CN117548032A - 用于改进烃提质的系统和工艺 - Google Patents
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Abstract
一种用于热处理含烃流的反应器系统，其包括：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；和陶瓷传热介质，所述陶瓷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，所述传热介质包括电阻器、被配置为向所述传热介质提供电流的电引线、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。
Description
本申请是申请号为201980049981.X的中国专利申请(申请日：2019年8月28日，发明名称：用于改进烃提质的系统和工艺)的分案申请。
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62/725,812的美国临时专利申请的优先权，其内容通过整体引用并入本文。
背景技术
技术领域
本说明书总体上涉及用于通过使用电流将含烃流转化为所需产品同时最小化二氧化碳(CO2)排放的系统和工艺。特别地，本说明书涉及使用传热介质的系统和工艺，该传热介质将电流转换成热量以加热含烃流。
技术背景
原料乙烷、丙烷、丁烷、石脑油和其他碳氢化合物必须先进行提质，然后才能用作商业上有价值的产品，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。常规反应器系统的燃烧炉会产生额外的CO2排放。含烃流流过设置在压力容纳容器内的管式反应器，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。然而，常规系统的管式反应器由于温度和负面催化影响而易于形成焦炭。这进而导致生产时间减少，因为必须关闭反应器以去除焦炭。随着时间的推移，焦炭沉积将使常规管式反应器的金属表面劣化，从而导致结构完整性的损失和管式反应器的退役。
因此，需要用于将含烃流转化为所需产品同时减少CO2排放(例如通过常规燃烧系统和工艺产生的那些)和催化焦炭形成的系统和工艺。
发明内容
根据本公开的一个实施方式，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；和陶瓷传热介质，所述陶瓷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：电阻器、被配置为向所述传热介质提供电流的电引线、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。
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和工艺的第一实施方式；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及其部件。
具体实施方式
现在将详细参考用于将含烃流转化成所需产品(例如氢气、烯烃或芳烃中的至少一种)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；和陶瓷传热介质，所述陶瓷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。
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；在不加热所述压力容纳容器或所述传热介质的情况下对所述压力容纳容器和所述传热介质加压；向所述传热介质供应电流；将所述电流转换成热量，从而提高所述传热介质的温度，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成流出物流；以及从所述传热介质的所述通道中去除所述流出物流。
现在参考图1，提供了用于将含烃流转化成所需产品的系统的实施方式。应当理解，图1中描绘的实施方式是示例性的并且不限制本公开的范围。如图1中描绘的实施方式中所示，系统100用于将含烃流210转化为包括所需产品的流出物流220，该系统包括串联和/或并联的热交换器110、压力容纳容器120、骤冷交换器130、冷却剂鼓140、过热器150和第二热交换器160。应当理解，根据各种实施方式，系统100可以包括系统100的上述所列部件的各种组合。此外，系统100可以包括一个或多个热交换器，其可以彼此热耦合。系统100还可以包括串联和/或并联的一个或多个过热器150。
根据图2所示的实施方式，压力容纳容器120包括内部腔室和传热介质240。压力容纳容器120的内部腔室由第一端250、第二端260以及从第一端250延伸到第二端260的至少一个侧壁230限定。传热介质240将电流转换成热量，并且位于压力容纳容器120的内部腔室内。此外，传热介质240包括第一端面242、第二端面244以及在第一端面242与第二端面244之间延伸的通道246。第二端面244可以抵靠第二端260放置，以避免混合含烃流210和流出物流220。传热介质240的通道246可以流体耦合至压力容纳容器120的内部腔室。用于从传热介质240的第二端244流体耦合到骤冷交换器130的入口的机构可以不被加热。在实施方式中，含烃流210在第一端面242处进入传热介质240的通道246，并行进通过传热介质240的通道246到传热材料240的第二端面244。
根据实施方式，传热介质240由不导电的材料形成，并且传热介质240能够在压力容纳容器120的操作条件下起作用。此外，传热介质240由不具有化学反应性(除非旨在出于催化目的而具有化学反应性)的材料形成。具体地，传热介质240可以不产生催化焦炭，这可以延长反应器系统的寿命。在一些实施方式中，传热介质240可以是柱形、正方形、矩形、球形或金字塔形，然而传热介质240的几何形状不受限制。传热介质240可以是含烃流可以流过的任何形状。在一些实施方式中，传热介质240包括陶瓷和/或金属中的至少一种。传热介质240包括在反应条件的温度和压力下不会熔化或变形的材料。也就是说，传热介质240可以在这样的条件下运行：温度范围为300℃至450℃、或600℃至1200℃，诸如800℃至1000℃、850℃至950℃、或825℃至900℃；并且压力为至少1bar(100kPa)，诸如至少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)。在一些实施例中，传热介质240可以在0.5至3bar、1至3bar、2至3bar、0.5至2bar、1至2bar、或0.5至1bar的压力下运行。此外，在一些实施方式中，传热介质240可以包括碳化硅、石墨和铝中的至少一种。在一些实施方式中，传热介质240可以不包括任何或高度的镍或铬。
