Способ получения ацетилена путем частичного окисления углеводородов - RU2417975C2

Описание

Настоящее изобретение касается способа получения ацетилена из углеводородов путем частичного окисления, крекинга в электрической дуге, крекинга в плазме или путем пиролиза углеводородов или угля.

Промышленным способом ацетилен получают, в частности, по технологии, разработанной фирмой БАСФ, которая основана на частичном окислении углеводородов кислородом. Подробно это описано в энциклопедии "Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry", Sixth Edition, 2000, Electronic Release, Chapter 4.2.1.

Оба потока исходных веществ - поток вещества, содержащий углеводород (обычно, как правило, насыщенные, легкоиспаряемые углеводороды, алканы, имеющие длину цепи самое большое до С₁₀, предпочтительно природный газ), с одной стороны, а также поток вещества, содержащий кислород, с другой стороны, - сначала нагревают приблизительно до температуры от 200°С до 650°С. Температура предварительного нагрева зависит от используемого углеводорода. Нагревание осуществляется обычно до величины порядка температуры воспламенения углеводорода. При использовании природного газа температура предварительного нагрева находится обычно в диапазоне приблизительно от 500°С до 650°С. Затем оба потока вещества смешиваются и только после этого подвергаются взаимодействию в топочном пространстве в пламени, которое стабилизируется так называемым блоком горелок.

Предварительный нагрев и предварительное смешивание в сочетании с последующей реакцией в пламени составляют основную идею процесса, разработанного фирмой БАСФ, который касается частичного окисления углеводородов с помощью кислорода для получения ацетилена. С помощью такого ведения процесса скорость реакции окисления углеводородов не зависит от скорости смешения потоков веществ. Таким способом можно уменьшить время обработки в зоне реакции до получения значений, которые являются существенно меньшими, чем время полураспада термодинамически нестабильного ацетилена. Соответствующим образом, благодаря использованию этого процесса можно существенно повысить выход ацетилена.

Предварительное смешивание должно происходить быстро, при этом следует избегать возникновения рециркуляции, потому что иначе произойдет самовоспламенение смеси, вызванное слишком высоким предварительным нагревом. В таком случае пламя будет гореть не в топочном пространстве, а в зоне предварительного смешивания, и его надо будет тушить, для чего вводят азот, а подачу кислорода в реактор прерывают. Газ, который продолжает поступать через реактор вплоть до нового зажигания пламени и в соответствии со спецификаций после зажигания, сжигается в факелах.

Реакция в пламени, которая протекает при температурах приблизительно свыше 1500°С, подавляется путем подачи через насадки воды или масла с интервалом в несколько миллисекунд, т.е. при очень быстром охлаждении, например до температуры, равной 90°С или 220°С, происходит обрыв радикальной цепной реакции в пламени. В результате этого предотвращается расщепление термодинамически нестабильного промежуточного продукта ацетилена. После очень длительного времени воздействия (приблизительно более 1 секунды) дальнейшее получение ацетилена практически было бы невозможным. Продуктом реакции является так называемый крекинг-газ, который представляет собой смесь из ацетилена, неочищенного синтез-газа (в основном - это H₂ и СО), водяного пара и побочных продуктов, в частности сажи, а также высших углеводородов.

Улучшение процесса за счет использования воды для быстрого охлаждения описано в описании изобретения к патенту США US 5,824,834, где описан способ, который функционирует с замкнутым рециклом воды. Вследствие этого предотвращается контакт технологической воды, нагруженной вредными веществами, с атмосферой.

После этого полученный крекинг-газ сжимается, а затем известным способом разделяется. В принципе, для давления на входе в зону компрессии имеется допустимый рабочий диапазон, который, например, устанавливают с помощью конструктивного исполнения аппаратов или путем использования концепции безопасности. Если давление всасывания уходит из допустимого диапазона, то электрические схемы соединений отключаются. Таким образом, например, в технологическом процессе БАСФ по причине соблюдения техники безопасности происходит регулирование давления всасывания в диапазоне, который постоянно больше, чем давление окружающей среды, а компрессоры отключаются, если давление становится слишком низким. Аналогичным образом, происходит отключение одного или нескольких реакторов в случае слишком высокого давления всасывания.

