УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА И СИНТЕЗ-ГАЗА
DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING ACETYLENES AND SYNTHESIS GAS

УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА И СИНТЕ3-ГАЗА
Описание
Настоящее изобретение касается улучшенного устройства и улучшенного способа получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов в реакторе, при этом в реактор подают поток, содержащий углеводород, а также поток, содержащий кислород.
Высокотемпературные реакции для частичного окисления углеводородов обычно проводят в реакторной системе из смесительного блока, блока горелок, топочной камеры и устройства резкого охлаждения. В качестве примера такого частичного окисления в области высоких температур можно назвать синтез ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов. Он описан, например, в DE 875198, DE 1051845, DE 1057094 и DE 4422815.
В этих документах разъяснены обычно применяемые в ацетиленовом процессе BASF (Заксе-Бартоломе) комбинации смесителя, блока горелок, камеры сгорания и устройства резкого охлаждения, в дальнейшем (если упоминается комбинация), упрощенно называемые «реактором».
Исходные вещества, как, например, природный газ и кислород, при этом нагревают по отдельности, обычно до температуры вплоть до 600°C. В смесительной зоне реагенты интенсивно перемешивают, а после прохождения через блок горелок вызывают их экзотермическую реакцию в камере сгорания. В этих случаях блок горелок состоит из определенного числа параллельных каналов, в которых скорость течения способной воспламеняться смеси кислорода и природного газа выше, чем скорость распространения пламени (скорость реакции, скорость пламени, скорость преобразования); с целью предотвращения прорыва пламени в смесительное пространство. Металлический блок горелок охлаждают, чтобы он выдерживал термическую нагрузку. В зависимости от длительности пребывания в смесительном пространстве возникает опасность преждевременного или обратного воспламенения, поскольку термическая стабильность смесей ограничена. Здесь употребляется термин «запаздывание зажигания» или, соответственно, «время индукции», в смысле того временного промежутка, за который способная воспламеняться смесь не претерпевает существенных внутренних термических изменений. Время индукции зависит от вида используемых углеводородов, от состояния смеси, от давления и температуры. Она определяет максимальную длительность пребывания реагентов в смесительном пространстве. Такие реагенты как водород, сжиженный газ или легкий бензин, применение которых в процессе синтеза особо желательно ввиду повышения выхода и/или производительности, отличаются сравнительно высокой реакционной способностью и, соответственно, малым временем индукции.
Несмотря на преимущества, которые обеспечивают эти устройства, по-прежнему существует возможность улучшений. Так, например, при синтезе ацетилена по Заксе-Бартоломе имеет значение полное перемешивание потоков исходных веществ. При этом в случае известных устройств возможен нежелательный гидродинамический удар. Это, в частности, при высокой производительности, ограничивает возможности установки, поскольку повышения производительности можно добиться только через повышение давления. Кроме того, из-за асимметричного подхода потока к оптимизирующей смешивание завихряющей заслонке в смесительном устройстве возможно неправильное распределение исходных компонентов по концентрации, а также по плотности массового потока, из-за чего в расположенном следом реакторе снижается выход.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы представить устройство и способ, который по меньшей мере в значительной степени уменьшает описанные выше недостатки, а в частности позволяет избежать возможного неправильного распределения ниже завихряющей заслонки по потоку.
Основная идея настоящего изобретения состоит в том, чтобы посредством надлежащей конструкции завихряющей заслонки, которую (спецификацию которой) можно задать так называемым показателем закрутки и видом и направлением отклоняющих перегородок, избежать возможного неправильного распределения после завихряющей заслонки. Конструкция завихряющей заслонки и сечения смесительного устройства согласно изобретению позволяет избежать нежелательного гидродинамического удара в смесительном устройстве. Такую спецификацию также можно задать с помощью характеризующих чисел - показателя закрутки и числа Рейнольдса.
В состав устройства согласно изобретению для получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом входят смесительный блок, участок смешивания и смесительный диффузор. У смесительного блока имеется отверстие подачи для подачи потока, содержащего углеводороды, отверстие подачи для подачи потока, содержащего кислород, завихряющая заслонка и распределительная пластина. Распределительная пластина размещена между участком смешивания и отверстием подачи для подачи содержащего углеводороды потока. В распределительной пластине имеются отверстия. Завихряющая заслонка размещается между отверстием подачи для подачи содержащего кислород потока и участком смешивания. Смесительный диффузор соединен с участком смешивания.
