УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ПИРОЛИЗОМ МЕТАНА И ДРУГИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Изобретение относится к производству ацетилена из метана и других углеводородов и касается устройства для их конверсии в ацетилен методом высокотемпературного пиролиза.
Известно и применяется в промышленности устройство для получения ацетилена из метана и углеводородов окислительным пиролизом, состоящее из футерованного высокоогнеупорным материалом корпуса реактора, включающего в себя в том числе камеру смешения кислорода с метаном или другим углеводородом, камеру неполного сгорания, закалочное устройство, в котором, например, при пиролизе метана на горение расходуется до 55% этого метана, на образование ацетилена - 23-25% метана, на образование сажи ~4%. Объемное содержание ацетилена в отходящих газах не превышает 7-8,5%. Кроме указанных низких значений выхода ацетилена, другим существенным недостатком подобных устройств окислительного пиролиза является взрывоопасность предварительно подготовленной и подогретой кислород-углеводородной смеси. Это вынуждает поддерживать отношение объемных скоростей подачи в реактор углеводорода и кислорода на определенном уровне, проводить их смешение без локальных неоднородностей и отклонений от допустимого отношения газов. Скорость движения газовой смеси (~100 м/с) должна быть выше скорости распространения пламени, но не выше скорости его гашения (отрыва от горелки) [Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1971. 842 с.].
Известны устройства окислительного пиролиза, где для решения проблемы взрывобезопасности внутри реактора помещают керамическую насадку, а процесс пиролиза, например, этана проводят при пониженном давлении (410 мм. рт.ст.) [Клименко А.П. Получение этилена из нефти и газа. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. - 1962, 236 с], либо при нормальном давлении реакционная зона отделяется от зоны смешения пластиной с большим числом тонких каналов [US Patent 6869279, 2005].
Существенными недостатками подобных устройств окислительного пиролиза метана или других углеводородов, в которых нагрев реакционной смеси осуществляется тепло-массообменом непосредственно с продуктами сжиганием части исходного сырья являются: высокая чувствительность к изменениям в составе исходной смеси и скорости потока, что затрудняет установку рабочего режима и приводит к опасности возгорания и взрыва в зоне смешения, и низкий выход ацетилена (≤8.5%). Низкий выход обусловлен тем, что в подобных устройствах предельная температура пиролиза метана даже при его предварительном нагреве, как правило, не превышает 1650°C, а количество углерода исходного метана, перешедшее в ацетилен, не превышает 33%. Для n-бутана, подаваемого на окислительный пиролиз, максимальное объемное содержание ацетилена на выходе не превышает 11%, а количество исходного углерода, перешедшего в ацетилен, не превышает 30% [Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. М.: Химия, 1970. 416 с.],
Известно устройство окислительного пиролиза фирмы Hoechst, в котором нагрев пиролизуемого газа осуществляется его смешением с парами воды, полученными сжиганием водорода и кислорода. Водород выделяют из газов пиролиза. [Krekeler H., Wertz R., Pechtold N., Erdol u. Kohle, 12, №5, 358 (1959)]. Недостатком такого устройства является то, что, поскольку в процессе самого пиролиза тепло уже не подводится к газовой смеси, ее температура непрерывно падает при движении газового потока по реактору. К тому же продукты пиролиза оказываются загрязнены оксидными соединениями, образовавшимися взаимодействием продуктов пиролиза с парами воды.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является реактор окислительного регенеративного пиролиза, где при сжигании углеводородного сырья дымовыми газами сначала нагревается керамическая насадка, затем вместо дымовых газов через нагретую насадку пропускается метан или другой углеводород [Беркович В.Б, Гордон С.А., Газ. пром., №2 (1962); Chem. Proc, 9, №1, 28 (1963)]. Кислородсодержащие соединения в продуктах в этом случае отсутствуют, но процесс неизотермичен по времени и по слою насадки, носит периодический характер и его приходится проводить при пониженном давлении.