Для компенсации небольших колебаний в потоке массы смеси реакционного газа может использоваться обычное регулирующее устройство, например пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), имеющий медленную регулировочную характеристику, чтобы удерживать давление всасывания на постоянном уровне. Медленная регулировочная характеристика является предпочтительной, для того чтобы при нормальной эксплуатации избежать возникновения неустойчивости режима регулирования, который может негативно влиять на последующие стадии процесса.

Из-за выхода из строя реактора, обусловленного, например, преждевременным воспламенением или выходом из строя компрессора, имеют место скачкообразные массивные изменения массового потока смеси реакционного газа. Они не могут быть отрегулированы с помощью обычного регулирующего устройства, имеющего медленную регулировочную характеристику, так что значение давления всасывания выходит за пределы допустимого диапазона, что опять же ведет к отключению других узлов установки, а в самом худшем случае даже к прекращению работы всей установки в целом.

Описанная выше проблема, встречается, в частности, в современных установках для получения ацетилена, у которых объем аппаратов, которые могли бы буферировать изменения нагрузок, четко уменьшен, потому что более не предусмотрены, в частности, электрофильтры для улавливания сажи, в то время как эта задача так, как она раскрыта в описании американской заявки на патент US 60/775,158, передана компрессору, и поскольку необходимо было обязательно избежать финансовых вложений, связанных с приобретением газометра.

Поэтому задача изобретения состояла в обеспечении непрерывной эксплуатации установки для получения ацетилена также и в случае высоких перерабатываемых массовых потоков. В частности, должна быть обеспечена непрерывная эксплуатация также и установок с низким объемом буфера, в частности, по причине упразднения электрофильтров для улавливания сажи и газометра, предназначенного для уплотняемого газа.

Решение состоит в способе непрерывной эксплуатации установки для получения ацетилена из углеводородов путем частичного окисления, крекинга в электрической дуге или путем пиролиза углеводородов с получением смеси реакционного газа, который направляется через компрессор, при этом давление смеси реакционного газа на стороне всасывания компрессора регулируется с помощью общеизвестного регулирующего устройства в пределах заданного диапазона, отличающемся тем, что дополнительно используется работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее регулирующее устройство, которое реагирует на скачкообразные изменения массового потока смеси реакционного газа.

Изобретение не имеет ограничений в части конкретного осуществления способа: существенным является то, что получают реакционную смесь, которая проводится, по меньшей мере, через один компрессор.

При этом речь может идти, например, о способе, который раскрыт в описании американской заявки на патент US 60/775,158 и в котором отказались от мокрых электрофильтров, которые часто могут быть причиной простоя.

В соответствии с изобретением для регулирования давления смеси реакционного газа на стороне всасывания компрессора дополнительно к общеизвестному регулирующему устройству, имеющему инерционную регулировочную характеристику, используется работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее регулирующее устройство, которое реагирует на скачкообразные изменения массового потока смеси реакционного газа. При этом скачкообразными изменениями массового потока смеси реакционного газа могут быть, в некотором роде, моментальные, более чем на 5%, предпочтительным образом, более чем на 10% или также более чем на 50%, изменения массового потока реакционной смеси.

Регулирование давления реакционной смеси на стороне всасывания компрессора предпочтительным образом может происходить за счет рециркуляции сжатого газа на сторону всасывания с помощью регулирующего органа, в частности с помощью одного или нескольких регулирующих вентилей, шиберов или клапанов, так чтобы управление происходило за счет общеизвестного регулирующего устройства.

Давление реакционной смеси на стороне всасывания компрессии может при соответствующем техническом оснащении дополнительно регулироваться числом оборотов компрессора, что уменьшает в среднем отведенный массовый поток смеси реакционного газа.

