烃气热解转化的方法和反应器技术

一种用于烃气(例如，甲烷)热解的热解反应器(12)和方法，该方法利用热解反应器(12)，热解反应器(12)具有独特燃烧器组件(44)和热解进料组件(56)，该热解进料组件(56)创建进料气体的向内螺旋流体流动模式以形成旋流气体混合物，该旋流气体混合物穿过带有狭窄颈部或喷嘴(52)的燃烧器导管(46)。至少一部分旋流气体混合物形成紧邻燃烧器导管(46)的薄的环形混合气体流动层。当旋流气体混合物穿过燃烧器导管(46)时，一部分旋流气体混合物被燃烧，并且一部分燃烧产物在燃烧器组件(44)中循环。这提供了适合于烃或轻质烷烃气体(诸如，甲烷或天然气)热解的条件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】烃气热解转化的方法和反应器
本专利技术涉及烃(特别是烷烃)的转化方法，涉及此转化的热解产物以及用于此转化的反应器设计。
技术介绍
将较低分子量含碳分子转化为较高分子量的传统方法很多。最普遍的方法涉及氧化偶联、部分氧化或热解。每种方法都有其自身的优势和挑战。甲烷的高温热解通常用于商业生产乙炔。取决于用于供应热解所需吸热热量的方法，将甲烷和/或烃热解为乙炔大致分为单阶段过程或两阶段过程。单阶段方法主要通过甲烷的部分氧化来生产乙炔。代表性单阶段过程是由BASF公司开发的过程，其在美国专利第5,789,644号中进行了描述。该过程已经在德国和美国使用多个反应器以50KTA规模商业化。在该过程中，天然气用作烃进料，而纯氧用作氧化剂。两种料流在扩散器中进行预混合，并且使用燃烧器体通过部分氧化来燃烧预混合的富燃料气体。该过程通常在大气压或稍微升高的压力下进行，其中氧气与天然气的体积比为约0.6。此类设计的主要缺点是在各种给料和操作条件下预混合火焰的回火风险，以及使用的多个燃烧器，这增加了反应器故障或停机的可能性，并且还增加了建造反应器的成本。在两阶段乙炔生产中，该过程使用完全燃烧产生的高温产物气体的热能通过热解将甲烷转化为乙炔。在英国专利第GB921,305号和第GB958,046号、美国专利申请公开第US2005/0065391号和SABIC公司的美国专利第8,080,697号中描述的那些过程是用于此类两阶段过程的代表性技术。该过程包括两个主要反应区，然后是骤冷区。第一反应区用作接近化学计量的燃烧器，以供应在第二反应区中发生的烃热解所需的吸热热量，在第二反应区中引入了新鲜的烃进料(诸如甲烷)。在骤冷区，水或重油用作冷却剂，以立即冷却来自热解区的热产物气体。此类设计的主要缺点是在冷却燃烧器壁以保护它们时导致的大量热损失。所提出的专利技术没有常规的单阶段过程和两阶段过程的上述缺点。其提供了几乎同时进行混合、燃烧和热解的简单、安全且有效的过程。通过提出的特殊设计来实现该过程，该特殊设计包括汇聚-发散的燃烧器喷嘴和用于几乎切向注射烃和氧化剂气体的盘状入口。接下来将更详细地描述这些改进。
技术实现思路
一种用于烃气热解的热解反应器具有热解反应器容器，该热解反应器容器具有限定热解反应室的反应器壁。反应器的燃烧器组件具有燃烧器导管，该燃烧器导管具有圆周壁，该圆周壁围绕中心纵向轴线并且从燃烧器导管的相对的上游端和下游端延伸出去。圆周壁在宽度上从下游端和上游端到位于燃烧器导管的下游端和上游端之间的环形狭窄颈部逐渐变窄。燃烧器导管的下游端与热解反应器的反应室流体连通，其中燃烧器导管的上游端形成燃烧器组件入口。热解反应器进一步包括热解进料组件，该热解进料组件与燃烧器组件入口流体连通，其中中心轴线穿过热解进料组件。进料组件具有下游进料组件壁，该下游进料组件壁绕着燃烧器组件入口的上游端周向地延伸并且与之相接。下游进料组件壁定向成垂直于中心轴线。上游进料组件壁沿着中心轴线与下游壁的上游轴向地间隔开并且垂直地横过中心轴线延伸。进料组件的气体分隔壁在下游进料组件壁和上游进料组件壁之间轴向地间隔开，并且定向成垂直于中心轴线并且具有围绕燃烧器导管的中心轴线的中心开口。