ГАЗОСМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕЗ-ГАЗА
GAS MIXER AND SYNTHESIS GAS PRODUCTION DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к газосмешивающему устройству, которое смешивает горючий газ, содержащий, например, метан или подобный газ, и газ, поддерживающий горение, такой как кислородосодержащий газ, а также к устройству для производства синтез-газа с использованием данного газосмешивающего устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В последние годы глобальная экологическая проблема и проблема будущего истощения нефтяных ресурсов, приписываемая массовому потреблению ископаемого топлива, такого как нефть и уголь, стали дискуссионными вопросами, и естественно, что GTL (углеводородное жидкое топливо) и DME (диметиловый эфир), которые являются чистыми топливами, произведенными из природного или ему подобного газа, привлекли внимание. Исходный газ для производства GTL и DME называется синтез-газом и содержит монооксид углерода и водород.
Как способ производства такого синтез-газа, традиционно были известны способ парового риформинга (способ SMR), преобразующий природный газ или ему подобный газ с помощью пара, способ частичного окисления (способ POX) с использованием кислорода в отсутствии катализатора, способ автотермального риформинга (способ ATR), обуславливающий реакцию окисления с использованием кислородной горелки и реакцию парового риформинга в том же самом реакторе и т.п. Настоящим заявителем разработан новый процесс производства синтез-газа с применением способа частичного каталитического окисления (способ СРО), который использует аппарат с более простой конструкцией и в котором проблемы образования сажи, углеродистых отложений, и подобных явлений в ходе реакции уменьшены по сравнению с вышеупомянутыми обычными методами.
Способ частичного каталитического окисления является способом производства синтез-газа путем частичного окисления углеводородного газа посредством приведения в контакт, в присутствии катализатора кислородосодержащего газа, с углеводородным газом, отделенным от природного или подобного ему газа. В данном способе частичного каталитического окисления углеводородный газ и кислородосодержащий газ должны быть подведены к слою катализатора полностью смешанными в емкости смешения и не будучи в состоянии горения. Однако смешанный газ в перемешанном состоянии, в котором данные газы были смешаны полностью, находится в пределах диапазона возгорания, и даже в смешанном газе в состоянии диффузионной смеси, где эти газы не смешаны полностью, повсюду присутствуют области, находящиеся в пределах диапазона возгорания, и поэтому существует риск, что в ходе или после смешивания газов при подаче энергии воспламенения, произошедшей, например, от трения в трубопроводе, обратной вспышки от слоя катализатора или тому подобной причины, может произойти внезапная реакция возгорания. В таких обстоятельствах важной проблемой оказалась разработка безопасного газосмешивающего устройства, способного подавлять развитие подобной реакции возгорания, даже если такая реакция возгорания происходит.
Патентный документ 1 описывает устройство сжигания газа для газового котла, в котором слой насадки из керамических шариков расположен на выходе емкости смешения газов, которая перемешивает топливный газ и воздух для производства перемешанного газа. В данной области техники, благодаря расположению насадочного слоя, газовые каналы, по которым проходит перемешиваемый газ, сужены, в соответствии с чем перемешиваемый газ подается в камеру сгорания со скоростью выше скорости турбулентного горения перемешиваемого газа, и таким образом предотвращается обратная вспышка от камеры сгорания в направлении к емкости смешения газов. При описании способа предотвращения обратной вспышки на выходе из емкости смешения газов патентный документ 1 не приводит описания проблемы реакции возгорания в емкости смешения газов. Далее, патентный документ 2 описывает средство для ускорения приготовления смесей при смешивании водородного сырья, такого как керосин, с паром для производства водородосодержащего газа риформинга в присутствии катализатора риформинга, но совсем не упоминает проблему возгорания смешиваемых веществ.
[Патентный документ 1]
Открытая патентная заявка Японии No.2005-249240: параграфы 0021-0022
[Патентный документ 2]
Открытая патентная заявка Японии No.2006-76850:параграф 0027
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По этой причине было сделано настоящее изобретение, задачей которого является предложить газосмешивающее устройство, допускающее безопасное смешивание горючего газа, содержащего, например, метан или подобный газ, и газа, поддерживающего горение, такого как кислородосодержащий газ, а также устройство для производства синтез-газа с использованием данного газосмешивающего устройства.
Согласно настоящему изобретению газосмешивающее устройство включает в себя:
первую секцию подачи газа, через которую подается горючий газ;
вторую секцию подачи газа, через которую подается газ, поддерживающий горение;
емкость смешения, смешивающую в пределах диапазона возгорания горючий газ, подаваемый через первую секцию подачи газа, и газ, поддерживающий горение, подаваемый через вторую секцию подачи газа;
секцию выпуска, через которую смесь горючего газа и газа, поддерживающего горение, выпускается из емкости смешения;
насадки, которые расположены (загружены) в емкости смешения, и которые формируют в емкости смешения большое количество узких газовых каналов так, чтобы создать скорость течения газа в емкости смешения выше, чем скорость горения горючего газа и газа, поддерживающего горение.
При этом данное газосмешивающее устройство применимо, когда подаваемый в устройство поддерживающий горение газ является кислородосодержащим газом, горючий газ содержит метан как основной компонент, и смесь этих газов используется путем частичного окисления метана кислородом в присутствии катализатора для производства синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода как основные компоненты.
