В патенте описан способ получения синтез-газа (70) посредством автотермического каталитического реформинга исходного газообразного потока (55), включающего углеводороды, с получением частично превращенного газа (65) и синтез-газа (70), причем перед тем как подвергнуть упомянутому автотермическому каталитическому реформингу упомянутый исходный газообразный поток (55), включающий углеводороды, смешивают с частью (66) упомянутого частично превращенного газа (65) таким образом, чтобы добиться понижения концентрации содержащихся в нем углеводородов.

[0001] Способ получения синтез-газа (70) посредством автотермического каталитического риформинга исходного газообразного потока (55), включающего углеводороды, в соответствующей автотермической риформинг-установке (14) с получением частично превращенного газа (65) и синтез-газа (70), причем упомянутая обработка автотермическим каталитическим риформингом включает стадию частичного сжигания кислородом (60) с последующей стадией каталитического риформинга, отличающийся тем, что перед тем как подвергнуть частичному сжиганию кислородом (60), в упомянутой автотермической риформинг-установке (14) упомянутый исходный газообразный поток (55), включающий углеводороды, смешивают с частью (66) упомянутого частично превращенного газа (65) таким образом, чтобы добиться понижения концентрации содержащихся в нем углеводородов.

[0002] Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый исходный газообразный поток (55), включающий углеводороды, смешивают с упомянутой частью (66) упомянутого частично превращенного газа (65) внутри упомянутой автотермической риформинг-установки (14).

[0003] Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что количество частично превращенного газа (65), смешанного с упомянутым исходным газообразным потоком (55), включающим углеводороды, является таковым, что в газообразной смеси, которая должна быть подвергнута обработке на стадии частичного сжигания кислородом (60) упомянутого автотермического риформинга, концентрация углеводородов ниже предопределенного значения.

[0004] Способ по п.3, отличающийся тем, что упомянутое предопределенное значение находится в пределах от 10 до 50%.

[0005] Способ по п.2, отличающийся тем, что смешение упомянутого исходного газообразного потока (55), включающего углеводороды, и упомянутого частично превращенного газа (65) осуществляют приданием упомянутому подаваемому во впускное приспособление упомянутой автотермической риформинг-установки (14) газообразному потоку (55) вращательного вихревого движения.

[0006] Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутую обработку автотермическим каталитическим риформингом проводят осуществлением следующих стадий:

[0007] Аппарат для получения синтез-газа (70) посредством автотермического каталитического риформинга исходного газообразного потока (55), включающего углеводороды, который включает автотермическую риформинг-установку (14) с вертикальной осью (А-А), имеющую

[0008] Аппарат по п.7, отличающийся тем, что оси K-K упомянутых сопел (28) размещены под углом к оси (А-А) автотермической риформинг-установки (14) и расположены по одной или нескольким мнимым окружностям, лежащим в плоскостях (С), перпендикулярных указанной оси (А-А).

[0009] Аппарат по п.8, отличающийся тем, что оси (K-K) сопел (28) образуют с осью (А-А) угол в пределах от 0 до 90 °.

[0010] Аппарат по п.8 или 9, отличающийся тем, что оси (K-K) сопел (28) проходят симметрично относительно оси (А-А) и равноудалены друг от друга на упомянутой мнимой окружности.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в своем наиболее общем аспекте относится к способу получения синтез-газа, включающего водород и моноксид углерода, по существу, на основе обработки автотермическим каталитическим риформингом исходного газообразного потока, включающего углеводороды, предпочтительно природного газа наподобие, например, метана, с получением синтез-газа.

Изобретение также относится к аппарату для получения синтез-газа, в котором осуществляют вышеупомянутый способ.

Описание известного уровня техники

Как известно, для получения синтез-газа, включающего, в частности, водород и моноксид углерода, из газообразных углеводородов, природного газа наподобие метана, и аналогичных исходных материалов, т.е. из исходного газообразного потока, включающего углеводороды, широко используют так называемую обработку автотермическим каталитическим риформингом, в которой углеводороды, содержащиеся в упомянутом исходном газообразном I потоке, частично окисляют с получением в результате целевого синтез-газа.

Автотермический каталитический риформинг, как известно, включает стадию широкого окисления, т.е. стадию частичного сжигания кислородом, исходного газообразного потока, включающего углеводороды, с получением газа, обладающего существенно пониженным содержанием углеводорода (метана) по сравнению с исходным газообразным потоком, и стадию, на которой полученный таким образом газ подвергают завершающей обработке риформингом все еще содержащихся в нем углеводородов путем пропускания через соответствующий катализатор до тех пор, пока не достигают равновесия или почти не достигают равновесия между реакциями риформинга и изменения соотношения оксида углерода и водорода в водяном газе.

