EA046100B1 - ROTARY DEVICE FOR CHEMICAL REACTIONS - Google Patents
ROTARY DEVICE FOR CHEMICAL REACTIONS Download PDFInfo
- Publication number
- EA046100B1 EA046100B1 EA202190990 EA046100B1 EA 046100 B1 EA046100 B1 EA 046100B1 EA 202190990 EA202190990 EA 202190990 EA 046100 B1 EA046100 B1 EA 046100B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- rotor
- previous paragraphs
- process fluid
- module
- mixing chamber
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims description 65
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 126
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 124
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 117
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 68
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 24
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 24
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 22
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 20
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 14
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 12
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 8
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims description 5
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 4
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 2
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 claims description 2
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 claims description 2
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 claims description 2
- 125000005456 glyceride group Chemical group 0.000 claims description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 22
- 239000000047 product Substances 0.000 description 12
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 10
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 9
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- -1 ethylene, propylene Chemical group 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010517 secondary reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 3
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical class CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 235000013844 butane Nutrition 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical class CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 235000015112 vegetable and seed oil Nutrition 0.000 description 2
- 239000008158 vegetable oil Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000009903 catalytic hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004939 coking Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 239000003925 fat Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 1
- 150000002605 large molecules Chemical class 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N olefin Natural products CCCCCCCC=C JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000383 tetramethylene group Chemical group [H]C([H])([*:1])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к области ротационных турбомашин. В частности, изобретение относится к ротационному устройству для проведения химических реакций, соответствующей системе, способу и применениям.The present invention relates to the field of rotary turbomachines. In particular, the invention relates to a rotary device for carrying out chemical reactions, corresponding to the system, method and applications.
Уровень техникиState of the art
Химические реакции, в частности, разнообразные термические и термохимические процессы, например, пиролиз или крекинг, традиционно используют на нефтеперерабатывающих и нефтегазохимических предприятиях. Рост спроса на энергию во всем мире на фоне неустойчивых цен и ограничительных требований природоохранной политики ставит перед нефтегазовой промышленностью ряд сложных задач, например, по разработке производственных технологий, сочетающих в себе повышение энергоэффективности и уменьшение воздействия на окружающую среду. Также необходимо решить ряд проблем для развития одного из основных нефтегазохимических процессов - крупномасштабного производства низших (низкомолекулярных) олефинов.Chemical reactions, in particular, various thermal and thermochemical processes, for example, pyrolysis or cracking, are traditionally used in oil refining and petrochemical plants. Rising demand for energy around the world, coupled with volatile prices and restrictive environmental policies, poses a number of challenges for the oil and gas industry, such as developing production technologies that combine increased energy efficiency and reduced environmental impact. It is also necessary to solve a number of problems for the development of one of the main petrochemical processes - large-scale production of lower (low molecular weight) olefins.
Низкомолекулярные олефины, например этилен, пропилен и бутилены, являются первичными компонентами в нефтегазохимической промышленности, на основе которых производят пластмассы, полимеры, эластомеры, каучуки, пены, растворители и химические полуфабрикаты, а также волокна, в том числе углеродные, и покрытия. Известные технологии производства низших олефинов, включающие в себя пиролиз среднемолекулярных углеводородов, например лигроина или газойля, и легких углеводородов, например пентанов, бутанов, пропана и этана, до легких по существу ненасыщенных полимеризуемых компонентов, обычно осуществляют в трубчатых печах. Это накладывает жесткие ограничения для процессов пиролиза: из-за того, что в основе операции лежит теплопередача, поддержание удовлетворительного распределения температур внутри трубок реактора остается сложной задачей.Low molecular weight olefins, such as ethylene, propylene and butylenes, are primary components in the petrochemical industry, from which plastics, polymers, elastomers, rubbers, foams, solvents and chemical intermediates are produced, as well as fibers, including carbon fibers, and coatings. Known technologies for the production of lower olefins, including the pyrolysis of medium molecular hydrocarbons, such as naphtha or gas oil, and light hydrocarbons, such as pentanes, butanes, propane and ethane, to light, substantially unsaturated polymerizable components, are usually carried out in tube furnaces. This places severe limitations on pyrolysis processes: due to the heat transfer nature of the operation, maintaining a satisfactory temperature distribution within the reactor tubes remains a challenge.
В целом, крекинг углеводородов обычно оптимизируют путем регулирования по меньшей мере температуры процесса, длительности (длительностей) пребывания и парциального давления углеводородов. В традиционных крекинг-печах возможность управления вышеуказанными кинетическими параметрами ограничена конструктивными решениями известных реакторов.In general, hydrocarbon cracking is typically optimized by controlling at least the process temperature, residence time(s), and hydrocarbon partial pressure. In traditional cracking furnaces, the ability to control the above kinetic parameters is limited by the design solutions of known reactors.
Например, в традиционных трубчатых реакторах тепловая энергия поступает в реакционное пространство через стенки реактора, причем реакционное устройство работает как теплообменник. Так как теплопередача от стенок трубок технологической текучей среде имеет физические пределы, в некоторых случаях повышение температуры, например, для получения желаемого результата реакции, невозможно. Кроме того, изменение/регулирование давления в реакционном пространстве в традиционных трубчатых (аксиальных) реакторах представляет собой сложную задачу.For example, in traditional tubular reactors, thermal energy enters the reaction space through the walls of the reactor, with the reaction device acting as a heat exchanger. Since heat transfer from the tube walls to the process fluid has physical limits, in some cases increasing the temperature, for example, to obtain the desired reaction result is not possible. In addition, changing/regulating the pressure in the reaction space in traditional tubular (axial) reactors is a difficult task.
Так, из-за недостаточной скорости нагрева сырья в трубчатых печах возрастает длительность процесса пиролиза, в результате чего возникает ситуация, в которой длительность пребывания образовавшихся на начальных этапах олефинов в печи реактора является достаточно длительной для их вступления во вторичные реакции, что значительно сокращает выход целевого продукта. Одним из побочных продуктов является кокс, затрудняющий теплопередачу в трубках и загрязняющий оборудование ниже по потоку.Thus, due to the insufficient heating rate of the raw material in tubular furnaces, the duration of the pyrolysis process increases, resulting in a situation in which the residence time of the olefins formed at the initial stages in the reactor furnace is long enough for them to enter into secondary reactions, which significantly reduces the yield of the target product. product. One byproduct is coke, which impedes heat transfer in the tubes and contaminates downstream equipment.
Кроме того, в известных решениях реакторов очень велики градиенты температуры. Так, температура вдоль стенок реактора обычно очень высока по сравнению с температурой в его центре (если рассматривать реакционную камеру в целом). Поскольку скорость потока текучей среды в центре выше, чем в зонах вблизи стенок реактора, большой градиент температуры является причиной серьезных проблем, связанных с образованием кокса.In addition, in known reactor solutions the temperature gradients are very large. Thus, the temperature along the walls of the reactor is usually very high compared to the temperature in its center (if we consider the reaction chamber as a whole). Since the fluid flow rate in the center is higher than in areas near the reactor walls, the large temperature gradient causes serious coke formation problems.
Кроме того, в известных решениях реакторов длительности пребывания (длительности пребывания содержащей сырье технологической текучей среды в реакционном пространстве) не входят в сферу оптимизации.In addition, in known reactor solutions, residence times (the length of time the raw material-containing process fluid remains in the reaction space) are not within the scope of optimization.
Традиционная технология не предлагает адекватных решений для вышеуказанных проблем, так как на данный момент традиционные печи пиролиза уже достигли своих технических пределов в части изменения скоростей теплопередачи и/или регулирования параметров температуры и, соответственно, результата реакции.Traditional technology does not offer adequate solutions to the above problems, since at the moment traditional pyrolysis furnaces have already reached their technical limits in terms of changing heat transfer rates and/or regulating temperature parameters and, accordingly, the reaction result.
Поэтому возникла серьезная проблема для традиционного процесса производства низкомолекулярных углеводородов путем термического разложения - отсутствие возможности управления процессом в целом, из которой вытекает ряд производных проблем:Therefore, a serious problem has arisen for the traditional process for the production of low molecular weight hydrocarbons by thermal decomposition - the lack of ability to control the process as a whole, from which a number of derivative problems arise:
1) низкий КПД реакторов - трубчатых печей;1) low efficiency of reactors - tube furnaces;
2) потеря ценного сырьевого вещества;2) loss of valuable raw materials;
3) большие длительности реакции;3) long reaction times;
4) высокие скорости вторичных реакций;4) high rates of secondary reactions;
5) высокое энергопотребление;5) high energy consumption;
6) неоптимальные (меньше возможных) выход продукта и селективность.6) non-optimal (less than possible) product yield and selectivity.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Цель настоящего изобретения состоит в решении или по меньшей мере смягчении каждой из проблем, возникающих из-за ограничений и недостатков известного уровня техники. Указанная цель достиThe purpose of the present invention is to solve or at least mitigate each of the problems arising from the limitations and disadvantages of the prior art. Specified achievement goal
- 1 046100 гается за счет различных вариантов осуществления устройства для проведения химических реакций в технологической текучей среде, соответствующей системы, способа и применений. С учетом вышесказанного, в одном аспекте изобретения предложено устройство для проведения химических реакций в технологической текучей среде, которое определено в независимом пункте 1 формулы.- 1 046100 is covered by various embodiments of a device for carrying out chemical reactions in a process fluid, the corresponding system, method and applications. With that said, in one aspect of the invention there is provided a device for carrying out chemical reactions in a process fluid, which is defined in independent claim 1.
В одном варианте осуществления указанное устройство содержит центральный вал с одним или несколькими установленными на нем осерадиальными роторами (рабочими колесами), при этом каждый указанный ротор содержит множество осерадиальных роторных лопастей, расположенных по окружности установленного на центральном валу диска, множество неподвижных лопаток, расположенных выше по потоку от ротора, и смесительную камеру, представляющую собой безлопаточную или лопаточную смесительную камеру, расположенную ниже по потоку от ротора, причем смесительная камера выполнена с возможностью преобразования механической энергии, сообщаемой технологической текучей среде ротором, во внутреннюю энергию указанной технологической текучей среды и создания условий для прохождения по меньшей мере одной химической реакции в технологической текучей среде.In one embodiment, the said device contains a central shaft with one or more axial rotors (impellers) installed on it, with each said rotor containing a plurality of axiadial rotor blades located around the circumference of a disk mounted on the central shaft, a plurality of fixed blades located higher along the flow from the rotor, and a mixing chamber, which is a bladeless or paddle mixing chamber located downstream of the rotor, wherein the mixing chamber is configured to convert the mechanical energy imparted to the process fluid by the rotor into internal energy of the specified process fluid and create conditions for undergoing at least one chemical reaction in the process fluid.
В одном варианте осуществления указанное устройство содержит по меньшей мере два ротора (рабочих колеса), установленных один за другим на центральном валу.In one embodiment, said device comprises at least two rotors (impellers) mounted one behind the other on a central shaft.
Множество неподвижных лопаток, множество осерадиальных роторных лопастей и смесительная камера образуют, в некоторых вариантах осуществления, технологическую ступень с возможностью реализации полного цикла преобразования энергии.A plurality of fixed blades, a plurality of axial rotor blades and a mixing chamber form, in some embodiments, a process stage capable of implementing a complete energy conversion cycle.
В одном варианте осуществления указанного устройства неподвижные лопатки предпочтительно представляют собой входные направляющие лопатки, выполненные с возможностью направления потока технологической текучей среды в ротор в предварительно заданном направлении для управления удельной производительностью ротора по подводу энергии. Указанные неподвижные лопатки предпочтительно также выполнены с возможностью направления потока технологической текучей среды, с предварительной закруткой, в ротор в направлении по существу вдоль меридиональной осесимметричной плоскости Х-r.In one embodiment of the above apparatus, the stationary vanes are preferably inlet guide vanes configured to direct the flow of process fluid into the rotor in a predetermined direction to control the specific power delivery capacity of the rotor. Said stationary blades are preferably also configured to direct a pre-swirled flow of process fluid into the rotor in a direction substantially along the meridional axisymmetric plane X-r.
В одном варианте осуществления указанного устройства роторные лопасти выполнены с возможностью, при вращении ротора, приема по существу осевого потока технологической текучей среды от неподвижных лопаток и дальнейшего поворота указанного потока, с закруткой, по существу в радиальное направление, сообщая таким образом механическую энергию технологической текучей среде путем повышения ее тангенциальной скорости.In one embodiment of the said device, the rotor blades are configured, as the rotor rotates, to receive a substantially axial flow of process fluid from the stationary blades and further rotate said flow to swirl in a substantially radial direction, thereby imparting mechanical energy to the process fluid by increasing its tangential speed.
В одном варианте осуществления указанного устройства ротор также выполнен, в части профилей и размеров роторных лопастей, а также их расположения на диске, с возможностью управления подводом механической энергии к технологической текучей среде.In one embodiment of the said device, the rotor is also configured, in terms of the profiles and dimensions of the rotor blades, as well as their location on the disk, to control the supply of mechanical energy to the process fluid.
В одном варианте осуществления указанный по меньшей мере один ротор в устройстве содержит бандаж, выполненный с возможностью покрытия множества роторных лопастей.In one embodiment, said at least one rotor in the device comprises a band configured to cover a plurality of rotor blades.
