部分热氧化烃的方法和装置

摘要

在反应器中部分氧化烃的方法，其中将包含烃的料流和包含氧气的料流供入反应器中，其中供入反应器的两种料流在反应器内分别通过一个或多个空间上独立的管线供料，其中这些管线包含内部湍流发生器，借助湍流发生器，通过所述湍流发生器下游流动方向的预定改向，形成高度湍流的流场，随后料流在从管线出来之后在混合区中混合，然后在反应区中进行反应。

权利要求

1.一种用于在反应器中部分氧化烃的方法，其中将包含烃的料流和包含氧气的料流供入反应器中，其中供入反应器的两种料流在反应器内在每种情况下分别通过一个或多个空间上独立的管线输送，这些管线在其内部具有湍流发生器，使得由于所述湍流发生器下游流动方向的被迫偏转，形成高度湍流的流场，随后料流在从管线出来之后在混合区中混合，然后在反应区中进行转化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过部分热氧化制备乙炔和合成气。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所有管线中使用湍流发生器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述湍流发生器布置在管线内以使料流流过通道时，基于相邻的通道，形成交替旋转方向。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中通过在燃烧器空间内测得的离烧嘴板下边缘6-15倍通道直径的距离处布置稳定火焰而形成反应物的合适混合物。

6.一种进行权利要求1-5任一项所述方法的装置，包括用于制备乙炔的反应器，所述反应器基于原料混合区上游原料的流动方向包括独立管线，在所述管线中包含烃的料流和包含氧气的料流在空间上独立地输送，一个或多个这些管线的内部包含湍流发生器，以及这些管线的末端通向混合区，在所述混合区中使加入的原料混合和反应。

7.根据权利要求6所述的装置，其中布置在管线中的湍流发生器堵塞管线截面的

10-70％。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其中所述湍流发生器具有用于料流通过的孔，且这些孔以基于管线的纵轴为40-80°的斜度布置。

说明书

部分热氧化烃的方法和装置

[0001] 本发明涉及一种用于在反应器中部分氧化烃的改进方法，其中将包含烃的料流和包含氧气的料流供入反应器中，以及涉及一种用于进行本发明方法的装置。

[0002] 用于烃部分氧化的高温反应通常在包含混合单元、燃烧器和骤冷器的反应器系统中进行。

[0003] 在高温范围内这种部分氧化的一个实例是通过烃部分氧化制备乙炔和合成气。这描述于例如DE 875198、DE 1051845、DE 1057094和DE 4422815中。这些说明了通常用于BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔方法的混合器/燃烧器/火室/骤冷器组合，当引用该组合时，下文简称作“反应器”。

[0004] 将天然气和氧气原料分别加热，通常加热到非常接近700℃。在混合区中强烈混合反应物，并在它们通过烧嘴板后进行反应。在这些情况下，烧嘴板由特定数目的平行通道组成，其中可燃的氧气/天然气混合物的流速高于火焰速度(反应速度、转化速度)以防止火焰侵入混合室中。冷却金属烧嘴板以抵抗热应力。根据在混合室中的停留时间，由于混合物有限的热稳定性而会出现过早点火和反闪的危险。在本文中，术语“点火延迟时间”或“诱导时间”用于指可燃混合物不发生任何明显内在热变化的时间间隔。诱导时间取决于所用烃的类型、混合状态以及压力和温度。其决定反应物在混合室中的最大停留时间。反应物如氢气、液化气或石油醚由于具有较高的反应性和因而较短的诱导时间而引人注意，由于产率和/或生产能力增加，它们的使用在合成方法中是特别希望的。

