RU2044559C1

RU2044559C1 - Reactor of thermooxidation pyrolysis of hydrocarbon

Info

Publication number: RU2044559C1
Authority: RU
Inventors: Василий Гаврилович Говоров; Геннадий Васильевич Говоров
Original assignee: Василий Гаврилович Говоров; Геннадий Васильевич Говоров
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 1995-09-27

Abstract

FIELD: chemical mechanical engineering, producing unsaturated hydrocarbons, for example, acetylene. SUBSTANCE: to increase output of aimed product from unit of heat decomposed hydrocarbon raw material in reactor, that has body with inside lining, couplings of streams inlet and outlet and adjacent to body from below chamber of hardening, in cavity of which jet to spray cooling water is located, there is mean to feed technical oxygen, that is made in the form of plugged lower part of pipe and upper part of the pipe is perforated. Lower part of pipe has nozzles. In the case part of pipe from lower cut to perforation has outside lining. Lower part of body is provided with block, that is coaxially mounted with ledge from center to periphery of cylindrical or conical shells, fixed by ribs. EFFECT: reactor allows to increase production of unsaturated hydrocarbons. 1 dwg

Description

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано для получения непредельных углеводородов, например ацетилена. The invention relates to chemical engineering and can be used to produce unsaturated hydrocarbons, for example acetylene.

Известен реактор термоокислительного пиролиза углеводородов, содержащий корпус с штуцерами ввода и вывода потоков и прикрепленную к корпусу снизу камеру закаливания, в полости которой размещена форсунка для разбрызгивания охлаждающей воды [1] В полости корпуса размещен закручиватель потока углеводорода, а корпус снабжен рубашкой с штуцером подачи технологического кислорода. Нагретый до 500-700^оС поток углеводорода, проходя закручиватель, приобретает вращательное движение. В этот поток с необходимой скоростью поступают струи технологического кислорода. В результате взаимодействия углеводорода и кислорода температура реакционных газов увеличивается до 1400-1500^оС и в потоке образуется ацетилен. Затем поток газа вводится в поток струй воды, поступающих из форсунки, и его температура снижается до уровня, при котором предотвращается его разложение. Охлажденный поток с целевым продуктом выводится из реактора на дальнейшую переработку.A reactor is known for thermo-oxidative pyrolysis of hydrocarbons, comprising a housing with flow inlet and outlet fittings and a hardening chamber attached to the bottom of the hull, in the cavity of which there is a nozzle for spraying cooling water [1] A hydrocarbon flow swirl is placed in the housing cavity, and the housing is equipped with a jacket with a process feed nipple oxygen. Heated to 500-700 ^about With the flow of hydrocarbon, passing the twist, acquires a rotational motion. The jets of technological oxygen enter this stream with the necessary speed. As a result of the interaction of the hydrocarbon and oxygen gases reaction temperature is increased to 1400-1500 ^{° C,} and acetylene is formed in the stream. Then the gas stream is introduced into the stream of water jets coming from the nozzle, and its temperature drops to a level at which its decomposition is prevented. The cooled stream with the target product is removed from the reactor for further processing.

Недостаток этого реактора состоит в сложности конструкции, что предопределяет неустойчивость протекания проводимого в реакторе процесса: в закрученном потоке с большой скоростью протекают реакции газификации углеводорода, горения водорода и пиролиза углеводорода с образованием целевого продукта. Все это делает работу реактора трудноуправляемой. The disadvantage of this reactor is the complexity of the design, which determines the instability of the process carried out in the reactor: in a swirling flow, hydrocarbon gasification, hydrogen combustion and hydrocarbon pyrolysis reactions occur with the formation of the target product. All this makes the reactor operation difficult to control.

Наиболее близким к изобретению является реактор термоокислительного пиролиза углеводородов, содержащий футерованный изнутри корпус с штуцерами ввода и вывода потоков и прикрепленную к нему снизу камеру закаливания, в полости которой размещены форсунки для разбрызгивания охлаждающей воды [2] Вводимые в реактор углеводород и кислород смешиваются в верхней части полости и с большой скоростью движутся вниз по полости, выполненной в виде диффузора. Затем поток поджигается и входит в каналы горелочного устройства. За счет сгорания части углеводорода температура повышается до 1400--1500^оС, и за счет пиролиза оставшегося углеводорода в потоке появляются ацетилен, водород, окись углерода и другие газы. Затем поток газов входит в зону закаливания, быстро охлаждается до 90-100^оС и выводится на дальнейшую переработку. Этот реактор отличается простотой конструкции и высокой надежностью в работе.Closest to the invention is a thermooxidative pyrolysis reactor for hydrocarbons, comprising an inside lined case with flow inlet and outlet fittings and a hardening chamber attached to it from below, in the cavity of which nozzles are placed for spraying cooling water [2] The hydrocarbon and oxygen introduced into the reactor are mixed in the upper part cavity and with great speed move down the cavity, made in the form of a diffuser. Then the stream is ignited and enters the channels of the burner device. Due to the combustion of part of the hydrocarbon, the temperature rises to 1400-1500 ^о С, and due to the pyrolysis of the remaining hydrocarbon, acetylene, hydrogen, carbon monoxide and other gases appear in the stream. Then the gas flow enters the hardening zone, quickly cools to 90-100 ^о С and is output for further processing. This reactor is simple in design and highly reliable.

Однако данный реактор имеет низкую эффективность, низкий выход целевого продукта, отнесенного к единице исходного сырья. However, this reactor has a low efficiency, low yield of the target product, referred to a unit of feedstock.

В реакторе одновременно протекают реакции газификации
CH₄ + 1/2O₂ CO + 2H₂ (1) горения образовавшегося водорода
2H₂ + O₂ 2H₂O (2) и пиролиз метана 2CH₄ _→ C₂H₂+3H₂ (3)
Основным источником тепла, за счет которого обеспечивается нагрев реакционных газов и пиролиз по реакции (3), является реакция (2) горения водорода. Но скорость горения водорода полностью лимитируется скоростью образования его по реакции (1). Последняя реакция относительно медленная, поэтому при подаче всего объема газов процесс приводит к медленному нагреву реакционных газов, что и снижает выход целевого продукта, отнесенного к единице исходного сырья.Gasification reactions simultaneously occur in the reactor
CH ₄ + 1 / 2O ₂ CO + 2H ₂ (1) combustion of the resulting hydrogen
2H ₂ + O ₂ 2H ₂ O (2) and methane pyrolysis 2CH ₄ _ → C ₂ H ₂ + 3H ₂ (3)
The main source of heat, due to which the heating of reaction gases and pyrolysis by reaction (3) is provided, is the reaction (2) of hydrogen combustion. But the rate of combustion of hydrogen is completely limited by the rate of its formation by reaction (1). The latter reaction is relatively slow, therefore, when the entire volume of gases is supplied, the process leads to slow heating of the reaction gases, which reduces the yield of the target product assigned to the unit of feedstock.

Кроме того, в данном реакторе неэффективна закалка газов: вводимые поперечно струи воды не проникают в движущийся с большой скоростью поток газа, поэтому вода охлаждает лишь небольшой поверхностный слой потока газов. Остальная часть потока с закаливанием запаздывает, и к моменту окончательного охлаждения часть целевого продукта успевает разложиться. Это также снижает выход продукта на единицу исходного сырья. In addition, gas quenching is ineffective in this reactor: water jets introduced transversely do not penetrate the gas stream moving at a high speed, therefore water only cools a small surface layer of the gas stream. The rest of the quenched stream is delayed, and by the time of the final cooling, part of the target product has time to decompose. It also reduces the yield of product per unit of feedstock.

Технический эффект изобретения состоит в повышении выхода целевого продукта за счет сокращения продолжительности нагрева реакционных газов и их закаливания. The technical effect of the invention consists in increasing the yield of the target product by reducing the duration of heating of the reaction gases and their hardening.

