Реактор для получения экзотермических контролируемых атмосфер

 

Изобретение относится к реакторам для получения контролируемых атмосфер, применяемых в химии, нефтехимии, машиностроении, позволяет повысить качество экзотермической контролируемой атмосферы за счет снижения содержания следов метана и окислов азота, снижения габаритов и повышения производительности реактора. Реактор для получения экзотермических контролируемых атмосфер содержит металлический корпус, выполненный с отверстием отвода продуктов конверсии и патрубком подвода исходной смеси углеводородного газа с воздухом. Он снабжен реакционной камерой с газопроницаемыми стенками, размещенной внутри корпуса и состыкованной с камерой стабилизации, размещенной вне корпуса и выполненной в виде металлического футерованного патрубка с водоохлаждаемой рубашкой, при этом выходное отверстие отвода продуктов конверсии совмещено с отверстием ввода этих продуктов в камеру стабилизации, а газопроницаемая стенка выполнена со сквозными криволинейными каналами переменного сечения. 1 табл. 2 ил.

Изобретение относится к реакторам для получения контролируемых атмосфер, применяемых в химии, в нефтехимии, машиностроении и других отраслях промышленности. Наиболее близким к изобретению является реактор для получения экзотермических контролируемых атмосфер, который содержит металлический корпус, выполненный с отверстием отвода продуктов конверсии и патрубком подвода исходной смеси углеводородного газа с воздухом. Недостатками известного реактора являются повышенное содержание следов метана, большие габариты и низкая производительность. Это объясняется тем, что реакционный объем имеет значительные (до 40%) тепловые потери через ограничивающие его стенки, вследствие чего реакция конверсии протекает при низком температурном уровне. Низкое теплонапряжение реакционного объема требует повышения его размеров и снижает удельную производительность реактора. Кроме того, поступающая через патрубок исходная смесь, как правило, недостаточно перемешана, что приводит к повышенному содержанию окислов азота при ее горении. Целью изобретения является повышение качества контролируемой атмосферы за счет снижения содержания следов метана и окислов азота, снижение габаритов и повышения производительности реактора. Поставленная цель достигается тем, что реактор для получения экзотермических контролируемых атмосфер, содержащий металлический корпус, выполненный с отверстием отвода продуктов конверсии и патрубком подвода исходной смеси углеводородного газа с воздухом, снабжен реакционной камерой с газопроницаемыми стенками, размещенной внутри корпуса и состыкованной с камерой стабилизации, размещенной вне корпуса и выполненной в виде металлического футерованного патрубка с водоохлаждаемой рубашкой, при этом выходное отверстие отвода продуктов конверсии совмещено с отверстием ввода этих продуктов в камеру стабилизации, а газопроницаемая стенка выполнена со сквозными криволинейными каналами переменного сечения, и среднее расстояние между ними соотносится с толщиной стенки, как 1:(4-20), причем внутренние объемы камеры с газопроницаемыми стенками и камеры стабилизации соотносятся, как 1:(0,4-1,9), а в среднем поперечном сечении реакционной камеры отношение площади зазора между корпусом и газопроницаемыми стенками к живому сечению реакционной камеры составляет не менее 1:1,5. Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от пpототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". На фиг.1 изображен предлагаемый реактор, разрез; на фиг.2 узел I на фиг. 1. Реактор имеет металлический корпус 1, на входе в который расположены патрубок 2 и рассекатель 3. Внутри корпуса размещена камера сгорания 4. Выходное отверстие камеры сгорания совмещено с входным отверстием камеры стабилизации 5, состоящей из водяной рубашки 6 и футеровки 7. Стенки камеры сгорания выполнены газопроницаемыми за счет сквозных криволинейных каналов 8, образованных, например склеенными между собой огнеупорными зернами 9. Среднее расстояние между каналами "в" соотносится с толщиной газопроницаемой стенки "а" как в:a 1:(4-20). Сквозь газопроницаемую стенку в камеру сгорания введены электроды искрового запальника 10, один из которых посредством высоковольтного провода 11 подключен к электрогенератору, а второй присоединен к корпусу 1. На выходе из камеры стабилизации установлен водяной холодильник 12. Внутренние объемы камеры сгорания 4 и камеры стабилизации 5 связаны соотношением V_p:V_c 1:(0,4÷1,9), а площадь кольцевого зазора F_зв среднем сечении камеры 4 не менее, чем в 1,5 раза превышает живое сечение камеры F_p. При работе реактора исходная смесь углеводородного газа с воздухом подается по патрубку 2 в корпус 1, в котором посредством рассекателя 3 и кольцевого зазора F_з создается статическое давление, равномерно распределенное на наружной поверхности камеры сгорания 4. За счет этого давления газовоздушная смесь фильтруется по каналам 8 в реакционный объем камеры 4, подогревается теплотой, полученной реагирующими газами на стенки 9 каналов 3 и воспламеняется от электроискрового запальника 10. Благодаря тому, что подогретая смесь реагирует интенсивнее холодной, фронт горения расположен вблизи газопроницаемой стенки, а непрерывный подвод исходной смеси через эти стенки в режиме, при котором излученная из реакционного объема теплота полностью воспринимается этой смесью, приводит к существенному повышению температурного уровня реакции