Способ частичного окисления углеводородов и предназначенная для его осуществления горелка

Способ частичного окисления углеводородов и предназначенная для его осуществления горелка

Реферат

 

Изобретение относится к способу частичного окисления углеводородов и получения газообразных смесей, содержащих водород и моноксид углерода. Способ частичного окисления углеводородов заключается в том, что поток содержащего углеводород газа и поток, содержащий свободный кислород газа, подают в реакционную камеру. При его осуществлении предусмотрены следующие стадии: смешение первой части потока содержащего свободный кислород газа и ее взаимодействие с первым потоком газа, в котором содержатся газообразные продукты реакции, циркулирующие внутри реакционной камеры, смешение в реакционной камере второй части потока содержащего свободный кислород газа с потоком содержащего углеводороды газа с получением потока газа, содержащего углеводороды и свободный кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом, смешение потока газа, содержащего углеводороды и свободный кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом, и его взаимодействие со вторым потоком газа, в котором содержатся газообразные продукты реакции, циркулирующие внутри реакционной камеры, с получением потока газа, содержащего водород и моноксид углерода. Способ осуществляют в горелке. Изобретение позволяет повысить производительность процесса. 3 с. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к способу частичного окисления углеводородов и получения газообразных смесей, содержащих водород и моноксид углерода, таких как синтез-газ и топливный или восстанавливающий газ.

Настоящее изобретение, в частности, относится к способу частичного окисления, который включает следующие стадии: - подачу потока содержащего углеводород газа в реакционную камеру и - подачу потока содержащего свободный кислород газа в реакционную камеру.

В описании и формуле изобретения под "углеводородом" ("углеводородами") понимается легкий и/или тяжелый насыщенный и/или ненасыщенный углеводород или смеси углеводородов (например, С₁-С₆); под "потоком содержащего углеводород газа" понимается текучая среда, в которой содержатся газообразные углеводороды, такие как метан или природный газ, или поток газа, содержащего взвешенное в нем твердое горючее вещество (например, каменноугольную пыль или углеродную сажу), или поток газа, содержащего диспергированные в нем жидкие углеводороды (например, такие легкие или тяжелые углеводороды как нафта или нефтяное топливо).

В технике поток газа, в котором содержатся взвешенные в нем жидкие углеводороды, называют обычно "туманом", а газ, в котором содержатся диспергированные в нем твердые углеводороды, называют обычно "дымом".

В изобретении предлагается также горелка, предназначенная для осуществления указанного выше способа.

Как известно, в промышленности, в которой используются методы частичного окисления углеводородов, существует постоянно растущая необходимость в создании способа, позволяющего увеличить выход получаемых продуктов, простого с точки зрения его практического осуществления и более эффективного в отношении затрат и расхода энергии.

С учетом указанной выше потребности в последние годы были разработаны различные способы частичного окисления, в соответствии с которыми с целью значительного сокращения количества потребляемого кислорода и более эффективного получения водорода и моноксида углерода реакция окисления проводится при сравнительно низкой температуре, составляющей порядка 1300^oС.

В одном из таких способов, который описан, например, в ЕР-А 0276538, поток содержащего углеводород газа сначала смешивают с полученным заранее раствором, содержащим угольную сажу, и затем после испарения содержащейся в растворе воды смешивают при температуре 927-1316^oС с кислородом в реакционной камере, в которой в процессе горения получают водород и моноксид углерода.

Хотя такой известный способ и обеспечивает снижение расхода энергии, потребляемой в реакционной камере, а также позволяет уменьшить количество подаваемого в реакционную камеру кислорода, он тем не менее обладает целым рядом перечисленных ниже недостатков.

Основной недостаток этого способа связан с тем, что образующаяся в непосредственной близости от горелки угольная сажа при происходящем в реакционной камере пиролизе углеводородов вступает в контакт и смешивается с горячими газами, циркулирующими внутри камеры, до образования соответствующей смеси сажи с кислородом.

