СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА И СИНТЕЗ-ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING ACETYLENE AND SYNTHESIS-GAS

Настоящая заявка включает в себя посредством ссылки заявку США №61/412,415, поданную 11 ноября 2010 г.
Настоящее изобретение касается улучшенного способа получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов в реакторе, при реализации какового способа в реактор подают поток, содержащий углеводород, а также поток, содержащий кислород, а также устройство для реализации способа согласно изобретению.
Высокотемпературные реакции для частичного окисления углеводородов обычно проводят в реакторной системе из смесительного блока, горелки и устройства гашения реакции (гасителя).
В качестве примера такого частичного окисления в области высоких температур можно назвать синтез ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов. Он описан, например, в патентах Германии DE 875198, DE 1051845, DE 1057094 и DE 4422815.
В этих документах разъяснены обычно применяемые в ацетиленовом процессе BASF (Заксе-Бартоломе) комбинации смесителя, блока горелок, камеры сгорания и гасителя, ниже (если упоминается комбинация) упрощенно называемые «реактором».
Исходные вещества, такие как, например, природный газ и кислород, при этом нагревают по отдельности, обычно до температуры вплоть до 600°C. В смесительной зоне реагенты интенсивно перемешивают, а после прохождения через блок горелок вызывают их экзотермическую реакцию. В этих случаях блок горелок состоит из определенного числа параллельных каналов, в которых скорость течения способной воспламеняться смеси кислорода и природного газа выше, чем скорость распространения пламени (скорость реакции, скорость пламени, скорость преобразования); это имеет целью предотвратить прорыв пламени в смесительное пространство. Металлический блок горелок охлаждают, чтобы он выдерживал термическую нагрузку. В зависимости от длительности пребывания в смесительном пространстве возникает опасность воспламенения впереди или сзади, поскольку термическая стабильность смесей ограничена. Здесь употребляется термин "запаздывание зажигания" или "время индукции", в смысле временного промежутка, за который способная воспламеняться смесь не претерпевает достойных упоминания внутренних термических изменений. Время индукции зависит от вида используемых углеводородов, от состояния смеси, от давления и температуры. Она определяет максимальную длительность пребывания реагентов в смесительном пространстве. Такие реагенты как водород, сжиженный газ или легкий бензин, применение которых в процессе синтеза особо желательно ввиду повышения выхода и/или производительности, отличаются сравнительно высокой реакционной способностью и, соответственно, малым временем индукции.
Применяемые при нынешних масштабах производства ацетиленовые горелки характеризуются цилиндрической формой камеры сгорания. Целесообразно, чтобы в блоке горелок имелись расположенные гексагонально сквозные отверстия (каналы). В одной из форм исполнения на основном сечении диаметром около 500 мм гексагонально располагаются, например, 127 отверстий внутренним диаметром по 27 мм. Диаметры отдельных каналов, как правило, составляют приблизительно 19-27 мм. Следующая за ним камера сгорания, в которой стабилизируется пламя формирующей ацетилен реакции частичного окисления, также имеет цилиндрическое сечение, охлаждается водой и соответствует по внешнему виду короткой трубе (диаметром, например, 180-533 мм и длиной 380-450 мм). На высоте поверхности блока горелок, обращенной к камере сгорания, в реакционное пространство подают так называемый вспомогательный кислород. Благодаря этому обеспечивают стабилизацию пламени и, следовательно, заданное расстояние от корней факела и, соответственно, начала реакции до прерывания реакции тушащим устройством. Вся горелка, состоящая из блока горелок и камеры сгорания, подвешивается в емкости гасителя, имеющей большее сечение, на фланце сверху. На высоте плоскости выхода из камеры сгорания за пределами ее образующей на одном или нескольких распределительных кольцах гасителя установлены гасящие сопла, которые распыляют (с помощью распыляющей среды или без таковой) гасящее средство, например, воду или масло и выдувают (его) приблизительно перпендикулярно основному направлению течения реакционных газов, покидающих камеру сгорания. Это прямое гашение имеет задачу чрезвычайно быстро охладить реагирующий поток приблизительно до 100°С (гашение водой) и 200°С (гашение маслом) так, чтобы последующие реакции, т.е., в частности, разложение образовавшегося ацетилена, были «заморожены». При этом в идеальном случае дальнобойность и распределение гасящих струй подобраны так, чтобы в максимально короткое время достигать максимально возможно равномерного распределения температур.
