ГОРЕЛКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА
ACETYLENE PRODUCTION BURNER

Предлагаемое изобретение относится к производству ацетилена термоокислительным пиролизом углеводородов и может быть использовано в области химии в реакторах для производства ацетилена в качестве направляющего и газораспределительного устройства горелок.
Известное горелочное устройство для получения ацетилена термоокислительным пиролизом метана включает ряд трубок, служащих для подвода метанокислородной смеси и стабилизирующего кислорода. Трубки имеют эллипсовидное сечение, изогнуты по винтовой линии и выполнены с отношением большой оси эллипсовидного сечения к малой его оси, равным 3-4, а отношение сечения корпуса горелки к сечению всех эллипсовидных трубок равно 4-10. Изгиб по винтовой линии выполнен с шагом 1,0-1,6 м. Трубки для подвода метанокислородной смеси расположены в корпусе горелки концентрическими рядами - наружным и внутренним - и размещены между трубками для подвода стабилизирующего кислорода. (СССР №488793, C07C 11/24, C07C 3/28, F23D 13/40, 25.02.1976.)
При работе горелки по одним трубкам подают метанокислородную смесь, которая при этом закручивается, а по другим трубкам подают стабилизирующий кислород.
Известное горелочное устройство характеризуется коротким ресурсом работы и недостаточно высокой производительностью. Ресурс его работы находится в диапазоне 720-2160 часов, из-за разрушения трубок подачи стабилизирующего кислорода в зоне сварных швов соединения с нижней плитой корпуса горелки. Данные разрушения трубок происходят из-за их неравномерного теплового расширения, обусловленного различной длиной трубок.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является горелка для получения ацетилена методом термоокислительного пиролиза метана, содержащая блочное газораспределительное устройство с каналами для подачи газовой смеси и каналами для подачи стабилизирующего кислорода, соединенными с коллектором подачи стабилизирующего кислорода (СССР №292364, B01J 1/00, 08.06.1978, прототип).
Горелка снабжена трубой для подачи исходной газовой смеси, трубами для подачи стабилизирующего кислорода и трубами для входа охлаждающей воды и ее выхода.
Блочное газораспределительное устройство выполнено в виде концентрично установленных трех цилиндрических блоков, в кольцевых каналах (пространствах), между которыми размещены завихрители. В блоках расположены внешний и внутренний коллекторы для подачи стабилизирующего кислорода и коллекторы для циркуляции охлаждающей воды.
Во внутренних блоках расположены выполненные в виде трубок прямые и косые каналы для подачи стабилизирующего кислорода и каналы для подачи охлаждающей воды.
Верхняя часть газораспределительного устройства выполнена в виде конуса.
Входы в газовые каналы (кольцевые пространства) имеют острые кромки входного сечения.
Завихрители имеют угол наклона не более 45° и снабжены каналами в виде трубок для подачи стабилизирующего кислорода и каналами в виде трубок для подачи охлаждающей воды.
При работе горелки поступающая по трубе метанокислородная смесь распределяется по кольцевым каналам (пространствам) и, встречая на своем пути завихрители, закручивается, далее в виде закрученных потоков проходит в реакционную зону и зону горения. Поступающий по входным трубам стабилизирующий кислород через коллекторы и каналы, выполненные в виде трубок, поступает в реакционную зону.
Охлаждающая вода по входным трубам и коллекторам поступает на охлаждение торцевой части наружного блока и внутренних блоков и на охлаждение завихрителей.
Недостатками данной конструкции являются:
1. Значительные газодинамические потери, обусловленные неорганизованным конфузным течением газа при входе в завихрители и при обтекании центрального конического элемента, что приводит:
- к изменению направления потока и снижению его скорости,
- к срыву потока с образующей конуса;
- к образованию вихревой зоны под куполом сорваного потока;
- к частичной потере кинетической энергии потока за счет потерь при трении по поверхности конуса и перехода части кинетической энергии в потенциальную от торможения. Согласно расчетам данные потери составляют 10-12% начальной кинетической энергии потока.
