третью форсунку для сырья, расположенную с возможностью впрыска исходного газа в участок форсунок для сырья под третьим углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, причем третий угол больше второго угла.
4. Реактор по п.1, в котором первая и вторая форсунки для сырья, в целом, выровнены в направлении продольной оси.
5. Реактор по п.1, в котором исходный газ впрыскивается на сверхзвуковой скорости.
6. Реактор по п.1, в котором скорость транспортирующего газа больше числа Маха 2.
7. Реактор по п.1, в котором форсунки для сырья выполнены и расположены с возможностью введения около 50% общего газового потока через реактор.
8. Реактор по п.1, дополнительно содержащий сверхзвуковую смесительную камеру ниже по потоку участка форсунок для сырья, причем во время работы в сверхзвуковой смесительной камере развиваются косые ударные волны так, что транспортирующий газ и исходный газ вступают в реакцию в сверхзвуковой смесительной камере, по меньшей мере, частично в точке термического расщепления.
9. Реактор по п.1, дополнительно содержащий слой термически защитного покрытия, по меньшей мере, на части внутренней поверхности участка форсунок для сырья.
10. Реактор по п.1, дополнительно содержащий сужающееся-расширяющееся сопло, выполненное с возможностью ускорения транспортирующего газа от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости.
11. Реактор по п.10, в котором сужающееся-расширяющееся сопло содержит сопловую форсунку, предназначенную для впрыска по меньшей мере одного из исходного газа и транспортирующего газа.
12. Реактор по п.10, дополнительно содержащий форсунку пленочного охлаждения, расположенную на суживающемся отрезке сужающегося-расширяющегося сопла.
13. Реактор по п.11, в котором сопловая форсунка расположена на расширяющемся отрезке сужающегося-расширяющегося сопла.
14. Реактор по п.11, дополнительно содержащий охлаждающий тракт вокруг критического сечения сужающегося-расширяющегося сопла, причем охлаждающий тракт выполнен с возможностью приема исходного газа.
15. Реактор по п.1, в котором форсунка для сырья содержит покровной слой для снижения каталитического воздействия на стенки.
16. Реактор по п.1, дополнительно содержащий сверхзвуковой диффузор, выполнен с возможностью замедления потока от сверхзвуковой скорости до околозвуковой скорости при минимальном сечении сверхзвукового диффузора.
17. Реактор по п.1, в котором исходный газ содержит метан.
18. Реактор по п.16, в котором сверхзвуковой диффузор имеет сужение, выполненное с возможностью замедления исходного газа и его сохранения, в целом, изотермическим.
19. Реактор по п.1, дополнительно содержащий камеру сгорания для выработки транспортирующего газа из смеси горючего и окислителя.
20. Реактор по п.1, в котором горючее выбрано из группы, состоящей из метана, водорода, а также их комбинации.
21. Реактор по п.1, в котором окислитель содержит кислород.
22. Реактор по п.16, в котором расширяющаяся часть сверхзвукового диффузора выполнена с возможностью стабилизации цепи нормальной ударной волны.
23. Реактор по п.22, в котором цепь нормальной ударной волны выполнена с возможностью создания точки термического расщепления для исходного газа.
24. Способ синтезирования газов, включающий ускорение потока транспортирующего газа от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости в
- 6 031840 сужающемся-расширяющемся сопле, причем сверхзвуковая скорость преобладает на входе в участок форсунок для сырья;
добавление исходного газа в участок форсунок для сырья через первую форсунку для сырья под первым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья;
добавление исходного газа в участок форсунок для сырья через вторую форсунку для сырья под вторым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, причем второй угол больше первого угла, при этом вторая форсунка для сырья расположена для впрыска исходного газа в пределах зоны струй, созданных первой форсункой для сырья, причем транспортирующий газ вступает в реакцию с исходным газом для создания олефинов; при этом смесь транспортирующего газа, исходного газа и олефинов замедляется от сверхзвуковой скорости до дозвуковой скорости в сверхзвуковом диффузоре.
25. Способ по п.24, в котором исходный газ вступает в реакцию преимущественно в сверхзвуковой смесительной камере, а сужение сверхзвукового диффузора расположено ниже по потоку участка форсунок для сырья.