Применяемые при настоящих масштабах производства ацетиленовые горелки характеризуются цилиндрической формой камеры сгорания. Используемые компоненты предварительно смешивают с помощью диффузора и, избегая обратного подмеса, подают в блок горелок через расположенные гексагонально сквозные отверстия. В известных способах работы предварительное смешивание используемых компонентов осуществляют в смесительном диффузоре - в относительно большом объеме и при высоких температурах предварительного нагрева.
В описанных промышленных способах кроме ацетилена образуются в основном водород, монооксид углерода и сажа. Частицы сажи, образующиеся во фронте пламени, могут, играя роль затравки, прилипать к боковым стенкам (внутренним стенкам) камеры сгорания, где откладываются, запекаются и нарастают слои кокса, что постоянно снижает эффективность способа.
В существующих способах производства с масляным и водяным гашением эти отложения периодически счищают механическим способом с внутренних стенок камеры сгорания с помощью устройства, исполняющего функции шуровальной пики или колосникового лома. Это устройство требует трудоемкого управления (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition, Volume A1, pages 97-144), а кроме того, время применения механизма ограничено термической нагрузкой в камере сгорания.
Не было недостатка в попытках избежать недостатка, состоящего в припекании слоев кокса к внутренней стенке камеры сгорания. Так, в теоретическом изложении патента Германии DE 2307300 раскрыто впрыскивание газообразного вещества в реактор в области между максимальной температурой и местом гашения (пункт 1). При этом должны проходить реакции между добавленными газами и свободными радикалами, что должно уменьшить коксообразование (описание, страница 8, второй абзац).
В заявке на патент Германии DE 3904330 A1 описан способ получения ацетиленовой сажи путем термического разложения ацетилена. В этом способе, который существенно отличается от способа получения ацетилена (например, отсутствует частичное окисление), упоминается, что при необходимости вводят поток инертного газа.
Патент Германии DE 1148229 описывает способ эксплуатации камер расщепления для обработки углеводородов, причем предусмотрено промывание водяным паром, а охлаждение стенки должно вызывать формирование водяной завесы (пункт 1). Более подробные данные о способе реализации промывки не приведены. Представленный способ не является частичным окислением (РОх), в качестве средства промывки вводят жидкую воду, а дополнительное подмешивание окислителя (например, кислорода) к средству промывки не предусматривается. Поэтому средство промывки на осевом протяжении камеры расщепления впрыскивают самое большее лишь в одном месте.
В соответствии с теоретическим изложением патента Германии DE 1250424 в нем раскрыт способ синтеза ацетилена, при реализации которого вдоль внутренней стенки пропускают водяной пар. Более точные данные о конкретных формах реализации, однако, отсутствуют. Кроме того, хотя на фигурах 3 и 4 раскрывается многоступенчатая подача промывного потока, но по высоте камеры сгорания имеется, однако, значительное изменение свободного сечения камеры сгорания - при взгляде в направлении потока наблюдается существенное увеличение. В процессе реакции, однако, это обусловливает неравномерность из-за усиленного обратного подмеса в камере сгорания, что отрицательно влияет на эффективность метода. Кроме того, согласно этому изложению средство промыва перегревается до 600 - 1000°С, что вызывает существенные проблемы в устойчивости материала подающих трубопроводов и повышение расходов на подготовку. Кроме того, речь идет о другой концепции сжигания - поэтапного сжигания с нагнетанием «крекингового» газа (а не об обычном частичном окислении согласно Заксе-Бартоломе по методу BASF). Скорость текучего материала промывки согласно предписанию превосходит среднюю скорость дымовых газов в реакторе, что в результате может приводить к негомогенности в пограничном слое между двумя потоками и, следовательно, даже к подсосу частиц кокса к внутренней стенке камеры сгорания. При эксплуатации согласно способу в соответствии с этим изложением температура стенки камеры сгорания составляет приблизительно 700°C, что опять же может вызвать проблемы с устойчивостью материала и с его подбором.
В патенте Германии DE 2007997 показано, как масляная пленка на внутренней стенке реакционной камеры должна препятствовать коксообразованию (страница 2, первый абзац). Однако масляная пленка в камере сгорания сама по себе склонна к коксообразованию. Поэтому содержащее углеводороды масло (минеральное) при имеющихся вызовах можно исключить как средство промывки.
