способ получения синтетического газа (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения синтетического газа, отличающийся тем, что пропускают поток исходных материалов, который содержит низкие алканы, имеющие ориентировочно от одного до четырех атомов углерода, и втекающий поток окислителя, который содержит расплавленный оксид металла, через зону горения, для получения потока окисленного продукта, содержащего двуокись углерода и воду, а также вытекающего потока окислителя, который содержит относительно небольшое количество оксида металла по сравнению с втекающим потоком окислителя, вытекающий поток окислителя и регенерирующий поток, содержащий кислород и азот, пропускают через зону экзотермической регенерации для получения регенерированного потока окислителя, в котором пропорция оксида металла ориентировочно равна пропорции оксида металла во втекающем потоке окислителя, и отходящего потока и пропускают поток окисленного продукта через эндотермическую зону конверсии, содержащую катализатор конверсии, на выходе которой получают поток синтетического газа, содержащей монооксид углерода и водород, причем по меньшей мере часть тепла, выделяющегося в зоне регенерации, передают в зону конверсии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что низшие алканы в потоке исходных материалов частично реагируют в зоне горения, а непрореагировавшую часть низших алканов пропускают в зону конверсии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительное количество низших алканов перемешивают с потоком окисленного продукта, а полученную в результате смесь пропускают через зону конверсии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что зону конверсии располагают рядом с теплообменником, имеющим две поверхности теплообмена, причем регенерированный поток окислителя пропускают вблизи от одной из поверхностей теплообмена, а вытекающий поток окислителя пропускают вблизи от другой поверхности теплообмена.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный оксид металла является оксидом металла, выбранным из группы, содержащей свинец, сурьму, висмут, медь, цинк, олово, индий и их смесь.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток регенерирующего агента представляет собой воздух.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходящий поток содержит значительные количества двухатомного кислорода.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор конверсии включает в себя металл, выбранный из группы, содержащей никель, медь, цинк, благородные металлы и их смеси.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток окисленного продукта инжектируют в зону конверсии.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зоне горения поддерживают температуру в диапазоне ориентировочно от 315 до 650^oC.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток синтетического газа содержит относительно малые количества азота.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что низший алкан представляет собой метан.

13. Способ получения синтетического газа, отличающийся тем, что пропускают поток исходных материалов, который содержит низшие алканы, и втекающий поток окислителя, который содержит расплавленный оксид металла, через зону горения для получения потока главным образом окисленного продукта, содержащего двуокись углерода и воду, а также вытекающего потока окислителя, который содержит относительно небольшое количество оксида металла по сравнению с втекающим потоком окислителя, перемешивают вытекающий поток окислителя и поток воздуха для содействия протеканию между ними экзотермической реакции с выходом теплоты отходящего потока и по меньшей мере частично регенерированного потока окислителя, передают теплоту из потока регенерированного окислителя в поток окисленного продукта при помощи теплообменника, имеющего относительно более теплую поверхность теплообмена, подверженную воздействию потока регенерированного окислителя, и относительно более холодную поверхность теплообмена, подверженную воздействию вытекающего потока окислителя, пропускают поток окисленного продукта в зону конверсии, которая содержит катализатор конверсии, с образованием потока синтетического газа в результате эндотермической химической реакции и пропускают регенерированный поток окислителя в зону горения.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что дополнительное количество низших алканов перемешивают с потоком окисленного продукта.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что расплавленный оксид металла является оксидом металла, выбранного из группы, содержащей свинец, сурьму, висмут, медь, цинк, олово и их смесь.

16. Способ по п. 13, отличающийся тем, что поток окисленного продукта инжектируют в зону конверсии.

17. Способ по п. 13, отличающийся тем, что поток синтетического газа содержит относительно малые количества азота.

18. Способ по п.13, отличающийся тем, что вытекающий поток окислителя распылен в воздушном потоке.

19. Способ по п. 13, отличающийся тем, что поток исходных материалов предварительно нагревают перед пропусканием в зону горения.

20. Способ по п.13, отличающийся тем, что низшим алканом является метан.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится главным образом к использованию низших алканов и к синтезу углеводородов. Более конкретно, изобретение имеет отношение к преобразованию алканов с низким молекулярным весом, таких как метан, в оксиды углерода, водород и воду.

