一种乙炔的制备方法与流程

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种乙炔的制备方法。

背景技术：

乙炔是一种重要的有机化工基本原料，可用于制造聚氯乙烯、丁二醇、醋酸、丙烯腈等，也可用于照明和金属切割焊接。电石法是生产乙炔的传统方法，但是通过电石法制备乙炔的能耗严重且会带来大量的污染。

目前，为了克服电石法制备乙炔所引起的不利影响，利用等离子体裂解技术制备乙炔受到了人们的极大关注；但是，由于碳质物料受等离子体高温作用会变软变黏，变软变黏后的碳质物料黏附在反应器壁上，在高温作用下发生焦化，会出现反应器壁结焦现象，导致反应器堵塞，影响乙炔制备反应的正常进行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种乙炔的制备方法，用于避免在乙炔的制备过程中出现反应器堵塞现象，保证乙炔的制备顺利进行。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种乙炔的制备方法，包括：

在含氢气体存在下，对碳质物料进行加氢气化反应，得到含甲烷的合成气；

对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，得到乙炔。

优选的，合成气中油品的产率小于3％。

优选的，加氢气化反应的反应时间大于10s，反应压力大于7MPa，反应温度大于850℃。

优选的，对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应之前，还包括：

将合成气与等离子气体混合，得到等离子混合气；其中，等离子混合气中氢气与甲烷的物质的量之比为(0.5-3)：1。

较佳的，等离子气体为氢气，或者，等离子气体为氢气和氩气。

较佳的，对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，得到乙炔，包括：

将等离子混合气加热至3000℃-3500℃，使等离子混合气中的合成气进行等离子体裂解反应，得到包含乙炔的混合气体；

对包含乙炔的混合气体进行后处理，得到乙炔。

较佳的，对包含乙炔的混合气体进行后处理，得到乙炔，包括：

通过淬冷剂对包含乙炔的混合气体进行冷却；

将冷却后的包含乙炔的混合气体进行分离，得到乙炔。

较佳的，淬冷剂的流量大于0.7m³/h。

优选的，碳质物料为煤、沥青、石油焦、半焦、焦炭、生物质中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明提供的乙炔的制备方法具有如下有益效果：

本发明提供的乙炔的制备方法，首先通过对碳质物料进行加氢气化反应，以得到含甲烷的合成气，然后将含甲烷的合成气作为等离子体裂解反应的原料，通过对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，以得到乙炔，这样就避免了现有技术中直接对固体状态的碳质物料进行等离子体裂解反应，所出现的碳质物料变软变黏，并黏附在反应器器壁上的问题，从而保证了乙炔的制备能够顺利进行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的乙炔的制备方法流程图一；

图2为本发明实施例提供的乙炔的制备方法流程图二；

图3为本发明实施例提供的乙炔的制备方法流程图三；

图4为本发明实施例提供的乙炔的制备设备的示意图。

附图说明：

1-加氢气化炉， 11-加氢气化炉进料口；

12-加氢气化炉排焦口， 13-加氢气化炉出料口；

14-加氢气化炉主体， 2-等离子体发生器；

21-等离子体发生器进料口， 22-等离子体发生器出料口；

23-等离子体电极， 24-等离子体发生器主体；

25-淬冷剂入口， 3-气体分离装置；

4-氢气储罐。

具体实施方式

下面结合本发明提供的乙炔的制备方法进行详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种乙炔的制备方法，包括：

步骤S1：在含氢气体存在下，对碳质物料进行加氢气化反应，得到含甲烷的合成气；

步骤S3：对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，得到乙炔。

本发明提供的乙炔的制备方法，首先通过对碳质物料进行加氢气化反应，以得到含甲烷的合成气，然后将含甲烷的合成气作为等离子体裂解反应的原料，通过对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，以得到乙炔，这样就避免了现有技术中直接对固体状态的碳质物料进行等离子体裂解反应，所出现的碳质物料变软变黏，并黏附在反应器器壁的问题，从而保证了乙炔的制备能够顺利进行。

