TW201834741A

TW201834741A - 本質安全氧／烴氣體混合器

Info

Publication number: TW201834741A
Application number: TW106121710A
Authority: TW
Inventors: 凡斯里西曼森寇夫; 莎瑩古達斯尼雅; 卡謬以利雅斯雪后; 波拉吉歐雷沃拉; 艾瑞克克拉維爾
Original assignee: 努發化工（國際）公司
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2018-10-01
Also published as: US20180009662A1; WO2018007912A2; WO2018007912A3; CA2935564A1

Abstract

本文中所提供係一種用於含烴氣體與氣態氧化劑之安全混合之氣體混合器。該氣體混合器及所闡述之用於混合之方法包含封閉混合容器，其中在該容器之底部處注入之氣體氣泡在其上升至該容器之頂部期間混合從而形成可安全地移除之均質混合物。此簡單設計及方法允許氣體之安全混合且適用於催化氧化方法，諸如其中存在反應之熱失控風險之石蠟之氧化脫氫。

Description

本質安全氧／烴氣體混合器

本發明係關於一種用於氣體之安全均質混合之系統。更具體而言，本發明係針對用於將諸如乙烷之烴氣體與氣態氧化劑以一方式安全混合以便最小化爆炸事件之風險之系統。另外，本發明直接適用於將乙烷催化氧化脫氫成乙烯。

含烴氣體與氣態氧化劑之混合與潛在災難性後果相關聯。當混合物內之烴對氧之比率在可燃範圍內時，引燃可造成若在壓力下便可導致爆炸事件之失控反應。針對其中需要混合烴與氧之方法，考量如何最小化引燃之可能性始終係主要考量因素。雖然通常利用在可燃範圍外之烴與氧之混合物來執行用於催化氧化烴之方法(舉例而言，將石蠟氧化脫氫(ODH)成烯烴)，但在混合物係異質的且包含其中烴對氧之比率在爆炸界限內之熱點之情況下仍存在引燃之可能。在組分達成均質之前處於混合之初始階段中時尤其如此。眾所周知，為使引燃發生，必須具備在可燃範圍內之烴與氧之混合物及引燃事件兩者秒殺。引燃事件可採取以下形式：存在於烴或氣態氧化劑內之夾帶顆粒在混合設備內撞擊金屬表面且形成火花。若在靠近烴氣體流與氣態氧化劑流相遇但並未達到在可燃界限外之均質處的區域中出現火花，則可導致引燃。考慮到此一點，並不奇怪，為最小化爆炸事件之風險，先前技術選項在混合烴與氧時主要專注於減小造成火花之引燃之機會，或藉由最大化混合之速率來縮短可由於不利烴/氧組成物之異質氣囊之存在而發生引燃之窗口。 Andresen等人於2013年3月26日發佈之受讓於陶氏技術投資有限責任公司(Dow Technology Investments LLC)之美國專利第8,404,189號主張氣體混合器，該氣體混合器囊括含有待混合之第一氣體之流之容器及該容器內的含有待混合之第二氣體之內部管。經由內部管上之混合器尖端將第二氣體引入至容器內之第一氣體之流中。混合器尖端包含內部通路，該內部通路准許在徑向平面中以相對於容器及內部管之縱向軸之銳角將第二氣體遞送出管並遞送至容器中。混合器尖端上之引出點與上游偏轉器對準，該上游偏轉器用於偏轉及最小化第一氣體內之夾帶顆粒撞擊混合器尖端之風險，該混合器尖端在發生氣體之初始混合之區域內。此外，混合器尖端可由耐火花材料構成。遺憾地，仍存在可發生引燃之可能性且該專利並不教示熄滅此可能事件。 Andresen等人於2013年8月6日發佈之受讓於陶氏技術投資有限責任公司之美國專利第8,500,894號教示在氧供應線中使用濕式洗滌器來在與烴流混合之前移除微粒物質。藉由移除微粒物質，在與氧氣流之初始混合期間引燃烴氣體流之風險降低。濕式洗滌器在此項技術中係已知的且包括使氧穿過水介質使得夾帶固體顆粒轉移至其可容易地被移除之水相。雖然藉由降低夾帶顆粒之數目最小化引燃之風險，但專利並不教示熄滅仍可發生之任何引燃。 Aida等人於1981年3月17日發佈之受讓於日本觸媒株式會社(Nippon Shokubai Kagaku Kogyo Co., Ltd.)之美國專利第4,256,604號主張用於混合氣體之方法，該方法包含在引入氧之前使烴氣體通過水介質且隨後在氣體混合區中混合，其中所得混合物在循環回至氧化反應器之前穿過屏蔽區。水介質及屏蔽區包括存在於反應器內之托盤，該托盤內保留水或乙二醇並最後沿相對於經輸入烴氣體之逆流方嚮導引水或乙二醇。設計之目的在於防止引燃事件在其發生時回流或向前移動。然而，若產生引燃能量從而允許燃燒發生則氣體混合區仍可遭受損壞。 Mitsumoto等人於2003年12月2日發佈之受讓於日本觸媒株式會社(Nippon Shokubai co., Ltd.)之美國專利第6,657,079號主張用於藉由使用至少一個氣體入口噴嘴混合複數種氣體之方法，該至少一個氣體入口噴嘴經安置以准許混合容器內之螺旋形流動圖案。螺旋形流動圖案導致容器內之內部物項之實質消除從而允許使用異常簡單構造進行均質混合。儘管具有簡單之優點，但仍存在引燃之風險且不存在用於熄滅確實發生之可燃事件之機制。

