TW202313528A - 用於執行甲烷的氧化耦合的方法及系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種使用低溫氣體混合物進料執行甲烷之氧化耦合(OCM)反應以產生C 2+化合物之方法。該方法包括將溫度小於或等於300℃之含有甲烷、氧、氫及一氧化碳之氣體混合物進料引入OCM反應器之入口，該OCM反應器含有燃燒觸媒及OCM觸媒。使用該燃燒觸媒燃燒該氣體混合物進料之至少一部分以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物。該經加熱氣體混合物與該OCM觸媒接觸以啟動OCM反應並產生OCM流出物，其包括C 2+化合物。本發明亦提供一種使用低溫原料氣體混合物執行OCM反應之系統。

Description

用於執行甲烷的氧化耦合的方法及系統
本發明係關於用於執行甲烷之氧化耦合反應以產生C 2+化合物之方法及系統。更特定言之，本發明係關於使用低溫氣體混合物進料執行甲烷之氧化耦合反應以產生C 2+化合物之方法及系統。
眾所周知可使用甲烷及氧以經由甲烷之氧化耦合(OCM)反應產生C 2+化合物(例如，乙烯、乙烷)。儘管在過去數十年間，吾人已對OCM技術進行廣泛之研究及研發，但可行之OCM方法尚未商業化。
在達成商業上可行之OCM方法之過程中需克服之主要障礙之一係使OCM反應進行所需之高點火及反應溫度。執行OCM反應之習知方法通常利用高溫爐以將反應物進料預熱至點火或「起燃」OCM觸媒所需之溫度來啟動該OCM反應。該高溫爐之操作可為相當昂貴的且亦產生排放源，因為該高溫爐燃燒燃料(例如，天然氣)以產生所需熱量。
此外，在起燃OCM觸媒並進行OCM反應所需之高溫下混合反應物進料(即，含有甲烷之進料及含有氧之進料)可產生潛在方法安全性及操作問題。例如，在高溫下混合該等反應物進料可在到達OCM觸媒床之前引起混合反應物氣體進料之點火。此過早點火可引起對反應器及該OCM觸媒床之損壞。對該觸媒之損壞可阻礙該觸媒起燃並啟動該OCM反應之能力。此外，該混合反應物氣體進料之過早點火可由於甲烷轉化為二氧化碳及一氧化碳而非所需之C 2+產物而降低該OCM反應之選擇性。另外，範圍廣泛之方法擾動(例如，流動擾動、溫度偏差)可導致該混合反應物氣體進料之過早點火。因此，在起燃該OCM觸媒並進行該OCM反應所需之高溫下混合該等反應物進料可導致方法安全性問題。
本文揭示使用低溫氣體混合物進料執行甲烷之氧化耦合反應以產生C 2+化合物之方法及系統。藉由在低溫(即，300℃或更小)下提供該氣體混合物進料，方法安全性係藉由避免與在高溫(例如，450℃或更大)下混合該甲烷及氧反應物進料相關聯之前述問題改善。另外，使用低溫氣體混合物進料執行甲烷之氧化耦合反應避免對高溫進料加熱器爐之需求並消除該方法中與爐相關聯之空氣排放。此外，若氫、一氧化碳或兩者初始優先燃燒成甲烷，則本發明之方法及系統可促進OCM反應之C 2+選擇性。
根據本揭示內容之發明，提供一種執行甲烷之氧化耦合(OCM)反應以產生C 2+化合物之方法。該方法包括將包含甲烷(CH 4)、氧(O 2)、氫(H 2)及一氧化碳(CO)且溫度小於或等於300℃之氣體混合物進料引入OCM反應器之入口。該OCM反應器包括燃燒觸媒及OCM觸媒。該方法亦包括使該燃燒觸媒與該氣體混合物進料接觸以燃燒該氣體混合物進料之至少一部分以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物。該經加熱氣體混合物與該OCM觸媒接觸以啟動OCM反應並產生OCM流出物，其包含(i) C 2+化合物，包括乙烯及乙烷，及(ii)非C 2+雜質，包含CO、CH 4、H 2及二氧化碳(CO 2)中之一或多者。
根據本揭示內容之發明，提供一種執行甲烷之氧化耦合(OCM)反應以產生C 2+化合物之方法。該方法包括將溫度為0℃至250℃之含有氧(O 2)之氧化劑流與溫度小於或等於300℃之包含甲烷(CH 4)、一氧化碳(CO)及氫(H 2)之烴流混合以形成溫度小於或等於300℃之氣體混合物進料。接著，將該氣體混合物進料引入OCM反應器之入口。該OCM反應器包括燃燒觸媒及OCM觸媒。該方法亦包括使該燃燒觸媒與該氣體混合物進料接觸以燃燒該氣體混合物進料之至少一部分以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物。該經加熱氣體混合物與該OCM觸媒接觸以啟動OCM反應並產生OCM流出物，其包含(i) C 2+化合物，包括乙烯及乙烷，及(ii)非C 2+雜質，包含CO、CH 4、H 2及二氧化碳(CO 2)中之一或多者。
根據本揭示內容之發明，提供一種用於執行甲烷之氧化耦合(OCM)反應以產生C 2+化合物之系統。該系統包含OCM反應器，該OCM反應器包括燃燒觸媒及OCM觸媒。該OCM反應器接收小於或等於300℃之溫度的包含甲烷(CH 4)、氧(O 2)、氫(H 2)及一氧化碳(CO)之氣體混合物進料。該燃燒觸媒促進該氣體混合物進料之至少一部分之燃燒以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物。該OCM觸媒在與該經加熱氣體混合物接觸時啟動OCM反應以產生OCM流出物，其包含(i) C 2+化合物，包括乙烯及乙烷，及(ii)非C 2+雜質，包含CO、CH 4、H 2及二氧化碳(CO 2)中之一或多者。
本發明之其他態樣及優點將從以下描述中顯而易見。
本文描述使用低溫氣體混合物進料執行甲烷之氧化耦合反應以產生C 2+化合物之方法及系統。根據本揭示內容之發明，甲烷之氧化耦合(OCM)反應係利用溫度小於或等於300℃之氣體混合物進料執行。藉由避免與在高溫(例如，450℃或更大)下混合甲烷及氧相關聯之問題，本發明之方法及系統改善OCM方法之整體安全性。另外，本發明之方法及系統避免對習知OCM方法中通常使用之高溫爐或預熱器之需求，此藉此消除該方法中相關聯之爐/預熱器空氣排放。此外，本發明之方法及系統藉由優先燃燒該氣體混合物進料中之氫、一氧化碳或兩者而非甲烷可促進OCM反應之C 2+選擇性。
如本文使用之術語「OCM反應」一般係指產生乙烯(C 2H 4)之甲烷之氧化耦合反應或過程。OCM反應可包括甲烷氧化為烴及水且涉及放熱反應。於OCM反應中，甲烷可部分氧化為一或多種C 2+化合物，諸如乙烯。在一實例中，OCM反應係2 CH 4+ O 2→ C 2H 4+ 2 H 2O。OCM反應可產生C 2+化合物。OCM反應可由OCM觸媒，諸如異質觸媒促進。OCM反應之另外副產物可包括CO、CO 2及H 2。乙烷亦可在OCM反應中於該OCM觸媒上反應以形成乙烯。
如本文使用之術語「C 2+」及「C 2+化合物」一般係指包含兩個或更多個碳原子(例如，C 2、C 3等)之化合物。C 2+化合物包括(但不限於)含有兩個或更多個碳原子之烷烴、烯烴及炔烴。C 2+化合物之實例包括乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔等等。同樣地，如本文使用，術語「C 3+」及「C 3+化合物」一般係指包含三個或更多個碳原子(例如，C 3、C 4、C 5等)之化合物。C 3+化合物包括(但不限於)含有兩個或更多個碳原子之烷烴、烯烴及炔烴。C 3+化合物之實例包括丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯等等。
