УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНВЕРСИИ МЕТАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХЗВУКОВОГО ПРОТОЧНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2022 года по МПК B01J3/00 

Настоящая заявка испрашивает приоритет по заявке на патент США № 15/629447, поданной 21 июня 2017 г., которая представляет собой частичное продолжение находящейся в процессе одновременного рассмотрения заявки № 15/491,280, поданной 19 апреля 2017 г., являющейся продолжением заявки № 13/967,334, поданной 14 августа 2013 г., защищенной в настоящее время патентом США № 9,656,229, которая испрашивает приоритет по предварительной заявке № 61/691,317, поданной 21 августа 2012 г. и в настоящее время утратившей силу с истечением срока, содержание указанных заявок полностью включено в настоящий документ путем ссылки.

Область изобретения

Описаны устройство и способы конверсии метана в углеводородном потоке в ацетилен с использованием сверхзвукового проточного реактора.

Предпосылки создания изобретения

Легкие олефиновые вещества, включая этилен и пропилен, составляют значительную часть мирового спроса в нефтехимической промышленности. Легкие олефины используются при производстве множества химических продуктов посредством полимеризации, олигомеризации, алкилирования и других хорошо известных химических реакций. Эти легкие олефины являются важнейшими составными элементами современной нефтехимической и химической промышленности. Вследствие этого в нефтехимической промышленности экономичному производству легких олефинов в больших количествах уделяется значительное внимание. Основным источником таких веществ при переработке нефти в настоящее время является паровой крекинг нефтяного сырья.

Крекинг углеводородов, осуществляемый путем нагрева сырья в печи, уже давно используется для производства полезных продуктов, включая, например, олефиновые продукты. Например, этилен, который является одним из наиболее важных продуктов в химической промышленности, может быть получен пиролизом сырья в диапазоне от легких парафинов, таких как этан и пропан, до более тяжелых фракций, таких как лигроин. Как правило, более легкие сырьевые продукты обеспечивают более высокий выход этилена (50–55% для этана по сравнению с 25–30% для лигроина), однако какие из них используются будут определять, по всей вероятности, затраты на сырье. Исторически крекинг лигроина обеспечивал самый большой источник этилена, за которым следовали пиролиз, крекинг или дегидрогенизация этана и пропана. Однако из-за большого спроса на этилен и другие легкие олеиновые вещества стоимость этих традиционных сырьевых продуктов неуклонно растет.

Энергопотребление является еще одним фактором, влияющим на пиролитическое производство химических продуктов из различного сырья. За последние несколько десятилетий удалось добиться значительного улучшения эффективности процесса пиролиза, что сократило расходы на производство. В обычной или традиционной установке пиролиза сырье проходит через множество трубок теплообменника, где его нагревают извне до температуры пиролиза с помощью продуктов сгорания нефтяного топлива или природного газа и воздуха. Одним из наиболее важных шагов, предпринятых для сведения к минимуму производственных затрат, стало сокращение продолжительности нахождения сырья в трубках теплообменника пиролизной печи. Снижение продолжительности нахождения сырья увеличивает выход желаемого продукта и в то же время снижает выработку более тяжелых побочных продуктов, которые имеют тенденцию загрязнять стенки пиролизных трубок. Однако остается мало возможностей для улучшения в отношении продолжительности нахождения сырья или общего потребления энергии при традиционных способах пиролиза.

Недавние попытки снизить затраты на производство легких олефинов включают использование альтернативных способов и/или подаваемых потоков. В одном подходе оксигенаты углеводородов и, в частности, метанол или диметиловый эфир (DME) используют в качестве альтернативного сырья для получения легких олефиновых продуктов. Оксигенаты могут быть получены из доступных веществ, таких как уголь, природный газ, переработанные пластмассы, различные потоки отходов углерода из промышленности и различных продуктов и побочных продуктов сельскохозяйственного производства. Получение метанола и других оксигенатов из сырья этого типа хорошо налажено и, как правило, включает один или более общеизвестных способов, таких как производство синтез-газа с применением никелевого или кобальтового катализатора на стадии парового риформинга с последующим этапом синтеза метанола при относительно высоком давлении с применением катализатора на основе меди.

После образования оксигенатов способ включает каталитическую конверсию оксигенатов, таких как метанол, в желаемые легкие олефиновые продукты в процессе превращения оксигенатов в олефины (OTO). Технологии конверсии оксигенатов, таких как метанол, в легкие олефины (MTO) раскрыты в патенте US 4,387,263, описывающем процесс, в котором используется зона каталитической конверсии, содержащая катализатор цеолитного типа. В US 4,587,373 описано применение цеолитного катализатора, такого как ZSM-5, с целью получения легких олефинов. Патенты US 5,095,163; US 5,126,308 и US 5,191,141, с другой стороны, описывают технологию конверсии MTO с использованием каталитического вещества на основе нецеолитного молекулярного сита, такого как металл-алюмофосфатное (ELAPO) молекулярное сито. Процессы OTO и MTO, хотя и полезны, но используют косвенный способ для образования желаемого углеводородного продукта путем первоначальной конверсии сырья в оксигенат и последующей конверсии оксигената в углеводородный продукт. Такой косвенный путь производства часто связан с затратами на энергию и лишними расходами, что часто снижает преимущество использования менее дорогого подаваемого вещества.

Недавно были предприняты попытки использования пиролиза для конверсии природного газа в этилен. В US 7,183,451 описан нагрев природного газа до температуры, при которой фракция превращается в водород и углеводородный продукт, такой как ацетилен или этилен. Поток продукта затем резко охлаждают, чтобы остановить дальнейшую реакцию, после чего подвергают реакции в присутствии катализатора с образованием транспортируемых жидкостей. Полученные в конечном итоге жидкости включают лигроин, бензин или дизельное топливо. Хотя этот способ может быть эффективен для конверсии части природного газа в ацетилен или этилен, предполагается, что такой подход обеспечит выход ацетилена только на уровне 40% от потока метанового сырья. И хотя было установлено, что более высокие температуры в сочетании с короткой продолжительностью нахождения могут увеличивать выход, связанные с этим технические ограничения препятствуют дальнейшему совершенствованию данного процесса.

Несмотря на то, что вышеупомянутые традиционные пиролизные системы обеспечивают решения для конверсии этана и пропана в другие полезные углеводородные продукты, они оказались либо неэффективными, либо неэкономичными для конверсии метана в эти другие продукты, такие как, например, этилен. В то время как технология MTO является многообещающей, эти способы могут быть дорогостоящими из-за непрямого подхода к получению желаемого продукта. В связи с продолжающимся ростом цен на сырье, например на этан и лигроин, для традиционных способов, а также избыточной поставкой и соответствующей низкой стоимостью природного газа и других источников метана, например, в связи с недавней большей доступностью сланцевого газа, желательно обеспечить коммерчески осуществимые и экономически эффективные способы использования метана в качестве сырья для производства этилена и других полезных углеводородов.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 представлен вид сбоку в поперечном сечении сверхзвукового реактора в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 2 представлен схематический вид системы для конверсии метана в ацетилен и другие углеводородные продукты в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 3 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 4 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 5 представлен вид в поперечном сечении, показывающий сверхзвуковой реактор в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 6 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 7 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 8 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 9 представлен вид в перспективе участка сверхзвукового реактора, изображенного на фиг. 1.

На фиг. 10 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 11 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 12 представлен частичный вид сбоку в поперечном сечении, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 13 представлен вид в частичном разрезе в перспективе, на котором показаны участки сверхзвукового реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

На фиг. 14 представлен схематический вид сверхзвукового реактора в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.

Подробное описание

Один предложенный альтернативный вариант осуществления для предыдущих способов получения олефинов, которые не получили большого коммерческого распространения, включает подачу углеводородного сырья в сверхзвуковой реактор и ускорение сырья до сверхзвуковой скорости для обеспечения кинетической энергии, которая может быть преобразована в тепло для возможности прохождения эндотермической реакции пиролиза. Варианты осуществления этого способа изложены в патентах US 4,136,015; US 4,724,272 и патенте России № SU 392723A. Эти способы включают сжигание сырья или текучей среды-носителя в насыщенной кислородом среде для повышения температуры сырья и ускорения его до сверхзвуковых скоростей. В реакторе создается ударная волна для инициирования пиролиза или крекинга сырья.

Совсем недавно в US 5,219,530 и 5,300,216 предложен аналогичный способ, при котором используется реактор ударной волны для обеспечения кинетической энергии с целью инициирования пиролиза природного газа для получения ацетилена. Более конкретно, этот способ включает пропускание пара через секцию нагрева для его перегрева и ускорения до почти сверхзвуковой скорости. Нагретая текучая среда передается в сопло, которое действует так, что текучая среда-носитель расширяется, достигает сверхзвуковой скорости и снижает температуру. Этановое сырье пропускают через компрессор и нагреватель и впрыскивают соплами для смешивания с разогнанной до сверхзвуковой скорости текучей средой-носителем для турбулентного смешивания друг с другом со скоростью 2,8 Маха при температуре 427°C. Температура в секции смешивания остается достаточно низкой для ограничения преждевременного пиролиза. Ударно-волновой реактор включает в себя секцию пиролиза с постепенно увеличивающейся площадью поперечного сечения, в которой образуется стоячая ударная волна за счет обратного давления в реакторе вследствие ограничения потока на выходном отверстии. Ударная волна быстро снижает скорость текучей среды, соответственно быстро увеличивая температуру смеси за счет преобразования кинетической энергии в тепло. Это немедленно инициирует пиролиз этанового сырья для его конверсии в другие продукты. Затем теплообменник резкого охлаждения принимает пиролизированную смесь для резкого охлаждения пиролизной реакционной смеси.

Далее в общих чертах раскрываются способы и устройство для конверсии углеводородных компонентов в потоках метанового сырья с использованием сверхзвукового реактора. Используемый в настоящем документе термин «поток метанового сырья» включает в себя любой подаваемый поток, содержащий метан. Потоки метанового сырья, предназначенные для переработки в сверхзвуковом реакторе, в целом включают в себя метан и образуют по меньшей мере часть технологического потока. Устройство и способы, представленные в настоящем документе, преобразуют по меньшей мере часть метана в желаемое углеводородное соединение с получением потока продукта, имеющего более высокую концентрацию углеводородного соединения продукта по отношению к подаваемому потоку.