Раскрытые в указанных публикациях способы предотвращения или же ослабления нежелательного коксообразования, однако, неудовлетворительны с точки зрения эффективного применения в способе получения ацетилена. Так, некоторые тексты, как пояснено выше, касаются других реакций, где условия совершенно отличны, и применимость в других условиях (пригодность к переносу) отсутствует. Так, имеющее место при реализации способа согласно изобретению частичное окисление очень сложно по своим показателям: особо значительную роль играет длительность пребывания, обрыв реакции должен осуществляться очень точно, а добавление посторонних веществ, как, например, промывочного газа или окислителя, может очень быстро сдвинуть реакцию как в пространстве, так и по скорости и в результате привести к снижению выхода.
Кроме того, в известном уровне техники существуют лишь общие высказывания о техническом исполнении, скорее похожие на задачи.
Кроме того, не представлены никакие геометрические предписания применительно к механике потоков и технике реакций, на основании которых можно было бы эффективно минимизировать количество промывочной среды и таким образом минимизировать эксплуатационные расходы и оптимизировать выход продукции.
Таким образом, была поставлена задача найти улучшенный способ частичного окисления углеводородов, который простым с технологической точки зрения способом препятствует припеканиям и отложениям на внутренней стенке камеры сгорания, чтобы можно было обойтись без механической очистки этой внутренней стенки камеры сгорания и, таким образом, без находящихся под значительной термической нагрузкой и сложных в управлении механических очищающих устройств.
В соответствии с этой задачей был найден способ получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом, причем исходные газы, в состав которых входит поток, содержащий углеводород, и поток, содержащий кислород, сначала предварительно нагревают по отдельности, затем смешивают в смесительной зоне, а после пропускания через блок горелок инициируют их реакцию в камере сгорания, после чего быстро охлаждают; способ отличается тем, что на внутреннюю стенку камеры сгорания подают поток промывного газа, вводят этот поток промывного газа с помощью нескольких подающих трубопроводов, а внутри камеры сгорания эти подающие трубопроводы выполняют таким образом, что ориентация вектора главного направления выпущенного потока промывного газа не более чем на 10° отклоняется от ориентации вектора главного направления подаваемого через блок горелок потока газа, и подающие трубопроводы характеризуются шириной щели выходного отверстия от диаметра камеры сгорания в 1/1000-3/100, предпочтительно 1/500-1/100, и причем если рассматривать применительно к главному направлению подаваемого через блок горелок потока газа, то осуществляется многоэтапная подача потока промывного газа в расположенных друг за другом точках, причем свободное сечение камеры сгорания, которое доступно для протекания выходящему из блока горелок потоку газа, на уровне подающих трубопроводов для потока промывного газа постоянно.
2
2
2
2
Способ согласно изобретению можно применять к общеизвестным процессам получения ацетилена и/или синтез-газа путем частичного окисления. В качестве применяемых веществ в случае углеродов можно предпочтительно применять в т.ч. алканы, алкены, природные газы, легкий бензин и их смеси, например, с CO, синтез-газом. Содержащий кислород поток можно подавать как кислород, но и как смеси, содержащие кислород, а также, например, CO, HO, N, и/или инертные газы.
На фигуре 1 виден фрагмент горелки согласно изобретению. Под камерой сгорания (3) в смысле изобретения подразумевают трубообразную часть установки (которая в сечении может быть, например, круглой, шестиугольной или прямоугольной) ниже по потоку, чем блок горелок (1) и выше по потоку, чем гасящее устройство (4), которая вверх по потоку ограничена с одной стороны лобовой поверхностью горелок с выходными отверстиями блока горелок. Соответственно, «внутренняя стенка камеры сгорания» (2) означает, обращенную к внутреннему, то есть к реакционному объему поверхность этой детали, на которой согласно изобретению следует избегать коксообразования и нарастания сажи.
