Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа из газообразного углеводородного сырья. Синтез-газ получают путем парциального окисления смеси углеводородного сырья с воздухом при отношении количества кислорода в смеси к количеству углеводородного сырья альфа= 0,5-0,8. Смесь сжимают поршнем в объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300-2300oC на период 10-3-10-2 c. Процесс окисления активизируют подачей продуктов парциального окисления в количестве 10-20 об.% к исходному сырью, введенному в количестве 90-80 об.%, расширяют и охлаждают продукты процесса при движении поршня к нижней мертвой точке, выводят продукты процесса, содержащие синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, вводят новую порцию рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке. Цикл повторяют с частотой, превышающей 350 циклов в минуту. Изобретение позволяет повысить производительность процесса. 1 табл., 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119888
Класс(ы) патента: C01B3/36
Номер заявки: 98101792/25
Дата подачи заявки: 10.02.1998
Дата публикации: 10.10.1998
Заявитель(и): ТК СИБУР НН
Автор(ы): Генкин В.Н.; Генкин М.В.
Патентообладатель(и): ТК СИБУР НН
Описание изобретения: Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа из газообразного углеводородного сырья.
Известны различные способы окисления углеводородного сырья, например метана, для получения синтез-газа:
СН4 + 0,5 О2 = СО + 2Н2,
где СО + 2Н2 - синтез-газ.
Известен способ получения синтез-газа, включающий сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом, обогащенным кислородом, при альфа = 0,5-0,8 или не обогащенным кислородом воздухом при альфа = 0,827-1,2 (альфа - количество воздуха, необходимое для сжигания углеводорода, определяется из отношения количества кислорода к количеству углеводородного сырья) и взрывное парциальное окисление углеводородов в объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реактивного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке. При этом в качестве углеводородного сырья используется богатый газ коксовых производств, содержащий, в основном, окись углерода, метановую и этиленовую фракции. В цилиндры двигателя внутреннего сгорания подают смесь воздуха с указанным сырьем, а взрывному парциальному окислению предшествует принудительное воспламенение смеси. Удельная производительность процесса по углеводородному сырью составляет около 700 кг/м3 в час. В данном случае получение синтез-газа сочетается с выработкой электроэнергии. (Казарновский Я. С. , Деревянко И.Г., Снежинский И., Кобозев Н.И."Взрывная конверсия метана", М., Труды ГИАП, т.VIII, 1957, с.89-105).
Использование в указанном способе не природного газа, а продукта его переработки - богатого газа коксовых производств, привязывает производство синтез-газа к коксовым производствам.
Кроме того, при осуществлении способа с использованием необогащенного воздуха при альфа = 0,827-1,2 в продуктах процесса содержание СО2 в 1,5-2 раза больше, чем СО, содержание водорода не удовлетворяет требованию синтеза, а при альфа > 1 водород вообще отсутствует. Так, например, при работе на необогащенном воздухе при альфа = 0,827 отношение Н2/СО составляет 0,76 и ни в одном примере не достигает значения 2,0.
При осуществлении способа на воздухе, обогащенном кислородом, при альфа = 0,5-0,8 (содержание кислорода 29 и 50% соответствует указанным альфа) соотношение Н2/СО не соответствует требованиям каталитического синтеза (в ряде случаев меньше единицы). При альфа = 0,8 содержание СО2 равно содержанию СО.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения синтез-газа, включающий предварительное смешивание углеводородного сырья с воздухом до альфа = 0,5-0,8, активизацию процесса окисления сырья нагревом полученной смеси до температуры 200-450oС, подачу нагретой смеси в объем цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа при движении поршня к нижней мертвой точке, осуществление парциального окисления углеводородов при сжатии смеси в объеме цилиндра движением поршня к верхней мертвой точке до ее самовоспламенения и получения температуры 1300-2300oС на период 10-3 - 10-2 с, охлаждение продуктов процесса расширением их при движении поршня к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из цилиндра двигателя при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке, повторение цикла с частотой, превышающей 350 циклов в мин (патент N 2096313, "Способ получения синтез-газа", 1997). Данное изобретение решает задачу создания способа получения синтез-газа, пригодного для дальнейшей каталитической переработки. Использование описанного способа позволило получить синтез-газ в известных выпускаемых промышленностью двигателях внутреннего сгорания после их небольшой модификации. При этом последние работают по типу компрессионного двигателя, т. е. с воспламенением от сжатия при внешнем смесеобразовании.