如本文使用之術語「非C 2+雜質」一般係指不包括C 2+化合物之材料。某些OCM反應產物流或流出物中可找到之非C 2+雜質之實例包括(但不限於)氮(N 2)、氧(O 2)、水(H 2O)、氬(Ar)、氫(H 2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO 2)及甲烷(CH 4)。
如本文使用之術語「C 2+選擇性」一般係指轉化為C 2+化合物(例如，乙烯、乙烷)之甲烷中碳之莫耳百分比。
如本文使用之術語「單元」一般係指單元操作。單元操作可為一種方法中之一或多個基本操作。一個單元可具有一或多個子單元(或子系統)。單元操作可涉及物理變化或化學轉化，諸如分離、結晶、蒸發、過濾、聚合、異構化、其他反應，或其組合。一單元可包括一或多個單獨組件。例如，一分離單元可包括一或多個分離管柱，或一胺單元可包括一或多個胺管柱。
如本文使用，術語「絕熱」係指一種經歷與周圍環境之熱能互換或交換最小或理想情況下無互換或交換之系統。如本文使用，「絕熱」容器(例如反應器)及據說在「絕熱」條件下操作之容器係指無專門用於自該系統移除或對該系統添加熱能之容器。儘管存在前述規定，但將認知經審慎考慮該容器與其環境之間的偶然熱傳遞於前述定義之內文中。一般而言，在使用絕熱容器以容納釋放熱能之反應(即，「放熱」反應)之情況下，添加至該容器之反應物與自該容器移除之產物之間將維持正溫度分佈。換而言之，自該容器移除之產物之溫度將一般高於引入該容器之反應物之溫度，因為由該反應釋放之熱能僅可大體上由該反應之產物移除。
如本文使用之術語「大體上無CO 2」一般係指小於1%，包括小於0.5%、小於0.25%、小於0.1%、小於0.05%，及亦包括0%之CO 2莫耳百分比。
如本文使用之術語「大體上乾燥」一般係指小於1%，包括小於0.5%、小於0.25%、小於0.1%、小於0.05%，及亦包括0%之H 2O莫耳百分比。
根據本發明，已發現OCM反應可利用溫度為300℃或更小之氣體混合物進料藉由使用燃燒觸媒以在該經加熱氣體混合物與OCM觸媒接觸時將該氣體混合物進料自動加熱至足以啟動OCM反應之溫度執行。本發明之方法及系統相較於已知OCM方法及系統具有數個優點，包括藉由在低溫(即，300℃或更小)下使用含有甲烷及氧之氣體混合物進料改善方法安全性、更少之資本設備及排放(即，無高溫爐/預熱器或相關聯之排放)，及該OCM反應之良好C 2+選擇性。
現將參考圖式以進一步描述本發明之方法及系統。將認知其中之圖式及特徵未必按比例繪製。於該等圖式中，流體流動之方向係由箭頭指示。流體在閥門及流體流動系統之幫助下可自一個單元引導至另一單元。如熟習此項技術者將認知，此等流體流動系統可包括壓縮機及/或泵，及用於調節流體流動之控制系統。
現參考圖1，顯示一種根據本發明之用於執行OCM反應以產生C 2+化合物，包括乙烯(C 2H 4)之系統100。該系統100包括OCM反應器10，該OCM反應器包含燃燒觸媒12及OCM觸媒14。在某些態樣中，該系統100可包括一或多個串聯及/或並聯之OCM反應器10。在某些態樣中，該OCM反應器10係絕熱反應器。在某些態樣中，該OCM反應器10在絕熱條件下操作。在某些態樣中，該OCM反應器10係等溫反應器。在某些態樣中，該OCM反應器10在等溫條件下操作。該OCM反應器10可在0 kPa (表壓)至2,000 kPa (表壓)之壓力下操作，包括100 kPa (表壓)至2,000 kPa (表壓)之壓力、250 kPa (表壓)至2,000 kPa (表壓)之壓力、500 kPa (表壓)至2,000 kPa (表壓)之壓力、700 kPa (表壓)至1,500 kPa (表壓)之壓力，及亦包括750 kPa (表壓)至1,250 kPa (表壓)之壓力。
如圖1中可見，OCM反應器10於該OCM反應器10之入口處接收氣體混合物進料20。該氣體混合物進料20包含甲烷(CH 4)、氧(O 2)、氫(H 2)及一氧化碳(CO)。該氣體混合物進料20可藉由將包含CH 4、H 2及CO之烴流22及包含O 2之氧化劑流24混合在一起形成。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該氧化劑流24係由空氣分離單元產生之氣流或O 2流提供。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該氧化劑流24進一步包含蒸汽，其可經由管線26注入或以其他方式添加至該氧化劑流24內。在某些態樣中，該烴流22係於混合裝置30中與該氧化劑流24混合。該混合裝置30可為適用於將包含烴之第一氣流及包含氧之第二氣流混合在一起之任何已知裝置，諸如，例如而言，美國專利第3,706,534號中描述之混合裝置。在某些態樣中，該混合裝置30包含製程用配管或混合三通。
根據本發明之方法及系統，在小於或等於300℃之溫度下將氣體混合物進料20引入OCM反應器10中。在某些態樣中，在200 kPa (表壓)至1,400 kPa (表壓)之壓力下，包括500 kPa (表壓)至1,200 kPa (表壓)、600 kPa (表壓)至1,100 kPa (表壓)、700 kPa (表壓)至1,000 kPa (表壓)之壓力，及亦包括750 kPa (表壓)至950 kPa (表壓)之壓力，將該氣體混合物進料20引入該OCM反應器10中。在某些態樣中，該氣體混合物進料20於該OCM反應器10之入口處具有15℃至300℃之溫度，包括50℃至300℃、100℃至300℃、100℃至250℃、100℃至225℃、100℃至200℃、100℃至175℃、100℃至150℃、100℃至125℃、125℃至300℃、150℃至300℃、175℃至300℃、200℃至300℃、225℃至300℃、250℃至300℃之溫度及該OCM反應器10之入口處亦包括275℃至300℃之溫度。在某些態樣中，用以形成該氣體混合物進料20之烴流22具有小於或等於300℃之溫度，包括15℃至300℃、25℃至300℃、50℃至300℃、75℃至300℃、100℃至300℃、125℃至250℃、150℃至225℃、175℃至200℃、15℃至250℃、15℃至200℃、15℃至150℃、15℃至100℃、15℃至75℃之溫度，及亦包括15℃至50℃之溫度。在某些態樣中，用以形成該氣體混合物進料20之氧化劑流24具有0℃至250℃之溫度，包括10℃至250℃、20℃至250℃、30℃至200℃、30℃至150℃、30℃至100℃、30℃至50℃、40℃至250℃、100℃至250℃、150℃至250℃、200℃至250℃、0℃至50℃之溫度，及亦包括0℃至30℃之溫度。
藉由在相對低溫度下向OCM反應器10提供氣體混合物進料20，本發明之方法及系統藉由基本上消除該氣體混合物進料20過早點火之機會改善OCM方法之安全性。儘管有利，但該氣體混合物進料20之低溫對成功執行OCM反應，即達成起燃或活化OCM觸媒14以啟動OCM反應所需之最低溫度造成障礙。取決於該OCM觸媒14，達成起燃並啟動OCM反應需至少450℃ (例如，450℃至700℃)且更通常500℃至700℃之最低溫度。
