用于制备乙炔和合成气体的设备和方法

摘要

本发明涉及一种通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的设备(10)，该设备包括混合单元(12)、混合段和混合扩散器(16)。所述混合单元(12)具有用于供应含烃料流的供送孔口(18)、用于供应含氧料流的供送孔口(20)、旋流式配流器和分配板(24)。所述分配板(24)布置在所述混合段(14)和所述用于供应含烃料流的供送孔口(18)之间。所述分配板(24)具有孔口(28)。所述旋流式配流器(22)布置在所述用于供应含氧料流的供送孔口(20)和所述混合段(14)之间。所述混合扩散器(16)连接至所述混合段(14)。本发明还涉及一种通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的方法。

权利要求

1.一种通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的设备(10)，该设备包括混合单元(12)、混合段和混合扩散器(16)，其中，所述混合单元(12)具有用于供应含烃料流的供送孔口(18)、用于供应含氧料流的供送孔口(20)、旋流式配流器和分配板(24)，其中，所述分配板(24)布置在所述混合段(14)和所述用于供应含烃料流的供送孔口(18)之间，其中，所述分配板(24)具有孔口(28)，其中，所述旋流式配流器(22)布置在所述用于供应含氧料流的供送孔口(20)和所述混合段(14)之间，其中，所述混合扩散器(16)连接至所述混合段(14)。

2.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，所述混合段(14)基本是筒状的，其中，所述分配板(24)构造成使得在圆周方向上看时所述分配板(24)完全包围所述混合段(14)。

3.根据权利要求1或2所述的设备(10)，其中，所述旋流式配流器(22)至少部分地布置在所述分配板(24)内。

4.根据权利要求1或2所述的设备(10)，其中，所述分配板(24)具有用于分配含烃料流的孔口(28)。

5.根据权利要求4所述的设备(10)，其中，所述孔口(28)以均匀或不均匀分布的方式布置在所述分配板(24)中。

6.根据权利要求5所述的设备(10)，其中，所述分配板(24)构造成使得所述孔口(28)的横截面面积的总和与所述分配板(24)的表面面积的比为0.1至0.4。

7.根据权利要求1或2所述的设备(10)，其中，所述用于供应含烃料流的供送孔口(18)相对于所述混合段(14)的中心轴线(26)基本径向地布置。

8.根据权利要求1或2所述的设备(10)，其中，用于供应含氧料流的供送孔口基本平行于该混合段(14)的中心轴线(26)布置。

9.根据权利要求1或2所述的设备(10)，其中，所述混合段(14)连接至具有长度和直径的混合管(30)，其中，所述长度和直径构造成使得在所述混合管(30)中在通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的设备(10)的操作中所述含氧料流和所述含烃料流的混合物具有0.2马赫到1马赫的流动速率。

10.根据权利要求1或2所述的设备(10)，其中，所述旋流式配流器(22)具有0.3到1的旋流数。

11.一种通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的方法，包括混合单元(12)、混合段(14)和混合扩散器(16)，其中通过供送孔口(18)向该混合段(14)供送含烃料流，其中，通过供送孔口(20)向该混合段(14)供送含氧料流，其中，在所述混合段(14)和用于供送含烃料流的供送孔口(18)之间布置分配板(24)，其中，所述分配板(24)具有孔口(28)，其中，在用于供应含氧料流的供送孔口(20)和所述混合段(14)之间布置旋流式配流器(22)，其中，将混合扩散器(16)连接至所述混合段(14)。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述分配板(24)构造成使得所述孔口(28)的横截面面积的总和与所述分配板(24)的表面面积的比为0.1至0.4。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，相对于所述混合段(14)的中心轴线(26)基本径向地供送含烃料流，其中，基本平行于所述混合段(14)的中心轴线(26)供送含氧料流。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述混合段(14)连接至具有长度和直径的混合管(30)，所述长度和直径构造成这样进行通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的方法，即，在混合管(30)中使含氧料流和含烃料流的混合物具有0.2马赫到1马赫的流动速率。

