УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА ИЗ МЕТАНА И УГЛЕВОДОРОДОВ ЭЛЕКТРОНАГРЕВОМ

Изобретение относится к производству ацетилена из метана и углеводородов и касается устройства для их конверсии в ацетилен методом высокотемпературного пиролиза электронагревом исходной смеси.
Известно устройство для получения ацетилена путем пиролиза метана и других углеводородов нагревом их электрической дугой в плазмохимическом реакторе с коаксиальными трубчатыми стальными электродами (Патент США 3419490, 1968). В этом устройстве оптимальный температурный режим пиролиза поддерживается большим объемным тепловыделением в зоне электрической дуги. К недостаткам устройства относятся: недолговечность электродов и сильная температурная неоднородность по сечению реактора, характерная для всех электродуговых генераторов и приводящая к появлению нежелательных продуктов синтеза в пристеночных областях реактора с пониженной температурой, в том числе сажи, а для стабильного горения дуги необходимы дорогостоящие источники энергопитания.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство электронагрева метана или другого углеводородного сырья в виде сосуда с концентрически расположенными реакторными трубками из оксида алюминия, помещенные в графитовый элемент сопротивления, который обеспечивает необходимый равномерный по сечению нагрев реакторной трубки для пиролиза. Процесс проводится при остаточном давлении 100 мм. рт. ст. Содержание ацетилена в газовой смеси на выходе: 21%, водорода 74%, метана 5% [Othmer D., Chem. Age India, 16, №2, 101, 157 (1965); Chemical Week, 95, No.21 (1964), p.89]. Недостатком устройства является необходимость проведения процесса при пониженном давлении и с применением специальных устройств питания для графитовых нагревателей.
Все указанные выше недостатки в заявляемом устройстве устраняются тем, что реактор пиролиза метана изготавливается из графита в виде трубки 1, выполняющей дополнительно функцию токоподводящего электрода. Трубка помещена в токовый концентратор 2, представляющий сужающуюся к центру аксиально-симметричную полость, заполненную графитовой крошкой (криптолом). По наружному радиусу концентратор ограничен металлическим кожухом 3, который выполняет дополнительно функции ответного токоподводящего электрода, обеспечивает электрический контакт с криптолом и защищает его от воздействия воздуха. По внутреннему радиусу концентратор ограничен трубкой 1. Сужающуюся к оси форму концентратору придают керамические изоляторы 4. Теплоизоляция токового концентратора обеспечивается криптолом в виде слоя переменной толщины 5, ограниченного снаружи крышками 6. Через патрубок 7 в токовый концентратор нагнетается инертный газ. Нагрев токового концентратора и стенок реактора 1 осуществляется переменным электрическим током промышленного или бытового напряжения (например, 220В) непосредственно от электрической сети без использования специальных источников питания. Закалочное устройство 8 служит для резкого охлаждения выходящего из реактора газа.
Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является упрощение конструкции устройства и системы его электропитания, повышение чистоты синтезируемого ацетилена, увеличение ресурса работы реактора.
Технический результат достигается тем, что в устройстве, совмещающем в себе ряд известных устройств (нагреватель из криптола, закалочное устройство, трубчатый нагреватель газа) обеспечивается равномерный по сечению реактора нагрев метана до температуры 2300-2500°С при контакте со стенками графитовой трубки. Высокий ресурс работы устройства обеспечивается химической стойкостью в инертном и восстановительном газе графитовых и керамических элементов устройства. Отсутствие специального источника электропитания обусловлено известными характеристиками криптолового проводника, как активного электрического сопротивления с растущей вольтамперной характеристикой в широком диапазоне температур. Сечение этого проводника падает с уменьшением его радиуса так, чтобы основное тепловыделение происходило на стенках графитовой трубки - реактора, а наружная поверхность криптолового проводника имела температуру, близкую к температуре окружающей среды. Для защиты от контакта с воздухом пространство между частицами криптола заполнено инертным газом, например, аргоном. С целью снижения температурных напряжений и повышения долговечности, электроизолятор между криптолом в проводнике и в теплоизоляторе выполнен в форме уложенных друг на друга концентрических колец с переменным диаметром.
Сущность устройства поясняется чертежом.
На чертеже схематически представлено устройство для получения ацетилена из метана.
Устройство 1 представляет собой графитовую трубку, выполняющую одновременно функции электрода и проточного химического реактора.
Устройство 2 представляет собой концентратор электрического тока в форме аксиально-симметричной полости с уменьшающейся к оси высотой, заполненной криптолом.
Устройство 3 представляет собой металлический кожух, который подводит к криптолу электрический ток и предохраняет его от контакта с воздухом.
Устройство 4 представляет собой электроизолятор из жаропрочной керамики для защиты токового концентратора от электрического контакта со всеми электропроводящими элементами конструкции, кроме трубки 1 и кожуха 3.
Устройство 5 представляет собой слой криптола с возрастающей толщиной при уменьшении диаметра и выполняющей функции жаростойкого теплоизолятора для токового концентратора 2.
Устройство 6 представляет собой крышку, ограничивающей снаружи слой теплоизолятора 5 и защищающей его от воздуха.
Устройство 7 представляет собой патрубок, соединенный с кожухом 3 и служит для подвода инертного газа в токовый концентратор 2 и в теплоизолятор 5.
Устройство 8 представляет собой закалочное устройство для резкого охлаждения (закалки) газа, выходящего из трубки 1.
Отличительные признаки устройства обеспечивают максимально возможную полноту прохождения суммарной эндотермической химической реакции пиролиза метана
4
2
2
2
2СН→СН+3Н
или другого углеводорода
n
m
2
2
2
СH→n/2CH+(m-n)/2H
Устройство работает следующим образом.
Метан или другой углеводород подается в трубку 1, где нагреваются до температуры 2300-2500°С, необходимой для осуществления пиролиза метана и конверсии его в ацетилен и в водород без образования сажи. Требуемое для пиролиза тепло подводится к газу через стенку трубки 1 от токового концентратора 2. На выходе из трубки 1 продукты пиролиза попадают в закалочное устройство 8, где одним из известных способов, например, контактируя с водоохлаждаемой металлической поверхностью, резко охлаждаются с целью подавления обратных химических реакций и сохранения продуктов высокотемпературного пиролиза - ацетилена и водорода, которые после охлаждения разделяются одним из известных способов. Электрическое напряжение из обычной распределительной электрической сети поддерживает электрический ток между кожухом 3 и трубкой 1, максимальная плотность которого, благодаря токовому концентратору 2, достигается вблизи трубки 1 и обеспечивает поддержание потока тепла и необходимой температуры в трубке для осуществления эндотермических химических реакций внутри нее. Для защиты токового концентратора 2 и теплоизолятора 5 от попадания в него кислородсодержащего газа (воздуха) через патрубок 7 подается инертный газ. Керамический электроизолятор 4 разделяет криптол в концентраторе 2 и в теплоизолирующем слое 5. От контакта с окружающей средой теплоизолятор предохраняют две керамические крышки 6, которые ограничивают толщину теплоизолирующего слоя.