分隔壁在下游进料组件壁和分隔壁之间限定环形烃气入口流动空间并且在分隔壁和上游进料组件壁之间限定环形氧气入口流动空间，使得在所述流动空间内绕着燃烧器导管的中心轴线以向内螺旋流体流动模式垂直于燃烧器导管的中心轴线将烃气进料和氧气进料引入并且穿过所述流动空间。从分隔壁的中心开口延伸至燃烧器组件入口的区域限定了热解进料组件的混合室。来自氧气入口流动空间的氧气进料和来自烃气入口流动空间的烃气进料被排放到混合室中，使得氧进料气体和烃进料气体在混合室内混合在一起并且形成旋流气体混合物，该旋流气体混合物穿过燃烧器导管。在特定实施方案中，环形烃气入口流动空间和环形氧气入口流动空间中的至少一个设有周向地间隔开的导向叶片，该导向叶片定向成有助于入口流动空间中的所述至少一个入口流动空间内的螺旋流体流动。在某些应用中，导向叶片可移动至选定位置，以在环形入口流动空间内为轻质烷烃气体进料流和氧气进料流中的每一个提供选定的方位-径向速度比(azimuthal-to-radialvelocityratios)。在许多实施方案中，反应器壁是圆柱形的。在某些情况下，燃烧器导管的从下游端至环形狭窄颈部的圆周壁以及任选地热解反应室的与燃烧器导管的圆周壁相接的反应器壁的上游部分被配置为光滑的连续壁，该光滑的连续壁遵循椭圆形帽形或球形帽形的轮廓线。在一些实施方案中，反应器壁的内部可以是耐火材料。在将轻质烷烃转化为热解产物的方法中，热解进料被引入到热解反应器中。热解反应器容器具有限定热解反应室的反应器壁。反应器进一步包括燃烧器组件，该燃烧器组件具有燃烧器导管，该燃烧器导管具有圆周壁，该圆周壁围绕中心纵向轴线并且从燃烧器导管的相对的上游端和下游端延伸出去。圆周壁具有位于燃烧器导管的下游端和上游端之间的环形狭窄颈部。燃烧器导管的下游端与热解反应器的反应室流体连通，燃烧器导管的上游端形成燃烧器组件入口。在该方法中，反应器进一步包括热解进料组件，该热解进料组件具有环形烷烃气体流动空间和环形氧气流动空间，该环形烷烃气体流动空间和该环形氧气流动空间排放到与燃烧器组件入口流体连通的中心混合室中。将热解进料的含烷烃气体进料流引入到环形烷烃气体流动空间中并且将热解进料的含氧气体进料流引入到环形氧气流动空间中。将这些气体引入，使得含烷烃气体进料流和含氧气体进料流在所述流动空间内以绕着燃烧器导管的中心轴线流动的向内螺旋流体流动模式垂直于燃烧器导管的中心轴线穿过所述流动空间，其中来自氧气流动空间的含氧气体进料流和来自烷烃气体流动空间的含烷烃气体进料流被排放到混合室中，使得含烷烃气体进料流和含氧气体进料流在混合室内混合在一起并且形成旋流气体混合物。允许旋流气体混合物穿过燃烧器导管，其中至少一部分旋流气体混合物形成紧邻燃烧器导管的薄的环形混合气体流动层，并且其中当旋流气体混合物穿过燃烧器导管时，一部分旋流气体混合物被燃烧，以提供适合于来自反应器容器的热解反应室内的含烷烃气体进料流的轻质烷烃气体的热解的条件。一部分轻质烷烃气体在热解反应室内被转化为热解产物。从反应器容器的反应室中去除热解产物。在特定实施方案中，在热解反应器内形成烟道气体回流，该烟道气体回流从薄的环形混合气体流动层沿着中心纵向轴线朝向燃烧器导管的上游端向上游并且径向地向内流动。在某些应用中，轻质烷烃气体是甲烷气体或天然气。将甲烷气体或天然气(NG)进料和氧气进料可以以1至5的CH4/O2或NG/O2摩尔比引入到热解进料组件中。可以将热解产物从反应室中去除并且将其在骤冷单元中骤冷。环形流动空间内的轻质烷烃气体进料流和氧气进料流中的每一个的方位-径向速度比可以为0至30。轻质烷烃气体进料流和氧气进料流分别在相同的旋转方向上被引入到相应的环形流动空间中。