реактор для получения непредельных углеводородов, преимущественно этилена

Формула изобретения

Реактор для получения непредельных углеводородов, имеющий охлаждаемый корпус с патрубками для подачи окислителя и углеводородного сырья и имеющий реакционную камеру, сообщающуюся с закалочной камерой, отличающийся тем, что дополнительно снабжен генератором горячих газов, соединенным с входом реакционной камеры и снабженным патрубком подачи горючего, патрубком подачи окислителя и узлом поджига газовой смеси, выходная часть генератора горячих газов сужается в сторону реакционной камеры с образованием сопла, а патрубки подачи углеводородного сырья расположены в зоне критического сечения сопла и ориентированы радиально.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а именно к высокотемпературным реакторам для получения непредельных углеводородов, преимущественно этилена.

Известна технологическая установка ЭП-300 для получения этилена из бензиновых фракций [Пиролиз углеводородного сырья. Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л., Бабаш С.Е. и др. - М.: Химия, 1987, стр.142-145]. Пиролиз сырья осуществляется в трубчатой печи. Полученная реакционная смесь подвергается закалке в закалочно-испарительном аппарате и далее подвергается компримированию, очистке, сушке, после чего производится газоотделение. Для осуществления этих трудоемких операций используется сложное, громоздкое и энергоемкое оборудование, в том числе пароперегреватели, колонны фракционирования, сепараторы, компрессоры и т.д. В результате многоступенчатой переработки бензиновых фракций на выходе установки получают до 25% этилена и незначительное количество ацетилена и пропилена.

Известен реактор для переработки углеводородного сырья [патент РФ 2290991, опубл. 10.01.07]. В корпусе реактора имеется узел поджига газовой смеси, камера образования рабочего тела, камера пиролиза с узлом подачи перерабатываемого сырья и камера закалки. К корпусу присоединены патрубки для подвода и отвода реагентов. Реактор также содержит генератор горячих газов, выход которого соединен с входом камеры образования рабочего тела. Генератор горячих газов имеет внутреннюю камеру сгорания, которая сообщается с узлом поджига газовой смеси и снабжена патрубком подачи инициирующего горение газа. Во входной части камеры образования рабочего тела установлен коллектор с радиальными отверстиями для подачи горючего. Между камерой образования рабочего тела и камерой пиролиза расположены радиальные форсунки для подачи перерабатываемого сырья. Между камерой пиролиза и камерой закалки расположены радиальные форсунки для подачи водорода. Реактор имеет сложную конструкцию и позволяет перерабатывать тяжелые фракции углеводородов - кубовые остатки, гудроны, битумы, мазуты и т.д.

В качестве прототипа выбран реактор для получения ацетилена из углеводородов [патент РФ 2087185, опубл. 20.08.97]. Вертикальный реактор имеет в своем составе:

- смеситель для смешения подогретых до 650°С газа-окислителя (кислорода) и сырья (метана);

- горелку для поджига смеси;

- реакционную камеру, в которой происходит пиролиз;

- закалочный аппарат.

Благодаря закручиванию поступающей смеси углеводородов с кислородом на лопастях горелки обеспечивается винтообразное движение горячего газового потока в туннеле корпуса реактора и в полости закалочного аппарата. Реактор имеет рассекатель, представляющий собой втулку, соосную стенкам закалочного аппарата с форсунками на верхнем торце, который распределяет основной цилиндрический поток реакционных газов, преобразуя его в закрученный кольцевой поток. Реактор позволяет перерабатывать метан с получением в основном синтез-газа (свыше 80%) и содержанием ацетилена в газе пиролиза до 9% об.

Таким образом, существует техническое противоречие. Производство этилена в трубчатых печах позволяет получить значительный выход этого продукта, однако процесс переработки длительный, трудоемкий, энергоемкий и требует модернизации при переходе с одного вида сырья на другой. С другой стороны, известные высокотемпературные реакторы существенно проще в эксплуатации и менее энергоемки, однако при их эксплуатации выход непредельных углеводородов значительно ниже, чем у трубчатых печей, так выход ацетилена составляет менее 10%, а этилен вообще является сопутствующим продуктом, его доля составляет 0,2-0,4%.

В основу изобретения поставлена задача решить имеющееся противоречие и создать высокотемпературный реактор высокой производительности, универсальный по сырью (жидкие и газообразные углеводороды) и с высоким выходом низших олефинов (этилена).

Технический результат - создание условий для сочетания гидродинамической и термической деструкции углеводородного сырья, обеспечивающих высокий процент выхода этилена.

