CN104470875B - 一种通过非催化的化学反应生成含氧化合物的方法 - Google Patents

Abstract

用于通过非催化反应形成含氧化合物的系统和方法。碳氢化合物气体和含氧气体被注入到混合器中，然后被加热形成反应物气流。该反应物气流被注入到流化床反应器，在该处气体的反应通过氧化发生以生成含氧化合物。然后，含氧化合物产物从反应器中移除。

Description

一种通过非催化的化学反应生成含氧化合物的方法

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求申请日为2012年5月9日的第61/644,782号美国临时申请的权益，发明名称为“在流化床中生成含氧化合物的系统和方法”，其全部公开内容通过引用整体合并于此并作为本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及一种生成含氧化合物的方法，更具体地涉及一种通过非催化的化学反应生成含氧化合物的方法。

背景技术

天然气是一种丰富的矿物燃料资源。井源中的天然气的组成各不相同，但是天然气中含有的大多数碳氢化合物是甲烷。天然气的其他成分可包括乙烷，丙烷，丁烷，戊烷和高沸点碳氢化合物。

将天然气中的碳氢化合物(特别是甲烷和乙烷)直接地部分氧化为含氧化合物(例如甲醇和乙醇)的反应已经被普遍研究很多年了，但是，必须特别小心以避免氧化为甲醛或者其他不受欢迎的包括CO和CO₂的深度氧化。形成醇的机制被认为涉及自由基反应，例如甲基自由基和羟基自由基。不幸的是，生成有价值的含氧化合物的单程产率受到限制，使得这些系统不经济。该受限的产率被合理地归因于：对应于主要的氧化的产物(例如甲醇)的相对高活性，碳氢化合物(例如甲烷)中的C-H键具有低活性，这使得在试图提高转化率时导致选择性地形成极度不受欢迎的深度氧化产物CO和CO₂。

通过碳氢化合物的直接的部分氧化将碳氢化合物转化为所需的含氧化合物的各种反应系统和方法是已知的；但是每种反应系统均具有明显的问题，从而使得这些系统由于缺乏收集天然气的基础结构而难以在通常逸出(flared)的位置回收气体。由于将碳氢化合物直接地部分氧化为含氧化合物的反应是放热过程，进行该直接的部分氧化反应的管状反应器通常形成“热点”并且难以进行有效的控制。因此，难以将反应器内的反应温度维持恒定。此外，由于将碳氢化合物直接地部分氧化为含氧化合物的反应是气相反应，气体反应物和气体产物之间的热集成需要气体之间的热交换。众所周知，因为气体粒子和热交换器的壁之间的碰撞非常稀少，因此气体之间的热交换的效率非常低。因此，对于将碳氢化合物直接地部分氧化为含氧化合物的反应来说，热传递成为工艺流程设计中的限制因素。碳氢化合物气体的转化被限制到具有大量的基础结构和控件的联合工厂中进行，其不可在外部场所进行。

发明内容

本发明涉及生成含氧化合物的方法，更具体的涉及一种通过非催化的化学反应生成含氧化合物的方法。

一种通过非催化反应生成含氧化合物的方法，包括步骤：在混合器中混合碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流，并从混合器中输出反应物气流，该反应物气流包括碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流。反应物气流被加热至既定温度范围，且加热的反应物气流被输入至流化床反应器，其中，流化床反应器包括反应腔室，位于该反应腔室中的多个惰性反应器粒子。当然，压力和温度范围可相对彼此变化，如此，如果(as)压力增加，温度范围可降低。加热的反应物气流被输入到流化床反应器的反应腔室中。典型地，加热的反应物气流从反应器的底部进入，或者克服重力并随后穿过具有多个孔的分布板。这些孔可被设置为环形模式，带有多个环，每个环包括多个孔。由于气体进入反应器并穿过分布板，反应腔室中的，或者从上面输入到反应腔室中的，或者在分布板的与加热的反应物气流进入反应腔室的进入点相对的一侧的惰性反应器粒子是流化的。更具体地说，通过使加热的反应物气流竖直地通过反应腔室，并通过使惰性反应器粒子悬浮在流化床反应器的反应腔室中，反应腔室中的惰性反应器粒子被流化。通过在流化床反应器的反应腔室中利用加热的反应物气流中的含氧气体将加热的反应物气流中的碳氢化合物气体氧化生成含氧化合物，反应物气流中的气体发生反应。当反应器包括理想的等温反应时，控制系统被用于维持流化床反应器处于或者基本处于等温条件。基本处于等温反应意味着尽可能地接近等温条件，例如在等温条件的10％的范围内，优选在等温条件的5％的范围内，更优选在等温条件的2.5％的范围内。当然，期望的是使得反应基本处于等温条件的1％的范围内或者更低的范围内。反应器通常具有期望的工作温度范围，且即使当等温条件并没有维持在优选的10％的范围内时，由于温度升高被抑制，可以获得较高的转化率。反应器还通常具有至少40atm的工作压力以便于生产含氧化合物。在氧化后，方法可包括从流化床反应器输出产物气流的步骤，该产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体。

方法可进一步包括具有第一部分和第二部分的热交换器，其中，该第二部分至少部分地位于反应腔室中，其中，加热的反应物气流以至少300℃的温度从热交换器的第一部分被直接地供应给流化床反应器。此外，优选在流化床反应器的进入点，温度为至少300℃以反应甲烷，但是，主要针对乙烷气体的反应器的温度可低5-20％。

方法进一步包括在热交换器的第一部分和热交换器的第二部分之间循环冷却剂的步骤，允许流化床反应器完成加热的步骤并进一步作为加热的步骤的一部分，作为维持流化床反应器处于等温条件的步骤的一部分以最低的能量消耗执行冷却流化床反应器的步骤。由于反应是放热反应，移除热量来预热气体不仅是期望的而且节能。

从热交换器的第一部分退出的加热的反应物气流包括多个惰性粒子，进一步包括在反应物气流进入反应器之前，将多个惰性粒子从反应物气流中移除的步骤。将多个惰性粒子从加热的反应物气流中移除的方法步骤包括：在反应物气流进入流化床反应器之前，使加热的反应物气流通过粒子分离器以将惰性粒子从加热的反应物气流中分离出来。将通过粒子分离器从加热的反应物气流中移除的惰性粒子注入流化床反应器的反应腔室中的步骤，该惰性粒子在分布板的与反应物气流进入反应腔室的进入点相对的一侧注入流化床反应器的反应腔室中。方法可还包括输入惰性粒子以冷却反应腔室的步骤。方法还可包括从第一流化床反应器的反应腔室传递惰性粒子到热交换的步骤，其中，从反应腔室传递惰性粒子的这一步骤加热了热交换器的第一部分。

方法可包括加速该加热的反应物气流的步骤，在热交换器中，反应物气流在热交换器的第一部分之前具有第一速度，而在热交换器的第一部分中具有第二速度。在热交换器中加速该加热的反应物气流的步骤还可包括维持该加热的反应物气流处于第一速度的步骤，其中，该加热的反应物气流被迫通过热交换器的第一部分中的直径缩小的区段以将反应物气流的第一速度增加至第二速度，该第二速度大于该第一速度。

方法可包括在热交换器的第一部分和第二部分之间循环冷却剂从而加热该热交换器的第一部分并冷却反应腔室中的第二部分的步骤。

方法可包括将产物气流中的含氧化合物从副产物和未反应的碳氢化合物气体中分离出去的步骤：通过供应产物气流通过第一回收系统，该第一回收系统将产物气流分离为含氧化合物和循环气流，该循环气流包括副产物和未反应的碳氢化合物气体。该循环气流基本不含有含氧化合物。当然，反应物气流和循环气流可多次穿过反应器，因为每次通过反应器的转化率可能低至5％，虽然本发明的系统和方法预计可在每次通过中转化至少8％的碳氢化合物，优选10％，更优选13％，最优选至少15％。系统可循环到几乎所有的碳氢化合物被移除，剩下水，含氧化合物和副产物作为主要成分。当然，方法还可包括将副产物从循环气流中移除出去的步骤。