Вышеупомянутый газ, полученный в результате вышеупомянутого частичного сжигания кислородом исходного газообразного потока и включающий водород, моноксид углерода, диоксид углерода, водяной пар и углеводороды, называют "частично превращенным газом", и это определение использовано в остальной части описания и в последующей формуле изобретения.

Несмотря на достоинство с разных точек зрения вышеупомянутый способ, как известное техническое решение, обладают признанными недостатками, основной из которых заключается в том факте, что вследствие высоких температур, которые создают в зонах без кислорода, неизбежно имеющихся в процессах смешения, исходный газообразный поток, включающий углеводороды, прежде всего в случае, в котором он содержит углеводороды в высокой концентрации, когда его подвергают частичному сжиганию кислородом в автотермической риформинг-установке, обуславливает опасность образования значительных количеств сажи.

А образование сажи, как было установлено, связано с высокой вероятностью быстрого отравления катализатора, используемого для автотермического риформинга, а также загрязнения оборудования, размещенного после риформинг-установки, в частности бойлеров, с последующими высокими затратами на техническое обслуживание. Сажа также негативно влияет как на общий выход процесса вследствие уменьшенного количества водорода и моноксида углерода, получаемых при сжигании тех же углеводородов, так и на общую теплопроводность самой автотермической риформинг-установки.

Краткое изложение сущности изобретения

Техническая проблема, лежащая в основе создания настоящего изобретения, заключается в том, чтобы разработать и предложить способ получения синтез-газа рассматриваемого типа, приемлемый для применения с высокими производственными мощностями с достижением высоких значений выхода и позволяющий также устранять образование сажи в автотермическои риформинг-установке в присутствии углеводородов в высоких концентрациях таким образом, чтобы простым и эффективным путем устранить вышеуказанные недостатки и/или недостатка, свойственные известным техническим решениям.

В соответствии с настоящим изобретением эту проблему разрешают осуществлением способа получения синтез-газа путем обработки автотермическим каталитическим риформингом исходного газообразного потока, включающего углеводороды, с получением частично превращенного газа и синтез-газа, характеризующегося тем, что упомянутый исходный газообразный поток, включающий углеводороды, перед тем как подвергнуть упомянутому автотермическому каталитическому риформингу, смешивают с частью упомянутого частично превращенного газа таким образом, чтобы добиться понижения концентрации содержащихся в нем углеводородов.

В целесообразном варианте количество частично превращенного газа, смешанного с упомянутым исходным газообразным потоком, включающим углеводороды, является таким, чтобы в газообразной смеси, которая должна быть подвергнута автотермическому риформингу, концентрация углеводородов находилась приблизительно в пределах от 10 до 50%.

В самом деле было установлено, что при этих значениях концентрации углеводородов в газообразной смеси, которая должна быть подвергнута экстенсивному окислению в автотермической риформинг-установке, образования сажи не происходит.

Более того, в целесообразном варианте водород, содержащийся в частично превращенном газе, используемом для разбавления исходного газообразного потока, на химическом уровне противодействует образованию сажи.

Другие характеристики и преимущества способа получения синтез-газа в соответствии с настоящим изобретением становятся совершенно очевидными из следующего описания предпочтительного варианта его осуществления, приведенного для иллюстративных, а не ограничивающих целей, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена блок-схема способа получения синтез-газа в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2 схематически представлено осевое сечение автотермической риформинг-установки, применяемой для осуществления способа по настоящему изобретению;

на фиг. 3 схематически представлен поперечный разрез автотермической риформинг-установки, показанной на фиг. 2, сделанный по плоскости В-В, проведенной на фиг. 2.

Подробное описание предпочтительного варианта

Согласно приведенным чертежам способ получения синтез-газа 70 в соответствии с настоящим изобретением основан на обработке автотермическим каталитическим риформингом исходного газообразного потока 55, включающего углеводороды, например природного газа наподобие метана и т.п.

Способ получения синтез-газа (70) посредством автотермического каталитического риформинга исходного газообразного потока (55), включающего углеводороды, в соответствующей автотермической риформинг-установке (14) с получением частично превращенного газа (65) и синтез-газа (70), причем упомянутая обработка автотермическим каталитическим риформингом включает стадию частичного сжигания кислородом (60) с последующей стадией каталитического риформинга, при этом перед тем как подвергнуть частичному сжиганию кислородом (60), в упомянутой автотермической риформинг-установке (14) упомянутый исходный газообразный поток (55), включающий углеводороды, смешивают с частью (66) упомянутого частично превращенного газа (65) таким образом, чтобы добиться понижения концентрации содержащихся в нем углеводородов.

