BR112012016776B1 - Método para oxidar parcialmente metano por meio de um reator - Google Patents

Método para oxidar parcialmente metano por meio de um reator Download PDF

Info

Publication number
BR112012016776B1
BR112012016776B1 BR112012016776-6A BR112012016776A BR112012016776B1 BR 112012016776 B1 BR112012016776 B1 BR 112012016776B1 BR 112012016776 A BR112012016776 A BR 112012016776A BR 112012016776 B1 BR112012016776 B1 BR 112012016776B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
reactor
chamber
methane
gas
oxygen
Prior art date
Application number
BR112012016776-6A
Other languages
English (en)
Other versions
BR112012016776A2 (pt
Inventor
Ruben Dario Rodriguez Quintero
Ernesto Manuel Santana Diaz
James Andrew Banister
Original Assignee
Gas2 Limited
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gas2 Limited filed Critical Gas2 Limited
Publication of BR112012016776A2 publication Critical patent/BR112012016776A2/pt
Publication of BR112012016776B1 publication Critical patent/BR112012016776B1/pt

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2475—Membrane reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/58—Fabrics or filaments
    • B01J35/59—Membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C01B13/0229—Purification or separation processes
    • C01B13/0248—Physical processing only
    • C01B13/0251—Physical processing only by making use of membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/386—Catalytic partial combustion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/0015—Controlling the temperature by thermal insulation means
    • B01J2219/00155—Controlling the temperature by thermal insulation means using insulating materials or refractories
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)

Abstract

"reator para a oxidação parcial de metano, método para oxidar parcialmente metano,e, reator capaz de conversão de hidrocarboneto" é aqui descrito um processo e aparelho para conversão de hidrocarboneto. mais particularmente, é descrito um processo e aparelho para conversão adiabática de metano em gás sintético (isto é, gás de síntese).

Description

“MÉTODO PARA OXIDAR PARCIALMENTE METANO POR MEIO DE UM REATOR”
CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção refere-se a um processo e aparelho para conversão de hidrocarboneto. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um processo e aparelho para conversão adiabática de metano em gás sintético (isto é, gás de síntese).
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] Existem três tecnologias principais que são usadas para a produção de gás de síntese a partir de metano: reforma a vapor; reforma autotérmica e oxidação parcial (catalítica e não catalítica). As mais comumente usadas são reforma autotérmica e a vapor ou uma combinação das duas. Ambas estas tecnologias requerem que uma proporção grande de vapor seja incluída com a alimentação de metano para prevenir a formação de coque e desativação do catalisador de reforma. De modo a obter eficiência de energia alta a quantidade grande de calor sensível e latente contido dentro do vapor deve ser recuperada e reciclada ao processo.
[0003] Oxidação parcial não catalítica não requer os níveis altos de vapor mas as temperaturas de processo muito altas (> 1200°C) geram desafios de eficiência de energia próprios.
[0004] Uma tecnologia mais recente, não comercial é a oxidação parcial catalítica de metano usando catalisadores de ródio. Verificou-se que o Ródio é altamente seletivo na oxidação com formação de coque mínima permitindo que o processo de oxidação parcial seja conduzido em temperaturas muito mais baixas. O processo não requer vapor para operar, embora quantidades pequenas (10 % em vol da alimentação de metano) são frequentemente descritas como um meio de aumentar a razão de hidrogênio para monóxido de carbono no gás de síntese resultante.
[0005] A simplicidade do sistema, com pouco ou nenhum vapor, uma
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 8/71
2/23 temperatura mais baixa de operação e um catalisador altamente ativo promete um processo compacto e eficiente que é capaz de operar eficientemente sem reciclos de vapor extensos. Entretanto os processes descritos na literatura antes de US 7.641.888 (Gobina et al.) utilizam uma alimentação prémisturada bem dentro dos limites explosivos dos gases para produzir uma reação seletiva. A US 7.641.888 é incorporada aqui por referência. Isto apresenta problemas de segurança significantes particularmente em operação e pré-aquecimento das alimentações respectivas. A segurança da reação conta com as velocidades de gás sendo mantidas em uma velocidade suficientemente alta e aquele arco de retomo ao ponto de entrada não ocorre. [0006] Com a invenção de um reator de câmara dupla separado por uma membrana porosa, catalítica com mistura e reação ocorrendo simultaneamente dentro do reator a segurança do sistema foi muito melhorada.
[0007] Entretanto, existe um outro problema que é encontrado dentro de um reator de oxidação parcial de leito fixo que é descrito na literatura mas não referido na patente de Gobina. Isto é, o problema de superaquecimento do catalisador. Desde então verificou-se que um problema similar também pode ocorrer dentro do reator de membrana porosa de câmara dupla descrito. As etapas para superar este problema dentro de um reator adiabático simples são o assunto desta patente.