正如上面所讨论的，在将副产物从循环气流中移除出去的步骤后，该方法可包括再循环来自于第一回收系统的未反应的碳氢化合物气体的步骤。该循环气流被输入到流化床反应器中，该循环气流的注入可与含氧气体的添加单独进行，或者该循环气流也可与反应物气流一起注入，该反应物气流包括碳氢化合物气体和含氧气体。

方法包括向具有第二反应腔室的第二流化床反应器输入循环气流，并在第二流化床反应器的第二反应腔室中将循环气流中的未反应的碳氢化合物气体氧化生成含氧化合物的步骤。方法可包括从第二流化床反应器输出第二产物气流的步骤，其中，第二产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体。当然，关于该第二产物气流，方法可包括将含氧化合物从第二产物气流中分离出去的步骤，通过输入第二产物气流通过第二回收系统并将含氧化合物从第二产物气流中的副产物和未反应的碳氢化合物气体分离出来。

为了维持等温反应和理想反应参数，加热的步骤中的反应物气流的压力为至少40atm，优选当反应物气流进入流化床反应器时，压力在40atm-85atm之间，更优选在41atm-55atm之间。当然，维持的步骤可使用这些相同的压力。进一步地，在维持步骤中，温度范围在300℃-900℃之间，优选在400℃-600℃之间，更优选在426℃-483℃之间被认为是理想的，特别是对于碳氢化合物气体中的甲烷来说。当然，已经发现，乙烷的理想温度可稍微低一些，例如低2-10％。而且，相比之下，由于反应是放热的，通常加热的步骤中的反应物气流的既定范围在316℃-372℃之间。

反应器可包括具有多个开口的分布板，该设置在分布板上的多个开口允许碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流的彻底混合。分布板可通过紧固件固定在流化床反应器中，或者可焊接到流化床反应器。

方法还可包括步骤：向混合器中供应碳氢化合物气体的第一气流；向混合器中供应来自于回收系统的循环气流；在混合器中混合第一气流和循环气流以输出组合气流；通过使组合气流通过热源以加热该组合气流到至少300℃的第一既定温度，其中，组合气流以至少40atm的压力被供应给热源；从热源向流化床反应器输入加热的组合气流，流化床反应器具有反应腔室和反应腔室中的多个惰性反应器粒子；以第二既定温度向流化床反应器中输入与加热的组合气流分离的含氧气体的第二气流，第二既定温度低于第一既定温度；基于流化床反应器的内部温度，控制输入到流化床反应器的第二气流的体积；通过使加热的反应物气流通过分布板，将加热的反应物气流分散到流化床反应器的反应腔室中；通过使加热的组合气流和第二气流通过反应腔室并使惰性反应器粒子悬浮在流化床反应器的反应腔室中，流化床反应器中的惰性反应器粒子被流化；在流化床反应器的反应腔室中利用含氧气体的第二气流将加热的组合气流中的碳氢化合物气体氧化生成含氧化合物；改变第二气流的流速以维持流化床反应器处于等温条件，该等温条件具有在300℃-900℃之间的工作温度和至少40atm的工作压力以便于生产含氧化合物；从流化床反应器中输出产物气流，产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体；通过使产物气流通过回收系统将含氧化合物从产物气流中分离出去，回收系统配置为将产物气流中的含氧化合物从循环气流中分离出来，该循环气流包括副产物和未反应的碳氢化合物气体；通过向混合器中发送循环气流，循环来自于产物气流中的副产物和未反应的碳氢化合物气体。

此外，通过向混合器中发送循环气流，方法步骤可以是循环的以重复这个过程，例如直到碳氢化合物气体的量低于所需的水平。此外，改变的步骤中的工作温度可在400℃-600℃之间，优选在426℃-483℃之间。同样的，输入含氧气体的第二气流的步骤中的第二既定温度在20℃-300℃之间，优选第二既定温度在30℃-120℃之间，更优选第二既定温度在38℃-93℃之间。

当热源优选为热交换器时，其也可用加热器替代，也可是热交换器和加热器的组合。当然，在启动后，当反应腔室可能并不处于期望的温度时，热源可简单的是一个加热器，在此，它可预热反应物气流或者气体。

在该方法中，在加热的步骤中，组合气流进入热源的压力在40atm-85atm之间，优选在41atm-55atm之间。反应器可包括具有多个开口的分布板，以允许碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流彻底地混合。

通过非催化反应生成含氧化合物的方法，包括步骤：压缩包括碳氢化合物气体的第一气流到至少40atm的既定压力；通过向热源供应压缩的第一气流，加热压缩的第一气流到至少300℃的第一既定温度；直接地从加热器向具有第一反应腔室的第一反应器中输入加热的和压缩的第一气流；以第二既定温度向第一反应器的第一反应腔室输入与加热的气流分离的含氧气体；在第一反应器的第一反应腔室中利用含氧气体的第二气流将加热的和压缩的第一气流的碳氢化合物气体氧化生成含氧化合物；从第一反应器中输出产物气流，产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体；利用回收系统将含氧化合物从产物气流中分离出去，回收系统将含氧化合物从循环气流中分离出来，循环气流具有副产物和未反应的碳氢化合物气体；向具有第二反应腔室的第二反应器中输入循环气流；以第二既定温度向第二反应器输入与循环气流分离的含氧气体的第二气流；在第二反应器的第二反应腔室中利用含氧气体的第二气流将循环气流中的未反应的碳氢化合物气体氧化生成含氧化合物；从第二反应器中输出第二产物气流，第二产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体；利用回收系统将含氧化合物从第二产物气流中分离出去，回收系统将含氧化合物从第二产物气流中的副产物和未反应的碳氢化合物气体分离出来。

上述方法步骤被配置为利用第一反应器以除去与甲烷在一起的较重的气体，例如乙烷，丙烷等等，甚至可将其转化为某些含氧化合物。然后，甲烷在第二反应器中氧化为含氧化合物。这两个反应器系统被配置为允许最优化，比甲烷重的碳氢化合物气体处于第一反应器，而甲烷处于第二反应器，从而在每个反应器中最优化回收。如此，典型地，需要使用的循环气流可较少，至少每次通过第二反应器的碳氢化合物的转化率至少为8％，优选至少10％，更优选至少13％，最优选至少15％。如果第一反应器主要针对的碳氢化合物气体不是甲烷，第一反应器可以是非流化的反应器，而第二反应器可以是流化床反应器，该流化床反应器包括在第二反应腔室中的多个惰性反应器粒子。

方法可进一步包括步骤：通过供应循环气流和第二气流通过反应腔室并使惰性反应器粒子悬浮在第二流化床反应器的第二反应腔室中，流化床反应器中的惰性反应器粒子被流化。此外，将含氧化合物从产物气流中分离出去的步骤可包括使用回收系统的第一分离器，将含氧化合物从第二产物气流中分离出去的步骤包括使用回收系统的第二分离器。方法可包括压缩第一气流至既定压力，该既定压力在40atm-85atm之间，优选在41atm-55atm之间。

此外，在加热的步骤中，该压缩的第一气流被加热到第一既定温度，该第一既定温度在300℃-900℃之间，优选在310℃-600℃之间，更优选在316℃-372℃之间。

当系统包括两个反应器时，在输入的步骤中，含氧气体的第二既定温度为至少30℃，优选在30℃-120℃之间，更优选在36℃-96℃之间，然而每个反应器的温度可稍微变化，第一反应器具有较低的输入温度。此外，系统被配置为第一反应器在第一反应器温度和第一反应器压力下工作，第二反应器在第二反应器温度和第二反应器压力下工作，其中，第一反应器温度低于第二反应器温度。第一反应器可在第一反应器温度和第一反应器压力下工作，第二反应器在第二反应器温度和第二反应器压力下工作，其中，第一反应器压力低于第二反应器压力。当然，第一反应器具有第一反应腔室体积，第二反应器具有第二反应器腔室体积，第一反应器腔室体积小于第二反应器腔室体积。在第一反应腔室中输入含氧气体的步骤进一步包括：控制含氧气体的供应速度，使得第一反应器的反应腔室中的压力和温度适于主要氧化乙烷，在第二反应腔室中输入含氧气体的步骤包括：控制含氧气体的供应速度，使得第二反应器的反应腔室中的压力和温度适于主要氧化甲烷。

对于方法，由于氧气的加入，发现整体的转化得以提高，然而本系统允许这种提高不会导致突然的温度斜坡，该突然的温度斜坡将取代或者使得含氧化合物生成不受欢迎的CO₂。

附图说明

结合附图参考以下详细描述，本发明的其他优势将更为容易理解和领会，其中：

图1是直接的部分氧化反应系统的示意图，其中，热交换器和流化床反应器之间具有冷却剂循环；

图2是直接的部分氧化反应系统的第二实施例的示意图，其中，热交换器和流化床反应器之间具有移动的用作系统的散热器的惰性粒子；

图3是直接的部分氧化反应系统的第三实施例的示意图，其中，反应物被携带来自反应中的热量的惰性粒子自动加热；

图4是回收系统的示意图，回收系统可用于与图1，图2和图3中的直接的部分氧化反应系统连接；

图5是图1，图2和图3中的直接的部分氧化反应系统的反应物的预混合过程的示意图；

图6是直接的部分氧化反应系统的第四实施例的示意图，其包括串联连接的反应器和回收系统；

图7是直接的部分氧化反应系统的第五实施例的示意图；

图8是直接的部分氧化反应系统的第六实施例的示意图，其包括预反应步骤，其中，与回收系统中的碳氢化合物气体分离的来自于供应来源的碳氢化合物气体在该预反应步骤中进行反应；

图9是分布板的顶视图，分布板用于分散碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流；

图10是分布板的截面图；

图11是分布板和流化床反应器的截面图，其中，分布板利用紧固件固定至流化床反应器；以及

图12是流化床反应器的立体图。

具体实施方式

本技术内容提供一种在气相反应中从碳氢化合物(例如烷烃)生成含氧化合物的系统和方法。反应是均相的并大体在惰性流化床反应器中进行。该惰性流化床反应器维持反应器条件在期望的温度范围内以有效地生成期望的含氧化合物，且该惰性流化床反应器允许等温或者类-等温的工作条件。本发明还运用了独特配置的热交换器系统，并循环反应物和产物气流以进一步便于热管理。

出售井源处滞留的气体在经济上是不合算的，该气体被称为滞留气体且容易发生逸出。滞留的气体利用本发明可在惰性材料/固体存在的条件下被反应转化为液态燃料。更具体地说，滞留气体中的气态的烷烃可被转化为各种液态的含氧化合物，例如在流化床反应器中通过结合碳氢化合物气体来源与含氧气体或者空气。烷烃的直接的部分氧化导致一系列的液态的含氧化合物的生成，且本发明提供一种易于控制工艺流程的新方法。根据本发明的工艺流程利用具有惰性材料的流化床有效地基本维持等温条件并最大化氧化选择性。如此不需要催化剂或者进行催化反应。反应物，特别是碳氢化合物气体和含氧气体，可被预混合以允许在进入反应器之前适当地混合，或者甚至在反应器中被混合。预混合使得在反应之前更为均匀地混合从而更好地转化为期望的产物，但是，如下所述，通过向反应器中输入含氧气体而不进行预混合，控制系统和控制方法可被简化。

反应器和某些情况下的热交换器包括有固体粒子，固体粒子为大体惰性的并用于热传递。这意味着这些粒子对于期望的反应并没有明显的贡献。此外，惰性涂层和惰性内衬，例如石英内衬，玻璃涂层，可被应用于反应器的内壁。某些被认为是惰性或者基本上惰性的粒子可具有有助于活性的表面。根据本技术内容，粒子应当允许反应倾向于反应物的均相的反应。任何程度的多相的反应都被均相的反应所主导。在一个例子中，固体粒子允许在60％，70％，80％和90％，95％，98％，99％或者更多的均相的反应中将反应物转化为期望的含氧化合物。因此，粒子应当为基本上非催化的。

惰性固体粒子的一个例子是沙子。通过与流体(例如水)混合，沙子可以表现为很像是液态的。在这个例子中，沙子粒子可被临时地夹带在周围的流体中并呈现出液态的特征，直到停止混合且固体沉降下来。以差不多的方式，气体可以以与粒子的重力相反的方向流过床上的固体粒子。气流产生的拖曳力拉动固体粒子。随着气体的速度的增加，拖曳力随之增加，直到其足以克服向下的重力。此时，至少一些固体粒子将悬浮在气体中并表现为流体。流体中的固体粒子的悬浮被称为“流化”。流化床指的是允许这些流体和粒子相互作用的容器或者物理部件。流化床反应器指的是在其内部发生反应的物理部件。如果粒子是惰性的，即，它们并不与反应物气体发生化学反应，此时该填充床包含惰性固体粒子。在本发明中，惰性粒子被用于在流化床反应器中改善热传递，正如接下来进一步描述的那样。

流化的气体-固体的一些特性可以与液态的系统的特性相似。例如，粒子可以大体假定其具有所占据的容器的形状。只要流化得以维持，固体粒子可以因此被作为假-液体进行运输。流化的系统可以允许固体像液体那样相对移动。本发明的惰性粒子的最优选的尺寸范围为10μm-500μm。

流化的气体-固体系统的另一个特性是热量可在流化的介质和固定的固体表面(例如壁或者热交换器管)之间被有效地传递。由于每个惰性固体粒子都被气体介质从四面八方包围，与不具有这些粒子的系统相比，其具有大得多的表面面积，固体可以通过该表面面积吸收(或者释放)热量。热传递效率因此得以提高。与非-流化的状态相比，惰性固体在流化的状态下与周遭环境的碰撞激烈得多，从而提供固体-固体的接触并大大地提高热传递速率。事实上，与不具有流化作用的相同系统的热传递系数相比，两个彼此接触的流化床的热传递系数可以高5-25倍。

在本发明中已经发现，与非流化的系统相比，流化床的使用允许更加稳定的温度增加和均匀的热量分布。悬浮的粒子对于周围的流体而言非常像是散热器而发挥作用。如果热量被施加于流化床反应器的一端，热量通过悬浮的材料的物理循环被分散，如此几乎不产生明显的热梯度，因此减少了流化床反应器中的“热点”。这也就允许了加热或者冷却基本均匀地作用于系统，并且提供一种基本的或者至少一种的控制途径以尽可能地接近等温反应器。如果反应所生成的几乎所有的或者差不多全部的热量(在流化的系统的较高的热传递的帮助下)被移除，整个系统从气体的进入点到气体的退出点可以是基本相同的。此外，移除的热量可被用以冷却包括放热反应的反应器，且用以加热进气到期望的温度。

本技术内容提供将烷烃直接地部分氧化为含氧化合物。烷烃是仅由氢原子和碳原子组成的不具有双键和三键的化合物。合适的烷烃包括线性的或者支链的不饱和碳氢化合物，例如具有1-10个碳原子。最常见的和最简单的烷烃是甲烷，然而乙烷，丙烷，正丁烷，异丁烷，戊烷和己烷等都是烷烃。所有的化学键仅仅或者是C-H单键或者是C-C单键。在升高的压力和升高的温度下向烷烃中添加氧气(不管是纯粹的形式还是以稀释的形式，例如在空气中稀释)，可以生成各种含氧化合物。

