BR112020007092A2 - processos para melhorar a eficiência da produção de hidrocarbonetos - Google Patents

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Abstract

Trata-se de um processo para converter uma corrente de alimentação que contém carbono em C2 a C5 olefinas, inclui introduzir uma corrente de alimentação incluindo metano e oxigênio a uma primeira zona de reação, reagir o metano e oxigênio na primeira zona de reação para formar uma primeira corrente de produto de zona de reação tendo uma mistura de C2 a C5 alcanos, transportar a mistura de C2 a C5 alcanos para uma segunda zona de reação, introduzir uma corrente fresca de pelo menos um dentre etano e propano à segunda zona de reação, converter os C2 C5 alcanos em C2 a C5 olefinas na segunda zona de reação, produzir uma ou mais correntes de produto na segunda zona de reação, em que a soma da uma ou mais correntes de produto inclui C2 a C5 olefinas, e produzir uma corrente de reciclagem que compreende hidrogênio na segunda zona de reação, em que a corrente de reciclagem é transportada para a primeira zona de reação.

Description

“PROCESSOS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA PRODUÇÃO DE HIDROCARBONETOS” REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO
[1] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório de Patente N° de Série US 62/570.325 depositado em 10 de outubro de 2017, que é incorporado a título de referência neste documento na sua totalidade.
ANTECEDENTES CAMPO
[2] O presente relatório descritivo refere-se, em geral, a processos e sistemas para converter carbono de alimentação em produtos desejados enquanto minimiza a conversão do carbono de alimentação em dióxido de carbono (CO2). Em particular, o presente relatório descritivo se refere a processos que utilizam um catalisador híbrido e hidrogênio reciclado (H2) para atingir uma alta conversão de carbono contido em uma corrente de alimentação de gás de síntese aos produtos desejados, enquanto minimiza a conversão do carbono de alimentação em CO2.
ANTECEDENTES DA TÉCNICA
[3] Para várias aplicações industriais, um material de partida desejável é um hidrocarboneto inferior - incluindo, em particular, C2 a C5 olefinas e/ou C2 a C5 parafinas que podem ser convertidas em olefinas - para uso em ou como materiais de partida para produzir plásticos, combustíveis e vários produtos químicos derivados. Esses materiais C2 a C5 podem ser saturados ou insaturados e, portanto, podem incluir etano, etileno, propano, propileno, butano, butileno, pentano e/ou pentileno. Uma variedade de processos de produção desses hidrocarbonetos inferiores foi desenvolvida, incluindo craqueamento de petróleo e vários processos sintéticos.
[4] São conhecidos processos sintéticos para converter carbono de alimentação em produtos desejados, tais como hidrocarbonetos. Alguns desses processos sintéticos começam com o uso de um catalisador híbrido. Diferentes tipos de catalisadores também foram explorados, bem como diferentes tipos de correntes de alimentação e proporções de componentes de corrente de alimentação. No entanto, muitos desses processos sintéticos têm baixa conversão de carbono e grande parte do carbono de alimentação não é convertida e sai do processo na mesma forma que o carbono de alimentação, ou o carbono de alimentação é convertido em CO2.
[5] Por conseguinte, existe uma necessidade de processos que tenham uma alta conversão de carbono de alimentação em produtos desejados, tais como, por exemplo, C2 a C5 hidrocarbonetos.
SUMÁRIO
[6] De acordo com uma modalidade, um processo para converter uma corrente de alimentação que tem carbono em C2 a C5 olefinas compreende: introduzir uma corrente de alimentação compreendendo metano e oxigênio a uma primeira zona de reação; reagir o metano e o oxigênio na primeira zona de reação para formar uma primeira corrente de produto de zona de reação que compreende uma mistura de C2 a C5 alcanos; transportar a mistura de C2 a C5 alcanos para uma segunda zona de reação; introduzir uma corrente fresca de pelo menos um dentre etano e propano na segunda zona de reação; converter a mistura de C2 a C5 alcanos em C2 a C5 olefinas na segunda zona de reação; produzir uma ou mais correntes de produtos na segunda zona de reação, em que uma soma da uma ou mais correntes de produtos compreende C2 a C5 olefinas; e produzir uma corrente de reciclagem compreendendo hidrogênio na segunda zona de reação, em que a corrente de reciclagem é transportada para a primeira zona de reação.
[7] Em uma ou mais modalidades, a segunda zona de reação compreende um craqueador, e uma corrente fresca de etano é introduzida no craqueador.
[8] Em algumas modalidades, a segunda zona de reação compreende um craqueador e um reator de desidrogenação de propano, e uma corrente fresca de propano é introduzida no reator de desidrogenação de propano.
[9] Ainda em outras modalidades, a segunda zona de reação compreende um craqueador e um reator de desidrogenação de propano. Uma corrente fresca de etano é introduzida no craqueador e uma corrente fresca de propano é introduzida no reator de desidrogenação de propano.
[10] Recursos e vantagens adicionais das modalidades serão estabelecidos na seguinte descrição detalhada e, em parte, se tornarão prontamente evidentes àqueles versados na técnica a partir desta descrição ou reconhecidos pela prática das modalidades descritas no presente documento, incluindo a descrição detalhada que se segue, as reivindicações, bem como os desenhos em anexo.
[11] Deve ser entendido que tanto a descrição geral anterior quanto a descrição detalhada a seguir descrevem várias modalidades e se destinam a fornecer uma visão geral ou estrutura para compreender a natureza e o caráter da matéria reivindicada. Os desenhos anexos são incluídos para fornecer um entendimento adicional das várias modalidades e são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo. Os desenhos ilustram as várias modalidades descritas no presente documento e juntamente com a descrição servem para explicar os princípios e as operações da matéria reivindicada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[12] A Figura 1 representa esquematicamente uma primeira modalidade de um sistema e um processo para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 olefinas de acordo com as modalidades divulgadas e descritas neste documento;
[13] A Figura 2A mostra esquematicamente uma segunda modalidade de um sistema e um processo para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 olefinas de acordo com as modalidades divulgadas e descritas neste documento; e
[14] A Figura 2B representa esquematicamente uma terceira modalidade de um sistema e um processo para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 olefinas de acordo com as modalidades divulgadas e descritas neste documento.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[15] Referência será feita, agora, em detalhes às modalidades de processos para a conversão de um gás de alimentação contendo carbono em uma corrente que compreende C2 a C5 hidrocarbonetos, tais como, por exemplo, uma corrente compreendendo C2 a C5 olefinas, cujas modalidades estão ilustradas nos desenhos anexos. Sempre que possível, os mesmos numerais de referência serão usados em todos os desenhos para se referir às mesmas peças ou a peças similares. Em uma modalidade, um processo para converter uma corrente de alimentação que compreende carbono em C2 a C5 olefinas compreende: introduzir uma corrente de alimentação compreendendo metano e oxigênio a uma primeira zona de reação; reagir o metano e oxigênio na primeira zona de reação para formar uma primeira corrente de produto de zona de reação que compreende uma mistura de C2 a C5 alcanos; transportar a mistura de C2 a C5 alcanos a uma segunda zona de reação; introduzir uma corrente fresca de pelo menos um dentre etano e propano na segunda zona de reação; converter a mistura de C2 a C5 alcanos em C2 a C5 olefinas na segunda zona de reação; produzir uma corrente de produto da segunda zona de reação que compreende H2 e uma mistura de C2 a C5 olefinas; separar a segunda corrente de produto de zona de reação em uma corrente de produto que compreende C2 a C5 olefinas e uma corrente de reciclagem que compreende H2; e transportar a corrente de reciclagem para a primeira zona de reação.
[16] Com referência agora à Figura 1, é fornecida uma modalidade de sistema para a conversão de uma corrente de alimentação que contém carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos. Deve ser entendido que a modalidade representada na Figura 1 é exemplificativa e não limita o escopo desta divulgação. Como mostrado na modalidade representada na Figura 1, um sistema 100 para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos inclui uma primeira zona de reação 110 e uma segunda zona de reação 130, que está ligada de modo fluido à primeira zona de reação 110.
[17] Um processo, de acordo com uma ou mais modalidades, para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos utilizando o sistema 100 ilustrado na modalidade da Figura 1 será agora descrito. Uma corrente de alimentação 101 que compreende metano (CH4), oxigênio (O2) e, opcionalmente, água é introduzida na primeira zona de reação 110. Deve ser entendido que a corrente de alimentação 101 pode conter fontes de carbono que não sejam metano, tais como etano, propano, butano e baixos níveis de CO2 de acordo com várias modalidades.
[18] A primeira zona de reação 110, de acordo com modalidades, pode compreender um reformador (não mostrado) que usa água para converter o metano na corrente de alimentação 101 em monóxido de carbono (CO) e hidrogênio em um processo convencional de geração de gás de síntese. Por exemplo, de acordo com uma ou mais modalidades, a saída do reformador está em equilíbrio para as reações seguintes: (1) CH4 + H2O  CO + 3H2; e (2) CO + H2O  H2 + CO2. Além disso, o metano e a água não reagidos estarão presentes na saída do reformador. Embora a temperatura na qual o reformador seja operado não seja particularmente limitada, desde que possa conduzir as reações acima, em uma ou mais modalidades, o reformador é operado a uma temperatura de entrada maior que ou igual a 400 graus Celsius (°C) a menos que ou igual a 450 °C, tal como de maior que ou igual a 415 °C a menos que ou igual a 435 °C, ou cerca de 425 °C. Da mesma forma, a pressão na qual o reformador é operado não é particularmente limitada, desde que possa conduzir as reações acima, em uma ou mais modalidades, o reformador é operado a uma pressão maior que ou igual a 38 bar (3,8 MPa) a menos que ou igual a 46 bar (4,6 MPa), tal como de maior que ou igual a 40 bar (4,0 MPa) a menos que ou igual a 44 bar (4,4 MPa) ou cerca de 42 bar (4,2 MPa). Em modalidades, a alimentação para o reformador pode compreender de mais que ou igual a 30% em peso de metano a menos que ou igual a 40% em peso de metano, tal como mais que ou igual a 33% em peso de metano a menos que ou igual a 38% em peso de metano ou cerca de 36% em peso de metano. Por conseguinte, em modalidades, a alimentação para o reformador pode compreender de mais que ou igual a 60% em peso de água a menos que ou igual a 70% em peso de água, tal como de mais que ou igual a 62% em peso de água a menos que ou igual a 67% em peso de água ou cerca de 63% em peso de água.
[19] Uma vez que o metano e a água são convertidos em monóxido de carbono e hidrogênio (isto é, gás de síntese), conforme divulgado acima, a corrente de saída do reformador é introduzida em um reator de oxidação parcial (POX) (não mostrado). Em modalidades, as seguintes reações ocorrem no reator de POX: (3) CH4 + 0,5O2  CO + 2H2; e (4) CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O. Nessas reações, e de acordo com modalidades, mais que ou igual a 5% em peso a menos que ou igual a 15% em peso do metano é convertido em CO2, tal como mais que ou igual a 7% em peso a menos que ou igual a 12% em peso do metano é convertido em CO2, ou cerca de 10% em peso do metano é convertido em CO2. Por conseguinte, em modalidades, mais que ou igual a 85% em peso a menos que ou igual a 95% em peso do metano é convertido em CO, tal como mais que ou igual a 87% em peso e menos que ou igual a 92% em peso do metano é convertido em CO, ou cerca de 90% em peso do metano é convertido em CO. Em modalidades, a temperatura de saída do reator POX pode ser maior que ou igual a 900 °C a menos que ou igual a 1.100 °C, tal como de maior que ou igual a 950 °C a menos que ou igual a 1.050 °C, ou cerca de 1.000 °C. Como a temperatura de saída do reator POX é mais alta que a temperatura da reação do reformador, o calor do reator POX pode ser direcionado ao reformador para melhorar a eficiência energética da primeira zona de reação 110.
