СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК C01B3/36 

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа из газообразного углеводородного сырья.

Известен способ получения синтез-газа из углеводородного сырья [1] включающий смешивание сырья с окислителем кислородом или кислородсодержащим газом или водяным паром, введение смеси в реакционную зону при температуре, которая не менее чем на 93^oC ниже точки самовоспламенения смеси, со скоростью турбулентного потока, превышающей скорость проскока пламени, и конверсию смеси в присутствии монолитного катализатора.

Описанный способ требует создания каталитического реактора специальной конструкции и использования высокоселективного катализатора.

Известны также различные способы неполного окисления углеводородного сырья, например, метана для получения синтез-газа:
CH₄+ 0,5O₂ → CO + 2H₂
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения синтез-газа [2] включающий сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом, обогащенным кислородом, при α 0,5 0,8, или необогащенным кислородом воздуха при a 0,827 1,2 и взрывное парциальное окисление углеводородов в объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке. При этом в качестве углеводородного сырья используется богатый газ коксовых производств, содержащий, в основном, окись углерода, метановую и этиленовую фракции. В цилиндры двигателя внутреннего сгорания подают смесь воздуха с указанным сырьем, а взрывному парциальному окислению предшествует принудительное воспламенение смеси. Удельная производительность процесса по углеводородному сырью составляет около 700 кг/м³•ч.

Получение синтез-газа сочетается с выработкой электроэнергии.

Использование в указанном способе не природного газа, а продукта его переработки богатого газа коксовых производств привязывает производство синтез-газа к коксовым производствам.

Кроме того, при осуществлении способа с использованием необогащенного воздуха при a 0,827 1,2 в продуктах процесса содержание CO₂ в 1,5 2 раза больше, чем CO, содержание водорода не удовлетворяет требованию синтеза, а при a >1 водород вообще отсутствует. Так, например, при работе на необогащенном воздухе и a 0,827 отношение H₂/CO составляет 0,76 и ни в одном примере не достигает значения 2,0, принятого для синтеза метанола.

При осуществлении способа на воздухе, обогащенном кислородом, при a 0,5 0,8 (содержание кислорода 50% и 29% соответственно указанным a) соотношение H₂/CO не соответствует требованиям каталитического синтеза (в ряде случаев меньше единицы). При этом для a 0,8 содержание CO₂ равно содержанию CO.

Изобретение решает задачу создания способа получения синтез-газа, пригодного для дальнейшей каталитической переработки.

Использование предлагаемого способа позволяет получить синтез-газ в известных выпускаемых промышленностью двигателях внутреннего сгорания. При этом последние работают по типу компрессионного двигателя, т.е. с воспламенением смеси воздуха и углеводородного сырья от сжатия при внешнем смесеобразовании.

Использование в способе в качестве сырья метана и этана, получаемых, в частности, при выделении широкой фракции легких углеводородов из попутных нефтяных газов, позволит улучшить экологическую обстановку в районах добычи и переработки нефти. При этом удельная производительность в предлагаемом способе в 2,5 3 раза выше, чем в известном способе [2] а объемные отношения H₂/CO составляют 1,4 2. Это особенно важно, поскольку известно, что эффективность производства синтез-газа в значительной степени определяет экономичность производства синтетических моторных топлив [3]
Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения синтез-газа, включающем сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом и окисление углеводородов при сжатии смеси поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке, в цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа подают предварительно подогретую до 220 450^oC смесь углеводородного сырья с воздухом при a 0,5 0,8, а сжатие смеси осуществляют до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300 2300^oC на период 10^-2 10^-3 с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин^-1.

При подогреве смеси воздуха и углеводородного сырья до температуры ниже 200^oC не произойдет самовоспламенения смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа. Выбор верхней границы подогрева смеси (450^oC) обусловлен соображениями безопасности в связи с возможностью самовоспламенения смеси до реакционного объема.

При содержании воздуха в смеси с углеводородом с a <0,5 начинается сажеобразование, что ухудшает качество синтез-газа. При содержании воздуха при a >0,8 в отходящих газах содержание CO₂ становится больше, чем CO, что также снижает качество синтез-газа [2]
Нижняя граница температуры проведения парциального окисления 1300^oC выбрана из соображений обеспечения глубокого протекания парциального окисления углеводородного сырья. Верхняя граница температуры проведения парциального окисления 2300^oC выбрана во избежание сажеобразования при нижних значениях заявляемого a, а также обеспечения живучести выхлопных клапанов. Частота цикла должна превышать 350 мин^-1, т.к. при медленном сжатии воспламенения смеси не происходит.

При осуществлении парциального окисления при указанных температурах за период >10^-2 с снижается выход целевого продукта.

Осуществление парциального окисления при указанных температурах за период <10^-3 с требует такого увеличения числа оборотов двигателя, при которых инерционные нагрузки возрастают выше допустимых по прочностным соображениям.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Предварительно смешивают углеводородное сырье с воздухом до 0,5 0,8.

2. Нагревают полученную смесь до температуры 200 450^oC.