конверсии. Вследствие этого повышается производительность реактора и уменьшаются габариты камеры сгорания и, соответственно, всего реактора. Повышение температурного уровня реакции конверсии в сочетании с дополнительным перемешиванием исходной смеси при движении по криволинейным каналам газопроницаемых стенок, имеющим резко изменяющиеся сечения, приводит к уменьшению следов метана, то есть более глубокому проведению реакции. Снижение содержания окислов азота в продуктах конверсии происходит также вследствие гомогенизации исходной смеси при ее дополнительном перемешивании. Указанные пределы соотношения геометрических размеров газопроницаемых стенок определяются следующим. При соотношении расстояния меду каналами меньше 1: 4 (тонкая стенка или большие расстояния между каналами) вследствие недостаточной теплообменной поверхности каналов заметно возрастает температура наружной поверхности газопроницаемой стенки и появляются тепловые потери излучением через стенки корпуса в окружающее пространство. Увеличение толщины стенки (соотношение более 1:20) не оказывает какого-либо заметного влияния на процесс конверсии, но в то же время увеличивает гидравлическое сопротивление, расход материалов и массу реактора. Необходимость того, чтобы в среднем сечении отношение площади зазора между газопроницаемыми стенками и корпусом к живому сечению реакционной камеры было не менее 1:1,5 связана с тем, что уменьшение этого зазора приводит к неравномерному распределению газовоздушной смеси и заметному перегреву выходного участка реакционной камеры. Это усугубляется тем, что при появлении температурной неравномерности дополнительно снижается расход газовоздушной смеси через перегретые участки вследствие существенного возрастания вязкости газов, а снижение расхода приводит к еще большему перегреву стенок на этих участках. В камере стабилизации происходит, во-первых, дожигание той части газовоздушной смеси, которая поступает в реакционную камеру вблизи ее выходного отверстия; во-вторых, происходит усреднение состава продуктов конверсии и скорости их движения по сечению потока. Последнее необходимо для равномерного распределения потока по теплообменным поверхностям холодильника 12. Указанное соотношение объемов V_p:V_c зависит, соответственно, от следующих особенностей конкретной установки. При использовании в качестве холодильников мокрых скрубберов, тогда выравнивание скорости потока по его сечению необязательно, стабилизация состава в пристенной области полностью заканчивается при V_c > >0,4V_p. С другой стороны, достаточно полное выравнивание скорости по сечению потока продуктов конверсии, необходимое при использовании трубчатых холодильников, происходит при V_c 1,9V_p, поэтому дальнейшее увеличение размеров камеры стабилизации является излишним. Для подтверждения правильности приведенных в формуле изобретения числовых интервалов в таблице сведены результаты экспериментов, представленные в виде примеров. Условия экспериментов были следующими. Смесь природного газа с воздухом при коэффициенте расхода воздуха L 0,85 подавалась в распределительный корпус под давлением Р₁, на выходе из газопроницаемого тела поддерживалось давление Р₂. Атмосферное давление во время опытов было практически постоянным Р₀. Измеренные температуры продуктов конверсии Т_к и внутренней поверхности газопроницаемого тела Т_псоответствовали удельным расходам смеси, изменяемым в пределах g 0,3-0,7кг/с˙н². Измеренные значения максимальной V_макс и средней V_cpскоростей продуктов конверсии соответствовали поперечному сечению камеры стабилизации, в котором определялось содержание метана CH₄ и окислов азота NO_х в продуктах конверсии. Ниже приведена таблица экспериментальных данных. Как следует из приведенной таблицы, справедливость приведенных в формуле числовых интервалов полностью подтверждена. Преимуществами предложенного реактора для получения контролируемых атмосфер является улучшение качества контролируемой атмосферы по содержанию в ней следов метана и окислов азота; уменьшение габаритов камер сгорания (длины в 5-8 раз, диаметра в 3-4 раза); увеличение производительности процесса на единицу реакционного объема; улучшение экологии за счет снижения в промышленных выбросах окислов азота.

Формула изобретения

РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР, содержащий металлический корпус с отверстием отвода продуктов конверсии и патрубком подвода исходной смеси углеводородного газа с воздухом, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности реактора за счет снижения содержания следов метана и окислов ацетата, он снабжен реакционной камерой с газопроницаемыми стенками, размещенной внутри корпуса, и состыкованной с ней камерой стабилизации, расположенной вне корпуса и выполненной в виде металлического футерованного патрубка с водоохлаждаемой рубашкой, при этом выходное отверстие отвода продуктов конверсии совмещено с отверстием ввода этих продуктов в камеру стабилизации, газопроницаемая стенка выполнена со сквозными криволинейными каналами переменного сечения, среднее расстояние между которыми соотносится к толщине стенки как 1:(4-20), отношение внутреннего объема реакционной камеры к объему камеры стабилизации составляет как 1: (0,4-1,9), а в среднем поперечном сечении реакционной камеры отношение площади зазора между корпусом и газопроницаемыми стенками к живому сечению реакционной камеры составляет не менее 1:1,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3