26. Способ по п.25, в котором исходный газ продолжает реагировать внутри через цепь нормальной ударной волны сверхзвукового диффузора.
27. Способ по п.25, дополнительно содержащий: поддержание исходного газа в общем изотермическом состоянии при сужении сверхзвукового диффузора.
28. Способ по п.24, дополнительно содержащий добавление исходного газа в участок форсунок для сырья посредством третьей форсунки для сырья под третьим углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, причем третий угол больше второго угла, и при этом третья форсунка для сырья предназначена для впрыска исходного газа в пределах зоны струй, созданных первой и второй форсунками для сырья.
29. Способ по п.24, дополнительно содержащий предварительный нагрев исходного газа путем его протекания через охлаждающий тракт вокруг критического сечения сужающегося-расширяющегося сопла.
30. Способ по п.24, дополнительно содержащий пленочное охлаждение сужающегося-расширяющегося сопла путем впрыска по меньшей мере одного из числа водяного пара, воды и водорода ранее по потоку от критического сечения сужающегосярасширяющегося сопла.
31. Способ по п.24, дополнительно содержащий инициирование реакции самовоспламенения между горючим и окислителем для образования транспортирующего газа в камере сгорания выше по потоку форсунки для сырья.
32. Способ по п.31, дополнительно содержащий предварительный нагрев диэфира и кислорода до температуры самовоспламенения; смешивание диэфира и кислорода для инициирования реакции самовоспламенения и образование транспортирующего газа с применением пусковой реакции самовоспламенения.
33. Способ по п.24, в котором исходный газ включает в себя метан.
Приведенное выше подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения не является исчерпывающим или ограничивающим изобретение точной формой, раскрытой выше. Несмотря на приведенные конкретные варианты осуществления и примеры настоящее изобретение, описанное выше, представлено для иллюстративных целей, и специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны различные эквивалентные модификации в пределах объема настоящего изобретения. Кроме того, несмотря на то что представлен заданный порядок этапов, альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения могут выполнять действия, описанные в ином порядке. Описанные в настоящем документе различные варианты осуществления могут быть также комбинированы для обеспечения дополнительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
На основании вышеизложенного следует понимать, что конкретные варианты осуществления изобретения были описаны в качестве иллюстрации, но хорошо известные конструкции и функции не были показаны или описаны подробно во избежание излишнего затруднения пониманию описания вариантов осуществления настоящего изобретения. В местах, где позволяет контекст, термины в единственном или множественном числе могут включать в себя множественное или единственное значение соответственно.
Кроме того, если слово или явно ограничено значением только одного элемента, исключая другие элементы при упоминании списка из двух или более элементов, то использование или в таком списке должно интерпретироваться как включающее в себя (а) любой отдельный элемент в списке, (b) все элементы в списке или (с) любое сочетание элементов в списке. Кроме того, термин содержащий использован для обозначения в том числе, по меньшей мере, перечисленного(ых) признака(ов) таким образом, что не исключается любое большее число аналогичных признаков и/или дополнительных типов других признаков. Следует также иметь в виду, что конкретные варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, представлены в качестве иллюстрации, однако могут быть выполнены различные модификации без отклонения от изобретения. Далее, в то время как преимущества, связанные с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, были описаны в контексте этих вариантов осуществления, другие варианты осуществления могут также демонстрировать такие преимущест
- 7 031840 ва, и не все варианты осуществления обязательно должны демонстрировать такие преимущества, подпадают в объем настоящего изобретения. Соответственно раскрытие и связанные с ними технологии могут охватывать другие варианты осуществления, явно не показанные или описанные в настоящем документе.

