RU2825179C1

RU2825179C1 - Reactor for combustion of gases with low thermal effect of reaction

Info

Publication number: RU2825179C1
Application number: RU2023131310A
Authority: RU
Inventors: Сергей Олегович Дорофеенко; Александр Александрович Жирнов; Андрей Юрьевич Зайченко; Дмитрий Николаевич Подлесный; Евгений Викторович Полианчик; Георгий Александрович Тарасов; Максим Вадимович Цветков
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2024-08-21

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to chemical reactors allowing combustion of gases with low thermal effect of reaction at high temperature, including combustion of low-calorific combustible gases or obtaining synthesis gas and/or hydrogen during processing of combustible gases by means of incomplete oxidation. Reactor for combustion of gases with low thermal effect of reaction at high temperature comprises gas-tight housing and a central reactor chamber communicating with two channels—a reagent gas supply channel and a gaseous product discharge channel, wherein the channels have the shape of a spiral unwinding from the central chamber to the periphery, and are mutually enclosing so that the heat of the hot gaseous products can be transferred through the walls of the channels to the reagent gas, reagent gas feed channel spiral winding axis is made perpendicular to the gaseous product discharge channel spiral winding axis. Channels are made so that cross-section of both the reagent gas supply channel and the gaseous products discharge channel in the direction of the spiral winding axis of the corresponding channel is enlarged on each spiral turn in such a way that the channel completely covers the nested spiral of the other channel.

EFFECT: providing a reaction with a low thermal effect at high temperature due to effective heat recovery of gaseous products while ensuring minimum heat losses to the environment.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области химических реакторов, позволяющих осуществить горение газов с малым тепловым эффектом реакции при высокой температуре, в том числе: горение низкокалорийных горючих газов, горение бедных смесей с большим избытком воздуха, или получение водорода и/или синтез-газа при переработке горючих газов посредством неполного окисления.The invention relates to the field of chemical reactors that enable combustion of gases with a low thermal effect of reaction at a high temperature, including: combustion of low-calorie combustible gases, combustion of lean mixtures with a large excess of air, or production of hydrogen and/or synthesis gas during the processing of combustible gases by means of incomplete oxidation.

Задачи проведения при высокой температуре в режиме горения реакции окисления горючих газов возникают при сжигании низкокалорийных горючих газов, горючих газов сильно разбавленных инертными газами, при очистке воздуха от примесных горючих газов посредством окисления последних. Аналогичная задача - проведение при высокой температуре реакции с малым тепловым эффектом - возникает при получении синтез-газа или водорода путем парциального окисления углеводородных газов или сероводорода. Известно устройство для сжигания низкокалорийных газов, т.н. реактор типа Swiss Roll [Lloyd S.A., Weinberg FJ. (1974). A burner for mixtures of very low heat content. Nature, 257(5470), 47-49.; Jones A.R., Lloyd S.A., Weinberg F.J. (1978). Combustion in heat exchangers. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 360(1700), 97-115.] Реактор выполнен в виде двух каналов прямоугольного сечения, разделенных общей стенкой и свернутых в виде взаимоохватывающих спиралей с реакционной камерой в центре. Один из каналов служит для подачи в реакционную камеру реагирующего газа (газовой смеси), второй - для вывода газообразных продуктов. При этом реагирующий газ по мере течения к реакционной камере нагревается через стенку от газообразных продуктов и благодаря этому реакция в реакционной камере протекает при высокой температуре. Горячие продукты реакции, напротив, остывают по мере истекания из камеры по каналу, отдавая тепло при теплопередаче через стенку на подогрев исходного газа-реагента. Таким образом, реализуется горение газа при температуре намного выше, чем разогрев, достижимый при проведении реакции в замкнутом объеме. В реакционной камере может помещаться катализатор, повышающий скорость и полноту реакции окисления. Описанный реактор имеет свои ограничения: при относительно малом размере становятся существенными теплопотери в окружающую среду с торца в основном цилиндрической сборки из двух каналов.Problems of carrying out the oxidation reaction of combustible gases at high temperatures in combustion mode arise during combustion of low-calorie combustible gases, combustible gases highly diluted with inert gases, during air purification from impurity combustible gases by oxidation of the latter. A similar problem - carrying out the reaction at high temperature with low thermal effect - arises in the production of synthesis gas or hydrogen by partial oxidation of hydrocarbon gases or hydrogen sulfide. A device for burning low-calorie gases, the so-called Swiss Roll reactor, is known [Lloyd S.A., Weinberg F.J. (1974). A burner for mixtures of very low heat content. Nature, 257(5470), 47-49.; Jones A.R., Lloyd S.A., Weinberg F.J. (1978). Combustion in heat exchangers. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 360(1700), 97-115.] The reactor is made in the form of two channels of rectangular cross-section, separated by a common wall and rolled up in the form of mutually embracing spirals with a reaction chamber in the center. One of the channels serves to feed the reacting gas (gas mixture) into the reaction chamber, the second - to remove gaseous products. In this case, the reacting gas, as it flows to the reaction chamber, is heated through the wall by the gaseous products and due to this, the reaction in the reaction chamber occurs at a high temperature. The hot reaction products, on the contrary, cool as they flow out of the chamber through the channel, giving off heat during heat transfer through the wall to heat the original reactant gas. Thus, gas combustion is realized at a temperature much higher than the heating achievable when carrying out the reaction in a closed volume. A catalyst can be placed in the reaction chamber, increasing the rate and completeness of the oxidation reaction. The described reactor has its limitations: with its relatively small size, heat losses to the environment from the end of the mainly cylindrical assembly of two channels become significant.