因此，為克服此障礙，本發明之方法及系統利用燃燒觸媒12以於OCM反應器10內自動加熱氣體混合物進料20。當與該氣體混合物進料20接觸時，該燃燒觸媒12促進該氣體混合物進料20之至少一部分之燃燒以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物。在本發明之方法及系統之某些態樣中，當與該氣體混合物進料20接觸時，該燃燒觸媒12促進該氣體混合物進料20之至少一部分之燃燒以產生溫度為450℃至700℃，包括溫度為500℃至700℃、500℃至650℃、溫度為500℃至600℃，及亦包括溫度為525℃至600℃之經加熱氣體混合物。因此，該燃燒觸媒12可用以在該OCM反應器10之入口處該氣體混合物進料20之溫度與150℃至600℃之經加熱氣體混合物之溫度之間產生溫差，包括200℃至550℃、250℃至550℃、300℃至500℃之溫差，及亦包括350℃至500℃之溫差。
燃燒觸媒12可為現已知或未來已知可燃燒氣體混合物進料20 (例如，H 2、CO、CH 4)之一或多種組分之至少一部分之任何觸媒組合物。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該燃燒觸媒12包含金屬、金屬氧化物或混合金屬氧化物中之至少一者。適用於用作本發明之燃燒觸媒12之例示性金屬、金屬氧化物及混合金屬氧化物包括(但不限於)鉑、氧化鉑、鉻、氧化鉻(II)、氧化鉻(III)、氧化鉻(VI)、銅、氧化銅(I)、氧化銅(II)、氧化銅(III)、鈀、氧化鈀(II)、鈷、氧化鈷(II)、氧化鈷(III)、鐵、氧化鐵(II)、氧化鐵(III)、錳、氧化錳(II)、氧化錳(III)、金、氧化金(III)、鈰、氧化鈰(IV)、錫、氧化錫(II)、氧化錫(IV)、鉍、氧化鉍(III)、銦、氧化銦(III)、鉬、氧化鉬(IV)、氧化鉬(VI)、銻、氧化銻(III)、鑭、氧化鑭(III)、鋁、銀、鋨、鎢、鉛、鋅、鎳、銠、釕、鉈、碲、鍺、釓、Bi 2Mo 3O 12、In 2Mo 3O 12、Al 2Mo 3O 12、Fe 2Mo 3O 12、Cr 2Mo 3O 12、La 2Mo 3O 12、Ce 2Mo 3O 12或其組合。在某些態樣中，本發明之方法及系統中使用之燃燒觸媒12可以蓬鬆觸媒、聚結觸媒、燒結觸媒、壓製或以其他方式形成各種形狀，諸如環、鞍形、輻條輪、雪花，及提供高曝露表面積與體積比之類似物之觸媒的形式。在某些態樣中，本發明之方法及系統中使用之燃燒觸媒12可固定、結合或以其他方式附接至可為或可不為惰性之基板或撐體，其為該觸媒提供結構強度及/或形式。該燃燒觸媒12可固定、結合或以其他方式附接之例示性基板或撐體包括(但不限於)二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化鈰、氧化鉿、堇青石、碳化矽、氫氧化鋁、鋁酸鈣(例如，鋁酸三鈣、鋁酸一鈣)及沸石(例如，ZSM-5沸石、Y沸石、MCM-41沸石)。
在本發明之方法及系統之某些態樣中，燃燒觸媒12選擇性或優先燃燒H 2、CO或兩者而非CH 4。此燃燒觸媒12在下文中稱為「選擇性燃燒觸媒」。該選擇性燃燒觸媒可包含選擇性或優先燃燒H 2、CO或兩者而非CH 4之上文描述之金屬、金屬氧化物或混合金屬氧化物中之任一者或組合。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該選擇性燃燒觸媒包含鉑、鈀、金、鉍、錫、鉑-金、鉑-錫、氧化鈀(II)、釕、氧化鉍(III)、氧化銻(III)、氧化銦(III)、氧化鉬(VI)、Bi 2Mo 3O 12、In 2Mo 3O 12、Al 2Mo 3O 12、Fe 2Mo 3O 12、Cr 2Mo 3O 12、La 2Mo 3O 12、Ce 2Mo 3O 12，或其組合中之至少一者。在某些態樣中，該選擇性燃燒觸媒可以蓬鬆觸媒、聚結觸媒、燒結觸媒、壓製或以其他方式形成各種形狀，諸如環、鞍形、輻條輪、雪花，及提供高曝露表面積與體積比之類似物之觸媒的形式。在某些態樣中，該選擇性燃燒觸媒可固定、結合或以其他方式附接至可為或可不為惰性之基板或撐體，其為該觸媒提供結構強度及/或形式。該選擇性燃燒觸媒可固定、結合或以其他方式附接之例示性基板或撐體包括(但不限於)二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化鈰、氧化鉿、堇青石、碳化矽、氫氧化鋁、鋁酸鈣(例如，鋁酸三鈣、鋁酸一鈣)及沸石(例如，ZSM-5沸石、Y沸石、MCM-41沸石)。
藉由使用選擇性燃燒觸媒，當自熱升高氣體混合物進料20之溫度時，消耗或燃燒該氣體混合物進料20中較少之CH 4，此導致更多之CH 4可用以參與OCM反應。因此，可維持或改善用於將CH 4轉化為C 2+化合物之OCM反應之選擇性(即，C 2+選擇性)。
在本發明之方法及系統之某些態樣中，OCM反應具有至少35%、至少40%、至少45%、至少50%、至少55%、至少60%、至少65%或至少70%之C 2+選擇性。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該OCM反應具有35%至85%之C 2+選擇性，包括40%至85%、50%至85%、60%至85%之C 2+選擇性，及亦包括70%至85%之C 2+選擇性。
除燃燒觸媒12外，OCM反應器10亦包括OCM觸媒14來促進OCM反應以產生包含C 2+化合物及非C 2+雜質之OCM流出物40，C 2+化合物包括C 2H 4及C 2H 6，及非C 2+雜質包含CO、CH 4、H 2及二氧化碳(CO 2)中之一或多者。該OCM觸媒14可為現已知或未來已知促進OCM反應之任何觸媒組合物，諸如，舉例而言，美國專利第8,921,256號、美國專利第8,962,517號及美國專利第9,718,054號中描述之觸媒，該等專利之全部揭示內容係以全文引用之方式併入本文中。在某些態樣中，本發明之方法及系統中使用之OCM觸媒14可以蓬鬆觸媒、聚結觸媒、燒結觸媒、壓製或以其他方式形成各種形狀，諸如環、鞍形、輻條輪、雪花，及提供高曝露表面積與體積比之類似物之觸媒的形式。在某些態樣中，本發明之方法及系統中使用之OCM觸媒14可固定、結合或以其他方式附接至可為或可不為惰性之基板或撐體，其為該觸媒提供結構強度及/或形式。
當與經加熱氣體混合物接觸時，OCM觸媒14變為經活化(即，達成起燃)並啟動OCM反應以產生OCM流出物40，該流出物包含C 2+化合物及非C 2+雜質，該等C 2+化合物包括C 2H 4及C 2H 6，該等雜質包含CO、CH 4、H 2及CO 2中之一或多者。因為該OCM反應係放熱的，因此執行及/或維持該OCM反應之溫度通常高於該經加熱氣體混合物用以活化或起燃該OCM觸媒14之溫度。在某些態樣中，該OCM反應係在450℃至950℃之溫度下執行及/或維持，包括500℃至950℃、550℃至950℃、600℃至950℃、650℃至950℃、700℃至950℃、750℃至950℃、800℃至950℃、850℃至950℃之溫度，及亦包括875℃至925℃之溫度。離開OCM反應器10之OCM流出物40將一般具有對應於OCM反應溫度(即，450℃至950℃)之溫度且可引導至下游單元及/或分離子系統以進行如本文描述之另外處理。
