用于制備乙炔和合成氣體的設備和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過在反應器中將烴部分氧化來制備乙炔和合成氣體的改進設備和改進方法，其中含烴料流和含氧料流被供送到該反應器。
【背景技術】
[0002]通常在由混合單元、燃燒器塊、燃燒空間和驟冷裝置構成的反應器中進行用于將烴部分氧化的高溫反應。在高溫范圍內進行這種部分氧化的一個示例是通過將烴部分氧化來制備乙炔和合成氣體。例如，這在DE 875198、DE 1051845、DE 1057094和DE 4422815進行了描述。
[0003]這些文獻闡述了通常用于BASF-Sachsse_Bartholom6乙炔法的混合器/燃燒器塊/燃燒空間/驟冷組合，在下文中，該組合被簡稱為“反應器”。
[0004]在該方法中，將原料如天然氣和氧氣分別加熱通常至高達600°C。在混合區(qū)中，使反應物強力混合，流經燃燒器塊，然后在燃燒空間中進行放熱反應。在這些情況下，燃燒器塊包括特定數量的平行通道，其中可燃性氧氣/天然氣混合物的流速高于火焰速度(反應速率、轉換速率)以防止火焰侵入混合空間。對金屬燃燒器塊進行冷卻以經受熱應力。根據在混合空間中的停留時間，由于所述混合物的有限熱穩(wěn)定性，產生過早引燃和再次引燃的風險。此處，術語“引燃延期時間”或“引發(fā)時間”用于指可燃混合物不經歷任何顯著內部熱變化的時間。引發(fā)時間取決于所用的烴類型、混合狀態(tài)、壓力和溫度。這決定反應物在混合空間內的最大停留時間。反應物如烴、液化氣或石油醚(由于合成方法中產率和/或能力的提高，其使用特別合乎需要)的特征在于相對高的反應性，并且因此具有短引發(fā)時間。
[0005]盡管通過這些設備實現(xiàn)的優(yōu)點，但仍然具有改進的潛能。例如，在Sachsse-Bartho 1 ome乙炔法中，重要的是反應物料流的完全混合。這種情況下，在已知設備中可能存在不希望的流體壓力浪涌。尤其是在高產出量時，這會限制工廠的生產力，這是因為產量的增加只能通過壓力增加來實現(xiàn)。另外，朝向混合最佳旋流式配流器的不對稱流動會導致混合裝置中的反應物濃度和質量流動密度分布不均，這會導致下游反應器的產量下降。

【發(fā)明內容】

[0006]因此，本發(fā)明的一個目的是給出一種設備和方法，該設備和方法至少基本減少上述的缺點，特別是避免旋流式配流器(Dra 1 lregister)下游的可能的分布不均。
[0007]本發(fā)明的基本構思是通過旋流式配流器的適當設計來避免旋流式配流器下游的可能的分布不均，該設計可以通過所謂的旋流數和用于產生旋流(渦流)的偏轉板的類型和排列來限定。旋流式配流器和混合裝置的橫截面的創(chuàng)造性設計能夠避免混合裝置中的不希望的流體壓力浪涌。這同樣可以通過旋流數和雷諾數的特征參數來規(guī)定。
[0008]用于通過利用氧(氧氣)將烴部分氧化來制備乙炔和合成氣體的創(chuàng)造性設備包括混合單元、混合段和混合擴散器。所述混合單元具有用于供應含烴料流的供送孔口、用于供應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應含烴料流的供送孔口之間。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應含氧料流的供送孔口和所述混合段之間。所述混合擴散器連接至所述混合段。
[0009]所述混合段可以基本是筒狀的。所述分配板可以構造成使得在圓周方向上看時所述分配板完全包圍所述混合段。所述旋流式配流器可以至少部分地布置在所述分配板內。所述分配板可以具有用于分配所述含烴料流的孔口。所述孔口可以以均勻分布的方式布置在所述分配板上。另選地，所述孔口可以以不均勻分布的方式布置在所述分配板中。所述分配板可以構造成使得所述孔口的橫截面面積的總和與所述分配板的表面面積的比值為0.1至0.4，優(yōu)選從0.2到0.3，甚至更優(yōu)選從0.2到0.25，例如0.225。用于供應含烴料流的供送孔口可以相對于所述混合段的中心軸線基本徑向地布置。用于供應含氧料流的供送孔口可以基本平行于所述混合段的中心軸線布置。所述混合段可以連接至具有長度和直徑的混合管，所述長度和直徑構造成使得在所述混合管中在通過利用氧將烴部分氧化來制備乙炔和合成氣體的設備的操作中所述含氧料流和所述含烴料流的混合物具有0.2馬赫(mach)到1馬赫、優(yōu)選0.3馬赫到0.9馬赫、甚至更優(yōu)選0.4馬赫到0.8馬赫、例如0.6馬赫的流動速率。所述旋流式配流器可以具有0.3到1，優(yōu)選0.5到0.7，甚至更優(yōu)選0.55到0.65，例如0.6的旋流數。換言之，流過旋流式配流器的流動具有這種旋流數的流動狀態(tài)。
[0010]根據本發(fā)明的用于通過利用氧將烴部分氧化來制備乙炔和合成氣體的方法包括混合單元、混合段和混合擴散器。通過供送孔口將含烴料流供送至所述混合段。通過供送孔口將含氧料流供送至所述混合段。將分配板布置在所述混合段和用于供送含烴料流的供送孔口之間。所述分配板具有孔口。所述旋流式配流器布置在用于供應含氧料流的供送孔口和所述混合段之間?；旌蠑U散器連接至所述混合段。
[0011]所述分配板可以構造成使得所述孔口的橫截面面積的總和與所述分配板的表面面積的比值為ο.1至0.4，優(yōu)選為從0.2到0.3，甚至更優(yōu)選為從0.2到0.25，例如0.225。可以相對于所述混合段的中心軸線基本徑向地供送含烴料流?？梢曰酒叫杏谒龌旌隙蔚闹行妮S線供送含氧料流。所述混合管可以具有長度和直徑，所述長度和直徑構造成這樣進行通過利用氧將烴部分氧化來制備乙炔和合成氣體的方法，即，使得所述含氧料流和所述含烴料流的混合物具有0.2馬赫到1馬赫，優(yōu)選0.3馬赫到0.9馬赫，甚至更優(yōu)選0.4馬赫到0.8馬赫，例如0.6馬赫的流動速率。所述旋流式配流器可以具有0.3到1，優(yōu)選0.5到0.7，甚至更優(yōu)選0.55到0.65，例如0.6的旋流數。
[0012]在本發(fā)明的情況下，反應器的混合單元應被理解為是指該反應器的、其中分開加熱的原料例如天然氣和氧氣被組合并開始混合的區(qū)域?；旌喜僮髟诨旌隙沃邪l(fā)生。
[0013]在本發(fā)明的情況下，混合管應被理解為是指一種管狀部件，在該管狀部件中被分開加熱并且已經組合的原料有力地混合。由于混合管中的原料具有0.2馬赫到1馬赫的高流動速率，所以它們被快速地分配或混合。
[0014]在本發(fā)明的情況下，混合擴散器應被理解為是指減慢氣體和/或液體流并使混合物和流動速率均勻的部件。在本發(fā)明的情況下，這是通過在流動介質的流動方向上增加流動橫截面實現(xiàn)的。
[0015]在本發(fā)明的情況下，分配板應被理解為是指用于在混合段上分配含烴料流的采取板的形式的部件。該分配板不需要是平坦的或平面的，而是可以例如為筒狀的。該分配板具有孔口。這些孔口構造成用來在混合段上分配含烴料流，因為含烴料流通過這些孔口進入混合段。由于這些孔口分布在板上，因此將含烴料流分配在混合段上。