[0008] A oxidação parcial de metano é uma reação muito rápida que ocorre em temperaturas em excesso de 600°C. Tipicamente, quando realizada usando um leito fixo de catalisador com uma alimentação pré-misturada compreendendo metano e oxigênio (razão molar de gás de 2:1) a alimentação ou catalisador são pré-aquecidos a pelo menos 400°C para obter arranque (Joumal of catalysis, 249 (2007) páginas 380 a 393 Hom et al.) de modo que o arranque do catalisador seja obtido e boa seletividade para monóxido de carbono é obtida. Uma vez que o catalisador está operando na temperatura de
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 9/71
3/23 radiação e condução térmica através do leito, pré-aquecimento do gás de entrada é suficiente para manter a reação sem pré-aquecimento. A temperatura dos gases que passam sobre o catalisador rapidamente eleva e sob condições adiabáticas (nenhuma perda de calor) os gases de produto que saem do reator podem estar em excesso de 900°C. Também é benéfico se a reação pode ser realizada em pressão elevada visto que a maioria dos processos que utilizam gás de síntese para formar um outro produto químico faz assim em pressão elevada e os custos de comprimir as correntes de alimentação de componente (compreendendo metano e oxigênio) são menores do que comprimir o gás de síntese resultante. Isto é principalmente como um resultado do aumento em volumes de gás que acompanham a reação. A oxidação parcial de metano como descrito em US 7.641.888 (Gobina) é verificada ter características similares em ele ela é o mais beneficamente realizada em temperatura e pressão elevadas.
[0009] Em temperaturas acima de 600°C as resistências de materiais comuns de construção (por exemplo, SS 316) para vasos do processo diminuem significativamente. Além disso, a compatibilidade do material para evitar corrosão apresenta problemas. Consequentemente vasos de pressão operando em temperatura alta frequentemente requerem revestimento com materiais mais exóticos para prevenir a corrosão e também podem requerer uma liga de resistência alta.
[00010] A alternativa para construção com uma liga exótica (por exemplo, 800HT) é revestir refratário o interior do vaso para reduzir a transferência de calor ao invólucro contendo pressão de modo que as perdas de calor externas resultem no invólucro sendo mantidas em uma temperatura significativamente mais baixa do que os gases dentro do reator. As demandas sobre o material de construção da unidade são portanto reduzidas e um material de especificação mais baixa, mais barato pode ser utilizado.
[00011] Além disso, se a reação pode ser operada com êxito em modo
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 10/71
4/23 adiabático então elementos contendo pressão interna mínima são necessários dentro do reator e o uso de materiais de liga alta pode ser evitado.
[00012] Em resumo a forma mais barata de reator para um reator de temperatura alta é um vaso de pressão de revestimento refratário sem nenhuma transferência de calor a um fluido de utilidade (um reator adiabático). Isto é bem conhecido a um engenheiro que é habilitado na técnica de projeto de reator.
[00013] Existem dois problemas principais que são encontrados na operação de um catalisador de leito fixo com alimentação pré-misturada para a oxidação parcial de metano. O primeiro são as questões de segurança que são associadas com a operação em um regime explosivo. Algumas pessoas têm procurado contrariar isto por adição em estágios de oxigênio ao metano de alimentação que requer uma série complexa de leitos fixos e distribuidores de gás (Conoco US 7.261.751).
[00014] O segundo problema, encontrado com catalisadores de oxidação parcial de ródio em um arranjo de leito fixo, é que apesar da seletividade alta que é obtenível com esta forma de catalisador temperaturas de superfície do catalisador muito altas podem se formar que excedem muito a temperatura de reação adiabática. Algumas pessoas têm atribuído esta elevação na temperatura da superfície ao efeito super-adiabático que é relacionado às taxas de difusão mais altas de H2 e H em processos de combustão, outros sugeriram que isto é uma consequência da cinética conflitante.
[00015] É um objetivo de pelo menos um aspecto da presente invenção obviar ou mitigar pelo menos um ou mais dos problemas anteriormente mencionados.
[00016] É um outro objetivo de pelo menos um aspecto da presente invenção fornecer um processo e aparelho para a conversão adiabática de metano.
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 11/71
5/23 [00017] E um outro objetivo de pelo menos um aspecto da presente invenção fornecer um aparelho para realçar a recuperação de energia produzida na reação exotérmica.
