Способ получения синтез-газа

Реферат

 

Использование: при переработке углеводородного сырья, в частности при получении синтез-газа из газообразного углеводородного сырья. Сущность: способ получения синтез-газа включает сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом при = 0,5 - 0,8 и окисление углеводородов при сжатии смеси поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, 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. В цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа подают предварительно подогретую до 200 - 450oC смесь углеводородного сырья с воздухом, а сжатие смеси осуществляют до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300 - 2300oC на период 10-2 - 10-3 с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин-1. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа из газообразного углеводородного сырья.

Известен способ получения синтез-газа из углеводородного сырья [1] включающий смешивание сырья с окислителем кислородом или кислородсодержащим газом или водяным паром, введение смеси в реакционную зону при температуре, которая не менее чем на 93oC ниже точки самовоспламенения смеси, со скоростью турбулентного потока, превышающей скорость проскока пламени, и конверсию смеси в присутствии монолитного катализатора.

Описанный способ требует создания каталитического реактора специальной конструкции и использования высокоселективного катализатора.

Известны также различные способы неполного окисления углеводородного сырья, например, метана для получения синтез-газа: CH4+ 0,5O2 CO + 2H2 Наиболее близким к предлагаемому является способ получения синтез-газа [2] включающий сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом, обогащенным кислородом, при 0,5 0,8, или необогащенным кислородом воздуха при a 0,827 1,2 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 реакционного 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/м3ч.

Получение синтез-газа сочетается с выработкой электроэнергии.

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 a 0,827 1,2 в продуктах процесса содержание CO2 в 1,5 2 раза больше, чем CO, содержание водорода не удовлетворяет требованию синтеза, а при a >1 водород вообще отсутствует. Так, например, при работе на необогащенном воздухе и a 0,827 отношение H2/CO составляет 0,76 и ни в одном примере не достигает значения 2,0, принятого для синтеза метанола.

При осуществлении способа на воздухе, обогащенном кислородом, при a 0,5 0,8 (содержание кислорода 50% и 29% соответственно указанным a) соотношение H2/CO не соответствует требованиям каталитического синтеза (в ряде случаев меньше единицы). При этом для a 0,8 содержание CO2 равно содержанию CO.

Изобретение решает задачу создания способа получения синтез-газа, пригодного для дальнейшей каталитической переработки.

Использование предлагаемого способа позволяет получить синтез-газ в известных выпускаемых промышленностью двигателях внутреннего сгорания. При этом последние работают по типу компрессионного двигателя, т.е. с воспламенением смеси воздуха и углеводородного сырья от сжатия при внешнем смесеобразовании.

Использование в способе в качестве сырья метана и этана, получаемых, в частности, при выделении широкой фракции легких углеводородов из попутных нефтяных газов, позволит улучшить экологическую обстановку в районах добычи и переработки нефти. При этом удельная производительность в предлагаемом способе в 2,5 3 раза выше, чем в известном способе [2] а объемные отношения H2/CO составляют 1,4 2. Это особенно важно, поскольку известно, что эффективность производства синтез-газа в значительной степени определяет экономичность производства синтетических моторных топлив [3] Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения синтез-газа, включающем сжигание смеси углеводородного сырья с воздухом и окисление углеводородов при сжатии смеси поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания, 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, в цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа подают предварительно подогретую до 220 450oC смесь углеводородного сырья с воздухом при a 0,5 0,8, а сжатие смеси осуществляют до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300 2300oC на период 10-2 10-3 с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин-1.

При подогреве смеси воздуха и углеводородного сырья до температуры ниже 200oC не произойдет самовоспламенения смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа. Выбор верхней границы подогрева смеси (450oC) обусловлен соображениями безопасности в связи с возможностью самовоспламенения смеси до реакционного объема.

При содержании воздуха в смеси с углеводородом с a <0,5 начинается сажеобразование, что ухудшает качество синтез-газа. При содержании воздуха при a >0,8 в отходящих газах содержание CO2 становится больше, чем CO, что также снижает качество синтез-газа [2] Нижняя граница температуры проведения парциального окисления 1300oC выбрана из соображений обеспечения глубокого протекания парциального окисления углеводородного сырья. Верхняя граница температуры проведения парциального окисления 2300oC выбрана во избежание сажеобразования при нижних значениях заявляемого a, а также обеспечения живучести выхлопных клапанов. Частота цикла должна превышать 350 мин-1, т.к. при медленном сжатии воспламенения смеси не происходит.