根据实施方式，传热介质240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240可以包括氮化硅。在其他实施方式中，传热介质240可以包括钛酸钡。在实施方式中，可以用于形成传热介质240的碳化物包括碳化硅。在实施方式中，可以用于形成传热介质240的氧化物包括氧化铝、氧化镁、二氧化硅(或石英)、长石和氧化锆中的至少一种。在实施方式中，用于形成传热介质240的氮化物可以包括氮化硅、氮化硼和氮化铝中的至少一种。传热介质240还可以包括能够承受本申请中描述的工作温度和压力的任何金属。传热介质240可以包括由碳化物、氧化物、氮化物、金属、非金属和准金属中的至少一种构成的陶瓷。传热介质240可以具有高热导率，并且可以与电加热元件、含烃流210和流出物流220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。
通道246的长度由传热通量和停留时间限定。通道246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。压降的范围可以为5至500kPa、50至300kPa、50至200kPa、50至175kPa、50至150kPa、50至130kPa、50至120kPa、50至100kPa、50至75kPa、75至300kPa、75至200kPa、75至175kPa、75至150kPa、75至130kPa、75至120kPa、75至100kPa、100至300kPa、100至200kPa、100至175kPa、100至150kPa、100至130kPa、100至120kPa、120至300kPa、120至200kPa、120至175kPa、120至150kPa、120至130kPa、130至300kPa、130至200kPa、130至175kPa、130至150kPa、150至300kPa、150至200kPa、150至175kPa、175至300kPa、175至200kPa、或200至300kPa。在一些实施方式中，压降可以为110kPa。传热介质240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246。增加通道数量会引起产品流量增加。
此外，在一些实施方式中，第一端面242可以具有比第二端面244小的表面积。这可以允许通道246具有在从第一端面242到第二端面244的整个通道246的长度上增加的横截面面积，从而导致渐缩效果。具体地，通道246可以在第一端面242处具有比在第二端面244处小的横截面面积。在一些实施方式中，这可以在烃流210移动通过传热介质240的通道246时增加该烃流的速度，因为随着含烃流210在传热介质240的通道246内反应，含烃流210内的分子数增加。因此，渐缩通道246内的较大横截面面积可适应分子数的增加。
在一些实施方式中，在传热介质240内反应所需的负荷范围可以为500至5000kJ/kg、500至3000kJ/kg、500至2500kJ/kg、500至2000kJ/kg、500至1500kJ/kg、500至1000kJ/kg、1000至5000kJ/kg、1000至3000kJ/kg、1000至2500kJ/kg、1000至2000kJ/kg、1000至1500kJ/kg、1500至5000kJ/kg、1500至3000kJ/kg、1500至2500kJ/kg、1500至2000kJ/kg、2000至5000kJ/kg、2000至3000kJ/kg、2000至2500kJ/kg、2500至5000kJ/kg、2500至3000kJ/kg、或3000至5000kJ/kg。
在一些实施方式中，传热介质240内的通道246可以具有的表面积为200至500,000mm2、200至100,000mm2、200至50,000mm2、200至25,000mm2、200至5,000mm2、200至1,000mm2、200至750mm2、200至650mm2、200至400mm2、400至500,000mm2、400至100,000mm2、400至50,000mm2、400至25,000mm2、400至5,000mm2、400至1,000mm2、400至750mm2、400至650mm2、650至500,000mm2、650至100,000mm2、650至50,000mm2、650至25,000mm2、650至5,000mm2、650至1,000mm2、650至750mm2、750至500,000mm2、750至100,000mm2、750至50,000mm2、750至25,000mm2、750至5,000mm2、750至1,000mm2、1,000至500,000mm2、1,000至100,000mm2、1,000至50,000mm2、1,000至25,000mm2、1,000至5,000mm2、5,000至500,000mm2、5,000至100,000mm2、5,000至50,000mm2、5,000至25,000mm2、25,000至500,000mm2、25,000至100,000mm2、25,000至50,000mm2、50,000至100,000mm2、50,000至500,000mm2、或100,000至500,000mm2。