吾人已開發出用於混合含烴氣體與氣態氧化劑之安全且簡單氣體混合器。將該兩種氣體直接且單獨地引入至封閉混合容器之底部中，該兩種氣體在該封閉混合容器之底部中形成氣泡，該等氣泡在其上升至該容器之頂部時混合。混合導致將液體作為烴與氧之不可燃組成物排出之均質氣泡群，此用於涉及烴之催化氧化之應用，包含將乙烷氧化脫氫(ODH)成乙烯。本發明所提供係一種用於混合含烴氣體與氣態氧化劑之氣體混合器，該氣體混合器包括封閉混合容器，其充滿不可燃液體且具有頂部端、底部端、內部混合構件、不可燃液體之注入及移除點、在封閉混合容器之底部處或附近的含烴氣體與氣態氧化劑中之每一者之輸入及封閉混合容器之頂部處之出口，該出口用於移除成比率之烴與氧之實質上均質混合物，該比率對應於引入至封閉混合容器之底部中之含烴氣體與氣態氧化劑之相對量。本發明所提供係一種用於混合含烴氣體與氣態氧化劑之方法，該方法包括將含烴氣體及氣態氧化劑引入至充滿不可燃液體之封閉混合容器之底部中且以一比率使得一旦組合便落在可燃範圍外，及回收先前引入之含烴氣體與氣態氧化劑之均質混合物。本發明所提供係一種用於將乙烷氧化脫氫為乙烯之方法，該方法包括：在充滿不可燃液體之封閉混合容器將含乙烷氣體與氣態氧化劑安全混合；使含乙烷氣體與氣態氧化劑之混合物穿過熱交換器以將溫度上升至溫度至少250℃；將經加熱混合物引入至含有ODH觸媒之ODH反應器中；自ODH反應器移除乙烯、未轉化乙烷及包含CO、CO₂ 、H₂ O、CH₃ COOH、最小烴及可能O₂ 之各種副產物並將其引導至驟冷塔以移除CH₃ COOH及H₂ O，剩餘物經受穿過至少一個胺洗以移除CO₂ 且最終在穿過去甲烷塔之後移除甲烷。含有未反應之乙烷、乙烯及其他烴之剩餘混合物可再循環回以再次通過方法，以在封閉混合容器與氣態氧化劑混合開始。