15.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述旋流式配流器(22)具有0.3到1的旋流数。

说明书

用于制备乙炔和合成气体的设备和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种通过在反应器中将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的改进设备和改进方法，其中含烃料流和含氧料流被供送到该反应器。

背景技术

[0002] 通常在由混合单元、燃烧器块、燃烧空间和骤冷装置构成的反应器中进行用于将烃部分氧化的高温反应。在高温范围内进行这种部分氧化的一个示例是通过将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体。例如，这在DE 875198、DE 1051845、DE 1057094和DE 4422815进行了描述。

[0003] 这些文献阐述了通常用于BASF-Sachsse-Bartholomé乙炔法的混合器/燃烧器块/燃烧空间/骤冷组合，在下文中，该组合被简称为“反应器”。

[0004] 在该方法中，将原料如天然气和氧气分别加热通常至高达600℃。在混合区中，使反应物强力混合，流经燃烧器块，然后在燃烧空间中进行放热反应。在这些情况下，燃烧器块包括特定数量的平行通道，其中可燃性氧气/天然气混合物的流速高于火焰速度(反应速率、转换速率)以防止火焰侵入混合空间。对金属燃烧器块进行冷却以经受热应力。根据在混合空间中的停留时间，由于所述混合物的有限热稳定性，产生过早引燃和再次引燃的风险。此处，术语“引燃延期时间”或“引发时间”用于指可燃混合物不经历任何显著内部热变化的时间。引发时间取决于所用的烃类型、混合状态、压力和温度。这决定反应物在混合空间内的最大停留时间。反应物如烃、液化气或石油醚(由于合成方法中产率和/或能力的提高，其使用特别合乎需要)的特征在于相对高的反应性，并且因此具有短引发时间。

[0005] 尽管通过这些设备实现的优点，但仍然具有改进的潜能。例如，在Sachsse-Bartholomé乙炔法中，重要的是反应物料流的完全混合。这种情况下，在已知设备中可能存在不希望的流体压力浪涌。尤其是在高产出量时，这会限制工厂的生产力，这是因为产量的增加只能通过压力增加来实现。另外，朝向混合最佳旋流式配流器的不对称流动会导致混合装置中的反应物浓度和质量流动密度分布不均，这会导致下游反应器的产量下降。

发明内容

[0006] 因此，本发明的一个目的是给出一种设备和方法，该设备和方法至少基本减少上述的缺点，特别是避免旋流式配流器(Drallregister)下游的可能的分布不均。

[0007] 本发明的基本构思是通过旋流式配流器的适当设计来避免旋流式配流器下游的可能的分布不均，该设计可以通过所谓的旋流数和用于产生旋流(涡流)的偏转板的类型和排列来限定。旋流式配流器和混合装置的横截面的创造性设计能够避免混合装置中的不希望的流体压力浪涌。这同样可以通过旋流数和雷诺数的特征参数来规定。

[0008] 用于通过利用氧(氧气)将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的创造性设备包括混合单元、混合段和混合扩散器。所述混合单元具有用于供应含烃料流的供送孔口、用于供应含氧料流的供送孔口、旋流式配流器和分配板。所述分配板布置在所述混合段和所述用于供应含烃料流的供送孔口之间。所述分配板具有孔口。所述旋流式配流器布置在所述用于供应含氧料流的供送孔口和所述混合段之间。所述混合扩散器连接至所述混合段。

[0009] 所述混合段可以基本是筒状的。所述分配板可以构造成使得在圆周方向上看时所述分配板完全包围所述混合段。所述旋流式配流器可以至少部分地布置在所述分配板内。所述分配板可以具有用于分配所述含烃料流的孔口。所述孔口可以以均匀分布的方式布置在所述分配板上。另选地，所述孔口可以以不均匀分布的方式布置在所述分配板中。所述分配板可以构造成使得所述孔口的横截面面积的总和与所述分配板的表面面积的比值为0.1至0.4，优选从0.2到0.3，甚至更优选从0.2到0.25，例如0.225。用于供应含烃料流的供送孔口可以相对于所述混合段的中心轴线基本径向地布置。用于供应含氧料流的供送孔口可以基本平行于所述混合段的中心轴线布置。所述混合段可以连接至具有长度和直径的混合管，所述长度和直径构造成使得在所述混合管中在通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的设备的操作中所述含氧料流和所述含烃料流的混合物具有0.2马赫(mach)到1马赫、优选0.3马赫到0.9马赫、甚至更优选0.4马赫到0.8马赫、例如0.6马赫的流动速率。所述旋流式配流器可以具有0.3到1，优选0.5到0.7，甚至更优选0.55到0.65，例如0.6的旋流数。换言之，流过旋流式配流器的流动具有这种旋流数的流动状态。

