способ получения синтез-газа и реактор пиролиза для получения синтез-газа

Формула изобретения

1. Способ получения синтез-газа, включающий пиролиз углеводородного сырья, закалку газов пиролиза, утилизацию их тепла, отличающийся тем, что закалку газов пиролиза осуществляют инертным газом до температуры 500-600°С в течение 0,2-1 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пиролиз ведут при температуре 800-1600°С в течение 0,1-0,5 с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пиролиз осуществляют в жидкометаллическом теплоносителе.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородного сырья используют метансодержащий и углекислый газы.

5. Реактор пиролиза для получения синтез-газа, содержащий помещенный в герметичный обогреваемый корпус тигель с крышкой и с жидкометаллическим теплоносителем, в который опущена керамическая трубка для подачи углеводородного сырья, отличающийся тем, что концентрично керамической трубке установлен стакан, днищем прикрепленный к крышке, в днище стакана и крышке выполнены сквозные отверстия для подвода закалочного газа в полость стакана над жидкометаллическим теплоносителем и отвода его в смеси с продуктами реакции, а в боковых стенках крышки установлены патрубки для подачи продувочного газа в пространство вокруг стакана над расплавом и отвода его.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения синтез-газа, который может быть использован в нефтехимии для получения моторных топлив.

Известен способ получения синтез-газа, включающий высокотемпературную термическую обработку исходной смеси, содержащей один или несколько углеводородов и соединение с одним или несколькими элементами кислорода, где в качестве исходной смеси используют биогаз или метансодержащий и углекислый газ, а пиролиз исходной смеси проводят в жидкометаллическом теплоносителе при температуре 1420-1800°С. Образующийся синтез-газ выводят из зоны над поверхностью расплава и охлаждают любым известным способом, например, используют котел-парогенератор (см. патент РФ № 2322385, С01В 3/32, опубл. 20.04.2008). Однако использование котла-парогенератора для охлаждения трудоемко и усложняет конструкцию.

В качестве прототипа принят способ получения ацетилена путем окислительного пиролиза углеводородного сырья с последующей закалкой полученных газов пиролиза горячей водой и утилизацией их тепла (авт. свид. СССР № 1740361, С07С4/74, 11/02, опубл. 15.08.1992. Газы пиролиза закаливают до 800°С водой с температурой 90-100°С, отношение скорости газов и скорости воды 18-30. Тепло газов пиролиза утилизируют после закалки подачей их в трубчатый теплообменник со скоростью 50-70 м/с.

Повышается выход целевого продукта, снижается сажеобразование и потери тепла.

Однако закалка газов водой требует специальных устройств, что усложняет аппаратурное обеспечение способа. Практически невозможно получить химический состав получаемого синтез-газа в нужных пределах.

В качестве прототипа к устройству принята установка для получения пироуглерода (патент РФ № 90779, С01В 31/02, опубл. 20.01.2010), включающая реактор пиролиза, содержащий помещенный в обогреваемый корпус тигель с крышкой и с жидкометаллическим теплоносителем, в который опущена керамическая трубка для подачи углеводородсодержащего сырья. Отвод продуктов реакции осуществлен через боковую стенку в накопитель и окружающую среду, охлаждение и закалка газов пиролиза не предусмотрены.

Предлагаемым изобретением решается задача создания способа и установки, реализующих процесс с охлаждением и закалкой отходящих газов. Технический результат-получение заданного целевого продукта при упрощении аппаратурного обеспечения способа.

Этот технический результат достигается тем, что в способе получения синтез-газа, включающем пиролиз углеводородного сырья, закалку полученных газов пиролиза, утилизацию их тепла, закалку газов пиролиза осуществляют инертным газом до температуры 500-600°С в течение 0,2-1 сек; пиролиз углеводородного сырья ведут при температуре 800-1600°С в течение 0,1-0,5 сек; пиролиз осуществляют в жидкометаллическом теплоносителе; в качестве углеродсодержащего сырья используют метансодержащий и углекислый газы;

в реакторе пиролиза для получения синтез-газа, содержащем помещенный в герметичный обогреваемый корпус тигель с крышкой и с жидким теплоносителем, в который опущена керамическая трубка для подачи углеводородного сырья, концентрично трубке установлен стакан, днищем прикрепленный к крышке, в днище стакана и крышке выполнены сквозные отверстия для подвода закалочного газа в полость стакана над расплавом теплоносителя и отвода его в смеси с продуктами реакции, а в боковых стенках крышки установлены патрубки для подачи продувочного газа в пространство вокруг стакана над расплавом и отвода его.

