CN1341824A - 用于部分氧化方法的预混燃烧炉体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃烧炉体(1),它包括基底(2),多个用于用作反应剂的烃/空气混合物通过的烃通道(3),和至少一个用于空气或空气/氧气混合物通过的氧气通道(4)。任选存在点火燃烧器(5)。燃烧炉体可在小于1400℃的温度下进行烃燃烧制备乙炔。
Description
发明领域
本发明涉及一种能够用于部分氧化方法的新型燃烧炉体，优选使用甲烷、液化气、石脑油或者类似的原料同时制备乙炔和合成气。该燃烧炉体特别适用于近来发展的低温操作中进行部分氧化方法。
背景技术
大量用于非催化制备乙炔的方法是基于烃的热解或部分氧化。使用包括天然气、各种石油馏分(例如包括石脑油)甚至残油(浸焰式方法)在内的宽范围的原料。热力学和动力学参数在制备乙炔的热解或氧化方法的反应条件的选择上，总是具有决定性的作用。在传统方法的相应过程中重要的先决条件是在反应温度大于1400℃时快速的能量供给，原料或反应产物从10-2至10-3秒的极短的停留时间，乙炔低的分压和所形成的气体快速骤冷。在热解和部分氧化中，得到以气体混合物即所谓的裂化气形式的乙炔。裂化气通常包含大约5～20％体积的乙炔。用例如N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、煤油、甲醇或丙酮从裂化气中萃取乙炔，接着进一步提纯。
制备乙炔的每种方法特别是在高反应温度的产生方面有差别。热能的供给和传递起了决定性的作用。
申请人的Sachsse-Bartholomé方法就是所谓的自动热裂解方法，适用例如甲烷、液化气或石油醚的原料。世界上大多数工厂是以天然气为原料；只有少数使用石脑油作为原料。在工业化生产过程中，例如甲烷和氧气分别被预热到500至600℃，在有火焰形成的特殊的燃烧炉中混合并反应。氧气/甲烷的比率设定为大约1∶2，以便仅能够发生不完全的燃烧。部分甲烷的放热氧化和甲烷的吸热脱氢二聚以释放乙炔和氢气的反应都发生在火焰中。在几毫秒的停滞时间之后，通过将反应气体喷射到水或骤冷油中而骤冷。每100公斤乙炔形成大约5公斤的烟灰。通常使用萃取剂，例如N-甲基吡咯烷酮或二甲基甲酰胺分离乙炔。裂化气中乙炔体积比大约是8％，裂化气的主要成分是57％体积的氢气和26％体积的一氧化碳，这种比率的裂化气是很适宜的合成气。
上述方法的温度，如同其他公知的制备乙炔的方法中的温度，大于1400℃。为了防止后续反应，停滞时间是在毫秒的范围内，而且反应气体接着必须通过直接注入骤冷剂而被迅速骤冷。在这一操作中，根据所使用的骤冷剂，相应混合物冷却到不同程度，用选择的溶剂从产生的混合物中冲洗掉乙炔。
上面所述的乙炔/合成气制备原理的改进由申请人公开于DE-A4422815中。这里的初始混合物是在分别预热后以常规方式在混合室中产生的。具有乙炔生成的燃烧接着发生在设置在燃烧室中的燃烧炉体处。燃烧炉体的通道在出料侧被蜂窝板覆盖。这样允许在得到的乙炔/合成气混合物中的乙炔和合成气之间的相对比例在宽范围内变化。
Sachsse-Bartholomé方法的一个缺点是，为了达到裂化气中高的乙炔浓度，用作原料的烃和氧气被预热到大约300～700℃之间的温度，然后混合。这样产生了氧气/烃的比率大约为1∶2的易燃混合物。烃过早的燃烧只能通过特殊的设计手段即缩短在燃烧炉体上游混合区的停留时间而被避免。然而，在控制易燃混合物上总是有一定的不确定性和潜在的危险。如果该方法的参数超过或低于确定的限值，而且由于来自工业化原料的误差，例如铁锈颗粒进入到气体混合物中，在生产时会发生不可预见的燃烧和还原反应。
另一个缺点是骤冷导致大量的热能损失或者最佳的能量循环成为不可能。尽管上升到大约1500至1600℃的高温，但使用后相应的骤冷液实际上最高的温度为300℃。用于加热目的的这种相对冷的液体的应用范围被严格地限制。产生超过1400℃反应温度所必需的高能量消耗还有另一个缺点是大量的烟灰的形成，在高反应温度时特别明显。烟灰的形成不仅减少了合成气和乙炔的产率，而且由烟灰或烟灰焦炭污染的骤冷液和裂化气混合物的清洗也变得更加复杂。