Такой способ получения сажи обладает существенными недостатками, которые заключаются в том, что для отделения полученной сажи от продуктов реакции и ее подачи обратно в реакционную камеру необходимо провести целый ряд операций, требующих больших затрат энергии, что, как очевидно, усложняет всю установку для осуществления такого способа и сопряжено со значительными капиталовложениями и высокими эксплуатационными расходами.

Кроме того, полученная внутри реакционной камеры угольная сажа даже при полной газификации всего количества полученной и возвращенной в реакционную камеру сажи снижает общий выход процесса частичного окисления и уменьшает количество водорода и моноксида углерода, которое можно получить на единицу сжигаемого в камере углеводорода.

С другой стороны, известны способы частичного окисления углеводородов при низких концентрациях угольной сажи, которые отличаются очень высокой температурой в реакционной камере (порядка 1400^oС), а следовательно, и высоким расходом кислорода и низкой скоростью конверсии, как описано, например, в ЕР-А 0276538, стр.2, строки 6-13.

Кроме того, установки, которые работают по таким способам, также обладают недостатками, заключающимися в относительной сложности их переналадки, неспособности работать в условиях больших изменений количества подаваемых в реакционную камеру реагентов и, как следствие этого, в возможных перебоях или в ускоренном образовании сажи.

С учетом всех этих ограничений практическая реализация известных способов частичного окисления углеводородов требует значительных капиталовложений, что существенно сказывается на стоимости получаемых на установках в качестве конечных продуктов водорода и моноксида углерода, потребность в которых в настоящее время постоянно растет. Кроме того, известные способы частичного окисления углеводородов не могут удовлетворительно решить проблему, связанную с жесткими требованиями в отношении полного сжигания углеводородов, образующихся в качестве отходов в нефтяной промышленности в процессе перегонки нефтепродуктов.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке усовершенствованного, имеющего высокий выход способа частичного окисления углеводородов, который обладал бы высокой производительностью и позволял бы получать большое количество водорода и моноксида углерода на единицу сжигаемого углеводорода и при этом одновременно позволял бы при низких температурах частичного окисления существенно снизить количество образующейся угольной сажи, обладал бы высокой эксплуатационной гибкостью в работе и был бы прост в осуществлении при низком потреблении энергии и низких эксплуатационных расходах.

В соответствии с настоящим изобретением эта задача решается с помощью предлагаемого в нем способа, который отличается от указанного выше способа тем, что дополнительно включает следующие стадии: - смешения первой части потока, содержащего свободный кислород газа, и ее взаимодействие с первым потоком газа, в котором содержатся газообразные продукты реакции, циркулирующие внутри реакционной камеры, - смешения второй части потока, содержащего свободный кислород газа, с потоком содержащего углеводороды газа в реакционной камере с получением потока газа, содержащего углеводороды и свободный кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом, - смешения потока газа, содержащего углеводороды и свободный кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом, и его взаимодействие со вторым потоком газа, в котором содержатся газообразные продукты реакции, циркулирующие внутри реакционной камеры, с получением потока газа, содержащего водород и моноксид углерода.

В описании и формуле изобретения под "потоком газа, содержащего газообразные продукты реакции", понимается поток циркулирующего в реакционной камере газа, в котором помимо продуктов неполного сгорания углеводородов, т. е. СО и Н₂, содержатся Н₂О, СО₂, следы углеводородов, H₂S, СО и возможно N₂ и Аr.

Преимуществом настоящего изобретения является возможность существенного увеличения по сравнению с известными способами количества водорода и моноксида углерода, получаемого на единицу сжигаемого углеводорода.

Фактически благодаря предлагаемому в настоящем изобретении смешению части потока содержащего свободный кислород газа с потоком содержащего углеводороды газа внутри реакционной камеры до того, как поток содержащего углеводороды газа войдет в контакт с горячими газами, циркулирующими внутри реакционной камеры, удается практически полностью или по крайней мере в значительной степени уменьшить количество угольной сажи, образующейся в процессе последующего сгорания углеводородов.