[20] A corrente de saída do reator POX pode, então, ser introduzida em um reator híbrido onde a corrente de saída do reator POX entra em contato com um catalisador híbrido. O catalisador híbrido pode, de acordo com uma ou mais modalidades, incluir: (1) um componente de síntese de metanol; e (2) um componente ácido microporoso sólido que tem acesso a 8- MR. Em algumas modalidades, o componente de síntese de metanol é selecionado do grupo que consiste em um catalisador de óxido de cobre, um catalisador de óxido de cobre/óxido de zinco, um catalisador de óxido de cobre/alumina, um catalisador de óxido de cobre/óxido de zinco/alumina, um óxido de cromo/zinco catalisador de óxido e combinações dos mesmos. Em modalidades, o componente de síntese de metanol pode compreender um ou mais dentre os elementos Cu, Zn, Cr e Al, em qualquer combinação de composição possível e em forma metálica ou oxídica. Em modalidades, o componente ácido microporoso sólido é selecionado a partir de peneiras moleculares que têm acesso a 8-MR e tendo um tipo de estrutura selecionado no grupo que consiste nos seguintes tipos de estrutura CHA, AEI, AFX, ERI, LTA, UFI, RTH e combinações dos mesmos, os tipos de estrutura correspondentes à convenção de nomenclatura da International Zeolite Association. Deve ser entendido que, em modalidades, ambas as estruturas de aluminossilicato e silicoaluminofosfato podem ser usadas. Em certas modalidades, a peneira molecular pode ser silicoaluminofosfato SAPO-34 tendo um tipo de estrutura CHA.
[21] O uso de catalisadores de híbridos para converter correntes contendo carbono em produtos desejados, tais como, por exemplo, C2 a C5 hidrocarbonetos, é conhecido. Em resumo, catalisadores híbridos acoplam estreitamente reações sequenciais em cada um dos dois catalisadores independentes. Na primeira etapa, uma corrente, como, por exemplo, gás de síntese, é convertida em hidrocarbonetos oxigenados (principalmente metanol e DME). Na segunda etapa, esses oxigenados são convertidos em hidrocarbonetos (principalmente hidrocarbonetos de cadeia curta, tais como, por exemplo, C2 a C5 hidrocarbonetos). A retirada contínua de oxigenados formados na primeira etapa pelas reações da segunda etapa garante que não haja limite termodinâmico para atingir perto de 100% (> 99,9%) da conversão de carbono de alimentação em hidrocarbonetos.
[22] Surpreendentemente, verificou-se que soluções conhecidas no campo gás de síntese-para-produtos que lidam com a formação de CO2 não são desejáveis para o sistema de catalisador híbrido. Nos processos mais genéricos de gás de síntese-para-produtos, existem basicamente duas opções para lidar com a formação de CO2; purgar CO2 ou reciclar CO2 "até a extinção" de volta para uma seção de reformador de gás ou sobre um reator catalítico. A primeira opção (purga) leva a uma perda significativa de rendimento de carbono e só é viável quando a quantidade de CO2 é muito baixa, o que não é o caso do processo de catalisador híbrido. Verificou-se também que a segunda opção (reciclagem de CO2) não é desejável para o processo híbrido por pelo menos duas razões: leva a uma seção de separação grande e dispendiosa para separar o CO2 do produto desejado; e afeta negativamente a produtividade do catalisador.
[23] Tendo em vista os problemas acima, não existe atualmente nenhuma maneira mais eficiente para tratar a perda de carbono de alimentação de CO2. Para resolver esses problemas, modalidades dos processos e sistemas divulgados neste documento reciclam hidrogênio da segunda zona de reação a jusante 130 para a primeira zona de reação 110 para impulsionar ainda mais a conversão de carbono na corrente de alimentação 101 em C2 a C5 hidrocarbonetos. Deve ser entendido que os sistemas e processos para converter correntes contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos divulgados neste documento não são necessários para usar um catalisador híbrido para converter correntes contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos. No entanto, de acordo com algumas modalidades, os sistemas e processos para converter correntes contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos divulgados neste documento são particularmente benéficos para processos utilizando um catalisador híbrido.
[24] A corrente de saída do reator POX entra em contato com o catalisador híbrido sob condições de reação suficientes para formar uma primeira corrente de produto de zona de reação 120. As condições de reação podem compreender: uma temperatura variando de maior que ou igual a 300 °C a menos que ou igual a 450 °C, tal como de maior que ou igual a 350 °C a menos que ou igual a 430 °C, ou de maior que ou igual a 360 °C a menos que ou igual a 420 °C; e uma pressão de pelo menos 1 bar (100 kPa), tal como pelo menos 2 bar (200 kPa) ou pelo menos 3 bar (300 kPa). Em outras modalidades, a pressão pode ser pelo menos 15 bar (1.500 kPa), pelo menos 25 bar (2.500 kPa), pelo menos 30 bar (3.000 kPa), pelo menos 40 bar (4.000 kPa) ou pelo menos 50 bar (5.000 kPa). Os processos que ocorrem na primeira zona de reação 110 produzem CO, CO2, H2, H2O, CH4 e C2 a C5 hidrocarbonetos.
Além disso, inertes (tal como, por exemplo, nitrogênio) presentes na corrente de alimentação sairão da primeira zona de reação como uma corrente de purga.
Nas modalidades, esses componentes podem ser separados e removidos da primeira zona de reação em diferentes correntes.
No entanto, em modalidades, uma corrente de luz que compreende H2, CO, CO2 e CH4 é reciclada e reutilizada na primeira zona de reação 110, tal como pela transferência dessa corrente de luz de volta para o reformador e o reator híbrido.
Os sistemas e métodos para separar essas correntes são conhecidos e qualquer separação adequada pode ser conduzida.
Podem ser utilizados separadores convencionais, tais como processos de remoção de gás ácido para o CO2 e condensação simples para a remoção de água.
Em modalidades, tais como a modalidade representada na Figura 1, pelo menos quatro correntes saem da primeira zona de reação 110. Uma primeira corrente de saída 111 compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em H2O.
Uma segunda corrente de saída 112 é uma corrente de purga que purga gases inertes, tais como, por exemplo, nitrogênio, da primeira zona de reação.
Uma terceira corrente de saída 113 compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em CO2. A corrente final que sai da primeira zona de reação 110 na modalidade representada na Figura 1 é uma primeira corrente de produto de zona de reação 120, que compreende C2 a C5 hidrocarbonetos. Em uma ou mais modalidades, os C2 a C5 hidrocarbonetos compreendem, consistem essencialmente em, ou consistem em C2 a C5 alcanos. Deve ser entendido que, em modalidades, a corrente de produto da primeira zona de reação 120 pode compreender C2 a C5 hidrocarbonetos diferentes de C2 a C5 alcanos. Na modalidade representada na Figura 1, a primeira corrente de produto de zona de reação 120 é transferida para a segunda zona de reação 130.
[25] Deve ser entendido que, de acordo com várias modalidades, os componentes da primeira zona de reação, tais como, por exemplo, o reformador, o reator POX e o reator que contém um catalisador híbrido, podem ser unidades fisicamente separadas ou podem ser zonas diferenciadas em uma única unidade física. Modalidades incluem várias combinações de componentes da primeira zona de reação sendo fisicamente separadas ou combinadas em uma única unidade física. Além disso, embora reações e processos específicos para a formação de C2 a C5 hidrocarbonetos sejam divulgados acima como parte da primeira zona de reação 110, Deve ser entendido que outros processos para a formação de C2 a C5 hidrocarbonetos podem ser usados na primeira zona de reação 110 além, ou no lugar, dos processos divulgados acima.
[26] Na modalidade representada na Figura 1, a segunda zona de reação 130 compreende um craqueador. A corrente de produto da primeira zona de reação 120 entra na segunda zona de reação 130 onde pelo menos uma parte dos hidrocarbonetos C2 a C5 - que compreendem, consistem essencialmente em, ou consistem em alcanos C2 a C5 - na corrente de produto da primeira zona de reação 120 é convertida em olefinas C2 a C5, tais como, por exemplo, etileno (C2H4), propileno (C3H6), e butileno (C4H8). Os componentes adicionais que podem ser produzidos na segunda zona de reação compreendem H2, CH4, o gás de pirólise (pygas) e outros hidrocarbonetos pesados, tais como, por exemplo, hidrocarbonetos não aromáticos que compreendem mais do que cinco átomos de carbono. Deve também ser entendido que, nas modalidades,
nem todos os alcanos C2 a C5 na primeira corrente de produto de zona de reação 120 vão ser convertidos em olefinas C2 a C5 e permanecerão como alcanos C2 a C5. Esses alcanos C2 a C5 não convertidos sairão do craqueador com os outros componentes, mas os alcanos C2 a C5 não saem da segunda zona de reação 130 e podem ser reciclados de volta para o craqueador.
[27] De acordo com modalidades, uma corrente fresca de etano 331 pode ser introduzida na segunda zona de reação 130 além da corrente de produto da primeira zona de reação 120. A primeira corrente de produto de zona de reação 120 e o etano na corrente fresca de etano 331 podem ser convertidos na segunda corrente de produto de zona de reação 132. A adição da corrente fresca de etano 331 fornece, por conversão na segunda zona de reação 130, hidrogênio adicional que pode ser reciclado de volta para a primeira zona de reação 110, como descrito em mais detalhes abaixo. Nas modalidades, qualquer quantidade de etano pode ser introduzida na segunda zona de reação
130. No entanto, em várias modalidades, a quantidade da corrente fresca de etano 331 na alimentação total para a segunda zona de reação 130 (isto é, a primeira corrente de produto de zona de reação 120 mais a corrente fresca de etano 331) compreende de mais que ou igual a 5% em peso a menos que ou igual a 40% em peso, tal como de mais que ou igual a 10% em peso a menos que ou igual a 35% em peso, ou cerca de 30% em peso. Se etano pouco fresco é introduzido na segunda zona de reação 130 através da corrente de etano fresco 331, não haverá uma quantidade suficiente de H2 reciclado de volta para a primeira zona de reação 110 para fornecer uma desejada redução de CO2 produzido na primeira zona de reação 110. No entanto, se muito etano fresco for introduzido na segunda zona de reação por meio da corrente de etano fresco 331, parte do H2 que sai da segunda zona de reação na corrente de reciclagem 131 terá de ser purgada como combustível para evitar a acumulação de H2, o que cria uma ineficiência no processo de conversão. Deve ser entendido que qualquer craqueador convencional a vapor pode ser usado na segunda zona de reação 130, desde que seja capaz de converter os C2 a C5 hidrocarbonetos na corrente de produto da primeira zona de reação 120—que compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em C2 a C5 alcanos— combinados com uma corrente fresca de etano 331, em uma segunda corrente de produto de zona de reação 132 que compreende C2 a C5 olefinas.