[00018] E um outro objetivo de pelo menos um aspecto da presente invenção fornecer um aparelho para realçar a flexibilidade de manipular diferentes pressões e estoque de alimentação enquanto mantendo rendimentos altos.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [00019] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção é fornecido um reator para a oxidação parcial de metano onde um primeiro e segundo gás reagente reagem em um canal circundado por uma zona de reação catalítica porosa onde o comprimento e o diâmetro do canal são selecionados de modo que o número de Reynolds no canal seja maior do que 500.
[00020] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção é fornecido um reator para a oxidação parcial de metano, o dito reator compreendendo:
uma primeira câmara formando uma passagem para um primeiro gás reagente (por exemplo, na forma de metano);
uma segunda câmara formando uma passagem para um segundo gás reagente (por exemplo, na forma de oxigênio);
uma membrana catalítica porosa separando a primeira e segunda câmaras, a dita membrana sendo capaz de permitir que o segundo gás reagente (por exemplo, oxigênio) permeie da segunda câmara diretamente para a primeira câmara para reagir com o primeiro gás reagente (por exemplo, metano) em uma zona de reação do aparelho;
em que a primeira câmara tem um comprimento e um diâmetro de modo que o número de Reynolds do primeiro gás reagente passe ao longo do comprimento da primeira câmara tem um número de Reynolds maior do
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 12/71
6/23 que cerca de 500.
[00021] Tipicamente, o primeiro gás reagente pode ser metano e o segundo gás reagente pode ser oxigênio.
[00022] O número de Reynolds na primeira câmara pode ser selecionado de qualquer um do seguinte: maior do que cerca de 1.000; maior do que cerca de 5.000; ou maior do que cerca de 10.000.
[00023] Altemativamente, o número de Reynolds na primeira câmara pode ser de cerca de 500 a 20.000 ou cerca de 1.000 a 20.000.
[00024] Para obter o número de Reynolds necessário o comprimento da primeira câmara pode ser selecionado de qualquer um do seguinte: mais longo do que cerca de 400 mm; mais longo do que cerca de 600 mm; mais longo do que cerca de 1.200 mm; mais longo do que cerca de 2.000 mm; ou mais longo do que cerca de 5.000 mm.
[00025] Para obter o número de Reynolds necessário o diâmetro médio hidráulico da primeira câmara pode ser selecionado de qualquer um do seguinte: maior do que cerca de 2 mm; maior do que cerca de 5 mm; maior do que cerca de 10 mm; ou maior do que cerca de 20 mm.
[00026] Para obter o número de Reynolds necessário o diâmetro médio hidráulico da primeira câmara pode ser selecionado de qualquer um do seguinte: menos do que cerca de 300 mm; menos do que cerca de 100 mm; ou menos do que cerca de 50 mm.
[00027] Tipicamente, o oxigênio pode ser alimentado ao reator através de uma zona porosa que é separada da zona contendo catalisador porosa onde:
a. O número de Reynolds na câmara compreendendo oxigênio é mantido mais baixo do que em o canal compreendendo metano
b. Onde o distribuidor poroso de oxigênio é de extremidade aberta.
[00028] Em formas de realização particulares, uma fração do gás é deixada passar de uma câmara a uma outra sem passar através da membrana
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 13/71
7/23 catalítica.
[00029] O reator pode ser revestido refratário. Portanto, um invólucro do reator pode ter um material refratário interno capaz de autoconter calor fornecendo as características adiabáticas do reator que permitirão a recuperação de calor depois de passar através do reator. A energia dos gases quentes depois pode ser usada para gerar energia ou pré-aquecer gases no início.
[00030] Tipicamente, a reação pode usar ar ou qualquer combinação de ar enriquecido com oxigênio.
[00031] O reator adiabático também pode levar em consideração a limpeza in situ por meio de introdução de, por exemplo, vapor para melhorar a velocidade de entrada de gás, diminuir a formação de carbono e melhorar rendimentos de hidrogênio.
[00032] O reator adiabático também pode permitir a introdução de nitrogênio para realçar o desempenho do reator e reduzir a temperatura de reação.
[00033] O reator adiabático também pode permitir extração de produto gasoso em ambos os lados da membrana, em outras palavras o reator adiabático permite a recuperação do gás de síntese produzido através do centro do reator no lado da membrana ou através do invólucro do reator adiabático.
[00034] O reator adiabático também pode levar em consideração a regeneração in situ do catalisador. O reator adiabático pode ser usado para produzir gás de síntese em razões de cerca de 1,8:1 de H2/CO inteiramente a cerca de 6:1 se desejado.
[00035] O reator adiabático portanto pode ser usado para manipulação; Gás natural, Metano de jazida de carvão e Biogás.
