CN104583159B - 使用超音速流反应器的甲烷转化装置及方法 - Google Patents

使用超音速流反应器的甲烷转化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于将一进料料流中的甲烷转化成乙炔的装置及方法。将一烃料流引入至超音速反应器中并使其热解以将该甲烷的至少一部分转化成乙炔。该反应器流出物料流可经处理以将乙炔转化至另一烃方法。

Description

使用超音速流反应器的甲烷转化装置及方法
优先权声明
本申请主张于2012年8月21日提出申请的第61/691,317号临时申请及于2013年8月14日提出申请的第13/967,334号美国申请的优先权。
技术领域
本发明公开用于使用超音速流反应器将烃料流中的甲烷转化成乙炔的装置及方法。
背景技术
轻烯烃材料(包含乙烯及丙烯)代表石油化学工业中全球需求中的一大部分。轻烯烃用于经由聚合、低聚、烷基化及其它众所周知的化学反应来产生众多化学产物。这些轻烯烃是现代石油化学及化学工业的基石。因此，以经济方式生产大量轻烯烃材料是石油化学工业中的重点。当今精炼中的这些材料的主要来源是石油进料的蒸汽裂解。
长期以来已使用借助加热熔炉中的原料材料达成的烃的裂解来产生有用产物，包含例如烯烃产物。举例而言，可借助介于轻链烷烃(诸如乙烷及丙烷)至较重馏分(诸如石脑油)的范围内的原料的热解来产生位列化学工业中较重要产物中的乙烯。通常，较轻原料产生较高乙烯产率(与石脑油的25％至30％相比，乙烷为50％至55％)；然而，原料的成本更可能决定使用哪一种。历史上，石脑油裂解已提供最大乙烯源，其次是乙烷及丙烷热解、裂解或脱氢。然而，由于对乙烯及其它轻烯烃材料的大量需求，这些传统进料的成本已不断增加。
能源消耗是影响自各种原料热解产生化学产物的另一成本因素。在过去数十年中，已存在已减小生产成本的热解方法的效率的显著改良。在典型或常规的热解厂中，原料通过多个热交换器管，在该处其借助燃料油或天然气及空气的燃烧产物在外部被加热至热解温度。用以使生产成本最小化所采取的较重要步骤中的一者是减小原料在热解熔炉的热交换器管中的滞留时间。滞留时间的减小增加所期望产物的产率同时减小往往污损热解管壁的较重副产物的产生。然而，在传统热解方法中已剩余很少空间来改良滞留时间或总能源消耗。
用以减少轻烯烃生产成本的较最近尝试包含利用替代方法和/或进料料流。在一种方法中，使用烃氧合物(oxygenate)、更具体而言甲醇或二甲醚(DME)作为用于产生轻烯烃产物的替代原料。可自诸如煤、天然气、回收塑料、来自工业的各种碳废物料流及来自农业产业的各种产物及副产物等可用材料来产生氧合物。自这些类型的原材料制作甲醇及其它氧合物是本领域熟知的并且通常包含一个或多个众所周知的方法，诸如在蒸汽重组步骤中使用镍或钴催化剂、然后接着通过使用基于铜的催化剂在相对高压下的甲醇合成步骤来制造合成气体。
一旦形成氧合物，方法即包含在氧合物至烯烃(OTO)方法中将氧合物(诸如甲醇)以催化方式转化成所期望轻烯烃产物。US 4,387,263中阐述用于转化氧合物的技术(诸如甲醇至轻烯烃(MTO))，US 4,387,263公开一种使用含有沸石型催化剂的催化转化区的方法。US 4,587,373公开出于制作轻烯烃目的而使用如ZSM-5的沸石催化剂。另一方面，US 5,095,163、US 5,126,308及US 5,191,141公开一种使用非沸石分子筛催化材料(诸如金属铝磷酸盐(ELAPO)分子筛)的MTO转化技术。在有用时，OTO及MTO方法利用用于借助首先将进料转化成氧合物且随后将该氧合物转化成所要的烃产物来形成该烃产物的间接方法。此间接生产路径通常与能量及成本损失相关联，通常减小借助使用较不昂贵的进料材料所获得的优点。
近来，已尝试使用热解来将天然气转化成乙烯。US 7,183,451公开将天然气加热至使馏分转化成氢气及烃产物(诸如乙炔或乙烯)的温度。然后将产物料流骤冷以停止进一步反应且随后在存在催化剂的情况下起反应以形成待输送的液体。最终产生的液体包含石脑油、汽油或柴油。尽管此方法对于将天然气的一部分转化成乙炔或乙烯有效，但估计此方法将提供来自甲烷进料料流的乙炔的仅40％的产率。尽管已确认，连同短滞留时间一起的较高温度可增加产率，但就此而言，技术局限性阻碍对此方法的进一步改良。
尽管前述传统热解系统提供用于将乙烷及丙烷转化成其它有用烃产物的解决方案，但已证实其对于将甲烷转化成这些其它产物(诸如例如乙烯)是低效或不经济的。尽管MTO技术具有前景，但这些方法可由于形成所期望产物的间接方法而是昂贵的。由于用于传统方法的进料(诸如乙烷及石脑油)的价格的持续增加，以及天然气及其它可用甲烷源(举例而言，最近可获得页岩气)的充足供应及对应低成本，因此期望提供使用甲烷作为用于产生乙烯及其它有用烃的进料的商业可行且成本有效的方式。
附图简单说明
图1是根据本文中所阐述的各种实施方案的超音速反应器的侧视剖面图；
图2是根据本文中所阐述的各种实施方案的用于将甲烷转化成乙炔及其它烃产物的系统的示意图；
图3是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的部分侧视剖面图；
图4是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的部分侧视剖面图；
图5是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的超音速反应器的剖面图；
图6是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的一部分的部分侧视剖面图；
图7是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的部分侧视剖面图；
图8是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的部分侧视剖面图；
图9是图1的超音速反应器的一部分的透视图；
图10是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的部分侧视剖面图；
图11是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的部分侧视剖面图；
图12是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的部分侧视剖面图；
图13是展示根据本文中所阐述的各种实施方案的图1的超音速反应器的部分的透视剖视图；
图14是根据本文中所阐述的各种实施方案的超音速反应器的示意图。
详述
