Устройство для получения синтез-газа

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для получения синтез-газа из углеводородного сырья, преимущественно из природного или нефтяного газа, и может быть использована в нефтехимической отрасли для получения синтетических моторных топлив.
Известно устройство для получения синтез-газа из жидких и газообразных углеводородов (RU 2465193, C01B3/38, 2011), состоящее из впускной секции,  устройства для распыления/испарения жидких  потоков в смесительную секцию, реакционной секции, средства нагревания указанных структурированных каталитических слоев, секции охлаждения смеси реакционных продуктов. Указанный структурированный каталитический слой включает катализатор каталитического частичного окисления, размещенный в одной или более прослойках. Недостатком данного способа является необходимость подачи в установку дополнительного окислительного потока в  виде нагретого водяного пара  или газообразных углеводородов, что усложняет технологический процесс и требует дополнительного технологического оборудования.
Известно устройство  для получения синтез-газа (RU 2361809, C01B3/36, 2009), включающее камеру  горения метана или природного газа с кислородом воздуха. При этом камера горения содержит средство воспламенения и выполнена в виде проточной камеры, ко входу которой через антипроскоковую решетку стыкован смеситель. К смесителю подключены соответственно подводящие трубы метана и воздуха. К выходу камеры горения пристыкован теплообменник для охлаждения продуктов окисления и нагревания воздуха, который подается в камеру горения. Теплообменник снабжен штуцером для вывода из его полости продуктов окисления. Устройство дополнительно снабжено системой  выделения диоксида углерода, смесителем  диоксида углерода и метана и камерой углекислотной конверсии, размещенной в камере горения. Камера углекислотной конверсии выполнена в виде проточного реактора со стенкой из жаропрочного материала. Недостатком данного способа является повышенный расход сырья ввиду необходимости его частичного сжигания в камере горения.
Известно  устройство для получения расплавленного металла и синтез-газа (RU 2463356, C21B13/00, 2012),  включающее верхнюю и нижнюю камеры, разделяющее их средство, средства для подачи в верхнюю камеру окатышей или брикетов, средства для подачи в нижнюю камеру в потоке газа-носителя размолотого угля, средства для подачи в нижнюю камеру кислорода, средства для сбора и выгрузки из нижней части нижней камеры расплавленного металла и шлака и средства для отвода из верхней части верхней камеры синтез-газа. Средство, разделяющее верхнюю и нижнюю камеры, представляет собой колосниковую решетку с установленным в центре грибовидным элементом, через которую направляют синтез-газ из нижней камеру в верхнюю. В боковых стенках верхней камеры расположена система испарительного охлаждения, соединенная со средствами для подачи в нее воды и со средствами для подачи из нее пара в верхнюю и нижнюю камеры, а средства для отвода из верхней части верхней камеры синтез-газа соединены трубопроводом с нижней камерой для подачи в нее части газа, который отводится вместе с выносом в виде твердых частичек угля. Причем используемые окатыши или брикеты содержат окислы металлов с высокой химической активностью относительно углерода, уголь и известь. Недостатком данной установки является периодичность ее работы ввиду  необходимости периодической загрузки брикетов оксидов металлов, угля и извести, что требует охлаждения и нагревания устройства, что в конечном итоге повышает стоимость полученного синтез-газа.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является устройство для получения синтез-газа (RU 163221, C01B3/24, 2016), которое выбрано в качестве прототипа, содержащее первую обогреваемую камеру окисления метана с жидкометаллическим теплоносителем, в который опущена барботажная трубка для подачи метана,  причём первая обогреваемая камера  оснащена газовой линией для отвода продуктов реакции. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что оно дополнительно содержит вторую обогреваемую камеру с жидкометаллическим теплоносителем, в который опущена барботажная трубка для подачи воздуха, оснащенную газовой линией для отвода отработанных газов. При этом камеры соединены между собой верхним и нижним трубопроводами,  в верхнем трубопроводе размещен побудитель расхода, а камеры окисления сплава и  окисления метана соединены с газоанализатором. Дополнительно предлагается в качестве жидкометаллического теплоносителя применить сплав свинец-висмут, например, эвтектического состава. Дополнительно предлагается в качестве побудителя расхода применить шнековый насос. Дополнительно предлагается устройство оснастить газовыми фильтрами соединёнными с камерой окисления сплава и с камерой окисления метана. Также дополнительно предлагается устройство оснастить конденсатором влаги, соединённым с камерой окисления метана. Недостатком данного устройства является большие тепловые потери из-за  разделения межу собой рабочих камер.
