RU2173213C1 - Gear for direct thermal conversion of methane - Google Patents
Gear for direct thermal conversion of methane Download PDFInfo
- Publication number
- RU2173213C1 RU2173213C1 RU2000133164/12A RU2000133164A RU2173213C1 RU 2173213 C1 RU2173213 C1 RU 2173213C1 RU 2000133164/12 A RU2000133164/12 A RU 2000133164/12A RU 2000133164 A RU2000133164 A RU 2000133164A RU 2173213 C1 RU2173213 C1 RU 2173213C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- zone
- reaction mixture
- heating
- tube
- Prior art date
Links
Landscapes
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам для получения углеводородов из углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле с применением электрических средств и предназначено для получения этилена, ацетилена и других низших олефинов из метана. The invention relates to devices for producing hydrocarbons from hydrocarbons with a smaller number of carbon atoms in a molecule using electrical means and is intended to produce ethylene, acetylene and other lower olefins from methane.
Известно, что эффективность устройств для осуществления процессов конверсии углеводородного сырья (в том числе и метана) зависит от факторов, определяющих их технические возможности. Наиболее существенным из них является быстрый подвод к перерабатываемому сырью значительного количества энергии для осуществления реакций деструкции молекул сырья. (С.П. Гориславец, Д. Н. Тменов, В.И. Майоров "Пиролиз углеводородного сырья", Киев, "Наукова думка", 1977, стр. 68). Последнее обстоятельство особенно актуально для устройств, предназначенных для прямого пиролиза метана в другие углеводороды, в частности в этилен, из-за его высокой стойкости. (Р.З. Магарил "Механизм и кинетика гомогенных термических превращений углеводородов". Химия, 1970, стр. 105 - 109). It is known that the effectiveness of devices for the conversion of hydrocarbons (including methane) depends on factors determining their technical capabilities. The most significant of these is the rapid supply of a significant amount of energy to the processed raw materials for the implementation of degradation reactions of the raw material molecules. (S.P. Gorislavets, D.N. Tmenov, V.I. Mayorov "Pyrolysis of hydrocarbon feedstocks", Kiev, "Naukova Dumka", 1977, p. 68). The latter circumstance is especially relevant for devices designed for direct pyrolysis of methane to other hydrocarbons, in particular ethylene, because of its high resistance. (RZ Magaril "The mechanism and kinetics of homogeneous thermal transformations of hydrocarbons". Chemistry, 1970, pp. 105 - 109).
Быстрый подвод энергии к сырью обусловлен требованием в процессе пиролиза метана сочетания высокой температуры (около 2000 К) с малым временем контакта (около 10 мс) при постоянном подводе энергии извне. (Патент N 2158747 БИ N 31, 2000 г.). A quick supply of energy to the raw materials is due to the requirement in the process of methane pyrolysis to combine high temperature (about 2000 K) with a short contact time (about 10 ms) with a constant supply of energy from the outside. (Patent N 2158747 BI N 31, 2000).
Возможность концентрировать выделение большого количества энергии в весьма малых объемах и, благодаря этому, получение больших скоростей нагрева, обеспечение высокой равномерности нагрева изделий и среды, а также простота регулирования подводимой мощности, следовательно, и температуры, простота герметизации нагреваемых до высоких температур деталей и возможность благодаря этому защитить нагреваемые детали из различных материалов от окисления защитной атмосферой или вакуумом предопределили развитие и использование электрического нагрева в качестве подводимой в зону реакции энергии в процессе переработки углеводородного сырья, в том числе и метана. The ability to concentrate the release of a large amount of energy in very small volumes and, due to this, obtaining high heating rates, ensuring high uniformity of heating of products and the environment, as well as ease of regulation of the input power, and therefore temperature, ease of sealing of parts heated to high temperatures and the ability to to protect the heated parts from various materials from oxidation by a protective atmosphere or vacuum, they determined the development and use of electric heating as energy supplied to the reaction zone in the process of processing hydrocarbon raw materials, including methane.
