CN111867717B - 烃气热解转化的方法和反应器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

烃气热解转化的方法和反应器

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。

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-radial velocity ratios)。

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开的导向叶片，该导向叶片定向成有助于所述至少一个流动空间内的旋转旋流流体流动。在某些实施方案中，导向叶片可移动至选定位置，以在环形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。

反应器壁可以是圆柱形的。并且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可以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。反应器壁的内部可以是耐火材料。

环形烷烃气体流动空间和环形氧气流动空间可以由热解进料组件的平面壁限定，该平面壁定向成垂直于燃烧器导管的中心轴线。环形烷烃气体流动空间可以位于沿着中心轴线在环形氧气流动空间下游的位置处。

附图说明

为了更加全面地理解本文描述的实施方案及其优点，现在将结合附图参照以下描述，在附图中：

图1是根据特定实施方案的用于将诸如甲烷的烃气转化为热解产物的热解系统的过程流程图；

图2是根据特定实施方案构造的热解反应器的截面示意代表图；

图3是图2的热解反应器的下部的透视图，示出了根据特定实施方案构造的燃烧器组件和热解进料气体组件；

图4是根据特定实施方案的示意图，其示出了图2的热解反应器的热解进料气体组件的导向叶片相对于反应器的燃烧器组件的中心纵向轴线的角度；

图5是图2的热解反应器的示意图，示出了反应器内的气体流动；

图6是热解反应器几何形状和速度矢量的代表图，示出了实施例1的实验室规模的热解反应器单元模型中的气体流动方向；

图7是实施例1的实验室规模的热解反应器单元的温度分布的代表图；

图8是相对于距实施例1的实验室规模的热解反应器的燃烧器导管的狭窄颈部的装置轴线的径向距离的温度曲线的曲线图，其中r_n是颈部半径；

图9示出了相对于距实施例1的实验室规模的热解反应器的燃烧器导管的狭窄颈部的装置轴线的径向距离的轴向速度和旋流速度的曲线图，其中r_n是颈部半径；

图10是实施例1的实验室规模的热解反应器单元的氧气的质量分数分布的代表图；

图11是实施例1的实验室规模的热解反应器单元的乙炔(C₂H₂)的质量分数分布的代表图；

图12是在实施例2的实验室规模的热解反应器单元模型中，甲烷进料和氧气进料中的每一个的方位-径向速度比的影响以及所得乙炔(C₂H₂)产率的三维图；

图13是在实施例3的实验室规模的热解反应器单元模型中甲烷/O₂摩尔进料比对热解性能的影响的曲线图；

图14是在维持实施例4的甲烷/氧气进料比的同时，在CH₄和O₂两者的质量流率增加时总结的数值模拟结果的曲线图；以及

图15是在流速在所有情况下均维持不变的同时在针对实施例4使本文描述的反应器的所有尺寸均一致地按比例放大时的数值模拟结果的曲线图。

具体实施方式

在本公开中，利用了一种新颖系统，该系统将两阶段的燃烧热解过程转变为单阶段。该系统和过程利用“混合时的燃烧和热解”概念。这是通过在特定流体动力学下利用进料气体和氧气的环形高旋流射流实现的，该射流被进料至热解反应器的独特燃烧器组件。与利用预混合火焰的常规单阶段部分氧化方法不同，本反应器设计中的燃烧具有紧凑火焰，几乎未预混合的气体完全燃烧[即，气体在反应器的进料组件的混合腔室内遇到时就开始混合]，这提供高达约2800℃的高气体温度。燃烧反应为过量的甲烷气体或其它进料气体的热解提供所需的热量，这些甲烷气体或其它进料气体通过在热解反应器的同一反应室中直接接触和再循环而夹带到热的燃烧气体中。

应该注意的是，尽管在整个说明书中所呈现的讨论和实施例可以与甲烷向乙炔和其它热解产物的转化有关，但所呈现的方法和系统也同样适用于其它非甲烷烷烃化合物转化为更高价炔烃化合物或其它烃(可能是非烷烃烃)转化为热解产物。

参照图1，示出了用于甲烷或其它烃的热解的热解系统10。系统10包括热解反应器12，该热解反应器12将在后面更详细地描述。含氧气体进料流14被进料至反应器12。含氧气体进料14可以是浓氧气进料，其中大部分进料(即，＞50摩尔％)由氧气(O₂)组成。在许多情况下，含氧气体将是由O₂组成的高纯度含氧气体进料，其量为氧气进料流的20摩尔％至100摩尔％。这可以是由用于从空气或其它氧气源分离出氧气的空气分离单元(ASU)16提供的。空气也可以用作含氧气体。在将空气用作含氧气体的情况下，或在含氧气体进料中存在大量杂质(例如，N₂)的情况下，可能需要在下游从产物中分离出此类杂质。

