ES2294805T3 - Metodo para sistemas de conversion de combustible en energia. - Google Patents

Abstract

Un proceso que comprende las etapas de: a. aportar un sistema que comprenda un compresor (134), un combustor (102) y un túnel adiabático que tenga entradas a la línea de ramificación; b. inyectar de forma selectiva en al menos uno de dichos combustores (102) y dicho túnel adiabático (121-132) a través de entradas a la línea de ramificación, un oxidante y al menos una de las existencias y combustible a presión elevada para una reacción de combustión, independientemente de su extensión o alcance en dicho túnel; c. crear dicha reacción de combustión a elevada temperatura y a dicha presión; d. aportar los productos de reacción para la combustión a través de dicho túnel adiabático (121-132) e. formar una masa prescrita de gas a una temperatura prescrita y a una presión al final de dicho túnel (121-132) para al menos un uso final seleccionado para la energía o producción química; f. aportar al menos un gas de escape procedente de dicho proceso; g. recuperar dicho gas de escape y/o el contenido calórico de dicho gas de escape volviendo a comprimir dicho gas en dicho compresor como parte de un flujo de gas; y h. reciclando y haciendo entrar dicho flujo de gas y los productos de reacción de la combustión en al menos uno de dichos combustores (102) y de dicho túnel adiabático (121-132).

Description

Método para sistemas de conversión de combustible en energía.

Fundamento de la invención 1. Campo de la invención

Esta invención se refiere a la transformación de forma razonable de materia carbonosa en combustibles y productos químicos del petróleo para energía y otros fines.

2. Descripción del modelo preferente

Se han hecho muchos intentos para mejorar la eficacia de los sistemas de generación energética con el fin de reducir el cociente, consumo de combustible/energía generada, y y reducir la polución ambiental de los productos de combustión. Algunos de estos intentos incluyen el enfriamiento del paletaje de la turbina de gases, la recuperación del calor del ciclo combinado, y el ciclo de turbina de gas con aire húmedo (HAT). Por ejemplo, la patente americana 4.829.763 informa sobre un ciclo regenerativo con enfriador intermedio con un saturador que añade considerable humedad al aire de descarga del compresor, de manera que el flujo de entrada al combustor contiene de un 20 a un 40% de vapor de agua. El vapor de agua se añade al caudal de la turbina mientras el enfriamiento intermedio reduce la exigencia de trabajo del compresor lo que da lugar a una potencia específica superior. El aire comprimido que se utiliza para la combustión del combustible que acciona la turbina es enfriado luego humidificado, previamente a la combustión en un saturador de contracorriente de varias etapas con el vapor anteriormente mencionado. El calor de bajo nivel es rechazado por el aire comprimido durante el enfriamiento intermedio y antes de la humidificación. El ciclo HAT es una mejora en la eficacia térmica si se compara con el ciclo combinado, el ciclo inyectado con vapor, el ciclo regenerativo con enfriador intermedio y otros procesos basados en la humidificación. El ciclo HAT requiere presiones de aire muy elevadas de hasta 30 atmósferas y temperaturas de entrada a la turbina elevadas de hasta 2800 F para mejorar las eficacias térmicas globales de la instalación.

Otro sistema considerado como una extensión del ciclo HAT es el llamado IGHAT, de turbinas de gas integradas con aire húmedo, descrito por Day y Rao como un método de gasificación del carbón a base de generar potencia que podría aportar una eficacia elevada y bajas emisiones, al menos comparable a un ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC) pero sin la desventaja de un coste de capital elevado que generalmente se asocia a los sistemas IGCC. La mayoría de los ahorros en el costo del IGHAT provienen del hecho de que el ciclo HAT puede usar calor de nivel bajo procedente del agua de enfriamiento de la gasificación de un modo eficaz a través del saturador, mientras que en un IGCC se debe recuperar el máximo calor posible del gas del carbón bruto en forma de vapor a alta temperatura y alta presión, usando calderas de recuperación o calderas caldeadas por gases de exhaustación relativamente caras. Otros ahorros en los costes se producen porque el ciclo no requiere un condensador de turbina de vapor. Adicionalmente, la gran cantidad de vapor de agua mezclada con el aire de la combustión se espera que reduzca las emisiones de NOx a niveles muy bajos, considerando que se puede conseguir una combustión adecuada a temperaturas de llama
reducidas.

Harvey y cols, describen un proceso para reducir la irreversibilidad de la combustión a través del reciclaje de gas maloliente. El proceso no tiene un ciclo que sea similar a una turbina de gas con enfriamiento intermedio, recalefacción y un regenerador. El regenerador funciona como un reformador donde el combustible es craqueado y oxidado parcialmente por el calor procedente de los gases malolientes reciclados de la turbina. Los gases malolientes contienen oxígeno y por consiguiente se usan como portadores de oxígeno. Previamente a cada etapa de la turbina, el aire se inyecta en la corriente de gas que contiene combustible reformado y gases malolientes reciclados que se han calentado secuencialmente. El vapor de agua en los gases malolientes es licuado parcialmente en la serie de condensadores enfriados por agua después de cada etapa; el enfriamiento intermedio se realiza mediante inyección de agua. El análisis por Harvey y cols. muestra la reforma para la conversión del combustible, pero los beneficios presentados estaban limitados por la temperatura del punto de contacto en el reformador. Harvey y cols., planean otro estudio del efecto de su disposición propuesta sobre la eficacia en las temperaturas de entrada a la turbina inferiores a 2300 F, que en el análisis es el límite aproximado elevado sin enfriamiento del paletaje de las turbinas.

Para controlar la temperatura de entrada a la turbina dentro de los límites metalúrgicos aceptables (ahora 2600-2800 F) los diseñadores de las turbinas de gas han decidido incrementar el aire de combustión, los diluyentes como el vapor como en HAT o en la inyección simple de vapor, la inyección de agua o el enfriamiento intermedio del compresor.

Actualmente los metalúrgicos trabajan para desarrollar los componentes cerámicos o los revestimientos que pueden tolerar temperaturas, cada día mayores. Esta invención consigue el control de la temperatura de entrada a la turbina mediante el reciclado del gas de escape de la turbina con unas eficacias elevadas en el ciclo del sistema. El capital se reduce mediante la compacidad del reactor del motor cohético y la eliminación del equipo combinado de ciclos y su eficacia relativa para reducir la infraestructura del sistema. Al tratar el gas de escape procedente de las turbinas de vapor, esta invención utiliza la mayor parte del calor latente en el gas de escape con la consiguiente reducción en la carga de agua refrigerante requerida por otro lado para condensar el vapor para el agua que alimenta la caldera.

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención consiste en lograr un método para generar energía procedente del combustible con una eficacia mayor frente a métodos anteriores, que emplee temperaturas de entrada a la turbina convencionales sin inyección o enfriamiento intermedio del diluyente. Otro objetivo será lograr un aparato para generar energía a partir de combustible de una forma más flexible, eficaz y menos contaminante que los métodos anteriores, con un gasto de inversión reducido.

Esta invención también se puede utilizar como un sistema en el que interviene la reacción de pirolisis para llevar a cabo una pirolisis convencional a una temperatura moderada o una pirolisis total a una temperatura elevada. Las patentes americanas por Raniere y cols. 4.724.272 y Hertzberg y cols. 5.300.216 indican que el calentamiento y enfriado rápido en un flujo transónico se debe efectuar en momentos precisos con respecto al tipo y lugar del cambio brusco. Tanto hidrocarburos como vapor se calientan y se hacen pasar a través de distintas toberas supersónicas antes de la pirolisis. Hertzberg demuestra además que después del enfriado rápido, los gases piezopirolizados se pueden hacer pasar por una turbina para la recuperación de la energía y posterior enfriamiento.

Con esta invención también son posibles las transformaciones de la conversión combinada de combustible y la pirolisis. Las patentes americanas 4.136.015 y 4.134.824 por Kamm y cols. muestran un proceso para el craqueado térmico de los hidrocarburos y un proceso integrado para la oxidación parcial y el craqueado térmico de las reservas de petróleo crudo. El hidrógeno disponible de la oxidación parcial del aceite pesado promueve la selectividad del rendimiento. Se seleccionan unas condiciones de craqueo moderadas de tiempo-temperatura que dan lugar a un producto líquido sustancial y productos de alquitrán que deben ser tratados con dificultad en su proceso y en los procesos corriente abajo.

Por lo tanto, un objetivo de la invención consiste en disponer de un método de pirolizado y de hidropirolizado de materia carbonosa solo o en combinación con las transformaciones para la conversión del combustible a temperaturas y presiones moderadas o altas, consiguiendo una conversión casi total de las reservas en un ajuste casi total de la conservación de la energía. Otro objetivo de esta invención es conseguir un aparato para el pirolizado e hidropirolizado de la materia carbonosa solo o en combinación con las transformaciones para la conversión del combustible a temperaturas y presiones moderadas o altas, consiguiendo una conversión casi total de las reservas en un ajuste casi total de la conservación de la energía.

Resumen de la invención

Estos objetivos y otros que resultarán evidentes a partir de la siguiente revelación son logrados por la presente invención que comprende en un aspecto, un proceso tal como se define en la reivindicación 1. Otro aspecto comprende un aparato para generar energía a partir del combustible que comprende:

-

Una turbina que tiene un combustor;

-

Un motor cohético que tiene una tobera y un medio compresor;

-

Un medio para añadir materia carbonosa y agua y/o vapor a la tobera del motor cohético;

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Un medio para inyectar combustible y oxidante al motor cohético y al medio compresor del motor cohético;

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Un medio para transformar la potencia de salida de la tobera del motor cohético en combustible para el combustor de la turbina;

-

Un medio para introducir dicho combustible y oxidante para la turbina en el combustor de la turbina para producir dióxido de carbono y productos de combustión del agua;

-

Un medio para el reciclaje de una parte sustancial del gas de escape caliente desde la turbina hasta el medio compresor del motor cohético;

-

Un medio para el ulterior reciclaje del gas de escape caliente desde el medio compresor del motor cohético hasta la tobera del motor cohético; opcionalmente en uno o más puertos secundarios corriente abajo de dicha tobera; y opcionalmente como un flujo comprimido para otros usos; y

-

Controlando la temperatura de entrada a la turbina;

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Otro aspecto de la invención es un proceso alternativo para producir energía que comprende:

-

suministrar una turbina de vapor adaptada para generar trabajo al freno; y un motor cohético que tiene una tobera y un medio compresor del motor cohético;

-

alimentar combustible y oxidante al motor cohético;

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alimentar materia carbonosa y agua y/o vapor a la tobera del motor cohético;

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transformar la potencia de salida de la tobera del motor cohético en combustible para una caldera y en combustible para un segundo motor cohético;

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hervir agua en dicha caldera para producir vapor de agua;

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utilizar el vapor de agua resultante para suministrar energía a dicha turbina de vapor;

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enfriar rápidamente el vapor de salida de la turbina con agua; reciclado del vapor enfriado y de la mezcla de agua a la tobera del motor cohético; y

-

transformar la potencia de salida del segundo motor cohético en un producto del combustible.

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Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama de una fuente de energía de un motor cohético, un medio compresor de un motor cohético, un reactor de energía conservada y un medio de distribución.

La figura 2 es un diagrama de una fuente de energía de un motor cohético que fluye hacia una turbina de expansión cuyo gas es comprimido de nuevo por una máquina motriz o motor primario de manera que la mayoría de la descarga del compresor es reciclada efectivamente a un reactor de energía conservada.

La figura 3 es un diagrama de una fuente de energía de un motor cohético que fluye hacia una turbina de expansión que es parte de una turbina de gas existente con uso productivo de su compresor conectado.

La figura 4 es un diagrama que representa la fuente de energía del motor cohético que fluye hacia tres turbinas de de expansión en serie intercaladas con distintos combustores con suministros independientes de oxidante procedente del medio compresor del motor cohético.

La figura 5 es un diagrama que representa una fuente de energía de un motor cohético en combinación con una cubeta de combustible y un segundo reactor de energía conservada y una turbina de expansión para optimizar la carga base y/o la carga máxima para el suministro energético.

La figura 6 es un diagrama que representa una fuente de energía de un motor cohético, integrada con una caldera y que utiliza dos transformaciones de combustible.

La figura 7 es un diagrama que representa una fuente de energía de un motor cohético y una caldera con una extensión de un flujo de gas caliente para mejorar la eficacia del sistema.

La figura 8 es un diagrama que representa dos fuentes de energía de un motor cohético en un proceso combinado para la pirolisis y transformación del combustible para producir etileno y gas de síntesis.

La figura 9 es un diagrama que representa la partición y distribución de los gases de escape comprimidos de nuevo en la turbina de energía para optimizar el uso del calor dentro del sistema.

La figura 10 es un diagrama que representa un montaje de la conversión de energía casi total para producir etileno y otros productos químicos.

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Descripción detallada de la invención y de las configuraciones preferidas

El proceso de producir energía comprende:

Disponer de una turbina adaptada para generar el trabajo al freno, teniendo dicha turbina un combustor; y un motor cohético que tenga una tobera y un medio compresor;

inyectar combustible y oxidante al motor cohético;

inyectar materia carbonosa y agua y/o vapor a la tobera del motor cohético;

conversión de la energía del motor cohético en combustible para el combustor de la turbina;

introducir dicho combustible para la turbina en el combustor de la turbina;

pasar los productos de combustión a través de una turbina; y

reciclar una parte sustancial de los gases calientes de la turbina al medio compresor del motor cohético;

reciclar además los gases de escape del medio compresor del motor cohético hacia la tobera del motor cohético; opcionalmente, uno o más puertos secundarios corriente abajo de dicha tobera; y opcionalmente un flujo comprimido para otros usos; y

controlar la temperatura de entrada a la turbina.

Las turbinas de gas adecuadas adaptadas para generar trabajo al freno incluyen turbinas de gas habituales avanzadas y estándar fabricadas por GE, ABB, Solar, Siemens y otros.

Los combustores de turbinas de gas adecuados incluyen combustores equipados con turbinas de gas o bien los especialmente diseñados para un funcionamiento con mucho vapor.

Los motores cohéticos apropiados incluyen motores o propulsores de chorro fabricados por GE, Pratt & Whitney, Rolls Royce y otros; y quemadores fabricados por T-Thermal, John Zink y otros; y los motores de chorro y los cohéticos fabricados por los fabricantes de sistemas de propulsión para generadores magnetohidrodinámicas hasta temperaturas de finales de 5000 F como el TRW.

Las boquillas adecuadas para los motores cohéticos incluyen toberas de expansión/contracción tipo deLaval.

Los combustibles adecuados para el motor cohético incluyen metano, gas natural y destilados de petróleo.

Los oxidantes adecuados para el reactor del motor cohético incluyen aire y oxígeno.

La transformación adecuada de la energía de la tobera del motor cohético en combustible para el combustor de la turbina incluye uno o más túneles cuasiadiabáticos y toberas de unas dimensiones capaces de generar una o más ondas de choque y producir propulsiones de chorro para estimular la energía del flujo.

Las temperaturas adecuadas para introducir combustible para la turbina en el combustor de la turbina de manera que la temperatura de entrada a la turbina sea controlada dentro de unas limitaciones de los materiales existentes, es decir, hasta 2800 F para las turbinas de gas nuevas.

Un medio adecuado para reciclar los gases calientes desde la turbina hasta el compresor del motor cohético incluyen turbinas de gas, turbocargadores. Motores diesel y otros motores de combustión interna.

Preferiblemente, la energía procedente de la tobera del motor cohético y dicho gas de escape caliente reciclado procedente de esa turbina son transformados en una atmósfera quasiadiabática en dicho combustible para dicha turbina. Por atmósfera quasiadiabática se entiende que se preserva ese contenido de calor del gas del combustible, del oxidante, de la materia carbonosa y del agua que se inyecta, excepto de que se produzca una radiación inevitable u otras pérdidas para el ambiente.

En ciertos entornos, la materia carbonosa se introduce en dicha producción de dicho reactor del motor cohético corriente abajo de dicha tobera a unas velocidades suficientes como para transformar dicha materia carbonosa en dicho combustible para dicha turbina. Las velocidades adecuadas para dicha transformación incluyen el flujo subsónico y supersónico de hasta Mach 2 y superior para completar las reacciones y aportar el flujo a la presión de entrada a la turbina.

La materia carbonosa es preferiblemente metano, pero puede ser alternativamente gas natural y sus componentes, coque de petróleo, residuos o productos destilados, biomasa, carbón, alquitrán o bien otros productos químicos adecuados para la pirolisis o combustión. Preferiblemente dicho combustible es también el metano.

En algunas configuraciones, se utiliza una parte de dicho hidrógeno en uno o más usos corriente abajo, por ejemplo, células de combustible, reactores para la reducción del óxido de hierro, o bien procesos químicos como la hidrodesulfurización de destilados de petróleo, la hidrogenación de hidrocarburos insaturados, amoníaco y la producción de alcohol, etc.. En algunas configuraciones, una parte de dicho hidrógeno o bien de otro combustible se recicla mediante un medio adecuado hacia el motor cohético y las propulsiones a chorro corriente abajo.

Cuando se produce la transformación en un grupo de reactores de transformación es preferible que la presión en dicha producción del medio de compresión del motor cohético se adecue a la presión en cada reactor de transformación mediante un medio adecuado.

En ciertas configuraciones, una parte de dichos gases de escape calientes procedentes del combustor de la turbina es comprimida en un compresor intermedio y reciclada directamente hacia un medio de distribución de circuito corto y suministrada como adiciones de calor y masa que concuerdan al menos o incrementan la presión, tipo chorro, en unas juntas adecuadas que aumentan dichos gases de escape calientes.

En general, la energía de dicha tobera del motor cohético sale de dicha tobera a velocidades transónicas. Por velocidad transónica se entiende casi sónica y supersónica de hasta Mach 2 y superior, adecuada a las reacciones del proceso y al mantenimiento del nivel de energía del flujo diseñado.

Cuando la gravedad o selectividad de la reacción en el reactor de transformación o en la serie de reactores necesita ser incrementada o cuando se desean más condiciones de funcionamiento moderadas, se introduce el catalizador de dicha transformación en dicha producción de la tobera del motor cohético. Los catalizadores adecuados incluyen óxido de manganeso y titanato de zinc.

El trabajo al freno de la turbina puede ser únicamente para la generación eléctrica, o bien puede incluir también trabajo para accionar uno o más compresores o bombas.

Son posibles una o más turbinas, uno o más combustores y uno o más medios de generación eléctrica.

En ciertas configuraciones, se añade oxidante adicional o entre etapas a dicho(s) combustor(es) de la turbina. El oxidantes se puede introducir en dichos combustor de la turbina para controlar eficazmente la temperatura de entrada de la turbina. Las temperaturas adecuadas para las paletas de turbina y los componentes son de aproximadamente 1700 F para turbinas de gas viejas y de hasta 2800 F para el estado actual de los diseños. La temperatura de entrada a la turbina se puede elevar de acuerdo con las mejoras en la tecnología de los materiales para operaciones a alta temperatura y de una eficacia superior.

En general un producto de dicha transformación es el hidrógeno. Otro producto puede ser el dióxido de carbono, monóxido de carbono y el vapor de agua, por ejemplo.

Otra configuración de la invención es un proceso para producir energía que consiste en:

disponer de una turbina adaptada para generar el trabajo al freno, teniendo dicha turbina un combustor; y un motor cohético que tenga una tobera y un medio compresor;

inyectar combustible y oxidante al motor cohético;

inyectar materia carbonosa y vapor a las toberas del motor cohético;

convertir la energía de la tobera del motor cohético en combustible para una caldera y en combustible para un segundo motor cohético;

hervir agua en dicha caldera para producir vapor de agua;

utilizar el vapor de agua resultante para activar dicha turbina de vapor;

mezclar el vapor de salida de la turbina con agua; y reciclar el vapor enfriado y la mezcla de agua hacia la tobera del motor cohético; y

transformar la energía del segundo motor cohético en un producto del combustible. El producto del combustible comprende generalmente hidrógeno.

