用于制備乙炔和合成氣的裝置和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于制備乙炔和合成氣的裝置和方法
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過(guò)在反應(yīng)器中部分氧化烴而制備乙炔和合成氣的改進(jìn)裝置和改進(jìn)方法，其中將包含烴的料流和包含氧氣的料流供入所述反應(yīng)器中。
[0002]用于部分氧化經(jīng)的高溫反應(yīng)通常在由混合單元、燃燒器爐體(Brennerblock)、燃燒空間和驟冷設(shè)備組成的反應(yīng)器體系中進(jìn)行。該類(lèi)在高溫范圍內(nèi)實(shí)施的部分氧化的一個(gè)實(shí)例是通過(guò)部分氧化烴而制備乙炔和合成氣。這例如描述在DE875198、DE1051845、DE1057094和 DE4422815 中。
[0003]這些文獻(xiàn)描述了通常用于從3?-3&011886-1^1'1:110101116乙炔方法的混合器/燃燒器爐體/燃燒空間/驟冷組合一當(dāng)下文指代該組合時(shí)，這簡(jiǎn)稱(chēng)為“反應(yīng)器”。
[0004]在這些方法中，將起始物質(zhì)如天然氣和氧氣分別加熱，通常加熱至600°C。在混合區(qū)中，反應(yīng)物強(qiáng)烈混合，流經(jīng)燃燒器爐體，然后在燃燒空間內(nèi)發(fā)生放熱反應(yīng)。在這些情況下，燃燒器爐體由特定數(shù)量的平行通道組成，其中可燃性氧氣/天然氣混合物的流動(dòng)速率高于火焰速率(反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化速率)，從而防止火焰侵入混合空間。將金屬燃燒器爐體冷卻，從而耐受熱應(yīng)力。根據(jù)在混合空間中的停留時(shí)間，由于混合物的有限熱穩(wěn)定性，過(guò)早燃燒和再次燃燒的風(fēng)險(xiǎn)增大。此處，使用術(shù)語(yǔ)“燃燒延遲時(shí)間”或“誘導(dǎo)時(shí)間”來(lái)意指可燃混合物不經(jīng)歷任何顯著的內(nèi)部熱變化的期間。誘導(dǎo)時(shí)間取決于所用烴的類(lèi)型、混合狀態(tài)、壓力和溫度。其決定了反應(yīng)物在混合空間內(nèi)的最長(zhǎng)停留時(shí)間。由于在合成方法中具有高產(chǎn)率和/或產(chǎn)量而特別希望使用的反應(yīng)物如氫氣、液化氣或石油醚以較高反應(yīng)性以及因此短誘導(dǎo)時(shí)間而著稱(chēng)。
[0005]目前生產(chǎn)規(guī)模上所用的乙炔燃燒器以其燃燒空間的圓柱幾何形狀而著稱(chēng)。燃燒器爐體優(yōu)選具有呈六邊形排列的通孔。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，在直徑為約500mm的圓形底橫截面上以六邊形方式排列有127個(gè)孔，其各自具有27mm的內(nèi)徑。一般而言，所用的孔或通道的直徑為約19-27mm。使形成乙炔的部分氧化反應(yīng)的火焰穩(wěn)定的下游燃燒空間同樣具有圓柱形橫截面、是水冷卻的且就外觀而言對(duì)應(yīng)于短管(例如直徑為180-533mm，長(zhǎng)度為380-450mm)。在燃燒空間側(cè)上的燃燒器爐體表面的高度處，將所謂的輔助氧氣供入反應(yīng)空間。