含烃气体进料流18与氧气进料流14单独地被进料至反应器12。进料流18可以是含有一种或多种烷烃的烃气。这些可以是轻质烷烃，诸如，C₁至C₆烷烃。在许多实施方案中，含烃气体进料流18是含甲烷气体进料流。含甲烷气体进料18可以是纯甲烷气体或者可以是含有其它气体的甲烷气体源。在某些情况下，进料流可以主要是甲烷(即，＞50摩尔％)或完全是甲烷。在特定实施方案中，进料流可以由天然气(NG)或其它富烃气体组成，该天然气可以具有85摩尔％至97摩尔％或更高的甲烷含量。在一些情况下，进料流18可以是已经过预处理以去除不希望的组分(诸如，含硫化合物)的经预处理进料流。进料流18可以在被引入到反应器12中之前被预热。在特定应用中，进料流18可以被加热至25℃至500℃的温度以提高转化效率或蒸发较重烷烃。由于整个过程是放热的，因此该预热可以使用部分地或全部地由热解反应器期间生成的热量提供的热源。可替代地，可以由其它外部源提供预热热源。

在说明书中应该注意，如果呈现了数值、浓度或范围，则每个数值应被术语“约”修饰后读取一次(除非已经明确地如此修饰)，并且然后以未如此修饰的方式再次读取，除非上下文中另有说明。同样，在说明书中，应当理解，列举或描述为有用、合适等的量范围意在认为该范围内的任何和每个值(包括端点)都被认为是已经陈述的。例如，“从1至10的范围”应被解读为表示沿着约1至约10之间的连续体的每个可能数字。因此，即使明确地识别或参照了该范围内的特定点或者甚至没有该范围内的点，也应当理解，发明人了解并且理解该范围内的任何点和所有点都应被认为已被指定，并且发明人拥有整个范围以及该范围内的所有点。

根据以下放热反应(1)，甲烷与纯氧完全燃烧的化学计量比需要的CH₄/O₂摩尔比为0.5：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O(-802kJ/molCH₄) (1)

在当前的燃烧热解过程中，可以使用约1至5的CH₄/O₂或NG/O₂(对于天然气)摩尔比。过量的甲烷或NG气体用作“裂解气体”。该裂解气体通过甲烷的吸热热解反应转化为C₂和C₃烃，反应如下：

2CH₄→C₂H₂+3H₂(+188kJ/molCH4) (2)

2CH₄→C₂H₄+2H₂(+101kJ/molCH4) (3)

2CH₄→C₂H₆+H₂(+32.5kJ/molCH4) (4)

3CH₄→C₃H₆+3H₂(+81.6kJ/molCH4) (5)

3CH₄→C₃H₈+2H₂(+40.2kJ/molCH4) (6)

由于热解反应的高度吸热性质，因此燃烧热解过程需要高温，通常高于1500℃，以便实现C₂+烃的高产率。热解反应在没有催化剂存在或不需要催化剂的情况下发生。在该高温下热能由热解反应器的独特热解燃烧器和进料组件供应，如将在后面更详细地讨论的。

热解产物气体20可以含有C₂+烃(其中乙炔是主要产物)以及合成气(一氧化碳和氢)。热解气体需要在下游在几毫秒内(通常小于10毫秒)骤冷，以便使重烃和烟灰的形成最小化。这可以通过由于其高速度而在反应器12的高温区中停留短暂时间来实现，然后在骤冷单元22(诸如，水滴喷雾骤冷容器或其它合适的气体骤冷装置)中骤冷。

骤冷产物24可以被输送至分离单元26，在分离单元26中分离热解产物气体以形成含有高浓度的乙炔气体(C₂H₂)的产物流28，该产物流可以使用Reppe化学法进一步用于各种乙炔副产物或在加氢单元30中重整以产生加氢产物，诸如乙烯和其它产物32。一部分分离的热解过程气体34(其通常由CH₄和其它烷烃组成)可以再循环至热解反应器12以用于提高转化率和产率性能。合成气36也可以在分离单元26中与过程气体分离，以用于化学生产和发电。

