Устройство конверсии природного газа и синтеза бензина

 

Изобретение предназначено для конверсии природного газа и синтеза бензина. Устройство содержит газгольдер, газоочистные цилиндры, бак перекиси водорода, газогенератор парогаза, теплообменник, камеру давления, эжекторный струйный агрегат, камеру конверсии, камеру синтеза, холодильник и приемную емкость. При этом камера давления, эжекторный струйный агрегат, камера конверсии и камера синтеза вертикально расположены и последовательно соединены между собой. Теплообменник имеет трубы, через которые пропускают природный газ для нагрева перед подачей в камеру давления, и патрубок для подачи в межтрубное пространство парогаза или пара. Струйный эжекторный агрегат имеет камеру смешения с форсуночным кольцом для подачи в нее парогаза, первое сопло расширения для подачи в нее нагретого природного газа из камеры давления, соединенный с ним грибовидный распылитель и второе сопло расширения для подачи газовой смеси в камеру конверсии. Изобретение позволяет повысить срок службы устройства. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к одному из перспективных, интенсивно разрабатываемых направлений - каталитическому синтезу высокомолекулярных углеводов из водяного газа, состоящего из 40-60 об. ч. окиси углерода и 30-50 об. ч. молекул водорода.

В зависимости от условий работы и сорта катализатора из водяного газа, при работе под давлением, образуются смеси, состоящие преимущественно из кислотосодержащих производных углеводородов типа метанол, этанол и другие высшие спирты, а при работе без избыточного давления образуются углеводороды типа синтетического бензина. Водяной пар для этих целей получают газификацией топлив. При этом образование водяного газа связано со значительной затратой тепла. Предлагаемое устройство конверсии и синтеза бензина предназначено для получения водяного газа с незначительными энергозатратами на конверсию метана и последующий синтез бензина.

Основными способами получения водяного газа являются: 1. Водяной пар пропускают над сильно нагретым коксом или антрацитом по реакции: C+H₂O+28,1 ккал=CO+H₂ где 28,1 ккал тепла идет на окисление черного углерода с водяным паром.

Реакция идет при 1000^oC и выше.

2. Метан взаимодействует с водяным паром в присутствии соответствующих катализаторов при нагревании до 1100^oC и разлагается по уравнению: CH₄+H₂O_пар+48,9ккал=CO+3H₂ (при постоянном давлении).

3. В качестве исходного вещества в США применяют природный газ, так как в зависимости от месторождения, в нем содержится от 60 до 99% метана, который взаимодействует с водяным паром при нагревании реакционной смеси до 830-1100^oC в присутствии соответствующих катализаторов из атомарных металлов (никеля, титана, циркония и т.д.). При этом метан может частично окисляться в соответствии с уравнением: CH₄+ 1/2O₂ ⇄ CO + 2H₂+ 6,5 ккал или Эти реакции имеют техническое значение для получения водорода и водяного газа.

По этим реакциям водяной газ получают с помощью так называемого флейс-процесса, разработанного в 1992 году Винклером (Г.Реми, "Курс неорганической химии", том 1, издательство "Мир", Москва, 1972 г., см. стр. 421-423, 677). Принцип работы этого процесса состоит в том, что для получения водяного газа вводят катализатор в виде зерен, поддерживаемых во взвешенном состоянии струей газов.

В связи с резким ростом энергокризиса в топливно-энергетическом комплексе предлагаем изобретение, основанное на идее улучшения и оптимизации технологического режима получения водяного газа из природного газа и перекиси водорода.

Природный газ прочно вошел в обиход человека. И неудивительно: это великолепное топливо и сырье. Обладающее множеством достоинств. Но оно занимает пока скромное место в энергетическом балансе мира, хотя и является несоизмеримо более экологически чистым топливом, чем уголь или нефть. Назрело время для использования его в транспортных средствах в качестве бензина посредством конверсии природного газа в водяной газ с последующим синтезом бензина. Американцы синтезируют из природного газа качественные бензин и масла путем конверсии его в водяной газ перегретым водяным паром и кислородом воздуха с применением металлических катализаторов. Но при этом они несут большие энергозатраты на производство перегретого водяного пара и поддержание соответствующей температуры конверсии. По этой причине устройства, предназначенные для синтеза с помощью этого способа конверсии природного газа в водяной газ, не стали пока альтернативой нефтяному крекингу бензина для американцев.

