UA45054A

UA45054A - METHOD OF CONVERSION OF METHANOL IN HEAT EXCHANGER AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Info

Publication number: UA45054A
Application number: UA2001042488A
Authority: UA
Inventors: Віталій Юрійович Баранов; Виталий Юрьевич Баранов; Дмитро Олександрович Сьомін; Дмитрий Александрович Семин; Олег Вікторович Величко
Original assignee: Східноукраїнський Національний Університет; Восточноукраинский Национальный Университет
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2002-03-15

Abstract

Method for methanol conversion in a heat-exchange apparatus, at which methanol is subject to catalytic steam conversion with previously mixed or circulating water, using the worked-out gases of the motor heat, energy of those is recuperated and returned to the motor with fuel, with carbon monoxide being present in the mixture of methanol conversion along with the hydrogen. Depending on the motor mode of work and expense and the worked-out gas temperature, methanol is directed to the section of steam or (and) catalytic conversion of the heat-exchange apparatus. System for implementation of the method comprises of a tank with methanol, a pump, evaporator, thermal exchange apparatus and collector of products of methanol conversion. Heat exchange apparatus is equipped with two sections – central one (for steam conversion) and peripheral one – for catalytic conversion.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до області транспортного машинобудування і може бути використаний в конструкції 2 автомобільних систем конверсії метанолу в газ, що містить водень.The invention relates to the field of transport engineering and can be used in the design of 2 automobile systems for the conversion of methanol into hydrogen-containing gas.

Відомо спосіб каталітичної конверсії метанолу у водень та оксид вугледю шляхом прямої ендотермічної реакції на борту автомобіля: сСнНоОонН-» ОН 2Но- ОТThere is a known method of catalytic conversion of methanol into hydrogen and carbon monoxide through a direct endothermic reaction on board the car: сСнНоОонН-» ОН 2Но- ОТ

Метанол дозволяє проводити низькотемпературну конверсію, що дає можливість використовувати тепло 10 відпрацьованих газів двигуна.Methanol allows for low-temperature conversion, which makes it possible to use the heat of 10 exhaust gases of the engine.

Реакція протікає при температурі 250-3507"С. При цьому утилізація тепла відпрацьованих газів автомобільного двигуна, що застосовуються як. гріючий теплоносій, дозволяє підвищити на 1295 теплоту згоряння початкового палива |див. Ріпедоїа 9., Мс Кіппоп Т., Кагрик М. Оівззосіаїей теїпапої аз а сопзитабіеThe reaction takes place at a temperature of 250-3507"C. At the same time, the utilization of the heat of the exhaust gases of the automobile engine, which are used as a heating coolant, allows to increase the heat of combustion of the initial fuel by 1295 | see Ripedoia 9., Ms. Kippop T., Kagryk M. teipapoi az a sopzytabie

Піагіде ог ашотобіїез апа даз Штріпев// "Нудгодеп Ргодг Епегду Ргодг. 4 Ргос. Мопа Нудгодеп Епегду Сопі., 15 . Разадепа, Саїї., 13-17 дипе, 1982, Мої.3" Охіога е.а.,19821.Piagide og ashotobiyez apa daz Stripev// "Nudgodep Rgodg Epegdu Rgodg. 4 Rgos. Mopa Nudgodep Epegdu Sopi., 15 . Razadepa, Saiy., 13-17 dipe, 1982, Moi.3" Ohioga e.a., 19821.

Недоліком способу є відносно висока температура протікання реакції, що дозволяє його використовувати тільки на режимах роботи двигуна, близьких до номінального.The disadvantage of the method is a relatively high reaction temperature, which allows it to be used only at engine operating modes close to the nominal one.

Відомо спосіб конверсії метанолу у газ, що містить водень Ріпедоі4й 39. Мс Кіппоп Т., Кагрик М.The method of conversion of methanol into hydrogen-containing gas is known Ripedoi4y 39. Ms. Kippop T., Kagryk M.