需要说明的是，上述步骤S1中碳质物料为煤、沥青、石油焦、半焦、焦炭、生物质中的一种或多种；优选的，碳质物料选取挥发分大于30％的煤，这是考虑到碳质物料的挥发分与得到的合成气中的甲烷含量密切相关，碳质物料的挥发分越大，得到的合成气中的甲烷含量就越大，从而在后续对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应后，就能得到高收率的乙炔；当碳质物料的挥发分大于30％时，能够保障得到的合成气中的甲烷含量大于80％。

具体的，上述步骤S1中，在含氢气体存在下，对碳质物料进行加氢气化反应的过程包括：碳质物料快速分解产生挥发分和半焦；然后，产生的挥发分继续与氢气反应生成二次裂解产物，部分半焦中的碳还可以继续与氢气反应生成甲烷；其中，挥发分与氢气反应生成二次裂解产物的过程包括脱羧反应、脂肪烃断链裂解反应等，最终生成包括甲烷、水、油品(苯、萘、菲等)及少量的一氧化碳和二氧化碳的合成气，其中，油品因其本身的物理特性容易造成反应器堵塞、污染，因此若油品的产率过高，在后续将合成气转移至等离子体发生器进行等离子体裂解反应时，就更容易出现等离子体发生器堵塞、污染的问题，阻碍等离子体裂解反应，导致乙炔的产率受到影响，发明人通过试验发现，通过提高碳质物料加氢气化反应的反应压力和反应温度，不仅能够提高合成气中的甲烷含量，而且还能促进油品的裂解，进而降低油品的产率，但是，当反应压力和温度过高时，对设备的要求也相应增高，因此，优选的，本发明将上述加氢气化反应的反应时间设置为10s-15s，反应压力设置为7MPa-9MPa，反应温度为设置为850℃-1000℃，在该条件下，可使油品产率小于3％。

优选的，为了提高碳质物料的附加值，上述加氢气化产生的半焦可进一步作为碳质原料以进行加氢气化反应，得到含甲烷的合成气；并且，为了避免一氧化碳和二氧化然等成分中的氧对等离子体裂解反应的影响，在对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，得到乙炔之前，还包括对合成气进行提纯，以使合成气中的甲烷纯度更高。

具体的，如图2所示，上述步骤S3中对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应之前，还包括：

步骤S2：将合成气与等离子气体混合，得到等离子混合气；其中，等离子混合气中氢气与甲烷的物质的量之比为(0.5-3)：1。

值得注意的是，等离子混合气中的甲烷含量越高越有利于提高等离子体裂解反应产生的乙炔的产率，而上述等离子混合气中氢气的存在对产物乙炔的产率也有重要影响，主要原因在于，在对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，得到乙炔的过程中，存在如下可逆反应：

因此，等离子混合气中氢气的存在能够抑制乙炔的分解，同时使上述反应可逆反应向生成乙炔的方向移动；并且，当氢浓度高时，高温下产生的含碳自由基，在后续的淬冷过程中将更多地与等离子体中存在的原子态或激发态的氢复合生成乙炔，从而进一步提高乙炔的产率。

具体的，上述步骤S3对含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，得到乙炔，包括：

步骤S31：将等离子混合气加热至3000℃-3500℃，使等离子混合气中的合成气进行等离子体裂解反应，得到包含乙炔的混合气体。

需要说明的是，由于上述步骤S31是将经加氢气化反应得到的含甲烷的合成气作为原料气，所以得到的合成气中富含氢气，为了避免在等离子体裂解反应中引入其他的气体可能造成的干扰，本发明优选氢气和氩气两者混合组成等离子气体或者仅选用氢气作为等离子气体。

