一种烃类原料高效转化的方法及其装置制造方法及图纸

本申请涉及烃类原料转化领域，具体地，涉及一种烃类原料高效转化的方法及其装置。所述方法包括以下步骤：1)将烃类原料气体与卤素物质反应生成卤代烷和卤化氢；2)将步骤1)提供的卤代烷与活泼金属反应，生成第一不饱和烃和第一金属卤化物；3)将步骤1)提供的卤化氢与活泼金属反应，生成第二金属卤化物和氢气。本申请在电化学体系中，可以将烃类原料气体转化为氢气、乙烯、乙炔、丙烯等高价值产物。丙烯等高价值产物。丙烯等高价值产物。

【技术实现步骤摘要】
一种烃类原料高效转化的方法及其装置


[0001]本申请涉及烃类原料转化领域，具体地，涉及一种烃类原料高效转化的方法及其装置。

技术介绍

[0002]天然气在地球上储量丰富，在全球能源格局中占有重要地位。天然气的主要成分是甲烷，其次是乙烷和丙烷。目前，天然气的主要用途是作为燃料供热。相比之下，仅有不到10％的天然气用作化工原料。由于页岩气、煤层气、深海可燃冰中天然气储量巨大，以天然气为化工原料生产高价值产物的技术具有重要环保和经济意义。
[0003]因为甲烷分子的碳氢键稳定而且结构对称，所以甲烷的高效转化是一个挑战。工业上的甲烷湿重整制氢工艺往往需要超过800℃的反应条件，这使得该反应的能耗较大，运行成本高，而且该过程还排放大量的二氧化碳温室气体。已有专利公开了一种将烃类原料(包括甲烷)转化为较不饱和烃的方法，具体包括以下几个独立步骤：(1)将烃原料卤化形成卤代烷、(2)再使卤代烷转化为不饱和烃和卤化氢，(3)然后再将不饱和烃从卤化烃分离，(4)然后再在水性介质或气相中电解卤化氢为氢和分子卤素。虽然该过程可以通过重复以上步骤实现连续生产，但是它流程复杂，涉及多个独立步骤和反应腔室，成本高，因而较难实现大规模化运行。此外，工业上从烃类原料制备乙烯、丙烯和丁二烯等不饱和烃的蒸汽热裂解法通常在超过850℃和超高压下运行，能耗巨大。在全球范围内，蒸汽热裂解过程每年排放超过3亿吨二氧化碳温室气体。综上所述，寻找高效、简单、低成本、低能耗、低排放和易于规模化的烃类原料转化工艺非常重要。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，为解决现有技术中烃类原料在温和条件下高效转化的技术挑战，本申请的目的在于提供一种烃类原料转化的方法及其装置，用于解决现有技术的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本申请第一方面提供一种烃类原料转化的方法，包括以下步骤：
[0006]1)将烃类原料气体与卤素物质反应生成卤代烷和卤化氢；
[0007]2)将步骤1)提供的卤代烷与活泼金属反应，生成第一不饱和烃和第一金属卤化物；
[0008]3)将步骤1)提供的卤化氢与活泼金属反应，生成第二金属卤化物和氢气。
[0009]在本申请的任意实施例中，步骤1)是在电解体系、光照、加热条件中的一种或多种的组合情况下进行。
[0010]在本申请的任意实施例中，步骤1)中，所述烃类原料气体选自甲烷、乙烷、丙烷、天然气中的一种或多种的组合。优选地，所述烃类原料气体选自甲烷和/或乙烷。更优选地，所述烃类原料气体选自乙烷。
[0011]在本申请的任意实施例中，步骤1)中，所述卤素物质包括卤素离子、卤素原子、卤素分子中的一种或多种的组合。优选地，所述卤素原子选自Cl、Br、I中的一种或多种的组合。所述卤素离子包括第一卤素离子。卤素分子包括第一卤素分子和/或第二卤素分子。更优选地，所述卤素离子选自Cl
‑
、Br
‑
、I
‑
中的一种或多种的组合。所述卤素分子选自Cl2、Br2、I2中的一种或多种的组合。
[0012]在本申请的任意实施例中，步骤1)中，所述卤代烷包括第一卤代烷和/或第二卤代烷；所述卤化氢包括第一卤化氢和/或第三卤化氢。
[0013]在本申请的任意实施例中，步骤2)或步骤3)中，所述活泼金属包括金属单质和/或液态合金。液态合金是指将金属单质溶于另一种低熔点的金属获得。优选地，低熔点的金属选自Ga、In、Sn、Pb、Zn、Bi、Sb中的一种或多种的组合。金属单质包括第一金属单质。优选地，所述第一金属单质选自碱金属和/或碱土金属。更优选地，所述第一金属单质选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba中的一种或多种的组合。
[0014]在本申请的任意实施例中，步骤3)中，所述氢气包括第一氢气和/或第三氢气。
[0015]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，所述电解体系包括阳极、阴极和金属卤化物熔融盐。金属卤化物熔融盐在熔融状态下提供第三金属卤化物，第三金属卤化物用于提供第一金属离子和第一卤素离子，第一金属离子在阴极发生还原反应以提供第一金属单质。
[0016]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，第一卤素离子在阳极发生氧化反应以提供第一卤素分子，所述烃类原料气体与第一卤素分子在阳极发生氧化反应，以提供第一卤代烷和第一卤化氢。
[0017]和/或，第一卤素离子与所述烃类原料气体在阳极发生氧化反应，以提供第一卤代烷和第一卤化氢。
