Предлагаемое изобретение относится к производству ацетилена термоокислительным пиролизом углеводородов и может быть использовано в области химии в реакторах для производства ацетилена в качестве направляющего и газораспределительного устройства горелок.

Известное (1) горелочное устройство для получения ацетилена термоокислительным пиролизом метана включает ряд трубок служащих для подвода метанокислородной смеси и стабилизирующего кислорода. Трубки имеют эллипсовидное сечение, изогнуты по винтовой линии и выполнены с отношением большой оси эллипсовидного сечения к малой его оси, равным 3-4, а отношение сечения корпуса горелки к сечению всех эллипсовидных трубок равно 4-10. Изгиб по винтовой линии выполнен с шагом 1,0- 1 ,6м. Трубки для подвода метанокислородной смеси расположены в корпусе горелки концентрическими рядами - наружным и внутренним - и размещены между трубками для подвода стабилизирующего кислорода.

При работе горелки по одним трубкам подают метанокислородную смесь, которая при этом закручивается , а по другим трубкам подают стабилизирующий кислород.

Известное горелочное устройство характеризуется коротким ресурсом работы и недостаточно высокой производительностью. Ресурс его работы находится в диапазоне 720-2160 часов, из-за разрушения трубок подачи стабилизирующего кислорода в зоне сварных швов соединения с нижней плитой корпуса горелки. Данные разрушения трубок происходят из-за их неравномерного теплового расширения обусловленного различной длиной трубок.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является горелка для получения ацетилена методом термоокислительного пиролиза метана, содержащая блочное газораспределительное устройство с каналами для подачи газовой смеси и каналами для подачи стабилизирующего кислорода, соединёнными с коллектором подачи стабилизирующего кислорода. (Прототип). Горелка снабжена трубой для подачи исходной газовой смеси, трубами для подачи стабилизирующего кислорода и трубами для входа охлаждающей воды и её выхода.

Известная горелка - прототип показана на Фиг.1 / 12 - 6/ 12.

На Фиг.1/12 показан продольный разрез горелки;

На Фиг.2/12 показан вид А сверху Фиг.1/12;

На Фиг. 3/12 - показан вид Б горелки снизу Фиг.1/12;

На Фиг.4/12 - показан характер потока газовой смеси (газовые каналы показаны условно);

На Фиг.5/12 - показан треугольник скоростей газового потока в точке А;

На Фиг.6/12 - показана схема для расчёта тепловых деформаций.

Представленное на Фиг.1/12-3/12, блочное газораспределительное устройство 1 выполнено в виде концентрично установленных трёх цилиндрических блоков 2-4, в кольцевых каналах (пространствах) между которыми размещены завихрители 5-6. В блоках 2-4 расположены внешний 7 и внутренний 8 коллекторы для подачи стабилизирующего кислорода, и коллекторы 9,10, 1 1 для циркуляции охлаждающей воды.

Верхняя часть газораспределительного устройства выполнена в виде конического элемента 12 с конической образующей (Фиг.1/12).

Входы в газовые каналы (кольцевые пространства) имеют острые кромки входного сечения.

Во внутренних блоках 3 и 4 расположены, выполненные в виде трубок 13-15, прямые и косые каналы для подачи стабилизирующего кислорода, и каналы для подачи охлаждающей воды.

Завихрители 5-6 имеют угол наклона не более 45° и снабжены каналами в виде трубок для подачи стабилизирующего кислорода и каналами в виде трубок для подачи охлаждающей воды.

При работе горелки поступающая по трубе метанокислородная смесь распределяется по кольцевым каналам (пространствам) и, встречая на своём пути завихрители 5-6, закручивается, далее в виде закрученных потоков проходит в реакционную зону и зону горения. Поступающий по входным трубам стабилизирующий кислород через коллекторы 7-8 и каналы, выполненные в виде трубок 13-15, поступает в реакционную зону. Охлаждающая вода по входным трубам и коллекторам 9-1 1 поступает на охлаждение торцевой части наружного блока и внутренних блоков 3,4 и на охлаждение завихрителей 5,6.

Недостатками данной конструкции являются:

1.Значительные газодинамические потери обусловленные неорганизованным конфузным сечением газа при входе в завихрителях 5,6 и при обтекании центрального конического элемента 12. (См. Фиг.4/12).