Claims (33)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Реактор на основе ударной волны для формирования олефин-углеводородных газов, содержащий участок форсунок для сырья, имеющий вход для приема транспортирующего газа со сверхзвуковой скоростью из сужающегося-расширяющегося сопла;
    первую форсунку для сырья, расположенную с возможностью впрыска исходного газа в участок форсунок для сырья под первым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья;
    вторую форсунку для сырья, расположенную с возможностью впрыска исходного газа в участок форсунок для сырья под вторым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, причем второй угол больше первого угла; и участок сверхзвукового диффузора, выполненный с возможностью замедления потока в пределах реактора на основе ударной волны со сверхзвуковой скоростью до околозвуковой скорости.
  2. 2. Реактор по п.1, в котором вторая форсунка для сырья расположена с возможностью впрыска исходного газа в пределах зоны струй исходного газа, созданных первой форсункой для сырья.
  3. 3. Реактор по п.1, дополнительно содержащий третью форсунку для сырья, расположенную с возможностью впрыска исходного газа в участок форсунок для сырья под третьим углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, причем третий угол больше второго угла.
  4. 4. Реактор по п.1, в котором первая и вторая форсунки для сырья в целом выровнены в направлении продольной оси.
  5. 5. Реактор по п.1, выполненный с возможностью впрыска исходного газа на сверхзвуковой скорости.
  6. 6. Реактор по п.1, в котором обеспечивается скорость транспортирующего газа больше числа Маха 2.
  7. 7. Реактор по п.1, в котором форсунки для сырья выполнены и расположены с возможностью введения около 50% общего газового потока через реактор.
  8. 8. Реактор по п.1, дополнительно содержащий сверхзвуковую смесительную камеру ниже по потоку участка форсунок для сырья, в котором во время работы в сверхзвуковой смесительной камере развиваются косые ударные волны так, что транспортирующий газ и исходный газ вступают в реакцию в сверхзвуковой смесительной камере, по меньшей мере, частично в точке термического расщепления.
  9. 9. Реактор по п.1, дополнительно содержащий слой термически защитного покрытия по меньшей мере на части внутренней поверхности участка форсунок для сырья.
  10. 10. Реактор по п.1, причем сужающееся-расширяющееся сопло выполнено с возможностью ускорения транспортирующего газа от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости.
  11. 11. Реактор по п.10, в котором сужающееся-расширяющееся сопло содержит сопловую форсунку, предназначенную для впрыска по меньшей мере одного из исходного газа и транспортирующего газа.
  12. 12. Реактор по п.10, дополнительно содержащий форсунку пленочного охлаждения, расположенную на суживающемся отрезке сужающегося-расширяющегося сопла.
  13. 13. Реактор по п.11, в котором сопловая форсунка расположена на расширяющемся отрезке сужающегося-расширяющегося сопла.
  14. 14. Реактор по п.11, дополнительно содержащий охлаждающий тракт вокруг критического сечения сужающегося-расширяющегося сопла, причем охлаждающий тракт выполнен с возможностью приема исходного газа.
  15. 15. Реактор по п.1, в котором форсунка для сырья содержит покровной слой для снижения каталитического воздействия на стенки.
  16. 16. Реактор по п.1, в котором участок сверхзвукового диффузора выполнен с возможностью замедления потока от в пределах реактора на основе ударной волны со сверхзвуковой скорости до околозвуковой скорости при минимальном сечении участка сверхзвукового диффузора.
  17. 17. Реактор по п.1, в котором исходный газ содержит метан.
  18. 18. Реактор по п.16, в котором участок сверхзвукового диффузора имеет сужение, выполненное с возможностью замедления исходного газа и его сохранения в целом изотермическим.
  19. 19. Реактор по п.1, дополнительно содержащий камеру сгорания для выработки транспортирующего газа из смеси горючего и окислителя.
  20. 20. Реактор по п.1, в котором камера сгорания выполнена с возможностью сжигания горючего, выбранного из группы, состоящей из метана, водорода, а также их комбинации.
