部分氧化法天然气制乙炔工艺技术探讨

部分氧化法天然气制乙炔工艺技术探讨

汤丽莉

四川天华股份有限公司 四川省泸州市 646207

摘要：天然气作为清洁能源在世界许多国家得到广泛应用，部分氧化法作为天然气中制乙炔的好方法也得到广泛推广。该方法简便易行，并且能解决今后应用中会遇到的绝大多问题，进而使生产达到最佳状态。本文主要分析部分氧化法天然气生产乙炔的技术。

关键词：部分氧化法；天然气制乙炔；技术探讨

引言

天然气部分氧化制乙炔是一种常见的乙炔生产工艺，为了提高乙炔生产的技术水平，有必要提高对技术的认识，加强生产过程中的控制，以确保最终生产质量。

1、概述

伴随着现代社会科学、技术和工业的不断发展和进步，化工原料乙炔的生产工艺和技术也得到了大力发展。中国天然气主要集中在西部和东南部地区，因此应大力推进天然气部分氧化，采用先进的生产技术，在天然气丰富的地区生产乙炔，这对中国化学工业的发展和中国能源问题的解决具有重要意义。因此，本文主要分析研究天然气部分氧化制乙炔的反应平衡，研究甲烷分解特性的重要意义。因此，本文包含甲烷CH4、O2、C2H2、H2、HAH、CO、CO2、H2O和C等的分解反应体系。

2、天然气部分制乙炔工艺的原理

部分氧化法最早出现于1820年代巴斯夫公司，该实验室使用天然气生产乙炔。部分氧化法将部分天然气用于发电，另一部分天然气加热至1230℃以上，在这种情况下，乙炔具有比天然气更强的热稳定性，因此甲烷裂解产生乙炔和氢气，化学方程为：2CH4 → C2H2+3h2。此时乙炔的直射能量高于炭黑，如果保持高温，乙炔将继续分解，产生炭黑和氢气。四川天华公司所在的乙炔装置引进的是乌克兰技术，氧气和天然气在裂解炉的混合器中混合，并作为均质的甲烷-氧气混合物，送到反应区域，在1400-1500℃环境下，发生甲烷的氧化热裂解反应，再经淬冷水快速冷却终止反应，得到乙炔的裂解气。

3、部分氧化法天然气制乙炔工艺

天然气部分氧化制乙炔反应所需热量是依靠天然气在预热炉中加热，以及裂解炉内直接发生的甲烷部分氧化提供的，单独预热的氧气和天然气在裂解炉的混合器中混合，并作为均质的甲烷-氧气混合物，送到反应区域，在那里发生甲烷的氧化热裂解。反应过程中，乙炔的裂解速度大大低于甲烷，确保冷却后反应中得到更多乙炔，化学反应时间通常控制在0.01秒内，以防止乙炔的过度分解，并因反应时间过长而减少乙炔的产品。天然气和氧气被预热到600-650℃，最佳的氧气/甲烷比值在0.58和0.6之间，甲烷-乙炔转换率大约为30％，而且裂解气中的乙炔含量为7.8-8 vo1.％。进入热裂解反应的甲烷，大约有85％转换成乙炔。甲烷氧化热裂解的热平衡由进料甲烷-氧气混合物的组份确定，在600℃的氧气和甲烷预热温度下，氧气/甲烷比值在0.58即可达到热平衡。当比值高于0.6时，乙炔收率下降，而且在氧化热裂解过程中形成的炭黑变得更加亲水，其从水中分离出来变得更加困难。因此，甲烷和氧气预热有利于甲烷的氧化热裂解。