Использование в способе в качестве сырья метана, этана и других газообразных углеводородов, получаемых, в частности, при выделении широкой фракции легких углеводородов из попутных нефтяных газов, позволяет улучшить экологическую обстановку в районах добычи и переработки нефти. При этом удельная производительность в предлагаемом способе в 2,5-3 раза выше, чем в аналоге и достигает 1400-2000 кг/м3 в час.
Однако активизация процесса окисления углеводородного сырья, включающая предварительный нагрев смеси до 200-450oС, создает условия поступления газа в рабочую емкость с достаточно низкой плотностью, вызывая тем самым ограничения повышения производительности способа.
Кроме того, достаточно высокая температура предварительного нагрева вызывает дополнительные энергетические затраты, а также способствует дополнительному износу трущихся деталей цилиндра, снижая тем самым ресурс двигателя.
Предлагаемое изобретение решает задачу дальнейшего повышения производительности.
Сущность изобретения заключается в том, что при получении синтез-газа осуществляют парциальное окисление смеси углеводородного сырья с воздухом при альфа = 0,5-0,8 (альфа - отношение количества кислорода к количеству углеводородного сырья), сжатие смеси поршнем в объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300-2300oС на период 10-3 - 10-2 с, активизацию процесса окисления подачей продуктов парциального окисления в количестве 10-20 об.% к исходному сырью, введенному в количестве 90-80 об.%, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке, повторение цикла с частотой, превышающей 350 циклов в минуту.
Новизна изобретения заключается в активизации процесса парциального окисления углеводородной смеси с воздухом введением в рабочий объем цилиндра двигателя продуктов парциального окисления в указанных выше соотношениях.
Здесь, как и в прототипе, при альфа, меньшем 0,5, происходит интенсивное сажеобразование, что ухудшает качество синтез-газа, а при альфа, большем 0,8, в отходящих газах содержание СО2 становится больше, чем СО, что также снижает качество синтез-газа.
Нижняя граница температуры проведения парциального окисления 1300oС выбрана из соображений обеспечения глубокого протекания парциального окисления углеводородного сырья.
Верхняя граница температуры проведения парциального окисления 2300oС выбрана во избежание сажеобразования при нижних значениях заявляемого альфа.
Частота цикла должна превышать 350 циклов в минуту, так как при более медленном сжатии воспламенения смеси не происходит.
При осуществлении парциального окисления при указанных температурах за период меньше 10-3 с требуется такое увеличение числа оборотов двигателя, при которых инерционные нагрузки возрастают выше допустимых по прочностным соображениям.
При осуществлении парциального окисления при указанных температурах за период больше 10-2 с снижается выход целевого продукта.
Приведенные значения концентрации продуктов парциального окисления, вводимых в реакционный объем для повторной переработки, обусловлен требованием повышения производительности.
При концентрации продуктов переработки меньше 10% при обеспечении альфа = 0,5-0,8 исходной смеси углеводородного сырья с воздухом не будет обеспечено достижение температуры самовоспламенения и нагрева рабочей смеси до требуемых температур, а при концентрации их, превышающей 20%, снижается производительность.
Способ осуществляют следующим образом.
1. Предварительно смешивают углеводородное сырье с воздухом до альфа = 0,5-0,8.
2. 90-80 об.% исходного сырья и 10-20 об.% продуктов парциального окисления подают в объем цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа при движении поршня к нижней мертвой точке.
3. Осуществляют химические реакции при сжатии смеси в объеме цилиндра движением поршня к верхней мертвой точке до ее самовоспламенения и получения температуры 1300-2300oС на период 10-3 - 10-2 с.
4. Охлаждают продукты процесса, расширяя их при движении поршня к нижней мертвой точке.
5. Выводят продукты процесса из цилиндра двигателя при движении поршня к верхней мертвой точке.
6. Цикл повторяют с частотой, превышающей 350 циклов в мин.
7. Используют кинетическую энергию механизма движения двигателя для получения энергии в генераторе, связанном с валом двигателя.
