СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА
METHOD OF PRODUCING ACETYLENE

Настоящее изобретение относится к улучшенному способу получения ацетилена частичным окислением, расщеплением в электрической дуге или пиролизом углеводородов, причем реакционный поток, содержащий полученный ацетилен и сажу, направляют в компрессор.
Промышленное производство ацетилена осуществляют, в частности, разработанным фирмой BASF способом, основанным на частичном окислении углеводородов (предпочтительно природного газа) кислородом. Указанный способ описан, например, в патенте США US 5 824 834 и энциклопедии Ульмана ("Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry", 6-е издание, 2000, Electronic Release, раздел 4.2.1).
Оба исходных продукта (углеводород и кислород) сначала подвергают предварительному нагреванию, температура которого в случае использования природного газа составляет примерно от 500 до 650°С, смешивают и лишь после этого превращают в топочной камере в пламя, которое стабилизируют в так называемом блоке горелок. Предварительное нагревание и смешивание исходных продуктов осуществляют с целью повышения выхода ацетилена.
Пламенную реакцию, протекающую при температуре выше 1500°С, резко обрывают реализуемым через несколько миллисекунд впрыскиванием воды, то есть чрезвычайно быстрым охлаждением (закалкой) пламени примерно до 90°С, приводящим к прекращению радикальной цепной реакции. Тем самым предотвращают деструкцию термодинамически нестабильного промежуточного продукта образования ацетилена. В результате указанной пламенной реакции образуется так называемый газ расщепления, представляющий собой смесь ацетилена, сырого синтез-газа (главным образом, водорода и монооксида углерода), водяного пара и побочных продуктов. Одним из этих побочных продуктов является сажа. Для конденсации большей части водяного пара и соответствующего сокращения количества подлежащего сжатию газа газ расщепления перед сжатием обычно охлаждают до температуры, находящейся в примерном интервале от 30 до 50°С.
Образующаяся в качестве побочного продукта сажа затрудняет реализацию последующих технологических операций, в связи с чем для повышения эффективности способа стремятся отделить ее от газа расщепления.
3
3
Сажа образуется в пламени в процессе частичного окисления углеводородов. Поскольку она формируется в газовой фазе, речь идет о чрезвычайно мелких частицах, размер которых обычно не превышает 1 мкм. Зависимость количества образующейся сажи от режима эксплуатации реактора приводится в патенте США US-5824834. Большую часть сажи осаждают в системе водяной закалки и последовательно присоединенной охлаждающей колонне. Однако содержание сажи в подлежащем сжатию газе расщепления остается довольно значительным и в случае осуществления способа фирмы BASF обычно составляет примерно от 100 до 1000 мг/нм, а при использовании других способов получения ацетилена может быть гораздо более высоким. Во избежание поломки компрессора, используемого для сжатия газа расщепления, согласно уровню техники перед сжатием газа осуществляют осаждение сажи, причем ее остаточное содержание в очищенном газе расщепления составляет менее 20 мг/нм. Для осаждения сажи можно использовать, например, мокрые электрофильтры.
Для сжатия газа расщепления после отделения содержащейся в нем сажи и охлаждения обычно используют винтовые компрессоры, выпускаемые, например, фирмами GE Oil and Gas, Inc. (3300 Medaust Drive, Oshkosh, WI 54902, США), MAN Turbomaschinen AG (46145 Оберхаузен, Германия) или Kobe Steel, LTD., Compressor division, 9-12, Kita-shinagawa 5-chrome, Shinagawa-ku (Токио, 141-8688, Япония). Подобные выполненные с высокой точностью дорогостоящие машины предпочтительно используют в связи с тем, что они пригодны также для сжатия газов, обладающих склонностью к образованию полимерных отложений. При этом с целью охлаждения подобных винтовых компрессоров в процессе их эксплуатации добавляют небольшое количество воды, однако в процессе сжатия в компрессоре обычно происходит полное испарение добавленной воды, следовательно, компрессор работает «всухую».