Согласно изобретению применяемый для этого поток промывного газа подают по меньшей мере по двум трубопроводом, которые в качестве примера показаны на фигуре 1. При этом важно, чтобы поток промывного газа по своему направлению в основном совпадал с подаваемым потоком углеводорода либо же потоком, содержащим кислород. В качестве примера это можно пояснить на фигуре 1: поток используемых компонентов протекает через камеру сгорания (3) более или менее в вертикальном направлении сверху вниз. Даже с учетом того, что само собой разумеется, что из-за эффектов реального газа на некоторых краях имеются отклонения от этого направления, главное направление этого газового потока, символически обозначенное вектором направления (6) (в дальнейшем именуемым «вектором направления 1») ориентировано вертикально вниз. В общем случае в смысле настоящего изобретения под «направлением главного потока» подразумевают то направление потока, которое формируется в целом в конструктивном элементе, через который идет поток, выше пограничного слоя, выделяющегося вблизи от стенок. Подача потока промывного газа (что является существенным признаком для изобретения) предпочтительно осуществляется так, чтобы векторы главных направлений потока промывного газа (5) и потока газа, подаваемого в камеру сгорания через блок горелок, были параллельны. Понятие вектора направления промывного потока (в дальнейшем именуемого «вектором направления 2») при этом также относится к главному направлению потока промывной среды, причем справедливо пояснение к термину «главный поток», изложенное выше. Существенная для изобретения параллельность двух этих векторов направления обеспечивается посредством того, что поверхности выходных отверстий трубопроводов расположены приблизительно перпендикулярно к вектору направления 1, предпочтительно перпендикулярно к этому вектору направления. Как уже упомянуто, из-за наблюдающихся в реальности негомогенностей, неизбежных допусков при изготовлении и прочих явлений возможно, что полная параллельность обоих главных течений описанных газовых потоков (символически обозначаемых векторами направления 1 и 2) отсутствует. Но даже при лишь приблизительной параллельности можно в значительной степени наблюдать положительные эффекты согласно изобретению; приблизительная параллельность имеется согласно изобретению предпочтительно тогда, когда угол (7) между двумя векторами направления 1 и 2 составляет менее чем максимум 10°, особо предпочтительно менее 5°; в идеальном случае обеспечена полная параллельность.
Существенный аспект цели способа согласно изобретению состоит в том, чтобы удерживать количественные характеристики подлежащего введению промывного потока на возможно низком уровне, чтобы не допустить преждевременного прерывания реакции, что могло бы снизить выход ацетилена. Кроме того, количество применяемой среды промывки следует минимизировать из экономических соображений. При этом в то же время должна сохраняться высокая эффективность в воспрепятствовании коксообразованию на стенках камеры сгорания. Чтобы добиться этого эффекта, необходимо обеспечить максимально равномерную промывающую пленку на внутренней стенке камеры сгорания. Пример конструктивного решения приведен на фигуре 2. Здесь опять же виден фрагмент устройства согласно изобретению, причем представлены два различных сечения. При таком эффективном конструктивном решении подачу потока промывного газа осуществляют через несколько расположенных друг за другом в осевом направлении и предпочтительно охватывающих всю образующую камеры сгорания подающих трубопроводов (5), входящих камеру сгорания (2) в форме кольцевой щели. Чтобы обеспечить в каждой из этих кольцевых щелей максимально равномерное распределение среды промывки по образующей (по окружности) камеры сгорания, подачу в каждую кольцевую щель осуществляют из распределительного резервуара (3) по нескольким подающим трубам (4), равномерно распределенным по образующей. Предпочтительно рекомендуется от одного до восьми подающих трубопроводов, которые равномерно распределены по образующей реактора. Также на этой фигуре видны часть горелки (1), внутренняя стенка камеры сгорания (6), а также охлаждающая рубашка (7).
Предпочтительно подавать поток промывного газа в имеющую цилиндрическую форму камеру сгорания таким равномерно распределенным по образующей образом, чтобы вводить поток промывного газа через один - восемь трубопроводов.
При этом выпускные отверстия подающих трубопроводов одного и того же уровня («ступени подачи») могут располагаться на одной и той же высоте в пределах камеры сгорания. При этом можно особенно рекомендовать обеспечить подведение промывочного потока по высоте камеры сгорания с помощью нескольких таких вышеописанных ступеней подачи, причем расстояние между отдельными ступенями подачи составляет от 2 до 30 см, особо предпочтительно от 7 до 20 см.
Выходные отверстия подающих трубопроводов промывочного потока можно предпочтительно выполнять в форме круга, прямоугольника или квадрата, либо же они могут образовывать кольцевую щель, охватывающую образующую камеры сгорания.