Дополнительное улучшение реактора типа Swiss-roll применительно к задаче окислительной конверсии углеводородных газов было предложено в статье [Wang S., Yuan Z., & Fan, A. (2019). Experimental investigation on non-premixed CH4/air combustion in a novel miniature Swiss-roll combustor. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 139, 44-50.]. Реактор выполняется в виде центральной камеры и трех взаимно вложенных спиральных каналов, ведущих к центральной камере, причем один из каналов служит для подачи газа-окислителя, второй канал - для подачи углеводородного газа (в статье описывается метан), а третий канал - для вывода газообразных продуктов (синтез-газа). Такая организация потоков позволяет, в отличие от использования предварительно перемешанной смеси метана с окислителем, обеспечить по отдельности более высокий предварительный нагрев газов-реагентов (в данном случае воздуха и метана) и протекание реакции окисления в центральной камере, где реагенты смешиваются, при более высокой температуре при том же относительном расходе кислорода.An additional improvement of the Swiss-roll reactor for the oxidative conversion of hydrocarbon gases was proposed in the article [Wang S., Yuan Z., & Fan, A. (2019). Experimental investigation on non-premixed CH4/air combustion in a novel miniature Swiss-roll combustor. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 139, 44-50.]. The reactor is designed as a central chamber and three mutually nested spiral channels leading to the central chamber, where one of the channels serves to supply the oxidizer gas, the second channel - to supply the hydrocarbon gas (methane is described in the article), and the third channel - to remove the gaseous products (synthesis gas). This organization of flows allows, in contrast to the use of a pre-mixed mixture of methane with an oxidizer, to provide separately higher preliminary heating of the reactant gases (in this case, air and methane) and the oxidation reaction in the central chamber, where the reactants are mixed, at a higher temperature with the same relative oxygen consumption.

В патенте США US 6613972 (A.L.Cohen et al.; Filed: Jan' 5' 2001) описан реактор типа Swiss Roll выполненный в виде тороидального устройства, где стыкуются противоположные торцы цилиндрической сборки двух взаимоохватывающих каналов. В такой конфигурации реактора (Фиг. 1) отсутствуют теплопотери в окружающую среду, поскольку с окружающей средой контактирует только наружная часть канала подачи газа-реагента, куда подается холодный газ. Вместе с тем, и эта конструкция не свободна от недостатков -помимо конструктивной сложности, в тороидальном реакторе типа Swiss Roll вследствие сложной геометрии не всегда обеспечивается равномерное по сечению канала течение газов.US Patent US 6613972 (A.L.Cohen et al.; Filed: Jan' 5' 2001) describes a Swiss Roll reactor made in the form of a toroidal device where the opposite ends of a cylindrical assembly of two mutually enclosing channels are joined. In such a reactor configuration (Fig. 1), there are no heat losses to the environment, since only the outer part of the reagent gas supply channel, where cold gas is supplied, is in contact with the environment. At the same time, this design is not free from shortcomings - in addition to the structural complexity, in a toroidal Swiss Roll reactor, due to the complex geometry, a uniform gas flow across the channel cross-section is not always ensured.

