Спосіб змішування природного газу з киснем

Изобретение относится к химической технологии, в частности к способам смешения исходных газов в процессах получения ацетилена термоокислительным пиролизом природного газа и технологического газа (смесь монооксида углерода и водорода) конверсией природного газа с применением кислорода. Известен способ смешения в свободном объеме предварительно подогретых газовых потоков (природного газа и кислорода), широко используемый в промышленности [1], в котором основным фактором является время приготовления газовой смеси (t см ) . Поскольку эффективность процесса получения ацетилена определяется однородностью состава исходной газовой смеси, то при слиянии компонентов в единый поток время смешения должно быть не меньше отношения пути потока до места полной его гомогенизации (Нп ) к скорости течения ( Wп ) : tсм ³ Нп Wп Но, так как э ффективнос ть производс тва ацетилена зависит также и от температуры предварительного подогрева исходных газов, один из которых является горючим, а второй окислитель, то э то обуславливает особые требования с точки зрения техник и взрывобезопасности: полученная в зоне . смеш ения гомогенная газовая смесь должна, пройдя пу ть Нп , поступить в реакционную зону раньш е, чем закончится период индукции (т.е. время смешения ( t tow. ) должно быть меньше времени индукции (t инд ) , по .истечении которого нас тупает тепловой взрыв во всем объеме приготавливаемой смеси): tсм £ t инд По э той прич ине в промышленных смесителях э то соотношение соблюдают в два-три порядка: 102 - 103 tсм £ tинд . Однако и э то не обеспеч ивает с табильной работы промышленных установок, ( ) т.к. незначительное (на 25-30°С) отклонение температуры предварительного под огрева исходных газов выше 600°С - максимальная температура, применяемая в современных производс твах, - и неподдающееся контролю изменение состава углевод ород ов в природном газе и газодинамика потока приводят к самовоспламенению их в зоне смешения, а, с ледовательно, к аварийной остановке производства. Таким образом, недос татком спос оба [1] является то, что высокотемпературный (близкий к оптимальному - 800-850°С) предварительный подогрев исходных газов невозможен по. выше указанной прич ине. Наиболее близким по технической сущности и дос тигаемому результату является способ смешения природного газа с кислородом, использу емый на ус тановке по производс тву ацетилена термоокис лительиым пиролизом природного газа на Северодонецком ПО "Азот" (2], заключающийся в том, что природный газ и кис лород предварительно подогревают раздельно в радиаци-онно-конеективных подогревателях до температу ры 400-650°С при давлении 1 атм и подают в смес ительную камеру реактора. Смес ительная камера представляет с обой полый усеченный конус, в верхней узкой час ти которого расположен эжектор. Исходные газовые потоки, пройдя эжектор, пос тупаю т в смес ительную час ть камеры, имеющую цилиндрическую форму, где исходные газы час тично смешиваются (в основном за счет кинетической энергии). Полное выравнивание концентрации газовых потоков происходит далее в свободном объеме конически расширяющейся час ти (диффузора). Далее газовая смесь, пройдя горелочный блок, поступает в реакционную камеру, где осуществляю тся процессы неполного гомогенного окис ления и пиролиза углеводород ов с образованием основных продуктов: ацетилена, монооксида углерода и водорода. При этом содержание ацетилена в газах пиролиза составляет 7,5-8 об.%. К недос таткам извес тного способа смешения относится снижение производительнос ти реакционного оборудования вс ледс твие аварийных остановок в результате возникновения самовоспламенения газового потока в смесительной камере. Одной из причин э того является отклонение температу рного режима предварительного под огрева исходных газов за температу ру, превышающую 650°С, хотя известно, что с ростом температуры предварительного подогрева исходных газов до 850-900°С увеличивается коэ ффициент полезного использования сырья за счет уменьшения доли углеводорода, потребного для поддержания температу рного режима в реакторе, В