[28] Conforme discutido acima, vários componentes podem sair do craqueador, tais como, por exemplo, C2 a C5 alcanos, C2 a C5 olefinas, H2, CH4, gás de pirólise (pygas) e outros hidrocarbonetos pesados. Assim, dentro da segunda zona de reação, esses diferentes produtos podem ser separados e reciclados, recolhidos ou descartados. Deve ser entendido que separadores convencionais, tais como, por exemplo, separadores criogênicos, podem ser utilizados para separar os componentes que saem do craqueador na segunda zona de reação 130. Por exemplo, na segunda zona de reação podem ocorrer 130, pelo menos, três separações: (1) C2 a C5 olefinas podem ser separadas dos componentes que saem do craqueador; (2) C2 a C5 alcanos podem ser separados dos componentes que saem do craqueador e (3) H2 e, opcionalmente, CH4 podem ser separados dos componentes que saem do craqueador. Outros componentes que compreendem mais de 5 átomos de carbono podem, em modalidades, ser descartados da segunda zona de reação 130 e usados em outros sistemas, conforme desejado.
[29] Embora não mostrado na Figura 1, os C2 a C5 alcanos que saem do craqueador podem ser reciclados de volta para o craqueador, onde podem ser combinados com os C2 a C5 alcanos que entram no craqueador a partir da corrente de produto da primeira zona de reação 120 e processados em C2 a C5 olefinas. Uma corrente que sai da segunda zona de reação 130 é uma corrente de reciclagem 131 que compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em H2. Em algumas modalidades, a corrente de reciclagem 131 compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em H2 e CH4. Outra corrente que sai da segunda zona de reação 130 é uma corrente de produto 132 que compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em C2 a C5 hidrocarbonetos—que compreendem, consistem essencialmente em, ou consistem em C2 a C5 olefinas. A corrente de produto 132 é coletado e utilizado em vários outros processos para produzir produtos finais. A corrente de reciclagem 131 é transferida da segunda zona de reação 130 para a primeira zona de reação 110. Assim, em algumas modalidades, H2 é reciclado a partir de segunda zona de reação 130 para a primeira zona de reação 110. Em outras modalidades, H2 e CH4 são reciclados a partir da segunda zona de reação 130 para a primeira zona de reação 110. Deve ser entendido que a quantidade de H2 reciclado de volta para a primeira zona de reação 110 na corrente de reciclagem 131 é determinada pela quantidade de etano adicionada à segunda zona de reação 130.
[30] Através da introdução de uma corrente fresca de etano 331 na segunda zona de reação 130 e através da reciclagem de H2 para a primeira zona de reação 110, determinados saldos de massa podem ser alcançados nas correntes que saem da primeira zona de reação (isto é, a primeira corrente de saída 111, a segunda corrente de saída 112, a terceira corrente de saída 113 e a primeira corrente de produto de zona de reação 120) e nas correntes que saem da segunda zona de reação (isto é, a corrente de reciclagem 131 e a corrente do produto 132). O fluxo de massa dos componentes presentes nas correntes que saem da primeira zona de reação, que é baseado em 0,45 kg (1 libra) de etileno produzido, inclui de mais que ou igual a 0,039 kg (0,085 libra) a menos que ou igual a 0,043 kg (0,095 libra) de (C5H12) pentano, tal como cerca de 0,0399 kg (0,088 libra) de C5H12; de mais que ou igual a 0,077 kg (0,170 libra) a menos que ou igual a 0,084 kg (0,185 libra) de (C4H10) butano, tal como cerca de 0,0803 kg (0,177 libra) de C4H10; de mais que ou igual a 0,227 kg (0,500 libra) a menos que ou igual a 0,2948 kg (0,650 libra) (C3H8) propano, tal como cerca de 0,259 kg (0,571 libra) de C3H8; de mais que ou igual a 0,136 kg (0,300 libra) a menos que ou igual a 0,1814 kg (0,400 libra) de (C2H6), etano tal como cerca de 0,155 kg (0,342 libra) de C2H6; de mais que ou igual a 0,544 kg (1,200 libras) a menos que ou igual a 0,680 kg (1,500 libras) de água (H2O), tal como cerca de 0,621 kg (1,370 libras) de H2O; e menos que ou igual a 0,0045 kg (0,010 libra) de CO2, tal como menos que 0,002 kg (0,005 libra) de CO2, menos que 0,00045 kg (0,001 libra) de CO2, ou mesmo sem CO2.
[31] Em uma ou mais modalidades, o fluxo de massa dos componentes nas correntes que saem da segunda zona de reação, que é baseado em 0,453 kg (1 libra) de etileno produzido, inclui de maior que ou igual a 0,023 kg (0,05 libra) a menos que ou igual a 0,032 kg (0,0700 libra) de H2, tal como cerca de 0,0271 kg (0,0598 libra) de H2; de maior que ou igual a 0,068 kg (0,1500 libra) a menos que ou igual a 0,159 kg (0,3500 libra) de CH4, tal como cerca de 0,1191 kg (0,2626 libra) de CH4; cerca de 0,45 kg (1 libra) de C2H4; de maior que ou igual a 0,023 kg (0,05 libra) de maior que ou igual a 0,113 kg (0,2500 libra) de C3H6, tal como cerca de 0,0724 kg (0,1598 libra) de C3H6; de maior que ou igual a 0,034 kg (0,0750 libra) a menos que ou igual a 0,043 kg (0,0950 libra) de C4H8, tal como cerca de 0,0387 kg (0,0854 libra) de C4H8; de maior que ou igual a 0,032 kg (0,0700 libra) a menos que ou igual a 0,041 kg (0,0900 libra) de gás de pirólise, tal como cerca de 0,0368 kg (0,0813 libra) de gás de pirólise; e de maior que ou igual a 0,005 kg (0,0110 libra) a menos que ou igual a 0,0059 (0,0130 libra) de outros hidrocarbonetos pesados, como cerca de 0,00562 kg (0,0124 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[32] Com referência à modalidade representada na Figura 2A, uma modalidade de sistema para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos é fornecida. Deve ser entendido que a modalidade representada na Figura 2A é exemplificativa e não limita o escopo desta divulgação. Como mostrado na modalidade representada na Figura 2A, um sistema 200 para converter uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos inclui uma primeira zona de reação 110 e uma segunda zona de reação 130 - que compreende um craqueador 210 e um reator de desidrogenação de propano (PDH) 220 - que está conectado de forma fluida à primeira zona de reação 110.
[33] Um processo, de acordo com uma ou mais modalidades, para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos utilizando o sistema 200 ilustrado na modalidade da Figura 2A será, agora, descrito. Uma corrente de alimentação 101 que compreende metano (CH4), oxigênio (O2) e, opcionalmente, água é introduzida na primeira zona de reação 110. Deve ser entendido que a corrente de alimentação 101 pode conter fontes de carbono que não sejam metano, tais como etano, propano, butano e baixos níveis de CO2 de acordo com várias modalidades.
[34] A primeira zona de reação 110, de acordo com modalidades, pode compreender um reformador (não mostrado) que utiliza água para converter o metano na corrente de alimentação 101 a CO e H2 em um processo convencional de geração de gás de síntese. As reações e condições de reação do reformador são fornecidas acima com referência à modalidade representada na Figura 1.
[35] Uma vez que o metano e a água são convertidos em monóxido de carbono e hidrogênio (isto é, gás de síntese), a corrente de saída do reformador é introduzida em um reator POX. As reações e condições de reação do reator POX são fornecidas acima com referência à modalidade representada na Figura 1. Como a temperatura de saída do reator POX é mais alta que a temperatura da reação do reformador, o calor do reator POX pode ser direcionado ao reformador para melhorar a eficiência energética da primeira zona de reação 110.
[36] A corrente de saída do reator POX pode, então, ser introduzida em um reator híbrido onde a corrente de saída do reator POX entra em contato com um catalisador híbrido. O catalisador híbrido pode, de acordo com uma ou mais modalidades, incluir: (1) um componente de síntese de metanol; e (2) um componente ácido microporoso sólido que tem acesso a 8- MR. Em algumas modalidades, o componente de síntese de metanol é selecionado do grupo que consiste em um catalisador de óxido de cobre, um catalisador de óxido de cobre/óxido de zinco, um catalisador de óxido de cobre/alumina, um catalisador de óxido de cobre/óxido de zinco/alumina, um óxido de cromo/zinco catalisador de óxido e combinações dos mesmos. Em modalidades, o componente de síntese de metanol pode compreender um ou mais dentre os elementos Cu, Zn, Cr e Al, em qualquer combinação de composição possível e em forma metálica ou oxídica. Em modalidades, o componente ácido microporoso sólido é selecionado a partir de peneiras moleculares que têm acesso a 8-MR e tendo um tipo de estrutura selecionado no grupo que consiste nos seguintes tipos de estrutura CHA, AEI, AFX, ERI, LTA, UFI, RTH e combinações dos mesmos, os tipos de estrutura correspondentes à convenção de nomenclatura da International Zeolite Association. Deve ser entendido que, em modalidades, ambas as estruturas de aluminossilicato e silicoaluminofosfato podem ser usadas. Em certas modalidades, a peneira molecular pode ser silicoaluminofosfato SAPO-34 tendo um tipo de estrutura CHA.
[37] Os processos que ocorrem na primeira zona de reação 110 produzem CO, CO2, H2, H2O, CH4 e C2 a C5 hidrocarbonetos. Além disso, inertes (tal como, por exemplo, nitrogênio) presentes na corrente de alimentação sairão da primeira zona de reação como uma corrente de purga. Nas modalidades, esses componentes podem ser separados e removidos da primeira zona de reação em diferentes correntes. No entanto, em modalidades, uma corrente de luz que compreende H2, CO, CO2 e CH4 é reciclada e reutilizada na primeira zona de reação 110, tal como pela transferência dessa corrente de luz de volta para o reformador e o reator híbrido. Os sistemas e métodos para separar essas correntes são conhecidos e qualquer separação adequada pode ser conduzida. Podem ser utilizados separadores convencionais, tais como processos de remoção de gás ácido para CO2 e condensação simples para remoção de água. Em modalidades, como a modalidade representada na Figura 2A, pelo menos quatro correntes saem da primeira zona de reação 110. Uma primeira corrente de saída 111 compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em H2O. Uma segunda corrente de saída 112 é uma corrente de purga que purga gases inertes, tais como, por exemplo, nitrogênio, da primeira zona de reação. Uma terceira corrente de saída 113 compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em CO2. A corrente final que sai da primeira zona de reação 110 na modalidade representada na Figura 2A é uma primeira corrente de produto de zona de reação 120, que compreende C2 a C5 hidrocarbonetos. Em uma ou mais modalidades, os C2 a C5 hidrocarbonetos compreendem, consistem essencialmente em, ou consistem em C2 a C5 alcanos. Deve ser entendido que, em modalidades, a corrente de produto da primeira zona de reação 120 pode compreender C2 a C5 hidrocarbonetos diferentes de C2 a C5 alcanos. Na modalidade representada na Figura 2A, a primeira corrente de produto de zona de reação 120 é transferida para a segunda zona de reação
130.
