РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЭТИЛЕНА
REACTOR TO PRODUCED OLEFINES, PRIMARILY, ETHYLENE

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а именно к высокотемпературным реакторам для получения непредельных углеводородов, преимущественно этилена.
Известна технологическая установка ЭП-300 для получения этилена из бензиновых фракций [Пиролиз углеводородного сырья. Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л., Бабаш С.Е. и др. - М.: Химия, 1987, стр.142-145]. Пиролиз сырья осуществляется в трубчатой печи. Полученная реакционная смесь подвергается закалке в закалочно-испарительном аппарате и далее подвергается компримированию, очистке, сушке, после чего производится газоотделение. Для осуществления этих трудоемких операций используется сложное, громоздкое и энергоемкое оборудование, в том числе пароперегреватели, колонны фракционирования, сепараторы, компрессоры и т.д. В результате многоступенчатой переработки бензиновых фракций на выходе установки получают до 25% этилена и незначительное количество ацетилена и пропилена.
Известен реактор для переработки углеводородного сырья [патент РФ 2290991, опубл. 10.01.07]. В корпусе реактора имеется узел поджига газовой смеси, камера образования рабочего тела, камера пиролиза с узлом подачи перерабатываемого сырья и камера закалки. К корпусу присоединены патрубки для подвода и отвода реагентов. Реактор также содержит генератор горячих газов, выход которого соединен с входом камеры образования рабочего тела. Генератор горячих газов имеет внутреннюю камеру сгорания, которая сообщается с узлом поджига газовой смеси и снабжена патрубком подачи инициирующего горение газа. Во входной части камеры образования рабочего тела установлен коллектор с радиальными отверстиями для подачи горючего. Между камерой образования рабочего тела и камерой пиролиза расположены радиальные форсунки для подачи перерабатываемого сырья. Между камерой пиролиза и камерой закалки расположены радиальные форсунки для подачи водорода. Реактор имеет сложную конструкцию и позволяет перерабатывать тяжелые фракции углеводородов - кубовые остатки, гудроны, битумы, мазуты и т.д.
В качестве прототипа выбран реактор для получения ацетилена из углеводородов [патент РФ 2087185, опубл. 20.08.97]. Вертикальный реактор имеет в своем составе:
- смеситель для смешения подогретых до 650°С газа-окислителя (кислорода) и сырья (метана);
- горелку для поджига смеси;
- реакционную камеру, в которой происходит пиролиз;
- закалочный аппарат.
Благодаря закручиванию поступающей смеси углеводородов с кислородом на лопастях горелки обеспечивается винтообразное движение горячего газового потока в туннеле корпуса реактора и в полости закалочного аппарата. Реактор имеет рассекатель, представляющий собой втулку, соосную стенкам закалочного аппарата с форсунками на верхнем торце, который распределяет основной цилиндрический поток реакционных газов, преобразуя его в закрученный кольцевой поток. Реактор позволяет перерабатывать метан с получением в основном синтез-газа (свыше 80%) и содержанием ацетилена в газе пиролиза до 9% об.
Таким образом, существует техническое противоречие. Производство этилена в трубчатых печах позволяет получить значительный выход этого продукта, однако процесс переработки длительный, трудоемкий, энергоемкий и требует модернизации при переходе с одного вида сырья на другой. С другой стороны, известные высокотемпературные реакторы существенно проще в эксплуатации и менее энергоемки, однако при их эксплуатации выход непредельных углеводородов значительно ниже, чем у трубчатых печей, так выход ацетилена составляет менее 10%, а этилен вообще является сопутствующим продуктом, его доля составляет 0,2-0,4%.
В основу изобретения поставлена задача решить имеющееся противоречие и создать высокотемпературный реактор высокой производительности, универсальный по сырью (жидкие и газообразные углеводороды) и с высоким выходом низших олефинов (этилена).
Технический результат - создание условий для сочетания гидродинамической и термической деструкции углеводородного сырья, обеспечивающих высокий процент выхода этилена.
Поставленная задача решается изменением конструкции реактора. Реактор имеет в своем составе охлаждаемый корпус с патрубками для подачи окислителя и углеводородного сырья, а также реакционную камеру, сообщающуюся с закалочной камерой. От прототипа реактор отличается тем, что дополнительно снабжен генератором горячих газов, соединенным с входом реакционной камеры и снабженным патрубком подачи горючего, патрубком подачи окислителя и узлом поджига газовой смеси. Выходная часть генератора горячих газов сужается в сторону реакционной камеры с образованием сопла, а патрубки подачи углеводородного сырья расположены в зоне критического сечения сопла и ориентированы радиально.
