RU2325224C1 - Piston-free machine for chemical interaction of gas mixtures - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building; unit for chemical interaction of gas mixtures.

SUBSTANCE: piston-free machine for chemical interaction of gas mixtures consists of housing with the cylinder chamber, floating piston, and air bleed holes located in the side wall of the housing. Cylinder chamber houses mutually connected movable covers with inlet and outlet holes aimed to form a bypass for supply of the mixture and discharge of the gas with changed parameters. Floating piston is made as a differential piston. Floating piston and movable covers are made so that to provide counter-phase balanced movement of the piston and mutually connected movable covers in the housing. Floating piston, mutually connected movable covers, and housing form three cavities. Connection of mutually connected covers is located outside or inside the cylinder chamber.

EFFECT: simplification of free-piston machine design; enhancing the machine work efficiency; reduction of main parts weight; reduction of vibration during operation.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для проведения химического взаимодействия газовых смесей и может быть использовано в технологических установках сжатия смесей компонентов газа с различным тепловым эффектом реакции, а также для получения, например, синтез-газа из газообразного углеводородного сырья.The invention relates to devices for conducting chemical interaction of gas mixtures and can be used in technological installations for compressing mixtures of gas components with various thermal reaction effects, as well as for producing, for example, synthesis gas from gaseous hydrocarbon feedstocks.

Известные генераторы синтез-газа свободнопоршневого типа содержат укрепленный на основании корпус, имеющий цилиндрическую реакционную камеру, установленную вертикально, с размещенным внутри нее свободным поршнем, который делит камеру на две рабочие полости, продувочные отверстия для ввода сырья и вывода конечного продукта (например, синтез-газа), перекрываемые управляемыми клапанами, например, патент РФ №2097121, оп. 27.11.1997 г., по МПК B01J 12/00. Для получения синтез-газа используется сжатие метано-воздушной смеси стехиометрического состава, при этом запуск генератора осуществляют посредством разгона поршня сжатым газом от компрессора. Основным недостатком таких генераторов является низкий ресурс их работы при высоких давлениях и жестких режимах функционирования, когда тепловые и вибрационные нагрузки возрастают выше допустимых по прочностным характеристикам. Для снижения вибраций до допустимого уровня генераторы устанавливают на массивное основание и вводят существенные ограничения на скорость нарастания давления во время реакции, чем значительно сужается диапазон возможных типов реакций и составов компонентов реагирующих газовых смесей.Known free-piston-type synthesis gas generators comprise a housing reinforced on the base, having a cylindrical reaction chamber mounted vertically, with a free piston placed inside it, which divides the chamber into two working cavities, purge openings for introducing raw materials and outputting the final product (for example, synthesis gas), overlapped by controlled valves, for example, RF patent No. 2097121, op. November 27, 1997, according to IPC B01J 12/00. To obtain synthesis gas, a methane-air mixture of stoichiometric composition is used, and the generator is started by accelerating the piston with compressed gas from the compressor. The main disadvantage of such generators is the low resource of their operation at high pressures and hard operating conditions, when thermal and vibration loads increase above the permissible strength characteristics. To reduce vibrations to an acceptable level, generators are mounted on a massive base and significant restrictions are placed on the rate of pressure rise during the reaction, which significantly narrows the range of possible types of reactions and compositions of components of reacting gas mixtures.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному техническому решению является устройство импульсного сжатия газов по патенту РФ №2142844, оп. 20.12.1999 г., по МПК B01J 12/00, содержащее корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее, с возможностью возвратно-поступательного перемещения, свободным поршнем, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, узел запуска, размещенный в стенке корпуса, при этом узел запуска выполнен в виде быстродействующего импульсного газового клапана.The closest device of the same purpose to the claimed technical solution is a device for pulse compression of gases according to the patent of the Russian Federation No. 2142844, op. 12/20/1999, according to IPC B01J 12/00, comprising a housing having a cylindrical chamber divided into two cavities placed inside it, with the possibility of reciprocating movement, by a free piston, purge openings made in the side wall of the housing, a launch unit, placed in the wall of the housing, while the launch site is made in the form of a high-speed pulse gas valve.