Преобразование алканов с низким молекулярным весом (низших алканов) в синтетическое горючее или химикаты привлекает все большее внимание, так как такие алканы с низким молекулярным весом обычно могут быть получены из надежных и легко защищаемых источников. Внимание фокусируется на природном газе как источнике алканов с низким молекулярным весом. Алканы с низким молекулярным весом присутствуют во многих угольных залежах и могут быть сформированы при горных работах, при производстве нефти и в процессе ее рафинирования, а также при газофикации или сжижении угля, битуминозных песков, битумных сланцев и биомассы.

Главным препятствием для эффективного и интенсивного использования удаленных источников природного газа является их труднодоступность. Поэтому существует необходимость в развитии способов преобразования алканов с низким молекулярным весом в химическом сырье и более транспортабельное жидкое горючее. Имеются сведения о развитии множества таких способов, которые могут быть отнесены к способам прямого окисления или способам косвенного получения синтетического газа (сингаза). При прямом окислении преобразуют низшие алканы в продукты, таких как метанол, бензин с относительно высоким молекулярным весом. В отличие от этого, при косвенном получении сингаза синтетический газ (сингаз) получают в качестве промежуточного продукта реакции.

Способ окисления включает в себя окислительное азосочетание, электрохимическое окисление, оксихлорирование и прямое частичное окисление. Например, в статье Дж.Е. Келлера и М.М. Базина, опубликованной в Журнале Катализа, 73, 1982,9-19, утверждается, что метан может быть преобразован в C₂ углеводороды в присутствии восстанавливаемого оксида металла. В статье Келлера раскрывается способ осуществления реакции, предусматривающей следующие операции: 1. Загрузка катализатора кислородом путем пропускания над слоем катализатора газа, содержащего кислород; 2. Замена кислорода в газовой камере каталитического реактора на инертный газ; 3. Пропускание метана над слоем катализатора, в результате чего частично возникает желаемая реакция; и 4. Вытеснение остаточного метана и конечного продукта реакции в реакторе при помощи инертного газа ранее возобновления указанной последовательности операций. Отмечены усилия ряда других исследователей в области окислительного азосочетания. Например, Джонс и др. в патентах США Nos. 4, 443, 664-9 описывает способ синтезирования (синтеза) из метана углеродов, содержащих до семи атомов углерода. В этом способе метан контактирует с восстанавливаемым оксидом сурьмы, германия, висмута, свинца, индия или марганца. В упомянутых выше патентах используются диапазоны температур реакции от нижнего предела 500^oC до верхнего предела 1000^oC. Указывается, что после восстановления восстанавливаемый оксид регенирируется путем окисления молекулярным кислородом. Окисление может проводиться в отдельной зоне или проводиться путем чередования пропускания потока содержащего метан газа с потоком газа, содержащего кислород.

Кроме указанного, в патентах США Nos. 4, 665, 260 и 4, 560, 821 на имя Джонса и др. описан процесс окислительного азосочетания, в котором подвижные слои частиц, содержащих восстанавливаемый оксид металла, рециркулируются между контактной зоной метана и контактной зоной кислорода. Однако усилия по окислительному азосочетанию в последнее время были прекращены по причине низкого выхода продукта.

В самом широком смысле можно утверждать, что при косвенном производстве сингаза используют дегидрирование и окисление метана для получения смеси водорода и оксидов углерода, известной как сингаз. Несмотря на то, что отношение водорода и оксидов углерода в сингазе может изменяться в широких пределах, для косвенного производства любого сингаза требуется источник кислорода. Например, в патенте США N 5,112,527 на имя Кобылинского описан способ преобразования природного газа в синтетический газ, в котором в качестве источника кислорода использован окружающий воздух. В описанном процессе гомогенная смесь низших алканов и воздуха подвергается реакциям частичного окисления и конверсии с водяным паром в присутствии первого катализатора и воды. Сообщается, что поток продукта с первого катализатора взаимодействует с водой в присутствии второго катализатора, способствующего конверсии с водяным паром (активного в этом отношении), с образованием моноксида углерода и водорода. В патенте Кобылинского утверждается, что использование воздуха в качестве источника кислорода может приводить к наличию в газообразном, содержащем сингаз продукте до 45 объемных процентов азота в качестве инертной компоненты.