Используемый в настоящем документе термин «углеводородный поток» относится к одному или более потокам, которые обеспечивают по меньшей мере часть потока метанового сырья, поступающего в сверхзвуковой реактор, как описано в настоящем документе, или получены из сверхзвукового реактора из потока метанового сырья независимо от того, проводится ли дополнительная обработка или переработка такого углеводородного потока. Как показано на примере, изображенном на фиг. 2, углеводородный поток может включать в себя поток 1 метанового сырья, поток 2 продукта сверхзвукового реактора, желаемый поток 3 продукта, выходящий из последующего процесса конверсии углеводородов, или любые промежуточные или побочные потоки, образующиеся в ходе реализации способов, описанных в настоящем документе. Углеводородный поток может переноситься посредством линии 115 технологического потока, как показано на фиг. 2, которая включает в себя линии для переноса каждой из частей технологического потока, описанного выше. Используемый в настоящем документе термин «технологический поток» включает в себя «углеводородный поток», как описано выше, а также может включать в себя поток текучей среды-носителя, поток 4 топлива, поток 6 источника кислорода или любые потоки, используемые в системах и способах, описанных в настоящем документе. Технологический поток может переноситься посредством линии 115 технологического потока, которая включает в себя линии для переноса каждой из частей технологического потока, описанного выше. Как показано на фиг. 2, любой из потока 1 метанового сырья, потока 4 топлива и потока 6 источника кислорода можно предварительно нагревать, например, с помощью одного или более нагревателей 7.

Предыдущие попытки конверсии легких парафиновых или потоков алканового сырья, в том числе потоков этанового и пропанового сырья, в другие углеводороды с использованием сверхзвуковых проточных реакторов продемонстрировали свою перспективность в обеспечении более высоких выходов желаемых продуктов из конкретного подаваемого потока по сравнению с другими более традиционными системами пиролиза. В частности, возможности этих типов способов обеспечивать очень высокие температуры реакции с сопряженной очень короткой продолжительностью нахождения предоставляет значительное улучшение по сравнению с традиционными способами пиролиза. Недавно было установлено, что этими способами также может обеспечивать конверсию метана в ацетилен и другие полезные углеводороды, тогда как более традиционные способы пиролиза являются непригодными или неэффективными для такой конверсии.

Однако большинство предыдущих работ с системами сверхзвуковых реакторов носили теоретический или исследовательский характер и, таким образом, не решали проблем, связанных с практическим осуществлением этого способа в коммерческом масштабе. Кроме того, многие из этих предыдущих описаний не предполагают использования сверхзвуковых реакторов для осуществления пиролиза потока метанового сырья и, главным образом, скорее сосредоточены на пиролизе этана и пропана. Одна из проблем, которая недавно была выявлена с принятием использования сверхзвукового проточного реактора для пиролиза легких алканов и, более конкретно, пиролиза метанового сырья с образованием из него ацетилена и других полезных продуктов, включает разрушительные воздействия, которым может подвергаться сверхзвуковой проточный реактор и другое связанное с ним оборудование из-за тяжелых условий эксплуатации при пиролизе метана. В ходе предыдущей работы не были полностью оценены или рассмотрены эти тяжелые условия эксплуатации. Например, сверхзвуковой реактор наряду с высокими давлениями может работать при температурах до 3000°C или выше. Такие высокие температуры и давления создают риск механического разрушения стенок реактора в результате расплавления, разрыва или ползучести металла. В частности, было установлено, что при повышенной температуре горячие зоны на стенках могут указывать на плавление оболочки. Кроме того, даже в тех местах, где стенки охлаждаются, могут происходить обусловленные химическими реакциями повреждения, например, вследствие окислительно-восстановительных реакций, формирующих непассивированные продукты, которые уносятся с потоком газа, приводя к углублениям в стенках. Кроме того, может происходить перемещаемое окисление, создавая неприлипающие оксиды, которые уносятся с потоком газа.

Кроме того, поток носителя и подаваемый поток могут проходить через реактор при сверхзвуковых скоростях, что может быстро изнашивать множество материалов, которые могут быть использованы для формования оболочки реактора. Более того, определенные вещества и загрязнители, которые могут присутствовать в углеводородном потоке, могут вызывать коррозию, окисление и/или утончение стенок или оболочки реактора и другого оборудования или компонентов реактора. Такие компоненты, вызывающие проблемы коррозии, окисления или утончения, могут включать, например, сульфид водорода, воду, метантиол, арсин, пары ртути, вызывать карбидизацию вследствие реакции в самом топливе или водородное охрупчивание. Другая проблема, которая может существовать при высоких температурах, представляет собой реакцию с нестойкими соединениями, такими как радикалы, например гидроксид.

Таким образом, в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, предложены устройство и способы конверсии метана в потоках углеводородного сырья в ацетилен и другие продукты. Установлено, что описанное в соответствии с настоящим изобретением устройство и его применение, улучшают общий способ пиролиза исходного сырья легких алканов, включая метановое сырье, в ацетилен и другие полезные продукты. Устройство и способы, описанные в настоящем документе, также улучшают способность устройства и связанных с ним компонентов и оборудования выдерживать деградацию и возможный отказ из-за экстремальных условий эксплуатации в реакторе.

В соответствии с одним подходом устройство и способы, описанные в настоящем документе, применяются для переработки углеводородного технологического потока с целью конверсии по меньшей мере части метана в углеводородном технологическом потоке в ацетилен. Углеводородный технологический поток, описанный в настоящем документе, включает в себя поток метанового сырья, подаваемый в систему, который содержит метан и может также содержать этан или пропан. Поток метанового сырья может также включать в себя комбинации метана, этана и пропана в различных концентрациях и может также содержать другие углеводородные соединения, также как и загрязнители. В одном подходе поток углеводородного сырья включает природный газ. Природный газ может быть получен из различных источников, включая, без ограничений, газовые месторождения, нефтяные месторождения, угольные месторождения, пласты гидроразрыва на сланцевых месторождениях, биомассу и свалочный газ. В другом подходе поток метанового сырья может включать поток из другой части нефтеперерабатывающего или перерабатывающего завода. Например, в процессе переработки сырой нефти в различные продукты часто отделяют легкие алканы, включая метан, и из одного из этих источников может быть получен поток метанового сырья. Эти потоки могут быть обеспечены одним и тем же нефтеперерабатывающим заводом или другим нефтеперерабатывающим заводом, или отходящим газом нефтеперерабатывающего завода. Поток метанового сырья также может включать в себя комбинации потоков из различных источников.

В соответствии со способами и системами, описанными в настоящем документе, поток метанового сырья может быть подан из удаленного места или из местоположения или местоположений систем и применения способов, описанных в настоящем документе. Например, хотя источник потока метанового сырья может быть расположен на том же нефтеперерабатывающем или перерабатывающем заводе, где выполняются процессы и имеются системы, например как выходной поток другого процесса конверсии углеводородов на месте или локального месторождения природного газа, поток метанового сырья может подаваться из удаленного источника по трубопроводам или другими способами транспортировки. Например, подаваемый поток может быть получен от удаленного завода по переработке углеводородов или нефтеперерабатывающего завода, или удаленного месторождения природного газа и предоставляться в качестве сырья для систем и способов, описанных в настоящем документе. Первоначальная переработка метанового потока может происходить на удаленном источнике для удаления определенных загрязнителей из потока метанового сырья. Там, где происходит такая начальная переработка, ее можно рассматривать как часть систем и процессов, описанных в настоящем документе, или она может проходить перед системами и процессами, описанными в настоящем документе. Таким образом, поток метанового сырья, предусмотренный для систем и процессов, описанных в настоящем документе, может иметь различные уровни загрязнителей в зависимости от того, происходит ли начальная обработка выше по потоку.

В одном примере поток метанового сырья имеет содержание метана в диапазоне от 65 мол.% до 100 мол.%. В другом примере концентрация метана в углеводородном сырье находится в диапазоне от 80 мол.% до 100 мол.% углеводородного сырья. В еще одном примере концентрация метана находится в диапазоне от 90 мол.% до 100 мол.% углеводородного сырья.

В одном примере концентрация этана в метановом сырье находится в диапазоне от 0 мол.% до 35 мол.%, а в другом примере — от 0 мол.% до 10 мол.%. В одном примере концентрация пропана в метановом сырье находится в диапазоне от 0 мол.% до 5 мол.%, а в другом примере — от 0 мол.% до 1 мол.%.

Поток метанового сырья может также включать тяжелые углеводороды, такие как ароматические, парафиновые, олефиновые и нафтеновые углеводороды. Эти тяжелые углеводороды, если присутствуют, будут, вероятно, присутствовать в концентрациях от 0 мол.% до 100 мол.%. В другом примере они могут присутствовать в концентрациях от 0 мол.% до 10 мол.% и могут присутствовать в диапазоне от 0 мол.% до 2 мол.%.

Устройство и способ образования ацетилена из потока метанового сырья, описанные в настоящем документе, используют сверхзвуковой проточный реактор для пиролизации метана в подаваемом потоке с образованием ацетилена. Сверхзвуковой проточный реактор может включать в себя один или более реакторов, выполненных с возможностью создания сверхзвукового потока текучей среды-носителя и потока метанового сырья и расширения текучей среды-носителя для инициирования реакции пиролиза. В одном подходе способ может предусматривать сверхзвуковой реактор, как по существу описано в патенте US 4,724,272, содержание которого полностью включено в настоящий документ путем ссылки. В другом подходе способ и система могут предусматривать сверхзвуковой реактор, такой как описанный в патентах US 5,219,530 и 5,300,216 реактор «ударной волны», содержание которых полностью включено в настоящий документ путем ссылки. В еще одном подходе сверхзвуковой реактор, описанный как реактор «ударной волны», может включать в себя реактор, такой как описанный у Robert G. Cerff «Supersonic Injection and Mixing in the Shock Wave Reactor», University of Washington Graduate School, 2010.

Хотя в настоящем способе можно использовать множество сверхзвуковых реакторов, пример реактора 5 показан на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, сверхзвуковой реактор 5 включает в себя корпус 10 реактора, по существу образующий камеру 15 реактора. Хотя реактор 5 показан в виде одного реактора, следует понимать, что он может быть выполнен модульным или в виде отдельных сосудов. Если они сформированы модульно или в виде отдельных компонентов, модули или отдельные компоненты реактора могут быть соединены друг с другом постоянно или временно или могут быть отделены друг от друга с содержащимися текучими средами другими способами, такими как, например, регулировка перепада давления между ними. Зона или камера 25 сгорания предусмотрена для сжигания топлива с целью получения текучей среды-носителя с желаемыми температурой и расходом. Реактор 5 может необязательно включать в себя впускное отверстие 20 текучей среды-носителя для введения в реактор дополнительной текучей среды-носителя. Для впрыскивания горючего топлива, например водорода, в камеру 26 сгорания предусмотрены один или более топливных инжекторов 30. Чтобы облегчить сгорание топлива могут быть использованы одни и те же или другие инжекторы для впрыска источника кислорода в камеру 26 сгорания. Впрыскивание топлива и источника кислорода могут осуществляться в осевом направлении, тангенциальном направлении, радиальном направлении или в другом направлении, включая комбинацию направлений. Топливо и кислород сжигают с получением потока горячей текучей среды-носителя, как правило, имеющей температуру от 1200°С до 3500°C в одном примере, от 2000°С до 3500°C в другом примере и от 2500°С до 3200°C в еще одном примере. В настоящем документе также предполагается создание горячего потока текучей среды-носителя с помощью других известных способов, включая способы без сжигания. В соответствии с одним примером поток текучей среды-носителя имеет давление 1 атм или выше, более 2 атм в другом примере и более 4 атм в еще одном примере.

Поток горячей текучей среды-носителя из зоны 25 сгорания проходит через сверхзвуковой расширитель 51, который включает в себя сходящееся-расходящееся сопло 50 для увеличения скорости текучей среды-носителя до значения свыше 1,0 Маха в одном примере, от 1,0 Маха до 4,0 Маха в другом примере и от 1,5 Маха до 3,5 Маха в еще одном примере. При этом время нахождения текучей среды в реакционном участке сверхзвукового проточного реактора составляет от 0,5 мс до 100 мс в одном примере, от 1,0 мс до 50 мс в другом примере и от 1,5 мс до 20 мс в еще одном примере. Температура потока текучей среды-носителя, проходящего через сверхзвуковой расширитель, в одном примере находится в диапазоне от 1000°C до 3500°C, от 1200°C до 2500°C в другом примере и от 1200°C до 2000°C в еще одном примере.

Для впрыскивания потока метанового сырья в реактор 5 для смешивания с текучей средой-носителем предусмотрен впускной канал 40 для сырья. Впускной канал 40 для сырья может включать в себя один или более инжекторов 45 для впрыска сырья в сопло 50, зону 55 смешения, зону 60 диффузора или реакционную зону или камеру 65. Инжектор 45 может включать в себя коллектор, содержащий, например, множество отверстий для впрыска или сопел для впрыскивания сырья в реактор 5.

В одном подходе реактор 5 может включать в себя зону 55 смешения для смешивания текучей среды-носителя с потоком сырья. В одном подходе, как показано на фиг. 1, реактор 5 может иметь отдельную зону смешения, например, между сверхзвуковым расширителем 51 и зоной 60 диффузора, тогда как в другом подходе зона смешения интегрирована в секцию диффузора и смешивание может происходить в сопле 50, зоне 60 расширения или реакционной зоне 65 реактора 5. Зона 60 расширения включает в себя расходящуюся стенку 70 для быстрого уменьшения скорости проходящих вдоль нее газов, преобразования кинетической энергии протекающей текучей среды в тепловую энергию и дополнительного нагрева потока, что вызывает реакцию пиролиза метана в потоке сырья, которая может происходить в секции расширения 60 и/или расположенной ниже реакционной секции 65 реактора. Текучая среда резко охлаждается в зоне 72 резкого охлаждения для прекращения реакции пиролиза с дополнительной конверсией желаемого ацетиленового продукта в другие соединения. Для введения охлаждающей текучей среды, например воды или пара, в зону 72 резкого охлаждения можно использовать распылительные пластины 75.

Продукт реактора выходит из реактора через выходное отверстие 80 и, как упомянуто выше, образует часть углеводородного потока. В продукте будет содержаться более высокая концентрация ацетилена, чем в потоке сырья, и уменьшенная концентрация метана в отличие от потока сырья. Поток продукта реактора в настоящем документе также может называться ацетиленовым потоком, поскольку он содержит повышенную концентрацию ацетилена. Ацетиленовый поток может представлять собой промежуточный поток в способе, предназначенном для образования другого углеводородного продукта, или его можно дополнительно обрабатывать и захватывать в виде потока ацетиленового продукта. В одном примере поток продукта реактора имеет концентрацию ацетилена перед добавлением охлаждающей текучей среды в диапазоне от 2 мол.% до 30 мол.%. В другом примере концентрация ацетилена находится в диапазоне от 5 мол.% до 25 мол.% и от 8 мол.% до 23 мол.% в еще одном примере.

Корпус 10 реактора включает в себя оболочку 11 реактора. Следует отметить, что термин «оболочка реактора» относится к стенке или стенкам, формирующим корпус реактора, который образует камеру 15 реактора. Оболочка 11 реактора, как правило, представляет собой кольцевую структуру, образующую по существу полую центральную камеру 15 реактора. Оболочка 11 реактора может включать в себя один слой материала, одну композитную структуру или множество оболочек с одной или более оболочками, расположенными внутри одной или более других оболочек. Оболочка 11 реактора также включает в себя различные зоны, компоненты и/или модули, как описано выше и дополнительно описано ниже для различных зон, компонентов и/или модулей сверхзвукового реактора 5. Оболочка 11 реактора может быть выполнена в виде цельного изделия, определяющего все различные зоны и компоненты реактора, или может быть модульной, с различными модулями, образующими различные зоны и/или компоненты реактора.

Согласно одному подходу один или более участков стенки или оболочки 11 реактора сформованы методом отливки. При этом один или более участков могут не быть образованы путем сварки или штамповки, или другими способами изготовления, однако отливку можно подвергать дополнительной обработке, как описано ниже. Без намерения быть связанным с какой-либо теорией полагают, что, поскольку при сварке часто сохраняется остаточное напряжение в металле, формование стенки или стенок реактора методом сварки может давать реактор, который более подвержен разрушению или разрыву при высоких температурах и давлениях. Кроме того, из-за изменяющейся микроструктуры и возможных градиентов состава сварные швы также могут быть более подвержены коррозии и растрескиванию. Аналогичным образом считается, что изготовление стенок реактора штамповкой может приводить к появлению в стенках реактора незначительных остаточных напряжений, что вызовет аналогичные проблемы при эксплуатации в условиях высоких температур и давлений. Таким образом, при формовании участка оболочки реактора в виде отливки обеспечивается более изотропная микроструктура. Отлитый участок оболочки реактора может обеспечивать более высокую коррозионную стойкость по сравнению с аналогичными компонентами, изготовленными другими способами, такими как сварка или штамповка. Формование оболочки реактора методом отливки также может обеспечивать более равномерный тепловой поток и более равномерные температуры в этом компоненте реактора. Формование участка оболочки реактора методом отливки также может обеспечивать лучшую и более равномерную высокотемпературную ползучесть, а также стойкость к разрушению по сравнению с формованием оболочки другими способами.

Согласно одному подходу отливка может иметь структуру литья с направленной кристаллизацией для обеспечения улучшенного сопротивления тепловому удару и сопротивления ползучести при повышенных температурах и давлениях реакции. В одном подходе отливка имеет столбчатую кристаллическую структуру. В другом подходе отливка имеет монокристаллическую структуру.

Отливка может быть выполнена из одного или более материалов, как дополнительно описано ниже. Отлитый участок реактора можно дополнительно обрабатывать различными способами, известными в данной области. Например, литая оболочка 11 реактора может быть покрыта, как дополнительно описано в настоящем документе, термообработана, закалена, цементирована углеродом, азотирована или обработана другими известными способами для улучшения ее свойств.

Для формования цельной оболочки 11 реактора можно применять монокристаллическую отливку, либо оболочка 11 реактора может включать в себя, как дополнительно описано в настоящем документе, отдельные литые компоненты или модули, при сборке которых формуют оболочку 11 реактора. Кроме того, если оболочка 11 реактора содержит различные слои, включая покрытия, внутреннюю и внешнюю оболочки и т.п., как дополнительно описано в настоящем документе, эти слои можно отливать отдельно или вместе и соответственно эксплуатировать по отдельности или соединенными друг с другом.

В соответствии с различными другими подходами один или более участков оболочки сверхзвукового реактора могут быть изготовлены с помощью известных способов, отличных от отливки, таких как, например, порошковая металлургия, с помощью которой участки оболочки могут быть спрессованы горячим изостатическим прессованием, горячим изостатическим напрессовыванием порошка на подложку или лазерным спеканием, или другими подходящими способами спекания, или с помощью механической обработки заготовки.

В соответствии с одним подходом по меньшей мере участок оболочки 11 реактора выполнен из материала, имеющего высокую температуру плавления для выдерживания высоких температур эксплуатации сверхзвукового реактора 5. В одном подходе один или более материалов, образующих участок оболочки 11 реактора, могут иметь большую долговечность при малоцикловой усталости, высокий предел текучести, устойчивость к ползучести и механическому разрушению, устойчивость к окислению и обладать совместимостью с охлаждающими средами и видами топлива. В одном примере по меньшей мере участок оболочки 11 реактора выполнен из материала, имеющего температуру плавления от 1200°C до 4000°C и в другом примере от 1800°C до 3500°C. Материалы также могут демонстрировать микроструктурную стабильность за счет различных способов термической и механической обработки, совместимости с процессами склеивания и хорошей прилипаемости к покрытиям с высоким сопротивлением окислению. Некоторые предпочтительные материалы для формования по меньшей мере участка оболочки реактора включают в себя суперсплавы, алюминид никеля и гамма-алюминид титана. Согласно одному подходу суперсплав представляет собой суперсплав на основе никеля, а в соответствии с другим подходом суперсплав представляет собой суперсплав на основе железа.

В одном подходе оболочка 11 реактора или участок стенки выполнены из суперсплава. При этом стенка может обеспечивать отличную механическую прочность и сопротивление ползучести при температурах сгорания и пиролиза в реакторе. Таким образом, устройство также может сдерживать плавление или разрушение вследствие рабочих температуры и давления в камере 15 реактора.

В соответствии с другим подходом участок оболочки 11 реактора выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из карбида, нитрида, диборида титана, сиалоновой керамики, диоксида циркония, диоксида тория, углерод-углеродного композита, вольфрама, тантала, молибдена, хрома, никеля и их сплавов.

В соответствии с еще одним подходом участок оболочки 11 реактора выполнен способом литьевого формования, причем отливка включает в себя компонент, выбранный из группы, состоящей из дуплексной нержавеющей стали, супердуплексной нержавеющей стали и суперсплава с низкой ползучестью при высоких температурах на основе никеля.

Для обеспечения хорошей коррозионной стойкости можно использовать хром или никель.

В другом аспекте стенки реактора выполнены из материала, имеющего высокую теплопроводность. Таким образом из камеры реактора 15 можно быстро удалять тепло. Это способствует ограничению поверхностной температуры внутренней поверхности оболочки 11 реактора, так что она не нагревается до температур, равных или близких температуре реактора, способных вызвать плавление, химическое горение или другое ухудшение состояния стенок оболочки 11 реактора. В одном примере один или более участков реактора выполнены из материала, имеющего теплопроводность от 200 до 500 Вт/(м-К). В другом примере теплопроводность составляет от 300 до 450 Вт/(м-К). В еще одном примере теплопроводность составляет от 200 до 346 Вт/(м-К) и в еще другом примере может составлять от 325 до 375 Вт/(м-К).

Было установлено, что при таком подходе оболочка реактора может быть выполнена из материала, имеющего относительно низкую температуру плавления, при условии, что материал имеет очень высокую проводимость. Поскольку при этом подходе тепло от реакционной камеры 15 быстро отводится, оболочка 11 реактора не подвергается воздействию такой высокой температуры. В связи с этим при формовании участка оболочки реактора из материала, имеющего высокую теплопроводность, материал может иметь температуру плавления ниже температуры в камере 15 реактора. В одном примере участок оболочки 11 реактора выполнен из материала, имеющего температуру плавления от 500°С до 2000°C. В другом примере участок оболочки 11 реактора может быть выполнен из материала, имеющего температуру плавления от 800°C до 1300°C, и может быть выполнен из материала, имеющего температуру плавления от 1000°C до 1200°C в еще одном примере.

Согласно одному подходу материал, имеющий высокую теплопроводность, включает в себя металл или металлический сплав. В одном подходе один или более участков оболочки 11 реактора могут быть выполнены из меди, серебра, алюминия, циркония, ниобия и их сплавов. В этой связи следует отметить, что один или более из перечисленных выше материалов также можно использовать для формирования покрытия на подложке оболочки реактора или для формирования слоя многослойной оболочки 11 реактора. Согласно одному подходу, участок 11 реактора содержит медь или медный сплав. В одном примере участок оболочки реактора содержит материал, выбранный из группы, состоящей из меди и хрома; меди, хрома и цинка; меди, хрома и ниобия; меди и никеля и меди, никеля и вольфрама. В другом примере участок оболочки реактора включает в себя ниобий и серебро. Для улучшения отведения тепла из камеры реактора можно использовать охлаждение для более быстрого отведения тепла от камеры реактора таким образом, чтобы ее температура поддерживалась на допустимом уровне и ниже.

В соответствии с другим подходом оболочка 11 реактора может включать в себя множество слоев. Оболочка 11 реактора, показанная на фиг. 3, содержит внутренний слой 210, образующий камеру 15 реактора, и внешний слой 205, формирующий внутренний слой 210. Хотя оболочка 11 реактора, показанная на фиг. 3, для простоты объяснения имеет два слоя, следует понимать, что оболочка 11 реактора может включать в себя три или более слоев, как показано на фиг. 8, имеющих один или более промежуточных слоев 211 между внутренним слоем 210 и внешним слоем 205. Кроме того, один или более дополнительных внешних слоев 212 могут быть расположены с наружной стороны внешнего слоя 212. С внутренней стороны внутреннего слоя 210 может быть расположен один или более дополнительных внутренних слоев.

В одном подходе внутренний слой 210 содержит покрытие, выполненное на внутренней поверхности внешнего слоя 205 или любых дополнительных промежуточных слоях 211. При этом внешний слой 205 образует подложку, на которую наносят покрытие внутреннего слоя 210. В альтернативном варианте осуществления внутренние слои 210 могут служить подложкой, на которую наносят покрытие внешнего слоя 205. Один или оба из внутреннего слоя 210 и внешнего слоя 205 могут быть выполнены способом отливки, как описано ранее, или сформованы другими известными способами в соответствии с данным подходом.

В одном подходе по меньшей мере участок внутреннего слоя 210 содержит материал с высокой температурой плавления, как описано выше. В соответствии с другим подходом внутренний слой 210 содержит материал, выбранный из группы, состоящей из карбида, нитрида, диборида титана, сиалоновой керамики, диоксида циркония, диоксида тория, углерод-углеродного композита, вольфрама, тантала, молибдена, хрома, никеля и их сплавов. В соответствии с еще одним подходом внутренний слой 210 содержит суперсплав, а в соответствии с другим подходом содержит материал, выбранный из группы, состоящей из дуплексной нержавеющей стали, супердуплексной нержавеющей стали и суперсплава с низкой ползучестью при высоких температурах на основе никеля. В этой связи внутренний слой 210 может быть выбран таким образом, чтобы обеспечивать выгодные рабочие характеристики, в частности, когда слой подвергается воздействию жестких условий эксплуатации в камере 15 реактора, включая высокую температуру в ней.

В другом подходе по меньшей мере участок внутреннего слоя 210 содержит материал с высокой теплопроводностью, как описано выше. В соответствии с другим подходом внутренний слой 210 содержит материал, выбранный из группы, состоящей из меди, серебра, алюминия, циркония, ниобия и их сплавов. В еще одном подходе внутренний слой 210 содержит материал, выбранный из группы, состоящей из меди и хрома; меди, хрома и цинка; меди, хрома и ниобия; меди и никеля и меди, никеля и вольфрама. В другом примере участок оболочки реактора включает в себя ниобий и серебро. В этой связи внутренний слой 210 может быть выбран таким образом, чтобы обеспечивать выгодные рабочие характеристики, в частности, когда слой подвергается воздействию жестких условий эксплуатации в камере 15 реактора, включая высокую температуру в ней.

В одном подходе внешний слой 205 может быть выполнен из материала, отличного от материала внутреннего слоя 210. Материал внешнего слоя 205 может быть выбран таким образом, чтобы образовывать опорную конструкцию или обеспечивать другие желаемые свойства для оболочки 11 реактора. В одном примере внешний слой 205 или промежуточный слой содержит коррозионно-стойкую сталь. Другие подходящие материалы для формирования внешнего слоя 205 оболочки 11 реактора включают в себя, без ограничений, дуплексную нержавеющую сталь, супердуплексную нержавеющую сталь и суперсплав с низкой ползучестью при высоких температурах на основе никеля, суперсплав Nimonic™ с низкой ползучестью при высоких температурах на основе никеля, Inco™ 718, Haynes™, 230 или другие никелевые сплавы, такие как Mar-M-247.

В одном подходе внутренний слой 210 включает в себя термобарьерное покрытие. Термобарьерные покрытия могут быть изготовлены из материала, который проявляет желаемые свойства для использования в камере 15 реактора, такие как, например, высокая температура плавления, для выдерживания высоких температур в камере 15 реактора. Например, термобарьерное покрытие может включать в себя диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, легированный лантаном и редкоземельными элементами гексалюминат лантана, карбид гафния или вольфрам, поскольку оба вещества имеют высокую температуру плавления, хорошие механические свойства при высоких температурах эксплуатации и необязательно низкую теплопроводность.

В одном подходе между внутренним слоем 210 и поверхностью внешнего слоя 205 предусмотрено связующее покрытие, включающее термобарьерное покрытие в соответствии с одним подходом. Связующее покрытие может содержать сплавы NiCrAlY, NiCoCrAlY, нанесенные на металлическую поверхность с помощью плазменного напыления, электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы (PVD) или другими известными в данной области способами. Другие связующие покрытия для медных сплавов могут включать в себя NiAl, нанесенный вакуумным плазменным напылением в атмосфере инертного газа низкого давления или другими известными в данной области способами.

Многослойная оболочка 11 реактора может быть сформирована любым известным способом, известным в данной области. В одном подходе покрытие внутреннего диаметра, сформированное на мандреле, можно использовать для получения многослойной оболочки реактора путем нанесения покрытия на материал подложки. В другом подходе на подложку может быть нанесено покрытие путем горячего изостатического прессования с образованием многослойной оболочки 11 реактора. В еще одном подходе для получения покрытия на подложке можно использовать плакировку. В другом подходе внутренний слой и внешние слои могут быть сформированы по отдельности и соединены друг с другом. Пример такого подхода включает в себя раздельную отливку внутреннего слоя 210 и внешнего слоя 205 и соединение их вместе пайкой с образованием многослойной оболочки 11 реактора. Двойное литье также можно использовать путем отливки вторым сплавом первого сплава.

В другом подходе, как показано на фиг. 4, по меньшей мере участок оболочки 11 реактора может включать в себя отдельную внутреннюю оболочку 215 и внешнюю оболочку 220. Аналогично многослойной оболочке 11 реактора, описанной выше, оболочка реактора, имеющая отдельную внутреннюю оболочку 215 и внешнюю оболочку 220, может позволять внутренней оболочке 215 выдерживать условия эксплуатации камеры 15 реактора, тогда как внешняя оболочка 220 образует опорную конструкцию и/или обеспечивает другие желаемые свойства для оболочки 11 реактора.

В одном подходе по меньшей мере участок внутренней оболочки 215 содержит материал с высокой температурой плавления, как описано выше. В соответствии с другим подходом по меньшей мере участок внутренней оболочки 215 содержит материал, выбранный из группы, состоящей из карбида, нитрида, диборида титана, сиалоновой керамики, диоксида циркония, диоксида тория, углерод-углеродного композита, вольфрама, тантала, молибдена, хрома, молибдена, хрома, никеля и их сплавов. В другом подходе по меньшей мере участок внутренней оболочки 210 содержит суперсплав, а в соответствии с другим подходом содержит материал, выбранный из группы, состоящей из дуплексной нержавеющей стали, супердуплексной нержавеющей стали и суперсплава с низкой ползучестью при высоких температурах на основе никеля. При этом внутренняя оболочка 215 может быть выбрана таким образом, чтобы обеспечивать выгодные рабочие характеристики, в частности, когда оболочка подвергается воздействию жестких условий эксплуатации в камере 15 реактора.

В другом подходе по меньшей мере участок внутренней оболочки 215 содержит материал с высокой теплопроводностью, как описано выше. В соответствии с другим подходом внутренняя оболочка 215 содержит материал, выбранный из группы, состоящей из меди, серебра, алюминия, циркония, ниобия и их сплавов. В еще одном подходе внутренняя оболочка 215 содержит материал, выбранный из группы, состоящей из меди и хрома; меди, хрома и цинка; меди, хрома и ниобия; меди и никеля и меди, никеля и вольфрама. В другом примере внутренняя оболочка 215 включает в себя ниобий и серебро. В другом подходе внутренняя оболочка может содержать материал, включающий в себя медный сплав, который был упрочнен дисперсными выделениями соединений вторичных фаз, так что сплав сохраняет высокую теплопроводность. В этой связи внутренняя оболочка 215 может быть выбрана таким образом, чтобы обеспечивать выгодные рабочие характеристики, в частности, когда слой подвергается воздействию жестких условий эксплуатации в камере 15 реактора, включая высокую температуру в ней.

В одном подходе внешняя оболочка 220 может быть выполнена из материала, отличного от материала внутренней оболочки 215. Внешняя оболочка 220 может быть выбрана таким образом, чтобы образовывать опорную конструкцию или обеспечивать другие желаемые свойства для оболочки 11 реактора. В одном примере внешняя оболочка 220 содержит коррозионно-стойкую сталь. Другие подходящие материалы для формирования внешнего слоя 205 оболочки 11 реактора включают в себя, без ограничений, дуплексную нержавеющую сталь, супердуплексную нержавеющую сталь и суперсплав с низкой ползучестью при высоких температурах на основе никеля, суперсплав Nimonic™ с низкой ползучестью при высоких температурах на основе никеля, Inco™ 718, Haynes™, 230 или другие никелевые сплавы, такие как Mar-M-247.

Согласно одному подходу одна или обе из внутренней оболочки 215 и внешней оболочки 220 образованы в виде отливки, как описано выше.

В одном подходе внешняя оболочка 220 включает в себя трубную решетку 230, как показано на фиг. 5. В соответствии с этим подходом по меньшей мере одна дополнительная внутренняя оболочка 235 расположена внутри внешней оболочки 230, образующей вторую камеру 240 реактора. Таким образом, множество реакций пиролиза может происходить внутри множества камер 240 реактора. При таком подходе каждая из внутренних оболочек 235 может включать в себя некоторые или все компоненты, описанные выше применительно к сверхзвуковому реактору 5, показанному на фиг. 1, или некоторые компоненты отдельных внутренних оболочек 235 могут составлять единое целое. В одном подходе некоторые внутренние оболочки 235 реактора могут быть ориентированы в противоположных направлениях. В этом отношении любая реактивная тяга, которая может создаваться высокоскоростными потоками, протекающими через внутренние оболочки, будет смещена ориентированными в противоположных направлениях внутренними оболочками 235 реактора.

В одном подходе внутренняя оболочка 215 находится на расстоянии от внешней оболочки 220 для обеспечения канала 245 между ними, как показано на фиг. 4. В этом подходе канал 245 может включать в себя зону давления. В зоне давления создают повышенное давление для поддержания в ней такого же давления, как и давление в камере 15 реактора. При этом внутренняя оболочка 215 может быть выполнена таким образом, что она не должна выдерживать большой перепад давления между ее внутренней поверхностью 250 и внешней поверхностью 255. Далее внутренняя оболочка 215 может быть выполнена из материала, имеющего относительно более низкое номинальное значение давления и/или относительно малую толщину стенки. Кроме того, внешняя оболочка 220 может образовывать собой опорную конструкцию, а также служить в качестве аппарата высокого давления для выдерживания перепада давления между зоной 245 высокого давления и внешней оболочкой 220. В другом подходе (не показан) внутренняя оболочка 215 может примыкать к внешней оболочке 220.

В одном подходе канал 245 дополнительно содержит один или более датчиков 216. Датчики могут обнаруживать или измерять переменные, такие как один или более параметров или веществ в канале 245. Примеры датчиков включают в себя датчики давления, датчики температуры, химические датчики, такие как газовые датчики, датчики водорода, углеводородные датчики, метановые датчики и т.п. Датчики могут быть электрически подключены к одной или более системам отображения, мониторинга и/или управления. В одном подходе канал 245 дополнительно вмещает одну или более несущих конструкций 217 для поддержки внутренней оболочки 215 относительно внешней оболочки 220.

В соответствии с другим подходом, как показано на фиг. 6, внутри по меньшей мере участка оболочки 11 реактора может быть предусмотрена облицовка 260 для препятствования износу участка оболочки 11 реактора из-за условий эксплуатации в камере 15 реактора. Облицовка 260 может проходить вдоль внутренней поверхности оболочки 11 реактора и может примыкать к оболочке 11 реактора или может быть отделена от нее.

В одном подходе облицовка 260 включает в себя съемную облицовку. Съемная облицовка может содержать углерод в форме углерод-углеродного композита, пиролитического углерода, стекловидного углерода или в других формах углерода или высокотемпературного сплава и может быть извлечена и заменена после достижения износа облицовки 260. При этом съемная облицовка может защищать оболочку реактора от жестких условий эксплуатации в камере 15 реактора.

В соответствии с другим подходом облицовка 260 включает в себя самовосстанавливающуюся облицовку и выполнена с возможностью регенерации во время работы сверхзвукового реактора 5 и/или при выведении сверхзвукового реактора 5 в автономный режим. В одном подходе самовосстанавливающаяся облицовка включает в себя углерод, который каталитически активен для облегчения образования углерода или кокса вдоль внутренней поверхности оболочки 11 реактора для регенерации углеродной облицовки. В другом подходе самовосстанавливающаяся облицовка включает в себя саморегенерирующуюся облицовку, имеющую графитовый слой кокса. В другом подходе самовосстанавливающаяся облицовка включает в себя облицовку, имеющую наноструктурированный слой кокса. В еще одном подходе самовосстанавливающаяся облицовка включает в себя облицовку с наноструктурированным слоем графена. В одном подходе самовосстанавливающаяся облицовка обладает направленной теплопроводностью для быстрого отведения тепла из реакционной камеры 15 во время работы.

В одном подходе облицовка 260 включает в себя покрытие с низкой теплопроводностью, которое функционирует с целью обеспечения защиты используемых металлических сплавов и замедляет теплопередачу. В другом подходе облицовка может представлять собой плавающую захваченную облицовку, изготовленную из материалов со стойкостью к высоким температурам и с низкой теплопроводностью. Такая облицовка позволяет уменьшать теплопередачу и эрозию. Плавающую захваченную облицовку можно формировать путем вакуумного плазменного напыления HfC или рения на подходящую мандрель, обработанную в соответствии с точными размерами формы требуемого внешнего диаметра облицовки. После напыленного покрытия из HfC или рения может следовать опорный слой из вольфрама, способный поддерживать эту структуру при необходимых температурах. После слоя вольфрама может следовать слой молибдена и, возможно, другой опорный слой вольфрама и/или никеля, кобальта, хрома, иттрий-алюминия. Все слои могут наносить с помощью вакуумного плазменного напыления, и они будут находиться один за другим после того, как внутренний диаметр мандрели подвергли химическому травлению.

В одном подходе в одном или более участках оболочки 11 реактора предусматривают активное охлаждение для отведения тепла из камеры 15 реактора и ограничения расплавления или другого ухудшения состояния оболочки 11 реактора из-за воздействия высоких температур и других условий эксплуатации. В одном подходе активное охлаждение включает в себя активную систему охлаждения. Как изображено на фиг. 7, в поперечном сечении части оболочки 11 реактора показана активная система охлаждения, которая включает в себя множество каналов 300 охлаждения, сформованных в оболочке 11 реактора, для протекания охлаждающей среды вдоль оболочки 11 реактора с целью отведения от нее тепла. Активная система охлаждения также может включать в себя источник охлаждающей среды для подачи под давлением охлаждающей среды, проходящей через каналы 300 охлаждения. Как показано на фиг. 7, каналы охлаждения могут проходить по существу по окружности оболочки 11 реактора, которая в одном подходе включает в себя по существу кольцевую конфигурацию. Для подачи охлаждающей среды в каналы 300 охлаждения и отведения из них также могут быть предусмотрены коллекторные трубки.

В одном подходе каналы 300 охлаждения могут включать в себя один или множество каналов, сформованных на поверхности оболочки реактора. В другом подходе каналы 300 охлаждения могут включать в себя одну или множество трубок или по существу полых туннелей, сформованных в оболочке 11 реактора для протекания через них охлаждающей текучей среды, как в показанной конфигурации на фиг. 7. Каналы 300 могут проходить вдоль одной или более поверхностей реактора или могут быть выполнены в стенках оболочки 11 реактора, как показано на фиг. 9. Каналы 300 могут быть расположены в различной ориентации и могут проходить в осевом направлении вдоль оболочки 11 реактора, по окружности оболочки 11 реактора, радиально через оболочку реактора, спирально по кольцеобразной оболочке реактора или в другой ориентации, известной в данной области.

В еще одном подходе каналы 300 охлаждения могут включать в себя один или более промежутков между внутренним и внешним слоями, облицовками или внутренними и внешними оболочками, как описано выше, для обеспечения одного или более каналов охлаждения, таких как канал 245 на фиг. 4. Кроме того, в пространстве между внутренним и внешним слоями, облицовками или оболочками может быть предусмотрен манипулятор потока для направления охлаждающей текучей среды в соответствии с желаемой схемой потока. Как показано на фиг. 10, выступы 315, такие как штифты, ребра или другие выступы, могут использоваться в пространстве между внутренним и внешним слоями для увеличения площади поверхности для охлаждения. Кроме того, система охлаждения может включать в себя комбинацию различных типов каналов 300 охлаждения, как описано в настоящем документе. Например, каналы 300 охлаждения могут включать в себя канал 300 охлаждения между слоями 215 и 220 оболочки 11 реактора, а также каналы, сформованные на поверхности одного из внутреннего слоя 215 и внешнего слоя 220, так что охлаждающая среда, протекающая через каналы охлаждения, также проходит через каналы 245 оболочки реактора.

Каналы 300 охлаждения могут быть сформованы различными способами. В одном подходе каналы 300 охлаждения получают механической обработкой оболочки реактора. В другом подходе частичные каналы могут быть сформованы вдоль поверхности (-ей) одного или более слоев, или оболочек, оболочки 11 реактора, как описано выше, а между слоями или оболочками могут быть образованы полные каналы 300 при соединении слоев и/или оболочек, как показано на фиг. 10. Аналогичным образом на поверхности стенки или слоя реактора может быть сформован частичный канал, и поверх такого частичного канала могут быть нанесены покрытие или облицовка для получения полного канала 300 между стенкой или слоем реактора и покрытием или облицовкой. В еще одном подходе покрытие или облицовку можно наносить в виде узора, определяющего полный или частичный канал. Такие частичные или полные каналы могут быть сформованы, как описано выше, путем механической обработки, отливки или во время нанесения конкретного покрытия, слоя или облицовки, или другими способами. Каналы 300 охлаждения также могут быть сформованы другими, которые общеизвестны в данной области. В каналах могут быть использованы штифты, ребра или другие выступы с целью увеличения площади поверхности для охлаждения. На облицовку может быть нанесено покрытие с низкой теплопроводностью, функционирующее на обеспечение защиты используемых металлических сплавов, замедление передачи тепла к активному охлаждению и повышение эффективности. В качестве примера покрытие может представлять собой никелевый или медный сплав, который нанесен вакуумным плазменным напылением на внутреннюю облицовку с предварительно нанесенным связующим покрытием, которое обеспечивает адгезию опорного металла к материалу с низкой теплопроводностью. Связующее покрытие может содержать никель, хром, кобальт, алюминий и/или иттрий с последующим нанесением молибдена и вольфрама, и, окончательно, — HfC или HfO₂.

Стенки, образующие каналы охлаждения, могут способствовать теплопередаче в циркулирующую охлаждающую среду, выступая в качестве охлаждающих ребер, а также выдерживать нагрузки от давления охлаждающей среды. В одном подходе толщина стенки, контактирующая с горячим газом (участок оболочки 11 реактора между охлаждающей средой и горячим газом сгорания), оптимизирована для сведения к минимуму сопротивления тепловому потоку через стенки облицовки и каналы 300 охлаждения, обеспечивая при этом структурную целостность относительно воздействия давления и тепловых нагрузок. В одном подходе толщина стенки, контактирующей с горячим газом, составляет от 0,10 дюйма до 0,375 дюйма, а в другом примере составляет от 0,15 дюйма до 0,225 дюйма. В другом подходе стенки между каналами охлаждения оптимизированы путем выполнения в виде ребер для обеспечения низкого теплового сопротивления между горячей стенкой и охлаждающей средой, а также сохранения структурной целостности.

В другом подходе каналы охлаждения содержат интенсификаторы потока для усиления потока охлаждающей среды с целью повышения коэффициента теплопередачи охлаждающей среды и потока тепла от стенки к охлаждающей среде. В одном подходе интенсификаторы потока содержат ребра, ориентированные перпендикулярно или под меньшим углом к направлению потока охлаждающей среды, для обновления пограничного слоя охлаждающей среды, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи охлаждающей среды и увеличению потока тепла от стенки в охлаждающую среду. Завихрение, создаваемое ребрами, расположенными под углом менее 90 градусов, будет порождать составляющую скорости завихрения, смешивая охлаждающую среду и сообщая более высокую скорость теплопередачи от стенки к охлаждающей среде.

При сборке оболочки 11 реактора коллекторные трубки и сеть каналов 300 охлаждения объединяют с образованием коллектора, в котором проходящая охлаждающая среда отводит тепло, выделяемое в процессе сгорания в сверхзвуковом реакторе 5, до уровня, необходимого для поддержания приемлемой температуры стенки реактора.

В одном подходе охлаждающая текучая среда находится под давлением с относительно высоким уровнем давления, так что охлаждающая среда, протекающая через участок оболочки 11 реактора, имеет давление в диапазоне от 350 фунтов/кв. дюйм изб. до 3200 фунтов/кв. дюйм изб., а в другом подходе — от 1000 фунтов/кв. дюйм изб. до 2000 фунтов/кв. дюйм изб. И еще в другом подходе — от 1500 до 1600 фунтов/кв. дюйм изб. Относительно высокое давление снижает затруднение циркуляции охлаждающей среды за счет исключения фазового изменения при использовании, например, воды в качестве охлаждающей текучей среды. Давление охлаждающей среды, скорость циркуляции и температуру устанавливают таким образом, чтобы обеспечивать достаточный поток охлаждающей среды для достаточного отведения части тепла, выделяемого в камере 15 реактора, с целью поддержания приемлемой температуры стенки реактора, в частности во время сгорания топливного потока и сверхзвукового расширения. В одном подходе охлаждающая среда имеет скорость потока через каналы охлаждения от 28 000 фунтов/ч до 47 000 фунтов/ч, а в другом примере — от 33 500 фунтов/ч до 80 000 фунтов/ч. В одном примере температура охлаждающей среды на входе составляет от 50°F до 250°F, а в другом примере — от 85°F до 150°F. В одном примере температура охлаждающей среды на выходе составляет от 100°F до 700°F, а в другом примере — от 250°F до 600°F. Можно применять различные охлаждающие среды, известные в данной области. В одном примере охлаждающая среда содержит воду. В другом примере охлаждающая среда включает в себя пар, водород или метан и может содержать смесь текучих сред.

В одном подходе можно использовать инжекционное охлаждение в качестве активного охлаждения для отведения тепла из камеры 15 реактора и ограничения расплавления или другого ухудшения состояния оболочки 11 реактора из-за воздействия высоких температур и других условий эксплуатации. При инжекционном охлаждении возможно применение газа или жидкости. В одном подходе при инжекционном охлаждении можно использовать серию ударных струй, чтобы обеспечивать высокую теплопередачу. Например, высокоскоростные струи могут быть направлены на оболочку, подлежащую охлаждению. По мере того как охлаждающая струя входит в контакт с поверхностью оболочки, она расходится во всех направлениях параллельно поверхности оболочки. Струи могут распределяться по оболочке, например, в случайном порядке или в виде узора. Инжекционное охлаждение может включать в себя такие технологии, как применение систем с высокой скоростью соударения, использующих расширение пара для охлаждения горячей стенки, соударения жидкости со стенкой и охлаждение за счет эффузии газа.

В одном подходе в качестве активного охлаждающего механизма может использоваться тепловая трубка. Тепловые трубки могут проводить до 250 раз больше тепловой энергии, чем сплошной медный теплопроводящий элемент.

В одном подходе, как показано на фиг. 12, вдоль внутренней поверхности по меньшей мере участка оболочки 11 реактора может быть предусмотрен пленочный барьер 350 для обеспечения по меньшей мере частичного барьера в камере 15 реактора. Пленочный барьер 350 может способствовать ограничению износа, включая расплавление, эрозию или коррозию оболочки 11 реактора из-за высоких температур, больших скоростей потока и других жестких условий в камере 15 реактора.

В одном подходе пленочный барьер 350 включает в себя барьер из холодной текучей среды. Используемый в настоящем документе термин «барьер из холодной текучей среды» относится к температуре барьера из текучей среды по отношению к температуре в камере 15 реактора. Таким образом, барьер из холодной текучей среды может иметь высокую температуру, но быть холодным по отношению к камере 15 реактора. В одном примере температура барьера из холодной текучей среды составляет от 3000°F до 5000°F. В другом примере температура барьера из холодной текучей среды составляет от 3600°F до 4600°F.

В одном примере барьер из холодной текучей среды может включать в себя барьер из холодного пара. В другом примере барьер из холодной текучей среды включает в себя барьер из расплавленного металла. В другом примере барьер из холодной текучей среды включает в себя воду или пар. В другом подходе барьер из холодной текучей среды включает в себя воздух или водород. В еще одном примере барьер из холодной текучей среды включает в себя метан. Барьер из холодной текучей среды также может включать в себя другие текучие среды, известные в данной области, или комбинацию текучих сред. Согласно одному подходу барьер из холодной текучей среды включает в себя текучую среду, которая содержит по меньшей мере часть технологического потока.

Пленочный барьер может быть нанесен на внутреннюю поверхность участка оболочки 11 реактора различными способами. Как показано на фиг. 13, в одном подходе оболочка 11 реактора включает в себя отверстия 360, проходящие через по меньшей мере ее часть, чтобы обеспечить прохождение через нее холодной текучей среды и формирование барьера из холодной текучей среды. Отверстия могут иметь форму пазов, которые выводят текучую среду в сердцевину потока. В другом подходе оболочка 11 реактора может включать в себя пористую стенку 365, которая облегчает просачивание через нее холодной текучей среды для создания барьера из текучей среды. В соответствии с одним подходом оболочка реактора может включать в себя каналы (не показаны), аналогичные описанным выше в отношении активной системы охлаждения, и через них может подаваться холодная текучая среда для образования барьера из холодной текучей среды. При таком подходе может быть предусмотрена коллекторная трубка для введения холодной текучей среды через каналы и отверстия. В другом подходе оболочка 11 реактора может включать в себя внутреннюю оболочку 215 и внешнюю оболочку 220, как описано выше, а внутренняя оболочка 215 может содержать отверстия или включать в себя пористую стенку по меньшей мере на участке внутренней оболочки 215. При таком подходе холодная текучая среда может проходить через канал или каналы, образованные между внешней оболочкой 220 и внутренней оболочкой 215, так что она просачивается через пористую стенку внутренней оболочки 215 с образованием барьера из холодной текучей среды поверх внутренней поверхности участка внутренней оболочки 215. Аналогичным образом там, где внутри оболочки 11 реактора предусмотрена облицовка 260, как описано выше со ссылкой на фиг. 6, облицовка может представлять собой пористую или проницаемую облицовку, позволяющую холодной текучей среде проходить через облицовку и образовывать барьер из холодной текучей среды на ее внутренней поверхности. Пленочный барьер вдоль внутренней поверхности участка оболочки 11 реактора также может быть сформирован другими способами, в том числе известными в данной области.

В другом подходе стенка может содержать огромное количество небольших отверстий 360, которые выводят текучую среду в пленку с образованием охлажденной всей поверхности пленки.

В другом подходе стенка может содержать пазы или прорези, к которым подведена охлаждающая среда и которые образуют охлаждающую пленку за счет стекания охлаждающей среды вдоль стенки в направлении потока. Пленочный барьер 350 также может быть сформирован вдоль внутренней поверхности участка оболочки 11 реактора другими способами, в том числе известными в данной области.

В другом подходе инжекционный способ может комбинироваться со способом охлаждения пленкой по всей поверхности, причем ударная текучая среда после воздействия на горячую стенку выпускается через отверстия 360 пленочного охлаждения в такой стенке 365, обеспечивая два охлаждающих воздействия.

Таким образом, за счет обеспечения пленочного барьера 350 на внутренней поверхности по меньшей мере участка оболочки 11 реактора износ оболочки 11 реактора во время работы сверхзвукового реактора 5 может быть ограничен. Пленочный барьер может уменьшать температуру, воздействию которой подвергается оболочка 11 реактора во время его эксплуатации, обеспечивая барьер для горячей текучей среды сердцевины реактора и конвекционно охлаждая стенку вместе с пленкой до температуры охлаждения пленки.

Система охлаждения может включать в себя различные описанные выше механизмы для обеспечения оптимальной комбинации с целью достижения наивысшей эффективности эксплуатации.

В приведенном выше описании предложен ряд подходов в отношении оболочки 11 реактора или участка оболочки 11 реактора. Таким образом, следует понимать, что по меньшей мере участок оболочки 11 реактора может относиться ко всей оболочке 11 реактора или может относиться к меньшему, чем вся оболочка участку оболочки реактора, как будет более подробно описано ниже. Таким образом, предшествующее описание способов улучшения конструкции и/или эксплуатации по меньшей мере участка оболочки 11 реактора может в целом применяться к любому участку оболочки реактора и/или к следующим конкретно описанным участкам оболочки реактора.

Было установлено, что некоторые участки или компоненты оболочки 11 реактора могут сталкиваться с особенно жесткими условиями эксплуатации или с особыми проблемами, характерными для данного участка или компонента. Таким образом, в соответствии с различными подходами определенные аспекты предыдущего описания могут применяться только к тем участкам или компонентам, для которых обнаружена конкретная проблема. Места вокруг инжектора (-ов) 30 топлива и инжектора (-ов) 45 сырья представляют собой примеры местоположений, в которых могут быть полезны локальные пленочные барьеры или пленочное охлаждение, или инжекционное охлаждение, или локально расположенные конвективные каналы охлаждения.

Одной зоной сверхзвукового реактора 5, которая сталкивается с особенно жесткими условиями эксплуатации во время функционирования, является зона 25 сгорания. В зоне 25 сгорания топливный поток сжигают в присутствии кислорода для создания высокотемпературного потока-носителя. Температуры в зоне 25 сгорания могут быть самыми высокими температурами, имеющимися в камере 15 реактора, и могут достигать значений от 2000°С до 3500°C в одном примере и от 2000°C до 3200°C в другом примере. Таким образом, конкретной проблемой, выявленной в зоне 25 сгорания, является расплавление оболочки 11 реактора в зоне 25 сгорания и окисление стенок камеры сгорания в присутствии кислорода. Участок оболочки реактора в зоне 25 сгорания может называться камерой 26 сгорания.