Прототипом, т. е. аналогом изобретения, является производство водорода путем каталитической конверсии метана. Источники информации: Иоффе Б. "Основы производства водорода", 1960г., стр. 140 и Томас Ч. "Промышленные каталитические процессы и эффективные катализаторы", М., "Мир", 1973г., стр. 161.

Цель изобретения - получение высокой экономической эффективности за счет достижения максимально возможного энергосберегающего эффекта конверсии природного газа в водяной газ и последующего синтеза бензина из этого водяного газа.

Устройство конверсии природного газа и синтеза бензина и способ его осуществления отличаются тем, что в нем для проведения энергосберегающей конверсии применены агрегаты: газогенератор разложения перекиси водорода, камера давления и струйный агрегат, эжекторного типа, которые позволяют осуществить предлагаемую ниже совокупность технологических мер, способствующих, в свою очередь, реализации поставленной цели - максимального энергоснабжения.

Источники информации: "Исследование турбулентных струй воздуха, плазмы и реального газа", М. , 1967 г., Сборник статей под редакцией доктора технических наук, профессора Г.Н.Абрамовича, стр. 117-130 и А.С.Горшенин, А.К. Мартынов "Руководство к практическим занятиям в аэродинамической лаборатории", М., 1967 г., стр. 201-206.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленных технических решений критерию "новизна". Признаки, отличающие заявленное техническое решение от аналога, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявленные устройством соответствие критерию "существенные отличия".

Основным элементом газогенератора является реактор, в котором в присутствии катализатора происходит разложение перекиси водорода на парогаз, состоящий из смеси (водяной пар+кислород) с рабочей температурой 500 - 800^oC, в зависимости от концентрации.

Камера давления длиной L и диаметром d с их отношением L/d=30 состоит из области высокого давления l₁ и области низкого давления l₂ с их отношением l₁/l₂=2, что позволяет активизировать природный газ.

Струйный агрегат предназначен для проведения полного и равномерного турбулентного смещения газов перед камерой конверсии и создания разрежения перед камерой смешения с целью отсоса несконденсировавшихся в холодильнике паров бензина через приемную емкость.

Перечисленные агрегаты устройства играют основную роль в технологическом взаимодействии всех агрегатов, в которых реализуется максимально снижающая энергию активации химических реакций в процессе конверсии природного газа совокупность мер.

1. Применение парогаза, разложившейся концентрированной перекиси водорода для конверсии природного газа, вместо перегретого водяного пара и кислорода воздуха.

При неизменной температуре и постоянной концентрации перекиси водорода температура парогаза постоянна, а количество выделяемого парогаза зависит только от подаваемой в реактор перекиси водорода. Температура парогаза растет с увеличением концентрации перекиси водорода, что делает выгодным использование концентрированных растворов.

В процессе разложения 90-95% перекиси водорода температура разложения составляет примерно 1000-1100^oC, но часть этого тепла идет на нагрев и испарение образующейся при разложении воды и рабочая температура парогаза становится примерно 700 - 800^oC. Так как перекись водорода является сильно эндотермическим соединением, то и реакция ее разложения на парогаз сильно экзотермична и происходит по уравнению

При разложении одного литра перекиси водорода получается 5000 л парогаза, или 5³.

В парогазе присутствует некоторое количество свободных атомов и радикалов-инициаторов снижения энергии активации. Свободные атомы и радикалы, обладающие неспаренными электронами, образуются в результате захвата электрона обычной радикальной группировкой или его отдачи, то есть захвата дырки. Они парамагнитны. В газовых реакциях эти осколки молекул обладают высокой химической активностью и являются инициаторами и ускорителями экзотермических реакций разложения. Уже на стадии турбулентного смешения парогаза и природного газа они способствуют прохождению экзотермической реакции разложения метана по уравнению
CH₄+1/2O₂=CO+2H₂+6,5ккал,
что повышает общую температуру газовой смеси на входе в камеру конверсии. Так как на производство 1 л синтезированного бензина необходимо израсходовать 2/3 объемных частей метана и 1/3 объемную часть парогаза, то из 1 л перекиси водорода получим 3 л бензина.

В связи с тем, что перекисные соединения типа перекиси водорода и перекиси бензола неустойчивы, то есть очень легко разлагаются с образованием радикалов (например, C₆H₅;C₆H₅OO- у бензола), которые и начинают реакции полимеризации и ароматизации бензина, способствующих увеличению октанового числа бензина.

