СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА
METHOD AND DEVICE TO PRODUCE ACETYLENE

Изобретение относится к получению ацетилена из твердого топлива и органической составляющей твердых отходов в среде водяного пара.
Уровень техники
Ацетилен является одним из важнейших химических продуктов, используемых в промышленности. В 1965-75 годы по распоряжению правительства проводились работы по получению ацетилена из газообразного, жидкого и твердого топлив с целью снижения энергозатрат на единицу полученного продукта - ацетилена. И хотя удельный расход энергии на единицу выхода ацетилена снизился с 10 кВт-ч/кг до 4,5-5 кВт-ч/кг, программа получения ацетилена из топлив была свернута из-за низкого выхода целевого продукта - ацетилена, наибольшая концентрация которого составляла не более 20 масс.% при переработке газообразного топлива - метана. Объясняется это тем, что все дуговые плазмотроны обладают существенным недостатком. Пиролиз исходного материала при температуре Т<1500 К при низких скоростях нагрева частиц, 2-50 °/с, ведет к образованию устойчивых соединений: окиси и двуокиси углерода, метана, жидких смол. При увеличении скорости нагрева до 10
-10
°/с (условия теплового удара) при температуре Т>2000 К появляется качественно новый продукт - ацетилен, а соединения: метан, двуокись углерода и жидкие смолы - отсутствуют. В дуговых плазмотронах давление электрического разряда значительно превышает давление газовой среды. То есть электрический разряд можно представить как раскаленную до нескольких тысяч градусов болванку, которую газовая среда только обтекает. Благодаря низкому значению коэффициента теплопроводности газовой среды, λ=002-0,07 Вт/(м·К), слои газовой среды, которые касаются разряда или находятся на близком расстоянии от него, нагреваются до высокой температуры, в то время как слои газовой среды, которые касаются водоохлаждаемой стенки реактора, - охлаждаются.
4
7
Наиболее близкими к данному изобретению по технической сущности являются патенты РФ №2009112 и №2041244.
Описанный в патенте №2009112 способ получения ацетилена проводится в пульсирующей плазме в течение 0,001-0,009 с, в струе плазмы, созданной путем отключения подвода электроэнергии от электродов плазмотрона. Нагрев и повышение параметров - давления, температуры и плотности - смеси твердого топлива с водяным паром осуществляется только электрическим разрядом, который образуется при отключении подвода энергии от электродов плазмотрона. Ударная волна отсутствует, т.к. время выделения энергии составляет 0,001-0,009 с. Кроме того, нерешенной в патенте №2009112 проблемой является следующая. Ацетилен - термодинамически неустойчивое соединение, способное диссоциировать при низкой скорости охлаждения на водород и сажистые частицы. Поэтому необходимо не только получить высокий выход ацетилена, но и сохранить его. Полученный в реакторе газовый продукт поступает в сверхзвуковое сопло Лаваля, в котором происходит адиабатическое расширение смеси, т.е. превращение тепловой энергии в кинетическую энергию движения потока, и ее температура снижается до заданного значения со скоростью примерно 1*10
град/с. Если в каком-нибудь Х-сечении сопла Лаваля газовая среда встретит на своем пути препятствие (поворот на 90 градусов для вывода продукта из сопла Лаваля, ввод в струю жидкой среды для дальнейшего охлаждения продукта), ее скорость в этом Х-сечении станет равной нулю (поток затормозится), зато ее параметры (давление, температура и плотность) приобретут первоначальные значения. Кроме того, данный способ предполагает создание дополнительного магнитного поля между электродами для продвижения электрического разряда.
7
Недостатком устройства для разложения твердого топлива по патенту №2041244 является то, что для индуктивного источника питания дополнительно требуется высоковольтный источник, собранный на конденсаторах, для пробоя межэлектродного пространства в плазмотроне. При заряде индуктивной катушки потребляется значительный ток из сети, что ведет к применению проводов очень большого сечения. При разряде катушки большое сопротивление между электродами плазмотрона приводит к значительному росту индуктированной в межэлектродном пространстве эдс самоиндукции. Эта эдс может достигнуть опасных для электрической цепи значений, во много раз превосходящих напряжение, под которым индуктивная катушка находилась при заряде.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является получение и сохранение высокого выхода ацетилена и снижение энергозатрат.
Для этого процесс получения ацетилена путем плазмохимического пиролиза смеси измельченного твердого сырья с фракцией менее 100 мкм с водяным паром в импульсном электроразрядном плазмотроне ведут с применением ударной волны при начальном давления среды менее 100 кПа, электрический разряд в плазмотроне производят за время менее 1 мс, а скорость полученного газового продукта снижают в трубчатом теплообменнике, расположенном после сопла Лаваля.
В частном случае в качастве сырья используют бытовые отходы или твердое топливо.
В другом частном случае можно использовать водоохлаждаемый трубчатый теплообменник.