В неограничивающем примере, проиллюстрированном на блок-схеме фиг. 1, обработку автотермическим каталитическим риформингом проводят путем обработки так называемым первичным риформингом с водяным паром и/или предварительным риформингом. Более конкретно часть 20 газообразного потока 50, включающего углеводороды, направляют по соответствующему трубопроводу в первичную установку 12 риформинга с водяным паром для того, чтобы, по существу, обычным путем подвергнуть упомянутому реформингу с водяным паром. Оставшуюся часть 22 упомянутого газообразного потока 50, включающего углеводороды (необработанную часть), по соответствующему обводному трубопроводу направляют после упомянутой первичной риформинг-установки 12.

Из первичного риформинга с водяным паром получают газообразный поток 24, включающий моноксид углерода, водород, диоксид углерода, водяной пар и непрореагировавшие углеводороды (например, CH ₄ ), который за упомянутой первичной риформинг-установкой 12 после пересечения с соответствующим трубопроводом повторно объединяют с упомянутой необработанной частью 22 газообразного потока 50, включающего углеводороды, для составления исходного газообразного потока 55, включающего углеводороды.

Исходный газообразный поток 55 по трубопроводу 26 направляют в автотермическую каталитическую риформинг-установку 14 для того, чтобы подвергнуть обработке автотермическим каталитическим риформингом, по существу, включающей стадию частичного сжигания кислородом исходного газообразного потока 55, включающего углеводороды, в первой зоне 14а упомянутой автотермической риформинг-установки 14, проходящей, по существу, от впускного приспособления в ней до верхней поверхности (свободной поверхности) каталитического слоя 16, причем в эту зону 14а также подают (например, через множество соответствующих сопел 28) необходимое количество кислорода 60, и стадию каталитического риформинга посредством упомянутого соответствующего каталитического слоя 16, которым оборудована упомянутая риформинг-установка 14 в ее второй зоне 14b, находящейся в прямом сообщении с возможностью прохождения текучей среды с упомянутой зоной 14а.

Со стадии частичного сжигания кислородом 60 получают газ, обладающий пониженным остаточным содержанием углеводородов (например, метана) и в последующем называемый частично превращенным газом 65, из которого после завершения риформинга посредством упомянутого каталитического слоя 16 получают целевой синтез-газ 70, который находится в химическом равновесии.

В соответствии с настоящим изобретением упомянутый исходный газообразный поток 55, включающий углеводороды, подаваемый в автотермическую риформинг-установку 14, перед тем как подвергнуть упомянутому автотермическому каталитическому риформингу, в частности перед тем как подвергнуть обработке на стадии частичного сжигания кислородом 60 упомянутого автотермического риформинга, смешивают с частью 66 упомянутого частично превращенного газа 65, с водородом, моноксидом углерода и диоксидом углерода, таким образом, чтобы добиться понижения концентрации содержащихся в нем углеводородов. Так, в частности и в целесообразном варианте такое смешение проводят в периферийной части 14d зоны 14а, которая находится при впускном приспособлении упомянутой риформинг-установки 14.

Более того количество частично превращенного газа 65, смешанного с упомянутым исходным газообразным потоком 55, включающим углеводороды, в предпочтительном варианте таково, что в газообразной смеси, которая должна быть подвергнута обработке на стадии частичного сжигания кислородом 60 упомянутого автотермического риформинга, концентрация углеводородов ниже предопределенного значения, она, например, находится в пределах от 10% в пересчете на сухое вещество до 50% в пересчете на сухое вещество. В предпочтительном варианте концентрация углеводородов находится приблизительно в пределах от 10 до 30% в пересчете на сухое вещество.

Для вышеупомянутой цели (получения газообразной смеси с концентрацией углеводородов примерно от 10 до 50% внутри автотермической риформинг-установки 14, в зоне 14а) и в соответствии с характеристикой настоящего изобретения исходному газообразному потоку 55, включающему углеводороды, исходному во впускное приспособление упомянутой риформинг-установки 14 в соответствии с предопределенным направлением А-А придают вращательное вихревое движение вокруг упомянутого направления.

В частности и в соответствии с дополнительной характеристикой настоящего изобретения вышеупомянутое вращательное вихревое движение (фиг. 2) осуществляют в третьей зоне 14с, по существу, трубной, предусмотренной в упомянутой автотермической риформинг-установке 14 и проходящей на предопределенную длину участка от впускного приспособления в ней трубопровода 26, несущего исходный газообразный поток 55, включающий углеводороды, причем упомянутая трубная зона 14с является открытой в зону 14а частичного сжигания кислородом 60, которая обладает поперечным сечением большего размера в сравнении с размером сечения трубной зоны 14с.