ОРівзосіаге(й теїйапої аз а сопзитабіє Підгіде ог ашотобріевз апа даз (штріпев//7/ Нудгодеп Ргодг Епегду Ргоадг. 20 4 Ргос. Муопй Нуйдгодеп Епегду Сопі.,, . Разадепа, Саїїйї., 13-17 Оуипе, 1982, МоІЇ.3" Ожхога е.а.,1982), при якому метанол піддають каталітичній паровій конверсії з попередньо перемішаною або ціркуляційною водою з використанням тепла відпрацьованих газів двигуна, енергія яких рекуперується та повертається в двигун з паливом з присутністю у складі продуктів конверсії метанолу поряд з воднем чадного газу, обраний за прототип:ORivzosiage(y teiyapoi az a sopzytabie Pidgide og ashotobrievz apa daz (shtripev//7/ Nudgodep Rgodg Epegdu Rgoadg. 20 4 Rgos. Muopy Nuydgodep Epegdu Sopi.,, . Razadepa, Saiyyi., 13-17 Ouipe, 1982, MoII.3 " Ozhhoga E.A., 1982), in which methanol is subjected to catalytic steam conversion with pre-mixed or circulating water using the heat of the exhaust gases of the engine, the energy of which is recovered and returned to the engine with fuel with the presence of methanol conversion products along with hydrogen monoxide gas chosen as a prototype:

СНЗОН Ж НоО -» СО» я ЗНо - ОТ 25 Склад газів, що покидають установку конверсії залежить від часу контакту з каталізатором, температури « тиску і концентрації води у метанолі.СНЗОН Ж НоО -» СО» и ЗНо - ОТ 25 The composition of the gases leaving the conversion unit depends on the time of contact with the catalyst, temperature, pressure and concentration of water in methanol.

Реакція парової конверсії протікає при більш низькій температурі ( 20072), що дозволяє повніше регенерувати тепло відпрацьованих газів двигуна, особливо при русі автомобіля на часткових навантаженнях, « 20 коли температура відпрацьованих газів низька. Підвищення теплоти згоряння внаслідок парової конверсії метанолу дорівнює 895 від теплоти згоряння початкового палива. ІФ)The steam conversion reaction takes place at a lower temperature ( 20072 ), which allows more complete regeneration of the heat of the engine exhaust gases, especially when the car is moving at partial loads, " 20 when the temperature of the exhaust gases is low. The increase in heat of combustion due to the steam conversion of methanol is equal to 895 of the heat of combustion of the initial fuel. IF)

Недоліком даного способу є наявність в продуктах конверсії чадного газу, що знижує теплоту згоряння о продуктів конверсії, а також коефіцієнт наповнення двигуна.The disadvantage of this method is the presence of carbon monoxide in the conversion products, which reduces the heat of combustion of the conversion products, as well as the engine filling factor.

В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу конверсії метанолу шляхом того, що в ів) залежності від режиму роботи двигуна і витрат та температури відпрацьованих газів метанол спрямовують у « 35 секцію парової або (та) каталітичної конверсії теплообмінного апаратуThe basis of the invention is the task of improving the method of methanol conversion by means of the fact that, depending on the mode of operation of the engine and the consumption and temperature of the exhaust gases, methanol is directed to the steam or (and) catalytic conversion section of the heat exchanger

При поданні метанолу в секцію парової конверсії теплообмінного апарату, туди ж подають воду з розширювального бака, що дозволяє повніше регенерувати тепло відпрацьованих газів двигуна.When methanol is supplied to the steam conversion section of the heat exchanger, water is supplied there from the expansion tank, which allows more complete regeneration of the heat of the engine's exhaust gases.