Предпочтительно, чтобы насадки были загружены вплоть до стороны впуска выпускных отверстий первой и второй секций подачи, и, в частности, предпочтительно, чтобы в зоне диффузного смешения, которая является зоной ближней к выпускным отверстиям первой и второй секций подачи газов, путем подбора размеров насадок, средний диаметр большого количества узких газовых каналов был установлен такой, чтобы в зоне диффузного смешения была создана скорость течения газа выше, чем скорость горения горючего газа и газа, поддерживающего горение. С другой стороны, предпочтительно, чтобы в зоне со стороны выпуска из зоны диффузного смешения, путем подбора размеров насадок, средний диаметр большого количества узких газовых каналов в зоне выпуска был установлен такой, чтобы создать скорость течения газа в зоне выпуска выше, чем скорость горения горючего газа и газа, поддерживающего горение, находящихся в состоянии гомогенного смешения.
Более того, предпочтительно, чтобы в секции выпуска насадки были загружены так, чтобы создать скорость течения смешанного газа в секции выпуска выше, чем скорость горения смешанного газа при температуре процесса на выпуске, где смешанный газ подвергается технологической переработке. При этом предпочтительно, чтобы были применены такие же керамические шарики, как вышеупомянутые насадки. Кроме того, предпочтительно, чтобы первая и вторая секции подачи газов были соединены с емкостью смешения в форме двойной трубы, в которой одна из секций подачи газа является внешней трубой, и другая - внутренней трубой. Предпочтительно, чтобы в емкости смешения была предусмотрена диафрагма, способствующая гомогенному смешению горючего газа и газа, поддерживающего горение.
Затем, устройство для производства синтез-газа по настоящему изобретению включает в себя:
любое из вышеописанных газосмешивающих устройств, в котором горючий газ, содержащий метан как основной компонент, подается в первую секцию подачи газа и кислородосодержащий газ подается во вторую секцию подачи газа;
зону технологической переработки газа, предусмотренную со стороны выпуска газосмешивающего устройства, и содержащую слой катализатора, который путем частичного окисления метана кислородом производит синтез-газ, содержащий водород и монооксид углерода как основные компоненты;
выпускной патрубок, через который синтез-газ выпускается из зоны технологической переработки газа.
Газосмешивающее устройство по настоящему изобретению включает в себя насадки, загруженные в емкость смешения, и поэтому, когда горючий газ, содержащий, например, метан или подобный газ и газ, поддерживающий горение, такой как кислородосодержащий газ, смешиваются в емкости смешения, скорость течения смешанного газа в узких газовых каналах, сформированных в промежутках между такими насадками, становится выше, чем скорость горения смешанного газа. В результате, даже если происходит реакция возгорания в ходе смешивания данных газов, распространение реакции горения по всей емкости смешения может быть подавлено, что позволяет предотвратить повреждение устройства возгоранием в ходе смешивания газов, давая возможность совершенствования устройства с точки зрения безопасности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - вид поперечного сечения устройства для производства синтез-газа, в котором используется газосмешивающее устройство, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - вид горизонтального сечения вблизи верхней части колонны устройства для производства синтез-газа;
Фиг.3 - общий вид, демонстрирующий конструкцию газосмешивающего устройства;
Фиг.4 - пояснительные виды, демонстрирующие модель течения газа в газосмешивающем устройстве;
Фиг.5 - пояснительный график, демонстрирующий взаимосвязь между соотношением компонентов в смеси и скоростью горения смешанного газа, произведенного в газосмешивающем устройстве;
Фиг.6 - пояснительные виды, демонстрирующие связь между средней скоростью и скоростью горения смешанного газа, текущего по газовым каналам в газосмешивающем устройстве;
Фиг.7 - вид вертикального сечения, используемый для описания принципа действия газосмешивающего устройства;
Фиг.8 - общий вид, демонстрирующий пример модификации газосмешивающего устройства.
НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее в этом документе приводится один вариант осуществления изобретения, в котором газосмешивающее устройство по настоящему изобретению используется в устройстве для производства синтез-газа, который частично окисляет горючий газ, содержащий метан, газом, поддерживающим горение, который является кислородосодержащим газом, производя, таким образом, синтез-газ, содержащий водород и угарный газ как основные компоненты. Фиг.1 - вид вертикального сечения, схематично демонстрирующий устройство 1 для производства синтез-газа по данному варианту реализации, и фиг.2 - вид горизонтального сечения в направлении по стрелкам А-А.
Как показано на фиг.1, устройство 1 для производства синтез-газа образовано цилиндрическим реактором 11, и в верхней части реактора 11 предусмотрены патрубок 12 ввода горючего газа и патрубок 13 ввода поддерживающего горение газа, через которые соответственно подаются горючий газ и газ, поддерживающий горение. Под патрубками 12, 13 в реакторе 11 предусмотрены в таком порядке группа газосмешивающих устройств 2 по данному варианту реализации и каталитический слой 15, где протекает реакция частичного окисления метана, а в нижнем конце реактора 11 предусмотрен выпускной патрубок 14 для синтез-газа, через который выпускается синтез-газ, произведенный в каталитическом слое 15.
