СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧАСТИЧНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD AND APPARATUS FOR PARTIAL THERMAL OXIDATION OF HYDROCARBONS

Настоящее изобретение относится к улучшенному способу частичного окисления в реакторе, в соответствии с которым в реактор подают поток, содержащий углеводород, и поток, содержащий кислород, а также к устройству для осуществления предлагаемого в изобретении способа.
Высокотемпературные реакции частичного окисления обычно осуществляют в системах реакторов, содержащих узел смешивания, горелку и закалочный узел.
Примером подобного высокотемпературного процесса является получение ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов. Соответствующие процессы описаны, например, в немецких патентах DE 875198, DE 1051845, DE 1057094 и DE 4422815.
Речь при этом идет о комбинации смеситель/горелка/топочная камера/закалочный узел, обычно используемой фирмой BASF для осуществления синтеза ацетилена по Sachsse-Bartholomé, причем подобную комбинацию в дальнейшем описании для простоты называют реактором.
Используемые в качестве исходных веществ природный газ и кислород обычно нагревают независимо друг от друга по возможности до 700°C. В зоне смешения указанные реагенты подвергают интенсивному перемешиванию и после пропускания через блок горелок приводят во взаимодействие. В рассматриваемом случае блок горелок выполнен в виде определенного количества параллельных каналов, в которых скорость течения способной к воспламенению смеси кислорода с природным газом превышает скорость распространения пламени (скорость реакции, скорость превращения), что позволяет предотвратить прорыв пламени в смесительную камеру. Металлический блок горелок с целью обеспечения постоянства термической нагрузки подвергают охлаждению. В зависимости от продолжительности пребывания реакционных смесей в смесительной камере возникает опасность их раннего воспламенения и обратного пламени, обусловленная ограниченной термической стабильностью указанных смесей. В подобном случае используют понятие «время запаздывания воспламенения», соответственно «время индукции», что означает промежуток времени, в течение которого способная к воспламенению смесь не претерпевает заметного собственного термического изменения. Время индукции зависит от типа используемых углеводородов, состояния смеси, давления и температуры. Время индукции определяет максимальную продолжительность пребывания реагентов в смесительной камере. Реагенты, такие как водород, сжиженный газ или легкий бензин, использование которых в процессе синтеза является особенно предпочтительным в связи с возможностью достижения высоких выходов и/или производственной мощности, отличаются сравнительно высокой реакционной способностью, а следовательно, незначительным временем индукции.
Топочная камера (реактор) используемых в производственных масштабах современных ацетиленовых горелок обладает цилиндрической формой. Сквозные отверстия блока горелок упорядочены предпочтительно гексагонально. Например, в соответствии с одним из вариантов конструктивного исполнения блока горелок 127 отверстий с внутренним диаметром 27 мм гексагонально упорядочены на круглом основном сечении диаметром около 500 мм. Диаметру каналов, как правило, соответствует примерный диапазон от 19 до 27 мм. Примыкающая к каналам топочная камера, в которой горение стабилизируется вследствие протекания реакции частичного окисления, сопровождаемого образованием ацетилена, также обладает цилиндрическим поперечным сечением и имеет вид короткой трубы, например, диаметром 533 мм и длиной 400 мм. Горелку в сборе, состоящую из блока горелок и топочной камеры, навешивают в закалочном резервуаре большего поперечного сечения посредством верхнего фланца. На уровне выхода из топочной камеры вне ее периметра на одном или нескольких распределительных кольцах монтируют закалочные форсунки, которые с помощью или без помощи распыляющей среды распыляют закалочную среду, например воду или масло, впрыскивая ее в выходящие из топочной камеры реакционные газы в направлении, приблизительно перпендикулярном основному потоку. Цель подобной непосредственной закалки состоит в предельно быстром охлаждении потока реагирующих компонентов, что позволяет предотвратить протекание последовательных реакций, то есть прежде всего деструкцию образующегося ацетилена. При этом длину и распределение закалочных струй в идеальном случае рассчитывают таким образом, чтобы в максимально короткий промежуток времени можно было обеспечить максимально однородное распределение температуры.