這確保了火焰穩(wěn)定和因此火焰根的確切距離以及因此反應(yīng)由被驟冷單元終止反應(yīng)而開(kāi)始。由燃燒器爐體和燃燒空間組成的整個(gè)燃燒器借助法蘭從具有較大橫截面的驟冷容器頂部懸掛。在燃燒空間的出口平面高度處，在其外周外，將驟冷噴嘴安裝在一個(gè)或多個(gè)驟冷分布器環(huán)中，其借助或不借助霧化介質(zhì)將驟冷介質(zhì)如水或油霧化，并將離開(kāi)燃燒空間的反應(yīng)氣體以與主流動(dòng)方向近似成直角地注入。該直接驟冷的任務(wù)是將反應(yīng)流極快地冷卻至約100°C(水驟冷)和200°C(油驟冷)，從而凍結(jié)進(jìn)一步的反應(yīng)，尤其是所形成的乙炔的分解。驟冷射流的范圍和分布理想地使得在最短時(shí)間內(nèi)獲得極其均勻的熱分布。
[0006]目前生產(chǎn)規(guī)模上所用的乙炔燃燒器以燃燒空間的圓柱形幾何形狀而著稱(chēng)。借助擴(kuò)散器預(yù)混原料，并在避免反混下經(jīng)由以六邊形排列的通孔供入燃燒器爐體中。在已知的方法中，原料在混合擴(kuò)散器中以較大的體積和高預(yù)熱溫度預(yù)混。
[0007]所述工業(yè)方法不僅形成乙炔，而且形成大量氫氣、一氧化碳和煙灰。在火焰前沿形成的煙灰顆粒可作為核粘合至燃燒空間側(cè)上的燃燒器爐體表面，然后導(dǎo)致焦炭層的生長(zhǎng)、沉積和結(jié)塊(Anbacken)，這不利地影響了工藝的有效性。
[0008]在使用油和水驟冷的現(xiàn)有生產(chǎn)方法中，這些沉積物借助位于燃燒空間側(cè)上的燃燒器爐體表面區(qū)域中的加煤機(jī)單元機(jī)械清潔而定時(shí)移除。為此，加煤機(jī)單元的復(fù)雜控制是必需的(Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第5片反，第A1 卷，第97-144頁(yè))，此外，該機(jī)制的具體應(yīng)用時(shí)間受到燃燒空間內(nèi)的熱應(yīng)力的限制。
[0009]從來(lái)都不缺乏嘗試以避免焦炭層在燃燒空間側(cè)上的燃燒器爐體表面上結(jié)塊這一缺點(diǎn)。例如，DE2307300的教導(dǎo)公開(kāi)了在最高溫度和驟冷位置之間的區(qū)域中將氣態(tài)物質(zhì)注入反應(yīng)器中。據(jù)認(rèn)為這導(dǎo)致所添加的氣體與自由基之間的反應(yīng)，據(jù)認(rèn)為該反應(yīng)會(huì)減少焦炭形成。
[0010]DE3904330A1描述了一種通過(guò)熱分解乙炔而制備乙炔黑的方法。在明顯不同于制備乙炔的方法的該方法(例如不發(fā)生部分氧化)中提及任選引入惰性氣體料流。
[0011]DE1148229描述了一種運(yùn)行熱解室以處理烴的方法，其中提供使用蒸汽進(jìn)行的吹掃，且認(rèn)為壁的冷卻會(huì)導(dǎo)致水幕(權(quán)利要求1)。沒(méi)有給出吹掃實(shí)施方式的進(jìn)一步信息。所給方法并非部分氧化(POx)，引入的吹掃介質(zhì)為液態(tài)水，且未提供氧化劑(例如氧氣)與吹掃介質(zhì)的額外混合。此外，吹掃介質(zhì)僅在熱解室軸向剖面中的至多一個(gè)位置處注入。
[0012]DE2007997描述了所推測(cè)的反應(yīng)室內(nèi)壁上的油膜如何防止結(jié)焦。然而，燃燒空間中的油膜本身就傾向于結(jié)焦。因此，考慮到目前的挑戰(zhàn)，可排除烴(礦物)油作為催掃介質(zhì)。
