[发明专利]将乙烯原料转化为烃燃料的系统和方法

说明书

本发明公开了用于获得适合生产包括汽油、喷气燃料和柴油燃料的替代燃料的含有选定比率的开链和闭链燃料范围烃的燃料和混合燃料的系统、方法和催化剂。燃料范围烃可以衍生自含乙烯原料和含乙醇原料。

关于在联邦政府资助的研究和开发下进行的发明的权利的声明

本发明是依据美国能源部授予的合同DE-AC05-76RL01830在政府支持下进行的。政府对本发明享有一定的权利。

优先权信息

本发明要求美国专利申请序列号14/528,185的优先权，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及用于转化烃原料的方法和催化剂。更具体地，本发明涉及用于将含乙烯原料转化为适合生产燃料的燃料范围烃馏出物的系统、方法和催化剂。

背景技术

目前需要来自国内来源的替代烃燃料，特别是航空和柴油燃料，以增强能量安全性并减少对外来石油的依赖。替代燃料的当前路线受到严格的燃料标准和有限的燃料原料的限制。并且，许多燃料和燃料共混原料需要开链烃，包括例如正链烷烃和支化烷烃。例如，根据ASTM D7566-11a标准，来自生物源脂肪和油类以及来自合成气的Fischer-Tropsch反应的氢化HEFA/SPK(加氢处理的酯和脂肪酸/合成链烷烃煤油)只能含有最多0.5％的芳烃和15％环烷烃。此外，平均JP-8喷气燃料含有59％的正链烷烃和异链烷烃，其余是芳烃和环烷烃。然而，许多用于例如从生物质原料生产替代燃料的常规方法不能满足这些要求。例如，陆生生物质原料的热解和水热液化主要形成芳烃，并且当加氢处理时产生环烃。乙醇和其它含氧烃适合与汽油直接共混，但含氧烃不适用于喷气燃料。乙醇只能在高于约300℃的温度下在固体酸催化剂上转化为液态烃，但产物主要是芳烃(75％-90％)。因此，航空和军事组织能够预期使用常规技术满足喷气燃料和柴油燃料的可再生燃料标准的困难。然而，乙醇是市场上可用的。因此，将乙醇转化为无氧开链烃可允许它们用于柴油和喷气燃料。更具体地，将可再生乙醇催化转化为无氧开环烃可允许从含氧的可再生原料如碳水化合物和木质纤维素生物质生产可再生燃料。

乙烯是可从众多来源获得的原料，其可以转化为替代开链烃燃料。乙烯可以从诸如天然气、煤和石油的来源获得。乙烯也可以通过已知技术从乙醇获得，而乙醇又可以由生物质衍生的糖和淀粉以及由合成气制成。因此，乙醇可以被认为是乙烯前体。然而，通过由固体酸催化剂(例如硅铝酸盐)催化的常规直接单步转化方法进行的乙烯转化通常特征在于：形成大量焦炭的高过程温度(>280℃)，和高达70重量％的芳族化合物的大量形成。例如由Heveling等报道的在Ni/Si-Al和其它催化剂上的单步法，据报道在高的乙烯转化率下产生开链烃，但是对于≥C10的选择性仅为约40％，而对于≥C8的选择性仅为约63％。此外，文献中报道的多步转化方法对开链化合物具有潜在更好的选择性，但是迄今为止的转化率仍较低并产生大量的芳族化合物。例如，Synfuels International报道了在220℃至240℃的过程温度下使用Ni催化剂的多步法，其产生含有4％至90％芳烃的产物组成。在所报道的70％中间馏出产物的最大选择性和仅26％的乙烯转化率下，中间馏出物范围内的最大可能产物收率仅为约18％。Synfuels International的两步法没有改进，事实上，与Heveling报道的一步法(40％)相比，得到更低的馏出物收率(18％)。因此，Synfuels International的两步法不代表用于获得高收率的馏出物燃料的经济上可行的方法。因此，需要新的方法和催化剂，其将例如获自各种乙醇原料的乙烯转化成合适的无氧烃燃料共混原料，所述无氧烃燃料共混原料使得芳族烃的产生和生产燃料所需的氢气量最小化；以及生产燃料前体和/或燃料共混原料，所述燃料前体和/或燃料共混原料使得适合生产喷气燃料、其它航空燃料、柴油和加热燃料的共混比率的灵活性最大化。本发明令人惊讶地使用两步法解决了这些需要，该方法提供比现有技术的18％更大的馏出物收率。

定义