МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР СИНТЕЗ-ГАЗА

Полезная модель относится к химическому машиностроению и может быть использована в химическом производстве для получения синтез-газа из богатых смесей углеводородных газов, в частности природного газа, и может быть использована как узел для получения метанола - ценного сырья для химической промышленности и топливного хозяйства.
Известен способ и устройство для получения синтез-газа в поршневом объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа до температуры самовоспламенения 1300-2300°С (Патент РФ №RU 2119888 от 1998.02.10 «Способ получения синтез - газа») В способе в двигатель внутреннего сгорания компрессионного типа для активации процесса вводится 10-20% продукта и 90-80% процентов исходной смеси. К недостаткам процесса и реактора этого типа можно отнести низкую производительность, необходимую для крупнотоннажного производства, из-за отсутствия в реакционном процессе воды, что снижает экономические показатели за счет нагрева и наличия в воздухе большого объема бесполезного для процесса азота.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является малогабаритная установка для получения синтез-газа основными элементами, которой являются: реактор, состоящий из двух частей, в корпусе которого имеется система охлаждения, форкамера с системой поджига рабочей смеси, сопла для подачи реагентов: метана, воздуха и воды, система вывода продуктов реакции (Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка методов промысловой утилизации попутных нефтяных газов» по теме: «Реализация макета генератора синтез - газа и проведение тестовых испытаний» по Государственному контракту от «06» марта 2007 г. №02.515.11.5040, Шифр «2007-5-1.5-34-05-005», В рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», номер Госрегистрации 01.2.007 08920, Москва, 2008, МФТИ,). Недостатком этого устройства является то, что часть энергии, выделяющейся в первой камере реактора используется непроизводительно, так как из-за высокой температуры в рабочей части необходима громоздкая система охлаждения стенок реактора и избыточная тепловая энергия используется не для проведения химического процесса, а уносится охладителем. Это снижает экономические показатели установки.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу получения синтез-газа в установке высокой производительности при одновременном увеличении
производительности установки по полезным продуктам реакции, снижении энергетических затрат, улучшении экономических показателей, имеющихся в аналоге и прототипе при небольших габаритах конструкции.
Поставленная техническая задача решается тем, что в малогабаритном генераторе синтез-газа, содержащем расположенные в герметичном полом корпусе камеру смешения исходного углеводородсодержащего газа и воздуха и их воспламенения и две соосно расположенные цилиндрические камеры горения с системой охлаждения и вывода продуктов реакции, между двумя камерами горения дополнительно установлен барботер с пористой мембраной для активации воды, причем мембрана расположена с возможностью непосредственной подачи воды на ее поверхность, при этом барботер соединен с соплами, установленными внутри камер горения.
Новизна полезной модели заключается в применении барботера предложенной конструкции, позволяющего активизировать процесс окисления углеводородной смеси одновременно в двух реакционных камерах генератора при эффективном охлаждении корпуса.
По сравнению с другими известными устройствами, для получения синтез-газа из попутных газов, предлагаемая конструкция малогабаритного генератора синтеза газа, обладает повышенными экономическими показателями при дополнительном увеличения выхода продуктов реакции.
Факторами, определяющими более высокую экономическую эффективность работы данной установки по сравнению с прототипом являются:
- снижение тепловой нагрузки на стенки реактора за счет распыления газодисперсных струй жидкости и газа на внутренней поверхности рабочих зон двух реакторов и, вследствие этого, снижения энергетических затрат на прокачку воды в системе охлаждения реактора и снижения непроизводительного расхода энергии, выделяющейся в реакторе;
- увеличение выхода полезных продуктов за счет тепловой диссоциации воды;
- снижение расхода воздуха и, соответственно, бесполезного для проведения реакции азота, содержащегося в воздухе, за счет образующегося кислорода при диссоциации воды;
- снижение расхода исходного метана, за счет выделяющегося дополнительно в результате диссоциации воды водорода.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства. На фиг.2-5 представлены фотографии процесса испытаний малогабаритного генератора синтез-газа.
