Описано устройство для смешивания двух текучих сред, вставленное в реактор или объединенное с реактором, которое также можно использовать для каталитического неполного окисления, по существу, состоящее из следующих зон: первая зона подачи, снабженная средствами, позволяющими первой текучей среде, возможно газообразной, при рабочих условиях поступать в аксиальном направлении; нижележащая распределительная зона, содержащая пучок труб, предпочтительно параллельных оси, внутри которых равномерно распределена указанная текучая среда; вторая зона подачи, снабженная средствами, позволяющими второй текучей среде поступать в распределительную зону, содержащую пучок предпочтительно параллельных труб, и равномерно распределяться снаружи указанных параллельных труб; зона смешивания, отделенная от распределительной зоны с помощью распределительной пластины для труб, поддерживающей указанные параллельные трубы; причем указанная распределительная пластина для труб имеет щели или отверстия для равномерного выпускания второй текучей среды в аксиальном направлении внутрь зоны смешивания, а указанные параллельные трубы проходят за пределы указанной распределительной пластины для труб в зону смешивания.

[0001] Устройство для смешивания двух текучих сред, вставленное в реактор или объединенное с ним, по существу, состоящее из следующих зон:

[0002] Устройство по п.1, в котором конечный участок труб снабжен средствами для разделения выходного потока текучей среды, распределенной в этих трубах, аксиально, радиально и/или в поперечном направлении в зоне смешивания.

[0003] Устройство по п.1, в котором трубы, проходящие за пределы распределительной пластины для труб, имеют разную длину.

[0004] Устройство по п.1, в котором в зоне смешивания, вблизи от распределительной пластины для труб, расположены подходящие элементы для остановки любого возможного возвращения пламени.

[0005] Устройство по п.1, в котором в зоне смешивания, непосредственно за распределительной пластиной для труб, расположен пористый элемент, который проходит за пределы самих труб.

[0006] Установка для осуществления каталитического неполного окисления углеводородов, отличающаяся тем, что она включает смесительное устройство по любому из пп.1-5, а также реакционную зону (R), состоящую из каталитического слоя с поперечным сечением, постоянным или увеличивающимся вдоль оси установки.

[0007] Способ каталитического неполного окисления газообразных топлив, выбранных из углеводородных соединений, природного газа и/или СНГ, посредством подходящей каталитической системы, осуществляемый с помощью оборудования согласно п.6 и путем следующих стадий:

Настоящее изобретение относится к устройству для смешивания двух текучих сред, предпочтительно углеводородного топлива и окисляющего потока, такого как воздух, обогащенный воздух или кислород, которое можно использовать, вставляя его в реактор или объединяя с реактором, в частности, в способах каталитического неполного окисления с малым временем контакта.

Способ «каталитического неполного окисления с малым временем контакта » (КНО-МВК) является способом, используемым для производства синтез-газа (сингаза). При каталитическом неполном окислении с малым временем контакта предварительно смешанные потоки углеводородного топлива, окислителя (воздух, обогащенный воздух или кислород) и, возможно, пара подают при давлении от 0,1 до 8 МПа (от 1 до 80 атм) и при низкой температуре (Т <400 °С) на каталитическую поверхность, которая становится раскаленной.

Смеси реагентов, используемые в способах каталитического неполного окисления с малым временем контакта, могут быть воспламеняемыми (огнеопасными). Следовательно, во избежание возникновения и распространения пламени, целесообразно осуществлять смешивание в ограниченном объеме, при температурах ниже температур воспламенения и в течение более короткого периода времени, чем время гашения пламени. При каталитическом неполном окислении, поскольку «холодный » газ предварительно смешанного потока достигает катализатора, находящегося при высокой температуре, также желательно, чтобы реагирующие газы имели высокие линейные скорости, с тем чтобы ограничить явление обратного распространения тепла с каталитической поверхности в поток газообразных реагентов. Кроме того, если линейные скорости газов превышают скорость распространения пламени, это ликвидирует его.

Следовательно, в этом типе процесса характеристики смесительной системы являются критическими, так же как и в целом для всех процессов, в которых необходимо смешивать поток топлива и поток окислителя, избегая реакций воспламенения.

В различных литературных источниках описано оборудование для смешивания потоков углеводорода и окислителя.

В US 2005/0095186 описана установка, в которой топливо и окислитель смешивают за счет тангенциального движения топлива. По нашему мнению, этот способ не предотвращает локальное образование градиентов концентрации кислорода, которые являются потенциально опасными, так как способны вызывать реакции воспламенения.

В US 2004/0133057 описан способ изготовления смесителя, способного смешивать окислитель и поток топлива в безопасных условиях, поскольку смешивание проводят в текучей среде, поддерживаемой при турбулентном движении, и следовательно, только микроколичества реагентов вступают в тесный контакт, что предотвращает распространение возможных реакций воспламенения на весь объем смеси. По нашему мнению, эта установка является трудной для изготовления и эксплуатации, и кроме того, нельзя гарантировать, что два потока на выходе из смесителя являются тщательно перемешанными.