氣體混合器圖1中展示本發明之氣體混合器之實施例之示意圖示。氣體混合器1包括具有頂部端9及底部端7之封閉混合容器10。封閉混合容器10充滿不可燃液體，不可燃液體之選擇取決於欲使用混合氣體之應用。不可燃液體可經由定位於頂部端9處之噴嘴或入口2添加至封閉混合容器10，同時不可燃液體可自定位於底部端7處之出口3移除。混合容器10之構造可由各種材料來完成，該等材料包含不銹鋼、碳鋼及與待混合之烴化學相容之任何其他材料。此外，混合容器10之襯裡可塗佈有火花抑制材料諸如特夫綸(Teflon)、藍寶石，或基於氧化物之陶瓷襯裡或諸如此類。可透過含烴氣體供應噴嘴4將含烴氣體引入至封閉混合容器10中，同時可經由氣態氧化劑供應噴嘴5引入氣態氧化劑。含烴氣體供應噴嘴4及氣態氧化劑供應噴嘴5係以使得在封閉混合容器10之底部端7處或附近發生氣體直接引入至不可燃液體中之方式與封閉混合容器10協作。出於本發明之目的，術語噴嘴簡單地係指在封閉混合容器10內首先發生氣體與不可燃液體之間的接觸之點，且可包含此項技術內已知的任何構件。雖然不必要，但含烴氣體供應噴嘴4及氣態氧化劑供應噴嘴5經理想地定向使得含烴氣體之流及氣態氧化劑之流在進入混合器之後立即彼此碰撞。經引入氣體上升且透過混合區8混合並且可用於在封閉混合容器10之頂部處排出不可燃液體之後透過混合氣體移除線6移除。如術語所表明，用於充滿封閉混合容器10之不可燃液體必須不可燃的。亦即，不可燃液體必須不能夠引燃或燃燒。適合的不可燃液體包含水、乙二醇、矽油及四氯化碳。較佳實施例包括水作為不可燃液體。雖然任何不可燃液體可與本發明一起使用，但考量到自氣體混合器1移除之混合氣體將包括含烴氣體、氣態氧化劑及在某些例項中攜帶的不可燃液體係重要的。出於此原因，不可燃液體之選擇必須考量攜帶的不可燃液體可對下游應用產生之任何潛在影響。用於氧化反應之觸媒可對由以氣態形式攜帶之特定不可燃液體造成的催化中毒敏感。溫度連同壓力一起在判定不可燃液體之哪一部分可進入氣態、將混合且上升至封閉混合容器10之頂部端之氣泡中存在之烴及氧氣體結合中起作用。溫度及壓力可經控制以最小化至透過混合氣體移除線6離開之氣體混合物中之不可燃液體之攜帶。預期在封閉混合容器10內或在封閉混合容器10外，使用加熱器之溫度控制用於與本發明一起使用。混合容器中使用之加熱器類似於本發明眾所周知之加熱器。在本發明之實施例中，封閉混合容器10使用封閉混合容器10外部之加熱器進行溫度控制。在本發明之另一實施例中，封閉混合容器10使用定位於封閉混合容器10內之加熱器進行溫度控制。在某些例項中，出於再循環目的，可期望包含次級含烴氣體供應噴嘴或產物供應噴嘴15。舉例而言，某些氧化反應並非如其他氧化反應一樣高效且可包含低於可接受位準之轉化速率。在彼等情形中，可期望將含產物及未反應之烴之產物線遞送回以再次起始氧化反應方法，其中意圖係最大化原料烴之轉化—在氣體混合器中在通過氧化方法之前最初混合烴。產物流(類似於未反應之原料烴且含有未反應之原料烴)將需要在進入反應器之前與氧化劑混合。若產物流中含有之產物與原料烴相比對氧更具反應性，則在氧已部分地經混合及經稀釋之點處將產物流引入至反應器中將更安全。為此，次級含烴氣體供應噴嘴15應處於遠離氣態氧化劑供應噴嘴5之位置處。次級含烴氣體供應噴嘴15之位置並非係關鍵的，前提係含烴氣體供應噴嘴15處於存在於封閉混合容器10中之氧已開始與含烴氣體混合之位置中，且存在充足停留時間以用於使產物氣體與所添加氧及含烴氣體均勻混合。理想地，次級含烴氣體供應噴嘴之位置靠近與氣態氧化劑供應噴嘴5等距之點及混合氣體移除線6離開封閉混合容器10之頂部端9之點。次級含烴氣體供應噴嘴15亦可用作用於引入含烴氣體之額外輸入位置。在本發明之實施例中，存在用於將產物流自氧化方法或額外含烴氣體引入至處於遠離氣態氧化劑供應噴嘴5之點處之封閉混合容器10中之次級含烴氣體供應噴嘴15。