СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА И СИНТЕЗ-ГАЗА ПУТЕМ БЫСТРОГО СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ
METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING ACETYLENE AND SYNTHETIC GAS THROUGH FAST MIXTURE OF REAGENTS

Предложенное изобретение относится к улучшенному способу получения ацетилена и синтез-газа путем термического частичного окисления в реакторе, который имеет горелку с проходными отверстиями, а также к устройству для осуществления предложенного согласно изобретению способа.
Комбинации смеситель/горелка/топочная камера/тушильник, используемые, как правило, в способе получения ацетилена BASF-Sachsse-Bartholomé, далее, если ссылаются на комбинацию, упрощенно обозначаемые как «реактор», описывают, например, в немецком патенте DE-PS 875198.
Ацетиленовые горелки, используемые в настоящее время в промышленных масштабах, отличаются своей цилиндровой геометрией топочного пространства (реактора). Исходные вещества предварительно смешивают в диффузоре и в значительной мере свободные от обратного смешения вводят в блок горелки, который предпочтительно имеет шестиугольно расположенные проходные отверстия. В варианте осуществления, например, 127 отверстий с внутренним диаметром 27 мм шестиугольно расположены на круговом основном поперечном сечении с диаметром около 500 мм. Подключенная топочная камера, в которой стабилизируется пламя реакции частичного окисления в ацетилен, также цилиндрического поперечного сечения и соответствует по внешнему виду короткой трубе (например, диметр 533 мм и длина 400 мм). Вся горелка из блока горелки и топочной камеры навешивается сверху через фланец в емкость для тушения более большого поперечного сечения. На высоте выходной плоскости из топочной камеры вне ее объема устанавливают сопла для тушения на одном или нескольких распределительных кольцах для тушения, которые распыляют тушащую среду, например воду или масло, с или без помощи среды для распыления и впрыскивают приблизительно вертикально к направлению основного потока покидающих топочную камеру реакционных газов. Задачей такого непосредственного тушения является чрезвычайно быстрое охлаждение реагирующего потока, чтобы последовательные реакции, особенно разложение образованного ацетилена, подавлялись (замораживались). Причем дальность действия и распределение тушащих потоков идеально изменяют таким образом, что достигалось, по возможности, гомогенное распределение температуры, по возможности, в более короткое время.
Так как в способе получения ацетилена BASF-Sachsse-Bartholomé и подобных способах термического частичного окисления исходные вещества (углеводороды или кислород) предварительно нагревают и перемешивают, в результате этого возникает опасность предварительного воспламенения и обратного воспламенения в результате, также временно, ограниченной термической стабильности смесей. Следующие из этого последствия обычно известны, можно получить простои и работу факелов с опасностями эмиссии, особенно при более высоких частях реактивных компонентов исходных веществ, таких как водород или жидкий газ (LPG). Тем не менее, желательно применение именно этих компонентов исходных веществ, так как они могут способствовать повышениям выходов и/или производительности.
При проведении известных способов происходит предварительное смешение исходных веществ в смесительном диффузоре в относительно больших объемах и при высоких температурах. В результате повышенной части реактивных компонентов исходных веществ, каталитически действующих частиц и поверхностей, например ржавчины, кокса и т.д., большого распределения времени пребывания, например, через зоны обратного смешения и точек полного торможения потоков может происходить то, что нарушается время индукции для воспламенения смеси, вследствие чего ухудшаются экономичность и эффективность способа. Далее представляется, как едва возможный, ввод дополнительных устройств, таких как, например, зажигательная горелка, так как с учетом вместе с тем возникающих нарушений потоков, а также нарушения времени индукции вызывает опасение воспламенение смеси.
Таким образом, поставлена задача разработать улучшенный способ для получения ацетилена и синтез-газа, с помощью которого избегнуть названных недостатков и который далее обеспечивает более высокие температуры для предварительного нагрева и применение более высоких давлений. При этом данный способ должен быть легко и экономично реализуем, причем он должен проводиться также с использованием уже существующих обычных горелок.
В соответствии с вышесказанным найден способ получения ацетилена и синтез-газа путем термического частичного окисления в реакторе, который имеет горелку с проходных отверстиями, который отличается тем, что превращаемые исходные вещества быстро и полностью перемешивают только непосредственно перед пламенной реакционной зоной в проходных отверстиях горелки, причем в зоне смешения в пределах проходных отверстий устанавливают средние скорости потока, которые превышают скорости распространения пламени при подходящих реакционных условиях. Далее найдено устройство для проведения предложенного согласно изобретению способа.