В US 2004/0067180 описан смеситель, состоящий из микроканалов, в которые по отдельности подают окислитель и топливо. Целесообразно, однако, чтобы он был расположен поблизости от каталитической области, что, по нашему мнению, может привести к существенным проблемам, связанным с обратным распространением тепла, с возможностью инициирования реакций воспламенения.

В US 6726850 описан способ КНО, в котором общее количество кислорода подают в возрастающем количестве в течение нескольких стадий реакции. В патенте отсутствуют сведения, касающиеся геометрии инжекционной установки, но указаны малые времена контакта углеводородной смеси/окислителя (менее 10 мс на первой стадии и 1 мс на последующих стадиях).

В US 5883138 описана установка, из которой находящиеся под давлением и предварительно нагретые реагенты впрыскивают со сравнимыми величинами импульса через смеситель, состоящий из последовательности каналов и отверстий, которые открыты в направлении к каталитической области. В патенте указано, что если время пребывания смеси НС/О ₂ составляет больше 9 мс, смеси метана и кислорода могут инициировать нежелательные некаталитические реакции в газовой фазе. В отношении этого патента также справедливы соображения, изложенные в отношении US 2004/0067180.

В US 6863867 предложено использование групп диффузионных смесителей, расположенных таким образом, чтобы вводить загрузку как радиально, так и тангенциально. Каждый смеситель состоит из последовательности трубопроводов, в которые вводят загрузку с одного конца и выпускают ее из противоположного конца. И в этом случае в патенте не описано, как минимизировать образование областей, в которых соотношение кислород/углеводород попадает в область воспламеняемости.

В настоящее время разработано устройство с использованием принципа разделенного выпуска одного из двух подаваемых потоков, которое позволяет преодолеть технологические ограничения известных решений, удовлетворяя вышеуказанным требованиям.

Предметом настоящего изобретения является устройство для смешивания двух текучих сред, вставленное в реактор или объединенное с реактором, по существу, включающее следующие зоны:

первую зону подачи, снабженную средствами, обеспечивающими поступление в аксиальном направлении первой текучей среды, возможно газообразной при рабочих условиях;

нижележащую распределительную зону, содержащую пучок труб, предпочтительно параллельных оси, внутри которых равномерно распределена указанная текучая среда;

вторую зону подачи, снабженную средствами, обеспечивающими поступление второй текучей среды в распределительную зону, содержащую пучок предпочтительно параллельных труб, и ее равномерное распределение снаружи указанных параллельных труб;

зону смешивания, отделенную от распределительной зоны с помощью распределительной пластины для труб, поддерживающей указанные трубы, предпочтительно параллельных,

причем указанная распределительная пластина для труб имеет щели или отверстия для равномерного выпуска второй текучей среды в аксиальном направлении в зону смешивания, а указанные параллельные трубы проходят за пределы указанной распределительной пластины для труб в зону смешивания.

Конечный участок параллельных труб предпочтительно снабжен средствами, подходящими для раздельного выпуска распределенной в трубах текучей среды аксиально и/или радиально и/или в поперечном направлении в зоне смешивания.

Указанные параллельные трубы, проходящие за пределы указанной распределительной пластины для труб, могут иметь различную длину.

В зоне смешивания, вблизи распределительной пластины для труб можно располагать подходящие элементы для остановки возвращения любого возможного пламени.

В зоне смешивания, непосредственно под пластиной для труб может быть расположен пористый элемент, который может проходить за пределы труб.

Устройство согласно изобретению может быть расположено на входе в реактор.

Диаметр труб с газообразной текучей средой (окислитель) и диаметр «щелей » рассчитаны таким образом, чтобы линейные скорости двух потоков предотвращали образование зон рециркуляции потоков как таковых, которые, даже если, с одной стороны, их можно использовать для перемешивания, с другой стороны, увеличивают время пребывания газа в зонах смешивания, тем самым увеличивая возможность инициирования и распространения реакции воспламенения.

Расстояние между элементами для блокирования возможного возврата пламени и концами пучка труб является таким, чтобы минимизировать образование завихрений, которые могут создавать повторную подачу части топлива внутрь окисляющего потока, таким образом увеличивая возможность возникновения воспламенения.

Устройство согласно изобретению можно предпочтительно вставлять во входное отверстие реактора или объединять с реактором; в частности, можно использовать реактор, описанный в патентной заявке IT-M196A000690.

Указанное устройство может быть также частью реактора как такового, и в этом случае оборудование, включающее указанное устройство, также является задачей настоящего изобретения.

Установка для осуществления каталитического неполного окисления характеризуется тем, что она включает смесительное устройство, описанное выше, а также реакционную зону (R), состоящую из каталитического слоя, имеющего постоянное или увеличивающееся поперечное сечение вдоль оси установки.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является способ каталитического окисления газообразного или жидкого топлива, осуществляемый посредством оборудования, включающего описанное выше устройство.