При нарушении производственного процесса, в частности при выходе из строя реактора, что ведет к в известной степени моментальному уменьшению массового потока реакционной смеси, регулировкой давления смеси реакционного газа на стороне всасывания компрессора управляет работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее регулирующее устройство, которое делает расчет соответствующей доли массового потока смеси реакционного газа и с помощью его графической характеристики управляет регулирующим устройством, так что реакционная газовая смесь с напорной стороны компрессора возвращается на его сторону всасывания.

Поддерживающие определенную модель, предсказывающие, регулирующие устройства известны и основываются на предсказании будущего характера регулируемой величины и разницы регулируемых величин через заданный временной горизонт предсказаний на основе замеренных до актуального момента времени и введенных в запоминающее устройство исторических значений.

Предпочтительным образом работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее регулирующее устройство непрерывно рассчитывает произведенный массовый поток смеси реакционного газа, в частности, как кратное использованного массового потока углеводородов в способе изготовления ацетилена путем частичного окисления.

Работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее регулирующее устройство определяет предпочтительным образом уменьшенный массовый поток смеси реакционного газа, что соответствует увеличенному потоку рециркуляции сжатой смеси реакционного газа на стороне всасывания компрессора, как разницу рассчитанного массового потока до и после начала аварии.

При этом работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее, регулирующее устройство устанавливает, в частности, положение регулирующего органа через рассчитанный уменьшенный массовый поток смеси реакционного газа, актуальное положение регулирующего органа и характеристическую кривую регулирующего органа, замеряет регулирующее воздействие и посредством этой функции работающего на более высоком уровне, поддерживающего эту модель, предсказывающего, регулирующего устройства модифицирует устанавливающий сигнал регулирующего органа таким образом, что влияние аварийной ситуации компенсируется.

Кроме того, после осуществления регулирующего воздействия работающего на более высоком уровне, поддерживающего эту модель, предсказывающего, регулирующего устройства остающиеся, при определенных обстоятельствах, отклонения регулируемой величины от заданного значения, которые могут вытекать из конечной точности расчетов, могут быть скорректированы общеизвестным регулирующим устройством и/или посредством регулировки числа оборотов компрессора.

При выходе из строя одного компрессора в установке, включающей два или более параллельно включенных компрессора, работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее регулирующее устройство может производить расчет уменьшенного массового потока сжатой смеси реакционного газа и отводить соответствующий массовый поток смеси реакционного газа из установки от стороны всасывания компрессора, в частности, на факел или на электростанцию.

В частности, массовый поток смеси реакционного газа, отводимый из установки от стороны всасывания компрессора, может регулироваться регулирующим органом, в частности вентилем, шибером или клапаном, а необходимое положение регулирующего органа при возникновении аварийной ситуации регулируется с помощью работающего на более высоком уровне, поддерживающего эту модель, предсказывающего, регулирующего устройства через рассчитанную разницу, актуальное положение вентиля и графическую характеристику.

Используемое в предлагаемом способе, работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее, регулирующее устройство представляет собой предпочтительным образом регулятор с прямой связью (Feed-Forward регулятор).

Способ по настоящему изобретению обладает преимуществом, которое заключается в том, что он эффективным и, с точки зрения технологичности, простым образом обеспечивает непрерывную эксплуатацию установок для получения ацетилена и является пригодным, в частности, также для установок с большой производственной мощностью, но с ограниченным буферным объемом, в частности, вследствие упразднения электрофильтров для улавливания сажи, а также газометра. Поскольку исключается простой установки, то исключаются также и перерывы в производственном процессе, протекающем на многих дополнительных установках, которые включены перед основной установкой и после нее. Уменьшается износ аппаратов, связанный с включением и отключением, в частности, компрессоров.