2. Применение камеры высокого давления наподобие ударной аэродинамической трубы Людвига, в которой после открытия клапана начинается течение, сопровождаемое ударной волной разрежения и продолжающееся до тех пор, пока головная часть волны разрежения не возвратится, отразившись от закрытого конца трубы. При этом образуется область, так называемая смешанная зона, в которой газ в результате сжатия в ударной волне имеет высокую температуру, а перед соплом расширения происходит полное смещение потока, что способствует индуцированному увеличению реакционной способности газового потока.

Максимальное рабочее давление в камере не должно превышать пороговой величины, способной вызвать взрыв из-за резкого появления большой температуры в смешанной зоне.

3. Применение турбулентного смешения парогаза с природным газом позволяет использовать нам основную тенденцию турбулентности - превращение направленного движения молекул газа в хаотичное, т.е. процессы протекают в направлении увеличения энтропии потока. При этом в смеси двух газов увеличиваются столкновения между энергетически активными молекулами, способствующие снижению энергии активации реакции расщепления метана и увеличивающие скорость протекания этих реакций.

4. Применение катализаторов Ренея допустимо мелкой фракции позволяет максимально увеличить поверхность соприкосновения катализатора с молекулами газа, что способствует не только снижению энергии активации, увеличению скорости реакции, улучшению процессов полимеризации и изомеризации, но и ароматизации синтезируемого бензина с высоким октановым числом.

При этом никель Ренея - это никель, активированный алюминием, применяется в устройстве для реализации разложения перекиси водорода в газогенераторе и расщепления метана в конверсионной камере.

Кобальт же Ренея - это кобальт, активированный кремнием, применяется в реакторе синтеза для осуществления синтеза для осуществления ценной реакции полимеризации изомерных, ароматизированных молекул синтезированного бензина.

5. Применение ультразвука для обработки катализаторов и реакционной смеси.

Американцами проверено на практике действие ультразвуковой обработки на металлические катализаторы и реакционные смеси.

В результате оказалось, что ультразвук оказывает большое влияние на каталитические свойства металлических катализаторов и на органические реакции с их участием, т.е. под воздействием ультразвуковых колебаний появляются высокоскоростные столкновения между частичками катализатора, что вызывает изменение их формы и размеров, а в итоге увеличивает их активную поверхность, тем самым снижая энергию активации и увеличивая скорость прохождения химических реакций.

6. Конструктивным применением последовательного и вертикального расположения основных агрегатов устройства синтеза бензина мы реализуем метод кипящего слоя, т. е. в камерах конверсии метана и синтеза бензина пузырьки газа всплывают в реакционной смеси и заставляют ее бурлить, подобно кипящей жидкости, что тоже способствует, в свою очередь, увеличению поверхности активации и повышению скорости химических реакций.

Изложенные методы в изобретении объединены в комплексе, что и является решающим фактором достижения энергосберегающего технологического процесса, способа получения водяного газа и синтеза бензина из него и получения за счет этого максимально возможного экономического эффекта. При этом устройство способно работать в непрерывном режиме и с большой производительностью. Устройство позволяет технологически достичь изложенные меры потому, что применяемые нами методы катализа дают возможность поддерживать в реакционной газовой смеси достаточное количество активных атомов и радикалов, стимулирующих ценный характер реакций. Их действие связано с тем, что катализатор приобретает такое силовое поле, что уменьшает энергию активации при прохождении реакций конверсии и синтеза до необходимой для этих процессов величины.

На фиг. 1 представлено устройство конверсии природного газа и синтеза.

Устройство состоит из следующих основных агрегатов: газгольдера 1, трех газоочистных цилиндров 2, газогенератора 3, теплообменника 4, камеры давления 5, эжекторного струйного агрегата 10, камеры конверсии 11, камеры синтеза 12, корпуса холодильника 13 и приемной емкости 15.

Газгольдер 1, через регулятор расхода природного газа 20, регулирующий орган регулятора 60 и магистральные: колено 43, патрубок 28, коллектор 54, три патрубка 55, колено 62 и три запорных клапана 23 посредством герметичных фланцевых соединений с тремя газоочистными цилиндрами 2, которые состоят из нержавеющих корпусов, внутри которых смонтированы корзины из нержавеющей сетки с катализаторами из смеси ионитов КУ-2 и АВ-17, а с магистральными трубопроводами они соединены через фланцы и две пористые пластины 24. Цилиндры, через такие же, что и на входе, патрубки, коллектор, запорные клапаны, патрубок 28, колено 29, патрубок 30 соединены с теплообменником 4 на фланцевых соединениях.