Авторы решали техническую проблему по созданию устройства для получения синтез-газа, лишённого указанного недостатка. Технический результат заключается в повышении выхода готового продукта и снижении затрат для его производства.
Для решения технической проблемы, а также для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для получения синтез-газа,  содержащее две  обогреваемые камеры, первая предназначена для окисления метана оксидом свинца, в которую опущена барботажная трубка для подачи метана. Причем первая камера оснащена газовой линией для отвода продуктов реакции. Вторая обогреваемая камера предназначена для окисления расплава свинца, в который опущена барботажная трубка для подачи воздуха, и оснащена газовой линией для отвода отработанных газов. При этом камеры соединены между собой затвором жидкого металла. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что вторая камера образована с помощью разделительной обечайки, герметично прикреплённой к съёмной крышке устройства, и содержит открытую ёмкость, дно и стенка которой расположены с зазором от обечайки и внешней стенки корпуса устройства.  В открытой ёмкости размещён расплав свинца,  причем на дне открытой ёмкости установлен    патрубок со шнековым  насосом. Верхний торец патрубка находится выше уровня  расплава свинца, а на газовой линии для отвода продуктов реакции размещена каталитическая трубка, вход которой соединен со смесителем исходного газа и продуктов реакции, а выход каталитической трубки соединен с патрубком отвода готового продукта.
Каталитическая трубка может содержать в качестве катализатора порошкообразный никель.
На прилагаемой иллюстрации показано заявляемое устройство, представляющее собой герметичный сосуд 1 со съемной крышкой 2 изготовленные из жаропрочной нержавеющей стали. Внутреннее пространство сосуда  с помощью герметично закреплённой на съемной крышке  обечайки  3 из жаропрочной нержавеющей стали разделено на две обогреваемые камеры: первая камера для окисления свинца, вторая - для окисления метана.
Первая камера оснащена барботажной трубкой для подвода исходного газа 4  и линией для отвода продуктов реакции, которая соединена с газовым смесителем 5. Дополнительно первая камера оснащена каталитической трубкой 6,   вход которой соединен с газовым смесителем 5, а выход соединен с линией для отвода готового  продукта 7.
Вторая камера содержит открытую емкость 8, дно и стенка которой расположены с зазором от обечайки 3 и внешней стенки корпуса устройства 1.  В открытой ёмкости 8 размещён расплав свинца,  который образует затвор из жидкого металла между первой и второй камерой. Вторая камера содержит барботажную трубку 9 для подачи воздуха, конец которой опущен под уровень расплава свинца, и линию для отвода отработанных газов 10. Дополнительно на дне открытой ёмкости 8 установлен  патрубок со шнековым  насосом 11, причем верхний торец патрубка находится выше уровня  расплава свинца.
Для предотвращения попадания паров свинца из устройства на газоотводящих линиях 7, 10 и на входе смесителя 4 установлены газовые фильтры 12.
Устройство работает следующим образом. После прогрева корпуса устройства  1  до температуры 650-700 °С и расплавления свинца в открытой емкости 8  во вторую камеру под уровень расплава свинца через барботажную трубку 9 подается воздух. При этом кислород воздуха взаимодействует с расплавом свинца с образованием оксида свинца (PbO),   который  по мере его накопления на поверхности расплава в первой камере с помощью  шнекового насоса 11 транспортируется  через зазор между дном и стенкой открытой емкости 8 и корпусом устройства 1 во вторую камеру.  Образовавшийся в газовой полости второй камеры  азот отводится через газоотводящую линию  10 за пределы  устройства.
Одновременно в газовую полость второй камеры через барботажную трубку для подвода исходного газа 4     подаётся исходный газ (метан). При этом метан вступает в реакцию с оксидом свинца с образованием смеси диоскида  углерода и водяного пара, которые поступают вместе с подаваемым через газовый смеситель 5 метаном в каталитическую трубку 6. Последняя заполнена катализатором, в качестве  которого используется   порошкообразный никель.  В каталитической трубке 6 протекает реакция пароуглекислотной конверсии метана, в результате которой образуется монооксид углерода и водород (ситез-газ), которые через линию для отвода готового продукта 7 выводятся за приделы  устройства на дельнейшую переработку.
Устройство найдет преимущественное применение в нефтехимической отрасли для производства   синтетических моторных топлив.