RU2280502C1 - Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures - Google Patents
Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2280502C1 RU2280502C1 RU2005104868/15A RU2005104868A RU2280502C1 RU 2280502 C1 RU2280502 C1 RU 2280502C1 RU 2005104868/15 A RU2005104868/15 A RU 2005104868/15A RU 2005104868 A RU2005104868 A RU 2005104868A RU 2280502 C1 RU2280502 C1 RU 2280502C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- compression
- stage
- cylinder
- chemical
- mixture
- Prior art date
Links
Landscapes
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в химической промышленности для проведения разнообразных химических превращений, например, для связывания азота воздуха путем его окисления, для получения синтез-газа из богатых углеводородовоздушных смесей, в частности, при парциальном окислении метана.The invention relates to chemical technology and can be used in the chemical industry for a variety of chemical transformations, for example, to bind air nitrogen by oxidizing it, to produce synthesis gas from rich hydrocarbon-air mixtures, in particular, in the partial oxidation of methane.
Одной из основных проблем химического производства является разработка высокоэффективных и экономичных технологических процессов и аппаратов для их реализации. В рамках рассматриваемой проблемы наиболее удачным технологическим решением является способ проведения химических превращений с использованием химического реактора сжатия (ХРС), выполненного на принципах двигателя внутреннего сгорания (ДВС). ХРС представляет собой тепловую машину циклического действия, в которой осуществляется адиабатическое сжатие реакционной смеси поршнем до температуры, необходимой для быстрого протекания химической реакции. Затем в стадии расширения продукты реакции охлаждаются и происходит их закалка. Таким образом, ХРС совмещает в себе нагреватель, собственно реактор и закалочное устройство (Колбановский Ю.А. и др. Импульсное сжатие газов в химии и технологии. М.: Наука, 1982, с.240).One of the main problems of chemical production is the development of highly efficient and economical technological processes and devices for their implementation. In the framework of the problem under consideration, the most successful technological solution is a method of carrying out chemical transformations using a chemical compression reactor (HRS), made on the principles of an internal combustion engine (ICE). HRS is a cyclic-type heat engine in which the reaction mixture is adiabatically compressed by a piston to the temperature necessary for a quick chemical reaction. Then, in the expansion stage, the reaction products are cooled and quenched. Thus, HRS combines a heater, the reactor itself and the hardening device (Kolbanovsky Yu.A. et al. Pulse compression of gases in chemistry and technology. M: Nauka, 1982, p. 240).
Однако существует принципиальное ограничение для широкого применения таких реакторов, связанное с неэффективностью адиабатического сжатия многоатомных газов с низким показателем адиабаты: γ~1.2. Это означает, что для проведения многих практически важных реакций, в частности, для осуществления парциального окисления метана при характерной температуре Тmax~1500 К требуется сжимать газ до слишком высокого давления Рmax~1000 атм.However, there is a fundamental limitation for the widespread use of such reactors associated with the inefficiency of adiabatic compression of polyatomic gases with a low adiabatic index: γ ~ 1.2. This means that for many practically important reactions, in particular, for the partial oxidation of methane at a characteristic temperature T max ~ 1500 K, it is necessary to compress the gas to an excessively high pressure P max ~ 1000 atm.
Известен способ получения синтез-газа (Патент RU 2096313 С1, кл. С 01 В 3/36, опубл. 20.11.97), в котором парциальное окисление смеси углеводородного сырья с воздухом проводят в цилиндрах ХРС, основанного на ДВС компрессионного типа, при этом в цилиндры ХРС подают предварительно подогретую до 200-450°С смесь углеводородного сырья с воздухом при коэффициенте избытка воздуха α=0.5-0.8, a сжатие смеси ведут до самовоспламенения и получения температуры 1300-2300°С за период 10-2-10-3 с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин-1. Вращение коленчатого вала ХРС обеспечивается внешним приводом, например электромотором.A known method of producing synthesis gas (Patent RU 2096313 C1, class 01 B 3/36, publ. 11/20/97), in which the partial oxidation of a mixture of hydrocarbon materials with air is carried out in cylinders XPC based on the internal combustion engine of compression type, a mixture of hydrocarbon feedstock with air preheated to 200-450 ° C with air at an excess air coefficient α = 0.5-0.8 is fed into the HRS cylinders, and the mixture is compressed until self-ignition and a temperature of 1300-2300 ° C is obtained for a period of 10 -2 -10 -3 s, the cycle is repeated with a frequency exceeding 350 min -1 . The rotation of the crankshaft XPC is provided by an external drive, such as an electric motor.
