Устройство для пиролиза метана
Изобретение относится к устройству для пиролиза метана с получением этилена, ацетилена и других низших олефинов. Устройство для пиролиза метана содержит вихревую камеру с верхней и нижней торцевыми крышками и направляющим аппаратом, представляющим собой цилиндр с множеством щелевых каналов, выполненных под углом, равным 30-60° к радиальному направлению. Устройство для пиролиза метана также содержит устройство ввода предварительно смешанных газовой и твердой дисперсной фаз, устройство вывода фаз, разделенное на патрубок вывода твердой дисперсной фаз, закрепленный в нижней торцевой крышке, и патрубок вывода газообразной фазы, расположенный в центре вихревой камеры, с выходом за границы верхней и нижней торцевых крышек. При этом нижний конец патрубка расположен в верхней части патрубка вывода твердой дисперсной фазы на глубине 0,4-2,5 своего диаметра. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса пиролиза метана. 2 ил.
Изобретение относится к получению углеводородов из углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле, а именно к производству этилена, ацетилена и других низших олефинов из метана. Изобретение может быть использовано в химической и других отраслях промышленности.
Известен способ получения этилена пиролизом углеводородного сырья [SU 1616955, C10G 9/16, 1990.12.30], который проводят в присутствии гомогенного инициатора.
Недостатком известного способа является его невысокая эффективность для пиролиза метана.
Известен способ пиролиза природного газа в ацетилен энергией электрической дуги [RU 2177022, C10G 15/08, 2001.12.20], включающий стадии нагрева потока теплоносителя в электродуговом плазмотроне, подачи природного газа в поток теплоносителя, их смешение, последующего пиролиза природного газа при средней температуре 1650°С и закалки образовавшихся продуктов конверсии.
Недостатком известного способа является необходимость использования электрической энергии в процессе пиролиза.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ прямого пиролиза метана [RU 2158747, C10G 15/08, C10G 15/12, 2000.11.10], выбранный за прототип, включающий предварительный нагрев газа, подачу нагретого газа в зону реакции, закалку продуктов реакции, при котором предварительный нагрев газа производят до 900-1000К, а конверсию метана осуществляют в два этапа, на первом из которых газ нагревают до 1900-2100К за время 1-2 мс, на втором этапе нагретую смесь продуктов первичного пиролиза выдерживают при давлении 2-5 МПа в адиабатическом режиме в течение 5-10 мс.
Недостатком известного способа является его недостаточная эффективность.
На момент составления настоящей заявки заявителю не было известно устройство, реализующее заявляемый способ, поэтому прототип для него не выявлен.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, направлена на усовершенствование способа пиролиза метана и создание устройства для его осуществления.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения - повышение эффективности процесса пиролиза метана.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе пиролиза метана газ предварительно нагревают, затем подают нагретый газ в зону реакции при постоянном подводе энергии извне, при этом постоянный подвод энергии извне осуществляют путем подачи в зону реакции предварительно нагретой дисперсной фазы. В качестве дисперсной фазы используют мелкодисперсный огнеупорный материал, преимущественно корунд с размером частиц от 10 до 2000 мкм. Дисперсную фазу подают в зону реакции при расходе от 1 до 100 кг на 1 кг расхода метана при температуре от 1300 до 2100°С. Нагретый газ выдерживают в зоне реакции от 5×10-3 до 10 с и при давлении от 0,01 до 50 атм.
Также указанный технический результат достигается тем, что устройство для пиролиза метана включает вихревую камеру с верхней и нижней торцевыми крышками и направляющий аппарат, устройство ввода предварительно смешанных газовой и твердой дисперсной фаз и устройство вывода фаз, разделенное на патрубок вывода газообразной фазы и патрубок вывода твердой дисперсной фазы, причем патрубок вывода газообразной фазы расположен в центре вихревой камеры, с выходом за границы верхней и нижней торцевых крышек, при этом его нижний конец расположен в закрепленном в нижней торцевой крышке патрубке вывода твердой дисперсной фазы на глубине 0,4-2,5 своего диаметра, а направляющий аппарат выполнен с возможностью подачи предварительно смешанных газовой и твердой дисперсной фаз под углом 30-60°.
