свободнопоршневая машина для проведения химического взаимодействия газовых смесей

Формула изобретения

1. Свободнопоршневая машина для проведения химического взаимодействия газовых смесей, содержащая корпус, имеющий цилиндрическую камеру, свободный поршень, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, отличающаяся тем, что в цилиндрической камере размещены подвижные крышки, соединенные между собой, с впускными и выходными отверстиями для формирования перепускного канала подачи смеси и выпуска газа с измененными параметрами, при этом свободный поршень выполнен двухступенчатым.

2. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что свободный поршень и подвижные соединенные между собой крышки выполнены с возможностью противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных соединенных между собой крышек в корпусе.

3. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что свободный поршень, подвижные соединенные между собой крышки и корпус образуют три полости.

4. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что соединение соединенных между собой крышек расположено вне цилиндрической камеры.

5. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что соединение соединенных между собой крышек расположено в цилиндрической камере.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для проведения химического взаимодействия газовых смесей и может быть использовано в технологических установках сжатия смесей компонентов газа с различным тепловым эффектом реакции, а также для получения, например, синтез-газа из газообразного углеводородного сырья.

Известные генераторы синтез-газа свободнопоршневого типа содержат укрепленный на основании корпус, имеющий цилиндрическую реакционную камеру, установленную вертикально, с размещенным внутри нее свободным поршнем, который делит камеру на две рабочие полости, продувочные отверстия для ввода сырья и вывода конечного продукта (например, синтез-газа), перекрываемые управляемыми клапанами, например, патент РФ №2097121, оп. 27.11.1997 г., по МПК B01J 12/00. Для получения синтез-газа используется сжатие метано-воздушной смеси стехиометрического состава, при этом запуск генератора осуществляют посредством разгона поршня сжатым газом от компрессора. Основным недостатком таких генераторов является низкий ресурс их работы при высоких давлениях и жестких режимах функционирования, когда тепловые и вибрационные нагрузки возрастают выше допустимых по прочностным характеристикам. Для снижения вибраций до допустимого уровня генераторы устанавливают на массивное основание и вводят существенные ограничения на скорость нарастания давления во время реакции, чем значительно сужается диапазон возможных типов реакций и составов компонентов реагирующих газовых смесей.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному техническому решению является устройство импульсного сжатия газов по патенту РФ №2142844, оп. 20.12.1999 г., по МПК B01J 12/00, содержащее корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее, с возможностью возвратно-поступательного перемещения, свободным поршнем, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, узел запуска, размещенный в стенке корпуса, при этом узел запуска выполнен в виде быстродействующего импульсного газового клапана.

Недостатками наиболее близкого аналога является сложная конструкция используемых узлов, что приводит к снижению надежности и безопасности эксплуатации устройства, значительные утечки газа между поршнем и стенками камеры при высокой степени сжатия, снижающие эффективность работы свободнопоршневой машины, и массивность деталей для обеспечения прочности конструкции.

Задачей изобретения является расширение области допустимых режимов работы свободнопоршневой машины при импульсном сжатии газов или их смесей, уменьшение массивности основных деталей и износа поверхностей поршня и внутренней поверхности цилиндрической камеры, повышение эффективности ее работы и упрощение конструкции.

Технические результаты изобретения: упрощение конструкции свободнопоршневой машины за счет объединения в одном устройстве реактора, дожимного компрессора и приводного двигателя для получения на выходе газа с заданными параметрами давления и температуры; повышение эффективности работы свободнопоршневой машины при высокой степени сжатия газов или их смесей; снижение массивности основных деталей свободнопоршневой машины; снижение вибраций свободнопоршневой машины за счет противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных крышек, соединенных между собой, в корпусе устройства; повышение надежности и безопасности эксплуатации свободнопоршневой машины.

Технические результаты достигаются тем, что свободнопоршневая машина содержит корпус, имеющий цилиндрическую камеру, свободный поршень, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, в цилиндрической камере размещены подвижные крышки, соединенные между собой, с впускными и выходными отверстиями для формирования перепускного канала подачи смеси и выпуска газа с измененными параметрами, свободный поршень выполнен двухступенчатым (дифференциальным). Под двухступенчатым или дифференциальным поршнем в предлагаемом техническом решении понимается поршень с частями разного диаметра.

Технические результаты могут достигаться также тем, что свободный поршень и подвижные соединенные между собой крышки могут быть выполнены с возможностью противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных соединенных между собой крышек в корпусе.

Технические результаты могут достигаться также тем, что свободный поршень, подвижные соединенные между собой крышки и корпус образуют три полости.

Технические результаты могут достигаться также тем, что соединение соединенных между собой крышек может быть расположено вне цилиндрической камеры.

Технические результаты могут достигаться также тем, что соединение соединенных между собой крышек может быть расположено в цилиндрической камере.

Свободнопоршневая машина схематично представлена на фиг.1. На фиг.2 представлен вариант свободнопоршневой машины с расположением соединения соединенных между собой крышек в цилиндрической камере.

Свободнопоршневая машина содержит корпус 1, установленный вертикально и имеющий цилиндрическую камеру 2, разделенную на полости 3, 4 и 5 свободным поршнем 6, размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения, подвижные крышки, соединенные между собой, 7. В корпусе 1 имеются продувочные отверстия 8 и 9, предназначенные для подачи и выпуска воздуха, отверстие 10 для подачи, например, метано-воздушной смеси, отверстие 11 для выхода, например, синтез-газа из полости 4, клапана 12, 13 для впуска и выпуска, например, синтез-газа (конечного продукта) из полости 5. В подвижных крышках, соединенных между собой, 7 выполнены окна 14, 15 для подачи и выхода воздуха.