Малогабаритный генератор синтез-газа содержит герметический корпус из металла 1, состоящий из форкамеры 2 для смешения и поджига исходных реагентов - воздуха и метана; первого реактора 3; второго реактора 4; барботера 5 для создания газодисперсной пузырьковой смеси; в форкамере 2 имеется система поджига 6, сопла для подачи воздуха 7 и метана 10; в корпусе первого реактора 3 имеется система охлаждения с вводом 8 и выводом 9 охлаждающей воды в рубашку и из рубашки корпуса; в корпусе второго реактора 4 также имеется система охлаждения с вводом 14 и выводом 15 охлаждающей воды в рубашку и из рубашки корпуса; в корпусе барботера 5, имеется пористая мембрана 11, через которую подается газ, и трубка 12, через которую подается вода. В корпусе реактора 3 и реактора 4 установлены сопла 13 для подачи газодисперсной пузырьковой смеси. Сопла 13 расположены параллельно стенкам реактора 3 и под углом к осевой линии реактора 4. На выходе из реактора 4 имеется устройство 16 для вывода продуктов реакции, содержащих синтез-газ.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В корпус 1 в форкамеру 2 из внешнего источника подается исходный газ-метан через сопло 10 и воздух через сопло 7, где происходит предварительное смешение реагентов и их поджиг с помощью поджигающих устройств 6. Далее частично прореагировавшая смесь углеводородного сырья и воздуха поступает в первый реактор 3, где происходит реакция окисления с большим выделением тепла. Для защиты стенок ректоров 3 и 4 используются струи газодисперсной микрокапельной смеси воды и воздуха, истекающие из сопел 13. Указанные струи смеси направлены вдоль стенок реактора 3 и под углом к стенкам реактора 4 с целью образования паровой подушки в реакционном объеме для тепловой защиты стенок реакторов, получения дополнительно водорода и кислорода при диссоциации воды. В барботере 5 получается газодисперсная пузырьковая смесь с объемным газосодержанием 0.6≤φ≤0.95. Для этого на пористую мембрану 11 подается под давлением воздух, а в трубку 12 подается под напором вода, отверстие трубки направлено на поверхность мембраны с целью смывания пузырьков и, таким образом, уменьшения их размера (дробления). Далее из барботера 5 газодисперсная смесь под давлением подается на сопла 13, расположенные в корпусе реакторов 3 и 4. Из первого реактора 3 часть исходных реагентов и продуктов реакции окисления поступают во второй реактор 4, где происходит дальнейшее реагирование компонентов до конечных продуктов. Далее продукты химической реакции, содержащие синтез-газ, поступают на выходное устройство 16. Конструкция охлаждается системой охлаждения в виде рубашки, вмонтированной в корпус, в которую через входное отверстие 14 поступает вода и выходит через отверстие 15.
Применение в устройстве барботера, в котором получается пузырьковая газоводяная смесь, позволяет в отличие от воды придать упругость такой среде, что, в свою очередь, обеспечивает большую глубину проникновения струи в поток, при этом создается большая тонина распыления на более коротком участке газодисперсной струи и больший угол распыла на заданном расстоянии. Это позволяет производить более однородное смешение реагентов и защиту большей поверхности стенок реактора за счет создания паровой подушки вблизи стенок. Высказанные положения иллюстрируются фиг.2-5. На фиг.2 представлено истечение небарботированной струи воды под давлением из сопла; на фиг.3 - барботированной. Из иллюстраций видно, что у барботированной струи угол распыла за счет «взрывного» расширения больше, тонина распыления выше. На фиг.4 и 5 представлены сравнительные испытания дальнобойности не барботированной струи воды и барботированной; для наглядности струи впускаются в затопленное пространство. На фиг.4 показана не барботированная струя воды, на фиг.5 - барботированная. Высокое газосодержание при 0.6≤φ≤0.95 в пузырьковой смеси, обусловленное оригинальной конструкцией барботера, позволяет обеспечить сверхзвуковой режим истечения смеси из сопел при относительно малых скоростях 40-50 м/сек, поэтому внешние возмущения из реактора в барботер не проникают.
Наличие данных конструктивных решений внутри генератора позволяет осуществлять дополнительную защиту внутренних стенок реакторов за счет образования паровой подушки вблизи стенок первого реактора и по всему реакционному объему рабочей зоны второго реактора, снизить расход воздуха и бесполезного азота воздуха за счет получения кислорода при диссоциации воды, получить дополнительную наработку водорода, и поэтому снизить расход метана. При этом снижаются непроизводительные энергетические потери при прокачке охлаждающей воды.
По сравнению с известными устройствами для получения синтез-газа из попутных газов предлагаемая установка обладает повышенными экономическими показателями за счет снижения энергетических затрат на проведение процесса по совокупности положительных факторов, обусловленных данной конструкцией устройства, при дополнительном увеличения выхода продуктов реакции.