在其中存在氧化方法之再循環使得產物線回饋至氣體混合器1以用於經由次級含烴氣體供應噴嘴15引入至封閉混合容器10中之例項中，預期來自產物線之熱可用於封閉混合容器10之溫度控制。可以此方式使用自氧化方法提供之熱(舉例而言ODH)且因此將輔助降低與透過內部或外部加熱器提供熱相關聯之成本。在本發明之另一實施例中，封閉混合容器10使用來自離開放熱氧化方法之產物線之熱來進行溫度控制。內部混合構件區8內之氣體混合效率除其他之外取決於停留時間及氣體氣泡之間的相互作用頻率。換言之，准許混合來自氣泡中之每一者之氣體組成物(該等氣體組成物組合以形成均質混合物)的氣泡碰撞、破裂及重新形成於一起之頻率。雖然在給出充足時間之情況下可自然地發生混合，但不可能將在無促進氣泡之間的碰撞之內部混合之情況下產生均質混合物。在無內部混合之情況下，容器將需要具有將在經濟上不可行之如此高度。用於促進混合之構件在此項技術中係眾所周知的且包含靜態混合器、隨機填充、結構填充及葉輪之使用。靜態混合器藉由形成眾多曲折路徑來促進混合，該等曲折路徑增加氣泡到達容器之頂部所需要行進之距離，且因此靜態混合器部分地藉由增加停留時間來起作用。並且，路徑包括導致氣泡碰撞且最終混合以組合其氣態內容物之可能性增加之限制空間。在本發明之實施例中，內部混合構件包括靜態混合器。隨機及結構填充與靜態混合器類似地起作用，此乃因其藉由產生大量彎曲路徑來提供增加之停留時間及氣泡之間的相互作用之可能性。隨機填充涉及用包括具有變化之形狀及大小之物件12 (圖2A)之填充材料填充封閉混合容器10之至少部分，該等具有變化之形狀及大小之物件在氣泡上升至頂部時形成該等氣泡所遵循之隨機路徑(參見圖2A中之虛線箭頭)。常用隨機填充之實例係具有變化之直徑之玻璃珠。在本發明之另一實施例中，內部混合構件包括填充床。結構填充亦增加停留時間及氣泡之間接觸之可能性，但與隨機填充之不同在於結構填充具有有序配置使得路徑中之大部分具有類似形狀及大小(參見圖2B中之虛線箭頭)。舉例而言，使用波狀金屬板13 (圖2B)提供結構路徑陣列而非隨機路徑陣列。在本發明之另一實施例中，內部混合構件包括結構床。圖2A及圖2B作為隨機填充及結構填充之經簡化實例提供且不應視為以任何方式限制本發明。並且，雖然各圖中未展示，但需要使用此項技術中已知的構件將隨機填充及結構填充支撐於氣體混合器內。本發明亦預期動力驅動混合器之使用，此可藉由在容器內形成流來促進相互作用。葉輪包含由馬達驅動之旋轉組件14 (由實線圓形箭頭展示旋轉方向)，該等葉輪可將不可燃液體及相關聯氣體氣泡驅迫至外側壁且遠離旋轉中心。取決於設計葉輪可形成軸向流或徑向流，且可進一步分類為螺旋槳、槳或渦輪機(參見圖2C中之氣體混合器之任一側上之虛線箭頭)。此外，葉輪之位置可由於貫穿混合區8之垂直移動而經受改變。葉輪之馬達驅動泵送進一步改良混合。在本發明之另一實施例中，封閉混合容器10進一步包括葉輪。類似於封閉混合容器10，內部混合構件(無論靜態混合器、隨機或結構填充或葉輪)可由與待混合之烴化學相容之任何材料構成。封閉混合容器10之形狀及設計影響停留時間。容器之整體形狀並非係關鍵的，但氣體進入與排出混合區8之位置之間的距離係關鍵的。封閉混合容器10中之氣體與水之間的第一接觸之點應距頂部一距離，該距離允許准許在移除之前完成完成混合之停留時間。在本發明之較佳實施例中，理想進入點靠近容器之底部。其中含有氣體之線進入容器不重要，只要噴嘴(氣體接觸容器中之水之點)處於停留時間充足之位置即可。舉例而言，在圖3中，將含烴氣體及氣態氧化劑饋送進入封閉混合容器10之線靠近頂部端9，但引入氣體之噴嘴4及5靠近底部端7。用於氣體之最佳混合之另一考量係其上方分散氣體之表面面積。分散之較大表面面積促進較佳混合。雖然透過單個入口注入係可行的(前提係充足停留時間)，但當在較大表面面積上方分散較大數目個較小氣泡時發生較充分混合。具有多個含烴氣體供應噴嘴及多個氣態氧化劑供應噴嘴允許將氣體中之每一者引入多個位置中。