CN116462562A - 一种天然气制乙炔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种天然气制乙炔的方法，涉及乙炔制备技术领域。本发明将天然气在氢等离子体的作用下进行裂解反应，得到裂解气；将所述裂解气进行淬冷，将所得淬冷产物进行气固分离，得到固体产物和气体产物；将所述气体产物进行分离，分别得到乙炔、氢气和副产尾气。本发明以天然气为原料，利用氢等离子体的高温将天然气中的主要成分甲烷进行裂解，利用乙炔在1700K以上温度条件下相较于其他小分子烃类的稳定性优势，将甲烷转化为乙炔；然后将裂解气淬冷至乙炔较为稳定的500K以下，再经过分离得到高纯度乙炔产品。本发明工艺流程短，转化效率高；并且资源消耗少，无二氧化碳排放，无电石渣生成，是一种高效的天然气清洁利用技术。

Description

一种天然气制乙炔的方法
技术领域
本发明涉及乙炔制备技术领域，特别涉及一种天然气制乙炔的方法。
背景技术
乙炔素有“有机化工之母”的美称，可以用来生产氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等大宗化学品，也可以生产乙醛、乙酸、炔醇、三氯乙烯、四氯乙烯、1,4-丁二醇等精细化学品，对石油及乙烯下游产品有很好的替代性。
传统乙炔生产技术主要为电石法和甲烷半氧化法，其中95％以上为电石法。电石乙炔工艺消耗大量的石灰石和兰炭资源，同时排放大量二氧化碳，并产生大量的电石渣，该工艺逐渐被限制；甲烷半氧化法则存在工艺复杂、转化率低等缺陷，难以实现规模化应用。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种天然气制乙炔的方法。本发明提供的方法资源消耗少，无二氧化碳排放，无电石渣生成，并且工艺简单，转化率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种天然气制乙炔的方法，包括以下步骤：
将天然气在氢等离子体的作用下进行裂解反应，得到裂解气；所述裂解反应的温度≥1700K；
将所述裂解气淬冷至298～500K，得到淬冷产物；
将所述淬冷产物进行气固分离，得到固体产物和气体产物；
将所述气体产物进行分离，分别得到乙炔、氢气和副产尾气。
优选地，所述氢等离子体由旋转弧等离子体炬产生；所述旋转弧等离子体炬的运行功率为5～10000kW。
优选地，所述旋转弧等离子体炬中氢气的通入流量为2～5000Nm3/h。
优选地，所述天然气的处理量为10～8000Nm3/h。
优选地，所述乙炔的产量为5～6000Nm3/h。
优选地，所述淬冷的介质为水。
优选地，所述固体产物包括活性炭和乙炔黑。
优选地，所述氢气回用于裂解反应，作为氢等离子体的氢源。
优选地，所述副产尾气包括氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷和C3化合物。
本发明提供了一种天然气制乙炔的方法，包括以下步骤：将天然气在氢等离子体的作用下进行裂解反应，得到裂解气；所述裂解反应的温度≥1700K；将所述裂解气淬冷至298～500K，得到淬冷产物；将所述淬冷产物进行气固分离，得到固体产物和气体产物；将所述气体产物进行分离，分别得到乙炔、氢气和副产尾气。本发明以天然气为原料，利用氢等离子体的高温将天然气中的主要成分甲烷进行裂解，利用乙炔在1700K以上温度条件下相较于其他小分子烃类的稳定性优势，将甲烷转化为乙炔；然后将裂解气淬冷至500K以下，500K以下乙炔可稳定存在，再经过分离得到高纯度乙炔产品。相对于传统的乙炔制备方法，本发明提供的方法工艺流程短，过程简单，转化效率高；并且资源消耗少，无二氧化碳排放，无电石渣生成，是一种高效的天然气清洁利用技术。
实施例结果表明，采用本发明提供的方法进行中试和工业化制备乙炔，天然气转化率＞90％，乙炔收率≥80％(以乙炔中的碳/天然气中的碳计算)，乙炔选择性＞85％。
附图说明
图1为本发明天然气制乙炔的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种天然气制乙炔的方法，包括以下步骤：
将天然气在氢等离子体的作用下进行裂解反应，得到裂解气；所述裂解反应的温度≥1700K；
将所述裂解气淬冷至298～500K，得到淬冷产物；
将所述淬冷产物进行气固分离，得到固体产物和气体产物；
将所述气体产物进行分离，分别得到乙炔、氢气和副产尾气。
图1是本发明天然气制乙炔的流程示意图。下面结合图1对本发明进行详细说明。
本发明将天然气在氢等离子体的作用下进行裂解反应，得到裂解气。本发明对所述天然气的来源没有特别的要求，本领域技术人员熟知来源的天然气均适用于本发明，例如工业管道天然气。在本发明中，所述氢等离子体优选由旋转弧等离子体炬产生，本发明对所述旋转弧等离子体炬的具体装置结构没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的相应装置即可，本发明实施例中分别以采用实验室规模、中试规模和工业规模的旋转弧等离子体炬系统为例进行说明。在本发明中，所述旋转弧等离子体炬的运行功率优选为5～10000kW，更优选为350～10000kW；所述旋转弧等离子体炬中氢气的通入流量优选为2～5000Nm3/h；所述氢气用于产生氢等离子体。在本发明中，所述裂解反应的温度≥1700K。在本发明中，所述裂解反应的具体操作优选为：将氩气或氮气通入旋转弧等离子体炬反应系统，将空气置换为氩气或氮气氛围，以氩气或氮气氛围启动等离子体电弧；运行稳定后，将氢气通入等离子炬，置换为氢气等离子氛围；运行稳定后，将天然气通入等离子炬中，使天然气裂解。本发明利用氢等离子体的高温、高反应活性的特性，将天然气进行裂解，利用乙炔在1700K以上温度条件下相较于其他小分子烃类的稳定性优势(1700K以上的热力学平衡体系中，乙炔的含量是所有烃类中最高的)，将天然气中的主要成分甲烷转化为乙炔，涉及到的主要反应为：2CH4→C2H2+3H2，此外还会存在天然气中烃类产品在高温下的一些副反应，产生碳(主要为活性炭和乙炔黑)、乙烯、丙烷等副产物。
