CN105473217B - 用于制备乙炔和合成气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的设备(10)，包括反应器(12)。所述反应器(12)包含具有用于制备乙炔的燃烧室的燃烧器炉体(14)、呈现在燃烧器炉体(14)中的第二室(18)，和围绕第二室(18)的环状空间(20)。所述燃烧器炉体(14)包括用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧室的孔(22)和用于将辅助氧气料流供入燃烧室的孔(24)。所述用于将辅助氧气料流供入燃烧室的孔(24)与第二室(18)相连。所述第二室(18)与环状空间(20)相连。本发明还涉及一种通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的方法。
Description
本发明涉及一种用于通过在反应器中部分氧化烃而制备乙炔和合成气的改进装置和改进方法，其中将包含烃的料流和包含氧气的料流供入所述反应器中。
用于部分氧化烃的高温反应通常在由混合单元、燃烧器炉体(Brennerblock)、燃烧空间和骤冷设备组成的反应器体系中进行。该类在高温范围内实施的部分氧化的一个实例是通过部分氧化烃而制备乙炔和合成气。这例如描述在DE875198、DE1051845、DE1057094和DE4422815中。
这些文献描述了通常用于BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔方法的混合器/燃烧器炉体/燃烧空间/骤冷组合—当下文指代该组合时，这简称为“反应器”。
在这些方法中，将起始物质如天然气和氧气分别加热，通常加热至600℃。在混合区中，反应物强烈混合，流经燃烧器炉体，然后在燃烧空间内发生放热反应。在这些情况下，燃烧器炉体由特定数量的平行通道组成，其中可燃性氧气/天然气混合物的流动速率高于火焰速率(反应速率、转化速率)，从而防止火焰侵入混合空间。将金属燃烧器炉体冷却，从而耐受热应力。根据在混合空间中的停留时间，由于混合物的有限热稳定性，过早燃烧和再次燃烧的风险增大。此处，使用术语“燃烧延迟时间”或“诱导时间”来意指可燃混合物不经历任何显著的内部热变化的期间。诱导时间取决于所用烃的类型、混合状态、压力和温度。其决定了反应物在混合空间内的最长停留时间。由于在合成方法中具有高产率和/或产量而特别希望使用的反应物如氢气、液化气或石油醚以较高反应性以及因此短诱导时间而著称。
目前生产规模上所用的乙炔燃烧器以其燃烧空间的圆柱几何形状而著称。燃烧器炉体优选具有呈六边形排列的通孔。例如，在一个实施方案中，在直径为约500mm的圆形底横截面上以六边形方式排列有127个孔，其各自具有27mm的内径。一般而言，所用的孔或通道的直径为约19-27mm。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形横截面、是水冷却的且就外观而言对应于短管(例如直径为180-533mm，长度为380-450mm)。在燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面的高度处，将所谓的辅助氧气供入反应空间。这确保了火焰稳定和因此火焰根的确切距离以及因此反应由被骤冷单元终止反应而开始。由燃烧器炉体和燃烧空间组成的整个燃烧器借助法兰从具有较大横截面的骤冷容器顶部悬挂。在燃烧空间的出口平面高度处，在其外周外，将骤冷喷嘴安装在一个或多个骤冷分布器环中，其借助或不借助雾化介质将骤冷介质如水或油雾化，并将离开燃烧空间的反应气体以与主流动方向近似成直角地注入。该直接骤冷的任务是将反应流极快地冷却至约100℃(水骤冷)和200℃(油骤冷)，从而冻结进一步的反应，尤其是所形成的乙炔的分解。骤冷射流的范围和分布理想地使得在最短时间内获得极其均匀的热分布。
目前生产规模上所用的乙炔燃烧器以燃烧空间的圆柱形几何形状而著称。借助扩散器预混原料，并在避免反混下经由以六边形排列的通孔供入燃烧器炉体中。在已知的方法中，原料在混合扩散器中以较大的体积和高预热温度预混。
所述工业方法不仅形成乙炔，而且形成大量氢气、一氧化碳和烟灰。在火焰前沿形成的烟灰颗粒可作为核粘合至燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面，然后导致焦炭层的生长、沉积和结块(Anbacken)，这不利地影响了工艺的有效性。
在使用油和水骤冷的现有生产方法中，这些沉积物借助位于燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面区域中的加煤机单元机械清洁而定时移除。为此，加煤机单元的复杂控制是必需的(Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第5版，第A1卷，第97-144页)，此外，该机制的具体应用时间受到燃烧空间内的热应力的限制。