В одном варианте осуществления указанного устройства смесительная камера предпочтительно выполнена с возможностью преобразования кинетической или механической энергии технологической текучей среды во внутреннюю энергию указанной технологической текучей среды. Указанная смесительная камера предпочтительно образована трубопроводом, содержащим по меньшей мере изогнутую секцию и следующую за ней секцию канала возврата. В одном варианте осуществления смесительная камера в каждой ступени выполнена с возможностью регулирования ее геометрических и/или размерных параметров. В указанной смесительной камере, любая из изогнутой секции и секции канала возврата предпочтительно выполнена с возможностью регулирования по меньшей мере формы, длины, поперечного сечения и пространственного расположения в устройстве.In one embodiment of said device, the mixing chamber is preferably configured to convert kinetic or mechanical energy of the process fluid into internal energy of said process fluid. Said mixing chamber is preferably formed by a pipeline comprising at least a curved section and a subsequent return channel section. In one embodiment, the mixing chamber in each stage is configured to adjust its geometric and/or dimensional parameters. In said mixing chamber, any one of the curved section and the return channel section is preferably adjustable at least in shape, length, cross-section and spatial arrangement in the device.
В некоторых вариантах осуществления смесительная камера также содержит по меньшей мере один дополнительный компонент, представляющий собой, но неограниченный им, неподвижную лопатку или лопатки, турбулизатор, дроссельное устройство, сетку, устройство направления потока, щели и вставные и/или съемные компоненты и т.п. Смесительная камера может также содержать диффузор, который может быть лопаточным или безлопаточным.In some embodiments, the mixing chamber also includes at least one additional component, including, but not limited to, a fixed blade or blades, a turbulator, a throttling device, a screen, a flow direction device, slots and insertion and/or removable components, and the like. . The mixing chamber may also include a diffuser, which may be vaned or vaneless.
В одном варианте осуществления неподвижные лопатки и/или роторные лопасти в указанном устройстве предпочтительно выполнены с возможностью изменения в каждой ступени по меньшей мере их размеров, относительного расположения и пространственного расположения относительно предварительно заданных или заводских. В одном варианте осуществления указанные неподвижные лопатки и/или роторные лопасти выполнены с возможностью индивидуального регулирования в каждой ступени по меньшей мере их размеров, относительного расположения и пространственного расположения, в ходе эксплуатации устройства.In one embodiment, the stationary blades and/or rotor blades in the specified device are preferably configured to change in each stage at least their dimensions, relative position and spatial arrangement relative to predetermined or factory ones. In one embodiment, said fixed blades and/or rotor blades are configured to be individually adjustable in each stage at least of their size, relative position and spatial arrangement during operation of the device.
В одном варианте осуществления устройство также содержит корпус, выполненный с возможностью вмещения центрального вала и указанной по меньшей мере одной ступени.In one embodiment, the device also includes a housing configured to receive a central shaft and said at least one stage.
В одном варианте осуществления устройство выполнено в виде модульной конструкции, причем корпус образован несколькими расположенными один за другим модулями. Устройство также выполнено с возможностью содержания по меньшей мере одного невыпускного модуля и выпускного модуля.In one embodiment, the device is made in the form of a modular design, the housing being formed by several modules arranged one behind the other. The device is also configured to contain at least one non-exhaust module and an outlet module.
В одном варианте осуществления выпускной модуль содержит по меньшей мере одну выходнуюIn one embodiment, the output module includes at least one output
- 2 046100 линию для выпуска технологической текучей среды, расположенную в направлении по окружности относительно горизонтальной оси устройства, заданной центральным валом, причем смесительная камера выпускного модуля представляет собой выпускную смесительную камеру, образованную внутри выходной линии. Указанный выпускной модуль может также содержать по меньшей мере один дополнительный компонент, представляющий собой, но неограниченный им, окно впрыска, патрубок, коллектор и т.п.- 2 046100 a line for releasing a process fluid located in a circumferential direction relative to the horizontal axis of the device defined by the central shaft, wherein the mixing chamber of the outlet module is an outlet mixing chamber formed within the outlet line. Said exhaust module may also comprise at least one additional component, including, but not limited to, an injection port, a pipe, a manifold, and the like.
В некоторых вариантах осуществления ступень в вышеуказанной модульной конструкции образована указанным по меньшей мере одним модулем.In some embodiments, a stage in the above modular design is formed by said at least one module.
В одном варианте осуществления устройство также выполнено с возможностью содержания впускного модуля, расположенного выше всех по потоку текучей среды и выполненного с возможностью приема содержащей сырье технологической текучей среды через по меньшей мере одну приемную линию, расположенную в направлении по окружности относительно горизонтальной оси устройства, заданной центральным валом.In one embodiment, the device is also configured to contain an inlet module located upstream of the fluid flow and configured to receive raw material-containing process fluid through at least one receiving line located in a circumferential direction relative to the horizontal axis of the device defined by the central shaft.
В одном варианте осуществления ступень образована впускным модулем и выпускным модулем.In one embodiment, the stage is formed by an inlet module and an outlet module.
В одном варианте осуществления количество модулей в модульной конструкции можно регулировать путем добавления, замены и/или удаления указанного по меньшей мере одного невыпускного модуля, установленного между впускным модулем и выпускным модулем.In one embodiment, the number of modules in a modular structure can be adjusted by adding, replacing and/or removing said at least one non-exhaust module installed between the inlet module and the outlet module.
В одном варианте осуществления корпус устройства выполнен с возможностью примыкания вплотную к неподвижным лопаткам, осерадиальным роторным лопастям и смесительной камере.In one embodiment, the device body is configured to abut closely to the stationary blades, axial rotor blades and the mixing chamber.
В еще одном варианте осуществления корпус также содержит верхнюю часть и нижнюю часть относительно горизонтального поперечного сечения устройства, причем указанная верхняя часть выполнена с возможностью охватывания по меньшей мере изогнутой секции канала, образующего смесительную камеру в каждом модуле.In yet another embodiment, the housing also includes an upper portion and a lower portion relative to a horizontal cross-section of the device, said upper portion being configured to enclose at least a curved section of the channel defining the mixing chamber in each module.
В одном варианте осуществления указанная верхняя часть также выполнена с возможностью охватывания по меньшей мере части секции канала возврата.In one embodiment, said top portion is also configured to enclose at least a portion of the return channel section.
В одном варианте осуществления указанная верхняя часть корпуса в каждом отдельном модуле выполнена с возможностью отсоединения и замены.In one embodiment, said upper housing portion in each individual module is detachable and replaceable.
В одном варианте осуществления указанного устройства корпус также может быть выполнен со стенками толщиной не более 30 мм, предпочтительно в пределах 5-20 мм.In one embodiment of the said device, the housing can also be made with walls no thicker than 30 mm, preferably in the range of 5-20 mm.
В одном варианте осуществления устройство выполнено с одной или несколькими каталитическими поверхностями.In one embodiment, the device is configured with one or more catalytic surfaces.
В одном варианте осуществления указанного устройства каждая технологическая ступень и/или каждый модуль выполнены, в части конструкции и/или возможности управления их работой, независимыми от других ступеней и/или модулей.In one embodiment of the specified device, each technological stage and/or each module is made, in terms of design and/or the ability to control their operation, independent of other stages and/or modules.
В одном варианте осуществления устройство также содержит дополнительную установку, например, перегонную и/или теплообменную установку, выполненную с возможностью соединения с указанным по меньшей мере одним невыпускным модулем, расположенным между впускным модулем и выпускным модулем.In one embodiment, the device also includes an additional unit, for example, a distillation and/or heat exchange unit, configured to be connected to said at least one non-exhaust module located between the inlet module and the outlet module.
Согласно другому аспекту предложено применение указанного устройства для термического или термохимического крекинга углеводородсодержащего сырья, которое определено в независимом п.35.According to another aspect, the use of said device for thermal or thermochemical cracking of hydrocarbon-containing raw materials is proposed, which is defined in independent claim 35.
Согласно еще одному аспекту предложена система, содержащая по меньшей мере два устройства по какому-либо из предыдущих аспектов, которая определена в независимом п.37.According to another aspect, there is provided a system comprising at least two devices according to any of the previous aspects, which is defined in independent claim 37.
Согласно еще одному дополнительному аспекту предложен способ проведения химических реакций в технологической текучей среде, который определен в независимом п.39.According to yet another additional aspect, a method of conducting chemical reactions in a process fluid is provided, which is defined in independent claim 39.
Полезность настоящего изобретения обусловлена несколькими причинами в зависимости от каждого из частных вариантов его осуществления. Модульная конструкция реактора согласно настоящему раскрытию позволяет создавать индивидуальные решения в зависимости от конкретных потребностей заказчика. Раскрытое в настоящем документе решение позволяет добавлять и удалять, опционально с заменой, отдельные модули в реакторе и тем самым изменять число технологических ступеней в нем. Например, изначально одноступенчатое реакционное устройство можно легко расширить с образованием конструкции, содержащей две или более ступеней, если одноступенчатая конструкция окажется неспособна к передаче нужного количества энергии за одну ступень.The usefulness of the present invention is due to several reasons depending on each of its particular embodiments. The modular design of the reactor according to the present disclosure allows for customized solutions depending on the specific needs of the customer. The solution disclosed herein makes it possible to add and remove, optionally with replacement, individual modules in a reactor and thereby change the number of process stages therein. For example, an initially single-stage reaction device can be easily expanded to form a structure containing two or more stages if the single-stage design is unable to transfer the required amount of energy in one stage.
Предложенное решение является не только модульным, но и в полной мере обеспечивает возможность изменения масштаба; поэтому раскрытый в настоящем документе реактор может быть выполнен с возможностью использования в очистных установках по существу любого размера и производительности. Под изменением масштаба мы подразумеваем изменение размера отдельно взятого реакционного устройства (и, соответственно, его производительности). Реактор выполнен с возможностью изменения масштаба в гораздо большей степени, чем известные установки; изменение масштаба реактора обычно пропорционально его энергозатратам и/или частоте вращения вала/ротора.The proposed solution is not only modular, but also fully scalable; therefore, the reactor disclosed herein can be configured for use in treatment plants of essentially any size and capacity. By changing scale we mean changing the size of a single reaction device (and, accordingly, its performance). The reactor is designed to be scalable to a much greater extent than known installations; the change in reactor scale is usually proportional to its energy consumption and/or shaft/rotor speed.
Модульное решение реакционного устройства также позволяет получить ряд преимуществ в части улучшения его технологических функциональных возможностей. В частности, раскрытая в настоящем документе конструкция позволяет управлять длительностью пребывания (длительностью времени, котоThe modular solution of the reaction device also allows one to obtain a number of advantages in terms of improving its technological functionality. In particular, the design disclosed herein makes it possible to control the length of stay (the length of time that
- 3 046100 рое содержащая сырье технологическая текучая среда проводит в реакционном пространстве) с высочайшей точностью. Это достигается точным регулированием параметров, относящихся к геометрии и/или пространственной конфигурации смесительной камеры (смесительных камер). Длительность пребывания влияет на соотношение основных и побочных продуктов при постоянной температуре. Так, при малых длительностях пребывания преобладают первичные реакции с образованием целевых продуктов (в данном случае легких олефинов); при больших длительностях пребывания происходит больше вторичных реакций и, как следствие, образование кокса.- 3 046100 the process fluid containing the raw materials is carried out in the reaction space) with the highest precision. This is achieved by precise control of parameters related to the geometry and/or spatial configuration of the mixing chamber(s). The residence time affects the ratio of main and by-products at a constant temperature. Thus, at short residence times, primary reactions with the formation of target products (in this case, light olefins) predominate; at longer residence times, more secondary reactions occur and, as a consequence, coke formation occurs.
Дополнительное управление длительностями пребывания можно обеспечить в каждом модуле или группе модулей путем замены предварительно заданных частей корпуса. Наличие заменяемых модулей и/или заменяемых частей в их составе облегчает техобслуживание реактора и обеспечивает эффективное решение проблемы загрязнения/образования кокса.Additional control of residence times can be provided on each module or group of modules by replacing predefined housing parts. The presence of replaceable modules and/or replaceable parts within them facilitates reactor maintenance and provides an effective solution to the problem of fouling/coke formation.
В известных трубчатых реакторах передача тепла происходит через стенку трубки в текучую среду (поэтому указанные реакторы в своей основе являются теплообменными устройствами). Согласно предлагаемому решению, реактор выполнен с возможностью подвода энергии внутрь участвующей в реакции текучей среды / технологической текучей среды (сред) и непосредственно в них за счет аэродинамических воздействий.In known tubular reactors, heat transfer occurs through the wall of the tube into the fluid (therefore, these reactors are basically heat exchange devices). According to the proposed solution, the reactor is configured to supply energy into and directly into the reaction fluid/process fluid(s) due to aerodynamic influences.
Как следствие, температура поверхности предлагаемого реакционного устройства ниже максимальной температуры в участвующих в реакции текучих средах. Это, с одной стороны, позволяет снизить максимальную температуру в реакторе и, с другой стороны, снизить вероятность образования и отложения кокса на твердых поверхностях реактора.As a consequence, the surface temperature of the proposed reaction device is lower than the maximum temperature in the fluids involved in the reaction. This, on the one hand, makes it possible to reduce the maximum temperature in the reactor and, on the other hand, reduce the likelihood of coke formation and deposition on the solid surfaces of the reactor.