У подающих трубопроводов для промывного газа (предпочтительно кольцевых щелей) отверстия относительно малы. Ширина этих щелей составляет в таких случаях примерно от 1/1000 до 3/100, предпочтительно от 1/500 до 1/100 диаметра камеры сгорания. Под «камерой сгорания» в смысле изобретения подразумевают имеющую вид трубы деталь установки (которая в своем сечении может быть круглой, шестиугольной или прямоугольной формы) ниже по течению потока от блока горелок и выше, чем гасящее устройство, которая в направлении вверх по потоку односторонним образом ограничена лобовой поверхностью горелок с выходными отверстиями блока горелок. Соответственно, под диаметром камеры сгорания подразумевают максимально возможный радиальный либо же перпендикулярный внутренней стенке камеры сгорания отрезок, соединяющий внутренние стенки (различные точки стенки в случае круглого сечения) камеры сгорания друг с другом. Если этот отрезок постоянен вне зависимости от осевой протяженности камеры сгорания, имеющей форму трубы, то в смысле изобретения речь идет о постоянном диаметре камеры сгорания. Как правило, диаметр камеры сгорания находится в пределах от 10 до 2000 мм, предпочтительно от 150 до 1000 мм. Под шириной щели в этом контексте подразумевают максимальный радиальный размер отверстия для выпуска промывочной среды в камеру сгорания. В случае подающего трубопровода с круглым сечением речь, таким образом, идет о диаметре круга, а в случае особо предпочтительной кольцевой щели - о ширине щели. Как правило, ширина щели составляет от 0,2 до 10 мм, предпочтительно от 0,3 до 5 мм.
Согласно изобретению выпускные отверстия подающих трубопроводов находятся в непосредственной близости от подлежащей промывке внутренней стенки камеры сгорания (как, например, видно на фигуре 2). Предпочтительно выполнять размещение подающих трубопроводов для потока промывного газа так, чтобы расстояние между центром тяжести площади выпускного отверстия подающих трубопроводов и внутренней стенкой камеры сгорания составляло менее 10 мм, предпочтительно менее 5 мм, особо предпочтительно менее 1 мм. Гидродинамическую толщину пограничного слоя над внутренней стенкой камеры сгорания получают в соответствии с упрощенной гипотезой о плоской пластине после решения уравнения пограничного слоя по Блазиусу для длины участка потока над внутренней стенкой камеры сгорания. В соответствии с этой моделью при длине участка потока от 1 до 10 см получается толщина пограничного слоя в 1,5-5 мм. Для заданных геометрических свойств промывного устройства, соответственно, выгодным образом получается промывание пограничного слоя главного потока в камере сгорания. Ввиду отсутствия проникновения и поперечного перемешивания с главным потоком получается, что минимизируется размер промывного потока, необходимый для эффективного ослабления коксообразования на стенке, благодаря чему существенно повышается эффективность способа в целом, поскольку с применением минимального количества средства промывки, к тому же еще и введенного только вблизи от стенке, удается также минимизировать помеховое воздействие на временные показатели реакций частичного окисления.
При реализации способа согласно изобретению желательный принцип промывки может в зависимости от применяемой среды промывки иметь в основе два различных механизма, которые могут также действовать и одновременно, в силу чего получаются особые эффекты синергии.
Во-первых, это чистое, как описано выше, импульсное промывание (продувание) граничного слоя потока (течения). Это позволяет предотвратить как проникновение твердых частиц кокса/сажи, так и налипание и нарастание слоев сажи/кокса. Скорость промывочной пленки над промываемой поверхностью (внутренней стенкой камеры сгорания) должна предпочтительно составлять 0,5-1,5, особо предпочтительно 0,8-1 от скорости главного потока.
Во-вторых, имеется возможность с помощью средства промывки создать вблизи от стенки окисляющую атмосферу, которая позволяет избежать нарастания и налипания сажи и кокса посредством того, что с помощью содержащегося в средстве промывки окислителя возможные отложения преобразуются/сжигаются/окисляются, либо же их формирование замедляется до такой степени, что формирование твердой фазы предотвращается по причинам кинетики.
При реализации способа согласно изобретению подведение потока промывочного газа осуществляют по меньшей мере в двух расположенных друг за другом точках по высоте реактора (в дальнейшем в каждом случае именуемым «ступенями»). Это опять же минимизирует подлежащее применению количество среды промывки, поскольку благодаря постоянному обновлению промывочной пленки вблизи от стенки повышается эффективность промывки. При этом под высотой камеры сгорания независимо от ориентации подразумевают протяженность подаваемых через блок горелок газовых потоков в направлении главного потока. Это дополнительно повышает эффективность способа, поскольку благодаря этому можно избежать разбавления промывочной пленки из-за подмеса крекинг-газа, а промывное действие таким образом можно обеспечить по всей длине камеры сгорания при низкой дозировке промывной среды. Согласно изобретению в предпочтительной форме исполнения объем промывочного потока можно, таким образом бесступенчато регулировать в соответствии со склонностью к коксообразованию на данном конкретном участке камеры сгорания.
