RU2744454C1 - Pulse-detonation method for producing alkenes and alkines and a device for its implementation - Google Patents
Pulse-detonation method for producing alkenes and alkines and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744454C1 RU2744454C1 RU2019142014A RU2019142014A RU2744454C1 RU 2744454 C1 RU2744454 C1 RU 2744454C1 RU 2019142014 A RU2019142014 A RU 2019142014A RU 2019142014 A RU2019142014 A RU 2019142014A RU 2744454 C1 RU2744454 C1 RU 2744454C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gaseous feedstock
- detonation
- flow
- oxidizer
- fuel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
- B01J3/06—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
- B01J3/08—Application of shock waves for chemical reactions or for modifying the crystal structure of substances
Abstract
Description
Изобретение относится к способам и устройствам для получения алкенов и алкинов (например, этилена и ацетилена) из доступного газообразного исходного сырья (например, метана, этана, пропана и других предельных углеводородов).The invention relates to methods and devices for producing alkenes and alkynes (for example, ethylene and acetylene) from available gaseous feedstock (for example, methane, ethane, propane and other saturated hydrocarbons).
В существующих установках конверсия метана в ацетилен осуществляется, как правило, методом окислительного пиролиза бедной (недостаток кислорода) смеси «метан-кислород» при температуре 1200-1400°С и времени пребывания компонентов смеси в реакционной зоне на уровне нескольких миллисекунд с последующей закалкой продуктов путем их резкого охлаждения до температуры около 300°С, например, введения в поток охлаждающей среды - воды или масла, что необходимо для прекращения дальнейшей реакции распада полученного ацетилена на углерод и водород (Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. М.: Химия, 1970. - 415 с).In existing installations, the conversion of methane to acetylene is carried out, as a rule, by the method of oxidative pyrolysis of a poor (lack of oxygen) methane-oxygen mixture at a temperature of 1200-1400 ° C and the residence time of the mixture components in the reaction zone at the level of several milliseconds, followed by quenching the products by their sharp cooling to a temperature of about 300 ° C, for example, introducing a cooling medium - water or oil into the flow, which is necessary to stop the further decomposition reaction of the obtained acetylene into carbon and hydrogen (Antonov V.N., Lapidus A.S. Acetylene production. M .: Chemistry, 1970 .-- 415 s).
Основная проблема существующих методов - образование сажи, что усложняет технологию подготовки продуктов пиролиза к заключительной стадии -компримированию чистого ацетилена. Сажеобразование связано с продолжительным временем пребывания смеси «метан-кислород» в реакционной зоне, достаточным для распада полученного ацетилена с образованием сажевых частиц. Кроме того, наличие кислорода в исходной смеси приводит к образованию побочных веществ, которые также необходимо удалять из получаемого продукта.The main problem of existing methods is the formation of soot, which complicates the technology of preparing pyrolysis products for the final stage - the compression of pure acetylene. Soot formation is associated with a long residence time of the methane-oxygen mixture in the reaction zone, sufficient for the decomposition of the resulting acetylene to form soot particles. In addition, the presence of oxygen in the initial mixture leads to the formation of by-substances, which must also be removed from the resulting product.
Для решения этих проблем предлагается новый способ конверсии (без добавления кислорода) доступного газообразного исходного сырья в виде того или иного предельного углеводорода или смеси предельных углеводородов в алкены и алкины (например, этилен и ацетилен) с помощью его ударного или детонационного сжатия и разогрева в циклическом рабочем процессе, основанном на импульсно-детонационном сжигании той или иной горючей смеси в проточной импульсно-детонационной трубе (Фролов С.М., Сметанюк В.А., Фролов Ф.С., Патент WO/2016/060582 А1, Способ детонационной штамповки и устройство для его реализации B21D 26/08 (2006.01), опубликованный 21.04.2016). В таком способе для разогрева газообразного исходного сырья используется быстропротекающий процесс ударного сжатия и его разогрева в бегущей ударной или детонационной волне, повышающей давление и температуру до 25-30 и до 8-10 раз соответственно в течение нескольких микросекунд. Время пребывания газообразного исходного сырья в ударной или детонационной волне легко регулируется конструктивными или режимными мероприятиями. При этом циклический характер рабочего процесса обеспечивает надежное охлаждение элементов конструкции относительно холодными горючей смесью и газообразным исходным сырьем, что значительно снижает требования к жаропрочности конструкционных материалов.To solve these problems, a new method is proposed for the conversion (without the addition of oxygen) of an available gaseous feedstock in the form of one or another saturated hydrocarbon or a mixture of saturated hydrocarbons into alkenes and alkynes (for example, ethylene and acetylene) using shock or detonation compression and heating in a cyclic a working process based on pulse-detonation combustion of one or another combustible mixture in a flow-through pulse-detonation tube (Frolov S.M., Smetanyuk V.A., Frolov F.S., Patent WO / 2016/060582 A1, Method of detonation stamping and a device for its implementation B21D 26/08 (2006.01) published 04.21.2016). In such a method, for heating the gaseous feedstock, a fast process of shock compression and its heating in a traveling shock or detonation wave is used, which increases the pressure and temperature up to 25-30 and up to 8-10 times, respectively, within a few microseconds. The residence time of the gaseous feedstock in the shock or detonation wave is easily controlled by constructive or operational measures. At the same time, the cyclical nature of the working process ensures reliable cooling of structural elements with a relatively cold combustible mixture and gaseous feedstock, which significantly reduces the requirements for the heat resistance of structural materials.