В заявке на европейский патент N 0399833A1 описан реактор, оборудованный разделительными мембранами для исключения газообразного азота при загрузке реактора атмосферным воздухом. Сообщается, что реактор содержит первую и вторую зоны, разделенные твердой многокомпонентной мембраной. В этой заявке утверждается, что такие реакторы могут быть использованы для проведения частичного окисления метана для производства ненасыщенных соединений или синтетического газа.

В течение длительного времени проводятся исследования, направленные на проведение реакций окисления и восстановления с использованием слоя расплавленного металла. Устройство, предназначенное для осуществления способа пирометаллургического рафинирования меди путем пропускания восстанавливающего углеводородного газа через содержащий кислород слой расплавленной меди, описано в патенте США N 3,650,519 на имя Вогта и др. Сообщается, что углеводородным газом может быть метан, этан, пропан, бутан, пентан или природный газ. В патенте США N 3,650,519 утверждается, что ввод (инжекция) метана в расплав меди, содержащий 0,55 весовых процентов кислорода, вызывает образование газовой смеси, которая после реакции с расплавом меди имеет 24 процента CO₂, 13 процентов CO, 14 процентов H₂ и 3,3 процента CH₄. В этом патенте нет каких-либо сообщений о восстановлении полученного таким образом газа.

В патенте США N 4,062,657 на имя Кнуппеля и др. описаны способ и устройство для газификации сернистого угля в ванне расплавленного железа. Сообщается, что горячий жидкий шлак переводят из ванны железа во второй реактор, в котором осуществляют десульфуризацию шлака при контакте с газом, содержащим кислород, а затем возвращают в ванну железа для повторного использования. В этом патенте отмечается, что при благоприятных условиях протекания процесса расплавленная ванна железа позволяет газифицировать угольную пыль с получением горючего газа, имеющего ориентировочный состав от 70 до 80 процентов моноксида и от 15 до 25 процентов водорода.

В статье Месароша Л. и Шобеля Г. в Британском Журнале Химической технологии, январь 1971, том 16, N 1, описан реактор со слоем расплава, содержащий ванну расплавленного свинца, который облегчает процесс одновременного окисления и декарбоксилирования фурфурола для производства фурана. Сообщается, что фурфурол и воздух пропускаются в виде пузырьков через расплавленный свинец в стехиометрическом отношении из совместной входной системы фурфурол-воздух или, альтернативно, из отдельных систем ввода фурфурола и воздуха. В этой статье утверждается, что предложенный способ полезен для осуществления частичного окисления углеводородов, алканов, альдегидов, а также для разложения природного газа и бензина. В патенте США N 4,406,666 на имя Пашена и др. описано устройство для газификации содержащего углерод материала путем его пропускания через ванну расплавленного металла, с непрерывным получением газа, образованного моноксидом углерода и водородом. В этом патенте утверждается, что газообразные содержащие углерод материалы, так же как и газы, содержащие кислород, могут быть введены в реактор под поверхностью ванны расплавленного металла. Сообщается, что расплавленный металл состоит из расплавленного железа, кремния, хрома, меди или свинца.

В патенте США N 5,177,304 на имя Нагеля описан способ преобразования содержащих углерод материалов, таких как муниципальные отходы или углеродный газ, в двуокись углерода. Содержащие углерод материалы и кислород вводятся в ванну расплавленного металла, имеющую несмешиваемые первую и вторую расплавленные металлические фазы. В этом патенте утверждается, что исходный материал в ванне преобразуется в ванне преобразуется в (одно)атомный углерод, причем первая металлическая фаза проводит окисление атомного углерода в моноксид углерода, а вторая металлическая фаза производит окисление моноксида углерода в двуокись углерода. Сообщается, что теплота, которая высвобождается при экзотермических реакциях в объеме ванны расплава, может быть выведена из системы расплава для запитки средств генерации мощности, таких как паровые турбины.