В трубной зоне 14с, которая обладает продольной осью, проходящей в вышеупомянутом направлении А-А, предусмотрено завихряющее средство 40, приемлемое для придания газообразному потоку при впускном приспособлении в риформинг-установку 14 вращательного вихревого движения. В примере, представленном на фиг. 2 и 3, вышеупомянутое завихряющее средство 40 включает так называемое винтовое впускное приспособление, образованное трубной зоной 14с и трубопроводом 26, несущими исходный газообразный поток 55, причем трубопровод 26 проходит в трубную зону 14с в соответствии с осью, по существу перпендикулярной продольной оси А-А трубной зоны 14с и несогласованной с самой продольной осью А-А, т.е., другими словами, трубопровод 26 вставляют в трубную зону 14с тангенциально.

По другому варианту завихряющее средство может быть выполнено в форме другой самой по себе структуры, и по этой причине на чертежах не проиллюстрировано; так, например, оно может включать комплект радиальных лопаток, выполненных внутри трубной зоны 14с, благодаря которому исходному газообразному потоку 55, который вводят в трубную зону 14с, по существу, в соответствии с самой продольной осью А-А, придают вращательное вихревое движение.

Исходный газообразный поток 55, включающий углеводороды, подают таким образом ко входу в периферийную часть 14d зоны 14а по существу в направлении оси А-А как обладающий благодаря эффекту завихряющего средства 40 вращательной вокруг оси А-А компонентой.

Именно благодаря тому факту, что зона 14а по размеру больше, чем зона 14с, и благодаря вращению подаваемого исходного газообразного потока 55, включающего углеводороды, этот поток при впускном приспособлении в периферийную часть 14d зоны 14а "открывает" движение от оси А-А в направлении стенок зоны 14а (корпус 30 риформинг-установки 14), и продолжающееся вращение создает "рециркуляцию" в соответствии с самим по себе известным явлением. Такая рециркуляция газа обладает схематически тороидальным движением вокруг оси А-А автотермической риформинг-установки 14 и при направлении вращения линий потока упомянутой рециркуляции, по существу, в соответствии с линиями: потока струй кислорода 60 при соответствующих соплах 28 (фиг. 2).

Исходный газообразный поток 55, включающий углеводороды, после того как в целесообразном варианте сам разбавляется частично превращенным газом 65, проходит вблизи основания факелов диффузионного пламени, образующихся при соплах 28, продолжающих генерировать сам частично превращенный газ 65.

Частично превращенный газ 65 отчасти направляется в зону 14b и отчасти (66) возвращается благодаря вышеупомянутой рециркуляции в упомянутую периферийную часть 14d зоны 14а, где он смешивается с исходным газообразным потоком 55, включающим углеводороды, который поступает из трубной зоны 14с, соответствующим образом его разбавляя.

Из этого следует, что в нормальных рабочих условиях газ, подаваемый в основание факелов пламени, по существу состоит из исходного газообразного потока 55, включающего углеводороды, смешанного с частью (66) частично превращенного газа 65.

По этой причине такой газ представляет собой, следовательно, газ, разбавленный до такой концентрации углеводородов, что когда он всасывается диффузионными факелами пламени, он не обуславливает образования сажи.

Аппарат для получения синтез-газа (70) посредством автотермического каталитического риформинга исходного газообразного потока (55), включающего углеводороды, который включает автотермическую риформинг-установку (14) с вертикальной осью (А-А), имеющую впускное отверстие (18) для газообразного потока (55), который должен быть подвергнут риформингу, разгрузочное отверстие (19) для упомянутого синтез-газа (70). Первую зону (14а) и вторую зону (14b), непосредственно сообщающиеся между собой с возможностью прохождения газообразной среды, центрированны вдоль вертикальной оси (А-А), указанной установки (14) и прилегающие соответственно к впускному (18) и разгрузочному (19) отверстиям, множество сопел (28) для подачи кислорода (60) в упомянутую первую зону (14а), каталитический слой (16), расположенный во второй зоне (14b). Автотермическая риформинг-установка (14) имеет третью, по существу, трубную зону (14с), расположенную выше упомянутого впускного отверстия (18) и открытую в упомянутую первую зону (14а), впускное приспособление, расположенное над трубной зоной (14с), размещенное в упомянутой третьей зоне (14с) завихряющее средство (40), предназначенное для придания газообразному потоку (55), который должен быть подвергнут риформингу, вращательного вихревого движения в области указанного впускного приспособления и в третьей зоне (14с), так что обеспечивается рециркуляционное тороидальное движение газообразного потока (55) вокруг указанной оси А-А.