应该注意的是，尽管图1的系统10示出了用于各种过程步骤的单个单元，但每个单元可以由一个或多个单元组成，该一个或多个单元可以彼此结合地操作，诸如并行地或相继地操作，以执行所描述的各个过程步骤。

参照图2，示出了用于烃气(诸如，甲烷或天然气)热解的热解反应器12的正视截面示意代表图。热解反应器12包括反应器容器38，该反应器容器38具有限定反应室41的反应器壁40。反应器壁40可以具有沿着其长度的全部或一部分具有恒定直径的圆柱形配置，该圆柱形配置可以构成其长度的大部分。在大多数情况下，反应器12垂直地定向，使得圆柱形反应器壁40以直立取向定向。然而，反应器可以具有其它取向(例如，水平、倾斜等)，因为该过程由离心力控制，该离心力超出重力几个数量级。反应器容器38可以配置为提供为至少2的长度与直径比(L/D)。在特定应用中，L/D比可以在2至5的范围内。

反应器容器38可以由钢形成。在某些实施方案中，可以在反应器容器周围提供冷却套管，其中第二钢壁42定位在内反应器壁40周围并且与内反应器壁40间隔开，并且诸如水的冷却流体可以循环通过形成在壁40、42之间的套管。在其它实施方案中，反应器壁40可以由一层或多层耐火材料形成，该耐火材料衬在外钢壁的内部以减少热损失并且保持反应器12的高温。如稍后将描述的，由于反应器12的独特设计和操作，所以反应器壁40由高速近壁气流在内部冷却，该高速近壁气流由离心力推向反应器壁40，使得在一些应用中，不需要外部冷却套管。这也允许将耐火材料用于反应器壁40的内部。由于遇到的高热，所以耐火材料(没有冷却)通常不能与常规热解反应器一起使用。

在反应器容器38的上端或下游端设有出口43，用于从反应室41中去除或排放热解产物。尽管出口43被示出为位于反应器容器38的上端，但是在其它实施方案中，出口43可以位于反应器容器38的下端，使得通过反应器的流在相反方向上(即，从上到下)。出口直径可以与反应器壁40的直径相同，或者可以减小出口直径以在下游骤冷和收集之前加速流动。

反应器12包括联接至反应器容器38的反应器壁40的下端或上游端的燃烧器组件44。燃烧器组件44具有燃烧器导管46，该燃烧器导管46具有围绕中心纵向轴线50的圆周壁48。在反应器12竖直地定向的情况下，中心轴线50也将竖直地定向并且将与反应器容器38的中心竖直轴线同心或平行。在所示实施方案中，轴线50与反应器容器38的中心纵向轴线同心并对准。圆周壁从燃烧器导管46的相对的上游端和下游端延伸出去。如可以在图2中看到的，圆周壁48在宽度或直径上从下游端和上游端到位于燃烧器导管46的下游端和上游端之间的环形狭窄颈部52平滑地逐渐变窄。圆周壁48的内部可以沿着其长度具有圆形垂直截面(相对于轴线50)。圆周壁48的内部限定了燃烧器组件44的流动路径，其中狭窄颈部52形成燃烧器组件44的汇聚-发散流线型喷嘴。颈部52的喷嘴几何形状是基于与粘性不可压缩流体的旋流圆锥形射流有关的理论进行配置的，这将在后面详细描述。

在一些实施方案中，燃烧器导管的从其与反应器壁40相接的下游端至环形狭窄颈部52的圆周壁可以被配置为具有椭圆形帽或球形帽形状或配置的光滑连续凹形壁。同样，热解反应室41的与燃烧器导管的圆周壁相接的反应器壁40的上游部分也可以被配置为光滑的连续凹形壁，该光滑的连续凹形壁遵循椭圆形帽或球形帽形状或配置的轮廓线。

燃烧器导管46的下游端绕着其周长与反应器壁40相接，使得燃烧器导管46与热解反应器容器38的反应器室41流体连通。燃烧器导管46的上游端形成燃烧器组件入口54。

热解进料组件56设有反应器12。热解进料组件与燃烧器组件44的入口54流体连通，其中中心轴线50穿过热解进料组件56。进料组件56包括下游进料组件壁58，该下游进料组件壁58绕着燃烧器组件入口54的上游端周向地延伸并且与之相接。进料组件壁58定向成垂直于或基本上垂直于(即，绕其圆周距垂线＜5度)中心轴线50。

沿着中心轴线50在上游与下游壁58轴向地间隔开的是上游进料组件壁60。上游壁60垂直于或基本上垂直于(即，当其从中心轴线延伸出去时，绕其圆周距垂线＜5度)中心轴线50并且延伸通过中心轴线50。

