CN112533693B - 用于在烃提质过程中使用熔融盐传递热量的系统和工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于热处理含烃流的反应器系统，包括：压力容纳容器，所述压力容纳容器具有由第一端、第二端和从所述第一端延伸至所述第二端的至少一个侧壁限定的内部腔室；传热介质，所述传热介质将电流转换成热量且位于所述压力容纳容器的所述内部腔室内，并且所述传热介质具有第一端面、第二端面以及在所述第一端面和所述第二端面之间延伸的通道；散热器储槽，所述散热器储槽包括熔融盐；以及加热器或热交换器中的至少一个，所述加热器或热交换器中的至少一个流体耦合至所述传热介质且热耦合至所述散热器储槽。

Description

用于在烃提质过程中使用熔融盐传递热量的系统和工艺
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月31日提交的申请序列号为62/725,823的美国临时专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
背景技术
技术领域
本说明书总体上涉及用于在烃提质期间传递热量的系统和工艺。特别地，本说明书涉及用于在烃提质期间使用熔融盐传递热量的系统和工艺。
技术背景
原料——包括乙烷、丙烷、丁烷、石脑油和其他烃——通常需要进行提质，然后才能用作商业产品，例如氢气、烯烃和芳烃。该提质过程通常使用反应器系统，在该系统中，燃烧——例如甲烷燃烧——用于加热压力容纳容器(pressure containment vessel，压力安全壳)中的内容物。除了燃烧甲烷以产生热量外，常规系统可能还需要在管式反应器内增加压力。这种增加的压力可以引起管式反应器的外部和内部之间压差。在这种情况下，管式反应器必须由可承受该压差的材料制成，这限制了可以制造管式反应器的材料。含烃流流过设置在火箱内的管式反应器，并且管式反应器加热含烃流以蒸汽稀释，将含烃流转化为包括所需产品的流出物。这些过程需要大量的热量，并且在提质过程中会损失大量的热量。然而，常规烃更新系统的设置可能使得难以有效地捕获和再利用对烃进行提质所需的热量。
因此，需要这样的系统和工艺：所述系统和工艺用于将含烃流转化为所需产品，同时有效地捕获热负荷并将其有效地再分配到系统的其他部分。
发明内容
根据一个实施方式，一种用于热处理含烃流的反应器系统，包括：压力容纳容器，所述压力容纳容器包括由第一端、第二端和从所述第一端延伸至所述第二端的至少一个侧壁限定的内部腔室；传热介质，所述传热介质将电流转换为热量且位于所述压力容纳容器的所述内部腔室内，其中，所述传热介质包括第一端面、第二端面以及在所述第一端面和所述第二端面之间延伸的通道；散热器储槽，所述散热器储槽包括熔融盐；和加热器或热交换器中的至少一个，所述加热器或热交换器中的至少一个流体耦合至所述传热介质且热耦合至所述散热器储槽。
在一个实施方式中，一种用于热处理含烃流的工艺，包括：将所述含烃流引入传热介质的通道中，其中，所述传热介质位于压力容纳容器的内部腔室内；向所述传热介质供应电流；将所述电流转换成热量，从而加热所述传热介质的所述通道内的所述含烃流；在所述传热介质的所述通道内将所述含烃流转化为流出物；从所述传热介质的所述通道中去除所述流出物；将所述流出物引入热交换器中，其中，所述热交换器容纳熔融盐，并且所述熔融盐处于第一温度；将热量从所述流出物传递到所述熔融盐，并且将所述熔融盐的温度升高到第二温度，将热量从所述熔融盐传递到散热器储槽中，所述散热器储槽包括熔融盐的供应源。
另外的特征和优点将在下面的详细描述中加以阐述，并且对于本领域技术人员而言，部分地从该描述变得显而易见，或通过实践本文所描述的实施方式(包括下面的具体实施方式、权利要求书以及附图)而被认识。
应当理解，前述通用描述和以下详细描述两者都描述了各种实施方式，并且旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特征的概述或框架。包括附图以提供对各种实施方式的进一步理解，并且附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各种实施方式，并且与描述一起用于解释要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
图1示意性地描绘了根据本文公开和描述的实施方式的用于将含烃流转化成所需产品的系统；以及
图2示意性地描绘了根据本文公开和描述的实施方式的压力容纳容器和传热介质。
具体实施方式
现在将详细参考用于将含烃流提质成所需产品(例如包括氢气、烯烃或芳烃中的至少一种的流)的系统和工艺的实施方式。其实施方式在附图中示出。只要可能，在整个图式中相同的参考标号将用于指代相同或相似的零件。
在一个实施方式中，一种用于热处理含烃流的反应器系统，包括：压力容纳容器，所述压力容纳容器包括由第一端、第二端和从所述第一端延伸至所述第二端的至少一个侧壁限定的内部腔室；传热介质，所述传热介质将电流转换为热量且位于所述压力容纳容器的所述内部腔室内，其中，所述传热介质包括第一端面、第二端面以及在所述第一端面和所述第二端面之间延伸的通道；散热器储槽，所述散热器储槽包括熔融盐；和加热器或热交换器中的至少一个，所述加热器或热交换器中的至少一个流体耦合至所述传热介质且热耦合至所述散热器储槽。
