本發(fā)明涉及一種從烴生成乙炔和/或合成氣的方法及裝置，特別涉及烴裂解制備乙炔和/或合成氣的方法及裝置。

背景技術(shù)：

乙炔是非常重要的基礎(chǔ)化工原料，其下游產(chǎn)品主要有氯乙烯、醋酸乙烯、1,4-丁二醇、丙烯酸等。生產(chǎn)乙炔的方法包括電石法、部分氧化法和等離子體法等。

電石法利用電石(碳化鈣CaC2)遇水生成乙炔(C2H2)來制備乙炔。電石法的優(yōu)點是產(chǎn)品純度高，操作簡便，缺點是能耗高且環(huán)境污染嚴重。

BASF在20世紀50年代開發(fā)的天然氣非催化部分氧化法直接將經(jīng)過預(yù)熱的甲烷和氧氣的混合物通過燒嘴點燃在燃燒室中燃燒，利用了甲烷不完全氧化產(chǎn)生的熱量提供給未反應(yīng)的甲烷裂解產(chǎn)生乙炔。與電石法相比，非催化部分氧化法生產(chǎn)乙炔的工藝能耗降低，減少了污染，而且還副產(chǎn)合成氣，技術(shù)路線簡單，可長周期穩(wěn)定運行；但整個過程涉及到高溫、快速混合、強湍流、毫秒級反應(yīng)和急冷等，對操作和安全控制的要求非常高。具體工藝描述可以參見BASF公司的Peter等人為Ullmann工業(yè)化學(xué)品百科全書編寫的Acetylene詞條(DOI:10.1002/14356007.a01_097.pub4)。

目前已有針對甲烷或天然氣部分氧化制乙炔過程的專利技術(shù)。CN1126193A在BASF原有工藝基礎(chǔ)上在燃燒器區(qū)段的管道進口端添加了具有穿孔的板。這種改進將使得原料中的氧氣和烴類的比例可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整而不用擔(dān)心回火的問題，由此可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整產(chǎn)物中乙炔和合成氣的比例。CN00104799.X在BASF原有工藝基礎(chǔ)上控制反應(yīng)區(qū)的最高溫度低于1400℃，在這種情況下，反應(yīng)時間延長到10ms，可以進行間接換熱，提高了能量效率，同時還減少了炭黑生成。CN01141008.6設(shè)計了針對低溫部分氧化過程(小于1400℃)的反應(yīng)器。必須指出的是，在現(xiàn)有的BASF部分氧化工藝中，乙炔的收率為30％-33％，且在不改變反應(yīng)器形式，僅調(diào)節(jié)操作參數(shù)的 情形下已經(jīng)無法進一步提高。

已經(jīng)存在實驗室中進行的對甲烷進行裂解的實驗研究，在裂解實驗中發(fā)現(xiàn)，甲烷在1500℃以上的高溫時，乙炔是主要的裂解產(chǎn)物，其收率高達70％以上，遠超BASF工藝中的乙炔收率。但是因為甲烷直接受熱裂解過程中積碳量過多，導(dǎo)致甲烷的直接裂解制備乙炔工藝難以得到工業(yè)化發(fā)展。相對比，在上述甲烷非催化部分氧化的BASF工藝中，氧氣的存在雖然限制了乙炔的收率，但是也同時阻斷了一部分積碳反應(yīng)，使得該工藝中的積碳率在可以接受的范圍內(nèi)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化。

等離子體制備乙炔的方法得到高溫等離子體，利用高溫等離子體給烴類提供熱量使得烴類裂解，避免了甲烷直接裂解時的高積碳問題，也可以得到非常高的乙炔收率，但是目前，該方法因為能耗較高等問題距離工業(yè)使用還有一段距離。有關(guān)等離子體制備乙炔方法的相關(guān)專利有CN101734994B、CN103333043B、CN104355961A等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種從天然氣生成乙炔和/或合成氣的方法和裝置，具有技術(shù)路線簡單、乙炔收率和選擇性高的優(yōu)點。

本文中，術(shù)語“工業(yè)富余氣體”指含有燃料物質(zhì)的工業(yè)上富余的氣體，例如焦?fàn)t氣、煤層氣，燃料物質(zhì)例如氫氣、一氧化碳、甲烷。

本文中術(shù)語“(燃料氣和氧氣)當(dāng)量比”為在化學(xué)計量比條件下的氧氣輸入量除以實際氧氣輸入量。

本文中，術(shù)語“合成氣”指主要成分為氫氣和CO的氣體混合物。

本文中烴通道設(shè)置在反應(yīng)室側(cè)面時與反應(yīng)室壁面形成的角度定義為烴類通道與反應(yīng)器壁面相交上部對應(yīng)的角度。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種從烴生產(chǎn)乙炔和/或合成氣的方法，包括：燃料氣和氧氣經(jīng)燃燒氣入口通入反應(yīng)室并在入口處點燃并燃燒；將烴通過烴通道通入反應(yīng)室，烴在前述燃燒熱量的作用下主要發(fā)生裂解反應(yīng)，生成乙炔和/或合成氣；對反應(yīng)產(chǎn)物急冷，終止反應(yīng)。