Другая зона сверхзвукового реактора 5, которая сталкивается с особенно жесткими условиями эксплуатации, включает в себя зону 60 сверхзвукового расширения и, в частности, расположенное в ней сопло 50 сверхзвукового расширителя. В частности, из-за того, что высокотемпературный газ-носитель проходит через сопло 50 расширителя с почти сверхзвуковыми или со сверхзвуковыми скоростями, сопло 50 расширителя и/или другие участки зоны 60 сверхзвукового расширения могут быть особенно чувствительны к эрозии.

Аналогичным образом другие участки сверхзвукового реактора, включая зону 60 диффузора, зону 55 смешения, реакционную зону 65 и зону резкого охлаждения, могут сталкиваться с жесткими условиями эксплуатации во время работы сверхзвукового реактора 5. Дополнительное оборудование или компоненты, используемые совместно со сверхзвуковым реактором 5, также могут сталкиваться с аналогичными проблемами и жесткими условиями эксплуатации, включая, без ограничений, сопла, трубопроводы, смесители и теплообменники.

Вследствие уникальности проблем и условий эксплуатации, воздействию которых могут подвергаться отдельные участки или компоненты сверхзвукового реактора, эти отдельные участки или компоненты можно формировать, эксплуатировать или использовать в соответствии с различными подходами, описанными в настоящем документе, в то время как другие участки или компоненты формируют, эксплуатируют или используют в соответствии с другими подходами, которые могут быть описаны или не описаны в настоящем документе.

Поскольку различные компоненты или участки сверхзвукового реактора 5 могут формироваться или эксплуатироваться по-разному, сверхзвуковой реактор 5, включающий в себя оболочку 11 реактора, может быть выполнен в виде отдельных частей и собран с образованием сверхзвукового реактора 5 или оболочки 11 реактора. В этом отношении сверхзвуковой реактор 5 и/или оболочка 11 реактора могут включать в себя модульную конфигурацию, в которой отдельные модули или компоненты 400 могут быть собраны вместе, как показано на фиг. 11. В соответствии с одним подходом по меньшей мере некоторые участки или компоненты 400 собранного сверхзвукового реактора или оболочки 11 реактора могут быть не соединены, а вместо этого газы или текучие среды в них могут удерживаться путем регулировки перепада давления между компонентами. В других подходах модули или компоненты 400 могут быть соединены вместе, например, фланцами 405, герметизированными в охлаждаемых местах сопряжения между компонентами. Аналогичным образом различные компоненты, участки или модули 400 могут включать в себя различные составные части, представленные в приведенном выше описании. Например, некоторые модули или компоненты 400 могут включать в себя активное охлаждение, пленочный барьер, внутренний и внешний слои, внутреннюю и внешнюю оболочки или другие составные части, описанные выше, тогда как другие участки, модули или компоненты 400 могут включать в себя иные составные части.

В соответствии с одним подходом один или более компонентов или модулей 400 могут быть удалены и заменены во время эксплуатации сверхзвукового реактора 5 или во время его простоя. Например, в связи с возможным более быстрым по сравнению с другими компонентами реактора износом сопла 50 сверхзвукового расширения сопло 50 может быть выполнено съемным, так что при износе оно может быть заменено новым соплом. В одном подходе может быть предусмотрено множество сверхзвуковых реакторов 5, установленных параллельно или последовательно с одним или более сверхзвуковыми реакторами в режиме эксплуатации и одним или более сверхзвуковыми реакторами в резервном режиме, так что при необходимости технического обслуживания или замены одного или более компонентов работающего сверхзвукового реактора 5 процесс может быть переключен на резервный сверхзвуковой реактор для продолжения работы.

Кроме того, сверхзвуковое реакторы могут быть ориентированы горизонтально, как показано на фиг. 1, или вертикально (не показано). В тех случаях, когда реактор выполнен в вертикальном исполнении, прохождение потоков носителя и сырья через него в одном подходе может осуществляться по вертикали снизу вверх. В другом подходе потоки носителя и сырья могут проходить по вертикали сверху вниз. В одном подходе сверхзвуковой реактор может быть ориентирован таким образом, чтобы его можно было свободно опорожнять для предотвращения накопления жидкости в зоне 72 резкого охлаждения. В другом подходе реактор может быть ориентирован вертикально (90° от горизонтали) или горизонтально (0° от горизонтали), как указано выше, или может быть ориентирован под углом от 0° до 90° с входным отверстием реактора выше выходного отверстия реактора. В другом варианте осуществления выходное отверстие 80 может включать в себя два или более выходных отверстий, включая основное выходное отверстие 80 для основного потока паровой фазы и вторичное выпускное отверстие 81 для слива жидкости. В одном подходе жидкость впрыскивается в зону 72 резкого охлаждения и не испаряется полностью. Это может происходить во время переходного или стационарного режима работы. При необходимости вторичное выходное отверстие может работать непрерывно или периодически.

В одном подходе оболочка 11 реактора герметично закрыта с одного конца и включает в себя область повышенного давления на противоположном конце.

В соответствии с одним подходом оболочка 11 реактора может включать в себя устройство 218 сброса давления, как показано на фиг. 4. В одном подходе устройство 218 сброса давления содержит разрывной диск. В другом подходе устройство 218 сброса давления включает в себя предохранительный клапан.

В одном подходе, как показано на фиг. 14, сверхзвуковой реактор 5 может включать в себя запорный клапан 450 на входном отверстии реактора. Сверхзвуковой реактор также может включать в себя систему 455 управления для обнаружения изменения давления в случае неконтролируемого выброса. Система 455 управления может быть выполнена с возможностью изолировать входное отверстие в ответ на выброс. В одном подходе входное отверстие представляет собой входное отверстие 4 для топливного потока.

В соответствии с одним подходом сверхзвуковой реактор 5 включает в себя магнитную ловушку для удержания реагирующих веществ внутри реакционной камеры 15.

В соответствии с другим подходом в сверхзвуковом реакторе 5 может быть предусмотрена генерации водорода для генерирования водорода из потока продукта реактора.

В одном примере поток продукта реактора после пиролиза в сверхзвуковом реакторе 5 содержит более низкое содержание метана, чем в потоке метанового сырья — в диапазоне от 15 мол.% до 95 мол.%. В другом примере концентрация метана находится в диапазоне от 40 мол.% до 90 мол.% и от 45 мол.% до 85 мол.% в следующем примере.

В одном примере выход ацетилена, полученного в сверхзвуковом реакторе из метана в подаваемом потоке, составляет от 40% до 95%. В другом примере выход ацетилена, полученного из метана в подаваемом потоке, составляет от 50% до 90%. Преимуществом является то, что это дает лучший выход, чем предполагаемый выход 40%, достигаемый в результате предыдущих, более традиционных, пиролизных подходов.

В соответствии с одним подходом поток продукта реактора вводят в реакцию с образованием другого углеводородного соединения. При этом часть продукта реактора из углеводородного потока может быть выпущена из выходного отверстия реактора в осуществляемый ниже по потоку процесс конверсии углеводородов для дальнейшей переработки потока. В то же время, следует понимать, что поток продукта реактора может проходить нескольких промежуточных стадий процесса, таких как, например, удаление воды, адсорбция и/или абсорбция для получения концентрированного ацетиленового потока, при этом эти промежуточные стадии не будут подробно описаны в настоящем документе.

Как показано на фиг. 2, поток продукта реактора, имеющий более высокую концентрацию ацетилена, может быть пропущен в расположенную ниже по потоку зону 100 конверсии углеводородов, где ацетилен может быть подвергнут конверсии с образованием другого углеводородного продукта. Зона 100 конверсии углеводородов может включать в себя реактор 105 конверсии углеводородов для конверсии ацетилена в другой углеводородный продукт. Хотя на фиг. 2 показана блок-схема способа конверсии по меньшей мере части ацетилена в потоке продукта в этилен посредством гидрогенизации в реакторе 110 гидрогенизации, следует понимать, что в зоне 100 конверсии углеводородов можно осуществлять множество других способов конверсии углеводородов вместо или в дополнение к способам в реакторе 110 гидрогенизации или комбинацию способов конверсии углеводородов. Аналогичным образом, операции в единицах оборудования, показанные на фиг. 2, могут быть модифицированы или удалены и показаны в иллюстративных целях и не являются ограничивающими способы и системы, описанные в настоящем документе. Более конкретно, было установлено, что несколько других способов конверсии углеводородов, отличных от описанных в предыдущих подходах, могут осуществляться ниже по потоку от сверхзвукового реактора 5, включая способы конверсии ацетилена в другие углеводороды, в том числе, без ограничений, в: алкены, алканы, метан, акролеин, акриловую кислоту, акрилаты, акриламид, альдегиды, полиацетилениды, бензол, толуол, стирол, анилин, циклогексанон, капролактам, пропилен, бутадиен, бутиндиол, бутандиол, C2–C4 углеводородные соединения, этиленгликоль, дизельное топливо, дикарбоновые кислоты, диолы, пирролидины и пирролидоны.

Зона 120 удаления загрязнителей для удаления одного или более загрязнителей из углеводородного или технологического потока может быть размещена в различных местах вдоль углеводородного или технологического потока в зависимости от воздействия конкретного загрязнителя на продукт или процесс и причины для удаления загрязнителей, как дополнительно описано ниже. Например, были выявлены конкретные загрязнители, которые мешают работе сверхзвукового проточного реактора 5 и/или загрязняют компоненты в сверхзвуковом проточном реакторе 5. Таким образом, в соответствии с одним подходом зона удаления загрязнителя расположена выше по потоку от сверхзвукового проточного реактора для удаления этих загрязнителей из подаваемого потока метана до введения потока в сверхзвуковой реактор. Было выявлено, что другие загрязнители мешают расположенной ниже по потоку стадии переработки или процессу конверсии углеводородов, и в этом случае зона удаления загрязнителя может быть расположена выше по потоку от сверхзвукового реактора или между сверхзвуковым реактором и конкретной расположенной ниже по потоку стадией переработки. Были выявлены и другие загрязнители, которые должны быть удалены в соответствии с конкретными спецификациями продукта. Если необходимо удалять множество загрязнителей из углеводородного или технологического потока, в разных местах вдоль углеводородного или технологического потока могут быть расположены различные зоны удаления загрязнителей. В еще других подходах зона удаления загрязнителей может перекрываться или выполнена заедино с другим способом в системе, и в этом случае загрязнитель может быть удален в течение другой части процесса, включая, без ограничений, сверхзвуковой реактор 5 или расположенную ниже по потоку зону 100 конверсии углеводородов. Этого можно добиться с помощью модификации или без модификации этих конкретных зон, реакторов или способов. Хотя зона 120 удаления загрязнителей, изображенная на фиг. 2, показана расположенной ниже по потоку от реактора 105 конверсии углеводородов, следует понимать, что зона 120 удаления загрязнителей в соответствии с настоящим изобретением может располагаться выше по потоку от сверхзвукового проточного реактора 5, между сверхзвуковым проточным реактором 5 и зоной 100 конверсии углеводородов, или ниже по потоку от зоны 100 конверсии углеводородов, как показано на фиг. 2, или вдоль других потоков в технологическом потоке, таких как, например, поток текучей среды-носителя, топливный поток, поток источника кислорода или любых потоков, используемых в системах и способах, описанных в настоящем документе.

Один вариант осуществления настоящего описания относится к устройству и способам конверсии метана в углеводородном потоке в ацетилен с использованием сверхзвукового проточного реактора, при этом сводя к минимуму возможность взрыва из-за образования ацетиленидов меди в химической реакции между генерируемым ацетиленовым газом и медью внутреннего слоя реактора. Реакционная зона пиролиза метана представляет собой сильную восстановительную среду в присутствии водорода и при высокой температуре. Было обнаружено, что Cu или CuO легко взаимодействует с ацетиленом, что приводит к образованию ацетиленида меди.

Покрытие может быть нанесено на внутреннюю поверхность внутреннего слоя для обеспечения барьера между генерируемым ацетиленовым газом и медью внутреннего слоя для предотвращения образования ацетиленидов. Таким образом, внутренний слой 210 может включать в себя покрытие, сформированное на внутренней поверхности внутреннего слоя для образования барьера между медью внутреннего слоя и генерируемым ацетиленовым газом. Покрытие может представлять собой тонкое покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность внутреннего слоя оболочки реактора, и может представлять собой материал, не реагирующий с ацетиленом. В одном варианте осуществления примеры подходящих покрытий включают такие, которые содержат металлический никель или сплав никеля или их смесь. Конкретные примеры сплавов никеля включают в себя NiCrAlY, NiCoCrAlY, CoNiCrAlY и Ni-P. При использовании подложки, содержащей медь, никель образует твердый раствор, который при термической обработке создает очень прочную связь, устойчивую к растрескиванию при резких перепадах температуры. Кроме того, предполагается, что покрытие из никеля или сплава никеля может быть дополнено термобарьерным покрытием, таким как описанное выше, для замедления теплопередачи. Другие подходящие покрытия могут состоять из хрома, содержащего хром сплава, платины, содержащего платину сплава, палладия, содержащего палладий сплава или их смесей, или смесей любого из вышеперечисленных металлов с никелем или содержащим никель сплавом.

Металл, или сплав, или смесь можно наносить на поверхности оболочки реактора, такие как внутренняя поверхность внутреннего слоя, различными известными способами напыления металлов. Подходящие примеры включают в себя электролитическое осаждение с использованием электрического тока, химическое осаждение, которое не использует электрический ток, или нанесение с использованием технологий плазменного напыления. Например, чистый никель можно наносить с использованием технологий электролитического осаждения. Такое покрытие может не требовать термической обработки после нанесения, но адгезия может быть улучшена при тепловом воздействии с температурой от 482°C до 538°C в течение от 1 до 3 часов. Покрытие является плотным и предотвращает контакт меди с ацетиленовым газом. Более того, покрытие можно наносить в комбинации, например, с покрытием на основе стабилизированного оксида циркония, как описано выше, и в этом случае плотное покрытие обеспечивает не только барьер для образования ацетиленида, но и представляет собой также барьер для теплопередачи. В другом примере покрытие из сплава никеля, такого как NiCrAlY, может быть нанесено с использованием технологий плазменного напыления. Такое покрытие может не требовать термической обработки после нанесения, но адгезия может быть улучшена при тепловом воздействии с температурой от 482°C до 538°C в течение от 1 до 3 часов. Покрытие является плотным и предотвращает контакт меди с ацетиленовым газом. Более того, покрытие можно наносить в комбинации, например, с покрытием на основе стабилизированного оксида циркония, как описано выше, и в этом случае плотное покрытие обеспечивает не только барьер для образования ацетиленида, но и представляет собой также барьер для теплопередачи. В еще одном варианте осуществления покрытие Ni-P можно наносить путем химического осаждения. Как указано выше, покрытие может не требовать термической обработки после нанесения, но адгезия может быть улучшена при тепловом воздействии с температурой от 482°C до 538°C в течение от 1 до 3 часов. Покрытие является плотным и предотвращает контакт меди с ацетиленовым газом. Более того, покрытие можно наносить в комбинации, например, с покрытием на основе стабилизированного оксида циркония, как описано выше, и в этом случае плотное покрытие обеспечивает не только барьер для образования ацетиленида, но и представляет собой также барьер для теплопередачи.

Несмотря на то что были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления и аспекты, следует понимать, что специалистам в данной области будут придуманы многочисленные изменения и модификации, и предполагается, что в приложенной формуле изобретения охвачены все такие изменения и модификации, которые входят в рамки истинной сущности и объема настоящего описания и приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к получению метана пиролизом. Устройство для получения ацетилена из потока сырья, содержащего метан, включающее в себя: сверхзвуковой реактор для приема потока метанового сырья и нагревания потока метанового сырья до температуры пиролиза; оболочку сверхзвукового реактора для определения границ камеры реактора, причем реакционная камера функционирует при температуре от 1200°C до 4000°C; зону сгорания сверхзвукового реактора для сжигания источника топлива с получением высокотемпературного газа-носителя, проходящего через пространство реактора при сверхзвуковых скоростях для ускорения и нагревания потока метанового сырья до температуры пиролиза; оболочку реактора, содержащую внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку с одним или более каналами между внутренней оболочкой и внешней оболочкой, причем внутренняя оболочка выполнена из материала, имеющего теплопроводность от 300 до 450 Вт/(м⋅K) для отведения тепла из камеры реактора и температуру плавления от 500°C до 2000°C; при этом материал представляет собой по меньшей мере медь и хром, или медь, хром и цинк, или медь, хром и ниобий, или медь и цирконий, или медь, серебро и цирконий, или их смеси; и покрытие, содержащее металлический никель, сплав никеля, металлический хром, сплав хрома, металлическую платину, сплав платины, палладий или сплав палладия или их смеси, нанесенные на внутреннюю поверхность внутреннего слоя оболочки реактора. Технический результат – повышение эффективности процесса пиролиза исходного сырья легких алканов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Устройство для получения ацетилена из потока сырья, содержащего метан, включающее в себя:

сверхзвуковой реактор для приема потока метанового сырья и нагревания потока метанового сырья до температуры пиролиза;

оболочку сверхзвукового реактора для определения границ камеры реактора, причем реакционная камера функционирует при температуре от 1200°C до 4000°C;

зону сгорания сверхзвукового реактора для сжигания источника топлива с получением высокотемпературного газа-носителя, проходящего через пространство реактора при сверхзвуковых скоростях для ускорения и нагревания потока метанового сырья до температуры пиролиза;

оболочку реактора, содержащую внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку с одним или более каналами между внутренней оболочкой и внешней оболочкой, причем внутренняя оболочка выполнена из материала, имеющего теплопроводность от 300 до 450 Вт/(м⋅K) для отведения тепла из камеры реактора и температуру плавления от 500°C до 2000°C; при этом материал представляет собой по меньшей мере медь и хром, или медь, хром и цинк, или медь, хром и ниобий, или медь и цирконий, или медь, серебро и цирконий, или их смеси; и

покрытие, содержащее металлический никель, сплав никеля, металлический хром, сплав хрома, металлическую платину, сплав платины, палладий или сплав палладия или их смеси, нанесенные на внутреннюю поверхность внутреннего слоя оболочки реактора.

2. Устройство по п. 1, в котором покрытие содержит NiCrAlY, или NiCoCrAlY, или CoNiCrAlY, или Ni-P, или их смеси.

3. Устройство по п. 1, в котором покрытие содержит NiCrAlY.

4. Устройство по п. 1, в котором покрытие электроосаждают на внутреннюю поверхность внутреннего слоя, или наносят на внутреннюю поверхность внутреннего слоя с использованием технологий плазменного напыления; или наносят на внутреннюю поверхность внутреннего слоя с использованием способа химического осаждения и термически обрабатывают при температуре от 482°C до 538°C в течение от 1 до 3 часов.

5. Устройство по п. 4, в котором покрытие наносят путем электролитического осаждения на внутреннюю поверхность внутреннего слоя и покрытие содержит металлический никель.

6. Устройство по п. 4, в котором покрытие наносят на внутреннюю поверхность внутреннего слоя с использованием технологий плазменного напыления и покрытие содержит NiCrAlY.

7. Устройство по п. 4, в котором покрытие наносят на внутреннюю поверхность внутреннего слоя с использованием способа химического осаждения и покрытие содержит Ni-P.

8. Устройство по п. 1, в котором покрытие дополнительно содержит материал, способный обеспечивать термический барьер.

9. Устройство по п. 1, в котором покрытие дополнительно содержит стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония, гексалюминат лантана, легированный редкоземельными металлами гексалюминат лантана, карбид гафния, вольфрам или их композиции.

10. Способ получения ацетилена из потока сырья, содержащего метан, включающий введение потока сырья в сверхзвуковой проточный реактор, причем сверхзвуковой реактор содержит оболочку сверхзвукового реактора для определения границ камеры реактора, причем реакционная камера функционирует при температуре от 1200°C до 4000°C; зону сгорания сверхзвукового реактора для сжигания источника топлива с получением высокотемпературного газа-носителя, проходящего через пространство реактора при сверхзвуковых скоростях для ускорения и нагревания потока метанового сырья до температуры пиролиза; оболочку реактора, содержащую внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку с одним или более каналами между внутренней оболочкой и внешней оболочкой, причем внутренняя оболочка выполнена из материала, имеющего теплопроводность от 300 до 450 Вт/(м·K) для отведения тепла из камеры реактора и температуру плавления от 500°C до 2000°C; при этом материал представляет собой по меньшей мере медь и хром, или медь, хром и цинк, или медь, хром и ниобий, или медь и цирконий, или медь, серебро и цирконий, или их смеси; и покрытие, включающее в себя покрытие, содержащее металлический никель, сплав никеля, металлический хром, сплав хрома, металлическую платину, сплав платины, палладий или сплав палладия или их композиции, нанесенные на внутреннюю поверхность внутреннего слоя оболочки реактора; сжигание источника топлива с получением высокотемпературного газа-носителя, проходящего через реактор со сверхзвуковыми скоростями для ускорения и нагревания потока метанового сырья до температуры пиролиза; причем при нагревании и ускорении метанового потока получают ацетилен; и предотвращение образования в реакторе ацетиленидов за счет использования покрытия, которое предотвращает приведение ацетилена в контакт с медью внутреннего слоя реактора.