本文中所闡述的裝置及方法也改良裝置及其相關聯(lián)組件及設備用以耐受由于反應器內的極端操作條件所致的降級及可能故障的能力。
[0035]根據一種方法，使用本文中所公開的裝置及方法來處理烴工藝料流以將烴工藝料流中的甲烷的至少一部分轉化成乙炔。本文中所闡述的烴工藝料流包含提供至系統(tǒng)的甲烷進料料流，該甲烷進料流包含甲烷且也可包含乙烷或丙烷。甲烷進料料流也可包含處于各種濃度的甲烷、乙烷及丙烷的組合，且也可包含其它烴化合物以及污染物。在一種方法中，烴進料料流包含天然氣。天然氣可由多種源提供，包含(但不限于)氣田、油田、煤田、頁巖田的液壓破裂、生物質及掩埋氣體。在另一方法中，甲烷進料料流可包含來自精煉或處理廠的另一部分的料流。舉例而言，通常在將原油處理成各種產物期間分離輕烷烴(包含甲烷)且甲烷進料料流可由這些源中的一者提供。這些料流可由相同精煉廠或不同精煉廠或自精煉廠廢氣提供。甲烷進料料流也可包含來自不同源的組合的料流。
[0036]根據本文中所闡述的方法及系統(tǒng)，甲烷進料料流可由本文中所闡述的系統(tǒng)及方法的遠程位置或一個或若干個位置處提供。舉例而言，盡管甲烷進料料流源可位于其中實施這些方法及系統(tǒng)的相同精煉或處理廠處(諸如自來自另一現場烴轉化方法的產品或本地天然氣田)，但甲烷進料料流也可經由管道或其它輸送方法自遠距離的源提供。舉例而言，進料料流可由遠距離的烴處理廠或精煉廠或遠距離的天然氣田提供，且提供為至本文中所闡述的系統(tǒng)及方法的進料?？稍谶h距離的源處發(fā)生甲烷料流的初始處理以自甲烷進料料流移除某些污染物。在發(fā)生此初始處理的情況下，可將其視為本文中所闡述的系統(tǒng)及方法的一部分或其可發(fā)生于本文中所闡述的系統(tǒng)及方法上游。因此，經提供用于本文中所闡述的系統(tǒng)及方法的甲烷進料料流可取決于初始處理是否發(fā)生于其上游而具有不同程度的污染物。
[0037]在一個實例中，甲烷進料料流具有介于自65mol_%至100mol-%的范圍內的甲烷含量。在另一實例中，烴進料中的甲烷的濃度介于烴進料的自80mol-%至100mol-%的范圍內。在另一實例中，甲烷的濃度介于烴進料的自90mol-%至100mol-%的范圍內。
[0038]在一個實例中，甲烷進料中的乙烷的濃度介于自Omol-%至35mol_%的范圍內且在另一實例中介于自Omol-%至10mol-%的范圍內。在一個實例中，甲烷進料中的丙烷的濃度介于自Omol-%至5mol_%的范圍內且在另一實例中介于Omol-%至Imol-%的范圍內。
[0039]甲烷進料料流也可包含諸如芳族烴、石蠟烴、烯烴及環(huán)烷烴等重烴。這些重烴(若存在)將可能以在Omol-%與100mol-%之間的濃度存在。在另一實例中，其可以在Omol-%與10mol-%之間的濃度存在且可以在Omol-%與2mol_%之間存在。
[0040]本文中所闡述的用于自甲烷進料料流形成乙炔的裝置及方法利用超音速流反應器來熱解進料料流中的甲烷以形成乙炔。超音速流反應器可包含能夠形成載體流及甲烷進料料流的超音速流并使載體流體膨脹以引發(fā)熱解反應的一個或多個反應器。在一種方法中，方法可包含如以全文引用方式并入本文中的US 4，724，272中所大體闡述的超音速反應器。在另一方法中，方法及系統(tǒng)可包含諸如在以全文引用方式并入本文中的US5，219，530及US 5，300，216中闡述為“沖擊波”反應器的超音速反應器。在另一方法中，闡述為“沖擊波”反應器的超音速反應器可包含諸如“Supersonic Inject1n and Mixingin the Shock Wave Reactor，，(Robert G.Cerff, University of Washington GraduateSchool，2010年)中所闡述的反應器。
