[发明专利]热合成的装置

说明书

本申请是申请人于2002年10月25日递交的、申请号为“02146936.9”、发明名称为“热合成的装置和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及一种热合成方法。本发明具体涉及将热力学稳定的高温气流中的反应物热转变成所需的最终产物，如气体或超细固体颗粒的方法和装置。

背景技术

在美国，天然气(其中甲烷是主要的烃)的价格低，并且是未得到充分利用的能源。已知天然气的大量储藏存在于美国大陆的偏远地区，但这种能源无法经济而安全地从这些地区运输过来。近几十年来，研究了将天然气转变成价值更高的烃类，但这种研究在现代经济上所取得的成功非常有限。近年来，进行了一些研究来评价将天然气(现在是用于直接燃烧)转变成作为日用化学品原料的乙炔的技术。与油田和廉价劳动力相关的对已有的大量天然气储藏的利用，使得由天然气转变成乙炔的工艺用于制造在这部分世界上尤其吸引人的日用化学品。

乙炔可用作塑料制造或藉已证实的催化反应转变成液体烃燃料用的原料。乙炔作为起始原料的通用性是众所周知并且是公认的。目前塑料用的原料是石油化学基的原料。制造这些石油化学基原料的来自国内和国外石油储藏的供应正在下降，这就对寻找石油化学基原料的替代品构成了压力。因此，目前再次恢复了对乙炔基原料的兴趣。

将甲烷热转变成液体烃包括间接法或直接法。常规的甲醇制造汽油(MTG)法和Fischer-Tropsch(FT)法是这种间接转变法的两个主要例子，它们是将甲烷重整(reforming)成合成气，然后将其转变成最终产物。这些昂贵的吸热法是在高温和高压下操作的。

寻求一种将甲烷直接催化转变成轻烯烃(例如C₂H₄)，然后转变成液体烃的方法已成为目前天然气转变技术的焦点。氧化偶合、氢氧氯化(oxyhydrochlorination)和部分氧化是直接转变法的例子。这些技术要求在较高压力、中等温度和使用催化剂的条件下操作。开发用于天然气直接转变法的特定催化剂是开发这些技术面临的最大挑战。这种方法的转化率低，与间接法相比其费用高，并且这些技术还未得到证实。

轻烯烃可以通过在非常高的温度(＞1800℃)从甲烷提取出氢，而后偶合烃自由基制得。甲烷高温转变成乙炔可以用反应式2CH₄→C₂H₂+3H₂表示，这是一个例子。这个过程已知有一段很长的时间。

甲烷成为乙炔的转变过程，目前是使用冷液体烃猝灭剂来防止逆反应。也许这些过程中最知名的是Huels法，这种方法在德国商业应用中已使用了许多年。通过在高温电弧(15000-20000K)和甲烷原料之间的“直接”接触，Huels的电弧反应器就能转移电能。用水和液化丙烷骤冷产物气体，用以防止逆反应。对Huels法而言，乙炔的单道产率小于40％。通过将乙炔和乙烯以外所有的烃进行再循环，C₂H₂的总产率可增至58％。

尽管在商业上已经使用，但Huels法在经济上仅是勉强合算的，因为单道效率较低，并且需要从骤冷气体中分离出产物气体。德国政府的津贴帮助了在生产上仍使用这种方法。

使用9MW反应器的类似方法由杜邦公司建立，这种方法在1963至1968年操作，它将从液体烃源制得的乙炔送到氯丁橡胶厂。据报道也证实了这种方法使用甲烷原料以中试试验的规模进行。而工厂规模的操作局限于液化石油气或液体烃馏出液。该杜邦中试方法的规模并没有报道。在杜邦法中，用磁性方法使电弧旋转，而在原始的Huels法中，电弧是用切向注入的气体“漩涡稳定的”。在杜邦法中，用氢稀释的所有原料都通过电弧柱。在Huels法中，是在电弧的下游位置注入一部分反应物。

Westinghouse使用氢等离子反应器来裂解天然气制造乙炔。在等离子反应器中，将氢送入电弧区，加热到等离子状态。温度高于5000K的炽热H₂等离子体出口流与天然气在弧区的下方快速混合，电能间接地转移到原料中。与在Huels法中一样，用液化丙烷和水骤冷热的产物气体，以防止逆反应。然而，与Huels法一样，需要从骤冷气体中分离出产物气体。据报道，再循环乙炔和乙烯以外所有的烃可使总产率提高到67％。用于天然气转变的H₂等离子体法业已以小型规模进行了广泛的试验，但还需要以中试规模进行进一步的开发和验证。