Пример такого исполнения представлен на фигуре 3. Промежутки между отдельными ступенями подачи могут быть одинаковыми или разными, предпочтительно, чтобы они находились в пределах от 2 до 30 см, особо предпочтительно от 7 до 20 см. При этом расстояние между отдельными ступенями определяют по расстоянию между двумя выходными отверстиями для среды промывки. В пределах одной ступени подводящие трубопроводы находятся примерно на одном уровне, особо предпочтительно на одном уровне. На фигуре 3 виден фрагмент горелки (1) с камерой сгорания (2), причем несколько подводящих трубопроводов для среды промывки (3) формируют промывочную пленку (4) на внутренней стенке камеры сгорания. Кроме того, обозначено расстояние (5) между двумя ступенями промывки (ступенями подачи).
Еще один признак способа согласно изобретению состоит в том, что, несмотря на многоступенчатую подачу потока промывочного газа диаметр камеры сгорания по ее высоте приблизительно постоянен, а предпочтительно постоянен. Благодаря этому обеспечиваются постоянные условия реакции, которая, как уже было изложено выше, очень чутко отзывается на отклонения, а также дополнительно повышается эффективность способа.
При этом отклонение от получающейся из диаметра камеры сгорания свободной площади сечения менее чем на 10% от максимальной свободной площади сечения внутри камеры сгорания допустимо без того, чтобы улучшению согласно изобретению был причинен такой существенный ущерб, что положительный эффект не перевесит; и в рамках настоящего изобретения такое отклонение считается примерным сохранением постоянства.
2
Согласно изобретению для создания импульса промывки можно применять любое средство промывки, предпочтительно водяной пар. Температура средства промывки предпочтительно ниже 500°C, особо предпочтительно ниже 200°C. При этом указанные значения температур относятся также к температуре средства промывки на входе в камеру сгорания. В случае описанного выше окислительного промывочного действия в качестве промывочного газа при заданных технологических граничных условиях предпочтительно можно применять потенциально окисляющие среды, предпочтительно воду, водяной пар, кислород, CO, CO и смеси их друг с другом, а также с другими инертными компонентами. При этом следует предпочесть водяной пар, кислород или их смеси; так, например, можно особенно рекомендовать средство промывки, которое помимо водяного пара, составляющего основную часть, содержит также и кислород в пределах вплоть до 10 об.%.
В предпочтительной форме исполнения способа согласно изобретению на обращенную к камере сгорания поверхности блока горелок дополнительно подают поток промывочного газа. Благодаря этому можно дополнительно повысить эффективность способа, поскольку в силу этого можно эффективно противодействовать и коксообразованию на этой поверхности. При этом в качестве средства промывки можно использовать по существу поименованные выше применяемые компоненты.
Еще одним предметом изобретения является устройство, пригодное для реализации способа согласно изобретению, как оно представлено на фигуре 3, пояснения к которой уже даны выше. Виден обычный цилиндрический реактор (1), содержащий цилиндрическую камеру сгорания (2) для синтеза ацетилена, причем в камере сгорания размещены по меньшей мере два подающих трубопровода (3) для потока промывного газа - таким образом, что выходные отверстия подающих трубопроводов располагаются перпендикулярно оси цилиндрической камеры сгорания, и выходные отверстия подающих трубопроводов размещены в камере сгорания вблизи внутренней стенки камеры сгорания, причем центр тяжести площади выходных отверстий подающих трубопроводов находится на расстоянии менее 10 мм, предпочтительно менее 1 мм, от внутренней стенки камеры сгорания.