Этот способ неполного каталитического окисления газообразного топлива, выбранного из углеводородных соединений, природного газа и/или сжиженного нефтяного газа (СНГ), осуществляют с помощью подходящей каталитической системы с использованием установки, описанной выше, и путем следующих стадий:

предварительного смешивания и, возможно, нагревания реагентов, состоящих из указанных топлив и кислорода, или воздуха, или обогащенного кислородом воздуха, до температуры от 25 до 400 °С, возможно, в присутствии пара и/или СО ₂ ; взаимодействия реагентов в каталитической зоне, при температурах подачи от 5 до 500 °С, при объемной скорости от 1000 до 1000000 норм. л реагентов/(л катализатора ×ч), достигая температуры от 450 до 1500 °С.

В частности, способ согласно изобретению можно осуществлять для получения синтез-газа или ненасыщенных углеводородов (этилен, стирол и т.д.), исходя из жидких или газообразных топлив.

Катализатор может состоять из оксидных носителей, на которые осаждены благородные металлы, такие как Rh, Ru, Ir, Pt и/или другие переходные металлы, такие как Ni, Fe, Co. Оксидные носители могут состоять из металлических пористых материалов различной геометрии, или носителей из металлических волокон, на которых осаждены те же самые металлы.

Катализаторы могут состоять из нитридов или оксинитридов, содержащих благородные металлы и другие переходные металлы, такие как Rh, Ru, Ir, Pt, Ni, Fe, Co. Эти металлы можно наносить на образцы нитрида в виде металлических агрегатов, но их также можно вводить в химический состав нитридов или оксинитридов (более подробное описание этих катализаторов изложено в патентной заявке IT-MI1200A000214).

Катализаторы, используемые в способе согласно настоящему изобретению, могут находиться в любой форме, например в форме неподвижного слоя, проницаемого для текучей среды, в частности, для газа. Неподвижный слой может иметь любую форму, и предпочтительно содержание пустого пространства составляет от 0,4 до 0,95, более предпочтительно от 0,6 до 0,9.

Некоторые предпочтительные воплощения настоящего изобретения описаны с помощью чертежей фиг. 1-5.

Устройство, показанное на фиг. 1, снабжено двумя различными входными отверстиями - для топлива и для окислителя. Более конкретно, окисляющий поток поступает из верхней части смесителя и распределяется в ряду труб, имеющих пониженный диаметр. Топливо поступает сбоку (также могут присутствовать несколько отверстий) и радиально распределяется в смесительной камере, охватывающей трубы, в которых циркулирует кислород, в конце концов поступая в смесительную камеру через «щели », находящиеся в пластине для труб.

Трубы с окислителем, т.е. воздухом, обогащенным воздухом или, предпочтительно, кислородом проходят по длине за пределы распределительной пластины для труб, так что окислитель выпускают в атмосферу, «обогащенную » топливом (противоположное является потенциально опасным).

Конечный участок труб с окислителем снабжен подходящими ограничивающими элементами, например, такими, как металлические сплавы или спеченные керамические материалы, или ряд отверстий, имеющих подходящие размеры, так чтобы осуществлять разделение вдоль выходной оси подачи. Преимущество этих распределенных выходных отверстий состоит в том, что снижается образование смесей, находящихся в пределах воспламеняемости. Входные отверстия для окислителя и топлива, показанные на фиг. 1, являются только иллюстративными, и их не следует рассматривать как ограничение изобретения; возможны и другие входные отверстия, например, с подачей топлива сверху, и при этом внутри смесителя будет существовать разделение фаз окислитель/топливо и соответствующее расположение выходных отверстий (окислитель ниже по потоку по отношению к топливу).

Как показано на фиг. 2, поток, содержащий кислород, протекает из выходного отверстия соответствующих труб (1) через подходящие элементы (2), способные разделять загрузку на ряд потоков, которые пересекают углеводородную фазу (3) как в перпендикулярном, так и в параллельном направлениях или в векторных комбинациях этих направлений. Быстрое смешивание потоков предотвращает локальное образование составов, находящихся внутри пределов воспламеняемости.

Пересечение двух потоков дополнительно облегчает быстрое смешивание фаз.

Альтернативная схема смесителя, показанная на фиг. 3, предусматривает трубы с окислителем, имеющие различную длину, для того чтобы дополнительно разделять выпускной поток кислорода, получая при этом все соответствующие преимущества.

На фиг. 4 показаны подходящие элементы, находящиеся внутри установки фиг. 2, способные остановить возможный возврат пламени.

В следующей конфигурации, показанной на фиг. 5, пористый элемент (5) расположен на выходе углеводородного потока; выходы окисляющего потока также расположены внутри пористого элемента, возможно, на различной высоте и ниже по потоку от входа углеводородного потока.