Поскольку сажа обладает чрезвычайно высокой дисперсностью, ее выделение является весьма трудной задачей, решение которой связано с крупными капитальными затратами и значительными технологическими издержками. Кроме того, обычно используемые мокрые электрофильтры, в особенности при осаждении ацетиленовой сажи, постоянно обусловливают технологические простои. Простои нередко бывают вызваны обрывом коронирующих проводов, что связано с присутствием в газе расщепления органических кислот, а также образованием отложений, которому способствует плохое смачивание сажи водой.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача найти улучшенный способ получения ацетилена, лишенный указанных выше недостатков и позволяющий получать ацетилен с высокой производственной готовностью в течение длительных эксплуатационных периодов в соответствии с эффективной и несложной технологией.
Указанная задача согласно изобретению решается благодаря способу получения ацетилена частичным окислением, расщеплением в электрической дуге или пиролизом углеводородов, причем материальный поток, содержащий полученный ацетилен и сажу, направляют в компрессор, отличающемуся тем, что в компрессор впрыскивают жидкость, которая поглощает большую часть содержащейся в материальном потоке сажи.
Неожиданно было обнаружено, что посредством предпочтительно используемых в качестве компрессора винтовых компрессоров из газа расщепления можно выделять значительные количества сажи в том случае, если на вход в компрессор впрыскивать столько воды, чтобы из компрессора в жидком состоянии выходила вода, в которой диспергирована осажденная сажа. Следовательно, согласно изобретению количество впрыскиваемой воды определяется осаждением твердых веществ, а не охлаждением газа. Таким образом, можно предпочтительно отказаться от предназначенного для осаждения сажи аппарата (обычно электрофильтра) и согласно изобретению направлять поток газа расщепления непосредственно в винтовой компрессор. Между реактором и компрессором можно осуществлять дополнительные технологические операции, если этому не мешает присутствие сажи. Поток газа расщепления перед сжатием и одновременным осаждением сажи предпочтительно охлаждают в дополнительной колонне, что позволяет за счет конденсации водяного пара сократить объемный поток газа, подвергаемого в компрессоре сжатию, и снизить его температуру на входе в компрессор. Исключение устройства для осаждения сажи (обычно электрофильтра) позволяет значительно сократить издержки при новых капиталовложениях и существенно снизить капитальные затраты. Кроме того, повышается производственная готовность всех устройств, поскольку отсутствует необходимость эксплуатации подверженных частой поломке электрофильтров и возрастает эффективность общего производственного процесса.
1
100
Подобное осуществление способа не принималось специалистами в расчет, поскольку речь идет об использовании чрезвычайно дорогостоящих, выполненных с высокой точностью винтовых компрессоров. Так, например, для преобладающих в рассматриваемом случае газовых потоков, с одной стороны, необходимо использовать винты большого размера, а с другой стороны, несмотря на значительные размеры должно быть обеспечено постоянное соблюдение минимального расстояния между вращающимися с чрезвычайно высокой скоростью винтами, которое по порядку величины составляет менее / мм. При переработке подобными дорогостоящими компрессорами выходящего из охлаждающей колонны потока газа расщепления с высоким содержанием твердого вещества следовало бы опасаться поломки этих машин. Однако впрыскиваемая в избытке жидкость, предпочтительно вода, неожиданно позволяет эксплуатировать компрессор в течение длительных рабочих периодов.