За счет регулирующего воздействия работающего на более высоком уровне, поддерживающего эту модель, предсказывающего, регулирующего устройства происходит надежное улавливание помех и, таким образом, предотвращается распространение начальных помех. Далее, вследствие этого становится возможной инерционная регулировка ПИД-регулятора, как если бы не было работающего на более высоком уровне регулирующего устройства, что делает нормальную эксплуатацию более спокойной.

Более подробно изобретение поясняется с помощью чертежа.

Чертеж представляет схематичное изображение предпочтительной установки для осуществления способа согласно настоящему изобретению.

Исходные вещества, природный газ 1 и кислород 2, подвергаются предварительному нагреву в отапливаемых нагревательных устройствах 3, смешиваются в зоне смешивания 4, а в топочном пространстве 5 вводятся в реакцию в пламени. Под топочным пространством пламя подавляется путем впрыскивания технологической воды. Реакционная смесь, содержащая ацетилен, так называемый крекинг-газ 7, поступает в охлаждающую колонну 8, с почти предельной температурой охлаждения и насыщенным водяным паром. Там с помощью охлажденной технологической воды происходит охлаждение крекинг-газа, в результате чего большая часть водяного пара конденсируется. Факел 10 используется для процесса включения и отключения, а также для перерывов в работе, причиной которых являются, например, преждевременные воспламенения. Из охлаждающей колонны 8 выпускают охлажденный до температуры примерно 40°С крекинг-газ 11, после чего посредством впрыскивания воды 13 с помощью двухступенчатого винтового компрессора 12 происходит его полное сжатие с 1,1 до 11 бар. Крекинг-газ после каждой ступени сжатия охлаждается в охлаждающих колоннах 15 с помощью технологической воды 14 до температуры примерно 40°С. После этого сжатый крекинг-газ 16 разделяется на свои составные части, как, например, это описано в энциклопедии "Ullmann′s Encyclopedia of Industriel Chemistry", Sixth Edition, 2000, Elektronic Release, Chapter 4.2.1.

В случае, когда винтовые компрессоры работают с постоянным числом оборотов, то разница между количеством сжатого крекинг-газа (поток 18) и количеством отведенного из установки крекинг-газа (поток 16) объясняется возвращенным на сторону всасывания компрессоров 12 (поток 19). Отведенное количество регулируется обычным регулятором давления с инерционной регулировочной характеристикой 21 и регулирующим клапаном 20.

В случае, если винтовой компрессор 12 располагает системой регулирования числа оборотов, то для минимизации потребляемой мощности количество подаваемой массы (поток 18) может быть согласовано с числом оборотов компрессора. Однако регулировка числа оборотов происходит медленно, поэтому нельзя отказываться от дополнительной регулировки давления.

При нарушении режима работы, при котором пламя начинает бить из топочного пространства 5 в зону смешивания 4, или если в зоне смешения происходит самостоятельное возгорание смеси, состоящей из углеводорода и кислорода, пламя гасится путем прерывания подачи О₂ (поток 2) и подачи N₂, а газ посылают на факел 10. Для этой цели открывается факельный шибер 22 и закрывается шибер 23 установки. Как следствие, количество крекинг-газа (поток 11), подводимое через компрессоры 12, уменьшается практически скачкообразно, так что соответствующим образом должно увеличиться отведенное количество крекинг-газа (поток 19). Без быстрого регулирования регулирующего клапана 20 давление крекинг-газа на стороне всасывания компрессора (поток 11) стало бы быстро падать, при этом скорость уменьшения давления зависит от объемных потоков крекинг-газа, а также от объема установленных до участка компрессии аппаратов и трубопроводов. Быстрое падение давления может вызвать включение кнопочного выключателя, который отключает один или оба компрессора в случае, если давление падает до диапазона, расположенного ниже заданного диапазона.

Выход из строя компрессора, который вызван, например, переключающими действиями, ведет к скачкообразному уменьшению объемного потока крекинг-газа (поток 18), вследствие чего давление крекинг-газа на стороне всасывания - это поток 11 - без ответных мер начинает быстро увеличиваться. Если это давление превышает критическое значение, то реакторы должны быть отключены.