相反地，單個噴嘴可包括氣體可進入容器之多個引出點，此與自具有單個引出點之噴嘴分散相比有效地在較大表面面積上方分散氣體。在本發明之實施例中，含烴氣體供應噴嘴4及氣態氧化劑供應噴嘴5中之至少一者包括噴霧器。在本發明之另一實施例中，含烴氣體供應噴嘴4與氣態氧化劑供應噴嘴5配置為呈同心環形式之噴霧器。舉例而言，在圖4A及圖4B中，含烴氣體供應噴嘴4包括圓形噴霧器，該圓形噴霧器大於氣態氧化劑供應噴嘴5且環繞氣態氧化劑供應噴嘴5，氣態氧化劑供應噴嘴5亦係圓形的且配合於含烴氣體供應噴嘴4內側。此外，含烴氣體及來自其各別噴嘴之氣態氧化劑之引出點經配置使得氣體流彼此碰撞，在引入至混合器中之後儘可能早地起始混合(參見圖4A)。氣體供應噴嘴之配置並不限於此處所提供之實例。亦預期具有替代氧及含烴氣體供應噴嘴之一系列同心環。緊急停機本發明之另一實施例係關於氧化反應方法所共有之緊急停機程序。眾所周知，當在氧化反應方法中發生不想要狀況時，可起始緊急停機程序來限制對裝備之損壞、降低人身傷害之可能性且防止或最小化化學品至周圍環境中之釋放。已知緊急停機程序包含停止添加反應物而同時將惰性材料(諸如氮)之流提供至反應區以自反應器置換反應物。參見DeCourcy及Le之受讓於美國羅門哈斯公司(Rohm and Haas Company)之美國專利第7,414,149號為實例。在本發明中，預期對於額外安全組件可包含位於靠近頂部端且高於液體位準之惰性材料入口以用於引入惰性材料之流。另外，可在氣體混合器之頂部端附近包含通往任何已知爆炸抑制系統之抑制出口。當在氧化方法中之任何點處偵測到不安全操作條件時，可起始惰性材料流動穿過惰性材料入口同時可打開抑制出口。此等事件可與烴與氧化劑反應物之還原或終止協調。最終結果係將混合器內之任何經混合氣體移至爆炸抑制系統或移至氧化方法之下游組件。惰性材料之流充當稀釋劑且促進沿單個方向之移動使得防止材料自氧化反應器回流至氣體混合器中。在本發明之實施例中，氣體混合器進一步包括惰性材料入口，該惰性材料入口位於靠近氣體混合器之頂部端，用於將惰性材料引入至氣體混合器中，高於不可燃液體之位準，及用於移除氣態混合物之抑制出口，該抑制出口位於靠近氣體混合器之頂部端且通往爆炸抑制系統。用於混合含烴氣體與氣態氧化劑之方法本發明係與需要混合含烴氣體與氣態氧化劑之應用相關。眾所周知，含有落在可燃範圍內之比率的烴及氧之氣態組成物係潛在危險的。引燃事件(諸如火花)可引燃混合物且潛在地導致爆炸。雖然需要烴與氧之混合之應用通常以安全且不易於引燃之比率來混合烴與氧，但在初始混合期間存在不利氫/氧組成物之異質氣囊存在之時刻且若發生火花便可引燃。本發明旨在提供用於混合含烴氣體與氣態氧化劑之簡單且安全(在於不可能發生引燃事件)方法。該方法包括將含烴氣體及氣態氧化劑單獨且同時地直接引入至具有頂部端及底部端且充滿不可燃液體之封閉混合容器中，成極接近底部端，從而允許氣體氣泡混合同時被不可燃液體環繞，及在混合完成之後自容器之頂部移除成在可燃範圍之外之比率的含烴氣體與氣態氧化劑之均質混合物。在實施本發明時，引入至封閉混合容器10之底部端中之氣體之量必須導致最終組成物，該組成物包括在可燃範圍外的含烴氣體對氣態氧化劑之比率。所選擇比率將取決於氣體之性質及將使用混合物之應用。舉例而言，針對ODH應用，乙烷對氧之比率之選擇將取決於在所提議ODH反應條件下比率是否高於較高爆炸上限或低於爆炸下限。相比之下，添加至反應器之乙烯對氧之比率將不同，此乃因乙烯比乙烷更具反應性。亦必須考量所採用之ODH方法之溫度，此乃因較高溫度對應於乙烷對氧之安全比率的小得多的窗口期。舉例而言，對於催化ODH，乙烷對氧約80：20之莫耳比率將落在高於爆炸上限，而乙烷對氧約1.5：98.5之比率將落在低於爆炸下限，其中每一比率足夠安全，此乃因在ODH反應條件下引燃事件將不導致爆炸或火焰傳播。