[发明专利]烃气热解转化的方法和反应器

说明书

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。

技术领域

本发明涉及烃(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。

背景技术

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。

所提出的发明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。

发明内容

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。