В этом случае влияние угольной сажи на конверсионный выход углеводородов в реакционной камере будет либо весьма и весьма незначительным, либо вообще нулевым, что, как очевидно, создает оптимальные условия для получения водорода и моноксида углерода.

Следует отметить, что при частичном окислении углеводородов предлагаемым в настоящем изобретении способом можно вообще избежать образования в реакционной камере угольной сажи, если в поступающем в реакционную камеру потоке газа содержатся газообразные углеводороды, или же свести его к минимуму при подаче в реакционную камеру потока газа, в котором содержатся жидкие и/или твердые углеводороды.

Такой результат достигается даже при относительно низких температурах (в пределах от 950 до 1300^oС), а следовательно, и при пониженном по сравнению с известными способами расходе кислорода и повышенном выходе процесса, протекающего в реакционной камере (т.е. повышенном количестве получаемых СО и Н₂).

В качестве примера можно привести процесс частичного окисления природного газа (в условиях полного отсутствия угольной пыли), когда количество потребляемого кислорода O₂ не превышает 210 молей на киломоль сухого природного газа, что резко отличается в меньшую сторону от количества кислорода, потребляемого при частичном окислении известными способами.

Иными словами, предлагаемый в изобретении способ исключает возможность смешивания части углеводородов, проходящих через реакционную камеру, в отсутствие кислорода непосредственно с нагретыми до высокой температуры (1000-1400^oС) циркулирующими внутри реакционной камеры газами, в результате которого происходит пиролиз углеводородов и образование угольной сажи. Наоборот, в соответствии с предлагаемым в изобретении способом внутри реакционной камеры углеводороды сначала соответствующим образом смешиваются со свободным кислородом и только потом вступают во взаимодействие с горячими газами, в процессе которого вместо пиролиза в реакционной камере протекает реакция сгорания предварительно смешанных по крайней мере частично друг с другом реагентов, сопровождающаяся получением водорода и моноксида углерода.

Предлагаемый в настоящем изобретении способ отличается простотой, экономичностью, может быть легко практически осуществлен, а также не требует большого потребления энергии и больших эксплуатационных расходов.

Следует отметить, что при сжигании газообразных углеводородов, таких как метан или природный газ, на установке, работающей по предлагаемому в изобретении способу, нет нужды иметь оборудование для отделения и рециркуляции угольной сажи, что, как очевидно, позволяет по сравнению с известными установками сократить капиталовложения и уменьшить потребление энергии.

Преимущество предлагаемого способа заключается в его высокой эксплуатационной гибкости в работе, а также в том, что он позволяет сохранить высокий конверсионный выход при изменении условий работы в широком диапазоне.

Предлагаемый в изобретении способ может, в частности, в отличие от известных способов, обеспечить эффективную работу установки при изменении в широких пределах количества подаваемых в камеру газов (отношение минимального расхода к максимальному может меняться от 0,2 до 1).

В наиболее предпочтительном варианте изобретения в предлагаемом в нем способе подача в реакционную камеру потока содержащего углеводороды газа и потока содержащего свободный кислород газа осуществляется в виде двух отдельных по существу кольцевых струй с совпадающими друг с другом осями.

В этом случае смешение углеводородов со свободным кислородом происходит внутри реакционной камеры наиболее эффективно и быстро.

Кроме того, было установлено, что для более эффективного перемешивания поток содержащего углеводороды газа целесообразно подавать в реакционную камеру в виде внешней струи и предпочтительно с более высокой скоростью, чем скорость потока содержащего свободный кислород газа.

Та часть потока содержащего свободный кислород газа, которая смешивается внутри реакционной камеры с потоком содержащего углеводороды газа до взаимодействия свободного кислорода с циркулирующими внутри камеры газообразными продуктами реакции и которая в предлагаемом в изобретении способе называется второй частью, в предпочтительном варианте должна составлять от 10 до 90%, более предпочтительно от 50 до 70%, от всего потока содержащего свободный кислород газа.