[00036] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção é fornecido um método para oxidar parcialmente metano, o dito método
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 14/71
8/23 compreendendo:
fornecer uma primeira câmara formando uma passagem para um primeiro gás reagente (por exemplo, na forma de metano);
fornecer uma segunda câmara formando uma passagem para um segundo gás reagente (por exemplo, na forma de oxigênio);
fornecer uma membrana catalítica porosa separando a primeira e segunda câmaras, a dita membrana sendo capaz de permitir que o segundo gás reagente (por exemplo, oxigênio) permeie da segunda câmara diretamente para a primeira câmara para reagir com o primeiro gás reagente (por exemplo, metano) em uma zona de reação do aparelho;
em que a primeira câmara tem um comprimento e um diâmetro tal que o número de Reynolds do primeiro gás reagente passe ao longo do comprimento da primeira câmara tem um número de Reynolds maior do que cerca de 500.
[00037] O reator pode ser como definido no primeiro, segundo, ou terceiro aspectos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00038] Formas de realização da presente invenção serão agora descritas, por via de exemplo apenas, com referência aos desenhos anexos em que:
a Figura 1 mostra esta correlação entre diâmetro médio hidráulico e número de Reynolds para uma série de canais de catalisador com uma concentração de catalisador de superfície fixa e queda de pressão fixa de acordo com uma forma de realização da presente invenção;
a Figura 2 é um diagrama esquemático de um reator de membrana porosa de acordo com uma forma de realização da presente invenção;
a Figura 3 é uma representação de turbulência em reduzir a temperatura do catalisador em um reator de tubo poroso catalítico cilíndrico
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 15/71
9/23 de acordo com uma forma de realização da presente invenção;
a Figura 4 é uma representação do efeito de aumentar a transferência de massa de oxigênio por remoção de um distribuidor poroso de acordo com uma forma de realização da presente invenção;
as Figuras 5a a 5d representam membranas para gerar turbulência de acordo com formas de realização da presente invenção;
a Figura 6 é uma representação de um reator de membrana porosa compreendendo um canal central grande para permitir a inserção de um distribuidor e uma câmara externa designada para permitir que turbulência se desenvolva de acordo com uma forma de realização da presente invenção sem tempo de permanência excessivo; e a Figura 7 é uma representação de um outro reator de membrana porosa compreendendo um distribuidor de oxigênio poroso e câmara central grande para permitir que turbulência se desenvolva de acordo com uma forma de realização da presente invenção.
BREVE DESCRIÇÃO DA REALIZAÇÃO PREFERENCIAL [00039] A presente invenção portanto refere-se a um reator para a oxidação parcial de metano usando um canal de parede porosa capaz de gerar turbulência para gás metano antes de reagir com gás oxigênio. A turbulência é gerada formando-se o canal de parede porosa para ter um número de Reynolds maior do que 500.
[00040] Na mecânica de fluidos, o número de Reynolds Re é um número adimensional que fornece uma medida da razão de forças da inércia pV2/L para forças viscosas pV/L2 e consequentemente quantifica a importância relativa destes dois tipos de forças para condições de fluxo dadas. O conceito foi introduzido por George Gabriel Stokes em 1851, mas o número de Reynolds é mencionado depois de Osbome Reynolds, quem popularizou seu uso em 1883.
[00041] A reação sendo procurada na presente invenção onde o
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 16/71
10/23 primeiro gás reagente é metano e o segundo gás reagente é oxigênio é a reação de oxidação parcial seguinte para formar gás sintético:
CH4 + 0,5O2 -> CO + 2H2 [00042] Como um exemplo se nós tomemos um tubo cilíndrico poroso com espessura de camada de 2 mm, com uma concentração de metal ródio de 0,09 % em peso, então com uma GHSV fixa podemos variar o comprimento e o diâmetro tal como a queda de pressão permanece constante (1 bar) abaixo do comprimento do tubo. A queda de pressão é calculada das perdas de pressão de atrito teóricas. Conforme o diâmetro do tubo é aumentado, o comprimento do tubo pode ser aumentado para manter a mesma queda de pressão. Conforme a quantidade do tubo é aumentada de modo que a quantidade de catalisador seja aumentada deste modo, o fluxo através do tubo pode ser aumentado.
[00043] A Figura 1 mostra a correlação entre diâmetro médio hidráulico e número de Reynolds para uma série de canais de catalisador com uma concentração de catalisador de superfície fixa e queda de pressão fixa. A Figura 1 também ilustra a relação entre diâmetro e tempo de permanência.
[00044] O diâmetro mais benéfico do canal de catalisador é quando a turbulência é quase obtida. Aumentar ainda mais o diâmetro reduz a densidade de volume de catalisador desnecessariamente aumentando o tamanho do reator.
[00045] Aumentar a GHSV do catalisador (por exemplo aumentandose a dispersão do catalisador) aumenta o fluxo que pode ser passado abaixo do tubo, requerendo um diâmetro maior para evitar queda de pressão excessiva.