Предшествующий уровень техникиPrior art
Известны способ и устройство для пиролиза метана с образованием ацетилена за ударной волной, отраженной от закрытого торца непроточной ударной трубы, предложенные в статьях «Pyrolysis of methane in a single pulse shock tube», Napier D.H., Subruhmanyam N. // J. Appl. Chem. Biotechnol. 1972, 22, 303-317 и «High temperature pyrolysis of methane in shock waves», Hadaka Y., et al. // Intern. J. Chem. Kin. 1990. V. 22. P. 701-709. Способ включает заполнение метаном непроточной ударной трубы, образование и распространение первичной ударной волны по метану в непроточной ударной трубе, отражение первичной ударной волны от закрытой торцевой стенки непроточной ударной трубы, сопровождающееся скачкообразным разогревом метана до высокой температуры и образованием ацетилена и этилена за отраженной ударной волной. Устройство представляет собой непроточную ударную трубу, снабженную системой подачи газов в трубу, системой генерации первичной ударной волны, системой регистрации давления в ударных волнах и системой откачки газов из непроточной ударной трубы. К недостаткам способа и устройства следует отнести однократный режим работы непроточной ударной трубы и, следовательно, низкую производительность: для повторения цикла требуется откачка полученных продуктов и подготовка непроточной ударной трубы к следующему циклу. Так, по расчетам («Численное исследование процесса пиролиза метана в ударных трубах», Бердыев И.А., Пармон В.Н., Федоров А.В., Федоров Н.Н., Фомин В.М. // Физика горения и взрыва, 2004, т.40, №5, с. 91-101) при числе Маха первичной ударной волны М=5.5 мольные доли ацетилена и этилена не превышали 40% и 3%-4% соответственно по отношению к начальной концентрации метана (до 5%) в смеси с аргоном. Это объясняется быстрым падением температуры за отраженной ударной волной вследствие эндотермической реакцией пиролиза и прекращением процесса пиролиза. Более глубокая конверсия метана в этилен и ацетилен требует дополнительного подогрева газа.A known method and device for pyrolysis of methane with the formation of acetylene behind the shock wave reflected from the closed end of the non-flowing shock tube, proposed in the articles "Pyrolysis of methane in a single pulse shock tube", Napier D.H., Subruhmanyam N. // J. Appl. Chem. Biotechnol. 1972, 22, 303-317 and "High temperature pyrolysis of methane in shock waves", Hadaka Y., et al. // Intern. J. Chem. Kin. 1990. V. 22. P. 701-709. The method includes filling a stagnant shock tube with methane, the formation and propagation of a primary shock wave along the methane in a stagnant shock tube, the reflection of the primary shock wave from the closed end wall of the stagnant shock tube, accompanied by abrupt heating of methane to a high temperature and the formation of acetylene and ethylene behind the reflected shock wave. The device is a non-flowing shock tube equipped with a system for feeding gases into the tube, a system for generating a primary shock wave, a system for recording pressure in shock waves, and a system for pumping gases from a non-flowing shock tube. The disadvantages of the method and device include a single mode of operation of the non-flowing shock tube and, therefore, low productivity: to repeat the cycle, it is necessary to pump out the obtained products and prepare the non-flowing shock tube for the next cycle. So, according to calculations ("Numerical study of the process of methane pyrolysis in shock tubes", Berdyev I.A., Parmon V.N., Fedorov A.V., Fedorov N.N., Fomin V.M. // Physics of Combustion and explosion, 2004, v. 40, No. 5, pp. 91-101) at the Mach number of the primary shock wave M = 5.5, the molar fractions of acetylene and ethylene did not exceed 40% and 3% -4%, respectively, with respect to the initial concentration of methane (up to 5%) mixed with argon. This is due to the rapid drop in temperature behind the reflected shock wave due to the endothermic pyrolysis reaction and the termination of the pyrolysis process. Deeper conversion of methane to ethylene and acetylene requires additional gas heating.
Известны способ и устройство, предложенные в патенте US 2014/0058167 Al, B01J 3/00 (2006.01), 27.02.2014. Способ включает непрерывные процессы заполнения камеры сгорания смесью горючего и окислителя, сгорания смеси горючего и окислителя с повышением давления, истечения высокотемпературных продуктов сгорания смеси через сверхзвуковое сопло, распределенной подачи метана в сверхзвуковую струю продуктов сгорания, разогрева метана до температуры пиролиза в потоке благодаря смешению с продуктами сгорания и торможению сверхзвукового потока, и резкого охлаждения потока для закалки состава продуктов пиролиза. Устройство включает камеру сгорания, сверхзвуковое сопло, реактор, секцию охлаждения продуктов пиролиза (например, водяными струями), систему подачи горючего и окислителя в камеру сгорания, систему зажигания и систему распределенной подачи метана в реактор.The known method and device are proposed in US patent 2014/0058167 Al, B01J 3/00 (2006.01), 02.27.2014. The method includes continuous processes of filling the combustion chamber with a mixture of fuel and oxidizer, combustion of a mixture of fuel and oxidizer with increasing pressure, outflow of high-temperature combustion products of the mixture through a supersonic nozzle, distributed supply of methane to a supersonic jet of combustion products, heating methane to the pyrolysis temperature in the flow due to mixing with the products combustion and deceleration of the supersonic flow, and rapid cooling of the flow to quench the composition of the pyrolysis products. The device includes a combustion chamber, a supersonic nozzle, a reactor, a section for cooling pyrolysis products (for example, with water jets), a system for supplying fuel and an oxidizer to the combustion chamber, an ignition system, and a distributed methane supply system for the reactor.