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En algunas configuraciones, se introduce agua limpia en dicho reactor de transformación o bien grupo de reactores de transformación, de forma que se reactiva dicho reactor o reactores con la energía de dicho motor cohético. Preferiblemente, el agua limpia se introduce en una proporción en peso mayor o aproximadamente igual a los gases de escape de la turbina de vapor.

Las configuraciones preferidas de este aspecto de la invención incluyen disponer de un intercambiador de calor; un tercer motor cohético que tenga una tobera; una turbina de gas que tenga un combustor; la inyección de combustible y oxidante a dicho tercer motor cohético; el dirigir la producción de dicha tobera del tercer motor cohético hacia dicho intercambiador de calor de manera que se enfríe dicha energía y que se supervaliente el vapor de dicha caldera; y transferir el vapor supercalentado resultante a dicha turbina de vapor.

Un aparato adecuado para generar la energía a partir del combustible de acuerdo con la invención comprende:

una turbina de gas que tenga un combustor; un reactor del motor cohético que tenga una tobera y un compresor; un medio para inyectar combustible y oxidante al motor cohético;

Disponer de una turbina adaptada para generar el trabajo al freno, teniendo dicha turbina un combustor; y un motor cohético que tenga una tobera y un medio compresor;

un medio para convertir la energía del reactor del motor cohético en combustible para el combustor de la turbina; un medio para introducir dicho combustible para la turbina en el combustor de la turbina;

un medio para reciclar los gases calientes de la turbina hacia el medio compresor del motor cohético;

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un medio para reciclar además los gases de escape del medio compresor del motor cohético hacia la tobera del motor cohético; opcionalmente, uno o más puertos secundarios corriente abajo de dicha tobera; y opcionalmente como un flujo comprimido para otros usos; y para controlar la temperatura de entrada a la turbina de gas.

Las turbinas de gas de alta temperatura y alta presión que se están desarrollando se pueden actualizar de acuerdo con esta invención para incrementar su eficacia térmica. Quizás los incrementos de actualización máxima den lugar a muchas turbinas de gas estacionarias de baja eficacia, de servicio pesado, ya instaladas y funcionando en un intervalo de temperatura inferior. Aparte de la recuperación del calor a través de la recompresión del reciclado conservado, la implementación de la compresión que funciona independientemente puede eliminar por completo el trabajo de compresión procedente de la turbina de expansión de la energía de salida, incrementando con ello su trabajo neto de producción y su eficacia mecánica. Este mismo incremento se obtiene pues con una instalación nueva.

Esta invención consigue el control de la temperatura de entrada a la turbina mediante el reciclado de los gases de escape de la turbina con las consiguientes elevadas eficacias de ciclo del sistema. El capital es reducido por la compacidad del reactor del motor cohético y la eliminación del equipo de ciclo combinado y su eficacia relativa para reducir la infraestructura del sistema. Los óxidos de nitrógeno asociados normalmente a la producción de hidrógeno por la conversión del vapor se reducen debido a las condiciones de reacción libre de nitrógeno o bien de poco aire y elevado vapor y una elevada eficacia del ciclo térmico.

Tal como se ha mencionado, la invención comprende el reciclado de una parte sustancial de los gases de escape procedente de una turbina de energía de expansión; aumentándolos con adiciones de combustible y los productos de combustión de dichas adiciones de combustible para comprimirlos; volviéndolos a comprimir en un proceso de compresión por chorro, escalonado, que conserva el calor, independiente y devolviéndolos a la turbina de la energía de expansión; haciendo reaccionar dichos gases en una etapa de compresión superior con un reactor inversor del gas de agua y/o transformador de hidrocarburos inversor de gas de agua accionado por un motor cohético (en adelante se conoce como el reactor de energía conservada), para la conversión termoquímica añadida resultante en combustible reciclable y combustible extra para otros fines además del ciclo de la energía de expansión; y; que modula la temperatura de entrada a la turbina mediante el reciclaje controlado de los elevados flujos de gas de escape. La presente invención extiende el modelo ya que aumenta la eficacia, reduce el capital de gasificación y minimiza la polución ambiental; y añade capacidades a la tecnología actual llevando a cabo las reacciones de cambio y transformación en otro reactor de energía conservada.

La reacción inversora convierte el monóxido de carbono en dióxido de carbono e hidrógeno adicional. Los diseños del reactor de energía conservada secuencial reducirán además el capital y mejorarán la planta de procesamiento y la economía de la generación de potencia.

Con respecto ahora a los dibujos, la figura 1 muestra la materia carbonosa 100 y el agua 99 como inyecciones a los puertos o bien orificios secundarios de la tobera del motor cohético 120. Un motor cohético 102 recibe combustible a través de la línea 101, preferiblemente metano. El oxidante, preferiblemente aire, pasa al motor cohético 102 a una presión elevada a través de la tubería 103 desde la fuente de oxidante. El oxidante es ramificado opcionalmente por la línea 104 hacia el combustor de la turbina de gas 105. El combustor 105 también es puesto en marcha con combustible 106 para controlar la temperatura de entrada a la turbina en combinación con el agua 107.

Los gases de escape calientes procedentes del combustor 105 se expanden a través de la turbina de gas 108. Los gases de escape de la turbina en la línea 109 se pueden dirigir como la 110 hacia uno o más orificios secundarios a las toberas corriente abajo a través de líneas afines 111, 112 y 113; o bien una parte de ella como 114 puede ser ramificada para unirse y pasar a ser fluidos térmicos recuperables transportados en la línea 115. Como una alternativa al flujo en la 114, el flujo 116 en el compresor 117 lleva el flujo como el 118 a una presión del sistema para acomodar el calor y el equilibrio de masa para el ciclo. Otra ramificación 119 se puede dirigir al orificio secundario de la tobera 120. Los reactores de transformación 121, 122 y 123, respectivamente, representan zonas de tiempo de paso ampliadas y, inversoras, de gas de agua donde se produce la transformación de los gases de escape del motor cohético. Estas zonas pueden ser programadas opcionalmente como zonas de choque transónicas secuenciales o simplemente como dos o más zonas de tiempo de paso. Los impulsos, corriente abajo pueden ser programados por la combustión después del chorro introduciendo oxidante a través de las líneas 124, 125 y 126 para encenderse con la materia carbonosa que no ha reaccionado.

Las líneas no utilizadas entre la 111, 112, 113, 124, 125 y 126 se pueden programar para introducir otra materia reactiva. El alcance de los usos depende de la reactividad de los compuestos presentes. Un reactante limpio para la conversión, por ejemplo el metano, dentro de un orificio o puerto auxiliar de la tobera 120 quizás no requiera más de dos zonas de reacción. Un carbón prelavado o coque de petróleo podría requerir una zona adicional. El material sólido que se inyecta requiere además la separación de las macropartículas del flujo, lo que tendría lugar en un separador aparte de partículas 127. Otro uso para el separador 127 puede ser recuperar las partículas de forma secundaria arrastradas por cualquiera de las funciones siguientes mediante descarga:

1.

Partículas del catalizador;

2.

Minerales del desgastador para la captura de metales alcalinos en un proceso de biomasa;

3.

Semillas o burbujas de captura de sulfuro como las de óxido de manganeso o titanato de zinc para carbón, coque y aceites residuales;

4.

Partículas de hierro para la reacción del hierro en el vapor, para producir hierro esponjoso, producir hidrógeno para células de combustible y otros usos, y para reciclar-reducir óxidos de hierro;

5.

Otras partículas metálicas como el estaño y el zinc para reacciones termoquímicas; y

6.

Partículas neutras para transferencia del calor para partículas que fluyen con rapidez, gases y vapores.

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Cualquiera de las partículas se puede introducir por arrastre en un fluido que sea químicamente compatible para el proceso. Algunos procesos podrán requerir al menos un separador más 127 que pueda repetirse en una serie en cascada de manera que el gas que fluya totalmente hacia la tobera 128 pueda servir como una contrapresión o presión inversa para el siguiente proceso que utilice gas natural, la materia carbonosa prelavada o lavada se convierta para la combustión directa para la expansión de la turbina, o bien un proceso integrado de cubeta de combustible/turbina. Una capacidad del tren del reactor accionado por un motor cohético es la de producir un gas combustible que se utilizará directamente en la combustión, como en las configuraciones posteriores. Otra capacidad del tren del reactor accionado por un motor cohético es la de forzar a que se lleven a cabo las reacciones en su totalidad hacia la temperatura mínima final de la reacción mediante inyecciones programadas y controladas de reactante. Esto es útil cuando se desea la producción máxima de hidrógeno para un uso químico posterior. La mayoría de los reactores de conversión en la práctica enfrían la reacción rápidamente para preservar su composición química final. Por contraste, en el momento apropiado esta invención enciende el gas producto al final de la reacción para la temperatura final de la reacción prescrita estoquiométricamente que finaliza en la estación 129 del medio de distribución del reactor de energía
conservada.

Por otro lado, cuando la temperatura final de la reacción no coincide con temperaturas todavía inferiores requeridas por el proceso corriente abajo, entonces se debe enfriar rápidamente la reacción.

A la inversa, un proceso como la pirolisis puede requerir el enfriamiento rápido para interrumpir una secuencia de la reacción y enfriar las especies químicas intermedias deseadas. Ejemplos de ello incluirían el craqueado del metano para producir acetileno y etileno; el craqueado del etano para producir etileno; y el craqueado del propano, butano y destilados del petróleo para coproducir hidrógeno, etileno, propileno, butileno, butadieno y otras diolefinas y compuestos aromáticos.

Cuando el oxígeno es el oxidante a elegir y su fuente se encuentra disponible a la presión del proceso, la necesidad de un medio compresor del oxígeno aparte desaparece. De lo contrario, un medio compresor puede servir para estimular la presión del oxígeno.

La línea 130 que muestra la ramificación de la fuente oxidante sirve para suministrar oxígeno o aire a uno o más de los puertos u orificios correspondientes a las estaciones de la tobera 120, 131, 132 y 128 para incrementar el impulso en el flujo por una combustión después del chorro. Se dispone de una fuente de ignición cuando el flujo en contacto se encuentra bajo la temperatura de autoignición o de reacción. Las líneas de ignición no se muestran pero son similares a la línea 133. La función de la combustión después del chorro es la de estimular el arrastre, crear el choque y/o crear la pérdida de la carga hidrostática debida a la fricción para mantener la presión en la estación 129.

El compresor 134 se muestra activado por el combustor 105 y la turbina 108. Sin embargo, el compresor 134 puede ser accionado por cualquier motor primario, un motor diesel por ejemplo, prefiriéndose siempre que su composición de combustible sea químicamente compatible con el flujo en el reactor de energía conservada; de lo contrario, los gases de escape deberán ser exportados para usos de recuperación.

Los gráficos o diagramas de equilibro estándar se utilizan como directrices para iniciar y activar el proceso de conversión de manera que se evite la formación de carbón sólido o de coque.

Este proceso tiene la capacidad de fabricar productos extra, por ejemplo, se pueden producir gases de síntesis para amoníaco o alcoholes, gases craqueados por la pirolisis para el etileno y las sustancias petroquímicas.

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Reacciones de base típicas para el reactor de energía conservada

Lo siguientes son las principales ecuaciones que se refieren de forma selectiva a cualquier modelo que incorpore el reactor de energía conservada descrito con respecto a la figura 1. Las ecuaciones básicas son las siguientes:

Ecuación (1)

C + H_{2}O \leftrightarrow CO + H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH = + 28 kcal Gas de agua

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Ecuación (2)

CO + H_{2} + H_{2}O \leftrightarrow CO_{2} + 2H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH = -9,8 kcal Cambio

Ecuación (3)

CH_{4} + H_{2}O \leftrightarrow CO + 3H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH = + 49,3 kcal

Ecuación (4)

CH_{4} + 2H_{2}O \leftrightarrow CO_{2} + 4H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH = + 39,5 kcal

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La figura 1 muestra también como se puede producir combustible adicional además de aumentar la eficacia del ciclo de potencia. Muestra el reactor descargando 3H_{2} + N_{2} como gases de síntesis para el proceso del amoníaco y combustible adicional como H_{2} + 0,333N_{2} que se puede utilizar para más vapor y hacia el abastecimiento del motor cohético para exportación en la planta.

Las siguientes dos ecuaciones ilustran las reacciones básicas autotérmicas que tienen lugar en el reactor para producir estos gases

Ecuación (4)

CH_{4} + 2H_{2}O \leftrightarrow CO_{2} + 4H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH = + 39,5 kcal; y

Ecuación (5)

(0,176 CH_{4} + 2H_{2}O + 0,353 O_{2} + 1,333N_{2} \leftrightarrow 0,176CO_{2} + 0,353H_{2}O + 1,333N_{2} {}\hskip1cm \DeltaH = - 33,6 kcal

\vskip1.000000\baselineskip

La suma de las reacciones (4) y (5) da lo siguiente:

4 H_{2} + 1,333N_{2}

gases de síntesis del amoníaco

1,176 CO_{2} + 1,333N_{2}

Combustible en exceso para un flujo elevado de vapor y/o reciclado del Reactor; o exportación de la planta

1,176CO_{2} + 1,333N_{2}

También para exportación de la planta

\vskip1.000000\baselineskip

Esta es otra característica especial de este proceso, es decir, el aprovisionamiento para fabricar productos extra. Los gases de síntesis para el amoníaco también se pueden producir en configuraciones posteriores empleando turbinas de gas. Las ecuaciones de conversión del gas de agua (1) a (4) se pueden aplicar a todas las configuraciones de esta invención dependiendo de la materia carbonosa que se va a transformar. El metano o el gas natural se relacionan con las ecuaciones (3) y (4) mientras que el carbono, coque de petróleo y la biomasa y los aceites residuales pueden ser tratados a través de las ecuaciones (1) a (2) para el cambio del gas de agua. La reacción del gas de agua produce H_{2} + CO generalmente a partir del primer reactor y se exhibe como las líneas 141 y 142 dependiendo del uso definitivo como gas de síntesis o gas del combustible del proceso. El significado del equilibrio en esta invención se explica con respecto a la ecuación 4, por ejemplo, que produce cuatro moles de hidrógeno y un mol de dióxido de carbono. Para fines prácticos una relación de una línea casi recta que se mantiene en la escala positiva del log_{10}K de cinco a cero correspondiente a las temperaturas respectivamente entre 1600 K y 880 K (Wagman y cols.), o bien entre 2400 F y 1100 F aproximadamente. Naturalmente, temperaturas superiores también favorecen el equilibrio. (Constantes del equilibrio por Wagman y cols).

Para comprender el significado en particular del equilibrio con esta invención se tiene que conceptualizar un chorro a temperatura muy elevada, digamos 4000 F, rico en vapor, que completa de forma progresiva el equilibrio partícula por partícula de la interacción de la materia carbonosa a medida que transcurre la función decreciente progresivamente del log_{10}K y las temperaturas correspondientes hasta 1100F y temperaturas inferiores, porque es posible hacerlo con presión hasta un alcance mínimo en el intervalo negativo del log_{10}K. Llegar a temperaturas bajas es beneficioso si se debe desulfurizar el gas combustible. A veces es también útil en este caso separar el dióxido de carbono del hidrógeno tal como se muestra con las líneas 143 y 144. Otra ventaja de llegar a completar a temperatura mínima una reacción especificada estequiométricamente es que se requiere menos materia carbonosa o combustible y menos oxígeno para el calor endotérmico lo que da lugar a menos dióxido de carbono en los gases malolientes.

Por otro lado, si el reactante es un carbón prelavado, puede ser útil conducir la reacción a una temperatura final superior para su uso en un combustor de la turbina 129, de manera que la reacción se ajuste mediante el encendido a través de la línea 133. Sin embargo, un gas de combustible generado por el carbono prelavado debe haber eliminado sus cenizas volantes en un separador 127 a través de la línea 145 previamente a su combustión en el combustor 129.

Flexibilidad para la pirolisis

Esta invención puede ser también útil como un sistema de reacción de la pirolisis tal como se muestra en la figura 1 para llevar a cabo una pirolisis convencional a una temperatura moderada o bien una pirolisis total a alta temperatura. A temperaturas moderadas el etano, propano, butano y los destilados del petróleo pueden ser craqueados para producir etileno y acetileno y otras olefinas y diolefinas como el propileno, butileno, butadieno y líquidos hidrocarbonados aromáticos. A temperaturas altas, el metano puede ser craqueado para producir principalmente hidrógeno, etileno y acetileno. El craqueado de hidrocarburos sin metano a altas temperaturas da lugar virtualmente a la conversión total para producir una distribución de productos mayoritariamente libre de compuestos cíclicos producidos normalmente, aromáticos y aceites aromáticos pesados y breas.

Las patentes americanas por Raniere y cols., 4.724.272 y Hertzberg y cols., 5.300.216 muestran que el calentamiento y craqueado en el flujo transónico se deben efectuar en tiempos de paso determinados con respecto al tipo de choque y lugar del choque. Los expertos en la materia saben que el enfriamiento rápido a una temperatura de aproximadamente 1100-1300 F es importante para preservar los rendimientos de los productos deseados y minimizar la formación de coque.

El motor cohético 102 y la sección de la tobera 120 de esta invención acoplada a los reactores 121, 122 y 123 descritos anteriormente representa una instalación que tiene una longitud flexible de reactor, una capacidad para crear diferentes características de choque a lo largo de la vía de reacción y para el craqueado a través de los orificios 111, 112, 125 y 126 en unas condiciones de pirolisis diferentes en la reacción tiempo-temperatura. Se dispone de muchos grados de libertad puesto que cualquiera o alguna más de dichas localizaciones e incluso la sección 120 de la tobera a la cabeza de los puntos de craqueado seleccionados puede ser utilizada opcionalmente para las entradas de masa transónica y las adiciones de calor al flujo principal. El craqueado puede ser total o parcial y directo o indirecto o bien una combinación de ambos. Los medios de craqueado directos pueden ser agua, vapor, hidrocarburos y gases inertes. El craqueado indirecto se realiza en un intercambiado de calor (no mostrado) en o cerca del punto 127 en lugar del separador mostrado. Los productos craqueados enfriados rápidamente se descargan a través de la sección 28 de la tobera y se distribuyen a través de la línea 146 para ser tratados de nuevo por un medio adecuado.

Flexibilidad para la producción combinada del gas de síntesis y de los productos pirolizados

Las patentes americanas 4.136.015 y 4.134.824 por Kamm y cols. muestran un proceso para el craqueado térmico de hidrocarburos y un proceso integrado para la oxidación parcial y el craqueado térmico del material inyectado a base de aceites crudos. Las condiciones de pirolisis a una temperatura moderada se seleccionan en su proceso y en los procesos siguientes.

Con esta invención también son posibles las transformaciones de la conversión combinada de combustible y la pirolisis. Se prefiere el funcionamiento a alta temperatura de manera que se consiga la desintegración completa y la conversión de productos hidrocarbonados craqueados normalmente en estado líquido o sólido. En una síntesis a modo combinado se producen primero gases en un o más reactores de energía conservada tal como se ha descrito. Luego, en un reactor de energía conservada corriente abajo, se introducen los reactantes de la pirolisis a los gases de síntesis de hidrógeno y del vapor que fluyen desde el primer reactor de energía conservada y la pirolisis total se lleva a cabo tal como se ha descrito previamente. La presencia de hidrógeno en unas cantidades relativamente grandes durante la pirolisis permite añadir selectividad hacia los productos deseados. La presencia de vapor en cantidades relativamente grandes durante la pirolisis reduce la tendencia para la formación de coque o hollín.