Поток газа, удаленный от оси, совершает конфузный переход в завихрители с углом конфузности 180°. Это самый неблагоприятный переход газового потока.
Резкое изменение площадей проходных сечений от подающего патрубка до суммарной площади каналов приводит коэффициент конфузности до значения 2,601.
Известная горелка - прототип - имеет большое гидравлическое сопротивление, пульсирующий, турбулентно нестабильный (Re~Var) газовый поток на выходе из завихрителей, что в свою очередь приводит к нестабильному горению газовой смеси и снижает производительность по ацетилену.
2. Известная горелка - прототип - имеет короткий ресурс работы, в диапазоне 720-2160 часов, из-за разрушения трубок подачи стабилизирующего кислорода в зоне сварных швов соединения с нижней плитой.
Данные разрушения трубок происходят ввиду концентрации закритических напряжений, возникающих в зоне разрыва, из-за неравномерного теплового расширения завихрителей и трубок подачи стабилизирующего кислорода. Неравномерность тепловых расширений происходит из-за разности длин вышеуказанных элементов.
Напряжения, возникающие в трубках и сварном шве в результате тепловых деформаций, превышают предел прочности металла, что приводит к неработоспособности горелки.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования конструкции горелки для производства ацетилена, в которой путем изменения формы выполнения газораспределительного блока в целом, а также формы выполнения отдельных его элементов - каналов для подачи газовой смеси и стабилизирующего кислорода, а также коллектора подачи стабилизирующего кислорода, изменения формы взаимосвязи этих элементов в газораспределительном блоке, обеспечивается возможность:
2
2
- увеличения суммарной площади каналов газового потока: с 0,03189 м до 0,050 м, что позволяет снизить коэффициент конфузности газового потока с 2,601 до 1,66 и приводит к снижению потерь начальной кинетической энергии газового потока;
- существенного - в 4,17 раза, снижения гидравлического сопротивления с 0,5 до 0,12;
- исключения тепловых напряжений, которые в горелке-прототипе и аналоге приводят к разрушению трубок подачи кислорода и неработоспособности горелки;
- достижения стабильно турбулентного течения газа в каналах: Re=const. Эпюра скоростей по сечению газового канала имеет вид монотонно возрастающей от стенки канала к оси потока;
- достижения стабильного горения газовой смеси;
- повышения производительности горелки по ацетилену.
- существенного увеличения ресурса работы горелки за счет исключения тепловых напряжений.
То обстоятельство, что газораспределительный блок выполнен единым блоком, в котором вместо трубок подачи кислорода организованы каналы в виде соответствующих сверлений и расточек, позволяет исключить разность длин элементов, подвергаемых тепловым удлинениям, и, следовательно, полностью исключить тепловые напряжения, которые в горелках аналога и прототипа приводят к разрушению трубок подачи кислорода.
Поставленная задача решается тем, что в известной горелке для получения ацетилена методом термоокислительного пиролиза метана, содержащей блочное газораспределительное устройство с каналами для подачи газовой смеси и каналами для подачи стабилизирующего кислорода, соединенными с коллектором подачи стабилизирующего кислорода, согласно предлагаемому изобретению газораспределительное устройство выполнено в виде совокупно направляющего газораспределительного моноблока с цельно выфрезированными в нем каналами для подачи газовой смеси, стабилизирующего кислорода и коллектора подачи стабилизирующего кислорода; входы в газовые каналы выполнены плавно сужающимися.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в существенном увеличении ресурса работы горелки и ее производительности.
Предлагаемая горелка представляет собой моноблок, совокупно направляющий и распределяющий по отдельным каналам исходный газовый поток и поток стабилизирующего кислорода в реакционную зону и зону горения.
Моноблок выполнен с цельно выфрезированными в нем каналами для подачи газовой смеси и каналами для подачи стабилизирующего кислорода, соединенными с цельно выфрезированным коллектором для подачи стабилизирующего кислорода.