在另一个实施方式中，一种用于热处理含烃流的工艺，包括：将所述含烃流引入传热介质的通道中，其中，所述传热介质位于压力容纳容器的内部腔室内；向所述传热介质供应电流；将所述电流转换成热量，从而加热所述传热介质的所述通道内的所述含烃流；在所述传热介质的所述通道内将所述含烃流转化为流出物；从所述传热介质的所述通道中去除所述流出物；将所述流出物引入热交换器中，其中，所述热交换器容纳熔融盐，并且所述熔融盐处于第一温度；将热量从所述流出物传递到所述熔融盐，并且将所述熔融盐的温度升高到第二温度，将热量从所述熔融盐传递到散热器储槽中，所述散热器储槽包括熔融盐的供应源。
现在参考图1，根据实施方式的系统包括预热区100、压力容纳容器200和散热器储槽300。含烃流进入预热区100，在该预热区中将该含烃流加热到所需温度。加热的含烃流112离开预热区100并进入压力容纳容器200。在压力容纳容器内，加热的含烃流112被转化成包括所需产品组分的流出物211。热量可以通过散热器储槽从压力容纳容器200传递到预热区100。例如，在实施方式中，散热器储槽300可以包括熔融盐，使得热量从压力容纳容器200传递到散热器储槽300，并且热量从散热器储槽300传递到预热区100。在下面更详细地描述实施方式的系统和工艺的细节。
预热区100可以包括一个或多个加热器110。尽管图1中描绘的实施方式在预热区100中包括两个加热器110，但是应当理解，在各种实施方式中，在预热区100中可以包括任何数量的加热器。另外，在实施方式中，预热区100可以是包围加热器110的物理腔室；然而，在其他实施方式中，预热区可以是其中存在一个或多个加热器110的指定区域。根据实施方式，诸如图1中所描绘的实施方式，预热区100内的加热器110可以串联地流体耦合。然而，在实施方式中，取决于系统和预热区100的所需设计，预热区内的加热器110可以并联地流体耦合。应当理解，在实施方式中，加热器110也可以热耦合。
如图1中描绘的实施方式所示，含烃流111进入预热区100并被引入加热器110。含烃流111在第一端110a处进入加热器110并且在第二端110b处离开加热器110。随着含烃流111从加热器110的第一端110a穿过至第二端110b，含烃流111从第一温度被加热至第二温度。根据实施方式，热量从散热器储槽300传递到加热器110，以将含烃流111从第一温度加热到第二温度。在实施方式中，可以通过经由熔融盐流310将来自散热器储槽300的熔融盐供应至加热器110来实现这种热传递。因此，在实施方式中，经由熔融盐流310输送到加热器110的熔融盐处于比进入加热器110的含烃流111更高的温度，并且来自熔融盐流310的热量随着该熔融盐流从加热器110的第一端110a穿过至加热器110的第二端110b被传递到含烃流111。应当理解，用于加热含烃流111的加热器的类型没有特别限制，并且可以是能够在同流的熔融盐流310和含烃流111之间传递热量的任何类型的加热器。根据实施方式，进入加热器110的含烃流111的温度可以为环境温度至200℃，然而该温度范围不受限制。
根据一些实施方式，加热器110可以是逆流加热器，其将含烃流111高效地从第一温度加热到第二温度。该加热可以通过使在整个加热器110上在熔融盐流310和含烃流111之间存在均匀的温度差(ΔT)来实现。根据一些实施方式，加热器110内的熔融盐流310与含烃流111之间的ΔT为5℃至30℃，例如10℃至30℃、15℃至30℃、20℃至30℃、或25℃至30℃。在一些实施方式中，加热器110内的熔融盐流310和含烃流111之间的ΔT为5℃至25℃，例如5℃至20℃、5℃至15℃、或5℃至10℃。在其他实施方式中，加热器110内的熔融盐流310与含烃流111之间的ΔT为10℃至25℃，例如15℃至20℃。
图1描绘了在预热区100内的第二加热器110。第二加热器以与上述加热器110相同的方式操作。即，含烃流111a离开第一加热器110并进入第二加热器110。根据实施方式，热量从散热器储槽300传递到第二加热器110，以将含烃流111a从第二温度加热到大于第二温度的第三温度。在实施方式中，可以通过经由熔融盐流311将来自散热器储槽300的熔融盐供应至加热器110来实现这种热传递。因此，在实施方式中，经由熔融盐流311输送至加热器110的熔融盐处于比进入第二加热器110的含烃流111a高的温度，并且来自熔融盐流311的热量随着该熔融盐流穿过第二加热器110被传递至含烃流111a。应当理解，用于加热含烃流111a的加热器的类型没有特别限制，并且可以是能够在同流的熔融盐流311和含烃流111a之间传递热量的任何类型的加热器。该加热过程可以使用任何数量的加热器进行任意多次，直到含烃流111达到所需的预热温度。根据实施方式，预热温度可以为400℃至650℃，应当理解，将需要将不同的烃流预热至不同的温度，并且预热温度可以取决于所需的最终产品。一旦含烃流111已经穿过使含烃流111达到所需预热温度所需的多个加热器，则含烃流111作为加热的含烃流112离开预热区100。然后将加热的含烃流112传递至压力容纳容器200。
仍然参考图1，压力容纳容器200包括由第一端200a、第二端200b以及在第一端200a和第二端200b之间延伸的侧壁200c限定的内部腔室。压力容纳容器200的内部腔室被配置成使得可以维持压力容纳容器200的内部腔室与压力容纳容器200所处的大气之间的压力差。压力容纳容器200可以以任何方式和任何可以承受所需压力差的材料构造。根据实施方式，在压力容纳容器200的内部腔室内具有传热介质210——在下面将进一步对其进行详细描述——和热交换器220，该热交换器流体耦合至传热介质210。尽管图1示出了压力容纳容器200的内部腔室中的仅一个热交换器220，但是应当理解，其他实施方式可以如压力容纳容器200的设计所规定的包括任意数量的彼此串联或并联地流体耦合的热交换器。