Все указанных выше недостатки в заявляемом устройстве устраняются тем, что метан или другой углеводород нагревается тепловым потоком, выделяющимся при частичном сжигании в кислороде не исходного сырья, а продуктов его пиролиза - водорода или ацетилена. Для этого реактор окислительного пиролиза изготавливается из двух имеющих между собой тепловой контакт камер. В первой камере, например, в форме трубки 1, осуществляется пиролиз углеводорода. Во второй камере 2, представляющей собой камеру сгорания в форме, например, коаксиального с трубкой 1 цилиндра из жаропрочной оксидной керамики, проводится сжигание водорода, образующегося попутно с ацетиленом в первой камере. Водород поступает из устройства 4 очистки и разделения продуктов пиролиза на ацетилен и водород. На разделение эта смесь поступает из закалочного устройства 3, расположенного на выходе трубки 1 и предназначенного для сохранения при низкой температуре продуктов высокотемпературного пиролиза, путем, например, смешения потока газа с охлаждающей жидкостью. Для сокращения тепловых потерь в окружающую среду и повышения температуры среды в камере сгорания она помещена в теплоизолятор 5.
Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является взрывобезопасность и существенное (в два раза и более) повышение выхода ацетилена до значений, близких к 100% по углероду.
Технический результат достигается тем, что в устройстве, совмещающем в себе ряд известных устройств, в том числе закалочное устройство, устройство разделения ацетилена и водорода, теплоизолятор, реактор окислительного пиролиза метана выполняется из двух камер, находящихся в тепловом контакте между собой, но напрямую не обменивающихся газами. Отличительные признаки устройства обеспечивают максимально возможную полноту прохождения суммарной эндотермической химической реакции пиролиза метана
4
2
2
2
2CH→CH+3H
или другого углеводорода
m
2
2
2
CnH→n/2CH+(m-n)/2H
Для предотвращения химической эрозии газоплотной теплопроводящей стенки трубки 1 она выполняется из двух слоев, разделенных инертным газом, например, аргоном. Внутренний слой изготовлен из графита или углеродсодержащей керамики, например, карбида тантала, или тугоплавкого металла, например, рения. Внешний слой выполнен из оксидной керамики, например, из оксида циркония, который защищает внутренний слой от воздействия паров воды. Слой инертного газа предотвращает твердофазные химические реакции между этими слоями стенки.
В отсутствие тепловых потерь в окружающую среду для нагрева метана через стенку трубки 1 до температуры 2300-2500°C и поддержания на этом уровне температуры газовой смеси необходимо менее половины всего выделяющегося при пиролизе водорода, или около четверти ацетилена. Объемное содержание ацетилена на выходе из трубки 1 может достигать 25%, При этом в состав ацетилена переходит 100% углерода, содержащегося в исходном сырье.
Сущность устройства поясняется чертежом.
На чертеже схематически представлено устройство для получения ацетилена из метана.
Устройство 1 представляет собой трубку, нагреваемой теплом, которое выделяется при сгорании в кислороде продукта пиролиза - водорода.
Устройство 2 представляет собой камеру сгорания из жаропрочной оксидной керамики и предназначено для фокусировки теплового потока на трубке 1.
Устройство 3 представляет собой закалочное устройство для резкого охлаждения (закалки) газа, выходящего из трубки 1 и подавления тем самым обратных химических реакций.
Устройство 4 служит для очистки и разделения охлажденного газового потока на ацетилен и водород, например.
Устройство 5 служит для теплоизоляции камеры сгорания.
Устройство работает следующим образом. Метан или другой углеводород подается в трубку 1, где он нагревается до температуры 2300-2500°C, необходимой для осуществления его пиролиза и конверсии в ацетилен с максимальным выходом по углероду, близким к 100%. Попутно с ацетиленом образуется водород. Требуемое для пиролиза тепло подводится к газу через стенку трубки 1, нагреваемой в камере 2 продуктами сгорания и ИК-излучением от стенок камеры. Из трубки 1 продукты пиролиза попадают в закалочное устройство 3, где резко охлаждаются и поступают на очистку и разделение в устройство 4. Газ в нем отделяется от возможной примеси сажи, а водород отделяется от ацетилена селективным растворением ацетилена в жидкости, например, в N-метилпирролидоне. Часть водорода направляется на сжигание в камеру сгорания 2, куда подается и кислород. Продукты сгорания водорода в кислороде (пары воды) при своем движение к выходу из камеры сгорания нагревают трубку 1 и внутренние стенки камеры сгорания 2. Инфракрасное излучение этих стенок фокусируется на трубке 1. Теплоизолятор 5 предотвращает потери генерируемой в камере 2 тепловой энергии в окружающую среду.