通過與預(yù)熱氣體接觸使液體鹵素氣化的制作方法
【專利說明】通過與預(yù)熱氣體接觸使液體鹵素氣化
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明一般涉及用于通過飽和將揮發(fā)性液體氣化為氣流的方法和系統(tǒng)，并且更具 體地講，涉及用于將液體鹵素如溴飽和為氣體如輕質(zhì)烴氣體以形成均相、飽和的氣體混合 物的方法和系統(tǒng)。
[0002] 天然氣（一種化石燃料）主要由甲烷和其他輕質(zhì)烷烴構(gòu)成并且已在世界各地大量 發(fā)現(xiàn)。當(dāng)與其他化石燃料比較時，天然氣一般為較清潔能源。例如，原油通常含有雜質(zhì)，例 如重金屬，這在天然氣中一般未發(fā)現(xiàn)。通過其他例子，燃燒天然氣比燃燒煤產(chǎn)生更少的二氧 化碳。然而，挑戰(zhàn)與使用天然氣替代其他化石燃料相關(guān)聯(lián)。已發(fā)現(xiàn)天然氣的許多位置遠離 人口密集地區(qū)，并因此不具有用于天然氣的重要管道結(jié)構(gòu)和/或市場需求。由于天然氣的 低密度，其以氣態(tài)形式向人口更密集地區(qū)運輸是昂貴的。因此，對天然氣可以以其氣態(tài)形式 運輸?shù)木嚯x存在實施和經(jīng)濟的限制。
[0003] 形成液化天然氣（常常稱為"LNG"）的天然氣的深冷液化常常用于在大距離上更 經(jīng)濟地運輸天然氣。然而，該LNG工藝一般昂貴，并且僅在一些國家存在用于處置LNG的有 限再氣化設(shè)施。將天然氣轉(zhuǎn)化為較高分子量烴液體（由于其較高密度和價值而能夠更經(jīng) 濟地運輸）可顯著為天然氣、特別是遠離人口密集地區(qū)生產(chǎn)的多股天然氣擴展市場。雖然 已開發(fā)了用于將天然氣轉(zhuǎn)化為較高分子量烴液體的許多工藝，但由于它們有限的商業(yè)可行 性，這些工藝尚未獲得普遍工業(yè)接受性。通常，這些工藝受累于限制其使用的不希望的能量 和/或碳效率。
[0004] 一種用于將天然氣轉(zhuǎn)化為較高分子量烴液體的有利的氣體-至-液體方法包括以 下步驟：⑴將甲烷溴化以形成甲基溴（CH 3Br)和溴化氫（HBr)副產(chǎn)物，⑵將甲基溴催化 合成或低聚以形成較高分子量烴液體產(chǎn)物，（3)將溴化氫副產(chǎn)物與烴液體產(chǎn)物分離，（4)從 溴化氫中再生單質(zhì)溴（Br 2)以再用于步驟（1)，和（5)回收烴液體產(chǎn)物。
[0005] 溴化一般為產(chǎn)生烷基溴的混合物的輕質(zhì)烴氣體與氣態(tài)溴的氣相反應(yīng)。在例如上述 的氣體-至-液體轉(zhuǎn)化方法中，優(yōu)選在溴化反應(yīng)器中保持輕質(zhì)烴氣體的過量以增加溴轉(zhuǎn)化 率并且還改善溴化反應(yīng)至烷基單溴化物的選擇性。在任何情況下，溴化反應(yīng)的溴化氫副產(chǎn) 物通常在溴再生步驟中通過溴化氫副產(chǎn)物的氧化轉(zhuǎn)化為液體溴。如此，在可作為再循環(huán)料 流進料回到溴化反應(yīng)器之前，液體溴需要氣化。