Предлагаемое решение позволяет существенно снизить температуру поверхности и перепад температуры в технологической текучей среде по сравнению с известными реакционными устройствами. Таким образом, предложенное реакционное устройство обеспечивает возможность управления температурой текучей среды и тем самым повышения однородности температуры и соответствующего снижения перепада температуры.The proposed solution allows to significantly reduce the surface temperature and temperature drop in the process fluid compared to known reaction devices. Thus, the proposed reaction device provides the ability to control the temperature of the fluid and thereby increase temperature uniformity and correspondingly reduce the temperature difference.
Также обеспечена возможность высокой управляемости подводом энергии в участвующие в реакции текучие среды.The possibility of high controllability of the energy supply to the fluids involved in the reaction is also ensured.
В примерах конфигурации согласно настоящему раскрытию реактор предпочтительно представляет собой проточный реактор с высоким расходом и производительностью в диапазоне 1-100 кг/с. Как сказано выше, предложенное решение в полной мере обеспечивает возможность изменения масштаба; таким образом, производительность реактора в значительной степени зависит от его размера. В число примеров диапазонов входят 10-15, 25-50 или 75-100 кг/с. В действительности реактор может быть выполнен с возможностью достижения значения производительности свыше 100 кг/с; при этом возможность изменения масштаба устройства в сторону большего размера и/или объема в некоторых случаях может быть ограничена с учетом таких факторов, как энергозатраты, необходимая частота вращения и рентабельность.In example configurations according to the present disclosure, the reactor is preferably a high flow reactor with a throughput in the range of 1-100 kg/s. As stated above, the proposed solution fully provides the ability to change the scale; thus, the reactor's performance is highly dependent on its size. Example ranges include 10-15, 25-50 or 75-100 kg/s. In fact, the reactor can be configured to achieve productivity values in excess of 100 kg/s; however, the ability to scale up a device to a larger size and/or volume may in some cases be limited by factors such as energy costs, required rotation speed, and cost-effectiveness.
Также можно выделить следующие преимущества предлагаемого решения по сравнению с известными установками, например осевыми и кольцевыми (тороидными) решениями:We can also highlight the following advantages of the proposed solution compared to known installations, for example, axial and annular (toroidal) solutions:
повышенная производительность по подводу энергии (приблизительно на 400% по сравнению с известными решениями);increased energy supply performance (approximately 400% compared to known solutions);
компактность (снижение себестоимости);compactness (cost reduction);
исключена возможность перемешивание потока между ступенями;the possibility of mixing the flow between stages is excluded;
возможность управления длительностями пребывания, давлением и температурой, в совокупности влияющими на выход продукции, с высокой точностью на каждой ступени (ни одно из известных решений не позволяет управлять совместно всеми тремя вышеуказанными параметрами);the ability to control residence times, pressure and temperature, which collectively affect product yield, with high accuracy at each stage (none of the known solutions makes it possible to control all three of the above parameters together);
однородное распределение температуры по окружности, уменьшенный зазор;uniform temperature distribution around the circumference, reduced gap;
уменьшение образования кокса.reduction of coke formation.
Термины пиролиз и крекинг в настоящем раскрытии употребляются в значительной степени как синонимы применительно к процессу термического разложения соединений, содержащих более тяжелые углеводороды, на соединения, содержащие более легкие углеводороды.The terms pyrolysis and cracking are used largely interchangeably in this disclosure to refer to the process of thermal decomposition of compounds containing heavier hydrocarbons into compounds containing lighter hydrocarbons.
Выражение один или несколько означает в настоящем документе любое положительное целое число, начиная с одного (1), например один, два или три. Выражение множество означает положительное целое число, начиная с двух (2), например два, три или четыре.The expression one or more as used herein means any positive integer starting with one (1), such as one, two, or three. The expression set means a positive integer starting with two (2), such as two, three or four.
Слова первый и второй служат в настоящем документе исключительно для проведения различия между каким-либо элементом и другим элементом без указания какого-либо конкретного порядка следования или важности, если особо не оговорено иное.The words first and second serve herein solely to distinguish between any element and another element without indicating any particular order or importance unless otherwise specifically stated.
Понятия текучая среда и технологическая текучая среда в контексте настоящего раскрытия означают, в большинстве случаев, газообразное вещество, например, поток газообразного сырья, направляемый через внутреннее пространство реакционного устройства, предпочтительно, в присутствии разбавителя.The terms fluid and process fluid in the context of the present disclosure mean, in most cases, a gaseous substance, for example, a gaseous feed stream directed through the interior of a reaction device, preferably in the presence of a diluent.
Понятие газифицированный в настоящем документе служит для обозначения вещества, переведенного в газообразное состояние какими-либо возможными средствами.The term gasified as used herein refers to a substance that has been converted into a gaseous state by any possible means.
- 4 046100- 4 046100
Понятие гидродинамический в настоящем документе служит для обозначения динамики текучих сред, которыми в настоящем раскрытии в большинстве случаев являются газы. Поэтому в настоящем раскрытии указанное понятие употребляется как синоним понятия аэродинамический.The term hydrodynamic as used herein refers to the dynamics of fluids, which in the present disclosure are generally gases. Therefore, in the present disclosure, this concept is used as a synonym for the concept aerodynamic.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения станут понятны после ознакомления с разделом Осуществление изобретения и прилагаемыми чертежами.Various embodiments of the present invention will become clear after reading the section and the accompanying drawings.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Фиг. 1А и 1В иллюстрируют устройство 100 согласно одному из вариантов осуществления.Fig. 1A and 1B illustrate a device 100 according to one embodiment.
Фиг. 2А и 2В иллюстрируют устройство 100А согласно другим вариантам осуществления.Fig. 2A and 2B illustrate device 100A according to other embodiments.
Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном разрезе выпускного модуля устройства согласно некоторым вариантам осуществления.Fig. 3 is a cross-sectional view of an outlet module of a device according to some embodiments.
Фиг. 4 представляет собой вид через частичный поперечный разрез элементов, относящихся к статору и ротору, в устройстве согласно некоторым вариантам осуществления. Указаны направление вращения, угловая (Ω, ω) и тангенциальная скорости на входе (r1 ω) и выходе (τ2ω).Fig. 4 is a partial cross-sectional view of stator and rotor related elements in an apparatus according to some embodiments. The direction of rotation, angular (Ω, ω) and tangential velocities at the inlet (r 1 ω) and outlet (τ 2 ω) are indicated.
Фиг. 5 изображает вариант осуществления устройства, также содержащий дополнительную установку, например, систему охлаждения.Fig. 5 shows an embodiment of the device also comprising an additional installation, for example a cooling system.
Фиг. 6А и 6В схематически иллюстрируют примеры конфигурации элементов, относящихся к статору и ротору.Fig. 6A and 6B schematically illustrate configuration examples of elements related to the stator and rotor.
Фиг. 6С схематически иллюстрирует пример технологической ступени устройства согласно некоторым вариантам осуществления.Fig. 6C schematically illustrates an example of a device process step according to some embodiments.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Варианты осуществления настоящего изобретения детально раскрыты на примерах прилагаемых чертежей. Одни и те же номера позиций обозначают одни и те же элементы на всех чертежах.Embodiments of the present invention are disclosed in detail by way of examples in the accompanying drawings. The same reference numbers designate the same elements throughout the drawings.
Фиг. 1А и 2А иллюстрируют под номерами 100, 100А идею, лежащую в основе нескольких вариантов осуществления реакционного устройства для проведения химических реакций в технологической текучей среде, далее реактор, согласно нескольким вариантам осуществления.Fig. 1A and 2A illustrate at 100, 100A the idea underlying several embodiments of a reaction apparatus for carrying out chemical reactions in a process fluid, hereinafter referred to as a reactor, according to several embodiments.
Реактор 100, 100А выполнен в виде радиальной турбомашины, конструктивно решенной в целом аналогично центробежным компрессорам или центробежным насосам. Понятие центробежный означает, что поток текучей среды в устройстве является радиальным; поэтому устройство может именоваться в настоящем раскрытии радиально-поточное устройство или радиальное устройство.The reactor 100, 100A is made in the form of a radial turbomachine, structurally designed in general similar to centrifugal compressors or centrifugal pumps. The term centrifugal means that the fluid flow in the device is radial; therefore, the device may be referred to in the present disclosure as a radial flow device or a radial device.
Реактор 100, 100А выполнен с возможностью проведения по меньшей мере одной химической реакции в технологической текучей среде. В некоторых примерах осуществления реактор выполнен с возможностью термического или термохимического преобразования углеводородсодержащего сырья, в частности, флюидизированного углеводородсодержащего сырья. В настоящем документе под углеводородсодержащим сырьем мы подразумеваем флюидизированное органическое сырьевое вещество, содержащее, в основном, углерод и водород. При этом в некоторых случаях реактор может быть выполнен с возможностью переработки кислородсодержащего сырьевого вещества, например, кислородсодержащих производных углеводородов, сырья на основе целлюлозы и/или сырья на основе растительных масел. Таким образом, возможности использования предложенного реактора выходят за пределы, ограниченные традиционным определением углеводородное сырье.The reactor 100, 100A is configured to conduct at least one chemical reaction in a process fluid. In some embodiments, the reactor is configured to thermally or thermochemically convert a hydrocarbon-containing feedstock, in particular a fluidized hydrocarbon-containing feedstock. As used herein, by hydrocarbon-containing feedstock we mean a fluidized organic feedstock containing primarily carbon and hydrogen. In some cases, the reactor may be configured to process oxygen-containing feedstocks, for example, oxygen-containing hydrocarbon derivatives, cellulose-based feedstocks and/or vegetable oil-based feedstocks. Thus, the possibilities of using the proposed reactor go beyond the limits limited by the traditional definition of hydrocarbon feedstock.
Реактор 100, 100А выполнен с возможностью переработки газифицированного сырья, причем технологическая текучая среда находится в газообразном состоянии. В альтернативных конфигурациях не исключена возможность переработки по существу жидкого сырьевого вещества.The reactor 100, 100A is configured to process gasified feedstock, wherein the process fluid is in a gaseous state. In alternative configurations, the possibility of processing a substantially liquid feedstock is not excluded.
В реакциях пиролиза сырье обычно содержит разбавитель (разбавители) для улучшения показателей выхода продукта. Реактор 100, 100А предпочтительно выполнен с возможностью приема сырья, разбавленного по меньшей мере одним разбавителем, предпочтительно газообразным разбавителем, например (водяным) паром, азотом (N2) или аргоном. В некоторых случаях разбавитель представляет собой инертную газообразную среду (например, азот, аргон) по существу с нулевой химической активностью в отношении веществ, участвующих в реакции, и ее продуктов. Возможно использование любого другого подходящего разбавителя, предпочтительно, газообразного разбавителя. Таким образом, технологическая текучая среда, проходящая через устройство 100, 100А, содержит указанный по меньшей мере один разбавитель.In pyrolysis reactions, the feedstock typically contains diluent(s) to improve product yields. The reactor 100, 100A is preferably configured to receive a feed diluted with at least one diluent, preferably a gaseous diluent, for example (steam) steam, nitrogen (N2) or argon. In some cases, the diluent is an inert gaseous medium (eg, nitrogen, argon) with essentially zero chemical activity towards the substances involved in the reaction and its products. Any other suitable diluent may be used, preferably a gaseous diluent. Thus, the process fluid passing through the device 100, 100A contains the at least one diluent.
Реактор 100, 100А содержит центральный вал 1, расположенный по горизонтальной (продольной) оси (X-X'; поток технологической текучей среды по горизонтальной оси обозначен стрелкой), и один или несколько роторных блоков, далее роторы, установленных на указанном валу 1. В некоторых конфигурациях реактор содержит по меньшей мере один ротор; в предпочтительных конфигурациях реактор содержит два или более роторов, установленных последовательно (один за другим) на центральном валу.The reactor 100, 100A contains a central shaft 1 located along the horizontal (longitudinal) axis (X-X'; the flow of process fluid along the horizontal axis is indicated by an arrow), and one or more rotor blocks, then rotors, installed on the specified shaft 1. B in some configurations the reactor includes at least one rotor; in preferred configurations, the reactor contains two or more rotors mounted in series (one behind the other) on a central shaft.
Реактор 100, 100А также содержит по меньшей мере один приводной блок (не показан), например, электромотор, паровую турбину или газовую турбину, выполненный с возможностью вращения вала и установленных на нем роторов.The reactor 100, 100A also includes at least one drive unit (not shown), such as an electric motor, steam turbine or gas turbine, configured to rotate a shaft and rotors mounted thereon.