Из сказанного следует техническая задача, решаемая настоящим изобретением - создание реактора, позволяющего обеспечить проведение реакции с низким тепловым эффектом при высокой температуре за счет эффективной рекуперации тепла газообразных продуктов, при минимальных теплопотерях в окружающую среду. При этом конструкция реактора должна обеспечивать однородность потока газа по сечению канала и быть относительно простой в изготовлении.From the above follows the technical problem solved by the present invention - creation of a reactor, allowing to ensure the reaction with low thermal effect at high temperature due to effective heat recovery of gaseous products, with minimal heat loss to the environment. At the same time, the reactor design should ensure uniformity of gas flow over the channel cross-section and be relatively simple to manufacture.

Поставленная задача решается конструкцией реактора, который включает в себя газоплотный корпус и центральную камеру реактора, сообщающуюся с двумя каналами - каналом подачи исходного газа-реагента и каналом вывода газообразных продуктов, причем каналы имеют форму спирали, раскручивающейся от центральной камеры к периферии и выполнены взаимно охватывающими таким образом, что тепло горячих газообразных продуктов может передаваться через стенки каналов газу-реагенту. Новизна предлагаемого реактора заключается в том, что упомянутые каналы выполняются в виде спиралей, у которых ось намотки спирали канала подачи газа-реагента выполнена перпендикулярно оси намотки спирали канала вывода газообразных продуктов. Таким образом, обеспечивается охват центральной камеры каналами со всех сторон, и исключаются теплопотери из высокотемпературной камеры в окружающую среду.The task at hand is solved by a reactor design that includes a gas-tight body and a central reactor chamber communicating with two channels - a channel for feeding the initial reactant gas and a channel for removing gaseous products, wherein the channels have the form of a spiral unwinding from the central chamber to the periphery and are made mutually enveloping in such a way that the heat of the hot gaseous products can be transferred through the walls of the channels to the reactant gas. The novelty of the proposed reactor is that the said channels are made in the form of spirals in which the winding axis of the spiral of the reactant gas feed channel is made perpendicular to the winding axis of the spiral of the gaseous product removal channel. Thus, the central chamber is covered by channels from all sides, and heat losses from the high-temperature chamber to the environment are eliminated.

Технический результат при осуществлении предлагаемой конструкции реактора - осуществление реакции с малым тепловым эффектом при высокой температуре благодаря эффективному теплообмену между горячими продуктами реакции и подаваемым в реактор газом-реагентом, причем экранирование центральной реакционной камеры каналами обеспечивает низкий уровень теплопотерь в окружающую среду.The technical result of implementing the proposed reactor design is the implementation of a reaction with a low thermal effect at a high temperature due to effective heat exchange between the hot reaction products and the reactant gas supplied to the reactor, and the screening of the central reaction chamber with channels ensures a low level of heat loss to the environment.

Для того, чтобы обеспечить полное экранирование центральной камеры и примыкающей к ней части каналов, где газообразные продукты истекают из центральной камеры при высокой температуре, а газ-реагент уже нагрет до высокой температуры за счет теплообмена на более внешней части спирали, каналы подачи газа-реагента и вывода газообразных продуктов предпочтительно выполняют с сечением в направлении оси намотки спирали соответствующего канала (по ширине канала - в направлении перпендикулярном потоку газа) увеличенным на каждом витке спирали, таким образом, что канал полностью охватывает вложенную спираль другого канала.In order to ensure complete shielding of the central chamber and the adjacent part of the channels, where gaseous products flow out of the central chamber at a high temperature, and the reactant gas is already heated to a high temperature due to heat exchange on the more external part of the spiral, the channels for feeding the reactant gas and removing the gaseous products are preferably made with a cross-section in the direction of the winding axis of the spiral of the corresponding channel (along the width of the channel - in the direction perpendicular to the gas flow) increased on each turn of the spiral, such that the channel completely covers the nested spiral of another channel.