[0006] 液體溴的氣化可在常規(guī)殼管式熱交換器中例如釜式再沸器、熱虹吸管或降膜蒸發(fā) 器中實現(xiàn)。在殼管式熱交換器中，經(jīng)過在第一流動路徑中通過熱交換器的管來輸送并同時 在圍繞所述管的第二流動路徑中經(jīng)過熱交換器的殼將傳熱介質(zhì)（如熱蒸汽）循環(huán)，將液體 溴氣化。在流體隔離中通過形成固體不可滲透傳熱板的管壁將第二流動路徑與第一流動路 徑分離。通過經(jīng)由管壁進行的熱傳導(dǎo)，經(jīng)過殼循環(huán)的傳熱介質(zhì)間接加熱流過管的液體溴。特 別地，傳熱介質(zhì)接觸管壁的一側(cè)，從而加熱管壁。熱管壁的相對側(cè)接觸液體溴，從而加熱和 氣化該液體溴。
[0007] 用于本應(yīng)用的殼管式熱交換器必須由耐腐蝕材料構(gòu)造，因為溴為侵蝕性腐蝕性介 質(zhì)并且其高腐蝕性在水的存在下還將進一步增加。用于氣化溴的殼管式熱交換器常常采 用由玻璃構(gòu)造的殼和由極其耐溴和水的組合的腐蝕的高成本合金構(gòu)造的管。例如，在通常 情況下鉭管是必需的，其中熱交換器中的溴含有大于30ppm的水。相反，如果溴含有小于 30ppm的水，則可使用Hastelloy和Monel400管，并且如果溴基本上干燥（即含有小于lppm 的水），則可使用Inconel600管。在任何情況下，玻璃和鉭用作構(gòu)造的材料不合意地對熱交 換器造成上端尺寸限制，使得這種熱交換器一般僅適用于相對小的應(yīng)用。此外，用于本構(gòu)造 的熱交換器的操作壓力不合意地受限于約lObarg。
[0008] 從上述內(nèi)容容易明白，在上述類型的天然氣轉(zhuǎn)化方法中，溴化為重要步驟。更一般 而言，在由輕質(zhì)烴氣體原料（包括低級烷烴和烯烴如甲烷、天然氣和液化石油氣（"LPG")） 制造許多有價值的最終產(chǎn)物中，鹵化（包括溴化）為重要步驟。由這種原料制造的示例性 最終產(chǎn)物包括運輸燃料、化學(xué)物質(zhì)和醇。如此，需要用于天然氣轉(zhuǎn)化方法以及更一般而言在 最終產(chǎn)物制造方法中的氣化包括溴的液體鹵素的改善方法。具體來說，需要這樣一種方法， 其在設(shè)計上相對簡單并且減少或消除在氣化系統(tǒng)的操作單元中對昂貴冶金術(shù)的需要。還需 要適用于大型工業(yè)應(yīng)用的這種方法。
[0009] 本發(fā)明的簡要說明
[0010] 本發(fā)明為一種用于氣化液體單質(zhì)鹵素的方法。根據(jù)本氣化方法，在不存在鹵素的 情況下并且優(yōu)選還在不水的存在下將加熱氣體預(yù)熱至預(yù)熱溫度。產(chǎn)生預(yù)熱的加熱氣體，其 直接與液體單質(zhì)鹵素的進料接觸。預(yù)熱的加熱氣體將液體單質(zhì)鹵素的進料加熱至足以將該 進料的至少一部分氣化為一定量的單質(zhì)鹵素蒸氣的氣化溫度。產(chǎn)生氣體混合物，其包括加 熱氣體和所述量的單質(zhì)鹵素蒸氣。根據(jù)優(yōu)選的實施方案，使氣化的單質(zhì)鹵素在氣體混合物 的加熱氣體中飽和。
[0011] 優(yōu)選的單質(zhì)鹵素為溴并且優(yōu)選的加熱氣體包括烴氣體。更具體地講，優(yōu)選的加熱 氣體為具有主要摩爾分數(shù)的甲烷的氣體。優(yōu)選的預(yù)熱溫度小于單質(zhì)鹵素和加熱氣體的鹵化 引發(fā)溫度。替代地，優(yōu)選的預(yù)熱溫度大于或等于液體單質(zhì)鹵素的沸點。在另一個替代形式 中，優(yōu)選的預(yù)熱溫度在約200°c至約300°C的范圍內(nèi)。在另一個替代形式中，優(yōu)選的預(yù)熱溫 度在約275°C至約300°C的范圍內(nèi)。在任何情況下，當(dāng)用預(yù)熱的加熱氣體加熱液體單質(zhì)鹵素 時，優(yōu)選的加熱氣體基本上不與單質(zhì)鹵素反應(yīng)。加熱氣體和單質(zhì)鹵素之間的反應(yīng)性通過這 樣的事實而被抑制：因為加熱氣體提供用于氣化該鹵素的熱，在與液體單質(zhì)鹵素接觸時，預(yù) 熱的加熱氣體的溫度迅速下降。