При этом скорость потока содержащего углеводороды газа, подаваемого в реакционную камеру, должна лежать в диапазоне от 30 до 300 м/с, предпочтительно от 60 до 180 м/с, а скорость потока содержащего свободный кислород газа, подаваемого в реакционную камеру, должна лежать в диапазоне от 10 до 100 м/с, предпочтительно от 20 до 60 м/с.

В этом предпочтительном варианте предлагаемый в изобретении способ включает также: - пропускание потока содержащего свободный кислород газа через первый по существу цилиндрический канал заданной длины, выполненный в горелке, которая проходит внутрь реакционной камеры, - пропускание потока содержащего углеводороды газа через по существу кольцевое свободное пространство, образованное между первым каналом и вторым внешним по отношению к первому каналом, ось которого совпадает с осью первого канала, причем второй канал имеет большую чем первый длину, и образование внутри реакционной камеры между концами второго и первого каналов зоны перемешивания, в которой поток содержащего углеводороды газа смешивается с потоком содержащего свободный кислород газа, - подачу потока содержащего углеводороды газа из по существу кольцевого свободного пространства в ту область зоны перемешивания, которая расположена рядом с внутренней стенкой второго канала, - расширение и направление потока содержащего свободный кислород газа, вытекающего из первого канала, к внутренней стенке второго канала в зоне перемешивания, в результате чего в центральной зоне реакционной камеры происходит смешение и взаимодействие первой части потока содержащего свободный кислород газа с первой частью потока циркулирующих в центральной зоне реакционной камеры газообразных продуктов реакции, а вторая часть потока содержащего свободный кислород газа после ее смешения с потоком содержащего углеводороды газа образует поток газа, содержащего углеводороды и свободный кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом.

Такой способ обеспечивает необходимое предварительное смешение углеводорода и свободного кислорода на входе в реакционную камеру наиболее эффективным и надежным путем и одновременно позволяет на этой стадии избежать любого контакта углеводородов с циркулирующими в реакционной камере газообразными продуктами реакции.

Кроме того, при осуществлении способа также предпочтительно предусмотреть следующие стадии: - пропускания потока содержащего свободный кислород газа через первый по существу цилиндрический канал заданной длины, выполненный в горелке, которая проходит внутрь реакционной камеры, - пропускания потока содержащего углеводороды газа через по существу кольцевое свободное пространство, образованное между первым каналом и вторым внешним по отношению к первому каналом, ось которого совпадает с осью первого канала, - пропускания потока, содержащего водяной пар и/или инертные газы, через по существу кольцевое свободное пространство, образованное между вторым каналом и третьим внешним каналом, ось которого совпадает с осью второго канала, - подачи потока содержащего водяной пар и/или инертные газы в реакционную камеру в виде по существу кольцевой струи, внутри которой в зоне перемешивания проходит поток содержащего углеводороды газа и поток содержащего свободный кислород газа, - направления потока содержащего углеводороды газа из по существу кольцевого свободного пространства в область зоны перемешивания, расположенную рядом с по существу кольцевой струей потока газа, содержащего водяной пар и/или инертные газы, - расширения и направления в зоне перемешивания потока содержащего свободный кислород газа, вытекающего из первого канала, в направлении по существу кольцевой струи потока газа, содержащего водяной пар и/или инертные газы, в результате чего первая часть потока содержащего свободный кислород газа смешивается и вступает во взаимодействие с первым циркулирующим внутри реакционной камеры потоком содержащего газообразные продукты реакции газа в центральной зоне реакционной камеры, а вторая часть потока содержащего свободный кислород газа смешивается с потоком содержащего углеводороды газа с образованием потока газа, в котором содержатся углеводороды и кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом.

В предпочтительном варианте такое предварительное смешение происходит на участке внутренней стенки канала, по которому в реакционную камеру подается поток содержащего углеводороды газа и который проходит от конца этого канала до конца канала, по которому в камеру подается поток содержащего свободный кислород газа.