В патенте США N 4,126,668 на имя Эриксона представлен способ получения газа с высоким содержанием водорода, такого как газообразный водород, синтетический газообразный аммиак или синтетический газообразный метанол. Сообщается, что в этом способе водяной пар, двуокись водорода или их комбинация взаимодействуют с расплавленным металлом для получения расплава оксида металла и газообразной смеси водорода и водяного пара. В этом патенте утверждается, что паровая часть газообразной смеси может быть сконденсирована и отделена, в результате чего получают относительно чистый поток водорода. Говорится о том, что расплавленный оксид металла может быть регенерирован для последующего использования при контакте с потоком восстанавливающего газа, содержащего конвертированный (после конверсии) углеводородный газ, такой как конвертированный метан. В том случае, когда желательным продуктом реакции является метанол, с расплавленным металлом должны взаимодействовать определенные количества двуокиси углерода и водяного пара, в то время как CO₂ восстанавливается в CO, а H₂O восстанавливается в H₂ для получения синтетического газа метанола. Альтернативно, в этом патенте утверждается, что поток водорода относительно высокой степени чистоты может затем реагировать с CO₂ в обратной реакции конверсии водяного пара с получением на выходе синтетического газа метанола.

Несмотря на то, что усилия предшествующих исследователей привели к множеству существенных подвижек в области производства синтетического газа, все еще существует необходимость в создании нового и более совершенного способа производства синтетического газа из низших алканов. Желательно, чтобы в таком способе в качестве источника кислорода использовался воздух, но с минимальным разбавлением конечного синтетического газа азотом, с одновременным полным устранением опасностей обработки кислорода высокой степени чистоты. В интересах поддержания безопасности при проведении указанного процесса низшие алканы все время остаются разделенными от воздуха. Кроме того, процесс должен протекать непрерывно и при относительно высокой степени преобразования метана, при одновременном поддержании высокой избирательности для оксидов углерода и водорода. Процесс должен предусматривать возможность осуществления теплопередачи между экзотермической и эндотермической его частями.

В настоящем изобретении предлагается усовершенствованный способ производства синтетического газа из низших алканов с использованием двух отдельных расплавленных ванн в качестве реакторов. Первой из этих ванн является ванна расплавленного оксида металла, которая позволяет ввести кислород относительно безопасным и управляемым образом в поток исходных материалов реакции, содержащей низшие алканы. Ванна расплавленного оксида металла кроме того способствует окислению низших алканов при получении двуокиси углерода и расплавленного элементарного металла. Металл восстанавливается в оксид металла за счет контакта с воздухом во второй ванне расплава, которая является ванной металлического расплава. Теплота, вызванная протеканием экзотермических реакций в ваннах расплава, передается в эндотермический реактор конверсии, в котором часть двуокиси углерода преобразуется в смесь оксидов углерода и водорода, широко известную как синтетический газ.

В соотношении с первым аспектом в настоящем изобретении предлагается способ производства синтетического газа, который предусматривает пропускание потока исходных материалов и втекающего окисляющего потока через зону горения. Поток исходных материалов содержит низшие алканы, такие как метан, этан, пропан или бутан. Втекающий окисляющий поток содержит расплавленный оксид металла. Низшие алканы и расплавленный оксид металла реагируют с образованием потока окисленного продукта, содержащего двуокись углерода и воду, также как и вытекающего потока окислителя, который содержит относительно небольшое количество оксида металла. Вытекающий поток окислителя и регенерирующий поток, содержащий кислород, пропускаются через зону регенерации, в которой эти два потока реагируют экзотермически с получением регенерированного потока окислителя и отходящего потока. Поток окисленного продукта пропускается через зону конверсии, в которой за счет протекания катализируемой реакции конверсии получают поток синтетического газа, содержащий моноксид углерода и водород. По меньшей мере часть тепла, выделяющегося за счет экзотермической реакции в зоне регенерации, передается в зону конверсии для поддержания эндотермической реакции конверсии.

В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предлагается непрерывный способ производства синтетического газа, который предусматривает пропускание потока исходных материалов, содержащего низшие алканы, и втекающего окисляющего потока, который содержит расплавленный оксид металла, через зону горения. Потоки взаимодействуют между собой с образованием потока окисленного продукта, который содержит двуокись углерода и воду. При взаимодействии получают также вытекающий поток окислителя, который содержит относительно небольшое количество оксида металла. Вытекающий поток окислителя и поток воздуха перемешаны для содействия протеканию экзотермической реакции с выходом теплоты, отходящего потока и регенерированного потока окислителя. Теплота передается из потока регенерированного окислителя в поток окисленного продукта при помощи теплообменника. В зоне конверсии, которая содержит катализатор конверсии, поток окисленного продукта подвергается эндотермической конверсии с образованием потока синтетического газа. Регенерированный поток окислителя возвращается в зону горения.

