使用超音速流反應(yīng)器的甲烷轉(zhuǎn)化裝置及方法
【專利說(shuō)明】使用超音速流反應(yīng)器的甲烷轉(zhuǎn)化裝置及方法
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請(qǐng)主張于2012年8月21日提出申請(qǐng)的第61/691，333號(hào)臨時(shí)申請(qǐng)及于2013年8月15日提出申請(qǐng)的第13/967,697號(hào)美國(guó)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明公開(kāi)用于使用超音速流反應(yīng)器將烴料流中的甲烷轉(zhuǎn)化成乙炔的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0004]輕烯烴材料(包含乙烯及丙烯)代表石油化學(xué)工業(yè)中全球需求中的一大部分。輕烯烴用于經(jīng)由聚合、低聚、烷基化及其它眾所周知的化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生眾多化學(xué)產(chǎn)物。這些輕烯烴是現(xiàn)代石油化學(xué)及化學(xué)工業(yè)的基石。因此，以經(jīng)濟(jì)方式生產(chǎn)大量輕烯烴材料是石油化學(xué)工業(yè)中的重點(diǎn)。當(dāng)今精煉中的這些材料的主要來(lái)源是石油進(jìn)料的蒸汽裂解。
[0005]長(zhǎng)期以來(lái)已使用借助加熱熔爐中的原料材料達(dá)成的烴的裂解來(lái)產(chǎn)生有用產(chǎn)物，包含例如烯烴產(chǎn)物。舉例而言，可借助介于輕鏈烷烴(諸如乙烷及丙烷)至較重餾分(諸如石腦油)的范圍內(nèi)的原料的熱解來(lái)產(chǎn)生位列化學(xué)工業(yè)中較重要產(chǎn)物中的乙烯。通常，較輕原料產(chǎn)生較高乙烯產(chǎn)率(與石腦油的25%至30%相比，乙烷為50%至55% );然而，原料的成本更可能決定使用哪一種。歷史上，石腦油裂解已提供最大乙烯源，其次是乙烷及丙烷熱解、裂解或脫氫。然而，由于對(duì)乙烯及其它輕烯烴材料的大量需求，這些傳統(tǒng)進(jìn)料的成本已不斷增加。
[0006]能源消耗是影響自各種原料熱解產(chǎn)生化學(xué)產(chǎn)物的另一成本因素。在過(guò)去數(shù)十年中，已存在已減小生產(chǎn)成本的熱解方法的效率的顯著改良。在典型或常規(guī)的熱解廠中，原料通過(guò)多個(gè)熱交換器管，在該處其借助燃料油或天然氣及空氣的燃燒產(chǎn)物在外部被加熱至熱解溫度。用以使生產(chǎn)成本最小化所采取的較重要步驟中的一者是減小原料在熱解熔爐的熱交換器管中的滯留時(shí)間。滯留時(shí)間的減小增加所期望產(chǎn)物的產(chǎn)率同時(shí)減小往往污損熱解管壁的較重副產(chǎn)物的產(chǎn)生。然而，在傳統(tǒng)熱解方法中已剩余很少空間來(lái)改良滯留時(shí)間或總能源消耗。
[0007]用以減少輕烯烴生產(chǎn)成本的較最近嘗試包含利用替代方法和/或進(jìn)料料流。在一種方法中，使用烴氧合物(oxygenate)、更具體而言甲醇或二甲醚(DME)作為用于產(chǎn)生輕烯烴產(chǎn)物的替代原料?？勺灾T如煤、天然氣、回收塑料、來(lái)自工業(yè)的各種碳廢物料流及來(lái)自農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的各種產(chǎn)物及副產(chǎn)物等可用材料來(lái)產(chǎn)生氧合物。自這些類型的原材料制作甲醇及其它氧合物是本領(lǐng)域熟知的并且通常包含一個(gè)或多個(gè)眾所周知的方法，諸如在蒸汽重組步驟中使用鎳或鈷催化劑、然后接著通過(guò)使用基于銅的催化劑在相對(duì)高壓下的甲醇合成步驟來(lái)制造合成氣體。