步骤S32：对包含乙炔的混合气体进行后处理，得到乙炔。

具体的，如图3所示，上述步骤S32对包含乙炔的混合气体进行后处理，得到乙炔包括：

步骤S321：通过淬冷剂对包含乙炔的混合气体进行冷却；这是因为乙炔在高温下会快速分解，而上述步骤S31，将等离子混合气加热至3000℃-3500℃，使等离子混合气中的合成气进行等离子体裂解反应，得到包含乙炔的混合气体的过程极为迅速，时间约为4ms，在优选的反应条件下，反应时间还可小于3.5ms，这就要求淬冷剂能够快速的对混合气体进行冷却，即淬冷剂需满足流量大和传热系数高的条件，并且，最重要的，淬冷剂不能对上述等离子体裂解反应产生影响，优选的，使淬冷剂的流量大于0.7m³/h，在此条件下，可以避免乙炔在高温下的快速分解，使乙炔得到最大限度的保留，进而提高乙炔的产率；示例性的，上述淬冷剂的种类多种多样，本发明对此不作限定，只要在满足上述条件的前提下能够实现对混合气体进行快速冷却的淬冷剂均可以应用于本发明，例如，淬冷剂可以为水、煤粉、石脑油中的一种或多种。

步骤S322：将冷却后的包含乙炔的混合气体进行分离，得到乙炔。

由于上述步骤S31是将经加氢气化反应得到的含甲烷的合成气作为原料气，所以得到的混合气体中不可避免的会含有氢气，通过对冷却后的混合气体的分离，分别收集分离出来的乙炔和氢气，可将收集到的氢气作为加氢气化反应的原料，从而节约了生产成本，并且也可以得到纯度更高的乙炔。

具体的，在制备乙炔时，可利用如图4所示的乙炔制备设备，该乙炔的制备设备包括加氢气化炉1和等离子体发生器2，其中，

加氢气化炉1包括加氢气化炉主体14、位于加氢气化炉主体14上方的加氢气化炉进料口11、位于加氢气化炉主体14下方的加氢气化炉排焦口12和位于加氢气化炉主体14一侧的加氢气化炉出料口13；

等离子体发生器2包括等离子体发生器主体24、位于等离子体发生器主体24上方的等离子体发生器进料口21、位于等离子体发生器进料口21两侧的等离子体电极23和位于等离子体发生器主体24右下方的等离子体发生器出料口22；

其中，加氢气化炉出料口13与等离子体发生器进料口21相连；

制备乙炔时，将碳质物料和氢气置于加氢气化炉1中，控制加氢气化反应的反应时间为10s-15s，反应压力为7MPa-9MPa，反应温度为850℃-1000℃，反应完毕后，将生成的含甲烷的合成气转移至等离子体发生器2中，并向等离子体发生器2中通入等离子气体，控制等离子体电极23的电压，使等离子体发生器2中的温度达到3000℃-3500℃，使含甲烷的合成气进行等离子体裂解反应，得到乙炔。

优选的，本发明的等离子体发生器2还包括淬冷剂入口25，淬冷剂通过淬冷剂入口25进入等离子体发生器2中，以对其中的混合气体进行冷却。

另外，上述乙炔的制备设备还包括：气体分离装置3和氢气储罐4；其中，气体分离装置3与等离子体发生器出料口22相连，氢气储罐4与气体分离装置3相连，气体分离装置3用于分离冷却后的混合气体，以得到纯度更高的乙炔；并令分离出的氢气进入氢气储罐4，以作为加氢气化反应的气源，从而达到节约生产成本的目的。

下面结合实施例具体说明本发明提供的乙炔的制备方法，以下实施例仅仅是对本发明的解释，而不是限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种乙炔的制备方法，利用如图4所示的设备，包括：

1、将1Kg的挥发分大于30％的煤通过加氢气化炉进料口11加入加氢气化炉主体14，并通过加氢气化炉进料口11向加氢气化炉主体14中通入氢气，使加氢气化炉主体14内的压力为7MPa，然后控制加氢气化炉的主体温度升至900℃，保持15s后得到含甲烷的合成气；