Недостатками наиболее близкого аналога является сложная конструкция используемых узлов, что приводит к снижению надежности и безопасности эксплуатации устройства, значительные утечки газа между поршнем и стенками камеры при высокой степени сжатия, снижающие эффективность работы свободнопоршневой машины, и массивность деталей для обеспечения прочности конструкции.The disadvantages of the closest analogue are the complex design of the nodes used, which leads to a decrease in the reliability and safety of operation of the device, significant gas leakage between the piston and the chamber walls at a high compression ratio, reducing the efficiency of the free piston machine, and massive parts to ensure structural strength.

Задачей изобретения является расширение области допустимых режимов работы свободнопоршневой машины при импульсном сжатии газов или их смесей, уменьшение массивности основных деталей и износа поверхностей поршня и внутренней поверхности цилиндрической камеры, повышение эффективности ее работы и упрощение конструкции.The objective of the invention is to expand the range of acceptable modes of operation of a free piston machine with pulse compression of gases or mixtures thereof, reducing the bulkiness of the main parts and the wear of the surfaces of the piston and the inner surface of the cylindrical chamber, increasing its efficiency and simplifying the design.

Технические результаты изобретения: упрощение конструкции свободнопоршневой машины за счет объединения в одном устройстве реактора, дожимного компрессора и приводного двигателя для получения на выходе газа с заданными параметрами давления и температуры; повышение эффективности работы свободнопоршневой машины при высокой степени сжатия газов или их смесей; снижение массивности основных деталей свободнопоршневой машины; снижение вибраций свободнопоршневой машины за счет противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных крышек, соединенных между собой, в корпусе устройства; повышение надежности и безопасности эксплуатации свободнопоршневой машины.Technical results of the invention: simplifying the design of a free piston machine by combining in one device a reactor, a booster compressor and a drive motor to produce gas at the outlet with predetermined pressure and temperature parameters; increasing the efficiency of the free piston machine with a high degree of compression of gases or their mixtures; reduction in bulkiness of the main parts of the free piston machine; vibration reduction of a free piston machine due to the out-of-phase balanced movement of the piston and movable covers interconnected in the device body; improving the reliability and safety of the operation of the free piston machine.

Технические результаты достигаются тем, что свободнопоршневая машина содержит корпус, имеющий цилиндрическую камеру, свободный поршень, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, в цилиндрической камере размещены подвижные крышки, соединенные между собой, с впускными и выходными отверстиями для формирования перепускного канала подачи смеси и выпуска газа с измененными параметрами, свободный поршень выполнен двухступенчатым (дифференциальным). Под двухступенчатым или дифференциальным поршнем в предлагаемом техническом решении понимается поршень с частями разного диаметра.Technical results are achieved in that the free piston machine comprises a housing having a cylindrical chamber, a free piston, purge openings made in the side wall of the housing, movable covers interconnected with inlet and outlet openings for forming a bypass mixture supply channel are placed in the cylindrical chamber gas release with modified parameters, the free piston is made two-stage (differential). Under the two-stage or differential piston in the proposed technical solution refers to a piston with parts of different diameters.

Технические результаты могут достигаться также тем, что свободный поршень и подвижные соединенные между собой крышки могут быть выполнены с возможностью противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных соединенных между собой крышек в корпусе.Technical results can also be achieved by the fact that the free piston and movable interconnected caps can be made with the possibility of antiphase balanced movement of the piston and movable interconnected caps in the housing.

Технические результаты могут достигаться также тем, что свободный поршень, подвижные соединенные между собой крышки и корпус образуют три полости.Technical results can also be achieved by the fact that a free piston, movable interconnected caps and a housing form three cavities.

Технические результаты могут достигаться также тем, что соединение соединенных между собой крышек может быть расположено вне цилиндрической камеры.Technical results can also be achieved by the fact that the connection of the interconnected covers can be located outside the cylindrical chamber.

Технические результаты могут достигаться также тем, что соединение соединенных между собой крышек может быть расположено в цилиндрической камере.Technical results can also be achieved by the fact that the connection of the interconnected covers can be located in a cylindrical chamber.

Свободнопоршневая машина схематично представлена на фиг.1. На фиг.2 представлен вариант свободнопоршневой машины с расположением соединения соединенных между собой крышек в цилиндрической камере.Free piston machine is schematically represented in figure 1. Figure 2 presents a variant of a free piston machine with the location of the connection of the interconnected covers in a cylindrical chamber.