При этом каждый указанный роторный блок содержит множество роторных лопастей 3, расположенных по окружности диска 3а, установленного на центральном валу 1. Указанное множество роторных лопастей, расположенных на диске, совместно образует узел роторных лопастей или решетку роторIn this case, each specified rotor unit contains a plurality of rotor blades 3 located around the circumference of a disk 3a mounted on the central shaft 1. The specified plurality of rotor blades located on the disk together form a rotor blade assembly or a rotor lattice
- 5 046100 ных лопастей. Указанные роторные лопасти 3 могут быть выполнены в виде осерадиальных роторных лопастей; в качестве альтернативы роторные лопасти могут быть выполнены в виде преимущественно радиальных роторных лопастей. Значение выражения осерадиальные роторные лопасти можно объяснить следующим образом. На фиг. 4 показано, что технологическая текучая среда поступает в ротор аксиально по существу в горизонтальном направлении Х-X' (с тангенциальными закрутками или без них) и покидает ротор преимущественно в направлении, являющемся, в проекции на меридиональной плоскости, преимущественно радиальным (т.е. радиально наружу от горизонтальной оси Х-Х', заданной центральным валом устройства). Меридиональный вид (двумерный) представлен в виде горизонтального поперечного разреза через реактор 100, 100А. Преимущественно радиальная роторная лопасть проиллюстрирована на фиг. 6С. В целом роторные лопасти 3 представляют собой лопасти высоконагружаемого центробежного лопастного колеса для подвода энергии в ступени высокого давления. Ротор может быть выполнен с возможностью содержания разделительных лопастей, дополнительно повышающих производительность по подводу энергии. Роторы с разделительными лопастями раскрыты ниже на примере фиг. 6В.- 5 046100 blades. These rotor blades 3 can be made in the form of axial rotor blades; Alternatively, the rotor blades can be designed as predominantly radial rotor blades. The meaning of the expression axial-radial rotor blades can be explained as follows. In fig. 4 shows that the process fluid enters the rotor axially in a substantially horizontal direction X-X' (with or without tangential swirls) and leaves the rotor in a direction that is, in projection on the meridional plane, predominantly radial (i.e. radially outward from the horizontal axis X-X' defined by the central shaft of the device). The meridional view (two-dimensional) is presented as a horizontal cross-section through the reactor 100, 100A. An advantageously radial rotor blade is illustrated in FIG. 6C. In general, the rotor blades 3 are blades of a high-load centrifugal blade wheel for supplying energy to the high-pressure stage. The rotor may be configured to contain separating blades, further increasing the energy delivery capacity. Rotors with separating blades are disclosed below using the example of FIG. 6B.
Реактор 100, 100А также содержит множество неподвижных (статорных) лопаток 2, расположенных выше по потоку от ротора. Указанное множество неподвижных лопаток совместно образует решетку статорных лопаток (статор), выполненную в виде по существу кольцевого узла выше по потоку от ротора.The reactor 100, 100A also contains a plurality of stationary (stator) blades 2 located upstream of the rotor. Said plurality of stationary blades together form an array of stator blades (stator) configured as a substantially annular assembly upstream of the rotor.
В предпочтительных конфигурациях реактор 100, 100А также содержит смесительную камеру 4, расположенную ниже по потоку от ротора.In preferred configurations, reactor 100, 100A also includes a mixing chamber 4 located downstream of the rotor.
В настоящем документе понятия выше по потоку и ниже по потоку относятся к пространственному и/или функциональному расположению конструктивных частей или компонентов относительно предварительно заданной части или компонента, в данном случае ротора, в направлении потока технологической текучей среды через реактор (по оси Х-X', фиг. 1А, 2А).As used herein, the terms upstream and downstream refer to the spatial and/or functional arrangement of structural parts or components relative to a predetermined part or component, in this case the rotor, in the direction of flow of process fluid through the reactor (along the X-X' axis , Fig. 1A, 2A).
Неподвижные лопатки 2 предпочтительно представляют собой лопатки (входного) направляющего аппарата (ВНА) (или входные направляющие лопатки), выполненные, в части профилей, размеров и расположения вокруг центрального вала, с возможностью направления потока технологической текучей среды в ротор в предварительно заданном направлении для управления и, в некоторых случаях, доведения до максимума удельной производительности ротора по подводу энергии. Будучи неподвижной конструкцией, статор 2 не сообщает дополнительную энергию технологической текучей среде. При этом статорные лопатки выполнены с возможностью создания необходимой/предусмотренной предварительной закрутки технологической текучей среды, что позволяет довести до максимума подвод ротором (механической) энергии в указанную технологическую текучую среду. Это достигается за счет выполнения статорных лопаток по размерам с возможностью принудительного ввода технологической текучей среды в ротор с предварительно заданными и требуемыми (например, технологическими параметрами) углом и скоростью. Угол, под которым текучая среда поступает в роторные лопасти (угол входа), является наиболее существенным параметром, так как от него зависит количество энергии, которое ротор 3 (расположенный ниже по потоку от статора 2) сообщит текучей среде.The fixed vanes 2 are preferably (inlet) guide vanes (IVAs) (or inlet guide vanes) configured, in profiles, dimensions and arrangement around the central shaft, to direct the flow of process fluid into the rotor in a predetermined direction for control and, in some cases, maximizing the specific energy input capacity of the rotor. Being a stationary structure, the stator 2 does not impart additional energy to the process fluid. In this case, the stator blades are configured to create the necessary/provided pre-swirl of the process fluid, which makes it possible to maximize the supply of (mechanical) energy by the rotor to the specified process fluid. This is achieved by making the stator blades sized with the ability to force the process fluid into the rotor with a predetermined and required (for example, process parameters) angle and speed. The angle at which the fluid enters the rotor blades (entry angle) is the most significant parameter, since it determines the amount of energy that the rotor 3 (located downstream of the stator 2) will impart to the fluid.
Неподвижные лопатки 2 также выполнены с возможностью направления потока технологической текучей среды в ротор в направлении по существу вдоль меридиональной осесимметричной плоскости Х-r (фиг. 1А, 4).The fixed blades 2 are also configured to direct the flow of process fluid into the rotor in a direction substantially along the meridional axisymmetric plane X-r (Fig. 1A, 4).
Таким образом, поток технологической текучей среды поступает в множество роторных лопастей 3 по существу в осевом направлении (указанном стрелкой по плоскости Х-X', фиг. 1А, 2А). Осерадиальные роторные лопасти 3 также выполнены с возможностью приема, при вращении ротора, указанного по существу осевого потока технологической текучей среды от неподвижных лопаток 2 и дальнейшего поворота указанного потока по существу в радиальном направлении (фиг. 4), сообщая таким образом механическую энергию технологической текучей среде путем повышения ее тангенциальной скорости (окружной скорости). Результатом повышения тангенциальной скорости является соответствующее повышение кинетической энергии текучей среды.Thus, the process fluid flow enters the plurality of rotor blades 3 in a substantially axial direction (indicated by an arrow along the plane X-X', FIGS. 1A, 2A). The axial rotor blades 3 are also configured to receive, when the rotor rotates, said essentially axial flow of process fluid from the stationary blades 2 and further rotate said flow in a substantially radial direction (FIG. 4), thereby imparting mechanical energy to the process fluid by increasing its tangential speed (peripheral speed). The result of an increase in tangential velocity is a corresponding increase in the kinetic energy of the fluid.
Фиг. 4 изображает взаимное расположение статорных лопаток 2 и роторных лопастей 3. Направление вращения ротора вокруг горизонтальной оси (X) указано стрелкой. Угловая скорость ротора обозначена Ω (ω, омега); а тангенциальная скорость или окружная скорость роторной лопасти равна r ω, где r - радиус ротора. Фиг. 4 изображает треугольники векторов для потока текучей среды, поступающего в ротор (и ω, Vj, Wj), и для ее потока, выходящего из ротора (r2 ω, V2, W2), где вектор W - относительная скорость (потока), вектор V - абсолютная скорость (потока), также указывающий направление потока, причемFig. 4 shows the relative position of the stator blades 2 and the rotor blades 3. The direction of rotation of the rotor around the horizontal axis (X) is indicated by an arrow. The angular velocity of the rotor is denoted by Ω (ω, omega); and the tangential speed or peripheral speed of the rotor blade is equal to r ω, where r is the radius of the rotor. Fig. 4 depicts triangles of vectors for the fluid flow entering the rotor (and ω, Vj, Wj), and for its flow leaving the rotor (r 2 ω, V 2 , W 2 ), where the vector W is the relative speed (of the flow) , vector V is the absolute speed (of flow), also indicating the direction of flow, and
V=W+(r ω)V=W+(r ω)
Из фиг. 4 можно видеть, что по существу осевой поток текучей среды (V1) выходит из статора 2 и поступает в ротор 3, где роторные лопасти далее направляют его, при вращении указанного ротора, радиально наружу от горизонтальной оси (X), заданной центральным валом устройства (V2; поток выходит из роторных лопастей). Понятие радиальный или радиально в настоящем раскрытии служит для указания направления (направлений), по существу ортогональных горизонтальной (продольной) оси (X) устройства 100, заданной центральным валом 1.From fig. 4, it can be seen that a substantially axial flow of fluid (V1) exits the stator 2 and enters the rotor 3, where the rotor blades further direct it, as said rotor rotates, radially outward from the horizontal axis (X) defined by the central shaft of the device ( V 2 ; flow exits the rotor blades). The term radial or radially in the present disclosure serves to indicate direction(s) substantially orthogonal to the horizontal (longitudinal) axis (X) of the device 100 defined by the central shaft 1.
- 6 046100- 6 046100
В некоторых случаях окружная скорость роторных лопастей может составлять по меньшей мере 150 м/с. В некоторых случаях указанная окружная скорость может быть отрегулирована до диапазона 150-350 м/с. Снижение окружной скорости ниже 150 м/с нежелательно, так как нагрузочная способность ротора будет слишком низкой.In some cases, the peripheral speed of the rotor blades can be at least 150 m/s. In some cases, the specified peripheral speed can be adjusted to a range of 150-350 m/s. Reducing the peripheral speed below 150 m/s is undesirable, since the load capacity of the rotor will be too low.
В данном случае ротор выполнен в части профилей и размеров роторных лопастей, а также их расположения на диске с возможностью доведения до максимума подвода механической энергии к технологической текучей среде.In this case, the rotor is made in terms of the profiles and dimensions of the rotor blades, as well as their location on the disk with the possibility of maximizing the supply of mechanical energy to the process fluid.
В некоторых случаях предпочтительно, чтобы указанный по меньшей мере один ротор также содержал бандаж 3b, выполненный с возможностью покрытия множества роторных лопастей 3. Безбандажные роторы (рабочие колеса) обычно менее эффективны из-за высоких потерь на перетекание (потока, утекающего поверх непокрытых роторных лопастей), в некоторых случаях - на обратное перетекание. Обшивка ротора, например бандаж 3b, эффективно предотвращает или по меньшей мере минимизирует это перетекание. Бандаж также предотвращает обратное течение текучей среды и пагубное перемешивание потока, которые в его отсутствие могли бы происходить между ступенями.In some cases, it is preferable that the at least one rotor also comprise a shroud 3b configured to cover a plurality of rotor blades 3. Shroudless rotors (impellers) are generally less efficient due to high crossover losses (flow flowing over uncoated rotor blades). ), in some cases - to reverse flow. A rotor casing, such as the band 3b, effectively prevents or at least minimizes this flow. The band also prevents backflow of fluid and detrimental mixing of the flow, which otherwise would occur between stages.
В некоторых случаях предпочтительно, чтобы одно и то же устройство 100, 100А содержало и бандажные, и безбандажные роторы. Безбандажные роторы позволяют эксплуатировать ротор с более высокой частотой вращения, при этом конфигурация с одним или несколькими безбандажными роторами, за которыми следуют один или несколько бандажных роторов, может обеспечивать преимущество в части регулирования условий реакции в многороторных конфигурациях (например, содержащих по меньшей мере пять роторов, расположенных последовательно на центральном валу).In some cases, it is preferable for the same device 100, 100A to include both shrouded and shroudless rotors. Shroudless rotors allow the rotor to be operated at higher speeds, and a configuration with one or more shroudless rotors followed by one or more shrouded rotors may provide an advantage in controlling reaction conditions in multi-rotor configurations (e.g., containing at least five rotors , located sequentially on the central shaft).
Ротор выполнен с возможностью сообщения механической энергии технологической текучей среде, а смесительная камера 4, расположенная ниже по потоку от ротора, выполнена с возможностью преобразования механической энергии технологической текучей среды во внутреннюю энергию указанной технологической текучей среды. В смесительной камере 4 происходит диффузия высокоскоростного потока текучей среды, поступающего из ротора, со значительным возрастанием энтропии, в результате чего происходит рассеяние кинетической энергии с превращением ее во внутреннюю энергию участвующих в реакции (технологических) текучих сред и образованием тепловой энергии, необходимой для разрушения химических связей между длинными углерод-водородными (С-Н) цепями. В результате возрастания внутренней энергии текучей среды возрастает температура текучей среды. Как следствие, происходит эффективное уменьшение в размере высокомолекулярных соединений, присутствующих в технологической текучей среде.The rotor is configured to impart mechanical energy to the process fluid, and the mixing chamber 4 located downstream of the rotor is configured to convert the mechanical energy of the process fluid into internal energy of the specified process fluid. In the mixing chamber 4, diffusion of a high-speed fluid flow coming from the rotor occurs with a significant increase in entropy, resulting in the dissipation of kinetic energy with its conversion into internal energy of the (technological) fluids participating in the reaction and the formation of thermal energy necessary for the destruction of chemical bonds between long carbon-hydrogen (C-H) chains. As a result of the increase in internal energy of the fluid, the temperature of the fluid increases. As a consequence, there is an effective reduction in the size of high molecular weight compounds present in the process fluid.