Способ согласно изобретению дает возможность избежать образования корок на внутренней стенке камеры сгорания, благодаря чему можно обойтись без действий по механической очистке, как, например, применения механического очищающего устройства (шуровальной пики). Соответственно, на длительный срок обеспечивается непопадание мешающих частиц твердых веществ значимого размера в поток газа. Таким образом, благодаря этому в предпочтительном варианте исполнения способа согласно изобретению после реакции возможно вернуть большую долю содержащейся в газе теплоты с помощью последовательно подключенного теплообменника. При этом эту полученную энергию предпочтительно применять для создания пара. Предпочтительно из синтезированного таким образом газа продукта можно вернуть большую часть теплоты для создания пара. В качестве теплообменников можно использовать, например, теплообменники в виде пучка труб. Предпочтительно, чтобы поток газа после реакции, в отличие от обычных способов, охлаждался здесь не до 100°C при водяном тушении либо же до 200°C при масляном тушении, а чтобы происходило его быстрое охлаждение (тушение) до 600-1000°C. Это еще не вызывает достойных упоминания потерь выхода ацетилена из-за последующих реакций. Затем этот горячий газ продукта подают на теплообменник, в котором газ дополнительно охлаждается. Высвобождающаяся при этом энергия используется для тепловой рекуперации (возврата тепла). Предпочтительно, чтобы теплообменник представлял собой парогенератор, в котором происходит косвенное дальнейшее охлаждение газа продукта, а на вторичной стороне - выработка пара, который в дальнейшем можно использовать в коммерческих или технологических целях. Это значительно повышает эффективность способа. Существенное преимущество при реализации способа согласно изобретению состоит в том, что теплообменник можно подключать непосредственно, поскольку никакие отложения твердых веществ не вызывают при этом проблем. Помимо применения энергии, высвобождающейся при охлаждении газа продукта, для генерации пара имеются и другие возможности использовать эту энергию в рамках способа получения ацетилена и синтез-газа.
Такой способ работы в прежних вариантах способа невозможно было осуществить с экономической точки зрения, поскольку в случае прежних механических способов очистки в процессе очистки пласты сажи и кокса отделялись от внутренней стенки камеры сгорания, перемещались в направлении теплообменника, механически повреждали его абразивным способом или частично или полностью закупоривали бы его. Напротив, согласно изобретению можно полностью воспрепятствовать отложению кокса и сажи на внутренней стенке камеры сгорания.
Способ согласно изобретению дает простую и эффективную с точки зрения техники процесса возможность действенно снизить или вообще предотвратить образование корок и припеканий кокса на внутренней стенке камеры сгорания при изготовлении ацетилена и/или синтез-газа путем частичного окисления. В силу описанных выше признаков согласно изобретению при этом уже относительно малый поток промывочного газа может действенно воспрепятствовать образованию корок, без того чтобы на длительный срок снижать эффективность реакции. Многоступенчатое исполнение подачи средства промывки дополнительно снижает потребность в средстве промывки, и благодаря этому можно выгодным образом целенаправленно добавлять необходимое средство промывки в отдельные зоны. Путем соответствующего выбора промывочного средства можно, помимо «чистой процедуры промывки» на основании импульса промывочного потока, при необходимости также создавать предпочтительно окисляющую атмосферу, благодаря чему можно дополнительно снизить количество отложений.
Примеры
В трех нижеследующих примерах рассмотрим сравнение между эксплуатацией блока горелок, камеры сгорания и тушителя для синтеза ацетилена («стандартный реактор»), соответствующих нынешнему техническому уровню, и эксплуатацией реактора в смысле изобретения.
Пример 1
В целях испытаний стандартный реактор эксплуатировали с обычной осевой и радиальной стабилизацией пламени. Камера сгорания выполнена с водяным охлаждением.
У используемых горелок диаметр реактора составляет 180 мм.
Блок горелок выполнен с 19 гексагонально расположенными отверстиями внутренним диаметром по 27 мм.
Стандартный реактор и все поименованные ниже реакторы эксплуатировали в данных условиях проведения реакции:
3
- Объемный поток природного газа: 600 Н·м/ч
- Отношение потока кислорода к потоку природного газа 0,62
- Температура предварительного нагрева газов: 550°C
- Объемная доля ацетилена: 6,4 об.%,
В данных экспериментальных условиях стандартный реактор пришлось отключить примерно через 20 часов работы из-за появления проблем со стабильностью пламени.
При обследовании камеры сгорания в стандартном реакторе на внутренней стенке камеры сгорания обнаруживается сформировавшийся слой кокса толщиной несколько сантиметров.
Скорость нарастания кокса можно определить как 4 мм/ч.
Пример 2
Для сравнения применили реактор согласно изобретению с подающими трубопроводами для промывного потока в форме кольцевидной щели с шириной в 1/200 от диаметра камеры сгорания. В этом примере он тоже составлял 180 мм. По подающим трубопроводам точек промывки протекал промывочный газ для импульсной промывки пограничного промывного слоя. Объем промывки подбирали так, чтобы скорость промывочной пленки составляла 0,8 от [скорости] главного потока.
При эксплуатации реактора согласно изобретению в камере сгорания на протяжении 20 часов работы никакие отложения на внутренней стенке камеры сгорания не образуются.
Соответственно, скорость нарастания коксового слоя равна 0.