传热介质240的通道246可以具有的总表面积为20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.02至1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.02至0.6m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.02至0.2m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.02至0.1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.02至0.08m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.02至0.06m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.06至1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.06至0.6m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.06至0.2m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.06至0.1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.06至0.08m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.08至1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.08至0.6m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.08至0.2m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.08至0.1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.1至1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.1至0.6m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.1至0.2m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.2至1m2、20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.2至0.6m2、或20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.6至1m2。
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240加热到本文所述的工作温度或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。在一些实施方式中，传热介质产生每个加热元件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，传热介质可以产生每个加热元件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。因此，在实施方式中，传热介质产生10kW至1000kW。在一些实施方式中，加热元件可以包括电阻器材料，其可以使用电流来产生热量。具体地，电阻器材料可以将电转换成热量。热量可以通过传热材料240的陶瓷传导至通道246。在一些实施方式中，加热元件可以定位成与传热材料240的外表面248相比更靠近通道246。在一些实施方式中，含烃流210可以不直接接触加热元件。在其他实施方式中，传热材料240可以用作含烃流210和加热元件之间的热导体和机械间隔物。
在一些实施方式中，传热介质240可以具有的热通量为2,000至20,000kJ/m2s、2,000至10,000kJ/m2s、2,000至8,000kJ/m2s、2,000至7,000kJ/m2s、2,000至6,000kJ/m2s、2,000至4,000kJ/m2s、4,000至20,000kJ/m2s、4,000至10,000kJ/m2s、4,000至8,000kJ/m2s、4,000至7,000kJ/m2s、4,000至6,000kJ/m2s、6,000至20,000kJ/m2s、6,000至10,000kJ/m2s、6,000至8,000kJ/m2s、6,000至7,000kJ/m2s、7,000至20,000kJ/m2s、7,000至10,000kJ/m2s、7,000至8,000kJ/m2s、8,000至20,000kJ/m2s、8,000至10,000kJ/m2s、或10,000至20,000kJ/m2s。在一些实施方式中，传热介质240可以具有的热通量为200至2,000kJ/m2s、200至1,000kJ/m2s、200至800kJ/m2s、200至700kJ/m2s、200至600kJ/m2s、200至400kJ/m2s、400至2,000kJ/m2s、400至1,000kJ/m2s、400至800kJ/m2s、400至700kJ/m2s、400至600kJ/m2s、600至2,000kJ/m2s、600至1,000kJ/m2s、600至800kJ/m2s、600至700kJ/m2s、700至2,000kJ/m2s、700至1,000kJ/m2s、700至800kJ/m2s、800至2,000kJ/m2s、800至1,000kJ/m2s、或1,000至2,000kJ/m2s。
传热介质240可以具有0.5至1J/g K的比热容。在其他实施方式中，传热介质240可以具有的比热容为0.2至10J/g K、0.2至8J/g K、0.2至6J/g K、0.2至4J/g K、0.2至2J/g K、0.2至1J/g K、0.2至0.8J/g K、0.2至0.5J/g K、0.5至10J/g K、0.5至8J/g K、0.5至6J/g K、0.5至4J/g K、0.5至2J/g K、0.5至1J/g K、0.5至0.8J/g K、0.8至10J/g K、0.8至8J/g K、0.8至6J/g K、0.8至4J/g K、0.8至2J/g K、0.8至1J/g K、1至10J/g K、1至8J/g K、1至6J/gK、1至4J/g K、1至2J/g K、2至10J/g K、2至8J/g K、2至6J/g K、2至4J/g K、4至10J/g K、4至8J/g K、4至6J/g K、6至10J/g K、6至8J/gK、或8至10J/gK。