一种已提出的尚未获得很多商业关注的产生烯烃的替代现有方法的方案包含将烃原料传递至超音速反应器中并将其加速至超音速速度以提供可转变成热以使得能够发生吸热热解反应的动能。在US 4,136,015、US 4,724,272及俄罗斯专利第SU 392723A号中陈述此方法的变化方式。这些方法包含在富氧环境中燃烧原料或载体流体以增加进料的温度并将进料加速至超音速速度。冲击波形成于反应器内以引发进料的热解或裂解。
最近，US 5,219,530及US 5,300,216已建议利用冲击波反应器来提供用于引发天然气的热解以产生乙炔的动能的类似方法。更特定而言，此方法包含使蒸汽穿过加热器区段以变得过热并加速至近超音速速度。将经加热流体运送至起使载体流体膨胀的作用至超音速速度且降低温度的喷嘴。使乙烷原料通过压缩机及加热器并借助喷嘴注射以与超音速载体流体混合以在2.8马赫的速度及427℃的温度下以湍流形式混合在一起。混合区段中的温度保持足够低以限制过早热解。冲击波反应器包含具有逐渐增加的剖面面积的热解区段，其中由于出口处的流动限制由反应器中的背压形成驻冲击波(standing shock wave)。该冲击波迅速减小流体的速度，从而借助将动能转化成热而对应迅速地增加混合物的温度。这立即引发乙烷原料的热解以将其转化成其它产物。骤冷热交换器然后接收经热解混合物以使热解反应骤冷。
大体上公开了用于使用超音速反应器来转化甲烷进料料流中的烃组份的方法及装置。如本文中所使用，术语“甲烷进料料流”包含包括甲烷的任何进料料流。提供用于在超音速反应器中处理的甲烷进料料流通常包含甲烷且形成工艺料流的至少一部分。本文中所呈现的装置及方法将甲烷的至少一部分转化成所期望产物烃化合物以产生相对于进料料流具有较高浓度的产物烃化合物的产物料流。
本文中所使用的术语“烃料流”指一个或多个料流，该一个或多个料流提供进入如本文中所阐述的超音速反应器的甲烷进料料流的至少一部分或由超音速反应器由甲烷进料料流产生，而无论是否对此烃料流进行进一步处置或处理。参考图2中所图解说明的实例，“烃料流”可包含甲烷进料料流1、超音速反应器流出物料流2、自下游烃转化方法排出的所期望产物料流3或在本文中所阐述的方法期间形成的任何中间或副产物料流。如图2中所展示，可经由工艺料流管线115来携载烃料流，工艺料流管线115包含用于携载上文所阐述的工艺料流的一部分中的每一者的管线。如本文中所使用的术语“工艺料流”包含如上文中所阐述的“烃料流”，以及其可包含载体流体料流、燃料料流4、氧源料流6或用于本文中所阐述的系统及方法的任何料流。可经由工艺料流管线115来携载工艺料流，工艺料流管线115包含用于携载上文所阐述的工艺料流的一部分中的每一者的管线。如图2中所图解说明，可例如由一个或多个加热器7来预加热甲烷进料料流1、燃料料流4及氧源料流6中的任一者。
使用超音速流反应器来将轻链烷烃或烷烃进料料流(包含乙烷及丙烷进料料流)转化成其它烃的先前尝试已展示在由特定进料料流提供比其它较传统热解系统高的所期望产物的产率方面的前景。具体而言，这些类型的方法用以提供极高反应温度及极短相关联滞留时间的能力提供对于传统热解方法的显著改良。最近已认识到，这些方法也可能够将甲烷转化成乙炔及其它有用烃，然而较多传统热解方法不能够或不足以达成这些转化。
然而，关于超音速反应器系统的大多数先前工作基于理论或研究，且因此尚未解决与以商业规模实践该方法相关联的问题。另外，众多这些先前公开内容并不涵盖使用超音速反应器来实现甲烷进料料流的热解，且往往主要聚焦于乙烷及丙烷的热解。近来已确认关于采用超音速流反应器用于轻烷烃热解，且更具体而言甲烷进料的热解，以形成乙炔及来自其的其它有用产物的一个问题包含用于甲烷的热解的严峻操作条件对超音速流反应器及其它相关联的设备可造成的损坏效应。先前工作尚未完全了解或解决这些严峻操作条件。举例而言，超音速反应器可能在高达3000℃或更高的温度以及高压下操作。这些升高的温度及压力由于熔化、破裂或蠕变而构成反应器的反应器壁内的机械故障的风险。具体而言，在高温下，已确认，这些壁上的热点可指示壳熔化。另外，甚至在这些壁经冷却处，可发生基于化学的损坏，诸如例如形成不受气体流影响的非钝性产物的氧化还原反应，从而导致凹陷。此外，可发生转化氧化(translated oxidation)，从而形成不受气流影响的非粘附性氧化物。
另外，载体料流及进料料流可以超音速速度行进穿过反应器，该载体流体及进料流可快速侵蚀可用以形成反应器壳的诸多材料。此外，可存在于烃料流中的某些物质及污染物可导致反应器的反应器壁或壳及其它设备或组件的腐蚀、氧化和/或还原。导致腐蚀、氧化或还原问题的这些组份可包含例如硫化氢、水、甲硫醇、胂、汞蒸汽、经由燃料本身内的反应的碳化或氢脆化(hydrogen embrittlement)。高温下可存在的另一问题是与诸如自由基(例如，氢氧根)等瞬时物种的反应。
根据本文中所公开的各种实施方案，因此，提供用于将烃料流中的甲烷转化成乙炔及其它产品的装置及方法。已确认根据本文的装置及其使用来改良用于将轻烷烃进料(包含甲烷进料)热解成乙炔及其它有用产物的总体方法。本文中所阐述的装置及方法也改良装置及其相关联组件及设备用以耐受由于反应器内的极端操作条件所致的降级及可能故障的能力。
根据一种方法，使用本文中所公开的装置及方法来处理烃工艺料流以将烃工艺料流中的甲烷的至少一部分转化成乙炔。本文中所阐述的烃工艺料流包含提供至系统的甲烷进料料流，该甲烷进料流包含甲烷且也可包含乙烷或丙烷。甲烷进料料流也可包含处于各种浓度的甲烷、乙烷及丙烷的组合，且也可包含其它烃化合物以及污染物。在一种方法中，烃进料料流包含天然气。天然气可由多种源提供，包含(但不限于)气田、油田、煤田、页岩田的液压破裂、生物质及掩埋气体。在另一方法中，甲烷进料料流可包含来自精炼或处理厂的另一部分的料流。举例而言，通常在将原油处理成各种产物期间分离轻烷烃(包含甲烷)且甲烷进料料流可由这些源中的一者提供。这些料流可由相同精炼厂或不同精炼厂或自精炼厂废气提供。甲烷进料料流也可包含来自不同源的组合的料流。
根据本文中所阐述的方法及系统，甲烷进料料流可由本文中所阐述的系统及方法的远程位置或一个或若干个位置处提供。举例而言，尽管甲烷进料料流源可位于其中实施这些方法及系统的相同精炼或处理厂处(诸如自来自另一现场烃转化方法的产品或本地天然气田)，但甲烷进料料流也可经由管道或其它输送方法自远距离的源提供。举例而言，进料料流可由远距离的烃处理厂或精炼厂或远距离的天然气田提供，且提供为至本文中所阐述的系统及方法的进料。可在远距离的源处发生甲烷料流的初始处理以自甲烷进料料流移除某些污染物。在发生此初始处理的情况下，可将其视为本文中所阐述的系统及方法的一部分或其可发生于本文中所阐述的系统及方法上游。因此，经提供用于本文中所阐述的系统及方法的甲烷进料料流可取决于初始处理是否发生于其上游而具有不同程度的污染物。
