Энергосберегающие технологии ацетилена из природного газа

Основной промышленный метод получения ацетилена – крекинг (разрыв связей -С-С- под действием высоких температур и в присутствии катализаторов) природного газа метана. Он наиболее обоснован экономически и технологически ввиду наличия легкодоступного и недорогого сырья. Осуществляется двумя путями: либо пропуском метана через раскаленные электроды (температура реакционного объема порядка 1600 градусов), с последующим быстрым охлаждением, либо с использованием тепла, образующегося при частичном сгорании ацетилена.

 

2.1. Производство ацетилена электрокрекингом.

(схема  представлена в приложении 1)

 

Сырьем для получения ацетилена по описываемой схеме служит метан.

Метан, разбавленный водородом под давлением 1,7 атм. ротационным компрессором подается через трубчатый подогреватель 1 в конвертор 2. В конверторе газ проходит через зону дугового разряда, температура которого достигает 1600°С (Схема №1). При этом протекает основная реакция:

2СН4 → С2Н2 + 3Н2— 92 ккал/г-молъ

Возможно, что процесс протекает сложнее по уравнениям:

2СН4 → С2Н4 + 2Н2 — 56 ккал/г-молъ,

2СН4 → С2Н6 + Н2 — 14 ккал/г-молъ,

С2Н4→ С2Н2 + Н2— 47,4 ккал/г-молъ,

С2Н6→ С2Н2 + 2Н2 - 78,8 ккал/г-молъ.

Побочной реакцией является

СН4 → С + 2Н2—21 ккал/г-молъ.

Реакционные газы из конвертора 2 проходят по трубе, охлаждаемой водяной рубашкой. Внутрь трубы впрыскивается вода для их усиленного охлаждения. Охлажденные реакционные газы проходят циклон 7, в котором осаждается часть образовавшейся сажи, небольшое количество смолообразных продуктов, получающихся в результате побочных реакций, и сконденсировавшаяся вода. Реакционные газы идут через холодильник 3, затем с температурой 40—50° через сажеуловитель 8 для отделения сажи и сконденсировавшейся воды, которые спускаются в сборник 9. Для окончательного отделения от сажи реакционные газы промываются в скруббере 4 маслом, поступающим на орошение скруббера из сборника 10. Очищенные реакционные газы сжимаются компрессором до 15 атм., проходят через буфер-маслоотделитель 11 и поступают в абсорбер 5, в котором ацетилен поглощается водой. Непоглощенные газы, состоящие в основном из водорода и непрореагировавшего метана, направляются в блок разделения газов. Часть водорода отделяется, а метан с частью водорода в отношении СН4: Н2 = 1 : 2 идет в виде циркуляционного газа в линию всасывания турбокомпрессора и, смешавшись со свежей порцией газа, поступает в систему. Вода с поглощенным ацетиленом дросселируется до атмосферного давления и подается в десорбер 6. Выделившийся сверху десорбера ацетилен направляется на сушку (на схеме не указана) и отправляется к потребителю. Горячая вода из куба десорбера охлаждается в холодильнике 12, собирается в сборнике 13 и центробежным насосом подается на орошение абсорбера 5.

 

Основные параметры производства

 

• Температура на входе газа в конвертор 800° С

 

• Температура в конверторе в зоне дугового разряда 1600° С

 

• Давление на входе в конвертор 1,7 атм.

 

• Температура газов на входе в циклон 150—200° С

 

• Соотношение СН4 : Н2 в поступающем в конвертор газе 1:2

 

• Выход ацетилена от исходной смеси 15%

 

• Давление газовой смеси перед абсорбером 15—18 атм.

 

• Температура в абсорбере 30—40° С

 

• Давление в десорбере атмосферное

 

• Температура в кубе десорбера 80°С

 

 

 

2. Производство ацетилена термическим крекингом

(схема представлена  в приложении 2)

 