Втрата води через секцію парової конверсії регулюють в залежності від режиму роботи двигуна. « 20 Таким чином спосіб дозволяє, використовуючи комбінований теплообмінний апарат, утилізувати тепло з відпрацьованих газів двигуна як на холостому ходу і часткових навантаженнях (у секції парової конверсії), так с і на режимах близьких до номінального (у секції каталітичної конверсії). :з» Поставлена задача досягається тим, що в способі конверсії метанолу при якому метанол піддають каталітичній паровій конверсії з попередньо перемішаною або ціркуляційною водою з використанням тепла відпрацьованих газів двигуна, енергія яких рекуперується та повертається в двигун з паливом з присутністю у ї» 35 складі продуктів конверсії метанолу поряд з воднем чадного газу, згідно винаходу, в залежності від режиму роботи двигуна та втрат і температури відпрацьованих газів, метанол спрямовується до секції парової або (та) 1 каталітичної конверсії теплообмінного апарата. о Відома система конверсії палива, обрана за прототип, яка містить бак з метанолом, насос, випаровувач 5р Метанолу, накопичувач продуктів конверсії метанолу та теплообмінний апарат, що містять перший реактор 1 процесу каталітичного риформінгу з водяною парою і другий - каталітичний реактор з повітряною конверсією.Water loss through the steam conversion section is regulated depending on the engine operating mode. 20 Thus, the method allows, using a combined heat exchange device, to utilize heat from the exhaust gases of the engine both at idle speed and partial loads (in the steam conversion section) and at modes close to the nominal (in the catalytic conversion section). The task is achieved by the fact that in the method of methanol conversion, in which methanol is subjected to catalytic steam conversion with pre-mixed or circulating water using the heat of the exhaust gases of the engine, the energy of which is recovered and returned to the engine with fuel with the presence in it of 35 products conversion of methanol along with hydrogen monoxide, according to the invention, depending on the mode of operation of the engine and the losses and temperature of the exhaust gases, methanol is directed to the section of the steam or (and) 1 catalytic conversion of the heat exchanger. o A known fuel conversion system, selected as a prototype, which contains a tank with methanol, a pump, an evaporator of 5p Methanol, an accumulator of methanol conversion products and a heat exchanger, containing the first reactor 1 of the catalytic reforming process with steam and the second - a catalytic reactor with air conversion.

І» Другий реактор розташований всередині першого, через нього проходять продукта конверсії, які частково прореагувати у першому реакторіAnd" The second reactor is located inside the first, through it pass the conversion products that partially react in the first reactor

В системі можна проводити риформінг рідких вуглеводнів, метану, або парової легкої нафтової фракції у присутності водяної пари та повітря див. патент Франції Мо2024931, МПК с 10 9 35/00, від 26.12.1969, та володіє усіма притаманними їй властивостями - відсутністю рухомих механічних частин, малим гідравлічним в» опором, нечутливістю до температурних перепадів.In the system, it is possible to reform liquid hydrocarbons, methane, or steam light oil fraction in the presence of water vapor and air, see French patent Mo2024931, IPC s 10 9 35/00, dated 26.12.1969, and has all its inherent properties - absence of moving mechanical parts, low hydraulic resistance, insensitivity to temperature changes.

Конструктивно він виконаний у вигляді циліндричної камери з радіальним каналом підводу постачального потоку; тангенційним каналом управління та вихідним циліндричним патрубком, розташованим співвісно з до /Вихрьовою камерою на одній з торцевих кришок.Structurally, it is made in the form of a cylindrical chamber with a radial supply flow supply channel; a tangential control channel and an output cylindrical nozzle located coaxially with the / Vortex chamber on one of the end caps.

Клапан працює таким чином. При відсутності керуючого сигналу потік живлення з малим опором проходить крізь живильний патрубок та вихрьову камеру у вихідний патрубок. Подача сигналу керування призводить до закрутки потоку у вихрьової камері та створенню в ній перепаду тиску, що зменшує у заданому відношенні потік живлення до повного його перекриття.The valve works like this. In the absence of a control signal, the power flow with low resistance passes through the feed nozzle and the vortex chamber into the outlet nozzle. Applying the control signal leads to the swirling of the flow in the vortex chamber and the creation of a pressure drop in it, which reduces the supply flow in a given ratio until it is completely blocked.

Технічна суть і принцип дії запропонованої системи пояснюється кресленням, де зображено систему б5 конверсії метанолу.The technical essence and principle of action of the proposed system is explained by the drawing, which shows the B5 methanol conversion system.

Система конверсії метанолу для реалізації запропонованого способу містить метанольннй бак 1, розширювальний бачок з водою 2, насоси З та 4, випаровувач метанолу 5 та підігрівач води 6, теплообмінний апарат 7 з секцією каталітичної конверсії 8 та з секцією парової конверсії У, накопичувач 10 продуктів конверсії метанолу, два вихрьові клапани 11, датчик температури з пристроєм управління 12, електромагнітні клапани 13, двигун внутрішнього згоряння 14.The methanol conversion system for the implementation of the proposed method includes a methanol tank 1, an expansion tank with water 2, pumps C and 4, a methanol evaporator 5 and a water heater 6, a heat exchanger 7 with a catalytic conversion section 8 and with a steam conversion section U, an accumulator 10 of conversion products of methanol, two vortex valves 11, a temperature sensor with a control device 12, electromagnetic valves 13, an internal combustion engine 14.