气体分隔壁62在下游进料组件壁58和上游进料组件壁60之间轴向地间隔开。分隔壁62还定向成垂直于或基本上垂直于(即，当其从中心轴线延伸出去时，绕其圆周距垂线＜5度)中心轴线并且具有中心开口64，该中心开口64围绕中心轴线50并且与燃烧器导管46同心。中心开口64具有圆形配置。也可以使用中心开口64的其它形状(例如，卵形)，只要此类配置有助于气体旋流以提供本文描述的期望流动模式即可。该形状还可以对应于燃烧器导管46的圆周壁48的截面形状。然而，在大多数应用中，中心开口64将是圆形形状。中心开口64的直径或宽度可以在其最窄点与燃烧器导管46的狭窄颈部52的直径或宽度相同或稍有不同。

分隔壁62限定了位于下游进料组件壁58和分隔壁62的下游侧之间的环形气体流动空间66。同样，环形气体流动空间68由分隔壁62的上游侧和上游进料组件壁60限定。这提供了流动通道，待热解的烃气进料(例如，CH₄或天然气)和氧气可以通过该流动通道单独地被引入并且分别垂直于或基本上垂直于燃烧器导管46的中心轴线50穿过流动空间66、68。在大多数情况下，上部或下游流动空间66将构成用于引入含氧气体的烃气入口流动空间，而下部或上游流动空间68将构成用于引入含氧气体的氧气入口流动空间。由于离心力将较高密度的氧气压入到较低密度的烃(例如，甲烷)中，所以该配置增强了混合。

形成流动空间66、68的壁58、60和62轴向地间隔开以为从其中流过的气体提供期望的体积和流动特性。这可以是基于烃进料气体和氧进料气体中的每一个的期望流率或线速度及其相对量。例如，燃烧所需的氧气的相对体积通常小于燃烧和热解所需的烃进料气体的相对体积。因此，分隔壁62可以在间隔上更靠近上游壁60，使得烃气流动空间66更大以容纳更大的烃气流量。

设在流动空间66、68的外围周围的环形气体歧管70、72分别流体地联接至含烃气体源和含氧气体源。歧管70、72设有热解进料组件56以有助于将进料气体引入到流动空间66、68中。歧管70、72的气体入口74、76可以被切向地引导到流动空间66、68中，使得气体不仅从入口74、76径向地朝向中心轴线50被引导，而且相反多半地切向地绕着中心轴线被引导，以提供向内螺旋流动模式。此外，进料气体组件的壁58、60、62防止从歧管70、72引入的气体在被容纳在流动空间66、68内的同时沿着中心轴线50轴向地流动。歧管70、72可以被配置为标准歧管(例如，蜗牛状)，如通常在涡流装置中可以使用的。

参照图3，流动空间66、68中的一个或两个可以设有多个周向地间隔开的导向叶片78、80(例如，10至60个导向叶片)。每个导向叶片78、80可以是定向在平面中的平面构件，其平行于中心轴线并且在壁58、60和分隔壁62之间延伸。导向叶片78、80可以彼此周向地间隔开相等距离。在某些实施方案中，导向叶片78、80可以被固定在适当的位置，其中导向叶片的上侧边缘和下侧边缘沿着其长度或其长度的一部分与壁58、60、62相接，使得在叶片78、80的侧边缘与壁58、60、62之间没有气隙。然而，在其它实施方案中，导向叶片是可移动的。在这种情况下，叶片78、80的上侧边缘和下侧边缘可以与壁58、60、62紧密地间隔开以提供小间隙以允许此类移动，但是使气体可以穿过的气隙最小化。还可以使用密封件来有效地封闭这些空间或间隙。在其它情况下，叶片78、80可以定向成使得叶片的平面相对于中心轴线处于不平行或倾斜的取向。在这种情况下，侧边缘可以固定至壁58、60、63或保持与壁58、60、62紧密地间隔开以使气体穿过的气隙最小化。在其它情况下，导向叶片78、80可以被配置为具有弯曲表面的翼型，其可以被定向成使宽度平行于或不平行于轴线50以提供期望的流动特性。

导向叶片78、80邻近流动空间66、68的外周设置并且在歧管入口70、72附近分别以环形或圆形环模式间隔开，尽管它们可以在位于流动空间66、68的径向向内或进一步在其内部的其它位置处以环形模式设置，或者一个或多个附加环形导向叶片组可以从沿着外围的位置径向向内定位以有助于向内螺旋流体流动。