[0016]在本發(fā)明的情況下，旋流式配流器應被理解為是指使含氧料流產生渦流以便形成旋流的部件。該旋流例如可以通過偏轉板產生，當含氧料流在這些偏轉板上經過時這些偏轉板使含氧料流偏轉。旋流的特征可能不僅在于它們的一般流動狀態(tài)、例如層流或湍流，而且更具體地在于旋流數。旋流數是流的軸向和旋轉動量的比值。在這種情況下，利用流的特征長度尺寸、例如由流分量限定的流邊界的外徑來給角動量加權。通過測量切向和軸向速率的速率曲線，可以因此確定旋流數。通常的情況是，相比于旋流的軸向速率，速率場的周向分量越大，旋流數越大。
[0017]在本發(fā)明的情況下使用的流狀態(tài)的另一個可能特征是雷諾數。雷諾數是一個無量綱特征。它是慣性力與粘性力的比。在管流的情況下，所使用的特征參數典型地為內部直徑、在橫截面上平均的速率的大小以及流體的粘性。平均化流速和內部直徑的乘積與粘性的比給出雷諾數。在約2300的臨界雷諾數以下，流為大體層流，高于該臨界雷諾數，流為大體湍流。
[0018]本發(fā)明的情況下，反應器的燃燒器塊應被理解為是指反應器的、被加熱和混合的原料流過的區(qū)域?；旌系脑显谕ǖ阑蚩字辛鲃?。
[0019]除非另有說明，在本發(fā)明的情況下，表述“通道”和“孔”同義地使用。在本發(fā)明的情況下，孔應被理解為是指部件中的圓形或非圓形的口。
[0020]在本發(fā)明的情況下，反應器的燃燒空間應被理解為是指反應器的、被加熱和混合的原料在流過燃燒器塊之后流入并進行發(fā)熱反應的區(qū)域。在本發(fā)明的情況下，由于所使用的原料是烴和氧，因此這種發(fā)熱反應主要形成乙炔。所形成的副產品是氫氣、一氧化碳以及少量程度的炭煙。
[0021]在本發(fā)明的情況下，橫截面面積應被理解為是指在橫截面中暴露的區(qū)域的表面面積。該橫截面面積相對于所指的橫截面面積的部件的中心線垂直地延伸。例如，孔口的橫截面面積是能夠在相對于通過孔口的中心的理論中心線成直角的橫截面的情況下發(fā)現(xiàn)的表面面積。
[0022]在本發(fā)明的情況下，規(guī)則圖案應被理解為是指以預定的對稱或均勻的順序的各種元件構成的圖案。換言之，這些元件相對于彼此以固定的空間距離重復地布置。
[0023]在本發(fā)明的情況下，表述“基本”應被理解為是指相對于精確程度的偏離不大于20°或20 %，優(yōu)選不大于15°或15 %。例如，相對于中心軸線基本徑向是指從精確的徑向方向偏離不大于20°、優(yōu)選不大于15°。類似地，例如，相對于中心軸線基本平行是指從精確平行偏離不大于20°、優(yōu)選不大于15°。在說明部件的形狀時，例如基本筒狀，“基本”是指該形狀從理想形狀偏離不大于20%，優(yōu)選不大于15%，該百分比與部件的表面相關。
【附圖說明】
[0024]從在附圖中示意性示出的如下優(yōu)選工作實施例的描述將清楚本發(fā)明的其他可選細節(jié)和特征。附圖示出了:
[0025]圖1是用于制備乙炔和合成氣體的設備的剖視圖；
[0026]圖2是處于理論展開狀態(tài)的分配板；以及
[0027]圖3示出用于模擬混合管的圓周上的局部速率與平均速率的比的模擬結果。
【具體實施方式】
[0028]圖1示出了通過利用氧將烴部分氧化來制備乙炔和合成氣體的本發(fā)明的設備的立體剖視圖。設備10包括混合單元12、混合段14和混合擴散器16?；旌蠁卧?2具有用于供應含烴料流如天然氣的供送孔口 18、用于供應含氧料流的供送孔口 20、旋流式配流器22和分配板24?；旌隙?4毗連旋流式配流器22。
[0029]混合段14連接至混合擴散器16?；旌隙?4基本為圓筒狀并且具有中心軸線26。用于供應含烴料流的供送孔口 18相對于混合段14的中心軸