Закалка инертным газом, аргоном или гелием, влияет на количественный выход целевого продукта, особенно при получении ацетилена/этилена, важно остановить закалку именно в нужный пик, а закалку вести с высокой скоростью, т.е. «затормозить» процесс или «остановить» химический состав в нужных пропорциях. Поэтому важен предлагаемый режим закалки.

Предлагаемая установка для реализации способа упрощает его аппаратурное обеспечение. Реактор пиролиза для получения синтез-газа приведен на чертеже (фиг.1).

Он содержит помещенный в герметичный корпус тигель 1 с крышкой 2, с жидким теплоносителем 3, в который опущена керамическая трубка 4 для подачи углеводородсодержащего сырья. Концентрично керамической трубке 4 установлен керамический стакан 5, днищем 6 прикрепленный к крышке 2, в днище стакана 5 выполнены сквозные отверстия 7, 8 для подвода закалочного газа в полость стакана 5 над расплавом теплоносителя и отвода его в смеси с продуктами реакции, а в боковых стенках крышки 2 установлены патрубки 9, 10 для подачи продувочного газа в пространство вокруг стакана над расплавом и отвода его. Нагрев тигля 1 осуществляется индуктором 11.

Способ осуществляют следующим образом.

Подачу исходного сырья (метана СН₄ и углекислого газа СO₂) осуществляют после продувки системы аргоном или гелием через патрубки 9,10, чтобы исключить образование взрывоопасной смеси вокруг стакана 5. Смесь газов поступает в режиме барботажа в трубку 4, опущенную в тигель, где находится жидкометаллический теплоноситель, имеющий температуру 800-1600°С. Время контакта сырья с расплавом 0,1-0,5 сек. За это время сырье успевает прогреться до температуры расплава и полностью прореагировать. Температуру расплава поддерживают при помощи индуктора 11 промышленной частоты. Образующийся газ, имеющий температуру порядка 900-1000°С выводят в зону над поверхностью расплава жидкометаллического теплоносителя. В эту зону вокруг стакана вводят продувочный газ, чтобы избежать образования взрывоопасного газа. Через отверстие 7 подают закалочный газ, аргон или гелий, который удаляют через отверстие 8 вместе с продуктами реакции Охлаждение продуктов реакции при закалке осуществляют до температуры 500-600°С, чтобы остановить реакции.

В зависимости от процесса продуктами реакции могут быть: водород, этилен, ацетилен, углерод и др. Утилизацию тепла отходящих газов осуществляют в трубчатых теплообменниках известными способами.

Пример осуществления способа.

Систему продували газом аргоном. В эксперименте в качестве исходного сырья использовали смесь газов метана СН ₄ и углекислого газа СO₂ в разных соотношениях в мас.% СН₄ и 75 СO₂ до 75 Н₄ 25 СO₂, в среднем 50 СН₄ и 50 СO₂ . Смесь подавали через керамическую трубку в жидкометаллический теплоноситель с температурой 1000°С в режиме барботажа. Через 0,5 сек образующийся газ выводили в объем стакана 5 над теплоносителем под крышку 2, где их закаливали до температуры 500-600°С в течение 0,2-1 сек, т.е. процесс вели достаточно быстро, что соответствовало скорости охлаждения порядка 1000°С/сек. Фиксировали состав полученной смеси газов с помощью хроматографа. На графике (фиг.2) показан процесс получения синтез-газов в эксперименте в координатах температура процесса - содержание компонентов в мас.%. Видно, что идет быстрое охлаждение газом с температуры 1000°С и в районе температуры 600°С реакции замедляются, а после идет охлаждение с утилизацией тепла в теплообменнике. На графике виден состав равновесной смеси при 700, 600 и 500°С.

Экспериментально установлено, что при температуре ниже 500° и выше 600°С может вызвать в газовой смеси прохождение обратных процессов. Время менее 2 сек сложно зафиксировать с технической точки зрения, а более 1 сек - также может вызвать обратные процессы.

При температуре теплоносителя ниже 800°С пиролиз метана идет очень медленно, выше 1600°С - происходит избыточный перегрев, большие теплопотери. Время менее 0,1 сек не обеспечивает полного прохождения реакции, а более 0,5 сек - реакция закончится и продукты реакции будут находиться лишнее время при температуре реакции.

Изобретение найдет преимущественное применение в экспериментальных установках для изучения процесса пиролиза углеводородсодержащего сырья.