  21. 21. Реактор по п.1, в котором окислитель содержит кислород.
  22. 22. Реактор по п.16, в котором расширяющаяся часть участка сверхзвукового диффузора выполнена с возможностью стабилизации цепи нормальной ударной волны.
  23. 23. Реактор по п.22, в котором цепь нормальной ударной волны выполнена с возможностью созда
    - 8 031840 ния точки термического расщепления для исходного газа.
  24. 24. Способ синтезирования олефин-углеводородных газов с использованием реактора на основе ударной волны по п.1, причем способ содержит ускорение потока транспортирующего газа от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости в сужающемся-расширяющемся сопле, причем сверхзвуковая скорость преобладает на входе в участок форсунок для сырья;
    добавление исходного газа в участок форсунок для сырья через первую форсунку для сырья под первым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья;
    добавление исходного газа в участок форсунок для сырья через вторую форсунку для сырья под вторым углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, при этом вторая форсунка для сырья расположена для впрыска исходного газа в пределах зоны струй исходного газа, созданных первой форсункой для сырья, причем транспортирующий газ вступает в реакцию с исходным газом для создания олефинов; при этом смесь транспортирующего газа, исходного газа и олефинов замедляется от сверхзвуковой скорости до дозвуковой скорости в участке сверхзвукового диффузора.
  25. 25. Способ по п.24, в котором добавление исходного газа осуществляется так, что исходный газ вступает в реакцию преимущественно в сверхзвуковой смесительной камере, причем сужение участка сверхзвукового диффузора расположено ниже по потоку участка форсунок для сырья.
  26. 26. Способ по п.25, в котором добавление исходного газа осуществляется так, что исходный газ продолжает реагировать внутри через цепь нормальной ударной волны участка сверхзвукового диффузора.
  27. 27. Способ по п.25, который дополнительно включает в себя поддержание исходного газа в общем изотермическом состоянии при сужении участка сверхзвукового диффузора.
  28. 28. Способ по п.24, который дополнительно включает в себя добавление исходного газа в участок форсунок для сырья посредством третьей форсунки для сырья под третьим углом по отношению к продольной оси участка форсунок для сырья, причем третий угол больше второго угла, и при этом третья форсунка для сырья предназначена для впрыска исходного газа в пределах зоны струй исходного газа, созданных первой и второй форсунками для сырья.
  29. 29. Способ по п.24, который дополнительно включает в себя предварительный нагрев исходного газа путем его протекания через охлаждающий тракт вокруг критического сечения сужающегосярасширяющегося сопла.
  30. 30. Способ по п.24, который дополнительно включает в себя пленочное охлаждение сужающегосярасширяющегося сопла путем впрыска по меньшей мере одного из водяного пара, воды и водорода выше по потоку от критического сечения сужающегося-расширяющегося сопла.
  31. 31. Способ по п.24, который дополнительно включает в себя инициирование реакции самовоспламенения между горючим и окислителем для образования транспортирующего газа в камере сгорания выше по потоку форсунки для сырья.
  32. 32. Способ по п.31, который дополнительно включает в себя предварительный нагрев диэфира и кислорода до температуры самовоспламенения;
    смешивание диэфира и кислорода для инициирования реакции самовоспламенения с последующим образованием транспортирующего газа с применением пусковой реакции самовоспламенения.
  33. 33. Способ по п.24, в котором исходный газ включает в себя метан.
    - 9 031840
EA201691041A 2013-11-19 2014-11-19 Системы реакторов на основе сверхзвуковой ударной волны и способы синтезирования олефин-углеводородных газов EA031840B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361906353P 2013-11-19 2013-11-19
PCT/US2014/066407 WO2015077335A2 (en) 2013-11-19 2014-11-19 Supersonic shock wave reactors, and associated systems and methods

