用于制备乙炔和合成气的装置和方法
【专利说明】用于制备乙炔和合成气的装置和方法
[0001]本发明涉及一种用于通过在反应器中部分氧化烃而制备乙炔和合成气的改进装置和改进方法，其中将包含烃的料流和包含氧气的料流供入所述反应器中。
[0002]用于部分氧化经的高温反应通常在由混合单元、燃烧器炉体(Brennerblock)、燃烧空间和骤冷设备组成的反应器体系中进行。该类在高温范围内实施的部分氧化的一个实例是通过部分氧化烃而制备乙炔和合成气。这例如描述在DE875198、DE1051845、DE1057094和 DE4422815 中。
[0003]这些文献描述了通常用于从3?-3&011886-1^1'1:110101116乙炔方法的混合器/燃烧器炉体/燃烧空间/骤冷组合一当下文指代该组合时，这简称为“反应器”。
[0004]在这些方法中，将起始物质如天然气和氧气分别加热，通常加热至600°C。在混合区中，反应物强烈混合，流经燃烧器炉体，然后在燃烧空间内发生放热反应。在这些情况下，燃烧器炉体由特定数量的平行通道组成，其中可燃性氧气/天然气混合物的流动速率高于火焰速率(反应速率、转化速率)，从而防止火焰侵入混合空间。将金属燃烧器炉体冷却，从而耐受热应力。根据在混合空间中的停留时间，由于混合物的有限热稳定性，过早燃烧和再次燃烧的风险增大。此处，使用术语“燃烧延迟时间”或“诱导时间”来意指可燃混合物不经历任何显著的内部热变化的期间。诱导时间取决于所用烃的类型、混合状态、压力和温度。其决定了反应物在混合空间内的最长停留时间。由于在合成方法中具有高产率和/或产量而特别希望使用的反应物如氢气、液化气或石油醚以较高反应性以及因此短诱导时间而著称。
[0005]目前生产规模上所用的乙炔燃烧器以其燃烧空间的圆柱几何形状而著称。燃烧器炉体优选具有呈六边形排列的通孔。例如，在一个实施方案中，在直径为约500mm的圆形底横截面上以六边形方式排列有127个孔，其各自具有27mm的内径。一般而言，所用的孔或通道的直径为约19-27mm。使形成乙炔的部分氧化反应的火焰稳定的下游燃烧空间同样具有圆柱形横截面、是水冷却的且就外观而言对应于短管(例如直径为180-533mm，长度为380-450mm)。在燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面的高度处，将所谓的辅助氧气供入反应空间。这确保了火焰稳定和因此火焰根的确切距离以及因此反应由被骤冷单元终止反应而开始。由燃烧器炉体和燃烧空间组成的整个燃烧器借助法兰从具有较大横截面的骤冷容器顶部悬挂。在燃烧空间的出口平面高度处，在其外周外，将骤冷喷嘴安装在一个或多个骤冷分布器环中，其借助或不借助雾化介质将骤冷介质如水或油雾化，并将离开燃烧空间的反应气体以与主流动方向近似成直角地注入。该直接骤冷的任务是将反应流极快地冷却至约100°C(水骤冷)和200°C(油骤冷)，从而冻结进一步的反应，尤其是所形成的乙炔的分解。骤冷射流的范围和分布理想地使得在最短时间内获得极其均匀的热分布。
[0006]目前生产规模上所用的乙炔燃烧器以燃烧空间的圆柱形几何形状而著称。借助扩散器预混原料，并在避免反混下经由以六边形排列的通孔供入燃烧器炉体中。在已知的方法中，原料在混合扩散器中以较大的体积和高预热温度预混。
[0007]所述工业方法不仅形成乙炔，而且形成大量氢气、一氧化碳和烟灰。在火焰前沿形成的烟灰颗粒可作为核粘合至燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面，然后导致焦炭层的生长、沉积和结块(Anbacken)，这不利地影响了工艺的有效性。
[0008]在使用油和水骤冷的现有生产方法中，这些沉积物借助位于燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面区域中的加煤机单元机械清洁而定时移除。为此，加煤机单元的复杂控制是必需的(Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第5片反，第A1 卷，第97-144页)，此外，该机制的具体应用时间受到燃烧空间内的热应力的限制。
