Виробництво ацетилену крекінгом метану

Сировиною для одержання ацетилену служить метан або суміш вуглеводнів, що містяться в природному газі чи рідких фракціях переробки нафти. За високих температур відбуваються такі реакції крекінгу вуглеводнів:

2СН₄ СН ≡ СН + ЗН₂-Q₁,

С₂Н₆ СН ≡ СН + 2Н₂ - Q_2,

2С₃Н₈ 3 3СН ≡ СН + 5Н₂ - Q₃.

2C₃H₈→ 3 СН ≡ СН + 5H₂

За таких високих температур утворений ацетилен може швидко розкладатися на карбон і дигідрогену за реакцією

СН ≡ СН <=> 2С + Н₂-Q₄.

Тому концентрація ацетилену буде тим вищою, чим меншим буде час перебування прореагованої суміші в зоні високих температур. З іншого боку, за температур, нижчих як 1200°С, ацетилен у присутності водню є термодина­мічно нестійким. У зв’язку з цим продукти реакції слід різко охолодити зразу ж на виході з реакційної зони. За температури 100°С і нижче ацетилен розкладається дуже повільно.

Розрізняють такі види високотемпературного крекінгу метану:

1) термічний крекінг;

2) термоокиснювальний піроліз - термічний розклад у присутності диоксигену;

3) електрокрекінг - розклад у полум’ї електричної дуги.

Термічний крекінг

Цей спосіб здійснюється в печах-регенераторах. Піч має вогнетривку насадку з пластин глинозему (А1₂О₃). Насадка за усією довжиною печі має циліндричні канали, якими рухаються гази. Спочатку насадка розігрівається до 1400…1600°С димовими газами, що утворюються від спалювання частини природного газу, після чого через піч пропускається газ, який підлягає крекінгу. Якщо температура насадки знизиться, то піч знову розігрівається, і процес повторюється. Отже, піч працює періодично. Для організації безперервного процесу встановлюють дві печі, в яких через певні проміжки часу чергуються розігрівання і крекінг. Продукти крекінгу містять близько 7...10 об.% ацетилену.

Термоокиснювальний крекінг

Цей спосіб полягає в неповному окисненні метану за високих температур за реакцією

11СН₄ + 7О₂ 2СН ≡ СН + 6СО + 14Н₂ + СО₂ + 6Н₂О + Q.

 

Висока температура, яка необхідна для реалізації цього процесу, досягається спалюванням частини природного газу в технічному кисні. Співвідношення між метаном і диоксигеном при цьому дорівнює 2:1...1,6:1. Суміш газів пропускають через піч з такою швидкістю, щоб згоряння було неповним. За реакцією одночасно з ацетиленом утворюються карбон (II) оксид, дигідроген, карбон (IV) оксид і водяні пари.

На рис. 16.3 наведено спрощену схему конструкції печі термоокиснювального крекінгу метану.

Рис. 16.3. Схема конструкції печі термоокиснювального крекінгу метану: 1 - штуцер для подачі кисню; 2 - штуцер для подачі природного газу; 3 - камера змішування; 4 - колосникові грати; 5 - форсунка для розбризкування охолоджувальної води; б - камера охолодження газів; 7 - штуцер для відведення продуктів крекінгу

 

Попередньо підігріті до 500°С технічний кисень і метан (400...500 м³/год і 800 м³/год, відповідно) штуцерами 1 і 2 подаються в камеру змішування 3 печі, яка має футерування з шамотної (вогнетривкої) цегли. Внизу печі знаходиться колосникові ґрати 4 з вогнетривкого матеріалу (силіманіту). Метано-киснева суміш з великою швидкістю (30 м/с) проходить через отвори ґрат, під якими і відбувається окиснення частини метану. Для швидкого охолодження газів і відмивання їх від сажі, яка утворюється внаслідок неповного розклад метану, через форсунки 5 в нижню частину печі 6 вприскується холодна вода, що утворює водяну завісу. Продукти крекінгу містять 8%С₂Н₂, 26%СО, 54%Н₂, решта - карбон (IV) оксид, етилен, нерозкладений метан, азот та інші домішки. Ступінь перетворення метану в ацетилен становить 30...32 %. Після відділення ацетилену газ, що містить карбон (II) оксид і дигідроген, використовується для синтезу метанолу та інших продуктів.

Внизу печі осаджується сажа, яка відводиться разом з відпрацьованою водою.

Електрокрекінг

Цей процес відбувається під час пропускання газу, який переробляється, через електричну дугу, де температура досягає 1600°С. Для швидкого охолодження продуктів реакції і відмивання з них сажі в нижню частину реактора вприскується вода. Продукти електрокрекінгу мають такий склад, % об.: ацетилену і його гомологів — 13...14; етилену — 1; дигідрогену — 50...55 і непрореагованого СН₄ - 30...35. Ступінь перетворення метану становить близько 50 %. Ацетилен з продуктів крекінгу виділяється абсорбцією розчин­никами селективної дії, наприклад, диметилформамідом тощо.

Порівняння техніко-економічних показників виробництва ацетилену різними способами свідчить, що найперспективнішим з них є термоокиснювальний крекінг метану.