燃燒觸媒12及OCM觸媒14可以多種方式佈置於OCM反應器10內。例如，在某些態樣中，如圖1中繪示，該OCM反應器10可包括含有該燃燒觸媒12之第一觸媒床及位於該第一觸媒床下游之含有該OCM觸媒14之第二觸媒床。在某些態樣中，該OCM反應器10可包括單個觸媒床，其包含至少一層該燃燒觸媒12及至少一層該OCM觸媒14。在某些態樣中，該OCM反應器10可包括單個觸媒床，其包含該燃燒觸媒12及該OCM觸媒14之混合物。該OCM反應器10亦可包括一或多層或床之惰性材料(未顯示)，其可充當用於觸媒床中該等觸媒12、14之物理撐體。在某些態樣中，該OCM反應器10可包括含有該燃燒觸媒12及惰性材料之第一觸媒床，作為一或多個不同層或作為混合物，及含有該OCM觸媒14之第二觸媒床。
繼續參考圖1，OCM反應器10可包含一或多個溫度元件50以於該OCM反應器10內提供溫度之指示。該溫度元件50可為任何合適之溫度量測裝置，包括(但不限於)熱電偶及電阻溫度偵測器(RTD)。如圖1中可見，溫度元件50位於OCM觸媒14上游之燃燒觸媒12中。例如，在該OCM反應器10包括包含燃燒觸媒12之第一觸媒床及包含OCM觸媒14之第二觸媒床之情況下，該溫度元件50位於靠近該第一觸媒床之末端及該第二觸媒床之上游。在另一實例中，在該OCM反應器10包括在一層OCM觸媒上游包含一層燃燒觸媒12之單個觸媒床之情況下，該溫度元件50位於靠近該燃燒觸媒12層與該OCM觸媒14層之間的界面之該燃燒觸媒12層中。該溫度元件50可用以提供一或多個指示在經加熱氣體混合物與該OCM觸媒14接觸之前，該經加熱氣體混合物之溫度之信號。該溫度元件50可為可操作以藉由(例如)控制或以其他方式調節烴流22、氧化劑流24或兩者之溫度於所需設定點維持該經加熱氣體混合物之溫度(例如，最小OCM觸媒起燃溫度)之控制系統之部分。
在某些態樣中，本發明之方法及系統包括用於自烷烴(例如，C 2H 6、C 3H 8)產生烯烴(例如，C 2H 4)之後床裂解(PBC)單元60。如圖1中繪示，該PBC單元60可安置於OCM反應器10下游。該PBC單元60可為單獨反應器，或該PBC單元60可作為該OCM反應器10之一部分(例如，相同容器中OCM觸媒14下游之一部分)包括於其中。由於OCM反應係放熱的且產生熱量，因此由該OCM反應產生之熱量可用以將烷烴(例如，C 2H 6)裂解為烯烴(例如，C 2H 4)。該PBC單元60可在600℃至1,000℃之溫度下執行裂解，包括700℃至1,000℃、750℃至1,000℃、775℃至1,000℃之溫度，及亦包括800℃至950℃之溫度。
PBC單元60可用以裂解除彼等OCM流出物40中含有者外之另外外部烷烴65 (例如，C 2H 6、C 3H 8)。該OCM流出物40中之熱容量可足以裂解一些量的另外外部烷烴65。該等另外外部烷烴65可由過程之循環流或完全獨立之烷烴源提供。該等外部烷烴65可在注入PBC單元60內之前經加熱。該等外部烷烴65可藉由(例如)與OCM反應器10及/或該OCM流出物40，或另一過程流熱交換加熱。PBC流出物70離開該PBC單元60且包括相較於該OCM流出物40更大濃度之烯烴(例如，C 2H 4)及H 2。
在某些態樣中，本發明之方法及系統包括將點火組分80注入OCM反應器10內。該點火組分80可為具有比CH 4更低之自燃之任何物質，諸如，例如而言，甲醚或甲醇。該點火組分80可作為另外方式(即，經由該點火組分80之燃燒)提供給該OCM反應器10以增加氣體混合物進料20之溫度。儘管圖1繪示將該點火組分80直接注入該OCM反應器10內，但該點火組分80亦可添加至該氣體混合物進料20、烴流22或氧化劑流24中之一或多者。
現參考圖2，顯示一種根據本發明之用於執行OCM反應以產生C 2+化合物，包括乙烯(C 2H 4)之系統200。圖2中繪示之系統200與圖1中繪示之系統100類似且圖2中使用相似數字以鑑別相似組件。圖2中繪示之系統200與圖1中繪示之系統100之間的主要差異在於系統200之OCM反應器10包含至少一種點火源16。
至少一種點火源16促進氣體混合物進料20之組分(例如，H 2、CO或兩者)之點火。如圖2中可見，該至少一種點火源16係與燃燒觸媒12接觸且可提供局部點火來幫助該燃燒觸媒12之操作以產生經加熱氣體混合物。在某些態樣中，該至少一種點火源16包含蒸汽加熱管、電動插裝加熱器或其他電子點火器中之至少一者。該點火源16可操作以提供足夠之溫度(例如，400℃至600℃)以於該燃燒觸媒12之局部區域中引起該氣體混合物進料20之一或多種組分之點火，作為用於幫助該燃燒觸媒12以促進氣體混合物進料20之至少一部分之燃燒以產生該加熱氣體混合物之機制。在某些態樣中，該至少一種點火源16 (例如，蒸汽加熱管、電動插裝加熱器或其他電子點火器)可位於該燃燒觸媒12之附近及上游(即，不與該燃燒觸媒12直接接觸)以提供局部點火來幫助該燃燒觸媒12之操作以產生該經加熱氣體混合物。
在如圖2中繪示之系統200中，OCM反應器10可包括位於如上文關於圖1中顯示之系統100描述之OCM觸媒14上游之燃燒觸媒12中之溫度元件50。於該系統200中，該溫度元件50可為控制系統之部分，該控制系統可操作以藉由(例如)控制或以其他方式調節由至少一種點火源16局部施加之溫度(例如，藉由調節提供給一或多個電動插裝加熱器之功率量、藉由調節一或多個蒸汽加熱管之溫度)於所需設定點維持經加熱氣體混合物之溫度(例如，最小OCM觸媒起燃溫度)。在某些態樣中，除控制或以其他方式調節由該至少一種點火源16施加之溫度外，可控制或以其他方式調節烴流22、氧化劑流24或兩者之溫度以於所需設定點維持該經加熱氣體混合物之溫度。
現參考圖3，顯示一種根據本發明之用於執行OCM反應以產生C 2+化合物，包括乙烯(C 2H 4)之系統300。圖3中繪示之系統300與圖1及2中繪示之系統100、200類似且圖3中使用相似數字以鑑別相似組件。圖3中繪示之系統300與圖2中繪示之系統200之間的主要差異在於至少一種點火源16之類型及構型。
如圖3中可見，至少一種點火源16位於燃燒觸媒12及OCM觸媒14兩者之上游。在圖3中繪示之系統300中，該至少一種點火源16包含過熱蒸汽注射器，其在600℃至1,000℃之溫度下將過熱蒸汽注入OCM反應器10內。在某些態樣中，該過熱蒸汽具有400 kPa (表壓)至3,000 kPa (表壓)之壓力。在本發明之方法及系統之某些態樣中，過熱蒸汽係在625℃至1,000℃之溫度下注入該OCM反應器10內，包括650℃至950℃之溫度、675℃至900℃、700℃至900℃之溫度，及亦包括750℃至850℃之溫度。注入過熱蒸汽可引起氣體混合物進料20之一或多種組分之點火來幫助該燃燒觸媒12之操作以產生經加熱氣體混合物。另外，因為該系統300包括將過熱蒸汽注入該OCM反應器10內，所以將任選蒸汽26添加至圖1及2中繪示之氧化劑流24係不必要的。
在圖3中繪示之系統300中，OCM反應器10可包括位於如上文關於圖1及2中顯示之系統100、200描述之OCM觸媒14上游之燃燒觸媒12中之溫度元件50。於該系統300中，該溫度元件50可為控制系統之部分，該控制系統可操作以藉由(例如)控制或以其他方式調節注入該OCM反應器10內之過熱蒸汽之溫度於所需設定點維持經加熱氣體混合物之溫度(例如，最小OCM觸媒起燃溫度)。在某些態樣中，除控制或以其他方式調節注入該OCM反應器10內之過熱蒸汽之溫度外，可控制或以其他方式調節烴流22、氧化劑流24或兩者之溫度以於所需設定點維持該經加熱氣體混合物之溫度。