На практике часть потока содержащего свободный кислород газа целесообразно подавать в поток содержащего углеводороды газа и обеспечить необходимое перемешивание углеводородов со свободным кислородом в очень небольшом по размерам пространстве для того, чтобы в случае газообразных углеводородов полностью исключить, а в случае жидких и/или твердых углеводородов значительно уменьшить образование угольной сажи во время последующего смешивания этих газов с горячими газами, циркулирующими в реакционной камере.

С целью ускорить процесс расширения потока содержащего свободный кислород газа и его движение в направлении внутренней стенки второго канала в зоне перемешивания этот поток газа предпочтительно направлять таким образом, чтобы траектория его движения в канале имела винтовую или спиральную форму.

При этом вторая часть потока содержащего кислород газа вступает в контакт с потоком содержащего углеводороды газа на выходе наружу из первого канала.

В соответствии с другим вариантом изобретения предлагается горелка для использования в процессе частичного окисления углеводородов, которая имеет: - первую по существу цилиндрическую трубу определенной длины, которая образует внутри круглый канал, по которому поток содержащего свободный кислород газа подается в расположенную за горелкой реакционную камеру, - вторую трубу, внутри которой проходит первая труба, расположенная с ней на одной оси, и длина которой больше длины первой трубы и которая образует между своей стенкой и стенкой первой трубы по существу кольцевое свободное пространство, через которое в реакционную камеру подается поток содержащего углеводороды газа, и отличается наличием - зоны перемешивания, которая расположена между соответствующими концами первой и второй труб и в которой поток содержащего углеводороды газа смешивается с потоком содержащего свободный кислород газа, - устройства для направления потока содержащего углеводороды газа из по существу кольцевого свободного пространства в ту часть зоны перемешивания, которая расположена у внутренней стенки второй трубы, - устройства для расширения потока содержащего свободный кислород газа, вытекающего из первой трубы в сторону внутренней стенки второй трубы, и его направления в зону перемешивания, в результате чего первая часть потока содержащего свободный кислород газа смешивается и вступает во взаимодействие с первым потоком, содержащим газообразные продукты реакции, циркулирующие внутри реакционной камеры, в центральной зоне камеры, а вторая часть потока содержащего свободный кислород газа смешивается с потоком содержащего углеводороды газа и образует вместе с ним поток газа, содержащего углеводороды и свободный кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения горелка для частичного окисления углеводородов отличается также наличием третьей трубы, которая охватывает снаружи расположенную с ней на одной оси вторую трубу и образует вместе со второй трубой расположенное между ними и внутри третьей трубы по существу кольцевое свободное пространство, из которого в реакционную камеру подается поток газа, содержащего водяной пар и/или инертные газы, и устройства для расширения потока содержащего свободный кислород газа, вытекающего из первой трубы, и его направления в сторону потока содержащего углеводороды газа, вытекающего из второй трубы, в результате чего первая часть потока содержащего свободный кислород газа смешивается и вступает во взаимодействие с первым потоком, содержащим газообразные продукты реакции, циркулирующие внутри реакционной камеры, в центральной зоне камеры, а вторая часть потока содержащего свободный кислород газа смешивается с потоком содержащего углеводороды газа и образует вместе с ним поток газа, содержащего и углеводороды, и свободный кислород, которые по крайней мере частично смешаны друг с другом.

Предпочтительно устройство для направления потока содержащего углеводороды газа выполнить в виде кольцевого отверстия, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения кольцевого свободного пространства и которое расположено в плоскости конца первой трубы между свободным кольцевым пространством и зоной перемешивания.

Предпочтительно также устройство для расширения и направления потока содержащего свободный кислород газа выполнить в виде расположенного у конца первой трубы ее участка, который расширяется наружу в направлении внутренней стенки второй трубы и образует на конце отверстие для выхода газа, диаметр которого больше диаметра внутреннего отверстия остальной части первой трубы.