Известно устройство для прямой термической конверсии метана или метаносодержащей газовой смеси в углеводороды большей молекулярной массы, выполненное в виде установленного в герметичный металлический кожух удлиненной цилиндрической формы соосно с его осью симметрии вертикального или горизонтального реактора, рабочий объем которого включает зоны воздействия на поток реакционной смеси (последовательно по ходу ее транспортировки): предварительного нагрева, преимущественно за счет конвекционной теплопередачи от продуктов реакции, последующего нагрева до 1500 К, изотермической выдержки нагретой смеси, в процессе которой происходит конверсия метана, и образование продуктов реакции, закалки продуктов реакции. Кроме того, устройство содержит нагревательные элементы, связанные с источником питания, расположенным за пределами реактора, термопары для контроля и регулирования температуры нагрева. При этом нагревательные элементы выполнены в виде параллельно расположенных стержней из жаропрочного материала, окруженных обмотками из пористого керамического материала. Стержни с обмотками образуют крестообразные секции, установленные перпендикулярно к оси реактора, расположенному в направлении подаваемого сырья. В пространстве между обмотками электродов в зоне нахождения реакционной смеси расположены пирометрические зонды-термопары, что позволяет регулировать температуру каждого нагревательного элемента автоматически с помощью регулирующего устройства, подсоединенного к электроду и зонду-термопаре. Устройство снабжено приспособлением для подачи водорода в пространство между кожухом и поверхностью реактора под атмосферным давлением (0,1 МПа), при котором производится процесс конверсии метана, или чуть больше атмосферного (около 0,125 МПа) для лучшего проникновения водорода внутрь пористых обмоток через специальные отверстия во втулках для установки нагревательных стержней. Водород введен в смесь для уменьшения нагара на деталях рабочего объема реактора. Стенки реактора выполнены из огнеупорного бетона с металлической арматурой. Кроме того, из пористого огнеупорного материала выполнены разделительные перегородки между рядами нагревательных элементов, расположенные, как и нагреватели, перпендикулярно оси реактора. Зона нагрева состоит из 5-12 нагревательных секций. В первой части зоны метаносодержащую газовую смесь предварительно нагревают до 1000 К, а затем доводят до 1500 К за время от 2 мс до 1 секунды. Зона охлаждения следует сразу за высокотемпературной зоной. При этом газовую смесь из реакционной зоны быстро охлаждают за счет контакта с охлаждающей жидкостью, которую впрыскивают с помощью инжекторов, изготовленных из керамики. В качестве хладагентов используют сжиженные углеводородные газы, пропан, углеводородные масла, воду. A device is known for direct thermal conversion of methane or a methane-containing gas mixture into hydrocarbons of higher molecular weight, made in the form of an installed cylindrical elongated metal shell coaxially with its axis of symmetry of a vertical or horizontal reactor, the working volume of which includes zones of influence on the flow of the reaction mixture (sequentially in the course of its transportation): preheating, mainly due to convection heat transfer from the reaction products, according to the next heating to 1500 K, isothermal exposure of the heated mixture, during which methane is converted, and the formation of reaction products, quenching of reaction products. In addition, the device contains heating elements associated with a power source located outside the reactor, thermocouples to control and regulate the heating temperature. In this case, the heating elements are made in the form of parallel spaced rods of heat-resistant material surrounded by windings of porous ceramic material. Rods with windings form cross-shaped sections mounted perpendicular to the axis of the reactor, located in the direction of the feed. Pyrometric thermocouple probes are located in the space between the electrode windings in the zone of the reaction mixture, which allows you to adjust the temperature of each heating element automatically using a control device connected to the electrode and thermocouple probe. The device is equipped with a device for supplying hydrogen into the space between the casing and the surface of the reactor under atmospheric pressure (0.1 MPa), at which the methane conversion process is performed, or slightly more than atmospheric (about 0.125 MPa) for better penetration of hydrogen into the porous windings through special openings in bushings for installing heating rods. Hydrogen is introduced into the mixture to reduce carbon deposits on the details of the working volume of the reactor. The walls of the reactor are made of refractory concrete with metal reinforcement. In addition, dividing walls between the rows of heating elements are made of porous refractory material, located, like the heaters, perpendicular to the axis of the reactor. The heating zone consists of 5-12 heating sections. In the first part of the zone, the methane-containing gas mixture is preheated to 1000 K, and then brought to 1500 K in a time from 2 ms to 1 second. The cooling zone immediately follows the high temperature zone. In this case, the gas mixture from the reaction zone is quickly cooled due to contact with the coolant, which is injected using injectors made of ceramic. As refrigerants use liquefied hydrocarbon gases, propane, hydrocarbon oils, water.
Как показано в описании, устройство позволяет реализовать следующую переработку: на 200 моль исходного продукта, состоящего из смеси метана и водорода в равном объеме, получаются:
H2 - 143 моль.As shown in the description, the device allows you to implement the following processing: for 200 mol of the initial product, consisting of a mixture of methane and hydrogen in an equal volume, are obtained:
H 2 - 143 mol.
CH4 - 70 моль.CH 4 - 70 mol.
C2H3 - 6 моль.C 2 H 3 - 6 mol.