落在爆炸上限與爆炸下限之間的比率(舉例而言50：50)將係不安全的且潛在地可燃/爆炸。在判定烴對氧之所要最終比率之後的下一考量係判定每一氣體添加至封閉混合容器10之底部所以之流動速率。氣體之流動速率及對應壓力將需要高於封閉混合容器10中之不可燃液體之壓力。在不存在壓力差之情況下，氣體無法進入封閉混合容器10及因此混合區8。此外，若不可燃液體之壓力高於含有待引入氣體之線，則在不存在單向閥之情況下，不可燃液體可回流至氣體供應線中。此應被避免。在判定流動速率時，技術工人必須使流動速率與封閉混合容器10內使用之壓力及溫度相關聯。封閉混合容器10內之條件經選擇以將不可燃液體之攜帶量反映至透過混合氣體移除出口6移除之氣體混合物中。傳入氣體之流動速率必須足以允許以預判定溫度及壓力進入至不可燃液體中。作為進一步安全預警，本發明亦預期在氣態氧化劑進入至封閉混合容器10之前用不可燃液體稀釋氣態氧化劑。氣態氧化劑之先前稀釋准許傳入氧分子與不可燃液體之分子之飽和，此阻止引燃在混合之早期階段期間與氧相互作用之任何烴之引燃事件。可藉由將不可燃液體線在氣態氧化劑噴嘴之前引導至氣態氧化劑線線來實現用不可燃液體稀釋氣態氧化劑。封閉混合容器10內存在之經由出口3噴出之不可燃液體可適合用於此目的，前提係此不可燃液體穿過過濾器以在引入至氣態氧化劑線之前移除微粒物質。在本發明之實施例中，在氣態氧化劑引入至封閉混合容器10中之前用不可燃液體來稀釋氣態氧化劑。氣體混合器之選擇及封閉混合容器之相關聯設計應考量上文所論述之因素。氣體混合器必須允許停留時間，該停留時間允許完成或接近完成混合以形成氣體之均質組成物，該均質組成物中不存在具有烴對氧之不想要比率之氣體之潛在不安全氣囊。最終考量係自封閉混合容器之頂部移除混合氣體，此可利用此項技術中眾所周知的用於移除之任何種類之構件來完成。氧化脫氫石蠟對烯烴之氧化脫氫係當前所使用之高成本、能量密集及環境不友好熱裂解方法之替代方案。在ODH中，在存在氧之情況下，使一或多種烷烴之流通過觸媒以產生對應烯烴及在下游處理步驟中可移除之各種副產物。由於在ODH中石蠟至烯烴轉化係藉由觸媒輔助，因此所需操作溫度顯著地低於熱裂解所需之溫度。並且，針對乙烷至乙烯之轉化，ODH提供較高轉化及選擇性速率。儘管具有此等優點，但由於反應之熱失控及隨之發生之爆炸之風險，因此ODH不被商業採用。此風險係由於需要將含烴氣體與氧或氣態氧化劑之混合。本文中所提供係用於將石蠟氧化脫氫成對應烯烴之方法。更具體而言，本文中所提供係用於將乙烷氧化脫氫成乙烯之方法，其包括：在封閉混合容器中以落在可燃範圍外之比率混合乙烷與氧；使乙烷與氧之混合物穿過熱交換器以將溫度上升至至少250℃；將經加熱混合物引入至含有ODH觸媒之ODH反應器以產生乙烯、一氧化碳、二氧化碳、水、乙酸、最小烴及可能O₂ ；將該等產物引導穿過驟冷塔以移除水及乙酸；將剩餘產物引導穿過胺洗以移除二氧化碳；及最終穿過去甲烷塔以移除甲烷。藉由使用氣體混合器及上文所論述之混合含烴氣體與氣態氧化劑之方法，最小化催化ODH之固有風險。進入反應器之乙烷與氧之混合物在可燃範圍外使得不可能發生熱失控及隨之發生之爆炸。此外，藉由預混合氣體，使用者可由於乙烷、氧混合物之均質性質來確保一致轉化。實例在乙烷與氧之混合物中，在25℃下，由呈乙烷對氧之莫耳％之比率定義之爆炸上限(UEL)係大約62.18至32.81 (其中差額係呈蒸汽水之形式)或1.90至1。使用可獨立控制溫度及壓力之理論混合器之模型來預測UEL下之乙烷對氧之比率可在溫度及壓力之範圍內維持。在每一溫度及壓力下，存在包含離開液相且進入汽相之水之分率。藉由控制溫度及壓力，可操縱蒸汽水之攜帶。表1展示各種溫度及壓力下之水、乙烷及氧之混合物之分率。隨著溫度及壓力增加氣相內之水之分率減小。此外，在所列舉之溫度及壓力下，不突破UEL。亦即，氧之莫耳％不超出62.81。表1隨溫度及壓力變化之乙烷、氧及水之經計算莫耳分率