Согласно изобретению можно избежать описанных нежелательных предварительных и обратных воспламенений посредством того, что предварительное смешение исходных веществ проводят не как до настоящего времени в больших объемах (в смесительном диффузоре) при незначительных скоростях потоков, а предварительное смешение предпочтительно переносят в типично уже существующие большие количества отверстий блока горелки («проходные отверстия»). В общем задачей проходных отверстий является локально определенным образом стабилизировать пламя. Благодаря предложенным согласно изобретению усовершенствованиям смешение распределяется на много маленьких объемов и в проходных отверстиях образуется направленное вперед течение, которое имеет высокую скорость. В находящемся там высокотурбулентном потоке путем подходящей геометрии перемешивания легко и быстро получают смесь, причем одновременно избегают проскока пламени благодаря гораздо более высокой по сравнению со скоростью пламени скорости потока в проходных отверстиях. Разработку геометрии перемешивания специалист в данной области может легко установить с учетом данного изобретения. Хорошо подходящими для этого являются, например, смесительные сопла, которые работают по принципу Вентури или принципу статической смесительной трубы. Разделение задачи предварительного смешения при обычных методах масштабирования для ацетиленовых горелок и ацетиленовых реакторов также обеспечивает простую применимость и пригодность.
Горелками в способе BASF-Sachsse-Bartholomé являются обычно водоохлаждаемые цилиндровые блоки, которые имеют большое число также цилиндровых отверстий. На основе, таким образом, возникающих заграждений поддерживается стабилизация пламени, так что в топочном пространстве над пластиной горелки образуется идеально ровное пламя. Причем число отверстий, а также их диаметр и интервал при заданной емкости горелки выбирают таким образом, что скорость потока в отверстиях находится выше обратного удара пламени, но ниже критической скорости продувки.
3
Согласно изобретению смешение исходных веществ происходит только непосредственно перед пламенной реакционной зоной в проходных отверстиях горелки, а не как до настоящего времени в диффузоре. Объем горелки, используемой в промышленных масштабах, составляет, например, 0,6 м, в то время как объем предложенного согласно изобретению смесительного элемента на приблизительно 3 порядка меньше.
Таким образом, время пребывания в смесительном элементе сокращается до 0,001-0,005 секунд, в то время как оно при обычном смешении через отдельный диффузор составляет 0,1-0,3 секунды. Вместе с тем можно предварительно смешивать реакционные смеси, у которых период запаздывания воспламенения находится в области миллисекунд. Смесительный элемент отличается в значительной степени свободным от обратного перемешивания и быстрым перемешиванием обоих исходных веществ при минимизации появляющейся при этом потери давления. Благодаря соответствующему конструктивному исполнению также можно использовать начальное давление одного из двух исходных веществ для засасывания и смешения по принципу статической смесительной трубы.
Особенно просто и предпочтительно устройство, подходящее для проведения предложенного согласно изобретению способа, можно осуществить путем дополнительного снабжения существующей горелки промежуточным фланцем для раздельного ввода исходных веществ. При этом одно из двух исходных веществ вводят через прежний диффузор для предварительного смешения, в то время как соответственно другое через промежуточный фланец распределяется на отдельных смесительных элементах. Одно из двух исходных веществ находится при повышенном давлении, ввод этого вещества может осуществляться через поперечные потоки. Если два исходные вещества обладают почти равным начальным давлением, они вводятся с более высоким начальным давлением предпочтительно через обычный диффузор для предварительного смешения, так что смесительная труба работает по принципу статического смесителя. При этом функцию смесительной трубы берут на себя проходные отверстия уже присутствующего блока горелки, так что она остается незначительно приспособленной в своей функции. В обоих вариантах осуществления путем усоверщенствований предотвращают простои, работу факелов и связанные эмиссии и открываются возможности использовать или рециркулировать сырой синтез-газ, (сырой)-водород или более высокие части (>10 об.%) этана, этилена или сжиженных газов (пропана, бутана и т.д.), повышать высокие температуры для предварительного нагрева на более чем 600°С, а также давление реактора на более чем 1,3 бар, иначе появился бы повод для опережения зажигания. Вместе с тем в существующих способах можно осуществить или увеличение выхода, или повышение производительности. Для рециркуляции водорода или водородсодержащих сырых синтез-газов, которые образуются в виде побочных продуктов и комбинированных продуктов во всех осуществляемых в промышленных масштабах способах получения ацетилена, преимущество состоит в их предпочтительном окислении с учетом более высокой реакционноспособности водорода относительно часто обычного исходного вещества - метана (из природного газа). Вместе с тем в способе частичного окисления высвобождающая тепло реакция окисления управляет неподходящим, как предшественником ацетилена, водородом и бережет источники углерода для образования ацетилена, то есть используемый углеводород. Путь, ведущий к образованию ацетилена, является скорее пиролитически обусловленным и использует реакции крекинга используемого углеводорода, которые индуцируются данным высвобождением тепла in situ.