Para incrementar todavía más la reactividad, acelerar las velocidades de calentamiento y mejorar la selectividad hacia los productos craqueados seleccionados se puede añadir oxidante adicional a través de los orificios de la tobera disponibles. En la transformación-pirolisis combinada de combustible se prefiere el craqueado del agua en modo directo puesto que el vapor así producido in situ es útil para generar energía en la turbina. Los productos craqueados se hacen pasar a través de una turbina para un refrigerado posterior mediante la extracción isentrópica del trabajo y el flujo a otros procesos de separación convencionales. Se puede practicar tanto la pirolisis a alta temperatura como a una temperatura moderada dependiendo de la materia eyectada, los productos finales deseados y los factores económicos. Se puede realizar el craqueado de la reacción directa o indirecta o de combinación dependiendo del material inyectado, los productos finales deseados y los factores económicos.

La figura 8 es un diagrama de un proceso para la transformación del combustible y la pirolisis para el etileno y los gases de síntesis. El proceso que se va a describir es representativo en general de la producción de otros hidrocarburos. El metano es inyectado a través del compresor 134 y es distribuido para adaptarse a una presión alta en la línea 800 en el combustor 102, línea 801, sección de tobera 120 y línea 802 como una opción para una combustión después del chorro. Una fracción del metano se enciende con el oxígeno en el combustor 102 para el requisito endotérmico de conseguir una reacción de transformación en la forma de la

Ecuación (1)

CH_{4} + H_{2}O \leftrightarrow CO + 3H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH = + 49,3 kcal

El metano restante del combustor 102 sirve para aumentar la masa del chorro. Los gases de síntesis producidos en el reactor de energía conservada se distribuyen para adaptar los tres objetivos siguientes:

1. Una fracción es reciclada al combustor de combustible 105 del medio compresor del motor cohético. El gas de escape resultante de la turbina 108 es recomprimido por el compresor 117 y es distribuido a lo largo del reactor tal como se muestra;

2. Una fracción es el producto del gas de síntesis;

3. La fracción restante se inyecta bajo presión en una segunda etapa del combustor del motor cohético y se inflama con oxígeno para formar el chorro de pirolisis en forma de

CO + 2 H_{2}O

\hskip0.3cm

A

\hskip0.3cm

CO_{2} + 3H_{2}O

para craquear el etano para la producción de etileno tal como se ha descrito antes.

\vskip1.000000\baselineskip

Tal como se ha descrito antes, el combustor del motor cohético puede funcionar a unas temperaturas finales de hasta 5000 F y a unas presiones finales relativamente no limitadas. También se ha descrito la flexibilidad del reactor de energía conservada para localizar el choque y los choques complementarios corriente abajo. Como otra nota, el metano, la materia carbonosa como el carbón y el aceite residual pueden ser tratados, lo que luego produce gas en la forma de

CO + 2 H_{2}

\hskip0.3cm

A

\hskip0.3cm

CO_{2} + 2H_{2}

Finalmente, el enfriado rápido a 1300-1000 F se precisa con agua, vapor, un hidrocarburo o gas inerte en el momento de óptimo craqueo con el fin de congelar los productos de reacción intermedios deseados. Toda ceniza volátil en el separador se elimina en el lugar 127.

Muchas otras reacciones de transformación conforme a la invención tienen lugar en unas condiciones casi sónicas y supersónicas con velocidades de deslizamiento relativamente altas entre los reactantes que dan lugar a zonas de choque con consecuentes flujos subsónicos. Se obtendrá pues una reactividad intensa con temperaturas de chorro primarias de hasta 5000 F (practicada en los flujos magnetohidrodinámicos) y presiones altas ilimitadas para fines prácticos.

Volviendo ahora a la presión, se sabe que la presión elevada favorece muchas reacciones químicas. Tal como se ha indicado con anterioridad, las bajas presiones son adecuadas para la gasificación de la biomasa. También se sabe que la biomasa es mucho más fácil de gasificar que el carbón con reacciones que tienen lugar a temperaturas inferiores y a presión casi atmosférica. El carbono se trata de forma óptima a presiones superiores.

Esta invención incorpora alternativas adecuadas para distintas presiones del reactor para la conversión y al mismo tiempo conserva la energía de la fuente de potencia del motor cohético para la conversión por la función de
reciclado.

La distribución de la presión es tal como se ha descrito con respecto a la figura 1 donde el flujo de fluidos calientes recuperable del compresor 134 se ramifica en la línea 136 para abastecer el combustor 105. El flujo restante te divide en una línea 137 que abastece el combustor 102 del motor cohético y la línea ramificada 138 que abastece uno o más orificios auxiliares corriente abajo del chorro de la tobera de potencia 120.

Los flujos al 137 y 138 no se fijan necesariamente. Al aumentar el flujo en 137 se produce un descenso correspondiente en 138. Ser capaz de controlar este intercambio permite más o menos temperatura en el combustor 102 para la oxidación parcial o completa que puede tener el efecto opuesto del flujo de oxidante a través de la ramificación 138, y esto se puede compensar con más o menos inyección de material carbonoso y agua a través de las líneas 100 y 99.

Un intercambio similar en la ramificación se consigue a partir de la línea de escape 109 desde la turbina 108. Esto se explicaba previamente como una vía de rutina. Este significado del intercambio que aquí se menciona se refiere a la recuperación del gas de escape y de la masa. En unas condiciones de presión relativamente baja toda o la mayor parte del flujo a través de la línea 109 pude continuar a través de la línea 110 y se puede distribuir de forma selectiva por el reactor. Por razones del proceso o bien para un efecto de arrastre más fuerte el mismo flujo se puede volver a dirigir a través de la línea 119 donde el chorro de combustión tiene el efecto de arrastre mayor, pudiéndose amplificar dicho efecto al aumentar la temperatura en el combustor 102.

\newpage

La necesidad de dirigir el flujo de escape a través de la línea 116 para ser comprimido mecánicamente con el flujo de oxidante en la línea 139 a través del compresor 134 es menor aquí debido a la característica de baja presión del proceso. Sin embargo, funciones similares tienen lugar en configuraciones de turbinas de expansión que actúan a presiones como de 30 atmósferas en la estación 129. La estación 129 sirve pues como combustor de alta temperatura y alta presión de la turbina. En ese caso se sustituye la línea de fluidos térmicos recuperables 115 por una gran proporción de gas de escape que se vuelve a comprimir con el flujo en la línea 116. Luego el suministro de fluidos térmicos recuperables a todos los combustores será de otra fuente que se describirá más tarde para las configuraciones respectivas. Sin embargo, en cada caso, la energía desarrollada por el motor cohético y su medio compresor debe mantenerse en un flujo de reciclado en estado estacionario de composición química consistente en un ciclo quasiadiabático mientras se conserva una parte sustancial de la energía de escape para accionar de forma más eficaz una turbina de expansión que proporciona potencia mecánica o electricidad.

En este caso para recuperar una parte sustancial del calor de escape y de la masa, la flexibilidad proporcionada por las opciones de intercambio descritas procedentes de la línea 109 servirán para optimizar el sistema de reciclado que aporta un flujo de masa constante y consistente al combustor 129, activando el medio de expansión de la turbina. La mayor parte del calor que vuelve a través del sistema transformará la materia carbonosa en gas combustible para el combustor en la estación 129. Todo calor sensible adicional en el flujo a la estación 129 se conserva para fluir a través de la turbina de gas 140. Para prevenir la acumulación en el reciclado, el dióxido de carbono necesario, el nitrógeno y el vapor de agua mínimo servirán para precalentar el combustible, los fluidos térmicos recuperables y otros usos de la instalación. Estos se describirán seguidamente en sus configuraciones respectivas.

La invención puede comprender turbinas de expansión; turbinas con trabajo al freno parasítico y múltiples disposiciones de turbinas.

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Caso 1

Fuente de energía del motor cohético para turbinas de una sola etapa y de múltiples etapas

En la figura 2 el combustor 129 para l medio de la turbina de expansión 200 que suministra potencia al generador 201. Se puede usar toda energía transmitida mecánicamente. El medio de la turbina puede ser una simple turbina, una turbina de múltiples etapas, o una turbina de múltiples etapas con calentamiento entre ellas. Preferiblemente, la fuente de temperatura y de presión que se desarrolla en el combustor 129 es la fuente de energía del motor cohético previamente descrita con respecto a la figura 1.La fuente de energía del motor cohético incluye también el reactor de energía conservada o el transformador. Su función no es solamente la de transformar la materia carbonosa introducida a través de la línea 124 en un gas combustible útil en el combustor 129 sino convertir todo o la mayor parte de la energía gastada en comprimir y calentar en el compresor del motor cohético, en el motor cohético y en el reactor de energía conservada todos juntos en gas combustible (y su calor sensible) que fluye hacia dentro del
combustor 129.

La función que rodea esta configuración es la de reciclar una parte sustancial del los gases de escape procedentes de la última turbina del medio de expansión, a excepción de lo que debe ser exportado del ciclo (al menos para el calentamiento directo y la transferencia de masa) para prevenir la acumulación en el proceso. De acuerdo con ello, el gas de escape 202 se ramifica en el 203 y continúa como el 204 después de haberse incrementado la presión a través del compresor 205, para el calentamiento entre etapas en el medio de la turbina 200. El compresor 205 que será accionado por la turbina 108 puede ser controlado por un medio adecuado.

Resulta esencial que la masa y la química del ciclo mayor o global se mantengan en un estado estacionario; así la masa exportada 206 debe ser reemplazada por una masa equivalente con una química del agregado que sea conforme para tener así su continuidad. Por ejemplo, si se elige CH_{4} como combustible, la reacción en el combustor 129 se organiza del modo siguiente:

\vskip1.000000\baselineskip

Ecuación (1)

CH_{4} + 2 aire + x reciclado \leftrightarrow CO_{2} + 2H_{2}O + 7,5 N_{2} + x reciclado

Donde el reciclado = CO_{2} + 2H_{2}O + 7,5 N_{2} y donde x es mayor cuanto inferior es la temperatura de entrada a la turbina de diseño, donde x (CO_{2} + 2H_{2}O + 7,5N_{2}) puede sustituir todo exceso de aire que se enciende en la práctica común. La ecuación (1) se vuelve a escribir tal como sigue cuando el oxígeno es el oxidante preferido:

\vskip1.000000\baselineskip

Ecuación (2)

CH_{4} + 2 oxígeno + x reciclado \leftrightarrow CO_{2} + 2H_{2}O + x reciclado

\newpage

donde el reciclado = CO_{2} + H_{2}O de forma que x(CO_{2} + 2H_{2}O) es el sustituto por el aire en exceso. El término x puede ser cualquier número o un número mixto. El flujo exportado en 206 debe ser igual a CO_{2} + 2H_{2}O pero puede ser fraccionalmente mayor para el balance del ciclo siempre que su agregado químico equivalente vuelva a entrar al ciclo para la continuidad del flujo.

Volvamos ahora al compresor 134 donde los combustibles para el motor cohético 102 y el combustor 105 son fracciones de metano del valor térmico de diseño, que se considera la suma de los calores que llegan al combustor 129 incluyendo cualquier adición a la combustión después del chorro. El compresor 134 recibe y descarga el flujo 207 que se ramifica en 208, 209 y 210. La línea 208 entra en el combustor 105 y su función principal en proporción es la de regir la temperatura de entrada del flujo del combustor 209 en la turbina 108 en un margen adecuado para el equilibrio del reciclado, donde la fracción del flujo 210 que pasa al 211 es opcional con el equilibrio desde el flujo cero hasta un máximo igual al del 210. Luego sigue cuando el 210 es algo mayor que cero en el equilibrio, manteniéndose en cero para la puesta en marcha. La compatibilidad del motor cohético, o en combinación con las propulsiones de la combustión después del chorro corriente abajo dependerá de la diferencia entre la presión máxima en el combustor 102 y la presión de diseño para el combustor 129. Los combustores 102 y 129 compensan más que solo marginalmente las siguientes pérdidas:

1.

Tobera del motor cohético

2.

Fricción

3.

Arrastre de propulsión

4.

Distribución de los gases de escape del medio compresor del motor cohético

De hecho, estas pérdidas se convierten en calor in situ entre los combustores 102 y 129 y se transforman por tanto en combustible útil endotérmicamente con algún aumento en el calor sensible en los productos que fluyen hacia el combustor 129.

Al menos en el futuro previsible, las turbinas de gas avanzadas se diseñan para temperaturas de hasta 2800 F con enfriamiento de las paletas y presión del combustor de hasta 30 atmósferas. Esta invención no tiene un límite práctico elevado para la presión de estancamiento en el combustor 102, incluso si las turbinas de gas avanzadas se proyectan para presiones muy superiores a 30 atmósferas, o se dispone de usos del hidrógeno en un proceso de presión superior.

A la vista de estas condiciones límite, la diferencia de la presión de estancamiento entre los combustores 102 y 129 debe reconciliarse con el requisito del calor endotérmico para la transformación y el contenido de calor sensible o de gas combustible y el diseño de propulsión aerotermoquímico. Esta utilización del calor debe tener en cuenta básicamente esa parte del calor de escape procedente de la turbina y el calor de compresión que lo transporta hacia el motor cohético - secuencia del reactor de energía conservada. Por ejemplo, en las aplicaciones donde existe una gran diferencia en la presión entre los combustores 102 y 129, es más energético para el medio compresor del motor cohético suministrar los gases de escape al tren de arrastre hacia el extremo inferior de la presión en cascada pero todavía sobre la presión del diseño en 129.

Por otro lado, cuando la presión en 129 es bastante inferior a la presión elevada, la del estado del modo avanzado (es decir, 30 atmósferas) para turbinas de gas, como de 20-25 atmósferas, entonces el modo preferido será operar el flujo en 212 a través del compresor 213 en un máximo (es decir, igual a 210). Esto hace referencia al flujo cero en 211 y simplifica el equilibrio del ciclo con respecto al agregado químico consistente en el flujo de masa.

Además considerando como varían los efectos del flujo anterior en la presión de diseño en el combustor 129, el principal criterio es el de elegir definitivamente un equilibrio del ciclo que consiga la producción más neta del medio de la turbina con la recuperación máxima del reciclado de una cantidad óptima de gases de escape. Este criterio requiere reiterar la presión de diseño hasta un valor inferior a 30 atmósferas, tanto para aplicaciones a presiones bajas para el retroajuste de las turbinas de gas existentes que funcionan hasta 25 atmósferas. Esto se abarcará en la siguiente configuración.

Volviendo al medio del compresor del motor cohético, la fracción de combustible, línea 316, se dimensiona para comprimir el flujo de masa seleccionado a través del compresor 134. Puesto que los calores irreversibles de la segunda ley interna se conservan adiabáticamente, se pueden usar las relaciones isentrópicas ideales al menos como una primera aproximación para determinar el trabajo neto de la expansión de la turbina.

Para ilustrar el control de la temperatura de entrada a la turbina y las funciones de reciclado de esta invención, el modo más simple donde el CH_{4} se inflama sin transformación es el siguiente:

CH_{4} + 2 O_{2} + 4,5 (CO + 2 H_{2}O) \rightarrow (CO_{2} + 2 H_{2}O+4,5(CO_{2}+ 2H_{2}O))

\hskip0.5cm

\DeltaH = -191,7 kcal a 2515F

Se emplea la simplicidad como análisis lateral seguro del trabajo de la turbina utilizando las tablas de gas de Keenan y Kaye para un 200% de aire teórico. Esto representa un mol-lb de cualquier gas a 2515 F y 25 atmósferas expandido a una atmósfera y 943 F:

\global\parskip0.900000\baselineskip

25 atmósferas 2515 F

h_{1}= 23753 Btu/mol-lb de productos

1 atmósfera 943 F

h_{2}= 10275

\quad

h_{3}= 13478

h_{3} representa el trabajo de expansión ideal de la turbina.

Un 200% de aire teórico hace referencia a un peso molecular medio del producto de combustión de 28,9 mientras que el promedio para 5,5 (CO_{2} + 2H_{2}O) es de 26,7. El valor lateral seguro para determinar el Btu/libra de producto es de 28,9. El valor inferior para este es:

H_{3} = 13478/28,9= 466 Btu/libra de productos

Calor total de productos = 440 libras x 466 Btu/libra= 205040 Btu

Eficacia del trabajo de la turbina = Calor de los productos/Contenido de calor de 1 mol de CH_{4} = (205040/344160)x100 = 59,6%

O aproximadamente el 60% con respecto a un mol de metano.

El mínimo teórico para la recuperación requiere que la entrada de combustible en estado estacionario sea igual en calor al trabajo de expansión. Esto es un 60% para este ejemplo y se refiere a 13478 Btu/mol-lb de productos que se expanden por el medio de la turbina, que en adelante se conoce como la turbina.

El objetivo es desarrollar una presión de estancamiento el combustor de chorro que sea bastante superior a la presión de entrada a la turbina que aquí se considera de 25 atmósferas. Otro objetivo, preferiblemente es el de preparar una parte sustancial del flujo reciclado para ser comprimida por propulsión a chorro en una vía quasiadiabática que a continuación se denominará el túnel, desde el combustor de chorro hasta la entrada a la turbina.

Esto se hace para beneficiarse del potencial termodinámico de 5000 F, inaccesible con compresores de rotación. Se compensa la menor eficacia en la transferencia del momento porque el incremento en el calor sensible se encuentra contenido para que la expansión así como la presión de estancamiento que acciona el chorro se ajusten hacia arriba, y puede servir para aportar la temperatura de entrada a la turbina diseñada.

La anterior operación requiere dos compresores paralelos en lugar del compresor 134 que se muestra, donde un compresor aporta una parte más pequeña del flujo de reciclado a una presión muy superior a la presión de entrada a la turbina en el combustor de chorro 102 para aumentar los productos de combustión y con ello incrementar la fuerza del chorro que atrapa la masa. El otro compresor proporciona la parte más grande de flujo de reciclado en uno o más orificios secundarios del túnel a unas presiones algo inferiores a la presión de entrada a la turbina, que va a ser arrastrada y estimulada por presión por la masa del chorro y posteriormente como corriente necesaria por la propulsión posterior al chorro.

De un modo más simple, el flujo procedente del compresor 134 se divide de manera que la menor cantidad de flujo es dirigida hacia el combustor de chorro y la mayor a la misma presión puede ser dirigida hacia abajo desde el chorro y hacia uno o más orificios secundarios de la sección de la tobera 121, o bien puede subdividirse el flujo en los orificios 111, 112 y 113 a lo largo del túnel. De este modo, la potencia del chorro se incrementa lo necesario al aumentar la temperatura de estancamiento del combustor de chorro.

Otra alternativa que engloba alguna o ambas funciones de los modos anteriores con la diferencia de que la presión de entrada al túnel del flujo de reciclado es algo menor que la presión de entrada a la turbina y que el combustor de chorro es accionado independientemente por el combustible y el oxígeno a cualquier temperatura y presión adecuadas dentro de los límites del diseño del motor cohético, donde su presión es desarrollada por uno de los compresores en paralelo independientemente (anteriormente descritos pero no mostrados), y como consecuencia de ello la presión del flujo de reciclado se desarrollaría independientemente por el otro compresor en paralelo.

Los modos anteriores ilustran la amplia gama de operaciones determinadas de forma selectiva, y optimizadas por el análisis del ordenador y el diseño del túnel basado en la dinámica avanzada del gas para la propulsión a chorro. El objetivo es aportar el combustible requerido para la distribución de la recompresión con respecto a:

1.

El medio compresor intermedio

2.

La temperatura y presión de estancamiento del motor cohético

3.

Las propulsiones a chorro en el túnel

todo considerando la parte de gases de escape que se va a recuperar y volver a comprimir en el ciclo.

\global\parskip1.000000\baselineskip

Lo siguiente continúa al ejemplo anterior para el caso en el que todas las recompresiones tienen lugar a 25 atmósferas en el medio compresor intermedio y un 50% del gas de escape se selecciona para el reciclado y la recuperación del calor.

\vskip1.000000\baselineskip

100

\newpage

\global\parskip0.900000\baselineskip

Nota: Aunque se indica que las recompresiones anteriores tienen lugar sin recompresión del motor cohético, sin embargo el análisis equipara el combustible total que se requiere independientemente de que las recompresiones se dividan (para este ejemplo) entre el motor cohético, el medio de recompresión intermedio y las propulsiones a chorro corriente abajo.

