[00008216]热扩散管反应器中天然气转化制氢气、乙炔和液态烃

技术投资分析： 1. 研究意义: 随着石油资源的大量开采利用，其储量不断减少，寻找它的替代品已势在必行。天然气具有丰富的储量，因此由天然气生产氢气、C2烃等化工原料以及液体燃料，实现石油化工的战略转移具有极其重大的社会和经济效益。 由天然气制液态烃可在首先制得合成气后由F-T合成的两步法实现。但是，两步法过程复杂、设备投资大。由天然气制乙炔可通过电弧法实现，该方法需要较高的反应温度（1700~1800K）、较短的接触时间（1~2毫秒）和对产物进行骤冷处理（数毫秒内降至500K以下）以提高乙炔的生成选择性，因此能耗较大。天然气部分氧化制乙炔（即燃烧掉一部分天然气产生高温使另一部分原料气裂解生成乙炔）也是一个工业化的方法。但该工艺方法的缺点是：（1）能耗高，近2/3的天然气被烧掉为反应提供热量，仅有1/3的原料用于裂解反应生产乙炔；（2）副产炭黑，容易使反应器及后续系统造成堵塞、清理困难；（3）裂解气中乙炔浓度过低，仅有8% ~ 9%，造成分离系统能耗大，溶剂消耗量大。 2. 本工艺的特点: 本工艺采用热扩散管反应器进行甲烷脱氢偶联反应。热扩散管为不锈钢管，外壁附带有冷却水夹套，通冷却水使不锈钢管壁保持在室温附近。不锈钢管的中心轴线处设置一根碳棒或SiC棒作加热体，通电产生高温。一般加热体表面温度控制在1300~1470K。这样，在不锈钢管壁与加热体之间存在温度梯度，因而产生热扩散和对流作用使产物分子依分子量大小发生分离。甲烷转化反应发生在高温区域。分子量小的产物分子倾向于分布在高温区，而相对分子量大的产物分子则向低温区扩散从而离开高温区。图1是热扩散管反应器的示意图。 电弧法的主要产物是乙炔和氢气，其它少量产物有乙烯、苯、C3、C4和碳黑。在热扩散管反应器中甲烷转化反应的主要产物为乙炔、氢气和萘，其它少量产物为乙烯、乙烷、其它芳香烃类化合物、C3、C4和热解碳。与电弧法比较，在热扩散管反应器中大量的芳香烃（萘为主要产物）的生成是由于反应气体在反应器中的停留时间比较长以及C2产物向低温壁的扩散或被冷却的速度比较慢的缘故。室温下为液态的油状产物在扩散管壁上冷凝下来，最终被收集到试管中。 3. 本工艺操作参数: 反应器的结构参数包括不锈钢管内径和长度、加热体的材质、直径和长度、以及反应气体进出口位置。 反应操作条件包括甲烷流速、通入方向（上升流或下降流）、加热体表面温度、以及不锈钢管壁温度。 需要特别指出的是，甲烷的通入方向对甲烷转化率和产物选择性有十分显著的影响。与甲烷下降流（由上向下通入反应器）比较，当甲烷为上升流（由下向上通入反应器）时，甲烷转化率明显增加，油状产物选择性也明显增加、C2产物选择性明显减小。因而，甲烷上升流时反应出口气体中氢气含量也很高。一般氢气百分含量可控制在40%~80%。 作为例子报道如下。所用反应器尺寸及反应条件为：不锈钢管扩散管内径30mm、长300mm，碳棒直径3mm、长183mm，碳棒表面温度1470K。在甲烷流速60ml/min的情况下，甲烷下降流时甲烷转化率为35%、C2烃选择性为41%、液态烃选择性57%；甲烷上升流时甲烷转化率增加至54%、C2烃选择性为16%、液态烃选择性为81%。在甲烷流速20ml/min的情况下，甲烷下降流时甲烷转化率为36%、C2烃选择性为36%、液态烃选择性为62%；甲烷上升流时甲烷转化率增加至73%、C2烃选择性为7%、液态烃选择性为90%。 技术的应用领域前景分析： 与已经工业化的电弧法比较，本工艺的特色是①能耗低；②反应器结构简单、易于操作；③液态烃选择性高；④设备投资小。 效益分析： 拟制作扩散管径不同、长300mm 至1000mm的反应器若干，并选用不同尺寸的加热体（改变直径和长度）进行放大实验和稳定性考察。研究期间为1～2年。将获得各种反应器结构、操作条件下的反应转化率、产物选择性及其随时间变化等的详细实验数据。经费预算为15～30万元。 厂房条件建议： 无 备注： 无