К важнейшим недостаткам способа и устройства следует отнести неоднородный разогрев метана путем его смешения со сверхзвуковым потоком продуктов сгорания и торможения сверхзвукового потока, а также разбавление метана продуктами горения. Все это приводит к низкой производительности процесса конверсии метана. Другой недостаток - сложность обеспечения тепловой изоляции конструктивных узлов, что приводит к необходимости применения дорогостоящих жаропрочных материалов и систем охлаждения. Кроме того, чтобы уменьшить время пребывания продуктов пиролиза при высокой температуре и предотвратить распад ацетилена с образованием сажи, необходимо быстрое охлаждение продуктов пиролиза (например, водяными струями) для закалки состава продуктов пиролиза.The most important disadvantages of the method and device include inhomogeneous heating of methane by mixing it with a supersonic flow of combustion products and deceleration of the supersonic flow, as well as dilution of methane with combustion products. All this leads to low productivity of the methane conversion process. Another disadvantage is the complexity of providing thermal insulation of structural units, which leads to the need to use expensive heat-resistant materials and cooling systems. In addition, in order to reduce the residence time of the pyrolysis products at high temperatures and to prevent the decomposition of acetylene with the formation of soot, it is necessary to rapidly cool the pyrolysis products (for example, by water jets) to quench the composition of the pyrolysis products.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются способ получения алкенов и алкинов с помощью воздействия ударных волн на газообразное исходное сырье (метан, этан, пропан и другие предельные углеводороды) и устройство для его реализации, предложенные в патенте WO 2015/0077335 А2, B01J 19/10 (2006.01), 28.05.2015. Способ-прототип включает заполнение камеры сгорания смесью горючего и окислителя, сгорания смеси горючего и окислителя с повышением давления, истечения высокотемпературных продуктов сгорания смеси через сверхзвуковое сопло, распределенной подачи газообразного исходного сырья в сверхзвуковую струю продуктов сгорания, формирование стоячей ударной волны в сверхзвуковом потоке смеси «продукты сгорания - газообразное исходное сырье», скачкообразный разогрев газообразного исходного сырья до температуры пиролиза в стоячей ударной волне, пиролиз газообразного исходного сырья в стоячей ударной волне и резкое охлаждение потока продуктов сгорания и продуктов пиролиза для закалки состава продуктов пиролиза.The closest to the proposed invention in terms of technical essence are a method for producing alkenes and alkynes using shock waves on a gaseous feedstock (methane, ethane, propane and other saturated hydrocarbons) and a device for its implementation, proposed in patent WO 2015/0077335 A2, B01J 19/10 (2006.01), 28.05.2015. The prototype method includes filling a combustion chamber with a mixture of a fuel and an oxidizer, combustion of a mixture of a fuel and an oxidizer with increasing pressure, the outflow of high-temperature combustion products of the mixture through a supersonic nozzle, a distributed supply of gaseous feedstock to a supersonic jet of combustion products, the formation of a standing shock wave in a supersonic flow of the mixture " combustion products - gaseous feedstock ", abrupt heating of gaseous feedstock to pyrolysis temperature in a standing shock wave, pyrolysis of gaseous feedstock in a standing shock wave, and abrupt cooling of the flow of combustion products and pyrolysis products to quench the composition of pyrolysis products.
Устройство-прототип включает камеру сгорания, систему зажигания, сверхзвуковое сопло, систему распределенной подачи газообразного исходного сырья, проточный реактор, систему охлаждения и секцию охлаждения продуктов пиролиза (например, с трубчатым водяным теплообменником), причем система охлаждения может быть рекуперативной, например, для предварительного подогрева газообразного исходного сырья перед его подачей в проточный реактор.The prototype device includes a combustion chamber, an ignition system, a supersonic nozzle, a distributed supply of gaseous feedstock, a flow reactor, a cooling system and a section for cooling pyrolysis products (for example, with a tubular water heat exchanger), and the cooling system can be recuperative, for example, for preliminary heating the gaseous feedstock before feeding it into the flow reactor.
К важнейшим недостаткам способа-прототипа и устройства-прототипа также следует отнести неоднородный разогрев метана путем его смешения со сверхзвуковым потоком продуктов сгорания и торможения сверхзвукового потока, а также разбавление метана продуктами горения. Все это приводит к низкой производительности процесса конверсии метана. Другой существенный недостаток - высокие тепловые нагрузки на элементы конструкции, особенно в горловине сверхзвукового сопла, что приводит к необходимости применения дорогостоящих жаропрочных материалов и систем охлаждения.The most important disadvantages of the prototype method and prototype device should also include inhomogeneous heating of methane by mixing it with a supersonic flow of combustion products and deceleration of the supersonic flow, as well as dilution of methane with combustion products. All this leads to low productivity of the methane conversion process. Another significant drawback is high thermal loads on structural elements, especially in the throat of a supersonic nozzle, which leads to the need to use expensive heat-resistant materials and cooling systems.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задача изобретения - создание способа конверсии газообразного исходного сырья (например, метана, этана, пропана и других предельных углеводородов) в алкены и алкины (например, этилен и ацетилен) с помощью его сжатия и разогрева в ударных или детонационных волнах в циклическом рабочем процессе, основанном на детонационном сжигании смеси «горючее-окислитель», не разбавленной или разбавленной газообразным исходным сырьем.The objective of the invention is to create a method for the conversion of gaseous feedstock (for example, methane, ethane, propane and other saturated hydrocarbons) into alkenes and alkynes (for example, ethylene and acetylene) by compressing and heating it in shock or detonation waves in a cyclic working process based on on detonation combustion of a mixture "fuel-oxidizer", not diluted or diluted with gaseous feedstock.