На фиг. 1 приведена блок-схема процесса, отражающая усовершенствованный процесс, в котором используется улучшенная система концентрации и доставки кислорода для преобразования низших алканов в синтетический газ.

В настоящем изобретении предлагается непрерывный способ производства синтетического газа из низших алканов. Здесь синтетический газ определен как газообразная смесь водорода (H₂) и моноксида углерода (CO), который может также содержать относительно малые количества двуокиси углерода (CO₂), воды (H₂O) и двухатомного азота (N₂). Преимущественно, полученный синтетический газ должен иметь желательное низкое молярное отношение водорода к моноксиду углерода, которое должно быть менее ориентировано 3:1, а преимущественно, менее ориентировочно 2:1.

В то время как настоящее изобретение применимо для преобразования любых алканов, наибольшую пользу оно может принести при конверсии природного газа, богатого метаном. Обычно природный газ содержит ориентировочно от 85 до 95 объемных процентов метана, ориентировочно от 2 до 10 объемных процентов этана, и аналогичные количества пропана и бутана. Приведенную далее ссылку на использование метана в качестве газообразного исходного продукта следует понимать только в качестве примера. Аналогично, несмотря на то, что далее для большей ясности изложения приведены химические реакции, связанные со свинцом и оксидом свинца, следует понимать, что настоящее изобретение может быть осуществлено при использовании самых различных металлов и оксидов металлов.

В соответствии с настоящим изобретением метан, например, вводят у дна или вблизи от него в ванну расплавленного оксида металла. Метан реагирует экзотермически с ванной расплавленного оксида металла в соответствии с уравнением:



Из ванны расплавленного оксида металла выходят газообразная двуокись углерода и водяной пар, которые дополнительно перемешиваются с метаном до их инжекции в реактор конверсии. Альтернативно, ванна расплавленного оксида металла может работать таким образом, что осуществляется только частичная конверсия метана, а непрореагировавший метан переносится в реактор конверсии. В любом из этих случаев смесь, содержащая двуокись углерода, воду и метан эндотермически конвертируется в присутствии катализатора с образованием смеси, содержащей моноксид углерода и водород, в соответствии со следующим уравнением реакции:



Кроме того, часть ванны расплавленного оксида металла, которая по меньшей мере частично была восстановлена при контакте с метаном, пропускается через расплавленную ванну регенерации для осуществления окисления за счет контакта с регенерирующим агентом, таким как воздух. Относительно инертные газы, такие как азот, выходят из ванны регенерации безо всякой реакции. Кислород из воздуха, например, реагирует с восстановлением в оксид металла в соответствии с формулой:

4Pb+2O₂ _ PbOH = -179,8 ккал/моль (540C)

Для лучшего понимания сути изобретения далее будет описан более подробно его преимущественный аспект. Этот преимущественный аспект ни в коей мере не является единственным, к которому может быть применено настоящее изобретение, причем следует иметь в виду, что последующее описание ни коим образом не ограничивает объем патентных притязаний в соответствии с настоящим изобретением.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1. Поток исходных материалов, содержащий природный газ, проходит из источника 10 через переход 14 и трубопроводы 12 и 16 в предварительный нагреватель газа 18, который осуществляет нагрев потока исходных материалов до температуры, необходимой для функционирования зоны горения 22. В качестве предварительного нагревателя 18 может быть использован, например, огневой нагреватель на ископаемом топливе.

Поток исходных материалов проходит по трубопроводу 20 и входит в зону горения 22. Преимущественно зона горения 22 работает в диапазоне температур ориентировочно от 315 до 650^oC, а преимущественно, от ориентировочно 430 до 540^oC. Рабочее давление в зоне горения 22 преимущественно находится в диапазоне ориентированно от 1 атмосферы до 2000 фунтов на кв. дюйм (psig), а преимущественно, ориентировочно от 200 до 600 psig. Подразумевается, что рабочее давление в зоне горения 22 поддерживается на несколько более высоком, чем в процессе ниже по течению, куда поступает синтетический газ.