C2H4 - 4 моль.C 2 H 4 - 4 mol.
Бензол - 0,75 моль. Benzene - 0.75 mol.
Кокс - 54 г
Конверсия метана - 30% (Патент США N 5,270,016 от 14.12.1993).Coke - 54 g
Methane conversion - 30% (US Patent N 5,270,016 dated 12/14/1993).
Описанное устройство надежно в указанных режимах конверсии метана, обеспечивает ограничение образования нагара на горячих поверхностях. The described device is reliable in these modes of methane conversion, provides a limitation of the formation of soot on hot surfaces.
Однако, как показано в результатах апробирования устройства, конверсия метана невысокая, не высок и процент выхода продуктов переработки, таких как этилен, ацетилен. Причем выход ацетилена превосходит выход этилена. However, as shown in the results of testing the device, the methane conversion is low, and the percentage of yield of processed products, such as ethylene, acetylene, is not high. Moreover, the yield of acetylene exceeds the yield of ethylene.
Из указанного выше описания (Патент N 2158747, БИ N 31, 2000 г.) известно, что основными требованиями для глубокой конверсии метана и повышения выхода этилена являются наряду с высокой температурой реакции (около 2000 К) и малым временем контакта (около 10 мс) высокое давление (20 - 50 атм) в процессе конверсии метана. From the above description (Patent No. 2158747, BI No. 31, 2000), it is known that the main requirements for deep methane conversion and an increase in ethylene yield are, along with a high reaction temperature (about 2000 K) and a short contact time (about 10 ms) high pressure (20 - 50 atm) in the process of methane conversion.
Возможность реализации процесса конверсии метана под высоким давлением в описанном устройстве-прототипе весьма проблематична из-за использования в рабочем объеме и в корпусе реактора большого количества пористого огнеупорного материала, не приспособленного к выдержке высокого атмосферного давления без разрушения и требует дополнительного упрочнения деталей реактора и его корпуса. The possibility of implementing the high-pressure methane conversion process in the described prototype device is very problematic due to the use of a large amount of porous refractory material in the working volume and in the reactor vessel that is not adapted to withstand high atmospheric pressure without destruction and requires additional hardening of the reactor parts and its body .
Не обеспечивает конструктивное решение прототипа достижение других параметров реакции: повышение температуры выше 1500 К, времени контакта до 10 мс, которые в совокупности с вышесказанным обеспечили бы глубокую конверсию метана. It does not provide a constructive solution to the prototype to achieve other reaction parameters: temperature increase above 1500 K, contact time up to 10 ms, which, together with the foregoing, would provide a deep methane conversion.
В основу изобретения положена техническая задача - разработка надежного устройства, использующего электрический нагрев в качестве подводимой энергии и обеспечивающего реализацию глубокой конверсии метана, а также высокий процент выхода этилена без усложнения и удорожания конструкции. The technical problem is the basis of the invention - the development of a reliable device that uses electric heating as input energy and ensures the implementation of deep methane conversion, as well as a high percentage of ethylene yield without complicating and increasing the cost of the structure.
Поставленная техническая задача решается в предложенном устройстве прямой термической конверсии метана (метаносодержащей смеси) в углеводороды большей молекулярной массы, содержащем установленный в металлический герметичный кожух удлиненной цилиндрической формы соосно с его осью симметрии реактор из тугоплавкого материала, рабочий объем которого включает зону предварительного нагрева, преимущественно за счет конвекционной теплопередачи от продуктов реакции, зону последующего высокотемпературного нагрева до температуры конверсии метана, зону выдержки нагретой смеси и зону закалки продуктов реакции, нагреватель, электрически связанный с источником питания, расположенным за пределами реактора, приспособления для подачи реакционной смеси и выпуска продуктов реакции, приборы для контроля и регулирования температуры нагрева и давления, по изобретению устройство дополнительно содержит оборудование для подачи реакционной смеси под давлением выше атмосферного, а также оборудование для ввода в его полость инертного газа, создающего давление на поверхности реактора, уравновешивающего давление реакционной смеси изнутри, пару электродов нагревателя, подведенных к внешней поверхности реактора в зоне высокотемпературного нагрева реакционной смеси, диффузор-расширитель для выдержки нагретой смеси в адиабатическом режиме, расположенный между рабочими зонами высокотемпературного нагрева метаносодержащей смеси и закалки продуктов реакции и связывающий эти зоны, при этом реактор выполнен из электропроводящего высокоомного материала в виде цилиндрического корпуса с радиусом основания R, равнозначным в зонах высокотемпературного нагрева и закалки и с радиусом R1,
где R1 > R
в области диффузора-расширителя с герметизирующей заглушкой на одном конце, в его полости вдоль всей длины соосно установлена цилиндрическая разделительная трубка с радиусом основания R2,