Предпочтительный вариант автотермической риформинг-установки 14 показан в примере на фиг. 2.

Эта риформинг-установка 14 включает, по существу, цилиндрический корпус 30 с вертикальной осью А-А, закрытый соответствующими крышками, верхней 30а и нижней 30b, и обладающий внутренней стенкой, покрытой огнеупорным материалом 32, который выдерживает действие высоких температур.

Верхняя крышка 30а оборудована впускным отверстием 18 для газа, который должен быть подвергнут риформингу, т.е. упомянутого исходного газообразного потока 55, включающего углеводороды, а нижняя крышка 30b оборудована разгрузочным отверстием 19 для упомянутого синтез-газа 70.

Первая зона 14а расположена выше второй зоны 14b и совмещена с ней (где каталитический слой 16 содержится по собственно известному принципу) и зоны 14а и 14b сцентрированы между собой вдоль вертикальной оси А-А. Третья зона 14с проходит выше упомянутого впускного отверстия 18 и открыта в упомянутую первую зону 14а; так, например, она расположена выше первой зоны 14а, она совмещена и сцентрирована с ней вдоль вертикальной оси А-А.

В упомянутой первой зоне 14а предусмотрено множество сопел 28, которые в предпочтительном варианте симметричны относительно оси А-А риформинг-установки 14, обладают осями K-K, составляющими угол с самой осью А-А и находятся на одной и той же мнимой окружности, лежащей в плоскости С, перпендикулярной оси А-А, например расположенной в промежуточной зоне относительно упомянутой зоны 14а, как можно видеть на фиг. 2 и 3. По другому варианту сопла 28, обладающие осями K-K, составляющими угол с осью А-А, находятся на мнимых окружностях, лежащих в плоскостях, перпендикулярных к оси А-А. В предпочтительном варианте оси K-K образуют с осью А-А угол в пределах от 0 до 90 °. Так же в предпочтительном варианте сопла 28 равноудалены на вышеупомянутой окружности.

Таким путем (фиг. 2) следует отметить, как вышеупомянутая рециркуляция образуется в пространстве зоны 14а, т.е. в периферийной части 14d, которая существенно выше мнимой конической поверхности, которая обладает осями K-K сопел 28 как геометрическими параметрами.

Более того, струи кислорода 60 вызывают образование дополнительной рециркуляции в пространстве 14е зоны 14а, которая лежит существенно ниже мнимой конической поверхности, которая обладает осями K-K сопел 28 как геометрическими параметрами. Упомянутая дополнительная рециркуляция образуется из части частично превращенного газа 65.

Как можно видеть на фиг. 2, упомянутая дополнительная рециркуляция характеризуется тороидальным развитием, причем упомянутый тор в качестве своей оси обладает осью А-А риформинг-установки 14; направление вращения линий потока упомянутой дополнительной рециркуляции является таким, которое при струях кислорода 60, выходящих из сопел 28, должно находиться в соответствии с линиями потока собственно струй кислорода 60.

В неограничивающем примере случая автотермической риформинг-установки 14, проиллюстрированной на фиг. 2, смешение между частью 66 частично превращенного газа 65 с исходным газообразным потоком 55, включающим углеводороды, поступающим из трубопровода 26, происходит внутри самой риформинг-установки 14. По другому варианту смешение может происходить вне риформинг-установки 14, например вдоль трубопровода 26.

Параметрами регулирования рециркуляции и, следовательно, понижения концентрации углеводородов до уровня ниже предопределенных значений, являются, например, скорость подачи исходного газообразного потока 55, включающего углеводороды, в зону 14с, степень завихрения упомянутого газа, скорость подачи струй кислорода 60 в сопла 28, число сопел 28, положение сопел 28 в зоне 14а и направление осей K-K сопел 28.

Из вышеприведенного описания можно ясно видеть, что осуществление способа получения синтез-газа в соответствии с изобретением решает техническую проблему и создает многочисленные преимущества, первый из которых заключается в том факте, что в автотермической риформинг-установке образование сажи устраняют даже при высоких концентрациях углеводородов в исходном газообразном потоке 55.

Специалист в данной области техники способен, разумеется, вносить в описанный выше способ получения синтез-газа многочисленные модификации и вариации с целью удовлетворить возможным и конкретным требованиям, которые все в любом случае охватываются объемом защиты настоящего изобретения, который определен следующими пунктами формулы изобретения.