основу изобретения положена задача создания такого спос оба смешения природного газа с кислородом д ля процесса получения ацетилена и технологического газа, в котором, за счет использования для подогрева указанной газовой смеси в смесительной камере реактора равномерно распределенного инертного материала с заданной поверхнос тью, увеличивается полезный объем камеры смешения и обеспечивается взрывобезопаснос ть процесса смеш ения, что позволяет увеличить производительность реакционного оборудования. Пос тавленная задача может быть решена пу тем заполнения объема камеры смешения равномерно распределенным инертным материалом, величина поверхнос ти которого должна соответс твовать значению, рассчитанному по форму лам: V < 17,3740 - 0,02555t, для 590 °С £ t £ 680°С S или V in < 3,9304 - 0,00578t, для 850 °С ³ t ³ 680 °С S где: V - объем газовой фазы в камере смещения, см ; S - поверхность инертного материала, см 2; t - температура газовой смеси, °С. V Снижение отношения , т.е. увеличение S in величины поверхности инертного материала, на любую величину позволяет исключить самовоспламенение при критической температу ре и ниже ее. Такой э ффект, по-видимому, можно объяснить качес твенным изменением смешиваемых газов, обусловленным как предпламенными реак циями, так и процессами теплоотвода. В качестве инертного материала используют нас адку, выполненную в виде упорядоченной системы колец, полос, стержней, труб, атакже с ферическую насадку и др., представляющей собой прос транс твенную равнодос тупную решетку. Изобретение иллюс трируется следующими примерами. Пример 1. Иллюстрирует применение инертного материала д ля исключения самовоспламенения природного газа в смеси с кислородом в статических условиях. Опыты по смешению природного газа с кислород ом провод или в кварцевом термостатированном реакторе объемом 130 см, снабженном регулируемым э лектрообогревом. Для опытов использовали природ ный газ, в котором сод ержание гомологов метана составляет 8-9 об.%. Газовая смесь, полученная смешением этого природного газа с кислородом, имела следующий состав, об.%: СnН2n+2 - 63.9 (в т.ч. 5,2 об.% гомологов метана); O2 - 34,0; СО - 0,2; Hz - 0,6; H2 - 1,3. о Измерения пок азали, что данная смесь имеет температуру самовоспламенения tсв .=570 ± 1 С с периодом индукции при указанной (св.. равным 3, 4-3,7 сек. После э того в объем реактора помещали равнод оступную насадку в виде равномерно навитой спирали из полоски нержавеющей стали Х18Н10Т шириной 0,2 см и толщиной 0,09 мм и провели опыты по определению условий взрывобезопэсного осуществления процесса смешения природного газа и кислорода при температурах 588-850°С, Результаты осуществления опытов и значения величин V , полученных по заявляемым зависимос тям, приведены в табл. 1. S Пример 2. Иллюс трирует влияние на условия самовоспламенения смеси природ ного газа с кислородом каталитически ак тивной поверхности. Опыты осуществлялись в условиях примера 1, но в качестве насадки используют равнодос тупно расположенную спираль, изготовленную из стальной проволоки (ст. 3) д иаметром 0,6 мм. Пос ледующие опыты провели при температурах 571-599°С. Резу льтаты осуществления опытов приведены в табл. 2. Пример 3. Иллюс трирует влияние материала поверхнос ти насадки на стабильнос ть смеси природного газа с кислород ом. Для опытов использовали проточный смеситель, аналогичный используемому в примере 1, но снабженный выходом с пробоотборным устройс твом. Опыты по опред елению условий воспламенения природного газа с кислород ом проводили по методике [5], но в проточный смеситель помещали поочередно равнодос тупно насадку из следующих материалов: сталь Х18Н10Т (по примеру 1), сталь 3 (по примеру 2), кольца из кварцевых трубок диаметром 6-8 мм. Средний сос тав газовой смеси, определенный через 0,5 с ек пребывания в смесителе природного газа и кислорода при температуре 800°С и соотнош ении V = 1 см, представлен в табл. 3. S Как следует из табл. 1 температура самовоспламенения той же смеси увеличилась, а период индукции уменьшился в соответс твии с уравнениями, полученными для средних значений