где R2 < R,
образующая рабочие полости в кольцевых зазорах между внешней поверхностью трубки и областями внутренней поверхности реактора в зонах высокотемпературного нагрева реакционной смеси, выдержки нагретой смеси в диффузоре-расширителе и закалки продуктов реакции, последняя из которых связана с устройством выхода их за пределы реактора, а также с зазором между концом трубки и заглушкой, второй конец разделительной трубки соединен с оборудованием для подачи реакционной смеси и содержит в своей полости приспособление в виде стержня, установленного с кольцевым зазором между внутренней поверхностью разделительной трубки и поверхностью стержня, концентричным кольцевому зазору области закалки и равным ему по длине, образующим рабочую полость зоны предварительного нагрева реакционной смеси, связанную через зазор между концом трубки и заглушкой с остальными рабочими областями реактора.The stated technical problem is solved in the proposed device for direct thermal conversion of methane (a methane-containing mixture) into hydrocarbons of higher molecular weight, containing a reactor made of refractory material coaxially mounted with a symmetrical axis in a metal sealed elongated cylindrical shell, the working volume of which includes a preheating zone, mainly for account convection heat transfer from the reaction products, the zone of subsequent high-temperature heating to a temperature of conversion and methane, the exposure zone of the heated mixture and the hardening zone of the reaction products, a heater electrically connected to a power source located outside the reactor, devices for supplying the reaction mixture and exhausting reaction products, devices for monitoring and controlling the heating temperature and pressure, according to the invention, the device contains equipment for supplying the reaction mixture under atmospheric pressure, as well as equipment for introducing inert gas into its cavity, which creates pressure on the surface of the reactor balancing the pressure of the reaction mixture from the inside, a pair of heater electrodes connected to the outer surface of the reactor in the zone of high-temperature heating of the reaction mixture, a diffuser expander for holding the heated mixture in adiabatic mode, located between the working areas of high-temperature heating of the methane-containing mixture and hardening the reaction products and connecting these zones wherein the reactor is made of an electrically conductive high-resistance material in the form of a cylindrical body with a base radius R, are equivalent m in areas of high temperature heating and hardening and with a radius of R 1 ,
where R 1 > R
in the area of the diffuser-expander with a sealing plug at one end, in its cavity along the entire length, a cylindrical dividing tube with a base radius R 2 is coaxially installed,
where R 2 <R,
forming working cavities in the annular gaps between the outer surface of the tube and the regions of the inner surface of the reactor in the areas of high-temperature heating of the reaction mixture, holding the heated mixture in a diffuser expander and quenching reaction products, the latter of which is associated with a device for exiting them outside the reactor, as well as with a gap between the end of the tube and the plug, the second end of the separation tube is connected to the equipment for supplying the reaction mixture and contains in its cavity a device in the form of a rod, installed associated with an annular gap between the inner surface of the separation tube and the surface of the rod, concentric with the annular gap of the quenching region and equal in length to it, forming the working cavity of the preheating zone of the reaction mixture, connected through the gap between the end of the tube and the plug with the remaining working areas of the reactor.
Один из электродов на поверхности реактора в зоне высокотемпературного нагрева установлен жестко, а второй - с возможностью перемещения по ней. One of the electrodes on the surface of the reactor in the high-temperature heating zone is rigidly mounted, and the second with the ability to move along it.
Вдоль реактора установлены теплоизоляционные экраны. Устройство снабжено дополнительным закалочным устройством за пределами корпуса в виде соединенного с выходным патрубком соплом. Thermal insulation screens are installed along the reactor. The device is equipped with an additional quenching device outside the housing in the form of a nozzle connected to the outlet pipe.
Целесообразным является:
1. Жесткое крепление одного из электродов к поверхности реактора к зоне высокотемпературного нагрева, а второго - с возможностью перемещения по ней.It is advisable to:
1. Rigid fastening of one of the electrodes to the surface of the reactor to the high-temperature heating zone, and the second - with the ability to move along it.
2. Установка вдоль реактора теплоизоляционных экранов. 2. Installation of thermal insulation screens along the reactor.
3. Установка дополнительного закалочного устройства за пределами корпуса в виде соединенного с выходным патрубком сопла. 3. Installing an additional quenching device outside the housing in the form of a nozzle connected to the outlet pipe.