Задача изобретения - создание устройства, которое обеспечит конверсию газообразного исходного сырья (например, метана, этана, пропана и других предельных углеводородов) в алкены и алкины (например, этилен и ацетилен) с помощью его сжатия и разогрева в ударных или детонационных волнах в циклическом рабочем процессе, основанном на детонационном сжигании смеси «горючее-окислитель», не разбавленной или разбавленной газообразным исходным сырьем.The objective of the invention is to create a device that will ensure the conversion of gaseous feedstock (for example, methane, ethane, propane and other saturated hydrocarbons) into alkenes and alkynes (for example, ethylene and acetylene) by compressing and heating it in shock or detonation waves in a cyclic working a process based on detonation combustion of a fuel-oxidizer mixture not diluted or diluted with a gaseous feedstock.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:The solution to this problem is achieved by the proposed:
- способом конверсии газообразного исходного сырья в алкены и алкины с помощью его сжатия и разогрева в ударной волне, в котором бегущая ударная волна, используемая для сжатия и разогрева газообразного исходного сырья, образуется в результате циклического импульсно-детонационного сжигания смеси горючего и окислителя, разбавленной или не разбавленной газообразным исходным сырьем, в бегущей детонационной волне, причем газообразное исходное сырье, подвергаемое сжатию и разогреву в бегущей ударной волне, не разбавлено и может быть предварительно подогрето для регулирования глубины конверсии, а продуктами конверсии являются алкены и алкины, образованные как в бегущей ударной волне, так и в бегущей детонационной волне по смеси горючего и окислителя, разбавленной газообразным исходным сырьем.- the method of converting a gaseous feedstock into alkenes and alkynes by compressing and heating it in a shock wave, in which a traveling shock wave used to compress and heat a gaseous feedstock is formed as a result of cyclic pulse-detonation combustion of a mixture of a fuel and an oxidizer, diluted or not diluted with a gaseous feedstock, in a traveling detonation wave, moreover, the gaseous feedstock subjected to compression and heating in a traveling shock wave is not diluted and can be preheated to control the conversion depth, and the conversion products are alkenes and alkynes formed as in a traveling shock wave wave, and in a traveling detonation wave through a mixture of fuel and oxidizer, diluted with a gaseous feedstock.
Газообразное исходное сырье может служить разбавителем для смеси горючего и окислителя, а смесь горючего и окислителя, разбавленная газообразным исходным сырьем, подвергается сжатию и разогреву в бегущей детонационной волне, а продуктами конверсии являются алкены и алкины, образованные в этой бегущей детонационной волне,A gaseous feedstock can serve as a diluent for a mixture of a fuel and an oxidizer, and a mixture of a fuel and an oxidizer, diluted with a gaseous feedstock, is compressed and heated in a traveling detonation wave, and the conversion products are alkenes and alkynes formed in this traveling detonation wave.
- устройством, включающим камеру сгорания, проточный реактор, систему охлаждения, системы подачи горючего и окислителя, систему зажигания и систему подачи газообразного исходного сырья, в котором камера сгорания выполнена в виде проточной импульсно-детонационной трубы, а поперечное сечение проточного реактора может отличаться от поперечного сечения проточной импульсно-детонационной трубы.- a device including a combustion chamber, a flow-through reactor, a cooling system, fuel and oxidizer supply systems, an ignition system and a feed system for gaseous feedstock, in which the combustion chamber is made in the form of a flow-through impulse-detonation tube, and the cross-section of the flow-through reactor may differ from the transverse section of a flow-through impulse-detonation tube.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства: 1 - проточная импульсно-детонационная труба, 2 - проточный реактор, 3 - система подачи горючего, 4 -система подачи окислителя, 5 - система подачи газообразного исходного сырья, 6 -система зажигания, ДВ - детонационная волна, УВ - ударная волна.FIG. 1 shows a diagram of the claimed device: 1 - flow-through pulse-detonation tube, 2 - flow-through reactor, 3 - fuel supply system, 4 - oxidizer supply system, 5 - gaseous feedstock supply system, 6 - ignition system, DW - detonation wave, HC - shock wave.
Вариант осуществления изобретенияAn embodiment of the invention
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства. Основной узел устройства - проточная импульсно-детонационная труба (1) с присоединенным к ее выходному сечению проточным реактором (2). Устройство также включает системы подачи горючего (3), окислителя (4) и газообразного исходного сырья (5) в проточную импульсно-детонационную трубу (1) и проточный реактор (2), систему зажигания (6), систему управления, систему охлаждения, а также систему отделения алкенов и алкинов (на фиг. не показаны).FIG. 1 shows a diagram of the proposed device. The main unit of the device is a flow-through impulse-detonation tube (1) with a flow-through reactor (2) connected to its outlet section. The device also includes a system for feeding fuel (3), an oxidizer (4) and a gaseous feedstock (5) into a flow-through pulse-detonation tube (1) and a flow-through reactor (2), an ignition system (6), a control system, a cooling system, and also a system for separating alkenes and alkynes (not shown in the figure).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.