[38] Deve ser entendido que, de acordo com várias modalidades, os componentes da primeira zona de reação 110, tais como, por exemplo, o reformador, o reator POX e o reator contendo um catalisador híbrido, podem ser unidades fisicamente separadas ou podem ser zonas diferenciadas em uma única unidade física. Modalidades incluem várias combinações de componentes da primeira zona de reação 110 sendo fisicamente separadas ou combinadas em uma única unidade física. Além disso, embora reações e processos específicos para a formação de C2 a C5 hidrocarbonetos sejam divulgados acima como parte da primeira zona de reação 110, Deve ser entendido que outros processos para a formação de C2 a C5 hidrocarbonetos podem ser usados na primeira zona de reação 110 além, ou no lugar, dos processos divulgados acima.
[39] Na modalidade representada na Figura 2A, a segunda zona de reação 130 compreende um craqueador 210 e um reator PDH
220. A primeira corrente de produto de zona de reação 120 entra na segunda zona de reação 130. Na modalidade representada na Figura 2A, a corrente de produto da primeira zona de reação 120 é separada por um separador (não mostrado) na segunda zona de reação 130 em uma primeira corrente de 123 compreendendo C2, C4 e C5 hidrocarbonetos e uma segunda corrente de 124 compreendendo C3 hidrocarbonetos. A primeira corrente 123 é introduzida no craqueador 210 e a segunda corrente 124 é introduzida no reator PDH 220. Deve ser entendido que qualquer separador convencional pode ser usado para separar a primeira corrente de produto de zona de reação 120 em primeira corrente 123 e segunda corrente 124.
[40] No craqueador 210, C2, C4 e C5 alcanos, que estão presentes na primeira corrente 123, são reagidos para formar C2, C3, C4 e C5 olefinas. Deve ser entendido que qualquer craqueador convencional 210 - como os disponíveis para licença da Technip, CB&I ou outros fornecedores de tecnologia, também referidos como craqueadores a vapor ou fornos de craqueamento - pode ser usado na segunda zona de reação 130, desde que seja capaz de converter os C2, C4 e C5 hidrocarbonetos na primeira corrente 123 - que compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em C2, C4 e C5 alcanos - em uma corrente que compreende C2, C3, C4 e C5 olefinas. Componentes adicionais que podem ser produzidos no craqueador 210 compreendem H2, CH4, gás de pirólise (pygas) e outros hidrocarbonetos pesados, tais como, por exemplo, hidrocarbonetos não aromáticos que compreendem mais que cinco átomos de carbono. Também deve ser entendido que, em modalidades, nem todos os C2, C4 e C5 alcanos na primeira corrente 123 serão convertidos em C2, C3, C4 e C5 olefinas. Assim, C2, C4 e C5 alcanos não convertidos sairão do craqueador com os outros componentes. Embora não mostrado na Figura 2A, esses C2, C4 e C5 alcanos não convertidos podem ser separados a partir da saída do craqueador, utilizando técnicas e equipamentos de separação convencionais (não mostrados) e reciclados de volta para o craqueador, tal como, por exemplo, combinando-os com os C2, C4 e C5 alcanos na primeira corrente 123. Além disso, H2 e CH4 presentes na saída do craqueador podem ser separados dos outros componentes da saída do craqueador usando técnicas e equipamentos convencionais de separação (não mostrados) e reciclados de volta para a primeira zona de reação 110 em corrente de reciclagem 131. As C2, C3, C4 e C5 olefinas produzidas no craqueador 210 podem sair da segunda zona de reação 130 como uma corrente de produto 132, onde a mesma pode ser recolhida para ser utilizada como um material de partida em outros processos. Outros componentes produzidos no craqueador 210 podem ser separados usando técnicas e equipamentos convencionais (não mostrados) conforme desejado e descartados do sistema 200. Além disso, qualquer propano pode ser separado das correntes que saem do craqueador 210 e enviado ao reator PDH 220 em uma corrente que compreende propano
211.
[41] De acordo com modalidades, uma corrente fresca de etano 331 pode ser introduzida no craqueador 210, além da primeira corrente
123. Os C2, C4 e C5 alcanos na primeira corrente 123 e o etano na corrente fresca de etano 331 podem ser convertidos em C2, C3, C4 e C5 olefinas. A adição da corrente fresca de etano 331 fornece, pela conversão no craqueador 210, H2 adicional que pode ser reciclado de volta para a primeira zona de reação 110, como descrito em mais detalhes abaixo. Nas modalidades, qualquer quantidade de etano pode ser introduzida na segunda zona de reação 130. No entanto, em várias modalidades, a quantidade da corrente fresca de etano 331 na alimentação total para o craqueador 210 (isto é, a primeira corrente 123 mais a corrente fresca de etano 331) compreende de mais que ou igual a 5% em peso a menos que ou igual a 30% em peso, tal como de mais que ou igual a 10% em peso a menos que ou igual a 25% em peso, ou cerca de 17,5% em peso. Se for introduzido pouco etano fresco no craqueador 210 por meio da corrente de etano fresco 331, não haverá uma quantidade suficiente de H2 reciclada de volta para a primeira zona de reação 110 para fornecer uma redução desejada de CO2 produzido na primeira zona de reação 110. No entanto, se for introduzido muito etano fresco no craqueador 210 por meio da corrente de etano fresco 331, parte do H2 que sai do craqueador 210 terá de ser purgada como combustível para evitar a acumulação de H2, que cria uma ineficiência na processo de conversão. Deve ser entendido que qualquer craqueador convencional 210 - como os disponíveis para licença junto à Technip, CB&I ou outros fornecedores de tecnologia, também referidos como craqueadores a vapor ou fornos de craqueamento - pode ser usado na segunda zona de reação 130, desde que seja capaz de converter os C2, C4 e C5 hidrocarbonetos na primeira corrente 123 - que compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em C2, C4 e C5 alcanos - combinada com uma corrente fresca de etano 331 em uma corrente que compreende C2, C3, C4 e C5 olefinas.
[42] No reator de PDH 220, C3H8, que está presente na segunda corrente 124, é convertido em C3H6. Deve ser entendido que qualquer reator PDH convencional 220 - como, por exemplo, Oleflex da UOP, CB&I Catofin e Uhde STAR - pode ser usado na segunda zona de reação 130, desde que seja capaz de converter o C3H8 na segunda corrente 124 em C3H6. Deve ser entendido que, em modalidades, nem todo o C3H8 que entra no reator de PDH 220 vai ser convertido em C3H6. Por conseguinte, a corrente do reator de PDH 221 que sai do reator de PDH 220 pode compreender C3H6, C3H8 e um ou mais de H2, CH4, alcanos que não reagiram e hidrocarbonetos que compreendem mais que 5 carbonos.
[43] A corrente do reator PDH 221 é enviada do reator PDH 220 para uma seção de separação do craqueador 210. Embora não seja representado na Figura 2A, nas modalidades, o craqueador 210 inclui uma seção de separação que separa os vários componentes formados no craqueador, bem como os vários componentes presentes na corrente do reator PDH 221. Na seção de separação do craqueador 210, o C3H6 na corrente do reator PDH 221 vai ser separado da corrente do reator PDH 221 onde ele pode, em modalidades, ser combinado com a corrente de produto 132 que sai da segunda zona de reação 130 e é coletado para uso posterior. Do mesmo modo, em modalidades, H2 e, opcionalmente, CH4 que estão presentes na corrente do reator PDH 221 podem ser separados da corrente do reator PDH 221 na seção de separação do craqueador 210 e combinado com a corrente de reciclagem 131, onde ele sai da segunda zona de reação 130 e é reciclado ao ser enviado para a primeira zona de reação 110. Alcanos que não reagiram na corrente do reator PDH 221 podem,
em uma ou mais modalidades, ser separados da corrente do reator PDH 221 na seção de separação do craqueador 210, onde os alcanos que não reagiram podem, ainda, ser processados pelo craqueador 210 e convertidos em C2 a C5 olefinas que podem sair da segunda zona de reação na corrente de produto 132. No entanto, qualquer propano presente no reator de 221 PDH corrente vai, em modalidades, ser devolvido ao reator de PDH 220 em uma corrente que compreende propano 211, onde o propano pode ser processado pelo reator de PDH e convertido em C3H6. Quaisquer hidrocarbonetos que compreendem mais de 5 carbonos presentes na corrente do reator PDH 221 podem, em algumas modalidades, ser separados da corrente do reator PDH 221 na seção de separação do craqueador 210 e descartados da segunda zona de reação 130 em uma corrente de descarte (não mostrada).
[44] Deve ser entendido que, de acordo com várias modalidades, os componentes da segunda zona de reação 130, como, por exemplo, o craqueador 210 (incluindo a seção de separação do craqueador), e o reator PDH 220, podem ser unidades fisicamente separadas ou podem ser zonas diferenciadas em uma única unidade física. Modalidades incluem várias combinações de componentes da segunda zona de reação 130 sendo fisicamente separadas ou combinadas em uma única unidade física.
[45] Através da introdução de uma corrente de etano fresco 331 na segunda zona de reação 130 e através da reciclagem de H2 para a primeira zona de reação 110, determinados saldos de massa podem ser alcançados nas correntes que saem da primeira zona de reação (isto é, a primeira corrente de saída 111, a segunda corrente de saída 112, a terceira corrente de saída 113 e a primeira corrente de produto de zona de reação 120) e nas correntes que saem da segunda zona de reação (isto é, a corrente de reciclagem 131 e a corrente do produto 132).Deve ser entendido que, quando mais de uma corrente de produto sai da segunda zona de reação 130, a combinação de todas as correntes de produto que saem da segunda zona de reação 130 pode ser referida como "uma soma da uma ou mais correntes de produto". Em uma ou mais modalidades, o fluxo de massa dos componentes presentes nas correntes que saem da primeira zona de reação, que é baseado em 0,453 kg (1 libra) de etileno produzido, inclui de maior que ou igual a 0,0227 kg (0,050 libra) a menos que ou igual a 0,1134 kg (0,250 libra) de C5H12, tal como cerca de 0,0689 kg (0,152 libra) de C5H12; de maior que ou igual a 0,0907 kg (0,200 libra) a menos que ou igual a 0,1814 kg (0,400 libra) de C4H10, tal como cerca de 0,1379 kg (0,304 libra) de C4H10; de maior que ou igual a 0,3855 kg (0,850 libra) a menos que ou igual a 0,4762 kg (1,050 libras) de C3H8, tal como cerca de 0,4463 kg (0,984 libra) de C3H8; de maior que ou igual a 0,2041 kg (0,450 libra) a menos que ou igual a 0,2948 kg (0,650 libra) de C2H6, tal como cerca de 0,267 kg (0,588 libra) de C2H6; de maior que ou igual a 0,998 kg (2,200 libras) a menos que ou igual a 1,134 kg (2,500 libras) de H2O, tal como cerca de 1,070 kg (2,360 libras) de H2O; e inferior ou igual a 0,005 kg (0,010 libra) de CO2, tal como menor que 0,002 kg (0,005 libra) de CO2, menor que 0,00045 kg (0,001 libra) de CO2, ou mesmo sem CO2.