3. Подают нагретую смесь в объем цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа при движении поршня к нижней мертвой точке.

4. Осуществляют парциальное окисление углеводородов при сжатии смеси в объеме цилиндра движением поршня к верхней мертвой точке до ее самовоспламенения и получения температуры 1300 2300^oC на период 10^-2 10^-3 с.

5. Охлаждают продукты процесса, расширяя их при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке.

6. Выводят продукты процесса, содержащие синтез-газ, из цилиндра двигателя при движении поршня к верхней мертвой точке.

7. Цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин^-1.

8. Используют кинетическую энергию механизма движения в цилиндре двигателя для получения электроэнергии в генераторе, установленном на валу двигателя.

Способ получения синтез-газа поясняется чертежом, на котором изображена схема установки.

Установка содержит основанный на двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа химический реактор сжатия, включающий цилиндр 1, представляющий собой замкнутый реакционный объем, в котором размещен поршень 2, впускной клапан 3, размещенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1, для подвода рабочей смеси окислителя и углеводородного сырья, связанный трубопроводом с реактором 4 подогрева указанной смеси, соединенным со смесителем 5 указанных продуктов процесса, выпускной клапан 6, расположенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1 для отвода продуктов процесса. Поршень 2 цилиндра 1 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 7. С валом кривошипа 7 соединен электродвигатель 8, либо привод другого вида в зависимости от степени автономности установки и условий ее эксплуатации. На том же валу двигателя внутреннего сгорания установлен электрогенератор 9.

Установка имеет также систему подготовки рабочей смеси из углеводородного сырья и воздуха, включающую дозирующие и измерительные устройства. Реактор 4 предварительного подогрева рабочей смеси включает подогреватель или рекуперативный теплообменник, или теплообменник, в который направляют продукт процесса из цилиндра 1 двигателя.

Работа установки и осуществление способа происходят следующим образом.

В смеситель 5 подают углеводородное сырье и воздух в указанных выше соотношениях. Полученную смесь подают в реактор 4 подогрева смеси до указанных выше температур и подогретую смесь через клапан 3 подают в цилиндр 1, в котором с помощью движения поршня 2 к верхней мертвой точке 8 смесь сжимают до температуры ее самовоспламенения и получения температур 1400 2600^oC и на период времени 10^-2 10^-3 с, при которых происходит сжигание и термическое разложение рабочей смеси.

При движении поршня 2 в цилиндре 1 к нижней мертвой точке происходит расширение продуктов процесса, охлаждение их и закалка, причем тепловая энергия этих продуктов превращается в механическую энергию механизма движения, используемую при помощи электрогенератора 9. При последующем движении поршня 2 к верхней мертвой точке продукты процесса выводят из цилиндра 1 через выпускной клапан 6. Подача в цилиндр 1 свежей рабочей смеси происходит при движении поршня 2 к нижней мертвой точке и открытии впускного клапана 3. Возвратно-поступательное движение поршня 2 в цилиндре 1 осуществляют с частотой не менее 350 мин^-1.

Примеры осуществления способа.

Примеры осуществления способа получения синтез-газа приведены в таблице. Способ осуществляют на установке, включающей модифицированный двухцилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания компрессионного типа Ч 8,5/11(1Р2-6), перерабатывающий углеводородное газовое сырье.

Как видно из таблицы, конверсия природного газа близка к 100% объемное отношение H₂/CO находится в пределах 1,4 2, что вполне подходит для последующей каталитической переработки в топливо или метанол. Роль воды, всегда образующейся при окислении углеводородов, была проверена в дополнительных опытах при добавлении ее паров к исходной смеси. Таким путем можно увеличить отношение H₂:CO до 2,2:1. Из таблицы видно также, что удельная производительность процесса по сырью составляет 1400 2000 кг/м³•ч, что выше, чем в [2] в 2,5 3 раза.

Использование: при переработке углеводородного сырья, в частности при получении синтез-газа из газообразного углеводородного сырья. Сущность: способ получения синтез-газа включает сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом при α = 0,5 - 0,8 и окисление углеводородов при сжатии смеси поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке. В цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа подают предварительно подогретую до 200 - 450^oC смесь углеводородного сырья с воздухом, а сжатие смеси осуществляют до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300 - 2300^oC на период 10^-2 - 10^-3 с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин^-1. 1 ил., 1 табл.

Способ получения синтез-газа, включающий парциальное окисление смеси углеводородного сырья с воздухом путем сжатия ее поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции смеси углеводородного сырья с воздухом при движении поршня к нижней мертвой точке, отличающийся тем, что парциальное окисление смеси углеводородного сырья с воздухом ведут в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, при этом в цилиндры двигателя внутреннего сгорания подают предварительно подогретую до 200 450^oС смесь углеводородного сырья с воздухом при коэффициенте избытка воздуха α = 0,5 - 0,8, а сжатие смеси ведут до самовоспламенения и получения температуры 1300 2300^oС на период 10^- 2 10^- 3 с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин^- 1.