Свободнопоршневая машина содержит корпус 1, установленный вертикально и имеющий цилиндрическую камеру 2, разделенную на полости 3, 4 и 5 свободным поршнем 6, размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения, подвижные крышки, соединенные между собой, 7. В корпусе 1 имеются продувочные отверстия 8 и 9, предназначенные для подачи и выпуска воздуха, отверстие 10 для подачи, например, метано-воздушной смеси, отверстие 11 для выхода, например, синтез-газа из полости 4, клапана 12, 13 для впуска и выпуска, например, синтез-газа (конечного продукта) из полости 5. В подвижных крышках, соединенных между собой, 7 выполнены окна 14, 15 для подачи и выхода воздуха.The free piston machine comprises a housing 1 mounted vertically and having a cylindrical chamber 2, divided into cavities 3, 4 and 5 by a free piston 6 placed inside it with the possibility of reciprocating movement, movable covers interconnected 7. In the housing 1 there are purge openings 8 and 9 for supplying and discharging air, an opening 10 for supplying, for example, a methane-air mixture, an opening 11 for exiting, for example, synthesis gas from the cavity 4, an intake and exhaust valve 12, 13, for example, synthesis gas (con of the finished product) from the cavity 5. In the movable covers interconnected 7, windows 14, 15 are made for supplying and exiting air.

Для снижения тепловой напряженности деталей конструкции поршень 6 может быть выполненным из двух разнесенных в осевом направлении частей. Поршень 6 выполнен двухступенчатым, создающим в объеме цилиндрической камеры 2 своей первой рабочей ступенью полость, например, синтеза газа 4, а второй ступенью компрессорную полость 3, при этом полость 5 образована разностью диаметров частей поршня реактора и компрессора. Подвижные крышки, соединенные между собой, 7 свободнопоршневой машины выполнены полыми с возможностью перемещения между корпусом 1 и свободным поршнем 6 для формирования перепускных каналов входа и выхода газов. Изменяя объем рабочей полости за счет перемещения поршня 6 и подвижных соединенных между собой крышек 7 навстречу друг другу, можно варьировать рабочим объемом свободнопоршневой машины, степенью сжатия, а также работать на различных видах топлива без изменения конструктивных параметров свободнопоршневой машины. Реакция, например, производства синтез-газа при этом протекает в условиях высоких температур и давлений, достигаемых за счет импульсного сжатия соответствующего сырья свободным поршнем в камере синтез-газа 4. Нижняя полость устройства имеет узел запуска свободнопоршневой машины (источник сжатого воздуха), при этом запуск свободнопоршневой машины осуществляется при крайнем положении поршня путем подачи газа. Таким образом, свободнопоршневая машина объединяет импульсный адиабатический реактор, приводной двигатель и дожимной компрессор. С целью исключения заброса непрореагированных компонентов исходной смеси и уменьшения энергетических затрат может использоваться схема реактора с прямоточной продувкой и полным расширением продуктов реакции. В качестве продувочного двигателя может использоваться газовый двухтактный дизель с петлевой продувкой без охлаждения и подачей топлива в конце продувки. Дожимной компрессор может быть выполнен поршневым, одноступенчатым с автоматическими клапанами и перепускными окнами в начале сжатия.To reduce the thermal tension of the structural parts, the piston 6 may be made of two axially spaced parts. The piston 6 is made two-stage, creating a cavity, for example, gas synthesis 4, in the volume of the cylindrical chamber 2 with its first working stage, and a compressor cavity 3, and the cavity 5 is formed by the difference between the diameters of the parts of the reactor piston and compressor. The movable covers, interconnected, 7 of the free piston machine are hollow with the possibility of movement between the housing 1 and the free piston 6 to form the bypass channels of the input and output gases. By changing the volume of the working cavity due to the movement of the piston 6 and the movable interconnected covers 7 towards each other, it is possible to vary the working volume of the free piston machine, the compression ratio, and also operate on different types of fuel without changing the design parameters of the free piston machine. The reaction, for example, the production of synthesis gas in this case proceeds under conditions of high temperatures and pressures achieved by pulsating compression of the corresponding feedstock with a free piston in the synthesis gas chamber 4. The lower cavity of the device has a free piston engine start unit (compressed air source), while the start of the free piston machine is carried out at the extreme position of the piston by supplying gas. Thus, the free piston machine combines a pulsed adiabatic reactor, a drive motor and a booster compressor. In order to eliminate the casting of unreacted components of the initial mixture and reduce energy costs, a reactor circuit with direct-flow purging and complete expansion of reaction products can be used. As a purge engine, a gas two-stroke diesel engine with a loop purge without cooling and fuel supply at the end of the purge can be used. Booster compressor can be made piston, single-stage with automatic valves and bypass windows at the beginning of compression.