Сырьем для производства ацетилена по описываемой схеме служит жидкий пропан, который испаряется в испарителе 1 и поступает в смеситель 25; в него же подается возвратный газ и водяной пар. Отношение объемов пропан: возвратный газ : пар=1: 2 : 6. Смесь указанного состава поступает в печь 16 на крекинг. Имея температуру 300°С на выходе из печи, газы крекинга проходят последовательно охладитель 3, смолоотделитель 4, теплообменник 5, охлаждаясь до 38°С, и ротационным вакуум-насосом направляются далее. Тепло, полученное крекинг-газом в вакуум-насосе, снимается холодильником 6. Сконденсировавшиеся смола и вода выпускаются из башенного смолоотделителя 7. Вода собирается в сборник 19 и подается на орошение в смолоотделитель 4. Крекинг-газ очищается от остатков смолы в электрофильтре 8 и поступает в газгольдер, который выравнивает работу печей (на схеме одна печь), так как крекинг-процесс в каждой печи протекает периодически (схема №2). Из газгольдера с помощью компрессора крекинг-газ сжимается до давления 10,5 атм., охлаждается в холодильнике 20, проходит смолоотделитель 9 и поступает на очистку. В абсорбере 21 происходит поглощение диацетилена диметилформ-амидом, при этом поглощается около 5% ацетилена, имеющегося в крекинг-газе. Диметилформамид, вытекающий из абсорбера, направляется на де- . сорбцию (на схеме не показано). Освобожденные от диацетилена крекинг-газы поступают в абсорбер ацетилена 22, в котором происходит поглощение диметилформамидом ацетилена, метилацетилена и некоторого количества других газов: этана, этилена, метана и пр. Газовый отход, содержащий углекислый газ, водород, азот, метан, этилен проходит очистку в водяном скруббере 11 и используется как топливо в печи 16. Насыщенный диметилформамид поступает в стабилизатор растворителя 14. Температура в нижней части стабилизатора с помощью кипятильника 15 поддерживается равной 87°С. В стабилизаторе отделяются почти все газы, кроме ацетилена, которые уходят через водяной скруббер 2. Диметилформамид, насыщенный ацетиленом, с частью оставшихся газов направляется в десорбер ацетилена 23. При температуре в нижней части десорбера, равной 120°С, ацетилен весь выделяется и через водяной скруббер 12 поступает в газгольдер. Из пего ацетилен, пройдя осушитель 13 с хлористым кальцием, подается компрессором потребителю. Диметилформамид, содержащий растворенный метилацетилен, из кипятильника 24 направляется в конечный десорбер (на схеме не показан) для извлечения метилацетилена, затем после соответствующей очистки диметилформамид снова возвращается в напорный бак 10.

Основные параметры процесса

 

• Давление пропана на входе в испаритель 1 8,8 атм.

 

• Соотношение объемов газов, поступающих

 

• в смеситель 25—пропан : возвратный газ : пар =1:2:6

 

• Давление в смесителе 37—40 мм рт. ст.

 

• Температура в центре печи 16 1100°С

 

• Давление в печи 15 мм рт. ст.

 

• Цикл работы печи 2 минуты: 1 мин. нагрев,

 

• 1 минута — крекинг

 

• Система проектируется и работает минимум

 

• с двумя печами

 

• Давление после вакуум-насоса 420 мм вод. ст.

 

• Температура после теплообменника 50°С

 

• Давление после компрессора 10,5 атм.

 

Состав газов крекинга пропана после печи 16

С2Н2-10,0; СН4-15,0; Н2-55,7; N2—5,2; СО-6,9; С2Н4—3,8;

С02—1,6, прочие—1,8 объемных процента.

 

 

3. Производство ацетилена термоокислительным пиролизом метана

(схема представлена в приложении 3)

 

Сущность термоокислительного пиролиза метана заключается в том, что тепло, необходимое для реакции превращения метана в ацетилен, получается за счет окисления (сжигания) части метана. Основными реакциями термоокислительного пиролиза метана являются:

СН4+0,5О2 ↔ СО+2Н2+6,1 ккал/г-моль,

2СН4 ↔  С2Н2+ЗН2—91,1 ккал/г-моль

Быстрый вывод реакционной смеси из зоны реакции и резкое понижение температуры — закалка — способствует прекращению распада ацетилена, повышая его выход. Существенным является соотношение между количествами метана и кислорода. Процесс получения ацетилена возможно осуществить в многоканальном реакторе (способ Заксе), состоящим из смесителя, диффузора и горел очной плиты с большим числом каналов. Скорость движения исходных компонентов 15—50 м/сек. Этот способ получил пока наибольшее распространение.

Одноканальные реакторы Гриненко имеют реакционную зону — капал—относительно малого диаметра. Скорость движения газов в зоне реакции равняется, 330—550 м/сек. Стабилизация пламени осуществляется путем подачи дополнительного кислорода через топочную камеру.

Концентрация ацетилена в газах пиролиза составляет 8—10%, поэтому для дальнейшей переработки его необходимо выделить из этих газов (см- схему № 3). По описываемой схеме производство ацетилена осуществляется в многоканальном реакторе, выделение ацетилена производится адсорбцией селективным растворителем—диметилформамидом. Сырьем является природный газ, содержащий 92—95% метана и 95—99% кислорода.

