[发明专利]用于从轻质烃例如甲烷共同制备烯烃、炔和氢气的高效方法

说明书

优先权的描述

本申请要求于2012年8月21日递交的美国申请No.61/691,369的优先权，将其内容全部引入本文供参考。

技术领域

本发明总体涉及使用冲击波反应器技术制备烯烃、炔和氢气。在具体实施方案中，本发明涉及使用甲烷化技术改进碳效率。

背景技术的描述

将轻质烃例如甲烷转化成高价值烯烃例如乙烯是在经济上十分有吸引力的。但是，在常规的热解方法中，进料甲烷的一部分进行燃烧以达到足以转化甲烷的高温，导致此方法需要大量的轻质烃，但是产生低的碳效率。

在常规方法中，甲烷可以通过一步法或两步法被转化成乙炔。由BASF开发的部分氧化一步法的例子可以参见美国专利No.5,824,834和No.5,789,644。美国专利No.5,789,644描述了常规的反应器结构和设计。乙炔也可以使用两阶段高温热解制备，并且例如在英国专利申请公开GB 921,305和GB 958,046中描述了由HOECHST开发的两阶段反应器。

在常规方法中，空气分离单元可以用于从氮气分离出氧气。氧气或含氧料流与天然气(主要由甲烷组成)一起进行预热并进入部分氧化反应器。在BASF的单阶段反应器中，烃进料和富氧气体混合并通过燃烧器单元，燃烧器单元用于稳定火焰，这导致混合物的部分氧化。第二部分氧气可以在燃烧器单元中注入以形成中试火焰。

燃烧将三分之一的甲烷转化成乙炔，而大多数的剩余甲烷用于产生热量和较低价值的产物例如CO和CO₂。对于反应过程所需的停留时间是小于100毫秒。在两阶段反应器中，天然气或其它燃料与富氧料流混合，并在燃烧区中燃烧。燃烧产物然后与由天然气或用于反应形成乙炔的其它烃组成的进料混合。再次，使用小于100毫秒的反应时间。在所需的停留时间之后，反应气体用水骤冷。经冷却的气体含有大量的一氧化碳和氢气以及一些碳烟灰、二氧化碳、乙炔、甲烷和其它气体。

接着，使得所述气体通过水洗涤器以除去碳烟灰。然后，气体通过第二洗涤器，其中气体用溶剂喷洒，例如N-甲基吡咯烷酮，其能吸收乙炔。

然后，将溶剂泵送到分离塔，并且从溶剂蒸出乙炔，并在塔顶作为气体取出，同时从塔底取出溶剂。

乙炔可以用于制备多种有用产物。一种这种产物是乙烯，其可以通过乙炔的催化氢化制备。美国专利No.5,847,250描述了一种在Pd/Al₂O₃催化剂的存在下将乙炔氢化成乙烯的方法。美国专利申请公开No.2005/0048658和No.2005/0049445描述了一种在基于钯的催化剂上使用液体溶剂、例如N-甲基吡咯烷酮氢化乙炔的方法。

其它已知的用于将甲烷转化成乙烯的方法可以参见Synfuels International的美国专利No.7,208,647。

甲烷燃烧以产生用于热解反应的热量的过程消耗了碳，这限制了能被转化成乙炔的甲烷的量。因此，需要能改进碳效率的技术。

发明概述

在一个方面，本发明提供一种制备烯烃和炔的方法。此方法包括以下步骤：在热解反应器的燃烧区中燃烧燃料和氧化剂以形成燃烧气体料流；在热解反应器的膨胀区中将燃烧气体料流的速度从亚音速转化成超音速；将轻质烃注入超音速的燃烧气体料流以形成包含轻质烃的混合料流；在热解反应器的反应区中将混合料流的速度从超音速转化成亚音速以制备炔；并且在氢化区中使炔进行催化氢化以制备烯烃。在一个实施方案中，燃料是氢气，氧化剂是氧气，轻质烃是甲烷，炔是乙炔，并且烯烃是乙烯。

在另一方面，本发明提供一种制备烯烃和炔的方法。此方法包括以下步骤：使得轻质烃在氧气的存在下在反应区中在适合于制备炔和一氧化碳的温度和压力下进行热解；使得炔在氢化区中催化氢化以制备烯烃；将一氧化碳输送到CO转化设备；在CO转化设备中将至少一部分的一氧化碳转化成氢气，得到包含氢气的料流；并且将所述包含氢气的料流输送到反应区中。

在另一方面，本发明提供一种制备烯烃和炔的方法。此方法包括以下步骤：使得轻质烃在氧气的存在下在反应区中在适合于制备炔和二氧化碳的温度和压力下进行热解；使得炔在氢化区中催化氢化以制备烯烃；在二氧化碳转化和甲烷化区域中将至少一部分的二氧化碳转化成甲烷；并且将包含甲烷的料流从二氧化碳转化和甲烷化区域输送到反应区中。

所以，本发明的一个优点是提供一种将轻质烃例如甲烷转化成高价值烯烃例如乙烯的方法，此方法具有更高的碳效率和环保优点。