[0008]一旦形成氧合物，方法即包含在氧合物至烯烴(OTO)方法中將氧合物(諸如甲醇)以催化方式轉(zhuǎn)化成所期望輕烯烴產(chǎn)物。US 4，387，263中闡述用于轉(zhuǎn)化氧合物的技術(shù)(諸如甲醇至輕烯烴(MTO))，US 4，387，263公開(kāi)一種使用含有沸石型催化劑的催化轉(zhuǎn)化區(qū)的方法。US 4，587，373公開(kāi)出于制作輕烯烴目的而使用如ZSM-5的沸石催化劑。另一方面，US5，095，163,US 5，126，308及US 5，191，141公開(kāi)一種使用非沸石分子篩催化材料(諸如金屬鋁磷酸鹽(ELAPO)分子篩)的MTO轉(zhuǎn)化技術(shù)。在有用時(shí)，OTO及MTO方法利用用于借助首先將進(jìn)料轉(zhuǎn)化成氧合物且隨后將該氧合物轉(zhuǎn)化成所要的烴產(chǎn)物來(lái)形成該烴產(chǎn)物的間接方法。此間接生產(chǎn)路徑通常與能量及成本損失相關(guān)聯(lián)，通常減小借助使用較不昂貴的進(jìn)料材料所獲得的優(yōu)點(diǎn)。
[0009]近來(lái)，已嘗試使用熱解來(lái)將天然氣轉(zhuǎn)化成乙烯。US 7，183，451公開(kāi)將天然氣加熱至使餾分轉(zhuǎn)化成氫氣及烴產(chǎn)物(諸如乙炔或乙烯)的溫度。然后將產(chǎn)物料流驟冷以停止進(jìn)一步反應(yīng)且隨后在存在催化劑的情況下起反應(yīng)以形成待輸送的液體。最終產(chǎn)生的液體包含石腦油、汽油或柴油。盡管此方法對(duì)于將天然氣的一部分轉(zhuǎn)化成乙炔或乙烯有效，但估計(jì)此方法將提供來(lái)自甲烷進(jìn)料料流的乙炔的僅約40%的產(chǎn)率。盡管已確認(rèn)，連同短滯留時(shí)間一起的較高溫度可增加產(chǎn)率，但就此而言，技術(shù)局限性阻礙對(duì)此方法的進(jìn)一步改良。
[0010]盡管前述傳統(tǒng)熱解系統(tǒng)提供用于將乙烷及丙烷轉(zhuǎn)化成其它有用烴產(chǎn)物的解決方案，但已證實(shí)其對(duì)于將甲烷轉(zhuǎn)化成這些其它產(chǎn)物(諸如例如乙烯)是低效或不經(jīng)濟(jì)的。盡管MTO技術(shù)具有前景，但這些方法可由于形成所期望產(chǎn)物的間接方法而是昂貴的。由于用于傳統(tǒng)方法的進(jìn)料(諸如乙烷及石腦油)的價(jià)格的持續(xù)增加，以及天然氣及其它可用甲烷源(舉例而言，最近可獲得頁(yè)巖氣)的充足供應(yīng)及對(duì)應(yīng)低成本，因此期望提供使用甲烷作為用于產(chǎn)生乙烯及其它有用烴的進(jìn)料的商業(yè)可行且成本有效的方式。
[0011]附圖簡(jiǎn)單說(shuō)明
[0012]圖1是根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的超音速反應(yīng)器的側(cè)視剖面圖；
[0013]圖2是根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的用于將甲烷轉(zhuǎn)化成乙炔及其它烴產(chǎn)物的系統(tǒng)的示意圖；
[0014]圖3是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0015]圖4是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0016]圖5是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的超音速反應(yīng)器的剖面圖；
[0017]圖6是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的一部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0018]圖7是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0019]圖8是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0020]圖9是圖1的超音速反應(yīng)器的一部分的透視圖；
