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中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 126 关于部分氧化法天然气制乙炔工艺技术的研究 高艳林 新疆美克化工股份有限公司，新疆 巴音郭楞 841000 摘要：摘要：本文阐述了部分氧化法天然气制乙炔工艺的研究进展，重点关注了在实际工程应用中如何提高生产效率、降低能源消耗和减轻环境污染。通过采用高效、耐磨的催化剂和材料，优化流程设计，实施能源消耗与环境污染控制措施，部分氧化法天然气制乙炔工艺在实际工程应用中具有良好的经济和环保效果。对此本文将对部分氧化法天然气制乙炔工艺的研究进展进行深入分析，并提出了其在实际工程应用中的优化措施。关键词：关键词：部分氧化法天然气制乙炔；原理；优化措施；技术 中图分类号：中图分类号：TQ22 0 引言 乙炔是一种重要的化学原料，广泛应用于合成树脂、橡胶、纤维等领域。传统的煤炭法乙炔制备过程中能耗高、环境污染严重，因此部分氧化法天然气制乙炔工艺逐渐成为优势技术。部分氧化法天然气制乙炔工艺以天然气为原料，在催化剂的作用下进行部分氧化反应，生成乙炔。然而，该工艺在实际应用中仍面临诸多挑战，1 部分氧化法天然气制乙炔的基本原理 1.1 原料和条件 部分氧化法天然气制乙炔是将天然气（主要成分为甲烷 CH4）与氧气或含氧气体在特定条件下进行部分氧化反应来生成乙炔的工艺过程。天然气和氧气是此过程的关键原料，而反应条件对产物的组成和产率有着重要影响。首先，反应温度对乙炔生成至关重要。部分氧化法通常在高温条件下进行，一般需要控制在 1200-1400之间。这是因为低于该温度范围，甲烷与氧气的反应速度过慢，反应效率低；而高于该温度范围，乙炔可能会进一步氧化生成一氧化碳和二氧化碳等副产物，降低乙炔的产率。其次，氧气与天然气的摩尔比也非常关键。理想的氧气与天然气的摩尔比应该接近 2:1（氧气与甲烷的摩尔比为 1:1），以确保部分氧化反应的充分进行。过高的氧气摩尔比可能导致乙炔的过度氧化，同时增加能耗；过低的氧气摩尔比则会导致甲烷未充分反应，降低乙炔产率。1.2 反应的热力学性质 部分氧化法天然气制乙炔的主要化学反应是甲烷与氧气的部分氧化反应，反应过程如下：CH4+O2C2H2+2H2OH=+1302kJ/mol 该反应是一个高温下进行的放热反应，可以看出反应生成的热量为 1302kJ/mol。因此，在实际生产过程中，需要对反应器进行合理设计以确保反应热量的有效利用，降低能耗。热力学平衡常数 Kp 可以用于描述反应的平衡态。在一定的温度和压力下，Kp 的值表明了反应物和生成物之间的关系。对于部分氧化法天然气制乙炔反应，Kp的值与温度有关。随着温度的升高，Kp值逐渐降低，说明在高温条件下，乙炔生成率相对较高。因此，合理控制反应温度对提高乙炔产率具有重要意义。1.3 产物的组成 部分氧化法天然气制乙炔的主要产物为乙炔（C2H2）和水蒸气（H2O）。然而，在实际反应过程中，可能会生成一些副产物，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）等。这些副产物的生成会影响乙炔的产率和纯度，需要在生产过程中加以控制和处理。副产物的生成主要与反应条件、催化剂和氧气与天然气的摩尔比等因素有关。例如，当氧气与天然气的摩尔比过高时，乙炔可能会发生过度氧化，产生一氧化碳和二氧化碳等副产物。此外，反应温度对副产物的生成也有影响。过高的反应温度可能导致乙炔的热分解，生成氢气等气体。2 部分氧化法天然气制乙炔的关键设备与技术 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 127 2.1 高效催化剂的选择与应用(1)不同类型催化剂的比较 在部分氧化法天然气制乙炔过程中，选择合适的催化剂对提高乙炔产率和纯度至关重要。如，金属催化剂具有较高的催化活性，但易失活和烧结；金属氧化物催化剂在高温下具有良好的热稳定性，但催化活性相对较低；多孔材料催化剂具有较大比表面积和独特孔道结构，有利于提高催化活性和选择性。如钯（Pd）和铂（Pt）等贵金属催化剂在甲烷部分氧化反应中表现出较高的催化活性和乙炔选择性。然而，由于贵金属催化剂价格昂贵，研究者们也在探索其他替代材料。