ES2294805T3 - Metodo para sistemas de conversion de combustible en energia. - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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;
- -
- Un medio para inyectar combustible y oxidante al motor cohético y al medio compresor del motor cohético;
- -
- 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;
- -
- alimentar materia carbonosa y agua y/o vapor a la tobera del motor cohético;
- -
- transformar la potencia de salida 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 suministrar energía a dicha turbina de vapor;
- -
- 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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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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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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
\newpage
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
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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.
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
\hskip0.3cmA
\hskip0.3cmCO_{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}
\hskip0.3cmA
\hskip0.3cmCO_{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.
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.
\vskip1.000000\baselineskip
Caso
1
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.
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
\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.
\global\parskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
Caso
2
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.
\vskip1.000000\baselineskip
Caso
3
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.
\vskip1.000000\baselineskip
Ecuación (1)
CH_{4}+
H_{2}O(g) \leftrightarrow CO + 3
H_{2}
\vskip1.000000\baselineskip
Ecuación (2)
CH_{4}+
2H_{2}O(g) \leftrightarrow CO_{2} + 4
H_{2}
\vskip1.000000\baselineskip
Sin embargo, la reactividad con carbono/carbón
se puede aplicar al proceso:
Ecuación (3)
C +
H_{2}O(g) \leftrightarrow CO +
H_{2}
\vskip1.000000\baselineskip
Ecuación (4)
CO + H_{2 +}
H_{2}O(g) \leftrightarrow CO_{2} + 2
H_{2}
\vskip1.000000\baselineskip
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)
\vskip1.000000\baselineskip
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}
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
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}
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
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:
\vskip1.000000\baselineskip
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}
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
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}
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
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
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}
\vskip1.000000\baselineskip
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".
\vskip1.000000\baselineskip
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}
\vskip1.000000\baselineskip
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}
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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.
\vskip1.000000\baselineskip
Caso
5
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.
\newpage
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.
\vskip1.000000\baselineskip
Caso
6
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.
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.
\newpage
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.
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.
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.
\newpage
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.
\newpage
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.
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.
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.
\newpage
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.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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