Данный известный способ пригоден только для умеренно обогащенных углеводородовоздушных смесей, требует существенного усложнения конструкции ХРС за счет установки системы внешнего подогрева смеси и не отличается высокой удельной эффективностью из-за уменьшения плотности подаваемой в цилиндры ХРС смеси.This known method is suitable only for moderately enriched hydrocarbon-air mixtures, requires a significant complication of the design of the HRS due to the installation of an external heating system for the mixture, and does not differ in high specific efficiency due to a decrease in the density of the mixture fed to the cylinders.
Известен способ уничтожения токсичных соединений (Патент RU 2072477 С1, кл. F 23 G 5/00, F 23 G 7/00, опубл. 27.01.1997), при котором уничтожаемый объект, топливо и воздух с коэффициентом избытка воздуха α от 0.5 до 1.5 подают в ХРС, где подвергают импульсному сжатию-расширению при максимальной температуре в импульсе 1500-3000 К, максимальном давлении в импульсе 9-20 МПа и характерных временах 10-3-10-2 с. Отходящие из первого реактора газы снова подвергают импульсному сжатию-расширению при максимальной температуре в импульсе 1500-2300 К, максимальном давлении в импульсе 9-20 МПа и характерных временах 10-3-10-2 с.A known method for the destruction of toxic compounds (Patent RU 2072477 C1, class F 23 G 5/00, F 23 G 7/00, publ. 01/27/1997), in which the destroyed object, fuel and air with an excess air coefficient α from 0.5 to 1.5 served in the CSF, where they are subjected to pulsed compression-expansion at a maximum temperature in the pulse of 1500-3000 K, a maximum pressure in the pulse of 9-20 MPa and characteristic times of 10 -3 -10 -2 -2 s. The gases leaving the first reactor are again subjected to pulsed compression-expansion at a maximum pulse temperature of 1500-2300 K, a maximum pulse pressure of 9-20 MPa and characteristic times of 10 -3 -10 -2 -2 s.
Данный способ для обеспечения двух последовательных тактов сжатия требует существенного усложнения конструкции ХРС за счет использования дополнительного цилиндра. Способ не отличается высокой удельной эффективностью, так как во второй цилиндр реактора подается охлажденная смесь после ее расширения в первом цилиндре реактора.This method to ensure two consecutive compression cycles requires a significant complication of the design of the HRS due to the use of an additional cylinder. The method does not differ in high specific efficiency, since a cooled mixture is fed into the second cylinder of the reactor after its expansion in the first cylinder of the reactor.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ осуществления химических превращений сжатием топливно-воздушной смеси (ТВС) при работе ДВС (Патент RU 2162530 С1, кл. F 02 B 75/02, F 02 B 23/00, опубл. 27.01.2001), в котором сжатие ТВС в двигателе (химическом реакторе сверхадиабатического сжатия - ХРСС) осуществляют в две последовательные стадии в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии (сверхадиабатическое сжатие) - для чего используют цилиндр, разделенный поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска ТВС. Данный способ можно осуществлять как в 4-тактном ДВС (один такт двухстадийного сжатия), так и в 6-тактном - с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention (prototype) is a method for performing chemical transformations by compression of a fuel-air mixture (FA) during operation of an internal combustion engine (Patent RU 2162530 C1, class F 02 B 75/02, F 02 B 23 / 00, published January 27, 2001), in which fuel assemblies are compressed in an engine (super-adiabatic compression chemical reactor - HRCC) in two successive stages in a non-isentropic mode - with an increase in entropy (super-adiabatic compression) - for which a cylinder separated by transverse odkoy configured to bypass the fuel assembly. This method can be carried out both in a 4-stroke ICE (one cycle of two-stage compression), and in a 6-cycle cycle with two compression cycles separated by idle.
При использовании 4-тактного ДВС на первой стадии сжатия при движении поршня от нижней мертвой точки (НМТ) к закрытой перегородке производят нагрев ТВС сжатием до температуры T1=(1.5-2)Т0, где Т0 - начальная температура ТВС, затем отверстие в перегородке открывают, осуществляют перепуск нагретой ТВС в пространство цилиндра за перегородкой и проводят вторую стадию сжатия ТВС движением поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) до достижения температуры ТС=(4.2-7.8)Т0 с последующим воспламенением и сгоранием ТВС.When using a 4-stroke internal combustion engine at the first stage of compression, when the piston moves from the bottom dead center (BDC) to the closed baffle, the fuel assemblies are heated by compression to the temperature T 1 = (1.5-2) T 0 , where T 0 is the initial temperature of the fuel assembly, then the hole open in the baffle, transfer the heated fuel assembly to the cylinder space behind the baffle, and carry out the second stage of compression of the fuel assembly by moving the piston to the top dead center (TDC) until the temperature T C = (4.2-7.8) T 0 is reached, followed by ignition and combustion of the fuel assembly.