[00046] O efeito da turbulência é mais pronunciado na entrada do reator e deste modo este está onde mais esforço é colocado em garantir que a turbulência seja produzida. Embora o número de Reynolds de cerca de 4.000 ou mais seja suficiente para garantir que turbulência ocorrerá por todo o tubo, em números de Reynolds mais baixos então velocidades locais altas e
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 17/71
11/23 dissipação de energia alta na corrente podem garantir a presença de turbulência. Por exemplo, uma combinação de obstruções e estreitamento na entrada da corrente compreendendo metano pode garantir que turbulência seja estimulada.
[00047] O efeito da turbulência pode ser observado no modelo de CFD seguinte de um canal de catalisador poroso. O exemplo mostra um canal de catalisador teórico com um diâmetro médio hidráulico de 37 mm operando em regime laminar de fluxo baixo e regime turbulento de fluxo alto.
[00048] Tipicamente, no regime laminar ou turbulento aumentar a taxa de fluxo através do reator aumenta as temperaturas de superfície observadas. Entretanto se o projeto de reator é alterado de modo que os principais canais operam no regime turbulento de modo que as temperaturas altas observadas na extremidade de entrada do leito de catalisador são muito reduzidas, portanto aumentando a estabilidade do catalisador.
EXEMPLO [00049] Um método de avaliar o desempenho de diferentes geometrias de reator é modelar a reação usando cinética publicada aceita. Por exemplo, a cinética de Deutschmann e L.D. Schmidt (Two-dimensional modeling of partial oxidation ofmethane on Rhodium in a short contact time reactor, Olaf Deutschmann e Lanny D. Schmidt, Twenty-Seventh Symposium (Intemational) on Combustion/The Combustion Institute, 1998/páginas 2283 a 2291) experimentada em diferentes geometrias de reator foi citada mundialmente por outros autores pode ser usada dentro de um modelo de CFD para determinar as temperaturas de superfície que estariam presentes em diferentes geometrias de catalisador. Aplicar esta cinética a um tubo poroso de 1 m de comprimento 41 mm em diâmetro contido dentro de um reator adiabático por meio do qual o oxigênio é introduzido através de uma parede porosa seguindo o comprimento do reator a temperatura do catalisador pode ser estimada. Usando um fluxo de 10 L/min ou 100 L/min de metano em 4 bar
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 18/71
12/23 atm. (0,4 MPa) abaixo do centro do tubo poroso o perfil de temperatura pode ser determinado em um regime laminar ou turbulento. Neste sistema de reator o oxigênio é alimentado no invólucro do espaço do reator fora do cilindro poroso e o metano é alimentado abaixo do centro do tubo cilíndrico. O metano e oxigênio misturam e contatam o catalisador na região porosa, reagindo para produzir um gás de síntese contendo hidrogênio e monóxido de carbono e dióxido de carbono.
[00050] A Figura 2 é uma representação esquemática de um aparelho
8. Um suprimento de oxigênio (O2) 18 é alimentado no furo externo 22 em uma extremidade do aparelho de membrana 8, e um suprimento de gás natural (que principalmente compreende metano (CH4)) 20 é alimentado na extremidade correspondente do furo interno 14. A pressão parcial do oxigênio 18 é mantida em uma pressão mais alta do que aquela do suprimento de metano 20, que resulta na passagem de oxigênio através dos poros (não mostrados) da membrana modificada 10 do furo externo 22 ao furo interno 14. Sendo assim, as moléculas de oxigênio entram em contato com os catalisadores 12 presentes na parede lateral 13 da membrana modificada 10, que ativa as moléculas de oxigênio antes de contatar o metano presente no furo interno da membrana modificada 10. O catalisador reduz a energia de ativação da reação de modo que a reação ocorre em temperaturas mais baixas do que a reação não catalisada e assim como o metano e oxigênio o contato na presença do catalisador gás de síntese é imediatamente formado de acordo com a reação química seguinte:
CH4 + O2* —> CO + H2 [00051] O gás de síntese produzido sai do aparelho de membrana 8, da outra extremidade do furo interno 14 devido ao diferencial de pressão natural gerado pelo suprimento de metano 20, tal como um fluxo de gás de síntese 24 é gerado. O controle de pressão da taxa de fluxo de suprimento de oxigênio 18 permite que diferentes taxas de fluxo do suprimento de metano 20 sejam
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 19/71
13/23 usadas, visto que um aumento na pressão do suprimento de oxigênio resultará em um fluxo maior de oxigênio através dos poros da membrana modificada 10. No uso de uma corrente de gás compreendendo o metano flui perto ou através da camada impregnada com catalisador 12. A camada de gama alumina termicamente estabilizada 30 no lado do furo 14 aumenta a área de superfície específica do suporte e estabilizando uma área de superfície alta de catalisador de metal que realça a reação entre oxigênio permeado e o metano. Visto que as moléculas de oxigênio têm que difundir para o lado do furo 14 da camada de gama alumina 30 e a camada porosa adjacente, o ambiente gasoso da camada de gama alumina 30 em e próximo ao furo é menos redutor do que nas camadas porosas externas. Como um resultado uma reação de oxidação completa ou parcial ocorrerá aqui com alguma reforma ocorrendo conforme o gás se move para longe da camada de gama alumina 30 respectivamente. É vantajoso revestir os poros da última camada de suporte porosa com o catalisador de reforma tal como Rh para induzir alguma reforma endotérmica conforme produtos de combustão fluem através da camada de suporte porosa. Isto ajudará em remover o calor da reação de oxidação exotérmica da superfície da camada porosa ativa.
[00052] Na Figura 2, o oxigênio no ponto 18 pode ser alimentado em uma taxa de 5 a 500 L/min e o metano no ponto 20 pode ser alimentado em uma taxa de 10 a 1.000 L/min.
[00053] O comprimento e o diâmetro do furo interno 14 são selecionados para fornecer um número de Reynolds maior do que 500 de modo que a turbulência dentro do furo interno ocorrerá. O número de Reynolds adimensional, como definido pela razão (rho x v x D/mu) (densidade x velocidade x diâmetro médio hidráulico/viscosidade) é uma indicação de se o fluxo turbulento ou laminar está presente no fluxo de fluido desenvolvido. Um número de Reynolds abaixo de 2.000 para um cano de furo liso, ou abaixo de 1.000 para um cano áspero é indicativo de que o fluxo de
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 20/71
14/23 fluido dentro do cano estará em um regime laminar. Em valores mais altos do que este portanto a turbulência é possível. Para o fluxo em geometrias não cilíndricas o número de Reynolds pode ser determinado usando o diâmetro médio hidráulico, calculado de uma razão do perímetro molhado e área em seção transversal. A turbulência aumenta a transferência de massa permitindose circulação local de fluidos e transporte que não com base em difusão do material. Similarmente a turbulência ajuda a transferência de calor permitindo-se mecanismos convectivos assim como de condução para a transferência de calor.
[00054] Para um trocador de calor onde calor é removido de uma superfície quente o efeito de turbulência é afinar a camada-limite do fluido que está na temperatura da superfície e realçar o processo de transferência de calor longe da camada-limite. Isto pode resultar em um resfriamento da superfície quando comparado com um trocador de calor de fluxo laminar. Entretanto, embora a turbulência realce o coeficiente de transferência de calor, aumentar as dimensões do trocador de calor (deste modo aumentando o diâmetro médio hidráulico e o número de Reynolds) aumenta a turbulência mas também reduz a área de superfície fornecida pelo trocador. Onde um trocador de calor de transferência de calor alta compacto é necessário a melhor solução é utilizar um trocador de calor de canal pequeno, que sofre a penalidade de coeficientes de transferência de calor reduzidos devido às características de fluxo laminar, mas é capaz de fornecer uma razão de área de superfície para volume muito mais alta para taxas globais altas de transferência de calor.
[00055] Onde é desejado controlar a temperatura de uma reação catalítica dentro de limites próximos, a temperatura do fluido (e catalisador) é controlada por transferência do calor de reação longe da superfície catalítica para uma superfície de transferência de calor e depois em um fluido secundário. A turbulência novamente reduz a espessura da camada-limite e
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 21/71
15/23 realça a transferência de calor e massa do catalisador. Entretanto, a temperatura da superfície do catalisador não é usualmente afetada pela turbulência aumentada. Diferente com reações bem misturadas em massa onde a reação pode continuar na ausência de transferência de massa, com reações catalisadas na superfície o aumento na transferência de calor com turbulência também acompanha uma transferência de massa aumentada que pode aumentar a taxa de reação e a taxa de aquecimento resultante. O resultado disto é que o fluido em contato com o catalisador permanecerá na temperatura do catalisador. Esta temperatura não será mais do que a temperatura de reação adiabática que pode ser calculada a partir de um conhecimento das propriedades termodinâmicas dos fluidos e reagentes.
[00056] Para a reação catalítica de oxidação parcial o conhecimento convencional é que a reação não é limitada à transferência de massa e assim de modo a produzir um reator compacto e eficiente o suporte de catalisador é designado com um tamanho de canal pequeno que permite que uma concentração volumétrica alta de catalisador seja usada. O tamanho do canal é apenas limitado pela queda de pressão crescente que resulta conforme o tamanho do canal é diminuído. Aumentar o tamanho do canal a mais do que o mínimo necessário para evitar queda de pressão excessiva resultará em um reator menos eficaz.