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EA201691041A2 EA201691041A2 (ru) 2016-11-30
EA201691041A3 EA201691041A3 (ru) 2017-02-28
EA031840B1 true EA031840B1 (ru) 2019-02-28

Family

ID=53180383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201691041A EA031840B1 (ru) 2013-11-19 2014-11-19 Системы реакторов на основе сверхзвуковой ударной волны и способы синтезирования олефин-углеводородных газов

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10384180B2 (ru)
AU (1) AU2014353052B9 (ru)
CA (1) CA2930838C (ru)
EA (1) EA031840B1 (ru)
WO (1) WO2015077335A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2744454C1 (ru) * 2019-12-18 2021-03-09 Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы" Импульсно-детонационный способ получения алкенов и алкинов и устройство для его реализации

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9050604B1 (en) 2014-06-06 2015-06-09 LLT International (Ireland) Ltd. Reactor configured to facilitate chemical reactions and/or comminution of solid feed materials
US10427129B2 (en) 2015-04-17 2019-10-01 LLT International (Ireland) Ltd. Systems and methods for facilitating reactions in gases using shockwaves produced in a supersonic gaseous vortex
US9452434B1 (en) 2015-04-17 2016-09-27 LLT International (Ireland) Ltd. Providing wear resistance in a reactor configured to facilitate chemical reactions and/or comminution of solid feed materials using shockwaves created in a supersonic gaseous vortex
CN107530666A (zh) 2015-06-23 2018-01-02 环球油品公司 热解反应器及其使用方法
US10434488B2 (en) * 2015-08-11 2019-10-08 LLT International (Ireland) Ltd. Systems and methods for facilitating dissociation of methane utilizing a reactor designed to generate shockwaves in a supersonic gaseous vortex
AU2018217057B2 (en) 2017-01-31 2023-12-07 New Wave Hydrogen, Inc. Hydrocarbon wave reformer and methods of use
CA3070371A1 (en) * 2017-07-21 2019-01-24 Pyrogenesis Canada Inc. Method for cost-effective production of ultrafine spherical powders at large scale using thruster-assisted plasma atomization
AU2018367932A1 (en) * 2017-11-14 2020-06-11 Pyrogenesis Canada Inc. Method and apparatus for producing fine spherical powders from coarse and angular powder feed material
US11649762B2 (en) 2020-05-06 2023-05-16 New Wave Hydrogen, Inc. Gas turbine power generation systems using hydrogen-containing fuel produced by a wave reformer and methods of operating such systems
WO2022008052A1 (en) 2020-07-09 2022-01-13 Basf Antwerpen N.V. Method for steam cracking
US11773777B2 (en) 2020-12-18 2023-10-03 New Wave Hydrogen, Inc. Zero-emission jet engine employing a dual-fuel mix of ammonia and hydrogen using a wave
CA3217031A1 (en) 2021-04-27 2022-11-03 Mark Davidson Improved conversion system for wave-rotor reactor system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4724272A (en) * 1984-04-17 1988-02-09 Rockwell International Corporation Method of controlling pyrolysis temperature
RU2100066C1 (ru) * 1995-06-30 1997-12-27 Анатолий Константинович Недайвода Способ получения полимера и установка для его осуществления
EP1413354A1 (en) * 2002-10-21 2004-04-28 Bechtel BWXT Idaho, LLC Thermal synthesis apparatus and method
RU2371246C2 (ru) * 2005-01-03 2009-10-27 Вестерн Ойл Сэндс, Инк. Сопловый реактор и способ его использования

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3839618A (en) * 1972-01-03 1974-10-01 Geotel Inc Method and apparatus for effecting high-energy dynamic coating of substrates
US20120270275A1 (en) * 2004-07-29 2012-10-25 Marcus Brian Mayhall Fenton Systems and methods for treating biomass and calculating ethanol yield
US8449465B2 (en) * 2005-10-14 2013-05-28 Cleveland Clinic Foundation System and method for characterizing vascular tissue
US8747238B2 (en) * 2012-06-28 2014-06-10 Ethicon Endo-Surgery, Inc. Rotary drive shaft assemblies for surgical instruments with articulatable end effectors
EP2688101A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-22 ABB Technology AG Method for electrically connecting vertically positioned substrates
US9707530B2 (en) * 2012-08-21 2017-07-18 Uop Llc Methane conversion apparatus and process using a supersonic flow reactor
US9370757B2 (en) 2012-08-21 2016-06-21 Uop Llc Pyrolytic reactor
US9689615B2 (en) * 2012-08-21 2017-06-27 Uop Llc Steady state high temperature reactor
US20140058095A1 (en) * 2012-08-21 2014-02-27 Uop Llc Fluid separation assembly to remove condensable contaminants and methane conversion process using a supersonic flow reactor
US20140058149A1 (en) 2012-08-21 2014-02-27 Uop Llc High efficiency processes for olefins, alkynes, and hydrogen co-production from light hydrocarbons such as methane
US9254472B2 (en) * 2012-10-31 2016-02-09 Physical Shockwave Industrial Applications, Llc Process and apparatus for supersonic collision shockwave reaction mechanism for making chemical compounds
JP5786875B2 (ja) * 2013-02-05 2015-09-30 株式会社デンソー 燃料噴射ノズル
EP3013469B1 (en) 2013-06-28 2020-06-03 Uop Llc High temperature quench system and process