来自歧管70、72的进料气体几乎切向地被输送至流动空间66、68的外周，导向叶片78、80在此进一步有助于在流动空间66、68内以向内旋流或螺旋流体流动模式引导气流。在其它实施方案中，在来自入口74、76的气体可以朝向中心轴线50径向地被引导的情况下，导向叶片78、80可以使引入的气体完全切向流动。在这种情况下，导向叶片78、80阻止直接朝向中心轴线50流动，并且切向地引导流动气体以提供向内旋流或螺旋流体流动模式。

每个流动空间70、72的导向叶片78、80可以安装在致动器(未示出)上，使得其可以选择性地移动至各个位置，以提供选定的向内螺旋流动模式。导向叶片78、80可以绕着平行于中心轴线50的轴线枢转，使得叶片78、80可以移动至各个位置。

叶片78、80的取向以及切向入口74、76的取向可以在图4中看到。如图所示，线82代表叶片78、80和/或入口74、76相对于从中心轴线50径向地延伸出去的径向线84的取向角。角度A是切线82和径向线84之间的角度。在特定实施方案中，角度A可以在从50°至85°、更典型地从60°至75°的范围内。因此，叶片78、80可以在该范围内以角度A永久地定向或者可以在该范围内移动至各个角度取向。在大多数情况下，环形模式内的叶片78、80中的每一个将被设定为相同的角度A，并且在被致动时将一致地或接近一致地移动至相同的角度A，以提供期望的螺旋流体流动特性。叶片78和/或流通通道66的入口74的取向角A可以与叶片80或流动通道68的入口76的取向角相同或不同。

在大多数情况下，切向气体入口74、76和/或导向叶片78、80将定向成提供绕着轴线50在相同旋转方向上(即，顺时针或逆时针)的螺旋流体射流。因此，含烃气体和含氧气体都将绕着轴线50在流动空间66、68内顺时针或逆时针螺旋流动。

再次参照图2，从分隔壁62的中心开口64延伸至燃烧器组件入口54的区域限定了热解进料组件56的混合室86。来自流动空间入口66、68的气体正是在此被排放出并且在混合室86内混合，以在混合室82内形成旋流气体混合物。该旋流气体混合物然后穿过燃烧器导管46并且进入反应器容器38的反应室41。

如前面讨论的，气体流动空间66通常将用于将含烃气体的螺旋射流引入到混合室82中。这可以是含烷烃气体，诸如，甲烷或天然气。位于流动空间66上游或下方的流动空间68通常将用于引入含氧气体的螺旋射流。烃气和氧气彼此单独地被引入到流动空间66、68中，而不是作为混合物被引入，作为混合物引入可能引起安全问题。

当来自流动空间66、68的螺旋射流气体径向地向内流动时，其被排放到混合室86中，在混合室86中，烃气和氧气进行混合。旋流气体混合物然后轴向地穿过燃烧器导管46，其中至少一部分旋流气体混合物形成紧邻燃烧器导管46的薄的环形富烷烃气体流动层。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，以提供适合于反应器容器38的热解反应室41内的烃气(诸如，甲烷或轻质烷烃气体)的热解的条件，其中一部分烃气在热解反应室41内被转化为热解产物。

氧气具有比甲烷气体高的分子量，通常将用作热解进料气体。此外，含烃气体通常被预热，而含氧气体可以不被预热，使得含甲烷或其它烷烃的气体比含氧气体的密度低或重量更轻。因此，当含氧气体以螺旋射流的形式从流动空间68排放出时，其将通过中心开口64移动到较轻的含烃气体中进入混合室82。离心力将所喷射的氧气推入到周围的烃或甲烷气体射流中。这增强了两种料流的混合。此外，来自流动空间入口66的烃气和来自流动空间入口68的氧气通常具有不同的速度。这会在这些气体之间创建剪切层，该剪切层会经受开尔文-亥姆霍兹不稳定性的影响，以进一步增强这些气体的混合。

另外，当氧气与甲烷或烃气混合时，其通常会被混合室86的中心内的排放出的烃气螺旋射流的周围旋流部分包裹住。因此，氧气在穿过燃烧器导管46时将被旋流烃气围住或围绕。这是由于以下事实：燃烧的混合物比进入的烃气轻几倍并且离心力将烃气推向燃烧器/反应器壁(52、48)。