Баллон со сжатым газом 18 через регулятор давления газа 19 связан с баком перекиси водорода 17. Бак, изготовленный из чистого алюминия, через патрубок 61, запорный клапан 23, посредством фланцев соединен с крышкой 34 газогенератора 3. Внутри корпуса газогенератора смонтированы четыре пористые пластины, кольца 39, между пористыми пластинами уложены два пакета катализирующих сеток из никеля 25, а между этими пакетами сеток уложена корзина из нержавеющей сетки с катализатором из Ренея 32. Газонегератор через кольцо 52, патрубок 49 и фланцы связан с теплообменник 4.

Теплообменник через колено 51, патрубок 50, запорный клапан 23 и фланцы соединены с камерой давления 5, а патрубками, фланцами, через главный клапан 22, далее через патрубки, фланцы - с форсуночным кольцом 47.

Камера давления состоит из двух частей, соединенных главным клапаном 21. До главного клапана полость высокого давления, а за главным клапаном - полость низкого давления, соединенная через фланцы с первым соплом расширения 6, которое соединяется через фланцы и пористую пластину 24 с грибовидным распылителем 7. Распылитель же, смонтирован на внутренней стороне нижнего фланца эжекционного струйного агрегата 10, на которой тут же посредством своего фланца смонтирована камера вихревого турбулентного смещения 8. Эта камера имеет фланцевое соединение со вторым соплом расширения 9. Струйный агрегат 10 также через фланцы и пористую пластину 33 соединен с камерой конверсии 11.

Внутри корпуса камеры конверсии смонтированы: опорное кольцо 36 и корзина из нержавеющей сетки с катализатором из никеля Ренея. Сама камера конверсии через фланцы и пористую пластину 35 соединена с камерой синтеза 12.

Внутри корпуса камеры синтеза смонтированы опорное кольцо 39, корзина из железной сетки 26. Сама же камера синтеза через фланцы соединена с угольником 42. Угольник же через патрубки 41 и 40 посредством фланцевых соединений соединен со змеевиком 14, изготовленным из медной трубы. В целях удобства монтажа и замены змеевика он снабжен штуцерным проходным соединением, состоящим из медной трубы 56, ниппеля 57, гайки 58 и штуцера 59, а в корпусе холодильника предусмотрено разъемное днище 44, соединенное с фланцем корпуса холодильника 13 болтами. На корпусе приварены два ниппеля 38 для подвода и отвода воды. Проходной штуцер 59 через корпус холодильника соединен с коленом 45, патрубками 46, 49 и приемником 15 фланцами. Приемник 15 через патрубок 48 и колено 15 фланцами соединен с эжекционным струйным агрегатом 10 и через нижний патрубок 49 с емкостью хранения бензина.

Конструкция устройства изготавливается в основном из нержавеющих марок сталей. Струйный агрегат, камера конверсии и камера синтеза помимо фланцевых соединений соединены между собой еще и при помощи двенадцати направляющих стяжных стержней 37.

Неразъемные соединения осуществляются сваркой, а разъемные - резьбовыми соединениями, т. е. болтами и гайками. Фланцевые соединения осуществляются через уплотнительные устройства и должны быть герметичными. Агрегаты, узлы и детали-теплоносители должны быть тщательно теплоизолированы.

В целях реализации метода кипящего слоя устройство должно быть смонтировано в последовательно вертикальном положении, как показано на фиг. 1.

Принцип работы устройства синтеза бензина и способ его осуществления состоит в следующем.

Технологический режим устройства начинается с предварительной обработки катализаторов ультразвуком, после чего цилиндры газоочистки, газогенератор, камера конверсии и камера синтеза снаряжаются корзинами с соответствующими катализаторами. После этого устройство в течение пятнадцати минут прогревается парогазом или перегретым паром. При достижении в камерах конверсии и синтеза соответствующей температуры начинаем одновременно подавать компоненты, т.е. перекись водорода и природный газ в устройство.

Из бака 17 через регулирующие органы подается под постоянным давлением перекись водорода через отверстия пористой пластины в камеру газогенератора на пакеты из металлических сеток и катализатор, где, разложившись на парогаз, через магистральный трубопровод, нагретый до 700 - 800^oC, парогаз поступает в теплообменник. Природный же газ из газгольдера 1 через регулятор расхода поступает сперва в цилиндр газоочистки для очистки газа от серы и ее соединений, а далее через магистральный трубопровод тоже в теплообменник.