[46] Em uma ou mais modalidades, o fluxo de massa dos componentes presentes nas correntes que saem da segunda zona de reação, que é baseada em 0,453 kg (1 libra) de etileno produzido, inclui de maior que ou igual a 0,041 kg (0,0900 libra) inferior ou igual a 0,05 kg (0,1100 libra) de H2, tais como cerca de 0,047 kg (0,1036 libra) de H2; de maior que ou igual a 0,086 kg (0,1900 libra) a menos que ou igual a 0,104 kg (0,2300 libra) de CH4, tal como cerca de 0,096 kg (0,2106 libra) de CH4; cerca de 0,453 kg (1 libra) de C2H4; de maior que ou igual a 0,363 kg (0,8000 libra) a menos que ou igual a 0,453 kg (1 libra) de C3H6, tal como cerca de 0,418 kg (0,9212 libra) de C3H6; de maior que ou igual a 0,041 kg (0,0900 libra) a menos que ou igual a 0,05 kg (0,1100 libra) de C4H8, tal como cerca de 0,0452 kg (0,0998 libra) de C4H8; de maior que ou igual a 0,032 kg (0,0700 libra) a menos que ou igual a 0,041 kg (0,0900 libra) de gás de pirólise, tal como cerca de 0,039 kg (0,0863 libra) de gás de pirólise; e de maior que ou igual a 0,0054 kg (0,0120 libra) a menos que ou igual a 0,0068 kg
(0,0150 libra) de outros hidrocarbonetos pesados, tal como cerca de 0,0063 kg (0,0139 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[47] Com referência à modalidade representada na Figura 2B, uma modalidade de sistema para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos é fornecida. Deve ser entendido que a modalidade representada na Figura 2B é exemplificativa e não limita o escopo desta divulgação. Como mostrado na modalidade representada na Figura 2B, um sistema 200 para converter uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5hidrocarbonetos inclui uma primeira zona de reação 110 e uma segunda zona de reação 130 - que compreende um craqueador 210 e um reator PDH 220 - que está conectado de forma fluida à primeira zona de reação 110.
[48] Um processo, de acordo com uma ou mais modalidades, para a conversão de uma corrente de alimentação contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos utilizando o sistema 200 ilustrado na modalidade da Figura 2B será, agora, descrito. Uma corrente de alimentação 101 que compreende metano (CH4), oxigênio (O2) e, opcionalmente, água é introduzida na primeira zona de reação 110. Deve ser entendido que a corrente de alimentação 101 pode conter fontes de carbono que não sejam metano, tais como etano, propano, butano e baixos níveis de CO2 de acordo com várias modalidades.
[49] A primeira zona de reação 110, de acordo com modalidades, pode compreender um reformador (não mostrado) que utiliza água para converter o metano na corrente de alimentação 101 a CO e H2 em um processo convencional de geração de gás de síntese. As reações e condições de reação do reformador são fornecidas acima com referência à modalidade representada na Figura 1.
[50] Uma vez que o metano e a água são convertidos em monóxido de carbono e hidrogênio (isto é, gás de síntese), a corrente de saída do reformador é introduzida em um reator POX (não mostrado). As reações e condições de reação do reator POX são fornecidas acima com referência à modalidade representada na Figura 1. Como a temperatura de saída do reator POX é mais alta que a temperatura da reação do reformador, o calor do reator POX pode ser direcionado ao reformador para melhorar a eficiência energética da primeira zona de reação 110.
[51] A corrente de saída do reator POX pode, então, ser introduzida em um reator híbrido onde a corrente de saída do reator POX entra em contato com um catalisador híbrido. O catalisador híbrido pode, de acordo com uma ou mais modalidades, incluir: (1) um componente de síntese de metanol; e (2) um componente ácido microporoso sólido que tem acesso a 8- MR. Em algumas modalidades, o componente de síntese de metanol é selecionado do grupo que consiste em um catalisador de óxido de cobre, um catalisador de óxido de cobre/óxido de zinco, um catalisador de óxido de cobre/alumina, um catalisador de óxido de cobre/óxido de zinco/alumina, um óxido de cromo/zinco catalisador de óxido e combinações dos mesmos. Em modalidades, o componente de síntese de metanol pode compreender um ou mais dentre os elementos Cu, Zn, Cr e Al, em qualquer combinação de composição possível e em forma metálica ou oxídica. Em modalidades, o componente ácido microporoso sólido é selecionado a partir de peneiras moleculares que têm acesso a 8-MR e tendo um tipo de estrutura selecionado no grupo que consiste nos seguintes tipos de estrutura CHA, AEI, AFX, ERI, LTA, UFI, RTH e combinações dos mesmos, os tipos de estrutura correspondentes à convenção de nomenclatura da International Zeolite Association. Deve ser entendido que, em modalidades, ambas as estruturas de aluminossilicato e silicoaluminofosfato podem ser usadas. Em certas modalidades, a peneira molecular pode ser silicoaluminofosfato SAPO-34 tendo um tipo de estrutura CHA.
[52] Os processos que ocorrem na primeira zona de reação 110 produzem CO, CO2, H2, H2O, CH4 e C2 a C5 hidrocarbonetos. Além disso, inertes (tal como, por exemplo, nitrogênio) presentes na corrente de alimentação sairão da primeira zona de reação como uma corrente de purga. Nas modalidades, esses componentes podem ser separados e removidos da primeira zona de reação em diferentes correntes. No entanto, em modalidades, uma corrente de luz que compreende H2, CO, CO2 e CH4 é reciclada e reutilizada na zona de reação 110, tal como pela transferência dessa corrente de luz de volta para o reformador e o reator híbrido. Os sistemas e métodos para separar essas correntes são conhecidos e qualquer separação adequada pode ser conduzida. Podem ser utilizados separadores convencionais, tais como processos de remoção de gás ácido para CO2 e condensação simples para remoção de água. Em modalidades, tal como a modalidade representada na Figura 2B, pelo menos quatro correntes saem da primeira zona de reação 110. Uma primeira corrente de saída 111 compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em H2O. Uma segunda corrente de saída 112 é uma corrente de purga que purga gases inertes, tais como, por exemplo, nitrogênio, da primeira zona de reação. Uma terceira corrente de saída 113 compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em CO2. A corrente final que sai da primeira zona de reação 110 na modalidade representada na Figura 2B é uma primeira corrente de produto de zona de reação 120, que compreende C2 a C5 hidrocarbonetos. Em uma ou mais modalidades, os C2 a C5 hidrocarbonetos compreendem, consistem essencialmente em, ou consistem em C2 a C5 alcanos. Deve ser entendido que, em modalidades, a corrente de produto da primeira zona de reação 120 pode compreender C2 a C5 hidrocarbonetos diferentes de C2 a C5 alcanos. Na modalidade representada na Figura 2B, a primeira corrente de produto de zona de reação 120 é transferida para a segunda zona de reação
130.
[53] Deve ser entendido que, de acordo com várias modalidades, os componentes da primeira zona de reação, tais como, por exemplo, o reformador, o reator POX e o reator que contém um catalisador híbrido, podem ser unidades fisicamente separadas ou podem ser zonas diferenciadas em uma única unidade física. Modalidades incluem várias combinações de componentes da primeira zona de reação sendo fisicamente separadas ou combinadas em uma única unidade física. Além disso, embora reações e processos específicos para a formação de C2 a C5 hidrocarbonetos sejam divulgados acima como parte da primeira zona de reação 110, Deve ser entendido que outros processos para a formação de C2 a C5 hidrocarbonetos podem ser usados na primeira zona de reação 110 além, ou no lugar, dos processos divulgados acima.
[54] Na modalidade representada na Figura 2B, a segunda zona de reação 130 compreende um craqueador 210 e um reator PDH
220. A primeira corrente de produto de zona de reação 120 entra na segunda zona de reação 130. Na modalidade representada na Figura 2B, a primeira corrente de produto da primeira zona de reação 120 é separada por um separador (não mostrado) na segunda zona de reação 130 em uma primeira corrente 123 compreendendo C2, C4 e C5 hidrocarbonetos e uma segunda corrente 124 compreendendo C3 hidrocarbonetos. A primeira corrente 123 é introduzida no craqueador 210 e a segunda corrente 124 é introduzida no reator PDH 220. Deve ser entendido que qualquer separador convencional pode ser usado para separar a primeira corrente de produto de zona de reação 120 em primeira corrente 123 e segunda corrente 124.
[55] No craqueador 210, C2, C4 e C5 alcanos, que estão presentes na primeira corrente 123, são reagidos para formar C2, C3, C4 e C5 olefinas. Deve ser entendido que qualquer craqueador convencional 210 - como os disponíveis para licença da Technip, CB&I ou outros fornecedores de tecnologia, também referidos como craqueadores a vapor ou fornos de craqueamento - pode ser usado na segunda zona de reação 130, desde que seja capaz de converter os C2, C4 e C5 hidrocarbonetos na primeira corrente 123 - que compreende, consiste essencialmente em, ou consiste em C2, C4 e C5 alcanos - em uma corrente que compreende C2, C3, C4 e C5 olefinas. Componentes adicionais que podem ser produzidos no craqueador 210 compreendem H2, CH4, gás de pirólise (pygas) e outros hidrocarbonetos pesados, tais como, por exemplo, hidrocarbonetos não aromáticos que compreendem mais que cinco átomos de carbono. Também deve ser entendido que, em modalidades, nem todos os C2, C4 e C5 alcanos na primeira corrente 123 serão convertidos em C2, C3, C4 e C5 olefinas. Assim, C2, C4 e C5 alcanos não convertidos sairão do craqueador com os outros componentes. Embora não mostrado na Figura 2B, estes C2, C4 e C5 alcanos não convertidos podem ser separados a partir da saída do craqueador utilizando técnicas de separação e equipamentos convencionais (não mostrado) e reciclados de volta para o craqueador, tal como, por exemplo, combinando-os com C2, C4 e C5 alcanos na primeira corrente de 123. Além disso, H2 e CH4 presentes na saída do craqueador podem ser separados dos outros componentes da saída do craqueador usando técnicas e equipamentos convencionais de separação (não mostrados) e reciclados de volta para a primeira zona de reação 110 em corrente de reciclagem 131. As C2, C3, C4 e C5 olefinas produzidas no craqueador 210 podem sair da segunda zona de reação 130 como uma corrente de produto 132, onde a mesma pode ser recolhida para ser utilizada como um material de partida em outros processos. Outros componentes produzidos no craqueador 210 podem ser separados usando técnicas e equipamentos convencionais (não mostrados) conforme desejado e descartados do sistema 200. Além disso, qualquer propano pode ser separado das correntes que saem do craqueador 210 e enviado ao reator PDH 220 em uma corrente que compreende propano
211.
[56] No reator de PDH 220, C3H8, que está presente na segunda corrente 124, é convertido em C3H6. De acordo com modalidades, uma corrente fresca de propano 332 pode ser introduzida no reator PDH 220, além da segunda corrente 124. O C3H8 na segunda corrente de 124 e o propano na corrente fresca de propano 332 pode ser convertido em C3H6. A adição da corrente fresca de propano 332 fornece, após a conversão no reator PDH 220, hidrogênio adicional que pode ser reciclado de volta à primeira zona de reação 110, como descrito em mais detalhes abaixo. Nas modalidades, qualquer quantidade de propano pode ser introduzida na segunda zona de reação 130. No entanto, em várias modalidades, a quantidade da corrente fresca de propano 332 na alimentação total ao reator PDH 220 (isto é, a segunda corrente 124 mais a corrente fresca de propano 332) compreende de maior que ou igual a 5% em peso a menos que ou igual a 30% em peso, tal como de maior que ou igual a 10% em peso a menos que ou igual a 25% em peso, ou cerca de 22% em peso. Se for introduzido pouco propano fresco no reator PDH 220 através da corrente de propano fresco 332, não haverá uma quantidade suficiente de H2 reciclado de volta para a primeira zona de reação 110 para fornecer uma redução desejada do CO2 produzido na primeira reação zona 110. No entanto, se for introduzido muito propano fresco no reator de PDH 220 através da corrente propano fresco 332, parte do H2 que sai do reator de PDH 220 terá de ser removida como combustível para evitar a acumulação de H2, o que cria uma ineficiência no processo de conversão. Deve ser entendido que qualquer reator PDH convencional 220 - tal como, por exemplo, Oleflex da UOP, CB&I Catofin e Uhde STAR - pode ser usado na segunda zona de reação 130, desde que seja capaz de converter o C3H8 na segunda corrente 124, combinada com uma corrente fresca de propano 332, em C3H6. Deve ser entendido que, em modalidades, nem todo o C3H8 que entra no reator de PDH 220 vai ser convertido em C3H6. Por conseguinte, a corrente do reator de PDH 221 que sai do reator de PDH 220 pode compreender C3H6, C3H8 e um ou mais de H2, CH4, alcanos que não reagiram e hidrocarbonetos que compreendem mais que 5 carbonos.