传热介质240可以具有150至200W/m K的热导率。在其他实施方式中，传热介质240可以具有的热导率为25至10,000W/m K、25至5,000W/m K、25至1,000W/m K、25至700W/m K、25至500W/m K、25至300W/m K、25至250W/m K、25至200W/m K、25至150W/m K、25至100W/mK、25至50W/m K、50至10,000W/m K、50至5,000W/m K、50至1,000W/m K、50至700W/m K、50至500W/m K、50至300W/m K、50至250W/m K、50至200W/m K、50至150W/m K、50至100W/m K、100至10,000W/m K、100至5,000W/m K、100至1,000W/m K、100至700W/m K、100至500W/m K、100至300W/m K、100至250W/m K、100至200W/m K、100至150W/m K、150至10,000W/m K、150至5,000W/m K、150至1,000W/m K、150至700W/m K、150至500W/m K、150至300W/m K、150至250W/m K、150至200W/m K、200至10,000W/m K、200至5,000W/m K、200至1,000W/m K、200至700W/m K、200至500W/m K、200至300W/m K、200至250W/m K、250至10,000W/m K、250至5,000W/mK、250至1,000W/m K、250至700W/mK、250至500W/m K、300至10,000W/m K、300至5,000W/mK、300至1,000W/m K、300至700W/m K、300至500W/m K、500至10,000W/m K、500至5,000W/mK、500至1,000W/m K、500至700W/m K、700至10,000W/m K、700至5,000W/m K、700至1,000W/m K、1,000至10,000W/m K、1,000至5,000W/m K、或5,000至10,000W/m K。
在一些实施方式中，传热介质240可以具有18.6MW的总功率。在一些实施方式中，传热介质240可以具有的总功率为5至10kW、5至50kW、5至100kW、5至500kW、5至1000kW、5至2000kW、10至50kW、10至100kW、10至500kW、10至1000kW、10至2000kW、50至100kW、50至500kW、50至1000kW、50至2000kW、100至500kW、100至1000kW、100至2000kW、500至1000kW、500至2000kW、或1000至2000kW。在一些实施方式中，传热介质240可以具有的总功率为5至100MW、5至50MW、5至30MW、5至20MW、5至15MW、5至10MW、10至100MW、10至50MW、10至30MW、10至20MW、10至15MW、15至100MW、15至50MW、15至30MW、15至20MW、20至100MW、20至50MW、20至30MW、30至100MW、30至50MW、或50至100MW。
传热介质240的通道246可以包括边界层扰动元件，当流体流过通道246时，边界层扰动元件增加流体湍流。边界层扰动元件是通道246的表面内的任何类型的凹部或通道246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246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。
在实施方式中，传热介质240可以可移除地定位在压力容纳容器120中。如在本公开全文中所用，术语“可移除地定位”是指系统部件从其在系统内的放置位置的可移除性。具体地，因为这涉及传热介质240，所以传热介质240可以位于压力容纳容器120内并且可以从该位置移除、放置在压力容纳容器120内的替代性位置、或者从压力容纳容器120移除而不损坏压力容纳容器120或传热介质240。传热介质240还可以包括电阻器、可移除地耦合到电流源的电引线、以及电绝缘体。如在本公开全文中所用，术语“可移除地耦合”是指系统部件从其在系统内的耦合中的可移除性，而不损坏任何耦合的部件。具体地，因为这涉及电引线，所以电引线可以耦合到电流源，并且可以从该耦合中移除，这意味着电引线可以不再耦合到电流源。
如上所述，传热介质240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。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也可以不是电路的一部分。非金属构件可以包括传热介质240。电路可以定位在传热介质240之中或之上，使得电路通过或在传热介质240上传导电流。在实施方式中，传热介质240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换成热量。在一些实施方式中，加热元件可以将热量传递至传热介质240，该传热介质将热量从加热元件传导至通道246。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。作为非限制性示例，电极可以设置在传热介质240的表面上、并入传热介质240中、或者分散在整个传热介质240中。类似地，作为非限制性实施例，加热元件可以设置在传热介质240的表面上、并入传热介质240中、或者分散在整个传热介质240中。传热介质240的表面可以包括传热介质240的第一端面242和第二端面244。电引线是由一定长度的线材或金属垫组成的电耦合机构，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240中的操作条件，可以用作电绝缘体。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240泄漏。