Топочная камера используемых в реальных производственных масштабах ацетиленовых горелок обладает цилиндрической формой. Исходные вещества предварительно перемешивают посредством диффузора и, предотвращая обратное перемешивание, направляют в блок горелок через гексагонально упорядоченные сквозные отверстия. В соответствии с известными способами в смесительном диффузоре происходит предварительное смешивание относительно больших объемов исходных веществ, предварительно нагретых до высоких температур. В зависимости от мощности горелки смесительный диффузор обладает конструктивным исполнением, в соответствии с которым продолжительность пребывания реагентов и время индукции одинаковы по порядку величины. Вследствие повышенного количества реакционноспособных компонентов исходных веществ, а также обладающих каталитическим действием частиц и поверхностей, например кокса, ржавчины и так далее, может происходить слишком быстрое воспламенение смесей. Подобное преждевременное воспламенение обусловливает прерывание производственного процесса, а следовательно, снижение его эффективности и экономичности.
В описанных в немецком патенте DE 102005018981 A1 и патенте США US 2179378 устройствах место подачи потоков реагентов изменено таким образом, что их вводят в небольшое пространство, расположенное в непосредственной близости от отверстий блока горелок. Таким образом, отверстия блока горелок выполняют функцию смесительных труб, в которых образуется смесь реагентов. Благодаря надлежащей конфигурации подобной зоны смешения достигают высоких скоростей, что позволяет предотвратить обратный прорыв пламени в отверстия блока горелок и вместе с тем обеспечивает непрерывное формирование смеси реагентов.
Практическая реализация подобного конструктивного замысла является довольно сложной задачей, поскольку посредством всех отверстий блока горелок должно быть обеспечено равномерное распределение потоков реагентов в пригодных узлах смешивания.
Кроме того, существует опасность обратных ударов пламени в отдельных смесительных трубах и стабилизации горения в стехиометрической области поля смешения. Подобная опасность возникает в случае неравномерного распределения реакционной смеси, при котором скорость течения в смесительной трубе по порядку величины ниже скорости превращения.
В основу настоящего изобретения была положена задача найти улучшенный способ частичного окисления углеводородов, позволяющий устранить указанные выше недостатки и обеспечить технологически простое, быстрое и качественное смешивание реагентов в течение их кратковременного пребывания в весьма небольшом пространстве.
Указанная задача согласно изобретению решается с помощью способа частичного окисления углеводородов в реакторе, в соответствии с которым в реактор подают поток, содержащий углеводород, и поток, содержащий кислород, причем способ отличается тем, что оба указанных потока независимо друг от друга соответственно пропускают в реакторе через одну или несколько пространственно отделенных друг от друга линий с находящимися внутри них генераторами турбулентности, обеспечивающими заданное изменение направления течения, благодаря которому ниже по потоку за генераторами турбулентности формируется высокотурбулентное поле течения, причем после выхода из указанных линий потоки перемешиваются в зоне смешения, а затем взаимодействуют в реакционной зоне.
В соответствии с предлагаемым в изобретении способом пространственно отделенные друг от друга потоки реагентов вводят в предпочтительно параллельные отверстия, в которых посредством генераторов турбулентности им придают максимально выраженную турбулентность. В чрезвычайно небольшом пространстве после генераторов турбулентности происходит образование смеси окислителя с горючим материалом, причем степень перемешивания зависит от протяженности смешивания, степени турбулентности и направления закручивания соответствующих потоков в помещенных в отверстия генераторах турбулентности. Непосредственно к зоне смешения примыкает реакционная зона, которую стабилизируют путем впрыскивания пилотного кислорода в зоне высокотурбулентного течения.
Благодаря подобному последовательному расположению зоны смешения и реакционного объема обеспечивают возможность простого управления течением, которое в предпочтительном варианте не нарушается другими внутренними устройствами.
Предлагаемый в изобретении способ позволяет предотвращать прерывания технологического процесса и производственные простои, обусловленные преждевременным воспламенением. Кроме того, благодаря указанному способу открывается возможность эффективного использования горючих материалов, характеризующихся низким временем индукции, таких как синтез-газы или высшие углеводороды (например, этан, этилен или испаряемые сжиженные газы).