В результате использования принципа ударной волны создаются достаточные условия для образования газообразного продукта. Суммарные действия падающей ударной волны и адиабатического сжатия электрическим разрядом исходной смеси значительно повышают ее параметры: давление в 120-210 раз, температуру в 10-15 раз, плотность в 10-15 раз. При этом нужно принять во внимание, что электрический разряд, который как поршень адиабатически (т.к. время движения потока составляет несколько миллисекунд) сжимает исходный и газообразный продукты, должен обладать значительно большим давлением, чем давление газовой смеси в реакторе. Так что все это ведет к существенному увеличению толщины стенки как плазмотрона, так и реактора. Поэтому сам процесс переработки необходимо начинать проводить при низких давлениях, примерно 10-25 кПа (100 кПа=1 кг/см
). Применение отраженной ударной волны крайне нежелательно.
2
Устройство для получения ацетилена из смеси измельченных бытовых отходов или твердого топлива с фракцией меньше 100 мкм с водяным паром, включающее реактор, средства для ввода реагентов, электроды с высоковольтным емкостным источником питания и сопло Лаваля, отличается тем, что оно снабжено трубчатым теплообменником, а с целью снижения энергозатрат между соплом Лаваля и трубчатым теплообменником установлен отборник для удаления электрического разряда из устройства и возвращения его энергии в электрическую сеть.
В частном случае используют водоохлаждаемый трубчатый теплообменник.
Для стабилизации низкой температуры газообразного продукта необходимо в Х-сечении сопла Лаваля сверхзвуковую скорость газовой среды перевести в дозвуковую. Тогда параметры газовой среды, особенно температура, сохранятся. Эту функцию выполняет трубчатый теплообменник - в каждой трубке теплообменника скорость газового потока будет меньше звуковой.
Авторами принят емкостной источник питания электроразрядного плазмотрона. Единственным недостатком данного источника питания является высокое напряжение, значительно превышающее 1000 В, из-за малой емкости конденсаторов. Обслуживающий персонал должен пройти соответствующее обучение проведению работ при напряжениях свыше 1000 В. Выделение энергии в межэлектродном пространстве плазмотрона при разряде конденсаторов высоковольтного источника за время менее 1 мс является источником образования ударной волны с заданной частотой следования импульсов. Ударная волна со сверхзвуковой скоростью (число М>1) проходит через смесь измельченного исходного материала (твердого топлива или твердых отходов) с водяным паром и повышает давление, температуру и плотность последней. Вслед за ударной волной с несколько меньшей скоростью движется электрический разряд, заполняя собой все сечение реактора. Электрический разряд как поршень собирает смесь исходной среды и газообразного продукта и адиабатически (время движения потока не превышает нескольких миллисекунд) сжимает эту смесь и дополнительно повышает давление, температуру и плотность последней. Позади фронта электрического разряда в плазмотроне и в реакторе создается разрежение.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана блочная схема устройства для термической переработки исходного твердого сырья (угля или твердых отходов).
На Фиг.2 представлена электрическая схема импульсного источника питания.
Осуществление изобретения
Устройство для получения ацетилена состоит из импульсного плазмотрона, реактора 1 со средствами для ввода реагентов и электродами, соединенными с емкостным источником питания 2, бункера 3, в который поступает исходный материал из измельчителя 4, подогревателя 5, сопла Лаваля 6 для охлаждения («закалки») газообразного продукта и водоохлаждаемого трубчатого теплообменника 7 для стабилизации температуры газовой смеси. Измельчителем 4 является известная конструкция роликовой мельницы, в которой измельчение исходного твердого материала происходит в среде жидкого воздуха. Следует принять во внимание, что длина реактора 1 определяет время пребывания частицы исходного твердого материала в зоне реагирования, т.е. влияет на полноту прогрева частицы и, следовательно, на выход ацетилена. Кроме того, учитывая весьма малую величину коэффициента теплопроводности твердого тела, λ=0,1-0,2 Вт/(м·К), обеспечить полный разогрев твердой частицы до температуры среды за очень короткий промежуток времени реагирования, примерно 10-4 - 10-5 с, возможно либо за счет значительного уменьшения размера частицы твердого тела, либо за счет увеличения времени пребывания частицы в зоне реагирования. Второй вариант является более предпочтительным. Увеличение длины реактора, т.е. времени пребывания частицы твердого тела в зоне реагирования до величины нескольких миллисекунд, позволит измельчать исходные твердые материалы лишь до фракций менее 100 мкм. Компрессором К газообразный продукт из теплообменника 7 через циклон Ц, в котором за счет центробежной силы происходит отделение газа от твердых частиц, подается в емкость 8 газа. Проба продукта на анализ отбирается в пробоотборник 9. Из емкости 8 газовая смесь разделяется на составляющие - водород, ацетилен, окись углерода - в соответствие с температурой кипения. Последние собираются в соответствующие емкости (не показано). Вода для охлаждения трубок теплообменника подается насосом Н из емкости воды 10. На границе между соплом Лаваля 6 и теплообменником 7 установлен отборник ОТБ для удаления электрического разряда из устройства. Это медная трубка, которая заземляется через индуктивное (первичную обмотку трансформатора) и активное Ra сопротивления.