[57] A corrente do reator PDH 221 é enviada do reator PDH 220 para uma seção de separação do craqueador 210. Embora não seja representado na Figura 2B, nas modalidades, o craqueador 210 inclui uma seção de separação que separa os vários componentes formados no craqueador, bem como os vários componentes presentes na corrente do reator PDH 221. Na seção de separação do craqueador 210, o C3H6 na corrente do reator PDH 221 vai ser separado da corrente do reator PDH 221 onde ele pode, em modalidades, ser combinado com a corrente de produto 132 que sai da segunda zona de reação 130 e é coletado para uso posterior. Do mesmo modo, em modalidades, H2 e, opcionalmente, CH4 que estão presentes na corrente do reator PDH 221 podem ser separados da corrente do reator PDH 221 na seção de separação do craqueador 210 e combinados com a corrente de reciclagem 131, onde a mesma sai da segunda zona de reação 130 e é reciclada ao ser enviado para a primeira zona de reação 110. Alcanos que não reagiram na corrente do reator PDH 221 podem, em uma ou mais modalidades, ser separados da corrente do reator PDH 221 na seção de separação do craqueador 210, onde os alcanos que não reagiram podem, ainda, ser processados pelo craqueador 210 e convertidos em C2 a C5 olefinas que podem sair da segunda zona de reação na corrente de produto 132. No entanto, qualquer propano presente no reator de 221 PDH corrente vai, em modalidades, ser devolvido ao reator de PDH 220 em uma corrente que compreende propano 211, onde o propano pode ser processado pelo reator de PDH e convertido em C3H6. Quaisquer hidrocarbonetos que compreendem mais de 5 carbonos presentes na corrente do reator PDH 221 podem, em algumas modalidades, ser separados da corrente do reator PDH 221 na seção de separação do craqueador 210 e descartados da segunda zona de reação 130 em uma corrente de descarte (não mostrada).
[58] Deve ser entendido que, de acordo com várias modalidades, os componentes da segunda zona de reação 130, tais como, por exemplo, o craqueador 210 (incluindo a seção de separação) e o reator PDH 220, podem ser unidades fisicamente separadas ou podem ser zonas diferenciadas em uma única unidade física. Modalidades incluem várias combinações de componentes da segunda zona de reação 130 sendo fisicamente separadas ou combinadas em uma única unidade física.
[59] Através da introdução de uma corrente fresca de propano 332 na segunda zona de reação 130 e através da reciclagem de H2 para a primeira zona de reação 110, determinados saldos de massa podem ser alcançados nas correntes que saem da primeira zona de reação (isto é, a primeira corrente de saída 111, a segunda corrente de saída 112, a terceira corrente de saída 113 e a primeira corrente de produto de zona de reação 120) e nas correntes que saem da segunda zona de reação (isto é, a corrente de reciclagem 131 e a corrente de produto 132).Deve ser entendido que, quando mais de uma corrente de produto sai da segunda zona de reação 130, a combinação de todas as correntes de produto que saem da segunda zona de reação 130 pode ser referida como "uma soma da uma ou mais correntes de produto". Em uma ou mais modalidades, o fluxo de massa dos componentes presentes nas correntes que saem da primeira zona de reação, que é baseado em 0,453 kg (1 libra) de etileno produzido, inclui de mais que ou igual a 0,0454 kg (0,100 libra) a menos que ou igual a 0,136 kg (0,300 libra) de C5H12, tal como cerca de 0,099 kg (0,218 libra) de C5H12; de mais que ou igual a 0,136 kg (0,300 libra) a menos que ou igual a 0,227 kg (0,500 libra) de C4H10, tal como cerca de 0,198 kg (0,436 libra) de C4H10; de mais que ou igual a 0,590 kg (1,300 libras) a menos que ou igual a 0,680 kg (1,500 libras) de C3H8, tal como cerca de 0,639 kg (1,410 libras) de C3H8; de mais que ou igual a 0,340 kg (0,750 libra) a menos que ou igual a 0,431 kg (0,950 libra) de C2H6, tal como cerca de 0,382 kg (0,843 libra) de C2H6; de mais que ou igual a 1,451 kg (3,200 libras) a menos que ou igual a 1,587 kg (3,500 libras) de H2O, tal como cerca de 1,536 kg (3.386 libras) de H2O; e inferior ou igual a 0,005 kg (0,010 libra) de CO2, como menos de 0,002 kg (0,005 libra) de CO2, inferior a 0,00045 kg (0,001 libra) de CO2, ou mesmo sem CO2.
[60] Em uma ou mais modalidades, o fluxo de massa dos componentes presentes nas correntes que saem da segunda zona de reação, que é baseado em 0,453 kg (1 libra) de etileno produzido, inclui de maior que ou igual a 0,063 kg (0,1400 libra) a menos que ou igual a 0,073 kg (0,1600 libra) de H2, tal como cerca de 0,068 kg (0,1490 libra) de H2; de maior que ou igual a 0,132 kg (0,2900 libra) a menos que ou igual a 0,141 kg (0,3100 libra) de CH4, tal como cerca de 0,1347 kg (0,2971 libra) de CH4; cerca de 0,453 kg (1 libra) de C2H4; de maior que ou igual a 0,862 kg (1,9000 libras) inferior ou igual a 0,952 kg (2,1000 libras) de C3H6, tal como cerca de 0,902 kg (1,9900 libras) de C3H6; de maior que ou igual a 0,054 kg (0,1200 libra) a menos que ou igual a 0,063 kg (0,1400 libra) de C4H8, tal como cerca de 0,0597 kg (0,1317 libra) de C4H8; de maior que ou igual a 0,0454 kg (0,1000 libra) a menos que ou igual a 0,054 kg (0,1200 libra) de gás de pirólise, tal como cerca de 0,051 kg (0,1134 libra) de gás de pirólise; e de maior que ou igual a 0,00748 kg (0,0165 libra) a menos que ou igual a 0,00839 kg (0,0185 libra) de outros hidrocarbonetos pesados, tal como cerca de 0,00798 kg (0,0176 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[61] Deve ser entendido que, em várias modalidades: (1) pode-se alimentar com etano fresco (331) o craqueador, além da corrente introduzida no craqueador a partir da primeira zona de reação e não se pode alimentar com propano fresco algum (332) o reator PDH; (2) pode-se alimentar com propano fresco (332) o reator PDH, além da corrente introduzida no craqueador a partir da primeira zona de reação e não se pode alimentar com etano fresco algum (331) o cracker; ou (3) pode-se alimentar com etano fresco (331) o cracker além da corrente introduzida no cracker a partir da primeira zona de reação e pode-se alimentar com propano fresco (332) o reator PDH. Além disso, em algumas modalidades, apenas o craqueador pode ser alimentado com o propano (332), ou o craqueador e o reator PDH pode ser alimentado com o propano (332).
[62] As modalidades de sistemas e processos para a conversão de uma corrente que compreende carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos resultam em uma maior eficácia em relação aos processos conhecidos para a conversão de uma corrente que compreende carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos. Por exemplo, em uma ou mais modalidades, uma razão em kg/kg (libra/libra) de CH4 com o qual se alimenta o sistema em uma corrente de alimentação—incluindo qualquer CH4 reciclado—e C2 a C5 alcanos produzidos (razão CH4/alcanos) é inferior a 1,17, tal como inferior ou igual a 1,15, ou inferior ou igual a 1,14, inferior ou igual a 1,13 ou inferior ou igual a 1,12. Para cada uma das modalidades acima, a razão CH4/alcanos é maior do que ou igual a 1,00, tal como maior do que ou igual a 1,05, ou maior do que ou igual a 1,10.
[63] Além disso, em algumas modalidades, uma razão em kg/kg (libra/libra) de O2 com o qual se alimenta o sistema em uma corrente de alimentação de C2 a C5 alcanos produzidos (razão O2/alcanos) é inferior ou igual a 1,10, tal como inferior ou igual a 1,08, inferior ou igual a 1,06, inferior ou igual a 1,05 ou inferior ou igual a 1,04. Para cada uma das modalidades acima, a razão O2/alcanos é maior do que ou igual a 1,00, tais como maior do que ou igual a 1,01, ou maior do que ou igual a 1,02.
[64] Além disso, em várias modalidades, a eficiência de conversão de carbono em CH4 a C2 a C5 alcanos é maior do que 0,93, tais como maior do que ou igual a 0,94, maior do que ou igual a 0,95, maior do que ou igual a 0,96, maior que ou igual a 0,97, superior ou igual a 0,98 ou superior ou igual a 0,99.
EXEMPLOS
[65] As modalidades serão esclarecidas melhor pelos exemplos a seguir. Os saldos de massa nos exemplos fornecidos abaixo podem ser obtidos por um versado na técnica usando software de modelagem convencional, como, por exemplo, Aspen.
[66] A geração de gás de síntese é necessária para a produção de alcanos. O processo de geração de gás de síntese é o mesmo para todos os casos com as mesmas premissas operacionais. A geração de gás de síntese é realizada alimentando com metano e água um reformador. Nos casos que envolvem a reciclagem de metano e H2, essa alimentação também conterá H2.
[67] A alimentação do reformador é à 425 °C e na composição de 36% em peso, CH4 e 63% em peso de água. Também pode-se alimentar o reformador com H2 com o metano, e a temperatura é também de 425 °C. A pressão do reformador é de 42 bar.
[68] A saída do reformador está em equilíbrio para as seguintes reações: 1) CH4 + H2O = CO + 3H2
2) CO + H2O = H2 + CO2
[69] A saída do reformador alimenta um POX com alimentação de oxigênio, onde ocorrem as seguintes reações: 3) CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2 4) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
[70] Presume-se que dez por cento do metano que reagido sejam convertidos em CO2, e 90 por cento sejam convertidos em CO. A concentração de metano na saída do POX é controlada para ser 1,5% em mol pela razão de alimentação de oxigênio. A corrente de saída do POX fornece o calor ao reformador, sendo resfriado a 450 °C na carcaça do reformador. A água é removida do gás de síntese antes desse ser usado para alimentar a reação de produção de alcano.
[71] Os produtos alcano são produzidos na seguinte distribuição: mols relativos/h 3H2 + CO = CH4 + H2O 12,1 5H2 + 2CO = C2H6 + 2H2O 34,4 7H2 + 3CO = C3H8 + 3H2O 40,4 9H2 + 4CO = C4H10 + 4H2O 9,4 11H2 + 5CO = C5H12 + 5H2O 3,7
[72] O produto do reator também está em equilíbrio de deslocamento de gás água.