В соответствии с предлагаемым в изобретении способом внутренние устройства, называемые генераторами турбулентности, помещают внутрь каналов блока горелок. Подобный генератор турбулентности обладает геометрическими параметрами, благодаря которым при нахождении в рабочем положении он перекрывает значительную часть поперечного сечения соответствующего канала, и газовый поток внутри данного канала проходит лишь через сквозные отверстия, выполненные в генераторе турбулентности. При этом под поперечным сечением канала подразумевают площадь его свободного сечения, то есть площадь, предоставляемая для пропускания газового потока.
В случае каналов с круглым поперечным сечением, наиболее часто используемых в блоке горелок, генератор турбулентности предпочтительно обладает формой цилиндра, диаметр которого рассчитывают таким образом, чтобы подобное цилиндрическое тело при нахождении внутри канала обеспечивало указанное выше практически полное перекрывание газового потока, что достигается благодаря примерному соответствию наружного диаметра цилиндра внутреннему диаметру канала, причем через соответствующий зазор может проходить лишь чрезвычайно незначительное количество газа. В данном случае степень уплотнения прежде всего определяется требующими его реализации затратами и может быть дополнительно повышена благодаря осуществлению других известных специалистам технических мероприятий.
При этом высоте используемого цилиндрического тела обычно соответствует диаметр канала, умноженный на число, примерно составляющее от 1 до 4, предпочтительно от 2 до 3. В соответствии с предлагаемым в изобретении способом в общем случае рекомендуется использовать генераторы турбулентности такой конфигурации, чтобы протяженность реализуемого согласно изобретению перекрывания пропускаемого через канал основного количества газа составляла примерно от 20 до 100% от общей длины канала.
Согласно изобретению продольные оси выполненных в генераторах турбулентности сквозных отверстий при нахождении генератора турбулентности внутри канала характеризуются преимущественным или предпочтительно полным отсутствием параллельности продольной оси канала. В предпочтительном варианте осуществления изобретения в случае использования в качестве генератора турбулентности указанного выше цилиндрического тела его снабжают сквозными отверстиями, угол наклона которых находится в примерном интервале от 80° до 40°, предпочтительно в интервале от 60° до 45°. При этом под углом наклона подразумевают угол между продольной осью цилиндра (вертикальной осью) и продольной осью отверстия. В случае совпадения указанных осей угол наклона составляет 0°. Указанные сквозные отверстия предпочтительно начинаются вблизи края или на краю верхнего или нижнего торца цилиндра и спиралеобразно, предпочтительно с постоянным углом наклона, проходят до противоположного торца цилиндра. При этом рекомендуется снабжать генератор турбулентности несколькими отверстиями, число которых обычно составляет от 1 до 6, предпочтительно четыре.
Вследствие нахождения генераторов турбулентности указанной выше конфигурации внутри каналов газовый поток вынужден проходить через выполненные в этих генераторах сквозные отверстия. При этом газ движется по указанной выше спиралеобразной траектории, которая соответствует наклону отверстий. Следовательно, общее направление перемещения газа может включать составляющую, направление которой совпадает с направлением продольной оси отверстия, причем на указанную составляющую может налагаться также окружная составляющая (в зависимости от места расположения отверстия на соответствующем торце цилиндра). По мере прохождения газа через генератор турбулентности происходит дугообразное изменение направления его перемещения во вписанном угле, которому соответствует примерный интервал от 45° до 360°, предпочтительно от 90° до 180°. При этом под вписанным углом подразумевают перекрываемый общий сектор дуги окружности, который задан геометрическими параметрами цилиндра. Закручивание газового потока можно варьировать, реализуя его как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения генераторы турбулентности перекрывают от 10 до 70%, предпочтительно от 20 до 50% площади поперечного сечения каналов. Наружные геометрические параметры используемых согласно изобретению генераторов турбулентности в значительной степени определяются конфигурацией соответствующих каналов горелки. В случае каналов с круглым поперечным сечением рекомендуется использовать указанные выше генераторы турбулентности цилиндрической формы, в то время как в случае каналов с прямоугольным поперечным сечением пригодными предпочтительно являются генераторы турбулентности, обладающие кубической формой. Особенно пригодная форма генераторов турбулентности может быть определена специалистами.
Диаметр подлежащих выполнению в генераторах турбулентности отверстий обычно составляет примерно от 0,1 до 0,5, предпочтительно от 0,2 до 0,4 от диаметра цилиндра, то есть от наружного диаметра генератора турбулентности.
