NO881619L - Brenner for omdannelsesprosess. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en omdannelsesprosess og mer spesielt en gassomdannelsesreaktor og en gassomdannelses-prosess for fremstilling av nyttige produkter slik som acetylen.

Det er kjent å fremstille acetylen ved delvis oksydasjon av gassformige eller fordampede hydrokarboner med oksygen ved forvarming av reaktantene sammen eller separat, tilførsel av blandingen til et reaksjonskammer, reaksjon av blandingen og hurtig avkjøling eller bråkjøling av reaksjonsgassene for derved å gi maksimum utbytte av acetylen. BråkJøl ingen bevirkes vanligvis ved sprøyting av vann inn i reaksjonsproduktene. Eksempler på apparater og prosesser for fremstilling av umettede hydrokarboner er beskrevet i GB patenter 821.856, 834.419 og 876.261.

Foreliggende oppfinnelse angår en forbedret fremgangsmåte for fremstilling av umettede hydrokarboner slik som acetylen, etylen og høyere hydrokarboner, som avhjelper eller elimine-rer noen av problemene som er forbundet med de tidligere kjente prosesser.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en fremgangsmåte for fremstilling av umettede hydrokarboner hvor (a) forblandet, mettet hydrokarbongass og en oksygen-holdig gass med et støkiometrisk forhold over det som er nødvendig for fullstendig forbrenning, føres inn i et reaksjonskammer, (b) reaksjonskammeret er tilpasset til å gi adgang for Indirekte varmeutveksling mellom reaktantene og reaksjonsproduktene, (c) hydrokarbongassen og den oksygenholdige antennes og reageres sammen, og (d) reaksjonsproduktene bråkjøles.

Ifølge et ytterligere aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebragt en gassomdannelsesreaktor innbefattende et reaksjonskammer med en innløpssone som leder til en utløpssone, idet sonene er anordnet slik at det gis adgang for indirekte varmeutveksling fra utløpssonen til lnnløpssonen, og idet lnnløpssonen har et innløp for blandede reaktantgasser, og reaksjonskammeret har et utløp til en bråkjølingssone.

Det er foretrukket at utløpssonens tverrsnittsareal er større enn det til lnnløpssonen. Utløpssonen kan f.eks. innledningsvis ved oppstrømsenderi ha det samme eller et lignende tverrsnittsareal som lnnløpssonen, men divergerer så langs dens lengde. Alternativt kan utløpssonen ha ett eller flere trinn, hvor hvert trinn har det samme eller større tverrsnittsareal enn lnnløpssonen. Man kan lett forestille seg andre utførelser for oppnåelse av bredere utløpssone enn innløpssone.

I en utførelse av foreliggende oppfinnelse har reaksjonskammere en innløpssone i form av et sentralt ringrom eller rør som leder til en utløpssone i form av en ringformet sylinder eller kammer som har en felles vegg med lnnløpssonen for derved å gi adgang for at indirekte varmeutveksling kan foregå. Reaktantgassene passerer langs lnnløpssonen og vender tilbake for å gå inn i utløpssonen hvor reaksjon foregår, idet nevnte felles vegg gir adgang for at varmeutveksling av produkter og reaktanter kan foregå.

I en alternativ utførelse av oppfinnelsen kan reaksjonskammere ha form av en sammenkoblet plan rekke av innløps- og utløpssoner hvorved den aksiale strømningsprofil av gasser gjennom reaktoren opprettholdes. Reaktorens plane form kan lette en relativt øket produksjonskapasitet og tillate relativt ukomplisert oppgraderingsevne.

Det å gi adgang for indirekte varmeutveksling mellom reaktantene og reaksjonsproduktene synes å gjøre det mulig at brennsstoffrike gassblandinger, som har sammensetninger som er utenfor den rike grensen for brennbarhet, kan reageres sammen.

Reaktoren kan være fremstilt fraen rekke forskjellige materialer som kan motstå reaksjonsbetingelsene. Således kan brenneren lages av kvarts eller metall og keramiske materialer slik som zlrkoniumoksyd, aluminiumoksyd eller silisium-karbid kan benyttes til denne form for konstruksjon.

Reaktoren kan omfatte et enkelt reaksjonskammer eller kan omfatte flere reaksjonskammere, idet reaksjonskamrene er anordnet I en matrise.

Reaktoren kan opereres ved under atmosfæretrykk, atmosfæretrykk eller ved forhøyet trykk. Det regnes med at produktene i reaktoren vil være avhengig av reaktorbetingelser, f.eks. for delvis oksydasjon av metan ved forhøyet trykk kan dannelsen av etylen være mer begunstiget enn acetylen med en forøket mulighet for høyere hydrokarbonomdannelse.

Det mettede hydrokarbonet er fortrinnsvis gassformig ved omgivelsestemperaturer idet egnede forbindelser er metan, etan, propan og butan. Den oksygenholdige gassen er fortrinnsvis luft, oksygenanriket luft eller rent oksygen.

Reaktantene kan forvarmes og/eller forblandes før inngang i reaksjonskammeret, men det er et trekk ifølge oppfinnelsen at en forvarming normalt ikke vil være nødvendig. Dette reduserer nødvendigheten for forvarming av hydrokarbon og oksygen ved høye temperaturer, hvilket I seg selv represen-terer en farlig fremgangsmåte.

Reaksjonsproduktene blir fortrinnsvis bråkjølt ved sprøyting av vann inn i nevnte produkter idet de kommer ut av reaksj onskammere eller ved hjelp av hvilken som helst egnet metode som tillater hurtig varmefJerning uten produkt-nedbrytning. Alternative metoder for bråkjøling innbefatter hurtig gassutvidelse, innføring av en inertgass slik som nitrogen eller helium i reaksjonsproduktene eller ved bruk av en aktiv hydrokarbonbråkjøling varierende fra bruk av C2- C4'er til bensinfraksjoner til tungolje. Delvis krakking av det bråkjølte hydrokarbon kan fremme utbyttet av ønskede produkter slik som acetylen og etylen.

Gassutgangstemperaturene er av størrelsesorden 1250°C, en verdi som er vesentlig lavere enn den for mange tidligere kjente reaktorer, vanligvis av størrelsesorden 1500°C. Dette gjør det mulig at en mindre sterk bråkjøling kan benyttes mens utbyttet av acetylenprodukt bevares.

Hydrogengass kan føres med reaktanten inn i reaksjonskammere. Denne metode gjør det vanligvis mulig at forøkede utbytter av acetylen kan oppnås. Også andre gasser slik som karbon-dioksyd, vann, damp eller karbonmonoksyd kan føres med reaktantene for fremstilling av spesielle produkter. Inerte for-tynningsmidler slik som nitrogen, helium, osv., kan om nød-vendig tilsettes.

Reaktorens evne til å tillate varmeutveksling mellom reaktanter og både reaksjonsproduktene og reaksjonssonen gjør det mulig at en naturlig forvarming av tilførselen kan foregå samtidig med en lavere utgangs- eller reaksjonsprodukt-temperatur.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ved bruk av eksempel og under henvisning til figurer 1-5 på de medfølgende tegninger. Fig. 1 viser et vertikalt snitt gjennom en reaktor for fremstilling av umettede karboner Ifølge foreliggende oppfinnelse, og har en trinndelt utløpssone av større tverrsnittsareal enn lnnløpssonen. Fig. 2 viser et horisontalt snitt langslinje II-II på fig. 1. Fig. 3 viser et vertikalsnitt gjennom en reaktor for fremstilling av umettede hydrokarboner ifølge foreliggende opp finnelse, og har en divergerende utløpssone av større tverrsnittsareal enn lnnløpssonen.

Fig. 4 viser et horisontalt snitt langs linje IV-IV på fig. 3.

Fig. 5 viser et skjematisk riss av en del av en plan form for reaktor ifølge foreliggende oppfinnelse, og viser tre av reaksjonskamrene.

På fig. 1 omfatter reaktoren en innløpssone 10, et reaksjonskammer 11 og en utløpssone 12. Reaksjonskamrene 11 er i form av en sylinder som har et innløp 13 og utløp 14 for reaktantene og produktene, respektivt. Kammeret har tre ringformede seksjoner 10, 12, 16 med indre ringformede vegger 17, 18, 19. lnnløpssonen er beliggende i det indre ringrom 10 og kommuniserer med innløpet 13 (for reaktortilførsel) og med det ytre ringrom 12. Nedstrømsenden av det ytre ringrom 12 har en trinndelt utløpssone 21 av større tverrsnittsareal enn lnnløpssonen. Det indre og ytre ringrom kommuniserer ved den ende av sylinderen som er fjerntliggende fra innløpet. Dette arrangement bevirker at innløpsgassene følger en buktet bane i kammeret, og at de forvarmes før de når den ytre ringrom-reaksjonssonen. De ringformede veggene er adskilt ved en rekke indre fremspring eller "kjerner" som enkelte ganger også er nyttige for å hjelpe stabilisering av reaksjonen.