含氧化合物是含有氧原子的化合物(例如上述烷烃的含氧碳氢化合物)。烷烃和氧气反应生成的最常见的含氧化合物是醇，但是反应也可以生成醛，碳氧化物(例如一氧化碳，二氧化碳)，甚至生成某些羧酸。醇，醛和羧酸通常具有与生成它们的烷烃相同或者更少的碳原子烷烃。水是通常的副产物。参考以下化学计量方程式的例子：

甲烷部分氧化:

2CH₄+O₂→2CH₃OH (醇)

CH₄+O₂→CH₂O+H₂O (醛)

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

或者

2CH₄+3O₂→2CO+4H₂O (碳氧化物)

2CH₄+3O₂→2HCOOH+2H₂O (羧酸)

乙烷部分氧化:

CH₃CH₃+O₂→2CH₃OH

或者

CH₃CH₃+O₂→CH₃CH₂OH (醇)

2CH₃CH₃+3O₂→4CH₂O+2H₂O

或者

CH₃CH₃+O₂→CH₃CHO+H₂O (醛)

2CH₃CH₃+7O₂→4CO₂+6H₂O

或者

2CH₃CH₃+5O₂→4CO+6H₂O (氧化物)

2CH₃CH₃+5O₂→4HCOOH+2H₂O

或者

2CH₃CH₃+O₂→2CH₃COOH+2H₂O (羧酸)

高级烷烃的结果与之遵循相似的模式。上述提到的反应得到的主要的产物是甲醇和水。上述反应的主要的副产物包括CO₂，甲醛和乙醇。还可得到少量的其他副产物，例如高级醇(例如丙醇，丁醇)。穿流的一小部分预期的化学物质是芳香族的碳氢化合物(例如苯)，但是，芳香族的碳氢化合物的量微不足道。类似地，与小部分的副产物一起也可能获得微量的羧酸，高级醛。从高级烷烃的反应中，也可能获得作为小部分的副产物的甲烷。与任何CO₂的含水系统一样，碳酸的形成也必然可以注意到。使用本发明的系统和方法，利用氧气在提高的温度和压力下直接地部分氧化烷烃以生产甲醇和其他含氧化合物是一种有利可图的路径。

碳氢化合物反应物的来源通常可包括不同类型的碳氢化合物的混合物。例如天然气，其可来自于储存在地面下的天然气，或者拌产气，其可从储存在地面下的石油储备中获得，两者均典型地含有甲烷，乙烷和高级碳氢化合物的混合物。在混合的碳氢化合物反应物和氧化剂反应的反应系统中，与转化低级碳的碳氢化合物相比，反应通常倾向于转化高级碳的碳氢化合物。因此，一系列的反应和回收系统可如图6所示并讨论如下。反应和回收系统的串联也可用于提高整体的产物产率，协助热集成，改善整体的反应特性，也可用于降低整体的系统的循环的大小，或者也可用于其他的原因。允许从一个反应器传到下一个反应器的CO₂可以提供额外的好处，特别是当处于小剂量的情况。

本发明提供利用流化以及其他控制系统控制热量和温度的系统和方法。如果反应器的条件可被保持相对恒定，醇(最主要的是甲醇)可以是反应的主要的产物。预期的醇氧化产物具有相对于其他反应产物的高选择性，例如至少约50％和/或高达约90％。传统上，直接的部分氧化在管状的反应器中完成。由于反应是高度放热的，且由于管状的反应器固有地具有热点(由于它们的本性)，为了避免不可接受的温度升高并防止过度氧化，氧化剂可能需要大量稀释。下面的有代表性的图表1是直接的部分氧化的温度曲线——随着跨越反应器的时间和距离的增长，温度随之升高：

随着气体沿着管状的反应器的轴向的方向的反应，温度逐渐增加。当维持可接受的醇的选择性(除此之外，较高的温度使得反应远离“有效点”，从而导致进行更为完全的氧化，氧化倾向于生成例如二氧化碳而不是醇)时，预期烷烃可进行1-10％的整体的转化。根据本技术内容的系统可在流化床反应器中完成相同的反应，在该流化床反应器中，非期望的温度升高得以降低。在各种实施例中，稳定的-状态下的温度梯度ΔT用反应器的出口温度和入口温度之间的差来表示，温度差可以为至少1℃，2℃，5℃和或者高达5℃，10℃，15℃，或者20℃。在一个例子中，跨越反应器的温度增加可以是5摄氏度或更低，正如下面的图表2的曲线所示：

本发明利用流化床来允许这样一种期望的温度曲线，该流化床具有能够被流化的粒子。因此，本技术内容的反应系统并没有被反应的放热本性局限于较低的转化百分比。在各种实施例中，以供应给反应系统的总的烷烃的摩尔数为基础，供应的整体烷烃的转化可以为至少约5-10％和/或高达10％或更多。

烷烃被直接地部分氧化为含氧化合物可由于反应物的预热需求而受阻。反应在提高的温度下进行，因此，气体应在进入反应器之前被加热。因为反应本身生成过量的热，热有效性在传统的系统中因此成为一个问题。本技术内容提供热集成以进一步控制与预热相关的热变化。

在气体反应物和气体产物之间的热集成可通过气-气热交换实现。与液体或固体之间的热传递相比，因为气体的密度导致在气体和热交换器的壁之间的气体碰撞相对很少，因此气-气热交换的效率低下。热交换器可成为在直接的部分氧化系统中的一个限制因素。

参考图1-图4，根据本技术内容的工艺流程并不仅是利用了热交换器的反应器侧的流化的优势，而且也利用了热交换器的冷却侧的优势。图1示出了典型的过程系统10，其利用两个并排的流化床12和14，其中，反应在流化床反应器12中进行，而流化床热交换器14被用于加热反应物和冷却在13A和13B之间穿过的热交换介质。每个床包括在移动的气体下适合于流化的基本上惰性的粒子。床14可进一步用于预热来自于气体来源16的反应物气体11。气体来源16可包括引入氧气和碳氢化合物的单独的反应物气流，或者引入预混合的气体供应。氧气可在进入反应器之前或者在反应器(未示出)中的任何一点加入。通过气流15离开床14的气体流入反应器12。循环的热交换流体13A(在床14中被冷却后从床14离开)和13B(在反应器12中被加热后从床12离开)可被用于在两个流化床12和14之间作为热传递介质流动。热传递介质并不一定与系统的反应物或者产物气流起反应，而是仅典型地用于热传递。

与传统的系统相比，热量可以更有效地从反应器12传递到床14，并且冷却可以更有效地从床14传递到反应器12。利用流化床的热传递系数可以比常见的气-气热传递更有效高达25倍，且在进一步的实施例中比传统的系统更有效5-25倍。允许的热交换器的总的表面面积比传统的热交换器系统可允许的表面面积小得多。进一步地，由于系统的热侧和冷侧接近于等温，导致的对数平均温差将更有利于热交换的设计。包括预期的含氧化合物的反应产物从反应器12(未示出)的顶部退出。