根据实施方式，加热的含烃流112进入压力容纳容器200并且被引入到传热介质210中。加热的含烃流112流过传热介质，并被进一步加热到反应温度，在该反应温度下，加热的含烃流中的烃被提质为所需产品。在下面更详细地讨论传热介质210的该过程和构造。在传热介质210内发生反应之后，包括所需产品的流出物211以等于或接近反应温度的温度离开传热介质210，该反应温度大于加热的含烃流112进入传热介质210时的温度。
为了降低流出物211的温度并捕获和再利用流出物211的热能，在实施方式中，可以将流出物211引入热交换器220，该热交换器从流出物211中提取热量并将热量再引导至其他部件系统。在一些实施方式中，流出物的温度可以是800℃至850℃，例如810℃至840℃。根据实施方式，流出物211在第一端220a处进入热交换器220，并在第二端220b处离开热交换器220。随着流出物211从热交换器220的第一端220a穿过至第二端220b，流出物211从反应温度冷却到低于反应温度的出口温度。根据实施方式，热量从热交换器220传递到散热器储槽300，该散热器储槽将流出物211从反应温度冷却到出口温度。在实施方式中，可以通过经由熔融盐流312将来自散热器储槽300的熔融盐供应到热交换器220来实现这种热传递。因此，在实施方式中，经由熔融盐流312输送到热交换器220的熔融盐处于比进入热交换器220的流出物211低的温度，并且随着流出物211从热交换器220的第一端220a穿过至热交换器220的第二端220b，来自流出物211的热量经由热交换器220传递到熔融盐流312。应当理解，用于从流出物211去除热量的热交换器的类型不受特别限制，并且可以是能够在同流的熔融盐流312和流出物211之间传递热量的任何类型的热交换器。应当理解，在实施方式中，并且如本文先前所公开的，在压力容纳容器200中可以使用任意数量的热交换器以将流出物211的温度降低到出口温度。在图1中描绘的实施方式中，出口流212一旦冷却到出口温度则离开压力容纳容器200，并且可以在其他应用中使用。另外，根据一些实施方式，可以将出口流212引入压力容纳容器200外部的另外的热交换器(未示出)中，以进一步冷却出口流212。位于压力容纳容器200外部的这些热交换器可以是在此类过程中常规使用的传统热交换器，或者这些热交换器可以使用熔融盐，如上面关于热交换器220所公开的。应当理解，可以使用任何常规的热交换器，只要其能够将流出物的温度降低到所需温度，并且只要其与其中使用的熔融盐相容即可。
根据一些实施方式，热交换器220可以是平行流热交换器，其以数毫秒至数十毫秒的方式有效地将流出物211从反应温度冷却到出口温度。这种快速冷却使化学反应停止并冻结流出物的成分，并且快速冷却可以通过使熔融盐流312和流出物211之间存在较高温差(ΔT)来实现。根据一些实施方式，进入热交换器220的流出物211与进入热交换器220的熔融盐流312之间的ΔT为200℃至400℃，例如210℃至400℃、220℃至400℃、230℃至400℃、240℃至400℃、250℃至400℃、260℃至400℃、270℃至400℃、280℃至400℃、290℃至400℃、300℃至400℃、310℃至400℃、320℃至400℃、330℃至400℃、340℃至400℃、350℃至400℃、360℃至400℃、370℃至400℃、380℃至400℃、或390℃至400℃。在一些实施方式中，进入热交换器220的流出物211与进入热交换器220的熔融盐流312之间的ΔT为200℃至390℃，例如210℃至380℃、210℃至370℃、210℃至360℃、210℃至350℃、210℃至340℃、210℃至330℃、210℃至320℃、210℃至310℃、210℃至300℃、210℃至290℃、210℃至280℃、210℃至270℃、210℃至260℃、210℃至250℃、210℃至240℃、210℃至230℃、或210℃至220℃。在其它实施方式中，进入热交换器220的流出物211与进入热交换器220的熔融盐流312之间的ΔT为210℃至390℃，例如220℃至380℃、230℃至370℃、240℃至360℃、250℃至350℃、260℃至340℃、270℃至330℃、280℃至320℃、或290℃至310℃。
如上面所公开的，加热器110提供热量，并且热交换器220经由各种熔融盐流310、311和312提取热量。至少部分地通过散热器储槽300来调节熔融盐流310、311和312的温度以及其他属性。在实施方式中，散热器储槽300包括由第一端301、第二端302和从第一端301延伸至第二端303的侧壁303限定的内部腔室。根据一个或多个实施方式，在散热器储槽300的内部腔室内存在熔融盐的供应源320(在本文中也称为“熔融盐供应源”)。该熔融盐的供应源320充当缓冲器来调节各种熔融盐流310、311和312的温度。例如，随着流出物211在热交换器220中被冷却，熔融盐可以经由熔融盐流312被引入到热交换器220中。熔融盐流312的温度与熔融盐供应源320的温度大致相同，该温度小于进入热交换器的流出物211的温度。如本文所用，如果温度在参考温度的±10℃以内，则该温度“大致”相同。热交换器220从流出物211提取热量，并将其传递到熔融盐流312。因此，熔融盐流312的温度高于熔融盐供应源320的温度。