Патрубок 12 ввода горючего газа предусмотрен, например, в верхней части колонны реактора 11 и исполняет роль приемника горючего газа из непоказанной здесь подводящей трубы для введения горючего газа в реактор 11. В выпускной части патрубка 12 ввода горючего газа предусмотрена камера 12a ввода газа в форме усеченного конуса, и, как показано на фиг.2, на круглом дне камеры 12a ввода газа предусмотрена группа газосмешивающих устройств 2, причем группа состоит из множества параллельных рядов, каждый из которых включает в себя множество газосмешивающих устройств 2. Каждое из этих многочисленных газосмешивающих устройств 2 имеет длинный вертикальный цилиндр 20, образующий его защитную оболочку, как будет описано позже, а верхний конец цилиндра 20 открыт в сторону камеры 12a ввода газа.
В верхней поверхности реактора 11 патрубок 13 ввода поддерживающего горение газа находится в положении, сдвинутом от вершины колонны, и он исполняет роль приемника горючего газа из не показанной здесь подводящей трубы. Как показано на фиг.1 и фиг.2, в вышеупомянутой камере 12a ввода газа предусмотрен распределитель 13a для равномерного распределения поддерживающего горения газа по газосмешивающим устройствам 2, и патрубок 13 ввода поддерживающего горение газа соединен с распределителем 13a.
Как показано на фиг.2, распределитель 13a имеет гребенчатую разветвленную форму, и большое количество распределительных трубок 13b соединены с его ответвлениями (рукавами). Как показано на фиг.3, распределительная трубка 13b проникает внутрь сквозь боковую стенку в верхней части цилиндра 20 газосмешивающего устройства 2, и часть ее кончика изогнута в форме перевернутой буквы L для прохождения вниз, и открыта для подачи поддерживающего горение газа к нижерасположенной области в цилиндре 20. Таким образом, зона в верхней части цилиндра 20 имеет конструкцию двойной трубы, образованную стенкой цилиндра 20 и распределительной трубкой 13b распределителя 13a.
При этом кольцеобразное пространство между стенкой цилиндра 20 и распределительной трубкой 13b соответствует первой секции 22а подачи газа, через которую горючий газ из камеры 12a ввода газа подается в зону смешивания в цилиндре 20, а часть кончика распределительной трубки 13b соответствует второй секции 22b подачи газа, через которую поддерживающий горение газ подается от распределителя 13a в зону смешивания. Более того, реактор 11 устроен так, чтобы не позволить горючему газу из камеры 12a ввода газа проходить через иные места, кроме газосмешивающего устройства 2, чтобы горючий газ и поддерживающий горение газ были надежно смешаны в газосмешивающем устройстве 2 для подачи к каталитическому слою 15.
2
4
2
4
Горючим газом является природный газ, содержащий метан как основной компонент, а поддерживающим горение газом является, например, кислородосодержащий газ с содержанием кислорода 80% или более, и его подают так, чтобы мольное отношение кислорода к метану, поставляемому горючим газом ([О]/[CH]) находилось в пределах диапазона, например, от 0,2 до 0,8, например 0,6. Более того, поддерживающий горение газ содержит также водяной пар, и его подают так, чтобы мольное отношение пара к метану, поставляемому горючим газом ([НО]/[CH]) находилось в пределах диапазона, например, от 0,2 до 0,8, например 0,6.
Каталитический слой 15 служит газоперерабатывающей секцией, которая выполнена со стороны выпуска газосмешивающего устройства 2 для переработки смешанного газ, произведенного в газосмешивающем устройстве 2. Каталитический слой 15 загружают катализаторами, спеченными, например, в форме гранул, на поверхность из глинозема каждой из которых дисперсно нанесен такой металл, как платина, и такие катализаторы держатся на не показанном здесь несущем элементе. В каталитическом слое 15, в котором происходит переработка газа, при производстве синтез-газа протекают одновременно, например, реакция полного окисления, представленная уравнением (1), реакция парового риформинга, представленная уравнением (2), и реакция обратного сдвига, представленная уравнением (3).
CH<sub>4</sub>+2О<sub>2</sub> → CO<sub>2</sub>+2H<sub>2</sub>O
(1)
CH<sub>4</sub>+2НО<sub>2</sub> → CO+3H<sub>2</sub>
(2)
CO<sub>2</sub>+Н<sub>2</sub>О → CO+H<sub>2</sub>
(3)
Выходной патрубок 14 синтез-газа исполняет роль выпуска из реактора 11 синтез-газа, синтезированного в каталитическом слое 15 и собранного на следующей стадии в камере выпуска 14а.
Устройство 1 для производства синтез-газа имеет конструкцию, описанную выше, и каталитический слой 15, производящий синтез-газ, снабжается газовой смесью из гомогенно смешанных горючего газа и поддерживающего горение газа. Однако, при смешивании горючего газа, содержащего газ метан в качестве основного компонента, и поддерживающего горение газа, содержащего кислород в качестве основного компонента, существует риск, что реакция возгорания может произойти прежде, чем они будут доставлены к каталитическому слою 15. Поэтому большое количество газосмешивающих устройств 2, предлагаемых в аппарате 1 по данному варианту осуществления изобретения, выполняют не только функцию гомогенного смешивания таких газов, но также и функцию подавления развития реакции горения, даже если в ходе смешения газов произошла реакция возгорания. Дальше согласно документу со ссылками на фиг.5 и фиг.6 будут описаны конструкция газосмешивающего устройства 2 по данному варианту осуществления изобретения и принцип подавления развития реакции горения.