为了避免上面所列出的缺点，本申请人的德国专利DE-A 19914226.2公开了一种低温方法，其特征在于其过程结构与迄今所公知的在原理上不同，而且适宜用烃的部分燃烧来制备乙炔/合成气混合物。这种用适宜的烃在有氧的条件下的热处理来分离乙炔和合成气的方法，与迄今为止所公开的方法相比，是在最高为1400℃的温度下进行的。
用于制备乙炔和合成气的初始混合物可通过，例如燃烧，能量供给或者通过同时或提前的能量供给的放热反应加热。根据本发明，初始混合物或由初始混合物形成的反应混合物在加工过程中最高温度为1400℃。
与公知的方法相比，在反应器中平均的停滞时间比较长，一般为至少10毫秒；在优选实施方案中，用间接冷却的方法进行冷却。
热处理一般在1200℃至1400℃的温度下进行。特别优选最高不超过1350℃的范围。
较低的反应温度的优点首先是减少烟灰的形成，其次所需要的能量比迄今为止的方法明显低，而且有效的能量循环也是可能的。
通常氧气是以空气、氧气或者空气/氧气混合物的形式供给初始混合物。也能够加入蒸汽和/或二氧化碳作为氧气源。优选加入氧气或空气/氧气混合物。它们以0.1至0.8，优选0.4至0.6的氧/碳摩尔比被加入到反应混合物中。
初始混合物的组成依赖于所要制备的裂化气的用途。能够由所列举的方法制备重要的裂化气是，例如，乙炔/甲醇合成气，乙炔/氨气合成气，乙炔/富氢气气、乙炔/富一氧化碳气、乙炔/含氧气体和乙炔/乙烯合成气。除了天然气以外，液化气(丙烷或丁烷)，石油醚，芳香族烃，热解汽油(从裂解过程产生)和/或由炼油厂生产的真空蒸馏残余物都能使用。初始混合物可以包括至多大约10％体积的回收裂化气，例如从裂化气清洗获得的残留甲烷的循环气体，其他过程的残留气体或合成气。氧气能够以空气的形式被加入到初始混合物中，产生氨气合成气和乙炔。添加蒸汽到具有高的甲烷含量的天然气中产生了乙炔/富氢气气，使用更多的烃就产生乙炔/富一氧化碳气。
涉及在氧气和/或含氧化合物存在的条件下通过烃的燃烧制备乙炔/合成气混合物的方法的专利申请DE-A 19914226.2的内容，是本申请的一个重要而完整的部分，加入本申请作为参考。
在DE-A 19914226.2公开的方法中，根据想要得到的乙炔/合成气混合物的组成，在原材料的不同组成和各种压力、温度和停滞时间下进行，如果需要，也可以在具有火焰形成的燃烧炉中反应剂混合物被氧化之前，所用的反应剂的易燃混合物并不存在的情况下进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧炉体，通过它能够进行用于制备乙炔/合成气混合物的低温方法，而且在该方法中可避免这些易燃混合物的出现。
我们已经发现，这一目的是通过使用一种燃烧炉体实现的，该燃烧炉体具有一包含许多通道的基底，通道用于碳/氧混合物通过，还有氧气通道，空气、氧气或空气/氧气混合物通过该通道排放出去。
在流过燃烧炉体之后，所产生的烃/氧气混合物开始燃烧。
氧气以空气、氧气或空气/氧气混合物的形式提供到系统中，也可以加入蒸汽或二氧化碳作为氧气源。这既适用于烃/氧气混合物又适用于通过氧气通道进入的氧气。上述所有适于作为氧气源的化合物在下面都被称作氧气。
本发明的燃烧炉体是由一包含许多烃通道的基底组成。用作原料的烃，例如可以是甲烷、天然气、液化气(丙烷/丁烷)、石油醚、芳香烃混合物、热解汽油或残余油，通过这些通道。原料已经预先与空气、氧气、空气/氧气混合物或者例如水或二氧化碳的含氧化合物混合。与例如Sachsse-Bartholomé方法相比，本发明的燃烧炉体首先允许在烃中加入一定量的氧气，与氧气一起并没有形成可燃混合物，然而在接下来的反应空间内达到稳定的点火和燃烧。碳/氧混合物能够不需要特殊的保护而被制备，而且能够以相对长的停滞时间通过混合砖和燃烧炉体上游的部分。
这些用包含至少一个氧气通道的燃烧炉体实现，通过该通道更多的氧气被加入到预先制备好的烃/氧气混合物中，而且通过通道排出。氧气通道最好位于许多烃通道的中央，特别是氧气通道被同心地设置在多个烃通道中。如果存在多个氧气通道，所述的排列能够根据需要多次重复。也能够将许多具有用上述排列的烃通道和氧气通道的单个的燃烧炉体结合成一个相连的燃烧炉体。
在燃烧炉体上游制备好的非可燃烃/氧气混合物的组分自然依赖于在混合之后、进入燃烧炉体之前该混合物的温度。相应的初始混合物的燃烧极限是本领域技术人员公知的或者由相应的图表揭示或者能够由试验确定。最好在室温下制备烃/氧气混合物并进入燃烧炉体。在使用天然气的情况下，如果使用纯氧气，就应使用具有甲烷含量大于60％体积的混合物。
在本发明优选的实施方案中，本发明的燃烧炉体还安装一个点火燃烧器。其目的是点燃通过燃烧炉体之后形成的烃和氧气混合物。这种点火燃烧器基本上仅用于在反应开始时点燃混合物。如果需要，点火燃烧器也用于确保燃烧混合物的稳定燃烧。点火燃烧器优选安装在烃通道和氧气通道之间的区域。
本发明的燃烧炉体具有许多工艺过程的优点。因此，烃/氧气混合物能够以相对简单的方式混合，以提供反应物的粗混。另外，不需要将反应物预热到升高的温度，在室温下预先混合反应物是完全有效的。除了令人满意的能量平衡之外，在室温下混合操作所具有的优点是能够制备高氧气含量、但不易燃烧并且不需要特别的手段就能处理的混合物。仅在通过燃烧炉通道之后，与另外的氧气混合并在燃烧炉体内主要温度(prevailing temperature)下加热就形成了燃烧混合物的形式。以这种方式形成的混合物对于在小于1400℃的温度下制备乙炔/合成气混合物来说是理想的。同时，考虑到混合物的流量和化学计量，燃烧炉有一宽的控制范围。
本发明的燃烧炉体适用于由烃制备乙炔/合成气混合物。因此，能够制备例如乙炔/甲醇合成气、乙炔/氨气合成气、乙炔/富氢气气、乙炔/富一氧化碳气、乙炔/含氧气体和乙炔/乙烯合成气。反应可以在任何所需的压力下进行，优选大气压。适用的反应器优选火焰反应器或圆管反应器，甚至没有形成火焰区域。
本发明的燃烧炉体也能够用于生产没有乙炔生成的合成气体混合物。上述的烃能被用作初始产品，它们以所需的比率与氧气混合，然后加入到本发明的燃烧炉体中。在常规的生产合成气的条件(温度、压力和停滞时间)下进行燃烧，在该条件下没有乙炔生成。
附图说明
附图1表示本发明的优选实施方案中的燃烧炉体1的实例。它由包含烃通道3的燃烧基底2组成，这些烃通道同心地围绕氧气通道4排列。预先与氧气混合以形成在混合温度下不燃烧的混合物的烃，经通道3流过燃烧炉体1，接着在排出后与氧气混合。充分混合后，在小于1400℃温度下混合物点火并燃烧以产生所需的气体混合物。点火燃烧器5确保混合物的点火。烃与氧气的混合优选发生在燃烧炉体上游的混合室6中。
A烃/氧气出口
B氧气和/或空气/氧气出口
实施例
在如图1所示的燃烧炉体中，1200m3(s.t.p)h的天然气通过混合室与90m3(s.t.p)/h的氧气混合，混合物通过烃通道排出，30m3(s.t.p)/h的氧气从中心的氧气通道中流出。由点火燃烧器点火之后，火焰稳定了燃烧器的下游。天然气/氧气混合物在这些氧气不足的条件下通过火焰并在随后的平均温度为1300℃的补充反应区转化成下述混合物，该混合物包括6％体积的乙炔，7％体积的甲烷，20％体积的一氧化碳，40％体积的氢气，3％体积的二氧化碳，余量的蒸汽和少量的烟灰和高级烃。
Claims (11)
1.一种燃烧炉体(1)，包含基底(2)，多个用于用作反应剂的烃/氧气混合物通过的烃通道(3)，和至少一个用于空气、氧气或空气/氧气混合物通过的氧气通道(4)。
2.如权利要求1所述的燃烧炉体，其中的氧气通道(4)被多个烃通道(3)包围。
3.如权利要求1或2所述的燃烧炉体，其中的氧气通道(4)被烃通道(3)同心地包围。
4.如权利要求1或2所述的燃烧炉体，其中有点火燃烧器(5)。
5.如权利要求1或2所述的燃烧炉体，其中在燃烧炉体(1)的上游有一混合室(6)。
6.如权利要求1所述的燃烧炉体在低于1400℃的温度下由烃和氧气制备乙炔/合成气混合物中的用途。
7.如权利要求6所述的用途，其中乙炔/合成气混合物选自乙炔/甲醇合成气、乙炔/氨气合成气、乙炔/富氢气气、乙炔/富一氧化碳气、乙炔/含氧气体和乙炔/乙烯合成气。
8.如权利要求6所述的用途，其中在主要温度下不可燃的烃/氧气混合物进入燃烧炉体中。
9.如权利要求6所述的用途，其中所使用的烃是甲烷、天然气、液化气、石油醚、芳香烃混合物、热解汽油或残油。
10.如权利要求8所述的用途，其中烃/氧气混合物在室温下进入燃烧炉体并含有大于60％体积的甲烷。
11.如权利要求1所述的燃烧炉体在没有乙炔生成的条件下由烃和氧气制备合成气混合物中的用途。
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