[0021]圖10是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0022]圖11是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0023]圖12是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的部分側(cè)視剖面圖；
[0024]圖13是展示根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的圖1的超音速反應(yīng)器的部分的透視剖視圖；
[0025]圖14是根據(jù)本文中所闡述的各種實(shí)施方案的超音速反應(yīng)器的示意圖。
[0026]連述
[0027]一種已提出的尚未獲得很多商業(yè)關(guān)注的產(chǎn)生烯烴的替代現(xiàn)有方法的方案包含將烴原料傳遞至超音速反應(yīng)器中并將其加速至超音速速度以提供可轉(zhuǎn)變成熱以使得能夠發(fā)生吸熱熱解反應(yīng)的動(dòng)能。在US 4，136，015、US 4，724，272及俄羅斯專利第SU 392723A號(hào)中陳述此方法的變化方式。這些方法包含在富氧環(huán)境中燃燒原料或載體流體以增加進(jìn)料的溫度并將進(jìn)料加速至超音速速度。沖擊波形成于反應(yīng)器內(nèi)以引發(fā)進(jìn)料的熱解或裂解。
[0028]最近，US 5，219，530及US 5，300, 216已建議利用沖擊波反應(yīng)器來(lái)提供用于引發(fā)天然氣的熱解以產(chǎn)生乙炔的動(dòng)能的類似方法。更特定而言，此方法包含使蒸汽穿過(guò)加熱器區(qū)段以變得過(guò)熱并加速至近超音速速度。將經(jīng)加熱流體運(yùn)送至起使載體流體膨脹的作用至超音速速度且降低溫度的噴嘴。使乙烷原料通過(guò)壓縮機(jī)及加熱器并借助噴嘴注射以與超音速載體流體混合以在2.8馬赫的速度及427°C的溫度下以湍流形式混合在一起?；旌蠀^(qū)段中的溫度保持足夠低以限制過(guò)早熱解。沖擊波反應(yīng)器包含具有逐漸增加的剖面面積的熱解區(qū)段，其中由于出口處的流動(dòng)限制由反應(yīng)器中的背壓形成駐沖擊波(standing shockwave)。該沖擊波迅速減小流體的速度，從而借助將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱而對(duì)應(yīng)迅速地增加混合物的溫度。這立即引發(fā)乙烷原料的熱解以將其轉(zhuǎn)化成其它產(chǎn)物。驟冷熱交換器然后接收經(jīng)熱解混合物以使熱解反應(yīng)驟冷。
[0029]大體上公開(kāi)了用于使用超音速反應(yīng)器來(lái)轉(zhuǎn)化甲烷進(jìn)料料流中的烴組份的方法及裝置。如本文中所使用，術(shù)語(yǔ)“甲烷進(jìn)料料流”包含包括甲烷的任何進(jìn)料料流。提供用于在超音速反應(yīng)器中處理的甲烷進(jìn)料料流通常包含甲烷且形成工藝料流的至少一部分。本文中所呈現(xiàn)的裝置及方法將甲烷的至少一部分轉(zhuǎn)化成所期望產(chǎn)物烴化合物以產(chǎn)生相對(duì)于進(jìn)料料流具有較高濃度的產(chǎn)物烴化合物的產(chǎn)物料流。
[0030]本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“烴料流”指一個(gè)或多個(gè)料流，該一個(gè)或多個(gè)料流提供進(jìn)入如本文中所闡述的超音速反應(yīng)器的甲烷進(jìn)料料流的至少一部分或由超音速反應(yīng)器由甲烷進(jìn)料料流產(chǎn)生，而無(wú)論是否對(duì)此烴料流進(jìn)行進(jìn)一步處置或處理。參考圖2中所圖解說(shuō)明的實(shí)例，“烴料流”可包含甲烷進(jìn)料料流1、超音速反應(yīng)器流出物料流2、自下游烴轉(zhuǎn)化方法排出的所期望產(chǎn)物料流3或在本文中所闡述的方法期間形成的任何中間或副產(chǎn)物料流。如圖2中所展示，可經(jīng)由工藝料流管線115來(lái)攜載烴料流，工藝料流管線115包含用于攜載上文所闡述的工藝料流的一部分中的每一者的管線。如本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“工藝料流”包含如上文中所闡述的“烴料流”，以及其可包含載體流體料流、燃料料流4、氧源料流6或用于本文中所闡述的系統(tǒng)及方法的任何料流。可經(jīng)由工藝料流管線115來(lái)攜載工藝料流，工藝料流管線115包含用于攜載上文所闡述的工藝料流的一部分中的每一者的管線。如圖2中所圖解說(shuō)明，可例如由一個(gè)或多個(gè)加熱器7來(lái)預(yù)加熱甲烷進(jìn)料料流1、燃料料流4及氧源料流6中的任一者。