В пределах зоны горения 22 имеется ванна горения 24, которая образована главным образом расплавленным оксидом металла. Преимущественно оксид металла является оксидом такого металла, который выбран из группы, содержащей свинец, сурьму, висмут, медь, цинк, индий, олово и их смесь. Особенно предпочтительными являются оксиды свинца, сурьмы, олова и висмута, так же как и эвтектические смеси указанных выше металлов. Смеси сурьмы, висмута и свинца, и, альтернативно, смеси меди, цинка, индия и свинца в соответствующей пропорции образуют особенно полезные эвтектические смеси.

Ванна горения 24 содержит участок расплавленного элементарного металла 25. Ванна горения 24 преимущественно имеет напластования, вызванные силами всплывания, возникающими из-за различия плотностей, при этом порция оксида 26 плавает над элементарной порцией металла 25.

Однако также подразумевается проведение процесса при относительно высоких объемных скоростях, при которых исходный поток перемешивается в ванне горения 24 до такой степени, что порция оксида 26 смешана с элементарной порцией 25.

В зоне горения 22 поток исходных материалов химически конвертируется с образованием потока окисленного продукта, включающего в себя двуокись углерода и воду. Поток окисленного продукта вытекает из ванны горения 24 преимущественно в пространство освобождения от водяного пара 27 с относительно низкой поверхностной скоростью и вытекает из зоны горения 22 через трубопровод 28.

Трубопровод 28 идет до перехода 32. Вторая часть питающего потока от перехода 14, упоминавшаяся ранее, поступает через трубопровод 30 для увеличения потока окисленного продукта на переходе 32. Увеличенный поток окисленного продукта проходит через трубопровод 34 в зону конверсии 36. Зона конверсии 36 содержит конвертирующий катализатор 37, преимущественно катализатор, содержащий никель, медь, цинк, благородные металлы или их смесь. Для целей настоящего изобретения подходят такие благородные металлы, как золото, серебро, платина, палладий, рутений, иридий, родий и осмий.

В соответствии с настоящим изобретением реакция конверсии определяется как катализируемая реакция между водой и углеводородом, в результате которой получают моноксид углерода и водород. Например, каталитический поток, конвертирующий метан, газ нефтепереработки или нафту является известным источником водорода, используемым в нефтепереработке. Углеводороды, обрабатываемые таким потоком, имеют диапазон температур ориентировочно от 650^oC до 870^oC, и диапазон давлений ориентировочно от 400 psig до 2000 psig. Обработка производится в присутствии соответствующего катализатора, способствующего выходу водорода и оксидов углерода. Обычно используют катализатор на основе никеля, который упакован в трубы внутри печи. Важно отличать каталитическую конверсию от некаталитического парового пиролиза углеводородов.

Кроме реакции в зоне конверсии одновременно протекают и другие химические реакции. Метан реагирует с двуокисью углерода с образованием моноксида углерода и водорода. Водород реагирует с двуокисью углерода с образованием моноксида углерода и воды. Отношение моноксида углерода к водороду в потоке результирующего синтетического газа в некоторой степени может регулироваться за счет ввода в зону конверсии определенных относительных количеств кислорода, метана и воды. В связи с тем, что обратная реакция водорода с двуокисью углерода имеет постоянную равновесия, которая является температурно-зависимой, температура зоны конверсии также может влиять на указанное отношение.

Преимущественно зона конверсии 36 образована в автоклаве 38, имеющем поверхность теплопередачи 40, подверженную воздействию потока окисленного продукта. Поверхность теплопередачи 40 и относительно более теплая поверхность теплопередачи 42 образуют теплообменник 44. Тепловая энергия, необходимая для поддержания эндотермической реакции конверсии, преимущественно транспортируется в зону конверсии 36 при помощи теплообменника 44. При прохождении потока окисленного продукта через зону конверсии 36 по меньшей мере одна его часть химически конвертируется с образованием синтетического газа, который вытекает из зоны конверсии 36 через трубопровод 62.

Обратимся теперь к рассмотрению зоны горения 22. Вытекающий поток окислителя выводится из зоны горения 24 через трубопровод 23. Вытекающий поток окислителя содержит относительно небольшое количество оксида металла в сравнении с втекающим потоком окислителя, который поступает в зону горения 24 через трубопровод 21. Вытекающий поток окислителя проходит по трубопроводу 23 к зоне экзотермической регенерации 46.