在一個示例中，將燃料氣和氧氣經(jīng)燃燒氣入口通入反應(yīng)室的方式為：首先將燃料氣和氧氣在混合區(qū)中混合，然后經(jīng)燃燒氣體通道進入反應(yīng)室；或者將燃料氣和氧氣分別經(jīng)各自的燃燒氣體通道進入反應(yīng)室。

在一個示例中，將燃料氣和氧氣分別預(yù)熱——例如加熱至200-700℃——之后，再在混合區(qū)中混合后經(jīng)燃燒氣體通道通入反應(yīng)室，或者在預(yù)熱之后不經(jīng)混合而經(jīng)各自的燃燒氣體通道通入反應(yīng)室。

例如，將燃料氣和氧氣通過流量計控制流量，經(jīng)過換熱器分別加熱至200-700℃，進入混合器快速混合，混合氣體經(jīng)燃燒氣體通道例如燒嘴通入反應(yīng)室，通過燒嘴處的輔氧小火焰點燃并穩(wěn)定燃燒；或者兩股經(jīng)過預(yù)熱的氣體分別進入反應(yīng)室后點燃并進行非預(yù)混擴散燃燒。

在一個示例中，將烴預(yù)熱至200℃，經(jīng)烴通道進入反應(yīng)室，和反應(yīng)室內(nèi)由所述燃料氣和氧氣的燃燒形成的高溫區(qū)域接觸，烴發(fā)生裂解反應(yīng)生成乙炔和/或合成氣。

高溫產(chǎn)物在反應(yīng)室出口被急冷劑急冷，例如直接驟冷，及時終止乙炔的進一步消耗反應(yīng)，避免后續(xù)反應(yīng)(例如乙炔轉(zhuǎn)化成CO或碳黑的反應(yīng))，混合物最后通過分離提純得到乙炔和/或合成氣。

合成氣中的氫氣和CO的比例會隨著操作條件的變化而變化，可為合成甲醇合成氣、合成氨氣合成氣、富氫氣合成氣、富一氧化碳合成氣等。

烴可以是甲烷、天然氣、液化氣、石油醚、芳香烴混合物、熱解汽油、煤焦油或渣油。

在一個示例中，烴是天然氣，只經(jīng)過脫硫、脫硝處理，不需要進一步提純。

在一個示例中，氧氣純度為工業(yè)純度。

在使用混合器對燃料氣和氧氣預(yù)混的情況，混合器的材料為可長期承受700℃高溫的材料，燒嘴和反應(yīng)室的材料為耐高溫材料，如石英、陶瓷、2520不銹鋼等。

在一個示例中，燒嘴和反應(yīng)器設(shè)置冷卻通道，通過冷卻介質(zhì)對其進行冷卻。

在一個示例中，燃料氣與氧氣的配比基本為化學(xué)計量比或燃料氣過量，當(dāng)量比范圍為1.0-3.0，優(yōu)選為1.0-2.0。通過調(diào)節(jié)入口處燃料氣和氧氣的比例，能夠有效調(diào)整反應(yīng)器內(nèi)的溫度和并最終調(diào)節(jié)烴裂解反應(yīng)中乙炔的收率。

在一個示例中，所述燃燒產(chǎn)生1500-3200℃的高溫燃燒區(qū)域，足以使得烴發(fā)生裂解反應(yīng)生成乙炔和/或合成氣。

在一個示例中，燃料氣為氫氣或富含氫的氣體。

在另一個示例中，燃料氣為工業(yè)富余氣體，例如含有氫氣、一氧化碳、甲烷等燃料物質(zhì)的焦?fàn)t氣、煤層氣等，由此燃燒所需的原料價格低廉，適合工業(yè)化推廣應(yīng)用。

在一個示例中，在將燃料氣和氧氣分別預(yù)熱，在混合區(qū)中混合的情況下，燃料氣和氧氣在混合區(qū)的停留時間為10—1000毫秒，優(yōu)選為60-600毫秒，更優(yōu)選為100-400毫秒，以避免燃料氣和氧氣發(fā)生自燃反應(yīng)在未進入反應(yīng)室時就提前反應(yīng)。