Теплообменник 4 состоит из нержавеющих, теплоизолированных корпуса, крышки и днища, а также пакета медных трубок внутри. Природный газ поступает во внутрь медных трубок и, проходя их, нагревается через конвекционный теплообменник от парогаза или перегретого пара, а уже в нагретом виде поступает в теплоизолированную камеру давления 5. Парогаз, как бы омывая снаружи медные трубки и тем самым передавая их стенкам часть своего тепла, протекает внутри корпуса теплообменника на встречном природному газу потоке и поступает к главному клапану 22.

При достижении в камере соответствующего порогового давления открываются главный клапан 21 и одновременно связанный с ним главный клапан 22.

Струя природного газа, пройдя первое сопло расширения 6, пористую пластину с отверстиями 24, попадает в грибовидный распылитель 7, а парогаз в это время после открытия клапана 22 поступает в форсуночное кольцо 47. Газы из грибовидного распылителя и форсуночного кольца через струйные форсунки устремляются навстречу друг другу в камеру 8 и, образуя в ней турбулентный вихрь газовой смести, устремляются во второе сопло распылителя 9. Стабилизуруясь в этом сопле, поток газовой смеси проходит через пористую пластину 33 и, пройдя после этого равномерное и полное турбулентное смешение, поступает снизу вверх в конверсионную камеру на катализатор из никеля Ренея. Образуя в конверсионной камере с катализатором кипящий слой, в смеси газов проходит окончательное расщепление и окисление метана с образованием водяного газа. При этом происходит активация углерод-водородных связей и их расщепление. Одновременно освободившийся от водородных связей углерод окисляется кислородом и молекулой водяного пара парогаза до окиси углерода. При этом образовавшаяся смесь окиси углерода с молекулой водорода, т.е. водяной газ, имеет температуру в пределах примерно 200^oC.

Далее водяной газ, пройдя через пористую пластину 35, поступает снизу в камеру синтеза на катализатор из кобальта Ренея. Водяной газ, образуя кипящий слой с катализатором, вступает с ним в реакции каталитического синтеза бензина. При этом протекает масса эндо- и экзотермических промежуточных реакций. В результате чего образуются пары бензина и, пройдя через угольник 12, патрубки 41 и 40, они попадают в змеевик 14 холодильника, где, охлаждаясь, конденсируются в жидкую фазу-бензин. Затем через кольцо 45, патрубки 46 и 49 жидкий бензин поступает в приемную емкость 15. Пары же, не успевшие сконденсироваться в жидкую фазу, через патрубки 48 и колено 16 посредством эжекции поступают обратно в камеру смещения струйного агрегата и снова вступают в технологический процесс конверсии синтеза бензина.

В изобретении для осуществления конверсии природного газа в водяной газ и синтеза автомобильного бензина используются механические превращения в комплексе с применением катализаторов, в которых особо большое число свободных валентностей, расположенных на ребрах и узлах с большим числом активных центров и обладающих особой каталитической активностью. Это и позволяет вести процесс с малыми энергозатрами и большой экономической эффективностью. Поэтому, используя явление энергетического разветвления цепей в химических реакциях, обусловленное реакциями возбужденных молекул, протекающими с образованием активных центров-атомов и радикалов, мы в процессе эксплуатации устройства конверсии природного газа и синтеза бензина и способа его осуществления получим синтезированный бензин, соответствующий суммарным уравнениям:

где левые части - водяной газ, а правые - бензин.

Так как изобретение предусматривает получение водяного газа из парогаза перекиси (H₂O + 1/2O₂) и природного газа CH₄, то реакции расщепления метана имеют вид:

правые части абсолютно похожие на левые части суммарных уравнений бензина - водяной газ. Это лишний раз подтверждает правильность выбранного нами пути.

Ниже приведем химические формулы реакций конверсии (расщепления) метана и синтеза бензина.

1. Уравнения реакций расщепления метана
CH₄ + 1/2O₂ = CO + 2H₂ + 6,5 ккал;
CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ - 48,9 ккал;
CH₄ + 2H₂O = CO₂ + 4H₂ - 38,5 ккал.

Прохождение третьей реакции маловероятно или совсем не проходит из-за недостаточной концентрации для этой реакции H₂О в парогазе, подаваемого на конверсионное смешение.