Работа свободнопоршневой машины представляет циклический процесс. При подаче газа под давлением происходит наполнение полости 3 через отверстие 8. Для запуска устройства подается сжатый газ от компрессора по магистрали. Под давлением поступающего толкающего газа поршень 6 начинает двигаться вверх, а подвижные соединенные между собой крышки 7 вниз, отсекая верхнюю полость от отверстий, и сжимает газ в ней. В результате под давлением сжатого в верхней полости 3 газа поршень 6 отбрасывается вниз навстречу непрерывно поступающему толкающему газу, сжимая его, останавливается, а затем вновь начинает двигаться вверх и описанный цикл повторяется. Каждый цикл состоит из тактов сжатия и расширения газа в полостях 3 и 4, происходящих при возвратно-поступательном движении свободного поршня 6 в цилиндрической камере 2. Необходимые для протекания процесса параметры достигаются при сжатии газообразных исходных веществ поршнем в период нахождения вблизи соответствующей мертвой точки. Необходимый режим колебаний поршня поддерживается за счет конвертирования выделяющегося вблизи соответствующей мертвой точки тепла в работу подобно тому, что происходит в поршневых двигателях внутреннего сгорания. При достижении поршнем 5 заданного режима колебаний (степени сжатия, необходимой для начала реакции) через отверстие 10 начинается подача, например, метано-воздушной смеси и вывод полученного синтез-газа через отверстие 11. В результате перемещения подвижных соединенных между собой крышек 7 формируется перепускной канал для выпуска синтез-газа. Таким образом, смесь газообразного углеводородного сырья подвергают парциальному окислению путем сжатия смеси для обеспечения условий реакции в объеме камеры компрессионного типа при движении поршня к верхней мертвой точке, расширению смеси за счет движения поршня к нижней мертвой точке, охлаждению и выводу продуктов процесса, содержащих синтез-газ из реакционного объема. Заданное давление синтез-газа после свободнопоршневой машины получают расширением продуктов реакции до давления продувки, охлаждением и сжатием в компрессорной полости 5 до нужного давления.The operation of a free piston machine is a cyclic process. When gas is supplied under pressure, the cavity 3 is filled through the hole 8. To start the device, compressed gas is supplied from the compressor along the line. Under the pressure of the incoming pushing gas, the piston 6 begins to move upward, and the movable interconnected covers 7 downward, cutting off the upper cavity from the holes, and compresses the gas in it. As a result, under the pressure of the gas compressed in the upper cavity 3, the piston 6 is thrown down towards the continuously incoming pushing gas, compressing it, stops, and then again starts to move up and the described cycle repeats. Each cycle consists of compression and expansion cycles of gas in cavities 3 and 4, which occur during the reciprocating motion of the free piston 6 in the cylindrical chamber 2. The parameters necessary for the process to proceed are achieved by compressing the gaseous starting materials with the piston while it is near the corresponding dead point. The necessary mode of oscillation of the piston is maintained by converting the heat generated near the corresponding dead center into operation similar to what happens in piston internal combustion engines. When the piston 5 reaches a predetermined oscillation mode (the compression ratio necessary to start the reaction) through the hole 10, the flow, for example, of a methane-air mixture begins and the resulting synthesis gas is output through the hole 11. As a result of the movement of the movable interconnected covers 7, a bypass channel is formed for the release of synthesis gas. Thus, the mixture of gaseous hydrocarbon feeds is subjected to partial oxidation by compressing the mixture to provide reaction conditions in the volume of the compression-type chamber when the piston moves to top dead center, the mixture expands due to the piston moving to bottom dead center, cooling and the output of process products containing synthesis gas from the reaction volume. The desired syngas pressure after the free piston machine is obtained by expanding the reaction products to the purge pressure, cooling and compressing in the compressor cavity 5 to the desired pressure.

Примеры конструктивного выполнения свободнопоршневой машины могут быть разными, при этом рациональное решение выбирается при конструкторском проектировании. Так несколько свободнопоршневых машин могут располагаться параллельно друг другу в виде кольца, или объединяться в пакете заданной формы. Элементы свободнопоршневой машины могут быть выполнены известными способами из известных материалов.Examples of the design of a free piston machine can be different, while a rational solution is chosen during the design design. So several free piston machines can be arranged parallel to each other in the form of a ring, or combined in a package of a given shape. Elements of the free piston machine can be made by known methods from known materials.