Для достижения технического эффекта в реакторе термоокислительного пиролиза углеводородов, содержащем футерованный изнутри корпус со средствами ввода углеводородов и технического кислорода и вывода продуктов реакции и расположенную в нижней части реактора камеру закаливания, в полости которой размещена форсунка для разбрызгивания воды, средство для ввода технологического кислорода выполнено в виде заглушенной в нижней части трубы, верхняя часть которой перфорирована, а нижняя снабжена соплами, при этом участок трубы от нижнего среза до перфорации футерован снаружи, нижняя часть корпуса снабжена блоком коаксиально установленных с уступом от центра к периферии цилиндрических либо конических обечаек, скрепленных ребрами. In order to achieve a technical effect in a thermooxidative pyrolysis reactor of hydrocarbons containing an inside lined case with means for introducing hydrocarbons and technical oxygen and outputting reaction products and a quenching chamber located in the lower part of the reactor, in whose cavity a nozzle for spraying water is placed, the means for introducing process oxygen is made in as plugged in the lower part of the pipe, the upper part of which is perforated and the lower one is equipped with nozzles, while the pipe section is from the lower middle lined up perforations and the outside of the lower part of the housing is provided with a unit mounted coaxially with the shoulder from the center to the periphery of cylindrical or conical shells fastened ribs.

На чертеже изображен предлагаемый реактор в разрезе. The drawing shows the proposed reactor in section.

Реактор содержит корпус 1, футерованный изнутри с образованием полости в виде диффузора. К верхнему торцу его прикреплен коллектор 2, снабженный штуцером 3 ввода углеводорода и штуцером 4 для по- дачи кислорода на стабилизацию пламени. По оси коллектора 2 размещена труба 5 по дачи технологического кислорода. К нижнему торцу корпуса 1 прикреплена камера 6 для закаливания газов пиролиза, снабженная штуцером 7 для вывода газа и отработанной воды. В ее полости размещена форсунка 8 для разбрызгивания охлаждающей воды. К нижнему участку полости корпуса 1 примыкает блок 9 цилиндрических конических обечаек, расположенных уступом и скрепленных ребрами. В зазоре между этими обечайками и происходит закаливание газов. The reactor contains a housing 1 lined from the inside with the formation of a cavity in the form of a diffuser. A collector 2 is attached to its upper end, equipped with a nozzle 3 for introducing a hydrocarbon and a nozzle 4 for supplying oxygen to stabilize the flame. A pipe 5 for supplying process oxygen is placed along the axis of the collector 2. A chamber 6 for hardening pyrolysis gases is attached to the lower end of the housing 1, equipped with a fitting 7 for discharging gas and waste water. In its cavity there is a nozzle 8 for spraying cooling water. A block 9 of cylindrical conical shells adjacent to a ledge and fastened by ribs adjoins the lower part of the cavity of the housing 1. In the gap between these shells, the gases quench.

Труба 5 для подачи технологического кислорода выполнена составной, ее верхний участок имеет увеличенный диаметр по сравнению с нижним участком. На нижнем конце верхнего участка трубы 5 образована перфорация 10 для подачи кислорода на газификацию. На нижнем конце нижнего участка трубы 5 укреплены сопла 11 для подачи кислорода на пиролиз углеводородов. Нижний участок трубы 5 снабжен слоем 12 футеровки. The pipe 5 for supplying process oxygen is made composite, its upper section has an increased diameter compared to the lower section. At the lower end of the upper portion of the pipe 5, perforation 10 is formed to supply oxygen for gasification. At the lower end of the lower portion of the pipe 5, nozzles 11 are mounted for supplying oxygen to the pyrolysis of hydrocarbons. The lower portion of the pipe 5 is provided with a layer 12 of the lining.

Реактор работает следующим образом. The reactor operates as follows.

При газоходе, соединенном со свечей, в реактор подают природный газ, нагретый до 600^оС, и поджигают его известным способом. Затем через штуцер 4 вводят стабилизирующий кислород, нагретый до 500^оС, и одновременно с этим в форсунку 8 подают охлаждающую воду. После этого через трубы 5 подают технологический кислород (Т500^оС) и все потоки доводят до регламентных объемов.When the duct, which is connected with a candle, the reactor is fed natural gas, heated to 600 ^{° C,} and it is ignited in a known manner. Then, stabilizing oxygen heated to 500 ^° C is introduced through the nozzle 4, and at the same time, cooling water is supplied to the nozzle 8. After that, process oxygen (Т500 ^о С) is supplied through pipes 5 and all flows are brought to the regulated volumes.