然后，该加热的熔融盐流312可以经由熔融盐流312a被送回到散热器储槽300，并被引入熔融盐供应源320。同样地，含烃流111在加热器110中通过引入熔融盐流310和311被加热，所述熔融盐流的温度大于进入加热器110的含烃流111。在熔融盐流310和311进入加热器110时，熔融盐流310和311的温度大致等于熔融盐供应源320的温度。随着热量经由加热器110从熔融盐流310和311传递至含烃流111，熔融盐流310和311的温度降低。因此，离开加热器110的熔融盐流310a的温度低于熔融盐流310和311的温度——并且因此，其温度低于熔融盐供应源320的温度。较冷的熔融盐流310a返回到散热器储槽300，并被引入回熔融盐供应源320。应当理解，熔融盐流可以以任何方式合并或分离。应当理解，尽管图1示出了一个散热器储槽300，但是在实施方式中，可以串联或并联使用多个散热器储槽。
如上所述，在实施方式中，将温度高于熔融盐供应源320的温度的熔融盐流312a和温度低于熔融盐供应源320的温度的熔融盐流310a引入散热器储槽300和熔融盐供应源320。以此方式，熔融盐供应源320接收熔融盐流310a和312a，所述熔融盐流的温度高于熔融盐供应源320的温度并且低于熔融盐供应源320的温度。以此方式，熔融盐供应源320保持在平衡温度。因此，熔融盐供应源320中的熔融盐的量可以使得熔融盐供应源320能够吸收熔融盐流310a和312a而不会显著改变熔融盐供应源320的温度。可以使用热力学的基本原理来计算熔融盐供应源的量。以此方式，熔融盐供应源320可以充当热缓冲器，该热缓冲器储存能量并且根据需要将能量再分配给系统的各个部件，例如加热器110和热交换器220。另外，如有需要，可以将散热器储槽300配置成使得所有熔融盐都可以从系统中被去除并且存储在散热器储槽300中。
尽管用于熔融盐供应源中的熔融盐的类型没有特别限制——只要熔融盐能够根据需要将热量传递到加热器110和热交换器220即可——但是在实施方式中，熔融盐可以选自由以下各项组成的组：氟化锂(LiF)、氟化铍(BeF2)、四氟化锆(ZrF4)、氟化钠(NaF)、氟化铷(RbF)、氟化钾(KF)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)及其组合。
根据实施方式，熔融盐的熔点可以为350℃至700℃，例如375℃至700℃、400℃至700℃、425℃至700℃、450℃至700℃、475℃至700℃、500℃至700℃、525℃至700℃、550℃至700℃、575℃至700℃、600℃至700℃、625℃至700℃、650℃至700℃、或675℃至700℃。在一些实施方式中，熔融盐的熔点可以为350℃至675℃，例如350℃至650℃、350℃至625℃、350℃至600℃、350℃至575℃、350℃至550℃、350℃至525℃、350℃至500℃、350℃至475℃、350℃至450℃、350℃至425℃、350℃至400℃、或350℃至375℃。在又一些实施方式中，熔融盐的熔点可以为375℃至675℃，例如400℃至650℃、425℃至625℃、450℃至600℃、475℃至575℃、或500℃至550℃。
在实施方式中，熔融盐的热容可以为1.65J/g K至2.10J/g K，例如1.70J/g K至2.10J/g K、1.75J/g K至2.10J/g K、1.80J/g K至2.10J/g K、1.85J/g K至2.10J/g K、1.90J/g K至2.10J/g K、1.95J/g K至2.10J/g K、2.00J/g K至2.10J/g K、或2.05J/g K至2.10J/g K。在其他实施方式中，熔融盐的热容可以为1.65J/g K至2.05J/g K，例如1.65J/gK至2.00J/g K、1.65J/g K至1.95J/g K、1.65J/g K至1.90J/g K、1.65J/g K至1.85J/g K、1.65J/g K至1.80J/g K、1.65J/g K至1.75J/g K、或1.65J/g K至1.70J/g K。在又一些实施方式中，熔融盐的热容可以为1.70J/g K至2.05J/g K，例如1.75J/g K至2.00J/g K、1.80J/g K至1.95J/g K、或1.85J/g K至1.90J/g K。
现在将参考图2描述传热介质210的实施方式。压力容纳容器200包括在内部腔室内的传热介质210，该内部腔室由第一端200a、第二端200b和在第一端200a和第二端200b之间延伸的侧壁200c限定。传热介质210将电流转换成将加热的含烃流转换成包括所需产品的流出物所需的热量。在实施方式中，传热介质210包括第一端面213、第二端面214以及在第一端面213与第二端面214之间延伸的通道215。可以在传热介质210内添加附加层以用于流量分配。第二端面214可以抵靠第二端200b放置，以避免混合含烃流111和流出物211。传热介质210的通道215可以流体耦合至压力容纳容器200的内部腔室。用于从传热介质210的第二端214流体耦合到热交换器220的入口的机构(如图1所示)可以不被加热。在实施方式中，加热的含烃流112在第一端面213处进入传热介质210的通道215，并且行进穿过传热介质210的通道215至传热材料210的第二端面214。应当理解，形成在传热介质210内的通道215可以是任意数量、尺寸和几何形状。