[0005] 在现代化生产规模中使用的乙炔燃烧器由于其火室(反应器)的圆柱几何形状而引人注意。烧嘴板优选具有以六边形布置的通道孔。在一个实施方案中，例如127个内径为27mm的孔以六边形布置在直径约500mm的圆形基座截面上。通常而言，所用通道直径为约
19-27mm。下游火室也是圆柱形截面且在外观上与短管(例如，直径为533mm，长度为400mm)相当，在该下游火室中形成乙炔的部分氧化反应的火焰被稳定。由烧嘴板和火室组成的整个燃烧器借助顶部的法兰悬挂在具有更大截面的骤冷容器中。在火室出口水平的高度上，将骤冷喷嘴安装在一个或多个骤冷分配器环的圆周外侧，所述骤冷分配器环在借助或不借助雾化介质的情况下将骤冷介质如水或油雾化，并在其中以与离开火室的反应气体的主流动方向约成直角将其喷雾。在其反应时，这种直接骤冷具有极快冷却料流的任务，以使后续反应(即更具体地为所形成乙炔的降解)被冻结。骤冷射流的范围和分布理想的是使得在非常短的时间内获得非常均匀的温度分布。

[0006] 在发生化学反应的燃烧器(下文称作反应区)中火焰的稳定对于该方法的效率和经济可行性十分重要。在上述已知的燃烧器系统中火焰稳定基于需要同时应用的两种机理。除了稳定火焰，由于循环的热气，还有蓄积体(accumulation body)稳定。

[0007] 在目前生产规模中使用的乙炔燃烧器由于火室的圆柱几何形状而引人注意。原料借助扩散器预混，并避免反混经由以六边形布置的通道孔供入烧嘴板中。在已知的方法中，原料在混合扩散器中以相对大的体积在高预热温度下进行预混。根据燃烧器的能力，混合扩散器由于其中反应物的停留时间和其诱导时间在相同数量级内的设计而引人注意。由于反应性原料组分、催化活性颗粒和表面如焦炭、锈等的比例增加，可能发生混合物的点火诱导时间被超出。这些过早点火导致操作停工并因而导致该方法的效率和经济可行性降低。

[0008] DE 10 2005 018 981 A1或US 2 179 378描述了将反应物料流的引入转移至紧邻烧嘴板孔的小空间的装置。因此，烧嘴板孔用作其中形成反应物混合物的混合管。合适的混合几何形状配置获得高速，其阻止火焰反点火进入烧嘴板孔中并同时保证快速形成混合物。

[0009] 这种设计的实现与相当高水平的结构复杂性相关，因为必须保证反应物料流向分布在所有烧嘴板孔上的合适混合单元的均匀分配。此外，存在反闪进入各个混合管的危险以及在混合场的化学计量范围内稳定火焰的危险。这在反应混合物不均匀的情况下是真实的，在这种情况下混合管中的流速落入转化速率的数量级。

[0010] 本发明的目的是发现一种用于部分氧化烃的改进方法，其避免上述缺点并且在工艺技术方面能够以简单的方式在非常小的空间内快速和良好地混合反应物，并具有短的停留时间。

[0011] 因此，已经发现一种用于在反应器中部分氧化烃的方法，其中将包含烃的料流和包含氧气的料流供入反应器中，其中供入反应器的两种料流在反应器内在每种情况下分别通过一个或多个空间上独立的管线输送，这些管线在其内部具有湍流发生器，使得由于所述湍流发生器下游流动方向的被迫偏转，形成高度湍流的流场，随后料流在从管线出来之后在混合区中混合，然后在反应区中进行转化。

[0012] 在本发明方法中，反应物料流在优选平行的孔中在空间上相互独立地输送，其中通过湍流发生器赋予其中的流动非常高的湍流结构。然后在湍流发生器的下游，在非常窄的空间内形成氧化剂和燃料的混合物，其中混合程度取决于混合长度、湍流程度和孔中湍流发生器的旋转方向。混合区之后紧跟反应区，该反应区通过将引导的(pilot)氧气注入高度湍流区来稳定。

[0013] 混合空间和反应空间的这种顺序布置保证了简单的流动形态，其有利的是不被其它内件干扰。

[0014] 本发明方法提供了阻止过早点火引起的操作停工和停机的可能性。此外，其开发了部分使用具有低诱导时间的燃料的可能性，所述燃料例如合成气或高级烃(例如乙烷、乙烯或汽化的液化气)。

[0015] 在本发明的方法中，称作湍流发生器的内件用于烧嘴板的通道中。就几何形状而言，配置湍流发生器以使它们在安装状态下堵塞通道截面的大部分和通道内的气流仅通过存在于湍流发生器中的连续孔。在本文中，通道截面应理解为指可用于气体流过通道的面积。