Для решения задачи окислительной конверсии углеводородных газов предпочтительно реактор дополнительно снабжают третьим каналом, служащим для подачи в центральную камеру второго газа-реагента. Это может быть конструктивно выполнено разделением канала подачи газа реагента на два канала путем введения продольной перегородки вдоль канала подачи газообразного реагента таким образом, что два реагента текут параллельно каждый в своем канале, не смешиваясь до поступления в камеру реактора. Альтернативно, реактор может быть дополнительно снабжен третьим каналом для подачи второго газа-реагента, таким образом, что ось намотки спирали канала подачи второго газа-реагента выполнена перпендикулярно как оси намотки спирали канала вывода газообразных продуктов, так и оси намотки спирали канала подачи первого газа-реагента. Такое исполнение с двумя перпендикулярными каналами подачи газов-реагентов дополнительно улучшает теплоизоляцию камеры и снижает теплопотери в окружающую среду, поскольку с окружающей средой контактирует только наружная часть двух каналов подачи газов-реагентов, в каждый из которых подается холодный газ. При выполнении реактора в виде трех взаимноохватывающих спиралей ширину (сечение) каждого канала (размер в направлении перпендикулярном потоку газа) предпочтительно выполняют увеличенной на каждом витке спирали таким образом, что канал полностью охватывает вложенные спирали двух других каналов.In order to solve the problem of oxidative conversion of hydrocarbon gases, the reactor is preferably additionally provided with a third channel, which serves to feed a second reactant gas into the central chamber. This can be structurally implemented by dividing the reactant gas feed channel into two channels by introducing a longitudinal partition along the gaseous reactant feed channel in such a way that the two reactants flow in parallel, each in its own channel, without mixing before entering the reactor chamber. Alternatively, the reactor can be additionally provided with a third channel for feeding the second reactant gas, such that the winding axis of the spiral of the second reactant gas feed channel is made perpendicular to both the winding axis of the spiral of the gaseous product outlet channel and the winding axis of the spiral of the first reactant gas feed channel. This design with two perpendicular channels for feeding reactant gases additionally improves the thermal insulation of the chamber and reduces heat loss to the environment, since only the outer part of the two channels for feeding reactant gases, into each of which cold gas is fed, contacts the environment. When making the reactor in the form of three mutually enclosing spirals, the width (section) of each channel (the size in the direction perpendicular to the gas flow) is preferably made larger at each turn of the spiral in such a way that the channel completely encloses the nested spirals of the other two channels.

На фигурах, иллюстрирующих заявленное изобретение, приняты следующие обозначения: 1 - корпус реактора, 2 - канал подачи газа реагента (2а и 2b при наличии двух каналов для двух реагентов), 3 - канал вывода газообразных продуктов, 4 - центральная камера.The following designations are used in the figures illustrating the claimed invention: 1 - reactor body, 2 - reagent gas supply channel (2a and 2b if there are two channels for two reagents), 3 - gaseous product outlet channel, 4 - central chamber.

На Фиг. 1 представлена принципиальная схема возможной реализации тороидального реактора типа Swiss Roll согласно патенту US 6613972 (предшествующий уровень).Fig. 1 shows a schematic diagram of a possible implementation of a Swiss Roll type toroidal reactor according to US patent 6613972 (prior level).

На Фиг. 2 представлена принципиальная схема возможной реализации реактора с центральной камерой в форме параллелепипеда и двумя каналами: каналом подачи газа реагента и каналом вывода продуктов - общий вид и сечения в направлениях перпендикулярных осям спиралей каналов.Fig. 2 shows a basic diagram of a possible implementation of a reactor with a central chamber in the form of a parallelepiped and two channels: a channel for supplying reagent gas and a channel for removing products - a general view and sections in directions perpendicular to the axes of the channel spirals.

Фиг. 3 иллюстрирует взаимное расположение каналов подачи реагентов и канала вывода продуктов на первом витке спиралей в реализации реактора с тремя спиральными каналами.Fig. 3 illustrates the relative position of the reagent feed channels and the product outlet channel on the first turn of the spirals in the implementation of a reactor with three spiral channels.

Данные ниже примеры возможной реализации реактора, проиллюстрированные Фиг. 2-3, подтверждают, но не исчерпывают предлагаемое техническое решение. Фиг. 2-3 иллюстрируют и схематически представляют предпочтительные конструктивные варианты предлагаемых устройств, но не ограничивают возможные реализации конструкции реактора.The following examples of possible reactor implementation, illustrated in Fig. 2-3, confirm, but do not exhaust the proposed technical solution. Fig. 2-3 illustrate and schematically represent preferred design variants of the proposed devices, but do not limit possible implementations of the reactor design.

Пример 1.Example 1.