Поток газа, движущийся со скоростью ω с = 50м /сек, встречает на своём пути конический элемент 12 и обтекая его коническую образующую, меняет направление своего движения на движение по углу конуса. Данное обстоятельство приводит:

- к срыву потока с образующей конуса;

- к образованию вихревой зоны под куполом сорванного потока;

- к частичной потере кинетической энергии потока за счёт потерь при трении по поверхности конуса и перехода части кинетической энергии в потенциальную от торможения. Согласно расчётам данные потери составляют 10- 12% начальной кинетической энергии потока. На Фиг.4/12 показан характер потока газовой смеси (газовые каналы показаны условно).

Треугольник скоростей в точке А имеет вид показанный на Фиг.5/12, где указаны: угол срыва потока с конуса - a, COQ - скорость потока в сечении подающего газовый поток трубы; СО^ - скорость сорванного потока с конуса; & ⁾ р~ результирующая скорость на входе в завихритель.

То есть имеет место изменение направления потока и снижение его скорости.

Поток газа, удалённый от оси, совершает конфузный переход в завихрители 5,6 с углом конфузности 180°. Это самый неблагоприятный переход газового потока.

Резкое изменение площадей проходных сечений от подающего патрубка Fp =

12

0,083 м2 до суммарной площади каналов ^ F _m = 0,03189 л* ² приводит коэффициент

/ = 1

конфузности до следующего значения

F _n

К = -й*— = 2,6Ъ \ . .

/ = 1 При входе газовой смеси в канал с острыми кромками входного сечения, поток по инерции отрывается вблизи входа от внутренней поверхности. Этот отрыв потока и вызванное им вихреобразование влечёт за собой уменьшение поперечного сечения (сжатия) струи. Для прямого входного канала с острыми кромками коэффициент заполнения сечения

F _c

ε =—„ в случае Re > 10 ⁴ равен 0,5, где: Fc - площадь струи, Fo - площадь канала.

При этом достигается значение коэффициента гидравлического сопротивления^ = 0,5 (3).

Наличие зон срыва потока, а также внезапное сужение потоков с углом конфузности 180°, приводит к нестабильно турбулентному истечению газовой смеси из завихрителей. Эпюра скоростей в сечении завихрителя имеет пилообразную форму.

Из вышеперечисленного следует: известная горелка - прототип имеет большое гидравлическое сопротивление, пульсирующий, турбулентно нестабильный (Re ~ Var) газовый поток на выходе из завихрителей, что в свою очередь приводит к нестабильному горению газовой смеси и снижает производительность по ацетилену.

2.Известная горелка - прототип, имеет очень короткий ресурс работы, в диапазоне 720-2160 часов, из-за разрушения трубок 13-15 подачи стабилизирующего кислорода в зоне сварных швов соединения с нижней плитой.

На Фиг.6/12 показаны: цилиндрический блок 2, завихрители 5, 6, каналы подачи стабилизирующего кислорода в виде трубок 14, 15 с 0 12x2,5 и их крепление к нижней плите блока 2 сварным швом N° 24.

Данные разрушения трубок происходят ввиду концентрации закритических напряжений, возникающих в зоне разрыва, из-за неравномерного теплового расширения завихрителей и трубок подачи стабилизирующего кислорода. Неравномерность тепловых расширений происходит из-за разности длин вышеуказанных элементов, что подтверждается прочностным расчётом элементов конструкции горелки:

Исходные данные: Температура по завихрителям в рубашке в трубках

рабочей среды, °С 650 35+60 30

Среда СН ₄ +0 ₂ Н ₂ 0 0 ₂

Материал 12Х18Н10Т ХН32Т ХН32Т

В процессе эксплуатации горелки происходит разрушение сварного шва No24 ( См. Фиг. 6/12 ) из-за различных тепловых удлинений завихрителей поз. 5, 6 и трубок стабилизирующего кислорода поз. 14, 15.

Для определения напряжений, возникающих в области сварного шва, условно принимаем, что конструкция каркаса, включающего в себя верхнюю, нижнюю плиты и обечайку, жесткая.

Термины и условные обозначения, используемые в расчете и механические свойства стали ХН32Т приведены в источнике информации ( 4 ).

Модуль продольной упругости при расчетной температуре

Е = 2,05 - 10 ⁵ МПа

Коэффициент линейного расширения при расчетной температуре а = 18,6 - 10 ^'6 ^ _с

Предел прочности при расчетной температуре <7 = 390МПа

Длина завихрителей LI=0,166M

Длина трубки

Температура сборки t _c = 20 ^° С

Температура расчетная t _p = 650° С

1. Тепловое расширение завихрителей поз. 5 и 6

AL, = a (t _p - t _c ) · L, = 18,6 · 10 ^"6 (650 - 20) · 0,166 = 0,00195м

2. Тепловое расширение трубок поз. 14 и 15

AL ₂ = a (t _p - t _c ) · L2 = 18,6 · 10 ^"6 (650 - 20) · 0,079 - 0,000926л

3. Разность тепловых расширений AL, и AL ₂

AL, - AL ₂ = 0,00195 - 0,000926 = 0,001024м

Конструкция горелки не является жесткой, а имеет определенную податливость нижней плиты и коллектора стабилизирующего кислорода, замеренную экспериментально и составляющую 0,87мм=0,00087м. Поэтому разность тепловых расширений с учетом податливости элементов конструкции горелки

