CN101163654B - 通过快速混合反应物而生产乙炔和合成气的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过在具有带通道的燃烧器的反应器中部分热氧化而制备乙炔和合成气的方法。根据该方法，仅在紧临进入火焰反应区之前在燃烧器通道中使待反应原料快速且完全混合。在通道内的混合区中建立超过给定反应条件下的火焰传播速度的平均流速。
Description
本发明涉及一种通过在具有带通道的燃烧器的反应器中部分热氧化而制备乙炔和合成气的改进方法，以及涉及进行本发明方法的设备。
例如在德国专利875 198中提及了常用于BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔方法的混合器/燃烧器/燃烧空间/骤冷组合(在下文中提及该组合时简称作“反应器”)。
在目前生产规模上使用的乙炔燃烧器的特征为其燃烧空间(反应器)的圆柱状几何形状。原料经由扩散器预混合并基本上不需返混地供入优选具有六边形排列的通道的燃烧器单元。在一个实施方案中，例如将127个内径为27mm的孔六边形排列在直径为约500mm的圆形基底横截面上。其中使形成乙炔的部分氧化反应的火焰稳定的下游燃烧空间同样具有圆柱状横截面且其外观对应于短管(例如直径为533mm，长度为400mm)的外观。经由法兰将包括燃烧器单元和燃烧空间的整个燃烧器从顶部悬挂进入具有较大横截面的骤冷容器。在与燃烧空间水平的出口高度上，将骤冷喷嘴安装在一个或多个位于所述燃烧空间外围的骤冷分配器环上，该骤冷喷嘴在借助或不借助雾化介质的情况下使骤冷介质如水或油雾化并将所述骤冷介质与离开燃烧空间的反应气体的主要流动方向近似垂直地喷雾至该反应气体。该直接骤冷具有使反应料流非常快速地冷却从而使随后反应，即尤其是使所形成乙炔的降解冻结的功能。理想的是骤冷射流的范围和分布应在尽可能短的时间内达到尽可能均匀的温度分布。
因为在BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔方法和类似的部分热氧化中预热和预混合原料(烃或氧气)，由于混合物有限的热稳定性，包括对于时间有限的热稳定性，这导致预燃烧和再燃烧的危险。后果众所周知，尤其是在较高比例的反应起始组分如氢气或液化气(LPG)的情况下，可能导致具有散发危险的熄火和火焰活性。然而，其正好是这些起始组分所需的用途，因为它们可允许产率和/或容量的增加。
在已知方法中，预混合原料在高温下在较大体积的混合扩散器中进行。由于反应起始组分，例如通过返混区和液体流动临界点的具有大停留时间分布的催化活性颗粒和表面如锈、焦炭等的比例增加，点燃混合物的诱导时间可能过长，其结果是损害了方法的成本效率和有效性。此外，证明额外引入设备如点火喷嘴的可行性很小，这是因为由于由此产生的流体扰动的结果，还应担心的是点燃混合物的诱导时间将会过长。
因此，本发明的目的为提供一种制备乙炔和合成气的改进方法，其避免了所述缺点且进一步允许较高的预热温度和使用较高压力。该方法应能够容易且经济地实现，且其还应仅用现有常规燃烧器进行。
因此，发现了一种通过在具有带通道的燃烧器的反应器中部分热氧化而制备乙炔和合成气的方法，其中仅在紧临进入火焰反应区之前在燃烧器通道中使待反应原料快速且完全混合，其中在通道内的混合区中建立超过给定反应条件下的火焰传播速度的平均流速。此外，发现了进行本发明方法的设备。
如果不像目前常用的那样在大体积内(在混合扩散器内)以较低流速进行原料的预混合，而是有利地将该预混合转移至通常在任何情况下都存在的大量燃烧器单元孔(“通道”)中，则根据本发明所述不希望的预燃烧和再燃烧可避免。通道通常具有以局部限定方式稳定火焰的功能。借助本发明的措施，混合被划分为许多小的体积，且在通道中形成高速顺流。在其中存在的高速湍流中，混合可通过合适的混合几何形状容易且快速地建立，同时由于通道中远比火焰速度高的流速，避免了火焰返回(strike-back)。混合几何形状的设计可由了解本发明知识的本领域熟练技术人员容易地决定。例如根据文丘里原理或静态混合管的原理操作的混合喷嘴适合该目的。在常规规模的乙炔燃烧器和乙炔反应器方法的情况下，预混合任务的划分也提供了容易的可转移性和应用性。
BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔方法的燃烧器通常为具有多个同样为圆柱状孔的水冷圆柱状单元。由于由此形成的阻隔，支持了火焰的稳定，从而在燃烧器盘上的燃烧空间中形成理想水平的火焰。以使得孔中流速高于火焰返回速度但低于临界的吹灭速度的方式对给定的燃烧器容量选择孔 的数目及其直径和空间。
根据本发明，仅在紧临火焰反应区之前在通道中混合原料并且不像目前那样在扩散器中进行。生产规模上使用的燃烧器的体积为约0.6m3，而本发明混合元件的体积约小3个数量级。
这使得可将混合元件中的停留时间减少至0.001-0.005s，而在经由单独的扩散器常规混合的情况下它们为0.1-0.3s。因此可预混合其点火延迟时间在毫秒范围内的反应混合物。混合元件的特征在于在导致压降最小化的情况下基本上无返混且快速混合两种原料。通过合适的设计，还可使用根据静态混合管原理吸入和混合两种原料之一的进气压力。
适合进行本发明方法的设备尤其可容易且有利地通过借助用于分开原料进料的对接法兰改型现有燃烧器而实现。这里，两种原料之一经由目前使用的预混合扩散器供入，而相应的另一种原料经由单独的混合元件上的对接法兰分配。如果两种原料之一存在于升高的压力下，则该物质的引入可通过交叉射流进行。如果两种原料基本具有相同的进气压力，则具有较高进气压力的原料优选经由目前使用的预混合扩散器供入，以使混合管根据静态混合器的原理操作。混合管的功能这里通过现有燃烧器单元的通道实现，这保持略微适应其功能。在两种实施变型方案中，熄火、火焰活性和相关的散发可通过措施避免，且存在使用或再循环粗合成气、(粗)氢气或较高比例(＞10体积％)乙烷、乙烯或液化气(丙烷、丁烷等)，使预热温度升高至大于600℃，使反应器压力升高至大于1.3巴的新可能性，而否则的话这会导致预燃烧。因此可在现有方法中实现产率增加或产量增加。对于使在以工业规模操作的所有乙炔方法中作为副产物和伴生产物(coupledproduct)得到的氢气和含氢气的粗合成气再循环，与常用原料甲烷(来自天然气)相比，由于氢气的活性较高，其中的优点为它们优选氧化。因此，在部分氧化方法中，放热氧化反应不指向不适合作为乙炔前体的氢气，且形成乙炔的碳源，即进料烃受到保护。导致乙炔形成的途径倾向于具有热解特征且使用通过该原位热释放引发的进料烃的裂解反应。
本发明设备例如通过参考附图更详细解释。附图显示了经由管(2)将一种原料供入其中的燃烧器(1)。第二种原料经由借助对接法兰插入的设备部 件(3)，经由管(4)输入。两种原料在紧临进入燃烧室(7)之前，通过位于燃烧器的通道(6)中的未详细显示的混合器(5)混合。
本发明可应用至所有的部分氧化乙炔方法，但尤其应用至BASF乙炔方法及其各种实施方案。还明显有利的是与公开在专利申请DE10313527A1、DE10313528A1和DE10313529A1中的方法组合，在此作为参考引入。
本发明明显不同于例如公开在DE2052543C3中的其中在反应器、燃烧室或燃烧空间以扩散火焰进行预混合的方法，在该方法中湍流扩散混合工艺与燃烧反应同时且一起进行，尤其是因为本发明完全避免了那里所述的乙炔产率移向较高比例乙烯的缺点。此外，应强调的是可借助简单设备改型现有装置和方法，因此它们向本发明方法的转变可认为是特别有利的。
合适的原料原则上为常用于制备乙炔和/或合成气的所有的烃，例如甲烷、在所选预热温度下以气体形式存在的高级的饱和或不饱和烃和生物燃料。
本发明的方法原理还可用于具有所述优点的制备乙炔和合成气的其它方法。
本发明方法允许以高产率经济地制备乙炔和合成气。预混合两种反应物的时间明显减少，从而可在混合空间中不发生预燃烧的情况下实现高预热温度或原料压力和较高比例的反应起始组分，其结果是进一步增加了方法的有效性。