Поставленная задача решается изменением конструкции реактора. Реактор имеет в своем составе охлаждаемый корпус с патрубками для подачи окислителя и углеводородного сырья, а также реакционную камеру, сообщающуюся с закалочной камерой. От прототипа реактор отличается тем, что дополнительно снабжен генератором горячих газов, соединенным с входом реакционной камеры и снабженным патрубком подачи горючего, патрубком подачи окислителя и узлом поджига газовой смеси. Выходная часть генератора горячих газов сужается в сторону реакционной камеры с образованием сопла, а патрубки подачи углеводородного сырья расположены в зоне критического сечения сопла и ориентированы радиально.

Более подробно сущность изобретения поясняется в приведенном ниже примере реализации и иллюстрируется чертежомВ, на котором схематично представлен продольный разрез реактора.

Реактор имеет сборный водоохлаждаемый корпус 1. Основными узлами реактора являются: генератор горячих газов 2, реакционная камера (камера пиролиза) 3, закалочная камера 4.

Генератор горячих газов 2 имеет осевой патрубок 5 подачи горючего, например метана, радиальный патрубок 6 подачи окислителя, например кислорода. Генератор горячих газов 2 снабжен узлом поджига горючей смеси, имеет цилиндрическую камеру сгорания и сопло 7, сужающееся в сторону реакционной камеры 3. Патрубки 8 подачи сырья расположены в зоне 9 критического сечения сопла, т.е. в зоне сечения, в котором скорость потока равна местной скорости звука, и ориентированы радиально. Реактор работает следующим образом.

Вначале в генератор горячих газов подается окислитель (кислород) и горючее (метан), и полученная смесь поджигается при помощи плазматрона или ВЧ-свечи. Горение осуществляется при коэффициенте избытка окислителя <1. После выхода на рабочий режим осуществляют подачу углеводородного сырья. В качестве сырья возможно использование жидких или газообразных углеводородов, например прямогонного бензина, бензиновой фракции (температура выкипания 70-110°С), углеводородного рафината. Перерабатываемое сырье подается радиальными струями в зону критического сечения сопла 7, т.е. в зону, где скорость потока близка к местной скорости звука. Сырье, движимое потоком из генератора горячих газов, поступает в реакционную камеру 3. В камере 3 происходит высокоскоростной нагрев сырья, сопровождающийся деструкцией высокомолекулярных компонентов. Турбулентность звуковых потоков и разница кинетического и теплового напоров, вызванные наложением осевых и радиальных потоков, повышают степень деструкции высокомолекулярных соединений. Рабочими режимами в камере являются Т=800-1200°С, давление 3-6 ати. Далее продукты пиролиза поступают в закалочную камеру 4. Вода, поступающая в камеру 4, превращается в пар, температура парогазовой смеси снижается до 300-450°С и процесс пиролиза прекращается.

Разделение на фракции полученной на выходе смеси производится традиционным способом.

Ниже приводится таблица материальных балансов по сырью и полученному продукту после разделения.

Сырье	Состав полученного продукта	Масса, кг	% мас.
Прямогонный бензин 31200 кг	Водород	2215,2	7,1
Метан	5366,4	17,2
Этилен	11793,6	37,8
Ацетилен	3088,8	9,9
Этан	1310,4	4,2
Пропилен	4773,6	15,3
С4	1029,6	3,3
Потери	1622,4	5,2
ИТОГО	31200	100%
Бензиновая фракция (температура выкипания 70-110°С) 33600 кг	Водород	2761,9	8,22
Метан	6253,0	18,61
Этилен	14169,1	42.17
Ацетилен	4986,2	14,84
Этан	719,0	2,14
Пропилен	1985,8	5,91
С4	994,6	2,96
Потери	1730,4	5,15
ИТОГО	33600	100%
Углеводородный рафинат 34800 кг	Водород	3383,0	9,81
Метан	9408,0	17,50
Этилен	15486,7	40,33
Ацетилен	3728,6	13,71
Этан	1063,7	2,77
Пропилен	2073,6	7,40
С4	937,0	3,44
Потери	2319,4	5,04
ИТОГО	34800	100%

Приведенные выше и другие многочисленные испытания реактора показали, что он позволяет перерабатывать различное углеводородное сырье, как жидкое, так и газообразное. Процентный выход этилена колеблется от 38 до 50%, ацетилена - 10-15%. Конкретный процент в основном определяется физико-химическими характеристиками перерабатываемого сырья.

Настоящая заявка описана с некоторыми деталями для достижения ясности и понимания. Специалисты в данной области при прочтении описания могут понять, что возможны некоторые изменения в деталях без выхода за пределы области применения и прилагаемой формулы.