[0041]盡管在本發(fā)明方法中可使用多種超音速反應器，但在圖1中圖解說明例示性反應器5。參考圖1，超音速反應器5包含通常界定反應器室15的反應器容器10。盡管將反應器5圖解說明為單個反應器，但應理解，其可模塊化地或作為單個容器形成。若模塊化地或作為單獨組件形成，則反應器的這些模塊或單獨組件可永久地或暫時地連結在一起，或可彼此分離，其中借助諸如例如其間的壓力差調整的其它手段來圍阻流體。提供燃燒區(qū)或室25用于燃燒燃料以產生具有所期望溫度及流速的載體流體。反應器5可任選包含用于將補充載體流體引入至反應器中的載體流體入口 20。提供一個或多個燃料注射器30用于將可燃燒燃料(舉例而言，氫氣)注射至燃燒室26中?？商峁┫嗤蚱渌⑸淦饔糜趯⒀踉醋⑸渲寥紵?6中以促進燃料的燃燒。燃料及氧源注射可沿軸向方向、切向方向、徑向方向或其它方向，包含方向的組合。燃料及氧氣燃燒以產生通常具有在一個實例中自1200°C至3500°C，在另一實例中介于2000°C與3500°C之間且在另一實例中介于2500°C與3200°C之間的溫度的熱載體流體料流。本文中也涵蓋借助其它已知方法(包含非燃燒方法)來產生熱載體流體料流。根據一個實例，載體流體料流具有Iatm或更高的壓力，在另一實例中大于2atm且在另一實例中大于4atm。
[0042]使來自燃燒區(qū)25的熱載體流體料流通過包含細腰(converging-diverging)噴嘴50的超音速膨脹器51以使載體流體的速度加速至在一個實例中大于1.0馬赫，在另一實例中介于1.0馬赫與4.0馬赫之間且在另一實例中介于1.5馬赫與3.5馬赫之間。就此而言，流體在超音速流反應器的反應器部分中的滯留時間在一個實例中介于0.5ms至10ms之間，在另一實例中介于1.0ms至50ms之間，且在另一實例中介于1.5ms至20ms之間。借助一個實例，穿過超音速膨脹器的載體流體料流的溫度介于1000°C與3500°C之間，在另一實例中介于1200°C與2500°C之間且在另一實例中介于1200°C與2000°C之間。
[0043]提供原料入口 40以用于將甲烷進料料流注射至反應器5中以與載體流體混合。原料入口 40可包含一個或多個注射器45用于將原料注射至噴嘴50、混合區(qū)55、擴散器區(qū)60或反應區(qū)或室65中。注射器45可包含歧管，該歧管包含例如用于將進料注射至反應器5的多個注射口或噴嘴。
[0044]在一種方法中，反應器5可包含用于混合載體流體與進料料流的混合區(qū)55。在一種方法中，如圖1中所圖解說明，反應器5可具有在例如超音速膨脹器51與擴散器區(qū)60之間的單獨混合區(qū)，而在另一方法中，混合區(qū)整合至擴散器區(qū)段中，且混合可發(fā)生于反應器5的噴嘴50、膨脹區(qū)60或反應區(qū)65中。膨脹區(qū)60包含漸擴壁(diverging wall) 70以引起從中流過的氣體的速度的迅速減小，將流動流體的動能轉化成熱能以進一步加熱該料流以導致進料中的甲烷的熱解，這可以發(fā)生于反應器的膨脹區(qū)段60和/或下游反應區(qū)段65中。在驟冷區(qū)72中使流體快速驟冷以防止熱解反應使所期望乙炔產物進一步轉化成其它化合物?？墒褂脟姉U(spray bar) 75來將驟冷流體(舉例而言，水或蒸汽)引入至驟冷區(qū)72中。
[0045]反應器流出物經由出口 80離開反應器且如上文所提及，形成烴料流的一部分。流出物將包含比進料料流大的濃度的乙炔及相對于進料料流減小的濃度的甲烷。反應器流出物料流在本文中也可稱作乙炔料流，這是因為其包含增加的濃度的乙炔。該乙炔料流可為用以形成另一烴產物的方法中的中間料流或其可經進一步處理或捕獲為乙炔產物料流。在一個實例中，該反應器流出物料流在驟冷流體的添加之前具有介于自2mol-%至30mol-%的范圍內的乙炔濃度。在另一實例中，乙炔的濃度介于自5mol-%至25mol-%的范圍內且在另一實例中介于自8mol_%至23mol_%的范圍內。