Предлагаемое в изобретении осаждение сажи особенно удачно, бесперебойно и в течение длительных рабочих периодов может быть реализовано в том случае, если содержание сажи в выходящей из винтового компрессора в жидком состоянии (без водяного пара) воде находится в интервале от 0,05 до 5% масс., предпочтительно от 0,1 и 1,5% масс., особенно предпочтительно от 0,15 и 0,8% масс. Более высокого содержания сажи следует избегать: в подобном случае в связи с крайне незначительными размерами частиц сажи может произойти чрезмерное повышение вязкости соответствующей водной суспензии. Более низкое содержание сажи может быть обусловлено добавлением воды или менее сильным охлаждением насыщенного водяным паром газа расщепления. Указанные выше пределы определяют, во-первых, минимальный расход подлежащей впрыскиванию на входе в компрессор воды, а, во-вторых, максимальное содержание сажи во впрыскиваемой воде. Осаждение сажи обусловлено чрезвычайно интенсивным перемешиванием и взаимодействием (в конечном итоге, относительной скоростью взаимодействия) содержащихся в газе расщепления тонко диспергированных частиц сажи с водой, которое играет определяющую роль и при использовании других устройств осаждения, таких как скруббер Вентури.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа для снижения расхода воды предусматривается наличие контура ее циркуляции. Вследствие этого технологическая вода содержит сажу. Технологическую воду можно направлять также, например, в присоединенную после компрессора охлаждающую колонну. С целью ограничения содержания сажи в циркуляционном контуре воды указанными выше пределами выделенную из газа расщепления сажу следует выводить из технологического процесса. Сажу можно выводить из технологического процесса, например в виде суспензии в воде (технологической воде).
Необходимая для достаточно полного осаждения сажи степень сжатия газа расщепления в компрессоре составляет по меньшей мере 1:2, предпочтительно по меньшей мере 1:3.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа при эксплуатации винтового компрессора вместо воды можно впрыскивать масло. Масло также может вызывать предлагаемое в изобретении осаждение сажи. В отличие от воды масло может поглощать примерно не более 20% масс. сажи. Компрессор обычно эксплуатируют при значительном избытке впрыскиваемого масла, благодаря чему отсутствует проблема его испарения.
Согласно изобретению другими пригодными жидкостями кроме масла и воды являются, например, N-метилпирролидон, метанол, ацетон, бензин, бензол или диметилформамид. Предпочтительно используют вещества, уже используемые в технологиях получения ацетилена, отличающихся от способа фирмы BASF, то есть N-метилпирролидон. Максимальное содержание сажи в выходящей из компрессора жидкости зависит от свойств соответствующего вещества. В конечном итоге, вязкость соответствующей суспензии должна быть сопоставима с вязкостью указанной выше суспензии сажи в воде.
3
В процессе сжатия газа расщепления предпочтительно происходит практически полное осаждение сажи. Используя предлагаемый в изобретении способ, можно обеспечить остаточное содержание сажи в выходящем из компрессора газовом потоке, не превышающее 20 мг/нм, и в зависимости от варианта осуществления способа можно достичь также гораздо более низких значений остаточного содержания сажи. Степень осаждения сажи предлагаемым в изобретении способом не отличается от степени ее осаждения посредством электрофильтров. В некоторых случаях остающиеся в газе расщепления следы сажи поглощаются растворителем (N-метил-пирролидоном), используемым для последующего разделения газа расщепления. Поскольку вследствие образования полимера растворитель подлежит непрерывно или по крайней мере регулярно осуществляемой регенерации, нарушения производственного процесса, обусловленные наличием следов сажи, отсутствуют.
Для долговременного бесперебойного функционирования компрессора, в особенности в предпочтительном варианте осуществления способа, смонтированные перед компрессором на линии всасывания шумоглушители и сетчатый фильтр рекомендуется постоянно поддерживать в увлажненном состоянии, что позволяет предотвращать образование отложений сажи. Для реализации обычно выполняемых операций по удалению отложений сажи следует прерывать процесс производства ацетилена (в случае однопоточных установок) или ограничивать его (в случае установок с несколькими потоками).
Предлагаемый в изобретении способ применим как для замкнутой (согласно патенту США US 5824834), так и для открытой (согласно цитированной выше энциклопедии Ульмана) системы водяной закалки. Способ можно использовать также при осуществлении других известных технологических процессов получения ацетилена, например процессов, описанных в энциклопедии Ульмана.
Предлагаемый в изобретении способ предоставляет возможность экономичного получения ацетилена. Сажу, образующуюся в качестве побочного продукта получения ацетилена, осаждают технологически простым методом, связанным с незначительными затратами, причем процесс производства ацетилена можно осуществлять в течение длительных производственных периодов. Кроме того, при предпочтительном использовании воды в качестве добавляемой жидкости можно достичь преимущества, состоящего в отсутствии необходимости введения в производственный процесс дополнительных посторонних компонентов.