Устройство работает циклически с частотой рабочих циклов, задаваемых системой управления.The device operates cyclically at the frequency of operating cycles set by the control system.
Рабочий цикл начинается с заполнения проточной импульсно-детонационной трубы (1) и проточного реактора (2) рабочим газом, представляющим собой ту или иную смесь горючего, окислителя и газообразного исходного сырья. Состав смеси, заполняющей проточную импульсно-детонационную трубу (1) и проточный реактор (2) определяется задаваемым режимом работы и регулируется системой управления. Горючее подается системой подачи горючего (3), окислитель - системой подачи окислителя (4), а исходное сырье - системой подачи газообразного исходного сырья (5). В качестве горючего может использоваться газообразное исходное сырье (например, метан). Времена подачи горючего, окислителя и газообразного исходного сырья определяются системой управления. При этом система управления может обеспечить несколько режимов работы предлагаемого устройства.The working cycle begins with filling the flow-through impulse-detonation tube (1) and flow-through reactor (2) with a working gas, which is one or another mixture of a fuel, an oxidizer, and a gaseous feedstock. The composition of the mixture filling the flow-through impulse-detonation tube (1) and flow-through reactor (2) is determined by the set operating mode and is regulated by the control system. The fuel is supplied by the fuel supply system (3), the oxidizer is supplied by the oxidizer supply system (4), and the feedstock is supplied by the gaseous feedstock supply system (5). The fuel can be a gaseous feedstock (eg methane). The timing of the supply of fuel, oxidizer and gaseous feedstock is determined by the control system. In this case, the control system can provide several modes of operation of the proposed device.
В режиме работы I в проточную импульсно-детонационную трубу (1) одновременно подаются горючее, окислитель и газообразное исходное сырье до полного или частичного заполнения проточного реактора (2).In operating mode I, fuel, oxidizer and gaseous feedstock are simultaneously fed into the flow-through pulse-detonation tube (1) until the flow-through reactor (2) is completely or partially filled.
В режиме работы II в проточную импульсно-детонационную трубу (1) сначала подается только газообразное исходное сырье, а затем в дополнение к газообразному исходному сырью начинают одновременно подаваться горючее и окислитель до тех пор, пока проточный реактор (2) не будет заполнен газообразным исходным сырьем полностью или частично.In operating mode II, only the gaseous feedstock is initially fed into the flow-through pulse detonation tube (1), and then, in addition to the gaseous feedstock, fuel and oxidizer are simultaneously supplied until the flow-through reactor (2) is filled with the gaseous feedstock fully or partially.
В режиме работы III в проточную импульсно-детонационную трубу (1) сначала подается только газообразное исходное сырье, а затем подача газообразного исходного сырья прекращается и одновременно начинают подаваться только горючее и окислитель, и заполнение проточной импульсно-детонационной трубы (1) продолжается до тех пор, пока проточный реактор (2) не будет заполнен газообразным исходным сырьем полностью или частично.In operating mode III, only the gaseous feedstock is first fed into the flow-through pulse-detonation tube (1), and then the supply of the gaseous feedstock is stopped and at the same time only fuel and oxidizer begin to be supplied, and the filling of the flow-through pulse-detonation tube (1) continues until until the flow reactor (2) is filled with gaseous feedstock in whole or in part.
По достижении той или иной заданной степени заполнения проточного реактора (2) подача горючего и окислителя в проточную импульсно-детонационную трубу (1) прекращается. Для устойчивой работы устройства необходимо предотвращать возможность контакта образованной горючей смеси с горячими продуктами детонации предыдущего рабочего цикла. Это достигается формированием «пробки» газообразного исходного сырья между горючей смесью и горячими продуктами детонации предыдущего рабочего цикла. Например, в режиме работы I после прекращения подачи горючего и окислителя в проточную импульсно-детонационную трубу (1) подача газообразного исходного сырья еще продолжается в течение некоторого промежутка времени, достаточного для формирования «пробки».Upon reaching a given degree of filling of the flow-through reactor (2), the supply of fuel and oxidizer to the flow-through pulse-detonation tube (1) stops. For stable operation of the device, it is necessary to prevent the possibility of contact of the formed combustible mixture with hot detonation products of the previous working cycle. This is achieved by the formation of a "plug" of the gaseous feedstock between the combustible mixture and the hot detonation products of the previous working cycle. For example, in operating mode I, after stopping the supply of fuel and oxidizer to the flow pulse-detonation tube (1), the supply of gaseous feedstock still continues for a certain period of time sufficient for the formation of a "plug".
Подача горючего и окислителя в проточную импульсно-детонационную трубу (1) заканчивается в момент, когда по команде системы управления в проточной импульсно-детонационной трубе (1) инициируется процесс детонационного горения при помощи системы зажигания (6). Процесс детонационного горения осуществляется в соответствии с принципом, изложенным в патенте WO/2016/060582 Al, Способ детонационной штамповки и устройство для его реализации, B21D 26/08 (2006.01), опубликованном 21.04.2016.The supply of fuel and oxidizer to the flow-through pulse-detonation tube (1) ends at the moment when, at the command of the control system, the process of detonation combustion is initiated in the flow-through pulse-detonation tube (1) using the ignition system (6). The detonation combustion process is carried out in accordance with the principle set forth in the patent WO / 2016/060582 Al, Method of detonation stamping and device for its implementation, B21D 26/08 (2006.01), published on April 21, 2016.