Для снижения тепловой напряженности деталей конструкции поршень 6 может быть выполненным из двух разнесенных в осевом направлении частей. Поршень 6 выполнен двухступенчатым, создающим в объеме цилиндрической камеры 2 своей первой рабочей ступенью полость, например, синтеза газа 4, а второй ступенью компрессорную полость 3, при этом полость 5 образована разностью диаметров частей поршня реактора и компрессора. Подвижные крышки, соединенные между собой, 7 свободнопоршневой машины выполнены полыми с возможностью перемещения между корпусом 1 и свободным поршнем 6 для формирования перепускных каналов входа и выхода газов. Изменяя объем рабочей полости за счет перемещения поршня 6 и подвижных соединенных между собой крышек 7 навстречу друг другу, можно варьировать рабочим объемом свободнопоршневой машины, степенью сжатия, а также работать на различных видах топлива без изменения конструктивных параметров свободнопоршневой машины. Реакция, например, производства синтез-газа при этом протекает в условиях высоких температур и давлений, достигаемых за счет импульсного сжатия соответствующего сырья свободным поршнем в камере синтез-газа 4. Нижняя полость устройства имеет узел запуска свободнопоршневой машины (источник сжатого воздуха), при этом запуск свободнопоршневой машины осуществляется при крайнем положении поршня путем подачи газа. Таким образом, свободнопоршневая машина объединяет импульсный адиабатический реактор, приводной двигатель и дожимной компрессор. С целью исключения заброса непрореагированных компонентов исходной смеси и уменьшения энергетических затрат может использоваться схема реактора с прямоточной продувкой и полным расширением продуктов реакции. В качестве продувочного двигателя может использоваться газовый двухтактный дизель с петлевой продувкой без охлаждения и подачей топлива в конце продувки. Дожимной компрессор может быть выполнен поршневым, одноступенчатым с автоматическими клапанами и перепускными окнами в начале сжатия.

Работа свободнопоршневой машины представляет циклический процесс. При подаче газа под давлением происходит наполнение полости 3 через отверстие 8. Для запуска устройства подается сжатый газ от компрессора по магистрали. Под давлением поступающего толкающего газа поршень 6 начинает двигаться вверх, а подвижные соединенные между собой крышки 7 вниз, отсекая верхнюю полость от отверстий, и сжимает газ в ней. В результате под давлением сжатого в верхней полости 3 газа поршень 6 отбрасывается вниз навстречу непрерывно поступающему толкающему газу, сжимая его, останавливается, а затем вновь начинает двигаться вверх и описанный цикл повторяется. Каждый цикл состоит из тактов сжатия и расширения газа в полостях 3 и 4, происходящих при возвратно-поступательном движении свободного поршня 6 в цилиндрической камере 2. Необходимые для протекания процесса параметры достигаются при сжатии газообразных исходных веществ поршнем в период нахождения вблизи соответствующей мертвой точки. Необходимый режим колебаний поршня поддерживается за счет конвертирования выделяющегося вблизи соответствующей мертвой точки тепла в работу подобно тому, что происходит в поршневых двигателях внутреннего сгорания. При достижении поршнем 5 заданного режима колебаний (степени сжатия, необходимой для начала реакции) через отверстие 10 начинается подача, например, метано-воздушной смеси и вывод полученного синтез-газа через отверстие 11. В результате перемещения подвижных соединенных между собой крышек 7 формируется перепускной канал для выпуска синтез-газа. Таким образом, смесь газообразного углеводородного сырья подвергают парциальному окислению путем сжатия смеси для обеспечения условий реакции в объеме камеры компрессионного типа при движении поршня к верхней мертвой точке, расширению смеси за счет движения поршня к нижней мертвой точке, охлаждению и выводу продуктов процесса, содержащих синтез-газ из реакционного объема. Заданное давление синтез-газа после свободнопоршневой машины получают расширением продуктов реакции до давления продувки, охлаждением и сжатием в компрессорной полости 5 до нужного давления.

Примеры конструктивного выполнения свободнопоршневой машины могут быть разными, при этом рациональное решение выбирается при конструкторском проектировании. Так несколько свободнопоршневых машин могут располагаться параллельно друг другу в виде кольца, или объединяться в пакете заданной формы. Элементы свободнопоршневой машины могут быть выполнены известными способами из известных материалов.

Преимущества предложенной свободнопоршневой машины заключаются в ее малой массе, высоких значениях параметров рабочего процесса (степени повышения давления, температуры), которые существенно улучшают технико-экономические характеристики свободнопоршневых машин, например, для генерации синтез-газа.

Таким образом, предлагаемая свободнопоршневая машина обеспечивает, например, при производстве синтез-газа:

1. значительное расширение диапазона возможных типов реакции и состава компонентов газа, использование в качестве смеси компонентов газов с различным тепловым эффектом реакции (например, аргона для повышения температуры нагрева газа в зоне реакции без предварительного подогрева реагирующих газов);

2. высокий уровень температур в зоне реакции и большие скорости сжатия приводят к полной реакции синтез-газа без образования сажи;

3. многофункциональное использование (генератор синтез-газа и компрессор в одном устройстве);

4. улучшенное качество синтез-газа и большой выход конечного продукта после реакции (от 30 до 90 процентов), при этом не требуется продувки синтез-газа, а оставшаяся часть находится в реакционной камере для повышения нагрева новой порции запускаемого газа;

5. обеспечение плавного запуска, быстрого выхода на установившийся режим и остановки свободнопоршневой машины за счет использования подвижных соединенных между собой крышек, при этом выпуск газа осуществляется на определенной стадии с заданной степенью конверсии и требуемыми параметрами синтез-газа;

6. подавление колебаний (вибраций) при использовании противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных соединенных между собой крышек в корпусе устройства.