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4724272A (en) * 1984-04-17 1988-02-09 Rockwell International Corporation Method of controlling pyrolysis temperature
RU2100066C1 (ru) * 1995-06-30 1997-12-27 Анатолий Константинович Недайвода Способ получения полимера и установка для его осуществления
EP1413354A1 (en) * 2002-10-21 2004-04-28 Bechtel BWXT Idaho, LLC Thermal synthesis apparatus and method
RU2371246C2 (ru) * 2005-01-03 2009-10-27 Вестерн Ойл Сэндс, Инк. Сопловый реактор и способ его использования

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2744454C1 (ru) * 2019-12-18 2021-03-09 Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы" Импульсно-детонационный способ получения алкенов и алкинов и устройство для его реализации

Also Published As

Publication number Publication date
CA2930838C (en) 2018-10-09
EA201691041A3 (ru) 2017-02-28
AU2014353052B2 (en) 2017-04-13
WO2015077335A2 (en) 2015-05-28
AU2014353052B9 (en) 2017-05-18
EA201691041A2 (ru) 2016-11-30
US20160296904A1 (en) 2016-10-13
AU2014353052A1 (en) 2016-06-16
US10384180B2 (en) 2019-08-20
CA2930838A1 (en) 2015-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA031840B1 (ru) Системы реакторов на основе сверхзвуковой ударной волны и способы синтезирования олефин-углеводородных газов
US9370757B2 (en) Pyrolytic reactor
CA1237150A (en) Method of controlling pyrolysis temperature
US3408417A (en) Thermal cracking method of hydrocarbons
RU2282784C2 (ru) Способ и устройство для обогащения тяжелой нефти
US3419632A (en) Thermal cracking method of hydrocarbons
US20150165414A1 (en) Methods and reactors for producing acetylene
JPS5856557B2 (ja) 炭化水素の熱分解法
AU2019202603A1 (en) Pyrolytic reactor and method of using
US20150165411A1 (en) Methods and reactors for producing acetylene
US2727932A (en) Method for controlling reactions in hot gaseous reaction mixtures
JP2023086704A (ja) 流体混合方法およびシステム
US3153104A (en) Cooling by recirculated product in diffusion flame process for production of acetylene and ethylene
RU2188846C1 (ru) Способ переработки углеводородного сырья
US3161695A (en) Process for making acetylene
RU2497930C1 (ru) Способ пиролиза углеводородного сырья
US3284168A (en) Apparatus for thermal decomposition of hydrocarbons
US2776195A (en) Process for the gasification of a liquid carbonaceous fuel
US3499055A (en) Method for thermally decomposing saturated hydrocarbons to produce unsaturated hydrocarbons employing oxygen along with a fuel gas
JP2709243B2 (ja) 合成ガス製造装置
RU2596260C2 (ru) Способ получения водородсодержащего газа из природного газа и реактор для осуществления этого способа
US4952745A (en) Control ACR product yields by adjustment of severity variables
Daniau et al. Numerical simulations and experimental results of endothermic fuel reforming for scramjet cooling application
US2868857A (en) Combustion chambers
EP0143487A1 (en) Control ACR product yields by adjustment of severity variables

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM