RU200511U1

RU200511U1 - Device (reactor) for pyrolysis of hydrocarbon raw materials in a liquid coolant

Info

Publication number: RU200511U1
Application number: RU2019140949U
Authority: RU
Inventors: Георгий Олегович Никольский; Наталья Викторовна Никитченко; Павел Евгеньевич Красников; Андрей Александрович Пименов; Дмитрий Евгеньевич Быков
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-10-28

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для пиролиза углеводородного сырья, преимущественно природного газа, а также прочих углеводородов, и может быть использована в газовой, нефтехимической и смежных с ними отраслях промышленности.Повышение производительности по сырью реактора пиролиза, заполненного жидким теплоносителем, достигается тем, что вертикальный реактор с жидким теплоносителем выполнен в форме поверхности вращения арки циклоиды вокруг своего основания, разделенной пополам плоскостью, перпендикулярной основанию.The utility model relates to devices for the pyrolysis of hydrocarbon feedstock, mainly natural gas, as well as other hydrocarbons, and can be used in the gas, petrochemical and related industries. Increasing the productivity of the feedstock of a pyrolysis reactor filled with a liquid coolant is achieved by the fact that the vertical the reactor with a liquid coolant is made in the form of a surface of rotation of a cycloid arch around its base, divided in half by a plane perpendicular to the base.

Description

Полезная модель относится к устройствам для пиролиза углеводородного сырья, преимущественно природного газа, а также прочих углеводородов, и может быть использована в газовой, нефтехимической и смежных с ними отраслях промышленности.The utility model relates to devices for the pyrolysis of hydrocarbon raw materials, mainly natural gas, as well as other hydrocarbons, and can be used in the gas, petrochemical and related industries.

Наиболее близким к заявленному устройству по совокупности признаков является реакторная система для термического крекинга (пиролиза) природного газа, состоящая из вертикального пузырьково-колонного реактора цилиндрической формы с жидким теплоносителем и фильтра, в которой осуществляют пиролиз природного газа с получением водородсодержащего газа и твердого углерода, при этом природный газ подают в низ реактора, а водородсодержащий газ и твердый углерод отбирают с верха реактора (Stoppel L., Fehling Т.,

Т., Baake Е., Wetzel Т. Carbon dioxide free production of hydrogen // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 228 (2017), 012016, pp. 1-15. DOI: 10.1088/1757-899X/228/1/012016), принято за прототип.The closest to the claimed device in terms of the totality of features is a reactor system for thermal cracking (pyrolysis) of natural gas, consisting of a vertical bubble-column reactor of cylindrical shape with a liquid coolant and a filter, in which pyrolysis of natural gas is carried out to obtain hydrogen-containing gas and solid carbon, when In this case, natural gas is fed to the bottom of the reactor, and hydrogen-containing gas and solid carbon are taken from the top of the reactor (Stoppel L., Fehling T.,

T., Baake E., Wetzel T. Carbon dioxide free production of hydrogen // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 228 (2017), 012016, pp. 1-15. DOI: 10.1088 / 1757-899X / 228/1/012016), taken as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании указанного устройства, относится то, что производительность данной реакторной системы ограничена расходом газа на входе в реактор до 200 мл/мин.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the specified device include the fact that the productivity of this reactor system is limited by the gas flow rate at the reactor inlet to 200 ml / min.

Проблема при пиролизе углеводородного сырья, преимущественно, природного газа, а также прочих углеводородов, заключается в том, что возникла необходимость существенного повышения производительности реактора, заполненного жидким теплоносителем, за счет оптимизации формы реактора.The problem in the pyrolysis of hydrocarbon feedstock, mainly natural gas, as well as other hydrocarbons, is that it became necessary to significantly increase the productivity of the reactor filled with a liquid coolant by optimizing the shape of the reactor.

Технический результат - повышение производительности по сырью реактора пиролиза, заполненного жидким теплоносителем.The technical result is an increase in the productivity of the raw material of the pyrolysis reactor filled with a liquid coolant.

Технический результат достигается тем, что устройство (реактор) для пиролиза углеводородного сырья в жидком теплоносителе, содержащее вертикальный реактор с жидким теплоносителем и фильтр, отличается тем, что реактор выполнен в форме поверхности вращения арки циклоиды вокруг своего основания, разделенной пополам плоскостью, перпендикулярной основанию.The technical result is achieved in that a device (reactor) for pyrolysis of hydrocarbon feedstock in a liquid coolant, containing a vertical reactor with a liquid coolant and a filter, is characterized in that the reactor is made in the form of a surface of rotation of the cycloid arch around its base, divided in half by a plane perpendicular to the base.

Устройство предназначено для получения водородсодержащего газа при пиролизе углеводородного сырья, преимущественно, природного газа.The device is designed to produce hydrogen-containing gas in the pyrolysis of hydrocarbon raw materials, mainly natural gas.

Работу устройства осуществляют следующим образом.The device operates as follows.

Теплоноситель в жидком или твердом состоянии вносят в реактор при комнатной температуре и подают в низ реактора слабый поток инертного газа, преимущественно, аргона. Затем реактор нагревают любым известным способом до температуры пиролиза углеводородного сырья, преимущественно, природного газа, для которого она составляет 1050±150°С. Поток инертного газа замещают потоком газообразного сырья пиролиза, которое, контактируя с жидким теплоносителем, быстро приобретает его температуру и распадается на водородсодержащий газ и твердый углерод. Ввиду высокой разницы в плотности жидкого теплоносителя и продуктов пиролиза последние быстро поднимаются на поверхность слоя теплоносителя. Водородсодержащий газ поступает в фильтр для тонкой очистки от мелких частиц углерода, а твердый углерод накапливается на поверхности слоя теплоносителя, откуда может периодически удаляться любым известным способом. По окончании процесса прекращают обогрев реактора и подают вместо сырья поток инертного газа для охлаждения реактора.A coolant in a liquid or solid state is introduced into the reactor at room temperature and a weak flow of an inert gas, mainly argon, is fed to the bottom of the reactor. Then the reactor is heated by any known method to the pyrolysis temperature of the hydrocarbon feedstock, mainly natural gas, for which it is 1050 ± 150 ° C. The flow of inert gas is replaced by a flow of gaseous pyrolysis feedstock, which, in contact with the liquid heat carrier, quickly acquires its temperature and decomposes into a hydrogen-containing gas and solid carbon. Due to the high difference in the density of the coolant and pyrolysis products, the latter quickly rise to the surface of the coolant layer. Hydrogen-containing gas enters the filter for fine cleaning of fine carbon particles, and solid carbon accumulates on the surface of the coolant layer, from where it can be periodically removed by any known method. At the end of the process, the heating of the reactor is stopped and instead of the raw material, an inert gas stream is supplied to cool the reactor.

Проблема при использовании известного устройства для пиролиза природного газа состоит в следующем. Пиролиз природного газа, состоящего, преимущественно, из метана, происходит со значительным увеличением объема газовой фазы за счет теплового расширения и образования двух объемов водорода из одного объема метана. Поднимаясь по цилиндрическому реактору, при достижении расхода газа более 200 мл/мин на входе в реактор, расширяющийся водородсодержащий газ выбрасывает часть теплоносителя из зоны нагрева. В таком режиме происходит контакт сырья и стенок реактора, нарушается теплообмен и возникают неизвлекаемые отложения продуктов коксования на стенках реактора. Таким образом, теряется главное преимущество реактора пиролиза с жидким теплоносителем - отсутствие коксообразования. Наличие зон неравномерного нагрева усиливает закоксовывание и ведет к прогоранию стенок реактора.The problem when using the known device for the pyrolysis of natural gas is as follows. Pyrolysis of natural gas, consisting mainly of methane, occurs with a significant increase in the volume of the gas phase due to thermal expansion and the formation of two volumes of hydrogen from one volume of methane. Ascending the cylindrical reactor, when the gas flow rate exceeds 200 ml / min at the reactor inlet, the expanding hydrogen-containing gas ejects part of the coolant from the heating zone. In this mode, there is a contact of the feedstock and the walls of the reactor, the heat exchange is disturbed and non-removable deposits of coking products appear on the walls of the reactor. Thus, the main advantage of a pyrolysis reactor with a liquid coolant is lost - the absence of coke formation. The presence of zones of uneven heating enhances coking and leads to burnout of the reactor walls.

Использование реактора предлагаемой конструкции, в форме половины поверхности вращения арки циклоиды вокруг своего основания (см. Берман Г.Н. Циклоида. - М.: Наука, 1980. - 112 с. С. 34-35), позволяет решить указанную проблему за счет сохранения гидродинамического режима свободного подъема пузырьков газа. Расширяющееся к верху сечение предлагаемого реактора, компенсирует расширение водородсодержащего газа, а форма реактора способствует циркуляции теплоносителя и теплообмену.The use of the reactor of the proposed design, in the form of half of the surface of rotation of the cycloid arch around its base (see Berman G.N. Cycloid. - M .: Nauka, 1980. - 112 pp. P. 34-35), allows you to solve this problem due to preservation of the hydrodynamic regime of free ascent of gas bubbles. The section of the proposed reactor expanding towards the top compensates for the expansion of the hydrogen-containing gas, and the shape of the reactor promotes the circulation of the coolant and heat exchange.

Экспериментальная проверка эффективности предлагаемого технического решения проведена на опытном лабораторном стенде исследования термических процессов в жидкометаллическом реакторе, на примерах пиролиза имитатора природного газа с содержанием 93% метана по объему и пиролиза пропана. В качестве жидкого теплоносителя использовали расплав олова, согласно прототипу. Объем расплава был одинаков в экспериментах с цилиндрическим и предлагаемым реактором.An experimental check of the effectiveness of the proposed technical solution was carried out on an experimental laboratory stand for studying thermal processes in a liquid metal reactor, using examples of pyrolysis of a natural gas simulator with a content of 93% methane by volume and propane pyrolysis. Tin melt was used as a liquid heat carrier, according to the prototype. The volume of the melt was the same in the experiments with the cylindrical and the proposed reactor.

Пример 1. Пиролиз имитатора природного газа с содержанием 93% метана по объему вели при 1020±10°С, получая при этом водородсодержащий газ (содержание водорода около 30%). В случае цилиндрического реактора (прототип) максимальный расход газа на входе в реактор составлял до 200 мл/мин. Для предлагаемого реактора удалось достигнуть расхода газа в 630 мл/мин, без снижения содержания водорода в смеси.Example 1. Pyrolysis of a natural gas simulator with a content of 93% methane by volume was carried out at 1020 ± 10 ° C, thus obtaining a hydrogen-containing gas (hydrogen content of about 30%). In the case of a cylindrical reactor (prototype), the maximum gas flow rate at the inlet to the reactor was up to 200 ml / min. For the proposed reactor, it was possible to achieve a gas flow rate of 630 ml / min, without reducing the hydrogen content in the mixture.

Пример 2. Пиролиз пропана вели при 975±10°С, контролируя при этом содержание остаточного пропана в продуктах реакции. Разложение пропана не осложнено выделением твердого углерода и требует минимизации времени контакта сырья и теплоносителя. В серии экспериментов с реактором предлагаемой конструкции были достигнуты значения расхода газа на входе в реактор более 750 мл/мин при содержании пропана менее 1% в продуктах реакции.Example 2. Pyrolysis of propane was carried out at 975 ± 10 ° C, while controlling the content of residual propane in the reaction products. The decomposition of propane is not complicated by the release of solid carbon and requires minimizing the contact time of the feedstock and the heat carrier. In a series of experiments with a reactor of the proposed design, the gas flow rate at the reactor inlet exceeded 750 ml / min with a propane content of less than 1% in the reaction products.

Предлагаемое устройство для пиролиза в жидком теплоносителе позволяет более чем в три раза увеличить расход перерабатываемого углеводородного сырья в сравнении с прототипом.The proposed device for pyrolysis in a liquid heat carrier allows more than three times to increase the consumption of processed hydrocarbon raw materials in comparison with the prototype.

Claims

A device (reactor) for pyrolysis of hydrocarbon feedstock in a liquid coolant, containing a vertical reactor with a liquid coolant and a filter, characterized in that the reactor is made in the form of a surface of rotation of a cycloid arch around its base, divided in half by a plane perpendicular to the base.