[0018]优选地，至少部分的所述第一卤代烷和至少部分的所述第一卤化氢扩散到阴极发生还原反应生成第一氢气、第二卤素离子、第一不饱和烃和第二金属卤化物中的一种或多种的组合。
[0019]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，所述金属卤化物熔融盐选自第三金属卤化物的熔融体。优选地，所述第三金属卤化物选自金属氯化物、金属溴化物、金属碘化物中的一种或多种的组合。更优选地，所述金属氯化物选自LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2、ZnCl2中的一种或多种的组合。所述金属溴化物选自LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、MgBr2、CaBr2、SrBr2、BaBr2、ZnBr2中的一种或多种的组合。所述金属碘化物选自LiI、NaI、KI、RbI、CsI、MgI2、CaI2、SrI2、BaI2、ZnI2中的一种或多种的组合。
[0020]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，对于单位体积1cm3的金属卤化物熔融盐，通入所述烃类原料气体的流速为0.02～0.8cm3/min。
[0021]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，所述电解质体系的反应温度为200～600℃。所述电解质体系的反应电压为3～10V。
[0022]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，所述还原反应包括：所述第三金属卤化物得电子以提供第一金属单质和第二卤素离子；所述第一金属单质与所述第一卤代烷反应生成第一不饱和烃和第一金属卤化物。
[0023]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，所述还原反应还包括：
所述第三金属卤化物得电子以提供第一金属单质和第二卤素离子；所述第一金属单质与所述的第一卤化氢反应生成第一氢气和第二金属卤化物。
[0024]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，所述还原反应还包括：所述第一卤化氢得电子生成第二氢气和第三卤素离子。
[0025]在本申请的任意实施例中，当步骤1)在电解体系中进行时，还包括对剩余部分的所述第一卤代烷和剩余部分的所述第一卤化氢的后处理步骤，包括：将剩余部分的所述第一卤代烷与碱性物质反应生成醇、醛、羧酸和第四金属卤化物。优选地，所述碱性物质包括碱水溶液、碱性固体或碱性熔融体中的一种或多种的组合。更优选地，碱水溶液选自氢氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
中的一种或多种的组合；所述金属碘化物选自LiI、NaI、KI、RbI、CsI、MgI2、CaI2、SrI2、BaI2、ZnI2中的一种或多种的组合；c2)对于单位体积1cm3的金属卤化物熔融盐，通入所述烃类原料气体的流速为0.02～0.8cm3/min；c3)所述电解质体系的反应温度为200～600℃；所述电解质体系的反应电压为3～10V。5.如权利要求3所述的烃类原料转化的方法，其特征在于，所述还原反应包括以下3种情况任一种或多种的组合：d1)所述第三金属卤化物得电子以提供第一金属单质和第二卤素离子；所述第一金属单质与所述第一卤代烷反应生成第一不饱和烃和第一金属卤化物；d2)所述第三金属卤化物得电子以提供第一金属单质和第二卤素离子；所述第一金属单质与所述的第一卤化氢反应生成第一氢气和第二金属卤化物；d3)所述第一卤化氢得电子生成第二氢气和第三卤素离子。6.如权利要求3所述的烃类原料转化的方法，其特征在于，还包括对剩余部分的所述第一卤代烷和剩余部分的所述第一卤化氢的后处理步骤，包括以下5种方式的一种或多种的组合：e1)将剩余部分的所述第一卤代烷与碱性物质反应生成醇、醛、羧酸和第四金属卤化物；优选地，所述碱性物质包括碱水溶液、碱性固体或碱性熔融体中的一种或多种的组合；更优选地，碱水溶液选自氢氧化锂水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液中的一种或多种的组合；碱性固体选自氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种的组合；碱性熔融体选自熔融氢氧化锂、熔融氢氧化钠、熔融氢氧化钾中的一种或多种的组合；e2)将剩余部分的所述第一卤代烷在催化剂的作用下反应生成第二不饱和烃和第二卤化氢；所述催化剂选自沸石催化剂；e3)将剩余部分的所述第一卤代烷与所述活泼金属反应生成第三不饱和烃和第五金属卤化物；e4)将剩余部分的所述第一卤代烷回收，再次通入进行反应，生成第一不饱和烃和第一金属卤化物；e5)将剩余部分的所述第一卤化氢与所述活泼金属反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：管晓飞，张旭，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：