[0016] 在通常形成的具有圆形截面的烧嘴板通道的情况下，湍流发生器因此优选具有圆柱体形状，其直径使得其在安装状态下接近该圆柱体的圆周边缘以堵塞上述气流，这是由于该圆柱体的外径大约相当于通道的内径，因此实际上完全抑制气体流过最多仍以非常小的程度存在的间隙。在这里密封质量尤其由制造的复杂性所决定，且还可通过本领域熟练技术人员已知的其它措施提高。

[0017] 所用圆柱体的高度通常约在1-4个通道直径，优选约2-3个通道直径的范围内。通常在本发明方法中合适的是就其几何形状而言配置湍流发生器以使燃烧器通道约20-100％的长度根据本发明被基本堵塞。

[0018] 在安装状态中的本发明湍流发生器中引入的孔基本不或优选根本不与燃烧器通道的纵轴平行。在优选的实施方案中，在上面详述的圆柱体情况下，其提供了斜度为约80-40°，优选60-45°的孔。斜度应理解为指圆柱体的纵轴(高度轴)与孔的纵轴之间的角度。在湍流发生器中孔轴向对准的情况下，该斜度将为0°。该孔优选开始于接近或在圆周上圆柱体的上或下圆形面，然后以优选恒定斜度螺旋的方式到达相对的圆形面。合适的是给湍流发生器配多个孔，在本文中通常选择约1-6个，优选4个孔。

[0019] 在安装状态中，由此配置的湍流发生器具有使气体必须流过孔的作用。同时，由于孔的斜度，气体以前述螺旋运动的形状流动。运动方向因此可仍旧首先由纵轴方向上的分量(component)构成，但是，另一方面，圆周分量(取决于孔开始的点，例如，根据由圆柱体直径形成的圆)在该方向上叠加。当气体流过整个湍流发生器时，其经历圆周角为约45-360°，优选90-180°的曲线偏转。在本文中圆周角应理解为指由被覆盖的圆柱体几何形状所给圆弧的整个部分。偏转可以是顺时针的或逆时针的。

[0020] 在优选的实施方案中，湍流发生器堵塞通道截面面积的约10-70％，优选20-50％。根据本发明使用的湍流发生器的外部几何形状在很大程度上由燃烧器通道的几何形状决定。在圆形通道的情况下，如所述，圆柱形是合适的；在燃烧器通道中矩形截面的情况下，立方体优选是合适的。在每种情况下特别合适的配置可由本领域熟练技术人员确定。

[0021] 将在湍流发生器中形成的孔的直径通常为圆柱体直径，即湍流发生器外径的约0.1-0.5倍，优选0.2-0.4倍。

[0022] 在本发明方法中，当气体流过湍流发生器中的孔时，其经历上述的偏转。因此气体被赋予漩涡；形成旋流。因此，在这里流动介质的偏转在燃烧器的出口产生明显的径向和切向速度分量。相邻射流(即来自相邻的燃烧器通道)相互施加的高剪切力导致形成高度变化的速度。这样有利地允许在燃烧室中形成能量非常强的湍流场，其中可形成反应区。形成的湍流特征在于下述流动条件，在该流动条件下在所有三个空间方向上形成高度变化的速度以及此外在圆周方向上不能发现宏观偏向。