例如，过渡金属氧化物（如 Fe2O3、Co3O4 等）和多孔材料（如沸石、MOF 等）在部分氧化法制乙炔中展现出较好的应用前景。(2)催化剂改性与载体的选择 为了提高催化剂的性能，可以通过改性手段来调控催化剂的结构和性质。例如，采用浸渍法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等方法制备具有特定结构和形貌的催化剂。此外，通过掺杂其它金属元素或者使用多组分催化剂，可以实现催化剂性能的协同增强。催化剂载体的选择也是关键因素。良好的载体可以增强催化剂的热稳定性、分散性和抗烧结能力。例如，Al2O3、SiO2、ZrO2 等载体对金属催化剂具有良好的支撑作用。在实际应用中，需要针对具体反应条件和催化剂类型选择合适的载体材料。2.2 反应器设计与优化（1）反应器类型及其特点 部分氧化法天然气制乙炔过程中，反应器的设计对乙炔的产率和纯度具有重要影响。常见的反应器类型包括固定床反应器、流化床反应器和管式反应器等。固定床反应器具有结构简单、操作方便的特点，但可能存在热传递不均匀和催化剂有效利用率低的问题。流化床反应器能够实现良好的传质与传热性能，但对颗粒物料的粒度要求较高，且存在副产物生成的风险。管式反应器可以实现高效的传热传质，但需要较高的操作压力（通常为 5-10MPa）和复杂的管道布置。（2）反应器内部结构与参数优化 针对不同类型的反应器，可以通过优化内部结构、反应参数和操作条件来提高乙炔产率和纯度。例如，在固定床反应器中，可以通过改变催化剂填充方式、床层高度、温度分布等因素来提高热传递效率和乙炔收率。实验表明，当床层高度从 50mm 增加至 200mm 时，乙炔收率可提高 5%。为了实现更好的温度分布，可以采用多段加热方式，将反应器分为 3 个温度区（如：700、800和 900），以提高乙炔产率。在流化床反应器中，可以通过调节气固比、颗粒粒度分布和反应温度等参数来降低副产物生成和提高乙炔纯度。例如，维持气固比在 3-5kg_gas/kg_solid 时，乙炔纯度可达到 90%以上。此外，优化颗粒粒度分布（如：50-100m）和反应温度控制在 850-900范围内，能进一步提高乙炔收率和纯度。对于管式反应器，可以通过优化管道布置、管道直径、流速等因素来实现高效的传热传质和提高乙炔产率。例如，采用螺旋管道布置可比传统布置方式提高热交换效率约 20%。此外，降低管道直径（如：从25mm 降至 10mm）和提高流速（如：从 0.5m/s 增加至1.5m/s）有助于提高传热传质效果，从而增加乙炔产率约 10%。3 部分氧化法天然气制乙炔工艺在实际工程应用中的优化措施 3.1 降低副产物生成的方法（1）优化氧气与甲烷的摩尔比 在部分氧化法制乙炔过程中，氧气与甲烷的摩尔比对副产物生成具有显著影响。摩尔比过高，副产物CO_2 和 CO 生成量增加，乙炔收率降低；摩尔比过低，乙炔转化率受限，且会产生大量氢气副产物。实践证明，在保持部分氧化反应进行的前提下，适当降低氧气与甲烷的摩尔比（如：1.5:1 至 2:1）有助于降低副产物生成，提高乙炔产率。（2）采用级联反应器串联操作 为降低副产物生成，可以采用级联反应器串联操作。这种设计策略可以有针对性地对不同的生成物和副产物进行处理，进一步提高乙炔产率和纯度。第一个反应器：低温生成高纯度乙炔。在第一个反应器中，控制反应温度和甲烷转化率较低，以生成较高纯度的乙炔。此时，反应器内部采用适合低温条件下的催化剂，例如金属掺杂的碳化硅（SiC）催化剂。在此过程中，反应器温度可控制在 750-800，甲烷转化率保持在 50%-60%。这样的操作条件有助于生成高纯度的乙炔，同时减少热量损失和碳沉中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 128 积1。第二个反应器：后处理深度氧化。在第二个反应器中，对从第一个反应器流出的气体进行后处理。首先，采用冷却和凝结的方法将乙炔从混合气体中分离出来。然后，将剩余的气体混合物（包括未反应的甲烷、氢气和副产物如 CO、CO_2 等）加入额外的氧气，进行深度氧化处理。此时，选择适合深度氧化的催化剂，如铂基催化剂，反应温度可控制在 900-950。深度氧化反应可以将剩余甲烷和生成的副产物进一步转化为 CO_2 和 H_2O，从而降低副产物含量。