Работает устройство следующим образом. Общим рубильником Роб источники питания устройства подключаются к сети, а при включении рубильников Р и Р1 происходит зарядка конденсаторов С и С1 через активные сопротивления R и R1 с заданной частотой следования импульсов fси, Гц. Вначале разряжаются конденсаторы С1, когда напряжение на конденсаторах будет соответствовать расстоянию между вспомогательным и основным электродами, и в плазмотрон выбрасывается электрический разряд от вспомогательного источника питания. Этот вспомогательный разряд способствует разрядке основных конденсаторов С, и в межэлектродном пространстве плазмотрона возникает основной электрический разряд. Так как время разряда конденсаторов С очень мало, меньше 1 мс, в реакторе возникает падающая ударная волна. Этот первый импульс электрического разряда необходим для того, чтобы освободить все устройство от воздуха и создать начальные условия (низкое давление - разрежение) для проведения переработки исходного материала. В течение τ
=1/fси, с вновь происходит заряд конденсаторов С и С1. При этом в течение τ
, с из измельчителя 4 исходный материал с фракцией менее 100 мкм поступает в бункер 3 с мешалкой и далее в реактор через соответствующий патрубок. Исходным материалом, если используют твердые бытовые отходы, могут быть пищевые отходы, бумага, картон, деревянные изделия, тряпки, пластмассовые изделия и т.д. Туда же, в реактор, из подогревателя 5 поступает подогретая вода, которая при разрежении в течении τ
, с испаряется. Вновь разряжаются конденсаторы С и С1 (при этом рубильники Р и Р1 автоматически отключаются), возникает падающая ударная волна, которая в течении импульса создает достаточные условия образования газообразного продукта и совместно с электрическим повышает параметры исходной смеси: давление, температуру и плотность - до заданных значений. Полученный продукт под действием электрического разряда поступает в сопло Лаваля 6 и далее в трубчатый теплообменник 7, откуда компрессором К направляется в сборник газа 8. Для охлаждения теплообменника насосом Н подается вода из емкости 10. Для улучшения контакта электрического разряда с отборником ОТБ через последний подается окись углерода, которая препятствует налипанию твердых частиц на отборнике ОТБ. В дальнейшем окись углерода возвращается (не показано) в емкость сбора газа 8. При заряде конденсаторов электрический разряд в плазмотроне отсутствует, и подача окиси углерода в отборник ОТБ электрического разряда автоматически прекращается. Эти циклы переработки смеси исходного твердого сырья с водяным паром с применением ударной волны повторяются с заданной частотой следования импульсов fси, Гц. В случае отсутствия разряда между основными электродами плазмотрона емкость С источника питания замыкается на активное сопротивление Re через индуктивное сопротивление L. В этом случае вся накопленная энергия в емкости С выделяется на активном сопротивлении Re в виде тепла.
си
〉
〉
Пример.
Опыты по переработке твердого топлива (бурого угля Канско-Ачинского бассейна - содержание твердого углерода Сг=71,5%, серы S=0,3-0,8%) проводились в реакторе в среде водяного пара. Расход реагентов составлял: твердого топлива с фракцией менее 40 мкм (поскольку длина реактора не превышала 2-х метров, и значит время пребывания частиц топлива было меньше 1 мс, то для проведения опытов пришлось измельчать уголь до фракций меньше 40 мкм) 0,001 кг/им, водяного пара 0,00075 кг/им с температурой Т≅363 К. Для подачи водяного пара в реактор применялся аргон в количестве 0,0015 кг/им. Импульсный емкостной источник питания постоянного тока с частотой следования импульсов f=5-30 Гц включает повышающий трансформатор напряжением 6000 В, три конденсатора емкостью по 80 мкФ каждый, активное зарядное сопротивление в R=350 Ом. Время выделения энергии в межэлектродном пространстве плазмотрона в количестве 5790 Дж/им (с учетом нагрева аргона) при начальном давлении Ро=10 кПа и частоте следования импульсов f=16 Гц (время импульса τ=1/16=0,0625 с) составляет 1,5*10-4 с. Теплообменник состоит из 169 латунных трубок диаметром D=14/12 мм и общим сечением S=0,019 м
. Скорость газового потока в каждой трубке при плотности среды 0,022 кг/м
составляла u=(0.00325*10)/(0.022*0.019)=77,8 м/с.
2
3
Наибольший выход ацетилена при данных условиях составлял 28 масс.%, что соответствовало примерно 90% от теоретически возможного. Потребляемая мощность из сети и удельный расход энергии составляли
N=5790/0,0625=92640 Вт=92,64 кВт
β=92,64/(0,309*0,00175*10*3600)=4,76 кВт-ч/кг С
Н
2
2