При использовании 6-тактного ДВС последовательные стадии двухстадийного неизоэнтропического сжатия можно совмещать с тактами сжатия двигателя, для чего первую стадию сжатия ТВС до температуры T1 проводят при открытом отверстии в перегородке движением поршня к ВМТ, после чего отверстие в перегородке закрывают и осуществляют холостой ход поршня к НМТ, в конце которого отверстие в перегородке открывают, при этом цилиндр заполняется ТВС с температурой T1, и проводят вторую стадию сжатия ТВС до температуры ТС движением поршня к ВМТ. Для достижения более высоких температур, например для сжигания бедных ТВС, двухстадийное сверхадиабатическое сжатие ТВС осуществляют на каждом такте работы 6-тактного ДВС, для чего первую стадию сжатия ТВС на первом такте до T1 начинают при закрытой перегородке, которую затем открывают и осуществляют перепуск смеси в пространство за перегородкой, после чего проводят вторую стадию сжатия (на первом такте) движением поршня к ВМТ до достижения ТС, после чего перегородку закрывают и осуществляют холостой ход поршня к нижней мертвой точке, в конце которого перегородку открывают для заполнения цилиндра нагретой смесью с температурой ТС, закрывают перегородку и повторяют двухстадийное сверхадиабатическое сжатие ТВС на втором такте работы двигателя аналогично первому такту, но с Т0=ТС.When using a 6-stroke internal combustion engine, the sequential stages of two-stage non-isentropic compression can be combined with engine compression strokes, for which the first stage of fuel assembly compression to temperature T 1 is carried out with the piston open to the TDC and the hole in the partition is closed and the piston idle to the BDC, at the end of which the hole in the partition is opened, while the cylinder is filled with fuel assemblies with a temperature T 1 , and the second stage of compression of the fuel assemblies to a temperature T C is carried out by moving the piston to the TDC. To achieve higher temperatures, for example, for burning poor fuel assemblies, two-stage super-adiabatic compression of fuel assemblies is carried out on each cycle of a 6-cycle internal combustion engine, for which the first stage of compression of fuel assemblies at the first cycle to T 1 is started with a closed partition, which is then opened and the mixture is bypassed into the space behind the partition, followed by a second compression stage (at the first cycle) to the movement of the piston to reach TDC T C, after which the baffle is closed and carried idling piston to the bottom dead point at Onze which baffle is opened to fill the cylinder the heated mixture to a temperature T C, sealed with a septum and repeating the two-stage compression superadiabatic fuel assembly at the second stroke operation of the engine similar to the first measure, but with T 0 = T c.
Недостатком описанного способа (прототипа) является ограниченная возможность использования ДВС в качестве ХРСС, так как для обеспечения работы ДВС по этому способу необходимо использовать только экзотермические ТВС определенного состава, так как он не позволяет достигать при давлениях не свыше 300 атм высоких температур (порядка 2500-3000 К), необходимых для осуществления эндотермических реакций, в то время как ХРСС должен быть пригоден для осуществления химических превращений в газосодержащих смесях самого разного состава, в том числе для проведения эндотермических химических превращений, протекающих с поглощением тепла (например, связывание азота воздуха его окислением), а также для проведения реакций с использованием смесей, не содержащих свободный кислород (например, реакции пиролиза углеводородов, гидропиролиза углеводородов и т.д.).The disadvantage of the described method (prototype) is the limited possibility of using internal combustion engines as an HRSS, since to ensure the operation of internal combustion engines using this method, it is necessary to use only exothermic fuel assemblies of a certain composition, since it does not allow high temperatures to be reached at pressures not exceeding 300 atm (about 2500 3000 K), necessary for the implementation of endothermic reactions, while HRSS should be suitable for chemical transformations in gas-containing mixtures of very different compositions, including rovedeniya endothermic chemical reactions occurring with absorption of heat (e.g., binding to its air nitrogen oxidation), as well as for reactions using mixtures containing no free oxygen (e.g., hydrocarbon pyrolysis reaction hydropyrolysis hydrocarbons, etc.).
Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа проведения химических превращений сжатием газосодержащей смеси в ХРСС, который обеспечил бы надежное и высокоэффективное протекание как экзотермических химических превращений, так и эндотермических, позволил бы проводить реакции в смесях, не содержащих свободный кислород, и привел бы к увеличению КПД процесса. Кроме того, заявляемый способ должен обеспечить возможность использования в качестве ХРСС ДВС, незначительно модифицированных (согласно способу-прототипу) по сравнению с обычными ДВС, выпускаемыми промышленностью.The objective of the invention is the creation of such a method of chemical transformations by compression of a gas-containing mixture in HRSS, which would ensure reliable and highly efficient both exothermic chemical and endothermic reactions, would allow reactions in mixtures not containing free oxygen, and would lead to an increase in efficiency process. In addition, the inventive method should provide the possibility of using ICE as ICRS, slightly modified (according to the prototype method) compared to conventional ICE manufactured by industry.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом проведения химических превращений сжатием газосодержащей смеси, включающим двухстадийное сверхадиабатическое сжатие реакционной смеси в двух последовательных тактах поршнем в цилиндре химического реактора сверхадиабатического сжатия, разделенном на основную и дополнительную камеру "поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска смеси, в котором, согласно изобретению, вторую стадию сверхадиабатического сжатия на каждом такте осуществляют одновременно с перепуском реакционной смеси в дополнительную камеру цилиндра, при этом давление сжатия обеспечивают одинаковым на первом и втором тактах сжатия путем выбора величины относительного объема дополнительной камеры цилиндра β=V2/(V1+V2), где V1 - объем основной камеры, V2 - объем дополнительной камеры, которая для максимального давления до 300 атм должна быть не ниже 0,01, а впуск реакционной смеси в реактор осуществляют перед первым тактом двухстадийного сжатия при движении поршня к нижней мертвой точке.The solution to this problem is achieved by the proposed method of conducting chemical transformations by compression of a gas-containing mixture, including two-stage super-adiabatic compression of the reaction mixture in two successive strokes by a piston in the cylinder of a chemical reactor of super-adiabatic compression, divided into a primary and secondary chamber by a transverse partition configured to bypass the mixture, in which, according to the invention, the second stage of super-adiabatic compression at each cycle is carried out simultaneously bypassing the reaction mixture into an additional chamber of the cylinder, the compression pressure being the same in the first and second compression steps by selecting the relative volume of the additional chamber of the cylinder β = V 2 / (V 1 + V 2 ), where V 1 is the volume of the main chamber, V 2 is the volume of the additional chamber, which must be at least 0.01 for a maximum pressure of 300 atm, and the reaction mixture is admitted into the reactor before the first step of two-stage compression when the piston moves to bottom dead center.
Для повышения эффективности процесса одновременный перепуск и сжатие смеси на второй стадии сверхадиабатического сжатия на каждом такте осуществляют при постоянном давлении.To increase the efficiency of the process, the simultaneous transfer and compression of the mixture in the second stage of super-adiabatic compression at each cycle is carried out at constant pressure.
Для повышения эффективности сжатия компонент из многоатомных молекул вводят в реактор перед или в начале второго такта сжатия - при движении поршня к нижней мертвой точке (холостой ход) или к верхней мертвой точке (второй такт).To increase the compression efficiency, components from polyatomic molecules are introduced into the reactor before or at the beginning of the second compression stroke - when the piston moves to the bottom dead center (idle) or to the top dead center (second cycle).
Для достижения максимальной эффективности реактора при проведении экзотермических химических превращений в дополнительной камере реактора устанавливают теплоаккумулирующий элемент с развитой поверхностью.To achieve maximum reactor efficiency during exothermic chemical transformations, a heat storage element with a developed surface is installed in an additional reactor chamber.
Предлагаемый способ был разработан на основе детальных теоретических и экспериментальных исследований процесса нагрева и химических превращений реагентов различных газосодержащих смесей при их двухстадийном сверхадиабатическом сжатии в двух последовательных тактах на модельной баллистической установке со свободным поршнем, изготовленной в виде цилиндра с двумя камерами - основной (объемом V1) и дополнительной (объемом V2), разделенными поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска смеси. Поршень совершает возвратно-поступательное движение в основной камере цилиндра. Изучена взаимосвязь таких параметров процесса, как состав реакционной смеси, степень сжатия смеси, ее давление и температура.The proposed method was developed on the basis of detailed theoretical and experimental studies of the heating process and chemical transformations of the reagents of various gas-containing mixtures during their two-stage super-adiabatic compression in two sequential cycles on a model ballistic installation with a free piston made in the form of a cylinder with two chambers - the main (volume V 1 ) and additional (volume V 2 ), separated by a transverse partition made with the possibility of bypassing the mixture. The piston reciprocates in the main chamber of the cylinder. The relationship between process parameters such as the composition of the reaction mixture, the compression ratio of the mixture, its pressure and temperature was studied.
Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности осуществления эндотермических реакций путем сверхадиабатического сжатия газосодержащих смесей. В предлагаемом способе двухстадийное сверхадиабатическое сжатие реакционной смеси осуществляют в двух последовательных тактах работы ХРСС. Двухстадийное сверхадиабатическое сжатие на первом такте работы реактора позволяет нагреть газосодержащую смесь до температуры 1000-1200 К при максимальном давлении сжатия до 300 атм. Повторение двухстадийного сверхадиабатического сжатия на втором такте работы ХРСС повышает температуру реакционной смеси до 2500-3000 К. Максимальное давление сжатия на втором такте не повышается, а сохраняется таким же, как на первом такте, что достигается выбором величины относительного объема дополнительной камеры цилиндра β, которая определяется требуемым для реакции давлением и для максимального давления до 300 атм должна быть не ниже 0,01.The principal result of the tests carried out is the establishment of the possibility of carrying out endothermic reactions by means of super-adiabatic compression of gas-containing mixtures. In the proposed method, two-stage super-adiabatic compression of the reaction mixture is carried out in two consecutive cycles of HRSS. The two-stage super-adiabatic compression at the first cycle of the reactor operation allows the gas-containing mixture to be heated to a temperature of 1000-1200 K at a maximum compression pressure of up to 300 atm. The repetition of two-stage super-adiabatic compression on the second cycle of the HRRS increases the temperature of the reaction mixture to 2500-3000 K. The maximum compression pressure on the second cycle does not increase, but remains the same as on the first cycle, which is achieved by choosing the relative volume of the additional cylinder chamber β, which determined by the pressure required for the reaction and for a maximum pressure of up to 300 atm should not be lower than 0.01.
Предлагаемый способ обеспечивает эффективное протекание реакции связывания азота из воздуха с высоким выходом окиси азота (при температуре 2800-3000 К до 6%):The proposed method provides an effective reaction of the binding of nitrogen from air with a high yield of nitric oxide (at a temperature of 2800-3000 K up to 6%):
N2+O2→2NON 2 + O 2 → 2NO
Исследована возможность получения предлагаемым способом синтез-газа при неполном окислении метана в режиме самовоспламенения без какого-либо внешнего предварительного подогрева реакционной смеси. В соответствии с уравнением реакции окисления метана до синтез-газа кислородом воздуха исходная концентрация метана должна составлять около 30%:The possibility of producing the synthesis gas by the proposed method for incomplete oxidation of methane in the self-ignition mode without any external preheating of the reaction mixture was investigated. In accordance with the equation of the reaction of methane oxidation to synthesis gas with atmospheric oxygen, the initial concentration of methane should be about 30%:
СН4+0.5O2+1.9N2→СО+2Н2+1.9N2 CH 4 + 0.5O 2 + 1.9N 2 → CO + 2H 2 + 1.9N 2
Теоретический анализ показывает, что этот процесс осуществим и по способу-прототипу при степени сжатия λs~20 и с применением принудительных средств поджигания смеси. В предлагаемом способе благодаря проведению второй стадии сверхадиабатического сжатия одновременно с перепуском реакционной смеси в дополнительную камеру цилиндра достигаются более высокие температуры, за счет чего происходит объемное самовоспламенение смеси даже при низкой степени сжатия λs=13.9, что позволяет получать синтез-газ с большей эффективностью. При содержании метана в реакционной смеси не более 10-15%, то есть при повышении экзотермичности реакции, возможно получение синтез-газа по предлагаемому способу и в одном такте двухстадийного сверхадиабатического сжатия.Theoretical analysis shows that this process is feasible by the prototype method with a compression ratio of λ s ~ 20 and using forced means of igniting the mixture. In the proposed method, due to the second stage of super-adiabatic compression, at the same time as the reaction mixture is passed into the additional chamber of the cylinder, higher temperatures are reached, due to which volumetric self-ignition of the mixture occurs even at a low compression ratio λ s = 13.9, which makes it possible to obtain synthesis gas with greater efficiency. When the methane content in the reaction mixture is not more than 10-15%, that is, with an increase in the exothermicity of the reaction, synthesis gas can be produced by the proposed method and in one step of two-stage super-adiabatic compression.
В проведенных экспериментах при сверхадиабатическом сжатии смесей по предлагаемому способу была продемонстрирована возможность парциального окисления таких углеводородов, как метан, пропан, изооктан.In the experiments with super-adiabatic compression of mixtures by the proposed method, the possibility of partial oxidation of hydrocarbons such as methane, propane, and isooctane was demonstrated.
Приведенные нами диаграммы (см. чертеж) иллюстрируют реализацию заявленного способа на описанной выше модельной установке. Относительный объем дополнительной камеры β=V2/(V1+V2)=0.07. Максимальное давление 100 атм. Степень сжатия λs=13.9. Число оборотов коленчатого вала реактора N=3000 об/мин.The above diagrams (see drawing) illustrate the implementation of the claimed method on the model installation described above. The relative volume of the additional chamber β = V 2 / (V 1 + V 2 ) = 0.07. The maximum pressure is 100 atm. The compression ratio is λ s = 13.9. The number of revolutions of the crankshaft of the reactor N = 3000 rpm
На чертеже представлены:The drawing shows:
а) - диаграмма изменения давления, на которой кривые 1 отражают изменение давления в основной камере цилиндра при двухстадийном сверхадиабатическом сжатии, осуществляемом в двух последовательных тактах, кривые 2 - изменение давления в дополнительной камере (в двух последовательных тактах). (Для сравнения приведена кривая 4, показывающая изменение давления при одностадийном сжатии в обычном ДВС).a) is a pressure change diagram, in which curves 1 reflect the pressure change in the main chamber of the cylinder during two-stage super-adiabatic compression, carried out in two consecutive cycles, curves 2 - pressure change in the additional chamber (in two consecutive cycles). (For comparison, curve 4 is shown, showing the change in pressure during one-stage compression in a conventional ICE).