Участок смешивания можно выполнить, по существу, цилиндрическим. Распределительная пластина может иметь такую конструкцию, чтобы при взгляде в направлении по окружности распределительная пластина полностью охватывала участок смешивания. Завихряющая заслонка может по меньшей мере частично располагаться в пределах распределительной пластины. Паспределительная пластина может содержать отверстия для распределения содержащего углеводороды потока. Предпочтительно, чтобы расположение отверстий в распределительной пластине отличалось равномерным распределением. В качестве альтернативы отверстия могут быть распределены по распределительной пластине неравномерно. Распределительная пластина может быть выполнена таким образом, что отношение суммы площадей поперечных сечений отверстий к поверхности распределительной пластины составляло от 0,1 до 0,4, предпочтительно - от 0,2 до 0,3, а еще более предпочтительно - от 0,2 до 0,25, например, 0,225. Отверстие подачи для подачи содержащего углеводороды потока может располагаться относительно центральной оси участка смешивания, по существу, в радиальном направлении. Отверстие подачи для подачи содержащего кислород потока может быть расположено, по существу, параллельно центральной оси участка смешивания. Участок смешивания может соединяться со смесительной трубой, которая характеризуется некоторой длиной и некоторым диаметром, причем длина и диаметр таковы, что при эксплуатации устройства для получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом скорость смеси из потока, содержащего кислород, и потока, содержащего углеводороды, в смесительной трубе составляет от 0,2 М до 1 М, предпочтительно - от 0,3 М до 0,9 М, а еще более предпочтительно - от 0,4 М до 0,8 М, например, 0,6 М. Показатель закрутки у завихряющей заслонки может составлять от 0,3 до 1, предпочтительно от 0,5 до 0,7, а еще более предпочтительно - от 0,55 до 0,65, например, 0,6. Иными словами, поток, проходящий через завихряющую заслонку, характеризуется состоянием потока с таким показателем закрутки.
Способ согласно изобретению для получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом включает в себя смесительный блок, участок смешивания и смесительный диффузор. Через отверстие подачи на участок смешивания подают поток, содержащий углеводороды. Через отверстие подачи на участок смешивания подают поток, содержащий кислород. Распределительную пластину помещают между участком смешивания и отверстием подачи для подачи содержащего углеводороды потока. В распределительной пластине имеются отверстия. Завихряющую заслонку размещают между отверстием подачи для подачи содержащего кислород потока и участком смешивания. Смесительный диффузор соединяют с участком смешивания.
Распределительная пластина может быть выполнена таким образом, чтобы отношение суммы площадей поперечных сечений отверстий к поверхности распределительной пластины составляло от 0,1 до 0,4, предпочтительно - от 0,2 до 0,3, а еще более предпочтительно - от 0,2 до 0,25, например, 0,225. Поток, содержащий углеводороды, можно по существу подавать в радиальном направлении относительно средней оси участка смешения. Поток, содержащий кислород, можно по существу подавать параллельно средней оси участка смешения. Смесительная труба может характеризоваться некоторой длиной и некоторым диаметром, причем длина и диаметр таковы, что способ получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом реализуют таким образом, что смесь из потока, содержащего кислород, и потока, содержащего углеводороды, в смесительной трубе обладает скоростью от 0,2 М до 1 М, предпочтительно - от 0,3 М до 0,9 М, а еще более предпочтительно - от 0,4 М до 0,8 М, например, 0,6 М. Показатель закрутки у завихряющей заслонки может составлять от 0,3 до 1, предпочтительно от 0,5 до 0,7, а еще более предпочтительно - от 0,55 до 0,65, например, 0,6.
Под смесительным блоком реактора в рамках настоящего изобретения следует понимать тот участок реактора, в котором разогретые по отдельности исходные вещества, как, например, природный газ и кислород, соединяются и начинают смешиваться. При этом процедура смешивания происходит на участке смешивания.
Под смесительной трубой в рамках настоящего изобретения подразумевают имеющую форму трубы деталь, в котором разогретые по отдельности и уже объединенные исходные вещества интенсивно перемешиваются. Поскольку в смесительной трубе исходные компоненты обладают высокой скорость течения от 0,2 М до 1 М, они быстро распределяются либо же, соответственно, перемешиваются.
Под смесительным диффузором в рамках настоящего изобретения подразумевают деталь, которая замедляет потоки газов и/или жидкостей и гомогенизирует (делает более равномерной) смесь и скорости потока. В области настоящего изобретения этого добиваются путем увеличения площади поперечного сечения потока в направлении текущей среды.