Газосмешивающие устройства 2 имеют в значительной степени одинаковую конструкцию, и сконструированы, как показано, например, на виде в перспективе на фиг.3. В газосмешивающем устройстве 2 цилиндр 20, формирующий его защитную оболочку, служит емкостью смешивания, смешивающей в пределах диапазона горения данных газов горючий газ, подаваемый через вышеупомянутую первую секцию подачи 22a, и поддерживающий горение газ, подаваемый через вторую секцию 22b подачи газа. Цилиндр 20 включает в себя: первую цилиндрическую часть 21, которая проходит до позиции, расположенной, например, на несколько сантиметров ниже нижнего конца первой секции 22а подачи газа (второй секции 22b подачи газа), и имеет первый внутренний диаметр отверстия; вторую цилиндрическую часть 23, которая размещена под первой цилиндрической частью 21 и имеет второй внутренний диаметр, больший, чем первый; и третью цилиндрическую часть 24, которая размещена под второй цилиндрической частью 23, и имеет третий внутренний диаметр, меньший, чем первый. Конкретно, например, цилиндр 20 имеет высоту от около нескольких десятков сантиметров до ста и нескольких десятков сантиметров. В этих цилиндрических частях 21, 23, 24 расположены керамические шарики 31-33 различного размера в зависимости от их месторасположения.
Первая цилиндрическая часть 21 представляет собой цилиндр высотой, например, немного меньше половины всей высоты газосмешивающего устройства 2 и диаметром от около нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. В первой цилиндрической части 21 зона ниже по потоку, ближняя к первой секции 22a подачи газа и второй секции 22b подачи газа, является зоной диффузного смешения, где горючий газ и поддерживающий горение газ, поставляемые соответственно через секции подачи 22a, 22b, смешиваются диффузионно. В зоне диффузного смешения расположены (упакованы) керамические шарики 31 диаметром, например, от около нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров, например 10 мм. Керамические шарики 31 исполняют роль подавления развития реакции горения в случае возникновения такой реакции в ходе смешения горючего газа и газа, поддерживающего горение. Кроме того, зона в несколько сантиметров вверх по потоку со стороны выпускных отверстий первой секции 22a подачи газа и второй секции 22b подачи газа также загружена теми же описанными выше керамическими шариками 31.
Вторая цилиндрическая часть 23 соответствует зоне перемешивания, в которой состояние смешения горючего газа и газа, поддерживающего горение, диффузионно-смешанных в первой цилиндрической части 21, доводится до состояния более гомогенного смешения (состояния перемешанной смеси). Например, вторая цилиндрическая часть 23 имеет высоту практически равную высоте вышеупомянутой первой цилиндрической части 21, и в ней расположены (упакованы) керамические шарики 32 диаметром, например, от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров, например 20 мм. Керамические шарики 32 исполняют роль подавления развития реакции горения в случае возникновения такой реакции в смешанном газе.
Далее, в цилиндре 20, в зоне от нижнего конца первой цилиндрической части 21 до нижнего конца второй цилиндрической части 23, в осевом направлении цилиндра 20 параллельно друг другу практически через равные интервалы установлено множество диафрагм (направляющих перегородок) 25a, 25b, как показано пунктиром на фиг.3. Диафрагмы 25a, 25b выполняют роль ограничения прохода потока смешанного газа, текущего в нижнем конце первой цилиндрической части 21 и во второй цилиндрической части 23, чтобы значительно изменить направление потока смешанного газа или нарушить поток, приводя, таким образом, смешанный газ в состояние еще более гомогенной смеси. В качестве диафрагм 25a, 25b поочередно расположены дискообразные элементы 25a и кольцевые элементы 25b, и смешиваемый газ проходит поочередно через зазоры, образованные между дисковыми диафрагмами 25a и второй цилиндрической частью 23, и через кольцевые пространства кольцевых диафрагм 25b. Вышеупомянутые керамические шарики 32 загружены так, чтобы заполнить пространства между диафрагмами 25a, 25b.
Третья цилиндрическая часть 24 соответствует секции выпуска смешанного газа, и эта секция выпуска исполняет роль не только выпуска смешанного газа, который находится в перемешанном состоянии с однородной концентрацией после прохождения через газосмешивающее устройство 2 к катализатическому слою 15 на последующей стадии, но также и предотвращения так называемой обратной вспышки от каталитического слоя 15 по направлению вверх по потоку. Третья цилиндрическая часть 24 имеет высоту от около нескольких сантиметров до десяти с лишним сантиметров, и в нее загружены керамические шарики 33 диаметром, например, около от нескольких миллиметров до приблизительно десяти с лишним миллиметров, например 10 мм. Керамические шарики 33 выполняют функцию подавления развития реакции горения, возникшей в секции разгрузки, и предотвращения обратной вспышки со стороны каталитического слоя 15, температура которого становится высокой благодаря тепловому эффекту реакции частичного окисления. Кстати, для предотвращения, например, падения керамических шариков 33 на каталитический слой 15 в нижнем конце третьей цилиндрической части 24, открытой в сторону каталитического слоя 15, расположена не показанная здесь огнеупорная сетка, ячейки которой мельче размеров керамических шариков 33.
