Способ смешения природного газа с кислородом Советский патент 1993 года по МПК C07C11/24 

(Л

с

Сущность изобретения: смешение природного газа и кислорода для процессов получения ацетилена и технологического.га- за осуществляют путем предварительного подогрева исходных газов и подачи их в камеру смешения. Затем заполняют объем камеры смешения равномерно распределенным инертным материалом, величина поверхности которого соответствует значению, рассчитанному по формулам In- 17.3740о 0,02555t для 590°С S t 680°С или п 3,9304-0,00589t для 850°С t 680°C, где V объем газовой фазы в камере смешения, см3; S - поверхность инертного материала, см2; t - температура газовой смеси,°С. 3 табл.

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 додорода) конверсией природного газа с применением кислорода,

Целью изобретения является превращение самовоспламенения реакционных газов за счет способа смешения природного газа с кислородом в процессах получения ацетилена и технического газа, заключающегося в том, что исходные газы (природный газ и кислород) предварительно подогревают и подают в камеру смешения. Отличием

заявляемого способа от известного является то, что объем камеры смешения заполняют равномерно распределенным инертным материалом, величина поверхности которого должна соответствовать значению, рассчитанному по формулам

In | 17,3740-0,02555t для 590°С t Ј680°Сили

In | 3,9304-0,00578 t, для 850°С t

680°С.

где V - объем газовой фазы в камере смешения, см3;

S - поверхность инертного материала, см ;

00

О СО

Ю Ю

t - температура газовой смеси (подогрева исходных газов),°С.

Особенностью способа является исключение самовоспламенения природного газа в атмосфере кислорода на стадии приготовления гомогенной газовой смеси, что достигают путем введения в объем камеры смешения равномерно распределенного инертного материала с заданной величиной поверхности. При этом не происходит саморазогрев газов в камере смешения на вели- чйну температуры, превышающую характеристический температурный интервал (Т) предвзрывного разогрева, определяемый соотношением

ДТ а

RT,

ев

(3)

где Тсв - температура самовоспламенения смешиваемых газов (абсолютная);

Е-эффективная энергия активации реакций, протекающих при воспламенении газов; - -. ; -.- . ... ,. ...-.....

а- коэффициент, характерный для данной геометрической формы камеры смешения;

R - универсальная газовая постоянная.

Обнаружено, что снижение отношения SV, т.е. увеличение величины поверхности инертного материала, на любую величину позволяет исключить самовоспламенение при критической температуры и ниже ее. Такой эффект, по-видимому, можно объяснить качественным изменением смешивае- мых газов, обусловленным как предпламенными реакциями, так и процессами теплоотвода.

В качестве инертного материала используют насадку, выполненную в виде упо- рядоченной системы колец, полос, стержней, труб, а также сферическую насадку и др. представляющей собой пространственную равнодоступную решетку,

П р им е р 1. Иллюстрирует применение инертного материала для исключения само- А воспламенения природного газа в смеси с кислородом в статических условиях.

Опыты по смешению природного газа с кислородом проводили в кварцевом термостатированном реакторе объемом 130 см , снабженном регулируемым электрообогревом, по известной методике. Для опытов использовали природный газ, в котором содержание гомологов метана составляет 8-9 об.%. Газовая смесь, полученная смешением этого природного газа с кислородом, имела следующий состав, об.%: СпН2п+2

63,9 (в т.ч. 5,2 об.% гомологов метана); 02 34,0; СО 0.2; Н20,6;№ 1.3. Измерения показали, что данная смесь имеет температуру самовоспламенения ±1°C с перио- дом индукции при указанной tee, равным 3,4-3,7 с.

После этого в объем реактора помещали равнодоступную 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 взрывобезопасного осуществления процесса смешения

5 природного газа и кислорода при температурах 588-850°С.

Результаты осуществления опытов и

V значения величин -, полученных по заявля

0 емым зависимостям, приведены в табл.1.

П р и м е р 2. Иллюстрирует влияние на условия самовоспламенения смеси природного газа с кислородом каталитически активной поверхности. :

5 Опыты осуществлялись в условиях примера 1, но в качестве насадки используют равнодоступно расположенную спираль, изготовленную из стальной проволоки (ст.З) диаметром 0,6 мм.

0 Последующие опыты провели при температурах 571-599°С.

Результаты осуществления опытов приведены в табл,2.

П р и м е р 3. Иллюстрирует влияние

5 материала поверхности насадки на стабильность смеси природного газа с кислородом. Для опытов использовали проточный смеситель, аналогичный используемому в примере 1, но снабженный выходом с про0 боотборным устройством. Опыты по определению условий воспламенения природного газа с кислородом проводили по известной методике, но в проточный смеситель помещали поочередно равнодоступ5

но насадку из следующих материалов: сталь

Х18Н10Т (по примеру 1), сталь 3 (по примеру 2), кольца из кварцевых трубок диаметром 6-8 мм. Средний состав газовой смеси, определенный через 0,5 с пребывания в сме- 0 сителе прйроднсгз газа и кислорода при

температуре 800°С и соотношении - 1 см,

О представлен в табл.3.

