[发明专利]从轻质气体生产液体产物的系统和方法

说明书

关于由联邦政府发起的研究或开发的声明 不适用。

技术领域

本发明总地涉及轻质气体诸如二氧化碳和/或甲烷转化成烃和/或 液体含氧化合物。本发明更特别地涉及从轻质气体诸如二氧化碳和/或 甲烷通过反应物的高剪切接触来生产液体含氧化合物和/或烃的设备和 方法。

背景技术

由于二氧化碳排放增加对环境的影响，由二氧化碳排放增加所造 成的全球变暖效果成为科学家和政府主要关心的问题。作为能量和热 来源的化石燃料的使用的增加是二氧化碳排放增加的主要原因。化石 燃料的燃烧是一个放热过程，其中被释放的能量通常用于加热和/或被 转化成其它形式的能量诸如机械能。烃的氧化在化学反应诸如乙烯氧 化、Fischer Tropsch和其它反应中也是常见的。从烃燃烧得到的排出物 根据烃组成的不同而异，但主要是二氧化碳和水。向大气中释放大量 的二氧化碳被认为是对环境造成有害影响的原因，并且一直已来不断 地努力来减少二氧化碳排放，从而帮助减轻这些有害影响。

解决二氧化碳排放的有害的环境影响的可行方案将导致二氧化碳 排放的净减少。隔绝二氧化碳的技术可消耗大量的能量，在很多情况 下，所述能量来自化石燃料，从而导致二氧化碳净减少很小或不存在， 或者更糟糕的是，二氧化碳生成发生净增加。

可再利用二氧化碳以生成有价值的产物诸如燃料或化学原料的方 法在降低所声称的二氧化碳对全球变暖的影响方面将具有较大的益 处。开发将二氧化碳转化成液体燃料(其可被运输和/或用作精炼厂加 工或石油化学加工的原料)的方法另外是有益的。

甲烷是在工业中使用的有机反应中的重要砌块，以及是重要的燃 料来源。天然气的甲烷含量可从约40体积％到约95体积％不等。天然 气的其它组分可包括乙烷、丙烷、丁烷、戊烷(和重质烃)、硫化氢、二 氧化碳、氦气和氮气。液态天然气的密度为0.415，沸点为-162℃。因 此，不易适合作为液体进行运输，除了在具有低的表面：体积比的极大 罐中进行海上运输之外。天然气的大规模应用通常要求复杂的和广泛 的管路系统。大部分已知的天然气储量与很难接近的偏远油田有关。 对于许多的这些偏远油田，铺设管道以将天然气运潜在用户在经济上 是不可行的。通过将气体转化成液体而从偏远地区经济地运输甲烷长 期以来一直是工业中所寻求的目标。

通过水蒸气重整将甲烷间接转化成甲醇以生成合成气作为第一 步，然后进行甲醇的催化合成是公知方法。除了该两步间接合成法的 技术复杂性和高成本之外，甲醇产物还具有有限的市场，因此该方法 似乎并未提供利用来自偏远油田的天然气的切实可行的方法。

在美国专利No.3,894,107(Butter等人)中提供了用于将甲醇催 化转化成汽油的有效手段的方法。尽管汽油市场相对于甲醇市场而言 较大，并且尽管这一方法目前在新西兰被应用，但是其复杂并且其可 行性似乎限于其中汽油替代来源的供应成本高的地点。

在气相中进行甲烷部分氧化形成液体化合物(诸如甲醇或乙醇)的 努力获得有限的成功，因为在控制所牵涉的自由基过程方面存在困难。 因为甲醇比甲烷具有更大的反应性，因此不可避免地通过二次燃烧不 希望地形成CO和CO₂。尽管已经报告了用于甲烷部分氧化形成甲醇的 多种催化剂，主要是金属氧化物，但是所述反应要求高温，并且所报 道的甲醇收率基于甲烷计算一般低于10％。

用于甲烷转化成甲醇的间接方法已由Bjerrum在美国专利No. 6,380,444中；由Periana在美国专利No.5,233,113中；和由Chang在 美国专利No.4,543,434中进行报道。用于这些方法的总反应体系采用 了少量的自由基引发剂(酸)，其将从甲烷剥夺氢原子，以产生甲基和少 量的酸。一些专利已经阐述了可以在单一步骤中，使用VIII族贵金属 催化剂(诸如铂或钯)和强无机酸诸如硫酸将甲烷转化成为酸式硫酸甲 酯(methyl bisulfate)。其它专利描述了在甲烷转化成甲醇中不使用催化 剂的方法(例如，欧洲专利No.1,558,353)。含有氯和其它卤素的酸 也以类似方式被用于将甲烷转换成甲醇和其它液体。这些方法倾向于 遭遇高温腐蚀的问题，产生相对低收率的甲醇，并产生不希望有的副 产物。