在一个实例中，甲烷进料料流具有介于自65mol-％至100mol-％的范围内的甲烷含量。在另一实例中，烃进料中的甲烷的浓度介于烃进料的自80mol-％至100mol-％的范围内。在另一实例中，甲烷的浓度介于烃进料的自90mol-％至100mol-％的范围内。
在一个实例中，甲烷进料中的乙烷的浓度介于自0mol-％至35mol-％的范围内且在另一实例中介于自0mol-％至10mol-％的范围内。在一个实例中，甲烷进料中的丙烷的浓度介于自0mol-％至5mol-％的范围内且在另一实例中介于0mol-％至1mol-％的范围内。
甲烷进料料流也可包含诸如芳族烃、石蜡烃、烯烃及环烷烃等重烃。这些重烃(若存在)将可能以在0mol-％与100mol-％之间的浓度存在。在另一实例中，其可以在0mol-％与10mol-％之间的浓度存在且可以在0mol-％与2mol-％之间存在。
本文中所阐述的用于自甲烷进料料流形成乙炔的装置及方法利用超音速流反应器来热解进料料流中的甲烷以形成乙炔。超音速流反应器可包含能够形成载体流及甲烷进料料流的超音速流并使载体流体膨胀以引发热解反应的一个或多个反应器。在一种方法中，方法可包含如以全文引用方式并入本文中的US 4,724,272中所大体阐述的超音速反应器。在另一方法中，方法及系统可包含诸如在以全文引用方式并入本文中的US 5,219,530及US 5,300,216中阐述为“冲击波”反应器的超音速反应器。在另一方法中，阐述为“冲击波”反应器的超音速反应器可包含诸如“Supersonic Injection and Mixing in theShock Wave Reactor”(Robert G.Cerff，University of Washington Graduate School，2010年)中所阐述的反应器。
尽管在本发明方法中可使用多种超音速反应器，但在图1中图解说明例示性反应器5。参考图1，超音速反应器5包含通常界定反应器室15的反应器容器10。尽管将反应器5图解说明为单个反应器，但应理解，其可模块化地或作为单个容器形成。若模块化地或作为单独组件形成，则反应器的这些模块或单独组件可永久地或暂时地连结在一起，或可彼此分离，其中借助诸如例如其间的压力差调整的其它手段来围阻流体。提供燃烧区或室25用于燃烧燃料以产生具有所期望温度及流速的载体流体。反应器5可任选包含用于将补充载体流体引入至反应器中的载体流体入口20。提供一个或多个燃料注射器30用于将可燃烧燃料(举例而言，氢气)注射至燃烧室26中。可提供相同或其它注射器用于将氧源注射至燃烧室26中以促进燃料的燃烧。燃料及氧源注射可沿轴向方向、切向方向、径向方向或其它方向，包含方向的组合。燃料及氧气燃烧以产生通常具有在一个实例中自1200℃至3500℃，在另一实例中介于2000℃与3500℃之间且在另一实例中介于2500℃与3200℃之间的温度的热载体流体料流。本文中也涵盖借助其它已知方法(包含非燃烧方法)来产生热载体流体料流。根据一个实例，载体流体料流具有1atm或更高的压力，在另一实例中大于2atm且在另一实例中大于4atm。
使来自燃烧区25的热载体流体料流通过包含细腰(converging-diverging)喷嘴50的超音速膨胀器51以使载体流体的速度加速至在一个实例中大于1.0马赫，在另一实例中介于1.0马赫与4.0马赫之间且在另一实例中介于1.5马赫与3.5马赫之间。就此而言，流体在超音速流反应器的反应器部分中的滞留时间在一个实例中介于0.5ms至100ms之间，在另一实例中介于1.0ms至50ms之间，且在另一实例中介于1.5ms至20ms之间。借助一个实例，穿过超音速膨胀器的载体流体料流的温度介于1000℃与3500℃之间，在另一实例中介于1200℃与2500℃之间且在另一实例中介于1200℃与2000℃之间。
提供原料入口40以用于将甲烷进料料流注射至反应器5中以与载体流体混合。原料入口40可包含一个或多个注射器45用于将原料注射至喷嘴50、混合区55、扩散器区60或反应区或室65中。注射器45可包含歧管，该歧管包含例如用于将进料注射至反应器5的多个注射口或喷嘴。
在一种方法中，反应器5可包含用于混合载体流体与进料料流的混合区55。在一种方法中，如图1中所图解说明，反应器5可具有在例如超音速膨胀器51与扩散器区60之间的单独混合区，而在另一方法中，混合区整合至扩散器区段中，且混合可发生于反应器5的喷嘴50、膨胀区60或反应区65中。膨胀区60包含渐扩壁(diverging wall)70以引起从中流过的气体的速度的迅速减小，将流动流体的动能转化成热能以进一步加热该料流以导致进料中的甲烷的热解，这可以发生于反应器的膨胀区段60和/或下游反应区段65中。在骤冷区72中使流体快速骤冷以防止热解反应使所期望乙炔产物进一步转化成其它化合物。可使用喷杆(spray bar)75来将骤冷流体(举例而言，水或蒸汽)引入至骤冷区72中。
反应器流出物经由出口80离开反应器且如上文所提及，形成烃料流的一部分。流出物将包含比进料料流大的浓度的乙炔及相对于进料料流减小的浓度的甲烷。反应器流出物料流在本文中也可称作乙炔料流，这是因为其包含增加的浓度的乙炔。该乙炔料流可为用以形成另一烃产物的方法中的中间料流或其可经进一步处理或捕获为乙炔产物料流。在一个实例中，该反应器流出物料流在骤冷流体的添加之前具有介于自2mol-％至30mol-％的范围内的乙炔浓度。在另一实例中，乙炔的浓度介于自5mol-％至25mol-％的范围内且在另一实例中介于自8mol-％至23mol-％的范围内。
反应器容器10包含反应器壳11。应注意，术语“反应器壳”指界定反应器室15的形成反应器容器的一个或若干个壁。反应器壳11通常将界定大体中空中心反应器室15的环形结构。反应器壳11可包含单一材料层、单一复合结构或具有定位于一个或多个其它壳内的一个或多个壳的多个壳。反应器壳11也包含如上所阐述且下文针对超音速反应器5的不同区、组件和/或模块进一步阐述的各种区、组件和/或模块。反应器壳11可形成为界定各种反应器区及组件中的所有者的单件或其可为模块化的，其中不同模块界定不同反应器区和/或组件。