Новизна изобретения заключается в том, что в устройство введены: оборудование для подачи реакционной смеси под давление выше атмосферного, а также оборудование для ввода в его полость инертного газа, создающего давление на внешнюю поверхность реактора извне, уравновешивающего давление реакционной смеси изнутри; пара электродов нагревателя, подведенная к внешней поверхности реактора в зоне высокотемпературного нагрева реакционной смеси. Новым также является и установка диффузора-расширителя для выдержки нагретой смеси в адиабатическом режиме между рабочими зонами высокотемпературного нагрева метаносодержащей смеси и закалки продуктов реакции и соединение этих зон. При этом реактор выполнен из электропроводящего высокоомного материала в виде цилиндрического корпуса с радиусом основания R, равнозначным в зонах высокотемпературного нагрева и закалки и с радиусом R1, где R1 > R в области диффузора-расширителя с герметизирующей заглушкой на одном конце; в его полости вдоль всей длины установлена цилиндрическая разделительная трубка с радиусом основания R2, где R2 < R, образующая рабочие полости в кольцевых зазорах между внешней поверхностью трубки и областями внутренней поверхности реактора в зонах высокотемпературного нагрева реакционной смеси, выдержки нагретой смеси в диффузоре-расширителе и закалки продуктов реакции, последняя из которых связана с устройством выхода их за пределы реактора, а также с зазором между концом трубки и заглушкой; второй конец разделительной трубки соединен с оборудованием для подачи реакционной смеси и содержит в своей полости приспособление в виде стержня, установленного с кольцевым зазором между внутренней поверхностью разделительной трубки и поверхностью стрежня, концентричным кольцевому зазору области закалки и равным ему по длине, образующим рабочую полость зоны предварительного нагрева реакционной смеси, связанную через зазор между концом трубки и заглушкой с остальными рабочими областями реактора.The novelty of the invention lies in the fact that the following devices were introduced into the device: equipment for supplying the reaction mixture under atmospheric pressure, as well as equipment for introducing inert gas into its cavity, creating pressure on the external surface of the reactor from the outside, balancing the pressure of the reaction mixture from the inside; a pair of heater electrodes, connected to the outer surface of the reactor in the zone of high-temperature heating of the reaction mixture. Also new is the installation of a diffuser-expander for holding the heated mixture in adiabatic mode between the working zones of high-temperature heating of the methane-containing mixture and the hardening of reaction products and the connection of these zones. Moreover, the reactor is made of an electrically conductive high-resistance material in the form of a cylindrical body with a base radius R, equivalent in the zones of high-temperature heating and quenching and with a radius R 1 , where R 1 > R in the area of the diffuser expander with a sealing plug at one end; in its cavity along the entire length, a cylindrical separation tube with a base radius of R 2 , where R 2 <R, forming working cavities in the annular gaps between the outer surface of the tube and the regions of the inner surface of the reactor in the zones of high-temperature heating of the reaction mixture, holding the heated mixture in the diffuser, is installed an expander and hardening of reaction products, the last of which is connected with a device for exiting them outside the reactor, as well as with a gap between the end of the tube and the plug; the second end of the separation tube is connected to the equipment for feeding the reaction mixture and contains in its cavity a device in the form of a rod installed with an annular gap between the inner surface of the separation tube and the surface of the rod concentric with the annular gap of the hardening region and equal in length to it, forming the working cavity of the preliminary zone heating the reaction mixture, connected through a gap between the end of the tube and the plug with other working areas of the reactor.
Новыми являются и предпочтительные выполнения:
1. Жесткого крепления одного из электродов к поверхности реактора в зоне высокотемпературного нагрева, а второго - с возможностью перемещения по ней.Preferred executions are also new:
1. Rigid fastening of one of the electrodes to the surface of the reactor in the zone of high-temperature heating, and the second - with the ability to move along it.
2. Установка вдоль реактора теплоизоляционных экранов. 2. Installation of thermal insulation screens along the reactor.
3. Установка дополнительного закалочного устройства за пределами корпуса в виде соединенного с выходным патрубком сопла. 3. Installing an additional quenching device outside the housing in the form of a nozzle connected to the outlet pipe.
Суть изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема заявляемого устройства. The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows a schematic diagram of the inventive device.
