Способ получения этилена из природного газа

Изобретение относится к способу получения этилена плазмохимическим пиролизом природного газа, характеризующемуся тем, что на первой стадии синтезируют активные частицы: в плазмотроне - атомарный водород, в форреакторе - метильные радикалы, под воздействием которых на природный газ, поступающий в реактор пиролиза, получают этилен с примесью ацетилена, который без выделения его из пирогаза селективно гидрируют в этилен на последующей стадии в присутствии катализатора в газовой фазе, с последующим выделением концентрированного этилена из продуктов гидрирования методом низкотемпературной ректификации, возращением части метановодородной смеси со стадии гидрирования на стадию пиролиза в форреактор и использованием балансового количества метановодородной смеси для получения электроэнергии или в качестве товарного продукта, при этом содержание метана в метановодородной смеси, подаваемой в форреактор, не выше 13% мас.

Применение данного способа позволяет повысить выход этилена при меньших затратах энергии. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области химической технологии получения этилена.

Известны способы получения этилена из природного газа.

Этилен получают пиролизом природного газа совместно с ацетиленом при окислительном пиролизе природного газа (Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. Химия, 1970, с.186, с.399, 403). Но в этом процессе выход суммы ацетилена и этилена на сырье не превышает 25% мас.

В настоящее время в ряде стран работают промышленные установки разложения природного газа непосредственно в электрическом разряде (так называемый процесс электрокрекинга).

Лучшие показатели электрокрекинга природного газа таковы: общая степень превращения в ацетилен 50%, содержание ацетилена в продуктах до 14,5 об.% при затратах электроэнергии 13,6 кВт·ч на 1 нм³ природного газа. Однако в продуктах содержатся значительные количества сажи и гомологов ацетилена. Серьезные недостатки, свойственные электрокрекингу природного газа, вызваны тем, что имеют место огромные градиенты температур (Теоретическая и прикладная плазмохимия. Полак Л.С, Овсянников А.А., Словецкий Д.И., Вурзель Ф.Б. М.: Наука, 1973, с.237).

Известен способ получения этилена из метана в водородной плазме (там же, с.238-239). В этом процессе выход ацетилена совместно с этиленом составляет 78,5%, затраты энергии на их получение составляют 9,5 кВт·ч/кг.

В качестве прототипа взят способ получения этилена из природного газа в водородной плазме (Патент RU 2169755, 12.11.1999).

Недостатком этого способа получения этилена (0,5% об.) в пирогазе является использование двух катализаторов для гидрирования ацетилена и растворителя.

Предлагается способ, устраняющий недостаток прототипа.

По предлагаемому способу в плазмоагрегате 1, состоящем из плазмотрона 1, форреактора 1₂, реактора пиролиза 3 осуществляется синтез этилена. На первой стадии синтезируют активные частицы: в плазмотроне 1₁ - атомарный водород, в форреакторе 1₂ - метильный радикал, под воздействием которых на природный газ, поступающий в реактор пиролиза, получают этилен с примесью ацетилена.

Пирогаз - без выделения этилена, ацетилена, водорода - направляется на стадию 2, где за счет водорода и катализатора происходит гидрирование ацетилена (5% мас.) в этилен. Получается дополнительный этилен. Продукты пиролиза и гидрирования подвергаются низкотемпературной ректификации с выделением товарного этилена и метановодородной смеси, частичной рециркуляции последней в форреактор и с использованием балансового количества в качестве топлива для получения электроэнергии и водяного пара на газотурбинной установке (ГТУ). Способ характеризуется высоким выходом этилена на природный газ (83,38% мас.).

Способ осуществляется в 3 стадии (см. чертеж).

1. Плазмохимический пиролиз сырья.

2. Гидрирование ацетилена в этилен.

3. Выделение этилена из пирогаза.

Температура в плазмотроне Т=4000-4500 К. Степень диссоциации водорода ≤64%. Для регулирования концентрации метана в форреакторе (не более 13% мас.) водород также подается в форреактор.

Пиролиз природного газа осуществляется в реакторе пиролиза 1₃ при температуре до 1300 К и давлении до 0,5 МПа. Перед реактором пиролиза природный газ подогревается до температуры 900 К.