[73] Três estágios do reator são usados nas simulações. Após cada estágio do reator, a água é removida antes da alimentação para o próximo estágio do reator. A conversão de CO nos três estágios do reator é especificada em 90%. O uso de três estágios do reator dessa maneira não é essencial para a invenção: resultados semelhantes teriam sido obtidos usando um único reator com nível de conversão de CO igual.
[74] O gás de produto a partir do reator é separado em uma corrente de água, uma corrente de produto contendo C2H6 e produtos de carbono mais elevados, e uma corrente de gás contendo H2, N2, CO, CO2 e CH4. Vinte cinco por cento desta corrente é alimentada de volta para o reformador para controlar a concentração de CH4 na entrada do reator em cerca de 6% em mol. Cerca de 8% em mol é purgado para controlar a concentração de N2 em cerca de 2% em mol na entrada do reator. Presume-se que N2 entre no processo no gás de alimentação de CH4 a 1% em mol. Para o gás restante, uma parte do CO2 é removida e o restante do gás é reciclado para o reator. A remoção de CO2 é usada para controlar a concentração de entrada do reator em cerca de 12% em mol de CO2.
[75] Os produtos alcanos são convertidos em olefinas por craqueamento a vapor convencional ou uma combinação de craqueamento a vapor e desidrogenação de propano. As premissas sobre a eficiência do craqueamento para cada componente de alimentação são apresentadas na Tabela 1 abaixo: TABELA 1
[76] Composição do produto de craqueamento em porcentagem de peso. EXEMPLO 1
[77] O Exemplo 1 é uma simulação da conversão de uma corrente contendo carbono em hidrocarbonetos C2 a C5 de acordo com modalidades representadas na Figura 1. Em particular, uma corrente de alimentação compreendendo CH4 e O2 é alimentada para uma primeira zona de reação que compreende uma unidade de produção de alcano. O fluxo de massa da corrente de alimentação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,488 kg (1,076 libras) de CH4 e 0,561 kg (1,238 libras) de O2.
[78] A primeira corrente de produto de zona de reação compreende CO2, H2O, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12. O CO2 e H2O são separados dos componentes restantes (isto é, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12) e descartados. O fluxo de massa da primeira corrente de produto de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,002 kg (0,005 libra) de CO2, 0,621 kg (1,370 libras) de H2O, 0,155 kg (0,342 libra) de C2H6, 0,259 kg (0,571 libra) de C3H8, 0,0803 kg (0,177 libra) de C4H10 e 0,0399 kg (0,088 libra) de C5H12.
[79] Os C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados juntamente com uma alimentação de etano fresco adicional a uma segunda zona de reação que compreende um craqueador convencional, que produz C2 a C5 olefinas. O etano fresco representa 30% em peso da alimentação do craqueador. O fluxo de massa do etano fresco, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,2290 kg (0,505 libra).
[80] A segunda corrente de produto de zona de reação compreende H2, CH4, C2H4, C3H6, C4H8, gás de pirólise e outros hidrocarbonetos pesados. O fluxo de massa da segunda corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,0271 kg (0,0598 libra) de H2, 0,1191 kg (0,2626 libra) de CH4, 0,453 kg (1 libra) de C2H4, 0,0526 kg (0,11598 libra) de C3H6, 0,0387 kg (0,0854 libra) de C4H8, 0,0368 kg (0,0813 libra) de gás de pirólise e 0,00562 kg (0,0124 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[81] O CH4 e H2 na segunda corrente de produto de zona de reação são reciclados de volta para a primeira zona de reação. O hidrogênio adicional melhora a eficiência de carbono do processo de metano para alcano, o que resulta em uma quantidade reduzida de metano fresco na corrente de alimentação, um menor requisito de alimentação de oxigênio e essencialmente nenhuma remoção de CO2 do processo, resultando na maior eficiência de gás natural. Alguns CO2 são removidos em uma purga de gás inerte que é usada para controlar as concentrações de N2 e CH4 na entrada do reator. Porém, não é necessário um sistema de remoção de CO2 separado.
[82] A razão CH4/alcanos do Exemplo 1 é de 1,14; a razão O2/alcanos do Exemplo 1 é de 1,05; e a eficiência de carbono do Exemplo 1 é 0,96. EXEMPLO 2
[83] O Exemplo 2 é uma simulação da conversão de uma corrente contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos de acordo com modalidades representadas na Figura 2A. Em particular, uma corrente de alimentação compreendendo CH4 e O2 é alimentada para uma primeira zona de reação que compreende uma unidade de produção de alcano. O fluxo de massa da corrente de alimentação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,9492 kg (2,093 libras) de CH4 e 0,9655 kg (2,129 libras) de O2.
[84] A primeira corrente de produto de zona de reação compreende CO2, H2O, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12. O CO2 e H2O são separados dos componentes restantes (isto é, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12) e descartados. O fluxo de massa da primeira corrente de produto de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,00136 kg (0,003 libra) de CO2, 1,070 kg (2,360 libras) de H2O, 0,267 kg (0,588 libra) de C2H6, 0,4463 kg (0,984 libra) de C3H8, 0,1379 kg (0,304 libra) de C4H10 e 0,0689 kg (0,152 libra) de C5H12.
[85] Os C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a uma segunda zona de reação. Os C2H6, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados juntamente com uma alimentação adicional de etano fresco a um craqueador convencional, que produz C2H4, C3H6, C4H8 e C5H10 olefinas. O C3H8 produzido na primeira zona de reação é alimentado a um reator de PDH convencional, que produz C3H6. O etano fresco representa 17,5% em peso da alimentação do craqueador. O fluxo de massa do etano fresco, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,1950 kg (0,430 libra).
[86] As correntes de saída do craqueador e do reator de PDH são combinadas em uma segunda corrente de produto de zona de reação que compreende H2, CH4, C2H4, C3H6, C4H8, gás de pirólise e outros hidrocarbonetos pesados. O fluxo de massa da segunda corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,047 kg (0,1036 libra) de H 2, 0,096 kg (0,2106 libra) de CH4, 0,453 kg (1 libra) de C2H4, 0,418 kg (0,9212 libra) de C3H6, 0,0452 kg (0,0998 libra) de C4H8, 0,039 kg (0,0863 libra) de gás de pirólise e 0,0063 kg (0,0139 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[87] O CH4 e H2 na segunda corrente de produto de zona de reação são reciclados de volta para a primeira zona de reação. O hidrogênio adicional melhora a eficiência de carbono do processo de metano para alcano, o que resulta em uma quantidade reduzida de metano fresco na corrente de alimentação, um menor requisito de alimentação de oxigênio e essencialmente nenhuma remoção de CO2 do processo, resultando na maior eficiência de gás natural. Alguns CO2 são removidos em uma purga de gás inerte que é usada para controlar as concentrações de N2 e CH4 na entrada do reator. Porém, não é necessário um sistema de remoção de CO2 separado.
[88] A razão CH4/alcanos do Exemplo 2 é de 1,14; a razão O2/alcanos do Exemplo 2 é de 1,05; e a eficiência de carbono do Exemplo 2 é 0,96. EXEMPLO 3
[89] O Exemplo 3 é uma simulação da conversão de uma corrente contendo carbono em C2 a C5 hidrocarbonetos de acordo com modalidades representadas na Figura 2B. Em particular, uma corrente de alimentação compreendendo CH4 e O2 é alimentada para uma primeira zona de reação que compreende uma unidade de produção de alcano. O fluxo de massa da corrente de alimentação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 1,3619 kg (3,003 libras) de CH4 e 1,3836 kg (3,051 libras) de O2.
[90] A primeira corrente de produto de zona de reação compreende H2O, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12. Não há CO2 na primeira corrente de produto de zona de reação. O H2O é separado dos componentes restantes (isto é, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12) e descartados. O fluxo de massa da primeira corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 1,536 kg (3.386 libras) de H2O, 0,382 kg (0,843 libra) de C2H6, 0,639 kg (1,410 libras) de C3H8, 0,198 kg (0,436 libra) de C4H10 e 0,099 kg (0,218 libra) de C5H12.
[91] Os C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a uma segunda zona de reação. Os C2H6, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados com um craqueador convencional, que produz C2H4, C3H6, C4H8 e C5H10 olefinas. O C3H8 produzido na primeira zona de reação é alimentado juntamente com uma alimentação fresca de propano para um reator de PDH convencional, que produz C3H6. O propano fresco representa 22% em peso da alimentação do reator PDH. O fluxo de massa do propano fresco, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,3719 kg (0,820 libra).
[92] As correntes de saída do craqueador e do reator de PDH são combinadas em uma segunda corrente de produto de zona de reação que compreende H2, CH4, C2H4, C3H6, C4H8, gás de pirólise e outros hidrocarbonetos pesados. O fluxo de massa da segunda corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,068 kg (0,1490 libra) de H2, 0,1347 kg (0,2971 libra) de CH4, 0,453 kg (1 libra) de C2H4, 0,902 kg (1,9900 libras) de C3H6, 0,0597 kg (0,1317 libra) de C4H8, 0,051 kg (0,1134 libra) de gás de pirólise e 0,00798 kg (0,0176 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[93] O CH4 e H2 na segunda corrente de produto de zona de reação são reciclados de volta para a primeira zona de reação. O hidrogênio adicional melhora a eficiência de carbono do processo de metano para alcano, o que resulta em uma quantidade reduzida de metano fresco na corrente de alimentação, um menor requisito de alimentação de oxigênio e nenhuma remoção de CO2 do processo, resultando na maior eficiência de gás natural.
[94] A razão CH4/alcanos do Exemplo 3 é 1,14; a razão O2/alcanos do Exemplo 3 é 1,05; e a eficiência de carbono do Exemplo 3 é 0,96. EXEMPLO COMPARATIVO 1
[95] O Exemplo Comparativo 1 é uma simulação semelhante ao Exemplo 1, mas nenhum etano fresco é fornecido ao craqueador e o hidrogênio não é reciclado de volta à primeira zona de reação.
[96] Em particular, uma corrente de alimentação compreendendo CH4 e O2 é alimentada para uma primeira zona de reação que compreende uma unidade de produção de alcano. O fluxo de massa da corrente de alimentação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é 1,12 kg (2,47 libras) de CH 4 e 1,0204 kg (2,25 libras) de O2.
[97] A primeira corrente de produto de zona de reação compreende CO2, H2O, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12. O CO2 e H2O são separados dos componentes restantes (isto é, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12) e descartados. O fluxo de massa da primeira corrente de produto de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,3120 kg (0,688 libra) de CO2, 0,8717 kg (1,922 libras) de H2O, 0,2539 kg (0,560 libra) de C2H6, 0,4245 kg (0,936 libra) de C3H8, 0,1315 kg (0,290 libra) de C4H10 e 0,0658 kg (0,145 libra) de C5H12.
[98] Os C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a uma segunda zona de reação que compreende um craqueador convencional, que produz C2 a C5 olefinas.