环形烃气流动空间和环形氧气流动空间中的至少一个设有周向地间隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于烃气热解的热解反应器，所述热解反应器包括：/n热解反应器容器，所述热解反应器容器具有限定热解反应室的反应器壁；/n燃烧器组件，所述燃烧器组件具有燃烧器导管，所述燃烧器导管具有圆周壁，所述圆周壁包围中心纵向轴线并且从所述燃烧器导管的相对的上游端和下游端延伸，所述圆周壁在宽度上从所述下游端和所述上游端到位于所述燃烧器导管的所述下游端和所述上游端之间的环形狭窄颈部逐渐变窄，所述燃烧器导管的所述下游端与所述热解反应器的所述反应室流体连通，所述燃烧器导管的所述上游端形成燃烧器组件入口；/n热解进料组件，所述热解进料组件与所述燃烧器组件入口流体连通，其中所述中心轴线穿过所述热解进料组件，所述进料组件包括：/n下游进料组件壁，所述下游进料组件壁绕着所述燃烧器组件入口的所述上游端周向地延伸并且与之相接，所述下游进料组件壁定向成垂直于所述中心轴线；/n上游进料组件壁，所述上游进料组件壁沿着所述中心轴线与所述下游壁的上游轴向地间隔开并且垂直地穿过所述中心轴线延伸；/n气体分隔壁，所述气体分隔壁在所述下游进料组件壁和所述上游进料组件壁之间轴向地间隔开，所述气体分隔壁定向成垂直于所述中心轴线并且具有包围所述燃烧器导管的所述中心轴线的中心开口，所述分隔壁在所述下游进料组件壁和所述分隔壁之间限定环形烃气入口流动空间并且在所述分隔壁和所述上游进料组件壁之间限定环形氧气入口流动空间，使得在所述流动空间内绕着所述燃烧器导管的所述中心轴线以向内螺旋流体流动模式垂直于所述燃烧器导管的所述中心轴线将烃气进料和氧气进料引入并且穿过所述流动空间；并且其中/n从所述分隔壁的所述中心开口延伸至所述燃烧器组件入口的区域限定了所述热解进料组件的混合室，其中来自所述氧气入口流动空间的氧气进料和来自所述烃气入口流动空间的烃气进料被排放到所述混合室中，使得所述氧进料气体和所述烃进料气体在所述混合室内混合在一起并且形成旋流气体混合物，所述旋流气体混合物穿过所述燃烧器导管。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180307 US 62/639,5771.一种用于烃气热解的热解反应器，所述热解反应器包括：
热解反应器容器，所述热解反应器容器具有限定热解反应室的反应器壁；
燃烧器组件，所述燃烧器组件具有燃烧器导管，所述燃烧器导管具有圆周壁，所述圆周壁包围中心纵向轴线并且从所述燃烧器导管的相对的上游端和下游端延伸，所述圆周壁在宽度上从所述下游端和所述上游端到位于所述燃烧器导管的所述下游端和所述上游端之间的环形狭窄颈部逐渐变窄，所述燃烧器导管的所述下游端与所述热解反应器的所述反应室流体连通，所述燃烧器导管的所述上游端形成燃烧器组件入口；
热解进料组件，所述热解进料组件与所述燃烧器组件入口流体连通，其中所述中心轴线穿过所述热解进料组件，所述进料组件包括：
下游进料组件壁，所述下游进料组件壁绕着所述燃烧器组件入口的所述上游端周向地延伸并且与之相接，所述下游进料组件壁定向成垂直于所述中心轴线；
上游进料组件壁，所述上游进料组件壁沿着所述中心轴线与所述下游壁的上游轴向地间隔开并且垂直地穿过所述中心轴线延伸；
气体分隔壁，所述气体分隔壁在所述下游进料组件壁和所述上游进料组件壁之间轴向地间隔开，所述气体分隔壁定向成垂直于所述中心轴线并且具有包围所述燃烧器导管的所述中心轴线的中心开口，所述分隔壁在所述下游进料组件壁和所述分隔壁之间限定环形烃气入口流动空间并且在所述分隔壁和所述上游进料组件壁之间限定环形氧气入口流动空间，使得在所述流动空间内绕着所述燃烧器导管的所述中心轴线以向内螺旋流体流动模式垂直于所述燃烧器导管的所述中心轴线将烃气进料和氧气进料引入并且穿过所述流动空间；并且其中
从所述分隔壁的所述中心开口延伸至所述燃烧器组件入口的区域限定了所述热解进料组件的混合室，其中来自所述氧气入口流动空间的氧气进料和来自所述烃气入口流动空间的烃气进料被排放到所述混合室中，使得所述氧进料气体和所述烃进料气体在所述混合室内混合在一起并且形成旋流气体混合物，所述旋流气体混合物穿过所述燃烧器导管。