图2示出了根据本技术内容的流化的系统20的替换的例子。流化的粒子本身25通过路径27在系统的热侧和冷侧之间循环。在这个系统中，气体来源26提供反应物21，其首先进入流化床热交换器24，接下来沿着路径27供应给流化床反应器22。这一配置利用了容器的直径来影响气体分别在床24和反应器22中的速度。床24可具有小直径，导致气体21的速度和施加到固体粒子25上的空气动力学的拖曳力的增加。粒子25随着气体将被传送到较低-压力区域28(例如，气旋的或其他固体-流体分离器或者阱)中，其中，在被相对冷却的同时，固体25通过路径23A可被收集和集中于反应器22中。在与固体25分离后，预热的反应物21沿着路径27进入反应器22。以这种方式不断地进行直接冷却。固体25将与已经存在于反应器22中的固体混合，在被加热的同时，通过重力(在这个例子中)或者其他方式通过路径23B从反应器22进入床24。含有期望的含氧化合物的反应产物通过反应器22的顶部通过产物气流29回收。再一次，反应物气体可以经过预混合进入系统(参见图5)。以同样的方式，通过利用反应器22进行切换，通过路径23A可对流化床热交换器24直接加热，而且通过路径23B可进行直接冷却(未示出配置)。

图3示出了根据本技术内容的系统30的一个例子，其包括流化床反应器32的外部的热管理。在这个例子中，反应器32与图1和图2的反应器12和22类似，如果需要的话，其进一步与那些系统合并。可替换地，随着热量进入系统或者从系统中移除，系统30可以是独立的，而且系统30可以创造一个期望的接近等温条件以使得反应物接近完全混合。热量可从反应器的顶部移除以平衡热条件。预混合反应气体35的供应气流可以从反应物来源36进入反应器32。从反应器32的顶部离开的产物气流39示出为具有期望的含氧化合物和其他产物。根据所需的热条件是否满足反应器中的反应要求，可提供额外的冷却33或者额外的加热34。额外的加热33或者冷却34可以围绕着反应器的外部施加，例如通过加热或者冷却套管的形式，或者可以在反应器内部提供，例如通过加热或者冷却管的形式。为了特别是提供热集成的目的，利用任何方便的或者有利的流体介质(例如下游的产物或者外部的液体)，与气流33和34相关的冷却和/或加热来源可引入流化的介质，例如如图1所示的流化床热交换器14。在进一步的例子中，控制系统可被用于监控反应器的热条件，且与气流33和34相关的冷却和/或加热来源与该控制系统通信，以使得它们工作从而实现反应器内的期望的热条件。例如，如果温度太低难以获得期望的反应产物，控制系统可通过热气流34增加热量，同样地，如果反应器温度太高，可通过气流33实现冷却，或者可替换地，热量可以从反应腔室中移除，从而提供一个散热器或类似物。

图4示出了反应器系统40的一个例子，如果需要的话，其可与图1-图3中所描述的系统合并。反应器系统40包括与图1-图3中所描述的反应器12，22和32类似的反应器42。包括副产物的反应产物气流用退出反应器42的产物气流49表示。然后，产物气流49可流入回收系统44，在回收系统44中，产物通过产物气流41被分离出，同时分开惰性气体气流43和酸性气体气流45中的酸性气体(例如CO₂)。包括任何剩下的反应物的一些产物气流可通过循环气流47被流回反应器42。至少一部分酸性气体(例如二氧化碳)可从退出反应器的产物气流气体中通过吸收，吸附，膜，吹洗或其他方式除去。在进一步的例子中，反应生成的甲醇可被用作溶剂以从退出反应器的气体气流中除去至少一部分的二氧化碳。在进一步的例子中，至少一部分的惰性气体(例如氮气)可从退出反应器的气体中通过膜，吹洗或其他方式除去。在进一步的例子中，吹洗气流的热值可被当场应用。在进一步的一个例子中，产物可通过冷凝，吸附，吸收或其他方式移除。

图5示出了反应物气流的预混合系统50的一个例子，其可与任何在此所描述的系统合并。在这个例子中，系统50包括氧气来源51和甲烷来源53，其分别提供氧气和甲烷至一混合装置56，在预热之前或者在流化床反应器52中进行反应之前，该混合装置56将反应物气流合并在一起。在这个例子中，额外的加热55或者冷却54可被引入以加热或者冷却预混合反应物。产物气流59通过顶部退出，且该产物气流59可循环流回系统中以进一步转化。产物气流59还可被输送到回收系统以收集和分离期望的产物。

图6示出了反应系统60，其包括串联的流化床反应器和回收系统。在这个例子中，反应物来源66将反应物输送给第一反应器系统62。反应器62中的产物气流被输送到回收系统64。从气流61中回收期望的产物，而剩下的离开系统64的组分被输送到第二反应器系统162，在第二反应器系统162中，反应物得以进一步转化。反应器162中的产物被输送到第二回收系统164，该第二回收系统可将产物61从惰性气体63和酸性气体65中分离出来。这对于环境来说是特别有利的，其中，来源气体含有碳氢化合物的混合物，例如含有甲烷和乙烷以及高级碳氢化合物的天然气。高级碳氢化合物通常可以反应生成更多的甲烷，使得多个反应器有利地串联。多个串联的反应器也可是有利的，因为高级碳氢化合物的反应的活化温度通常低于低级碳氢化合物，这也就意味着，为了最大化期望的产物和条件，每个反应器的条件可以变化。如从反应器62到反应器162的顺序中所示出的串联的反应器的数目可以是任意的。

图1是示意图，其示出了通过非催化反应生成含氧化合物的第一方法。方法包括在混合器中混合碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流的第一步骤。接下来，从混合器中输出反应物气流，反应物气流包括碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流。然后，反应物气流以一压力在一个热源(例如加热器或者热交换器)中被加热到既定温度范围，该既定温度为至少300℃，优选在316℃-372℃之间，该压力为至少40atm，优选在40atm-85atm之间，更优选在41atm-55atm之间。如果使用热交换器，它可包括用作热源的第一部分。然后，加热的反应物气流在进入点100注入反应器，优选注入流化床反应器。如图1所示，反应物气流以至少300℃，优选至少316℃的第一温度范围退出热交换器的第一部分。流化床反应器通常包括有反应腔室，在反应腔室中的分布板102和多个惰性反应器粒子。如果热源是热交换器，它还可包括至少部分地位于流化床反应器的反应腔室中的第二部分。通过分布板102供应加热的反应物气流，加热的反应物气流被分散到流化床反应器的反应腔室中。分布板102呈现为圆形并具有多个开口，这些开口设置在分布板102上以允许碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流之间的彻底混合。开口可被设置为环形并具有不同直径，例如图9所示的那样，直径用D1-D8表示。如图10所示，也可包括有中心孔。分布板102利用紧固件104被固定于流化床反应器，以在分布板102和流化床反应器之间更有效地热传递。可替换地，分布板102可被焊接至流化床反应器，以在分布板102和流化床反应器之间更有效地热传递，优选配置为至少从分布板102传递热量。惰性反应器粒子被用于改善整个反应腔室中的热传递和恒定的温度。如此，通过使加热的反应物气流竖直地通过反应腔室从而使惰性反应器粒子悬浮在流化床反应器的反应腔室中的气体中，反应腔室中的惰性粒子被流化。分布板102可与热交换器的第二部分集成。

加热的反应物气流中的碳氢化合物气体被流化床反应器的反应腔室中的含氧气体氧化生成含氧化合物，例如甲醇。在整个氧化反应中，流化床反应器优选维持在等温条件下，或者尽可能地接近等温条件。对于含氧化合物的生产，该温度通常在400℃-900℃之间，并利用优选在426℃-483℃之间的工作温度范围以最大化甲醇的生产。类似地，工作压力为至少40atm，优选在40atm-85atm之间以便于含氧化合物生成，更优选地在41atm-55atm之间便于甲醇的生成。为了维持流化床反应器的等温条件，冷却剂可在热交换器的第一部分和热交换器的第二部分之间循环，以允许流化床反应器完成加热反应物气流的步骤和进一步执行以最低的能量消耗冷却流化床反应器，或者还维持期望的温度的步骤。换句话说，冷却剂在热交换器和流化床反应器中循环以加热反应物气流，同时冷却流化床反应器。当然，在某些情况下，热源可以是热交换器和加热器两者以提供期望的热量用于加热的步骤，例如在工艺流程启动时。同样的，反应器可包括本领域中已知的补充的冷却方法，但是，正如下面所描述的那样以及为了降低成本，复杂性和简单控制，本发明优选通过调节所使用的含氧气体的体积来调节温度。包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体的产物气流从流化床反应器中输出。