在一個示例中，燃料氣和氧氣的進氣壓力為1—5標準大氣壓，烴的進氣壓力為1—5標準大氣壓。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種從烴生成乙炔和/或合成氣的裝置，包括：反應(yīng)室、用于將燃料氣和氧氣通入反應(yīng)室的燃燒氣通道、用于將作為反應(yīng)物的烴通入反應(yīng)室的烴通道、急冷器、乙炔和/或合成氣分離裝置；其中，所述燃料氣和氧氣通入反應(yīng)室后被點燃并燃燒；所述烴通道設(shè)置在反應(yīng)室的側(cè)面或設(shè)置在燃燒氣通道周圍的環(huán)隙上，用于將烴噴入反應(yīng)室，從而烴和由燃料氣和氧氣燃燒形成的高溫場接觸發(fā)生裂解；所述急冷器設(shè)置在緊鄰反應(yīng)器出口的位置。

在一個示例中，從烴生成乙炔和/或合成氣的裝置還可以包括，對燃料氣和氧氣進行混合的混合器，混合器布置在反應(yīng)室的上游，其中該混合氣通過燃燒氣通道被通入反應(yīng)器后點燃并燃燒。

在一個示例中，在從烴生成乙炔和/或合成氣的裝置中，烴通道設(shè)置在反應(yīng)器的側(cè)面。優(yōu)選地，烴通道和反應(yīng)室的壁面形成的角度為30—150o，該角度定義為烴通道與反應(yīng)器壁面相交上部對應(yīng)的角度，優(yōu)選為90—150o，更優(yōu)選為120—145o，通過控制烴通道距高溫燃燒區(qū)域的距離和角度，能夠一定程度上控制烴裂解所處于的反應(yīng)溫度。

在一個示例中，燃燒氣通道為與反應(yīng)器相連的燒嘴，烴通道為在單個燒嘴的周圍設(shè)置的同心的環(huán)隙，用于將烴噴入反應(yīng)室，從而和高溫場接觸，烴發(fā)生裂解。通過控制烴通道距燒嘴的距離或者說距高溫燃燒區(qū)域的距離，能夠一定程度上控制烴裂解所處于的反應(yīng)溫度。優(yōu)選地，所述環(huán)隙內(nèi)徑(內(nèi)部半徑)為燒嘴半徑的1.1—2.0倍，優(yōu)選為1.2—1.5倍，通過改變以上半徑比以優(yōu)化流速比和流量比。

利用根據(jù)本發(fā)明實施例的從烴生成乙炔和/或合成氣的裝置，在反應(yīng)室中 通過燃料氣和氧氣的燃燒提供了高溫燃燒區(qū)域，由此提供了烴裂解反應(yīng)所需的高溫。燃料氣可以選用較廉價的工業(yè)富余可燃氣，大大降低原料成本。相比于傳統(tǒng)的部分氧化制乙炔和/或合成氣的工藝，節(jié)省了其中為提供反應(yīng)熱烈的氧化反應(yīng)所需的烴，能夠提供較高的乙炔和/或合成氣收率，乙炔的選擇性可以達到50％80％的選擇性。相比于等離子制備乙炔法，本實施例所需的能量顯著較低。相比于實驗室進行的甲烷裂解實驗，本實施例的燃燒是在氧化性環(huán)境下進行的，在此含氧的氧化性物質(zhì)環(huán)境下，能夠大大降低積碳量，適于工業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例的詳細描述中，本發(fā)明的這些和/或其它方面和優(yōu)點將變得更加清楚并更容易理解，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的從烴生成乙炔和/或合成氣的裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中用作裂解反應(yīng)原料的烴從反應(yīng)室的側(cè)面噴入。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的從烴生成乙炔和/或合成氣的裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中用作裂解反應(yīng)原料的烴通過與燃料混合物管道同心的圓形環(huán)隙進入反應(yīng)器中。

標號說明：11.燒嘴；12.燃燒氣通道；13.輔氧管道；14.輔氧輸入口；15.反應(yīng)室；16.烴通道(圖1中)。

21.燒嘴；22.燃燒氣通道；23.輔氧管道；24.輔氧輸入口；25.反應(yīng)室；26.烴通道(圖2中)。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

典型案例

焦?fàn)t氣和氧氣分別預(yù)熱到600℃，配比為焦?fàn)t氣：氧氣＝100:90.5。快速混合后以100m/s的速度噴入反應(yīng)器。側(cè)面噴入的甲烷和焦?fàn)t氣輸入的比例為1.45:1，預(yù)熱溫度為600℃。在側(cè)噴物流和燃料氣燃燒產(chǎn)物完全混合的情況下，乙炔的最高收率達到0.550，在乙炔達到最高收率的時刻，CO的收率約為0.150，甲烷轉(zhuǎn)化率約為75％，乙炔的最高選擇性達到0.78。

以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的各實施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。