В соответствии с предлагаемым в изобретении способом при перемещении газа через сквозные отверстия генераторов турбулентности происходит указанное выше изменение направления его течения. Следовательно, если газу задано закручивание, возникает закрученное течение газового потока. Таким образом, в результате изменения направления перемещения среды, пропускаемой через отверстия генераторов турбулентности, формируются выраженные радиальная и тангенциальная составляющие скорости движения на выходе из горелки. Значительные касательные силы, возникающие вследствие взаимодействия выходящих из соседних каналов горелки струй, обусловливают высокие скорости пульсации. Таким образом, в предпочтительном варианте в камере горения возможно генерирование энергетически высокоинтенсивного, турбулентного поля течения, в котором может формироваться реакционная зона. Создаваемая турбулентность характеризуется условиями течения, в соответствии с которыми пульсация с высокими скоростями происходит во всех трех направлениях в пространстве без макроскопического приоритета в направлении периметра.
Благодаря осуществляемому согласно изобретению размещению генераторов турбулентности в каналах блока горелок предоставляется возможность новой, более совершенной реализации соответствующих технологических процессов, которая ниже рассматривается более подробно. Согласно изобретению осуществляют иной тип стабилизации реакции. Наряду с использованием стабилизирующих горелок генератор турбулентности генерирует высокоинтенсивное поле течения, в котором возможно формирование реакционной зоны. В предпочтительном варианте характер генерируемого поля течения и реализации технологического процесса обусловливает отсутствие рециркуляции материальных потоков вблизи блока горелок, что в конечном итоге приводит к отсутствию отложений кокса в блоке горелок. Помимо указанной выше предпочтительной формы поля турбулентности благодаря используемому согласно изобретению расположению стабилизирующих горелок предотвращается также нежелательная рециркуляция содержащих сажу газовых потоков в блоке горелок. В отличие от обычных горелок стабилизирующие горелки находятся на значительном расстоянии от блока горелок, которое предпочтительно соответствует диаметру каналов в блоке горелок, умноженному на число, примерно составляющее от 3 до 20, особенно предпочтительно от 4 до 15. Указанное расстояние измеряют от нижнего края блока горелок, то есть от места выхода газового потока из каналов с последующим перемещением к камере сгорания, до места подачи вспомогательного кислорода в камеру горения. Диаметр каналов в блоке горелок обычно находится в примерном интервале от 17 до 27 мм, предпочтительно от 20 до 23 мм. Благодаря указанному выше расположению стабилизирующих горелок стабилизация пламени в соответствии с предлагаемым в изобретении способом удалена от блока горелок на гораздо большее расстояние по сравнению с обычными горелками. Особенно предпочтительное расположение стабилизирующих горелок определяется соответствующей системой и заданными особыми технологическими условиями. В отдельных случаях специалисты могут изменять его в зависимости от заданных реакционных условий. Простое смещение стабилизирующих горелок на аналогичное расстояние в случае обычных горелок не могло бы обеспечить сравнимый успех, поскольку отверстия обычных горелок на выходе не снабжены используемыми согласно изобретению генераторами турбулентности, а следовательно, после выхода газа из обычных горелок отсутствует формирование поля турбулентного течения, в котором стабилизация пламени основной горелки происходит только благодаря использованию вспомогательного кислорода и без стабилизирующего эффекта рециркуляции в зоне выпускных отверстий горелки.
Предлагаемый в изобретении способ позволяет создавать высокую турбулентность в камере горения при минимальной потере давления. Потери давления зависят от производительности и в расчетной точке реактора составляют примерно от 40 до 300 мбар.
Генераторы турбулентности устанавливают таким образом, чтобы они обеспечивали предпочтительно знакопеременное закручивание (по часовой стрелке и против часовой стрелки). Вследствие этого в предпочтительном варианте в камере горения можно формировать турбулентное поле течения без тангенциальной составляющей скорости, благодаря чему может быть обеспечено особенно эффективное перемешивание реагентов.
Согласно предпочтительному варианту расположения генераторов турбулентности предусматривают чередование направления закручивания потоков в радиальном направлении, в то время как вдоль периметра блока горелок используют генераторы турбулентности одинакового типа. Упорядочение направлений закручивания потоков окислителя и горючего материала в генераторах турбулентности на плите горелки показано на фиг.2.