Aunque es preferible la potencia del oxígeno, el aire no se excluye. Un ejemplo paralelo con respecto a un mol de metano indica:

CH_{4} + 2O_{2} + 7,5 N_{2} + [CO_{2}+ 2H_{2}O + 7,5N_{2}] \leftrightarrow CO_{2}+ 2H_{2}O + 7,5N_{2} + [CO_{2}+ 2H_{2}O + 7,5N_{2}]

Esto representa un flujo de masa a través de la turbina de 580 libras. De nuevo usando la producción del trabajo, h_{3} = 13478 Btu/mol-lb/28,9 = 466 Btu/libra.

Flujo total del calor 580 libras x 466,4 = 270512 Btu

Trabajo de la turbina = (270517/344160)x100 = 78,6% con respecto a un mol de metano.

El procedimiento de recuperación con aire es similar al descrito para el oxígeno. Sin embargo, si se conserva la mitad del calor de escape y de masa afín, es decir, 21,4%/2 = 10,7%, entonces la producción del trabajo pasa a ser 78,6 + 10,7 = 89% del contenido en calor de un mol de metano.

La razón de porque el modo de aire en estas comparaciones es más eficaz que el modo de oxígeno es porque el flujo de masa es proporcionalmente mayor. El flujo de masa en cada caso se computaba en base a la misma temperatura de entrada a la turbina de 2515 F y 25 atmósferas donde la capacidad calorífica de 440 libras de la función [CO_{2}+ 2H_{2}O] es significativamente mayor a la función [CO_{2}+ 2H_{2}O + 7,5N_{2}]. Esto destaca otra gran ventaja del modo del oxígeno, es decir, incrementando el flujo de masa del modo del oxígeno al del modo del aire la misma producción del 78,6% se desarrollaría con la misma recuperación de calor para un total de aproximadamente el 89% pero a una temperatura de entrada a la turbina conmensurablemente inferior para la misma potencia y por tanto más beneficiosa en el diseño de la turbina.

Lo siguiente se puede deducir del análisis anterior:

1.

Cuando se observa una eficacia térmica algo inferior al 100% para un flujo de masa continuo (como de 440 libras en el ejemplo), entonces el combustible incrementado y el calor de compresión que representa el 100% deben redondearse en una temperatura de entrada a la turbina elevada. Así, si la temperatura de entrada a la turbina se encuentra en el límite metalúrgico, entonces el reciclado y la recompresión se deben modificar para cumplir. De lo contrario, el aumento de temperatura da lugar a más trabajo de producción de la turbina con cargas en estado estacionario.

2.

Por otro lado, como un corolario a la etapa 1 mediante el reciclado de más gases de escape que los del ejemplo, el flujo de masa procedente de las adiciones de flujo de la recompresión aumentará más de 440 libras y alterará la continuidad requerida para el reciclado en el estado estacionario. En este caso, el exceso que representa el calor en exceso puede ser transformado en combustible y ser derivado para contribuir al requisito de combustible para cualquiera o más de los motores cohéticos a través del medio de compresión intermedio y las operaciones de propulsión a chorro.

3.

Cuando se introduce la transformación de materia carbonosa (que puede ser metano) en la etapa 1 ó 2, el resultado es más combustible y/o más calor a tener en cuenta.

4.

Excepto la parte de gases que no se recicla y su contenido calórico que se puede usar de forma independiente, la parte del reciclado de los gases de escape y todo su calor de recompresión y las adiciones de combustible son contenidas adiabáticamente y se deben tener en cuenta en el equilibrio del calor y del material para la continuidad del flujo de la turbina con el calor en exceso y la masa derivada como combustible transformado para sustituir una cantidad correspondiente en el análisis de base. La derivación es necesaria para preservar dicha continuidad del flujo de la turbina.

El análisis anterior demuestra que el metano o cualquier combustible limpio pueden ser tratados de acuerdo con esta invención sin que se produzca la transformación por reciclado de una parte sustancial de los gases de escape de la turbina, pudiéndose ajustar su recuperación del calor para el control y la continuidad de la temperatura de entrada a la turbina. Además, esta invención proporciona calor y presión para la expansión de la turbina o bien transforma dicho calor y presión en combustible para dicha expansión mediante una operación escalonada del motor a partir de la cual prácticamente no se produce apenas trabajo de la potencia del eje, pero que transforma todo el trabajo del eje in situ en calor y presión para dicha expansión directa o indirectamente transformando la materia carbonosa en combustible en un volumen de control quasiadiabático. En otras palabras, se trata de un volumen de control de la energía casi total por el cual todas las fuentes energéticas dan lugar a un flujo con calor y presión que se administra para la expansión de la turbina o bien de combustible para la expansión de la turbina.

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Esta invención no se limita a como se obtiene la recuperación de la masa y el calor exportados. Se puede realizar una recuperación extraordinaria mediante el cortocircuitado de una fracción de los gases de escape de la turbina haciendo pasar el flujo de masa 203 a través del compresor 205, que se vuelve un flujo más caliente hacia el 203. Este flujo es distribuido proporcionalmente de manera que la recuperación del calor entre una o más etapas preferiblemente, pero no necesariamente, ecualiza el flujo entre las etapas del medio de turbina 200.

Además, el flujo de masa seleccionado 203 no solamente añade calor en los puntos seleccionados entre etapas, sino que lo mezcla de forma significativa, estimula la presión de forma selectiva y aumenta el flujo central o primario 214, pasando según se distribuye por las etapas del medio de turbina 200. Para mantener la continuidad, la masa constante 203 se ramifica en el flujo aumentado 202, de manera que el 202 pasa a ser luego el flujo 204 que de forma secuencial se vuelve un flujo de gases de escape remanente 207, una vez el flujo 206 se deriva para la recuperación del calor de forma indirecta dentro del ciclo o bien es exportado para el uso de la planta. Una ventaja particular del ciclo que cortocircuita es que aumenta la producción de trabajo sin alterar la continuidad del flujo de masa esencial en el ciclo principal.

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Caso 2

Fuente de energía del motor cohético para turbinas con trabajo del eje parasítico

La figura 3 muestra esta configuración donde la fuente energética del motor cohético se aplica a las turbinas de gas existentes y el flujo procedente del reactor de energía conservada se dirige para la limpieza a presiones bajas. El caso 1 se presentaba para las transformaciones donde la materia carbonosa que fluye en la tobera 120 a través de la línea 124 es limpiada previamente o limpiada al principio. En este caso, la limpieza se considera necesaria y esto requiere que el flujo del reactor de energía conservada se descargue a cualquier presión y se necesite una temperatura para acomodar cualquiera de los procesos disponibles en el comercio.

Las limpiezas con gas caliente que funcionan a aproximadamente 1000F se prefieren porque el gas purificado a esta temperatura puede fluir nuevo a la turbina de gas y al menos retener este nivel de calor. Por otro lado, la actividad cinética avanzada previamente descrita para esta invención puede completar las reacciones de transformación a temperaturas muy bajas sin la degradación térmica del enfriamiento rápido. Otra ventaja, por ejemplo, es que la fracción de dióxido de carbono en el gas combustible puede ser extraída a temperaturas y presiones inferiores para otros usos.

En estos casos, la eficacia de la conversión que emplea el reactor de energía conservada que activa el motor cohético puede ser mayor del 90%. Esto reduce el coste del combustible si se compara con la práctica habitual. Además, cuando un aceite residual de bajo coste o bien el coque de petróleo puede ser sustituido por gas natural, el coste del combustible se puede reducir un 50 a un 250% adicional o más, dependiendo de los precios del mercado.

También es apropiado para este caso considerar las ventajas de servir una operación de retroajuste con un combustible limpio o previamente limpiado. Esto permite la mayor parte del proceso descrito en el caso 1.

La figura 3 ilustra un proceso en el que todo o casi toda la carga del compresor estándar 300 se libera de manera que en efecto la turbina de gas estándar 200 se transforma en una turbina libre de potencia, donde la carga anterior de la turbina 200 se vuelve ahora una producción de energía adicional en 201.

De acuerdo con ello, el compresor 300, solamente como cuestión de conveniencia, se puede utilizar para los flujos de oxidante a baja presión en el reactor de energía conservada a través de la línea 301.

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Caso 3

Disposición múltiple de la turbina

La figura 4 muestra una configuración múltiple de turbinas donde se optimiza el reciclado para el control de la temperatura de entrada a la turbina. El uso de oxígeno es también eficaz cuando se aplica a turbinas de varias etapas en esta invención.

Se han descrito varios modos del proceso:

A.

Primero considerar la oxidación parcial de metano mediante la transformación termoquímica para el intercambio directo con los gases de escape de la turbina del reciclado. Algo de metano se enciende en el combustor 102 a través de la línea 401; el resto se enciende a través de la línea 124. Los gases de escape reciclados son comprimidos en 134 y se dividen en proporciones de manera que se dimensiona el flujo compatible 208 para la temperatura de entrada a la turbina de la turbina 108. De acuerdo con ello, el gas de escape compatible 210 se comprime mayormente en 215 y se administra a una presión elevada a lo largo del reactor de energía conservada. Los flujos restantes 402 y 403 se pueden aplicar o desconectar opcionalmente.

La gran parte restante de la descarga del compresor 404 se divide entonces para ajustar la interacción entre la temperatura y la presión entre el combustor 102 y la tobera de arrastre del chorro 120. Según se necesite se aplicarán zonas de reacción. El separador 405 se omite. La tobera 406 proporciona la contrapresión para el flujo en el combustor superior 407. El gas parcialmente oxidado continúa saliendo a través de los combustores 408 y 409 desde la turbina de base 410 en una combustión completa hasta salir por la línea 202. El oxígeno entra a través de la línea 411 y se controla el contenido del flujo y la presión (no mostrado) en las líneas 412, 413 y 414. El control es para mantener temperaturas preferiblemente iguales en cada etapa intermedia para ajustar la temperatura en el combustor 407.

B.

El metano también se puede quemar con una escasez de oxígeno y eso da lugar al flujo de gas que es oxidado parcialmente y tratado tal como se explica en A.

C.

La actividad termoquímica entre el metano y el vapor puede variar dependiendo de la temperatura y de la presión. Se obtendrá cada una de las reacciones siguientes en un amplio margen de temperaturas.

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Ecuación (1)

CH_{4}+ H_{2}O(g) \leftrightarrow CO + 3 H_{2}

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Ecuación (2)

CH_{4}+ 2H_{2}O(g) \leftrightarrow CO_{2} + 4 H_{2}

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Sin embargo, la reactividad con carbono/carbón se puede aplicar al proceso:

Ecuación (3)

C + H_{2}O(g) \leftrightarrow CO + H_{2}

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Ecuación (4)

CO + H_{2 +} H_{2}O(g) \leftrightarrow CO_{2} + 2 H_{2}

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Todas las reacciones anteriores son endotérmicas y actúan en el contenido de calor y reactante de la parte reciclada. De esta forma, el ciclo da primero el calor y el vapor reactante endotérmico para la transformación y luego lo recupera cuando el gas combustible se inflama corriente abajo. El equilibrio de la reacción se consigue gracias al abundante contenido en vapor de agua de la parte reciclada.

La figura 5 muestra una configuración en la que la producción de hidrógeno se realiza a través de reacción de vapor-hierro. Cada una de las tres vías se ha descrito por sus diferentes efectos físicos en el equilibrio y la cinética de la reacción con respecto a como el producto de hierro se puede almacenar y utilizar posteriormente:

A.

Reducción de Fe_{3}O_{4} a FeO para el hidrógeno

B.

Reducción de Fe_{3}O_{4} a Fe (hierro esponjoso) para hidrógeno

C.

Carburización de Fe a Fe_{3}C (carburo férrico)

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A- Reducción de Fe_{3}O_{4} a FeO para el hidrógeno Fuente calorífica para y producción del gas reductor

Ecuación (1)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{-47kcal} \+\cr  0,5C + 0,5 O _{2}  +1,88N _{2}  \+
 \longrightarrow  \+ 0,5CO _{2}  +
1,88N _{2} \cr}

\newpage

Ecuación (2)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{+15kcal} \+\+\cr  H _{2} O(l)+ 2C + 0,5O _{2} 
+1,88N _{2}  \+  \longrightarrow  \+ 2CO +1,88N _{2} + H _{2} 
 \hskip0.3cm   \Delta H neto = -32
kcal\+\cr}

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\vskip1.000000\baselineskip

Reducción

Ecuación (3)

(0,5CO_{2} + 2CO+ H_{2} +3,76N_{2})+3Fe_{3}O_{4(s)} \rightarrow 2,5CO_{2} + H_{2}O_{(g)}+9FeO_{(s)}+ 3,76N_{2}

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\vskip1.000000\baselineskip

Oxidación

Ecuación (4)

9 FeO_{(s)} + 1,5 H_{2}O_{(l)} +1,5H_{2}O_{(g)} \rightarrow 3Fe_{3}O_{4(s)} + 3H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaG = -93 kcal

\vskip1.000000\baselineskip

Las partículas de FeO, derivadas de partículas Fe_{3}O_{4} de buen tamaño (probablemente de una fuente de gránulos) ofrecen una característica única en la que las partículas pueden acumularse hacia delante por las fuerzas de arrastre creadas por la elevada velocidad, ejerciendo el vapor reactante unas velocidades de deslizamiento de tipo transónico. Como un proceso de reciclado solamente el hidrógeno se tiene que descargar al final de la zona de reacción. No importa si el reciclado de sólidos es una mezcla de partículas de Fe y FeO mientras se disponga de medios adecuados para impedir la aglomeración en el reciclado. La orientación del reactor por esta invención puede asumir cualquier ángulo con la horizontal que mantiene las partículas sólidas en vuelo.

Otro modo alternativo hace referencia a una partícula de Fe muy fina del orden de 50 a 200 micras. En el extremo inferior próximo al polvo en cuanto a tamaño, éstas deben ser transportadas por un gas neutro, el nitrógeno por ejemplo, en un conducto sellado para evitar la combustión espontánea. Debido a esta característica se puede esperar que se desarrollen velocidades de reacción altas justo mezclando con vapor. Otros comentarios se deducirán al examinar las reacciones siguientes para producir hidrógeno a partir de hierro esponjoso, Fe:

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B. Reducción de Fe_{3}O_{4} a Fe (hierro esponjoso) para hidrógeno Fuente de calor

Ecuación (1)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{-95,8kcal} \+\cr  0,5CH _{4}  + O _{2}  \+  \longrightarrow 
\+ 0,5CO _{2}  +
H _{2} O _{(g)} \cr}

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Reforma

Ecuación (2)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{+39,3kcal} \+\cr  CH _{4} + 0,5CO _{2}  +H _{2} O _{(g)}  \+
 \longrightarrow  \+ CO +3H _{2} + 0,5CO _{2} 
 \hskip0.3cm   \Delta H neto para (1) y (2) = -56,5
kcal\cr}

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\vskip1.000000\baselineskip

Reducción

Ecuación (3)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{+26kcal} \+\cr  CO+ 3H _{2}  +0,5CO _{2}  +Fe _{3} O _{4}  \+
 \longrightarrow  \+ 1,5CO _{2}  +3H _{2} O+
3Fe\cr}

\newpage

Oxidación

Ecuación (4)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{-35,8 kcal} \+\cr  3 Fe + 4 H _{2} O _{(g)}  \+
 \longrightarrow  \+ Fe _{3} O _{4}  +
4H _{2} \cr}

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De acuerdo con Gahimer y cols. (experimentos IGT 1976). La ecuación (4) tiene un cambio de energía libre favorable casi lineal de \DeltaG =-20 kcal a 125ºC a aproximadamente -3 kcal a 925ºC. Los cambios de energía libre las las reacciones "A" se calculaban a partir de las propiedades termoquímicas de las sustancias inorgánicas por I. Barin y O. Knacke. Según Gahimer, los cambios de energía libre favorables para las reacciones "A" respaldan ambos procesos para la obtención de la producción de hidrógeno por la fuente energética del motor cohético y el reactor de energía conservada. Esto no impedirá que circulen partículas de mayor tamaño en las reacciones "B" mientras todavía se lucha por una producción de hierro o de hierro esponjoso para otros fines mientras se produce hidrógeno para las cubetas de combustible y turbinas de gas. Dicho uso es el del hierro esponjoso para molinos de acero que se presenta a continuación como "C".

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C. Carburización de Fe a Fe_{3}C (carburo de hierro)

La producción de hierro esponjoso es básicamente la reducción directa de óxidos de hierro tal como se ha descrito antes y su uso en acero es básicamente para formar carburo de hierro (Fe_{3}C). Con el metano, como principal constituyente del gas natural, el ambiente químico viene descrito por la ecuación (1):

Ecuación (1)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{-64kcal} \+\cr  CH _{4}  + O _{2}  \+  \longrightarrow  \+ CO
+ H _{2} O _{(g)} +2H oxidación
parcial\cr}

\vskip1.000000\baselineskip

Lo siguiente son las reacciones de carburización conductoras:

Ecuación (2)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{+22,9kcal} \+\cr  3 Fe + CH _{4}  \+  \longrightarrow  \+
Fe _{3} C +
2H _{2} \cr}

\vskip1.000000\baselineskip

Ecuación (3)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{+36,2kcal} \+\cr  3 Fe + 2CO \+  \longrightarrow  \+
Fe _{3} C
+CO _{2} \cr}

\vskip1.000000\baselineskip

Ecuación (4)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{-26,4 kcal} \+\cr  3 Fe + CO + H _{2}  \+  \longrightarrow 
\+ Fe _{3} C +
H _{2} O _{(g)} \cr}

Lo anterior ilustra la aplicabilidad expansiva de la fuente energética del motor cohético de una gama de altas presiones relativamente ilimitada y de un techo de 5000 F para el combustor del motor cohético como una instalación de alta productividad en molinos de acero con un proceso coordinado que también produce energía. La combinación de esto se describe a continuación con respecto a las reacciones "B" anteriores y la figura 5.

La secuencia ahora consiste en generar, por ejemplo, seis moles de hidrógeno independientemente de las ecuaciones anteriores transformando el metano en la fuente energética del motor cohético. El flujo de hidrógeno se divide por un igual en tres vías:

La vía 1 administra dos moles a la cubeta de combustible 500 (preferiblemente cubetas de combustible de óxido sólido) aportando energía y vapor a alta presión al combustor 501 que potencia la turbina 502, tal como se muestra.

La vía 2 administra dos moles de hidrógeno directamente al combustor 501.

La vía 3 administra dos moles de hidrógeno para reducir 0,5 Fe_{3}O_{4}.

Lo que sigue a continuación son las reacciones potenciales en la primera y segunda etapa de funcionamiento. La primera etapa produce todo el hidrógeno y es una presión en cascada. Potencia la segunda etapa para la reducción de Fe_{3}O_{4}. La presión desarrollada en el motor cohético 503 también lleva los gases malolientes a la vía 3 desde el reactor 504 hacia el combustor 501 para utilizar al máximo el calor. Las reacciones que se producen en la etapa 1 son:

Ecuación (5)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{-71,8kcal} \+\cr  0,5CH _{4} +O _{2} +2H _{2} O _{(l)}  \+
 \longrightarrow  \+ 0,5CO _{2}  + 3H _{2} O _{(g)} 
Combustión\cr}

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Ecuación (6)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{+54,3Kcal} \+\cr  1,5CH _{4} +0,5CO _{2} +3H _{2} O _{(g)} 
\+  \longrightarrow  \+ 2CO _{2}  + 6H _{2} 
Transformación\cr}

La reacción 5 tiene lugar a presión alta dentro del combustor 503 de manera que la tobera de combustión desarrolla un chorro como necesitado hasta velocidades transónicas activando con ello la reacción (6) que se produce cuando 1,5 moles de metano se miden para reaccionar con el chorro y de acuerdo con ello se producen en este ejemplo seis moles de hidrógeno distribuidos por un igual tal como se ha descrito por las tres vías. El dióxido de carbono se separa del hidrógeno mediante un medio adecuado para retener la presión y el calor y es dirigido desde el reactor 505 de dicha separación y para potenciar la secuencia de la segunda etapa 506 y 504 para reducir la magnetita Fe_{3}O_{4}.