б) - диаграмма изменения температуры, на которой кривые 1 отражают изменение температуры в основной камере цилиндра при двухстадийном сверхадиабатическом сжатии, осуществляемом в двух последовательных тактах, кривые 2 - изменение температуры в дополнительной камере (в двух последовательных тактах). (Для сравнения приведена кривая 4, показывающая изменение температуры при одностадийном сжатии в обычном ДВС).b) is a diagram of the temperature change, in which curves 1 reflect the temperature change in the main chamber of the cylinder during two-stage super-adiabatic compression, carried out in two consecutive clock cycles, curves 2 - the temperature change in the additional chamber (in two consecutive clock cycles). (For comparison, curve 4 is shown, showing the temperature change during one-stage compression in a conventional ICE).
Кривая 3 - диаграмма открытия перепускного клапана - относится к обеим диаграммам. На горизонтальной оси отложено безразмерное время τ=tp/tт, где tp - реальное время, tт - время такта (определяется числом оборотов коленчатого вала N).Curve 3 - opening diagram of the bypass valve - applies to both diagrams. The dimensionless time τ = t p / t t is plotted on the horizontal axis, where t p is the real time, t t is the tact time (determined by the number of revolutions of the crankshaft N).
Впуск реакционной смеси (воздуха) в реактор осуществляют перед первым тактом сжатия при движении поршня к НМТ (τ=0). После заполнения реактора перепускное отверстие закрывают и начинают первую стадию двухстадийного сверхадиабатического сжатия на первом такте движением поршня к ВМТ до достижения давления в основной камере 100 атм (см. диаграмму а), кривая 1), после чего отверстие в перегородке открывают (см. кривую 3) и осуществляют одновременный перепуск реакционной смеси в дополнительную камеру и ее сжатие во второй стадии сверхадиабатического сжатия продолжающимся движением поршня к ВМТ.The inlet of the reaction mixture (air) into the reactor is carried out before the first compression stroke when the piston moves to the BDC (τ = 0). After filling the reactor, the bypass hole is closed and the first stage of two-stage super-adiabatic compression is started at the first stroke by moving the piston to TDC until the pressure in the main chamber reaches 100 atm (see diagram a), curve 1), after which the hole in the partition is opened (see curve 3 ) and carry out the simultaneous transfer of the reaction mixture to an additional chamber and its compression in the second stage of super-adiabatic compression by the continuing movement of the piston to TDC.
В эксперименте, отраженном на чертеже, проходное сечение отверстия в перегородке в процессе одновременного перетока и сжатия смеси во второй стадии сверхадиабатического сжатия (на каждом такте) автоматически изменяли таким образом, чтобы поддерживать постоянным давление газа в основной камере, что обеспечивает максимальную работу сжатия и повышает эффективность процесса. Наивысший эффект достигается при сохранении постоянным максимально возможного давления.In the experiment shown in the drawing, the bore of the hole in the partition during the simultaneous flow and compression of the mixture in the second stage of super-adiabatic compression (at each step) was automatically changed so as to maintain a constant gas pressure in the main chamber, which ensures maximum compression and increases process efficiency. The highest effect is achieved while maintaining the maximum possible pressure constant.
После достижения поршнем ВМТ (τ=0,5) более 90% всей массы газа оказывается в дополнительной камере цилиндра с температурой 1200 К (см. диаграмму б), кривая 2). Перепускной клапан закрывают и поршень двигается к НМТ, создавая разрежение в основной камере цилиндра. В момент времени τ=0,9 клапан открывают (см. кривую 3), и горячий газ без совершения работы перетекает в основную камеру. В момент достижения поршнем НМТ (τ=1) отверстие в перегородке закрывают. Первый такт работы реактора и холостой ход завершены, но теперь в цилиндре находится горячий газ.After the piston reaches the TDC (τ = 0.5), more than 90% of the total gas mass is in the additional chamber of the cylinder with a temperature of 1200 K (see diagram b), curve 2). The bypass valve is closed and the piston moves to the BDC, creating a vacuum in the main chamber of the cylinder. At the time point τ = 0.9, the valve is opened (see curve 3), and hot gas flows into the main chamber without performing work. At the moment the piston reaches the BDC (τ = 1), the hole in the septum is closed. The first cycle of the reactor and idle are completed, but now there is hot gas in the cylinder.