从来都不缺乏尝试以避免焦炭层在燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面上结块这一缺点。例如，DE2307300的教导公开了在最高温度和骤冷位置之间的区域中将气态物质注入反应器中。据认为这导致所添加的气体与自由基之间的反应，据认为该反应会减少焦炭形成。
DE3904330A1描述了一种通过热分解乙炔而制备乙炔黑的方法。在明显不同于制备乙炔的方法的该方法(例如不发生部分氧化)中提及任选引入惰性气体料流。
DE1148229描述了一种运行热解室以处理烃的方法，其中提供使用蒸汽进行的吹扫，且认为壁的冷却会导致水幕(权利要求1)。没有给出吹扫实施方式的进一步信息。所给方法并非部分氧化(POx)，引入的吹扫介质为液态水，且未提供氧化剂(例如氧气)与吹扫介质的额外混合。此外，吹扫介质仅在热解室轴向剖面中的至多一个位置处注入。
DE2007997描述了所推测的反应室内壁上的油膜如何防止结焦。然而，燃烧空间中的油膜本身就倾向于结焦。因此，考虑到目前的挑战，可排除烃(矿物)油作为催扫介质。
然而，所述引用文献中公开的用于防止或减少不希望焦炭形成的方法就有效用于制备乙炔的方法中而言不令人满意。例如，正如所解释的那样，一些文献涉及其他反应，其中的条件完全不同且不具备适用性。例如，本发明方法中的部分氧化就特性而言极其苛刻：停留时间起着特别主要的作用，反应的停止必须非常精确，且添加的外来物质(包括例如吹扫气体或氧化剂)就其位置以及速率而言可非常快地推动反应，由此导致产率损失。
尽管这些装置会带来优点，然而仍存在改进的潜力。正如上文所述的那样，反应物经由通道或孔流经燃烧器炉体，从而在燃烧空间内发生放热反应。燃烧器炉体的该段也称为燃烧器孔板。因此，为了稳定在Sachsse-Bartholomé乙炔合成中形成的部分氧化反应前沿，将辅助氧气经由位于沿反应器的燃烧器孔板的预定位置处的各氧气管引入燃烧空间或反应空间中。这些管由外部径向供入燃烧器孔板中。由于氧气管出口与燃烧器孔板外周的距离不同，这导致氧气管具有不同长度。这导致由共用储蓄器供入的各氧气管中的压降不同。如果氧气管长度相差过大，则不能将氧气适当分布在燃烧器孔板上，其结果是无法再确保火焰稳定性和所需的产率。
因此，本发明的目的是描述一种用于制备乙炔和合成气的装置和方法，其至少显著减少了上述缺点。更具体地，本发明的装置适于避免氧气在燃烧器孔板上的不当分布。
本发明的基本理念是不再经由各管供应辅助氧气，而是借助独立的分布器环将其经由穿过各孔或通道的中间空间引入反应空间中，其中就流体动力学而言，对中间空间进行设计以确保在供应其的孔上均匀分布。
本发明的用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的装置包括反应器。所述反应器具有含用于制备乙炔的燃烧空间的燃烧器炉体、在燃烧器炉体内形成的第二空间，和围绕第二空间的环状空间。燃烧器炉体具有用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔和用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔与第二空间相连。第二空间与环状空间相连。
环状空间可围绕第二空间。例如，环状空间同心围绕第二空间。环状空间可基本上为圆形的。应指出的是，该圆形涉及与环状空间的中心轴或中心线成直角的剖视图。一般而言，环状空间是圆柱形的，且圆柱体轴限定了中心轴或中心线。第二空间可通过壁与环状空间隔开。所述壁可具有与用于将辅助氧气料流供入环状空间的孔相连的口。所述口可沿燃烧器炉体的外周均匀分布在壁中。所述口可具有比用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔更大的横截面面积。所述口的横截面面积总和与环状空间的横截面面积之比可为0.05-1，例如为0.15。环状空间可与用于供应辅助氧气的供料口连接。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔可以以规则或不规则图案排列在燃烧器炉体中。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔的横截面面积总和与燃烧器炉体的横截面面积之比可为0.0001-0.1，例如为0.015。
本发明的用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的方法包括如下步骤。首先将包含含烃料流和含氧料流的起始气体分别预热，然后在混合区中加热，流经燃烧器炉体，然后在燃烧空间中反应，随后快速冷却。在该燃烧器炉体中形成有孔和第二空间。第二空间与所述孔和围绕第二空间的环状空间相连。第二空间以如下方式形成：使得来自环状空间的辅助氧气料流经由所述孔以均匀分布的方式供入燃烧空间中。