根据实施方式，传热介质210由不导电或不发生化学反应的材料形成。在其他实施方式中，传热介质可以由导电材料形成，由于内部电阻而从该导电材料产生热量。此外，传热介质210由能够在反应条件下起作用而不会物理、机械或化学降解的材料形成。具体地，因为传热介质210由不发生化学反应的材料形成，所以可以不会在传热介质210上积聚催化焦炭。在一些实施方式中，传热介质210可以是柱形、正方形、矩形、球形或金字塔形，然而传热介质210的几何形状不受限制。传热介质210可以是加热的含烃流112可以流过的任何形状。在一些实施方式中，传热介质210包括陶瓷、石墨和/或金属中的至少一种。在一些实施方式中，传热介质由碳化硅(SiC)、硝酸铝(AlN)或能够承受高温和高压条件而没有负面催化效应的任何金属形成。传热介质210包括这样的材料：所述材料在将加热的含烃流112转化成包括所需产品的流出物211所需的反应温度和压力下不会熔化或变形。也就是说，传热介质210可以承受的温度范围为300℃至450℃、或600℃至1200℃，例如800℃至1000℃、或825℃至900℃；该传热介质可以承受的压力为至少1bar(100kPa)，例如至少2bar(200kPa)或至少3bar(300kPa)。在其它实施方式中，压力可以为至少10bar(1000kPa)、至少15bar(1500kPa)、至少25bar(2500kPa)、至少30bar(3000kPa)、至少40bar(4000kPa)、或至少50bar(5000kPa)。
根据实施方式，传热介质210可以包括碳化物、氧化物和氮化物中的至少一种。在一些实施方式中，传热介质210可以包括氮化硅。在实施方式中可以用于形成传热介质210的氧化物包括氧化铝、氧化镁、二氧化硅(或石英)、长石和/或氧化锆中的至少一种。在实施方式中，可以用于形成传热介质210的氮化物可以包括氮化硅和/或氮化硼中的至少一种。传热介质210还可以包括能够承受本文所述的反应温度和压力的任何金属。传热介质210可以具有高的导热率，并且可以与电加热元件、含烃流111和流出物211化学相容。
在一些实施方式中，传热介质210还包括催化剂。根据实施方式，催化剂可以包括银、氧化铁、氧化钼、氧化钒、氧化铬、氧化镍、氧化铜、氧化锆、碳酸钾、氧化钾、氧化钛、氧化镉、氧化铝、氧化锡和/或氧化铂中的至少一种。
在实施方式中，在传热介质中形成的通道215的长度可以由传热通量和停留时间限定。通道215中的每个单独通道的通道横流面积可以为450至550mm2、400至600mm2、300至700mm2、200至800mm2、或475至525mm2。通道横流面积由线性气体速度引起的允许压降限定。传热介质210可以包括1至1000个通道、1至800个通道、1至600个通道、1至400个通道、1至300个通道、1至250个通道、1至200个通道、1至150个通道、1至100个通道、1至50个通道、1至25个通道、25至1000个通道、25至800个通道、25至600个通道、25至400个通道、25至300个通道、25至250个通道、25至200个通道、25至150个通道、25至100个通道、25至50个通道、50至1000个通道、50至800个通道、50至600个通道、50至400个通道、50至300个通道、50至250个通道、50至200个通道、50至150个通道、50至100个通道、100至1000个通道、100至800个通道、100至600个通道、100至400个通道、100至300个通道、100至250个通道、100至200个通道、100至150个通道、150至1000个通道、150至800个通道、150至600个通道、150至400个通道、150至300个通道、150至250个通道、150至200个通道、200至1000个通道、200至800个通道、200至600个通道、200至400个通道、200至300个通道、200至250个通道、250至1000个通道、250至800个通道、250至600个通道、250至400个通道、250至300个通道、300至1000个通道、300至800个通道、300至600个通道、300至400个通道、400至1000个通道、400至800个通道、400至600个通道、600至1000个通道、600至800个通道、或800至1000个通道215。增加通道数量会引起产品流量增加
在一些实施方式中，传热介质210可以具有组合的第一端面213、第二端面214和表面积为650至750mm2的通道215。根据一些实施方式，第一端面213的表面积和第二端面214的面积可以相同。在其他实施方式中，第一端面213的表面积可以小于第二端面214的表面积，因为分子将在反应过程中产生，并且如果第二端面214的表面积大于第一端面213的表面积，则所述分子将更容易离开传热介质。传热介质210的总表面积可以为在20至200m/s的速度下每小时每千克流体流0.08至0.2m2。传热介质可以包括1至500个加热元件、1至300个加热元件、1至200个加热元件、1至100个加热元件、1至70个加热元件、1至50个加热元件、1至30个加热元件、1至20个加热元件、1至10个加热元件、10至500个加热元件、10至300个加热元件、10至200个加热元件、10至100个加热元件、10至70个加热元件、10至50个加热元件、10至30个加热元件、10至20个加热元件、20至500个加热元件、20至300个加热元件、20至200个加热元件、20至100个加热元件、20至70个加热元件、20至50个加热元件、20至30个加热元件、30至500个加热元件、30至300个加热元件、30至200个加热元件、30至100个加热元件、30至70个加热元件、30至50个加热元件、50至500个加热元件、50至300个加热元件、50至200个加热元件、50至100个加热元件、50至70个加热元件、70至500个加热元件、70至300个加热元件、70至200个加热元件、70至100个加热元件、100至500个加热元件、100至300个加热元件、100至200个加热元件、200至500个加热元件、200至300个加热元件、或300至500个加热元件。