本发明方法的额外优点为在扩散器区域不再禁止安装流体扰动部件，其在常规燃烧器的情况下对混合和将混合物供入燃烧器单元有影响，因为在本发明方法中，在分开涡流区域中气体的局部停留时间增加不再导致预燃烧。因此，现在可有利地实现例如向根据DE10313528A1的燃烧器类型提供内件如目前在乙炔燃烧器中不常用的点火喷嘴，或者火焰监控系统，测量探头或冷却水供水器。还有利的是该方法还可通过以经济的方式和很小的工艺努力简单转换而在现有燃烧器中实现。
因此，本发明尤其包括：
-一种通过在具有带通道的燃烧器的反应器中部分热氧化而制备乙炔和合成气的方法，其中仅在紧临进入火焰反应区之前在燃烧器通道中使待反应原料快速且完全混合，其中在所述通道内的混合区中建立超过给定反应条件下的火焰传播速度的平均流速。
-如上所定义的方法，其中将一个或多个点燃所述燃烧器中的主反应的点火喷嘴引入扩散器中，该扩散器在所述燃烧器的上游并且通过该扩散器将一种原料供入所述燃烧器中。
-如上所定义的方法，其中将离开所述反应器的副产物料流，尤其是氢气再循环至所述反应器并与所用烃在进入所述燃烧器之前混合。
-如上所定义的方法，其中将所述再循环副产物料流与所用烃和氧气在进入所述燃烧器之前混合。
-如上所定义的方法，其中将天然气之外的烃混合物以超过10体积％，尤其是超过20体积％的比例与天然气在所述燃烧器之前，优选在用于预热原料的预热器之前混合。
-如上所定义的方法，其中使用天然气之外的烃混合物如乙烷、乙烯、液化气和其它在所用预热温度下为气体的高级饱和或不饱和烃代替天然气。
-一种进行如上所定义的方法的设备，其包括用于制备乙炔的常规燃烧器，该燃烧器借助对接法兰补充有允许原料在燃烧器通道中混合的混合装置。
-如上所定义的设备，其中反应空间向骤冷区域的过渡呈环形缝隙形式。
实施例：
1.在常规的每天25公吨的乙炔燃烧器的操作中，使用天然气获得通常包含8.5体积％乙炔的产物气体组合物。
2.在另一实验中，根据本发明，使除了天然气外还包含6体积％乙烷的进料气体反应。结果是，乙炔在裂解气体中的浓度可增加至9体积％。
3.如果乙烷含量增加至大于20体积％，则由于点火延迟时间显著缩短而大大增加预燃烧和相关的火焰活性，从而不再能够经济地操作常规设备。借助本发明方法，可避免这些再燃烧，且在裂解气体中的乙炔浓度可增加至大于9.5％乙炔，这意味着产率的进一步增加。
Claims (11)
1.一种通过在具有带通道的燃烧器的反应器中部分热氧化而制备乙炔和合成气的方法，其中仅在紧临进入火焰反应区之前在燃烧器通道中使待反应原料快速且完全混合，其中在所述通道内的混合区中建立超过给定反应条件下的火焰传播速度的平均流速。
2.根据权利要求1的方法，其中将一个或多个点燃所述燃烧器中的主反应的点火喷嘴引入扩散器中，该扩散器在所述燃烧器的上游并且通过该扩散器将一种原料供入所述燃烧器中。
3.根据权利要求1的方法，其中将离开所述反应器的副产物料流再循环至所述反应器并与所用烃在进入所述燃烧器之前混合。
4.根据权利要求2的方法，其中将离开所述反应器的副产物料流再循环至所述反应器并与所用烃在进入所述燃烧器之前混合。
5.根据权利要求3的方法，其中将所述再循环副产物料流与所用烃和氧气在进入所述燃烧器之前混合。
6.根据权利要求4的方法，其中将所述再循环副产物料流与所用烃和氧气在进入所述燃烧器之前混合。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中将天然气之外的烃混合物以超过10体积％的比例与天然气在所述燃烧器之前混合。
8.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中使用天然气之外的烃混合物代替天然气。
9.根据权利要求7的方法，其中使用天然气之外的烃混合物代替天然气。
10.一种进行根据权利要求1-9中任一项的方法的设备，其包括用于制备乙炔的常规燃烧器，该燃烧器借助对接法兰补充有允许原料在燃烧器通道中混合的混合装置。
11.根据权利要求10的设备，其中反应空间向骤冷区域的过渡呈环形缝隙形式。
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