При этом целесообразно, чтобы диаметр отверстия для выхода газа в 1,25-10 раз, предпочтительно в 2-4 раза, превышал диаметр расположенного перед расширяющим поток газа участком отверстия первой трубы.

Предпочтительно расширяющийся участок первой трубы выполнить скругленным.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения горелки расширяющийся участок проходит непрерывно от внутренней стенки первой трубы до ее наружной стенки с постоянным углом наклона между цилиндрическим концом внутренней стенки и концом наружной стенки или с переменным углом наклона, который плавно меняется от 0^o у цилиндрического конца внутренней стенки до почти 90^o на конце наружной стенки.

При этом угол наклона расширяющегося участка целесообразно выбрать в диапазоне от 30 до 90^o, предпочтительно от 45 до 80^o.

Предпочтительно длину расположенной в зоне перемешивания внутренней стенки второй трубы принять в 5-15 раз больше радиальной протяженности кольцевого отверстия, расположенного между первой и второй трубами.

Желательно расположенной в зоне перемешивания внутренней стенке второй трубы придать форму усеченного конуса, диаметр которого увеличивался бы к концу стенки.

Целесообразно угол наклона расположенной в зоне перемешивания внутренней стенки второй трубы к продольной оси трубы выбрать в диапазоне от 0 до 60^o, предпочтительно от 10 до 30^o.

Горелка в соответствии с изобретением может иметь дополнительную трубу, которая расположена внутри первой трубы на одной оси с ней и имеет меньшую, чем первая труба длину, и ее внутреннее отверстие образует канал для подачи в реакционную камеру в виде чисто осевого потока части потока содержащего свободный кислород газа.

Предложенную горелку предпочтительно выполнить с возможностью подачи через ее внутреннюю трубу в реакционную камеру газогенератора, содержащего топливо потока для подогрева реакционной камеры.

Другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на не ограничивающем объем изобретения примере одного из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа и нескольких вариантов выполнения горелки со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг.1 - продольный разрез модели, на котором схематично показаны направления движения реагентов и образовавшихся в процессе реакции газов в гипотетическом газогенераторе, в котором происходит частичное окисление углеводородов по предпочтительному варианту предлагаемого в изобретении способа, на фиг.2 - схема установки, на которой осуществляется предлагаемый в изобретении способ частичного окисления газообразных углеводородов, на фиг.3 - продольный разрез деталей горелки, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения, на фиг.4 - продольный разрез деталей горелки, выполненной по другому варианту.

Основной принцип и процессы, происходящие при частичном окислении углеводородов, поясняются со ссылкой на фиг.1, на которой схематично изображены направления различных потоков газа в гипотетическом газогенераторе, в основе работы которого лежит способ, соответствующий предпочтительному варианту настоящего изобретения.

На фиг.1 схематично показан конец, выступающий в реакционную камеру, обозначенную на чертеже позицией 2, гипотетического газогенератора горелки 1, расположенной в центральной зоне 2А камеры 2.

Поток 3 содержащего свободный кислород газа и поток 4 содержащего углеводороды газа подаются в зону 2А реакционной камеры из горелки 1 по соответствующим трубам 5 и 6.

В данном случае потоки 3 и 4 газа подаются в реакционную камеру 2 в виде кольцевых струй, при этом направление движения потока 3 газа в трубе 5 имеет форму спирали, показанной на чертеже в виде спиральной стрелки 3А, а поток 4 протекает по кольцевому свободному пространству 7, расположенному между трубами 5 и 6.

При подаче газообразных реагентов в реакционную камеру 2 в виде кольцевых струй желательно, чтобы поток газа, содержащего продукты реакции (т.е. водород и моноксид углерода), образовавшиеся при сгорании углеводородов, разделялся на два потока 8А и 8В, циркулирующих в центральной зоне 2А и в периферийной зоне 2В реакционной камеры 2 соответственно.