Поступающий через перфорацию 10 кислород вступает во взаимодействие с природным газом, вследствие чего часть природного газа превращается в окись углерода и водорода по реакции (1). Температура реакционных газов повышается до 1000^оС, и поток движется вниз, к соплам 11. Расстояние между перфорацией 10 и соплами 11 подобрано таким образом, чтобы за время движения газа по участку полости весь кислород, поступивший через перфорацию 10, успел прореагировать с природным газом.Oxygen entering through the perforation 10 interacts with natural gas, as a result of which part of the natural gas is converted into carbon monoxide and hydrogen by reaction (1). The temperature of the reaction gases rises to 1000 ^° C, and the flow moves down to the nozzles 11. The distance between the perforation 10 and the nozzles 11 is selected so that during the movement of the gas through the portion of the cavity, all the oxygen entering through the perforation 10 has time to react with natural gas .

При подходе к участкам трубы с соплами 11 поток газа состоит в основном из природного газа, окиси углерода и водорода. При прохождении нижнего участка полости реактора в этот поток вводится через сопла 11 кислород. Так как в этих условиях с наибольшей скоростью взаимодействия с кислородом обладает водород, то он практически выгорает полностью по реакции (2). Вследствие этого температура газов повышается до 1500^оС и выше и в этих условиях по реакции (3) пиролизуется сохранившийся в потоке метан.When approaching the pipe sections with nozzles 11, the gas stream consists mainly of natural gas, carbon monoxide and hydrogen. When passing the lower portion of the reactor cavity, oxygen is introduced into this stream through nozzles 11. Since hydrogen possesses the highest rate of interaction with oxygen under these conditions, it practically burns out completely by reaction (2). Consequently, the gas temperature rises to 1500 ^{° C} and above and under these conditions by the reaction (3) preserved pyrolyzed into methane stream.

Затем газы пиролиза проходят зазоры между цилиндрическими (коническими) обечайками блока 9 и за счет контактирования с ними и с каплями воды, поступающими туда при работающей форсунке, охлаждаются до температуры, исключающей распад образовавшегося ацетилена. Охлаждаемые газы пиролиза и отработанная вода через штуцер 7 выводятся из реактора и направляются на дальнейшую переработку. Then, the pyrolysis gases pass through the gaps between the cylindrical (conical) shells of block 9 and are cooled to a temperature that excludes the decomposition of the formed acetylene by contacting them and with the water drops entering there when the nozzle is working. Cooled pyrolysis gases and waste water through the nozzle 7 are removed from the reactor and sent for further processing.

Из изложенного видна особенность реактора на взаимодействие с частью кислорода, выходящего из сопел, поступает газ с заранее подготовленным объемом водорода. Так как он горит с более высокой скоростью по сравнению с другими компонентами потока, то нагреть пиролизуемые газы можно за тысячные доли секунды. Это является одним из важнейших условий для эффективного превращения углеводорода в целевой продукт и более высокого его выхода с единицы сырья. From the foregoing, a feature of the reactor is seen to interact with a part of the oxygen leaving the nozzles; a gas with a pre-prepared volume of hydrogen enters. Since it burns at a higher speed compared to other components of the flow, it is possible to heat pyrolyzable gases in thousandths of a second. This is one of the most important conditions for the efficient conversion of a hydrocarbon into a target product and its higher yield from a unit of raw material.

Известно, что, чем выше температура реакционных газов, тем короче должен быть период их закаливания. Это условие тоже в реакторе выдержано; блок 9 цилиндрических (конических) обечаек может быть изготовлен с такой высотой, проходя которую, газ может быть охлажден за сколь угодно малое время. Практически этот период может быть сокращен до 1-2 тыс.с. It is known that the higher the temperature of the reaction gases, the shorter should be the period of their hardening. This condition is also maintained in the reactor; block 9 of cylindrical (conical) shells can be made with such a height, passing through which, the gas can be cooled in an arbitrarily small time. In practice, this period can be reduced to 1-2 thousand.s.