В известных трубчатых реакторах происходит преобразование механической энергии в тепло и его передача через стенку трубки. В своей основе указанный известный трубчатый реактор является теплообменным устройством. При этом настоящее устройство 100, 100А выполнено с возможностью сообщения энергии непосредственно молекулам. Таким образом, рассеяние механической энергии вызвано аэродинамическими воздействиями.In known tubular reactors, mechanical energy is converted into heat and transferred through the tube wall. At its core, this known tubular reactor is a heat exchange device. In this case, the present device 100, 100A is configured to impart energy directly to the molecules. Thus, the dissipation of mechanical energy is caused by aerodynamic influences.
В реакторе 100, 100А, множество неподвижных лопаток 2 (выше по потоку от ротора), множество осерадиальных роторных лопастей 3 и смесительная камера 4 образуют технологическую ступень (далее ступень) с возможностью реализации полного цикла преобразования энергии. В ходе цикла преобразования энергии происходит преобразование механической энергии текучей среды в кинетическую энергию и далее во внутреннюю энергию текучей среды, с последующим возрастанием температуры текучей среды и протеканием в ней химических реакций.In the reactor 100, 100A, a plurality of fixed blades 2 (upstream from the rotor), a plurality of axial rotor blades 3 and a mixing chamber 4 form a technological stage (hereinafter referred to as a stage) with the ability to implement a complete energy conversion cycle. During the energy conversion cycle, the mechanical energy of the fluid is converted into kinetic energy and then into the internal energy of the fluid, followed by an increase in the temperature of the fluid and the occurrence of chemical reactions in it.
Смесительная камера на фиг. 1В и 2В образована трубопроводом, содержащим по меньшей мере изогнутую секцию 41 и следующую за ней секцию 42 канала возврата. В каждой ступени указанная смесительная камера 4 выполнена с возможностью регулирования ее геометрических и/или размерных параметров. Так, любая из изогнутой секции 41 и секции 42 канала возврата в смесительной камере 4 выполнена с возможностью регулирования по меньшей мере ее формы, длины, поперечного сечения и пространственного расположения в устройстве 100, 100А.The mixing chamber in Fig. 1B and 2B is formed by a conduit comprising at least a curved section 41 and a subsequent return channel section 42. In each stage, said mixing chamber 4 is configured to regulate its geometric and/or dimensional parameters. Thus, any of the curved section 41 and the return channel section 42 in the mixing chamber 4 is adjustable at least its shape, length, cross-section and spatial arrangement in the device 100, 100A.
Изогнутая секция 41 предпочтительно выполнена в виде U-образного изгиба; при этом не исключена возможность других конфигураций, например S-образной.The curved section 41 is preferably made in the form of a U-shaped bend; However, the possibility of other configurations, for example S-shaped, is not excluded.
Изменение вышеуказанных параметров смесительной камеры 4 позволяет с высокой точностью управлять длительностями пребывания (длительностями пребывания технологической текучей среды в каждой смесительной камере) и выходом реакции. Например, путем увеличения длины и/или диаметра изогнутой секции 41 и/или секции 42 канала возврата можно довести до максимума и/или ускорить возрастание энтропии технологической текучей среды, тем самым создав условия для быстрой передачи механической энергии ротора текучей среде. Таким образом, смесительная камера 4 образует реакционное пространство, где в основном протекает химическая реакция (химические реакции).Changing the above parameters of the mixing chamber 4 allows for high precision control of residence times (the length of time the process fluid remains in each mixing chamber) and reaction yield. For example, by increasing the length and/or diameter of the curved return channel section 41 and/or the return channel section 42, the increase in entropy of the process fluid can be maximized and/or accelerated, thereby allowing the mechanical energy of the rotor to be rapidly transferred to the fluid. Thus, the mixing chamber 4 forms a reaction space where the chemical reaction(s) mainly takes place.
Смесительная камера 4 также содержит по меньшей мере один дополнительный компонент, представляющий собой, но неограниченный им, неподвижную лопатку или лопатки, для управления абсолютным направлением потока, устройство усиления турбулентности (турбулизатор), дроссельное устройство, сетку, устройство направления потока, щели и вставные и/или съемные компоненты и т.п. (не показаны). Дополнительные компоненты могут обеспечивать преимущества в части доведения до макThe mixing chamber 4 also contains at least one additional component, including, but not limited to, a fixed blade or blades for controlling the absolute direction of flow, a turbulence enhancement device (turbulator), a throttling device, a screen, a flow direction device, slits and inserts and /or removable components, etc. (not shown). Additional components may provide benefits in terms of achieving maximum
- 7 046100 симума возрастания энтропии технологической текучей среды. Указанные дополнительные компоненты также обеспечивают дополнительные возможности регулирования смесительных камер, в том числе в ходе эксплуатации реактора.- 7 046100 the maximum increase in the entropy of the process fluid. These additional components also provide additional control options for the mixing chambers, including during reactor operation.
В некоторых конфигурациях устройство 100, 100А содержит диффузор 4b, проиллюстрированный на фиг. 2В, 6А и 6В. Диффузор предпочтительно расположен ниже по потоку от ротора 3, в смесительной камере 4, в изогнутой секции 41 и/или по меньшей мере в части секции 42 канала возврата. Диффузор могут быть выполнен в виде лопаточного диффузора, содержащего множество неподвижных лопаток 4b, также именуемых выходные направляющие лопатки (фиг. 6А, 6В), или в виде безлопаточного диффузора. Неподвижные лопатки в диффузоре могут быть расположены непосредственно на стенке, ограничивающей внутреннее пространство смесительной камеры, и/или соединены с ней вспомогательными средствами, например, кольцами, кронштейнами и т.п.In some configurations, device 100, 100A includes a diffuser 4b illustrated in FIG. 2B, 6A and 6B. The diffuser is preferably located downstream of the rotor 3, in the mixing chamber 4, in the curved section 41 and/or at least part of the return channel section 42. The diffuser can be made in the form of a vane diffuser containing a plurality of fixed vanes 4b, also called outlet guide vanes (FIGS. 6A, 6B), or in the form of a vaneless diffuser. Fixed blades in the diffuser can be located directly on the wall delimiting the internal space of the mixing chamber and/or connected to it by auxiliary means, for example, rings, brackets, etc.
Фиг. 6А и 6В схематически иллюстрируют примеры конфигурации для роторных лопастей 3 и неподвижных лопаток 4b (лопаток диффузора), расположенных ниже по потоку от ротора, и их взаимного расположения. Примеры рабочих параметров для ротора (рабочего колеса) на фиг. 6А и 6В сведены в таблице ниже.Fig. 6A and 6B schematically illustrate configuration examples for the rotor blades 3 and stationary blades 4b (diffuser blades) located downstream of the rotor and their relative positions. Examples of operating parameters for the rotor (impeller) in Fig. 6A and 6B are summarized in the table below.
________Примеры рабочих параметров для ротора 3 (фиг. 6А, 6В)________________Examples of operating parameters for rotor 3 (Fig. 6A, 6B)________
* Причем вход (передняя кромка) и выход (задняя кромка) обозначены относительно направления потока текучей среды (приблизительные направления потока текучей среды указаны на фиг. 6А, 6В штриховыми стрелками; направление вращения ротора указано сплошной горизонтальной стрелкой).* Moreover, the inlet (leading edge) and outlet (rear edge) are indicated relative to the direction of fluid flow (approximate directions of fluid flow are indicated in Fig. 6A, 6B by dashed arrows; the direction of rotation of the rotor is indicated by a solid horizontal arrow).
Фиг. 6В изображает альтернативную конфигурацию для канала ротора, содержащего множество разделительных лопастей 31, чередующихся с основными роторными лопастями 3. Разделительные лопасти 31 выполнены с возможностью уменьшения нагрузки на роторную лопасть в задней части роторной лопасти и увеличения производительности по подводу энергии и расходу. В примерах конфигурации число роторных лопастей обычно составляет 64 (32 основные роторные лопасти+32 разделительные лопасти).Fig. 6B depicts an alternative configuration for a rotor channel including a plurality of separating vanes 31 interleaved with main rotor blades 3. The separating vanes 31 are configured to reduce the load on the rotor blade at the rear of the rotor blade and increase the energy input and flow rate. In configuration examples, the number of rotor blades is typically 64 (32 main rotor blades+32 separation blades).
Роторные лопасти могут быть выполнены с возможностью создания режима запирания (глушения) потока во входе ротора, что позволяет точно управлять пропускной способностью. В большинстве режимов эксплуатации запирание также достигается во входе статорных лопаток (направляющего аппарата), что позволяет управлять абсолютной пропускной способностью статора путем повышения фактического давления торможения потока через ротор (с учетом потерь в безлопаточной смесительной камере 4). Режим запирания потока в данном случае представляет собой режим, связанный с ограниченной пропускной способностью на входе в лопастной венец, где скорость потока является сверхзвуковой.The rotor blades can be configured to create a mode of blocking (damping) the flow at the rotor inlet, which allows precise control of the throughput. In most operating modes, blocking is also achieved at the inlet of the stator blades (guide vanes), which makes it possible to control the absolute capacity of the stator by increasing the actual stagnation pressure of the flow through the rotor (taking into account losses in the bladeless mixing chamber 4). The flow blocking mode in this case is a mode associated with a limited throughput at the entrance to the blade rim, where the flow speed is supersonic.
Фиг. 6С схематически иллюстрирует меридиональный вид технологической ступени (входной завихритель потока не показан). Вход ступени и выход ступени обозначены стрелками. Фиг. 6С изображает ротор 3 и часть смесительной камеры 4, где расположены лопатки 4b диффузора (выходные направляющие лопатки). Безлопаточное пространство в смесительной камере 4 обеспечивает возможность смешивания. Номинальный расход конструкции ступени на фиг. 6С составляет 60 кг/с, что эквивалентно 216 тоннам сырья в час.Fig. 6C schematically illustrates a meridional view of a process stage (the inlet flow swirler is not shown). The stage input and stage output are indicated by arrows. Fig. 6C shows the rotor 3 and part of the mixing chamber 4 where the diffuser vanes 4b (outlet guide vanes) are located. The bladeless space in the mixing chamber 4 allows for mixing. The nominal flow rate of the stage design in Fig. 6C is 60 kg/s, which is equivalent to 216 tons of raw material per hour.
На фиг. 6С показано, что относительно большое безлопаточное пространство (4) образовано между задней кромкой роторной лопасти 3 и передней кромкой неподвижной выходной направляющей лопатки 4b для обеспечения возможности дополнительного перемешивания потока текучей среды и тем самым снижения давления торможения.In fig. 6C shows that a relatively large bladeless space (4) is formed between the trailing edge of the rotor blade 3 and the leading edge of the stationary exit guide vane 4b to allow further mixing of the fluid flow and thereby reducing the stagnation pressure.
Неподвижные лопатки 2 (выше по потоку от ротора), роторные лопасти 3 и/или неподвижные ло- 8 046100 патки 4b (ниже по потоку от ротора) предпочтительно выполнены с возможностью индивидуального регулирования их размеров, относительного расположения и пространственного расположения в каждой ступени на стадии проектирования (изготовления) или эксплуатации. Так, неподвижные лопатки и/или роторные лопасти выполнены с возможностью изменения в каждой ступени по меньшей мере их размеров, относительного расположения и пространственного расположения, относительно предварительно заданных (заданных до начала эксплуатации и/или в ходе нее) или заводских. Помимо возможности индивидуального изменения в зависимости от ступени, указанные неподвижные лопатки и/или роторные лопасти могут быть выполнены фиксированными (без возможности регулирования) и с возможностью индивидуального регулирования в ходе эксплуатации устройства.The fixed blades 2 (upstream of the rotor), the rotor blades 3 and/or the fixed blades 4b (downstream of the rotor) are preferably designed to be individually adjustable in their size, relative position and spatial arrangement in each stage of the stage. design (manufacturing) or operation. Thus, the stationary blades and/or rotor blades are made with the possibility of changing in each stage at least their dimensions, relative location and spatial arrangement, relative to preset ones (set before the start of operation and/or during it) or factory ones. In addition to the possibility of individual change depending on the stage, these fixed blades and/or rotor blades can be made fixed (without the possibility of adjustment) and with the possibility of individual adjustment during operation of the device.
Нагрев технологической текучей среды в реакторе 100, 100А до желаемой температуры, например, 900 или 1000°C, предпочтительно осуществляют на двух или трех начальных ступенях. Затем температуру поддерживают по существу постоянной до выхода (выпуска).Heating of the process fluid in the reactor 100, 100A to the desired temperature, for example, 900 or 1000°C, is preferably carried out in two or three initial stages. The temperature is then maintained substantially constant until exit (release).
Устройство 100, 100А также содержит кожух или корпус 20 по меньшей мере с одним входом 11 и по меньшей мере одним выходом 12. Корпус 20 выполнен с возможностью вмещения центрального вала 1 и по меньшей мере одной ступени.The device 100, 100A also includes a casing or housing 20 with at least one inlet 11 and at least one outlet 12. The housing 20 is configured to receive a central shaft 1 and at least one stage.
В конфигурации на фиг. 1А поперечное сечение корпуса 20 по существу постоянно по всей длине.In the configuration in FIG. 1A, the cross-section of housing 20 is substantially constant along its entire length.
В некоторых дополнительных конфигурациях устройства по варианту 100 осуществления корпус выполнен по форме (усеченного) конуса (не показано).In some additional device configurations of embodiment 100, the housing is shaped like a (truncated) cone (not shown).