借助一种方法，反应器壁或壳11的一个或多个部分形成为铸件。就此而言，该一个或多个部分可不借助焊接或成型或其它制造方法来形成，但可对该铸件执行额外处理，如下文所阐述。在不意欲受理论约束的情况下，据信，由于焊接件通常包含残余应力，因此借助焊接形成一个或若干个反应器壁可产生在高的温度和压力下较易遭受故障或破裂的反应器。另外，由于其不同微结构及可能组成梯度，焊接件也可较易遭受腐蚀及裂纹。类似地，据信，使反应器壁成型将导致形成于反应器壁中的不可忽略的残余应力，从而导致关于在高的温度和压力下的操作的类似问题。因此，借助使反应器壳的一部分形成为铸件，提供较各向同性的微结构。反应器壳的浇铸部分可提供胜于借助诸如焊接或成型等其它方法形成的类似组件的耐腐蚀性。自铸件形成反应器壳也可在组件中提供较均匀热通量及较均匀温度。自铸件形成反应器壳的一部分也可提供比借助其它方法形成的外壳更好及更均匀的耐高温蠕变及耐故障性。
借助一种方法，该铸件可包含定向铸件以提供升高的反应温度及压力下的改善的耐热冲击性及耐蠕变性。在一种方法中，该铸件包含柱状晶粒结构。在另一方法中，该铸件包含单晶结构。
该铸件可由如下文进一步阐述的一种或多种材料形成。可借助本领域中的各种方法来进一步处理反应器的浇铸部分。举例而言，如本文中所进一步阐述，所浇铸反应器壳11可经涂覆、热处理、回火、碳化、氮化或以其它已知方法处理来改良其性质。
可使用单一铸件来形成整个反应器壳11，或反应器壳11可包含经组装以形成反应器壳11的各个浇铸组件或模块，如本文中所进一步阐述。此外，如本文中所进一步阐述，在反应器壳11包含各种层(包含涂层、内壳及外壳等)的情况下，这些层可单独地或一起浇铸，且随后单独地保持或连结在一起。
根据各种其它方法，超音速反应器壳的一个或多个部分可借助除浇铸以外的已知方法来形成，诸如例如粉末冶金，其可借助热均压、将粉末热均压(hipping)成基板，或激光烧结，或其它适合烧结方法来密实化，或自小坯(billet)机械加工。
借助一种方法，由具有高熔化温度以耐受超音速反应器5的高操作温度的材料来构造反应器壳11的至少一部分。在一种方法中，形成反应器壳11的一部分的一种或多种材料可具有长低循环疲劳寿命、高屈服强度、耐蠕变及应力破裂、耐氧化以及与冷却剂及燃料的兼容性。在一个实例中，由具有介于1200℃与4000℃之间且在另一实例中自1800℃至3500℃的熔化温度的材料来形成反应器壳11的至少一部分。这些材料也可展现贯穿不同热及机械处理程序的微结构稳定性、与接合方法的兼容性及抗氧化涂层的良好粘附性。用于形成反应器壳的至少一部分的某些优选材料包含超合金及镍及γTi铝化物。借助一种方法，该超合金为基于镍的超合金，且借助另一方法，超合金为基于铁的超合金。
在一种方法中，反应器壳11或壁部分由超合金形成。就此而言，该壁可在发生于反应器内的燃烧及热解温度下提供优良机械强度及耐蠕变性。以此方式，该装置也可限制由于反应器室15中的操作温度及压力所致的熔化或故障。
根据另一方法，反应器壳11的一部分由选自由以下各项组成的组的材料形成：碳化物、氮化物、二硼化钛、塞隆(sialon)陶瓷、氧化锆、氧化钍、碳-碳复合物、钨、钽、钼、铬、镍及其合金。
根据另一方法，反应器壳11的一部分形成为铸件，其中该铸件包括选自由以下各项组成的组的组件：双相不锈钢(duplex stainless steel)、超级双相不锈钢(superduplex stainless steel)及基于镍的高温低蠕变超合金。
可包含用以提供良好耐腐蚀性的铬或镍。
借助另一方面，反应器壁由具有高导热率的材料构造。以此方式，可将来自反应器室15的热自反应器室快速移除。这可以限制反应器壳11的内部表面的表皮温度被加热至处于或接近反应器温度的温度，反应器温度可导致反应器壳11壁的熔化、化学燃烧(chemicalfire)或其它劣化。在一个实例中，反应器的一个或多个部分由具有介于200W/m-K与500W/m-K之间的导热率的材料形成。在另一实例中，导热率介于300W/m-K与450W/m-K之间。在另一实例中，导热率介于200W/m-K与346W/m-K之间且在另一实例中可介于325W/m-K与375W/m-K之间。
已发现，根据此方法，反应器壳可由具有相对低的熔化温度的材料形成，只要该材料具有极高导热率即可。由于在此方法中快速移除来自反应室15的热，因此反应器壳11并不暴露于如此高的温度。就此而言，借助具有高导热率的材料形成反应器壳部分，该材料可具有低于反应器室15中的温度的熔化温度。在一个实例中，反应器壳11的一部分由具有介于500℃与2000℃之间的熔化温度的材料形成。在另一实例中，反应器壳11部分可由具有介于800℃与1300℃之间的熔化温度的材料形成且在另一实例中可由具有介于1000℃与1200℃之间的熔化温度的材料形成。
借助一种方法，具有高导热率的材料包含金属或金属合金。在一种方法中，反应器壳11的一个或多个部分可由铜、银、铝、锆、铌及其合金形成。就此而言，应注意，上文所列示的材料中的一者或多者也可用以在反应器壳基板上形成涂层或形成多层反应器壳11的层。借助一种方法，反应器壳11部分包含铜或铜合金。在一个实例中，反应器壳部分包含选自由以下各项组成的组的材料：铜铬、铜铬锌、铜铬铌、铜镍及铜镍钨。在另一实例中，反应器壳部分包括铌-银。为了增强自反应器室的热移除，可使用冷却来将热自反应器室较快速地移除以使得将其温度维持低于可允许温度。
借助另一方法，反应器壳11可包含多个层。图3中所图解说明的反应器壳11包含界定反应器室15的内层210及绕内部210形成的外层205。尽管为便于阐释，图3中所图解说明的反应器壳11具有两个层，但如图8中所图解说明，应理解，反应器壳11可包含在内层210与外层205之间具有一个或多个中间层211的三个或三个以上层。此外，一个或多个额外外层212可定位于外层212外侧。一个或多个额外内层可定位于内层210内侧。
在一种方法中，内层210包含形成于外层205或任何介入中间层211的内表面上的涂层。就此而言，外层205形成其上施加内层210涂层的基板。另一选择是，内层210可提供其上施加外层205涂层的基板。内层210及外层205中的一者或两者可形成为如先前所阐述的铸件或以根据此方法的其它已知方式形成。
在一种方法中，内层210的至少一部分包含如上文所阐述的高熔化温度材料。根据另一方法，内层210包含选自由以下各项组成的组的材料：碳化物、氮化物、二硼化钛、塞隆陶瓷、氧化锆、氧化钍、碳-碳复合物、钨、钽、钼、铬、镍及其合金。借助另一方法，内层210包含超合金，且借助另一方法包含选自由以下各项组成的组的材料：双相不锈钢、超级双相不锈钢及基于镍的高温低蠕变超合金。就此而言，内层210可经选择以提供有益操作特性，尤其当其暴露于反应器室15内的恶劣操作条件(包含其高温)时。
在另一方法中，内层210的至少一部分包含如上文所阐述的高导热率材料。根据另一方法，内层210包含选自由以下各项组成的组的材料：铜、银、铝、锆、铌及其合金。借助另一方法，内层210包含选自由以下各项组成的组的材料：铜铬、铜铬锌、铜铬铌、铜镍及铜镍钨。在另一实例中，反应器壳部分包括铌-银。就此而言，内层210可经选择以提供有益操作特性，尤其当其暴露于反应器室15内的恶劣操作条件(包含其高温)时。