Легко видно, что явления, сопровождающие аварийную ситуацию, могут распространяться. Например, выход из строя горелок может привести к недопустимому падению давления, которое становится причиной отключения компрессора. Вследствие этого давление может недопустимо повыситься, что становится причиной отделения других горелок. В конце концов, таким способом, сравнительно ограниченный, начальный диапазон помех может вызвать полное прекращение работы установки, что приведет к значительному экономическому ущербу.

Для регулирования этой в известной степени моментальной, начальной неисправности, с которой не может справиться обычный инерционный регулятор и которая не может быть компенсирована из-за уменьшенного буферного объема, вследствие упразднения газометра, расположенного между, например, охлаждающей колонной 8 и компрессором 12, в соответствии с изобретением предусмотрено, например, работающее на более высоком уровне, регулирующее устройство типа регулятора с прямой связью (Feed-Forward регулятор). Оно предусмотрено в установке дополнительно к обычному регулятору давления 21 на том же месте и поэтому на чертеже дополнительно не представлено.

Работающий на более высоком уровне регулятор с прямой связью (Feed-Forward регулятор) постоянно производит расчет количества крекинг-газа (поток 11) из подведенного количества природного газа (поток 1), при этом оно учитывает, осуществилась ли подача газа от отдельных реакторов к зоне компрессии или к факелу 10. При расчете учитывается конкретный состав использованного потока углеводорода, соотношение между кислородом и потоком углеводорода, а также температура и давление насыщенного водяным паром крекинг-газа.

Если же крекинг-газ из реактора в данный момент времени не поступает в зону компрессии, например, по причине преждевременного воспламенения, то работающее на более высоком уровне, регулирующее устройство типа регулятора с прямой связью (Feed-Forward регулятор) производит расчет разницы, как это было изложено выше. Соответственно имеющему место на данный момент положению регулирующего вентиля 20, его графической характеристике и полученной в результате расчетов разнице в количествах крекинг-газа до и после наступления аварийной ситуации производится расчет нового отверстия регулирующего вентиля 20 и его непосредственная настройка. После этого регулировку давления снова берет на себя обычный инерционный регулятор давления.

Если же выходит из строя компрессор, то аналогичным образом вычисляется избыточное количество крекинг-газа и точно так же целенаправленно открывается факельный шибер 22. После этого регулировку давления снова берет на себя обычный инерционный регулятор давления 24. Процедура вычисления количества сжатого крекинг-газа учитывает, наряду с объемом транспортируемого с помощью компрессора количества, при номинальном числе оборотов актуальное число оборотов компрессора, если таковое является непостоянным. Если давление и температура на входе компрессора и факела являются по существу разными, то этот факт при расчете также должен быть учтен. Далее, в зависимости от конструктивной разновидности компрессора может потребоваться учет всех других параметров, которые существенно влияют на объемную подачу, а именно существенно смещают характеристическую кривую. Примером для турбокомпрессора могло бы быть давление после зоны компрессии.

Реферат

Изобретение относится к способу непрерывной эксплуатации установки для получения ацетилена из углеводородов, представляющих собой алканы, имеющие длину цепи до С10, путем частичного окисления с получением смеси реакционного газа, которая направляется через один или несколько компрессоров, причем давление смеси реакционного газа на стороне всасывания зоны компрессии регулируется с помощью регулирующего устройства в заданном диапазоне, характеризующемуся тем, что дополнительно используется работающее на более высоком уровне, поддерживающее эту модель, предсказывающее регулирующее устройство, представляющее собой регулятор с прямой связью (Feed-Forward регулятор), которое реагирует на внезапные изменения массового потока смеси реакционного газа, составляющие более чем 5%. Применение настоящего способа позволяет обеспечить непрерывную эксплуатацию установки для получения ацетилена также и в случае высоких перерабатываемых массовых потоков. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула