用于甲烷氧化偶联的反应器的制作方法

本发明涉及将甲烷和氧气转化为c2和更高级烃以及用于此类转化的反应器设计。

背景技术：

1、甲烷可用于通过甲烷氧化偶联(ocm)反应生产乙烷和/或乙烯。尽管已经对这种反应进行了广泛的研究和开发，但是该反应在很大程度上仍然在商业规模上低效。关键挑战中的一项关键挑战是使反应进行所需的高反应温度(通常大于750℃)。需要如此高的温度是由于甲烷中四面体c-h键的键强度(键解离能)，该键强度为104千卡/摩尔(kcal/mol)。这种c-h键强度使得甲烷的反应性较低并且难以进行氧化转化以形成乙烯。

2、该甲烷氧化偶联反应可用以下等式(1)和等式(2)表示：

3、2ch4+o2→c2h4+2h2o                        δh＝-67.4kcal/mol    (1)

4、2ch4+1/2o2→c2h6+h2o                      δh＝-84.6kcal/mol    (2)

5、如等式(1)和等式(2)中所示，甲烷氧化转化为乙烯或乙烷是放热的。从这些反应产生的过量热量可推动甲烷转化为一氧化碳和二氧化碳，而不是所需的c2烃类产物，如以下等式(3)和等式(4)中所示：

6、ch4+11/2o2→co+2h2o                      δh＝-82.8kcal/mol    (3)

7、ch4+2o2→co2+2h2o                        δh＝-95.9kcal/mol    (4)

8、应当注意的是，等式(1)至等式(4)的反应热是根据每摩尔消耗的氧气给出的。从等式(3)和等式(4)中反应产生的多余热量进一步加剧了这种情况，从而与一氧化碳和二氧化碳生产相比大大降低了乙烯生产的选择性。

9、有两个实际问题已经阻碍了商业上可行的ocm工艺的发展。一是非常大的反应热(等式1至等式4)；二是引发反应的非常高的温度(通常为700℃至950℃)。目前还没有能够在如此高的温度下操作的商购可得的液体热传递流体。因此，在此温度范围内冷却反应器的唯一方式是使用非常低效的气相冷却剂(例如，空气、蒸汽、乙烷等)。在经冷却的多管固定床反应器中，甲烷转化率必须由进料中的氧气浓度限制为低于约8％，以避免失控反应。失控反应是指催化剂床层内的温度上升高到足以损坏催化剂或使催化剂失活，或增加副产物(cox)的产量的反应。

10、为了克服这些问题，已经开发出使用绝热自热反应器(aatr)进行ocm反应的概念。美国专利号10,941,088和美国公开专利申请号us2021/0031161中描述了此类aatr及其在ocm工艺中的用途。

11、在aatr中，可实现的通过催化剂床的最大质量速度主要与催化剂活性和有效催化剂床热导率有关。这些参数还限制了催化剂床的有效长度，即工艺气体遍历过催化剂床的距离。为了获得最佳的催化剂和催化剂床配置，催化剂床的有效长度不大于几英寸，而质量速度不大于1kg/m2s。因此，为了达到工业上所需的反应器生产量，催化剂床呈现给进料流的表面积必须足够大。考虑到反应器直径的实际限制，并假设反应器中催化剂的常规配置，催化剂床受限于反应器内径的大小。这在图1中示出，该图示出了圆柱形反应器容器内的常规盘状催化剂填料床，其中该催化剂床的上游面垂直于反应器的纵向轴线并且总面积不大于反应器容器的横截面积。用此类配置，使用ocm工艺的世界级乙烯生产设施将需要许多反应器，从而导致过高的资本成本。

12、本发明克服了这些缺点，其中本文描述的方法和反应器尤其可用于商业规模的ocm操作，这些方法和反应器应减少所用反应器的数量和/或大小，与此同时提高反应器的体积生产率。

技术实现思路

1、氧化甲烷偶联(ocm)反应器包括限定反应器容器内部的反应器容器。该反应器容器具有相对端部和在这些相对端部之间延伸的中心纵向轴线。反应器入口允许将一种或多种包含甲烷和氧气的流动进料气体引入反应器容器内部。