Предложенное согласно изобретению устройство более подробно пояснено с помощью чертежа. На чертеже изображена горелка (1), в которую через линию (2) вводят исходное вещество. Через часть устройства (3), используемого с помощью промежуточного фланца, через линию (4) подводят второе исходное вещество. Оба исходных вещества смешивают с помощью неточно представленной мешалки (5) в проходных отверстиях (6) горелки непосредственно перед поступлением в топочную камеру (7).
Изобретение можно применять для всех способов получения ацетилена путем частичного окисления, однако особенно для способа получения ацетилена BASF и его различных вариантов осуществления. Также особенно предпочтительной является комбинация со способами, описанными в немецких заявках на патент DE 10313527 А1, DE 10313528 А1, DE 10313529 A1, и ссылка на них.
Изобретение особенно отличается от способов, в которых предварительное смешение происходит в пространстве реактора, горелки или топочном помещении в диффузионном пламени, с временно и на месте параллельно реакции горения протекающими турбулентными диффузионными процессами смешения, как описывают, например, в немецкой заявке на патент DE 2052543 С3, тем более, что они там полностью избегают названных недостатков сдвига выходов от ацетилена до повышенных частей этилена. Кроме того, остается подчеркнуть, что возможность оснащения дополнительным устройством существующей установки и способа с помощью простого устройства и таким образом их преобразование в предложенный согласно изобретению способ может приниматься в качестве особенно предпочтительного.
В качестве исходных веществ можно использовать, в принципе, все углеводороды, применяемые для получения ацетилена и/или синтез-газа, как, например, метан, высшие насыщенные или ненасыщенные углеводороды, а также биотопливо, которое при выбранной температуре для предварительного нагревания является газообразным.
Предложенный согласно изобретению принцип процесса можно применять также для других способов получения ацетилена и синтез-газа с названными преимуществами.
Предложенный согласно изобретению способ способствует экономичному получению ацетилена и синтез-газа при высоких выходах. Время для предварительного смешения обоих реакционных компонентов существенно сокращено, так что высокие температуры для предварительного нагревания или давления исходных веществ, а также большее содержание реакционноспособных используемых компонентов можно осуществить без опережения зажигания в смесительной камере, вследствие чего эффективность способа далее увеличивается.
Дополнительное преимущество предложенного согласно изобретению способа состоит в том, что в области диффузора, который в обычных горелках осуществляет смешение и подачу смеси в блок горелки, больше не запрещается встраивание частиц, тормозящих поток, так как местное время обработки газов, повышенное в области оторвавшихся вихрей, больше не может индуцировать никаких опережений зажигания. Таким образом, теперь можно осуществить предпочтительно внутренние устройства, такие как запальные устройства, которые до настоящего времени не применялись в ацетиленовых горелках, альтернативные системы контроля пламени, измерительные зонды или подведения охлаждающей воды, например, для обслуживания типов горелок согласно немецкой заявки на патент DE 10313528 А1. Данный способ можно осуществить предпочтительно также при уже существующих горелках путем простого изменения с меньшими затратами и с незначительными технологическими издержками.
Примеры
1. При эксплуатации обычной ацетиленовой горелки (25 тонн в сутки) с использованием природного газа получают типичные газовые составы продуктов, которые содержат 8,5 об.% ацетилена.
2. Во втором испытании согласно изобретению превращают исходный газ, который наряду с природным газом содержит 6 об.% этана. В результате этого концентрации ацетилена в пиролизном газе повышаются на 9 об.%.
3. Если содержание этана повышается более 20 об.%, с учетом короткого времени происходит массовое увеличение опережений зажигания и таким образом связанные работы факелов, так что экономичная эксплуатация обычной установки больше невозможна. С помощью предложенного согласно изобретению способа можно избежать данных обратных воспламенений и увеличить концентрацию ацетилена в пиролизном газе на более чем 9,5% ацетилена, что означает следующее увеличение выхода.