Спосіб здійснюється таким чином. Метанол з баку 1 насосом З нагнітається у випаровувач 5, звідки поступає у теплообмінний апарат 7. В залежності від режиму роботи двигуна 14 метанол подається в секцію парової конверсії 9 або (та) секцію каталітичної конверсії 8. 70 Продукти каталітичної конверсії з теплообмінною апарату 7 поступають в накопичувач 10, звідки використовуються при запуску двигуна 14 та на холостому ході. Продукти парової конверсії безпосередньо з теплообмінного апарату 7 спрямовуються на впуск до двигуна.The method is carried out as follows. Methanol from tank 1 is pumped into the evaporator 5 by pump C, from where it enters the heat exchanger 7. Depending on the mode of operation of the engine 14, methanol is supplied to the steam conversion section 9 or (and) the catalytic conversion section 8. 70 The products of the catalytic conversion from the heat exchanger of the apparatus 7 enter into the accumulator 10, from where they are used when starting the engine 14 and at idle. Steam conversion products are sent directly from the heat exchanger 7 to the inlet to the engine.

Витрати метанолу через обидві секції конверсії теплообмінного апарату 7 регулюються двома вихрьовими клапанами 11. Дроселюючий ефект досягається шляхом подання води у керуючі канали вихрьових клапанів 11 з баку з водою 2 за допомогою насоса 4 при підігріві води відпрацьованими газами двигуна 14 у нагрівачі 6.The consumption of methanol through both sections of the conversion of the heat exchanger 7 is regulated by two vortex valves 11. The throttling effect is achieved by supplying water to the control channels of the vortex valves 11 from the water tank 2 using the pump 4 while heating the water with the exhaust gases of the engine 14 in the heater 6.

Пристрій управління 12 формує керуючий вплив в залежності від температури каталізатора, у відповідності з яким обома вихрьовими клапанами 11 встановлюється потрібне співвідношення витрат випареного метанолу та присадки к ньому води через секції теплообмінного апарату 7. При цьому вихрьові клапани 11 відіграють також і роль діспергатору води у початковому метанолі.The control device 12 forms a control effect depending on the temperature of the catalyst, in accordance with which both vortex valves 11 establish the required ratio of the consumption of evaporated methanol and water added to it through the sections of the heat exchange apparatus 7. At the same time, the vortex valves 11 also play the role of a water dispersant in the initial methanol.

При підігріві каталізатора до оптимальної температури пронесу каталітичної конверсії пристрій управління 12 вимикає подачу води до секцій теплообмінного апарату 7 шляхом подачі сигналу на електромагніт клапани 13. При цьому одна частина випареного метанолу поступає до секції каталітичної конверсії 8, а друга - до секції парової конверсії 9, причому остання відіграє роль додаткового випаровувача. Співвідношення витрат метанолу через секції визначається їх гідравлічним опором разом з вихрьовими клапанами.When the catalyst is heated to the optimum temperature of the catalytic conversion drift, the control device 12 turns off the water supply to the sections of the heat exchanger 7 by sending a signal to the solenoid valves 13. At the same time, one part of the evaporated methanol enters the catalytic conversion section 8, and the second - to the steam conversion section 9, and the latter plays the role of an additional evaporator. The ratio of methanol consumption through the sections is determined by their hydraulic resistance together with the vortex valves.

Випаровувач метанолу 5, теплообмінний апарат 7 та нагрівач 6 нагріваються теплом відпрацьованих газів двигуна 14. Продукти конверсії метанолу подаються на впуск двигуна 14. «The methanol evaporator 5, the heat exchanger 7 and the heater 6 are heated by the heat of the exhaust gases of the engine 14. The methanol conversion products are fed to the engine inlet 14.

В таблиці наведеш різні фази роботи запропонованої системи конверсії метанолу в залежності від режиму роботи двигуна.The table shows the various phases of operation of the proposed methanol conversion system, depending on the engine's operating mode.