[0046]反應器容器10包含反應器殼11。應注意，術語“反應器殼”指界定反應器室15的形成反應器容器的一個或若干個壁。反應器殼11通常將界定大體中空中心反應器室15的環(huán)形結構。反應器殼11可包含單一材料層、單一復合結構或具有定位于一個或多個其它殼內的一個或多個殼的多個殼。反應器殼11也包含如上所闡述且下文針對超音速反應器5的不同區(qū)、組件和/或模塊進一步闡述的各種區(qū)、組件和/或模塊。反應器殼11可形成為界定各種反應器區(qū)及組件中的所有者的單件或其可為模塊化的，其中不同模塊界定不同反應器區(qū)和/或組件。
[0047]借助一種方法，反應器壁或殼11的一個或多個部分形成為鑄件。就此而言，該一個或多個部分可不借助焊接或成型或其它制造方法來形成，但可對該鑄件執(zhí)行額外處理，如下文所闡述。在不意欲受理論約束的情況下，據信，由于焊接件通常包含殘余應力，因此借助焊接形成一個或若干個反應器壁可產生在高的溫度和壓力下較易遭受故障或破裂的反應器。另外，由于其不同微結構及可能組成梯度，焊接件也可較易遭受腐蝕及裂紋。類似地，據信，使反應器壁成型將導致形成于反應器壁中的不可忽略的殘余應力，從而導致關于在高的溫度和壓力下的操作的類似問題。因此，借助使反應器殼的一部分形成為鑄件，提供較各向同性的微結構。反應器殼的澆鑄部分可提供勝于借助諸如焊接或成型等其它方法形成的類似組件的耐腐蝕性。自鑄件形成反應器殼也可在組件中提供較均勻熱通量及較均勻溫度。自鑄件形成反應器殼的一部分也可提供比借助其它方法形成的外殼更好及更均勻的耐高溫蠕變及耐故障性。
[0048]借助一種方法，該鑄件可包含定向鑄件以提供升高的反應溫度及壓力下的改善的耐熱沖擊性及耐蠕變性。在一種方法中，該鑄件包含柱狀晶粒結構。在另一方法中，該鑄件包含單晶結構。
[0049]該鑄件可由如下文進一步闡述的一種或多種材料形成?？山柚绢I域中的各種方法來進一步處理反應器的澆鑄部分。舉例而言，如本文中所進一步闡述，所澆鑄反應器殼11可經涂覆、熱處理、回火、碳化、氮化或以其它已知方法處理來改良其性質。
[0050]可使用單一鑄件來形成整個反應器殼11，或反應器殼11可包含經組裝以形成反應器殼11的各個澆鑄組件或模塊，如本文中所進一步闡述。此外，如本文中所進一步闡述，在反應器殼11包含各種層(包含涂層、內殼及外殼等)的情況下，這些層可單獨地或一起饒鑄，且隨后單獨地保持或連結在一起。
[0051]根據各種其它方法，超音速反應器殼的一個或多個部分可借助除澆鑄以外的已知方法來形成，諸如例如粉末冶金，其可借助熱均壓、將粉末熱均壓(hipping)成基板，或激光燒結，或其它適合燒結方法來密實化，或自小坯(billet)機械加工。
[0052]借助一種方法，由具有高熔化溫度以耐受超音速反應器5的高操作溫度的材料來構造反應器殼11的至少一部分。在一種方法中，形成反應器殼11的一部分的一種或多種材料可具有長低循環(huán)疲勞壽命、高屈服強度、耐蠕變及應力破裂、耐氧化以及與冷卻劑及燃料的兼容性。在一個實例中，由具有介于1200°c與4000°C之間且在另一實例中自1800°C至3500°C的熔化溫度的材料來形成反應器殼11的至少一部分。這些材料也可展現貫穿不同熱及機械處理程序的微結構穩(wěn)定性、與接合方法的兼容性及抗氧化涂層的良好粘附性。用于形成反應器殼的至少一部分的某些優(yōu)選材料包含超合金及鎳及γ Ti鋁化物。借助一種方法，該超合金為基于鎳的超合金，且借助另一方法，超合金為基于鐵的超合金。
[0053]在一種方法中，反應器殼11或壁部分由超合金形成。就此而言，該壁可在發(fā)生于反應器內的燃燒及熱解溫度下提供優(yōu)良機械強度及耐蠕變性。以此方式，該裝置也可限制由于反應器室15中的操作溫度及壓力所致的熔化或故障。
[0054]根據另一方法，反應器殼11的一部分由選自由以下各項組成的組的材料形成:碳化物、氮化物、二硼化鈦、塞隆(sialon)陶瓷、氧化鋯、氧化釷、碳-碳復合物、鎢、鉭、鉬、鉻、
鎳及其合金。
[0055]根據另一方法，反應器殼11的一部分形成為鑄