在一种方法中，外层205可由不同于内层210的材料形成。外层205材料可经选择以为反应器壳11提供结构支撑及其它期望性质。在一个实例中，外层205或中间层包含耐腐蚀钢。用于形成反应器壳11的外层205的其它适合材料包含(但不限于)双相不锈钢,超级双相不锈钢及基于镍的高温低蠕变超合金,NimonicTM基于镍的高温低蠕变超合金,IncoTM 718,HaynesTM,230或诸如Mar-M-247等其它镍合金。
在一种方法中，内层210包含热障壁涂层。热障壁涂层可由展现供用于反应器室15中的期望性质(诸如例如，高熔化温度以耐受反应器室15中的高温)的材料形成。举例而言，热障壁涂层可包含氧化钇稳定的氧化锆、镧及稀土掺杂的六铝酸镧、碳化铪或钨，这是因为两种材料皆具有高熔化温度、在高操作温度下的良好机械性质及(任选)低导热率。
在一种方法中，将接合涂层提供于内层210与外层205的表面之间，包含借助一种方法达成的热障壁涂层。接合涂层可包含借助等离子喷涂、电子束PVD或本领域中已知的其它方法施加于金属表面上的NiCrAlY、NiCoCrAlY合金。用于铜合金的其它接合涂层可包含借助低压、真空等离子喷涂或本领域中已知的其它方法施加的NiAl。
层式反应器壳11可由以本领域中已知的任何已知方式形成。在一种方法中，可使用形成于心轴上的内径涂层来借助在基板材料上提供涂层而提供层式反应器壳。借助另一方法，涂层可借助热均压形成于基板上以提供层式反应器壳11。借助另一方法，可使用包覆来在基板上提供涂层。在另一方法中，内层及外层可单独地形成并连结在一起。此方法的实例包含单独地浇铸内层210及外层205并将其铜焊在一起以形成层式反应器壳11。也可借助在第一合金附近浇铸第二合金来使用双浇铸。
在另一方法中，如图4中所图解说明，反应器壳11的至少一部分可包含单独内壳215及外壳220。类似于先前所阐述的层式反应器壳11，具有单独内壳215及外壳220的反应器壳可允许内壳215耐受反应器室15的操作条件，同时外壳220为反应器壳11提供结构支撑和/或其它期望性质。
在一种方法中，内壳215的至少一部分包含如上文所阐述的高熔化温度材料。根据另一方法，内壳215的至少一部分包含选自由以下各项组成的组的材料：碳化物、氮化物、二硼化钛、塞隆陶瓷、氧化锆、氧化钍、碳-碳复合物、钨、钽、钼、铬、镍及其合金。借助另一方法，内壳210的至少一部分包含超合金，且借助另一方法，包含选自由以下各项组成的组的材料：双相不锈钢、超级双相不锈钢及基于镍的高温低蠕变超合金。就此而言，内壳215可经选择以提供有益操作特性，尤其当其暴露于反应器室15内的恶劣操作条件时。
在另一方法中，内壳215的至少一部分包含如上文所阐述的高导热率材料。根据另一方法，内壳215包含选自由以下各项组成的组的材料：铜、银、铝、锆、铌及其合金。借助另一方法，内壳215包含选自由以下各项组成的组的材料：铜铬、铜铬锌、铜铬铌、铜镍及铜镍钨。在另一实例中，内壳215包括铌-银。在另一方法中，内壳可包含包括铜合金的材料，该铜合金已借助允许保持高导热率的第二相化合物而沈淀硬化。就此而言，内壳215可经选择以提供有益操作特性，尤其当其暴露于反应器室15内的恶劣操作条件(包含其高温)时。
在一种方法中，外壳220可由不同于内壳215的材料形成。外壳220可经选择以为反应器壳11提供结构支撑或其它期望性质。在一个实例中，外壳220包含耐腐蚀钢。用于形成反应器壳11的外层205的其它适合材料包含(但不限于)双相不锈钢,超级双相不锈钢及基于镍的高温低蠕变超合金,NimonicTM基于镍的高温低蠕变超合金,IncoTM 718,HaynesTM,230或诸如Mar-M-247等其它镍合金。
借助一种方法，内壳215及外壳220中的一者或两者者形成为如先前所阐述的铸件。
在一种方法中，外壳220包含如图5中所图解说明的管板230。根据此方法，至少一个额外内壳235定位于界定第二反应器室240的外壳230内侧。以此方式，多个热解反应可发生于多个反应器室240内。借助此方法，内壳235中的每一者可包含上文关于图1中所图解说明的超音速反应器5所阐述的组件中的某些或所有组件，或单独内壳235中的某些组件可经整合。在一种方法中，某些内反应器壳235可沿相反方向定向。就此而言，将借助面对的内反应器壳235而抵消可由流过内壳的高速料流产生的任何推力。
在一种方法中，内壳215与外壳220间隔开以在其间提供通道245，如图4中所图解说明。在此方法中，通道245可包含压力区。压力区经加压以将其中的压力维持为与反应器室15压力相同的压力。就此而言，内壳215可经配置以使得其并不必须耐受其内表面250与外表面255之间的高压差。然后，内壳215可由具有相对较低压力评级和/或具有相对薄的壁厚度的材料形成。然后，外壳220可提供结构支撑以及充当压力容器以耐受压力区245与外壳220的外侧之间的压力差。在另一方法(未展示)中，内壳215可邻接外壳220。
在一种方法中，通道245进一步容纳一个或多个传感器216。这些传感器可检测或测量诸如一个或多个参数的变量或通道245内的材料。传感器的实例包含压力传感器、温度传感器、诸如气体传感器、氢气传感器、烃传感器、甲烷传感器等化学传感器及其它传感器。这些传感器可电连接至显示、监视和/或控制系统的一个或多个。在一种方法中，通道245进一步容纳一个或多个支撑结构217以相对于外壳220支撑内壳215。
根据另一方法，如图6中所图解说明，衬里260可提供于反应器壳11的至少一部分内侧以抵抗由于反应器室15内的操作条件所致的反应器壳11部分的劣化。衬里260可沿着反应器壳11的内部表面延伸且可邻接反应器壳11或与其间隔开。
在一种方法中，衬里260包含一次性衬里。该一次性衬里可包括呈碳/碳复合物、热解碳、玻璃碳或其它形式的碳的碳或高温合金且可在已发生衬里260的劣化之后被移除及替换。就此而言，一次性衬里可保护反应器壳免受反应器室15内的恶劣操作条件影响。
根据另一方法，衬里260包含自我再生衬里，且能够在超音速反应器5的操作期间和/或在超音速反应器5离线时再生。在一种方法中，自我再生衬里包含经催化以促进沿着反应器壳11的内部表面的碳或焦炭形成以再生碳衬里的碳。在另一方法中，自我再生衬里包含具有焦炭的石墨层的自我再生衬层。在另一方法中，自我再生衬里包含具有焦炭的纳米结构化层的衬层。在另一方法中，自我再生衬里包含具有石墨(graphene)的纳米结构化层的衬层。在一种方法中，自我再生衬里包含用以在操作期间自反应室15快速移除热的定向导热率(directional thermal conductivity)。