現參考圖4，顯示一種根據本發明之用於執行OCM反應以產生C 2+化合物，包括乙烯(C 2H 4)之系統400。圖4中繪示之系統400與圖1至3中繪示之系統100、200、300類似且圖4中使用相似數字以鑑別相似組件。
如圖4中可見，OCM反應器10包括單個觸媒床18，其包含燃燒觸媒12及OCM觸媒14及位於該觸媒床18中之至少一種點火源16。該觸媒床18可經配置使得該至少一種點火源16 (例如，蒸汽加熱管、電動插裝加熱器或其他電子點火器)由該燃燒觸媒12包圍。或者，該至少一種點火源16 (例如，蒸汽加熱管、電動插裝加熱器或其他電子點火器)可位於該觸媒床18之附近及上游(即，不與該觸媒床18直接接觸)。在某些態樣中，該觸媒床18可包含至少一層該燃燒觸媒12及至少一層該OCM觸媒14。在某些態樣中，該觸媒床18可包含該燃燒觸媒12及該OCM觸媒14之混合物。
在圖4中繪示之系統400中，OCM反應器10可包括位於觸媒床18中之溫度元件50。該溫度元件50可為控制系統之部分，該控制系統可操作以藉由(例如)控制或以其他方式調節由至少一種點火源16局部施加之溫度(例如，藉由調節提供給一或多個電動插裝加熱器之功率量、藉由調節一或多個蒸汽加熱管之溫度)，維持跨越及/或貫穿該觸媒床18之所需溫度分佈。在某些態樣中，除控制或以其他方式調節由該至少一種點火源16局部施加之溫度外，可控制或以其他方式調節烴流22、氧化劑流24或兩者之溫度以維持跨越及/或貫穿該觸媒床18之所需溫度分佈。
現參考圖5，顯示根據本發明之用於執行OCM反應以產生C 2+化合物，包括乙烯(C 2H 4)之系統500之程序方塊圖。該系統500包含OCM子系統501、任選CO 2移除單元502及分離子系統503。該OCM子系統501係流體耦合至該分離子系統503且經配置以接收溫度小於或等於300℃且包含甲烷(CH 4)、氧(O 2)、氫(H 2)及一氧化碳(CO)之氣體混合物進料510並產生包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)及非C 2+雜質(包含CO、CO 2、H 2及CH 4中之一或多者)之OCM流出物511。該分離子系統503位於該OCM子系統501之下游且與其流體耦合並經配置以接收該OCM流出物511及將該OCM流出物511分離成至少包含CO、H 2及CH 4之第一流513及包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)之第二流(未顯示)。該第二流可於該分離子系統503中進一步分離以產生包含C 2H 4之第三流514及包含C 2H 6之第四流515。
根據本發明之方法及系統，OCM子系統501包括包含燃燒觸媒及OCM觸媒之OCM反應器。在某些態樣中，該OCM子系統501包括包含燃燒觸媒及OCM觸媒之OCM反應器及PBC單元。該OCM子系統501之OCM反應器及PBC單元可以與本文關於圖1至4先前描述之OCM反應器10及PBC單元60中之任一者或多者相同之方式配置。
如圖5中可見，將氣體混合物進料510引導至OCM子系統501以產生包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)及非C 2+雜質(包含CO、CO 2、H 2及CH 4中之一或多者)之OCM流出物511。可將該OCM流出物511引導至分離子系統503以將該OCM流出物511分離成包含CO、H 2及CH 4之至少第一流513及包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)之第二流。如圖5中可見，包含CO、H 2及CH 4或其部分之第一流513可再循環至該OCM子系統501以促進該氣體混合物進料510之產生。根據本發明之方法及系統之某些態樣，該第一流513之至少一部分可經由蒸汽516吹掃以防止惰性組分(例如，N 2)於系統500中之積聚。另外，該分離子系統503可將包含C 2+化合物之第二流分離成包含C 2H 4產物之第三流514及包含C 2H 6之第四流515。如圖5中顯示，可將包含C 2H 6之第四流515引導至該OCM子系統501 (例如，引導至OCM反應器及/或引導至PBC單元)以藉由裂解該C 2H 6產生另外之C 2H 4及H 2。
分離子系統503可包含任何數量之分離單元或利用適用於分離OCM反應之產物之分離技術之任何組合。例如，該分離子系統503可藉助於低溫分離、變壓吸附、變溫吸附、膜分離、吸附劑，及其組合分離該OCM流出物511。適用於在本發明之方法及系統中實施之分離子系統503之實例描述(例如)於WO 2014/011646 A1、WO 2013/106771 A2、WO 2015/106023 A1、WO 2017/065947 A1及WO 2018/118105 A1中，其等之完整揭示內容係以全文引用之方式併入本文中。
如圖5中可見，根據本發明之方法及系統之一些態樣，系統500包含流體耦合至OCM子系統501及分離子系統503之CO 2移除單元502。該CO 2移除單元502係經配置以經由蒸汽512自OCM流出物511移除CO 2並將大體上無CO 2之OCM流出物引導至該分離子系統503。該CO 2移除單元502可包含適用於自過程流移除CO 2之任何已知技術。合適之CO 2移除技術之實例包括(但不限於)胺吸收劑系統、變壓吸附、變溫吸附、膜分離、溶劑分離及低溫分離。
儘管圖5繪示位於OCM子系統501下游及分離子系統503上游之CO 2移除單元502，但經審慎考慮OCM流出物501中含有之CO 2可經由該分離子系統503移除，藉此消除對CO 2移除單元502之需求。此配置將特別適用於其中該分離子系統503係基於吸附技術之系統中。
根據本發明之方法及系統之某些態樣，如圖5中顯示，系統500包含流體耦合至OCM子系統501及分離子系統503之混合裝置504。該混合裝置504促進引導至該OCM子系統501之氣體混合物進料510之形成。如圖5中可見，該混合裝置504接收包含來自該分離子系統503之第一流513之至少一部分之烴流及包含氧之氧化劑流518。在本發明之方法及系統之某些態樣中，可將甲烷或天然氣流517添加至該第一流513以形成引導至該混合裝置504之烴流。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該氧化劑流518係由(例如)空氣分離單元、膜或水電解單元產生之氣流或O 2流提供。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該氧化劑流518進一步包含可經由管線519注入或以其他方式添加至該氧化劑流518內之蒸汽。該混合裝置504可為適用於將包含烴之第一氣流及包含氧之第二氣流混合在一起之任何已知裝置，諸如，例如而言，美國專利第3,706,534號中描述之混合裝置。在某些態樣中，該混合裝置504包含製程用配管或混合三通。