得到裂解气后，本发明将所述裂解气淬冷至298～500K，得到淬冷产物。在本发明中，所述淬冷的介质优选为水，具体是将水雾化喷入裂解气中，使裂解气和水充分接触，水吸热变为水蒸气，将裂解气冷却至500K以下。
得到淬冷产物后，本发明将所述淬冷产物进行气固分离，得到固体产物和气体产物。在本发明中，所述气固分离的方式优选为旋风分离和布袋除尘；所述固体产物优选包括活性炭和乙炔黑。
得到气体产物后，本发明将所述气体产物进行分离，分别得到乙炔、氢气和副产尾气。本发明对所述分离的方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的方法即可，如变压吸附等；本发明优选将裂解反应和淬冷中产生的热能用于气体产物分离工序，以满足采用变压吸附等分离方式对温度的需求。在本发明中，所述天然气的处理量优选为10～8000Nm3/h，具体根据等离子炬的运行功率设置；所述乙炔的产量优选为5～6000Nm3/h。在本发明中，所述氢气优选回用于裂解反应，作为氢等离子体的氢源；所述副产尾气优选包括氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷和C3化合物，所述C3化合物的主要成分为丙烷，还可能存在丙烯等；所述副产尾气优选经洗涤处理后焚烧。
本发明提供的方法资源消耗少，无二氧化碳排放，无电石渣生成，并且工艺简单，转化率高。
下面结合实施例对本发明提供的天然气制乙炔的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用小型设备进行天然气制乙炔：
实验室规模旋转弧等离子炬，以流量为1Nm3/h氮气置换整个系统，启动等离子电弧，运行稳定后(功率约20kW)，将流量为2Nm3/h氢气通入等离子炬，关闭氮气，待运行稳定后(40kW左右)，通入天然气(流量为5Nm3/h)，进行裂解(裂解温度≥1700K)；所得裂解气经取样后，通入小型火炬焚烧排放。
所得裂解气中，乙炔体积浓度在12％左右，乙炔比能耗在15kWh/kg左右，乙炔收率65％，天然气的转化率为95％以上。
实施例2
采用中试装置进行天然气制乙炔：
以流量为200Nm3/h的氮气置换整个旋转弧等离子体裂解系统20min，置换完成后，启动等离子电弧，运行稳定后(运行功率200kW左右)，将流量为130Nm3/h的氢气通入等离子炬，关闭氮气，运行功率提升至350～400kW，随后将天然气(40Nm3/h)通入系统，进行裂解(裂解温度≥1700K)；所得裂解气经取样后，通入小型火炬焚烧排放。
所得裂解气中，乙炔体积浓度为15％左右，乙炔收率80％，乙炔比能耗在11kWh/kg，天然气的转化率为95％以上。
实施例3
采用工业示范装置进行天然气制乙炔：
采用10MW旋转弧等离子炬系统，以3000Nm3/h氮气置换整个等离子系统0.5h，置换完成后，启动等离子电弧，运行稳定后(运行功率5MW左右)，将流量为5000Nm3/h的氢气通入等离子炬，关闭氮气，运行功率提升至10MW左右，随后将天然气(1000Nm3/h)通入系统，进行裂解(裂解温度≥1700K)；将水雾化喷入裂解气中，使裂解气和水充分接触，水吸热变为水蒸气，将裂解气淬冷至500K以下，所得淬冷产物进入分离系统(旋风分离和布袋除尘)，经气固分离，分离出固体产物，得到的气体产物经变压吸附分离，分别得到氢气、乙炔和甲烷、乙烯、乙烷等副产品，其中氢气回用至等离子炬系统内，乙炔进入气柜，甲烷、乙烯、乙烷等副产品分别进入相应的收集装置。
该方法乙炔收率85％，乙炔比能耗9kWh/kg左右，天然气的转化率为95％以上。
由以上实施例可以看出，本发明提供的天然气制乙炔的方法工艺流程短，过程简单，转化效率高；并且资源消耗少，无二氧化碳排放，无电石渣生成，是一种高效的天然气清洁利用技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种天然气制乙炔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将天然气在氢等离子体的作用下进行裂解反应，得到裂解气；所述裂解反应的温度≥1700K；
将所述裂解气淬冷至298～500K，得到淬冷产物；
将所述淬冷产物进行气固分离，得到固体产物和气体产物；
将所述气体产物进行分离，分别得到乙炔、氢气和副产尾气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢等离子体由旋转弧等离子体炬产生；所述旋转弧等离子体炬的运行功率为5～10000kW。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转弧等离子体炬中氢气的通入流量为2～5000Nm3/h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然气的处理量为10～8000Nm3/h。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述乙炔的产量为5～6000Nm3/h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淬冷的介质为水。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体产物包括活性炭和乙炔黑。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气回用于裂解反应，作为氢等离子体的氢源。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述副产尾气包括氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷和C3化合物。
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