Поскольку содержащие газообразные продукты реакции потоки 8А и 8В имеют высокую температуру, которая обычно превышает 1000^oС, то их взаимодействие или перемешивание с газообразными реагентами сопровождается мгновенным воспламенением последних и образованием пламени в потоке 3 содержащего свободный кислород газа и пиролизом углеводородов, которые присутствуют в потоке 4 содержащего углеводороды газа.

Во избежание пиролиза углеводородов, который является причиной образования угольной сажи в реакционной камере 2, предлагаемый в настоящем изобретении способ включает стадию смешения, по крайней мере частично, углеводородов со свободным кислородом до их смешивания с горячими газообразными продуктами реакции, циркулирующими в реакционной камере 2.

С этой целью труба 6 выполняется длиннее трубы 5 и имеет напоминающий по форме усеченный конус конец 6А, который входит в реакционную камеру 2.

Внутри этого конца 6А, в частности у внутренней стенки трубы 6, расположена зона перемешивания, в которой поток 4 содержащего углеводороды газа смешивается с потоком 3 содержащего свободный кислород газа и в которой не возникает возмущений от действия потока образующихся в реакционной камере газов, в частности, от действия потока 8В.

Для более интенсивного перемешивания углеводородов со свободным кислородом на конце трубы 5 выполнен расширяющийся конус 5А.

В такой конструкции только после по крайней мере частичного перемешивания углеводородов и свободного кислорода и образования содержащего углеводороды и свободный кислород потока газа, обозначенного на чертеже позицией 9, смешанные друг с другом углеводороды и свободный кислород смешиваются с потоком 8В и вступают в реакцию, сопровождающуюся получением водорода и моноксида углерода.

Такой способ подачи реагентов в реакционную камеру (в виде кольцевых струй), когда свободный кислород попадает в струю углеводородов, при циркуляции в центральной зоне реакционной камеры части образовавшихся в ней в процессе реакции газов создает оптимальные условия для смешивания определенной части свободного кислорода и его последующего взаимодействия с газообразными продуктами реакции, циркулирующими в центральной зоне 2А реакционной камеры 2, следствием чего является устойчивый характер пламени, которое образуется в центре камеры 2 рядом с зоной подачи в нее потока содержащего свободный кислород газа.

Кроме того, при расположении трубы, по которой в реакционную камеру подается кислород, внутри трубы, по которой в камеру подаются углеводороды, конец 6А наружной трубы 6 горелки 1 можно использовать для перемешивания реагентов и для защиты углеводородов от воздействия горячих газов, циркулирующих в периферийной зоне 2В реакционной камеры, и от воздействия пламени, которое распространяется наружу из центральной зоны горелки 1.

С целью лучше охарактеризовать все отличительные особенности предлагаемого способа частичного окисления необходимо подчеркнуть, что этот способ принципиально отличается от известных в настоящее время способов перемешивания или диффузии.

Обычное смешение (или перемешивание) представляет собой процесс, при котором поток содержащего углеводороды газа и поток содержащего свободный кислород газа смешиваются друг с другом обычно в горелке до их подачи в реакционную камеру.

При таком смешении газы перемешиваются друг с другом либо полностью, когда в итоге получают поток газов с равномерными концентрациями кислорода и углеводорода, либо частично, когда распределение концентраций в поступающем в камеру сгорания потоке носит неравномерный характер и зависит от способа и продолжительности смешения. Процесс смешения такого типа описан, например, в ЕР-А 0098043.

Хотя теоретически смешение газов должно в любом случае эффективно снижать количество образующейся угольной сажи, тем не менее на практике такой способ не нашел применения из-за возможных опасных последствий, причина которых лежит в самой природе такого процесса смешения.

Фактически при работе газогенератора скрытая опасность возникновения в горелке обратной вспышки, т.е. возможность начала реакции окисления в каналах горелки, существует всегда и служит причиной преждевременного выхода горелки из строя. Такое явление практически нельзя контролировать из-за высокой воспламеняемости углеводородно-кислородной смеси, высоких рабочих температур и возможных изменений расхода реагентов.