2、催化剂床组件位于反应器容器内部。催化剂床组件具有至少一个含有均匀厚度的ocm催化剂层的催化剂床。该催化剂床组件将该反应器容器内部分成上游区域和下游区域。该催化剂床组件的至少一个催化剂床具有上游面，该上游面用于接收来自上游区域的作为流动混合物的一种或多种流动进料气体。该催化剂床组件的该至少一个催化剂床的上游面被配置为具有的总面积超过反应器容器内部的垂直于反应器容器的中心纵向轴线的最大横向横截面积。该至少一个催化剂床组件被配置为使得流动混合物的任何部分通过催化剂床组件的仅单个催化剂床从上游区域传递至下游区域。反应器出口位于催化剂床组件的下游，该反应器出口与下游区域流体连通以用于从反应器中取出反应产物。

3、在某些实施方案中，该上游面不垂直于该反应器容器的中心纵向轴线。在特定应用中，该至少一个催化剂床的上游面或上游面的一部分可以被配置为圆锥体、部分圆锥体、圆柱体、部分圆柱体、立方体、部分立方体、长方体、部分长方体、球体、部分球体、椭球体、部分椭球体、棱锥体、部分棱锥体、不垂直于该反应器容器的该中心纵向轴线的平面、和非平面的面中的至少一种。在一些情况中，该至少一个催化剂床的上游面被配置为圆柱体或部分圆柱体。

4、该催化剂床组件可以包括至少两个催化剂床，该至少两个催化剂床的上游面被配置为在特定情况下彼此平行的两个或更多个平面。该两个或更多个平面可以垂直于该反应器容器的该中心纵向轴线。

5、该至少一个催化剂床的上游面可被配置为锥体或部分锥体。在某些应用中，该催化剂床组件可以包括至少两个催化剂床，该至少两个催化剂床是沿着该反应器容器的纵向轴线间隔开的。

6、该至少一个催化剂床的上游面的总面积可以超过该反应器容器内部的垂直于该反应器容器的该中心纵向轴线的最大横向横截面积达50％或更多。

7、ocm催化剂层的厚度可以为50mm或更小。在一些情况中，催化剂床组件可能具有仅一个催化剂床。该至少一个催化剂床可以是连续催化剂床，该连续催化剂床具有关于该反应器的中心纵向轴线的对称构型。在一些应用中，该至少一个催化剂床配置有限定纵向延伸的单元通道(cell channel)的多孔通道壁，该ocm催化剂层沿着这些单元通道的至少一部分定位，这些单元通道的一部分在上游端处封闭，而下游端开放以形成这些单元通道的出口，并且其中这些单元通道的剩余部分在该下游端处封闭并且在该上游端处开放以形成这些单元通道的入口。该至少一个催化剂床可配置为具有5或更小的热佩克莱特数(peh)。

8、在进行自热甲烷氧化偶联(ocm)的方法中，将包含甲烷和氧气的流动进料气体作为流动混合物引入反应器。该反应器包括限定反应器容器内部的反应器容器。该反应器容器具有相对端部和在这些相对端部之间延伸的中心纵向轴线。该反应器进一步包括反应器入口，该反应器入口用于将一种或多种包含甲烷和氧气的流动进料气体引入该反应器容器内部。催化剂床组件位于该反应器容器内部，该催化剂床组件具有至少一个含有均匀厚度的ocm催化剂层的催化剂床。该催化剂床组件将该反应器容器内部分成上游区域和下游区域。该催化剂床组件的至少一个催化剂床具有上游面，该上游面用于接收来自上游区域的流动混合物。该催化剂床组件的该至少一个催化剂床的上游面被配置为具有的总面积超过反应器容器内部的垂直于反应器容器的中心纵向轴线的最大横向横截面积。反应器出口位于该催化剂床组件的下游，该反应器出口与该下游区域流体连通以用于从该反应器中取出反应产物。

9、在该方法中，允许该流动混合物从上游区域传递到下游区域，使得该流动混合物的任何部分流动通过该催化剂床组件的仅单个催化剂床，并且其中该流动混合物的甲烷和氧气接触该至少一个催化剂床的ocm催化剂以反应形成甲烷氧化偶联反应产物，该甲烷氧化偶联反应产物接收在该下游区域中。通过反应器出口从下游区域取出反应产物。