图2是可替换的示意图，其示出了通过非催化反应生成含氧化合物的第二方法。如图2所示，碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流在混合器中混合。混合器输出包括碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流的反应物气流。然后，反应物气流在热源(例如加热器或者热交换器)中被加热至既定温度范围，该既定温度为至少300℃，对于甲醇的生产优选在316℃-372℃之间。压力至少为40atm，优选在40atm-85atm之间，对于甲醇的生产优选在41atm-55atm之间。加热的反应物气流从热交换器的第一部分退出。为了改善热传递，热交换器的第一部分可包括惰性粒子，与反应器中的惰性粒子类似或者相同。惰性粒子从反应物气流中移除。当反应物气流退出热交换器时，它可包括流化的惰性粒子。反应物气流进入热交换器的速度可低于反应物气流通过热交换器的速度。更具体地说，进入热交换器的第一部分的反应物气流具有第一速度，而在热交换器的第一部分中具有第二速度。速度的增加是因为第一部分被配置为包括具有既定直径的直径缩小的区段以增加反应物气流的速度。更具体地说，增加的速度更好地流化粒子，从而改善热传递。特别地，在进入热交换器的第一部分之前，反应物气流的第一速度得以维持。接下来，加热的反应物气流被迫通过热交换器的第一部分的直径缩小的区段以增加反应物气流的第一速度至第二速度，第二速度大于第一速度。

然后，在反应物气流进入流化床反应器之前，通过将加热的反应物气流通过粒子分离器以将惰性粒子与加热的反应物气流中的混合的碳氢化合物气体和含氧气体分离开，多个惰性粒子可优选从该加热的反应物气流中移除。这些惰性粒子可在分布板的与反应物气流进入反应腔室的进入点相对的一侧注入反应器中，并相对于反应器给粒子提供较低的温度，这种注入可有利于冷却反应器。总之，多个惰性粒子从流化床反应器的顶部注入流化床反应器中，而气体粒子从流化床反应器的底部上升，从而实现惰性粒子的有利流化。注入速率还可被控制以确保维持期望的温度。在某些情况下，惰性粒子可被反馈回到热交换器中，但是，已经发现，优选向反应器中注入粒子以允许这些粒子在反应器中被加热，然后，过量的粒子从反应器中注入到热交换器中，或者从产物气流中分离的相等的粒子，所有的粒子均比热交换器的第一部分更热。当然，当这些物质的移除并不能冷却反应时，可以移除一定量的加热的粒子，而利用冷却的粒子代替。然后，加热的反应物气流以至少300℃，优选至少316℃的温度被从热交换器的第一部分输入到流化床反应器，其中，流化床反应器包括反应腔室和反应腔室中的多个惰性反应器粒子。通过使加热的反应物气流通过分布板102，加热的反应物气流被分散到流化床反应器的反应腔室中。分布板102呈现为圆形并具有多个开口，该多个开口设置在分布板102上以允许碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流之间的彻底混合。开口可被设置为环形并具有不同的直径，例如图9所示的那样，直径用D1-D8表示。通过使加热的反应物气流竖直地通过反应腔室并使惰性反应器粒子悬浮在流化床反应器的反应腔室中，惰性粒子在反应腔室中被流化。在流化床反应器的反应腔室中，加热的反应物气流中的碳氢化合物气体被含氧气体氧化生成含氧化合物。在整个氧化反应中，流化床反应器被维持尽可能地接近等温条件，该等温条件具有的工作温度范围优选在300℃-900℃之间，优选在400℃-600℃之间，最优选在426℃-483℃之间。工作压力可随着温度变化，但是，工作压力至少为40atm，更优选在40atm-85atm之间以便于生产含氧化合物，且41atm-55atm对于甲醇的生产是优选的，而上面优选的温度的其他所需的含氧化合物对应于甲醇的生产。

正如上面所讨论的，通过向流化床反应器的反应腔室中输入与反应物气流分开的惰性粒子以冷却流化床反应器，本发明维持了流化床反应器内的等温条件。流化床反应器中的惰性反应器粒子可传递至热交换器，用于加热热交换器的第一部分。介质(例如冷却剂)可在热交换器的第一部分和热交换器的第二部分之间循环以加热热交换器的第一部分和冷却反应腔室中的第二部分，从而帮助维持等温条件，同时通过将热量从放热反应传递给反应物气流而最大化能量效率。

图4是示意图，示出了用于与图1和图2给出的示意图连接的回收系统。具体地，图4公开了通过供应产物气流通过第一回收系统，将产物气流中的含氧化合物与副产物和未反应的反应物分离开的步骤，第一回收系统将产物气流分离为含氧化合物和循环气流，循环气流含有任何副产物和任何未反应的碳氢化合物气体，循环气流作为产物气流的一部分离开反应器。优选回收系统用于提供不含有含氧化合物的循环气流是有效的，但是当然含氧化合物可能残留。因此，虽然残留有一些含氧化合物，但是循环气流被认为不含有或者基本不含有含氧化合物。副产物被从循环气流中移除。多数时候，这些副产物具有商业价值，并且可被收集并在市场上销售。然后，通过将含有未反应的碳氢化合物气体的循环气流输回到流化床反应器中，未反应的碳氢化合物气体被循环到流化床反应器中。

图6是示意图，示出了用于与图1和图2给出的示意图连接的回收系统。特别地，图6公开了将循环气流输入到第二流化床反应器的步骤，第二流化床反应器具有第二反应腔室，在第二流化床反应器的第二反应腔室中，循环气流中的未反应的碳氢化合物气体被氧化生成含氧化合物。接下来，从第二流化床反应器输出第二产物气流，其中，第二产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体。通过将第二产物气流输入通过第二回收系统并将含氧化合物与第二产物气流中的副产物和未反应的碳氢化合物气体分离开，第二产物气流中的含氧化合物从第二产物气流中分离出去。这种循环可再次重复进行。当然，循环气流可被输入到第一反应器或某些类似反应器中。而且，任何图中描述的系统的类似反应器均可被添加到另一幅图描述的任何其他系统中。

图7是示意图，示出了通过非催化反应生成含氧化合物的第三方法。特别地，图7示出了向混合器中供应碳氢化合物气体的第一气流的第一步骤。接下来，来自于回收系统的循环气流也被注入到混合器中。第一气流和循环气流在混合器中彻底地混合以输出一组合气流。然后，组合气流通过热源被加热到至少300℃的第一既定温度，其中，组合气流在至少40atm的压力下被供应给热源，该压力优选在40atm-85atm之间，最优选在41atm-55atm之间。热源可以是加热器，热交换器或某些组合。接下来，加热的组合气流被输入到流化床反应器中，流化床反应器具有一个反应腔室和在反应腔室中的多个反应器粒子。含氧气体的第二气流以第二既定温度被独立地输入到流化床反应器中，该第二既定温度在20℃-300℃之间，优选在20℃-120℃之间，最优选在38℃-93℃之间。基于流化床反应器的内部温度，输入到流化床反应器的第二气流的体积被控制，更具体地说，将其控制为维持尽可能接近等温反应。含氧气体的浓度可通过反应器内的O₂传感器监控。为了准确地测量反应器内的温度和压力，反应器中可使用多个压力和温度，用于提供反应器内的准确的温度和压力测量。