电阻器精确地控制电路中的电阻量；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，从而以受控方式从电流产生热量。因此，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。作为非限制性示例，可以将电阻器设置在传热介质240的表面上、并入传热介质240中、或者分散在整个传热介质240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，例如但不限于，当传热材料包括石墨时，传热材料还可以用作电阻器。
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120的内部腔室之间，使得比反应条件所需电流大的电流可以不被电阻器转换成热量并且可以被容纳在传热介质240内而不会消散到压力容纳容器120的内部腔室中。具体地，电绝缘体可以用于将电容纳在传热介质240内，从而防止系统100的其他部件传导电流。绝缘体材料具有足够高的电阻以避免发热。电绝缘体通过压力容纳设备的壁传递电流，并耦合到传热介质。传热介质240内的热量可以经由流出物流220传递至骤冷交换器130。
在一些实施方式中，临界流文丘里管可以机械地耦合到传热介质240的第一端面242。在其他实施方式中，临界流文丘里管可以是传热介质240的整体形成的部分。临界流文丘里管可以通过减少湍流来改进通过传热介质240的流体流。临界流文丘里管是这样的流体流管理装置，其中，流体在接近临界流文丘里管时会加速。随着压差增加，临界流文丘里管处的流体速度增加。当流体的速度达到声速(由临界流文丘里管的温度和压力限定)时，就认为该流体是临界的。一旦流达到临界状态，增加压差将不会影响流体流速。应当理解，与系统中的其他部件一样，临界流文丘里管是可选部件。
如先前所公开的，通过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240内，并且可以不消散到压力容纳容器120的内部腔室中。然而，在一些实施方式中，由于对流，热辐射和其他次级热效应可能导致一些热量消散到压力容纳容器120的内部腔室中。为了防止热量消散到压力容纳容器120的内部腔室中，压力容纳容器120可以在内部衬有绝热材料，以最小化热损失并且最小化从传热介质240到压力容纳容器120的热传递。该绝热材料可以是耐火材料，例如但不限于，红柱石、莫可可、莫洛石、烧磨土、粘土、熔融二氧化硅、高铝、偏高岭土和膨润土。在一些实施方式中，绝热材料可以用作压力容纳容器120的外壁与传热材料240之间的屏障。
在一些实施方式中，反应器系统耦合到电流源，该电流源经由电引线将电流提供给传热介质240。电引线经由与电流源和传热介质240两者的电耦合将电流从电流源传递到设置在压力容纳容器120内的传热介质240。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。可以在系统100外部减小或增大电流。在一些实施方式中，可以例如通过接通和断开或者减小和增大来主动地控制电流，以控制在传热介质240中产生的热量。此外，在一些实施方式中，可以有多于一个的电流通过传热介质240。这些一个或多个电流可以控制传热介质240内的一个或多个反应区，从而具体地在传热介质240内的一个或多个反应区中产生热量。反应区是传热介质240的一部分，其能够产生如本文所定义的反应条件。在一些实施方式中，可以主动地控制以及减小或增加这些一个或多个电流，以控制在传热介质240中的一个或多个反应区中产生的热量。
在一些实施方式中，传热介质240包括一个或多个反应区。在一些实施方式中，传热介质240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独立地接收可以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240的热量。具体地，传热介质240的在转化加热的含烃流210期间的温度可以根据传热介质240的电阻率值和传热介质240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240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240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240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240的各个区中产生不同量的热量。在传热介质240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240中的电流来实现。
根据实施方式，可以在不加热压力容纳容器120的第一端250、压力容纳容器120的第二端260、压力容纳容器120的所述至少一个侧壁230或传热介质240中的任何一个的情况下改变压力容纳容器120的内部腔室的压力。这是可能的，因为设置在压力容纳容器120内的传热介质240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210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和压力，并且在反应管内提供升高的压力，从而产生反应管的内部与反应管的外部之间的压差。因此，用于常规反应器系统的反应管的材料必须选自能够承受必要的压差的材料。相反，根据本文提供的实施方式，用于热处理含烃流210的反应器系统和工艺通过将电流转换成传热介质240中的热量而产生升高的温度，并且，如有需要，通过本领域已知的常规工艺控制压力容纳容器内的压力。根据本文提供的实施方式，反应器系统和工艺不产生传热介质240的内部与传热介质240的外部之间的压差。取而代之的是，通过常规方式对压力容纳容器120的内部腔室加压，从而对内部腔室和传热介质240加压并避免产生压差。因此，与常规系统和工艺的反应管不同，传热介质240不需要承受压差。例如但不限于，用于增加压力的常规过程可以包括：将气体泵送到压力容纳容器120中。传热介质240通过电流在传热介质240处被转换成热量而被加热，但是这种加热在传热介质240中进行，而不是在整个压力容纳容器120中进行。然而，在实施方式中，热量可以从传热介质240辐射到压力容纳容器120内的气氛中。也就是说，与使用燃烧增加整个压力容纳容器120内的压力和温度的常规系统不同，本公开的系统和工艺通过将电流转换成热量来直接增加传热介质240的温度，这可以通过将热量从传热介质240消散到压力容纳容器120的气氛中来间接地提高整个压力容纳容器120的温度。