Генераторы турбулентности можно помещать во все или только в отдельные каналы.
Объектом настоящего изобретения является также устройство, пригодное для осуществления предлагаемого в изобретении способа. Конструкция подобного устройства более подробно поясняется на примере, показанном на фиг.1.
Поступающие по питающим трубопроводам (1) и (2) окислитель и горючий материал независимо друг от друга пропускают через снабженные генераторами турбулентности линии (3) в блоке горелок. Окислитель и горючий материал вступают в непосредственный контакт и смешиваются в поле интенсивной турбулентности лишь после их пропускания через генераторы турбулентности, выполненные предпочтительно в виде аксиальных генераторов закручивания. Протяженность смесительной камеры (4) рассчитана таким образом, чтобы могла быть обеспечена достаточно полная гомогенизация смеси окислителя с горючим материалом.
В реакционный объем (6), в котором стабилизируют реакционную зону, по подводящим линиям (5) поступает кислород или вспомогательное реакционное вещество.
На фиг.2 показано предпочтительное упорядочение генераторов турбулентности. Буквы «R» и «L» используют для обозначения генераторов турбулентности, обеспечивающих разные направления закручивания газовых потоков, причем «R» означает правозакручивающий, a «L» левозакручивающий генератор турбулентности. Вдоль дуги окружности предпочтительно расположены генераторы турбулентности с одинаковым направлением закручивания газовых потоков, в то время как в радиальном направлении в чередующемся порядке расположены правозакручивающие и левозакручивающие генераторы турбулентности. При этом окислитель пропускают через линии, отмеченные на фиг.2 штриховкой.
Предлагаемый в изобретении способ пригоден для экономичного осуществления частичного окисления углеводородов. При этом особенно предпочтительным является использование указанного способа для реализуемого с высоким выходом получения ацетилена и синтез-газа. В отличие от способов, реализуемых в обычных горелках, предлагаемый в изобретении способ позволяет осуществлять частичное окисление углеводородов в отсутствие нежелательного отложения кокса, затрудняющего реализацию производственного процесса. При этом предлагаемый в изобретении характер стабилизации пламени горелки, обеспечиваемый благодаря предотвращающей отложение кокса рециркуляции, способствует эффективному и экономичному осуществлению взаимодействия реагентов. Указанных преимуществ можно легко достичь благодаря предлагаемому в изобретении аэрогидродинамическому конструктивному исполнению, и, кроме того, можно избежать повышенных затрат, обусловленных, например, необходимостью периодической механической очистки горелок.
Пример
Параметры смешивания экспериментально определяли в предлагаемом в изобретении устройстве, показанном на фиг.1. Реактор диаметром 170 мм снабжен 37 каналами диаметром 25 мм. Газ, пропущенный через отверстия помещенных в указанные каналы генераторов турбулентности, обладал тангенциальной составляющей скорости с чередующимся направлением закручивания.
Генераторы турбулентности снабжали четырьмя отверстиями, которые при длине цилиндра 5 см перекрывали угол 360°.
Окислитель и горючий материал вводили в соответствующие отверстия таким образом, чтобы на выходе из них было обеспечено равномерное распределение плотности импульсного потока в целом, для чего использовали показанную на фиг.2 компоновку.
Для определения качества перемешивания окислителя с горючим материалом выполняли радиальные измерения концентрации на уровне стабилизации горения, то есть на уровне выхода из зоны смешения и перехода к реакционному объему. Расстоянию между местом измерения и выходом реакционной среды (позиция 7 на фиг.1) соответствовал восьмикратный диаметр отверстий. Результаты определения качества перемешивания в радиальном направлении (вдоль общего диаметра реактора, составляющего 170 мм) показаны на фиг.3. На соответствующей диаграмме показано процентное отклонение фактически определенного содержания горючего материала (метана) в смеси по сравнению с идеальным перемешиванием. Следует констатировать, что в случае предлагаемого в изобретении конструктивного исполнения отклонение от идеального перемешивания составляет менее одного процента, что подтверждает возможность эффективного осуществления предлагаемого в изобретении способа.