При попадании смеси углеводородного сырья с воздухом и продуктов переработки в рабочий объем и достижении при сжатии смеси условий протекания реакций:
СН4 + 0,5 О2 = СО + 2Н2,
СО + 0,5 О2 = СО2,
Н2 + 0,5 О2 = Н2О,
СН4 = с (сажа) + 2Н2 газ.
Эти реакции имеют энергии активации соответственно: 29,22; 23,18; 19,15; 50,38 кДж/м, тепловой эффект +35,71, +242, +283,2, -74,9 кДж (Билер И.В. и др. Метод импульсного сжатия и его применение в химической технологии. Обзорно-информационный материал. - М.: Институт нефтехимического синтеза им.А.В. Топчиева, 1997).
Из приведенных данных видно, что благодаря наличию в рабочей смеси водорода и окиси углерода происходят реакции со значительным выделением тепла уже на начальных этапах процесса и отпадает необходимость предварительного нагрева углеводородного сырья с воздухом до 200-450oС. Иными словами, используя более высокое цетановое число водорода по сравнению с метаном (различие в 10 раз), удается реализовать работу компрессионного двигателя, не прибегая к мерам начального нагрева.
Способ получения синтез-газа поясняется чертежом, на котором изображена схема установки.
Установка содержит основанный на двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа химический реактор сжатия, включающий цилиндр 1, представляющий собой замкнутый реакционный объем, в котором размещен поршень 2, впускной клапан 3 для подвода рабочей смеси, размещенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1, связанного трубопроводом со смесителем 4, выпускной клапан 5, расположенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1 для отвода продуктов процесса.
Поршень 2 цилиндра 1 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 6. С валом кривошипа 6 связан электродвигатель 7.
Установка имеет также систему подготовки рабочей смеси из углеводородного сырья с воздухом и продуктов переработки парциального окисления метана, включающую дозирующие и измерительные устройства.
Работа установки и осуществление способа происходят следующим образом.
В смеситель 4 подают углеводородное сырье и воздух в заданных соотношениях, а также продукт парциального окисления в концентрации, указанной выше. Полученную смесь через клапан 3 подают в цилиндр 1, в котором с помощью движения поршня 2 к верхней мертвой точке смесь сжимают до температуры ее самовоспламенения и получения температур 1300-2300oС и на период времени 10-3 - 10-2 с, при которых происходит окисление и термическое разложение рабочей смеси.
При движении поршня 2 в цилиндре к нижней мертвой точке происходит расширение продуктов процесса, охлаждение их и закалка, причем тепловая энергия этих продуктов превращается в механическую энергию механизма движения. При последующем движении поршня 2 к верхней мертвой точке продукты процесса выводят из цилиндра 1 через выпускной клапан 5. Подача в цилиндр 1 свежей рабочей смеси происходит при движении поршня 2 к нижней мертвой точке и открытии впускного клапана 3. Возвратно-поступательное движение поршня 2 в цилиндре 1 осуществляют с частотой не менее 350 циклов в мин.
Примеры осуществления способа получения синтез-газа приведены в таблице.
Способ осуществлен на установке, включающей модифицированный двигатель внутреннего сгорания компрессионного типа Г98 (6ГЧН36/45) с рабочим объемом 45 л, перерабатывающий углеводородное сырье.
Как видно из таблицы, производительность способа, реализованного по предлагаемому изобретению, достигает более высоких значений. Удельная производительность способа 2500 кг/м3 в час.
Кроме того, отсутствие предварительного нагрева позволяет исключить дополнительные энергетические затраты и повысить ресурс двигателя.
Формула изобретения: Способ получения синтез-газа, включающий парциальное окисление углеводородного сырья в смеси с воздухом, при отношении количества кислорода к количеству углеводородного сырья альфа = 0,5 - 0,8, в процессе сжатия смеси поршнем в объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300 - 2300oC на период 10-3 - 10-2 с, активизацию процесса окисления, расширение и охлаждение продуктов процесса при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке, вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема при движении поршня к верхней мертвой точке, введение новой порции рабочей смеси при движении поршня к нижней мертвой точке, повторение цикла с частотой, превышающей 350 циклов в минуту, отличающийся тем, что процесс парциального окисления углеводородной смеси с воздухом активизируют введением в рабочий объем цилиндра двигателя продуктов парциального окисления в количестве 10 - 20 об.% при 90 - 80 об.% исходной смеси.