环状空间可围绕第二空间。例如，环状空间同心围绕第二空间。环状空间可经由多个口与第二空间相连，从而使得来自环状空间的辅助氧气以均匀分布的方式供入第二空间中。所述口可以以使得来自环状空间的辅助氧气沿径向供入第二空间的方式设置。环状空间可由用于供应辅助氧气的供料口供料。
运行混合单元、燃烧器炉体、燃烧空间和骤冷设备。在高温范围内实施的该部分氧化的一个实例是通过部分氧化烃而制备乙炔和合成气。这例如描述在DE875198、DE1051845、DE1057094和DE4422815中。
这些文献描述了通常用于BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔方法的混合器/燃烧器炉体/燃烧空间/骤冷组合—当下文指代该组合时，这简称为“反应器”。
在本发明的上下文中，反应器的混合区或混合单元应理解为意指将分别加热的起始物质(例如天然气和氧气)剧烈混合的反应器区域。
在本发明的上下文中，反应器的燃烧器炉体应理解为意指经加热和混合的起始物质流经的反应器区域。经混合的起始物质在通道或管中流动。
除非另有说明，在本发明的上下文中，措辞“通道”和“孔”以相同含义使用。在本发明的上下文中，孔应理解为意指组件中的圆形或非圆形开口。
在本发明的上下文中，反应器的燃烧空间应理解为意指经加热和混合的起始物质在流经燃烧器炉体后通入其中且发生放热反应的反应器区域。由于在本发明的上下文中，所用的起始物质为烃和氧气，因此该放热反应主要形成乙炔。所形成的副产物为氢气、一氧化碳和少量烟灰。
在本发明的上下文中，横截面面积应理解为意指横截面中的暴露区域的表面积。该横截面与横截面面积所指称的组件的中心线成直角延伸。例如，口的横截面面积是可在与通过该口的中心的理论中心线成直角的横截面情况下确定的表面积。环状空间的横截面面积是可在与其中心线(所述空间与其平行地以环形式延伸)成直角的横截面情况下确定的表面积。燃烧器炉体的横截面面积是可在与其中心线(其平行于燃烧器炉体的纵向延度方向延伸)成直角的横截面情况下确定的表面积。该纵向延度的方向是与燃烧器炉体圆柱轴平行的方向，这是因为燃烧器炉体通常呈圆柱状。由于燃烧器炉体在形状上尤其是旋转对称的，因此纵向延度的方向平行于燃烧器炉体或燃烧器壳体的旋转轴。
在本发明的上下文中，规则图案应理解为意指由呈预定对称或均匀顺序的各个要素组成的图案。换言之，要素以彼此之间的固定空间距离重复排列。
本发明的其他任选细节和特征将由下文优选工作实例的描述悉知，且这些示意性地显示在附图中。
附图显示了：
图1本发明的用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的装置的横截面透视图。
本发明的实施方案
图1显示了用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的装置10的横截面视图。装置10包括反应器12。反应器12具有燃烧器炉体14，其具有用于制备乙炔的燃烧空间(未详细示出)。燃烧器炉体是圆柱形的，因此其具有对应于该圆柱形的圆柱轴的中心线16。反应器12还具有第二空间18。在燃烧器炉体14内形成有第二空间18。反应器12还具有环状空间20。环状空间20围绕第二空间18。例如，环状空间20同心围绕第二空间18。在图1所示的工作实施例中，环状空间20基本上是圆形的，基于图1中的截面图。实际上，当以三维观察时，环状空间20是圆柱形的。图1中的截面与穿过燃烧器炉体14的中心线16成直角延伸。图1的截面图中的燃烧空间位于该图平面的下方，因此被燃烧器炉体14遮挡，因此无法在图1中看到。
燃烧器炉体14具有用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔22。用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔22以规则图案排列在燃烧器炉体14中。在图1所示的工作实施例中，用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔22围绕中心线16类似于正方形的角排列，从而使得中心线16穿过该正方形的中心。该排列以四个相对于中心线16位于最内侧的用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔22为例详细描述。这四个最内侧的孔22的中心形成正方形，其中中心线16穿过该正方形的中心。因此，两个紧密相邻的孔22(即位于正方形的一个边两端的孔22)的中心之间的距离比相对于它们之间的正方形中心彼此相对的两个孔22(即位于正方形对角线两端的孔22)的中心之间的距离大√2倍。其他孔22类似地排列，从而使得四个孔22的中心总是形成相应的正方形。