Как следует из табл.1 температуры са- 5 мовоспламенения той же смеси увеличилась, а период индукции уменьшился в соответствии с уравнениями, полученными для средних значений инд

,80-12,18 тдля

590°С t 680°С,

,144-1,346 lot для

680°С t 850°С

в свободной камере. Для исключения воспламенения смеси при данной температуре (см.опыты 2,5,8,11,14,17) достаточно увеличить поверхность насадки, распределенной в объеме реактора сверхрасчетной по заявляемым зависимостям (см. опыты 3,6,9,12,15,18).

Из табл.2 видно, что использование ка- талитически активной поверхности (ст.З) в качестве насадки при равных значениях соотношения Ј для инертного материала

О

(ст.Х18Н10Т) приводит к существенному снижению температуры самовоспламенения смешиваемых газов. Кроме того при значительном увеличении поверхности насадки из ст.З 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 поверхности насадки до 6%) температуру самовоспламенения повысили лишь с 571 до599°С. Оба эти факта показывают, что механизм влияния каталитически активного материала на предпламенные реакции, по-видимому, имеет двойственный характер: с одной стороны происходит теп- лоотвод из газового объема к поверхности насадки, а с другой - каталитическое увеличение этой поверхностью скорости реакций, приводящих к предвзрывному разогреву. Кроме того наряду с этими конкурирующи- ми процессами, необходимо учитывать и третий процесс - разбавление исходной горючей смеси продуктами реакции. Инициируя химические процессы в смешиваемых газах, приводящие к разбавлению смеси уг- леводородов с кислородом, каталитически активная насадка делает их менее горючими,,не способными к воспламенению, изменяет качественный состав сырья для технологического процесса.

Результаты опытов, приведенные в табл.3, показывают, что в опытах 1,2,3,4 и 6 материал насадки не влияет на однородность перемешивания (отношение 02КСпН2п+2 0,59-0,62, что соответствует требованиям, предъявляемым технологией для такой смеси). Влияние материала насадки из СТ.Х18Н10Т и кварца на стабильность состава углеводорода при высокой до 800°С температуре (см.опыты 3 и 4) незначительно и не обнаруживается влияние насадки из указанных материалов на процессы окисления (см.опыты 4 и 6). При аналогичных условиях насадка из стали 3, не допустив самовоспламенения смеси, существенно повлияла и на стабильность углеводородов (см.опыт 5 - количество непредельных углеводородов резко возросло), и на скорость реакций окисления (см.опыт 5).

Следовательно для исключения воспламенения смеси природного газа и кислорода при использовании насадки из ст.З требуется значительно большая поверхность, чем поверхность, полученная для соотношения - по заявляемой зависимости (см.опыты 3,7, 11 таблицы 2).

Таким образом использование инертного материала в качестве насадки, а не каталитически активного, позволяет осуществить надежное (без взрывов) смешение природного газа и кислорода, предварительно подогретых до 650-850°С, при сохранении стабильности получаемой газовой смеси. Использование такой смеси в реакторе окислительного пиролиза позволит повысить содержание ацетилена на выходе из реактора в газах пиролиза до 9-9,3 об.%, вместо 7,5-8,0 об.% (по прототипу), увеличить годовой пробег действующих установок за счет устранения количества аварийныхостановок из-за самовоспламенения реакционных газов, а также уменьшить величину используемой поверхности насадки и, соответственно, увеличить полезный объем камеры смешения, а также сохранить практически неизменным состав углеводородов при см ёшении.

Формул а изобретения

Способ смешения природного газа с кислородом в процессе получения ацетилена и технологического газа, включающий предварительный подогрев исходных газов и подачу их в камеру смешения, отличающийся тем, что, с целью предотвращения самовоспламенения реакционных газов, объем камеры смешения заполняют равномерно распределенным инертным материалом, величина поверхности которого соответствует значению, рассчитанному по формулам

,3740-0,02555)t, для ...680°C

или In- 3,9304-0,00578 t, для

...850°C.

где V - объем газовой фазы в камере смешения, см,3;

S -площадь поверхности инертного материала, см. ;

t - температура газовой смеси, °С.

.. Т а б л и ц а 1

Влияние поверхности инертного материала (сталь Х18Н10Т) на самовоспламенение смеси природного газа с кислородом (давление атмосферное)

Таблица

Влияние поверхности каталитически активного материала (ст. 3) на самовоспламенение смеси природного газа с кислородом (давление атмосферное)

Влияние условий на стабильность смеси природного газа с кислородом

Таблица 3