[0023] 在烧嘴板的通道中湍流发生器的本发明布置形成一种新型和改进的方法体系，其将在下文中详细讨论。根据本发明，在本文中反应以另一种方式被稳定。除了稳定火焰的用途，湍流发生器产生一种可在其中形成反应区的高强流场。有利的是形成的流场类型和该方法体系具有在这里观察不到接近烧嘴板的料流回流的效果，其最终导致在这里观察不到在烧嘴板上的焦炭沉积物的效果。除了已经描述的湍流场的有利配置外，避免不希望的含炭黑气体流在烧嘴板上的回流也是由稳定火焰的定位的本发明配置引起的。与常规燃烧器相比，稳定火焰离烧嘴板明显的距离；该距离优选例如为烧嘴板中通道直径的3-20倍，更优选4-15倍。该距离从烧嘴板的下边缘测量，即气体流在燃烧室的方向上离开通道的点和将辅助氧气引入燃烧室的点。通常烧嘴板中通道的直径例如为17-27mm，优选20-23mm。由于稳定火焰的这种定位，在本发明方法中火焰比常规燃烧器中进一步显著远离烧嘴板被稳定。在每种情况下稳定火焰特别优选的定位取决于特定系统和具体存在的工艺技术条件。在各种情况下本领域熟练技术人员根据存在的反应条件可以进行适当变化。将常规燃烧器中的稳定火焰简单移至相似的距离并不会导致相当方式的成功，因为其燃烧器孔在出口处没有配备本发明的湍流发生器，因此在出口的下游没有形成湍流场，其中通过使用辅助氧气仅稳定了主火焰，而没有稳定燃烧器出口孔处的回流的效果。

[0024] 本发明方法以最小压力降在燃烧室内产生高的湍流。压力降取决于物料通过量，且在反应器的设计点下为约40-300毫巴。

[0025] 湍流发生器就其布置而言优选具有交替的旋转方向(顺时针和逆时针)。这有利地允许在燃烧室内形成湍流场而不整体形成切向速度，其允许获得特别有效的混合。

[0026] 湍流发生器的优选布置可以设想为旋转方向在径向上交替，但是，在圆周方向上使用相同设计的湍流发生器。图2显示了在燃烧器板中输送氧化剂和燃料的湍流发生器的旋转方向的布置。

[0027] 湍流发生器可以布置在所有通道中或仅其一些通道中。

[0028] 本发明进一步提供一种适于进行本发明方法的装置。下面通过举例的方式参照图1对其详细说明。

[0029] 借助进料管(1)和(2)，通过烧嘴板中湍流发生器提供的管线(3)相互独立地供给氧化剂和燃料。仅在湍流发生器的下游，其优选由轴向回荡发生器制造，氧化剂和燃料相互接触并在强湍流场中混合。混合室(4)的长度应足以充分均质化混合物。通过进料管(5)，氧气或反应助剂进入反应室(6)，在此处反应区被稳定。

[0030] 图2显示了湍流发生器的优选布置。“R”和“L”示意地表示不同旋转方向(“R”表示向右旋转，“L”表示向左旋转)的湍流发生器。在圆周方向上，相同旋转方向的湍流发生器因此优选存在于圆弧上，而交替旋转方向布置在径向上。在这里将氧化剂引入图2中用阴影线标记的管线中。

[0031] 本发明方法能够实现烃经济可行的部分氧化。其更优选适于以高产率制备乙炔和合成气。与常规燃烧器中的方法相比，该方法提供部分氧化，而没有会导致损害该方法的不希望的焦炭沉积。同时，由于通过回流防止了焦炭沉积，燃烧器中火焰稳定的本发明方法提供一种有效且经济可行的反应方法。同时，通过本发明流动技术配置可以简单的方式实现该优点，因此避免了增加的复杂性，例如燃烧器的定期机械清洗。实施例

[0032] 在图1所示的本发明装置中进行混合实验测试。直径为170mm的反应室配有37个25mm的孔。考虑通过存在于管线中的湍流发生器在孔流动出口处以具有交替旋转方向的切向速度分量离开孔的气体。湍流发生器特征在于覆盖给定长度为5cm的圆柱体的360°角的四个孔。

[0033] 选择氧化剂和燃料入口的分布以在总体上由各个孔产生均匀分布的动量流密度；为此，选择图2所示的布置。

[0034] 在火焰稳定的水平下，即在混合区和转移至反应室的出口处，进行决定氧化剂和燃料混合质量的径向浓度测试。测试点和反应介质出口之间的距离(图1中的数字7)为8个孔直径。图3中的曲线显示了在径向位置上测得的混合质量(在直径为170mm的整个反应器上进行测试)。该曲线显示了与理想混合相比的关于燃料内容物(甲烷)的实际所测混合物的偏差百分数。可以看出与理想混合的偏差在本发明配置中小于1％；该实施方案因此能够获得有效的工艺性能。