В конфигурации на фиг. 2А корпус 20 представляет собой ограниченное пространство, которое охватывает (с примыканием вплотную) неподвижные лопатки, осерадиальные роторные лопасти и смесительную камеру, образующие по меньшей мере одну технологическую ступень. Указанный корпус внутри и, опционально, снаружи выполнен в форме, по существу повторяющей форму элементов, составляющих указанную технологическую ступень. Поэтому в некоторых случаях площади поперечного сечения корпуса 20 могут быть разными на протяжении его внутреннего пространства (фиг. 2А).In the configuration in FIG. 2A, the housing 20 is a confined space that encloses (closely adjacent) the stationary blades, the axial rotor blades and the mixing chamber, forming at least one process stage. The specified housing inside and, optionally, outside is made in a form that essentially repeats the shape of the elements that make up the specified technological stage. Therefore, in some cases, the cross-sectional areas of the housing 20 may vary throughout its interior (FIG. 2A).
На фиг. 1В, 2А реактор 100, 100А изображен выполненным в виде модульной конструкции, в которой корпус 20 образован несколькими расположенными один за другим модулями 20А, 20В, 20С, 20D. Конфигурации на фиг. 1В, 2А являются примерами в части количества и системы модулей, поскольку последняя может быть разной в зависимости от частного случая реализации реактора 100, 100А.In fig. 1B, 2A, the reactor 100, 100A is depicted in the form of a modular design in which the housing 20 is formed by several modules 20A, 20B, 20C, 20D arranged one after the other. The configurations in Figs. 1B, 2A are examples in terms of the number and system of modules, since the latter may be different depending on the particular case of the implementation of the reactor 100, 100A.
Реактор 100, 100А также выполнен с возможностью содержания по меньшей мере одного невыпускного модуля и выпускного модуля. Под невыпускными модулями в настоящем документе мы понимаем элементы конструкции, позволяющие потоку технологической текучей среды циркулировать из области выше по потоку в область ниже по потоку. Выпускной модуль - это модуль, через который происходит выпуск содержащего продукт потока текучей среды из реактора 100, 100А.The reactor 100, 100A is also configured to contain at least one non-exhaust module and an outlet module. By non-exhaust modules, as used herein, we mean structural members that allow the flow of process fluid to circulate from an upstream region to a downstream region. The outlet module is the module through which the product-containing fluid stream is released from the reactor 100, 100A.
Выпускной модуль 22 содержит по меньшей мере одну выходную линию 12, выполненную в виде трубки или трубы, например, для выхода содержащей продукт технологической текучей среды, при этом линия 12 расположена в направлении по окружности относительно горизонтальной оси (X-X'), задаваемой центральным валом. На фиг. 1А, 2А выходная линия 12 расположена по существу в вертикальном направлении относительно горизонтальной оси Х-Х'.The outlet module 22 includes at least one outlet line 12 in the form of a tube or pipe, for example, for exiting a product-containing process fluid, wherein the line 12 is located in a circumferential direction relative to a horizontal axis (X-X') defined by the central shaft. In fig. 1A, 2A, the output line 12 is located in a substantially vertical direction relative to the horizontal axis X-X'.
Выпускной модуль 22 вмещает ротор 3 и смесительную камеру, представляющую собой выпускную смесительную камеру 4а, образованную внутри выходной линии 12. Вид выпускного модуля 22 в поперечном разрезе представлен на фиг. 3. Указанный выпускной модуль 22 также содержит по меньшей мере один дополнительный компонент, выполненный с возможностью впрыска и/или отвода текучей среды, например, канал, патрубок, коллектор и т.п. (не показан).The outlet module 22 houses a rotor 3 and a mixing chamber, which is an outlet mixing chamber 4a formed within the outlet line 12. A cross-sectional view of the outlet module 22 is shown in FIG. 3. Said outlet module 22 also includes at least one additional component configured to inject and/or discharge fluid, such as a channel, pipe, manifold, or the like. (not shown).
Реактор 100, 100А также содержит впускной модуль 21, расположенный выше всего по направлению потока технологической текучей среды. В большинстве случаев указанный впускной модуль представляет собой первый модуль по порядку. Впускной модуль 21 выполнен с возможностью приема содержащей сырье технологической текучей среды через по меньшей мере одну приемную линию 11 (вход), расположенную в направлении по окружности относительно горизонтальной оси Х-Х'.Reactor 100, 100A also includes an inlet module 21 located upstream of the process fluid. In most cases, the specified inlet module is the first module in order. The inlet module 21 is configured to receive a raw material-containing process fluid through at least one inlet line 11 (inlet) located in a circumferential direction relative to the horizontal axis X-X'.
Впускной модуль может также содержать дополнительный впускной канал 13, например, впускную улитку, для создания сильно закрученного потока к ротору.The inlet module may also include an additional inlet passage 13, such as an inlet volute, to create a highly swirling flow towards the rotor.
В некоторых случаях реактор 100, 100А представляет собой одноступенчатое устройство. В этом случае ступень образована впускным модулем 21 и выпускным модулем 22.In some cases, the reactor 100, 100A is a single-stage device. In this case, the stage is formed by an inlet module 21 and an outlet module 22.
При этом, если передача нужного количества энергии невозможна за одну ступень, то устройство должно быть многоступенчатым. В этом случае реактор 100, 100А представляет собой многоступенчатую модульную конструкцию, в которой указанный по меньшей мере один невыпускной модуль (20А, 20В, 20С, 20D и т.д.) образует ступень. Многоступенчатый реактор может быть образован по меньшей мере двумя ступенями. В некоторых случаях многоступенчатое устройство может содержать по меньшей мере одну ступень, образованную невыпускным модулем 20А (20В, 20С, 20D), впускным модулем 21 и выходным (выпускным) модулем 22. Специалисту в данной области техники будет понятно, что реактор 100, 100А может быть реализован с одним или несколькими невыпускными модулями в количестве, превышающем количество на фиг. 1В, 2А.Moreover, if the transfer of the required amount of energy is impossible in one stage, then the device must be multi-stage. In this case, the reactor 100, 100A is a multi-stage modular design in which said at least one non-exhaust module (20A, 20B, 20C, 20D, etc.) forms a stage. A multistage reactor can be formed by at least two stages. In some cases, a multistage device may include at least one stage formed by a non-exhaust module 20A (20B, 20C, 20D), an inlet module 21, and an outlet module 22. One skilled in the art will appreciate that the reactor 100, 100A may be implemented with one or more non-release modules in a number greater than the number in FIG. 1B, 2A.
Указанные (невыпускные) модули 20А, 20В, 20С, 20D, расположенные между впускным модулем 21Said (non-exhaust) modules 20A, 20B, 20C, 20D located between inlet module 21
- 9 046100 и выпускным модулем 22 могут далее именоваться центральные модули.- 9 046100 and the outlet module 22 can be further referred to as central modules.
Реактор 100А, 100А согласно раскрытым выше вариантам осуществления выполнен с допуском на относительно широкий диапазон изменений расчетных параметров. В частности, многоступенчатое решение может содержать одну или несколько ступеней, каждая с разным объемным расходом / объемной пропускной способностью. Это позволяет регулировать потребности в подводе энергии и/или длительности пребывания по отдельности в каждой ступени.The reactor 100A, 100A according to the above-disclosed embodiments is configured to tolerate a relatively wide range of variations in design parameters. In particular, a multi-stage solution may contain one or more stages, each with a different volume flow/volume throughput. This makes it possible to regulate the energy supply requirements and/or residence time separately in each stage.
Во всех конфигурациях 100, 100А массовый расход можно легко регулировать, опционально по отдельности в каждой ступени, путем изменения размера ротора (диаметра, увеличение в четыре раза) и/или высоты роторной лопасти (линейное увеличение). Возможность изменения высоты роторных лопастей можно обеспечить за счет регулирования осевого местоположения диска 3 а ротора, что позволяет изменять объемные расходы на разных ступенях схожей конструкции. Изменение высоты (роторной) лопасти как указано выше позволяет увеличивать пропускную способность реактора по объему, так как будет происходить распределение напряжения диска в сторону конца процесса реакции (т.е. конца реакционного устройства), где потребности в температуре и подводе энергии являются наибольшими.In all 100, 100A configurations, the mass flow can be easily adjusted, optionally individually in each stage, by changing the rotor size (diameter, quadrupled) and/or the height of the rotor blade (linear). The ability to change the height of the rotor blades can be achieved by adjusting the axial location of the rotor disk 3a, which allows you to change the volumetric flow rates at different stages of a similar design. Changing the height of the (rotor) blade as indicated above allows you to increase the volumetric throughput of the reactor, since the disk voltage will be distributed towards the end of the reaction process (i.e. the end of the reaction device), where the temperature and energy supply requirements are greatest.
Так как увеличение высоты лопасти не оказывает значительного влияния на показатели работы ротора, реактор с радиальным потоком может быть конструктивно выполнен с блоком (блоками) ротора, содержащим множество основных лопастей с разделительными лопастями (например, решение 32+32), что позволяет увеличить возможность изменения масштаба.Since increasing blade height does not have a significant effect on rotor performance, a radial flow reactor can be designed with a rotor block(s) containing multiple main blades with spacer blades (e.g., 32+32 solution), allowing for increased changeability scale.
Модули 20А, 20В, 20С, 20D, 21, 22 соединены друг с другом по меньшей мере одним подшипником 5, опционально скомбинированным с соответствующим уплотнением (уплотнениями) (не показаны). Модульная конструкция позволяет регулировать число модулей в ней путем добавления, замены и/или удаления указанного по меньшей мере одного невыпускного модуля, установленного между впускным модулем и выпускным модулем.The modules 20A, 20B, 20C, 20D, 21, 22 are connected to each other by at least one bearing 5, optionally combined with suitable seal(s) (not shown). The modular design allows the number of modules therein to be adjusted by adding, replacing and/or removing said at least one non-exhaust module installed between the inlet module and the outlet module.
Центральный вал 1 также может быть выполнен по меньшей мере из двух частей, соединенных друг с другом посредством подходящей муфты, например, хиртового соединения (не показано). В частности, использование хиртового (плоскозубчатого) соединения (хиртовых соединений) обеспечивает преимущество благодаря способности данных соединений, в качестве соединительных элементов, самоцентрироваться при вращении (вала), обусловленной их формой и силой, прилагаемой механизмом.The central shaft 1 can also be made of at least two parts connected to each other by means of a suitable coupling, for example a Hirth coupling (not shown). In particular, the use of Hirth connection(s) provides the advantage of the ability of these connections, as connecting elements, to self-center during rotation (of the shaft), due to their shape and the force applied by the mechanism.
В некоторых конфигурациях корпус 20 также содержит верхнюю часть и нижнюю часть относительно горизонтального поперечного сечения реактора (горизонтальный разъем). Фиг. 1В, 2В изображают, под номером позиции 20D, корпус, содержащий верхнюю часть 201 и нижнюю часть 202.In some configurations, housing 20 also includes an upper portion and a lower portion relative to the horizontal cross-section of the reactor (horizontal split). Fig. 1B, 2B show, at numeral 20D, a housing including an upper portion 201 and a lower portion 202.
Указанная верхняя часть 201 выполнена с возможностью охватывания по меньшей мере изогнутой секции 41 канала, образующего смесительную камеру 4 в пределах каждой из соответствующих ступеней и/или модуля. В некоторых случаях верхняя часть 201 может быть выполнена, в свою очередь, с возможностью охватывания по меньшей мере части секции 42 канала возврата и роторного диска.Said upper portion 201 is configured to enclose at least a curved channel section 41 forming the mixing chamber 4 within each of the respective stages and/or module. In some cases, the upper portion 201 may in turn be configured to enclose at least a portion of the return channel section 42 and the rotor disc.
В некоторых конфигурациях указанная верхняя часть 201 корпуса, в каждом отдельном модуле, может быть выполнена с возможностью отсоединения и замены. Такая система обеспечивает возможность дополнительного регулирования параметров реакции; кроме того, она обеспечивает простое и экономичное решение для полного устранения проблемы образования кокса. Например, фиг. 1В, 2В (штриховой прямоугольник) изображают верхние части 201 примера модуля 20D, охватывающего изогнутую секцию 41 смесительной камеры 4. В пределах штрихового прямоугольника 201 самый нижний элемент охватывает только изогнутую часть 41 (например, U-образный изгиб) смесительной камеры. Это позволяет сократить длительность пребывания технологической текучей среды в модуле, содержащем вышеуказанную (верхнюю) часть 201.In some configurations, said upper housing portion 201, within each individual module, may be detachable and replaceable. Such a system provides the possibility of additional regulation of reaction parameters; In addition, it provides a simple and cost-effective solution to completely eliminate the problem of coke formation. For example, FIG. 1B, 2B (dashed rectangle) depict the top portions 201 of an example module 20D enclosing a curved section 41 of the mixing chamber 4. Within the dashed rectangle 201, the lowermost element only encloses a curved portion 41 (eg, a U-bend) of the mixing chamber. This makes it possible to reduce the residence time of the process fluid in the module containing the above (upper) part 201.
Самый верхний элемент в пределах того же штрихового прямоугольника 201 (фиг. 1В, 2В) охватывает изогнутую секцию 41 (например, U-образный изгиб) и, дополнительно, часть секции 42 канала возврата смесительной камеры 4. Это позволяет увеличить длительность пребывания технологической текучей среды в пределах модуля, содержащего эту (верхнюю) часть 201.The uppermost element within the same dashed rectangle 201 (FIGS. 1B, 2B) encloses a curved section 41 (e.g., a U-bend) and, optionally, a portion of the return channel section 42 of the mixing chamber 4. This allows for increased residence time of the process fluid within the module containing this (upper) part 201.