Диффузия представляет собой процесс, при котором поток содержащего углеводороды газа и поток содержащего свободный кислород газа подаются раздельно в реакционную камеру, в которой они одновременно смешиваются друг с другом и с газообразными продуктами реакции, циркулирующими в камере. Такой процесс описан, например, в упомянутом ЕР-А 0276538.

Недостатки такого обычного способа, которые были рассмотрены выше при анализе существующего уровня техники, проявляются, в частности, в интенсивном образовании угольной сажи, которая образуется в результате взаимодействия внутри реакционной камеры имеющих высокую температуру циркулирующих в ней газов с подаваемыми в камеру углеводородами, которые до этого не были соответствующим образом смешаны со свободным кислородом.

Предлагаемый в настоящем изобретении способ, при котором до взаимодействия углеводородов с образующимися в реакционной камере в результате реакции окисления газами внутри камеры осуществляется предварительное смешение потока содержащего углеводороды газа с потоком содержащего свободный кислород газа, противоречит существующим утверждениям, в соответствии с которыми реагенты должны быть смешаны друг с другом до их попадания в реакционную камеру либо после попадания в реакционную камеру при их одновременном смешивании с образовавшимися в камере в результате реакции газами.

Следует подчеркнуть, что только на основе проведенных при создании настоящего изобретения исследований удалось разработать предлагаемый в настоящем изобретении способ частичного окисления углеводородов, отличающийся высоким конверсионным выходом и не сопровождающийся образованием угольной сажи (или резко снижающий количество образующейся угольной сажи).

По существу можно утверждать, что предлагаемый в изобретении способ является определенным сочетанием упомянутых выше способов, но при этом лишен присущих им недостатков и обеспечивает при тех же рабочих условиях существенно более высокий выход реакции получения водорода и моноксида углерода.

На фиг.2 показана установка 10, на которой осуществляется предлагаемый в настоящем изобретении способ частичного окисления углеводородов.

В предпочтительном варианте эта установка 10 содержит два подогревателя 11 и 12, предназначенные соответственно для подогрева потока содержащего углеводороды газа и потока содержащего свободный кислород газа, газогенератор 13, в котором происходит частичное окисление углеводородов, и котел 24, предназначенный для использования тепловой энергии потока полученных в газогенераторе газов, содержащих водород и моноксид углерода.

Подогреватели 11 и 12 и котел 24 имеют обычную конструкцию и поэтому не требуют подробного описания.

Газогенератор 13 имеет горловину 14 и корпус 15, который изнутри выложен обычным и поэтому на чертеже не показанным, выдерживающим высокие температуры огнеупорным материалом, предназначенным для защиты внутренних стенок корпуса.

Внутри корпуса 15 имеется реакционная камера 16, в которой происходит процесс горения углеводородов и кислорода.

В горловине 14 расположена горелка 17, открытый конец которой сообщается с реакционной камерой 16.

Поток содержащего углеводороды газа подается в газогенератор 13 по трубопроводу 18, который проходит предварительно через подогреватель 12.

Аналогичным образом и поток содержащего свободный кислород газа подается в газогенератор 13 по трубопроводу 19 после прохождения через подогреватель 11.

В примере, показанном на фиг.1, в потоке содержащего углеводороды газа содержатся по существу газообразные углеводороды, такие как природный газ или метан и их смеси, в качестве носителя которых используется водяной пар или инертные газы.

Кроме того, в потоке содержащего углеводороды газа могут присутствовать в определенном количестве газы, полученные на различных промышленных установках, например газы из контура синтеза установки для получения аммиака.

В другом случае поток содержащего углеводороды газа может состоять из газа-носителя, такого как инертный газ или водяной пар, в котором содержатся диспергированные или взвешенные мелкие частицы жидкого или твердого топлива.

Под "мелкими частицами" подразумеваются капли жидкости или твердые частицы, средний размер которых лежит в пределах от 0,1 до 1 мм.