加热元件可以由可以将传热介质210内的通道215加热到反应温度的任意形状和任意尺寸的任何材料制成。加热元件可以是加热板、加热线材、加热管、加热格栅和/或任何其他加热装置中的一个或多个。在实施方式中，加热元件可以是扁平的金属构件，其具有结合其材料被定制以产生所需电阻率的形状。在其他实施方式中，传热介质210本身将由足以产生所需电阻率的材料制成。
在一些实施方式中，传热介质210内的每个加热元件提供的热量水平为100至1000kW、100至800kW、100至500kW、100至400kW、100至350kW、100至300kW、100至200kW、200至1000kW、200至800kW、200至500kW、200至400kW、200至350kW、200至300kW、300至1000kW、300至800kW、300至500kW、300至400kW、300至350kW、350至1000kW、350至800kW、350至500kW、350至400kW、400至1000kW、400至800kW、400至500kW、500至1000kW、500至800kW、或800至1000kW。在其他实施方式中，每个加热元件传热介质可以产生10至100kW、10至80kW、10至60kW、10至40kW、10至20kW、20至100kW、20至80kW、20至60kW、20至40kW、40至100kW、40至80kW、40至60kW、60至100kW、60至80kW、或80至100kW。在实施方式中，加热元件可以包括电阻器材料，其可以使用电流产生热量。然后，热量可以通过传热材料210的材料传导至通道215。在一些实施方式中，加热元件可以定位成与传热材料210的外表面216相比更靠近通道215。在一些实施方式中，加热的含烃流112可以不直接接触加热元件。在其他实施方式中，传热材料210可以在加热的含烃流112和加热元件之间用作热导体和机械间隔物。
传热介质210的通道215可以包括边界层扰动元件，当流体流过通道215时，所述边界层扰动元件增加流体湍流。边界层扰动元件是通道215的表面内的任何类型的凹部或通道215的表面内的任何类型的升高部。具体地，边界层扰动元件可任意偏离于与通道215的表面齐平的平行平面。边界层扰动元件可以具有任意形状或尺寸。
根据实施方式，传热介质210还可以包括一个或多个电路、电阻器、电引线和电绝缘体。所述一个或多个电路可以包括一个或多个电极。如本文所用，电极是用于与非金属构件接触的电导体，该非金属构件可以是或可以不是电路的一部分。在实施方式中，非金属构件可以包括传热介质210。电路可以定位在传热介质210之中或之上，使得电路通过传热介质210或在所述传热介质上传导电流。在实施方式中，传热介质210包括一个或多个加热元件以及包括电极的一个或多个电路，使得加热元件电耦合至电极并将电流转化成热量。在一些实施方式中，加热元件可以将热量传递到传热介质210，该传热介质将热量从加热元件热传导至通道215。在其他实施方式中，加热元件可以定位在通道中，使得加热元件将热量直接传导到通道中。在实施方式中，电极可以设置在传热介质210的表面上、并入传热介质210中、或者可以分散在整个传热介质210中。类似地，在实施方式中，加热元件可以设置在传热介质210的表面上、并入传热介质210中、或者分散在整个传热介质210中。传热介质210的表面可以包括传热介质210的第一端面213和第二端面214。如本文所用，电引线是由一定长度的线材或金属垫组成的电耦合件，其被设计为将两个位置电耦合，例如通过将上述电路耦合至电源进行电耦合。
电绝缘体是内部电荷不能自由流动的材料；在电场的影响下，几乎没有电流流过它。电绝缘体与其他材料(例如导体和半导体)的区别性质在于它们的电阻率；绝缘体的电阻率高于半导体或导体。电绝缘体的非限制性示例可以包括玻璃或陶瓷，其可以承受传热介质210中的操作条件。此外，电绝缘体可以是气密的，这意味着气体不会通过电绝缘体从传热介质210泄漏。
电阻器精确地提供电路中的电阻值；从而提供优于绝缘体的电阻率控制。在实施方式中，电阻器是作为电路元件实现电阻的无源两端子电气部件。作为非限制性示例，可以使用电阻器来减小电流并分压，从而控制所产生的热量。此外，可以使用电阻器将电流转换成热量。固定式电阻器的电阻随温度、时间或工作电压而仅略有变化。电阻器可以包括为了产生热量专门针对特定电阻而选择的电阻器。电阻器可以设置在传热介质210的表面上、并入传热介质210中、或者分散在整个传热介质210中。因此，在一个或多个实施方式中，将电流引入传热介质，并且电流被电阻器转换成热量，从而加热传热介质，并且进而加热传热介质内的通道。
在一些实施方式中，电绝缘体可以设置在电阻器和压力容纳容器200的内部腔室之间，使得由电阻器将电流转换成热量而产生的热量可以被容纳在传热介质210内并且不会消散到压力容纳容器200的内部腔室中。