这可以在图5中示意性地看出，图5示出了反应器12。如图所示，将甲烷进料88几乎切向地引入到流动空间66中，并且将氧气90几乎切向地单独地引入到流动空间68中以创建向内螺旋射流，其中这些气体在混合室86内进行混合。虚线92、94通常示出了甲烷进料88和氧气90的总体通流路径。

如在图5和图10中可以看到的(稍后更详细地讨论)，当在混合室86内发生混合时，一部分甲烷进料作为旋流甲烷进料92的外部非混合层存在，当其与剩余甲烷混合并且穿过燃烧器组件44时，该外部非混合层保持在氧气流94的外部。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，如在图10中可以看到的。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，以提供适合于反应器容器38的热解反应室41内的烃气(诸如，甲烷或轻质烷烃气体)的热解的条件。此类条件包括发生热解反应的反应室41内的2700℃至2850℃的温度。

当形成燃烧气体时，它们处于更高的温度下(接近2850℃)并且因此将比进入冷却器的加压未燃烧烃气和氧气轻。旋流气体的离心力提供了稳定的密度分层，其中较高密度的烃气(例如，甲烷)以及任何未燃烧的氧气作为薄层92、94被推向反应器容器38的侧壁40(图5)。这发生在离心浮力将热烟道气体或燃烧气体推向轴线50时。在92、94处将较冷的气体向外推的热分层保护反应堆容器38的侧壁40以免于过热。装置的几何形状和气体混合物旋流还导致由反应室41内的气体混合物的燃烧形成的燃烧或烟道气体96回流，该燃烧或烟道气体96回流从薄的环形混合气体流动层92、94向上游并且径向地向内流动，薄的环形混合气体流动层92、94在反应室41内循环，如图5所示，以形成再循环区98。该再循环还形成燃烧器组件火焰100并且使其稳定，使得其紧凑并且保持靠近燃烧器导管46的下游端，从而导致更好和完全的燃烧。

参照图2，在操作中，将含烃气体从歧管70引入至切向入口74进入流动空间66。含烃气体可以是甲烷、天然气、轻质烷烃气体(例如，C₂-C₆)等。含氧气体(其可以是浓缩氧气或纯氧气，诸如，来自空气分离单元16)通过歧管72被引入通过入口76进入流动空间68。在某些应用中，对于甲烷或天然气(NG)，CH₄/O₂或NG/O₂的摩尔比可以在1至5、更特别地在1至4、并且仍更特别地在1.5至2.5、并且甚至仍更特别地在1.8至2的范围内。该比率可以取决于特定的操作条件和要形成的期望产物。气体进料流可以被引入以提供不同的流速，以提供开尔文-亥姆霍兹不稳定性以增强混合。流速可以在10至500m/s、更特别地在100至400m/s的范围内。反应器12可以在100kPa至20000kPa下操作，其中气体在反应器内的停留时间为10至10000微秒。

气体被引入并且流过流动空间66、68，使得轴向速度(即，相对于轴线50)在被排放到混合室86中之前为零。可以为每个流动空间66、68设定切向入口74、76和/或导向叶片78、80的取向，使得针对流过流动空间66、68的进料流中的每一个实现选定方位-径向速度。关于方位-径向速度，在特定实施方案中，其范围可以为从0至30或更大、更特别地为从0、1或2至3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30。在一些应用中，方位-径向速度可以在0至5、更特别地在2至4的范围内。然而，特定方位-径向比可以取决于特定反应器配置和烃/氧流的组成而变化。

在反应器中产生的热解产物通过出口43从反应器容器38中去除，这些热解产物在出口43处可以被骤冷并且进一步处理和再循环，如关于先前针对图1描述的过程步骤所讨论的。

在所描述的热解反应器的变型中，可以沿着反应器容器的长度在中间位置处(诸如，在入口102处(图2))引入附加烃进料气体(例如，甲烷、天然气等)。一个或多个此类入口94可以设在各个位置处和在反应器容器38中，其可以周向地和纵向地间隔开。入口102可以被定向成或配置为使得气体也被切向地引入，以有助于旋流流体流动，类似于从进料组件56输送的流体。

在一些实施方案中，可以在单个反应器中提供多个燃烧器组件和对应的热解进料组件，同时维持高性能。

本文描述的反应器设计具有较高的甲烷转化率和选择率，与其它常规单阶段或两阶段乙炔生产方法相比具有更高的总体C₂+产率。该反应器的配置相对简单，这大大降低了资金成本和操作成本。高旋流燃烧器提供稳定而紧凑的非预混合燃烧，从而由于邻近反应器壁的甲烷的高速环形流动，而有助于反应器壁温度更低。反应器可以通过增加进料速率和尺寸放大来扩大规模。