Способ осуществляют следующим образом. Метаносодержащий газ или метан предварительно нагревают любым известным промышленным способом. Затем нагретый газ подают в зону реакции при постоянном подводе энергии извне путем подачи в зону реакции предварительно нагретой, например, в топке кипящего слоя дисперсной фазы. В качестве дисперсной фазы используют мелкодисперсный огнеупорный материал, например корунд по ГОСТ 28818-90 с размером частиц от 10 до 2000 мкм. Дисперсную фазу подают в зону реакции при расходе от 1 до 100 кг на 1 кг расхода метана при температуре от 2100 до 1300°С. Нагретый газ выдерживают в зоне реакции от 5×10-3 до 10 с и при давлении от 0,01 до 50 атм.
После выдержки в зоне реакции чаще всего необходимо отделить продукты распада метана от дисперсной фазы. При этом экспериментально было показано, что при уменьшении размера частиц дисперсной фазы ниже 10 мкм резко снижается эффективность сепарации потоков, а при их увеличении свыше 2000 мкм происходит снижение эффективности теплообмена между потоками газа и дисперсной фазы.
При подводе в зону реакции энергии извне путем подачи в зону реакции предварительно нагретой дисперсной фазы существует обратно пропорциональная связь между расходом дисперсной фазы на 1 кг расхода газа и температурой подаваемой дисперсной фазы. При этом экспериментально было показано, что наиболее эффективными рабочими параметрами являются расход дисперсной фазы от 1 до 100 кг на 1 кг расхода газа и температуре дисперсной фазы от 2100° до 1300°С. При выходе из указанной зоны параметров и несоблюдении обратно пропорциональной зависимости между расходом дисперсной фазы на 1 кг расхода газа и температурой подаваемой дисперсной фазы наблюдалось снижение степени разложения метана в зоне реакции.
При экспериментах было показано, что при уменьшении времени выдержки газа в зоне реакции меньше 5×10-3 с происходит резкое снижение степени разложения газа, а при увеличении времени выдержки газа в зоне реакции свыше 10 с начинают существенно проявляться процессы разложения целевых продуктов распада метана, например ацетилена, этилена, в углерод и водород.
Заявителем экспериментально было показано, что при выходе за обозначенные пределы давления в зоне реакции 0,01-50 атм технологически нецелесообразно, так как существенно возрастают материально-эксплутационные затраты для реализации способа.
Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, изображенного на фиг.1 и 2. На фиг.1 изображено заявляемое устройство (продольный разрез); на фиг.2 - разрез А-А фиг.1.
Устройство для пиролиза метана реализуют в виде вихревого центробежного реактора, который состоит из образующих вихревую камеру верхней 1 и нижней 2 торцевых крышек и установленного между ними направляющего аппарата 3, представляющего собой цилиндр с множеством щелевых каналов, выполненных под углом А=30-60° к радиальному направлению (фиг.2), устройства ввода предварительно смешанных газовой и твердой дисперсной фаз 4, выполненного аксиально-симметричным в виде коаксиального патрубка. Патрубок вывода газообразной фазы 5 расположен в центре вихревой камеры с выходом за границы верхней 1 и нижней 2 торцевых крышек. В нижней торцевой крышке 2 закреплен патрубок вывода твердой дисперсной фазы 6. Нижний конец патрубка вывода газообразной фазы 5 расположен в верхней части патрубка вывода твердой дисперсной фазы 6 на глубине 0,4-2,5 своего диаметра.
Устройство работает следующим образом. Предварительно смешанный газодисперсный поток, содержащий газообразную и твердую дисперсные фазы, подается через устройство ввода фаз 4 и направляющий аппарат 3 в вихревую камеру. Угол ввода А направляющего аппарата 3 в зависимости от скоростей потока и размеров частиц дисперсной фазы выбирается из диапазона 30-60°. За счет наличия как тангенциальной, так и радиальной компонент скорости течения газа на каждую частицу твердой дисперсной фазы в потоке действует как центробежная сила, направленная радиально от центра, так и радиальная, направленная в центр вихревой камеры. Таким образом, в вихревой камере вихревого центробежного реактора существует зона радиусов, находясь в которой равнодействующая сила в радиальном направлении близка к нулю. То есть частица твердой дисперсной фазы движется по замкнутой траектории внутри вихревой камеры, а поток газообразной фазы обдувает ее в радиальном направлении. В результате в вихревой камере реактора в радиальном направлении возникают высокие разности скоростей частиц твердой дисперсной фазы и потока газообразной фазы. Это, в свою очередь, приводит к появлению распределенной по радиусу зоны повышенной концентрации твердой дисперсной фазы и одновременно к высоким скоростям прохождения газового потока через нее.