2. При синтезе бензина происходит большое количество мгновенных эндо- и экзотермических промежуточных цепных реакций по предлагаемым уравнениям:
1. 2OH = HO₂;
2. H + O₂ + M = HO₂ + М;
3. CO₂ + H = CO + OH;
4. 2OH = O + H₂O;
5. H₂ + OH = H + H₂O;
6. OH + H = O + H₂;
7. OH + O = H + O₂;
8. H₂O + M = OH + H + M;
9. O₂ + M = 2O + M;
10. H₂ + M = 2H + M;
11. CH₃ + CO = C₂H₂ + OH;
12. C₂H₂+ H₂ = C₂H₄;
13. H₂O + CO = HCO + OH;
14. CH₄ + H = CH₃ + H₂;
15. CO + H + M = HCO + M;
16. HCO + H₂O = H₂CO + OH;
17. CH₃ + H₂CO + C₂H₄ + OH;
18. 2H₂CO = C₂H₄+ O₂;
19. H₂O + CO + H = H₂CO + OH;
20. H₂CO + OH = CH₃ + O₂;
21. H₂CO + H = CH₃O;
22. HCO + CH₃ + 3C₂H₄ + 5H₂ + 6OH = C₈H₁₆ + 8H₂O;
23. HO₂ + CO + CH₃ + C₂H₄ = 2C₄H₈O + O₂;
24. 2C₄H₈O + 5H₂ + 6OH = C₈H₁₆ + 8H₂O.

В итоге получаем синтетический бензин.

В процессе реализации предлагаемых шести технологических мер в устройстве конверсии природного газа и способа его осуществления и синтеза бензина осуществляется три вида взаимодействия реакций: энергетическое, термодинамическое и кинетическое.

Известно, что при реакции A+B= C скорость ее определяется частотой столкновений реагирующих вещей. В связи с этим производительность предлагаемого изобретения характеризуется скоростью прохождения реакций конверсии и синтеза при непрерывном процессе. Поэтому и стоит перед изобретением задача - добиться максимально возможного повышения скорости реакций конверсии и синтеза, что достигается за счет снижения энергии активации. Скорость реакции в большинстве случаев увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 10^oC, т.к. при этом число столкновений между молекулами в секунду становится чрезвычайно велико и резко возрастает для активных молекул, ускоряющих реакцию.

Но это на данном этапе не приемлемо из-за топливного дефицита, который необходимо наоборот покрыть.

Скорость реакции прямо пропорциональна величине поверхности реагирующих веществ
v = K · [CH₄] · [H₂O + 1/2O₂],
где K - константа скорости, а остальное - концентрации реагирующих между собой природного газа и парогаза перекиси водорода.

В отдельности каждая из предлагаемых нами шести технологических мер снижает энергию активации и повышает скорость прохождения реакции не менее чем в 5 - 6 раз в среднем. И это абсолютно без каких-либо тепловых затрат извне.

В совокупности же эти меры дадут возможность увеличить скорость реакций почти в 30 раз, что позволяет вести процесс синтеза без энергозатрат извне. Температурные режимы прохождения реакций примерно будут соответствовать: 300 - 500^oC вместо 830 - 1100^oC в камере конверсии и 100 - 150^oC вместо 200 - 250^oC камере синтеза. Этих параметров позволяет достичь в основном ультразвуковая обработка катализатора и реакционной смеси в процессе работы.

Этим и подтверждается возможность осуществления изобретения.

На стадии разработки и изготовления надо добиться органического сочетания всех агрегатов устройства конверсии природного газа и синтеза бензина и способа его осуществления фиг. 1, обеспечивающего заложенную производительность.

В основном здесь необходимо добиться органического сочетания работы газогенератора, обеспечивающего получение кинетической энергии газа из химической энергии разложения перекиси водорода с работой ударной камеры давления, обеспечивающей получение кинетической энергии природного газа за счет энергии ударной волны разрежения.

Объемы камер конверсии и синтеза определяют время пребывания в них компонентов газовой смеси и это время должно быть достаточным для полного завершения всех процессов, протекающих в этих камерах. То есть чем совершеннее процесс, тем меньше необходимое время пребывания. Поэтому в состав устройства конверсии природного газа и синтеза бензина и способа его осуществления должна входить система автоматического регулирования и управления процессами конверсии и синтеза. К системе автоматического высокоточного измерения и регулирования предъявляются следующие требования:
1. система должна обеспечивать в соответствии с принятой программой управления устройством поддержание постоянства соотношения компонентов, характеризующего качество бензина;
2. соотношение между расходами природного газа и перекиси водорода должно поддерживаться постоянным или изменяться по определенному закону;
3. принципиальная схема системы автоматического регулирования и параметры системы должны обеспечивать устойчивость системы и необходимое качество переходных процессов;
4 запуск устройства и управление им должны быть полностью автоматизированы;
5. конструкция агрегатов САР должна гарантировать высокую степень надежности; агрегаты и узлы с относительно малой надежностью следует по возможности дублировать.