以下实施例用于进一步说明各种实施方案和应用。

实施例

在以下实施例中，如本文已描述的，为了优化热解反应器的设计，使用可作为

软件产品得到的商业软件来执行计算流体动力学(CFD)模拟，以通过数值实验验证其性能。在二维轴对称CFD框架中，使用雷诺应力湍流模型使用雷诺平均奈维尔-斯托克斯(RANS)方法对旋流流体流动、热传递和详细气相反应进行建模。建模的基本案例ANJEVOC-CP反应器的内径为约6英寸，其中甲烷/氧气摩尔比为1.8-2.0。

实施例1

图6示出了实验室规模的单位模型中的热解反应器几何形状和轴向速度分布。区域箭头方向指示气相的流动方向，并且其长度指示速度的相对大小。在进料组件入口处，对于O₂和CH₄，轴向速度为零，径向速度和方位角速度一致，并且方位-径向速度比为3。该高度旋流流在反应器的轴线附近形成再循环区域，如上面在图5中描述的，该再循环区域使火焰稳定并且在燃烧时增强混合。该回流(反应室中接近图6中的轴线的逆流区域)将燃烧压向喷嘴颈部。这可以在图7中看到，其中燃烧器导管下游的较暗区域指示较高温度，而较亮区域指示较低温度。气体的回流将燃烧压向较暗的高温区域(最高温度为2800℃)中的燃烧器导管收缩处，在图7中，该较暗的高温区域被描绘为位于燃烧器组件处和附近的深色三点形状。还示出了热区域位于中心轴线附近并且热燃烧气体通过薄的环形射流(较亮区域)层与燃烧器导管的侧壁隔开，这防止了侧壁过热。

图8和图9通过示出喷嘴颈部处的温度和速度的径向分布来更详细地绘示了通过环形旋流射流保护壁以免其过热。在燃烧区域中在轴线(r＝0)处达到的最高温度为3004°K。图8示出了在侧壁处温度下降至805°K，其中r＝r_n(即，r/r_n＝1)；r_n是颈部半径。

在图9中，靠近侧壁的轴向速度的尖峰(337m/s)显示出高速喷射行为。该高速环形射流(其运输低温CH₄的最大质量通量)保护反应器的侧壁免于过热。该射流通过高速旋流速度提供的离心力被压向侧壁，高速旋流速度的近侧壁峰值为327m/s。

图10描绘了氧的分布，并且图11描绘了在反应器中由甲烷热解形成乙炔(C₂H₂)。在图10中，氧浓度被示出为在燃烧器组件上游至最底部的流动空间中最高，其在流动空间内显示为暗区。从此处向下游移动，氧浓度降低，如从氧气流动空间流出并指向燃烧器组件的两叉叉状区域以及从燃烧器散发出的较亮区域(氧气在此与甲烷混合)所示。下游含甲烷流动空间中的较亮区域、沿着燃烧器导管侧壁和沿着反应器上游端的极薄较亮区域以及燃烧器组件下游的反应器的大部分反应室指示缺氧。因此，氧气在燃烧器组件中通过燃烧而被完全消耗，而反应室的圆柱形部分实际上是无氧的。

在图11中，反应器中靠近燃烧器组件的底部或上游较亮区域指示C₂H₂的质量分数低。反应器的顶部或下游较暗区域指示甲烷热解会产生C₂H₂浓度。如在比较图10和图11时可以看出的，在存在O₂的地方不存在C₂H₂，并且C₂H₂主要是在反应器的圆柱形反应室中产生。因此，燃烧器组件用作紧凑的非预混合燃烧器，并且反应器的圆柱形部分有助于热解。

实施例2

图12示出了两种入口流(CH₄和O₂)的方位-径向速度比的组合效果。两种料流以高方位-径向速度比3共转可实现峰值产率，这表明高方位-径向速度比有利于创建较宽的再循环区域和快速混合。

实施例3

图13示出了甲烷/氧气摩尔比对热解性能的影响，该比率从1.6至2.4发生变化。敏感性分析表明，由于燃烧温度和可用于热解的热能，所以总体甲烷转化率会随甲烷/氧气比的增加而降低。另一方面，选择率略微提高，从比率1.6提高至比率约2。作为这两个指标的乘积，在特定操作条件下，总体C₂+产率峰值在约1.8的比率处，在该特定规模下达到约28.2％。值得注意的是，在不同的反应器规模、热损失以及操作压力下，优化的甲烷/氧气比可能会发生变化。