De acuerdo con ello, el dióxido de carbono y el hidrógeno que fluyen en la bomba 506 amplían la contrapresión desde la etapa 1 a través de la tobera transónica para interaccionar con las partículas de Fe_{3}O_{4} que se miden corriente abajo del chorro de dióxido de carbono y de hidrógeno de acuerdo con la reacción siguiente(7):

Ecuación (7)

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+\hfil#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \+  _{-17,8kcal} \+\cr 
2CO _{2} +2H _{2} +0,5Fe _{3} O _{4(s)}  \+  \longrightarrow 
\+ 2CO _{2} + 2H _{2} O _{(g)} +1,5Fe _{(s)} 
Reducción\cr}

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Las reacciones anteriores están en equilibrio calórico aproximadamente de manera que se puede añadir calor según sea necesario para fines del proceso. Esto es meramente un ejemplo de la versatilidad de esta invención para facilitar un proceso de reacción de dos etapas. La bomba de chorro 506 se puede organizar fácilmente para la combustión introduciendo oxígeno que queme una parte del hidrógeno, y este puede ser el caso cuando se debe separar dióxido de carbono mediante un sistema de disolvente convencional de absorción-separación bien de adsorción a presión oscilante.

El gas de la turbina 502 comprende vapor de agua y dióxido de carbono. El flujo en el proceso se repetiría (no hecho para el objetivo de este ejemplo) tal como se describe en configuraciones anteriores donde una fracción sustancial en la línea 507 continuaría en la línea 508 hacia el medio compresor del motor cohético 509 y la diferencia en la línea 510 derivada para otros fines.

Volviendo ahora a la producción de carburo de hierro y usando la reacción endotérmica (2) por ejemplo, el hierro esponjoso y el metano reaccionan con el calor para dar carburo de hierro (Fe_{3}C) e hidrógeno. Como una opción, esto se refleja en la figura 5 como un proceso de tres etapas donde el metano se oxida parcialmente en el combustor del motor cohético 511. El metano se puede medir en exceso en la sección de la tobera del combustor 511 o bien se puede regular corriente abajo en las secciones de la tobera del reactor de hierro esponjoso 512. El chorro procedente del combustor 511 suministra de acuerdo con ello el calor endotérmico de la reacción para producir carburo de hierro e hidrógeno. En modos alternados, el hidrógeno producido por el reactor 512 puede ser reciclado a las secciones de la tobera del combustor 506 y del reactor 504 para reducir el Fe_{3}O_{4} y/o FeO a hierro esponjoso, minimizando con ello la producción de dióxido de carbono.

En conclusión para esta configuración se hacen dos puntos más. En primer lugar, una planta de potencia completa o una carga máxima requiere que funcionen las dos vías 1 y 2 juntas. De esta forma, la turbina se puede organizar para manipular la carga de base en la vía 2 solamente. En segundo lugar, el hierro esponjoso se puede vender en forma de gránulos que se triturarán convenientemente en forma de polvo. La reactividad de las partículas finas de hierro con el vapor puede producir Fe_{3}O_{4} e hidrógeno puro. Esto puede ser más adecuado para cubetas de combustible pequeñas para residencias por ejemplo. Las cubetas de combustible de membrana electrolítica polimerizada se han desarrollado en el mercado con esta finalidad así como unidades algo mayores para edificios comerciales o fuentes de energía móviles. Esta clase de cubeta de combustible minimiza los componentes de alta temperatura en los edificios y espacios confinados. Esta invención puede producir el hierro esponjoso para estos tipos y otros tipos de cubetas de combustible con reactores relativamente pequeños para su transporte y seguridad así como las operaciones a mayor escala mencionadas.

A continuación describiremos la fuente energética del motor cohético aplicada en dos vías para calderas y turbinas de vapor.

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El Ciclo de potencia de la turbina de vapor - Consideraciones generales

Con respecto a las figuras 6 y 7 que se describen más adelante con todo detalle. Las turbinas típicamente de vapor de las calderas no tienen compresores conectados. Como un ejemplo de ello, un generador de turbina de vapor que produzca 50 MW sería activado por una caldera que proporciona aproximadamente 346.000 libras de vapor por hora a 600 psia y 1000 F con un gas de escape de la turbina a 250 F y 30 psia como vapor saturado seco que contiene 1517 Btu por libra. La entropía es de aproximadamente 1,7 Btu/libra R.

A una entropía constante, la eficacia teórica, descuidando el trabajo de la bomba, se calcula tal como sigue:

E = {(1517-1164)/(1517-218)}x 100 = 27,2%

La eficacia representada fija el punto de partida entre instalaciones nuevas o existentes planificadas en el Ciclo Rankine y esta invención. El objetivo aquí es recuperar la mayor parte del calor en el reactor de energía conservada para convertir y desarrollar todo el combustible, reteniendo el calor recuperado para encender la caldera. Al completar el ciclo, las eficacias de la caldera y de la transmisión de potencia entre la turbina y el generador se mantendrán básicamente inalteradas. Sin embargo, el incremento en entropía del ciclo interior que aumenta la entalpía de los gases de escape se recuperará en el reactor de energía conservada que recibirá el vapor de escape directamente como el reactante principal con el carbono y los compuestos hidrocarbonados.

El calor latente en los gases de escape de la turbina representa la parte más grande de la energía residual. Al menos un 50% de la misma es recuperable mediante el intermezclado de un flujo adicional de agua con el vapor de escape de la turbina en una base uno a uno. Si todo el calor latente es recuperable en este punto en el proceso, entonces la eficacia habitual de la caldera de aproximadamente el 90% (100% para simplicidad) se mantendría también como la eficacia térmica global para el funcionamiento posterior. Sin embargo, la eficacia del 27,2% mostrada antes también representa la eficacia térmica global de un funcionamiento frecuente. La energía perdida es del 72,8%, que para fines prácticos es la pérdida del calor latente frente al agua refrigerante. Recuperando el 50%, "E" resulta:

E = 27,2 + 36,4 = 63,6%

El trabajo neto resulta inalterado nominalmente como 50 MW o 27,2% del flujo calórico a la turbina. La economía del combustible se ve notablemente incrementada de manera que se necesita un 34% menos de combustible para producir el mismo trabajo neto. Además, el requisito de agua refrigerante se corta por la mitad y el agua adicional, saturada al 50% después de la mezcla se utiliza seguidamente como el reactante de vapor de agua principal como H_{2}O en el reactor de energía conservada que se muestra por ejemplo, con CH_{4} según la

Ecuación (1)

CH_{4} + 2H_{2}O_{ - calor} \rightarrow CO_{2} + 4 H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH =+39,5 kcal

Para este análisis y en general dos moles de vapor pueden representar todo el vapor que la caldera suministra como el 100% y todo para la turbina. Por lo tanto está de acuerdo en recuperar el calor máximo de dos moles de gases de escape de la turbina mediante la transferencia del flujo entre mezclas, tal como se ha descrito, en relación a los dos moles para la continuidad de la masa donde los dos moles de gases de escape continúan hacia el condensador y dos moles adicionales con la mitad del calor latente entran en el reactor que suministra combustible a la caldera. El agua añadida debe ser al menos tan pura como los gases de escape de la turbina para no contaminar el flujo al
condensador.

Los dos moles de vapor de agua son transformados por tanto en combustible en la fuente de energía. El combustible se quema seguidamente para dar el 100% del calor a la caldera según la

Ecuación 2

CO_{2} + 4H_{2} + 2O_{2} \rightarrow CO_{2} + 4 H_{2}O

\hskip0.3cm

\DeltaH =-221,2 kcal

Donde los productos de combustión CO_{2} + 4H_{2}O son gases de combustión (para limpieza según sea necesario) que transforman la fuente de calor en un flujo quasiadiabático para una segunda etapa que puede aportar combustible adicional a cualquier presión con cualquier finalidad para el uso inmediato y parte del cual puede ser reciclado para activar el motor cohético y/o el medio compresor del motor cohético para la primera y segunda fase de los reactores escalonados.

\newpage

Es preferible que en las anteriores operaciones escalonadas los motores se quemen con un combustible limpio como el metano y que al menos en la etapa uno la materia carbonosa sea también metano o bien un combustible igualmente limpio y compatible.

La(s) siguiente(s) reacción(es) muestra(n) la ventaja de la etapa dos:

Ecuación (3)

CO_{2} + 4H_{2}O +2CH_{4} \leftrightarrow 3CO_{2} + 8 H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH= +79 Kcal

\vskip1.000000\baselineskip

El efecto de la combustión se muestra en:

Ecuación (4)

3CO_{2} + 8H_{2} +4O_{2} \leftrightarrow 3CO_{2} + H_{2}

\hskip0.3cm

\DeltaH= -462,4 Kcal

Comparando las liberaciones del calor de combustión de las ecuaciones (2) y (4) con los requisitos endotérmicos de las ecuaciones (1) y (3) es bastante obvio que existe abundante combustible disponible aparte de la recuperación de los gases de escape tanto como calor latente y sensible de los gases de escape de la turbina y de los gases de combustión para suministrar además reciclado de hidrógeno para el motor cohético y combustores del compresor. Con un medio adecuado se puede retener o separar y derivar la parte de dióxido de carbono.

Un rendimiento de ocho moles de hidrógeno se considera un máximo y el rendimiento puede ser reducido considerablemente disminuyendo el flujo de gases de combustión para la segunda fase del reactor y dirigiendo la diferencia a usos calóricos de grado inferior. Por otro lado, este modo con o sin menos uso de una segunda etapa de la fuente energética, se puede aplicar a la primera etapa en el uso de otro material carbonoso menos costoso y/o con menos alimentación limpia que dependerá de la caldera in situ o de la limpieza de los gases de combustión.

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Caso 5

Fuente energética del motor cohético con caldera integrad

La figura 6 se describe ahora de acuerdo con las operaciones anteriores. La figura 6 muestra esta configuración en la cual se integra una fuente energética del motor cohético con una caldera que utiliza la transformación del combustible de dos etapas. Los gases de escape de la turbina 600 a través de la línea 601 fluyen hacia el mezclador 602 para el intercambio directo del calor con agua limpia, a través de la línea 603, que es controlado y bombeado (no se muestra) para estimular al máximo el flujo a través del mezclador 602. El flujo mezclado 604 se divide en los flujos 605 y 606 de manera que los flujos 601 y 606 son equilibrados en masa (control no mostrado) para preservar la continuidad del agua que alimenta la caldera a través del condensador 607 a una presión baja controlada que también estimula el flujo mezclado 604 a través del mezclador 602. Como consecuencia de ello, el flujo de paso 606 equilibra el contenido de masa del flujo de agua limpia 603. El flujo del vapor del mezclador 608 procedente de la caldera 609 se une a los flujos 601 y 603 para llevar el flujo de agua limpia 603 al menos hasta el punto de vaporización. La cantidad de vapor mínima para esta finalidad pasa a ser parte de y aumenta el flujo de paso 606 sobre dicho estado de equilibrio de masa, que ahora se dirige como vapor parcialmente saturado hacia un orificio corriente abajo de la sección 120 de la tobera del motor cohético (no mostrado). El flujo incrementado 606 según todo eso pasa a ser el reactante principal de H_{2}O con materia carbonosa 610 en la primera etapa de la fuente energética. El combustible 611 puede ser cualquier combustible pero combustibles limpios como el metano o el gas natural son los preferidos para los funcionamientos de dos etapas. El oxidante 612 es preferiblemente oxígeno para la primera etapa de una operación de dos etapas. La fuente energética descarga combustible 613 a través del medio de distribución 614 que puede ser la caja de fuegos de la caldera 609 o simplemente administrar el combustible a la caja de fuegos de la caldera lejos de dicho medio.

La caldera suministra vapor 615 que equivale a una extracción de vapor mínima 608 (previamente descrita) y que posteriormente se puede dividir además en un flujo de vapor 616 que directamente activa la turbina 600 y descarga flujo opcional 617 que se divide en los flujos 618 y 619 para adaptarse a los requisitos del vapor. El flujo opcional 617 requiere naturalmente un suministro de combustible adicional 613 sobre el que es necesario para la potencia de la turbina.

Existe una segunda opción más dominante para el flujo 618 donde el medio compresor es eliminado y la combustión se evita dentro del combustor de chorro 102 mostrado en la figura 1 y el flujo 618 (hasta la presión total de la caldera) habilita el chorro de manera que el motor cohético es sustituido por una potente bomba de chorro de vapor. Sin embargo, la combustión no se evita corriente abajo del chorro y se puede aplicar para aumentar la temperatura y el impulso del flujo corriente abajo. Este rasgo, aunque no se muestra, se puede aplicar a la segunda etapa de la fuente energética en esta configuración y de modo similar en la configuración de la figura 7.

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Continuando ahora con la figura 6, los gases de combustión ricos en vapor 620 prelavados según sea necesario dentro de la caldera 609 o fuera (no mostrado), se pueden dividir en los flujos 621 y 622. El flujo 621 se dirige a un orificio de la sección de la tobera 120 (que aparece en la figura 1) justo más abajo de la corriente del chorro. Los flujos 621 y 622 se ajustan para adaptar la reactividad con y el flujo 622 se dirige hacia el interior del reactor de energía conservada. Otros aspectos de la segunda etapa del reactor son similares a los de la etapa uno y generalmente a los de la fuente energética descrita en la figura 1.

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Caso 6

Extensiones del flujo caliente del modelo de caldera

La figura 7 muestra este modelo en el que se usa un montaje de caldera con una extensión de flujo caliente para mejorar la eficacia del sistema. El gasificador del motor a base de flujo caliente se activa mediante un supercargador industrial estándar disponible para una amplia gama de flujo, para motores diesel industriales grandes. En esta aplicación, la turbina y la parte del compresor se intercalan con un combustor de aspecto ordinario diseñado para ser aprovisionado de combustible de manera que los productos de combustión sean químicamente compatibles y puedan fluir adiabáticamente prácticamente sin pérdida de calor a excepción de una radiación mínima para aumentar la eficacia de la caldera 609.

El motor turbocargador descrito es una simple turbina de gas y se puede poner en marcha mediante cualquier medio apropiado. El turbocargador - turbina de gas es preferible a una turbina de gas convencional y cara porque las presiones anticipadas se predicen generalmente bajo una presión de cuatro atmósferas.

Respecto a la figura 7, el compresor de la unidad de flujo caliente 700 recibe el aire de la línea 701 y suministra parte del mismo al combustor 702 de la línea 703 a una presión máxima. El aire restante va a parar al combustor 704 a la misma presión. Los combustores 702 y 704 reciben el combustible por separado por las líneas 705 y 706, respectivamente, por cualquier combustible compatible pero preferiblemente hidrógeno en la proporción de 4 a 1 con dióxido de carbono, que puede ser suministrado por la segunda fase de la fuente energética del motor cohético. De acuerdo con ello los productos tienen un potencial altamente emisivo para la transferencia del calor radiante. Los productos del combustor 704 se descargan a través de una tobera sónica en conjunto con los orificios secundarios que comprenden la unidad de arrastre de la tobera 707. La tobera forma un conjunto íntegro con el combustor y los orificios de arrastre secundarios que reciben aire por separado 708 y los gases de escape 709 de la turbina
710.

Los gases extremadamente calientes (2000 F y superiores) emanan como un flujo variado que comprende productos de combustión del 704, aire 708 y gases de la turbina 709, avanzando todos juntos por el canal mediante un medio apropiado y continuando como flujo 711 a través del intercambiador de calor 712 que posteriormente supercalentará el vapor de la caldera 713 a 1600 F y más. El flujo de salida 714 puede ser desplegado para la recuperación posterior mediante un medio de transferencia del calor convencional que se adapte a las necesidades de las calderas.

Lo anterior completa el ciclo del flujo caliente que para fines prácticos es el 100% del uso del calor eficaz a excepción de una radiación mínima y donde el turbocargador - energía de la turbina de gas que se convierte en calor in situ, llegando a ser parte intrínseca del calor total- comprende un adjunto de conversión de la energía total a la caldera 609.

Las velocidades del flujo caliente se han planificado para ser muy elevadas de manera que incrementen enormemente la velocidad de transferencia del calor en el intercambiador 712. Esto es un sistema de energía total donde el equivalente al calor de la energía de la turbina del gas turbocargador se conserva completamente, dando lugar a unos índices de transferencia de calor extremadamente altos porque la potencia para generar velocidades necesariamente muy atas se conserva. Como consecuencia de ello, la ventaja definitiva es un intercambiador de calor relativamente más pequeño. La velocidad del flujo, el factor esencial, requiere energía que aumenta como el cubo de la velocidad. La energía aquí no es un factor de coste porque se conserva tal como ya se ha explicado. De acuerdo con ello, al combinar esta intensa transferencia de calor por convección con la radiación altamente emisora previamente descrita, se pueden obtener flujos térmicos de hasta 90.000 Btu por pie cuadrado por hora o superiores.

Las extensiones del flujo calórico al reactor de energía conservada descrito antes crean efectivamente un sistema de recuperación total de agua y energía. Los costes de inversión se reducen por los elevadísimos flujos de calor disminuyendo con ello el área superficial en el intercambiador 712. El agua y su energía contenida se reciclan internamente; se conserva totalmente el equivalente térmico de la energía de la turbina de gas del turbocargador; la energía requerida para una termotransferencia a alta velocidad (que sube como el cubo de la velocidad) no es un factor aquí porque se conserva tal como se ha explicado. La ventaja principal de aumentar la temperatura del vapor hasta aproximadamente 1600 F y más es que esto aumenta sustancialmente la potencia de la turbina mientras retiene todavía las ventajas de la energía conservada del sistema de dos etapas y la flexibilidad de ser capaz de transformar combustibles en productos más útiles de una forma considerablemente menos costosa. Naturalmente, también es posible añadir la extensión del flujo caliente a las disposiciones de cubetas de combustible descritas en la figura 5.

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Volviendo y ampliando el ejemplo de los 50 mW, lo siguiente demuestra el incremento del Flujo Caliente a partir de un aumento de 400 grados hasta 1400 F, en base a un calor específico nominal de 0,5 Btu/libra F:

E' =[(1717-1164)/(1717-218)]x 100 = 36,9% para 68 MW

En comparación con el 27,2% para 50 MW. Las cifras hablan por si mismas. Cada dólar por energía térmica del combustible gastado de esta forma se refleja en la energía eléctrica equivalente sin pérdida.

Volviendo ahora a la figura 9 que es una extensión de la figura 4 e introduce tres opciones con respecto al flujo 212 que aparece en la figura 2 como el gas de escape recomprimido de la turbina 108. Ambas figuras la 2 y la 9 muestran este gas de escape recomprimido suministrado al Reactor de Energía Conservada y esta es también una de las opciones que se muestra en la figura 9 como flujo 916. Las otras dos opciones son:

1.

flujo 917 como una fuente indirecta de transferencia de calor para el calentamiento entre etapas, y

2.

flujo 918 como una fuente directa de transferencia de calor para el calentamiento entre etapas.

El flujo principal 212 puede ser repartido en el flujo 916 y el flujo 917 y 918. Se prefieren la medición controlada y el estrangulamiento del vapor de estas opciones de flujo (no mostradas). También cuando se seleccionan dos opciones para repartir el flujo de gases procedente de la turbina 108, entonces cada flujo puede ser distribuido con un compresor adicional aparte (no mostrado). Esto permitiría que un flujo fuera algo diferente en presión.