Пример
В энциклопедии Ульмана приводится описание способа фирмы BASF с водяной закалкой. В патенте США US 05824834 рабочий режим установки изменили таким образом, чтобы была обеспечена возможность рециркуляции технологической воды в замкнутой системе, а следовательно, был предотвращен контакт содержащей вредные вещества технологической воды с атмосферой.
3
3
3
3
На чертеже показан один из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа. Используемые в качестве исходных веществ природный газ (1) и кислород (2) предварительно нагревают в увлажняемых подогревателях (3). Затем исходные вещества смешивают в зоне смешения (4) и в топочной камере (5) реализуют их взаимодействие в соответствии с пламенной реакцией. Пламя резко охлаждают (закаливают) осуществляемым ниже топочной камеры впрыскиванием технологической воды (6). Насыщенный водяным паром газ расщепления (7) (материальный поток, содержащий ацетилен и сажу) с температурой, примерно соответствующей его предельной температуре после закалки, поступает в охлаждающую колонну (8). В колонне (8) осуществляют охлаждение газа расщепления охлажденной технологической водой (9), которое сопровождается конденсацией большей части водяного пара. Факел (10) используют для осуществления операций пуска и останова. Охлажденный примерно до 40°С газ расщепления (11) (45000 нм/ч в пересчете на сухой газ) с содержанием сажи 200 мг/нм сжимают посредством двухступенчатого винтового компрессора (12), повышая давление сначала с 1,1 до 4,2 бар, а затем до 11 бар (абсолютное давление), причем сжатие сопровождается осаждением сажи. На каждой ступени компрессора впрыскивают 7,5 м/ч технологической воды (13), содержащей 0,15% масс. сажи. Для изолирования внутреннего объема компрессора от внешней атмосферы наряду с азотом используют деминерализованную воду (14) в качестве так называемой затворной жидкости, вследствие чего в контур циркуляции технологической воды поступает 4 м/ч дополнительной воды. Температура газа расщепления на выходе с первой ступени (15) компрессора составляет 85°С, содержание сажи в воде 0,22% масс. Газ расщепления после каждой ступени сжатия охлаждают до 40°С в соответствующих охлаждающих колоннах (17) посредством охлажденной технологической воды (16). Сжатый газ расщепления (18) разделяют на образующие его компоненты, например, как описано в энциклопедии Ульмана. Конденсирующуюся в процессе сжатия и последующего охлаждения воду, а также добавляемую в контур циркуляции деминерализованную воду выводят из системы вместе с содержащейся в них сажей в виде потока (19). Содержание сажи в контуре циркуляции воды устанавливается в соответствии с количеством вводимой в контур циркуляции воды (конденсированный водяной пар + деминерализованная вода) и количеством выделенной сажи, которые соответствуют количествам, выводимым в виде суспензии сажи в воде.
3
В соответствии с другим примером осуществления предлагаемого в изобретении способа пусковые сетчатые фильтры перед входом на обе ступени компрессора и после шумоглушителей находятся в постоянно смонтированном состоянии. Сетчатые фильтры предотвращают возможное повреждение компрессора вследствие попадания в него посторонних тел, таких как шайбы, используемые при монтаже и техническом обслуживании компрессора. Для предотвращения образования отложений сажи пусковой фильтр на входе на первую ступень компрессора промывают 2 м/ч воды. Для этого можно использовать стандартные однокомпонентные полноконусные форсунки, эксплуатируемые с предварительным давлением 5 бар. Угол открытия и положение пускового сетчатого фильтра выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимально равномерное и полное смачивание. При этом следует учитывать в некоторых случаях высокую скорость потока газа расщепления. Без впрыскивания воды пусковой фильтр приходилось подвергать очистке каждые три месяца, для чего необходимо было прекращать процесс производства ацетилена на однопоточных установках и ограничивать его на установках с несколькими потоками. В соответствии с данным примером сетчатый фильтр второй ступени компрессоpa не требовалось поддерживать во влажном состоянии. Следовательно, практически полное осаждение сажи происходит уже на первой ступени.