[0013]然而，所述引用文獻(xiàn)中公開(kāi)的用于防止或減少不希望焦炭形成的方法就有效用于制備乙炔的方法中而言不令人滿意。例如，正如所解釋的那樣，一些文獻(xiàn)涉及其他反應(yīng)，其中的條件完全不同且不具備適用性。例如，本發(fā)明方法中的部分氧化就特性而言極其苛刻:停留時(shí)間起著特別主要的作用，反應(yīng)的停止必須非常精確，且添加的外來(lái)物質(zhì)(包括例如吹掃氣體或氧化劑)就其位置以及速率而言可非?？斓赝苿?dòng)反應(yīng)，由此導(dǎo)致產(chǎn)率損失。
[0014]盡管這些裝置會(huì)帶來(lái)優(yōu)點(diǎn)，然而仍存在改進(jìn)的潛力。正如上文所述的那樣，反應(yīng)物經(jīng)由通道或孔流經(jīng)燃燒器爐體，從而在燃燒空間內(nèi)發(fā)生放熱反應(yīng)。燃燒器爐體的該段也稱(chēng)為燃燒器孔板。因此，為了穩(wěn)定在Sachsse-Bartholomg乙炔合成中形成的部分氧化反應(yīng)前沿，將輔助氧氣經(jīng)由位于沿反應(yīng)器的燃燒器孔板的預(yù)定位置處的各氧氣管引入燃燒空間或反應(yīng)空間中。這些管由外部徑向供入燃燒器孔板中。由于氧氣管出口與燃燒器孔板外周的距離不同，這導(dǎo)致氧氣管具有不同長(zhǎng)度。這導(dǎo)致由共用儲(chǔ)蓄器供入的各氧氣管中的壓降不同。如果氧氣管長(zhǎng)度相差過(guò)大，則不能將氧氣適當(dāng)分布在燃燒器孔板上，其結(jié)果是無(wú)法再確保火焰穩(wěn)定性和所需的產(chǎn)率。
[0015]因此，本發(fā)明的目的是描述一種用于制備乙炔和合成氣的裝置和方法，其至少顯著減少了上述缺點(diǎn)。更具體地，本發(fā)明的裝置適于避免氧氣在燃燒器孔板上的不當(dāng)分布。
[0016]本發(fā)明的基本理念是不再經(jīng)由各管供應(yīng)輔助氧氣，而是借助獨(dú)立的分布器環(huán)將其經(jīng)由穿過(guò)各孔或通道的中間空間引入反應(yīng)空間中，其中就流體動(dòng)力學(xué)而言，對(duì)中間空間進(jìn)行設(shè)計(jì)以確保在供應(yīng)其的孔上均勻分布。
[0017]本發(fā)明的用于通過(guò)用氧氣部分氧化烴而制備乙炔和合成氣的裝置包括反應(yīng)器。所述反應(yīng)器具有含用于制備乙炔的燃燒空間的燃燒器爐體、在燃燒器爐體內(nèi)形成的第二空間，和圍繞第二空間的環(huán)狀空間。燃燒器爐體具有用于將烴和氧氣的混合物料流供入燃燒空間的孔和用于將輔助氧氣料流供入燃燒空間的孔。用于將輔助氧氣料流供入燃燒空間的孔與第二空間相連。第二空間與環(huán)狀空間相連。
[0018]環(huán)狀空間可圍繞第二空間。例如，環(huán)狀空間同心圍繞第二空間。環(huán)狀空間可基本上為圓形的。應(yīng)指出的是，該圓形涉及與環(huán)狀空間的中心軸或中心線成直角的剖視圖。一般而言，環(huán)狀空間是圓柱形的，且圓柱體軸限定了中心軸或中心線。第二空間可通過(guò)壁與環(huán)狀空間隔開(kāi)。所述壁可具有與用于將輔助氧氣料流供入環(huán)狀空間的孔相連的口。所述口可沿燃燒器爐體的外周均勻分布在壁中。所述口可具有比用于將輔助氧氣料流供入燃燒空間的孔更大的橫截面面積。所述口的橫截面面積總和與環(huán)狀空間的橫截面面積之比可為0.05-1，例如為0.15。環(huán)狀空間可與用于供應(yīng)輔助氧氣的供料口連接。用于將輔助氧氣料流供入燃燒空間的孔可以以規(guī)則或