При реализации режима работы I разогрев газообразного исходного сырья до температуры пиролиза осуществляется в результате его сжатия в детонационной волне, бегущей по рабочему газу, представляющему собой смесь «горючее - окислитель - газообразное исходное сырье». Продуктами конверсии являются алкены и алкины, образованные в детонационной волне, бегущей по смеси горючего и окислителя, разбавленной газообразным исходным сырьем.When operating mode I is implemented, the gaseous feedstock is heated to the pyrolysis temperature as a result of its compression in a detonation wave traveling through the working gas, which is a mixture of "fuel - oxidizer - gaseous feedstock". The conversion products are alkenes and alkynes formed in a detonation wave traveling through a mixture of a fuel and an oxidizer diluted with a gaseous feedstock.
При реализации режима работы II разогрев газообразного исходного сырья до температуры пиролиза осуществляется сначала в проточной импульсно-детонационной трубе (1) в результате его сжатия в бегущей детонационной волне, а затем, после выхода детонационной волны в проточный реактор (2) и ее превращения в бегущую ударную волну, - в результате его сжатия в этой бегущей ударной волне. Продуктами конверсии являются алкены и алкины, образованные как в бегущей ударной волне, так и в детонационной волне, бегущей по смеси горючего и окислителя, разбавленной газообразным исходным сырьем.When operating mode II is implemented, the heating of the gaseous feedstock to the pyrolysis temperature is carried out first in a flow-through pulse-detonation tube (1) as a result of its compression in a traveling detonation wave, and then, after the detonation wave emerges into a flow-through reactor (2) and its transformation into a running shock wave - as a result of its compression in this traveling shock wave. The conversion products are alkenes and alkynes formed both in a traveling shock wave and in a detonation wave traveling through a mixture of a fuel and an oxidizer diluted with a gaseous feedstock.
При реализации режима III разогрев газообразного исходного сырья до температуры пиролиза осуществляется в результате его сжатия в бегущей ударной волне, получаемой после выхода бегущей детонационной волны из проточной импульсно-детонационной трубы (1), заполненной смесью «горючее-окислитель», в проточный реактор (2), заполненный газообразным исходным сырьем. Продуктами конверсии являются алкены и алкины, образованные в ударной волне, бегущей по неразбавленному газообразному исходному сырью.In the implementation of mode III, the heating of the gaseous feedstock to the pyrolysis temperature is carried out as a result of its compression in the traveling shock wave obtained after the outflow of the traveling detonation wave from the flow-through pulse-detonation tube (1), filled with a mixture of "fuel-oxidizer", into the flow-through reactor (2 ) filled with gaseous feedstock. The conversion products are alkenes and alkynes formed in the shock wave traveling through the undiluted gaseous feedstock.
На всех рассмотренных режимах работы предлагаемого устройства полученные в рабочем цикле продукты пиролиза с примесью продуктов детонации, например, СО2 и H2O, направляются в систему отделения алкенов и алкинов, а система управления выдает сигнал на начало следующего рабочего цикла, начинающегося с заполнения проточной импульсно-детонационной трубы (1) и проточного реактора (2) свежими порциями газообразного исходного сырья и горючей смеси.In all considered modes of operation of the proposed device, the pyrolysis products obtained in the working cycle with an admixture of detonation products, for example, CO 2 and H 2 O, are sent to the system for separating alkenes and alkynes, and the control system gives a signal to start the next working cycle, starting with filling the flow pulse-detonation tube (1) and flow reactor (2) with fresh portions of gaseous feedstock and combustible mixture.
В случае рекуперативной системы охлаждения проточной импульсно-детонационной трубы (1) и проточного реактора (2) рабочим телом может служить газообразное исходное сырье. Тогда в проточную импульсно-детонационную трубу (1) подается подогретое газообразное исходное сырье, что может использоваться для регулирования глубины конверсии.In the case of a recuperative cooling system for a flow-through impulse-detonation tube (1) and a flow-through reactor (2), the working fluid can be a gaseous feedstock. Then a heated gaseous feedstock is fed into the flow-through pulse-detonation tube (1), which can be used to control the conversion depth.
Приводим пример осуществления изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой.We give an example of the implementation of the invention on a prototype of the proposed device, equipped with recording equipment.
Опытный образец устройства включал неохлаждаемую проточную импульсно-детонационную трубу, проточный реактор, систему подачи горючего (пропан-бутан автомобильный), систему подачи окислителя (кислород), систему подачи газообразного исходного сырья (метан), а также систему управления.The prototype device included an uncooled flow-through impulse-detonation tube, a flow-through reactor, a fuel supply system (vehicle propane-butane), an oxidizer supply system (oxygen), a gaseous feedstock supply system (methane), and a control system.