Под распределительной пластиной в рамках настоящего изобретения подразумевают имеющую форму пластины деталь для распределения содержащего углеводороды потока на участке смешивания. При этом распределительная пластина не обязательно должна быть ровной или плоской, а может иметь, например, цилиндрическую форму. В распределительной пластине имеются отверстия. Отверстия сделаны для распределения содержащего углеводороды потока по участку смешивания, для чего содержащий углеводороды поток попадает через отверстия на участок смешивания. Поскольку отверстия распределены по пластине, содержащий углеводороды поток распределяется по участку смешивания.
Под завихряющей заслонкой в рамках настоящего изобретения подразумевают деталь, которая придает потоку, содержащему кислород, завихрение, так что образуется вихревой поток. Завихрение можно создать, например, с помощью отклоняющих пластин, которые при перетекании отклоняют содержащий кислород поток. Помимо общего состояния потока, как, например, ламинарного или турбулентного, вихревые потоки можно также более специфично охарактеризовать с помощью показателя завихрения. Показатель завихрения представляет собой отношение осевого и вращательного импульса потока. При этом импульс вращательного движения нормируется на характерную меру длины течения, например, наружный радиус ограничивающей поток поверхности, задаваемой деталью, через которую идет поток. Таким образом, показатель завихрения можно определить, измерив профиль скоростей в тангенциальном и осевом направлениях. В общем случае справедливо утверждение, что чем выше компонента поля скоростей по окружности по сравнению с осевыми скоростями завихренного потока, тем выше показатель завихрения.
В качестве еще одного характеристического показателя для состояния потока в рамках настоящего изобретения применяют число Рейнольдса. Число (критерий) Рейнольдса -это безразмерная величина. Оно отображает соотношение сил инерции и сил вязкости. В качестве характеристических величин потоков в трубах обычно используют внутренний диаметр, модуль усредненной по сечению скорости и вязкость текучей среды. Отношение произведения усредненной скорости на внутренний диаметр к вязкости и есть число Рйнольдса. Ниже критического значения числа Рейнольдса примерно в 2300 течение в общем случае ламинарное, а выше него - в общем случае турбулентное.
Под блоком горелок реактора в рамках настоящего изобретения подразумевают ту область реактора, через которую протекают разогретые и перемешанные исходные компоненты. При этом перемешанные исходные компонеты протекают в каналах или сверленых отверстиях.
Если не указано иное, то в рамках настоящего изобретения выражения «канал» и «сверленое отверстие» используют как синонимы. Под понятием сверленого отверстия в рамках настоящего изобретения подразумевают круглый или некруглый пробой в детали.
Под камерой сгорания реактора в рамках настоящего изобретения подразумевают ту область реактора, в которую после протекания через блок горелок попадают разогретые и перемешанные исходные компоненты и происходит их экзотермическая реакция. Поскольку в рамках настоящего изобретения в качестве исходных компонентов применяют углеводород и кислород, то при этой экзотермической реакции образуется в основном ацетилен. В качестве прочих продуктов образуются водород, монооксид углерода и в небольших количествах сажа.
Под площадью сечения в рамках настоящего изобретения подразумевают площадь поверхности, открытой при сечении. При этом плоскость сечения проходит перпендикулярно оси симметрии той детали, площадь сечения которой рассматривается. Например, площадь сечения отверстия - это размер той площади, которую можно получить при сечении перпендикулярно воображаемой оси симметрии через центр отверстия.
Под регулярным узором (орнаментом) в рамках настоящего изобретения подразумевают узор, который состоит из различных элементов в заранее установленном симметричном или равномерном порядке. Иными словами, элементы, повторяясь, располагаются на месте на фиксированных расстояниях друг от друга
Под выражением "по существу" в рамках настоящего изобретения подразумевают отклонение не более чем на 20° или 20%, а предпочтительно не более чем на 15° или 15% от точного заданного направления. Так, например, выражение «по существу в радиальном направлении относительно центральной оси» означает отклонение от в точности радиального направления не более чем на 20°, а предпочтительно - не более чем на 15°. Аналогичным же образом, выражение «по существу параллельно центральной оси» означает отклонение от в точности параллельного направления не более чем на 20°, а предпочтительно - не более чем на 15°. При указании формы детали, как, например, «по существу цилиндрическая», выражение «по существу» означает, что форма отклоняется от идеальной формы не более чем на 20%, а предпочтительно не более чем на 15%, причем значения в процентах относятся к поверхности детали.