Как описано выше, в цилиндрических частях 21, 23, 24, формирующих газосмешивающее устройство 2, керамические шарики 31-33 различны по размерам в зависимости от места их загрузки, и, благодаря загрузке керамических шариков 31, 33, подавляется развитие реакций горения, возникающих в газосмешивающем устройстве 2. Далее согласно документу процесс подавления развития реакции горения насадочными слоями из керамических шариков 31, 33 будет описан по ссылкам на фиг.4 и фиг.5.
Фиг.4(a) - пояснительный вид, схематически демонстрирующий состояние потока смешанного газа, текущего в насадочном слое керамических шариков 30, а фиг.4(b) - пояснительный вид, схематически демонстрирующий модель соотношения между скоростью потока и скоростью горения в данном насадочном слое. Керамические шарики, представленные на фиг.4, универсально представляют керамические шарики 31-33 и обозначены позицией 30.
T
В вышеупомянутых цилиндрических частях 21, 23, 24, загруженных керамическими шариками 30, в промежутках между керамическими шариками 30 сформированы многочисленные узкие газовые каналы 34, и, как показано на фиг.4(a), смешанный газ проходит по газовым каналам 34 вниз по потоку, повторяя по ходу слияние и диспергирование. При этом, как показано на модели на фиг.4(b), средний диаметр газовых каналов 34, сформированный в промежутках между керамическими шариками 30, в выражении, например, диаметра цилиндрической трубы, определен как "d", и средняя скорость течения смешанного газа в газовых каналах 34 определена как "u". Будет изучен случай, когда в газовых каналах 34 при данных условиях энергия воспламенения для возникновения реакции горения, скорость горения которой составляет "S", появляется, например, благодаря трению или подобному явлению между керамическими шариками 30.
T
T
T
Когда в определенном месте газовых каналов 34 возникает реакция возгорания, реакция распространяется по среде сферически со скоростью горения "S", как показано в фиг.4(b). Однако, когда средняя скорость "u" смешанного газа выше, чем скорость горения "S", распространение реакции горения вверх по течению потока в газовом канале 34 отталкивается обратно потоком смешанного газа и не может распространиться вверх по течению. Что касается распространения реакции горения вниз по течению, то воспламененный однажды смешанный газ сдувается вниз по течению процесса, когда средняя скорость "u" смешанного газа выше, чем скорость горения "S". Более того, так как удельная теплоемкость керамических шариков 30 высока, на них происходит процесс отбора энергии, необходимой для распространения горения. Более того, касательно распространения реакции горения в узких газовых каналах 34, можно ожидать и такой эффект, что ее распространение по диаметру канала замедляется поверхностью стенок, то есть керамическими шариками 30.
T
Как описано выше, в газовых каналах 34, сформированных в промежутках между керамическими шариками 30, путем создания в каналах 34 средней скорости потока смешанного газа "u" выше, чем скорость горения "S", возможно подавить быстрое развитие реакции горения, однажды возникшей в газовых каналах 34. Поэтому при проектировании газосмешивающего устройства 2 с такой функцией важно знать скорость горения смешанного газа.
T
В модели, представленной на фиг.4(b), скорость горения "S" реакции горения между горючим газом и газом, поддерживающим горение, может быть выражена как функция среднего диаметра "d" газовых каналов 34, мольного отношения кислорода к метану в смешанном газе, температуры "T" смешанного газа, и давления "P" в газосмешивающем устройстве 2, как показано в выражении (4).
S<sub>T</sub>=f(d, [O<sub>2</sub>]/[CH<sub>4</sub>], T, P)
(4)
MIX
RX
Фиг.5 - график, демонстрирующий, как скорость горения изменяется в зависимости от мольного отношения кислорода и метана в смешанном газе по принципу в выражении (4). Сплошная линия представляет скорость горения при температуре "T" (например, 200°C) в газосмешивающем устройство 2, а пунктирная линия представляет скорость горения при температуре "T" (например, 1400°C) в каталитическом слое 15. Предполагается, что средний диаметр "d" газовых каналов и давление "P" постоянны.
Реакция горения метана c кислородом протекает по следующему уравнению (5), и скорость горения становится самой высокой, когда они смешаны так, чтобы мольное отношение их молекул могло быть стехиометрически выражено по уравнению (5).
CH<sub>4</sub>+2О<sub>2</sub> → CO<sub>2</sub>+2H<sub>2</sub>O
(5)
С другой стороны, когда мольное отношение отклоняется от стехиометрического из-за увеличения концентрации или кислорода, или метана, скорость горения уменьшается, таким образом, кривая скорости горения в зависимости от мольного отношения смешанного газа становится выпуклой кривой. Более того, как показано пунктирной линией на фиг.5, когда температура смешанных газов увеличивается, кривая скорости горения смещается в сторону увеличения скорости горения, даже при том же мольном отношении.
TDMAX
Скорость горения смешанного газа демонстрирует такое поведение в зависимости от состояния смеси и температуры смешанного газа, и будет изучено, с какой скоростью может протекать реакция горения в зоне диффузного смешения, в зоне перемешивания, и секции выпуска, показанных на фиг.3. Сначала в зоне диффузного смешения, поскольку она является областью, куда поддерживающий горение газ подается из распределительной трубки 13 к потоку горючего газа, протекающего в первой цилиндрической части 21, и где происходит диффузное смешение этих газов в газовых каналах 34, при микроскопическом рассмотрении состояния смешения могут сосуществовать состояния смешения в широком диапазоне мольных отношений, например от ноля до бесконечности. Поэтому в части с состоянием смеси, представленным вышеупомянутым уравнением (5), может произойти реакция возгорания со скоростью горения "S", соответствующей вершине (точка А) сплошной линии на фиг.5.