通过使加热的组合气流和第二气流通过反应腔室并使惰性反应器粒子悬浮在流化床反应器的反应腔室中，惰性反应器粒子在流化床反应器中被流化。加热的组合气流中的碳氢化合物气体和含氧气体的第二气流在流化床反应器的反应腔室中被氧化生成含氧化合物。含氧气体的第二气流的流速是变化的，以维持流化床反应处于等温条件，该等温条件具有的工作温度在300℃-900℃之间，优选在400℃-600℃之间，最优选在426℃-483℃之间，特别是当生产甲醇等物质的时候。从流化床反应器中输出的产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体。通过使产物气流通过回收系统，含氧化合物从产物气流中分离出去，回收系统被配置为将产物气流中的含氧化合物从循环气流中分离出来，循环气流包括副产物和未反应的碳氢化合物气体。最后，来自于产物气流的副产物和未反应的碳氢化合物气体被循环到混合器，以允许循环气流与碳氢化合物气体的第一气流混合。当然，循环气流也可注入到反应器或第二反应器中。

图8是示意图，示出了通过非催化反应生成含氧化合物的第四方法。特别地，图8示出了压缩包括碳氢化合物气体的第一气流至既定压力的第一步骤，该既定压力为至少40atm，优选在40atm-85atm之间，最优选在41atm-55atm之间。通过使压缩的第一气流通过热源，该压缩的第一气流被加热至第一既定温度范围，该第一既定温度为至少300℃，优选在300℃-900℃之间，更优选在310℃-600℃之间，最优选在316℃-372℃之间。热源可以是加热器或热交换器或者某些组合。接下来，加热的和压缩的第一气流被输入到具有第一反应腔室的第一反应器中。含氧气体以第二既定温度被输入到具有第一反应腔室体积的第一反应腔室中，该第二既定温度为至少30℃，优选在30℃-120℃之间，最优选在36℃-96℃之间。第一反应器在第一反应器温度和第一反应器压力下工作。以控制第一反应腔室中的压力和温度以主要氧化乙烷的速率，含氧气体被注入第一反应器的第一反应腔室中。加热的和压缩的第一气流的碳氢化合物气体在第一反应腔室中被含氧气体的第二气流氧化生成含氧化合物。在第一反应器中，直接的部分氧化主要集中在乙烷中的C-C键的断裂，从而生成产物甲烷。产物气流被从第一反应器中输出，产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的含有甲烷的碳氢气体。利用回收系统将含氧化合物从产物气流中分离出去，该回收系统将含氧化合物从循环气流中分离出来，该循环气流具有副产物和未反应的碳氢化合物气体。

然后，循环气流被输入到具有第二反应腔室的第二反应器，其中第二反应器是流化床反应器，该流化床反应器包括在第二反应腔室中的多个惰性反应器粒子。含氧气体的第二气流以第二既定温度也被输入到具有第二反应腔室体积的第二反应器中，其中，第一反应腔室的体积小于第二反应腔室的体积，该第二既定温度为至少30℃，优选在30℃-120℃之间，最优选在36℃-96℃之间。第二反应器在第二反应器温度和第二反应器压力下工作，其中，第一反应器温度低于第二反应器温度，第一反应器压力低于第二反应器压力。以控制第二反应腔室中的压力和温度以主要氧化甲烷的速率，第二气流气体被输入到第二反应器的第二反应腔室中。通过使循环气流和含氧气体的第二气流通过第二反应腔室并使惰性反应器粒子悬浮在第二流化床反应器的第二反应腔室中，第二反应器腔室中的惰性反应器粒子被流化。循环气流中的含有甲烷的未反应的碳氢化合物气体在反应器的第二反应腔室中被含氧气体的第二气流氧化生成甲醇。

第二产物气流从第二反应器中输出，第二产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体。利用回收系统，第二产物气流中的含氧化合物与第二产物气流中的副产物和未反应的碳氢化合物气体分离开。回收系统包括第一分离器和第二分离器，第一分离器用于将含氧化合物从产物气流中分离出来，而第二分离器用于将含氧化合物从第二产物气流中分离出来。

在此，含氧气体是任何包括氧气的气体，例如但是不局限于O₂和NO₂气体，乃至压缩的空气。但是，由于含氧气体用于与碳氢化合物反应，基本上纯的CO或CO₂是不行的。

显然，在上述教导下，本发明的许多变型和变种都是可行的，且可通过所附权利要求范围内的与特别描述不同的方式实施。这种预期的实施应解释为覆盖本发明的新颖性行使其效用的任意组合。

Claims (47)

1.一种利用非催化反应生成含氧化合物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将碳氢化合物气体的第一气流与含氧气体的第二气流在混合器中混合；

将包括碳氢化合物气体的第一气流与含氧气体的第二气流的反应物气流从混合器中输出；

提供具有第一部分和第二部分的热交换器，其中，第二部分至少部分地位于流化床反应器的反应腔室中；

将反应物气流加热到至少300℃的既定温度和40atm-85atm之间的压力以在热交换器中形成加热的反应物气流，该加热的反应物气流从热交换器的第一部分注入到流化床反应器，其进入流化床反应器的进入点的温度为300℃-372℃；

将加热的反应物气流输入至流化床反应器，其中，该流化床反应器包括反应腔室，反应腔室内包括有多个惰性反应器粒子；

通过使加热的反应物气流通过分布板，加热的反应物气流被分散到流化床反应器的反应腔室中；

通过使加热的反应物气流竖直地通过反应腔室并且使惰性反应器粒子悬浮在流化床反应器的反应腔室中，反应腔室中的惰性反应器粒子被流化；

在流化床反应器的反应腔室中，加热的反应物气流中的碳氢化合物气体被加热的反应物气流中的含氧气体氧化生产含氧化合物，该含氧化合物包括甲醇，乙醇和丙醇中的至少一种；

维持流化床反应器处于等温条件，±10％的该等温条件的期望的工作温度范围在300℃-900℃之间，±10％的该等温条件的期望的工作压力在40atm-85atm之间，以利于含氧化合物的生产，进一步包括从反应腔室通过热交换器循环惰性反应器粒子的步骤，允许流化床反应器完成所述加热的步骤并进一步以最低的能量消耗执行流化床反应器的冷却步骤，该冷却步骤作为维持流化床反应器处于等温条件的所述步骤的一部分；以及

从流化床反应器输出产物气流，该产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，流出热交换器的第一部分的加热的反应物气流包括多个惰性粒子，方法进一步包括从反应物气流中移除多个惰性粒子的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括在热交换器中加速该加热的反应物气流的步骤，该加热的反应物气流在进入热交换器的第一部分之前具有第一速度，而在热交换器的第一部分中具有第二速度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在热交换器中加速该加热的反应物气流的步骤进一步包括维持该加热的反应物气流处于第一速度的步骤，其中该加热的反应物气流被迫通过热交换器的第一部分中的直径缩小的区段，以将反应物气流的第一速度增加到第二速度，第二速度大于第一速度。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在反应物气流进入流化床反应器之前，从加热的反应物气流中移除多个惰性粒子的步骤通过使加热的反应物气流通过粒子分离器以将惰性粒子从加热的反应物气流中分离出来而实现。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括将通过粒子分离器从加热的反应物气流中移除的惰性粒子注入流化床反应器的反应腔室中的步骤，该惰性粒子在分布板的与反应物气流进入反应腔室的进入点相对的一侧注入流化床反应器的反应腔室中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述注入惰性粒子的步骤冷却反应腔室。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括在热交换器的第一部分和第二部分之间循环冷却剂的步骤，以加热热交换器的第一部分并冷却反应腔室中的第二部分。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过使产物气流通过第一回收系统将产物气流中的含氧化合物与副产物和未反应的碳氢化合物气体分离开的步骤，该回收系统将产物气流分离为含氧化合物和循环气流，该循环气流中含有副产物和未反应的碳氢化合物气体。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，循环气流中基本不含有含氧化合物。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括将副产物从循环气流中移除出去的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括通过将循环气流输入至流化床反应器，将副产物从循环气流中移除出去的步骤之后获得的未反应的碳氢化合物气体从第一回收系统循环至流化床反应器的步骤。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括将循环气流输入至具有第二反应腔室的第二流化床反应器，以及在第二流化床反应器的第二反应腔室中将循环气流中的未反应的碳氢化合物气体氧化生成含氧化合物的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括从第二流化床反应器输出第二产物气流的步骤，其中，第二产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括将含氧化合物从第二产物气流中分离出去的步骤，通过使第二产物气流通过第二回收系统并将含氧化合物与第二产物气流中的副产物和未反应的碳氢化合物气体分离开实现。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述维持步骤所使用的工作温度在426℃-483℃之间。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热的步骤中的反应物气流的既定温度在300℃-372℃之间。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述加热的步骤中的反应物气流的既定温度在316℃-372℃之间。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分布板包括多个开口，以允许碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流之间的彻底混合。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，分布板通过紧固件固定于流化床反应器。