Необходимо отметить термическую защищенность реактора. Участок трубы 5 от перфорации 10 до сопел 11 на нижнем участке трубы защищен слоем 12 футеровки снаружи. Нижний же участок трубы 5 помимо этого охлаждается водой, разбрызгиваемой из форсунки; непосредственно орошается фланец с конусом в центре, выступающим вниз, а через него (поскольку он приварен к трубе 5) охлаждается и нижний конец трубы. It should be noted thermal protection of the reactor. The pipe section 5 from the perforation 10 to the nozzles 11 in the lower pipe section is protected by a layer 12 of the lining from the outside. The lower section of the pipe 5, in addition, is cooled by water sprayed from the nozzle; the flange is directly irrigated with the cone in the center protruding downward, and through it (since it is welded to the pipe 5) the lower end of the pipe is also cooled.

Возможны некоторые варианты выполнения реактора. Так, полость корпуса аппарата может быть перекрыта блоком, составленным как из цилиндрических, так и из конических обечаек. В любом случае они располагаются уступом и скрепляются в блок ребрами. Блоки могут быть как целиковыми, так и составными, состоящими из 2-4 частей. При больших величинах уступа (превышение одной обечайки относительно другой) лучше обечайки блока выполнять цилиндрическими, при меньших уступах предпочтительнее конические обечайки блока. Some embodiments of the reactor are possible. So, the cavity of the apparatus can be blocked by a block composed of both cylindrical and conical shells. In any case, they are located on a ledge and are fastened to the block by ribs. Blocks can be both integral and composite, consisting of 2-4 parts. With large ledges (excess of one shell relative to another), it is better to perform the shell of the block cylindrical, with smaller ledges, the conical shell of the block is preferable.

Для стабильной работы реактора имеет значение отношение высоты h цилиндрических (конических) обечаек к величине зазоров δ между ними. Чем меньше будет δ тем эффективнее будет закаливание газов, но тем быстрее они могут забиваться сажей. Для оптимума необходимо, чтобы высота обечаек в 2-5 раз превосходила зазоры между ними. For the stable operation of the reactor, the ratio of the height h of the cylindrical (conical) shells to the value of the gaps δ between them is important. The smaller δ is, the more effective the quenching of gases will be, but the faster they can become clogged with soot. For optimum, it is necessary that the height of the shells is 2-5 times higher than the gaps between them.

В камере закаливания могут размещаться две форсунки. Штуцер ввода углеводорода может располагаться тангенциально. Коллектор, как часть корпуса, может иметь иную форму. Иначе может быть выполнена конструкция для стабилизации пламени (может быть добавлена труба розжига). The hardening chamber can accommodate two nozzles. The hydrocarbon inlet fitting may be located tangentially. The collector, as part of the housing, may have a different shape. Otherwise, a design can be made to stabilize the flame (an ignition pipe may be added).

Новый технический эффект изобретения состоит в повышении выхода целевого продукта с единицы исходного сырья, что достигается за счет разграничения во времени и пространстве реакций газификации и пиролиза. A new technical effect of the invention is to increase the yield of the target product from a unit of feedstock, which is achieved due to the differentiation in time and space of gasification and pyrolysis reactions.

Claims

REACTOR OF THERMAL OXIDIZING Pyrolysis of Hydrocarbons, comprising a lined inside with a means for introducing carbon and process oxygen and outputting reaction products and a quenching chamber located in the lower part of the reactor, in the cavity of which there is a nozzle for developing water, characterized in that the means for introducing process oxygen is made in the form plugged in the lower part of the pipe, the upper part is perforated, and the lower one is equipped with nozzles, while the pipe section from the lower cut to the perforation is lined outside, the lower part of the housing is equipped with a block coaxially mounted with a step from the center to the periphery of the cylindrical or conical shells fastened with ribs.