在一种方法中，衬里260包含操作以为所使用的金属合金提供保护并减慢热转移的低导热率涂层。在另一方法中，衬里可为由耐高温、低导热率材料制成的浮动捕获的衬里。此衬里将减小热转移及侵蚀。可借助将HfC或铼的真空等离子喷涂至经机械加工成所需衬里外径的净形尺寸(net shape dimension)的适当心轴上来形成浮动捕获的衬里。HfC或铼的喷涂涂层之后接着是能够在必要温度下支撑结构的钨结构层。钨层然后接着是钼及可能的另一钨和/或镍、钴、铬、铝钇结构层。所有层将使用真空等离子喷涂来施加且将在心轴的内径化学蚀刻后独立存在。
在一种方法中，反应器壳11的一个或多个部分包含主动冷却以耗散来自反应器室15的热并限制由于高温及其它操作条件所致的反应器壳11的熔化或其它劣化。在一种方法中，主动冷却包含主动冷却系统。如图7中图解说明了反应器壳11的一部分的剖面，其展示包含形成于反应器壳11中以使冷却剂沿着反应器壳11流动以自其移除热的多个冷却通路300。主动冷却系统也可包含用于提供通过冷却通道300的加压冷却剂的冷却剂源。如图7中所图解说明，冷却通路可大体绕反应器壳11周边延伸，在一种方法中，其包含大体环形配置。也可存在歧管以用于将冷却剂提供至冷却通路300及自冷却通路300提供冷却剂。
在一种方法中，冷却通路300可包含形成于反应器壳的表面中的一个或多个通道。在另一方法中，冷却通路300可包含形成于反应器壳11中以用于使冷却流体从中流过的一个或多个管或大体中空隧道，如呈图7中所图解说明的形式。通路300可沿着反应器的一个或多个表面延伸或其可形成于反应器壳11的壁内，如图9中所图解说明。通路300可以多种定向提供且可按以下方式延伸：沿着反应器壳11轴向延伸、绕反应器壳11周边延伸、径向穿过反应器壳延伸、在环形反应器壳附近螺旋延伸或本领域中已知的其它定向延伸。
在另一方法中，冷却通路300可包含在内层与外层、若干衬层或内壳与外壳之间的一个或多个空间，如先前所阐述，以提供一个或多个冷却通道，诸如呈图4的通道245。另外，流量操纵器可提供于内层与外层、若干衬层或若干壳之间的空间内以沿着所期望流动图案(pattern)引导冷却流体。如图10中所图解说明，突出部315(诸如销、鳍片或其它突出部)可用于内层与外层之间的空间内以增加冷却的表面积。此外，冷却系统可包含如本文中所阐述的不同类型的冷却通路300的组合。举例而言，冷却通路300可包含在反应器壳11的层215与层220之间的冷却通道300以及形成于内层215与外层220中的一者的表面中的若干通道以使得流过冷却通道的冷却剂也通过反应器壳通道245。
冷却通路300可借助多种方法形成。在一种方法中，冷却通路300经机械加工至反应器壳中。在另一方法中，部分通路可沿着反应器壳11的一个或多个层或壳的表面形成，如上文所阐述，且在将层和/或壳连结在一起后，可在层或壳之间形成完整通路300，如图10中所示。类似地，一部分通路可形成于反应器壁或层的表面上且涂层或衬里可施加于该部分通路上以在反应器壁或层与涂层或衬里之间提供完整通路300。在另一方法中，可将涂层或衬里施加于界定完整或部分通路的型样中。如上文所阐述，这些部分或完整通路可借助机械加工、浇铸，或在施加特定涂层、层或衬里期间，或借助其它手段形成。冷却通路300也可借助本领域中众所周知的其它方法形成。销、鳍片或其它突出部可用于通路中以增加冷却的表面积。可将低导热率涂层施加至衬里，该涂层操作以为所使用的金属合金提供保护，并减慢对主动冷却的热转移及增加效率。借助实例的方式，该涂层可为镍或铜合金，该镍或铜合金真空等离子喷涂至内衬层上，首先以允许结构金属粘附至低导热率材料的接合涂层开始。接合涂层可含有镍、钴、铝和/或钇，然后接着钼及钨，且最后然后接着HfC或HfO2。
界定冷却通路的壁可借助充当冷却鳍片而有助于至循环的冷却剂中的热转移且也支撑冷却剂压力负载。在一种方法中，热气体壁(冷却剂与热燃烧气体之间的反应器壳11壁的一部分)的厚度经优化以使对穿过衬里的壁及进入至冷却剂通道300的热流的阻力最小化同时相对于压力及热负载提供结构完整性。在一种方法中，热气体壁的厚度介于0.254cm(0.10英寸)与0.9525cm(0.375英寸)之间，且在另一实例中介于0.381cm(0.15英寸)与0.5715cm(0.225英寸)之间。在另一方法中，冷却通路之间的壁经优化为鳍片以提供自热的壁至冷却剂的低热阻以及维持结构完整性。
在另一方法中，冷却剂通路含有流动增强器以增强冷却剂的流动以增加冷却剂热转移系数及自壁至冷却剂的热通量。在一种方法中，流动增强器含有垂直于冷却剂流动方向或与其成较小角定向的肋以重新开始冷却剂边界层，增加冷却剂热转移系数并增加自壁至冷却剂中的热通量。由以小于90度的角定位的肋赋予的涡流将赋予涡流速度分量，从而使冷却剂混合且导致自壁至冷却剂的较高热转移速率。
当组装反应器壳11时，冷却剂通道300的歧管及网络协作以形成歧管以供流动的冷却剂以移除在超音速反应器5的燃烧过程期间所产生的热达到维持可接受的反应器壁温度的程度。
在一种方法中，将冷却剂流体加压至相对高的压力以使得流过反应器壳11的一部分的冷却剂具有介于350psig与3200psig之间且在另一方法中介于1000psig与2000psig之间的压力。且在另一方法中，在1500psig与1600psig之间。相对高的压力借助避免在使用例如水作为冷却流体时的相变来减小冷却剂循环的复杂性。冷却剂压力、循环速率及温度经设定以提供足够用的冷却剂流以充分移除反应器室15中所产生的热的一部分以维持可接受的反应器壁温度，特别是在燃料料流的燃烧及超音速膨胀期间。在一种方法中，冷却剂具有介于28,000pph与47,000pph之间且在另一实例中介于33,500pph与约80,000pph之间的穿过冷却剂通路的流速。在一个实例中，冷却剂具有介于10℃(50°F)至121℃(250°F)之间且在另一实例中介于29℃(85°F)至65℃(150°F)之间的入口温度。在一个实例中，冷却剂具有37℃(100°F)至371℃(700°F)且在另一实例中自121℃(250°F)至315℃(600°F)的出口温度。可使用本领域中已知的多种冷却剂。在一个实例中，冷却剂包含水。在另一实例中，冷却剂包含蒸汽、氢气或甲烷，且可含有流体的混合物。
在一种方法中，冲击冷却(impingement cooling)可用作主动冷却以耗散来自反应器室15的热并限制由于高温及其它操作条件所致的反应器壳11的熔化或其它劣化。冲击冷却可采用气体或液体。在一种方法中，冲击冷却可采用一系列冲击射流(impingementjet)来影响高热转移。举例而言，可将高速射流引导至待冷却的壳上。在冷却射流接触壳的表面时，其沿平行于壳表面的所有方向转向。这些射流可绕壳诸如随机或以型样配置。冲击冷却可包含诸如将蒸汽膨胀用于热的壁的冷却的高冲击系统、液体壁冲击及气体渗透冷却等技术。