1‧‧‧氣體混合器

2‧‧‧噴嘴/入口

3‧‧‧出口

4‧‧‧含烴氣體供應噴嘴/噴嘴

5‧‧‧氣態氧化劑供應噴嘴/噴嘴

6‧‧‧混合氣體移除線/混合氣體移除出口

7‧‧‧底部端

8‧‧‧混合區/區

9‧‧‧頂部端

10‧‧‧封閉混合容器/混合容器

12‧‧‧物件

13‧‧‧波狀金屬板

14‧‧‧旋轉組件

15‧‧‧次級含烴氣體供應噴嘴/產物供應噴嘴/含烴氣體供應噴嘴

圖1係本發明之氣體混合器之示意圖。圖2A係其中內部混合構件包括隨機填充之實施例中之由圖1中之虛線框指示的氣體混合器之分段之剖面側視圖。圖2B係其中內部混合構件包括結構填充之實施例中之由圖1中之虛線框剖指示的氣體混合器之分段之面側視圖。圖2C係其中內部混合構件包括葉輪之實施例中之由圖1中之虛線框指示的氣體混合器之分段之剖面側視圖。圖3係其中供應噴嘴在氣體混合器之頂部端處進入之實施例中之氣體混合器之示意圖示。圖4A係其中供應噴嘴包括圓形同心噴霧器之實施例中之氣體混合器之部分之剖面圖。圖4B係其中供應噴嘴包括圓形同心噴霧器之實施例中之透過來自圖4A之虛線截取之氣體混合器之剖面俯視圖。