Преимущества предложенной свободнопоршневой машины заключаются в ее малой массе, высоких значениях параметров рабочего процесса (степени повышения давления, температуры), которые существенно улучшают технико-экономические характеристики свободнопоршневых машин, например, для генерации синтез-газа.The advantages of the proposed free piston machine are its low weight, high values of the working process parameters (degree of increase in pressure, temperature), which significantly improve the technical and economic characteristics of free piston machines, for example, for the generation of synthesis gas.

Таким образом, предлагаемая свободнопоршневая машина обеспечивает, например, при производстве синтез-газа:Thus, the proposed free piston machine provides, for example, in the production of synthesis gas:

1. значительное расширение диапазона возможных типов реакции и состава компонентов газа, использование в качестве смеси компонентов газов с различным тепловым эффектом реакции (например, аргона для повышения температуры нагрева газа в зоне реакции без предварительного подогрева реагирующих газов);1. a significant expansion of the range of possible types of reaction and composition of gas components, the use of gas components as a mixture of various thermal effects of the reaction (for example, argon to increase the temperature of gas heating in the reaction zone without preheating the reacting gases);

2. высокий уровень температур в зоне реакции и большие скорости сжатия приводят к полной реакции синтез-газа без образования сажи;2. high temperature in the reaction zone and high compression rates lead to a complete reaction of the synthesis gas without the formation of soot;

3. многофункциональное использование (генератор синтез-газа и компрессор в одном устройстве);3. multifunctional use (synthesis gas generator and compressor in one device);

4. улучшенное качество синтез-газа и большой выход конечного продукта после реакции (от 30 до 90 процентов), при этом не требуется продувки синтез-газа, а оставшаяся часть находится в реакционной камере для повышения нагрева новой порции запускаемого газа;4. improved quality of the synthesis gas and a large yield of the final product after the reaction (from 30 to 90 percent), without purging the synthesis gas, and the remaining part is in the reaction chamber to increase the heating of a new portion of the starting gas;

5. обеспечение плавного запуска, быстрого выхода на установившийся режим и остановки свободнопоршневой машины за счет использования подвижных соединенных между собой крышек, при этом выпуск газа осуществляется на определенной стадии с заданной степенью конверсии и требуемыми параметрами синтез-газа;5. ensuring a smooth start, quick exit to steady state and stop the free piston machine through the use of movable interconnected covers, while the gas is released at a certain stage with a given degree of conversion and the required synthesis gas parameters;

6. подавление колебаний (вибраций) при использовании противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных соединенных между собой крышек в корпусе устройства.6. suppression of vibrations (vibrations) when using the antiphase balanced movement of the piston and movable interconnected covers in the device body.

Claims (5)

1. Свободнопоршневая машина для проведения химического взаимодействия газовых смесей, содержащая корпус, имеющий цилиндрическую камеру, свободный поршень, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, отличающаяся тем, что в цилиндрической камере размещены подвижные крышки, соединенные между собой, с впускными и выходными отверстиями для формирования перепускного канала подачи смеси и выпуска газа с измененными параметрами, при этом свободный поршень выполнен двухступенчатым.1. A free piston machine for conducting chemical interaction of gas mixtures, comprising a housing having a cylindrical chamber, a free piston, purge openings made in the side wall of the housing, characterized in that movable covers are interconnected with the inlet and outlet openings in the cylindrical chamber for the formation of a bypass channel for supplying the mixture and the release of gas with modified parameters, while the free piston is made two-stage. 2. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что свободный поршень и подвижные соединенные между собой крышки выполнены с возможностью противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных соединенных между собой крышек в корпусе.2. The free piston machine according to claim 1, characterized in that the free piston and the movable interconnected covers are made with the possibility of out-of-phase balanced movement of the piston and movable interconnected covers in the housing. 3. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что свободный поршень, подвижные соединенные между собой крышки и корпус образуют три полости.3. The free piston machine according to claim 1, characterized in that the free piston, the movable interconnected covers and the housing form three cavities. 4. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что соединение соединенных между собой крышек расположено вне цилиндрической камеры.4. The free piston machine according to claim 1, characterized in that the connection of the interconnected covers is located outside the cylindrical chamber. 5. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что соединение соединенных между собой крышек расположено в цилиндрической камере.5. The free piston machine according to claim 1, characterized in that the connection of the interconnected covers is located in a cylindrical chamber.

Images