[0031]使用超音速流反應(yīng)器來(lái)將輕鏈烷烴或烷烴進(jìn)料料流(包含乙烷及丙烷進(jìn)料料流)轉(zhuǎn)化成其它烴的先前嘗試已展示在由特定進(jìn)料料流提供比其它較傳統(tǒng)熱解系統(tǒng)高的所期望產(chǎn)物的產(chǎn)率方面的前景。具體而言，這些類型的方法用以提供極高反應(yīng)溫度及極短相關(guān)聯(lián)滯留時(shí)間的能力提供對(duì)于傳統(tǒng)熱解方法的顯著改良。最近已認(rèn)識(shí)到，這些方法也可能夠?qū)⒓淄檗D(zhuǎn)化成乙炔及其它有用烴，然而較多傳統(tǒng)熱解方法不能夠或不足以達(dá)成這些轉(zhuǎn)化。
[0032]然而，關(guān)于超音速反應(yīng)器系統(tǒng)的大多數(shù)先前工作基于理論或研宄，且因此尚未解決與以商業(yè)規(guī)模實(shí)踐該方法相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。另外，眾多這些先前公開(kāi)內(nèi)容并不涵蓋使用超音速反應(yīng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷進(jìn)料料流的熱解，且往往主要聚焦于乙烷及丙烷的熱解。近來(lái)已確認(rèn)關(guān)于采用超音速流反應(yīng)器用于輕烷烴熱解，且更具體而言甲烷進(jìn)料的熱解，以形成乙炔及來(lái)自其的其它有用產(chǎn)物的一個(gè)問(wèn)題包含用于甲烷的熱解的嚴(yán)峻操作條件對(duì)超音速流反應(yīng)器及其它相關(guān)聯(lián)的設(shè)備可造成的損壞效應(yīng)。先前工作尚未完全了解或解決這些嚴(yán)峻操作條件。舉例而言，超音速反應(yīng)器可能在高達(dá)3000°C或更高的溫度以及高壓下操作。這些升高的溫度及壓力由于熔化、破裂或蠕變而構(gòu)成反應(yīng)器的反應(yīng)器壁內(nèi)的機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。具體而言，在高溫下，已確認(rèn)，這些壁上的熱點(diǎn)可指示殼熔化。另外，甚至在這些壁經(jīng)冷卻處，可發(fā)生基于化學(xué)的損壞，諸如例如形成不受氣體流影響的非鈍性產(chǎn)物的氧化還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致凹陷。此外，可發(fā)生轉(zhuǎn)化氧化(translated oxidat1n)，從而形成不受氣流影響的非粘附性氧化物。
[0033]另外，載體料流及進(jìn)料料流可以超音速速度行進(jìn)穿過(guò)反應(yīng)器，該載體流體及進(jìn)料流可快速侵蝕可用以形成反應(yīng)器殼的諸多材料。此外，可存在于烴料流中的某些物質(zhì)及污染物可導(dǎo)致反應(yīng)器的反應(yīng)器壁或殼及其它設(shè)備或組件的腐蝕、氧化和/或還原。導(dǎo)致腐蝕、氧化或還原問(wèn)題的這些組份可包含例如硫化氫、水、甲硫醇、胂、汞蒸汽、經(jīng)由燃料本身內(nèi)的反應(yīng)的碳化或氫脆化(hydrogen embrittlement)。高溫下可存在的另一問(wèn)題是與諸如自由基(例如，氫氧根)等瞬時(shí)物種的反應(yīng)。
[0034]根據(jù)本文中所公開(kāi)的各種實(shí)施方案，因此，提供用于將烴料流中的甲烷轉(zhuǎn)化成乙炔及其它產(chǎn)品的裝置及方法。已確認(rèn)根據(jù)本文的裝置及其使用來(lái)改良用于將輕烷烴進(jìn)料(包含甲烷進(jìn)料)熱解成乙炔及其它有用產(chǎn)物的總體方法。