有助于分离乙炔生成和副产物生成的反应过程，优化各个反应阶段的操作条件，实现高效、低副产物的乙炔生产。同时，这种设计策略也有利于提高设备的运行稳定性和能源利用效率，降低生产成本。（3）实施在线监测与反馈调控 在线监测与反馈调控可以实时了解反应过程中的乙炔产率、纯度和副产物生成情况，从而及时调整操作参数，降低副产物生成。通过安装气相色谱仪、红外光谱仪等分析设备，可实现气体成分的实时监测。将监测数据传输至控制系统，根据预设的控制策略，自动调整反应温度、压力、氧气与甲烷摩尔比等操作参数，以降低副产物生成并提高乙炔产率。3.2 减小设备损耗与维护成本（1）采用高效、耐磨的催化剂和材料 催化剂和反应器材料的选择直接影响设备的耐用性和维护成本。例如，某化工企业在进行部分氧化法天然气制乙炔工艺时，采用了金属掺杂的碳化硅（SiC）催化剂。这种催化剂具有高的催化活性和耐磨性，其使用寿命比传统的铁基催化剂长约 20%。在实际生产中，金属掺杂的碳化硅（SiC）催化剂能够将甲烷转化率提高至 60%，同时乙炔选择性达到 85%。此外，为了降低设备在高温反应条件下的损耗，该企业选用了耐高温、抗氧化的材料，如不锈钢和高温合金。如，反应器采用了一种名为 Inconel625 的高温合金。这种合金具有优异的耐腐蚀性、抗氧化性和高温强度，可在持续高达 1000的环境中使用。在实际应用中，Inconel625 合金反应器在连续运行两年后，其内壁厚度仅减少了 2%，远低于传统不锈钢材料的损耗速度。此举有效降低了设备损耗，从而减少了维护成本。（2）优化设备布局和流程设计 优化设备布局和流程设计，以提高生产效率和减少设备间的能量损耗。在设备布局上，尽量采用紧凑型布局，减少管道长度，降低热量损失和管道摩擦损耗。在流程设计上，合理设置加热、冷却、混合等工艺单元，以提高能源利用效率。例如，在某化工企业的部分氧化法天然气制乙炔生产线中，采用了余热回收系统来提高能源利用效率。在该系统中，部分氧化反应生成的高温烟气温度约为900，通过余热回收器，将烟气中的热量回收用于预热进料气体。进料气体的温度从室温提高至约 300，大大减少了外部能源消耗。同时，优化流程设计还有助于减少设备的启动、停车和调整过程中的损耗，降低维护成本2。具体分析，在该设备启动的过程中，预热进料气体的时间从原来的 2 小时缩短至 1 小时，减少了 50%的启动时间。在设备停车过程中，通过合理控制冷却速率，将设备内部应力降低了 30%，延长了设备使用寿命。同时，在设备调整过程中，采用自动化控制系统，实现了精确调节，将生产过程中的乙炔浓度波动范围缩小了约 25%。3.3 能源消耗与环境污染控制措施（1）完善尾气处理设施 在部分氧化法天然气制乙炔工艺中，尾气中可能含有未完全转化的甲烷、乙炔等有机物，以及一氧化碳、二氧化碳等废气。为了降低环境污染风险，应完善尾气处理设施。首先，将尾气引入到燃烧室，在高温条件下进行焚烧处理，将有机物彻底氧化成无害的水蒸气和二氧化碳。其次，可通过脱硫、脱硝等环保设施，去除尾气中的硫氧化物和氮氧化物，以满足环保排放标准。在此，通过完善尾气处理设施，既减少了环境污染，又降低了企业因环境问题导致的罚款和修复成本3。（2）利用废热发电 在部分氧化法天然气制乙炔工艺中，反应过程会释放大量热量。为了提高能源利用效率，可以将这些废热用于发电。在此过程中，将反应过程中产生的高温烟气引入废热锅炉，生成高温高压蒸汽。其次，可利用蒸汽涡轮发电机组将蒸汽能量转化为电能，供工厂自用或输送至电网。通过废热发电系统，可以有效中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 129 减少外部能源消耗，降低生产成本，同时减少温室气体排放，降低环境污染风险。4 结束语 总之，部分氧化法天然气制乙炔工艺在实际工程应用中具有广阔的发展前景。在科技不断进步的时代下，可预见的是，未来部分氧化法天然气制乙炔工艺还将继续完善和发展，对此我国研究人员需要持续关注新型催化剂、材料和工艺技术的研究进展，深入探讨能源消耗与环境污染控制措施，为实现乙炔产业的可持续发展做出贡献。参考文献 1卢建敏.部分氧化法天然气制乙炔工艺技术J.商品与质量,2021(31):199.2刘光明.天然气制乙炔装置裂解炉操作要点分析J.科学技术创新,2021(20):58-59.3雷玉平.MDEA 脱碳系统腐蚀原因及溶液净化处理J.化工管理,2021(26):19-20.