tинд .: tинд. = 79,80 - 12,18 ln t для 590°С £ t £ 680 °С , tинд. = 9,144 - 1 346 ln t для 680 °С £ t £ 850°С , в свободной камере. Для исключения воспламенения смеси при данной температу ре (опыты 2, 5, 8, 11, 14, 17) достаточно увеличить поверхнос ть насадки, распределенной в объеме реактора сверхрасчетной по заявляемым зависимос тям (опыты 3, 6, 9, 12, 15, 18). Из табл.2 видно, что использование каталитически активной поверх нос ти (ст. 3) в качестве насадки при равных значениях соотношения V для инертного материала (с т. Х18Н10Т) приводит к S существенному снижению температуры самовоспламенения смешиваемых газов. Кроме того, при значительном увеличении поверх нос ти насадки из ст. 3 в объеме реактора температура самовоспламенения увеличивается незначительно. Если в опытах примера 1 ее удалось повысить с 588 до 850°С, то в опытах примера 2 (при более существенном увеличении поверхнос ти насадки до 6%) температуру с амовоспламенения повысили лишь с 571 до 599°С, Оба э ти факта показывают, что механизм влияния каталитически ак тивного материала на предпламенные реакции, по-видимому, имеет двойс твенный характер: с одной стороны происходит теплоот-вод из газового объема к поверхнос ти насадки, а с другой - каталитическое увеличение э той поверх нос тью скорос ти реакций. приводящ их к предвзрывному разогреву. Кроме того, наряду с этими конкурирующи-. ми процессами, необход имо учитывать и третий процесс - разбавление исходной горючей смеси продуктами реакции. Инициируя химические процессы в смеш иваемых газах, приводящ ие к разбавлению смеси углеводородов с кислородом, каталитически активная насадка д елает их менее горючими, не способными к воспламенению, изменяет качес твенный сос тав сырья для технологического процесса. Результаты опытов, приведенные в табл.3, пок азывают, что в опытах 1, 2, 3, 4 и 6 материал насадки не влияет на однороднос ть перемешивания (соотношение О2: Cn-H2n+2=0,59-0,62 что соответс твует требованиям, предъявляемым технологией для такой смеси). Влияние материала насадки из с т. Х18Ш0Т и кварца на стабильнос ть состава углеводородов при высокой (до 800°С) температуре (опыты 3 и 4) незначительно и не обнаруживается влияние насадки из указанных материалов на процессы окис ления (опыты 4 и 6). При аналогичных условиях нас адка из стали 3, не допустив самовоспламенения смеси, существенно повлияла и нас табильнос ть углевод ород ов (опыт № 5 - количество непредельных углеводородов резко возрос ло), и на скорос ть реакций окисления (опыт № 5). Следовательно, для исключения воспламенения смеси природного газа и кис лорода при использовании насадки из ст.З требуется значительно большая поверхность, чем поверхнос ть, полученная для соотнош ения - по заявляемой зависимости (см. опыты 3, 7, 11 табл.2). Таким образом, использование инертного материала в качес тве насадки, а не каталитически активного, позволяет: осуществить надежное (без взрывов) смеш ение природ ного газа и кислород а, предварительно подогретых до 650-850°С, при сохранении стабильнос ти получаемой газовой смеси. Использование такой смеси в реакторе окислительного пиролиза позволит повысить содержание а.цетилена на выходе из реактора в газах пиролиза до 9-9,3 об.%, вмес то 7,5-8,0 об.% (по прототипу ) [1]; увеличить годовой пробег действующих установок за счет устранения количес тва аварийных остановок из-за самовоспламенения реакционных газов; уменьшить величину используемой поверхнос ти насадки и, соответс твенно, увеличить полезный объем камеры смешения, а также сохранить практически неизменным сос тав углеводородов при смешении. Таблица 3 Влияние условий на стабильность природного газа с кислородом № опытов 1 Условия опыта Температ Материал ура насадки газовой смеси °С 25 Состав смеси об. % О2 СО СО2 Н2 СnH2n+n CnH2n N2 Примечан ие 36.2 0,0 0,2 05 61,2 1,8 Твёрдую и 2 25 3 800 4 800 5 6 800 800 сталь Х18Н10 сталь Х18Н10 сталь 3 кварц 36.2 0,0 0,2 0,6 61,2 1,8 35.0 14 0,5 3,3 56,8 1,3 1,7 34.8 14 0,5 41 55,8 1,7 1,7 28.1 35.0 8,7 1,4 3,0 0,5 12,1 3,3 42,0 56,8 45 13 1,6 1,7 жидкую фазы в продуктах реакции не определя ли