[0010] 根据本发明的用于通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的方法包括混合单元、混合段和混合扩散器。通过供送孔口将含烃料流供送至所述混合段。通过供送孔口将含氧料流供送至所述混合段。将分配板布置在所述混合段和用于供送含烃料流的供送孔口之间。所述分配板具有孔口。所述旋流式配流器布置在用于供应含氧料流的供送孔口和所述混合段之间。混合扩散器连接至所述混合段。

[0011] 所述分配板可以构造成使得所述孔口的横截面面积的总和与所述分配板的表面面积的比值为0.1至0.4，优选为从0.2到0.3，甚至更优选为从0.2到0.25，例如0.225。可以相对于所述混合段的中心轴线基本径向地供送含烃料流。可以基本平行于所述混合段的中心轴线供送含氧料流。所述混合管可以具有长度和直径，所述长度和直径构造成这样进行通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的方法，即，使得所述含氧料流和所述含烃料流的混合物具有0.2马赫到1马赫，优选0.3马赫到0.9马赫，甚至更优选0.4马赫到0.8马赫，例如0.6马赫的流动速率。所述旋流式配流器可以具有0.3到1，优选0.5到0.7，甚至更优选0.55到0.65，例如0.6的旋流数。

[0012] 在本发明的情况下，反应器的混合单元应被理解为是指该反应器的、其中分开加热的原料例如天然气和氧气被组合并开始混合的区域。混合操作在混合段中发生。

[0013] 在本发明的情况下，混合管应被理解为是指一种管状部件，在该管状部件中被分开加热并且已经组合的原料有力地混合。由于混合管中的原料具有0.2马赫到1马赫的高流动速率，所以它们被快速地分配或混合。

[0014] 在本发明的情况下，混合扩散器应被理解为是指减慢气体和/或液体流并使混合物和流动速率均匀的部件。在本发明的情况下，这是通过在流动介质的流动方向上增加流动横截面实现的。

[0015] 在本发明的情况下，分配板应被理解为是指用于在混合段上分配含烃料流的采取板的形式的部件。该分配板不需要是平坦的或平面的，而是可以例如为筒状的。该分配板具有孔口。这些孔口构造成用来在混合段上分配含烃料流，因为含烃料流通过这些孔口进入混合段。由于这些孔口分布在板上，因此将含烃料流分配在混合段上。

[0016] 在本发明的情况下，旋流式配流器应被理解为是指使含氧料流产生涡流以便形成旋流的部件。该旋流例如可以通过偏转板产生，当含氧料流在这些偏转板上经过时这些偏转板使含氧料流偏转。旋流的特征可能不仅在于它们的一般流动状态、例如层流或湍流，而且更具体地在于旋流数。旋流数是流的轴向和旋转动量的比值。在这种情况下，利用流的特征长度尺寸、例如由流分量限定的流边界的外径来给角动量加权。通过测量切向和轴向速率的速率曲线，可以因此确定旋流数。通常的情况是，相比于旋流的轴向速率，速率场的周向分量越大，旋流数越大。

[0017] 在本发明的情况下使用的流状态的另一个可能特征是雷诺数。雷诺数是一个无量纲特征。它是惯性力与粘性力的比。在管流的情况下，所使用的特征参数典型地为内部直径、在横截面上平均的速率的大小以及流体的粘性。平均化流速和内部直径的乘积与粘性的比给出雷诺数。在约2300的临界雷诺数以下，流为大体层流，高于该临界雷诺数，流为大体湍流。

