[发明专利]使用超音速流反应器的甲烷转化装置及方法

说明书

本发明提供用于将一进料料流中的甲烷转化成乙炔的装置及方法。将一烃料流引入至超音速反应器中并使其热解以将该甲烷的至少一部分转化成乙炔。该反应器流出物料流可经处理以将乙炔转化至另一烃方法。

优先权声明

本申请主张于2012年8月21日提出申请的第61/691,317号临时申请及于2013年8月14日提出申请的第13/967,334号美国申请的优先权。

技术领域

本发明公开用于使用超音速流反应器将烃料流中的甲烷转化成乙炔的装置及方法。

背景技术

轻烯烃材料(包含乙烯及丙烯)代表石油化学工业中全球需求中的一大部分。轻烯烃用于经由聚合、低聚、烷基化及其它众所周知的化学反应来产生众多化学产物。这些轻烯烃是现代石油化学及化学工业的基石。因此，以经济方式生产大量轻烯烃材料是石油化学工业中的重点。当今精炼中的这些材料的主要来源是石油进料的蒸汽裂解。

长期以来已使用借助加热熔炉中的原料材料达成的烃的裂解来产生有用产物，包含例如烯烃产物。举例而言，可借助介于轻链烷烃(诸如乙烷及丙烷)至较重馏分(诸如石脑油)的范围内的原料的热解来产生位列化学工业中较重要产物中的乙烯。通常，较轻原料产生较高乙烯产率(与石脑油的25％至30％相比，乙烷为50％至55％)；然而，原料的成本更可能决定使用哪一种。历史上，石脑油裂解已提供最大乙烯源，其次是乙烷及丙烷热解、裂解或脱氢。然而，由于对乙烯及其它轻烯烃材料的大量需求，这些传统进料的成本已不断增加。

能源消耗是影响自各种原料热解产生化学产物的另一成本因素。在过去数十年中，已存在已减小生产成本的热解方法的效率的显著改良。在典型或常规的热解厂中，原料通过多个热交换器管，在该处其借助燃料油或天然气及空气的燃烧产物在外部被加热至热解温度。用以使生产成本最小化所采取的较重要步骤中的一者是减小原料在热解熔炉的热交换器管中的滞留时间。滞留时间的减小增加所期望产物的产率同时减小往往污损热解管壁的较重副产物的产生。然而，在传统热解方法中已剩余很少空间来改良滞留时间或总能源消耗。

用以减少轻烯烃生产成本的较最近尝试包含利用替代方法和/或进料料流。在一种方法中，使用烃氧合物(oxygenate)、更具体而言甲醇或二甲醚(DME)作为用于产生轻烯烃产物的替代原料。可自诸如煤、天然气、回收塑料、来自工业的各种碳废物料流及来自农业产业的各种产物及副产物等可用材料来产生氧合物。自这些类型的原材料制作甲醇及其它氧合物是本领域熟知的并且通常包含一个或多个众所周知的方法，诸如在蒸汽重组步骤中使用镍或钴催化剂、然后接着通过使用基于铜的催化剂在相对高压下的甲醇合成步骤来制造合成气体。

一旦形成氧合物，方法即包含在氧合物至烯烃(OTO)方法中将氧合物(诸如甲醇)以催化方式转化成所期望轻烯烃产物。US 4,387,263中阐述用于转化氧合物的技术(诸如甲醇至轻烯烃(MTO))，US 4,387,263公开一种使用含有沸石型催化剂的催化转化区的方法。US 4,587,373公开出于制作轻烯烃目的而使用如ZSM-5的沸石催化剂。另一方面，US 5,095,163、US 5,126,308及US 5,191,141公开一种使用非沸石分子筛催化材料(诸如金属铝磷酸盐(ELAPO)分子筛)的MTO转化技术。在有用时，OTO及MTO方法利用用于借助首先将进料转化成氧合物且随后将该氧合物转化成所要的烃产物来形成该烃产物的间接方法。此间接生产路径通常与能量及成本损失相关联，通常减小借助使用较不昂贵的进料材料所获得的优点。

近来，已尝试使用热解来将天然气转化成乙烯。US 7,183,451公开将天然气加热至使馏分转化成氢气及烃产物(诸如乙炔或乙烯)的温度。然后将产物料流骤冷以停止进一步反应且随后在存在催化剂的情况下起反应以形成待输送的液体。最终产生的液体包含石脑油、汽油或柴油。尽管此方法对于将天然气的一部分转化成乙炔或乙烯有效，但估计此方法将提供来自甲烷进料料流的乙炔的仅40％的产率。尽管已确认，连同短滞留时间一起的较高温度可增加产率，但就此而言，技术局限性阻碍对此方法的进一步改良。