Таблиця «Е й двигуна я холостий хід накопичувача юTable "E and engine i idling speed of the accumulator i

Часткові Працює на 2595 загальних витрат Працює на 7595 загальних | ПКМ з секції парової конверсії; ПКМ з нако-пичувача метанолу до моменту наповнення витрат метанолу випареному метанолі накопичувана «Partial Works for 2595 total costs Works for 7595 total | PKM from the steam conversion section; PCM from the methanol accumulator until the moment when the methanol consumption is filled with evaporated methanol is accumulated "

Не працює (накопичувач повний) |Метанол проходить без води, випареному метанолі я Войонй есевнічи НИнийн - - Запропонований спосіб та система конверсії метанолу забезпечує в порівнянні з прототипом наступні "» переваги: дозволяє в залежності від режиму роботи двигуна та температури відпрацьованих газів скористатися одним із способів конверсії метанолу - парової або каталітичної у присутності води.Does not work (accumulator is full) | Methanol passes without water, vaporized methanol i Voyony esevnichy NInyyn - - The proposed method and system of methanol conversion provides the following "" advantages in comparison with the prototype: it allows, depending on the mode of operation of the engine and the temperature of the exhaust gases, to use one of methods of methanol conversion - steam or catalytic in the presence of water.

ЧК» Наявність вихрьових клапанів дозволяє здійснити аналогове регулювання, як витрат початкового метанолу, с через одну із секцій, так і співвідношень присадки води до метанолу. о Ф ормула винаходу с 50ЧК» The presence of vortex valves allows for analog regulation of both the flow of initial methanol through one of the sections, as well as the ratio of water to methanol addition. o Formula of the invention p 50

ГТ» 1. Спосіб конверсії метанолу у теплообмінному апараті, при якому метанол піддають каталітичній паровій конверсії з попередньо перемішаною або циркуляційною водою з використанням тепла відпрацьованих газів двигуна, енергія яких рекуперується та повертається в двигун з паливом з присутністю у складі продуктів Конверсії метанолу поряд з воднем чадного газу, який відрізняється тим, що в залежності від режиму роботи двигуна і витрат та температури відпрацьованих газів метанол спрямовують у секцію парової або (та) » каталітичної конверсії теплообмінного апарата. 2 Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поданні метанолу в секції теплообмінного апарата, туди ж подають воду. во З. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що витрати води через секції парової та каталітичної конверсії регулюють в залежності від режиму роботи двигуна. 4. Система конверсії метанолу, що містить бак з метанолом, насос, випаровувач, теплообмінний апарат та накопичувач продуктів конверсії метанолу, яка відрізняється тим, що теплообмінний апарат обладнано двома секціями - центральною (для парової конверсії), та периферійною - для каталітичної конверсії. 65 5. Система за п. 4, яка відрізняється тим, що в ній встановлено принаймні два вихрові клапани, що знаходяться на гілці подання випареного метанолу в секцію каталітичної конверсії та (або) на гілці подачіGT" 1. The method of methanol conversion in a heat exchanger, in which methanol is subjected to catalytic steam conversion with pre-mixed or circulating water using the heat of the engine's exhaust gases, the energy of which is recovered and returned to the engine with fuel with the presence in the composition of methanol conversion products along with hydrogen carbon monoxide, which differs in that, depending on the mode of operation of the engine and the consumption and temperature of the exhaust gases, methanol is sent to the steam or (and) » catalytic conversion section of the heat exchanger. 2 The method according to item 1, which differs in that when methanol is supplied to the section of the heat exchanger, water is also supplied there. in Z. The method according to item 1, which differs in that the flow of water through the sections of steam and catalytic conversion is regulated depending on the mode of operation of the engine. 4. A methanol conversion system containing a tank with methanol, a pump, an evaporator, a heat exchanger and an accumulator of methanol conversion products, which is distinguished by the fact that the heat exchanger is equipped with two sections - central (for steam conversion) and peripheral - for catalytic conversion. 65 5. The system according to item 4, which is characterized by the fact that at least two vortex valves are installed in it, located on the supply branch of evaporated methanol to the catalytic conversion section and (or) on the supply branch

Claims

of evaporated methanol into the steam conversion section of the heat exchanger.

6. The system according to claim 5, which differs in that the vortex valves are connected to the electromagnetic valves of the water supply. " "And yuyu (av) yuyu "And -

with . a t" 1 (ав) с 50 ГТ" bo b5