氣體混合物進料510在離開混合裝置504及進入OCM子系統501之OCM反應器之入口時具有小於或等於300℃之溫度。在某些態樣中，該氣體混合物進料510於該OCM反應器10之入口處具有15℃至300℃之溫度，包括50℃至300℃、100℃至300℃、100℃至250℃、100℃至225℃、100℃至200℃、100℃至175℃、100℃至150℃、100℃至125℃、125℃至300℃、150℃至300℃、175℃至300℃、200℃至300℃、225℃至300℃、250℃至300℃之溫度及於該OCM反應器10之入口處亦包括275℃至300℃之溫度。在某些態樣中，引導至該混合裝置504之烴流具有小於或等於300℃之溫度，包括15℃至300℃、25℃至300℃、50℃至300℃、75℃至300℃、100℃至300℃、125℃至250℃、150℃至225℃、175℃至200℃、15℃至250℃、15℃至200℃、15℃至150℃、15℃至100℃、15℃至75℃之溫度，及亦包括15℃至50℃之溫度。在某些態樣中，引導至該混合裝置504之氧化劑流518具有0℃至250℃之溫度，包括10℃至250℃、20℃至250℃、30℃至200℃、30℃至150℃、30℃至100℃、30℃至50℃、40℃至250℃、100℃至250℃、150℃至250℃、200℃至250℃之溫度，及亦包括0℃至50℃之溫度。
來自分離子系統503的包含CO及H 2(即，OCM反應之副產物)及CH 4之第一流513可於氣體混合物進料510中提供反應物(除O 2外)，該等反應物與燃燒觸媒接觸並反應/燃燒以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物，然後該經加熱氣體混合物與OCM觸媒接觸以啟動OCM反應並產生OCM流出物511。因此，該OCM反應中產生之H 2及CO副產物之至少一部分可作為反應物再循環至OCM子系統501之OCM反應器，該等反應物與該燃燒觸媒接觸以於該OCM反應器內自動加熱該氣體混合物進料510並藉此產生經加熱氣體混合物，該經加熱氣體混合物與該OCM觸媒接觸以啟動該OCM反應並產生C 2+化合物。
儘管圖5未顯示，但經審慎考慮可將如先前描述之點火組分注入OCM子系統501之OCM反應器內。此外，經審慎考慮可將包含H 2、CO或兩者(例如，合成氣)之流添加至引導至混合裝置504之烴流以形成氣體混合物進料510。
現參考圖6，顯示根據本發明之用於執行OCM反應以產生C 2+化合物，包括乙烯(C 2H 4)之系統600之另一實施之程序方塊圖。類似於圖5中繪示之系統500，該系統600包含OCM子系統601及分離子系統(未編號)。另外，該系統600包括甲烷化子系統605。該OCM子系統601係流體耦合至該分離子系統及該甲烷化系統605且經配置以接收溫度小於或等於300℃的包含甲烷(CH 4)、氧(O 2)、氫(H 2)及一氧化碳(CO)之氣體混合物進料610並產生包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)及非C 2+雜質(包含CO、CO 2、H 2及CH 4中之一或多者)之OCM流出物611。
根據本發明之方法及系統，OCM子系統601包括包含燃燒觸媒及OCM觸媒之OCM反應器。在某些態樣中，該OCM子系統601包括包含燃燒觸媒及OCM觸媒之OCM反應器及PBC單元。該OCM子系統601之OCM反應器及PBC單元可以與本文關於圖1至4先前描述之OCM反應器10及PBC單元60中之任一者或多者相同之方式配置。
如圖6中可見，將氣體混合物進料610引導至OCM子系統601以產生包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)及非C 2+雜質(包含CO、CO 2、H 2及CH 4中之一或多者)之OCM流出物611。可將該OCM流出物611引導至一或多個熱交換器602以將熱量自該OCM流出物611轉移至過程流並藉此冷卻該OCM流出物611。在一些態樣中，該一或多個熱交換器可為熱回收蒸汽發生器(HRSG)，其產生可用於加熱、經由燃氣渦輪機發電或用於其他過程之蒸汽。
繼續參考圖6，在通過一或多個熱交換器602後，可將OCM流出物611引導至處理氣體壓縮機603以將該OCM流出物611之壓力增加至所需或合適之壓力，諸如至少600 kPa (表壓)、至少800 kPa (表壓)、至少1,000 kPa (表壓)、至少1,200 kPa (表壓)、至少1,500 kPa (表壓)、至少1,750 kPa (表壓)或至少2,000 kPa (表壓)。在本發明之方法及系統之某些態樣中，在進入該處理氣體壓縮機603之前，可將天然氣流612添加至該OCM流出物611。可將經壓縮之OCM流出物611引導至CO 2移除單元604以自該OCM流出物611移除CO 2。可經由流613將經移除之CO 2之至少一部分引導至甲烷化子系統605。根據本發明之方法及系統之一些態樣，經由流613將由該CO 2移除單元604移除之所有CO 2引導至該甲烷化子系統605。該CO 2移除單元604可以與上文描述之CO 2移除單元502相同之方式配置。可將大體上無CO 2之OCM流出物611引導至處理氣體乾燥器606以自該大體上無CO 2之OCM流出物611移除H 2O。該處理氣體乾燥器606可為一或多個分子篩乾燥器或分離器容器，其自該大體上無CO 2之OCM流出物611移除H 2O (以蒸氣或液體的形式)。
儘管圖6繪示位於OCM子系統601下游及分離子系統上游之CO 2移除單元604，但經審慎考慮OCM流出物611中含有之CO 2可經由該分離子系統移除，藉此消除對該CO 2移除單元604之需求。此配置將特別適用於其中該分離子系統係基於吸附技術之系統。
仍參考圖6，在離開處理氣體乾燥器606後，可將大體上乾燥、大體上無CO 2之OCM流出物611引導至位於OCM子系統601下游並與其流體耦合且包含至少去甲烷塔單元607及C 2純化單元608之分離子系統。如圖6中繪示，該去甲烷塔單元607係流體耦合至該甲烷化系統605及該C 2純化單元608。該去甲烷塔單元607係經配置以接收該OCM流出物611，以將該OCM流出物分離成包含CO、H 2及CH 4之第一流614及包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)之第二流615。該第一流614之至少一部分再循環至該OCM子系統601以促進氣體混合物進料510之產生。根據本發明之方法及系統之一些態樣，將該第一流614之至少一部分自該去甲烷塔單元607引導至該甲烷化子系統605以產生包含CH 4之甲烷化流出物617。根據本發明之方法及系統之一些態樣，該第一流614之至少一部分係經由管線616吹掃以防止惰性組分(例如，N 2)於系統600中之積聚。
甲烷化子系統605可包括一或多個含有甲烷化觸媒(例如，基於鎳之觸媒、基於釕之觸媒)用於進行甲烷化反應以產生CH 4之甲烷化反應器。甲烷化反應器之典型操作條件可為在100 kPa至5,000 kPa之壓力及150℃至400℃之溫度下。於該甲烷化子系統605中，來自流613及614之氧化碳(例如，CO 2、CO或兩者)與H 2(例如，流614中含有之H 2)反應以經由下列反應產生包含CH 4之甲烷化流出物617：i) CO 2+ 4 H 2→ CH 4+ 2 H 2O及ii) CO + 3 H 2→ CH 4+ H 2O。