燃烧器炉体14还具有用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔24。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔24与第二空间18相连。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔24同样以规则图案排列在燃烧器炉体14中。或者，用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔24可以以不规则图案排列。在图1所示的工作实施例中，用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔24排列在用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔22之间的间隙中。相对于中心线16位于最内侧的孔24以使得中心线16穿过最内侧孔24的中心的方式设置。孔24类似于正方形的角排列，用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔22介于其中。该排列以四个孔24为例详细描述。这四个孔24的中心形成正方形，其中孔22的中心与该正方形的中心重合。因此，两个紧密相邻的孔24(即位于正方形的一个边两端的孔24)的中心之间的距离比相对于孔22或介于其间的正方形的中心彼此相对的两个孔24(即位于正方形对角线两端的孔24)的中心之间的距离大√2倍。其他孔24类似地排列，从而使得四个孔24的中心总是形成相应的正方形。
第二空间18与环状空间20相连。例如，第二空间18通过壁26与环状空间20隔开。壁26具有语用于将辅助氧气料流供入环状空间20的孔24相连的口28。例如，口28沿燃烧器炉体14的外周方向围绕中心线16以均匀分布的方式排列在壁26中。在图1所示的工作实施例中，提供有四个口28，其沿燃烧器炉体14的外周方向以均匀间隔的方式排列，即基于环状空间20的圆形相隔90°。如图1所示，口28以使得辅助氧气可从环状空间20沿基于中心线16的径向供入第二空间18的方式排列。口28具有比用于将辅助氧气供入燃烧空间的孔24更大的横截面面积。用于将辅助氧气供入燃烧空间的孔24的横截面面积为与中心线16成直角或者与图1的图平面平行的用于将辅助氧气供入燃烧空间的孔24的表面积。口28的横截面面积为与中心线16平行或者与图1的图平面成直角或者与经由口28供入的氧气的流动方向成直角的口28的表面积。口28的横截面面积总和与环状空间20的横截面面积之比可为0.05-1，优选为0.1-0.4，甚至更优选为0.1-0.2，例如为0.15。环状空间20的横截面面积为与中心线16平行或者与图1的图平面成直角或者与流经环状空间20的氧气的流动方向成直角的环状空间20的表面积。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间16的孔24的横截面面积总和与燃烧器炉体14的横截面面积之比可为0.0001-0.1，优选为0.05-0.01，甚至更优选为0.02-0.01，例如为0.015。燃烧器炉体14的横截面面积为与中心线16成直角或者与图1的图平面平行的燃烧器炉体14的表面积。
环状空间20与用于供应辅助氧气的供料口30相连。供料口30例如由储蓄器(未详细示出)供料，其可呈氧气管的形式。例如，所述储蓄器为从空气分离装置以固定方式安装的氧气管。以此方式，在将辅助氧气由环状空间20供入第二空间18的情况下，从环状空间20进入第二空间18中的辅助氧气不可能比从储蓄器经由供料口通入环状空间20的辅助氧气多。因此，该特定的几何结构避免了环状空间20中的压力波动。需要明确强调的是，还可使超过一个供料口30与环状空间20相连。
因此，首先将辅助氧气从环状空间20供入第二空间18，其中辅助氧气均匀分布，这是因为与现有技术的已知装置相反，其不以线性方式传导。由于口28各自具有比用于将辅助氧气供入燃烧空间的孔24更大的横截面面积，因此在将辅助氧气由第二空间18经由用于将辅助氧气供入燃烧空间的孔24供入燃烧空间的情况下，从第二空间18进入燃烧空间中的辅助氧气不可能比从环状空间20经由口28通入第二空间18中的辅助氧气多。因此，该特定的几何结构避免了第二空间18中的压力波动。因此，就流体动力学而言，第二空间18以使得确保由第二空间18供应的辅助氧气在用于将辅助氧气供入燃烧空间的孔24之间均匀分布的方式设计。因此避免了压力波动，且提高了火焰稳定性和所需的产率。
现在将在下文描述本发明的用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的方法。所述方法基于BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔法，因此将不详细描述就此而言的细节，而是参考上文所述的公开文献，这些文献的用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的方法的内容通过引用并入本文。