Проточная импульсно-детонационная труба включала камеру смешения и зажигания внутренним диаметром 50 мм и длиной 400 мм, к которой последовательно присоединены ускоритель пламени внутренним диаметром 50 мм и длиной 1000 мм с препятствиями-турбулизаторами, обеспечивающими быстрый переход горения в детонацию, и гладкий участок трубы внутренним диаметром 50 мм и длиной 1000 мм. Камера смешения содержала коллекторы подачи горючего, окислителя и газообразного исходного сырья, а также 2 автомобильные свечи зажигания. Выходное сечение проточной импульсно-детонационной трубы соединено с проточным реактором.The flow-through impulse-detonation tube included a mixing and ignition chamber with an inner diameter of 50 mm and a length of 400 mm, to which a flame accelerator with an inner diameter of 50 mm and a length of 1000 mm was connected in series with turbulent obstacles that ensure a rapid transition of combustion into detonation, and a smooth section of the tube with an inner with a diameter of 50 mm and a length of 1000 mm. The mixing chamber contained manifolds for the supply of fuel, oxidizer and gaseous feedstock, as well as 2 automotive spark plugs. The outlet section of the flow-through impulse-detonation tube is connected to the flow-through reactor.
Проточный реактор выполнен в виде гладкой трубы внутренним диаметром 70 мм и длиной 1000 мм, с установленным в окрестности выходного сечения пробоотборником. Выходное сечение проточного реактора сообщалось с атмосферой.The flow reactor is made in the form of a smooth pipe with an inner diameter of 70 mm and a length of 1000 mm, with a sampler installed in the vicinity of the outlet section. The outlet section of the flow reactor was in communication with the atmosphere.
Расходы горючего, окислителя и газообразного исходного сырья выбирались такими, чтобы состав рабочего газа «горючее - окислитель - газообразное исходное сырье», заполняющей проточную импульсно-детонационную трубу и проточный реактор был стехиометрическим по соотношению горючего и окислителя (режим I). Время подачи компонентов горючей смеси и газообразного исходного сырья задавали таким, чтобы обеспечить полное заполнение проточной импульсно-детонационной трубы и проточного реактора. Испытания проводились при частоте работы опытного образца устройства до 2 Гц. Измерения параметров рабочего режима и теплового состояния опытного образца устройства, а также отбор проб продуктов конверсии в выходном сечении проточного реактора проводились по методикам приемочных испытаний горелки импульсно-детонационной скоростной (ЦИДГ. 100.000.000 ПМ01), разработанным в рамках государственного контракта №16.526.12.6018 от «14» октября 2011 г.(Шифр «2011-2.6-526-006-002») «Разработка высокоскоростной энергосберегающей импульсно-детонационной газовой горелки для повышения эффективности тепловой работы промышленных печей и теплоэнергетических установок». Измеренная средняя скорость циклической детонации в рабочем газе «горючее - окислитель - газообразное исходное сырье» составила 2000 м/с. Расчетные значения давления и температуры в детонационной волне составили 1,4 МПа и 2700 К соответственно. Время пребывания газообразного исходного сырья при высокой температуре составило ~1 мс. Анализ химического состава отобранных проб продуктов конверсии показал содержание ацетилена на уровне 38%-40% (вес.). Следов сажи не обнаружено.The flow rates of fuel, oxidizer and gaseous feedstock were chosen such that the composition of the working gas “fuel - oxidizer - gaseous feedstock” filling the flow pulse detonation tube and flow reactor was stoichiometric in the ratio of fuel and oxidizer (mode I). The time of supply of the components of the combustible mixture and gaseous feedstock was set so as to ensure complete filling of the flow-through pulse-detonation tube and flow-through reactor. The tests were carried out at the operating frequency of the prototype device up to 2 Hz. The measurements of the parameters of the operating mode and the thermal state of the prototype device, as well as the sampling of the conversion products in the outlet section of the flow reactor were carried out according to the methods of acceptance testing of the high-speed pulse detonation burner (TsIDG. 100.000.000 PM01), developed under the state contract No. 16.526.12.6018 dated October 14, 2011 (Code "2011-2.6-526-006-002") "Development of a high-speed energy-saving pulse-detonation gas burner to improve the efficiency of the thermal operation of industrial furnaces and thermal power plants." The measured average velocity of cyclic detonation in the working gas "fuel - oxidizer - gaseous feedstock" was 2000 m / s. The calculated values of pressure and temperature in the detonation wave were 1.4 MPa and 2700 K, respectively. The residence time of the gaseous feedstock at high temperature was ~ 1 ms. Analysis of the chemical composition of the samples taken from the conversion products showed the acetylene content at the level of 38% -40% (wt.). No traces of soot were found.
Таким образом, предложены способ и устройства, обеспечивающие получение алкенов и алкинов (например, этилена и ацетилена) из доступного газообразного исходного сырья (например, метана, этана, пропана и других предельных углеводородов).Thus, the proposed method and devices for obtaining alkenes and alkynes (for example, ethylene and acetylene) from available gaseous feedstock (for example, methane, ethane, propane and other saturated hydrocarbons).