2、通过等离子体发生器进料口21向等离子体发生器主体24中通入氢气和氩气的混合气体；然后，将加氢气化反应得到的含甲烷的合成气从加氢气化炉1转移至等离子体发生器2，控制等离子体电极23使等离子体发生器主体24的温度达到3500℃，待等离子体发生器内的反应完毕后，通过淬冷剂入口25向等离子体发生器主体24内加入流量为1m³/h的水对得到的混合气体进行冷却，冷却完毕后，通过气体分离装置3对冷却后的混合气体进行分离，得到产率大于63％的乙炔；并令分离出的氢气进入氢气储罐4，以作为加氢气化反应的气源。

实施例二

本实施例提供一种乙炔的制备方法，利用如图4所示的设备，包括：

1、将1Kg的挥发分大于30％的煤通过加氢气化炉进料口11加入加氢气化炉主体14，并通过加氢气化炉进料口11向加氢气化炉主体14中通入氢气，使加氢气化炉主体14内的压力为8MPa，然后控制加氢气化炉的主体温度升至950℃，保持10s后得到含甲烷的合成气；

2、通过等离子体发生器进料口21向等离子体发生器主体24中通入氢气，然后，将加氢气化反应得到的含甲烷的合成气从加氢气化炉1转移至等离子体发生器2，控制等离子体电极23使等离子体发生器主体24的温度达到3000℃，待等离子体发生器内的反应完毕后，通过淬冷剂入口25向等离子体发生器主体24内加入流量为1m³/h的石脑油对得到的混合气体进行冷却，冷却完毕后，通过气体分离装置3对冷却后的混合气体进行分离，得到产率大于65％的乙炔；并令分离出的氢气进入氢气储罐4，以作为加氢气化反应的气源。

实施例三

本实施例提供一种乙炔的制备方法，利用如图4所示的设备，包括：

将1Kg的挥发分大于30％的煤通过加氢气化炉进料口11加入加氢气化炉主体14，并通过加氢气化炉进料口11向加氢气化炉主体14中通入氢气，使加氢气化炉主体14内的压力为9MPa，然后控制加氢气化炉的主体温度升至1000℃，保持12s后得到含甲烷的合成气；

2、通过等离子体发生器进料口21向等离子体发生器主体24中通入氢气，然后，将加氢气化反应得到的含甲烷的合成气从加氢气化炉1转移至等离子体发生器2，控制等离子体电极23使等离子体发生器主体24的温度达到3300℃，待等离子体发生器内的反应完毕后，通过淬冷剂入口25向等离子体发生器主体24内加入流量为0.8m³/h的石脑油对得到的混合气体进行冷却，冷却完毕后，通过气体分离装置3对冷却后的混合气体进行分离，得到产率大于64％的乙炔；并令分离出的氢气进入氢气储罐4，以作为加氢气化反应的气源。

实施例四

本实施例提供一种乙炔的制备方法，利用如图4所示的设备，包括：

1、将1Kg的挥发分大于30％的煤通过加氢气化炉进料口11加入加氢气化炉主体14，并通过加氢气化炉进料口11向加氢气化炉主体14中通入氢气，使加氢气化炉主体14内的压力为9MPa，然后控制加氢气化炉的主体温度升至850℃，保持15s后得到含甲烷的合成气；

2、通过等离子体发生器进料口21向等离子体发生器主体24中通入氢气和氩气的混合气体，其中，氢气和氩气的体积比为1:1，然后，将加氢气化反应得到的含甲烷的合成气从加氢气化炉1转移至等离子体发生器2，控制等离子体电极23使等离子体发生器主体24的温度达到3000℃，待等离子体发生器内的反应完毕后，通过淬冷剂入口25向等离子体发生器主体24内加入流量为0.7m³/h的水对得到的混合气体进行冷却，冷却完毕后，通过气体分离装置3对冷却后的混合气体进行分离，得到产率大于63％的乙炔；并令分离出的氢气进入氢气储罐4，以作为加氢气化反应的气源。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。