21.一种利用非催化反应生成含氧化合物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

向混合器中供应碳氢化合物气体的第一气流；

向混合器中供应来自于回收系统中的循环气流；

在混合器中混合第一气流和循环气流以输出组合气流；

通过使组合气流通过热源加热该组合气流到300℃-372℃之间的第一既定温度，其中，组合气流在40atm-85atm之间的压力下供应给热源；

从热源向流化床反应器输入加热的组合气流，流化床反应器具有反应腔室和在反应腔室中的多个惰性反应器粒子；

以第二既定温度向流化床反应器输入与加热的组合气流分离开的含氧气体的第二气流，第二既定温度低于第一既定温度；

基于流化床反应器的内部温度控制输入到流化床反应器的第二气流的体积；

通过使加热的反应物气流通过分布板，该加热的反应物气流分散到流化床反应器的反应腔室中；

通过使加热的组合气流和第二气流通过反应腔室并使惰性反应器粒子悬浮在流化床反应器的反应腔室中，流化床反应器中的惰性反应器粒子被流化；

加热的组合气流中的碳氢化合物气体在流化床反应器的反应腔室中被含氧气体的第二气流氧化生成含氧化合物，该含氧化合物包括甲醇，乙醇和丙醇中的至少一种；

改变第二气流的流速以维持流化床反应器处于等温条件，±10％的该等温条件的期望的工作温度在300℃-900℃之间，±10％的该等温条件的工作压力在40atm-85atm之间，以便于生产含氧化合物；

从流化床反应器中输出产物气流，该产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体；

通过使产物气流通过回收系统将含氧化合物从产物气流中分离出去，该回收系统配置为将产物气流中的含氧化合物从循环气流中分离出来，该循环气流包括副产物和未反应的碳氢化合物气体；和

通过向混合器中发送循环气流，循环产物气流中的副产物和未反应的碳氢化合物气体。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，通过向混合器中发送循环气流，该方法步骤是循环的以重复这个过程。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述改变的步骤中的工作温度在400℃-600℃之间。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述改变的步骤中的工作温度在426℃-483℃之间。

25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述输入含氧气体的第二气流的步骤中的第二既定温度在20℃-300℃之间。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述输入含氧气体的第二气流的步骤中的第二既定温度在30℃-120℃之间。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述输入含氧气体的第二气流的步骤中的第二既定温度在38℃-93℃之间。

28.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，热源是加热器和热交换器中的一个。

29.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述加热的步骤中的组合气流进入热源的压力在41atm-55atm之间。

30.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，分布板包括多个开口，以允许碳氢化合物气体的第一气流和含氧气体的第二气流之间的彻底混合。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，分布板通过紧固件固定于流化床反应器。

32.一种利用非催化反应生成含氧化合物的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

压缩包括碳氢化合物气体的第一气流到40atm-85atm之间的既定压力；

通过使该压缩的第一气流通过热源，加热该压缩的第一气流到至少300℃的第一既定温度；

从加热器向具有第一反应腔室的第一反应器输入加热的和压缩的第一气流；

以第二既定温度向第一反应器的第一反应腔室输入与加热的气流分离开的含氧气体，所述第二既定温度低于所述第一既定温度；

在第一反应器的第一反应腔室中，利用含氧气体的第二气流氧化加热的和压缩的第一气流的碳氢化合物气体以生成含氧化合物，该含氧化合物包括甲醇，乙醇和丙醇中的至少一种；

从第一反应器中输出产物气流，产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体；

利用回收系统将含氧化合物从产物气流中分离出去，该回收系统将含氧化合物从循环气流中分离出来，该循环气流具有副产物和未反应的碳氢化合物气体；

加热并压缩该循环气流到至少300℃的温度和40atm-85atm的压力，然后输入循环气流至具有第二反应腔室的第二反应器中；

以第二既定温度向第二反应器输入与循环气流分离开的含氧气体的第二气流；

在第二反应器的第二反应腔室中，在等温条件下，利用含氧气体的第二气流氧化循环气流中的未反应的碳氢化合物气体以生成含氧化合物，在40atm-85atm之间的压力下的第二反应腔室中的±10％的等温条件的期望的工作温度范围在300℃-900℃之间，该含氧化合物包括甲醇，乙醇和丙醇中的至少一种；

从第二反应器中输出第二产物气流，第二产物气流包括含氧化合物，副产物和未反应的碳氢化合物气体；以及

利用回收系统将含氧化合物从第二产物气流中分离出去，该回收系统将含氧化合物与第二产物气流的副产物和未反应的碳氢化合物气体分离开。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，第二反应器是流化床反应器，该流化床反应器包括在第二反应腔室中的多个惰性反应器粒子。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，进一步包括通过使循环气流和第二气流通过反应腔室并使惰性反应器粒子悬浮在第二流化床反应器的第二反应腔室中，惰性反应器粒子在流化床反应器中被流化的步骤。

35.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，包括利用回收系统的第一分离器将含氧化合物从产物气流中分离出去的步骤，并包括利用回收系统的第二分离器将含氧化合物从第二产物气流中分离出去的步骤。

36.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述第一气流被压缩至41atm-55atm之间的既定压力。

37.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述循环气流被压缩至41atm-55atm之间的压力。

38.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，在所述加热的步骤中，压缩的第一气流被加热至300℃-900℃之间的第一既定温度。

39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，在所述加热的步骤中，压缩的第一气流被加热至310℃-600℃之间的第一既定温度。

40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，在所述加热的步骤中，压缩的第一气流被加热至316℃-372℃之间的第一既定温度。

41.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，在所述输入含氧气体的步骤中，所述第二既定温度为至少30℃。

42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，在所述输入含氧气体的步骤中，所述第二既定温度在30℃-120℃之间。

43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，在所述输入含氧气体的步骤中，所述第二既定温度在36℃-96℃之间。

44.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，第一反应器在第一反应器温度和第一反应器压力下工作，第二反应器在第二反应器温度和第二反应器压力下工作，其中，第一反应器温度低于第二反应器温度。

45.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，第一反应器在第一反应器温度和第一反应器压力下工作，第二反应器在第二反应器温度和第二反应器压力下工作，其中，第一反应器压力低于第二反应器压力。

46.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，第一反应器具有第一反应腔室体积，第二反应器具有第二反应器腔室体积，其中，第一反应器腔室体积小于第二反应器腔室体积。

47.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，在第一反应腔室中输入含氧气体的步骤进一步包括以控制第一反应器的反应腔室中的压力和温度以主要氧化乙烷的速率注入含氧气体，而在第二反应腔室中输入含氧气体的步骤进一步包括以控制第二反应器的反应腔室中的压力和温度以主要氧化甲烷的速率供应含氧气体。