在一种方法中，热管可充当主动冷却机制。热管可传导高达固态铜传导部件的热能的250倍。
在一种方法中，如图12中所图解说明，膜障壁350可沿着反应器壳11的至少一部分的内表面提供以为反应器室15提供至少一部分障壁。膜障壁350可有助于限制劣化，包含由于反应器室15内的高温、流速及其它恶劣条件所致的反应器壳11的熔化、侵蚀或腐蚀。
在一种方法中，膜障壁350包含冷流体障壁。如本文中所使用，冷流体障壁指流体障壁相对于反应器室15中的温度的温度。因此，冷流体障壁可具有高温，但相对于反应器室15为较冷的。在一个实例中，冷流体障壁的温度介于1648℃(3000°F)与2760℃(5000°F)之间。在另一实例中，冷流体障壁的温度介于1982℃(3600°F)与2537℃(4600°F)之间。
借助一个实例，冷流体障壁可包含冷蒸汽障壁。在另一实例中，冷流体障壁包含熔化金属障壁。在另一实例中，冷流体障壁包含水或蒸汽。在另一方法中，冷流体障壁包含空气或氢气。在另一实例中，冷流体障壁包含甲烷。冷流体障壁也可包含本领域中已知的其它流体或若干流体的组合。借助一种方法，冷流体障壁包含构成工艺料流的至少一部分的流体。
膜障壁可以各种方式提供于反应器壳11的一部分的内部表面上。参考图13，在一种方法中，反应器壳11包含穿过其至少一部分的开口360以允许冷流体从中通过并形成冷流体障壁。这可以采取流入核心流的狭槽的形式。在另一方法中，反应器壳11可包含促进冷流体从中泄漏以提供流体障壁的多孔壁365。借助一种方法，反应器壳可包含类似于上文关于主动冷却系统所阐述的通路的通路(未展示)且可穿过其提供用于形成冷流体障壁的冷流体。在此方法中，歧管管路可经提供以透过通路及开口引入冷流体。在另一方法中，如先前所阐述，反应器壳11可包含内壳215及外壳220，且内壳215可包含开口或在内壳215的至少一部分上包括多孔壁。在此方法中，冷流体可通过界定于外壳220与内壳215之间的通道或通路以泄漏穿过多孔壁内壳215以在内壳215的一部分的内表面上形成冷流体障壁。同样地，如上文关于图6所阐述，在衬里260提供于反应器壳11内侧的情况下，衬里可为多孔或可穿透衬里以允许冷流体通过衬里并在其内表面上形成冷流体障壁。膜障壁也可借助其它方法(包含本领域中已知的方法)沿着反应器壳11的一部分的内表面形成。
在另一方法中，壁可含有过多小孔360，这些小孔以膜方式排放流体，从而形成全覆盖膜冷却表面。
在另一方法中，壁可含有为其供应冷却剂且借助沿下游方向沿着壁排放冷却剂而形成冷却膜的狭槽或窗板。膜障壁350也可借助其它方法(包含本领域中已知的方法)沿着反应器壳11的一部分的内表面形成。
在另一方法中，冲击方法可与全覆盖膜冷却方法组合，其中冲击流体在冲击热的壁之后透过此壁365中的膜冷却孔360排放，提供两种冷却效应。
以此方式，借助在反应器壳11的至少一部分的内表面上提供膜障壁350，可在超音速反应器5的操作期间限制反应器壳11的劣化。膜障壁可借助为热核心流体提供障壁及以膜冷却温度借助膜对流冷却壁来减小在操作期间反应器壳11所暴露于的温度。
冷却系统可并入有如上文所阐述的各种机制以提供最高操作效率的最佳组合。
前述说明提供关于反应器壳11或反应器壳11的一部分的数种方法。以此方式，应理解，反应器壳11的至少一部分可指整个反应器壳11或其可指小于整个反应器壳，如现在将进一步详细阐述。如此，对于用以改良反应器壳11的至少一部分的构造和/或操作的方式之前述说明可大体适用于反应器壳的任何部分和/或可适用于反应器壳的以下具体阐述的一部分。
已确认，反应器壳11的某些部分或组件可遭遇特别恶劣的操作条件或该部分或组件特有的特定问题。因此，根据各种方法，前述说明的某些方面可仅适用于已确认具有特定问题的这些部分或组件。燃料注射器30及原料注射器45周围的位置是可受益于局部膜障壁或膜冷却或冲击或局部定位的对流冷却通路的位置的实例。
在其操作期间遭遇特别恶劣操作条件的超音速反应器5的一个区是燃烧区25。在燃烧区25中，燃料料流在存在氧气的情况下燃烧以形成高温载体料流。燃烧区25中的温度可为反应器室15中存在的最高温度，且可达到在一个实例中介于2000℃与3500℃之间且在另一实例中介于2000℃与3200℃之间的温度。因此，燃烧区25中已确认的特定问题是燃烧区25处的反应器壳11的熔化及在存在氧气的情况下燃烧器壁的氧化。在燃烧区25中的反应器壳的一部分可称作燃烧室26。
遭遇特别恶劣操作条件的超音速反应器5的另一区包含超音速膨胀区60，且特定而言位于其中的超音速膨胀器喷嘴50。具体而言，由于高温载体气体以近超音速或超音速速度行进穿过膨胀器喷嘴50，因此超音速膨胀区60的膨胀器喷嘴50和/或其它部分可特别易遭受侵蚀。
类似地，包含扩散器区60、混合区55、反应器区65及骤冷区的超音速反应器的其它部分可在超音速反应器5的操作期间遭遇恶劣操作条件。结合超音速反应器5一起使用的额外设备或组件也可面对类似问题及恶劣操作条件，包含(但不限于)喷嘴、线、混合器及交换器。
由于独特问题及超音速反应器的各个部分或组件可暴露于的操作条件，这些各个部分及组件可根据本文中所阐述的各种方法形成、操作或使用，而其它部分或组件根据本文中可或可未阐述的其它方法形成、操作或使用。
由于超音速反应器5的不同组件或部分可以不同方式形成或操作，因此包含反应器壳11的超音速反应器5可制作为单独部件且经组装以形成超音速反应器5或反应器壳11。就此而言，超音速反应器5和/或反应器壳11可包含其中各个模块或组件400可组装在一起的模块化配置，如图11中所展示。借助一种方法，经组装的超音速反应器或反应器壳11的至少某些部分或组件400可不连接，替代地，其中的气体或流体可由组件之间的压差调整来围阻。在其它方法中，模块或组件400可例如借助密封于组件之间的界面的冷却位置处的法兰405而连接在一起。类似地，不同组件、部分或模块400可包含上文说明中所提供的不同方面。举例而言，某些模块或组件400可包含主动冷却、膜障壁、内层及外层、内壳及外壳或上文所阐述的其它方面，而其它部分、模块或组件400可包含不同方面。
根据一种方法，可在超音速反应器5的操作期间或在其停机期间移除及替换一个或多个组件或模块400。举例而言，由于超音速膨胀喷嘴50可比反应器的其它组件更快速劣化，因此喷嘴50可为可移除的以使得可在其劣化后可用新喷嘴将其替换。在一种方法中，多个超音速反应器5可与操作中的一个或多个超音速反应器及待机中的一个或多个超音速反应器并联或串联提供，以使得若需要维修或替换操作中的超音速反应器5的一个或多个组件，可切换至备用超音速反应器以继续操作。