根據本發明之方法及系統之某些態樣，如圖6中顯示，系統600包含流體耦合至OCM子系統601、分離子系統(例如，經由去甲烷塔單元607)及甲烷化子系統605之混合裝置609。該混合裝置609促進引導至該OCM子系統601之氣體混合物進料610之形成。如圖6中可見，該混合裝置609接收包含氧之氧化劑流618及包含來自該去甲烷塔單元607之第一流614之至少一部分及甲烷化流出物617之烴流。在本發明之方法及系統之某些態樣中，可將任選之甲烷或天然氣流619連同該甲烷化流出物617一起添加至該第一流614以形成引導至該混合裝置609之烴流。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該氧化劑流618係由空氣分離單元產生之氣流或O 2流提供。在本發明之方法及系統之某些態樣中，該氧化劑流618進一步包含可經由管線620注入或以其他方式添加至該氧化劑流618內之蒸汽。該混合裝置609可為適用於將包含烴之第一氣流及包含氧之第二氣流混合在一起之任何已知裝置，諸如，例如而言，美國專利第3,706,534號中描述之混合裝置。在某些態樣中，該混合裝置609包含製程用配管或混合三通。
氣體混合物進料610在離開混合裝置609及進入OCM子系統601之OCM反應器之入口時具有小於或等於300℃之溫度。在某些態樣中，該氣體混合物進料610於該OCM反應器10之入口處具有15℃至300℃之溫度，包括50℃至300℃、100℃至300℃、100℃至250℃、100℃至225℃、100℃至200℃、100℃至175℃、100℃至150℃、100℃至125℃、125℃至300℃、150℃至300℃、175℃至300℃、200℃至300℃、225℃至300℃、250℃至300℃之溫度及於該OCM反應器10之入口處亦包括275℃至300℃之溫度。在某些態樣中，引導至該混合裝置609之烴流具有小於或等於300℃之溫度，包括15℃至300℃、25℃至300℃、50℃至300℃、75℃至300℃、100℃至300℃、125℃至250℃、150℃至225℃、175℃至200℃、15℃至250℃、15℃至200℃、15℃至150℃、15℃至100℃、15℃至75℃之溫度，及亦包括15℃至50℃之溫度。在某些態樣中，引導至該混合裝置609之氧化劑流618具有0℃至250℃之溫度，包括10℃至250℃、20℃至250℃、30℃至200℃、30℃至150℃、30℃至100℃、30℃至50℃、40℃至250℃、100℃至250℃、150℃至250℃、200℃至250℃之溫度，及亦包括0℃至50℃之溫度。
來自去甲烷塔單元607的包含CO及H 2(即，OCM反應之副產物)及CH 4之第一流614可於氣體混合物進料610中提供反應物(除O 2外)，該等反應物與燃燒觸媒接觸並反應/燃燒以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物，然後該經加熱氣體混合物與OCM觸媒接觸以啟動OCM反應並產生OCM流出物611。因此，該OCM反應中產生之H 2及CO副產物之至少一部分可作為反應物再循環至OCM子系統601之OCM反應器，該等反應物與該燃燒觸媒接觸以於該OCM反應器內自動加熱該氣體混合物進料610並藉此產生經加熱氣體混合物，該經加熱氣體混合物與該OCM觸媒接觸以啟動該OCM反應並產生C 2+化合物。
儘管圖6中未顯示，但經審慎考慮如先前描述，可將點火組分注入OCM子系統601之OCM反應器內。此外，經審慎考慮可將包含H 2、CO或兩者(例如，合成氣)之流添加至引導至混合裝置609之烴流以形成氣體混合物進料610。
繼續參考圖6，可將包含C 2+化合物(包括C 2H 4及C 2H 6)之第二流615引導至C 2純化單元608。該C 2純化單元608係流體耦合至OCM子系統601且經配置以接收該第二流615並將該第二流615分離成至少包含C 2H 4之第三流621及包含C 2H 6之第四流622。可收集包含C 2H 4之第三流621或將其引導至利用C 2H 4作為原料之下游過程。如圖6中可見，包含C 2H 6之第四流622可再循環至該OCM子系統601 (例如，再循環至OCM反應器或PBC單元)以藉由裂解該C 2H 6產生另外之C 2H 4及H 2。在本發明之方法及系統之一些態樣中，該C 2純化單元608可包括可自C 3+化合物(例如，丙烷、丙烯、丁烷、丁烯)分離C 2化合物(例如，乙烷及乙烯)之去乙烷塔單元(未顯示)。經分離之C 3+化合物可沿流623離開該去乙烷塔單元並經受另外之下游處理。可將來自該去乙烷塔單元之C 2化合物引導至C 2分離器(未顯示)，該分離器可自C 2H 4分離C 2H 6。該C 2分離器可為蒸餾塔。
除非在參考之內文中另有說明或明確暗示相反，否則對本發明之單數特性或限制之所有參考應包括相應之複數個特性或限制，且反之亦然。
除非在參考之內文中另有說明或明確暗示相反，否則如本文使用之方法或過程之所有組合均可以任何順序執行。
應瞭解本文揭示之所有範圍及參數，包括(但不限於)百分比、份數及比率包含其中假定及包含之任何及所有子範圍，及端點之間的每個數字。例如，應認為「1至10」之規定範圍包括最小值1與最大值10之間的任何及所有子範圍(且包括1及10)；即，所有子範圍均以最小值1或更大(例如，1至6.1)開始，並以最大值10或更小(例如，2.3至9.4、3至8、4至7)結束，且最後至該範圍內含有之每個數字1、2、3、4、5、6、7、8、9及10。
本發明之方法及系統可包含如本文描述之本發明之基本元素及限制，及本文描述或另外已知適用於烴或石油化學品處理應用(包括甲烷之氧化耦合應用)中之任何另外或任選之組分或特徵、由其構成或基本上由其構成。
就本說明書或申請專利範圍中使用之術語「包括(include、includes或including)」而言，其等旨在以與術語「包含」類似之方式包括，因為該術語在採用時在請求項中解釋為過渡詞。此外，在採用術語「或」 (例如，A或B)之情況下，其旨在意謂「A或B或A及B兩者」。當申請人旨在指示「僅A或B而非兩者」時，則將採用術語「僅A或B而非兩者」。因此，本文使用術語「或」係包含性，而非排他性使用。此外，片語「A、B及C中之至少一者」應解釋為「僅A或僅B或僅C或其任何組合」。在本發明中，應瞭解字組「一」或「一個」包括單數及複數兩者。相反，對複數個項目之任何參考視需要包括單數。
根據本發明，可能利用彼此組合之各種發明概念。另外，除非特定特徵之併入將與本揭示之態樣之表達術語矛盾，否則與本發明之方法及系統之特定揭示之態樣相關之任何特定特徵均應解釋為可與本發明之方法及系統之所有揭示態樣一起使用。另外之優點及修飾對熟習此項技術者而言將係顯而易見的。因此，本發明在其更廣泛之態樣中不限於其中呈現之特定細節、代表性裝置或所顯示並描述之說明性實例。因此，在不背離一般發明概念之精神或範圍之情況下可偏離此等細節。
本文呈現之一般發明概念之範圍非旨在限於本文顯示並描述之特定例示性態樣。從本文給定之揭示內容中，熟習此項技術者將不僅瞭解該等一般發明概念及其等伴隨優點，且亦將發現對本文揭示之裝置、系統及方法之明顯之各種改變及修飾。因此，尋求涵蓋如落於如本文描述及/或主張的一般發明概念之精神及範圍內之所有此等改變及修飾，及其任何等同物。