TP
TOUT
TDMAX
TP
TOUT
С другой стороны, в зоне перемешивания, поскольку концентрация смешанного газа в значительной степени однородна, и мольное отношение кислорода к метану составляет 0,6, как описано выше, происходит реакция возгорания со скоростью горения "S" в точке B на сплошной линии на фиг.5. Более того, секция выпуска находится в контакте с каталитическим слоем 15, температура газовой среды в котором достигает не менее 1400°C, и, таким образом, нуждается в конструкции, способной к подавлению реакции возгорания, даже если смешанный газ с такой высокой температурой потечет обратно. Поэтому данная зона должна быть разработана с предположением, что в этой зоне может произойти реакция возгорания со скоростью горения, "S" в точке C на пунктирной линии на фиг.5. В дальнейшем, каждая из вышеупомянутых величин "S, S, S" будет называться проектируемой скоростью горения.
TDMAX
TOUT
TP
Подводя итог вышесказанному, среди проектируемых скоростей горения в зонах газосмешивающего устройства 2, проектируемая скорость горения "S" в зоне диффузного смешения является самой высокой, и проектируемая скорость горения уменьшается до порядка "S" в секции разгрузки и "S" в зоне перемешивания. Необходимо, чтобы газосмешивающее устройство 2 было способно подавить процесс распространения реакций горения при данных проектируемых скоростях горения.
T
T
TOUT
TDMAX
При этом скорости горения, приведенные на фиг.5, являются скоростями горения при условии, что средний диаметр "d" газовых каналов 34 постоянен, но выяснилось, что увеличение среднего диаметра "d" каналов также увеличивает скорость горения "S", а уменьшение "d" также уменьшает "S". Более того, поскольку газовые каналы 34 являются каналами, сформированными в промежутках между керамическими шариками 30, при использовании керамических шариков 30 с меньшим диаметром и большей кривизной, такие керамические шарики 30 могут быть более плотно загружены (упакованы), и средний диаметр (d) газовых каналов 34 может быть уменьшен. В соответствии с вышеупомянутой точкой зрения в устройстве 1 для производства синтез-газа по данному варианту реализации в зоне диффузного смешения и в секции выпуска, где проектируемые скорости горения высоки, применяют керамические шарики 31, 33 малого диаметра, уменьшая, таким образом, в соответствующих зонах проектируемые скорости горения "S, S".
TP
Кстати, возможно, также, загрузить мелкие керамические шарики 33 по всему газосмешивающему устройству 2, но при таком варианте существует проблема, что потеря давления в газосмешивающем устройстве 2 становится слишком большой. Поэтому в газосмешивающем устройстве 2 по данному варианту реализации в зоне перемешивания, где проектируемая скорость горения "S" является относительно невысокой, используют керамические шарики 32 относительно большого диаметра, что уменьшает таким образом потерю давления во всем газосмешивающем устройстве 2.
1
2
3
TDMAX
TP
TOUT
Наряду с таким выбором размера керамических шариков 31-33, расположенных в соответствующих зонах, диаметры цилиндрических частей 21, 23, 24, количество монтируемых газосмешивающих устройств 2 в устройстве 1 для производства синтез-газа, и так далее, выбраны так, чтобы средние скорости "u, u, u" смешанного газа в зоне диффузного смешения, зоне перемешивания и секции выпуска были выше, чем проектируемые скорости горения "S, S, S" в соответствующих зонах.
1
3
Кроме того, когда объемный расход смешанного газа, переработанного в одном газосмешивающем устройстве 2, постоянен, возможно изменить среднюю скорость течения смешанного газа в газовых каналах 34 не только изменением размера керамических шариков 30, как описано выше, но также и изменением, например, приведенных скоростей течения смешанного газа в цилиндрических частях 21, 23, 22. Например, путем уменьшения диаметров цилиндрических частей 21, 23, 24 возможно увеличить средние скорости, но уменьшение этого диаметра приводит к увеличенной потери давления. Поэтому в газосмешивающем устройстве 2 по данному варианту реализации диаметр первой цилиндрической части 21, как зоны диффузного смешения, и диаметр третьей цилиндрической части 24, как секции выпуска, где проектируемые скорости горения высоки, уменьшены, чтобы соответственно увеличить приведенные скорости течения смешанного газа в этих зонах, увеличивая, таким образом, значения "u, u", в то время как в зоне перемешивания, где проектируемая скорость горения не очень высока, диаметр второй цилиндрической части 23 сделан большим, чем диаметры цилиндрических частей 21, 24, что понижает, таким образом, приведенные скорости и подавляет увеличение потери давления. Например, если все же есть запас на потерю давления, диаметр второй цилиндрической части 23 может быть сделан равным диаметру любой из других цилиндрических частей 21, 24.