起始气体包含含烃料流，例如天然气料流，和含氧料流，例如纯氧气料流。首先将这些起始气体彼此分开地预热。随后，将经预热的起始气体在混合区(未详细示出)中加热。已加热和混合的起始气体经由用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔22流经燃烧器炉体14，且因此通入燃烧空间中。此外，环状空间20借助供料口30由储蓄器供入辅助氧气。辅助氧气然后经由壁26中的口28流入第二空间18。由于提供有多个分布在壁26中的口28，辅助氧气从多个方向供入第二空间18。由于与现有技术的已知装置相反，辅助氧气并非是线性传导的，因此辅助氧气均匀分布在第二空间18中。这还通过口28促进，口28以使得辅助氧气从环状空间20沿基于中心线16的径向供入第二空间18。辅助氧气然后流出第二空间18并经由用于将辅助氧气供入燃烧空间的孔24进入燃烧空间。在流经燃烧器炉体14后，起始气体在燃烧空间内反应，然后被骤冷单元快速冷却。此外，辅助氧气经由供料口30供入环状空间20，从而使得当从环状空间20抽出辅助氧气时，其永久地供入第二空间18。
因此，首先将辅助氧气由环状空间20供入第二空间18，其中氧均匀分布。将氧气经由在燃烧器炉体14中形成的孔24引入燃烧空间。就流体动力学而言，第二空间18以使得确保在供应其的孔24之间均匀分布的方式设计。因此，避免了压力波动且提高了火焰稳定性和所需的产率。
附图标记列表
10 装置
12 反应器
14 燃烧器炉体
16 中心线
18 第二空间
20 环状空间
22 孔
24 孔
26 壁
28 口
30 供料口
Claims (13)
1.一种用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的装置(10)，包括反应器(12)，其中反应器(12)具有含用于制备乙炔的燃烧空间的燃烧器炉体(14)、在燃烧器炉体(14)内形成的第二空间(18)，和围绕第二空间(18)的环状空间(20)，其中燃烧器炉体(14)具有用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔(22)和用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔(24)，其中用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔(24)与第二空间(18)相连，其中第二空间(18)与环状空间(20)相连，其中第二空间(18)通过壁(26)与环状空间(20)隔开，所述壁(26)具有与用于将辅助氧气料流供入环状空间(20)的孔(24)相连的口(28)，其中环状空间(20)与至少一个用于供应辅助氧气的供料口(30 )相连。
2.根据权利要求1的装置(10)，其中环状空间(20)同心围绕第二空间(18)。
3.根据权利要求1或2的装置(10)，其中环状空间(20)基本上为圆形的。
4.根据权利要求3的装置(10)，其中口(28)沿燃烧器炉体(14)的外周均匀分布在壁(26)中。
5.根据权利要求1或2的装置(10)，其中口(28)具有比用于将辅助氧气料流供入具有环状空间(20)的燃烧空间的孔(24)更大的横截面面积。
6.根据权利要求1或2的装置(10)，其中口(28)的横截面面积总和与环状空间(20)的横截面面积之比为0.05-1。
7.根据权利要求1或2的装置(10)，其中用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔(24)以规则或不规则图案排列在燃烧器炉体(14)中。
8.根据权利要求1或2的装置(10)，其中用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔(24)的横截面面积总和与燃烧器炉体(14)的横截面面积之比为0.0001-0.1。
9.一种通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的方法，其中首先将包含含烃料流和含氧料流的起始气体分别预热，然后在混合区中加热，流经燃烧器炉体(14)，然后在燃烧空间内反应，随后快速冷却，其中在燃烧器炉体(14)内形成有孔(24)和第二空间(18)，其中第二空间(18)与孔(24)和围绕第二空间(18)的环状空间(20)相连，其中第二空间(18)以使得辅助氧气料流从环状空间(20)以均匀分布的方式经由孔(24)供入燃烧空间的方式形成。
10.根据权利要求9的方法，其中环状空间(20)同心围绕第二空间(18)。
11.根据权利要求9或10的方法，其中环状空间(20)经由多个口(28)与第二空间(18)相连，从而使得辅助氧气从环状空间(20)以均匀分布的方式供入第二空间(18)。
12.根据权利要求9或10的方法，其中口(28)以使得辅助氧气从环状空间(20)沿径向供入第二空间(18)的方式设置。
13.根据权利要求9或10的方法，其中环状空间(20)由至少一个用于供应辅助氧气的供料口(30 )供料。
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