Innløpet ligger oppstrøms for lnnløpssonen 10 og har form av en sidearminngang for reaktantene. Utløpet 14 mottar reaksjonsproduktene fra det ytre ringrom, og bråkjøling foregår p.g.a. det hurtige varmetapet til omgivelsene, hvilket foråraker bråkjøling og produktavkjøling og muliggjør prøve-tagning av reaksjonsproduktene. Reaksjonskammere kan ha et sentralt rør 15 for mottagelse av et termoelement.

Ved bruk av reaktoren blir forblandet metan og oksygen ført inn i reaksjonskammere 11 gjennom sidearmen 13 som kommuniserer med det indre ringrommet eller lnnløpssonen 10. Reaktantgassene passerer gjennom innløps- og utløpssonene, og kommer ut gjennom det ytre ringrom 16 inn i volumet over reaksjonskammere 11. Reaktantgassene antennes deretter med egnede anordninger, og den resulterende flamme senkes deretter ved regulering av brennstoffgass/oksygen-støkiometri og strømningshastighet inntil flammen hviler nær utløpsenden av den trinndelte utløpssonen. I en optimalisert brenner-operasjon kan flammen senkes til akkurat over toppen av reaksjonskammeret. Deretter, etter hvert som varmeoverføring foregår til den kalde tilførselen, blir flammen trukket inn i utløp-rekuperativsonen uten ytterligere justering. Støkio-metrien til gasstilførselen kan deretter endres til det ønskede brrennstoffrike forhold. De forblandede gassene kan om ønsket forvarmes. Konstruksjonen på reaktorkammeret, strømningshastigheter, temperaturer, osv., velges slik at en reaksjonssone kan utvikles i reakjonskammerets sentrale ringrom. Reaksjonsproduktene kommer ut ved det ytre ringrommet inn i utløpssonen, idet typiske utgangsgasstemperaturer som observeres, er av størrelsesorden 1250°C. Oppholdstidene for reaktantgassene i reaksjonskammeret avhenger av temperaturprofilen. Korte oppholdstider (av størrelsesorden mindre enn 20-40 msek.) er fordelaktige for C2~produksjon.

Figurene 3 og 4 viser en alternativ reaktorkonstruksjon som har en divergerende utløpssone. På fig. 3 omfatter reaktoren en Innløpssone 30, et reaksjonskammer 31 og en utløpssone 32. Reakj onskammeret er I form av en sylinder som har et innløp 33 og et utløp 34 for reaktantene og produktene, respektivt. Kammeret har tre ringformede seksjoner 30, 32, 36 med indre ringformede vegger 37, 38, 39. lnnløpssonen er beliggende i det indre ringrommet 30, og kommuniserer med innløpet 33 (for reaktortilførsel) og med det ytre ringrommet (32). Nedstrømsenden av det ytre ringrommet 32 har en divergerende utløpssone 41 av større tverrsnittsareal enn lnnløpssonen. Det indre og ytre ringrom kommuniserer ved den enden av sylinderen som er fjerntliggende fra innløpet. Dette arrangement bevirker at innløpsgassene følger en buktet bane 1 kammeret, og at de kan forvarmes før de når den ytre ringrom-reaksjonsonen. De ringformede veggene er adskilt ved hjelp av en rekke indre fremspring eller "kjerneelement-er" som enkelte ganger også er nyttige med henblikk på å hjelpe stabilisering av reaksjonen.

