[发明专利]用于将甲烷转化成乙烯的方法及放热的原位传递

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月9日提交的名称为“用于将甲烷转化成乙烯的方法及放热的原位传递”的美国临时专利申请62/089,344、和2014年12月9日提交的名称为“通过将甲烷氧化偶联与甲烷干重整反应组合而生产乙烯和合成气的方法”的美国临时专利申请62/089,348的权益。所引用申请的全部内容以引用的方式无保留地并入本文。

发明背景

A.技术领域

本发明总体上涉及生产C₂烃类的方法。具体地，这些方法包括利用受控的传热过程由甲烷和氧气生产乙烯。

B.背景技术

乙烯通常用于生产广范的产品，例如耐断裂容器和包装材料。就工业规模的应用而言，乙烯目前是通过将包含乙烷和高级烃类的天然气凝析油和石油馏出物加热而生产，并且利用气体分离工艺将所产生的乙烯从产物混合物中分离出。

也可以通过由以下方程式所表示的甲烷氧化偶联生产乙烯：

2CH₄+O₂→C₂H₄+2H₂O ΔH＝–34kcal/mol(I)

2CH₄+1/2O₂→C₂H₄+H₂O ΔH＝–21kcal/mol(II)

甲烷被氧化转化成乙烯是放热反应。从这些反应中所产生的余热可以推动甲烷向一氧化碳和二氧化碳的转化而不是向期望的C₂烃产品的转化：

CH₄+1.5O₂→CO+2H₂O ΔH＝–103kcal/mol(III)

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O ΔH＝–174kcal/mol(IV)

从方程式(III)和(IV)的反应中所产生的余热进一步加剧了这种情况，因此当与一氧化碳和二氧化碳生产相比较时显著地降低乙烯生产的选择性。

此外，虽然总体的甲烷氧化偶联(OCM)是放热的，但还要使用催化剂来克服C-H键断裂的吸热性质。键断裂的吸热性质是由于甲烷的化学稳定性所造成。由于甲烷具有四个强四面体C-H键(435kJ/mol)，因而甲烷是化学稳定的分子。当在甲烷氧化偶联中使用催化剂时，放热反应会导致催化剂床温度大幅升高和不受控制的热飘移，由此会引起在催化剂上的团聚。这导致催化剂失活和乙烯选择性的进一步降低。此外，所产生的乙烯是高度反应性的，在过高浓度的氧气浓度下会形成不需要的热力学有利的氧化产物。

授予Cizeron等人的美国专利申请公开2014/0121433、授予Cizeron等人的美国专利申请公开2013/0023709、和授予Zurcher等人的美国专利申请公开2013/0165728描述了通过使用交替层的选择性OCM催化剂来控制甲烷氧化偶联的放热反应的尝试。其它方法则试图通过流化床反应器的使用和/或将水蒸气用作稀释剂而控制放热反应。这些解决方案昂贵且效率低。此外，需要大量的水来吸收反应热。

发明内容

已发现了针对上述问题的解决方案。具体地，该方案在于将在甲烷的放热氧化偶联反应期间所产生的任何余热传递至惰性材料。

这允许乙烯选择性提高，同时避免催化剂的失活。此外，这些方法避免了催化剂的失活。不希望受到理论的约束，认为在催化剂床内部的热点形成受到控制，因为在甲烷与氧气的放热反应期间所产生的热被惰性材料排出，由此延长催化剂的寿命。