[0012] 在本發(fā)明的本特征的替代性實施方案中，液體單質(zhì)鹵素的進料為第一進料，預(yù)熱 溫度為第一預(yù)熱溫度，氣化溫度為第一氣化溫度，單質(zhì)鹵素蒸氣的量為第一量并且氣體混 合物為具有第一鹵素濃度的第一氣體混合物。在該實施方案中，該方法還包括將第一氣體 混合物預(yù)熱至第二預(yù)熱溫度，其產(chǎn)生第一預(yù)熱的氣體混合物。液體單質(zhì)鹵素的第二進料直 接與第一預(yù)熱的氣體混合物接觸。第一預(yù)熱的氣體混合物將液體單質(zhì)鹵素的第二進料加熱 至足以將液體單質(zhì)鹵素的第二進料的至少一部分氣化為第二量的單質(zhì)鹵素蒸氣的氣化溫 度。因此，形成第二氣體混合物，其包括加熱氣體和第一及第二量的單質(zhì)鹵素蒸氣。第二氣 體混合物優(yōu)選具有基本上大于第一鹵素濃度的第二鹵素濃度并且第一及第二預(yù)熱溫度優(yōu) 選小于或等于約300°c并且更優(yōu)選小于或等于約200°C。
[0013] 在本發(fā)明的本特征的另一個替代性實施方案中，第一預(yù)熱和氣化步驟構(gòu)成該方法 的第一階段并且第二預(yù)熱和氣化步驟構(gòu)成本發(fā)明的第二階段。該方法還包括通過用第二氣 體混合物和液體單質(zhì)齒素的第三進料重復(fù)預(yù)熱和氣化步驟進行該方法的第三階段來產(chǎn)生 第三氣體混合物。
[0014] 在本發(fā)明的本特征的另一個替代性實施方案中，在將液體單質(zhì)鹵素的部分氣化為 第一量的單質(zhì)鹵素蒸氣之后，液體單質(zhì)鹵素的第一進料的液體殘余部分剩余。該方法還包 括將液體單質(zhì)鹵素的第一進料的液體殘余部分與第一量的單質(zhì)鹵素蒸氣分離。在一個優(yōu)選 的替代形式中，液體單質(zhì)鹵素的第二進料包括液體單質(zhì)鹵素的第一進料的液體殘余部分的 至少一部分。
[0015] 本發(fā)明替代性特征為一種用于將氣態(tài)較低分子量烷烴轉(zhuǎn)化為液體較高分子量烴 的方法。在不存在鹵素的情況下將加熱氣體預(yù)熱至預(yù)熱溫度，產(chǎn)生預(yù)熱的加熱氣體。液體 單質(zhì)鹵素的進料直接與預(yù)熱的加熱氣體接觸。預(yù)熱的加熱氣體將液體單質(zhì)鹵素的進料加熱 至足以將液體單質(zhì)鹵素的進料的至少一部分氣化為單質(zhì)鹵素蒸氣的氣化溫度。因此，形成 氣體混合物，其包括加熱氣體和單質(zhì)齒素蒸氣。使氣體混合物反應(yīng)以形成烷基齒并且使所 得烷基鹵反應(yīng)以形成液體較高分子量烴。優(yōu)選的單質(zhì)鹵素為溴并且優(yōu)選的烷基鹵為烷基單 溴化物。優(yōu)選的加熱氣體包含新鮮烴氣進料和作為氣體副產(chǎn)物被回收的再循環(huán)氣體，所述 氣體副產(chǎn)物來自用于形成液體較高分子量烴的烷基鹵的反應(yīng)。
[0016] 本發(fā)明替代性特征為一種用于將氣態(tài)較低分子量烷烴轉(zhuǎn)化為液體較高分子量烴 的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含預(yù)熱熱交換器、鹵素氣化單元、烷烴鹵化反應(yīng)器和烷基鹵轉(zhuǎn)化反應(yīng)器。 預(yù)熱熱交換器在不存在齒素的情況下將含有較低分子量烷烴的加熱氣體預(yù)熱至預(yù)熱溫度， 其產(chǎn)生預(yù)熱的加熱氣體。鹵素氣化單元從熱交換器接收液體單質(zhì)鹵素的進料和預(yù)熱的加熱 氣體。鹵素氣化單元直接接觸其中的液體單質(zhì)鹵素和預(yù)熱的加熱氣體以將液體單質(zhì)鹵素加 熱至足以將液體單質(zhì)鹵素的進料的至少一部分氣化為單質(zhì)鹵素蒸氣的氣化溫度。因此，形 成氣體混合物，其包括加熱氣體和單質(zhì)齒素蒸氣。烷烴齒化反應(yīng)器使氣體混合物在其中反 應(yīng)以形成烷基鹵。烷基鹵轉(zhuǎn)化反應(yīng)器使其中的所得烷基鹵反應(yīng)以形成液體較高分子量烴， 其優(yōu)選為具有高辛烷值的烷基芳族化合物。
[0017] 將由附圖和描述進一步理解本發(fā)明。
[0018] 附圖的若干視圖的簡要說明
[0019] 附圖示出本發(fā)明的某些方面，但不應(yīng)視為通過其本身來限制或限定本發(fā)明。
[0020] 圖1為用于進行氣體-至-液體轉(zhuǎn)化方法的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的程序框圖；
[0021] 圖2為并入本發(fā)明的液體氣化方法和系統(tǒng)的用于進行氣體-至-液體轉(zhuǎn)化方法的 系統(tǒng)的程序框圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明的液體氣化系統(tǒng)的多階段實施方案的程序框圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明的液體氣化系統(tǒng)的單階段實施方案的程序框圖；和
[0024] 圖5為本發(fā)明的液體氣化系統(tǒng)的替代性單階段實施方案的程序框圖。
[0025] 本發(fā)明的詳細說明
[0026] 本發(fā)明一般涉及通過飽和將揮發(fā)性液體氣化為氣流，從而將揮發(fā)性液體從液相轉(zhuǎn) 變?yōu)闅庀唷８唧w地講，在其各種實施方案中，本發(fā)明為一種用于通過直接與相對熱的預(yù)熱 的氣體（一般稱為加熱氣體接觸將液體單質(zhì)鹵素氣化的方法和系統(tǒng)。下文以舉例的方式 描述本氣化方法和系統(tǒng)，其中液體單質(zhì)鹵素為液體單質(zhì)溴并且加熱氣體為輕質(zhì)烴氣體。然 而，在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，可以使用任何數(shù)量的不同鹵素和加熱氣體來實施本氣化方法和 系統(tǒng)。如此，應(yīng)理解本氣化方法和系統(tǒng)并不特定于任何一種液體鹵素或任何一種加熱氣體。
[0027] 根據(jù)本氣化方法和系統(tǒng)的第一具體實施方案，相對較冷的液體單質(zhì)溴與相對較熱 的預(yù)熱的輕質(zhì)烴氣體混合，所述輕質(zhì)烴氣體優(yōu)選為甲烷或通常主要含有甲烷以及一些乙烷 和可能的一些更高級烷烴的天然氣。將較冷的液體單質(zhì)溴與較熱的預(yù)熱烴氣體混合