Las ventajas principales de la flexibilidad que aportan estas opciones son:

1. Facilitan establecer y mantener la continuidad del ciclo principal en cuanto a química y flujo de masa;

2. Mientras la continuidad es autóctona a una capacidad prescrita de calor, el flujo 918 y en particular el flujo 917 aportan una capacidad calórica adicional que se traduce en una potencia de expansión adicional. La masa adicional en el ciclo por el flujo 918 se ve compensada al programar la descarga en el flujo 206 para incluir una masa equivalente. El flujo de calor indirecto procede del ciclo así como del flujo 919 para ser aplicado para una recuperación posterior; y,

3. Haciendo uso de todo o parte de los gases de escape lejos del Reactor de Energía Conservada y del flujo de reciclado principal, la masa de gases y el calor principales pueden ser suministrados a través de la línea 207 para su recuperación en el ciclo principal, minimizando con ello las adiciones externas de calor para completar el
ciclo.

La flexibilidad en la recuperación también se ve incrementada por la disponibilidad de diferentes compresores 920 y 134. Estos se muestran en el mismo eje esquemáticamente por simplicidad. El requisito principal es que son controlados independientemente y accionados por la misma turbina 108 o bien máquina motriz mientras el compresor 213 también es accionado por la misma máquina motriz y sus gases de escape son recomprimidos por el compresor 213.

Volviendo de nuevo a los compresores 920 y 134, se observa que reciben los flujos 915 y 209, respectivamente, que son repartidos de forma selectiva desde la parte de flujo de escape 207. Un objetivo es que cada compresor sea capaz de aportar hasta la presión máxima requerida por el ciclo que es una presión alta relativamente ilimitada especificada para el combustor del motor cohético 102. El segundo objetivo, de acuerdo con ello, es el de aportar la menor masa posible en el combustor 102 desde la línea 922, y el resto a una presión inferior desde la línea 404 que posteriormente se subdividirá de forma selectiva en uno o más puertos secundarios, a través de la línea 923, hacia la sección 120 de la tobera del motor cohético, o bien a través de la línea 924 en puertos selectivos del Reactor de Energía
Conservada.

El objetivo principal de las anteriores alternativas es aprovechar la ventaja termodinámica del límite superior de 5000 F y la capacidad de la presión elevada del combustor del motor cohético para respaldar el requisito del ciclo global prescrito para el requisito de mínima presión desde el compresor 134 que está suministrando la parte más grande de la masa en el ciclo y con ello reduce la energía requerida por la turbina 108. Esta energía se puede reducir todavía mas por la propulsión a chorro corriente abajo previamente descrita. La fuerza de empuje producida aumenta así la capacidad de arrastre y la energía del flujo para el suministro a las turbinas de producción energética.

Tal como se ha comentado antes, junto al análisis de la cota de referencia para la optimización del ciclo, la descripción anterior con respecto a la figura 9 ilustra además la elevada flexibilidad ofrecida por los dos compresores para dividir de forma selectiva esa parte de gases de escape de la turbina seleccionada para su recuperación dentro del ciclo.

Volviendo de nuevo a la producción de etileno, existen otros conceptos que hacen referencia a diversas funciones para detener de forma opcional las reacciones químicas para su producción.

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Esto es complementario a las diversas formas anteriormente comentadas por esta invención para establecer reacciones químicas con una resolución prescrita del producto. Estas, a excepción de los productos que engloban productos que dan lugar a mezclas desequilibradas como las olefinas, principalmente el etileno, se trataban con respecto a reacciones relacionadas con el equilibrio, en la producción de combustibles sintéticos.

Lo que sigue a continuación se amplia al tratamiento del etileno. El flujo transónico se amplía o extiende a unas secciones en serie de longitud significativamente mayor como un mejor control del carácter milisegundo del tiempo de paso de la pirolisis y un posterior incremento en la longitud selectiva corriente abajo para continuar acelerando el flujo

1.

Supersónicamente después del choque y un intervalo corto de presión elevada para garantizar el flujo a través de al menos una boquilla transónica secuencial;

2.

Alternativamente, el flujo a través de la siguiente o última tobera de Laval puede ser adecuadamente rápido para algunas reacciones si es solamente ligeramente subsónico.

3.

Este modo puede ser también apropiado cuando todos los flujos y toberas afines se han diseñado para operar a una velocidad ligeramente subsónica pero que aumenta corriente abajo, de manera que la aceleración después de la pirolisis sería considerablemente superior para incrementar el ajuste de la reacción.

4.

Todavía otra opción es la de programar un choque después de la zona de pirolisis que todavía continua acelerando el flujo después de un ligero aumento de la presión y una ligera desaceleración.

El principal objetivo de las aceleraciones anteriormente descritas en particular después de la pirolisis es ajustar o "congelar" la reacción planificada haciendo que la temperatura de la reacción descienda mediante la convergencia del contorno o perfil del canal o tubo modificando para ello la carga hidrostática debida a la presión con respecto a la energía cinética. Según Raniere, un ligero aumento en la presión justo después de la última zona de choque, actúa compensando la reacción endotérmica por el aumento de la temperatura. Esto es cierto permitiendo un flujo acelerante a lo que sigue un descenso en temperatura.

Otras variaciones con respecto a las opciones anteriores pueden ser practicadas por los conocedores de la mecánica de fluidos y/o la dinámica de gases dentro del contexto de esta invención, siempre que el objetivo para las aceleraciones se practique como una función de enfriamiento in situ, para ajustar la reacción de pirolisis. De este modo, se minimiza o elimina la necesidad de un enfriamiento del vapor de agua. Si se utiliza, la función preferida después será expandir el flujo a través de una turbina para continuar dejando caer la temperatura.

Los comentarios siguientes son en apoyo a lo anterior para emplear ondas de choque para la pirolisis. Los avanzados conceptos de Hertzberg, Kamm, Raniere y otros que ilustran varias formas de actividad de choque se pueden comparar o contrastar con el modelo de Hornos Milisegundo que a pesar de exigir un capital, han funcionado con éxito durante años en el mercado y hacen esfuerzos competitivos para idear una tecnología más simple, más compacta y que exige menos capital.

El otro hecho simple desde un punto de vista meramente mecánico es que el flujo en los tubos de un Horno a base de Milisegundos se realiza la pirolisis sin ondas de choque. Mientras los hornos difieren con respecto a las formas de los tubos entre secciones de entrada del colector y de enfriamiento rápido, consideren un horno M.W.Kellog tal como ha sido descrito por Ennis y cols. en un informe titulado "Fabricación de olefinas mediante una pirolisis en milisegundos" (Chemtech Magazine November, 1975). Los tubos son rectos, con un diámetro interior de aproximadamente una pulgada y de aproximadamente 36 pies de largo. Para rendimientos sustanciales del etileno, el tiempo de paso es de 0,03 a 0,1 segundo. Con un margen de temperaturas externo de 870-925ºC. De acuerdo con ello, la velocidad media en 36 pies, oscila entre 360 y 1200 pies por segundo.

La velocidad del sonido a= (gkRT/m)^{0,5} que si se indica para el vapor a 925ºC es de 2700 pies por segundo (Tablas de gas de Keenan y Kay). Así con la constante gRT, Mach 1 para los productos variaría como k/m donde k = Cp/Cv y m es el peso molecular.

Con este marco de referencia el flujo en esta invención, en el modo onda de choque, puede empezando con un número de Mach de 3 o superior, cascada abajo hasta un número Mach inferior adaptar la zona de pirolisis al final permitiendo luego una ligera desaceleración del flujo antes de una aceleración relativamente empinada hacia la entrada a la turbina. De acuerdo con ello, la pirolisis se puede considerar que tiene lugar de forma selectiva en la última zona de choque como un choque de "botella" o un choque de compresión que da forma a los porcentajes L/D recomendados por Ascher H. Shapiro en su texto "La Dinámica y Termodinámica del flujo de fluido compresible" bajo el título de "Choques normales en conductos" pp. 135-137 y 1153-1156 (Ronald Press) 1954.

Las zonas supersónicas se pueden suministrar en series para promover la mezcla primero para la generación de vapor in situ y luego para mezclar la alimentación con el vapor donde la alimentación se mide a una velocidad realmente baja, pero casi suficiente para limpiar el tubo, donde la mezcla de vapor-hidrógeno está fluyendo a una velocidad supersónica. La capa límite en los conductos se ve impactada por choques sucesivos, una zona de "choque tipo botella". Cuando se miden periféricamente las existencias, esta acción se espera que ayude a su difusión en la corriente principal y pueda minimizar el crecimiento de la capa límite entrando con algo de energía cinética en una zona de baja presión, pero todavía como una velocidad relativamente lenta si se compara con la corriente de arrastre supersónico. Sin embargo, cuando la alimentación se dirige a una zona de baja presión, su velocidad se puede incrementar de forma selectiva para que la alimentación penetre más profundamente en el flujo para incrementar la mezcla, en particular por delante o en una zona de choque. Un modo alternativo a la pirolisis, tal como se ha indicado antes, puede funcionar a velocidades subsónicas muy altas según esta invención.

Además, se ha consensuado que los índices ascendentes de calor aumentan la conversión para el carbono. Ver Von Rosenberg, Patente americana 4278446. Con respecto a una diferencia de temperatura de 1500 K para una partícula de carbono bien dispersada, pretende conseguir un elevado ritmo de calentamiento de 106 K/seg. Las velocidades de reacción oscilan entre 0,6 y 2,4 milisegundos en un difusor supersónico de aproximadamente 2 metros de largo.

En su informe al Departamento Americano de Energía (DE-AC 21-85 MC 22058, Marzo, 1987), el equipo conseguía índices de conversión del carbono de hasta el 70% en aproximadamente 50 milisegundos. La longitud del reactor corriente abajo de la tobera DeLaval era de 80'' de largo hasta la estación de enfriamiento. Se probaban presiones de hasta 4 ATM y temperaturas de hasta 4000 C. Los flujos entran en el difusor supersónico a un Mach de 2,27 y salen a un Mach de 2+.

Ahora nuestro interés reside en aplicar una velocidad de calentamiento de 105 K/seg a un reactor de pirolisis alimentado con etano de la patente americana de Hertzberg nr. 5.300.216. Sirve para estimar la parte longitudinal de la reacción dedicada a conseguir el aumento de temperatura de 573 C que se indica y que se muestran en la figura 2B de la patente. La temperatura máxima de 1000 C se muestra como un aumento normal del choque a partir de 427ºC como la temperatura de mezcla del etano y el vapor. La temperatura de pirolisis equivale a 863ºC. El descenso de 1000 a 863ºC se muestra en el dibujo como una punta aguda hasta la horizontal a 863ºC. Esta tiene lugar a una presión y cambio de Mach de 9 bars y de 0,44 a 10 bars de Mach y a 0,12 Mach justo antes del enfriamiento. A 1000ºC y 26,7 bars el vapor se mezcla con el etano a 381ºC para una temperatura final después de la mezcla, tal como se ha indicado antes, de 427ºC. El número Mach a esta temperatura es de 2,8.

La descripción anterior se sigue fácilmente mirando los dibujos de la patente. El objetivo consiste en mostrar que el aumento a 1000 C no podía tener lugar en el lapso de tiempo de una onda de choque. De acuerdo con ello, un índice de calentamiento prospectivo de 105K/seg se utiliza para determinar el tiempo para el aumento desde 427ºC hasta 1000ºC y la distancia relacionada frente a la línea de choque que se muestra en la figura 2B. La línea de choque simboliza una onda de choque que Shapiro (p.134) proporciona a 10-5 pulgadas o menos en grosor para choques justo por encima de Mach 1.

El grosor también se referirá a la vía libre media entre moléculas. EL índice del grosor respecto a la vía libre media es de 2 para choques en el orden de Mach 2 y superior. Para traer los 105C/seg en perspectiva, se determina el tiempo para el aumento:

T = 573C/105C por seg. = 0,0006 seg o bien 0.06 ms, aproximadamente

Para un orden de aproximación de la magnitud, la mezcla a 427ºC se considera vapor a 1300 R. De la tabla de Keenan & Kaye, la velocidad del sonido para el vapor se da como 2100 fps

Mach 2,8 x 2100 fps = 5880 ó 6000 fps

La longitud del reactor afín es de

6000 fps x 0,0006 seg = 3,6 pies

Esta longitud es del mismo orden de magnitud que el trabajo de Von Rosenberg para el Departamento de Energía. Sin embargo, este índice palidece con respecto al índice que se requeriría para un aumento en la temperatura de 573 C si tuviera que ocurrir a una distancia de 10-5 pulgadas.

Esto no es para cuestionar el aumento sino la relación espacio-tiempo en que ocurrió. Presumiblemente, la temperatura empezó a subir en la denominada zona de mezcla de las figuras 1 y 2B.

En este contexto, vale la pena comparar el trabajo de Raniere, patente americana 4.724.272. El claramente ilustra la pirolisis en la zona de múltiples choques, como lo hace Von Rosenberg. La figura 1 de Raniere muestra una temperatura que aumenta de forma constante allí, lo que corresponde a una deceleración lineal en velocidad. Raniere mantiene una velocidad supersónica sobre Mach 2 a través de la mayor parte del reactor donde se empiezan a producir múltiples choques o "choques de botella". El flujo transcurre subsónico antes de entrar en el difusor subsónico convergente. Su reactor procesaba 1500 toneladas al día de metano que daban 43 TPD de etileno mientras se reciclaba el metano y el hidrógeno. El desarrolla un flujo de Mach 2 a aproximadamente 3 atmósferas que potencia el chorro y activa la pirolisis a 500 hasta 200 C.

Estos detalles operativos se mencionan porque son ampliamente diferentes de los de Hertzberg. Destacan la verosimilitud de un proceso conforme a esta invención, lo que aporta una amplia gama de flexibilidad y control con la ventaja adicional de facilitar el aumento a escala que no impide el uso de choques, pero presenta una configuración alternativa de un reactor diseñado para acelerar flujos elevados subsónicos que puedan emplear choques de forma selectiva para la mezcla y/o pirolisis, pero que por otro lado, puedan operar según otra configuración sin choques.

Manteniendo el aspecto total energético de esta invención y aquí con respecto a la producción de etileno (pero que también se puede realizar en la producción de gases de síntesis) se consigue la generación de vapores in situ, en el combustor del motor cohético. En caso de necesidad, se puede generar vapor adicional justo corriente abajo de la tobera del motor cohético donde se podrá añadir el calor adicional según se necesite.

El combustible preferido para el motor cohético es el hidrógeno. Así si se necesita más espacio para generar vapor, el calor se obtendrá quemando el hidrógeno adicional o bien en el flujo (preferiblemente) como parte del chorro o bien si se añade de forma secundaria justo corriente abajo del chorro. El hidrógeno procede de una fuente energética del motor cohético independiente como una operación en una primera etapa respecto a las configuraciones descritas de una instalación de pirolisis a presión de etileno anterior. Se pueden usar otros combustibles siempre que los productos de combustión estén libres de oxígeno y sean químicamente compatibles con la función de la pirolisis. Un chorro ligeramente rico en hidrógeno es también compatible en algunas operaciones de pirolisis. Su riqueza se ve incrementada naturalmente para una combustión cuando se requiere vapor adicional corriente abajo del chorro.

Especificación de la invención - En la pirolisis de las olefinas con respecto al flujo sónico y/o transónico la figura 10 es un diagrama de un ciclo cerrado de pirolisis del vapor energético casi total para producir olefinas en el modo transónico activado por el motor cohético.

El modo alternativo en el que el flujo es casi sónico y continuamente subsónico no se ha configurado.

Naturalmente combinaciones de los dos modos se tienen en cuenta en esta invención como fácilmente comprensibles por los expertos en el campo de la dinámica de gases, en particular cuando existe una transición de la dinámica del gas in situ al flujo subsónico del tipo Venturi en la mecánica de fluidos.

Volviendo ahora a la figura 10:

1001 es un combustor de motor cohético diseñado para temperaturas de hasta 5000 F y presiones relativamente ilimitadas. 1002 es una tobera DeLaval diseñada en el campo de Mach 0,8 a 5.

El vapor es generado en 1001 in situ mediante la inyección de agua en el combustor del motor cohético. Cuando se requiere vapor adicional del agua en el proceso, esto se produce en un difusor 1003 que, en este caso, es activado y abastecido por la tobera DeLaval en el intervalo de Mach 0,8 a 0,9, donde la combinación de 1002 y 1003 incluye un Venturi en el que se mide agua adicional para la generación de vapor.

Si no se precisa vapor adicional, las toberas 1002 y 1003 se diseñan para un flujo supersónico del orden de Mach 1+ a 5.

En cualquier caso, la tobera 1004 y el difusor 1005 son transónicos para aportar flujos supersónicos al conducto 1006, que es preferiblemente constante en la sección transversal (aunque se permite un conducto ligeramente divergente). En cualquier caso, el diseño y el flujo del proceso afín se programarán preferiblemente para salir del 1006 en un flujo subsónico que se puede incrementar en presión por una ligera divergencia en la extensión (no mostrada) del conducto 1006 antes de converger en el 1007 dentro de una turbina de expansión de cierre acoplado 1008 que exporte la energía P, que se puede aplicar opcionalmente al turbocargador o a la generación de electricidad, AC ó DC, para ser usada preferiblemente en el proceso.

De acuerdo con todo ello, lo que se ha descrito es un bucle casi cerrado para una conversión de la energía casi total donde la fuente principal de energía (de acuerdo con esta invención y con muchas de las configuraciones anteriores) es la fuente 1001 de energía del motor cohético como una cascada presión-temperatura en la que la turbina 2008 transforma parte de dicha energía en la potencia de exportación P que puede ser devuelta al ciclo sin especificidad tal como lo aplicaría un entendido en ingeniería convencional de procesos.

Continuando ahora en el bucle, el flujo pasa al condensador 1009. El agua refrigerante (no numerada) indicada por flechas, se distribuye preferiblemente y se calienta después como la fuente de vapor que alimentará la primera etapa de una fuente energética de un motor cohético y de un reactor de energía conservada que suministra hidrógeno o gas combustible que contiene hidrógeno al combustor 1001 a través de la línea 1022 de la segunda etapa del motor cohético.

El requisito de oxígeno para el combustor 1001 puede entrar en línea a la presión del sistema, o bien ser comprimido por la fuente energética de anteriores configuraciones. Para este modo, el oxidante se representa en la figura 10 como oxígeno. Un modo alternativo que utiliza aire requeriría un medio compresor similar.

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Otro proceso puede implicar hidrógeno adicional 1015 corriente abajo y que se distribuye hacia la reacción de pirolisis en la zona 1 a través del 1003 con las existencias y/o como 1016 en la zona 2 a través del 1004 y/o la zona 3 a través del 1005. En cada caso, los flujos tienen que ser controlados y medidos por un medio apropiado, como con todos los flujos en el proceso para regir la estequiometría prescrita.

Las funciones alternativas del conducto 103 son: producir más vapor según se necesite, para generar elevados flujos subsónicos o bien producir flujos altamente supersónicos con respecto al chorro 1002. Cada modo, cada diseño y la especificación coordinada del flujo se adaptan para cumplir un proceso programado. Estas funciones han sido descritas con anterioridad como una serie interrelacionada de conductos 1002, 1003, 1004, 1005, 1006 y 1007.

Esta serie se describe además como funciones en las zonas 1 a 4, en particular con respecto al extremo de la mano derecha e izquierda de la sección 1003 del conducto. Conforme al mismo, converge hacia la derecha para cualquiera de las siguientes funciones para:

A. Acelerar los flujos altamente subsónicos hacia y a través de la extremidad de la obera de mano derecha desde una acción global del Venturi desde el chorro 1002 por la izquierda;

B. Crear una presión estática elevada adecuada en la sección transversal intermedia más larga del conducto 1003 para producir un chorro transónico en la tobera del extremo derecho, produciendo con ello un flujo altamente supersónico desde la zona 1 a la zona 2; y continuando en un flujo supersónico para producir de forma selectiva choques "botella" o bien un choque normal en la zona 3.

C. Desarrollar un número Mach adecuadamente alto (hasta Mach 5 o superior) según se necesite en el chorro 1002, de manera que se produzca un choque de transición a medida que el flujo entra en la mano derecha o en el perfil convergente del conducto 1003, suficiente carga estática es retenida para producir selectivamente una velocidad subsónica alta o bien una velocidad supersónica inferior en la tobera de mano derecha de la zona 1.