Второй такт сжатия горячего газа проводили аналогично первому в две стадии, при этом конечная температура сжатия в дополнительной камере достигала примерно 2500 К (см. диаграмму б), кривая 2). Максимальное давление газа во втором такте было таким же, как в первом, и не превышало 100 атм, что было задано величиной параметра β=0.07, который выбирается таким образом, чтобы конечное давление сжатия во втором такте соответствовало бы максимальному давлению в первом такте сжатия (в эксперименте, представленном на чертеже, Р2=Р1=100 атм). К концу сжатия во втором такте - по достижении поршнем ВМТ в момент времени τ=1.5 - около 98% всей массы газа оказывается в дополнительной камере цилиндра - процесс завершен. При движении поршня к НМТ происходит свободное расширение продуктов реакции, их охлаждение, закалка и последующий вывод. В представленном на диаграммах эксперименте выход NO составил 1%. При повышении температуры до 3000 К и давления, соответственно, до 300 атм выход достигал 6%.The second compression step of hot gas was carried out similarly to the first in two stages, with the final compression temperature in the additional chamber reaching approximately 2500 K (see diagram b), curve 2). The maximum gas pressure in the second cycle was the same as in the first, and did not exceed 100 atm, which was set by the value of parameter β = 0.07, which was chosen so that the final compression pressure in the second cycle corresponded to the maximum pressure in the first compression cycle ( in the experiment shown in the drawing, P 2 = P 1 = 100 ATM). By the end of compression in the second cycle — upon reaching the TDC by the piston at time moment τ = 1.5 — about 98% of the total gas mass is in the additional cylinder chamber — the process is complete. When the piston moves to the BDC, there is a free expansion of the reaction products, their cooling, quenching and subsequent withdrawal. In the experiment shown in the diagrams, the NO yield was 1%. With an increase in temperature to 3000 K and pressure, respectively, to 300 atm, the yield reached 6%.
Таким образом, приведенный пример осуществления предлагаемого способа показывает, что при сжатии воздуха в двух тактах в ХРСС достигается высокая температура 2500 К при конечном давлении 100 атм. (В обычном ХРС температура сжатия в 2 раза ниже даже при давлении сжатия 250 атм. Чтобы достичь температуру 2500 К в обычном ХРС, необходимо сжимать воздух до давления свыше 2000 атм). В способе-прототипе максимальная температура 2300 К достигается при значительно более высоком давлении - не ниже 300 атм.Thus, the example implementation of the proposed method shows that when the air is compressed in two cycles in HRSS, a high temperature of 2500 K is reached at a final pressure of 100 atm. (In ordinary HRS, the compression temperature is 2 times lower even at a compression pressure of 250 atm. To reach a temperature of 2500 K in ordinary HRS, it is necessary to compress air to a pressure of more than 2000 atm). In the prototype method, the maximum temperature of 2300 K is achieved at a significantly higher pressure - not lower than 300 atm.
Эффективность сжатия реакционной смеси, содержащей многоатомные молекулы (из трех и более атомов), ниже из-за уменьшения показателя адиабаты смеси. В качестве многоатомных компонентов реакционной смеси можно использовать, например, углеводороды или замещенные углеводороды. Эффективность сжатия может быть существенно увеличена, если осуществлять впуск (инжекцию) компонента многоатомных молекул перед вторым тактом сжатия - во время холостого хода при движении поршня к НМТ - или во время второго такта сжатия при движении поршня к ВМТ. В этом случае в первом такте сжатия будет происходить эффективное сжатие газа, состоящего только из двухатомных молекул (например, воздуха или водорода), для которых характерен высокий показатель адиабаты: γ~1.4.The compression efficiency of the reaction mixture containing polyatomic molecules (of three or more atoms) is lower due to a decrease in the adiabatic index of the mixture. As the polyatomic components of the reaction mixture, for example, hydrocarbons or substituted hydrocarbons can be used. The compression efficiency can be significantly increased if the component of polyatomic molecules is inlet (injection) before the second compression stroke - during idle when the piston moves to the BDC - or during the second compression cycle when the piston moves to the BDC. In this case, in the first compression step, an effective compression of the gas will take place, consisting of only diatomic molecules (for example, air or hydrogen), which are characterized by a high adiabatic index: γ ~ 1.4.