Прочие не обязательные детали и признаки настоящего изобретения следуют из приводимого ниже описания предпочтительных примеров исполнения, которые схематически представлены на чертежах.
Представлены:
Фигура 1 Изображение устройства для изготовления ацетилена и синтез-газа в разрезе
Фигура 2 Изображение распределительной пластины в воображаемом развернутом состоянии
Фигура 3 Результат симуляции соотношения локальной скорости и средней скоростей по окружности смесительной трубы.
Формы реализации изобретения
На фигуре 1 представлено изображение устройства для изготовления ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом в разрезе. Устройство 10 включает в себя смесительный блок 12, участок смешивания 14 и смесительный диффузор 16. У смесительного блока 12 имеется отверстие подачи 18 для подачи потока, содержащего углеводорода, например, природного газа, отверстие подачи 20 для подачи потока, содержащего кислород, завихряющая заслонка 22 и распределительная пластина 24. Участок смешивания 14 примыкает к завихряющей заслонке 22.
Участок смешивания 14 соединен со смесительным диффузором. Участок смешивания 14 выполнен по существу цилиндрическим и имеет центральную ось 26. Отверстие подачи 18 для подачи содержащего углеводороды потока располагается относительно центральной оси 26 участка смешивания 14 по существу в радиальном направлении. Отверстие подачи 20 для подачи содержащего кислород потока располагается по существу параллельно центральной оси 26 участка смешивания 14. Распределительная пластина 24 размещена между участком смешивания 14 и отверстием подачи 18 для подачи содержащего углеводороды потока. Распределительная пластина 24, при взгляде в направлении по окружности вокруг центральной оси 26, полностью охватывает участок смешивания 14.
Фигура 2 демонстрирует распределительную пластину 24 в воображаемом развернутом состоянии. В распределительной пластине 24 имеются отверстия 28 для распределения содержащего углеводороды потока. Расположение отверстий 28 в распределительной пластине 24 предпочтительно отличается равномерным распределением. Отверстия 28 сделаны в распределительной пластине, 24 например, фрезеровкой. Отверстия 28 имеют, например, форму продольной прорези или овала. В каждом случае более длинная полуось отверстий 28 подобной формы может располагаться, например, параллельно высоте распределительной пластины и таким образом перпендикулярно направлению по окружности распределительной пластины 24 вокруг центральной оси. В качестве альтернативы отверстия 28 могут распределяться по распределительной пластине 24 неравномерно. Распределительная пластина 24 имеет такую конструкцию, что отношение суммы площадей поперечных сечений отверстий 28 к поверхности распределительной пластины 24 составляет от 0,1 до 0,4, предпочтительно - от 0,2 до 0,3, а еще более предпочтительно - от 0,2 до 0,25, например, 0,225.
Завихряющая заслонка 22 размещается между отверстием подачи 20 для подачи содержащего кислород потока и участком смешивания 14. Участок смешивания 14, соответственно, примыкает к завихряющей заслонке 22. Завихряющая заслонка 22 по меньшей мере частично располагается в пределах распределительной пластины 24. Чтобы придать содержащему кислород потоку завихрение, у завихряющей заслонки 22 имеются не изображенные более подробно отклоняющие пластины. Показатель завихрения у завихряющей заслонки 22 составляет от 0,3 до 1, предпочтительно от 0,5 до 0,7, а еще более предпочтительно - от 0,55 до 0,65, например, 0,6.
Как упомянуто выше, участок смешивания 14 соединен со смесительным диффузором 16. Точнее, участок смешивания 14 соединен со смесительной трубой 30, которая в свою очередь соединена со смесительным диффузором 16. Смесительный диффузор 16 может иметь половинный угол раскрытия α менее 8°, предпочтительно менее 4°, а еще более предпочтительно - менее 2°, например, 1,5°. Смесительная труба 30 характеризуется некторой длиной и некоторым диаметром. При этом длина и диаметр выполнены либо же, соответственно, заданы так, что при эксплуатации устройства 10 для изготовления ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом скорость смеси из потока, содержащего кислород, и потока, содержащего углеводороды, в смесительной трубе 30 составляет от 0,2 М(Маха) до 1 М, предпочтительно - от 0,3 М до 0,9 М, а еще более предпочтительно - от 0,4 М до 0,8 М, например, 0,6 М.