[0018] 本发明的情况下，反应器的燃烧器块应被理解为是指反应器的、被加热和混合的原料流过的区域。混合的原料在通道或孔中流动。

[0019] 除非另有说明，在本发明的情况下，表述“通道”和“孔”同义地使用。在本发明的情况下，孔应被理解为是指部件中的圆形或非圆形的口。

[0020] 在本发明的情况下，反应器的燃烧空间应被理解为是指反应器的、被加热和混合的原料在流过燃烧器块之后流入并进行发热反应的区域。在本发明的情况下，由于所使用的原料是烃和氧，因此这种发热反应主要形成乙炔。所形成的副产品是氢气、一氧化碳以及少量程度的炭烟。

[0021] 在本发明的情况下，横截面面积应被理解为是指在横截面中暴露的区域的表面面积。该横截面面积相对于所指的横截面面积的部件的中心线垂直地延伸。例如，孔口的横截面面积是能够在相对于通过孔口的中心的理论中心线成直角的横截面的情况下发现的表面面积。

[0022] 在本发明的情况下，规则图案应被理解为是指以预定的对称或均匀的顺序的各种元件构成的图案。换言之，这些元件相对于彼此以固定的空间距离重复地布置。

[0023] 在本发明的情况下，表述“基本”应被理解为是指相对于精确程度的偏离不大于20°或20％，优选不大于15°或15％。例如，相对于中心轴线基本径向是指从精确的径向方向偏离不大于20°、优选不大于15°。类似地，例如，相对于中心轴线基本平行是指从精确平行偏离不大于20°、优选不大于15°。在说明部件的形状时，例如基本筒状，“基本”是指该形状从理想形状偏离不大于20％，优选不大于15％，该百分比与部件的表面相关。

附图说明

[0024] 从在附图中示意性示出的如下优选工作实施例的描述将清楚本发明的其他可选细节和特征。附图示出了：

[0025] 图1是用于制备乙炔和合成气体的设备的剖视图；

[0026] 图2是处于理论展开状态的分配板；以及

[0027] 图3示出用于模拟混合管的圆周上的局部速率与平均速率的比的模拟结果。

具体实施方式

[0028] 图1示出了通过利用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的本发明的设备的立体剖视图。设备10包括混合单元12、混合段14和混合扩散器16。混合单元12具有用于供应含烃料流如天然气的供送孔口18、用于供应含氧料流的供送孔口20、旋流式配流器22和分配板24。混合段14毗连旋流式配流器22。

[0029] 混合段14连接至混合扩散器16。混合段14基本为圆筒状并且具有中心轴线26。用于供应含烃料流的供送孔口18相对于混合段14的中心轴线26基本径向布置。用于供应含氧料流的供送孔口20基本平行于混合段14的中心轴线26布置。分配板24布置在混合段14和用于供应含烃料流的供送孔口18之间。在以中心轴线26为中心的圆周方向上看时，分配板24将混合段14完全包围。

[0030] 图2示出了处于理论展开状态的分配板24的图。分配板24具有用于分配含烃料流的孔口28。孔口28优选均匀分配地布置在分配板24中。这些孔口28例如通过铣削而被引入到分配板24中。孔口28例如采取细长孔或椭圆(卵形)的形式。孔口28的任何这种形状的较长半轴都可以被布置成例如平行于分配板的高度，因此与分配板24的以中心轴线26为中心的外周方向成直角。另选地，孔口28可以以非均匀分配方式布置在分配板24中。分配板24被构造成使得孔口28的横截面面积的总和与分配板24的表面面积的比为0.1到0.4，优选为0.2到0.3，甚至更优选从0.2到0.25，例如为0.225。

[0031] 旋流式配流器22布置在用于供应含氧料流的供送孔口20和混合段14之间。混合段14因而毗连旋流式配流器22。旋流式配流器22至少部分地布置在分配板24内。为使含氧料流产生旋流，旋流式配流器22具有未详细示出的偏转板。旋流式配流器22具有从0.3到1的旋流数，优选从0.5到0.7的旋流数，甚至更优选0.55到0.65、例如0.6的旋流数。