Innløpet ligger oppstrøms for lnnløpssonen 30 og har form av en sidearminngang for reaktantene. Utløpet mottar reaksjonsproduktene fra det ytre ringrom og bråkjøling foregår p.g.a. det hurtige varmetapet til omgivelsene, hvilket forårsaker bråkjøling og produktavkjøling og muliggjør prøvetagning av reaksjonsproduktene. Reaksjonskammere kan ha et sentralt rør 35 for mottagelse av et termoelement. Operasjonsmåten for reaktoren er lik den til den ovenfor beskrevne reaktor med trinndelt utløpssone. Tabellene 1 og 2 viser resultater oppnådd ved bruk av reaktorer ifølge foreliggende oppfinnelse. Tabell 1 viser den delvise forbrenning av metan i en reaktor av den type som er vist på figurene 1 og 3, og også i en reaktor som har lignende tverrsnittsarealer for innløps- og utløpssoner. Tabell 2 viser resultater for den delvise forbrenning av etan i en reaktor som har lignende tverrsnittsarealer for innløps-og utløpssoner. Tabellene viser de høye utbytter av acetylen som oppnås fra de trinndelte reaktorene, dvs. de reaktorer som har utløps-soner med forøket tverrsnittsareal i forhold til lnnløps-sonen. Anvendelsen av hydrogen.-kotilførsel reduserer omdannelse og forbedrer selektiviteten til høyere hydrokarboner mens utbyttene forblir relativt uendrede. Tabell 2 viser at produktene fra delvis forbrenning av etan i reaktoren hoved-sakelig er etylen og syntesegass. Fig. 5 viser en del av en plan form for reaktor. Figuren viser tre reaksjonskammermoduler som virker i parallell. Reaksjonskammermodulene er formet fra avlange kanalseksjonselementer 50, 51 som griper inn i hverandre til dannelse av innløpssoner 52 og utløpssoner 53. Reaksjonsproduktene i hver modul passerer fra utløpssonene og bringes sammen over reaksjonskamrene for bråkjøling.

Claims (11)

1. Gassomdannelsesreaktor, karakterisert ved at den Innbefatter et reaksjonskammer med en innløps-sone som leder til en utløpssone, hvor sonene er tilpasset til å gl anledning for indirekte varmutveksling fra utløps-sonen ttil lnnløpssonen, idet lnnløpssonen har et innløp for forblandede reaktantgasser, og idet reakjonskammere har et utløp til en bråkjøllngssone.

2. Gassomdannelsesreaktor ifølge krav 1, karakte -risert ved at tverrsnittsarealet for utløps-sonen er større enn det for lnnløpssonen.

3. Gassomdannelsesreaktor ifølge krav 2, karakterisert ved at oppstrømsenden til utløpssonen har det samme eller et lignende tverrsnittsareal som ned-strømsenden til lnnløpssonen, idet utløpssonen deretter divergerer idet minste delvis langs sin lengde.

4. Gassomdannelsesreaktor ifølge krav 2, karakte risert ved at utløpssonen har ett eller flere trinn, hvor hvert trinn er av større tverrsnittsareal enn lnnløpssonen.

5. Gassomdannelsesreaktor ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at reaksjonskammere har en innløpssone i form av et sentralt ringrom eller rør som leder til utløpssonen i form av et ringformet kammer, Idet det sentrale ringrommet og det ring formede kammeret har en felles vegg hvorved det gis adgang for indirekte varmeutveksling derimellom.

6. Gassomdannelsesreaktor ifølge hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at reaksjonskammeret har form av en sammenkoblet plan rekke av innløps- og utløpsoner.

7. Gassomdannelsesreaktor Ifølge krav 6, karakte -risert ved at den sammenkoblede plane rekke av innløps-og utløpssoner innbefatter første og andre parallelle rekker av avlange kanalseksjonselementer, idet rekkene er orientert til å vende mot hveranadre og til å være forskjøvet i forhold til hverandre, og idet kanalseksjonselementene i rekkene griper inn i hverandre til dannelse av innløps- og utløpssoner.

8. Fremgangsmåte for fremstilling av umettede hydrokarboner, karakterisert ved at (a) forblandet, mettet hydrokarbongass og oksygenholdlg gass med et støkiometrisk forhold over det som er nødvendig for fullstendig forbrenning, føres inn i et reaksjonskammer, (b) reaksjonskammere er anordnet til å gi anledning for indirekte varmeutveksling mellom reaktantene og reaksjonsproduktene, (c) hydrokarbongassen og den oksygenholdige gass antennes og reageres sammen, og (d) reaksjonsproduktene bråkjøles.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at reaktantene forvarmes før de går Inn i reaksj onskammere.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at reaksjonsproduktene bråkjøles med en vannstråle.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at hydrogengass føres sammen med reaktantene inn i reaksjonskammere.