Устройство содержит:
1 - корпус устройства
2 - реактор
3 - зона предварительного нагрева смеси
4 - зона высокотемпературного нагрева
5 - зона адиабатической выдержки нагретой смеси - диффузор-расширитель
6 - зона закалки продуктов реакции
7 - неподвижный электрод
8 - подвижный электрод
9 - источник метаносодержащей смеси
10 - устройство выпуска продуктов реакции
11, 12 - измерители давления (манометры)
13 - измеритель температуры (термопара)
14 - зазор между концом трубки и заглушкой
15 - заглушка
16 - разделительная трубка
17 - приспособление в виде стержня
18 - сопло
19 - теплоизоляционные экраны
20 - устройство впуска реакционной смеси
21 - устройство впуска инертного газа.The device contains:
1 - device housing
2 - reactor
3 - zone pre-heating the mixture
4 - zone of high temperature heating
5 - zone adiabatic exposure of the heated mixture - diffuser expander
6 - zone of hardening of reaction products
7 - fixed electrode
8 - movable electrode
9 - source of methane-containing mixture
10 - device for the release of reaction products
11, 12 - pressure gauges (manometers)
13 - temperature meter (thermocouple)
14 - the gap between the end of the tube and the plug
15 - stub
16 - dividing tube
17 - the device in the form of a rod
18 - nozzle
19 - heat insulation screens
20 is a device for the intake of the reaction mixture
21 is an inert gas inlet device.
В металлическом герметичном кожухе - 1 удлиненной цилиндрической формы соосно с его осью симметрии расположен реактор - 2, на корпусе которого установлены два электрода: неподвижный - 7 и подвижный - 8, а также теплоизоляционные экраны - 19. In a metal sealed enclosure - 1 of an elongated cylindrical shape coaxially with its axis of symmetry there is a reactor - 2, on the body of which two electrodes are installed: fixed - 7 and movable - 8, as well as heat-insulating screens - 19.
Реактор - 2 выполнен в виде цилиндрического корпуса из молибденового сплава с радиусом основания R в зонах высокотемпературного нагрева - 4 и закалки - 6 и с радиусом основания R1, где R1 > R в области диффузора-расширителя - 5, установленного между областями 4 и 5, содержит заглушку - 15 на одном конце. В полости реактора - 2 вдоль всей длины расположена цилиндрическая разделительная трубка - 16 с радиусом основания R2 < R, образующая рабочие полости в кольцевых зазорах между внешней поверхностью трубки и областями внутренней поверхности реактора в зонах высокотемпературного нагрева - 4, выдержки нагретой смеси в диффузоре-расширителе - 5 и закалки продуктов реакции - 6. Зона закалки - 6 связана с устройством выпуска продуктов реакции - 10, а через него с соплом - 18. Один конец трубки - 16, образует с заглушкой зазор, а второй конец ее соединен с устройством впуска реакционной смеси - 20, находящейся под давлением 3 - 4 МПа в емкости - 9, и содержит в своей полости приспособление в виде стержня - 17, установленного с кольцевым зазором между внутренней поверхностью разделительной трубки - 16 и поверхностью стержня - 17, концентричным кольцевому зазору зоны закалки - 6, и равным ему по длине, образующим рабочую полость зоны предварительного нагрева - 3, связанную через зазор - 14 с остальными рабочими областями. Устройство содержит приспособление для впуска в полость кожуха - 1 инертного газа, создающего давление на поверхность реактора - 2, уравновешивающего давление реакционной смеси изнутри, а также приборы 11, 12, 13 для измерения и регулирования давления и температуры.The reactor - 2 is made in the form of a cylindrical body made of a molybdenum alloy with a base radius R in the zones of high temperature heating - 4 and quenching - 6 and with a base radius R 1 , where R 1 > R in the area of the diffuser expander - 5, installed between regions 4 and 5, contains a stub - 15 at one end. In the cavity of the reactor - 2 along the entire length there is a cylindrical separation tube - 16 with a base radius of R 2 <R, forming working cavities in the annular gaps between the outer surface of the tube and the regions of the inner surface of the reactor in the zones of high temperature heating - 4, holding the heated mixture in the diffuser the expander - 5 and the hardening of reaction products - 6. The quenching zone - 6 is connected with the device for the release of reaction products - 10, and through it with the nozzle - 18. One end of the tube - 16, forms a gap with the plug, and its second end is connected to the device the inlet of the reaction mixture - 20, which is under pressure of 3-4 MPa in the tank - 9, and contains in its cavity a device in the form of a rod - 17, installed with an annular gap between the inner surface of the separation tube - 16 and the surface of the rod - 17, concentric to the ring the gap of the quenching zone is 6, and equal in length to it, forming the working cavity of the preheating zone is 3, connected through the gap is 14 with other working areas. The device contains a device for inlet into the cavity of the casing - 1 of inert gas, which creates pressure on the surface of the reactor - 2, balancing the pressure of the reaction mixture from the inside, as well as devices 11, 12, 13 for measuring and regulating pressure and temperature.