Aunque la secuencia en cascada Mach que se acaba de describir produce un flujo desacelerante a través de la zona 1, la cascada puede ser regulada seleccionando una presión de estancamiento en el combustor del motor cohético 1001 en coordinación con el chorro 1002, de manera que el flujo, como se ha indicado antes, que cruza el extremo de mano derecha de la zona 1, sea o bien un flujo supersónico adecuado o altamente subsónico. Independientemente de la desaceleración, los conductos 1006 y 1007 (relacionados con las zonas 3 y 4) se correlacionan más adelante y por ello son perfilados para acelerar el flujo tal como se ha descrito antes. De este modo, los flujos a través de las zonas 3 y 4 para casos A<B y C se aceleran de modo similar. Adicionalmente, para todos los casos las funciones anteriores para los flujos a través de la zona 1 se mantendrán independientemente de la generación de vapor en la misma.

Un objetivo importante de esta invención consiste en acomodar una amplia gama de existencias y de producción que resulte en una amplia gama de flujos, así como facilitar el aumento a escala de los prototipos. Por lo tanto, se limitará a 4 zonas, siempre que las funciones de las zonas 3 y 4 pasen a ser 5 y 6 por ejemplo. En este caso, la zona 1 repetiría como las zonas 1 y 2 con zonas 2 y 3 pasando a ser 3 y 4.

Por otro lado para algunos procesos se puede aplicar una serie más corta. De acuerdo con ello, la zona intermedia 2 puede llegar a ser la mano derecha de la zona 1, descartando con ello el final de mano derecha de la zona 1, y así sucesivamente.

El vapor condensado y el gas producto del condensador 1009 se separan en 1010. Los gases producto, mayoritariamente olefinas, son exportados para un posterior tratamiento y uso. El agua caliente separada es bombeada por 1011 para llegar a ser agua 1013 para regenerar el vapor de pirolisis en el difusor de la tobera 1002-1003 después de derivar el agua en exceso a la estación 1012. El flujo de agua de retorno 1013 se muestra dividido en el flujo 1017 para una inyección a alta presión en el combustor 1001 y/o como un flujo de baja o alta presión justo corriente abajo del chorro. El agua 1014 a baja presión procedente de una fuente externa se ha previsto principalmente para la puesta en marcha y como una función complementaria para posteriores ajustes para el flujo en estado estacionario.

Como una función añadida, el vapor 1014 es purgado o derivado a través de la válvula de control D para minimizar o eliminar mayoritariamente la capa límite desarrollada por los "choques botella" que desarrollan unas capas límite en conductos de área constante. Este vapor podrá ser chorreado al principio o bien a través de la región de capa límite, a través de perforaciones, ranuras o forzado a través de medios porosos.

Otra configuración emplea el vapor 1021 como una función de adorno y alternativamente para volver a colocar eficazmente todo o parte del vapor generado in situ. Hace esto mientras retiene todavía la energía casi total objetivo de esta invención, así como las funciones dinámica del gas y del fluido anteriormente descritas.

El vapor 1021 también puede ser suministrado con vapor sucio disponible en algunas instalaciones. El vapor limpio puede ser suministrado a través de un generador o caldera aparte de vapor calentado que se integrará al ciclo de pirolisis. De acuerdo con ello, el condensador 1013 en lugar de fluir para su distribución en el complejo del motor cohético tal como se muestra en la figura 10, se dirige ahora a través de un proceso de purificación antes de volver a la caldera.

La ventaja de la configuración de la caldera es que minimiza la cantidad de hidrógeno para el ciclo de pirolisis. En la configuración preferida, la caldera dispone de su propia fuente de energía del motor cohético que aporta combustible a la caldera tal como se ha descrito anteriormente para las otras configuraciones de caldera de esta invención.

Cuando la caldera se especifica exclusivamente para el ciclo de pirolisis, el gas combustible preferido es suministrado por la energía del motor cohético, siendo hidrógeno y dióxido de carbono, porque se puede producir en exceso de manera que el exceso es derivado para quemar el motor cohético complementario, activando el tren de pirolisis. Esta combustión es programada para ajustar o aumentar la temperatura del vapor que entra en el combustor del mismo motor cohético a una presión controlada frecuente. El dióxido de carbono aumenta y complementa el vapor de la caldera como el medio de pirolisis. Cuando el aire es el oxidante, el medio de pirolisis pasa a ser vapor, dióxido de carbono y nitrógeno.

Esta caldera también se puede diseñar para producir una cantidad adicional de vapor para activar una turbina de vapor, como complemente de la turbina 1008, permitiendo con ello el ajuste para la energía total del proceso. Otra ventaja de la configuración de la caldera es que reduce al mínimo el requisito de oxígeno o aire y de acuerdo con ello la compresión mecánica requerida para activar el motor cohético para el tren de pirolisis.

El tren de pirolisis puede ser también un pequeño proceso de adición a una gran instalación generadora de vapor. De acuerdo con ello, todas las funciones y combinaciones anteriormente descritas se aplican de modo similar.

Volviendo de nuevo a la configuración sin caldera, el gas combustible preferido que se suministra para activar el tren de pirolisis es el hidrógeno y el dióxido de carbono. El hidrógeno es inflamado para producir vapor in situ a partir del agua. De acuerdo con ello, se requieren menos vapor y menos hidrógeno, debido al complemento de dióxido de carbono; y naturalmente, todavía se requiere menos si el hidrógeno se quema con el aire, debido al complemento del nitrógeno para el medio de pirolisis tal como se ha descrito para la configuración de la caldera.

La fuente principal de energía para el ciclo es la temperatura y presión en cascada, desarrolladas en el combustor del motor cohético. Los parámetros de control para el ciclo son la temperatura y presión prescritas para desarrollar la reacción de pirolisis donde se ha programado que tenga lugar. Hasta el punto que la presión de la pirolisis puede incrementarse de forma favorable para la reacción química deseada, resulta preferible crear presión para aumentar la potencia de exportación de la turbina con el fin de acercarse a la energía de bombeo requerida en 1011. En reacciones a baja presión, el equilibrio de la energía se consigue aumentando el flujo en la línea 1018 mientras se controla el flujo en la línea 1017 hacia el cero. El equilibrio mejora además cuando se genera suficiente energía para dirigir el compresor 1020 que suministra los grases pirolizados a través de la línea 1014.

No se ha mencionado pero algunos condensados pueden ser reciclados y aplicados como un medio de enfriamiento rápido justo antes de converger el conducto 1007 como vía de ayuda adicional para reducir la temperatura del flujo después de la pirolisis con el fin de ajustar la reacción de las olefinas. El aumento en el flujo de masa a través de la turbina sirve para compensar en parte la pérdida de energía debida al descenso afín en la temperatura de entrada a la turbina.

En resumen, se han presentado dos configuraciones principales con respecto a una etapa segunda o final del tren del reactor tal como se muestra en la figura 10. En el primer caso, la primera etapa comprende una fuente del motor cohético en cascada de gas combustible y de energía para la etapa final y el vapor es generado in situ. En el segundo caso, la primera etapa comprende un complejo de motor cohético caldera donde la caldera proporciona el vapor y la presión mayoritariamente para la segunda etapa; y la fuente de energía del motor cohético proporciona el combustible para la caldera y un gas prescrito de combustible en exceso para la segunda etapa.

Todo complejo de dos etapas representa un ciclo del reactor de energía casi total para los procesos químicos de equilibrio y no equilibrio donde prácticamente toda la energía compresora mecánica dentro del bucle se transforma primero en calor y luego en energía química y calor sensible en los productos químicos.

Además se puede deducir fácilmente, en particular los expertos en la dinámica de fluidos y de gases, así como en la producción de vapor, que finalmente la fuente de energía del motor cohético y el combustible descritos al principio de esta invención, incluyendo las variaciones de caldera, también se pueden aplicar para el control cinético en las reacciones de equilibrio tal como se ha descrito con respecto a la figura 10 para las reacciones de pirolisis relacionadas con la producción de olefinas y diolefinas.

En conclusión, la revelación de esta invención implica suministrar energía en una cascada a una o más máquinas motrices, turbinas de expansión por ejemplo, de manera que el suministro definitivo sea electricidad o trabajo mecánico. En la acción en cascada, los combustibles hidrocarbonados u otra materia carbonosa se someten a una fuerza aerotermoquímica, una presión de estancamiento relativamente ilimitada y unas temperaturas de combustión de hasta 5000 F para suministrar chorros de una formulación compatible para el bombardeo y/o materia carbonosa de arrastre introducida corriente abajo. La consecuencia es la producción de un gas combustible que sea más económico y fisioquímicamente adaptable a la máquina motriz. Los gases de escape de la máquina motriz se adaptan luego a un ciclo en el que se vuelven a comprimir y pasan a presión máxima a la parte superior de la cascada. La parte del gas de escape que es derivada para exportación puede ser usada para precalentar el oxidante y el combustible que entra al ciclo para la recompresión de los gases de escape. El combustible para la recompresión proporciona una parte sustancial del requisito de presión de combustión máxima. También se puede aplicar combustible para el arrastre por propulsión a chorro en uno o más lugares corriente abajo del chorro superior; es decir, entre el chorro superior y la cabeza de la turbina o bien de otra maquina motriz donde el gas combustible se quema a la temperatura y presión diseñadas.

El reactor puede transformar y aportar los reactantes con cualquier finalidad, con o sin producir electricidad. Además, el calor residual se puede aplicar a un requisito de calor endotérmico para muchas reacciones similares a las descritas en esta invención. Se suministran hidrógeno y gases de síntesis para el amoníaco, metanol y otras sustancias petroquímicas. El etileno, acetileno y otros productos de la pirolisis se dispondrán para el refinado corriente abajo y para las operaciones petroquímicas. Las reacciones mezcladas con sólidos como óxidos de hierro y hierro esponjoso para molinos de acero y cubetas de combustible también producen resultados excepcionales con esta invención. Finalmente, la temperatura y la presión influyen mayoritariamente en el curso de las reacciones a través de una o más zonas transónicas. Mediante una estequiometría controlada con reacciones que tienen lugar en milisegundos y con la intensa acción dinámica del gas descrita, se puede desarrollar el control cinético en las operaciones del proceso en intervalos de tiempo relativamente cortos. Una estequiometría controlada en un entorno de reacciones controladas cinéticamente da lugar a un enfriamiento rápido autotérmico. Si se desea, se puede usar el enfriamiento convencional para enfriar especies de reacción intermedia. También se pueden emplear catalizadores para estimular la reacción en condiciones de trabajo menos extremas y conseguir la retirada del sulfuro y otros contaminantes.

Aplicando la fuente de energía descrita en esta invención a una gran variedad de energías eléctricas, los usos de procesos químicos y de otro tipo pueden llenar una gran necesidad en la industria y en el mundo.

Claims (76)

1. Un proceso que comprende las etapas de:

a. aportar un sistema que comprenda un compresor (134), un combustor (102) y un túnel adiabático que tenga entradas a la línea de ramificación;

b. inyectar de forma selectiva en al menos uno de dichos combustores (102) y dicho túnel adiabático (121-132) a través de entradas a la línea de ramificación, un oxidante y al menos una de las existencias y combustible a presión elevada para una reacción de combustión, independientemente de su extensión o alcance en dicho túnel;

c. crear dicha reacción de combustión a elevada temperatura y a dicha presión;

d. aportar los productos de reacción para la combustión a través de dicho túnel adiabático (121-132)

e. formar una masa prescrita de gas a una temperatura prescrita y a una presión al final de dicho túnel (121-132) para al menos un uso final seleccionado para la energía o producción química;

f. aportar al menos un gas de escape procedente de dicho proceso;

g. recuperar dicho gas de escape y/o el contenido calórico de dicho gas de escape volviendo a comprimir dicho gas en dicho compresor como parte de un flujo de gas; y

h. reciclando y haciendo entrar dicho flujo de gas y los productos de reacción de la combustión en al menos uno de dichos combustores (102) y de dicho túnel adiabático (121-132).

2. Un proceso conforme a la reivindicación 1, donde un motor cohético (102) sirve de combustor para activar los fuegos hasta 5000ºF con presiones de estancamiento relativamente ilimitadas donde dicho motor activa un chorro rico en vapor para admitir e impulsar o lanzar uno o más fluidos suministrados a través de dichas líneas de ramificación al interior de dicho túnel adiabático (121-132), donde dichos fluidos son entregados por primera vez a presiones adecuadas por detrás o al interior de una sección de la tobera (120) de dicho motor cohético y/o al interior de secciones de la tobera (131, 132, 128) corriente abajo en dicho túnel y más adelante donde dichos fluidos se mantienen y se agrupan en dicho túnel como una masa unificada a dicha temperatura y presión prescritas y al final de dicho túnel como una fuente de combustibles, olefinas/acetilenos, gases de síntesis, hidrógeno y/o dicha
energía.

3. El proceso conforme a la reivindicación 2 donde una parte sustancial de dichos combustibles y/o del hidrógeno es reciclada a dicho motor cohético (102) y/o al menos un compresor (134).

4. El proceso conforme a la reivindicación 1 en el que dichos combustibles se queman para obtener energía para turbinas de gas y turbinas libres.

5. El proceso conforme a la reivindicación 1, donde se producen combustibles sintéticos por reacciones de transformación que tienen lugar en uno o más reactores (121, 122, 123) intercalados entre dichas secciones de la tobera (131, 132, 128) de dicho túnel (121-132).

6. El proceso conforme a la reivindicación 5 donde dichos combustibles se queman para generar vapor en una caldera que puede activar una turbina alimentada por vapor, donde una parte de dicho vapor y/o una parte de los gases de escape de dicha turbina es reciclada en la sección (120) de la tobera de dicho motor cohético (102) y/o de las secciones (131, 132, 128) de dicho túnel.

7. El proceso conforme a la reivindicación 4, donde dichos combustibles se producen transformando la materia que contiene nitrógeno, el agua y/o el vapor que se introducen en cualquiera de las secciones de la tobera (131, 132, 128) para reaccionar con dicho chorro rico en vapor.

8. El proceso conforme a la reivindicación 1, donde dicho compresor (134) también vuelve a comprimir el material recuperable adicional para suministrarlo a unas presiones adecuadas a la sección de la tobera (120) de dicho motor cohético (102) o bien de dichas secciones de la tobera (131, 132, 128) corriente abajo, con el fin de aumentar el flujo de masa de dicho motor cohético.

9. El proceso conforme a la reivindicación 1 adaptado para producir amoníaco, metanol y/o gas de síntesis de Fischer Tropsche en una etapa con metano o gas natural como existencia donde una parte de dichas existencias se incendia a una presión adecuada con aire y agua para producir un chorro rico en vapor de dicho motor cohético (102), donde los constituyentes de dicho chorro reaccionan de forma autotérmica con una cantidad prescrita de dichas existencias regulada por detrás de la tobera o bien dentro de una sección de la tobera (120) de dicho motor y/o dentro de las secciones de la tobera (131, 132, 128) del interior de dicho túnel y corriente abajo de dicho motor de manera que la reactividad se vea incrementada con los flujos del chorro hasta velocidades transónicas que luego de forma selectiva producirán ondas de choque según sea necesario para suministrar dicho amoníaco, metanol y/o el gas de síntesis de Fischer Tropsche con dióxido de carbono de dicho túnel para la separación y purificación para un tratamiento ulterior.

10. El proceso conforme a la reivindicación 3, donde dos etapas (503, 504) del motor cohético se utilizan con la primera etapa(503) aportando dióxido de carbono e hidrógeno que se inyectan en la sección de la tobera del segundo motor cohético (504) y/o las secciones de la tobera en un túnel acoplado a dicho segundo motor cohético, donde una fracción de las existencias, del metano o del gas natural, se quema con aire y agua en cada combustión escalonada para producir calor y chorros ricos en vapor y todo oxígeno que no ha reaccionado para la posterior oxidación completa, produciendo hidrógeno y nitrógeno en la proporción correcta desde el punto de vista autotérmico para que el amoníaco y el dióxido de carbono sean suministrados por dicho túnel para la separación y purificación en tratamientos posteriores.

11. El proceso conforme a la reivindicación 4, donde la producción de cada una de las turbinas se ve incrementada sustancialmente al reducir o eliminar la carga de su compresor de aire de combustión en el mismo eje, cuando dicho aire de combustión procede de al menos un medio compresor accionado de forma independiente.

12. El proceso conforme a la reivindicación 1, donde el agua y/o el vapor son introducidos en un reactor de transformación o grupo de reactores de transformación (121, 122, 123) situados en dicho túnel, donde reaccionan termoquímicamente en dicho reactor o reactores con dicha energía de dicha boquilla accionada por dicho combustor y la producción reciclada de dicho compresor sirve para formar hidrógeno.

13. El proceso conforme a la reivindicación 4, donde dicha masa de gas prescrita se inyecta para activar una o más turbinas libres y donde una parte de los gases de escape de dichas turbinas libres se comprime en un medio compresor intermedio y se distribuye para adiciones de calor entre etapas de dos o más turbinas.

14. El proceso conforme a la reivindicación 6, donde se introduce agua en cantidades sustanciales para mezclarse con los gases calientes procedentes de la turbina alimentada con vapor y una parte sustancial de la mezcla resultante se dirige a dichas reacciones de transformación.

15. El proceso conforme a la reivindicación 14 que aporta además una fuente de calor para una segunda fuente energética del motor cohético que transforma la potencia de dicha segunda fuente de energía en combustible.

16. El proceso conforme a la reivindicación 6 que incluye además

Un intercambiador de calor;

Un tercer motor cohético que tiene una tobera;

Una turbina que tiene un combustor para activar un compresor;

La inyección de combustible y oxidante a dicho tercer motor cohético;

Dirigir la potencia de dicha tobera del tercer motor cohético hacia dicho intercambiador de calor para enfriar dicha producción y supercalentar el vapor de dicha caldera; y transferir el vapor supercalentado resultante a dicha turbina de vapor.

17. El proceso conforme a la reivindicación 2, donde dicho motor cohético se enciende, descarga una cantidad sustancial de productos adicionales que son arrastrados hacia dicho túnel desde al menos otra combustión como una fuente adicional de energía y masa para dicha potencia del combustible.

18. El proceso conforme a la reivindicación 2 que constituye un ciclo en el que se dispone de una fuente de energía de una primera etapa para la producción de hidrógeno por reacción de vapor de agua con alguno de los siguientes materiales carbonosos reactantes:

1. metano

2. gas natural

3. carbono fijo

4. biomasa

5. alquitrán

6. cualquier hidrocarburo

donde dicho sistema reactante que es activado hasta un flujo transónico de los productos de combustión y de los productos de combustión arrastrados adicionalmente, en el que las energías para ambos productos de combustión se desarrollan quemando el oxígeno o los portadores de oxígeno y cualquier combustible que sea compatible con dicha reacción y en el que la energía de dichos productos adicionales proporciona la energía de compresión hasta el flujo transónico de manera que el hidrógeno producido de acuerdo con ello se puede dividir ahora en tres ramas para tres procesos interrelacionados donde

1.

el hidrógeno en la rama 1 potencia un funcionamiento de la cubeta de combustible (500) y los gases del vapor de agua resultante en una presión en cascada de dicha primera etapa de la fuente energética (503, 505) fluyen para arder con el oxígeno como la energía de combustión para desarrollar la energía que expanda los productos de combustión de dicha energía;

2.

el hidrógeno en la rama dos se aplica directamente en la combustión (501) para desarrollar energía adicional que se combina con la de la rama uno expandiendo sus productos de combustión; y

3.

el hidrógeno de la rama tres se combina con el dióxido de carbono (que es producido y separado del hidrógeno antes de que el hidrógeno se divida en dichas tres ramas) de manera que ambos son activados ahora por la presión vigente de la primera etapa para desarrollar un chorro presurizado en la segunda etapa, sin combustión, que a cambio activará un reactor de energía conservada en una segunda etapa (504) en el cual dicho hidrógeno de la rama tres reduce el óxido de hierro, Fe_{3}O_{4}, inyectado en dicho reactor justo corriente abajo de dicho segundo chorro de manera que de acuerdo con ello, resulta lo siguiente:

A.