10:OCM反應器 12:燃燒觸媒 14:OCM觸媒 16:點火源 18:觸媒床 20:氣體混合物進料 22:烴流 24:氧化劑流 26:管線 30:混合裝置 40:OCM流出物 50:溫度元件 60:後床裂解(PBC)單元 65:外部烷烴 70:PBC流出物 80:點火組分 100:系統 200:系統 300:系統 400:系統 500:系統 501:OCM子系統 502:CO 2移除單元 503:分離子系統 504:混合裝置 510:氣體混合物進料 511:OCM流出物 512:蒸汽 513:第一流 514:第三流 515:第四流 516:蒸汽 517:甲烷/天然氣流 518:氧化劑流 519:管線 600:系統 601:OCM子系統 602:熱交換器 603:處理氣體壓縮機 604:CO 2移除單元 605:甲烷化子系統 606:處理氣體乾燥器 607:去甲烷塔單元 608:C 2純化單元 609:混合裝置 610:氣體混合物進料 611:OCM流出物 612:天然氣流 613:流 614:第一流 615:第二流 616:管線 617:甲烷化流出物 618:氧化劑流 619:甲烷/天然氣流 620:管線 621:第三流 622:第四流 623:流
圖1繪示根據本發明之例示性甲烷之氧化耦合反應器之示意圖；
圖2繪示根據本發明之例示性甲烷之氧化耦合反應器之示意圖；
圖3繪示根據本發明之例示性甲烷之氧化耦合反應器之示意圖；
圖4繪示根據本發明之例示性甲烷之氧化耦合反應器之示意圖；
圖5繪示根據本發明之用於執行甲烷之氧化耦合反應以產生C 2+化合物之例示性系統之程序方塊圖；及
圖6繪示根據本發明之用於執行甲烷之氧化耦合反應以產生C 2+化合物之例示性系統之程序方塊圖。
10:OCM反應器
12:燃燒觸媒
14:OCM觸媒
20:氣體混合物進料
22:烴流
24:氧化劑流
26:管線
30:混合裝置
40:OCM流出物
50:溫度元件
60:後床裂解(PBC)單元
65:外部烷烴
70:PBC流出物
80:點火組分
100:系統

Claims (23)

  1. 一種執行甲烷之氧化耦合(OCM)反應以產生C 2+化合物之方法，該方法包括： (a)將包含甲烷(CH 4)、氧(O 2)、氫(H 2)及一氧化碳(CO)且溫度小於或等於300℃之氣體混合物進料引入OCM反應器之入口內，其中該OCM反應器包含燃燒觸媒及OCM觸媒； (b)使該燃燒觸媒與該氣體混合物進料接觸以燃燒該氣體混合物進料之至少一部分並產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物；及 (c)使該OCM觸媒與該經加熱氣體混合物接觸以啟動OCM反應並產生OCM流出物，其包含(i) C 2+化合物，包括乙烯及乙烷，及(ii)非C 2+雜質，包含CO、CH 4、H 2及二氧化碳(CO 2)中之一或多者。
  2. 如請求項1之方法，其中該燃燒觸媒包含金屬、金屬氧化物或混合金屬氧化物，其中該金屬、該金屬氧化物或該混合金屬氧化物包含鉑、鉻、銅、鈀、鈷、鐵、錳、金、鈰、鉍、銦、鉬、銠、釕、鍺、釓、銻、鉈、碲、鉛、鋅或錫中之至少一者。
  3. 如請求項1之方法，其中該氣體混合物進料於該OCM反應器之入口處具有15℃至250℃之溫度。
  4. 如請求項1之方法，其中該OCM反應器進一步包含至少一種點火源，其中該至少一種點火源促進該氣體混合物進料之組分之點火。
  5. 如請求項4之方法，其中該至少一種點火源係與該燃燒觸媒接觸且包含電動插裝加熱器或蒸汽加熱管中之至少一者。
  6. 如請求項4之方法，其中該至少一種點火源係位於該燃燒觸媒及該OCM觸媒兩者之上游且包括在600℃至1,000℃溫度下注入過熱蒸汽。
  7. 如請求項1之方法，其中該OCM反應針對C 2+化合物具有至少35%之選擇性。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該燃燒觸媒優先燃燒H 2、CO或兩者而非CH 4。
  9. 一種執行甲烷之氧化耦合(OCM)反應以產生C 2+化合物之方法，該方法包括： (a)將溫度為0℃至50℃之包含氧(O 2)之氧化劑流與溫度小於或等於300℃之包含甲烷(CH 4)、一氧化碳(CO)及氫(H 2)之烴流混合以形成溫度小於或等於300℃之氣體混合物進料； (b)將該氣體混合物進料引入OCM反應器之入口，其中該OCM反應器包含燃燒觸媒及OCM觸媒； (c)使該燃燒觸媒與該氣體混合物進料接觸以燃燒氣體混合物進料之至少一部分並產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物；及 (d)使該OCM觸媒與該經加熱氣體混合物接觸以啟動OCM反應並產生OCM流出物，其包含(i) C 2+化合物，包括乙烯及乙烷，及(ii)非C 2+雜質，包含CO、CH 4、H 2及二氧化碳(CO 2)中之一或多者。
  10. 如請求項9之方法，其中該氧化劑流進一步包含蒸汽。
  11. 如請求項9之方法，其中該燃燒觸媒包含金屬、金屬氧化物或混合金屬氧化物，其中該金屬、該金屬氧化物或該混合金屬氧化物包含鉑、鉻、銅、鈀、鈷、鐵、錳、金、鈰、鉍、銦、鉬、銠、釕、鍺、釓、銻、鉈、碲、鉛、鋅或錫中之至少一者。
  12. 如請求項9之方法，其中該氣體混合物進料於該OCM反應器之入口處具有15℃至250℃之溫度。
  13. 如請求項9之方法，其中該OCM反應器進一步包含至少一種點火源，其中該至少一種點火源促進該氣體混合物進料之組分之點火。
  14. 如請求項13之方法，其中該至少一種點火源係與該燃燒觸媒接觸且包含電動插裝加熱器或蒸汽加熱管中之至少一者。
  15. 如請求項13之方法，其中該至少一種點火源係位於該燃燒觸媒及該OCM觸媒兩者之上游且包括在600℃至1,000℃之溫度下注入過熱蒸汽。
  16. 如請求項9之方法，其中該OCM反應針對C 2+化合物具有至少35%之選擇性。
  17. 如請求項9至16中任一項之方法，其中該燃燒觸媒優先燃燒H 2、CO或兩者而非CH 4。
  18. 一種用於執行甲烷之氧化耦合(OCM)反應以產生C 2+化合物之系統，該系統包含： 包含燃燒觸媒及OCM觸媒之OCM反應器， 其中該OCM反應器接收小於或等於300℃之溫度的包含甲烷(CH 4)、氧(O 2)、氫(H 2)及一氧化碳(CO)之氣體混合物進料， 其中該燃燒觸媒促進該氣體混合物進料之至少一部分之燃燒以產生溫度至少450℃之經加熱氣體混合物，及 其中該OCM觸媒在與該經加熱氣體混合物接觸時啟動OCM反應並產生OCM流出物，其包含(i) C 2+化合物，包括乙烯及乙烷，及(ii)非C 2+雜質，包含CO、CH 4、H 2及二氧化碳(CO 2)中之一或多者。
  19. 如請求項18之系統，其中該燃燒觸媒包含金屬、金屬氧化物或混合金屬氧化物，其中該金屬、金屬氧化物或該混合金屬氧化物包含鉑、鉻、銅、鈀、鈷、鐵、錳、金、鈰、鉍、銦、鉬、銠、釕、鍺、釓、銻、鉈、碲、鉛、鋅或錫中之至少一者。
  20. 如請求項18之系統，其中該OCM反應器進一步包含至少一種點火源，其中該至少一種點火源促進該氣體混合物進料之組分之點火。
  21. 如請求項20之系統，其中該至少一種點火源係與該燃燒觸媒接觸且包含電動插裝加熱器或蒸汽加熱管中之至少一者。
  22. 如請求項20之系統，其中該至少一種點火源係位於該燃燒觸媒及該OCM觸媒兩者之上游且包含過熱蒸汽注射器，該注射器將溫度為600℃至1,000℃之蒸汽注入該OCM反應器內。
  23. 如請求項18至22中任一項之系統，其中該燃燒觸媒優先燃燒H 2、CO或兩者而非CH 4。
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