Для демонстрации работы изготовлено устройство со следующими параметрами:
Корпус реактора, разделительная трубка и приспособление в виде стержня изготовлены из молибдена. Размер корпуса реактора - 14х1 мм, разделительной трубки 10х1 мм, зазор между ними - 1 мм. Система электропитания от печи СШВЭ - 1,0 - 2,5/25-И1 - трансформатор мощностью до 50 кВт, дополненный выпрямителем. Ток - 3 - 4 кА, мощность 15-20 кВт, температура нагрева стенок до 2000 К, время нагрева (контакта) 2 мс. Скорость потока на входе в нагреватель - 100 м/с, на выходе 300 м/с.To demonstrate the operation, a device with the following parameters was manufactured:
The reactor vessel, the separation tube and the rod-shaped device are made of molybdenum. The size of the reactor vessel is 14x1 mm, the separation tube is 10x1 mm, the gap between them is 1 mm. The power supply system from the SShVE furnace is 1.0 - 2.5 / 25-I1 - a transformer with a power of up to 50 kW, supplemented by a rectifier. Current - 3 - 4 kA, power 15-20 kW, wall heating temperature up to 2000 K, heating (contact) time 2 ms. The flow velocity at the inlet to the heater is 100 m / s, at the outlet 300 m / s.
В работу одновременно приводят приспособления для впуска инертного газа - 21 и реакционной смеси - 20, находящихся в исходных емкостях. At the same time, the devices for inert gas inlet - 21 and the reaction mixture - 20, located in the original containers, are brought into operation.
Реакционная смесь - метаносодержащий, преимущественно метановодородная смесь при соотношениях компонентов 1:1. The reaction mixture is methane-containing, mainly methane-hydrogen mixture with a ratio of components 1: 1.
Метановодородную смесь, находящуюся под давлением 3 МПа с расходом 1 г/с со скоростью 100 м/с подают через устройство подачи - 20 в зону предварительного нагрева, в которой за счет приспособления в виде стержня - 17 поток смеси растекается по зазорам, в которых из-за малой площади сечения потока газ предварительно нагревается за счет нагретых отходными газами тонких стенок разделительной трубки - 16. Нагретый до 1000 К газ, следуя до зазора между концом трубки - 16 и заглушкой - 15 продолжает нагреваться от внутренней поверхности разделительной трубки и попадает в зону высокотемпературного нагрева - 4 и нагревается до 2000 К за время 1-2 мс при этом происходит первичная конверсия метана. Нагрев метана в этой зоне происходит за счет теплообмена со стенками реактора, которые являются непосредственными проводниками подаваемого от питающего трансформатора тока. Нагретая смесь продуктов первичной конверсии попадает в диффузор-расширитель - 14, где происходит резкое снижение скорости смеси и уменьшение теплоотдачи в стенку, сопровождающееся резким ростом давления (до 50 атм). Таким образом осуществляется выдержка смеси в режиме близком к адиабатическому. На этом этапе происходит преобразование ацетилена в этилен, а также дополнительное образование этилена за счет охлаждения потока. Основные химические реакции происходят в диффузоре-расширителе, в котором поток затормаживают до минимальных скоростей. Это существенно, так как при этом длина рабочей зоны минимальна и определяется временем пребывания реагента в потоке. Увеличивается давление, это обеспечивает уменьшение доли ацетилена. Кроме того, падение температуры, которое происходит из-за поглощения тепла в химических реакциях идет не так быстро, так как частично температура поддерживается за счет торможения потока. The methane-hydrogen mixture under pressure of 3 MPa with a flow rate of 1 g / s at a speed of 100 m / s is fed through a feed device - 20 to the preheating zone, where due to the adaptation in the form of a rod - 17, the mixture flow spreads over gaps in which - due to the small cross-sectional area of the flow, the gas is preheated due to the thin walls of the separation tube heated by the waste gases - 16. The gas heated to 1000 K, following to the gap between the end of the tube - 16 and the plug - 15 continues to heat up from the inner surface of the separation tube enters the high temperature heating zone - 4 and heated to 2000 K for a time of 1-2 ms at this initial methane conversion occurs. Methane heating in this zone occurs due to heat exchange with the walls of the reactor, which are direct conductors of the current supplied from the supply transformer. The heated mixture of primary conversion products enters the diffuser-expander - 14, where there is a sharp decrease in the speed of the mixture and a decrease in heat transfer to the wall, accompanied by a sharp increase in pressure (up to 50 atm). Thus, the mixture is held in a mode close to adiabatic. At this stage, the conversion of acetylene to ethylene, as well as the additional formation of ethylene by cooling the stream. The main chemical reactions occur in a diffuser-expander, in which the flow is inhibited to a minimum speed. This is significant, since the length of the working zone is minimal and is determined by the residence time of the reagent in the stream. The pressure increases, this ensures a decrease in the proportion of acetylene. In addition, the temperature drop that occurs due to the absorption of heat in chemical reactions is not so fast, since the temperature is partially maintained due to flow inhibition.