此外，超音速反应器可水平地(如图1中所图解说明)或垂直地(未展示)定向。在一种方法中，在反应器垂直地配置的情况下，从中穿过的载体及进料料流的流动可垂直向上。在另一方法中，载体及进料料流的流动可垂直向下。在一种方法中，超音速反应器可经定向以使得其自由排放以防止骤冷区72中的液体的累积。在另一方法中，反应器可如上文所指示的垂直地(自水平线90°)或水平地(自水平线0°)定向，或可以介于0°与90°之间的角定向，其中反应器出口在反应器出口高度以上。在另一实施方案中，出口80可包含两个或两个以上出口，包含用于主要汽相流的主出口80及用以排出液体的次出口81。在一种方法中，将液体注射至骤冷区72且并不完全汽化。这可以在操作的瞬时或稳态模式期间发生。次出口可视需要连续或间歇地操作。
在一种方法中，将反应器壳11于一端处密封且在其相对的一端处包含充气部。
借助一种方法，反应器壳11可包含压力释放器件218，如图4中所图解说明。在一种方法中，压力释放器件218包含破裂盘。在另一方法中，压力释放器件218包含减压阀。
在一种方法中，如图14中所展示，超音速反应器5在其入口处可包含隔离阀450。超音速反应器也可包含控制系统455以在发生爆裂(blowout)的情况下检测压力的改变。控制系统455可经配置以对此作出响应而隔离入口。在一种方法中，入口为燃料料流4入口。
根据一种方法，超音速反应器5包含磁性围阻(magnetic containment)以将反应物围阻于反应室15内。
根据另一方法，超音速反应器5可包含氢气产生以自反应器流出物料流产生氢气。
在一个实例中，反应器流出物料流在于超音速反应器5中的热解之后具有相对于甲烷进料料流介于自15mol-％至95mol-％的范围内的减小的甲烷含量。在另一实例中，甲烷的浓度介于自40mol-％至90mol-％的范围内，且在另一实例中介于自45mol-％至85mol-％的范围内。
在一个实例中，自超音速反应器中的进料中的甲烷产生的乙炔的产率介于40％与95％之间。在另一实例中，自进料料流中的甲烷产生的乙炔的产率介于50％与90％之间。有利地，这提供了优于自先前较传统热解方法达成的估计的40％的产率的产率。
借助一种方法，反应器流出物料流起反应以形成另一烃化合物。就此而言，可将烃料流的反应器流出物部分自反应器出口传递至下游烃转化方法以进行对该料流的进一步处理。尽管应理解，反应器流出物料流可经历数个中间方法步骤(诸如例如，水移除、吸附和/或吸收)以提供浓缩乙炔料流，但这些中间步骤将不在本文中加以详细阐述。
参考图2，可将具有较高乙炔浓度的反应器流出物料流传递至下游烃转化区100，其中乙炔可经转化以形成另一烃产物。烃转化区100可包含用于将乙炔转化成另一烃产物的烃转化反应器105。尽管图2图解说明用于透过氢化反应器110中的氢化作用将流出物料流中的乙炔的至少一部分转化成乙烯的流程图，但应理解，替代氢化反应器110或除氢化反应器110之外，烃转化区100也可包含多种其它烃转化方法，或烃转化方法的组合。类似地，图2中所图解说明的单元操作可经修改或移除且为出于说明性目的展示，且并非意欲限制本文中所阐述的方法及系统。具体而言，已确认，除先前方法中所公开的烃转化方法外，数个其它烃转化方法可定位于超音速反应器5的下游，包含用以将乙炔转化成其它烃的方法，这些其它烃包含(但不限于)：烯烃、烷烃、甲烷、丙烯醛、丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺、醛、聚乙炔(polyacetylide)、苯、甲苯、苯乙烯、苯胺、环己酮、己内酰胺、丙烯、丁二烯、丁炔二醇、丁二醇、C2-C4烃化合物、乙二醇、柴油燃料、二酸、二醇、吡咯啶及吡咯啶酮。
用于自烃或工艺料流移除一种或多种污染物的污染物移除区120可取决于特定污染物对产物或方法的影响及污染物移除的原因而位于沿着烃或工艺料流的各种位置处，如下文进一步阐述。举例而言，已确认特定污染物干扰超音速流反应器5的操作和/或污损超音速流反应器5中的组件。因此，根据一种方法，将污染物移除区定位于超音速流反应器的上游以便在将料流引入至超音速反应器中之前将这些污染物自甲烷进料料流移除。已确认其它污染物干扰下游处理步骤或烃转化方法，在此情形中污染移除区可定位于超音速反应器的上游或在超音速反应器与所讨论特定下游处理步骤之间。已确认应移除其它污染物以满足特定产物规格。在期望将多个污染物自烃或工艺料流移除的情况下，可将各种污染物移除区定位于沿着烃或工艺料流的不同位置处。在其它方法中，污染物移除区可与系统内的另一方法重迭或整合在一起，在此情形中污染物可在方法的另一部分期间被移除，包含(但不限于)超音速反应器5或下游烃转化区100。这可以在借助或不借助对这些特定区、反应器或方法的修改的情况下完成。尽管图2中所图解说明的污染物移除区120经展示定位于烃转化反应器105的下游，但应理解，根据本文的污染物移除区120可定位于超音速流反应器5的上游，在超音速流反应器5与烃转化区100之间，或如图2中所图解说明的烃转化区100的下游或沿着工艺料流内的其它料流，诸如例如，载体流体料流、燃料料流、氧源料流或用于本文中所阐述的系统及方法中的任何料流。
尽管已图解说明并阐述特定实施方案及方面，但应了解，本领域技术人员将想到众多改变及修改，且在随附权利要求范围中意欲涵盖属于本发明及随附权利要求范围的真实精神及范畴内的所有这些改变及修改。

Claims (4)

1.一种用于由包含甲烷的进料料流产生乙炔的装置，其包括：
超音速反应器，其用于接纳该甲烷进料料流并将该甲烷进料料流加热至热解温度；
该超音速反应器的反应器壳，其用于界定反应器室，其中该反应器室在介于1200℃与4000℃之间的温度下操作；
该超音速反应器的燃烧区，其用于燃烧燃料源以提供以超音速速度通过反应器空间以加热及加速该甲烷进料料流至热解温度的高温载体气体；且该反应器壳的至少一部分包括具有介于300与450W/m-K之间的导热率的材料以用于传导来自该反应器室的热，并且具有介于500℃与2000℃之间的熔化温度，所述材料至少为铜铬合金或铜铬锌合金或铜铬铌合金或铜锆合金或铜银锆合金或其混合物；
反应器壳的至少一部分包含单独的内壳及外壳；
内壳与外壳间隔开以在其间提供通道；
位于通道内并且电连接至显示、监视和/或控制系统的一个或多个的一个或多个传感器。
2.如权利要求1的装置，其中该材料进一步包括选自由以下组成的组的材料：铝、锆、铌、银及其合金。
3.如权利要求1的装置，其中该材料具有介于800℃与1300℃之间的熔化温度。
4.如权利要求1的装置，其进一步包括用于维持该反应器部分处于低于其该熔化温度的温度的主动冷却系统。
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