Устройство (реактор) для пиролиза углеводородного сырья в жидком теплоносителе

Полезная модель относится к устройствам для пиролиза углеводородного сырья, преимущественно природного газа, а также прочих углеводородов, и может быть использована в газовой, нефтехимической и смежных с ними отраслях промышленности.
Наиболее близким к заявленному устройству по совокупности признаков является реакторная система для термического крекинга (пиролиза) природного газа, состоящая из вертикального пузырьково-колонного реактора цилиндрической формы с жидким теплоносителем и фильтра, в которой осуществляют пиролиз природного газа с получением водородсодержащего газа и твердого углерода, при этом природный газ подают в низ реактора, а водородсодержащий газ и твердый углерод отбирают с верха реактора (Stoppel L., Fehling Т.,  Т., Baake Е., Wetzel Т. Carbon dioxide free production of hydrogen // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 228 (2017), 012016, pp. 1-15. DOI: 10.1088/1757-899X/228/1/012016), принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании указанного устройства, относится то, что производительность данной реакторной системы ограничена расходом газа на входе в реактор до 200 мл/мин.
Проблема при пиролизе углеводородного сырья, преимущественно, природного газа, а также прочих углеводородов, заключается в том, что возникла необходимость существенного повышения производительности реактора, заполненного жидким теплоносителем, за счет оптимизации формы реактора.
Технический результат - повышение производительности по сырью реактора пиролиза, заполненного жидким теплоносителем.
Технический результат достигается тем, что устройство (реактор) для пиролиза углеводородного сырья в жидком теплоносителе, содержащее вертикальный реактор с жидким теплоносителем и фильтр, отличается тем, что реактор выполнен в форме поверхности вращения арки циклоиды вокруг своего основания, разделенной пополам плоскостью, перпендикулярной основанию.
Устройство предназначено для получения водородсодержащего газа при пиролизе углеводородного сырья, преимущественно, природного газа.
Работу устройства осуществляют следующим образом.
Теплоноситель в жидком или твердом состоянии вносят в реактор при комнатной температуре и подают в низ реактора слабый поток инертного газа, преимущественно, аргона. Затем реактор нагревают любым известным способом до температуры пиролиза углеводородного сырья, преимущественно, природного газа, для которого она составляет 1050±150°С. Поток инертного газа замещают потоком газообразного сырья пиролиза, которое, контактируя с жидким теплоносителем, быстро приобретает его температуру и распадается на водородсодержащий газ и твердый углерод. Ввиду высокой разницы в плотности жидкого теплоносителя и продуктов пиролиза последние быстро поднимаются на поверхность слоя теплоносителя. Водородсодержащий газ поступает в фильтр для тонкой очистки от мелких частиц углерода, а твердый углерод накапливается на поверхности слоя теплоносителя, откуда может периодически удаляться любым известным способом. По окончании процесса прекращают обогрев реактора и подают вместо сырья поток инертного газа для охлаждения реактора.
Проблема при использовании известного устройства для пиролиза природного газа состоит в следующем. Пиролиз природного газа, состоящего, преимущественно, из метана, происходит со значительным увеличением объема газовой фазы за счет теплового расширения и образования двух объемов водорода из одного объема метана. Поднимаясь по цилиндрическому реактору, при достижении расхода газа более 200 мл/мин на входе в реактор, расширяющийся водородсодержащий газ выбрасывает часть теплоносителя из зоны нагрева. В таком режиме происходит контакт сырья и стенок реактора, нарушается теплообмен и возникают неизвлекаемые отложения продуктов коксования на стенках реактора. Таким образом, теряется главное преимущество реактора пиролиза с жидким теплоносителем - отсутствие коксообразования. Наличие зон неравномерного нагрева усиливает закоксовывание и ведет к прогоранию стенок реактора.
Использование реактора предлагаемой конструкции, в форме половины поверхности вращения арки циклоиды вокруг своего основания (см. Берман Г.Н. Циклоида. - М.: Наука, 1980. - 112 с. С. 34-35), позволяет решить указанную проблему за счет сохранения гидродинамического режима свободного подъема пузырьков газа. Расширяющееся к верху сечение предлагаемого реактора, компенсирует расширение водородсодержащего газа, а форма реактора способствует циркуляции теплоносителя и теплообмену.
Экспериментальная проверка эффективности предлагаемого технического решения проведена на опытном лабораторном стенде исследования термических процессов в жидкометаллическом реакторе, на примерах пиролиза имитатора природного газа с содержанием 93% метана по объему и пиролиза пропана. В качестве жидкого теплоносителя использовали расплав олова, согласно прототипу. Объем расплава был одинаков в экспериментах с цилиндрическим и предлагаемым реактором.
Пример 1. Пиролиз имитатора природного газа с содержанием 93% метана по объему вели при 1020±10°С, получая при этом водородсодержащий газ (содержание водорода около 30%). В случае цилиндрического реактора (прототип) максимальный расход газа на входе в реактор составлял до 200 мл/мин. Для предлагаемого реактора удалось достигнуть расхода газа в 630 мл/мин, без снижения содержания водорода в смеси.
Пример 2. Пиролиз пропана вели при 975±10°С, контролируя при этом содержание остаточного пропана в продуктах реакции. Разложение пропана не осложнено выделением твердого углерода и требует минимизации времени контакта сырья и теплоносителя. В серии экспериментов с реактором предлагаемой конструкции были достигнуты значения расхода газа на входе в реактор более 750 мл/мин при содержании пропана менее 1% в продуктах реакции.
Предлагаемое устройство для пиролиза в жидком теплоносителе позволяет более чем в три раза увеличить расход перерабатываемого углеводородного сырья в сравнении с прототипом.