Пример 3
Реактор согласно изобретению, эксплуатируемый, как в примере 2, эксплуатировали с добавлением окислителя так, чтобы в промывочном пограничном слое вблизи от внутренней стенки камеры сгорания образовывалась окисляющая атмосфера. При такой работе также имело место долгосрочное воспрепятствование отложениям.
Скорость нарастания коксового слоя в этом случае также равна 0.
Пример 4
Существенный признак способа согласно изобретению состоит в промывке внутренней стенки камеры сгорания и, таким образом, избегании припеканий и коксообразования. Согласно изобретению, как уже пояснялось, это эффективнее всего осуществлять, вводя максимально тонкую промывочную пленку, находящуюся в уже описанном соотношении с главным потоком по скорости и направлению, по подводящим трубопроводам с геометрическими характеристиками, уже представленными в ходе описания. При этом важная подробность согласно изобретению заключается в том, чтобы не вводить весь промывочный поток в одной точке камеры сгорания, а разделить промывочный поток и подавать его в камеру сгорания через несколько расположенных друг за другом ступеней с промежутками согласно изобретению. В результате, во-первых, при введении одного и того же количества среды промывки в многоступенчатом варианте эффективность пленки возрастает по сравнению с одноступенчатым вариантом. Во-вторых, той же совокупной эффективности пленки можно при многоступенчатом исполнении добиться с меньшим количеством среды промывки, чем при одноступенчатом исполнении.
Эффективность пленки в смысле изобретения при этом определяют следующим образом. Она представляет собой частное от деления разности концентраций среды, подлежащей промывке у стенки (индекс W) и в главном потоке (индекс m) на разность концентраций в потоке промывочного газа (индекс С) и в главном потоке (индекс m):
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>w</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>c</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
В соответствии с [1] модель расчета эффективности пленки относительно подлежащей промывке среды в зависимости от осевой длины участка потока х после нагнетания средства промывки выглядит как:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><msup><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mfrac><mi>x</mi><mrow><mi>M</mi><mi>s</mi></mrow></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mi>c</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>μ</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>0.25</mn></mrow></msup></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>0.8</mn></mrow></msup><mo>.</mo></mrow>
При этом константа А согласно [1] представляет специфичные для данного эксперимента геометрические и технологические граничные условия.
При этом действуют следующие обозначения:
М - соотношение массовых потоков
s - ширина щели
c
Re - число Рейнольдса
µ - динамическая вязкость
А - константа из эксперимента
Индекс с - промывочная пленка
Индекс m - главный поток
В нижеследующей таблице представлены в порядке сравнения рассчитанные по этой формуле значения эффективности пленки для постоянного суммарного промывочного потока, разделенного на 4 ступени в случае согласно изобретению и поданного только в одну ступень во втором случае (известный уровень техники). Из этого видны преимущества согласно изобретению от многоступенчатой промывки. В соответствии с этими данными для четырехступенчатого варианта согласно изобретению получается 20%-ное повышение совокупной эффективности пленки, усредненной по поверхности камеры сгорания, по сравнению с одноступенчатым вариантом при одинаковом общем промывочном потоке, который был введен в камеру сгорания. На фигуре 4 представлено графическое сравнение двух величин эффективности пленки. Изображена эффективность пленки в зависимости от длины (в м). Сплошная линия изображает случай одной ступени, а пунктирная - случай согласно изобретению с четырьмя ступенями.
В качестве программного обеспечения для симуляции применяли пакет ANSYS FLUENT Flow Modeling Software версии 6.3.
[1] Burns, W. К. and Stollery, J.L, The influence of foreign gas injection and slot geometry on film cooling effectiveness, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.12, S.935-951.
Таблица:
Пример - сравнение одноступенчатой и четырехступенчатой промывки внутренней стенки камеры сгоранияМассовый поток: 0,052 кг/с с нагнетанием в одну или четыре ступени
Эффективность пленки
Эффективность пленки
Длина [м]
1 ступень
4 ступени
0,00
1
1
0,05
0,88683844
0,739
0,10
0,777158774
0,544
0,10
0,777158774
1
0,15
0,715233613
0,798
0,20
0,662728085
0,64
0,20
0,662728085
1
0,25
0,584392286
0,84
0,30
0,584392286
0,702
0,30
0,584392286
1
0,35
0,549715748
0,861
0,40
0,523118006
0,744
Для одной ступени интегральное (совокупное) среднее значение составляет η=0,69, а для четырех ступеней интегральное среднее значение равно η=0,83; это соответствует повышению примерно на 20%.