Смесь продуктов реакции далее попадает в зону закалки - 6, где остывает до 1000 - 1100 К, одновременно нагревая конвекцией через тонкую стенку разделительной трубки - 16 вновь подаваемый поток реакционной смеси. The mixture of reaction products then falls into the quenching zone - 6, where it cools down to 1000 - 1100 K, while again conveying through the thin wall of the separation tube - 16 the newly fed reaction stream.
В результате проведенных испытаний при описанных условиях в продуктах реакции было получено:
Массовая доля этилена - до 50%
Массовая доля ацетилена - до 15%
Конверсия метана - 75%.As a result of the tests under the described conditions in the reaction products was obtained:
Mass fraction of ethylene - up to 50%
Mass fraction of acetylene - up to 15%
Methane conversion - 75%.
Таким образом, заявляемое устройство конструктивно простое, позволяет реализовать оптимальные условия глубокой конверсии метана, чем и обеспечивается решение поставленной технической задачи. Thus, the claimed device is structurally simple, allows you to implement the optimal conditions for the deep conversion of methane, which ensures the solution of the technical problem.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000133164/12A RU2173213C1 (en) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | Gear for direct thermal conversion of methane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000133164/12A RU2173213C1 (en) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | Gear for direct thermal conversion of methane |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2173213C1 true RU2173213C1 (en) | 2001-09-10 |
Family
ID=35364495
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000133164/12A RU2173213C1 (en) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | Gear for direct thermal conversion of methane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2173213C1 (en) |
-
2000
- 2000-12-28 RU RU2000133164/12A patent/RU2173213C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11203692B2 (en) | Plasma gas throat assembly and method | |
| KR101798707B1 (en) | Method and Device for Production of Acetylene Using Plasma Technology | |
| NO175718B (en) | Process for cleavage of hydrocarbons and apparatus for use in the process | |
| RU2007148476A (en) | DEVICE FOR THE INTRODUCTION OF REACTIVE GASES TO THE REACTION CHAMBER AND EPITAXIAL REACTOR IN WHICH THE INDICATED DEVICE IS USED | |
| US4941965A (en) | Process for the hydrocracking of a hydrocarbon feedstock and hydrocracking plant for carrying | |
| US20220234020A1 (en) | Directly electrical heated reactor | |
| FR2924358B1 (en) | NEW REACTOR FOR REACTIONS AT VERY HIGH TEMPERATURE AND HIGH PRESSURE | |
| RU2173213C1 (en) | Gear for direct thermal conversion of methane | |
| Abanades et al. | Natural gas pyrolysis in double-walled reactor tubes using thermal plasma or concentrated solar radiation as external heating source | |
| US20230302421A1 (en) | Direct electrical heating of catalytic reactive system | |
| Simeyko | Thermal influence of microdischarge plasma on the process of receiving of quartz sand encapsulated by pyrocarbon | |
| US5053575A (en) | Method of conversion of natural gas or of light alkanes into unsaturated hydrocarbons | |
| US5759499A (en) | Thermal reactor with direct passage tube for current | |
| US5026949A (en) | Method of cracking a batch of heavy hydrocarbons into lighter hydrocarbons | |
| NO912715D0 (en) | PROCEDURE FOR THE MANUFACTURE OF SILICON CARBID. | |
| RU2000124815A (en) | METHOD OF OBTAINING SYNTHESIS-GAS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| US3246956A (en) | Reactor furnaces | |
| US3063803A (en) | Turbulent flow flame synthesis of hydrogen cyanide | |
| JP7138632B2 (en) | Process and apparatus for cracking hydrocarbon fuels | |
| WO1996015983A1 (en) | Hydrogen cyanide gas production | |
| JPS6019034A (en) | Chemical reaction apparatus using composite plasma | |
| RU2010107304A (en) | METHOD AND EQUIPMENT FOR PYROLYTIC TRANSFORMATION OF FUEL MATERIAL | |
| RU52738U1 (en) | REACTOR FOR IMPLEMENTING GAS-PHASE CATALYTIC PROCESSES | |
| UA83147U (en) | Reactor for pyrolysis of gaseous hydrocarbons | |
| SU66431A1 (en) | Arc furnace for cracking hydrocarbons to produce acetylene |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031229 |