По мере движения газодисперсного потока к центру вихревой камеры условия существования зоны повышенной концентрации нарушаются. В окрестности патрубка вывода газообразной фазы 5 газ разворачивается, радиальная компонента скорости течения газа исчезает, под действием центробежной силы частицы твердой дисперсной фазы смещаются к стенке патрубка вывода твердой дисперсной фазы 6, происходит сепарация потоков газа и твердой дисперсной фазы. В дальнейшем газообразная фаза выводится из реактора через патрубок вывода газообразной фазы 5, а твердая дисперсная фаза, ссыпаясь по стенке патрубка вывода твердой дисперсной фазы 6, выводится из устройства.
Заявителем экспериментально было показано, что максимальный теплообмен между твердой дисперсной и газообразной фазами происходит при угле А входа газодисперсного потока, лежащего в пределах 30-60°. При этом в эксперименте угол изменялся с шагом 0,5° и каждый раз измерялась разность температур твердой дисперсной и газообразной фаз на выходе из реактора. В заявленном диапазоне углов входа газодисперсного потока разность температур была минимальной, то есть теплообмен максимален, а при выходе за указанные пределы углов теплообмен был минимален, а само устройство работало, как следствие, неэффективно.
Также экспериментально заявителем было показано, что наиболее эффективная сепарация газодисперсного потока в устройстве вывода фаз 4 происходит при условии, что патрубок вывода газообразной фазы 5 расположен таким образом, что его нижний конец расположен в верхней части патрубка вывода твердой дисперсной фазы 6 на глубине 0,4-2,5 своего диаметра. При уменьшении этой величины наблюдалось уменьшение эффективности сепарации фаз, а при ее увеличении - увеличение гидродинамического сопротивления всего устройства, что приводит к дополнительным затратам энергии при его работе.
Вихревой центробежный реактор изготавливают из металла, например стали, при этом направляющий аппарат изготавливают из цилиндрической втулки методом фрезеровки направляющих каналов.
Итак, по сравнению с прототипом заявленный способ более эффективен и экономичен, так как обеспечивает быстрый подвод энергии в зону реакции и нагрев газа благодаря тому, что подвод энергии извне осуществляют путем подачи в зону реакции предварительно нагретой дисперсной фазы.
Предлагаемое устройство позволяет быстро разделять твердую дисперсную и газообразную фазы и тем самым останавливать нежелательные вторичные, например химические, процессы взаимодействия фаз сразу после процесса тепломассообмена в вихревой камере за счет того, что оно снабжено устройством вывода фаз с возможностью сепарации фаз газодисперсного потока без снабжения реактора отдельным сепарационным устройством.
Благодаря тому что вторичные продукты распада метана, а именно твердофазный углерод, в основном образуются на поверхности частиц твердой дисперсной фазы, обеспечивается непрерывный вынос твердофазного углерода из заявленного устройства, что обеспечивает его длительную работу без остановки на профилактику и очистку внутренних поверхностей.
Устройство для пиролиза метана, содержащее вихревую камеру с верхней и нижней торцевыми крышками и направляющим аппаратом, представляющим собой цилиндр с множеством щелевых каналов, выполненных под углом, равным 30-60° к радиальному направлению, устройство ввода предварительно смешанных газовой и твердой дисперсной фазы, устройство вывода фаз, разделенное на патрубок вывода твердой дисперсной фазы, закрепленный в нижней торцевой крышке, и патрубок вывода газообразной фазы, расположенный в центре вихревой камеры, с выходом за границы верхней и нижней торцевых крышек, при этом его нижний конец расположен в верхней части патрубка вывода твердой дисперсной фазы на глубине 0,4-2,5 своего диаметра,