3.1部分氧化法天然气制乙炔的装置

乙炔装置包括配气站、裂解工段、压缩工段、提浓工段、焚烧工段、全厂火炬六大区域来运行，保证乙炔的产量。为了从甲烷中获得足够高收率的乙炔，甲烷应该在非常短的时间内被加热到1200℃以上，然后快速冷却反应产品，这样才能避免反应中的乙炔分解。通过直接在裂解炉内发生的甲烷部分氧化反应，可实现甲烷的快速加热，在反应室出口处的气流中加入淬冷水，可快速冷却甲烷氧化和热裂解产品。当气体预热温度变高时，氧气以及甲烷氧化产品的流速下降，同时裂解气中的乙炔浓度以及甲烷-乙炔转换率提高。所以从热力学角度看，在反应器中温度超过1200℃时，乙炔是一种比甲烷更加稳定的化合物，它表明通过甲烷热裂解反应，可以获得乙炔，从而实现了部分氧化制乙炔的目的。甲烷热裂解反应2CH4 → C2H2+3h2在体积上继续上升，压力的增加将降低乙炔收率。在相同的反应时间内，当压力上升时，裂解气中的乙炔浓度下降，即当压力上升时乙炔分解速率提高。当原料氧气、天然气中的惰性气体含量增加时，天然气中的碳氢化合物的高温分解产生的热量相对减少，从而使乙炔收率下降。

3.2部分氧化法天然气制乙炔的工艺

天然气部分氧化制乙炔时，因为甲烷是天然气的主要成分，所以裂解后会产生乙炔。裂解气中的混合气经压缩工段压缩后送到提浓工段，在提浓工段使用一种叫NMP的溶剂通过吸收和解吸的方法从气体混合物中分离出乙炔。裂解气在丁二炔吸收塔、乙炔解吸塔、丁二炔解吸塔中进行分离。在丁二炔吸收塔中，根据高级炔的分压、溶解度吸收溶剂的流量，丁二炔和其他高级炔同系物以及少量的低溶解度乙炔和合成气首先被溶剂吸收下来。在丁二炔解吸塔中，通过真空加热的方法，溶剂里的气体全部从溶剂中闪蒸脱出。在乙炔吸收塔中，乙炔、高级炔和少量的CO、CO2、H2气体被吸收到溶剂里，主要部分低溶解度的气体离开吸收塔成为合成气，溶剂减压闪蒸解吸出溶解度低于乙炔的气体。含高级炔的粗乙炔进入解吸塔底部，高级炔被溶剂吸收，乙炔从解吸塔中抽出，在此乙炔浓度是最高的，最后得到高浓度合格的乙炔产品。溶剂在生产过程中再生，使溶剂可重复使用，因此提浓工段设计两种溶剂回路，分别为大、小回路，大回路主要分离乙炔，小回路主要分离丁二炔和高级炔。乙炔的生产过程中也会产生一些炭黑水，这些冷却水与含有不同杂质的气体接触，杂质留在就地冷却水之内，可采用沉淀法从水中除去炭黑，炭黑颗粒漂浮在水面上。由于有较高的吸附能力，每个炭黑颗粒都被气泡包围，所以实际炭黑密度低于水的密度，这就产生了漂浮效应，炭黑颗粒就浮起到水面上。

3.3优化设备的工艺

乙炔裂解后产生了大量炭黑，为了去除这些物质，有必要在生产设备中添加除尘设备，以便炭黑从裂解气中脱除。但这种方法不仅增加了能耗，而且使生产过程更加困难。此外，在生产过程中生产大量的高碱，由于较高烷烃和乙炔的特性相似，因此很难清洁乙炔。在生产所提供的天然气时，有必要优化设备的工艺，以降低工艺中只选用的较高的烷烃和炭黑，提高生产效率，降低生产所需的能源消耗。

3.4天然气部分氧化法技术的发展

经过几十年的发展，乙炔部分氧化技术比较成熟。由于原料多，价格低，这种方法已成为世界上非常重要的乙炔生产方法。但是，天然气制乙炔的部分氧化技术还存在一些不足：(1）能耗比较高，天然气的2/3被燃烧为反应提供热能，只有1/3的原料可以转化为乙炔。(2）天然气通过化学反应产生部分炭黑，增加能源消耗，炭黑的处理需要环境保护，增加生产成本。(3）压缩气体中乙炔浓度很低，这也增加了分离系统的能耗。(4）由于传统的裂解炉采用淬冷水，因此会浪费大量热能。

结束语

通过讨论部分氧化生产天然气制乙炔的技术，为了获得更高的产品产量，优化生产工艺和技术措施，满足天然气化工生产的技术要求。天然气部分氧化制乙炔时，甲烷经过热裂解反应压缩制乙炔产品，乙炔经过净化，生产过程中黑水分离，避免污染，使整个生产过程绿色环保，满足天然气化学生产的基本要求，并生产更多乙炔作为化工生产中的中间体，为甲醇和合成氨等更多化学产品的生产提供原料支持。

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