[00057] Movendo longe de conhecimento convencional, verificou-se que operando com um canal maior e número de Reynolds significativamente maior para o gás contendo metano reduz a carga volumétrica do catalisador mas tem o efeito benéfico de reduzir muito as temperaturas de superfície altas que são geradas na superfície do catalisador com fluxo laminar. Ainda que nenhuma transferência de calor fora do reator ocorra e portanto nenhuma superfície de transferência de calor é fornecida. Isto é surpreendente visto que a temperatura da superfície de uma reação adiabática normalmente depende unicamente da coordenada da reação - o grau ao qual a reação levou à
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 22/71
16/23 conclusão. Realçar a transferência de massa na corrente contendo oxigênio sozinha resulta em temperaturas de superfície aumentadas o que não é benéfico.
[00058] Na US 7.641.188 a corrente de metano passa abaixo de uma membrana que é aproximadamente 10 mm em diâmetro com canais internos separados por três raios fornecendo um diâmetro médio hidráulico do canal de 4 mm. Esta membrana é fabricada de um suporte cerâmico comercialmente disponível que é designado para maximizar a área de superfície do canal interno sem queda de pressão excessiva de fluxo de fluido. Suportes de diâmetro maior estão disponíveis e a seção transversal de um tal suporte é mostrada na figura 5a. Novamente o diâmetro médio hidráulico dos canais é cerca de 4 mm. Embora a área de superfície alta também seja útil para estabilizar a estrutura durante a extrusão e também gerar área de superfície grande do catalisador de metal isto é prejudicial para a promoção de turbulência - o projeto 5a não é adequado para usar com metano que passa abaixo dos canais centrais. Aumentar a dimensão dos canais e o diâmetro do suporte reduz a área de superfície do suporte disponível ao catalisador de suporte, toma a estrutura menos estável durante a fabricação por extrusão mas beneficamente aumenta o diâmetro hidráulico do canal. Similarmente aumentar o tamanho da câmara externa à membrana aumenta o tamanho do reator e reduz a concentração volumétrica do catalisador. Entretanto como foi mostrado se turbulência ocorre o problema de superaquecimento do catalisador pode ser prevenido. Consequentemente aumentar os diâmetros médios hidráulicos das câmaras de modo que a turbulência possa ocorrer seja benéfico. Para o metano que passa abaixo dos canais centrais o projeto da membrana deve ser modificado da fig. 5a à fig. 5c para que turbulência seja obtida. Reduzir o número de raios no projeto de membranas maiores é benéfico, embora novamente isto tomasse a fabricação do suporte por extrusão mais difícil. Além disso, instalar injetores, dispositivos de turbilhão
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 23/71
17/23 ou obstruções no fluxo de metano para garantir que turbulência esteja presente mesmo em números de Reynolds abaixo de 4.000 é benéfico. Adicionalmente prevenir a turbulência ocorrendo na câmara de oxigênio através do uso de um distribuidor de oxigênio para eliminar velocidades altas no local que podem aumentar a transferência de massa de oxigênio acima daquela do metano é benéfico.
[00059] A Figura 3 mostra o efeito da turbulência em reduzir a temperatura do catalisador em um reator de tubo poroso catalítico cilíndrico.
[00060] O efeito de impedir a transferência de massa do fluxo de oxigênio e prevenir velocidades altas localizadas na corrente de oxigênio, também pode ser observado no perfil de temperatura na Figura 4. A Figura 4 mostra o efeito de remover o distribuidor poroso na temperatura do catalisador no exemplo descrito acima na taxa de fluxo alta de 100 L/min. Em particular, a Figura 4 mostra o efeito de aumentar a transferência de massa de oxigênio por remoção do distribuidor poroso.
[00061] Se for o oxidante que é passado abaixo do canal ou canais centrais da membrana catalítica então é vantajoso que a turbulência seja obtida no lado de fora da membrana catalítica sem tempo de permanência excessivo. Isto é o mais simplesmente obtido fomecendo-se comprimento suficiente da membrana de catalisador tal como a GHSV (velocidade espacial horária gasosa) desejada resulta em fluxo turbulento. Tipicamente isto requererá que a câmara contendo o metano seja pelo menos de 1 m em comprimento circundando uma membrana catalítica de pelo menos 25 mm em diâmetro e que a câmara externa tenha um diâmetro médio hidráulico de pelo menos 25 mm. Pode ser benéfico para os propósitos de controle e distribuição gasosa para cada membrana a ser circundada por um envoltório metálico que pode controlar a direção do fluxo e auxiliar a turbulência. Além disso, na entrada de metano pode ser fornecido um meio de realçar a turbulência e distribuição gasosa tal como um dispositivo de turbilhão ou outro dispositivo
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 24/71
18/23 de indução de turbulência.