[99] A segunda corrente de produto de zona de reação compreende H2, CH4, C2H4, C3H6, C4H8, gás de pirólise e outros hidrocarbonetos pesados. O fluxo de massa da segunda corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,0232 kg (0,0513 libra) de H2, 0,1667 kg (0,3677 libra) de CH4, 0,453 kg (1 libra) de C2H4, 0,1018 kg (0,22445 libra) de C3H6, 0,0506kg (0,11160 libra) de C4H8, 0,0496 kg (0,1093 libra) de gás de pirólise e 0,00771 kg (0,0170 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[100] A razão CH4/alcanos do Exemplo Comparativo 1 é 1,28; a razão O2/alcanos do Exemplo Comparativo 1 é 1,17; e a eficiência de carbono do Exemplo Comparativo 1 é de 0,85. EXEMPLO COMPARATIVO 2
[101] O Exemplo Comparativo 2 é uma simulação semelhante ao Exemplo 2, mas nenhum etano fresco é fornecido ao craqueador e o hidrogênio não é reciclado de volta à primeira zona de reação.
[102] Em particular, uma corrente de alimentação compreendendo CH4 e O2 é alimentada para uma primeira zona de reação que compreende uma unidade de produção de alcano. O fluxo de massa da corrente de alimentação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 1,7596 kg (3,88 libras) de CH4 e 1,6054 kg (3,54 libras) de O2.
[103] A primeira corrente de produto de zona de reação compreende CO2, H2O, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12. O CO2 e H2O são separados dos componentes restantes (isto é, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12) e descartados. O fluxo de massa da primeira corrente de produto de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,4912 kg (1,083 libras) de CO2, 1,3714 kg (3,024 libras) de H2O, 0,3995 kg (0,881 libra) de C2H6, 0,6680 kg (1,473 libras) de C3H8, 0,2068 kg (0,456 libra) de C4H10 e 0,1034 kg (0,228 libra) de C5H12.
[104] Os C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a uma segunda zona de reação. Os C2H6, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a um craqueador convencional, que produz C2H4, C3H6, C4H8 e C5H10 olefinas. O C3H8 produzido na primeira zona de reação é alimentado a um reator de PDH convencional, que produz C3H6.
[105] As correntes de saída do craqueador e do reator de PDH são combinadas em uma segunda corrente de produto de zona de reação que compreende H2, CH4, C2H4, C3H6, C4H8, gás de pirólise e outros hidrocarbonetos pesados. O fluxo de massa da segunda corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,05388 kg (0,1188 libra) de H2, 0,1209 kg (0,2666 libra) de CH4, 0,453 kg (1 libra) de C2H4, 0,6061 kg (1,33659 libras) de C3H6, 0,0593 kg (0,1308 libra) de C4H8, 0,05011 kg (0,1105 libra) de gás de pirólise e 0,00825 kg (0,0182 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[106] A razão CH4/alcanos do Exemplo Comparativo 2 é 1,28; a razão O2/alcanos do Exemplo Comparativo 2 é 1,17; e a eficiência de carbono do Exemplo Comparativo 2 é de 0,85. EXEMPLO COMPARATIVO 3
[107] O Exemplo Comparativo 3 é uma simulação semelhante ao exemplo 1, mas nenhum etano fresco é fornecido ao craqueador.
[108] Uma corrente de alimentação que compreende CH4 e O2 é alimentada para uma primeira zona de reação que compreende uma unidade de produção de alcano. O fluxo de massa da corrente de alimentação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,8912 kg (1,965 libras) de CH4 e 0,9714 kg (2,142 libras) de O2.
[109] A primeira corrente de produto de zona de reação compreende CO2, H2O, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12. O CO2 e H2O são separados dos componentes restantes (isto é, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12) e descartados. O fluxo de massa da primeira corrente de produto de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,1600 kg (0,335 libra) de CO2, 0,9437 kg (2,081 libras) de H2O, 0,2539 kg (0,560 libra) de C2H6, 0,4245 kg (0,936 libra) de C3H8, 0,1315 kg (0,290 libra) de C4H10 e 0,0658 kg (0,145 libra) de C5H12.
[110] Os C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a uma segunda zona de reação que compreende um craqueador convencional, que produz C2 a C5 olefinas.
[111] A segunda corrente de produto de zona de reação compreende H2, CH4, C2H4, C3H6, C4H8, gás de pirólise e outros hidrocarbonetos pesados. O fluxo de massa da segunda corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,0232 kg (0,0513 libra) de H2, 0,1667 kg (0,3677 libra) de CH4, 0,453 kg (1 libra) de C2H4, 0,1018 kg (0,22445 libra) de C3H6, 0,0506kg (0,11160 libra) de C4H8, 0,0496 kg (0,1093 libra) de gás de pirólise e 0,00771 kg (0,0170 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[112] O CH4 e H2 na segunda corrente de produto de zona de reação são reciclados de volta para a primeira zona de reação. No entanto, uma quantidade elevada de CO2 ainda é produzida na primeira zona de reação. Consequentemente, este processo não converte eficientemente o carbono na corrente de alimentação em C2 a C5 hidrocarbonetos, e é necessário um sistema separado de remoção de CO2.
[113] A razão CH4/alcanos do Exemplo Comparativo 3 é 1,21; a razão O2/alcanos do Exemplo Comparativo 3 é 1,11; e a eficiência de carbono do Exemplo Comparativo 3 é 0,90. EXEMPLO COMPARATIVO 4
[114] O Exemplo Comparativo 4 é semelhante ao exemplo 2, mas nenhum etano fresco é fornecido ao craqueador.
[115] Uma corrente de alimentação que compreende CH4 e O2 é fornecida para uma primeira zona de reação que compreende uma unidade de produção de alcano. O fluxo de massa da corrente de alimentação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 1,4938 kg (3,294 libras) de CH4 e 1,4875 kg (3,280 libras) de O2.
[116] A primeira corrente de produto de zona de reação compreende CO2, H2O, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12. O CO2 e H2O são separados dos componentes restantes (isto é, C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12) e descartados. O fluxo de massa da primeira corrente de produto de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,1283 kg (0,283 libra) de CO2, 1,5429 kg (3,402 libras) de H2O, 0,3995 kg (0,881 libra) de C2H6, 0,6680 kg (1,473 libras) de C3H8, 0,2068 kg (0,456 libra) de C4H10 e 0,1034 kg (0,228 libra) de C5H12.
[117] Os C2H6, C3H8, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a uma segunda zona de reação. Os C2H6, C4H10 e C5H12 produzidos na primeira zona de reação são alimentados a um craqueador convencional, que produz C2H4, C3H6, C4H8 e C5H10 olefinas. O C3H8 produzido na primeira zona de reação é alimentado a um reator de PDH convencional, que produz C3H6.
[118] As correntes de saída do craqueador e do reator de PDH são combinadas em uma segunda corrente de produto de zona de reação que compreende H2, CH4, C2H4, C3H6, C4H8, gás de pirólise e outros hidrocarbonetos pesados. O fluxo de massa da segunda corrente de produtos de zona de reação, com base na produção de 0,453 kg (1 libra) de etileno, é de 0,05388 kg (0,1188 libra) de H2, 0,1209 kg (0,2666 libra) de CH4, 0,453 kg (1 libra) de C2H4, 0,6061 kg (1,33659 libras) de C3H6, 0,0593 kg (0,1308 libra) de C4H8, 0,05011 kg (0,1105 libra) de gás de pirólise e 0,00825 kg (0,0182 libra) de outros hidrocarbonetos pesados.
[119] O CH4 e H2 na segunda corrente de produto de zona de reação são reciclados de volta para a primeira zona de reação. No entanto, uma quantidade elevada de CO2 ainda é produzida na primeira zona de reação. Consequentemente, este processo não converte eficientemente o carbono na corrente de alimentação em C2 a C5 hidrocarbonetos, e é necessário um sistema separado de remoção de CO2.
[120] A razão CH4/alcanos do Exemplo comparativo 4 é 1,17; a razão O2/alcanos do Exemplo comparativo 4 é 1,08; e a eficiência de carbono do Exemplo Comparativo 4 é 0,93.
[121] O Exemplo 1 ilustra uma melhoria em relação ao Exemplo Comparativo 3, enquanto os Exemplos 2 e 3 ilustram uma melhoria em relação ao Exemplo Comparativo 4, que é mostrado pela eliminação do requisito de remoção de CO2 da primeira zona de reação e pela redução da razão O2/alcanos. O Exemplo 1 usa uma pequena alimentação de etano fresco para o craqueador, o Exemplo 2 usa uma pequena alimentação de etano fresco para o craqueador e o Exemplo 3 usa uma pequena alimentação de propano fresco para a unidade PDH.
[122] Esses exemplos ilustram várias opções para adicionar etano fresco e/ou propano fresco juntamente com o alimento produzido a partir da primeira zona de reação, para que o hidrogênio produzido a partir da produção de olefinas possa ser reciclado de volta à primeira zona de reação e reduzir ou eliminar a remoção líquida de CO2 do processo. Estes exemplos ilustram várias opções, mas não incluem todas as opções possíveis.
[123] Será evidente àqueles versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas às modalidades descritas neste documento sem se afastar do espírito e escopo da matéria reivindicada. Assim, pretende-se que a relatório descritivo cubra as modificações e variações das modalidades descritas, desde que tal modificações e variações estejam dentro do âmbito das reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims (15)

REIVINDICAÇÕES
1. Processo para converter uma corrente de alimentação compreendendo carbono em C2 a C5 olefinas caracterizado pelo fato de que compreende: introduzir uma corrente de alimentação que compreende metano e oxigênio a uma primeira zona de reação; reagir o metano e o oxigênio na primeira zona de reação para formar uma primeira corrente de produto de zona de reação que compreende uma mistura de C2 a C5 alcanos; transportar a mistura de C2 a C5 alcanos para uma segunda zona de reação; introduzir uma corrente fresca de pelo menos um dentre etano e propano à segunda zona de reação; converter a mistura de C2 a C5 alcanos em C2 a C5 olefinas na segunda zona de reação; produzir uma ou mais correntes de produtos na segunda zona de reação, em que uma soma da uma ou mais correntes de produtos compreende C2 a C5 olefinas; e produzir uma corrente de reciclagem que compreende hidrogênio na segunda zona de reação, em que a corrente de reciclagem é transportada para a primeira zona de reação.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda zona de reação compreende um craqueador.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a introdução de uma corrente fresca de pelo menos um dentre etano e propano à segunda zona de reação compreende a introdução de uma corrente fresca de etano para no craqueador.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 e 3, caracterizado pelo fato de que a segunda zona de reação compreende um reator de desidrogenação de propano.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a introdução de uma corrente fresca de pelo menos um dentre etano e propano à segunda zona de reação compreende a introdução de propano no reator de desidrogenação de propano.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a segunda zona de reação compreende um craqueador, e a introdução de uma corrente fresca de pelo menos um dentre etano e propano na segunda zona de reação compreende a introdução de propano no reator de desidrogenação de propano e a introdução de etano no craqueador.
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a corrente de reciclagem compreende, ainda, metano.
8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a primeira corrente de produto de zona de reação não compreende dióxido de carbono.
9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a primeira zona de reação compreende um catalisador híbrido.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o catalisador híbrido compreende um componente de síntese de metanol e um componente de ácido microporoso sólido que tem acesso a 8-MR.
11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que uma razão CH4/alcanos é inferior a 1,17.
12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que uma razão CH4/alcanos é inferior ou igual a 1,14.
13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que uma razão O2/ alcanos é inferior ou igual a 1,10.
14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que uma eficiência de carbono é superior a 0,93.
15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que uma eficiência de carbono é superior ou igual a 0,96.
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