Верхняя часть моноблока построена по расчетным точкам циклоиды (брахистохроны) с последующей интерполяцией с дискретностью по оси X 0,01 мм. Это позволяет получить плавную кривую с минимальными значениями лобового сопротивления.
Входы в газовые каналы выполнены плавно сужающимися.
2
При этом суммарная площадь каналов подачи газового потока увеличивается с 0,03189 до 0,050 м.
2
При одной и той же, как в прототипе, площади проходного сечения подающей газовый поток трубы, равной 0,083 м, коэффициент конфузности снижается с 2,601 до 1,66.
Сужающий участок газового канала представляет собой плавный коллектор, очерченный по дуге лемнискаты, что позволяет значительно уменьшить коэффициент сопротивления.
В предлагаемой конструкции коэффициент гидравлического сопротивления равен 0,12, что в 4,17 раз меньше, чем в горелке - прототипе.
Стабильно турбулентный характер течения газа в газовых каналах.
Эпюра скоростей по сечению газового канала имеет вид монотонно возрастающей от стенки канала к оси потока.
Предлагаемая конструкция горелки поясняется чертежами: фиг.1-фиг.6.
На фиг.1, 2 - вид спереди (фиг.1) и вид сверху (фиг.2) - показан моноблок с каналами для подачи газовой смеси и стабилизирующего кислорода, также на фиг.1 показан сужающийся вход в газовые каналы.
На фиг.3 показан продольный разрез горелки, установленной в водяную охлаждающую рубашку и подсоединенной к трубопроводам подачи стабилизирующего кислорода.
На фиг.4, вид А сверху, фиг.3 - показаны входы стабилизирующего кислорода; вход и выход охлаждающей воды.
На фиг.5, вид Б снизу, фиг.3 - показаны газовые каналы, выход стабилизирующего кислорода из центрального канала, прямых и косых каналов.
На фиг.6 показан стабильно турбулентный характер течения газа в газовых каналах.
Предлагаемая горелка, показанная на фиг.1-6, включает:
- газораспределительное устройство, выполненное в виде моноблока 1, совокупно направляющего и распределяющего по отдельным каналам исходный газовый поток и поток стабилизирующего кислорода в реакционную зону и зону горения;
- цельно выфрезированные в моноблоке 1 каналы 2 для подачи газовой смеси, каналы 3 для подачи стабилизирующего кислорода;
- цельно выфрезированный коллектор подачи стабилизирующего кислорода, выполненный в виде трех участков: центрального 4, внутреннего 5 и внешнего 6.
Верхняя часть 6 газораспределительного моноблока 1 выполнена с образующей, имеющей форму циклоиды (брахистохроны) (См. фиг. 1-3).
Входы в газовые каналы 2 выполнены плавно сужающимися (См. фиг.1, 6).
Каналы 3 подачи стабилизирующего кислорода выполнены в виде: центрального, прямых и косых (См. фиг.1, 3).
На чертеже - фиг.3-6 - также показаны:
- вход 8 стабилизирующего кислорода в центральный коллектор 4, внутренний коллектор 5 и внешний коллектор 6;
- выход 9 стабилизирующего кислорода из центрального канала 3;
- выход 10 стабилизирующего кислорода из прямых каналов 3 внутреннего коллектора;
- выход 11 стабилизирующего кислорода из косых каналов;
- вход 12 умягченной воды на охлаждение горелки;
- выход 13 умягченной воды из горелки.
Газораспределительный моноблок 1 установлен в водяную охлаждающую рубашку 14.
Перед работой горелки в рубашку 14 подают умягченную воду.
При работе горелки по каналам 2 подают метанокислородную смесь, а по каналам 3 через центральный 4, внутренний 5, и внешний 6 коллекторы подают стабилизирующий кислород. Метанокислородная смесь и стабилизирующий кислород через каналы газовой смеси 2 и каналы стабилизирующего кислорода 3 попадают в реакционную зону и зону горения. Ацетилен и другие продукты горения из реакционной зоны направляют в систему выделения ацетилена.