Дополнительная возможность увеличения эффективности предлагаемого способа появляется в случае, если реакция химического превращения протекает с выделением тепла. В этом случае в дополнительную камеру цилиндра ХРСС устанавливают теплоаккумулирующий элемент с развитой поверхностью (набор тонких металлических пластин, пористую керамику), который будет поглощать часть тепла реакции, начинающейся вблизи максимальной температуры. Затем данный запас тепла будет передан свежей порции холодной реакционной смеси, поступающей в химический реактор перед двухстадийным сверхадиабатическим сжатием, то есть реализуется технологический прием рекуперации тепла, приводящий к дополнительному увеличению максимальной температуры сжатия на 30-60%, а следовательно, повышается КПД процесса.An additional opportunity to increase the effectiveness of the proposed method appears if the chemical transformation reaction proceeds with the release of heat. In this case, a heat storage element with a developed surface (a set of thin metal plates, porous ceramics) is installed in the additional chamber of the HRCC cylinder, which will absorb part of the reaction heat starting near the maximum temperature. Then this heat reserve will be transferred to a fresh portion of the cold reaction mixture entering the chemical reactor before two-stage super-adiabatic compression, that is, the technological method of heat recovery is implemented, leading to an additional increase in the maximum compression temperature by 30-60%, and therefore, the process efficiency is increased.
Использование заявляемого изобретения позволит осуществлять способ работы ХРСС, который обеспечит надежное и высокоэффективное протекание реакций химического превращения в воздушных смесях, проходящих, в том числе, с поглощением тепла (эндотермических реакций), а также позволит проводить реакции в смесях, не содержащих свободный кислород. Предлагаемый способ обеспечивает увеличение КПД процесса для химических реакций, протекающих с выделением тепла, при установке в ХРСС теплоаккумулирующего элемента с развитой поверхностью. В качестве ХРСС можно использовать ДВС, выпускаемые промышленностью, подвергнутые незначительной модификации.The use of the claimed invention will allow the implementation of HRSS, which will provide reliable and highly efficient chemical reactions in air mixtures, including those involving heat absorption (endothermic reactions), and will also allow reactions in mixtures not containing free oxygen. The proposed method provides an increase in process efficiency for chemical reactions that occur with the release of heat when a heat storage element with a developed surface is installed in the HRSS. As HRSS, you can use ICE manufactured by the industry, subjected to minor modifications.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005104868/15A RU2280502C1 (en) | 2005-02-24 | 2005-02-24 | Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005104868/15A RU2280502C1 (en) | 2005-02-24 | 2005-02-24 | Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2280502C1 true RU2280502C1 (en) | 2006-07-27 |
Family
ID=37057767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005104868/15A RU2280502C1 (en) | 2005-02-24 | 2005-02-24 | Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2280502C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2536500C2 (en) * | 2013-01-29 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Device of adiabatic-compression (versions) |
-
2005
- 2005-02-24 RU RU2005104868/15A patent/RU2280502C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2536500C2 (en) * | 2013-01-29 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Device of adiabatic-compression (versions) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3789807A (en) | Dual combustion process for an internal combustion engine | |
| EP0159834A1 (en) | An internal combustion engine and a method of operating the engine | |
| US20190063374A1 (en) | Internal combustion engine | |
| EP2447513A2 (en) | Apparatus to improve the efficiency of internal combustion engines and method therefor | |
| CA2765762A1 (en) | Dev cycle engine | |
| US20140109850A1 (en) | Method and system for internal combustion engine | |
| RU2197622C2 (en) | Method of operation and design of internal combustion engine using for its operation aggregative phase thermodynamic cycle | |
| RU2280502C1 (en) | Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures | |
| KR20080094725A (en) | Method for producing synthesis gas in a plant consisting of a compression-type internal combustion engine | |
| WO1998006663A1 (en) | Method for producing synthetic gas | |
| US6793910B1 (en) | Process to accomplish autothermal or steam reforming via a reciprocating compression device | |
| RU2665766C2 (en) | One-stroke internal combustion engine | |
| RU2549745C2 (en) | Operation of two-stroke ice running on hydrogen and with application of exhaust power in pulsating pipe | |
| RU2176739C1 (en) | Method of operation of internal combustion engine (versions) | |
| WO2019056119A1 (en) | Rotary reformer | |
| RU2317250C1 (en) | Synthesis gas generation process | |
| US1283112A (en) | Process for the production of nitric oxids in internal-combustion engines. | |
| US5027752A (en) | Primary air preheater for char burning engines | |
| Zhou | A Comprehensive Study of Free Piston Engines with an Ultra-fast Predictive Homogeneous Charge Compression Ignition Model | |
| RU2746820C2 (en) | Method for internal combustion engine operation | |
| US11022310B2 (en) | Combustion cycle process | |
| RU2441168C2 (en) | Four stroke internal combustion engine | |
| US7707976B2 (en) | Efficient 5-phase motor with turbo and two compressible chambers | |
| RU2162530C1 (en) | Internal combustion engine operation method | |
| RU2641180C2 (en) | Operating method of internal combustion engine with heat regeneration in cycle and motor used for its implementation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100225 |