На Фиг. 2 схематически представлена возможная реализация конструкции реактора в виде прямоугольного параллелепипеда.Fig. 2 schematically shows a possible implementation of the reactor design in the form of a rectangular parallelepiped.

Газ-реагент подается в канал подачи 2. При этом канал прямоугольного сечения выполнен в виде наматываемой на прямоугольный параллелепипед спирали. Канал прямоугольного сечения для вывода продуктов реакции 3 огибает по спирали тот же параллелепипед, причем ось намотки спирали перпендикулярна оси намотки канала подачи газа-реагента. Взаимное перекрывание каналов обеспечивает эффективный теплообмен между потоками газообразных продуктов и подаваемого газа-реагента через общую стенку.The reactant gas is fed into feed channel 2. The rectangular cross-section channel is made in the form of a spiral wound on a rectangular parallelepiped. The rectangular cross-section channel for the output of reaction products 3 spirals around the same parallelepiped, with the winding axis of the spiral being perpendicular to the winding axis of the reactant gas feed channel. Mutual overlapping of the channels ensures effective heat exchange between the flows of gaseous products and the fed reactant gas through a common wall.

Пример 2.Example 2.

Фиг. 3 представляет вариант конструкции реактора с двумя каналами подачи газов реагентов (для углеводородного газа и газа-окислителя). Представлены начальные фазы намотки спиралей каналов на центральную реакционную камеру, имеющую форму куба: а), б), в) - последовательные фазы формирования реактора.Fig. 3 shows a variant of the reactor design with two channels for feeding reactant gases (for hydrocarbon gas and oxidizer gas). The initial phases of winding the channel spirals onto the central reaction chamber, which has the shape of a cube, are shown: a), b), c) - successive phases of reactor formation.

На каждом последующем витке спирали картина взаимного расположения каналов повторяется при увеличении ширины канала таким образом, что каждый из каналов перекрывает другие каналы, и таким образом экранирует находящиеся внутри центральную реакционную камеру и примыкающие к камере нагретые части каналов.On each subsequent turn of the spiral, the pattern of the mutual arrangement of the channels is repeated with an increase in the width of the channel in such a way that each of the channels overlaps the other channels, and thus shields the central reaction chamber located inside and the heated parts of the channels adjacent to the chamber.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает новое решение актуальной технической задачи - создания реактора, позволяющего проводить реакцию окисления газов с малой калорийностью при высокой температуре за счет эффективной рекуперации тепла газообразных продуктов для подогрева газа-реагента при отсутствии теплопотерь в окружающую среду.Thus, the present invention offers a new solution to a current technical problem - the creation of a reactor that allows for the oxidation reaction of low-calorific gases at high temperatures due to the efficient recovery of heat from gaseous products to heat the reagent gas in the absence of heat loss to the environment.

Claims

1. A reactor for carrying out combustion of gases with a low thermal effect of reaction at a high temperature, including a gas-tight body and a central chamber of the reactor communicating with two channels - a channel for feeding the reactant gas and a channel for removing gaseous products, wherein the channels have the form of a spiral, unwinding from the central chamber to the periphery, and are made mutually enveloping in such a way that the heat of the hot gaseous products can be transferred through the walls of the channels to the reactant gas,

characterized in that the winding axis of the spiral of the reagent gas supply channel is made perpendicular to the winding axis of the spiral of the gaseous product outlet channel.

2. A reactor according to claim 1, characterized in that the channels are designed in such a way that the cross-section of both the channel for supplying the reactant gas and the channel for removing gaseous products in the direction of the winding axis of the spiral of the corresponding channel is made enlarged on each turn of the spiral in such a way that the channel completely covers the nested spiral of the other channel.

3. The reactor according to item 1, characterized in that the reagent gas supply channel is additionally provided with a longitudinal partition in such a way that the channel allows two different reagent gases to be supplied in parallel, which do not mix before entering the reactor chamber.

4. The reactor according to item 1, characterized in that the reactor is additionally equipped with a channel for supplying a second reactant gas, wherein the winding axis of the spiral of the channel for supplying the second reactant gas is made perpendicular to both the winding axis of the spiral of the channel for removing gaseous products and the winding axis of the spiral of the channel for supplying the first reactant gas.

5. The reactor according to item 4, characterized in that all three mentioned channels are designed in such a way that the cross-section of each channel in the direction of the channel spiral axis is made enlarged on each turn of the spiral in such a way that the channel completely covers the nested spirals of the other two channels.