В качестве регулируемых величин для изобретения примем параметры, хорошо характеризующие синтез бензина, например соотношение компонентов газовой смеси для камеры конверсии и давления компонентов перед форсунками, хорошо характеризующих расходы компонентов газовой смеси. При этом регулятор соотношения компонентов газовой смеси для камеры конверсии сравнивает действительное соотношение компонентов с заданным изменением и при возникновении отклонения восстанавливает соотношение компонентов путем перемещения регулирующего органа. Величина соотношения компонентов характеризует первоначальную долю компонентов газовой смеси, от которых зависит тепловой эффект реакции.

Конверсия природного газа парогазом перекиси водорода в водяной газ происходит по формулам
2CH₄ + (H₂O + 1/2O₂ г),
т.е.

CH₄ + 1/2O₂ = CO + 2H₂ + 6,5 ккал и CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ - 48,9 ккал
с температурным режимом конверсии 500 - 700^oC и постоянным давлением 1,5 - 3,0 атм на катализаторе из никеля активированного Al₃O₃, т.е. никеля Ренея. При этом получаем водяной газ (nCO+2nH₂) или [nCO + (2n+1)H₂].

Из этого водяного газа при 170 -210^oC и 1 атм давления на катализаторе из кобальта активированного кремнием, т.е. кобальта Ренея, получаем синтезированный бензин по суммарным уравнениям:
nCO + 2nH₂ = C_nH_2n + nH₂O
или
nCO + (2n+1)H₂ = C_nH_2n+2 + nH₂O.

Приняв плотность бензина равной - 0,8 кг/л, метана - 0,768 кг/м³ и перекиси водорода - 1,45 кг/л при нормальных условиях и производя некоторые арифметические расчеты, определили расход компонентов синтеза бензина. Смеси концентрированной перекиси водорода с горючим и водой в широком интервале концентраций являются взрывоопасными. Устранение взрывчатых свойств таких смесей возможно добавлением к ним инертных веществ, например воды, или составлением этих смесей с большим избытком горючего.

Выбранный нами за основной вариант смеси природного газа с парогазом перекиси водорода подобран с большим избытком горючего - 70% природного газа и 30% парогаза. А запасным альтернативным вариантом выбран состав смеси: 20% перекиси водорода, 15% водяного пара и 65% природного газа.

В массовом соотношении состав смеси можем представить в следующем виде: на производство одного литра бензина требуется 0,8 · 0,7 - 0,56 кг метана и 1,45 · 0,3 = 0,435 кг парогаза перекиси водорода. Один литр перекиси водорода разлагается на 5 м³ парогаза с плотностью 0,29 кг/м³. Тогда 0,435 кг парогаза по объему составляют 1,5 м³, а 0,56 кг метана, взятые при нормальных условиях, составляют 0,78 м³. И так как 3 · 1,5 - 4,5 м³ меньше 5 м³, то из 1 л перекиси водорода можем получить 3 л бензина, на которые потребуется израсходовать 3 · 0,78 = 2,34 м³ метана, т.е. природного газа, взятого при нормальных условиях.

Так как на стадии разработки, поиска формулы изобретения имеется весьма ограниченный круг данных, то приводимый ниже расчет экономической эффективности носит ориентировочный характер с использованием методов экстраполяции.

Годовой экономический эффект (руб. ) обычно рассчитывают как разницу приведенных затрат по базовому и новому объектам. За базовый объект мы взяли аналог, а за новый - предлагаемое изобретение

где S_б и S_н - себестоимости базового и основного объекта (руб/л) - основной качественный показатель;
K_б и K_н - удельные капитальные вложения в производственные фонды для базового и нового объектов (руб/л);
W_г.б и W_г.н - производительность базового и нового объектов (л/мин, час, месяц, год и т.д.);
S_экб и S_экн - эксплуатационные издержки потребителя при использовании базового и нового объектов (в них учитываются только часть амортизации, предназначенная на капитальный ремонт и амортизационные вложения по сопутствующим капитальным вложениям потребителя (руб/л, год));
K_экб и K_экн - сопутствующие капитальные вложения потребителя (без учета стоимости объекта (руб/л);
N_г.н - объем производства в расчетном году (л/год);
P_б и P_н - доля отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление (реновацию) базового и нового объектов [коэффициенты реновации: их определяют как

где E - норматив приведения (E = 0,08);
T_с - срок службы в год; важнейший показатель];
E_н - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, E_н = 0,15.

Отдельно для оценки эффективности НИР при введенных в году внедрения: K_энир = K · Э_г/S_нир, где K - коэффициент, характеризующий долю участия НИР в распределении экономического эффекта. Ориентировочно T_с и базового, и нового объектов примем от одного до пяти лет и сравним результаты. В расчете использует цены, которые были в период стоимости 1 л бензина 300 руб, 1 л перекиси водорода 360 руб и 1 м³ природного газа 40 руб, тогда ориентировочно

Допустим, что производительность базового объекта равна производительности нового объекта, т.е. W_г.б = W_г.н.

Эксплуатационные издержки потребителя примем равными 3% от капиталовложений и тогда:


Допустим, что сопутствующие капвложения потребителя (без учета стоимости объекта) составляют 40% от эксплуатационных издержек потребителя, и тогда:


Межремонтный пробег для обоих объектов примем одинаковым, т.е. P_б = P_н = P и произведем расчет для
тогда
P₁ = 0,08/[(1 + 0,08)¹ - 1] = 0,08/0,08 = 1; P₁ = 1;
P₁ = 0,08/[(1 + 0,08)² - 1] = 0,08/0,166 = 0,48; P₂ = 0,48;
P₃ = 0,08/[(1 + 0,08)³ - 1] = 0,08/0,26 = 0,3; P₃ = 0,3 и т.д.

N_г.н примем ориентировочно один миллион литров в год и тогда, подставляя все полученные данные в формулу, получим:

т.е. при

Этот рост величины годового экономического эффекта тесно связан с увеличением времени межремонтного пробега с одного года до пяти лет. При этом от общей стоимости произведенного продукта годовая экономическая эффективность в процентах составляет:

Для получения номинального годового экономического эффекта в большой степени, зависящего от срока службы устройства конверсии природного газа и синтеза бензина и способа его осуществления, нужно при его разработке и изготовлении обратить особое внимание на решение внедрения нижеследующих технических и технологических вопросов.

1. Десульфиризация, т. е. газоочистка, от серы и серосодержащих соединений, природного газа с помощью твердых ионитов из ионообменных смол типа ЭПЭ-10П (в OH-форме), а также смеси КУ-2 и АВ-17.

2. Дробление катализаторов Ренея на инерционной дробилке Санкт-Петербургского з-да "Инструмент" с сортировкой на нужные фракции в грохоте и последующей ультразвуковой обработкой.

3. Применение корзин под катализаторы из нержавеющих сеток с соответствующими размерами ячеек под фракции катализаторов.

4. Агрегаты, узлы и детали устройства должны быть изготовлены из нержавеющих марок сталей.

5. Сварные швы конструкций должны быть выполнены в герметичном исполнении.

6. Агрегаты, узлы и детали-теплоносители, должны быть качественно и надежно теплоизолированы.

7. Устройство должно обладать менее энергоемкими агрегатами, узлами и деталями.

8. Устройство должно быть изготовлено во взрыво- и пожаробезопасном исполнении.

Органическое сочетание всех этих вопросов в изобретении совместно с решением вопроса надежности и возможности улучшения и оптимизации технологических вопросов гарантирует нам рост межремонтного пробега и высокую экономическую эффективность.

Формула изобретения

1. Устройство конверсии природного газа и синтеза бензина, содержащее камеру конверсии природного газа, эжекторный струйный агрегат, теплообменник, холодильник и приемную емкость, отличающееся тем, что оно снабжено газгольдером, газоочистными цилиндрами, баком перекиси водорода, газогенератором парогаза, камерой давления для подачи природного газа в эжекторный струйный агрегат для турбулентного смешивания компонентов, камерой синтеза, при этом камера давления, эжекторный струйный агрегат, камера конверсии и камера синтеза вертикально расположены и последовательно соединены между собой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплообменник имеет трубы, через которые пропускают природный газ для нагрева перед подачей в камеру давления, и патрубок для подачи в межтрубное пространство парогаза или пара.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что струйный эжекторный агрегат имеет камеру смешения с форсуночным кольцом для подачи в нее парогаза, первое сопло расширения для подачи в нее нагретого природного газа из камеры давления, соединенный с ним грибовидный распылитель и второе сопло расширения для подачи газовой смеси в камеру конверсии.

РИСУНКИ

Рисунок 1