根据实施方式，反应器系统中可以包括一种或多种另外的组分。在实施方式中，如图1所示，热交换器110可以流体耦合至压力容纳容器120的入口。骤冷交换器130可以流体耦合至压力容纳容器120的出口中的至少一个。在一些实施方式中，骤冷交换器130流体耦合至压力容纳容器120的所有出口。骤冷交换器130可以用作热交换器。冷却剂鼓140可以流体耦合至骤冷交换器130的出口中的至少一个。冷却剂鼓140可以是本领域中已知的蒸汽鼓。冷却剂鼓140是这样的冷却系统，其中，冷却液从冷却剂鼓供应到骤冷交换器130的出口中的至少一个。蒸汽水循环回路可以存在于冷却剂鼓140和骤冷交换器130之间。锅炉给水可以提供给冷却剂鼓140，并且从冷却剂鼓产生蒸汽。在一些实施方式中，骤冷交换器130和冷却剂鼓140可以被容纳在一个结构中。过热器150可以流体耦合至冷却剂鼓140的出口。在一些实施方式中，冷却剂鼓140的出口可以是蒸汽出口。作为非限制性示例，过热器150可以是电过热器或蒸汽过热器。第二热交换器160可以热耦合至热交换器110的入口。骤冷交换器130可以与第二热交换器160流体耦合。
根据一个或多个实施方式，现在将描述图1的实施方式中所描绘的用于使用系统100将含烃流210转化成所需产品(例如，流出物流220，其包括氢气、烯烃或芳烃中的至少一种)的工艺。将含烃流210引入热交换器110。根据各种实施方式，应当理解，含烃流210可以包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、水(H2O)和低水平的CO2、CO、N2、CO、CO2和H2中的至少一种。在一些实施方式中，含烃流210包括C1至C5烃。在其他实施方式中，含烃流210包括C1至C20烃。在又一个实施方式中，含烃流210包括C1至C50烃。
根据实施方式，压力容纳容器120可以使用蒸汽在传热介质240中通过蒸汽甲烷重整工艺将含烃流210转化成包括一氧化碳(CO)和氢气的流出物流220。例如，根据一个或多个实施方式，对于以下反应，传热介质240的通道246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240的通道246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240的通道246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240的工作温度没有特别限制——只要其能够驱动上述反应即可——但是在一个或多个实施方式中，传热介质240在400摄氏度(℃)至450℃(例如415℃至435℃，或约425℃)的入口温度下工作。在一些实施方式中，传热介质240工作的入口温度为大于600℃、大于700℃、大于800℃、大于900℃、大于950℃、大于1000℃、大于1050℃、或高达1100℃。同样，对压力容纳容器120的工作压力没有特别限制——只要其能够驱动上述反应即可——但是在一个或多个实施方式中，压力容纳容器120的工作压力为38bar(3.8MPa)至46bar(4.6MPa)，例如40bar(4.0MPa)至44bar(4.4MPa)、或约42bar(4.2MPa)。在实施方式中，进入传热介质240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240的含烃流210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。
用于热处理含烃流210的工艺包括：将含烃流210引入传热介质240的通道246中。由于传热材料240不导电，所以传热材料240可以传导来自电阻器的热能并加热含烃流210。含烃流210可以不接触电阻器或电流。传热介质240位于压力容纳容器120的内部腔室内。该工艺还包括：对压力容纳容器120和传热介质240加压而不加热压力容纳容器120或传热介质240。传热介质240的通道246可以流体耦合至压力容纳容器120的内部腔室。该流体耦合可以允许压力容纳容器120和通道246加压。该工艺还包括：将电流供应给传热介质240，将电流转换成热量，从而在不直接加热压力容纳容器120的内部腔室的情况下提高传热介质240的温度，从而加热传热介质240的通道246内的含烃流210。最后，该工艺包括：将含烃流210转化为传热介质240的通道246内的流出物流220，并从传热介质240的通道246去除流出物流220。从传热介质240的第二端244到骤冷交换器130的入口的流体耦合可以被形成为允许传热介质240的所有通道246中的含烃流210的层流和相等的停留时间。尽管附图显示含烃流210和流出物流220在不同位置进入和离开压力容纳容器120，但是应当理解，含烃流210和流出物流220可以在任何位置进入和离开压力容纳容器120。
将含烃流210转化为流出物流220可以包括：提高含烃流210的温度，从而引起产生流出物流220的化学反应。含烃流210可以在足以形成流出物流220的反应条件下与传热介质240的通道246接触。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)。在一些实施方式中，传热介质240被加热到这样的温度：大于600℃、大于800℃、大于900℃、大于950℃、大于1000℃、大于1050℃、大于1100℃、大于1150℃、大于1200℃、或大于1500℃。在传热介质240的通道246中发生的反应产生流出物流220。在一些实施方式中，在压力容纳容器120中发生的反应还产生包括CO、CO2、H2、H2O、CH4、C2H6、C2H2、C3H6、C3H8和C3H4中的一种或多种的副产品。