Se produce hierro esponjoso (Fe)

B.

Dióxido de carbono y vapor de agua todavía bajo presión que aportan el calor adicional bajo dicha presión que fluyen y se combinan con otros productos de combustión en expansión para desarrollar dicha energía.

19. El proceso conforme a la reivindicación 18, en el que cualquiera de dichas ramas puede funcionar sola y por separado.

20. El proceso conforme a la reivindicación 18, en el que la rama uno y la rama tres están cerradas y la rama dos aporta la energía para las cargas máximas.

21. El proceso conforme a la reivindicación 18 para la tercera rama cuando el dióxido de carbono procedente de la primera etapa de la fuente de energía está a baja presión o bien es derivado, de manera que una parte del hidrógeno de dicha etapa se quema con el oxígeno en la combustión del motor cohético (506) de la segunda etapa y el resto del hidrógeno se introduce en la sección de la tobera de dicha combustión del motor cohético para mezclarse en una proporción al menos estequiométrica con el óxido de hierro introducido en dicha sección de la tobera y/o secciones adicionales de la tobera corriente abajo de la sección (512) para producir hierro esponjoso.

22. El proceso conforme a la reivindicación 21 en el que el hierro esponjoso entra en la sección de la tobera del motor cohético y/o en las secciones de la tobera corriente abajo en una tercera etapa (512) en la que el hierro esponjoso reacciona con el metano, que es oxidado parcialmente en la combustión de dicho motor, de manera que el chorro resultante con el exceso de metano en proporciones adecuadas reacciona con dicho hierro esponjoso para producir carburo férrico e hidrógeno.

23. El proceso conforme a la reivindicación 17 adaptado para la producción de carburo de hierro en dos etapas como mínimo en las que el metano es oxidado parcialmente en una combustión en una última etapa en el motor cohético dando lugar a un chorro con una fracción en exceso de metano o bien el metano se introduce en secciones de la tobera corriente abajo en unas proporciones adecuadas para reaccionar con el hierro esponjoso que entra en la sección de la tobera de dicho motor y/o en las secciones de la tobera corriente abajo produciendo dicho carburo de hierro e hidrógeno de forma que dicho hidrógeno se recicla luego en una reactor adecuado del motor cohético anterior para reducir el óxido de hierro produciendo así una cantidad sustancial de hierro esponjoso.

24. El proceso conforme a la reivindicación 2 adaptado para el craqueo del metano y de las existencias básicamente de parafina para dar mezclas de olefinas y diolefinas, metano a etileno/acetileno y etano a etileno, por ejemplo, donde una fuente principalmente de vapor se desarrolla en la combustión de un motor cohético para descargar un chorro transónico que interaccionará con las existencias dentro de la sección de la tobera detrás de dicho chorro y/o en las secciones de la tobera corriente abajo de dicho chorro, con el fin de descargar etileno y vapor para la separación apropiada.

25. El proceso conforme a la reivindicación 24 donde el reactor corriente abajo comprende al menos dos zonas de craqueo opcionales para zonas de choque precisas que se caractericen por su flexibilidad a unas velocidades de flujo diversas y diferencias de presión afines al choque en un intervalo sustancial ofrecido por dicha presión de estancamiento relativamente ilimitada en la combustión del motor cohético.

26. El proceso conforme a la reivindicación 24 adaptado para producir etileno donde el gas de síntesis coproducido como un gas de pirolisis en un suministro a la primera etapa adicionalmente a producir algo de gas de síntesis para exportación y/o generación de energía, en el que se obtiene una cantidad adicional en el reciclado como una fuente sustancial de combustible para dicho motor cohético y/o dicha máquina motriz de manera que por diferencia del flujo total de gas de síntesis, se dispone de suficiente síntesis para la producción de etileno de acuerdo con el siguiente procedimiento en el que el gas de síntesis se reparte a elevada presión en una cantidad prescrita para su combustión en la segunda etapa en el motor cohético y arde en su interior para producir un chorro de pirolisis adecuada para craquear el metano dosificado en la sección de la tobera del motor cohético y/o una o más secciones de la tobera corriente abajo de la tobera de dicho motor cohético.

27. El proceso conforme a la reivindicación 2 en el que los flujos subsónicos y supersónicos se organizan como uno o más pares simétricos que se angulan y perfilan en y a lo largo del flujo principal producido por dicho chorro del motor con una cantidad prescrita de existencias dirigida hacia dicha sección de la tobera del motor y/o una o más secciones de dicha tobera corriente abajo.

28. El proceso conforme a la reivindicación 2 en el que se efectúan los ajustes apropiados para enfriar al menos parcialmente el flujo de producto utilizando vapor, agua o bien otras sustancias químicas.

29. El proceso conforme a la reivindicación 1 ó 2 en el que dicha energía se aplica para expandir en una turbina de gas o en una o más turbinas libres en la que al menos una parte sustancial de los gases de escape de dichas turbinas es recomprimida y los gases se dirigen para mezclarse con dichos productos de dicha combustión de acuerdo con la temperatura prescrita y la masa para la energía de exportación de dichas turbinas.

30. El proceso conforme a la reivindicación 29, en el que el calor y/o la masa exceden el requisito de dichas turbinas, en el que el exceso se transforma termoquímicamente en combustible durante al menos la activación de dicho compresor y/o dicho motor cohético.

31. El proceso conforme a la reivindicación 1 en el que la materia reactiva es introducida en dicho túnel para la conversión termoquímica en hidrógeno, combustibles sintéticos, olefinas/acetilenos y otros productos químicos.

32. El proceso conforme a la reivindicación 2 adaptado para una reacción de pirolisis u otra reacción química en la que se desarrolla una fuente de vapor en la combustión de un motor cohético que se descarga a través de una tobera transónica para interaccionar con las existencias dosificadas en la sección de la tobera de dicho motor y/o en una o más secciones de la tobera corriente abajo en las que dicha reacción de pirolisis u otra reacción química ha sido programada al menos en una estación del reactor entre dichas secciones de la tobera en un amplio margen de velocidades de flujo y proporciones de vapor-existencias dando lugar respectivamente a los productos de dicha pirolisis o reacción
química.

33. El proceso conforme a la reivindicación 32 en el que dichas existencias se dirigen opcionalmente hacia un lateral a alta presión o bien baja presión de dicha tobera transónica y/o hacia el lateral a alta presión o bien baja presión de dichas secciones de la tobera corriente abajo.

34. El proceso conforme a la reivindicación 32 o reivindicación 33 en el que dichas estaciones del reactor comprenden unas zonas opcionales de reacción para el control de la selectividad de la producción en un amplio margen de velocidades de flujo para diversas presiones ofrecidas por una presión de estancamiento relativamente ilimitada en la combustión de dicho motor cohético.

35. El proceso conforme a la reivindicación 33 en el que dichas existencias que entran en las secciones de la tobera son aceleradas a velocidades transónicas por el chorro principal de dicho motor cohético que se programa a Mach 5 y valores superiores.

36. El proceso conforme a la reivindicación 32 en el que el vapor es generado in situ por el agua que es dosificada en dicha combustión y/o en una sección adicional justo corriente abajo de dicha tobera y antes de dicha estación del reactor en la que dicho vapor es generado por el transporte térmico directo del chorro de calor que emana de dicha tobera a una velocidad determinada de hasta 5000F.

37. El proceso conforme a la reivindicación 36 en el que la energía para reciclar el condensado se obtiene de expandir el flujo después de un craqueo o de otra reacción química.

38. El proceso conforme a la reivindicación 1 adaptado para desarrollar una fuente de gases calientes comprimidos que se expanden en una turbina para exportar la energía donde una parte sustancial de los gases de escape de dicha turbina es comprimida de forma independiente y enviada a través de un túnel quasiadiabático para la distribución definitiva de dichos gases junto con otros gases también comprimidos de forma independiente y repartidos de modo similar por dicho túnel, que juntos al final de dicho túnel forman al menos un flujo caliente a una temperatura y presión prescrita para dicha energía exportada.

39. El proceso conforme a la reivindicación 38 en el que al menos una parte de dichos gases es enviada por primera vez para su combustión en un motor cohético a la parte superior de dicho túnel a una presión básicamente superior a la presión prescrita, de manera que la diferencia entre dichas presiones se transforme esencialmente en calor útil procedente de las pérdidas por fricción en la mezcla de dichos gases entre su combustión y la entrada a dicha turbina.

40. El proceso conforme a la reivindicación 38 en el que dicha compresión independiente es realizada por cualquier máquina motriz y adicionalmente los gases de escape de dicha máquina motriz y/o otros gases de escape de dicho proceso son recomprimidos por dicha máquina motriz y repartidos por dicho túnel como parte constituyente de dichos gases.

41. El proceso conforme a la reivindicación 38 en el que el flujo corriente abajo de dicha combustión incluye el oxígeno que no ha reaccionado para respaldar una combustión posterior impulsada por el combustible dosificado en una junta en dicho túnel elegida para maximizar el impulso del flujo de masa incrementado en dicha turbina.

42. El proceso conforme a la reivindicación 4 adaptado para Volver a comprimir una parte sustancial de los gases de escape de dichas turbinas y de una máquina motriz independiente de forma que dicha parte se mezcla sustancialmente a una presión adecuada con los gases de escape de dicha máquina motriz para distribuirse por el túnel casi adiabático para activar dichas turbinas y posteriormente donde aparezca una carencia de flujo de masa para dicha energía para quemar adicionalmente combustible de química consistente con oxidante a dicha presión en dicho túnel para mezclarse con los gases recomprimidos en dicho túnel y expandirse en dichas turbinas.

43. Un proceso conforme a la reivindicación 1 ó 2 adaptado para activar de forma selectiva las reacciones químicas en equilibrio y fuera del equilibrio, en las que el flujo procede de un gas combustible y donde su componente de hidrógeno se transforma mayoritariamente en vapor, cuando se quema con cualquier oxidante en la combustión de dicho motor, y luego dicho flujo avanza corriente abajo a través de uno o más conductos adiabáticos interconectados en serie para bombardear y transferir el calor para hacer reaccionar las existencias carbonosas inyectadas de forma selectiva en uno o más lugares de dichos conductos que se encuentran intercalados de forma selectiva con toberas para acelerar provisionalmente los flujos subsónicos y decelerar en cascada los flujos subsónicos interrumpidos por choques y además donde dichos conductos giran para rodear y estar interconectados a dichas toberas.

44. Un proceso conforme a la reivindicación 1 que comprende la etapa de dirigir el vapor elevado subsónico o supersónico o bien el flujo del chorro complementado con vapor para activar de forma selectiva las reacciones químicas en equilibrio o fuera del equilibrio que se producen corriente abajo de dicho chorro a través de dos o más conductos adiabáticos, interconectados, en serie, en el que dicho flujo avanza para pirolizar y transferir el calor a las existencias carbonosas reactivas inyectadas en uno o más lugares en dichos conductos que se encuentran intercalados con las toberas para acelerar los flujos subsónicos y/o decelerar los flujos supersónicos interrumpidos por choques.

45. Un proceso conforme a la reivindicación 44 en el que dicho vapor es generado en una caldera que es la fuente principal o de primera etapa de presión para el flujo de dicho chorro.

46. Un proceso accionado por un motor cohético conforme a la reivindicación 2 para producir olefinas y diolefinas, principalmente etileno y acetileno, en el que el vapor aplicado para la pirolisis o el craqueo térmico de una amplia gama de hidrocarburos que incluye metano, etano, gases de petróleo licuados, fracciones de petróleo, coque y carbón de petróleo, es reciclado de forma secuencial como un condensado después de la separación de dichas olefinas, al ser bombeado en la combustión de dicho motor, donde dicho condensado pasa a ser vapor por el intercambio térmico directo con los productos de la combustión en dicho motor considerando siempre que dichos productos sean compatibles con dicha pirolisis.

47. Un proceso conforme a la reivindicación 46 o bien la reivindicación 2 en el que una mezcla rica en combustible se quema en la combustión de dicho motor con el fin de disponer de una función propulsora y/o de calentamiento al introducir oxidante para completar la combustión de dicha mezcla.

48. Un proceso conforme a la reivindicación 46 o bien la Reivindicación 2 en el que dicha mezcla se incrementa mediante el flujo transónico al disponer de choques de botella y/o uno o más choques de enfoque normal en dichas secciones del conducto.

49. Un proceso conforme a las reivindicaciones 46, 47 ó 2 en el que dichos flujos tienen lugar a velocidades altamente subsónicas.

50. Un proceso conforme a la reivindicación 46, ó 2 en el que las capas límite son dispersadas por la aplicación adecuada de dicha inyección de vapor a través de perforaciones, ranuras en la pared de dicho conducto o a través de las paredes del conducto de medios porosos.

51. Un proceso conforme a la reivindicación 44, en el que el combustible para el motor que impulsa dicho flujo del chorro es hidrógeno quemado con oxígeno de forma que dicho hidrógeno es suministrado por una fuente de energía del motor cohético en una primera etapa y por un reactor de energía conservada que transforma la materia carbonosa y el vapor a través de una reacción de intercambio de agua/gas.

52. Un proceso del motor conforme a la reivindicación 1, en el que los productos de combustión son controlados por los medios adecuados para alcanzar un estado estacionario básicamente en la forma de (CO_{2} + 2 H_{2}O) + x(CO_{2}+2H_{2}O), en el que el primer término se refiere finalmente a la combustión estequiométrica con oxígeno mientras el término x complementario es el diluyente que establece dicha temperatura prescrita de dicha masa de gas.

53. Un proceso conforme a la reivindicación 52, en el que dicho primer término (CO_{2}+2H_{2}O) que es descargado continuamente del proceso está sometido a la condensación de la parte de 2H_{2}O con el fin de separar la parte del CO_{2} para el secuestro por el medio adecuado.

54. El método conforme a la reivindicación 52 en el que una turbina de gas incendiada con los productos de descarga del aire de la combustión en la forma de (CO_{2} + 2 H_{2}O + 7,52 N_{2}) + Y(CO_{2} + 2 H_{2}O + 7,52 N_{2}), se retroajusta para su combustión con oxígeno para eliminar el término del nitrógeno para un contenido mayor de gas específico de la masa resultante de sus productos de combustión que con el aire para la misma energía.

55. Un proceso conforme a la reivindicación 1 ó 2 en el que los flujos de las líneas de ramificación hacia el interior de dicho túnel son activados y comprimidos de forma independiente, de forma que toda pérdida por fricción en dichas líneas se transforma en calor útil en dichos flujos, que es distribuido para mezclarse con los productos de dicha combustión contribuyendo así a la entalpía de dicha producción.

56. El proceso conforme a la reivindicación 29, en el que los gases de escape procedentes de dichas turbinas se disponen para un primer transporte de una cantidad sustancial de su calor hacia uno o más flujos de de dichos gases de escape y después de dicha compresión, enfriada y luego dirigida para mezclarse con dichos flujos enfriados previamente a dicha compresión.

57. El proceso conforme a la reivindicación 55, en el que dicho combustible tal como se ha aplicado a dichas turbinas no se quema o bien solo parcialmente de forma que sale de dichas turbinas con un contenido residual de combustible que se quemará en un reciclado selectivo en una o más reacciones de combustión.

58. El proceso conforme a la reivindicación 1, en el que dicho proceso activado por el chorro se adapta para producir olefinas y diolefinas, principalmente etileno y acetileno, en el que el vapor se aplica para la pirolisis o el craqueado térmico de uno o más hidrocarburos y en el que dicho motor es quemado con oxígeno y el oxígeno produce el requisito del vapor para dicho craqueo.

59. El proceso conforme a la reivindicación 58, en el que uno o más hidrocarburos es o son seleccionados del grupo formado por metano, etano, gases de petróleo licuados, fracciones de petróleo, coque de petróleo y carbón.

60. El proceso de la reivindicación 59, que comprende además las etapas de:

a. aportar al menos un segundo sistema dispuesto en paralelo que consta de un segundo compresor, un segundo combustor y un segundo túnel adiabático que tiene unas entradas ramificadas;

b. inyectar de forma selectiva un oxidante y al menos un combustible y a una presión inferior en dicho segundo combustor y dicho segundo túnel a través de las líneas correspondientes a presiones compatibles para que una segunda reacción de combustión pueda tener lugar en paralelo a dicha primera reacción de combustión;

c. crear dicha segunda reacción de combustión a una temperatura elevada y presión diferente de la primera reacción de combustión, en la que cada una de ellas se vea optimizada, respectivamente, para la producción de hidrógeno y etileno;

d. distribuir los productos de reacción de la combustión de dicha segunda reacción de combustión a través de dicho segundo túnel adiabático;

e. formar una masa prescrita de gas a una temperatura y presión prescrita en dicho segundo túnel para al menos un uso final seleccionado para la producción química y/o energética;

f. disponer de al menos un segundo gas de escape procedente de dicho segundo sistema;

g. recuperar dicho segundo gas de escape y/o el contenido calórico de dicho segundo gas de escape mediante la recompresión de dicho segundo gas de escape en dicho segundo compresor como parte de un segundo flujo de gas; y

h. reciclar y mezclar dicho flujo de gas y los productos de reacción de la combinación de dichas reacciones de combustión en los combustores y dichos túneles adiabáticos.

61. El proceso conforme a la reivindicación 60, en el que las reacciones de combustión y remodelado se producen en un flujo de mezcla por retroceso básicamente dentro del combustor y en una sección de la tobera de dicho combustor.

62. El proceso conforme a la reivindicación 60, en el que las reacciones de pirolisis se producen en un flujo de mezcla por retroceso básicamente dentro del combustor y en una sección de la tobera de dicho combustor.

63. El proceso conforme a la reivindicación 60, en el que las reacciones de combustión y remodelado se producen básicamente dentro de dicho túnel en la mezcla de los productos de dichas reacciones de combustión.

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64. El proceso conforme a la reivindicación 60, en el que las reacciones de pirolisis se producen básicamente dentro de dicho túnel con la mezcla de los productos de dichas reacciones de combustión.

65. El proceso conforme a la reivindicación 60, en el que las reacciones de pirolisis se producen a temperaturas superiores a 2000F con el fin de minimizar y descomponer las moléculas relativamente estables, cíclicas, polinucleares cíclicas, aromáticas e insaturadas que comprenden aceites y alquitranes y coque que normalmente se encuentran en los reactores de pirolisis a temperaturas inferiores.

66. El proceso conforme a la reivindicación 60, en el que las reacciones que remodelan el vapor se producen para fabricar hidrógeno a temperaturas superiores a 2000 F con el fin de minimizar y descomponer unas existencias de moléculas aromáticas, cíclicas, polinucleares cíclicas, cíclicas e insaturadas que comprenden aceites y alquitranes y coque producidos normalmente por la pirolisis.

67. El proceso conforme a las reivindicaciones 65 ó 66, en el que una parte de los gases de cola y de los productos de pirolisis craqueados normalmente es remodelada por el vapor para producir hidrógeno que se distribuye en unas proporciones estequiométricas o en exceso por el proceso con el fin de reciclar hasta su extinción estos productos normalmente olefínicos, refractarios aromáticos y no reciclables de la pirolisis.

68. El proceso conforme a la reivindicación 66, en el que cualquier producto de pirolisis es reciclado para aportar amplia flexibilidad en la elección de productos que se realiza a partir de las existencias hidrocarbonadas.

69. El proceso conforme a la reivindicación 1, en el que los productos de la combustión son controlados por un medio apropiado hasta alcanzar un estado estacionario sustancialmente en forma de (CO_{2} + 2 H_{2}O)+ xCO_{2} + yH_{2}O, donde x e y están entre 0 y 100, inclusive ambos, pero no son 0 a la vez, de manera que el primer término se refiere a la combustión estequiométrica con oxígeno mientras que los términos x e y complementarios, junto con cualquier otro material inerte opcional, comprenden el diluyente que establece dicha temperatura prescrita de dicha masa de gas.