[0009]从来都不缺乏尝试以避免焦炭层在燃烧空间侧上的燃烧器炉体表面上结块这一缺点。例如，DE2307300的教导公开了在最高温度和骤冷位置之间的区域中将气态物质注入反应器中。据认为这导致所添加的气体与自由基之间的反应，据认为该反应会减少焦炭形成。
[0010]DE3904330A1描述了一种通过热分解乙炔而制备乙炔黑的方法。在明显不同于制备乙炔的方法的该方法(例如不发生部分氧化)中提及任选引入惰性气体料流。
[0011]DE1148229描述了一种运行热解室以处理烃的方法，其中提供使用蒸汽进行的吹扫，且认为壁的冷却会导致水幕(权利要求1)。没有给出吹扫实施方式的进一步信息。所给方法并非部分氧化(POx)，引入的吹扫介质为液态水，且未提供氧化剂(例如氧气)与吹扫介质的额外混合。此外，吹扫介质仅在热解室轴向剖面中的至多一个位置处注入。
[0012]DE2007997描述了所推测的反应室内壁上的油膜如何防止结焦。然而，燃烧空间中的油膜本身就倾向于结焦。因此，考虑到目前的挑战，可排除烃(矿物)油作为催扫介质。
[0013]然而，所述引用文献中公开的用于防止或减少不希望焦炭形成的方法就有效用于制备乙炔的方法中而言不令人满意。例如，正如所解释的那样，一些文献涉及其他反应，其中的条件完全不同且不具备适用性。例如，本发明方法中的部分氧化就特性而言极其苛刻:停留时间起着特别主要的作用，反应的停止必须非常精确，且添加的外来物质(包括例如吹扫气体或氧化剂)就其位置以及速率而言可非常快地推动反应，由此导致产率损失。
[0014]尽管这些装置会带来优点，然而仍存在改进的潜力。正如上文所述的那样，反应物经由通道或孔流经燃烧器炉体，从而在燃烧空间内发生放热反应。燃烧器炉体的该段也称为燃烧器孔板。因此，为了稳定在Sachsse-Bartholomg乙炔合成中形成的部分氧化反应前沿，将辅助氧气经由位于沿反应器的燃烧器孔板的预定位置处的各氧气管引入燃烧空间或反应空间中。这些管由外部径向供入燃烧器孔板中。由于氧气管出口与燃烧器孔板外周的距离不同，这导致氧气管具有不同长度。这导致由共用储蓄器供入的各氧气管中的压降不同。如果氧气管长度相差过大，则不能将氧气适当分布在燃烧器孔板上，其结果是无法再确保火焰稳定性和所需的产率。
[0015]因此，本发明的目的是描述一种用于制备乙炔和合成气的装置和方法，其至少显著减少了上述缺点。更具体地，本发明的装置适于避免氧气在燃烧器孔板上的不当分布。
[0016]本发明的基本理念是不再经由各管供应辅助氧气，而是借助独立的分布器环将其经由穿过各孔或通道的中间空间引入反应空间中，其中就流体动力学而言，对中间空间进行设计以确保在供应其的孔上均匀分布。
[0017]本发明的用于通过用氧气部分氧化烃而制备乙炔和合成气的装置包括反应器。所述反应器具有含用于制备乙炔的燃烧空间的燃烧器炉体、在燃烧器炉体内形成的第二空间，和围绕第二空间的环状空间。燃烧器炉体具有用于将烃和氧气的混合物料流供入燃烧空间的孔和用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔与第二空间相连。第二空间与环状空间相连。
[0018]环状空间可围绕第二空间。例如，环状空间同心围绕第二空间。环状空间可基本上为圆形的。应指出的是，该圆形涉及与环状空间的中心轴或中心线成直角的剖视图。一般而言，环状空间是圆柱形的，且圆柱体轴限定了中心轴或中心线。第二空间可通过壁与环状空间隔开。所述壁可具有与用于将辅助氧气料流供入环状空间的孔相连的口。所述口可沿燃烧器炉体的外周均匀分布在壁中。所述口可具有比用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔更大的横截面面积。所述口的横截面面积总和与环状空间的横截面面积之比可为0.05-1，例如为0.15。环状空间可与用于供应辅助氧气的供料口连接。用于将辅助氧气料流供入燃烧空间的孔可以以规则或