2. Стадии процесса

Принцип неполного горения метана в кислороде используется в современ­ной химической промышленности не только для производства син­тез- газа, а также в процессе термоокислительного пиролиза метана для получения аце­тилена. Высокотемпературная конверсия и термоокислительный пи­ролиз метана отличаются в основном временем пребывания сырья и продуктов в зоне реакции. Если при конверсии природного газа со­стояние термодинамического равновесия почти полностью дости­гается в течение ~ 2 сек, то продолжительность процесса термоокислительного пиролиза составляет несколько тысячных долей секунды. Отметим, что образующийся ацетилен является термодинамически неустойчивым соединением. Таким образом, термоокислительный пиролиз метана можно рассматри­вать как промежуточную стадию его высокотемпературной конверсии.

Вообще процесс неполного горения метана можно рас­сматривать как сочетание трех четко разграниченных стадий.

Первая — окисление метана — характеризуется почти полным потреблением кислорода при накоплении СО, Н₂, Н₂0 и С0₂ и незначительных количеств С₂Н₂ и С₂Н₄. Присутствующие в природном газе С₂Н₆ и С₃Н₈ реагируют полностью.

На данной стадии расходуется 65 % исходного метана.

Вторая — накопление ацетилена. На этой стадии обра­зуется основное количество ацетилена, достигающее максималь­ного значения. Содержание этилена продолжает уменьшаться. Характерной особенностью этой стадии является прекращение накоп­ления Н₂0 и СО. Количество С0₂ также остается постоян­ным.

При этом 25% метана идёт на накопление ацетилена.

Третья — конверсия метана, крекинг ацетилена и газификация твердого углерода. Можно полагать, что при темпера­турах термоокислительного пиролиза метан непосредственно не реагирует с водяным паром и двуокисью углерода, а реакция конвер­сии углеводорода осуществляется главным образом через образо­вание ацетилена.

Третья стадия характеризуется исчезновением этилена и аце­тилена из газа, возобновлением накопления СО, значительным умень­шением количества Н₂0 и некоторым уменьшением С0₂. Оборвав реакцию на той или иной стадии (например, впрыском воды), можно получить газ различного состава. [1]

3. Образование свободного твёрдого углерода (сажи).

В производственных условиях, даже при конверсии природного газа с относительно небольшим содержанием высших углеводородов, практически не удается полностью избежать образования сажи. При содержании в исходном газе значительного количества высших углеводородов, например при конверсии попутного нефтяного газа, выход сажи резко возрастает. Для подавления этого нежелатель­ного процесса конверсию метана проводят смесью кислорода с водяным паром. Эффективным способом, препятствующим выделению углерода, является впрыск воды в равновесную смесь- «закалка» непосредственно на выходе ее из реакционной зоны. При этом достигается большая скорость охлаждения реакционной смеси.[1]

4. Использование теплового потенциала процесса.

В тепловом ба­лансе конверсии при температуре около 1400 °С энтальпия, вносимая с газовым потоком, составляет 17—17,5% от общего количества тепла. Рациональ­ное использование этого тепла для получения водяного пара зна­чительно повышает общий энергетический к. п. д. процесса (до 94— 96%). В промышленных схемах применяют два основных способа утилизации тепла конвертированного газа:

I способ. При наличии в технологической схеме последующей конверсии окиси углерода водяным паром применяют сатурацию при непосредственном контакте высокотемпературного газа с водой (конденсатом). В результате преобразования физического тепла газа в скрытую теплоту испарения воды происходит резкое снижение температуры. При этом в соответствии с тепловым балансом системы получается насыщенная паро-газовая смесь (пар : газ > 1,0), тем­пература которой соответствует парциальному давлению водя­ного пара.

Такое использование теплового потенциала газа не требует применения котла-утилизатора после конвертора и позволяет осуществить последующую конверсию окиси углерода без добавления пара со сто­роны. Этот способ применяют при производстве водорода для синтеза аммиака.

Полученный при сатурации газа водяной пар лишь частично рас­ходуется на конверсию С0₂; большая его часть в дальнейшем используется в качестве источника тепла для технологических це­лей.

II способ. При отсутствии в технологической схеме установки для конверсии окиси углерода физическое тепло газа после высоко­температурной конверсии используется в котле-утилизаторе, уста­навливаемом непосредственно за реакционной зоной конвертора. При этом может быть получен энергетический пар с повышенными давлением и температурой. Конструкция котла-утилизатора выполняется с учетом свойств газа-теплоносителя (состав, давление, температура, наличие сажи).[1]