Более подробно сущность изобретения поясняется в приведенном ниже примере реализации и иллюстрируется чертежомВ, на котором схематично представлен продольный разрез реактора.
Реактор имеет сборный водоохлаждаемый корпус 1. Основными узлами реактора являются: генератор горячих газов 2, реакционная камера (камера пиролиза) 3, закалочная камера 4.
Генератор горячих газов 2 имеет осевой патрубок 5 подачи горючего, например метана, радиальный патрубок 6 подачи окислителя, например кислорода. Генератор горячих газов 2 снабжен узлом поджига горючей смеси, имеет цилиндрическую камеру сгорания и сопло 7, сужающееся в сторону реакционной камеры 3. Патрубки 8 подачи сырья расположены в зоне 9 критического сечения сопла, т.е. в зоне сечения, в котором скорость потока равна местной скорости звука, и ориентированы радиально. Реактор работает следующим образом.
Вначале в генератор горячих газов подается окислитель (кислород) и горючее (метан), и полученная смесь поджигается при помощи плазматрона или ВЧ-свечи. Горение осуществляется при коэффициенте избытка окислителя α<1. После выхода на рабочий режим осуществляют подачу углеводородного сырья. В качестве сырья возможно использование жидких или газообразных углеводородов, например прямогонного бензина, бензиновой фракции (температура выкипания 70-110°С), углеводородного рафината. Перерабатываемое сырье подается радиальными струями в зону критического сечения сопла 7, т.е. в зону, где скорость потока близка к местной скорости звука. Сырье, движимое потоком из генератора горячих газов, поступает в реакционную камеру 3. В камере 3 происходит высокоскоростной нагрев сырья, сопровождающийся деструкцией высокомолекулярных компонентов. Турбулентность звуковых потоков и разница кинетического и теплового напоров, вызванные наложением осевых и радиальных потоков, повышают степень деструкции высокомолекулярных соединений. Рабочими режимами в камере являются Т=800-1200°С, давление 3-6 ати. Далее продукты пиролиза поступают в закалочную камеру 4. Вода, поступающая в камеру 4, превращается в пар, температура парогазовой смеси снижается до 300-450°С и процесс пиролиза прекращается.
Разделение на фракции полученной на выходе смеси производится традиционным способом.
Ниже приводится таблица материальных балансов по сырью и полученному продукту после разделения.
Сырье
Состав полученного продукта
Масса, кг
% мас.
Прямогонный бензин 31200 кг
Водород
2215,2
7,1
Метан
5366,4
17,2
Этилен
11793,6
37,8
Ацетилен
3088,8
9,9
Этан
1310,4
4,2
Пропилен
4773,6
15,3
ΣС<sub>4</sub>
1029,6
3,3
Потери
1622,4
5,2
ИТОГО
31200
100%
Бензиновая фракция (температура выкипания 70-110°С) 33600 кг
Водород
2761,9
8,22
Метан
6253,0
18,61
Этилен
14169,1
42.17
Ацетилен
4986,2
14,84
Этан
719,0
2,14
Пропилен
1985,8
5,91
ΣС<sub>4</sub>
994,6
2,96
Потери
1730,4
5,15
ИТОГО
33600
100%
Углеводородный рафинат 34800 кг
Водород
3383,0
9,81
Метан
9408,0
17,50
Этилен
15486,7
40,33
Ацетилен
3728,6
13,71
Этан
1063,7
2,77
Пропилен
2073,6
7,40
ΣС<sub>4</sub>
937,0
3,44
Потери
2319,4
5,04
ИТОГО
34800
100%
Приведенные выше и другие многочисленные испытания реактора показали, что он позволяет перерабатывать различное углеводородное сырье, как жидкое, так и газообразное. Процентный выход этилена колеблется от 38 до 50%, ацетилена - 10-15%. Конкретный процент в основном определяется физико-химическими характеристиками перерабатываемого сырья.
Настоящая заявка описана с некоторыми деталями для достижения ясности и понимания. Специалисты в данной области при прочтении описания могут понять, что возможны некоторые изменения в деталях без выхода за пределы области применения и прилагаемой формулы.