При осуществлении парциального окисления при указанных температурах за период >10-2 с снижается выход целевого продукта.

Осуществление парциального окисления при указанных температурах за период <10 с требует такого увеличения числа оборотов двигателя, при которых инерционные нагрузки возрастают выше допустимых по прочностным соображениям.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Предварительно смешивают углеводородное сырье с воздухом до 0,5 0,8.

2. Нагревают полученную смесь до температуры 200 450oC.

3. Подают нагретую смесь в объем цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа при движении поршня к нижней мертвой точке.

4. Осуществляют парциальное окисление углеводородов при сжатии смеси в объеме цилиндра движением поршня к верхней мертвой точке до ее самовоспламенения и получения температуры 1300 2300oC на период 10-2 10-3 с.

5. Охлаждают продукты процесса, расширяя их при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке.

6. Выводят продукты процесса, содержащие синтез-газ, из цилиндра двигателя при движении поршня к верхней мертвой точке.

7. Цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин-1.

8. Используют кинетическую энергию механизма движения в цилиндре двигателя для получения электроэнергии в генераторе, установленном на валу двигателя.

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, размещенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1, для подвода рабочей смеси окислителя и углеводородного сырья, связанный трубопроводом с реактором 4 подогрева указанной смеси, соединенным со смесителем 5 указанных продуктов процесса, выпускной клапан 6, расположенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1 для отвода продуктов процесса. Поршень 2 цилиндра 1 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 7. С валом кривошипа 7 соединен электродвигатель 8, либо привод другого вида в зависимости от степени автономности установки и условий ее эксплуатации. На том же валу двигателя внутреннего сгорания установлен электрогенератор 9.

Установка имеет также систему подготовки рабочей смеси из углеводородного сырья и воздуха, включающую дозирующие и измерительные устройства. Реактор 4 предварительного подогрева рабочей смеси включает подогреватель или рекуперативный теплообменник, или теплообменник, в который направляют продукт процесса из цилиндра 1 двигателя.

Работа установки и осуществление способа происходят следующим образом.

В смеситель 5 подают углеводородное сырье и воздух в указанных выше соотношениях. Полученную смесь подают в реактор 4 подогрева смеси до указанных выше температур и подогретую смесь через клапан 3 подают в цилиндр 1, в котором с помощью движения поршня 2 к верхней мертвой точке 8 смесь сжимают до температуры ее самовоспламенения и получения температур 1400 2600oC и на период времени 10-2 10-3 с, при которых происходит сжигание и термическое разложение рабочей смеси.

При движении поршня 2 в цилиндре 1 к нижней мертвой точке происходит расширение продуктов процесса, охлаждение их и закалка, причем тепловая энергия этих продуктов превращается в механическую энергию механизма движения, используемую при помощи электрогенератора 9. При последующем движении поршня 2 к верхней мертвой точке продукты процесса выводят из цилиндра 1 через выпускной клапан 6. 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 мин-1.

Примеры осуществления способа.

Примеры осуществления способа получения синтез-газа приведены в таблице. Способ осуществляют на установке, включающей модифицированный двухцилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания компрессионного типа Ч 8,5/11(1Р2-6), перерабатывающий углеводородное газовое сырье.

Как видно из таблицы, конверсия природного газа близка к 100% объемное отношение H2/CO находится в пределах 1,4 2, что вполне подходит для последующей каталитической переработки в топливо или метанол. Роль воды, всегда образующейся при окислении углеводородов, была проверена в дополнительных опытах при добавлении ее паров к исходной смеси. Таким путем можно увеличить отношение H2:CO до 2,2:1. Из таблицы видно также, что удельная производительность процесса по сырью составляет 1400 2000 кг/м3ч, что выше, чем в [2] в 2,5 3 раза.

Формула изобретения

Способ получения синтез-газа, включающий парциальное окисление смеси углеводородного сырья с воздухом путем сжатия ее поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания, 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 смеси углеводородного сырья с воздухом при движении поршня к нижней мертвой точке, отличающийся тем, что парциальное окисление смеси углеводородного сырья с воздухом ведут в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, при этом в цилиндры двигателя внутреннего сгорания подают предварительно подогретую до 200 450oС смесь углеводородного сырья с воздухом при коэффициенте избытка воздуха = 0,5 - 0,8, а сжатие смеси ведут до самовоспламенения и получения температуры 1300 2300oС на период 10-2 10-3 с, цикл повторяют с частотой, превышающей 350 мин-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2