После реактора пиролиза 1₃ в зону закалки подается этан из газоразделения или тяжелая фракция нефти. Окончательное охлаждение пирогаза 6 осуществляется возвратной метановодородной смесью 5, и пирогаз температурой 380…400 К направляется на стадию гидрирования ацетилена 2. В качестве гидрирующего агента используется водород, содержащийся в пирогазе.

Пирогаз без выделения ацетилена и без предварительного нагрева поступает в реактор каталитического гидрирования, в котором на катализаторе «никель на кизельгуре» в газовой среде осуществляется гидрирование ацетилена в этилен. В реакторе гидрирования 2 установлен холодильник, где тепло, выделяющееся в процессе гидрирования, отводится циркулирующим хладагентом.

Этиленсодержащий газ 7 поступает на стадию выделения этилена 3 методом низкотемпературной ректификации. Полученный концентрированный этилен 8 направляется потребителю. Этан 9 со стадии 3 возвращается на стадию закалки пирогаза. Метановодородная смесь используется в форреакторе 1₂ для синтеза метильного радикала, а частично как топливо для получения электроэнергии и водяного пара или как реагент в процессах гидроочистки топлив.

Концентрация метана в метановодородной смеси, поступающей в форреактор, не должен превышать 13% мас.

Пример осуществления способа.

На опытной установке был проведен пиролиз природного сырья под действием метильных радикалов и атомарного водорода, полученных в плазмотроне 1₁ и форреакторе 1₂. Мощность плазмотрона 12 кВт. Расход сырья 2,5 кг/ч. Температура в реакторе пиролиза 1300 К, Р=1,4 ат на выходе пирогаза из закалочного устройства. После реактора пиролиза пирогаз имел следующий химический состав, % мас.: С₂Н₄ - 78; С₂Н₂ - 5; Н₂ - 9,75; СН₄ - 6,15; С₂Н₆ - 1,10.

После реактора пиролиза пирогаз поступает непосредственно в реактор гидрирования с температурой 380-400 К.

Процесс гидрирования ацетилена в пирогазе осуществляли с неподвижным слоем катализатора «никель на кизельгуре». Объемная скорость подач сырья 1000 ч^-1, температура 400-500 К. Содержание никеля не более 54% мас. (ТУ 38101396-89Е). После гидрирования концентрация в пирогазе в % мас.:

С₂Н₄ - 83,38; С₂Н₆- 1,10; Н₂ - 9,369; СН₄ - 6,15; С₂Н₂- 0,001.

Расход электроэнергии в расчете на 1 кг этилена после реактора гидрирования не более 6,1 кВт·ч.

После реактора гидрирования этилен выделяется методом низкотемпературной ректификации.

Применение нового способа позволит повысить выход этилена при меньших затратах энергии по сравнению с процессом, взятым в качестве прототипа.

1. Способ получения этилена плазмохимическим пиролизом природного газа, отличающийся тем, что на первой стадии синтезируют активные частицы: в плазмотроне - атомарный водород, в форреакторе - метильные радикалы, под воздействием которых на природный газ, поступающий в реактор пиролиза, получают этилен с примесью ацетилена, который без выделения его из пирогаза селективно гидрируют в этилен на последующей стадии в присутствии катализатора в газовой фазе, с последующим выделением концентрированного этилена из продуктов гидрирования методом низкотемпературной ректификации, возращением части метановодородной смеси со стадии гидрирования на стадию пиролиза в форреактор и использованием балансового количества метановодородной смеси для получения электроэнергии или в качестве товарного продукта, при этом содержание метана в метановодородной смеси, подаваемой в форреактор, не выше 13 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в водородном плазмотроне поддерживается в пределах 4000-4500 К и степень диссоциации водорода ≤64%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что природный газ перед реактором пиролиза подогревается до температуры 900 К, пиролиз природного газа осуществляется под действием атомарного водорода и метильного радикала при температуре до 1300 К, где основным продуктом пиролиза является этилен.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пирогаз, содержащий ацетилен, охлаждается до температуры не ниже температуры селективного каталитического гидрирования ацетилена в этилен с использованием катализатора «никель на кизельгуре» в газовой фазе, при этом тепло реакции гидрирования отводится в холодильнике, расположенном в реакторе гидрирования.