AL = 0,001024 - 0,00087 = 0,000154м = 1,54 · 10 ^"4 м

4. Напряжения, возникающие в трубках и сварном шве в результате тепловых деформаций

AL - E 1,54 - 10 ^"4 - 2,05 - 10 ⁵ ™ _{Л лятг}

σ = = - - = = 404,7МПа > 390 МПа,

L ₂ 0,079

что больше предела прочности

вр

и приводит к неработоспособности горелки (5,6).

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования конструкции горелки для производства ацетилена, в которой путём изменения формы выполнения газораспределительного блока в целом а также формы выполнения отдельных его элементов - верхней части блока, каналов для подачи газовой смеси и стабилизирующего кислорода, а также коллектора подачи стабилизирующего кислорода, изменения формы взаимосвязи этих элементов в газораспределительном блоке, обеспечивается возможность:

- увеличения суммарной площади каналов газового потока: с 0,03189 м ² до 0,050 м ² , что позволяет снизить коэффициент конфузности газового потока с 2,601 до 1,66 и приводит к снижению потерь начальной кинетической энергии газового потока;

- существенного, в 4,17 раза, снижения гидравлического сопротивления с 0,5 до 0,12;

- исключения тепловых напряжений, которые в горелке-прототипе и аналоге 1 приводят к разрушению трубок подачи кислорода и неработоспособности горелки; - достижения стабильно турбулентного течения газа в каналах: Re = const. Эпюра скоростей по сечению газового канала имеет вид монотонно возрастающей от стенки канала к оси потока;

- достижения стабильного горения газовой смеси;

- повышения производительности горелки по ацетилену.

- существенного увеличения ресурса работы горелки за счёт исключения тепловых напряжений. То обстоятельство, что газораспределительный блок выполнен единым блоком, в котором вместо трубок подачи кислорода организованы каналы в виде соответствующих сверлений и расточек, позволяет исключить разность · длин элементов, подвергаемых тепловым удлинениям, и, следовательно, полностью исключить тепловые напряжения, которые в горелках аналога 1 и прототипа 2 приводят к разрушению трубок подачи кислорода.

Поставленная задача решается тем, что в известной горелке для получения ацетилена методом термоокислительного пиролиза метана, содержащей блочное газораспределительное устройство с каналами для подачи газовой смеси и каналами для подачи стабилизирующего кислорода, соединёнными с коллектором подачи стабилизирующего кислорода, согласно предлагаемому изобретению, газораспределительное устройство выполнено в виде совокупно направляющего газораспределительного моноблока с цельно выфрезированными в нём каналами для подачи газовой смеси, стабилизирующего кислорода и коллектора подачи стабилизирующего кислорода; верхняя часть газораспределительного моноблока выполнена в виде конуса с образующей, имеющей форму циклоиды (брахистохроны); а входы в газовые каналы выполнены в форме плавно сужающихся участков с переходом от трапециодального сечения в трапециодальное с углом сужения а = 40°- 60°.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в существенном увеличении ресурса работы горелки и её производительности.

Предлагаемая горелка представляет собой моноблок совокупно направляющий и распределяющий по отдельным каналам исходный газовый поток и поток стабилизирующего кислорода в реакционную зону и зону горения.

Моноблок выполнен с цельно выфрезированными в нём каналами для подачи газовой смеси и каналами для подачи стабилизирующего кислорода, соединёнными с цельно выфрезированным коллектором для подачи стабилизирующего кислорода.