实施例4

参照图14，在维持甲烷/氧气进料比的同时，在CH₄和O₂两者的质量流率增加时，总结了数值模拟结果。由于在Re数增加的情况下混合效果增强，因此C₂+产率随生产量而略微增加。如果不牺牲高转化率，则较短的停留时间也可能有利于提高C₂+产率。图15在流速在所有情况下均维持不变的同时在本文描述的反应器的所有尺寸均一致地按比例放大时总结数值模拟结果。结果表明，在该尺寸范围内，CH₄转化率、C₂+产率和C₂+选择率几乎保持不变。

尽管已经以其一些形式示出了本发明，但是对于本领域的技术人员应当显而易见的是，本发明不限于此，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下，基于实验数据或考虑该过程的总体经济性的其它优化而进行各种改变和修改。因此，所附权利要求应以与本发明的范围一致的方式进行广义地解释。

Claims (20)

1.一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，其中所述中心纵向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纵向轴线；

上游进料组件壁，所述上游进料组件壁沿着所述中心纵向轴线与所述下游进料组件壁的上游轴向地间隔开并且垂直地穿过所述中心纵向轴线延伸；

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纵向轴线并且具有包围所述燃烧器导管的所述中心纵向轴线的中心开口，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纵向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纵向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，使得所述氧气进料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烃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环形烷烃气体流动空间和环形氧气流动空间，所述环形烷烃气体流动空间和所述环形氧气流动空间排放到与所述燃烧器组件入口流体连通的中心混合室中；

将所述热解进料的含烷烃气体进料流引入到所述环形烷烃气体流动空间中并且将所述热解进料的含氧气体进料流引入到所述环形氧气流动空间中，使得所述含烷烃气体进料流和所述含氧气体进料流在所述流动空间内以绕着所述燃烧器导管的所述中心纵向轴线流动的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纵向轴线穿过所述流动空间，其中来自所述氧气流动空间的所述含氧气体进料流和来自所述烷烃气体流动空间的所述含烷烃气体进料流被排放到所述混合室中，使得所述含烷烃气体进料流和所述含氧气体进料流在所述混合室内混合在一起并且形成旋流气体混合物；

允许所述旋流气体混合物穿过所述燃烧器导管，其中至少一部分所述旋流气体混合物形成紧邻所述燃烧器导管的薄的环形混合气体流动层，并且其中当所述旋流气体混合物穿过所述燃烧器导管时，一部分所述旋流气体混合物被燃烧，以提供适合于来自所述反应器容器的所述热解反应室内的所述含烷烃气体进料流的烷烃气体的热解的条件，其中一部分所述烷烃气体在所述热解反应室内被转化为热解产物；以及

从所述反应器容器的所述反应室中去除热解产物。

8.根据权利要求7所述的方法，其中：

在所述热解反应器内形成烟道气体回流，所述烟道气体回流从所述薄的环形混合气体流动层沿着所述中心纵向轴线朝向所述燃烧器导管的所述上游端向上游并且径向地向内流动。

9.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述含烷烃气体进料流的烷烃气体是甲烷气体或天然气。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：

将所述甲烷气体或所述天然气进料和所述含氧气体进料以1至5的CH₄/O₂或NG/O₂摩尔比引入到所述热解进料组件中。

11.根据权利要求7所述的方法，其中：

将热解产物从所述反应室中去除并且将其在骤冷单元中骤冷。

12.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述环形流动空间内的所述含烷烃气体进料流和所述含氧气体进料流中的每一个的方位-径向速度比为0至30。

13.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述含烷烃气体进料流和所述氧气进料流各自在相同的旋转方向上被引入到各环形流动空间中。

14.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述环形烷烃气流动空间和所述环形氧气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流动空间内的所述旋流气体混合物。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述导向叶片可移动至选定位置，以在所述环形流动空间内为所述含烷烃气体进料流和所述含氧气体进料流中的每一个提供选定的方位-径向速度比。

16.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述反应器壁是圆柱形的。

17.根据权利要求7所述的方法，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。

18.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述反应器壁的内部是耐火材料。

19.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述环形烷烃气体流动空间和所述环形氧气流动空间由所述热解进料组件的平面壁限定，所述平面壁定向成垂直于所述燃烧器导管的中心纵向轴线。

20.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述环形烷烃气体流动空间位于沿着所述中心纵向轴线在所述环形氧气流动空间下游的位置处。

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