Claims

一種用於混合含烴氣體與氣態氧化劑之氣體混合器，其包括： i) 封閉混合容器，其具有頂部端、底部端且充滿不可燃液體； ii) 液體供應噴嘴，其用於將不可燃液體引入至該封閉混合容器中，極接近該頂部端； iii) 排液連接，其用於自該封閉混合容器移除不可燃液體，位於極接近該底部端之最低點； iv) 至少一個含烴氣體供應噴嘴，其用於將含烴氣體引入至該封閉混合容器中，靠近該底部端； v) 至少一個氣態氧化劑供應噴嘴，其用於將氣態氧化劑引入至該封閉混合容器中，靠近該底部端； vi) 至少一個構件，其在該封閉混合容器內用於所引入含烴氣體與所引入氣態氧化劑之內部混合；及 vii) 混合氣體出口，其位於極接近該頂部端之最上部點；其中該封閉混合容器內之不可燃液體之位準處於足以允許該所引入含烴氣體與該氣態氧化劑在到達該頂部端之前進行混合之高度，使得排出該不可燃液體之氣體氣泡包括在可燃界限外的含烴氣體與氣態氧化劑之混合物。
如請求項1之氣體混合器，其中該不可燃液體係水。
如請求項1之氣體混合器，其中用於內部混合之該構件選自包括以下各項之群組： i) 靜態混合器； ii) 填充床； iii) 結構床；及 iv) 葉輪。
如請求項1之氣體混合器，其中該含烴氣體供應噴嘴及該氣態氧化劑供應噴嘴中之至少一者連接至噴霧器。
如請求項1之氣體混合器，其中該含烴氣體供應噴嘴及該氣態氧化劑供應噴嘴中之至少一者包括充氣器噴嘴。
如請求項1之氣體混合器，其進一步包括： i) 冷凝器，其在該混合氣體出口之下游，用於冷凝該氣態混合物中存在之氣態污染物，包含氣態不可燃液體； ii) 再循環線，其用於將不可燃液體自該冷凝器引導回至該封閉混合容器，其中該不可燃液體係在極接近該頂部端重新引入。
如請求項1之氣體混合器，其進一步包括至少一個次級烴供應噴嘴，該至少一個次級烴供應噴嘴用於經由產物再循環線將來自氧化類型反應方法之含烴氣體、產物流引入至該封閉混合容器中，或在遠離該底部端之位置處將含烴氣體、產物流引入至該封閉混合容器中。
如請求項1或7之氣體混合器，其中該含烴氣體係乙烷且該氧化類型反應方法係ODH反應方法。
如請求項1或7之氣體混合器，其進一步包括用於控制該封閉混合容器中之該不可燃液體之溫度之構件，該構件選自包括以下各項之群組： i) 熱，其來自該產物再循環線； ii) 外部加熱器；及 iii) 內部加熱器。
如請求項1或7之氣體混合器，其進一步包括： i) 惰性材料入口，其位於靠近該頂部端，用於將惰性材料引入至該氣體混合器中，高於該不可燃液體之該位準；及 ii) 抑制出口，其位於靠近該頂部端且通往爆炸抑制系統以用於自高於該不可燃液體之該位準移除氣態混合物。
一種在充滿不可燃液體且具有底部端、頂部端及內部混合構件之封閉混合容器內混合含烴氣體與氣態氧化劑之方法，其中該所得氣態混合物係均質的且包括在可燃範圍(flammability envelope)外之含烴氣體對氣態氧化劑之比率，該方法包括： i) 在極接近該封閉混合容器之該底部端引入含烴氣體； ii) 與含烴氣體同時地，在極接近該封閉混合容器之該底部端引入氣態氧化劑；及 iii) 在極接近該封閉混合容器之該頂部端回收含烴氣體與氣態氧化劑之均質氣態混合物；其中不可燃液體之該位準與該內部混合構件一起提供充足停留時間且促進含烴氣體之氣泡與氣態氧化劑之間的相互作用，使得排出該不可燃液體之該氣體包括在可燃界限外的含烴氣體與氣態氧化劑之混合物。
如請求項11之方法，其中該不可燃液體係水。
如請求項11之方法，其中該含烴氣體包括乙烷。
如請求項11之方法，其中該含烴氣體包括甲烷。
如請求項11之方法，其中使該所得氣態混合物穿過冷凝器以移除可再循環回至該封閉混合容器之氣態不可燃液體及可被摒棄之其他氣態污染物。
如請求項11之方法，其中將來自ODH方法之產物流、乙烷或兩者之組合在遠離該底部端之位置處引入至該封閉混合容器中。
如請求項11之方法，其中在將該氣態氧化劑引入至該封閉混合容器中之前用水稀釋該氣態氧化劑。
一種用於將乙烷氧化脫氫為乙烯之方法，該方法包括： i) 在封閉混合容器中將含乙烷氣體與氣態氧化劑混合； ii) 使來自i)之該混合物穿過熱交換器以將溫度上升至至少250℃； iii) 將來自ii)之該混合物引入至含有ODH觸媒之ODH反應器中，產生含有未反應之乙烷、CO、C₂ H₄ 、CO₂ 、H₂ O、CH₃ COOH、最小烴及可能O₂ 之產物流； iv) 將來自iii)之產物流引導穿過驟冷塔以移除H₂ O及CH₃ COOH； v) 將來自iv)之產物流引導穿過至少一個胺洗以移除CO₂ ；及 vi) 將來自v)之產物流引導穿過去甲烷塔(蒸餾塔)以自該產物流進行分離。
如請求項18之方法，將其中來自iii)、iv)、v)或vi)中之任何者之該產物流再循環回至該封閉混合容器。