Поток регенерирующего агента, такой как поток воздуха, поступает из источника 47 через трубопроводы 48 и 50 и компрессор 49 в зону регенерации 46, в которой поток регенерирующего агента смешивается с втекающим потоком окислителя. Однако предпочтительно, чтобы вытекающий поток окислителя распыляется ранее контакта с потоком регенерирующего агента для увеличения поверхности взаимодействия между потоками и уменьшения стоимости сжатия.

Особенно предпочтительно, чтобы капельки вытекающего потока окислителя падали через поток регенерирующего агента при периодическом приближении к одной или нескольким поверхностям обмена, таким как поверхность теплового обмена 42. При этом теплота, высвобождаемая в результате экзотермической химической реакции между вытекающим потоком окислителя и потоком регенерирующего агента, поступает к теплообменнику 44 и используется для поддержания реакции конверсии. Кроме того, часть выделенной теплоты может быть восстановлена в теплообменниках, таких как теплообменник 82, который нагревает бойлер питающей воды, направляемой из источника 70 через переход 74 по трубопроводам 72 и 80. Нагретая бойлером питающая вода покидает теплообменник 82 по трубопроводу 84 и переходу 8.

В результате регенерации вытекающего потока окислителя получают восстановленный поток окислителя, имеющий пропорцию указанных выше оксидов металла, которая ориентировочно равна пропорции оксидов металлов во втекающем потоке окислителя. Преимущественно восстановленный поток окислителя накапливается в ванне регенерации 51. Несмотря на то, что предпочтительно образование ванны регенерации 51 главным образом из расплавленного оксида металла, настоящее изобретение может быть осуществлено и при некотором количестве элементарного металла. Например, оксид металла и металл могут быть смешаны в объеме ванны регенерации 51. Альтернативно, оксид металла может присутствовать в виде раздельной фазы расплава 52, плавающей на расплавленной фазе металла 54.

Настоящее изобретение может быть осуществлено непосредственной инжекцией потока регенерирующего агента непосредственно в ванну регенерации 51. Однако в том случае, когда поток регенерирующего агента просто инжектируется под поверхностью ванны расплавленного металла и поднимается в виде пузырьков под влиянием силы тяжести, может потребоваться давление инжекции свыше 400 psig для преодоления относительно высоких плотностей расплавленных металлов.

В связи с указанным, представляет интерес снижение стоимости подачи под давлением (сжатия) за счет ввода потока регенерирующего агента из трубопровода 50 в зону регенерации 46 при таком давлении, которое не превышает только совершенно необходимое давление. Для этого зона регенерации 46 преимущественно работает ориентировочно при атмосферном давлении с вытекающим потоком окислителя, падающим противопотоком в виде капелек, завес или ручейков через поднимающийся поток газообразного регенерирующего агента.

Преимущественно по пути противопотока установлены (не показанные на чертеже) перегородки и распределители, позволяющие улучшить контакт. Например, зона конверсия 36 и зона регенерации 46 могут быть сконструированы в виде горизонтального кожухового и трубного теплообменника, в котором катализатор конверсии упакован в горизонтальных трубах, вытекающий поток окислителя просачивается вниз через крайние поверхности трубы, имеющие поверхность теплообмена 42, в то время как поток регенерирующего агента поднимается по стороне оболочки теплообменника и взаимодействует с вытекающим потоком окислителя. Поток регенерированного окислителя выходит из зоны регенерации 46 по трубопроводу 56, преимущественно при помощи насоса 58, и возвращается в зону горения 24 по трубопроводу 21.

Экзотермическая реакция между потоком регенерирующего агента и вытекающим потоком окислителя в зоне регенерации 46 приводит к образованию потока, который, после усреднения во времени, относительно беден кислородом в сравнении с потоком регенерирующего агента, отводимым с поверхности 47. Операция удаления кислорода из потока регенерирующего агента находится полностью в рамках настоящего изобретения. Однако предусматривается также осуществление настоящего изобретения при содержании значительного количества двухатомного кислорода в отходящем потоке.