2.根据权利要求1所述的热解反应器，其中：
所述环形烃气入口流动空间和所述环形氧气入口流动空间中的至少一个设有周向地间隔开的导向叶片，所述导向叶片定向成有助于所述至少一个入口流动空间内的所述螺旋流体流动。


3.根据权利要求2所述的热解反应器，其中：
所述导向叶片可移动至选定位置，以在所述环形入口流动空间内为所述轻质烷烃气体进料流和所述氧气进料流中的每一个提供选定的方位-径向速度比。


4.根据权利要求1所述的热解反应器，其中：
所述反应器壁是圆柱形的。


5.根据权利要求1所述的热解反应器，其中：
所述燃烧器导管的从所述下游端至所述环形狭窄颈部的所述圆周壁以及任选地所述热解反应室的与所述燃烧器导管的所述圆周壁相接的所述反应器壁的上游部分被配置为光滑的连续壁，所述光滑的连续壁遵循椭圆形帽形或球形帽形的轮廓线。


6.根据权利要求1所述的热解反应器，其中：
所述反应器壁的内部是耐火材料。


7.一种将轻质烷烃转化为热解产物的方法，所述方法包括：
将热解进料引入到热解反应器中，所述热解反应器包括：
热解反应器容器，所述热解反应器容器具有限定热解反应室的反应器壁；
燃烧器组件，所述燃烧器组件具有燃烧器导管，所述燃烧器导管具有圆周壁，所述圆周壁包围中心纵向轴线并且从所述燃烧器导管的相对的上游端和下游端延伸，所述圆周壁具有位于所述燃烧器导管的所述下游端和所述上游端之间的环形狭窄颈部，所述燃烧器导管的所述下游端与所述热解反应器的所述反应室流体连通，所述燃烧器导管的所述上游端形成燃烧器组件入口；以及
热解进料组件，所述热解进料组件具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·潘纳拉，V·施特恩，L·陈，D·韦斯特，
申请(专利权)人：沙伯环球技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL