烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器的制作方法

本实用新型涉及一种乙炔反应器装置，尤其涉及一种烃部分氧化制乙炔的大型反应器装置，属于化工领域，尤其天然气化工领域。

背景技术：

乙炔是最简单的炔烃，是一种重要的化工原料，用于制取醋酸、醋酸乙烯、乙烯基乙炔、丙烯酸、丁二烯、1,4-丁二醇等一系列化工产品，亦作为合成橡胶、合成纤维和塑料等材料的单体。作为烃类部分氧化制乙炔的代表，天然气部分氧化制乙炔联产合成气能够高效利用天然气、页岩气和煤层气等资源，是一条具有良好经济性的天然气化工技术。近年来，随着页岩气等资源的高效开采，天然气化工有了丰富的原料保障，天然气部分氧化制乙炔技术受到广泛关注。

天然气在乙炔炉反应器中发生部分氧化过程，得到乙炔和合成气。天然气部分氧化制乙炔具有能耗低、污染小等优点，是欧美国家制乙炔的主要方法。我国乙炔产业仍以电石法为主，存在耗水量大、污染严重等不足。目前国内部分氧化制乙炔技术主要以国外引进为主，其乙炔炉均为生产能力7500t/a的多管立式炉，单体产能小，总产能也小。随着我国天然气化工的快速发展，天然气部分氧化制乙炔反应器的大型化是一个重要课题。

技术实现要素：

发明人经研究分析总结认为，制约烃部分氧化制备乙炔和合成气反应器大型化的因素主要有两个：一是混合器中氧气和烃的混匀度，当乙炔产能增加时，氧气和烃通过混合器后的混匀度会有所下降，影响反应器的安全稳定运行。二是裂解气的淬冷效果，当乙炔产能增加时，裂解气的气量增大，淬冷喷嘴的有效射程下降，淬冷效果变差，影响乙炔收率。

因此，发明人考虑通过改善乙炔反应器反应气的混匀度和裂解气的淬冷效果来提高单台乙炔反应器的产能。

混合器和淬冷段是影响乙炔反应器放大的两大因素，本大型乙炔反应器设计中分别针对混合器和淬冷段建立可靠的实验和理论研究方法，通过实验测量和数值模拟相结合的方法对乙炔反应器反应气的混匀度和裂解气的淬冷效果进行了系统研究，得到本实用新型的烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器。

本实用新型提供了一种烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器，混合器设计强化氧气和烃的混合，保证氧气和烃的混匀度；以及淬冷段设置内置构件，多个淬冷喷嘴相向喷出液滴状淬冷介质与裂解气接触，缩短裂解气淬冷所需喷嘴射程，保证对裂解气的淬冷效果，提高烃部分氧化制备乙炔和合成气反应器产能，实现反应器大型化。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器，包括：混合区，具有烃进口和氧气进口，用于分别通入烃和氧气，烃和氧气实现均匀混合；反应区，烃和氧气的混合器在该区发生部分氧化反应，生成包含乙炔和合成气的裂解气；淬冷区，通过喷入淬冷介质实现对裂解气的快速淬冷；其特征在于：在混合区，设置有旋流器和侧向进气栅，烃和氧气中的一股通过旋流器，另一股通过侧向进气栅，然后两股气流混合；在淬冷区设置内置构件，用于减小裂解气快速淬冷所需淬冷喷嘴射程，使单台反应器生产能力达3万吨/年以上。

进一步地，根据本实用新型实施例的大型反应器还包括烧嘴板，用于将混合区混匀后的烃和氧气通过烧嘴喷入反应区，其中烧嘴内壁设置有螺纹，螺纹为方形螺纹，螺纹深度为四分之一至二分之一壁厚，螺槽宽度为螺纹深度的1～3倍，螺纹与垂线的夹角10～30°。

进一步地，烧嘴在烧嘴板上可以布置为多排，相邻排的烧嘴内壁螺纹方向相反，烧嘴之间填充有隔热材料。

进一步地，根据本实用新型实施例的大型反应器，其中内置构件通过冷却介质实现冷壁操作，内置构件外壁设淬冷介质喷嘴，内置构件的横截面形状和反应器的横截面形状同为圆形或正六边形，内置构件的两端为类锥体形状，内置构件的横截面对向距离为反应室对向距离的三分之一到三分之二。

进一步地，根据本实用新型实施例的大型反应器，旋流器包含有均匀布置的导流翼片，导流翼片个数为3、4或6个，导流翼片倾角10～45°。

进一步地，根据本实用新型实施例的大型反应器，侧向进气栅是通过对 圆筒开缝制成，沿圆筒周向均匀布置有多个栅缝，栅缝延长方向为圆筒的轴向，栅缝的开缝方向与开缝点与圆筒中心连线成确定角度，沿侧向进气栅的轴向布置多组栅缝，以及相邻组的栅缝之间开缝方向相反。

进一步地，大型反应器还可以包括：多个烧嘴，用于向反应区喷射所述共混混合物，其中烧嘴内壁设置有螺纹。

进一步地，烧嘴可以布置为多排，以及相邻排的喷嘴螺纹方向相反。

进一步地，烧嘴之间可以填充有隔热材料。

进一步地，可以在内置构件上设置有用于冷却内置构件的冷却装置。

进一步地，内置构件的横截面形状和反应器的横截面形状可以同为圆形或正六边形。

进一步地，内置构件的两端可以为类锥体形状。

进一步地，旋流器可以包含有均匀布置的导流翼片。

进一步地，侧向进气栅是通过对圆筒开缝制成，沿圆筒周向均匀布置有多个狭缝，狭缝延长方向为圆筒的轴向，狭缝的开缝方向与开缝点与圆筒中心连线成确定角度。

进一步地，可以沿侧向进气栅的轴向布置多组栅缝，以及相邻组的栅缝之间开缝方向可以相反。

进一步地，导流翼片(3)个数可以为3、4或6个，导流翼片(3)倾角10～45°。

进一步地，螺纹可以为方形螺纹，螺纹深度可以为四分之一至二分之一壁厚，螺槽宽度为螺纹深度的1～3倍，螺纹与垂线的夹角10～30°。

进一步地，内置构件的横截面对向距离可以为反应室对向距离的三分之一到三分之二。

进一步地，内置构件上下段可以分别为六棱锥，棱与底面的夹角60～80°。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种烃部分氧化制乙炔的大型反应器，可以包括：混合区，包括混合器(5)、强混段(8)和扩散段(9)，混合器(5)具有氧气进口(1)和烃进口(2)，烃和氧气在混合区混合，得到共混混合物；反应区，布置有烧嘴(11)和反应室(15)，烧嘴将来自混合区的共混混合物喷入反应室(15)；淬冷区，具有淬冷介质喷嘴，用于喷入冷却介质对离开反应区进入淬冷区的裂解气进行冷却；其特征在于，混合器中设置有旋流器和侧向进气栅，通入氧气进口(1)的氧气和通入烃进口(2)的烃中 的一股进气通过旋流器后进入混合器，另一股进气通过侧向进气栅后进入混合器，在淬冷区中心设置有用于减小淬冷所需喷嘴射程的内置构件。

根据本实用新型另一方面，一种烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器可以包括：混合区，具有烃进口和氧气进口，用于分别通入烃和氧气，并将二者混合，得到共混混合物；反应区，共混混合物在其内部分氧化，生成包含乙炔和合成气的裂解气：淬冷区，用于通过喷入冷却介质对离开反应区的裂解气进行冷却；其特征在于：在混合区，设置有旋流器和侧向进气栅，烃和氧气中的一股通过旋流器，另一股通过侧向进气栅，之后出来的两股气流混合。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器，可以包括：混合区，具有烃进口和氧气进口，用于分别通入烃和氧气，并将二者混合，得到共混混合物；反应区，共混混合物在其内部分氧化，生成包含乙炔和合成气的裂解气：淬冷区，用于通过喷入冷却介质对离开反应区的裂解气进行冷却；其特征在于：在淬冷区中设置用于减小淬冷所需喷嘴射程的内置构件。

根据本实用新型实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器，在混合区，设置有旋流器和侧向进气栅，烃和氧气中的一股通过旋流器，另一股通过侧向进气栅，然后两股气流混合，从而氧气与烃类在混合器中混合效果得以强化，其在混合区出口混匀度能够达到99.9％，保证乙炔反应器在大产能下安全稳定运行。

根据本实用新型实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器，在淬冷区设置内置构件，与烧嘴板、反应室和淬冷室同中心轴，用于减小裂解气快速淬冷所需淬冷喷嘴射程，保证乙炔收率的前提下使单台反应器生产能力达3万吨/年以上。

在优选示例中，烧嘴板中烧嘴内壁套有螺纹，从而产生旋流，能够稳定火焰，使反应室降低返混趋近平推流，有利于提高乙炔收率。

本实用新型以烃做乙炔和合成气反应器原料气，可以是C1-C4轻烃或它们的混合物，也可以是甲烷(浓度一般高于96％)。原料中可以含有其他非原料气，如二氧化碳、氮气或惰性气体等。本实用新型的烃部分氧化制备乙炔和合成气反应器所适用的氧气绝不仅限于纯氧气，也可以是氧气和其他非反应气体的混合气体。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气反应器结构框图。

图2、本实用新型实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气反应器结构示意图；

图3是本实用新型实施例的侧向进气栅的横截面的示意图。

图4是本实用新型实施例的分组侧向进气栅的排布示意图。

1-氧气进口；2-烃进口；3-氧气导流翼片；4-旋流器；5-混合器；6-氧气喷管；7-侧向进气栅；8-强混段；9-扩散段；10-内置构件；11-烧嘴；12-烧嘴板；13-冷却介质入口；14-冷却介质出口；15-反应室；16-淬冷介质喷嘴；17-淬冷介质入口；18-淬冷室；19-裂解气出口；20-人孔；21-淬冷介质出口；100-混合区；200-反应区；300-淬冷区；110-烃或氧气中的一股的进口；120-烃或氧气中的另一股的进口；310-内置构件；30-栅缝。

具体实施方式

将参照附图详细描述根据本实用新型的实施例。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。

图1示出了根据本实用新型实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器的结构框图。

如图1所示，根据本实用新型实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器包括：混合区100、反应区200、淬冷区300。

混合区100具有烃进口和氧气进口，用于分别通入烃和氧气，烃和氧气实现均匀混合，混合气进入反应区200。反应区200中，烃和氧气的混合气发生部分氧化反应，生成包含乙炔和合成气的裂解气，裂解气通入淬冷区300。淬冷区300，通过喷入淬冷介质实现对裂解气的快速淬冷。

在混合区100中，设置有旋流器110和侧向进气栅120，烃和氧气中的 一股通过旋流器110，另一股通过侧向进气栅120，然后两股气流混合。

在淬冷区300设置有内置构件310，用于减小裂解气快速淬冷所需淬冷喷嘴射程。

旋流器110使得进入的烃或氧气产生旋转，产生旋转气流排出。侧向进气栅120优选为多个，通过多个进气栅，进入的一股气体被分为多股，使得进入的气体迅速扩散。从旋流器出来的一股气体与从侧向进气栅出来的多股气体混合，从而改善烃和氧气的混合均匀度。

在淬冷区300设置有内置构件310，用于减小裂解气快速淬冷所需淬冷喷嘴射程。在淬冷区300，喷入淬冷介质，以冷却从反应区200喷入的裂解气，通常裂解气是沿中轴方向喷入的，淬冷介质是从淬冷区300外壁设置的喷嘴向中心喷入的，且喷出的淬冷介质优选呈均匀液滴状，以使得裂解气与淬冷介质的液滴均匀接触。在反应器大型化时，裂解气流量增大，单凭加大冷却介质喷嘴射程难以实现液滴在大气流裂解气中均匀分散，这构成了反应器大型化的障碍。根据本实用新型实施例的大型反应器，在淬冷区的中心区域设置内置构件310，使得裂解气从内置构件310的外侧喷入淬冷区300，这缩短了淬冷介质从喷出到接触裂解气的射程，从而裂解气能够尽快接触到从淬冷区外壁设置的喷嘴喷入的淬冷介质，保证对裂解气的淬冷效果，以提高烃部分氧化制备乙炔和合成气反应器产能，实现反应器大型化。

根据本实用新型实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器，能够使单台反应器生产能力达3万吨/年以上,在现有7500吨/年至1.5万吨/年基础上得到大幅提升。

进一步地，根据本实用新型实施例的大型反应器还可以包括烧嘴板，用于将混合区混匀后的烃和氧气通过烧嘴喷入反应区。烧嘴内壁可以设置有螺纹，螺纹可以为方形螺纹，螺纹深度优选为四分之一至二分之一壁厚，螺槽宽度优选为螺纹深度的1～3倍，螺纹与垂线的夹角优选为10～30°。烧嘴内壁设置有螺纹产生旋流，可稳定火焰，使反应室降低返混趋近平推流，提高乙炔收率。

进一步地，烧嘴在烧嘴板上可以布置为多排，相邻排的烧嘴内壁螺纹方向相反，烧嘴之间填充有隔热材料。相邻排的烧嘴内壁螺纹方向相反能够进一步增强旋流效果，稳定火焰，使反应室降低返混趋近平推流，提高乙炔收率。

进一步地，根据本实用新型实施例的大型反应器，内置构件可以通过冷却介质实现冷壁操作，内置构件外壁设淬冷介质喷嘴，内置构件的横截面形状和反应器的横截面形状同为圆形或正六边形，内置构件的两端为类锥体形状，降低裂解气通过时的阻力，引导裂解气流向淬冷区，内置构件的横截面对向距离优选为反应室对向距离的三分之一到三分之二。内置构件上下段可以分别为六棱锥，棱与底面的夹角60～80°。

在一个示例中，旋流器包含有均匀布置的导流翼片，导流翼片个数为3、4或6个，导流翼片倾角10～45°。

在一个示例中，侧向进气栅是通过对圆筒开缝制成，沿圆筒周向均匀布置有多个栅缝，栅缝延长方向为圆筒的轴向，圆筒的轴向与反应器轴向相同。栅缝的开缝方向和开缝点与圆筒中心连线成确定角度(非零的角度)，有利于增强旋流效果。沿侧向进气栅的轴向布置多组栅缝，以及相邻组的栅缝之间开缝方向相反，有利于增强烃和氧气之间的均匀混合。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的烃部分氧化制备乙炔和合成气的大型反应器的具体结构示意图。

混合区包括与氧气进口1和烃进口2相连接的混合器5，与混合器5下端相连接的强混段8和扩散段9，混合器5包括与氧气进口1相连接的氧气喷管6，在氧气喷管6内由旋流器定位片连接定位的旋流器4，在旋流器4下部均匀固定的氧气导流翼片3，与烃进口2相连接的侧向进气栅7。

反应区包括与扩散段9下端相连接的烧嘴11和烧嘴板12，与烧嘴板12相连接的冷却介质入口13、冷却介质出口14及反应室15。

淬冷区包括与淬冷介质入口17相连接的淬冷介质喷嘴16，与反应室15下端、裂解气出口19、淬冷介质出口21和人孔20相连接的淬冷室18，与烧嘴板12、反应室15和淬冷室18同中心轴的内置构件10。

在混合区，氧气从氧气进口1进入氧气喷管6，经过旋流器4，6个倾角为30°的氧气导流翼片3，进入混合器5；烃从烃进口2进入，通过2组侧向进气栅7，每组进气栅有8个栅缝，进气栅用圆筒开缝制成，栅缝的开缝方向与开缝点与圆筒中心连线成10°，相邻组的栅缝之间开缝方向相反；两股气体在混合区充分均匀混合，经过强混段8和扩散段9，烃和氧气的混匀度达到99.9％。

图3给出了圆筒上开缝的进气栅7的横截面示意图，其中开有6个栅缝 30，开缝点S与圆筒中心O的连线与栅缝的开缝方向成0-15°。

图4示出了多组进气栅的示意图，图中示意了沿圆筒轴向布置有第一组进气栅、第二组进气栅、第三组进气栅，每组进气栅中的栅格30沿圆筒轴向排列。

混合均匀后的烃和氧气通过烧嘴板12上的烧嘴11螺旋喷入反应区，近似平推在反应区内发生毫秒级反应，反应温度为1500℃；烧嘴板12上烧嘴11呈多排分布，烧嘴11之间填充隔热材料，烧嘴内壁套螺纹，相邻排烧嘴内壁所套螺纹方向相反。烧嘴板12上烧嘴11内径20毫米，长度200毫米，壁厚2毫米，烧嘴11内壁加工方形螺纹，螺纹深度为二分之一壁厚，螺头宽度与螺纹深度相当，螺槽宽度为螺纹深度的2倍，螺纹与垂线的夹角30°。内置构件10中段为正六边体，六边体横向厚度为反应室厚度的二分之一，上、下段分别为六棱锥，棱与底面的夹角60°,与烧嘴板12和反应室15同中心轴。

反应后裂解气进入淬冷区被淬冷介质喷射急冷降温，内置构件10与烧嘴板共用冷却水入口13，通入冷却水实现冷壁操作，外壁设淬冷水喷嘴16，横截面形状和反应器的横截面形状同为正六边形，两端为六棱锥，横截面对向距离为反应室对向距离的二分之一。在淬冷区设置用于减小淬冷所需喷嘴过程的内置构件10，可以使24个相对淬冷水喷嘴16喷出液滴状淬冷水均匀不变向，可缩短冷却水喷射距离，强化急冷效果，使反应终止，避免乙炔过度裂解为碳黑和氢气，保证裂解气中高收率乙炔产物，然后通过溶剂吸收分离得到高纯度乙炔和合成气。

本实施例中烃部分氧化制备乙炔和合成气反应器用于工业生产中，可确保装置安全稳定运行，同时将生产能力提高到3万吨/年以上，实现反应器大型化。

在上面详细描述了本实用新型实施例。然而，本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行各种修改，组合或子组合，并且这样的修改应落入本实用新型的保护范围内。