Возможность замены верхних частей 201 по отдельности в каждом модуле позволяет с высокой точностью управлять длительностями пребывания. Кроме того, данная система позволяет облегчить техобслуживание реактора и/или обеспечивает решение проблемы загрязнения/образования кокса. Удаление отдельных модулей и/или их частей (например, демонтаж верхних частей 201 в пределах отдельных модулей), с последующей очисткой и/или заменой, является гораздо более простой, быстрой и экономичной альтернативой сервисному и техническому обслуживанию (многоступенчатого) устройства целиком.The ability to replace the top parts 201 individually in each module allows residence times to be controlled with high precision. In addition, this system allows for easier reactor maintenance and/or provides a solution to the fouling/coking problem. Removing individual modules and/or parts thereof (eg, dismantling top parts 201 within individual modules), followed by cleaning and/or replacement, is a much simpler, faster and more economical alternative to servicing and maintaining the entire (multi-stage) device.
Реактор 100, 100А также выполнен с возможностью содержания корпуса 20 со стенками толщиной не более 30 мм, предпочтительно в пределах 5-20 мм.The reactor 100, 100A is also configured to contain a housing 20 with walls no thicker than 30 mm, preferably in the range of 5-20 mm.
При наличии очень тонких стенок проще достигнуть или поддерживать их механическую целостность. Тонкостенный кожух проще предварительно нагревать. Кроме того, использование тонких листов металла позволяет значительно уменьшить термическое напряжение и, как следствие, сократить расходы на строительство и техобслуживание.With very thin walls, mechanical integrity is easier to achieve or maintain. A thin-walled casing is easier to preheat. In addition, the use of thin metal sheets can significantly reduce thermal stress and, as a result, reduce construction and maintenance costs.
Идея реактора 100, 100А согласно настоящему раскрытию позволяет с высочайшей точностью управлять относящимися к процессу реакции параметрами (отслеживать и регулировать/изменять их) вThe concept of the reactor 100, 100A according to the present disclosure allows the parameters related to the reaction process to be controlled (monitored and adjusted/changed) with extreme precision in
- 10 046100 пределах каждой отдельной ступени и/или модуля реактора. Так, каждая технологическая ступень и/или каждый модуль в реакторе 100, 100А является, в части конструкции и/или возможности управления осуществляемой в нем операцией (осуществляемыми операциями), независимым от других ступеней и/или модулей.- 10 046100 within each individual stage and/or reactor module. Thus, each process stage and/or each module in the reactor 100, 100A is, in terms of design and/or ability to control the operation(s) carried out therein, independent of other stages and/or modules.
Возможность регулирования конструкции / размеров неподвижных относящихся к статору и ротору компонентов в пределах каждой отдельной ступени, а также возможность регулирования размеров смесительной камеры в пределах каждой отдельной ступени и/или модуля, позволяют регулировать рабочие/функциональные характеристики процесса (реакции) применительно к каждой отдельной ступени и/или модулю. Как раскрыто выше, изменение вышеуказанных элементов конструкции в каждой ступени и/или модуле позволяет с высокой точностью управлять относящимися к потоку текучей среды параметрами (объемом, скоростью, длительностями пребывания и т.п.) по отдельности в каждой ступени и/или модуле.The ability to adjust the design/size of stationary stator and rotor components within each individual stage, as well as the ability to adjust the dimensions of the mixing chamber within each individual stage and/or module, allows the operating/functional characteristics of the process (reaction) to be adjusted for each individual stage and/or module. As disclosed above, varying the above design elements in each stage and/or module allows fluid flow-related parameters (volume, speed, residence times, etc.) to be controlled individually in each stage and/or module with high precision.
При этом реактор 100, 100А может также содержать разнообразные средства для создания возможности управления распределением давления и температуры в каждой из ступеней и/или модулей. Так, реактор может содержать средства сброса давления (элементы снижения давления) в каждой отдельной ступени или в нескольких выбранных ступенях, предпочтительно расположенные в каждой смесительной камере 4 (предпочтительно, в секциях 42 канала возврата). Они позволяют эксплуатировать реактор 100, 100А под низким (атмосферным) давлением, равным 1,01325 бар (абсолютное давление, абс.), или в диапазоне вакуума от 1 до 0 бар абс.In this case, the reactor 100, 100A may also contain various means for creating the ability to control the distribution of pressure and temperature in each of the stages and/or modules. Thus, the reactor may contain pressure relief means (pressure reducing elements) in each individual stage or in several selected stages, preferably located in each mixing chamber 4 (preferably in the return channel sections 42). They allow the 100, 100A reactor to be operated under low (atmospheric) pressure equal to 1.01325 bar (absolute pressure, abs.), or in a vacuum range from 1 to 0 bar abs.
Раскрытая выше смесительная камера (смесительные камеры) 4 может быть выполнена с возможностью поддержания давления на нужном уровне во всех ступенях. Это позволяет, например, достичь больших изменений давления на протяжении реактора 100, 100А по сравнению, например, с осевыми решениями.The mixing chamber(s) 4 disclosed above may be configured to maintain the pressure at the desired level in all stages. This makes it possible, for example, to achieve larger pressure variations throughout the reactor 100, 100A compared to, for example, axial solutions.
Управление перепадом давления и температурой позволяет увеличить возможность управления выходом реакции.Controlling the pressure drop and temperature increases the ability to control the reaction output.
В целом регулирование смесительных камер 4 в части различных параметров конструкции, в частности площади поперечного сечения / зоны смешивания и длины/объема, существенно увеличивает возможность управления длительностями пребывания, давлением и температурой. Вышеуказанные относящиеся к смесительным камерам параметры можно изменять по отдельности. Краткие длительности пребывания, низкое давление и высокая температура (при этом всеми этими параметрами можно управлять в каждой ступени) эффективно способствуют достижению глубокой переработки и высокого выхода и снижению образования кокса.In general, the control of the mixing chambers 4 in terms of various design parameters, in particular cross-sectional area/mixing zone and length/volume, significantly increases the ability to control residence times, pressure and temperature. The above parameters related to mixing chambers can be changed individually. Short residence times, low pressure and high temperature (all of which can be controlled in each stage) effectively achieve deep processing and high yield and reduce coke formation.
Кроме того, реактор 100, 100А может также содержать средства регулирования давления на роторе во всех ступенях или в выбранных ступенях соответственно (не показаны).In addition, reactor 100, 100A may also include means for regulating rotor pressure in all stages or selected stages, respectively (not shown).
В некоторых конфигурациях реактор 100, 100А может также содержать средства повышения давления (не показаны) в конкретной технологической ступени (технологических ступенях). Например, повышение давления в последней технологической ступени (например, в невыпускном модуле, расположенном непосредственно выше по потоку от выпускного модуля, и/или в выпускном модуле) до предварительно заданного значения позволяет свести к минимуму длительности пребывания в указанной последней технологической ступени и тем самым соответственно увеличить выход. Создание высокого давления в указанной последней ступени приводит к значительному снижению объемного расхода, что позволяет соответственно уменьшить размеры оборудования ниже по потоку (например, охлаждающего оборудования). Достигнутая благодаря этому экономия средств может существенно отразиться на капиталовложениях.In some configurations, reactor 100, 100A may also include pressurization means (not shown) at a particular process stage(s). For example, increasing the pressure in the last process stage (for example, in the non-exhaust module located immediately upstream of the outlet module, and/or in the outlet module) to a predetermined value allows the residence time in said last process stage to be minimized and thereby accordingly increase output. Creating a high pressure in said last stage results in a significant reduction in volumetric flow, which allows downstream equipment (eg cooling equipment) to be correspondingly reduced in size. The cost savings achieved through this can have a significant impact on the investment.
В некоторых случаях повышение давления до 2-4 бар абс. является предпочтительным; при этом регулирование значения давления в значительной мере зависит от желаемого выхода. Давление предпочтительно повышают при по существу постоянной температуре.In some cases, the pressure increases to 2-4 bar abs. is preferred; in this case, the regulation of the pressure value largely depends on the desired output. The pressure is preferably increased at a substantially constant temperature.
С учетом термодинамики, реакции пиролиза для получения легких олефинов предпочтительно проводить под низким давлением, создающим неблагоприятные условия для нежелательных процессов конденсации. Поэтому известные трубчатые печи работают по существу с атмосферным давлением на выходе. При этом из-за отсутствия средств эффективного регулирования давления в известных печах крекинга углеводородов работа при таком низком (атмосферном) давлении на всем протяжении реакционного устройства до сих пор не была возможна. Предложенное решение позволяет, помимо прочего, повысить гибкость регулирования параметров давления на всем протяжении реакционного устройства.Due to thermodynamics, pyrolysis reactions to produce light olefins are preferably carried out at low pressure, which creates unfavorable conditions for unwanted condensation processes. Therefore, known tube furnaces operate with essentially atmospheric outlet pressure. However, due to the lack of means for effectively regulating pressure in known hydrocarbon cracking furnaces, operation at such a low (atmospheric) pressure throughout the entire length of the reaction device has not yet been possible. The proposed solution allows, among other things, to increase the flexibility of regulating pressure parameters throughout the entire reaction device.
Аналогичным образом возможность регулирования парциального давления углеводородов в отдельных ступенях можно обеспечить за счет создания средств впрыска разбавителя (окон, клапанов, вентиляционных отверстий и т.п.) в каждой ступени и/или модуле. По мере роста содержания разбавителя, соответственно падает парциальное давление углеводородов, что способствует повышению выхода целевого продукта (целевых продуктов), например легкого олефина (легких олефинов), и уменьшению отложений кокса. Например, подтвержденным и признанным является факт того, что снижение парциального давления (например, с 30 фунтов на квадратный дюйм абс. или приблизительно 207 кПа до 10 фунтов на квадратный дюйм абс. или приблизительно 69 кПа) позволяет существенно повысить максимальный выLikewise, the ability to control the partial pressure of hydrocarbons in individual stages can be achieved by providing diluent injection means (windows, valves, vents, etc.) in each stage and/or module. As the diluent content increases, the partial pressure of hydrocarbons correspondingly decreases, which helps to increase the yield of the target product(s), such as light olefin(s), and reduce coke deposits. For example, it is proven and accepted that reducing the partial pressure (for example, from 30 psig or approximately 207 kPa to 10 psig or approximately 69 kPa) can significantly increase the maximum performance.
- 11 046100 ход углеводородного продукта с по существу высокими (приблизительно 80%) степенями конверсии.- 11 046100 course of a hydrocarbon product with essentially high (approximately 80%) conversion rates.
Помимо разбавителей, можно реализовать впрыск сырьевых веществ и/или иных реагентов в каждой отдельной ступени и/или модуле для оптимизации выходов реакций.In addition to diluents, injection of raw materials and/or other reagents into each individual stage and/or module can be implemented to optimize reaction yields.
Фиг. 5 изображает пример реакционного устройства 100, содержащего дополнительную перегонную и/или теплообменную установку 6. Следует понимать, что устройство в варианте осуществления 100А также может содержать такую же установку. Дополнительная установка 6 предпочтительно выполнена с возможностью соединения с указанным по меньшей мере одним (центральным) невыпускным модулем 20А, 20В, 20С, 20D, образованным между впускным модулем 21 и выпускным модулем 22 коллекторной/трубной обвязкой 7. Указанный коллектор содержит по меньшей мере одну линию, представляющую собой рукав 7а трубопровода, например, для отвода технологической текучей среды из реактора и для направления указанной технологической текучей среды в установку 6 и по меньшей мере одну линию 7b для направления технологической текучей среды обратно в реактор.Fig. 5 depicts an example of a reaction apparatus 100 comprising an additional distillation and/or heat exchange unit 6. It should be understood that the apparatus in embodiment 100A may also include the same apparatus. The additional installation 6 is preferably configured to connect to said at least one (central) non-outlet module 20A, 20B, 20C, 20D formed between the inlet module 21 and the outlet module 22 of the manifold/piping 7. The manifold contains at least one line , representing a conduit sleeve 7a, for example, for withdrawing process fluid from the reactor and for directing said process fluid to installation 6 and at least one line 7b for directing process fluid back to the reactor.
В некоторых вариантах осуществления дополнительная установка 6 выполнена как теплообменная установка с возможностью охлаждения технологической текучей среды, направленной в нее по указанному по меньшей мере одному трубопроводу 7а. В качестве примера установка 6 может быть скомпонована с возможностью охлаждения технологической текучей среды, нагретой до 900-1000°C, до приблизительно 700°C. Далее происходит направление охлажденной текучей среды в реактор по трубопроводу 7b. Охлаждение технологической текучей среды по существу в серединной точке реакции позволяет дополнительно оптимизировать выходы реакций.In some embodiments, the additional installation 6 is configured as a heat exchange installation with the ability to cool the process fluid directed into it through the at least one pipeline 7a. As an example, unit 6 may be configured to cool a process fluid heated to 900-1000°C to approximately 700°C. Next, the cooled fluid is directed into the reactor through line 7b. Cooling the process fluid substantially at the midpoint of the reaction allows further optimization of reaction yields.