在实施方式中，这些组分可以在不同的流中从压力容纳容器120中被分离和去除。然而，在实施方式中，包括H2、CO、CO2和CH4的轻流在压力容纳容器120中被再循环和再使用，例如通过将该轻流从骤冷交换器130传递到热交换器110。该轻流可以用于不存在水的蒸汽重整。分离这些料流的系统和方法是已知的，并且可以进行任何合适的分离。可以使用常规的分离器，例如用于CO2的酸性气体去除工艺，以及用于去除水的简单冷凝。另外，惰性气体(例如，氮气)可以存在于含烃流210中，并且惰性气体可以作为吹扫流(未示出)离开压力容纳容器120。
流出物流220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，流出物流220基本上由氢气、烯烃和芳烃中的至少一种组成或者由氢气、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。收集流出物流220，并且将其用于各种其它工艺中以制成所需的最终产品。
该工艺还可以包括：在将含烃流210引入传热介质240的通道246之前，通过使含烃流210通过热交换器110来预热含烃流210。热交换器110的出口温度可以低于传热介质240的通道246的工作温度。第二热交换器160可以用于从流出物流220去除热量，其中，从流出物流220去除的热量可以用于预热含烃流210。这对于本文公开的系统和工艺来说可以是一种可选的部件，因为当含烃流210是蒸汽流时，不需要在将含烃流210引入传热介质240的通道246之前预热含烃流210。可以存在一个或多个热交换器110和160，它们可以是并联和/或串联的。热交换器110和160可以最小化系统110的电能消耗。
在一些实施方式中，该工艺还包括：在从传热介质240中去除流出物流220后，通过使流出物流220通过骤冷交换器130而从流出物流220去除热量。骤冷交换器可以将流出物流220冷却至低于反应温度。将流出物流220冷却至低于反应温度防止流出物流220发生进一步的反应或转化。在一些实施方式中，骤冷交换器130在1000毫秒、500毫秒、200毫秒、100毫秒或50毫秒内将流出物流220冷却至低于1200℃、低于1000℃、低于800℃、低于600℃或低于500℃。骤冷交换器130可以在与压力容纳容器120相似或相同的压力下工作。该工艺还可以包括：使冷的冷却剂流310通过冷却剂鼓140，然后到达骤冷交换器130。该工艺可以包括：用冷的冷却剂流310在骤冷交换器130中冷却流出物流220。然后，该工艺还可以包括：将热的冷却剂流320从骤冷交换器130传递到冷却剂鼓140。在一些实施方式中，该工艺还包括：将热的冷却剂流320传递到过热器150。传递热的冷却剂流320可以增加系统100的能量效率并使蒸汽中容纳的可用功最大化。然后，例如作为非限制性示例，该工艺还可以包括：在本领域已知的其他工艺中，使用热的冷却剂流320来驱动蒸汽轮机。这些对于本文公开的系统和工艺来说是可选的部件，因为可以根据本领域已知的其他方法冷却流出物流220。在一些实施方式中，该过程可以包括：使流出物流220通过第二热交换器160，该第二热交换器可以与热交换器110热耦合。第二热交换器160可以冷却流出物流220并且将热量从流出物流220传递到热交换器110以加热含烃流210。可以存在一个或多个第二热交换器160，其可以是并联和/或串联的。
至少部分地因为它们不涉及燃烧压力容纳容器的内部腔室内的气体，所以本文公开和描述的用于将含烃流转化为所需产品的系统和工艺的实施方式引起与用于将含烃流转化为C2至C5烃的已知工艺相比降低的焦炭产生。焦炭可以由于传热介质240的表面或传热介质240的通道246上的催化焦炭形成而形成，或由于本体气相中的热焦炭形成而形成。不在传热介质240的表面或传热介质240的通道246上沉积的热焦炭可以继续与流出物流220一起流到传热介质240下游的系统100的部件。然而，如果催化焦炭存在于传热介质240的表面或传热介质240的通道246上，则其可以捕获形成在本体气相中的热焦炭，从而将更多的焦炭添加到传热介质240的通道246上的焦炭层上。本文的系统和工艺减少或消除了在传热材料240上催化焦炭的形成，并且可以延长去除焦炭的过程之间的时间，或者完全消除去除焦炭的过程的需要。例如，在一个或多个实施方式中，该工艺产生的焦炭产量比常规工艺少25％、50％、60％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、99％或100％。在一些实施方式中，该工艺不会引起催化焦炭产生。
另外，在一些实施方式中，本文要求保护的系统和工艺不从加热过程产生CO2排放。具体地，本文的系统和工艺利用了电加热系统和工艺，其与利用燃烧反应生成热量的常规系统相比不会从加热系统和工艺中引起直接的CO2产生。这些燃烧反应系统和工艺通常燃烧甲烷或其他气体，这会产生CO2排放。通过使用不需要燃烧的系统，每年可以减少数百万吨的CO2产量。尽管流出物流220可以包括CO2，但是本文要求保护的系统和工艺并不从加热过程中产生CO2排放。
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描述的各个实施方式的修改和变化，条件是这种修改和变化落入所附权利要求书及其等同物的范围内。
综上所述，本发明包括但不限于以下项：
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；和
陶瓷传热介质，所述陶瓷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：
电阻器
电引线，所述电引线被配置为向所述传热介质提供电流，
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。
2.根据项1所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质包括氮化铝、氮化硅、氮化硼、钛酸钡、碳化硅、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、长石或氧化锆中的至少一种。
3.根据项1或2中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质的所述通道限定从所述压力容纳容器的所述第一端延伸到所述压力容纳容器的所述第二端的流体路径。
4.根据项1至3中任一项所述的反应器系统，其中，临界流文丘里管机械地耦合至所述传热介质的所述第一端面之一。
5.根据项1至4中任一项所述的反应器系统，其中，所述通道包括边界层扰动元件，所述边界层扰动元件在流体流过所述通道时增加流体湍流。
6.根据项1至5中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质的通道表面积为450至550mm2。
7.根据项1至6中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质包括银、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。
8.根据项1至7中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质具有的壁和通道的组合表面积为650至750mm2。
9.根据项1至8中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质的总表面积为20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.08至0.2m2。
10.根据项1至9中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质包括50至70个加热元件。
11.根据项1至10中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质产生每个加热元件10至1000kW。
12.根据项1至11中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质的最大热通量为700至800J/m2s。
13.根据项1至12中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质的比热容为0.5至1J/g K。
14.根据项1至13中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质的热导率为150至200W/m K。
15.根据项1至14中任一项所述的反应器系统，其中，所述传热介质包括：
一个或多个加热元件；和
一个或多个电路，所述一个或多个电路包括电极，
其中，所述一个或多个加热元件将电流转换为热量，并且所述传热介质将所述热量从所述一个或多个加热元件传导至所述通道。
Claims (10)
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；和
陶瓷传热介质，所述陶瓷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，所述陶瓷传热介质包括：
电阻器，所述电阻器设置在所述陶瓷传热介质的陶瓷上、并入所述陶瓷传热介质的陶瓷中、或分散在所述陶瓷传热介质的整个陶瓷中，
电引线，所述电引线被配置为向所述传热介质提供电流，
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，
其中，所述陶瓷传热介质的所述通道限定从所述压力容纳容器的所述第一端延伸到所述压力容纳容器的所述第二端的流体路径，且其中所述第二端面抵靠所述第二端放置。
2.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质包括氮化铝、氮化硅、氮化硼、钛酸钡、碳化硅、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、长石或氧化锆中的至少一种。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的反应器系统，其中，临界流文丘里管机械地耦合至所述陶瓷传热介质的所述第一端面之一。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的反应器系统，其中，所述通道包括边界层扰动元件，所述边界层扰动元件在流体流过所述通道时增加流体湍流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质的通道表面积为450至550mm2。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质进一步包括银、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。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质：
具有的壁和通道的组合表面积为650至750mm2；
总表面积为20至250m/s的速度下每小时每千克流体流0.08至0.2m2；或
以上两者。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质包括50至70个加热元件。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质：
产生每个加热元件10至1000kW；最大热通量为700至800J/m2s；比热容为0.5至1J/g K；热导率为150至200W/m K；或
其组合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的反应器系统，其中，所述陶瓷传热介质包括：
一个或多个加热元件；和
一个或多个电路，所述一个或多个电路包括电极，
其中，所述一个或多个加热元件将电流转换为热量，并且所述陶瓷传热介质将所述热量从所述一个或多个加热元件传导至所述通道。
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