После выхода из зоны регенерации 46 по трубопроводу 66 отходящий поток преимущественно охлаждается за счет теплообмена в бойлере питающей воды в теплообменнике 68. Питающая вода в бойлер идет, например, по трубопроводу 72 через соединения 74, 78 и поступает в теплообменник 68 по трубопроводам 76 и 92. Образующийся в теплообменнике 68 пар отводится по трубопроводу 94. Охлажденный отходящий газ из теплообменника 68 отводится при помощи трубопровода 102 и подается в местоположение 104, такое как вентиляционное отверстие в атмосферу.

Вновь обратимся к потоку синтетического газа, покидающему зону регенерации 46 по трубопроводу 62. Значительное количество энергии может быть сохранено за счет пропускания этого потока через один или несколько теплообменников, таких как теплообменник 64. Например, питающая вода из трубопровода 72 может проходить через соединения 74 и 78 и по трубопроводам 76 и 85 в теплообменник 64, где она превращается в пар. Пар отводится по трубопроводам 86, 90 и 98 в местоположение 100. Поток охлажденного синтетического газа выходит из теплообменника по трубопроводу 106.

Поток охлажденного синтетического газа может быть подвергнут дальнейшей обработке для удаления всех компонентов, кроме моноксида углерода и водорода. Когда желательно удалить двуокись углерода, тогда поток охлажденного синтетического газа промывается щелочным водным раствором в промывной башне 108. Щелочной водный раствор обычно содержит карбонат натрия и небольшие количества диэтанол амина, хотя известно использование для удаления двуокиси углерода и многих алканол аминов. Щелочной раствор поступает в промывную башню 108 из источника 110 по трубопроводу 111. Обработанный раствор выходит из промывной башни 108 по трубопроводу 116 и преимущественно подается в отгоночную колонку 117, в которой образуется богатый двуокисью углерода поток, который направляется по трубопроводу 118 в местоположение 120. На выходе отгоночной колонны 117 получают также поток отработанной воды, который по трубопроводу 122 поступает в местоположение 124 для сброса или восстановления.

Поток охлажденного синтетического газа поступает в промывочную башню 108 по трубопроводу 106, как это описано ранее. Поток очищенного синтетического газа выходит из промывочной башни 108 по трубопроводу 112 для хранения или использования в местоположении 114. Предполагается, что полученный синтетический газ используется в качестве сырья для синтеза метанола. Альтернативно синтетический газ может быть использован в качестве сырья для синтеза диметил эфира или для синтеза олефинов. Кроме того, синтетический газ может быть использован в качестве исходного продукта реакции Фишера-Тропша для получения, например, углеводородов, имеющих ориентировочно от 5 до 11 атомов углерода.

Для лучшего понимания сути изобретения приведены следующие примеры, которые ни в коей мере не ограничивают рамки патентных притязаний настоящего изобретения.

Пример 1

Метан был пропущен через слой расплавленного оксида свинца, в котором поддерживается температура 540^oC. Контроль газа производится при помощи газового хроматографа. Результаты представлены в таблице.

Анализ таблицы показывает, что относительно высокая конверсия метана была получена при объемной скорости 1,71 в минуту. Путем экстраполяции можно предложить, что полная конверсия метана может быть получена при еще меньшей объемной скорости. Напротив, конверсии метана была ниже и выход моноксида углерода и углеводородов C⁺₂ был выше при относительно высоких объемных скоростях. В качестве гипотезы можно предложить, что моноксид углерода и углеводороды C⁺₂ были получены пиролизом метана в паровом пространстве, которое существует над расплавленным слоем. Если эта гипотеза верна, то уменьшение парового пространства над слоем расплава должно привести к уменьшению выхода моноксида углерода и углеводородов C⁺₂.

Пример 2

Поток воздуха был инжектирован в слой расплавленного металлического свинца при 1000^oC; анализ отходящего газа производился при помощи газового хроматографа. Почти полное потребление кислорода наблюдалось при всех расходах (скоростях потока) до предела возможностей экспериментальной аппаратуры. В данном конкретном случае воздушный поток пропускался через слой расплава при объемной скорости 46,9 в минуту. Только незначительное количество кислорода обнаруживалось в отходящем потоке до относительно резкого обрыва, показывающего, что главным образом весь расплавленный свинец уже окислен.

Приведенные примеры и выдвинутые гипотезы направлены на лучшее понимание сути изобретения. Объем изобретения определяется только приведенной формулой изобретения и ни в коей мере не ограничивается приведенными примерами и гипотезами.