В частности, вышеуказанные системы обеспечивают преимущество при проведении термического разложения производных от биомассы сырьевых веществ.In particular, the above systems provide an advantage when carrying out the thermal decomposition of biomass-derived raw materials.
В некоторых других вариантах осуществления дополнительная установка 6 может быть выполнена в виде перегонной установки с возможностью экстракции и/или извлечения водорода, например. В этом случае поступающую технологическую текучую среду (т.е. технологическую текучую среду, извлеченную из устройства 100, 100А) подвергают дегидрогенизационной переработке или серии переработок с последующим направлением дегидрогенизированной текучей среды обратно в устройство по трубопроводу 7b. Эта система обеспечивает возможность дополнительного извлечения водорода (Н2).In some other embodiments, the additional unit 6 may be configured as a distillation unit with the ability to extract and/or recover hydrogen, for example. In this case, the incoming process fluid (ie, the process fluid withdrawn from the device 100, 100A) is subjected to a dehydrogenation treatment or series of processes, followed by the dehydrogenation fluid being sent back to the device via conduit 7b. This system provides the possibility of additional hydrogen (H 2 ) extraction.
В некоторых вариантах осуществления установка 6 может быть выполнена с возможностью сочетания в себе теплообменника и установки извлечения водорода.In some embodiments, the installation 6 may be configured to combine a heat exchanger and a hydrogen recovery unit.
Система 6 по существу может дополнительно содержать любую другую установку извлечения и/или перегонную установку.System 6 as such may further comprise any other recovery unit and/or distillation unit.
В некоторых случаях технологическую текучую среду извлекают и возвращают в тот же самый невыпускной модуль. В некоторых других случаях технологическую текучую среду возвращают в какойлибо невыпускной модуль, следующий за модулем извлечения. Предпочтительно, чтобы и модуль извлечения, и модуль возврата были расположены между впускным модулем и выпускным модулем и/или до последней технологической ступени.In some cases, the process fluid is removed and returned to the same non-discharge module. In some other cases, the process fluid is returned to some non-exhaust module subsequent to the extraction module. Preferably, both the extraction module and the return module are located between the inlet module and the outlet module and/or before the last processing stage.
Предпочтительно, чтобы происходило направление всей технологической текучей среды в систему 6 охлаждения и тем самым по существу опорожнение реактора. При этом не исключена возможность частичного отвода вещества. В любом случае, в пределах реактора 100, 100А может быть расположена по меньшей мере одна перегородка для направления (всего или части) технологического потока в систему 6 охлаждения и/или предотвращения перемешивания охлажденной текучей среды с нагретой текучей средой.Preferably, all process fluid is directed to the cooling system 6 and thereby essentially drains the reactor. In this case, the possibility of partial removal of the substance cannot be excluded. In any case, at least one baffle may be located within the reactor 100, 100A to direct (all or part of) the process flow to the cooling system 6 and/or prevent mixing of the cooled fluid with the heated fluid.
Параллельно или последовательно соединенные по меньшей мере два реакционных устройства 100, 100А могут образовывать реакторный агрегат (не показан). Соединение между указанными устройствами может быть механическим и/или функциональным. Функциональное (например, химическое) соединение может быть создано путем создания связи между по меньшей мере двумя отдельными, физически объединенными или не объединенными, реакторами 100, 100А. В последнем случае соединение между указанными по меньшей мере двумя устройствами 100, 100А может быть создано посредством одной или нескольких вспомогательных установок (не показаны). В некоторых конфигурациях данная система содержит по меньшей мере два устройства, соединенные с возможностью дублирования друг друга, причем указанные по меньшей мере два устройства соединены по меньшей мере функционально посредством их центральных валов. Дублирующая конфигурация также может означать, что указанные по меньшей мере два устройства 100, 100А механически соединены последовательно (в определенной последовательности), при этом их функциональное (например, химическое) соединение можно рассматривать как параллельное (группами).At least two reaction devices 100, 100A connected in parallel or in series can form a reactor unit (not shown). The connection between said devices may be mechanical and/or functional. A functional (eg, chemical) connection can be created by creating a connection between at least two separate, physically combined or not, reactors 100, 100A. In the latter case, the connection between the at least two devices 100, 100A may be created by one or more auxiliary installations (not shown). In some configurations, the system comprises at least two devices connected in a redundant manner, the at least two devices being at least functionally connected through their central shafts. A redundant configuration may also mean that the at least two devices 100, 100A are mechanically connected in series (in a certain sequence), while their functional (eg, chemical) connection can be considered as parallel (in groups).
В некоторых случаях вышеуказанная дублирующая система также может быть модифицирована так, чтобы она содержала по меньшей мере два входа и общий выпускной (выходной) модуль, расположенный по существу в центре системы.In some cases, the above redundant system may also be modified to include at least two inputs and a common outlet module located substantially in the center of the system.
В еще одном аспекте предложено применение реакционного устройства 100, 100А для термического или термохимического крекинга углеводородсодержащего сырья.In yet another aspect, the use of reaction apparatus 100, 100A for thermal or thermochemical cracking of hydrocarbon-containing feedstocks is provided.
В выбранных вариантах осуществления реактор 100, 100А может быть выполнен с возможностьюIn selected embodiments, reactor 100, 100A may be configured to
- 12 046100 реализации по меньшей мере одного процесса, выбранного из группы, состоящей из переработки углеводородного сырья, предпочтительно содержащего средние и легкие фракции углеводородов; переработки газифицированного углеводсодержащего сырьевого вещества, переработки газифицированного сырьевого вещества, содержащего глицериды и/или жирные кислоты, и переработки газифицированного вещества на основе целлюлозной биомассы. Таким образом, реактор 100, 100А может быть выполнен с возможностью переработки кислородсодержащих сырьевых веществ, производных от биосырья, например. В число возможных областей применения входят переработка вещества на основе биомассы или производного от биомассы для производства возобновляемого топлива по таким технологиям, как, например, прямая каталитическая гидрогенизация растительного масла или животных жиров с получением соответствующих алканов. Реактор также может быть выполнен с возможностью повышение ценности (улучшения или рафинации газообразного вещества) пиролизного биогаза или сингаза.- 12 046100 implementation of at least one process selected from the group consisting of processing hydrocarbon feedstock, preferably containing medium and light fractions of hydrocarbons; processing a gasified carbohydrate-containing raw material, processing a gasified raw material containing glycerides and/or fatty acids, and processing a gasified cellulosic biomass-based substance. Thus, the reactor 100, 100A may be configured to process oxygen-containing feedstocks derived from biofeedstocks, for example. Possible applications include the processing of biomass-based or biomass-derived substances to produce renewable fuels using technologies such as direct catalytic hydrogenation of vegetable oils or animal fats to produce the corresponding alkanes. The reactor can also be configured to add value (upgrade or refine gaseous matter) to pyrolysis biogas or syngas.
Согласно другому аспекту предложен способ проведения химических реакций в технологической текучей среде, включающий в себя по меньшей мере следующие этапы, на которыхAccording to another aspect, there is provided a method of conducting chemical reactions in a process fluid, comprising at least the following steps:
a) получают реакционное устройство 100, 100А, содержащее центральный вал 1 с одним или несколькими установленными на нем осерадиальными роторами, при этом каждый указанный ротор содержит множество осерадиальных роторных лопастей 3, расположенных по окружности установленного на центральном валу диска, множество неподвижных лопаток 2, расположенных выше по потоку от ротора, и смесительную камеру 4, расположенную ниже по потоку от ротора, причем множество неподвижных лопаток 2, множество осерадиальных роторных лопастей 3 и смесительная камера 4 образуют технологическую ступень;a) a reaction device 100, 100A is obtained, containing a central shaft 1 with one or more axial rotors installed on it, with each said rotor containing a plurality of axiadial rotor blades 3 located around the circumference of a disk mounted on the central shaft, a plurality of fixed blades 2 located upstream of the rotor, and a mixing chamber 4 located downstream of the rotor, with a plurality of fixed blades 2, a plurality of axial rotor blades 3 and a mixing chamber 4 forming a process stage;
b) регулируют частоту вращения ротора до предварительно заданной частоты или диапазона частот для достижения расхода потока технологической текучей среды, удовлетворяющего потребности технологического процесса;b) adjusting the rotor speed to a predetermined frequency or range of frequencies to achieve a process fluid flow rate that meets the needs of the process;
c) регулируют уровень предварительного нагрева содержащей сырье технологической текучей среды; иc) adjusting the level of preheating of the raw material-containing process fluid; And
d) направляют поток содержащей сырье технологической текучей среды далее через указанную по меньшей мере одну ступень таким образом, чтобы преобразовать в смесительной камере механическую энергию, сообщаемую технологической текучей среде ротором, во внутреннюю энергию указанной технологической текучей среды, обеспечивая таким образом условия для прохождения химических реакций в технологической текучей среде.d) directing the flow of the raw material-containing process fluid further through said at least one stage so as to convert in the mixing chamber the mechanical energy imparted to the process fluid by the rotor into internal energy of the specified process fluid, thereby providing conditions for chemical reactions to occur in a process fluid.
Регулирование уровня предварительного нагрева содержащей сырье технологической текучей среды позволяет с высокой точностью управлять запуском реакции и тем самым оптимизировать выход реакции и однородность продукта.Controlling the level of preheating of the feedstock-containing process fluid allows for highly precise control of reaction initiation, thereby optimizing reaction yield and product uniformity.
В некоторых вариантах осуществления сырье содержит углеводороды. В некоторых случаях сырье содержит по меньшей мере одно алкановое сырье (этан, пропан, бутан), нафтовое сырье (тяжелый бензин), газойль и/или любое другое сырье, пригодное для получения по существу низкомолекулярных, предпочтительно, ненасыщенных углеводородов, например, олефинов (этилен, пропилен, бутилен) и ацетилена.In some embodiments, the feedstock contains hydrocarbons. In some cases, the feedstock contains at least one alkane feedstock (ethane, propane, butane), naphtha feedstock (heavy gasoline), gas oil and/or any other feedstock suitable for the production of substantially low molecular weight, preferably unsaturated hydrocarbons, for example, olefins ( ethylene, propylene, butylene) and acetylene.
Предпочтительно, чтобы длительности пребывания и/или выход можно было регулировать по отдельности в каждой ступени путем помодульного изменения геометрических и/или размерных параметров смесительной камеры 4. Как раскрыто выше, такая система позволяет предотвратить или по меньшей мере значительно уменьшить загрязнение/образование кокса. Кроме того, регулирование длительности пребывания и подвода энергии в конкретных ступенях позволяет управлять выходом конкретного предпочтительного продукта реакции.Preferably, the residence times and/or output can be adjusted individually in each stage by modularly changing the geometric and/or dimensional parameters of the mixing chamber 4. As disclosed above, such a system can prevent or at least significantly reduce fouling/coke formation. In addition, adjusting the residence time and energy input in specific steps allows the yield of a particular preferred reaction product to be controlled.
В дополнительных вариантах осуществления расход потока содержащей сырье технологической текучей среды можно регулировать в ходе эксплуатации. Это достигается, например, за счет регулируемого угла установки неподвижной лопатки. Данная возможность управления, в частности, важна для управления процессами в этиленовых установках.In additional embodiments, the flow rate of the raw material-containing process fluid may be controlled during operation. This is achieved, for example, due to the adjustable angle of installation of the fixed blade. This control capability is particularly important for process control in ethylene plants.
В некоторых вариантах осуществления способ также включает в себя этап, на котором повышают давление в невыпускном модуле, расположенном выше по потоку от выпускного модуля, и/или в выпускном модуле.In some embodiments, the method also includes increasing the pressure in a non-exhaust module located upstream of the exhaust module and/or in an exhaust module.
В других вариантах осуществления способ может также включать в себя этап, на котором отводят технологическую текучую среду из реактора 100, 100А по меньшей мере через одну линию 7а отвода текучей среды и направляют указанную технологическую текучую среду в систему 6 охлаждения, где технологическую текучую среду охлаждают, и далее направляют охлажденную технологическую текучую среду обратно в реактор по меньшей мере через одну линию 7b возврата текучей среды.In other embodiments, the method may also include removing process fluid from the reactor 100, 100A through at least one fluid withdrawal line 7a and sending said process fluid to a cooling system 6 where the process fluid is cooled, and then directing the cooled process fluid back to the reactor through at least one fluid return line 7b.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что, с развитием технологии, основные идеи настоящего изобретения можно будет реализовать разными путями. Изобретение и варианты его осуществления могут в принципе быть разными без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения.One skilled in the art will appreciate that, as technology advances, the basic ideas of the present invention may be implemented in a variety of ways. The invention and its embodiments may, in principle, be different without departing from the scope of the attached claims.
--
Claims (36)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/743,707 | 2018-10-10 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046100B1 true EA046100B1 (en) | 2024-02-06 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10744480B2 (en) | Rotary device for conducting chemical reactions | |
| KR102394940B1 (en) | Process and rotary machine type reactor | |
| US9234140B2 (en) | Process and rotary machine type reactor | |
| JP5631969B2 (en) | Bladed reactor for hydrocarbon pyrolysis | |
| US11273423B2 (en) | Turbomachine type chemical reactor | |
| KR20230107673A (en) | Rotating feedstock handling device with an axially adjustable rotor | |
| EA046100B1 (en) | ROTARY DEVICE FOR CHEMICAL REACTIONS | |
| US20230407192A1 (en) | Suppression of coke formation in hydrocarbon processing equipment |