1
2
3
TDMAX
TP
TOUT
При проектировании предпочтительно, чтобы количество монтируемых газосмешивающих устройств 2, диаметры первой цилиндрической части 21, второй цилиндрической части 23, и так далее, и размеры керамических шариков 31-33 были выбраны на основании, например, оперирования нижними предельными значениями и подобными значениями устройства 1 для производства синтез-газа так, чтобы вышеупомянутые средние скорости "u, u, u" смешанного газа были выше, чем проектируемые скорости горения "S, S, S" в соответствующих зонах, даже если количества горючего газа и газа, поддерживающего горение, поставляемые каждому из газосмешивающих устройств 2, соответствуют самому низкому проектируемому расходу. Более того, если выбрано среднее значение газовых скоростей, иногда в зоне с медленным потоком развивается реакция горения, и поэтому, при проектировании, значение, равное вышеупомянутой средней скорости, помноженное на соответствующий запас прочности (<1) (скорость более низкая, чем средняя скорость), может быть сделано большим, чем проектируемая скорость горения.
Газосмешивающее устройство 2 по данному варианту реализации имеет конструкцию с учетом вышеупомянутой точки зрения и может подавить развитие реакции горения, даже если в смешанном газе происходит реакция возгорания. Далее по документу будет описан принцип действия устройства 1 для производства синтез-газа и газосмешивающего устройства 2 по данному варианту реализации.
Когда горючий газ, содержащий метан как основной компонент, вводится в устройство 1 для производства синтез-газа через патрубок 12 ввода горючего газа из, например, аппарата газового риформинга на предыдущей стадии, горючий газ распространяется по камере 12a ввода газа, показанной на фиг.1 и фиг.2, так, чтобы рассредоточено течь в первые цилиндрические части 21 большого количества газосмешивающих устройств 2, расположенных с выходной стороны камеры 12a ввода газа. Тем временем, поддерживающий горение газ, вводимый через патрубок 13 ввода газа, поддерживающего горение, распределяется по газосмешивающему устройству 2 через распределитель 13 и распределительные трубы 13b. Затем, как схематично показано на виде в вертикальном разрезе на фиг.7, горючий газ и поддерживающий горение газ соединяются вместе в зоне диффузного смешения со стороны выпуска отверстий подачи первой секции 22a подачи газа и второй секции 22b подачи газа. На фиг.7 сплошные стрелки представляют горючий газ, пунктирные стрелки - поддерживающий горение газ, и контурные стрелки представляют смешанный газ.
При этом, так как горючий газ и поддерживающий горение газ подаются в одном и том же направлении благодаря двухтрубной конструкции первой цилиндрической части 21 и распределительной трубы 13b, потеря давления в таком случае меньше, чем потеря давления, например, при пересечении потоков друг с другом. Более того, поскольку существует риск воспламенения металла благодаря взаимодействию кислорода в поддерживающем горение газе с металлом, из которого изготовлен патрубок 13 для ввода поддерживающего горение газа и распределительная труба 13b, поддерживающий горение газ предпочтительно протекает по этим трубам со скоростью, не вызывающей такого воспламенения металла.
1
TDMAX
Горючий газ и поддерживающий горение газ, объединившись в зоне диффузного смешения, проходят через многочисленные газовые каналы 34, сформированные керамическими шариками 31, расположенными в зоне диффузного смешения, чтобы постепенно, повторяя слияние и диспергирование, превратиться в гомогенный смешанный газ. При этом скорость "u" смешанного газа, текущего в газовых каналах 34, выше, чем максимально возможная скорость горения "S" смешанного газа в состоянии диффузного смешения, и поэтому, даже если в газовых каналах 34 произойдет реакция возгорания, возможно подавить быстрое развитие реакции горения, как описано, по ссылке на фиг.4(b), и полностью подать газ на процесс впуска. Более того, керамические шарики 31 загружены до определенного уровня первой цилиндрической части 21 со стороны входа потока в зону диффузного смешения и в распределительной трубе 13, и поэтому, даже если часть смешанных газовых потоков потечет назад вверх по течению из-за, например, турбулентности потока или тому подобного, и там произойдет реакция возгорания, развитие реакции может быть подавлено.
Смешанный газ, прошедший сквозь зону диффузного смешения, изменяется в
TP
TDMAX
2
TP
своём направлении потока в полном объеме с помощью множества каскадов диафрагм 25a, 25b, предусмотренных в зоне перемешивания, как показано на фиг.7, повторяет слияние и диспергирование, так, что смешанный газ приходит в перемешанное состояние, в котором исключено изменение в концентрации газов, и концентрация, таким образом, является однородной. Температура в зоне перемешивания во время процесса составляет, например, двести и несколько десятков °C. Более того, как описано по ссылке на фиг.5, скорость горения "S" смешанного газа в таком состоянии ниже вышеупомянутой "S". Поэтому путем установки больших величин размера керамических шариков 32, расположенных в данной зоне, и диаметра второй цилиндрической части 23, при этом сохраняя состояние, при котором средняя скорость "u" смешанного газа, текущего в газовых каналах 34 в этой зоне, выше скорости горения "S", возможно не только подавить развитие реакции горения, происходящей в этой зоне, но также и сдержать увеличение потери давления из-за загрузки газосмешивающего устройства 2 керамическими шариками 31-33.