Верхняя часть моноблока, для уменьшения лобового сопротивления газового потока, выполнена в виде конуса с образующей, имеющей форму циклоиды (брахистохроны). Образующая конуса построена по расчётным точкам циклоиды (брахистохроны) с последующей интерполяцией с дискретностью по оси Х- 0,01мм. Это позволяет получить плавную кривую с минимальными значениями лобового сопротивления. Входы в газовые каналы выполнены в форме плавно сужающихся участков с переходом от трапециодального сечения в трапециодальное с углом сужения a = 40°-60°. При этом суммарная площадь каналов подачи газового

потока увеличивается с 0,03189 до 0,050м ²

При одной и той же, как в прототипе площади проходного сечения подающей газовый поток трубы равной Fp = 0,083 м ² , коэффициент конфузности снижается с 2,601 до 1,66:

^F P

К = ₁ ^- = 1,66 =1

Сужающий участок газового канала представляет собой плавный коллектор, очерченный по дуге лемнискаты, что в сочетании с углом сужения позволяет значительно уменьшить коэ ициент сопротивления. В предлагаемой конструкции:

Где: р ₀ , р ₀ ' полное давление соответственно перед входом в коллектор и на выходе из него; ω ₀ - с корость в подающем патрубке;

со скорость в тазовом канале;

Fo - площадь газового канала.

Решая это уравнение для предлагаемой горелки получаем коэффициент гидравлического сопротивления равный 0, 12, что в 4, 17 раз меньше, чем в горелке - прототипе.

Стабильно турбулентный характер течения газа в газовых каналах проиллюстрирован на Фиг. 12/12.

Эпюра скоростей по сечению газового канала имеет вид монотонно возрастающей от стенки канала к оси потока.

Предлагаемая конструкция горелки поясняется чертежом: Фиг. 7/12-12/12.

На Фиг.7/12, 8/12 показана горелка:вид спереди (Фиг.7/12) и вид сверху Фиг.8/12;

На Фиг.9/12 показан продольный разрез горелки, установленной в водяную охлаждающую рубашку и подсоединённой к трубопроводам подачи стабилизирующего кислорода; На Фиг. 10/12 показан вид А сверху Фиг.9/12;

На Фиг.1 1/12 показан вид Б снизу Фиг. 9/12;

На Фиг.12/12 показан стабильно турбулентный характер течения газа в газовых каналах. Предлагаемая горелка, показанная на Фиг.7/12-12/12 включает: - газораспределительное устройство, выполненное в виде моноблока 1 совокупно направляющего и распределяющего по отдельным каналам исходный газовый поток и поток стабилизирующего кислорода в реакционную зону и зону горения;

- цельно выфрезированные в моноблоке 1 каналы 2 для подачи газовой смеси, каналы 3 для подачи стабилизирующего кислорода;

цельно выфрезированный коллектор подачи стабилизирующего кислорода, выполненный в виде трёх участков: центрального 4, внутреннего 5 и внешнего 6.

Верхняя часть 7 газораспределительного моноблока 1 , выполнена в виде конуса с образующей, имеющей форму циклоиды (брахистохроны) ( См. Фиг 7/12-9/12 ).

Входы в газовые каналы 2 выполнены в форме плавно сужающихся участков с переходом от трапециодального сечения в трапециодальное с углом сужения а = 40-60°

Каналы 3 подачи стабилизирующего кислорода выполнены в виде: центрального, прямых и косых (См. Фиг.7/12, 9/12).

На чертеже - Фиг. 9/12-12/12, также показаны:

вход 8 стабилизирующего кислорода в центральный коллектор 4, внутренний коллектор 5 и внешний коллектор 6;

выход 9 стабилизирующего кислорода из центрального канала 3;

выход 10 стабилизирующего кислорода из прямых каналов 3 внутреннего коллектора;

выход 1 1 стабилизирующего кислорода из косых каналов;

вход 12 умягчённой воды на охлаждение горелки;

выход 13 умягчённой воды из горелки.

Газораспределительный моноблок 1 установлен в водяную охлаждающую рубашку 14. ,

Перед работой горелки в рубашку 14 подают умягчённую воду.

При работе горелки по каналам 2 подают метанокислородную смесь, а по каналам 3 через центральный 4, внутренний 5, и внешний 6 коллекторы подают стабилизирующий кислород. Метанокислородная смесь и стабилизирующий кислород через каналы газовой смеси 2 и каналы стабилизирующего кислорода 3 попадают в реакционную зону и зону горения. Ацетилен и другие продукты горения из реакционной зоны направляют в систему выделения ацетилена.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе заявки:

1. СССР, А.С. JV2 488793, С07С 1 1/24, С07С 3/28, F23D 13/40, опубл. 25.02.76.

2. СССР, А.С. N_ 292364, B01J 1/00, опубл. 08.06.78. (Прототип).

3. И.Е. Идельчик.„Справочник по гидравлическим сопротивлениям", Москва,„Машиностроение", 1992г, Глава 3- 1-3, с.1 14.

4. Марочник сталей и сплавов, Зубченко А.С, Москва, ^Машиностроение" 2003г.

5. ГОСТ 5632-7 „Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные". Марки.

6. ГОСТ Р52857.1-2007 „Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. Общие требования".