在一些实施方式中，反应器系统耦合至电流源，该电流源经由电引线将电流提供给传热介质210。电引线经由与电流源和传热介质210两者的电耦合将电流从电流源传递到设置在压力容纳容器200内的传热介质210。在各种实施方式中，电流源可以是可再生能源，不引起CO2排放。在实施方式中，电流源可以是电池、太阳能、核能、风能、蒸汽能、天然气、水力发电、煤等。可以例如通过变频驱动技术在系统外部增大或减小电流。
在一些实施方式中，传热介质210包括一个或多个反应区。在实施方式中，传热介质210包括至少两个反应区。所述至少两个反应区可以并联或串联。所述至少两个反应区中的每一个反应区可以独立地接收可被转换为热量的电流。电流的电压以及电流的特定安培数指示传热介质210的热量。具体地，传热介质210的在转化加热的含烃流112期间的温度可以根据传热介质210的电阻率值和传热介质210中被转换为热量的电流的安培值来确定。焦耳第一定律指出，电导体产生的加热功率(P)与其电阻(R)和电流(I)的平方的乘积成正比，如公式1所示：
P∝I2R (1)
根据实施方式，可以将传热介质210的各个区设计成具有不同的电阻率，在确定特定区内的传热介质210的所需热量时可以考虑这些电阻率。这可以通过在传热介质210的不同区处提供不同的电阻器材料和/或不同数量的电阻器材料来实现。不同的电阻率可以引起在传热介质210的各个区中产生不同量的热量。在传热介质210的各个区中产生的不同量的热量也可以通过改变传热介质210中的电流来实现。
根据实施方式，熔融盐的使用是尽可能快地冷却从传热介质210排出的气体。在常规系统中，这是经由沸腾水作为800℃至850℃、甚至低至600℃的散热器来完成的。这会在300℃至350℃的温度下产生蒸汽。从化学反应的角度来看这是有效的，但会破坏许多有效能。然而，在根据本文公开的实施方式的系统(其使用电加热而不是燃烧加热)中，不需要在下游应用中使用蒸汽。因此，该能量可以被送回传热介质210，这会显著地节省能量。
根据实施方式，可以在不加热压力容纳容器200的第一端200a、压力容纳容器200的第二端200b、压力容纳容器200的所述至少一个侧壁200c或传热介质210中的任何一个的情况下改变压力容纳容器200的内部腔室的压力。这是可能的，因为设置在压力容纳容器200内的传热介质210不像通常情况那样通过燃烧被加热。常规的反应器系统利用燃烧产生热处理含烃流所必需的反应条件。燃烧会产生对含烃流提质所需的升高的温度，从而将温度和压力条件紧密联系在一起。相反，根据本文提供的实施方式，用于热处理含烃流的反应器系统和工艺通过单独的机制产生反应所需的升高的温度和压力。具体地，通过将电流转换成传热介质210中的热量来达到反应温度，并且如有需要，通过本领域已知的常规工艺产生升高的压力，该升高的压力也不会使压力容纳容器200内的温度升高。
根据实施方式，含烃流111可以包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、水(H2O)以及低水平的CO2、CO、N2、CO、CO2和H2中的至少一种。在一些实施方式中，含烃流111包括C1至C5烃。在其他实施方式中，含烃流111包括C1至C20烃。在又一个实施方式中，含烃流111包括C1至C50烃。
根据实施方式，压力容纳容器200可以在传热介质210中使用蒸汽通过蒸汽甲烷重整过程将加热的含烃流112转化成包括一氧化碳(CO)和氢气的流出物211。例如，根据一个或多个实施方式，对于以下反应，传热介质210的通道215的出口处于平衡：(1)CH4+H2O→CO+3H2；和(2)CO+H2O→H2+CO2。另外，未反应的甲烷和水将存在于传热介质210的通道215的出口处。在一些实施方式中，CO、CO2和N2可以存在于传热介质210的通道215的出口处。此外，在一些实施方式中，该反应中可以存在镍基催化剂。尽管对传热介质210的操作温度没有特别限制——只要其可以驱动上述反应即可——但是在一个或多个实施方式中，传热介质210在400摄氏度(℃)至450℃、例如415℃至435℃、或约425℃的入口温度下操作。同样地，压力容纳容器200在400摄氏度(℃)至450℃、例如415℃至435℃、或约425℃的入口温度下操作的压力。在一些实施方式中，传热介质240在大于600℃、大于700℃、大于800℃、大于900℃、大于950℃、大于1000℃、大于1050℃或高达1100℃的入口温度下操作。同样地，对压力容纳容器200的操作压力没有特别限制——只要其可以驱动上述反应即可——但是在一个或多个实施方式中，压力容纳容器200在38bar(3.8MPa)至46bar(4.6MPa)、例如40bar(4.0MPa)至44bar(4.4MPa)、或约42bar(4.2MPa)的压力下操作。在实施方式中，进入传热介质210的进料可以包括30wt％的甲烷至40wt％的甲烷，例如33wt％的甲烷至38wt％的甲烷，或约36wt％的甲烷。因此，在实施方式中，进入传热介质210的含烃流111可以包括60wt％的水至70wt％的水，例如62wt％的水至67wt％的水，或约63wt％的水。