[0032] 如上所述，混合段14连接至混合扩散器16。更具体地说，混合段14连接至混合管30，该混合管30又连接至混合扩散器16。混合扩散器16可以具有小于8°、优选小于4°、甚至更优选小于2°例如1.5°的半开度角α。混合管30具有长度和直径。该长度和直径构造或固定成使得在通过在混合管3中用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的设备10的操作中含氧料流和含烃料流的混合物具有0.2马赫到1马赫、优选0.3马赫到0.9马赫、甚至更优选0.4马赫到0.8马赫、例如0.6马赫的流动速率。

[0033] 下面描述根据本发明的通过用氧将烃部分氧化来制备乙炔和合成气体的方法，该方法可以在设备10的情况下使用。将诸如天然气的烃和氧气分开预热，以作为起始气体并作为分开的料流提供。通过供送孔口18将含烃料流供送至混合段14。因为供送孔口18的上文具体描述的布置，含烃料流被相对于混合段14的中心轴线26基本径向地供送。通过供送孔口20将含氧料流供送至混合段14。因为供送孔口20的上文具体描述的布置，含氧料流被相对于混合段14的中心轴线26基本轴向地或平行地供送。含烃料流通过孔口28穿过分配板24，并且因而均匀地分配到混合段14内。在混合段14内，含烃料流与通过供送孔口20供送到混合段14的含氧料流有力地混合。所供入的含氧料流在旋流式配流器22中通过偏转板而扭转或打漩，并因而确保在混合段14中与含烃料流良好的混合。旋流式配流器22具有从0.3到
1的旋流数、优选从0.5到0.7的旋流数、甚至更优选0.55到0.65例如0.6的旋流数。换言之，旋流式配流器22的偏转板确保含氧料流具有带有所述旋流数的流动状态。

[0034] 含烃料流和含氧料流的混合物然后进入混合管30内。因为如上所述的混合管30的长度和直径的特定比，混合管30中的该含烃料流和含氧料流的混合物具有从0.2马赫到1马赫、优选从0.3马赫到0.9马赫、甚至更优选从0.4马赫到0.8马赫、例如0.6马赫的流动速率。这种高流动速率确保了含烃料流和含氧料流的进一步快速且有效的分配或混合。

[0035] 含烃料流和含氧料流的混合物从混合管30进入混合扩散器16。在混合扩散器16中，因为如上所述的混合扩散器16的横截面的变宽-在流动方向上看，该含烃料流和含氧料流的混合物经历流动速率的降低和动态压力的增加。该含烃料流和含氧料流的混合物然后从混合扩散器16最终到达具有燃烧空间的燃烧器块。在燃烧空间中，该含烃料流和含氧料流的混合物进行反应以进行乙炔的制备，然后通过骤冷单元快速冷却。

[0036] 图3示出了用于在混合管30的圆周上相对于平均速率的局部速率的模拟的模拟结果。X轴32表示基于混合管30的圆周方向的相对位置，即相对于混合管30的πx直径的位置X。y轴34示出了作为无量纲特征的局部速率与平均速率的比。曲线36示出了在如上所述的根据本发明的设备10和方法中在混合管30的圆周上存在的相对于平均速率的局部速率。基于曲线36，可以从图3中的曲线图推导出，局部速率与平均速率的比仅仅在值1.00周围略微变化。这意味着在混合管30的整个圆周上、即在混合管30的整个横截面面积内具有均匀的速率分布。因而，避免了旋流式配流器22下游的任何可能的分布不均。旋流式配流器22和混合单元12的横截面的设计也能防止混合单元12中的有害流体压力浪涌。这可以通过旋流式配流器22和分配板24的特殊设计来实现。

[0037] 附图标记列表

[0038] 10    设备

[0039] 12    混合单元

[0040] 14    混合段

[0041] 16    混合扩散器

[0042] 18    用于含烃料流的供送孔口

[0043] 20    用于含氧料流的供送孔口

[0044] 22    旋流式配流器

[0045] 24    分配板

[0046] 26    中心轴线

[0047] 28    孔口

[0048] 30    混合管

[0049] 32    X轴

[0050] 34    Y轴

[0051] 36    曲线

[0052] α     半开度角。