Ниже описан способ изготовления ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом согласно изобретению, который можно использовать в случае устройства 10. Углеводороды, как, например, природный газ, и кислород как исходные газы предварительно нагревают по отдельности, предусметриваются их отдельные потоки. Поток, содержащий углеводороды, подают на участок смешивания 14 через отверстие подачи 18. Ввиду особенного расположения отверстия подачи 18, изложенного выше, содержащий углеводород поток подают по существу в радиальном направлении относительно центральной оси 26 участка смешивания 14. Поток, содержащий кислород, подают на участок смешивания 14 через отверстие подачи 20. Ввиду особенного расположения отверстия подачи 20, изложенного выше, содержащий кислород поток подают по существу в осевом ноправлении, или, соответственно, параллельно центральной оси 26 участка смешивания 14. Содержащий углеводороды поток проходит сквозь распределительную пластину 24 через отверстия 28 и таким образом равномерно распределяется по участку смешивания 14. На участке смешивания 14 содержащий углеводороды поток интенсивно перемешивается с кислородсодержащим потоком, который подают на участок смешивания 14 через отверстие подачи 20. При этом подаваемый поток, содержащий кислород, с помощью отклоняющих пластин завихряют либо же, соответственно, ему придают крутку в завихряющей заслонке 22, и таким образом обеспечивается лучшее его перемешивание с содержащим углеводороды потоком. Показатель завихрения у завихряющей заслонки 22 составляет при этом от 0,3 до 1, предпочтительно от 0,5 до 0,7, а еще более предпочтительно - от 0,55 до 0,65, например, 0,6. Иными словами, отклоняющие пластины в завихряющей заслонке обеспечивают кислородсодержащему потоку состояние потока с указанными показателями завихрения.
Смесь содержащего углеводороды потока и содержащего кислород потока затем попадает в смесительную трубу. По причине описанного выше особенного отношения длины смесительной трубы 30 к ее диаметру смесь из потока, содержащего кислород, и потока, содержащего углеводороды, в смесительной трубе 30 обладает скоростью от 0,2 М до 1 М, предпочтительно - от 0,3 М до 0,9 М, а еще более предпочтительно - от 0,4 М до 0,8 М, например, 0,6 М. Эта высокая скорость течения обеспечивает дальнейшее быстрое и эффективное распределение либо же, соответственно, перемешивание потока, содержащего углеводороды, и кислородсодержащего потока.
Из смесительной трубы 30 смесь содержащего углеводороды потока и кислородсодержащего потока попадает в смесительный диффузор 16. В смесительном диффузоре 16 скорость смеси содержащего углеводороды потока и кислородсодержащего потока снижается из-за описанного выше увеличения сечения смесительного диффузора 16, если смотреть в направлении течения, а динамическое давление возрастает. Затем смесь содержащего углеводороды потока и кислородсодержащего потока попадает наконец из смесительного диффузора 16 в блок горелок с камерой сгорания. В камере сгорания в смеси содержащего углеводороды потока и кислородсодержащего потока запускают реакцию для изготовления ацетилена, а затем быстро охлаждают в усиройстве резкого охлаждения.
На фигуре 3 показан результат симуляции локальной скорости по окружности смесительной трубы 30 относительно средней скорости. При этом по оси x (абсцисс) 32 указано относительно положение по направлению окружности смесительной трубы 30, то есть положение X относительно 7 π*диаметр смесительной трубы 30. По оси у (ординат) 34 приведено отношение локальной скорости к средней скорости как безразмерный показатель. На кривой 36 показана имеющаяся в случае описанного выше устройства 10 и способа согласно изобретению локальная скорость по окружности смесительной трубы относительно средней скорости. Как видно по кривой 36, изображенной на фигуре 3, отношение локальной скорости к средней скорости лишь незначительно колеблется около среднего значения 1,00. Это означает, что имеется равномерное распределение скорости по всей окружности смесительной трубы 30, то есть всей площади сечения смесительной трубы 30. Соответственно, удается избежать неправильного распределения после завихряющей заслонки 22. Кроме того, конструктивное исполнение завихряющей заслонки 22 и сечения смесительного блока 12 позволяет избежать нежелательного гидравлического удара в смесительном блоке. Этого можно добиться посредством особенной конструкции завихряющей заслонки 22 и распределительной пластины 24.
Список условных обозначений
10
Устройство
12
Смесительный блок
14
Участок смешивания
16
Смесительный диффузор
18
Отверстие подачи для потока углеводородов
20
Отверстие подачи для потока кислорода
22
Завихряющая заслонка
24
Распределительная пластина
26
Центральная ось (симметрии)
28
Отверстия
30
Смесительная труба
32
Ось x
34
Ось y
36
Кривая
α
Половинный угол раскрытия