3
TOUT
Смешанный газ в состоянии смеси однородной концентрации после прохождения, таким образом, через зону диффузного смешения и зону перемешивания проходит через третью цилиндрическую часть 24 малого диаметра, загруженную мелкими керамическими шариками 33 подобно зоне диффузного смешения, так, что смешанный газ проходит через газовые каналы 34 со средней скоростью "u", более высокой, чем скорость горения "S" смешанного газа при температуре в каталитическом слое 15. В результате возможно поставить смешанный газ однородной концентрации к каталитическому слою 15, предотвращая при этом обратную вспышку от верхней части каталитического слоя 15, температура которого достигает, например, не ниже 1400°C.
Смешанный газ, прошедший таким образом через большое количество газосмешивающих устройств 2, предложенных в устройстве 1 для производства синтез-газа для того, чтобы создать однородную концентрацию, подается в каталитический слой 15. В каталитическом слое 15 протекает реакция частичного окисления, как продемонстрировано вышеупомянутым уравнением (1), с производством синтез-газа, который затем выпускается через патрубок 14 выпуска синтез-газа. При этом в каталитическом слое 15 наибольшая часть смешанного газа реагирует в области, близлежащей к входу в каталитический слой 15, и поэтому температура в этой области является самой высокой, например 1400°C, а температура на выходе из этой области составляет, например, 1000°C-1100°C.
Газосмешивающее устройство 2, по данному варианту реализации, обладает следующими эффектами. В газосмешивающем устройстве 2 керамические шарики 31, 32 заблаговременно загружены в цилиндр 20, и поэтому, когда горючий газ, содержащий, например, метан, и поддерживающий горение газ типа кислородосодержащего газа смешиваются в цилиндре 20 как в емкости смешения, средние скорости течения смешанного газа в узких газовых каналах 34, сформированных в промежутках между керамическими шариками 31, 32, становятся выше, чем скорости горения смешанного газа. В результате распространение реакции горения по всей емкости смешения может быть предотвращено, даже если в ходе смешивания этих газов вызвана реакция возгорания, что позволяет предотвратить газосмешивающее устройство 2 от повреждения горением в ходе смешивания газов, реализуя усовершенствованную безопасность газосмешивающего устройства 2.
Более того, в вышеописанном варианте реализации между скоростью горения смешанного газа в состоянии диффузионной смеси в зоне диффузного смешения и скоростью горения смешанного газа в перемешанном состоянии в зоне перемешивания последняя скорость ниже. Поэтому средняя скорость смешанного газа, текущего в газовых каналах 34 в зоне перемешивания, понижена по сравнению со скоростью течения в зоне диффузного смешения путем увеличения размеров керамических шариков 32 и диаметра второй цилиндрической части 23 при сохранении условия, что средняя скорость течения смешанного газа выше, чем скорость горения, при помощи чего уменьшена потеря давления в этой зоне. В результате количество энергии, необходимое для протекания газа в газосмешивающем устройстве 2, может быть небольшим по сравнению со случаем, если бы по всему газосмешивающему устройству 2 были загружены такие же керамические шарики 31, как в зоне диффузного смешения, и диаметр второй цилиндрической части 23 был равен диаметру первой цилиндрической части 21.
Более того, третья цилиндрическая часть 24, соответствующая секции выпуска газосмешивающего устройства 2, по данному варианту реализации, соединена с каталитическим слоем 15, температура которого выше температуры в газосмешивающем устройстве 2, и поэтому в эту третью цилиндрическую часть 24 загружены мелкие керамические шарики 33, и диаметр третьей цилиндрической части 24 небольшой, для того, чтобы смешанный газ мог течь со скоростью выше, чем скорость горения смешанного газа, нагретого до температуры внутренней части каталитического слоя 15. Поэтому, например, даже если смешанный газ, нагретый до высокой температуры, течет назад от каталитического слоя 15, что вызывает реакцию возгорания (обратная вспышка), развитие такой реакции может быть подавлено, так что газосмешивающее устройство 2 может эксплуатироваться безопасно.
Более того, газосмешивающее устройство 2 может устранить неравномерную газовую концентрацию для использования смешанного газа в состоянии более гомогенной смеси, поскольку оно включает в себя диафрагмы 25a, 25b, которые изменяют во всем объеме направление потока смешанного газа, протекающего в зоне диффузного смешения, и вызывает, таким образом, повторение слияния и диспергирования потока. Необходимо отметить, что форма элементов газовых перегородок, предложенная в газосмешивающем устройстве 2, не ограничена формой, представленной на фиг.3, но, как альтернативный вариант, могут быть предложены и элементы газовых перегородок 25c, 25d с вырезами с обеих сторон и в центрах перегородок, как показано, например, на фиг.8, или могут быть заимствованы перегородки другой формы.
Далее, насадки, расположенные в газосмешивающее устройство 2, не ограничены керамическими шариками 31-33, показанными в данном варианте реализации, но могут быть загружены, например, керамические кольца Рашинга, полусферические седловидные насадки или тому подобные, или, например, может быть загружена конструкция с сотовидной структурой поперечного потока, в которой газовые каналы сформированы вертикально и горизонтально. Кроме того, газосмешивающее устройство 2, по данному варианту реализации, применимо не только для процесса смешивания горючего газа, содержащего метан как основной компонент и поддерживающего горение газа как кислородосодержащий газ, продемонстрированного в данном варианте реализации, но также, например, и для процесса смешивания газов пропана и воздуха, и так далее.