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142014A RU2744454C1 (en) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | Pulse-detonation method for producing alkenes and alkines and a device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142014A RU2744454C1 (en) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | Pulse-detonation method for producing alkenes and alkines and a device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2744454C1 true RU2744454C1 (en) | 2021-03-09 |
Family
ID=74857763
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019142014A RU2744454C1 (en) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | Pulse-detonation method for producing alkenes and alkines and a device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2744454C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU392723A1 (en) * | 1971-06-14 | 1983-07-15 | Институт газа АН УССР | Process for coproducing acetylene and ethylene |
| RU2065866C1 (en) * | 1993-07-27 | 1996-08-27 | Специализированное проектно-конструкторское и технологическое бюро Территориального производственного специализированного транспортного объединения "Спецтранс" | Reactor for thermooxidative pyrolysis of methane |
| WO2016060582A1 (en) * | 2014-10-16 | 2016-04-21 | Некоммерческое Партнерство По Научной, Образовательной И Инновационной Деятельности "Центр Импульсного Детонационного Горения" | Detonation forming method and device for the implementation thereof |
| EA031840B1 (en) * | 2013-11-19 | 2019-02-28 | Юниверсити Оф Вашингтон Тру Итс Сентер Фор Коммершлайзейшн | Systems of supersonic shock wave reactors and methods of synthesizing olefin-hydrocarbon gases |
-
2019
- 2019-12-18 RU RU2019142014A patent/RU2744454C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU392723A1 (en) * | 1971-06-14 | 1983-07-15 | Институт газа АН УССР | Process for coproducing acetylene and ethylene |
| RU2065866C1 (en) * | 1993-07-27 | 1996-08-27 | Специализированное проектно-конструкторское и технологическое бюро Территориального производственного специализированного транспортного объединения "Спецтранс" | Reactor for thermooxidative pyrolysis of methane |
| EA031840B1 (en) * | 2013-11-19 | 2019-02-28 | Юниверсити Оф Вашингтон Тру Итс Сентер Фор Коммершлайзейшн | Systems of supersonic shock wave reactors and methods of synthesizing olefin-hydrocarbon gases |
| WO2016060582A1 (en) * | 2014-10-16 | 2016-04-21 | Некоммерческое Партнерство По Научной, Образовательной И Инновационной Деятельности "Центр Импульсного Детонационного Горения" | Detonation forming method and device for the implementation thereof |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| ROCKOURT X. ET AL, Detonability of simple and representative components of pyrolysis products of kerosene: pulsed detonation engine application, Shock Waves, 2005, 14(4), pp. 283-291. * |
| ROCKOURT X. ET AL, Thermal degradation of two liquid fuels and detonation tests for pulse detonation engine studies, Shock Waves, 2007, 16, рр. 233-245. * |
| ФРОЛОВ С.М. И ДР. Переход горения в детонацию в воздушных смесях продуктов пиролиза полипропилена, ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2019, Т. 488, N 2, с. 162-166. * |
| ФРОЛОВ С.М. И ДР. Циклический переход горения в детонацию в проточной камере сгорания импульсно-детонационного горелочного устройства, Химическая физика, 2013, Т. 32, N 3, с. 39-43. * |
| ФРОЛОВ С.М. И ДР. Циклический переход горения в детонацию в проточной камере сгорания импульсно-детонационного горелочного устройства, Химическая физика, 2013, Т. 32, N 3, с. 39-43. ФРОЛОВ С.М. И ДР. Переход горения в детонацию в воздушных смесях продуктов пиролиза полипропилена, ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2019, Т. 488, N 2, с. 162-166. ROCKOURT X. ET AL, Detonability of simple and representative components of pyrolysis products of kerosene: pulsed detonation engine application, Shock Waves, 2005, 14(4), pp. 283-291. ROCKOURT X. ET AL, Thermal degradation of two liquid fuels and detonation tests for pulse detonation engine studies, Shock Waves, 2007, 16, рр. 233-245. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2158747C1 (en) | Method of direct pyrolysis of methane | |
| EP3894068B1 (en) | Method and reactor for producing one or more products | |
| US4724272A (en) | Method of controlling pyrolysis temperature | |
| US2767233A (en) | Thermal transformation of hydrocarbons | |
| RU2320531C2 (en) | Method of production of synthesis-gas at combustion and device for realization of this method | |
| MXPA03009841A (en) | Method for plasma-catalytic conversion of fuels that can be used in an internal combustion engine or a gas turbine into a synthetic gas and the plasma-catalytic converter used for same. | |
| RU2065866C1 (en) | Reactor for thermooxidative pyrolysis of methane | |
| RU2120913C1 (en) | Synthesis gas production process | |
| CN103030493A (en) | Method for preparing ethylene and acetylene from ethane | |
| GB709035A (en) | Improvements relating to the production of pyrogenic chemical reactions | |
| RU2744454C1 (en) | Pulse-detonation method for producing alkenes and alkines and a device for its implementation | |
| KR20080094725A (en) | Method for producing synthesis gas in a plant consisting of a compression-type internal combustion engine | |
| RU2632846C1 (en) | Method of producing hydrogen-containing gas for methanol production and device for its implementation | |
| RU2361809C2 (en) | Method of obtaining synthetic gas and device to this end | |
| RU2096313C1 (en) | Method of generating synthesis gas | |
| RU2191743C2 (en) | Method of production of synthesis gas and device for realization of this method | |
| CN113108312A (en) | Valveless self-adaptive gaseous fuel high-frequency detonation combustion scheme | |
| RU2188846C1 (en) | Hydrocarbon feedstock processing method | |
| US2866836A (en) | Process and apparatus for conversion of hydrocarbons | |
| RU177152U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS | |
| Ktalkherman et al. | Effect of governing parameters on pyrolysis of liquefied petroleum gases in the high-temperature heat carrier | |
| RU2596260C2 (en) | Method of producing hydrogen-containing gas from natural gas and reactor for realising said method | |
| RU2675561C1 (en) | Synthetic gas production method | |
| RU2412109C1 (en) | Single-step method for producing synthetic gas during combustion and apparatus for realising said method | |
| Baughcum et al. | Laser-initiated chain reactions in the partial oxidation of methane |