将加热的含烃流112转化成流出物211可以包括：进一步提高加热的含烃流112的温度，从而引起产生流出物211的化学反应。加热的含烃流112可以在足以形成流出物211的反应条件下与传热介质210的通道215接触。根据实施方式，反应条件可以包括：范围为300℃至450℃、或600℃至1200℃，例如800℃至1000℃、或825℃至900℃的温度；以及至少1bar(100kPa)，例如至少2bar(200kPa)或至少3bar(300kPa)的压力。在其它实施方式中，压力可以为至少10bar(1000kPa)、至少15bar(1500kPa)、至少25bar(2500kPa)、至少30bar(3000kPa)、至少40bar(4000kPa)或至少50bar(5000kPa)。应当理解，在实施方式中可以组合上述温度和压力的任何组合。在一些实施方式中，传热介质210被加热到大于600℃、大于800℃、大于900℃、大于950℃、大于1000℃、大于1050℃、大于1110℃、大于1150℃、大于1200℃或大于1500℃的温度。在传热介质210的通道215中发生的反应产生流出物211。在一些实施方式中，在压力容纳容器200中发生的反应还产生包括CO、CO2、H2、H2O和CH4中的一种或多种的副产品。
出口流212包括氢气、烯烃和芳烃中的至少一种。在一个或多个实施方式中，出口流212基本上由氢气、烯烃和芳烃中的至少一种组成或由氢气、烯烃和芳烃中的至少一种组成。在实施方式中，烯烃包括C2至C5烯烃，例如乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)和丁烯(C4H8)。在其他实施方式中，烯烃包括C2至C10烯烃。烯烃可以包括C2至C20烯烃。在又一个实施方式中，烯烃可以包括C2至C50烯烃。在一些实施方式中，烯烃可以包括二烯烃，例如丁二烯。芳烃可以包括苯及其衍生物，例如甲苯、乙苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、均三甲苯、杜烯、2-苯基己烷和联苯。收集出口流212，并将其用于其它各种过程以制成所需的最终产品。
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对本文所描述的实施方式进行各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖本文所描述的各种实施方式的修改和变化，条件是这类修改和变化落入所附权利要求书和其等同物的范围内。

Claims (12)

1.一种用于热处理含烃流的反应器系统，包括：
压力容纳容器，所述压力容纳容器包括由第一端、第二端和从所述第一端延伸至所述第二端的至少一个侧壁限定的内部腔室；
传热介质，所述传热介质将电流转换为热量且位于所述压力容纳容器的所述内部腔室内，其中，所述传热介质包括第一端面、第二端面以及在所述第一端面和所述第二端面之间延伸的通道；
散热器储槽，所述散热器储槽包括熔融盐；
加热器，所述加热器位于所述传热介质的上游，所述加热器流体耦合至所述传热介质且热耦合至所述散热器储槽；和
热交换器，所述热交换器位于所述压力容纳容器的所述内部腔室内且位于所述传热介质的下游，其中，所述热交换器流体耦合至所述传热介质且热耦合至所述散热器储槽。
2.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述熔融盐选自由以下各项组成的组：氟化锂、氟化铍、四氟化锆、氟化钠、氟化铷、氟化钾、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钠及其组合。
3.根据权利要求1或2所述的反应器系统，其中，所述熔融盐的热容为1.65J/g K至2.10J/g K。
4.根据权利要求1或2所述的反应器系统，其中，可以在不加热所述压力容纳容器的所述第一端、所述压力容纳容器的所述第二端、所述压力容纳容器的所述至少一个侧壁和所述传热介质中的任何一个的情况下改变所述压力容纳容器的所述内部腔室的压力。
5.根据权利要求1或2所述的反应器系统，其中，所述传热介质由选自由以下各项组成的组的材料形成：陶瓷、金属和石墨。
6.一种用于热处理含烃流的工艺，包括：
将所述含烃流引入传热介质的通道中，其中，所述传热介质位于压力容纳容器的内部腔室内；
向所述传热介质供应电流；
将所述电流转换成热量，从而加热所述传热介质的所述通道内的所述含烃流；
在所述传热介质的所述通道内将所述含烃流转化为流出物；
从所述传热介质的所述通道中去除所述流出物；
将所述流出物引入热交换器中，其中，所述热交换器容纳熔融盐，并且
所述熔融盐处于第一温度；
将热量从所述流出物传递到所述熔融盐，并且将所述熔融盐的温度升高到第二温度，
将热量从所述熔融盐传递到散热器储槽中，所述散热器储槽包括熔融盐的供应源。
7.根据权利要求6所述的工艺，其中，进入所述热交换器的熔融盐的温度与进入所述热交换器的流出物的温度之间的温度差为200℃至400℃。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的工艺，其中，所述工艺还包括：
在将所述含烃流引入所述传热介质的所述通道之前，将所述含烃流引入加热器中，其中，所述加热器容纳熔融盐，并且所述熔融盐处于所述第一温度；
通过将热量从所述熔融盐传递到所述含烃流，在所述加热器处加热所述含烃流，从而将所述熔融盐的温度降低到第三温度，
将处于所述第三温度的所述熔融盐传递到散热器储槽，所述散热器储槽包括所述熔融盐的供应源。
9.根据权利要求8所述的工艺，其中，所述含烃流的温度与所述加热器内的所述熔融盐的温度之间的温度差为5℃至30℃。
10.根据权利要求6或7所述的工艺，其中，所述熔融盐的供应源的温度与所述第一温度大致相同。
11.根据权利要求6或7所述的工艺，其中，所述第二温度大于所述第一温度。
12.根据权利要求8所述的工艺，其中，所述第三温度小于所述第一温度。
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