Кислород и природный газ очищаются в фильтрах 15 и 16 от окислов железа и других примесей, могущих вызвать воспламенение смеси до реакционной зоны, и поступают в подогреватели, вмонтированные в общую печь 13. Подогрев газов, идущих на реакцию, производится теплом, полученным от сжигания топливного газа. Во избежание перегрева природного газа и кислорода в топку подогревателей вводятся циркуляционные дымовые газы, часть которых сбрасывается для использования под котлами-утилизаторами. Циркуляция дымовых газов осуществляется газодувками, выдерживающими высокую температуру. Нагретые кислород и природный газ поступают в реактор 17. В его смесителе газы смешиваются, проходят диффузор, затем горелочную плиту, по каналам которой смесь газов направляется в реакционную зону. В зоне реакции происходит образование ацетилена и протекают побочные реакции, приведенные выше. Продукты реакции проходят через зону закалки, резко охлаждаясь водой, подаваемой форсунками под горелочную плиту. Вода из реактора, загрязненная смолой и сажей, поступает в отстойник 20, из которого центробежным насосом возвращается в реактор. Часть йоды откачивается на очистку. Охлажденный газ пиролиза из реактора уходит в скруббер 14 для очистки от сажи и смолы водой. Окончательная очистка от этих примесей производится в электрофильтре 1, смонтированном на скруббере.

Поступающий на разделение газ пиролиза нагнетается турбокомпрессором в абсорбер ацетилена 2, орошаемый диметилформамидом и конденсатом из сборника 21 и холодильника 22. Диметилформамид из абсорбера 2 дросселируется в десорбер 3, работающий при атмосферном давлении, сверху десорбера отбираются возвратные газы. Растворенный в диметилформамиде ацетилен выделяется и промывается в промывателе 4 и направляется в газгольдер потребителя. Диметилформамид, вытекающий из десорбера 5, с некоторым содержанием ацетилена центробежным насосом через теплообменник 25 подается в десорбер второй ступени 5, работающий под вакуумом. Вытекающий из него диметилформамид, не содержащий газов, через теплообменник 25 и холодильник 24 возвращается в сборник 21, из которого подается на орошение абсорбера 2. Высшие ацетилены из десорбера второй ступени 5 поступают в промыватель 12, орошаемый конденсатом из сборники 23. Промывные воды из промывателя стекают в десорбер 5. Пары высших ацетиленов через барометрический конденсатор 7 и лопушку 8 вакуум-насосом подаются в отделение пиролиза. Вода из барометрического конденсатора сбрасывается через барометрический стакан 18. Сверху из десорбера 5 ацетилен возвращается в десорбер 3. Диметилформамид, вытекающий из десорбера второй ступени 5, после теплообменника 25 частично откачивается в сборник 26, из которого поступает на дистилляцию. Затем он подогревается в подогревателе І0 и направляется в колонну 28. Отгоняющиеся инерты и пары воды через конденсатор 9 уходят из системы. Сконденсировавшийся диметилформамид стекает обратно в колонну. Из нижней части колонны, обогреваемой кипятильником 12, вытекает очищенный диметилформамид, который после охлаждения в холодильнике 27 перекачивается в сборник 21.

 

 

 

Основные параметры производства

 

• Температура природного газа и кислорода

 

• перед входом в реактор 500—600°С

 

• Соотношение между метаном и кислородом

 

• перед реактором (по объему) 1,6 - 2,0:1

 

• Давление газовой смеси перед реактором не более 0,4 атм.

 

• Температура реакционной зоны 1400 - 1500°С

 

• Состав газа после закалки в пересчете на сухой (в объемн. %):

 

 

С2Н2—8-9; С02—3-4; СО—24-26; Н2-54—56:

 

СН4—4-6; О2-0—0,4; прочих-1-7.

 

Температура газа на выходе из реактора около 80°С

 

Время пребывания смеси галоп в зоне реакции 0,003 — 0,01 сек.

 

Скорость газового потока в реакционном канале печи 15—50 м/сек

 

Давление и абсорбере 2 около 10 атм.

 

Расход на 1 т 100% ацетилена

 

метана (на синтез) 6000 нм3

 

кислорода (100%-ного) 3280— 3430 нм3

 

На 1 г ацетилена получается синтез-газа до 11000 нм

 

3. Энергосберегающие технологии ацетилена.

 

В современном мире необходимым условием сохранения жизни и развития цивилизации стало обеспечение человечества достаточным количеством энергии и топлива. Проблема ограниченных запасов природных топливно-энергетических ресурсов, к которым относятся невозобновляемые источники энергии (торф, уголь, нефть, природный газ), заставила мировое сообщество всерьез обратиться к разработке программ по энергосбережению. На данный момент энергосбережение стало основным и самым эффективным способом развития современной мировой энергетики.

В Российской Федерации начало формирования государственной политики в вопросах энергосберегающих технологий положило принятие в 1992 году постановления Правительства Российской Федерации «О неотложных мерах по энергосбережению в области добычи, производства, транспортировки и использования нефти, газа и нефтепродуктов» (№ 371 от 01.06.92 г.). В том же году Правительством РФ была одобрена «Концепция энергетической политики России», а в 1996 году вступил в силу Федеральный закон № 28–ФЗ «Об энергосбережении».

Энергосбережение — комплекс мер по реализации правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии (ГОСТ Р 51387–99 «Энергосбережение»).