[00062] Embora a turbulência na câmara de oxigênio possa ser benéfica onde transferência de massa muito alta na câmara de metano já tenha sido obtida isto é menos necessário e geralmente um número de Reynolds mais baixo na câmara de oxigênio deve ser mantido. Quando o oxidante passa abaixo da câmara central uma membrana de canal pequeno pode parecer desejável para a membrana catalítica para prevenir turbulência, entretanto isto pode resultar em problemas de estabilidade do material para a cerâmica devido aos gradientes de concentração que ele produz. Isto também impede o uso de um distribuidor de oxigênio separado.
[00063] As Figuras 5a a 5d representam membranas catalíticas para gerar turbulência em um reator de membrana porosa como previamente descrito. A Figura 5a representa uma membrana 100 fabricada de cerâmica com um diâmetro de cerca de 25 mm. A membrana 100 tem uma série de canais localizados externos 102. Esta configuração de membrana é apenas adequada para uso com uma configuração de reator como mostrado na figura 6 em que a corrente contendo oxigênio passa abaixo dos canais 102 e a corrente contendo metano passa ao longo da superfície externa da membrana 100 diferentemente da US 7.641.888. Os canais 102 são muito pequenos para que turbulência se desenvolva intemamente sem causar uma queda de pressão grande. A Figura 5b representa uma membrana 120 que tem um canal central 122 e uma série de canais localizados externos 124. O canal central tem um diâmetro grande o bastante para ser usado em qualquer configuração de reator da Figura 6 ou da Figura 7 como na configuração mostrada na Figura distribuidor de oxigênio interno de banda pode ser ajustado ou na configuração mostrada em Figura 7 em que o fluxo de metano passa através do canal central 122 fluxo de metano turbulento pode desenvolver. A Figura 5c representa uma membrana 130 com um canal grande simples 132 que é similar em projeto e uso como a configuração da Figura 5b. Na configuração
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 25/71
19/23 mostrada na Figura 5c parede mais espessa é utilizada para permitir uma extrusão estável, ao passo que na Figura 5b a extrusão é feita mais estável através do uso de uma estrutura mais leve mas mais complexa e de volume maior. A Figura 5d é uma outra membrana 140 onde o número de raios 142 foi minimizado para obter um equilíbrio entre o diâmetro médio hidráulico dos canais 144 e estabilidade da cerâmica no processo de extrusão. A estrutura tipicamente teria um diâmetro externo em excesso de 50 mm e com canais individuais 144 tendo diâmetros médios hidráulicos em excesso de 25 mm. Esta estrutura é a mais adequada para uso na configuração de reator da Figura 7 em que o metano passa abaixo dos canais centrais.
[00064] A Figura 6 é um outro reator da presente invenção que partes específicas de componente são descritas abaixo.
[00065] Gás reagente 211 contém metano e é alimentado no bocal 208 que entra na câmara de distribuição 214 que é limitada pela placa final 201 e a placa intermediária 202. Como o gás reagente está em uma temperatura abaixo de 600°C e a câmara 214 é protegida da câmara de temperatura alta 218 pelo material refratário 204 o metal de princípio da construção para a placa final e outros itens em tomo da câmara 214 podem ser materiais inoxidáveis 310. O gás contendo metano depois passa através da placa 202 e material refratário 204 através de um orifício 210, através de um dispositivo de indução de turbulência 215 tal como um gerador de turbilhão em uma câmara limitada pela bainha 205 e membrana catalítica 207.
[00066] O gás reagente contendo oxigênio 212 é alimentado por intermédio de um tubo de distribuição em cada membrana catalítica individual através de uma tampa 209. A tampa de vedação 209 permite a inserção da membrana no reator e também forma um selo de pressão contra a placa 201. Gás reagente 212 é impedido de misturar com gás reagente 211 por um cilindro de vedação metálico que circunda a extremidade da membrana porosa catalítica.
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 26/71
20/23 [00067] Um distribuidor poroso para o oxigênio 216, fabricado de metal ou cerâmica, é localizado abaixo do centro da membrana catalítica e selado usando um selo mineral tal como um tipo de mica ou mica esfoliada de selo de bloco em tomo da extremidade da membrana catalítica. O distribuidor de gás poroso e membrana catalítica são sustentados pelas estruturas 206 e 217.
[00068] O intervalo entre a bainha 205 e a membrana 207 é tipicamente de cerca de 25 mm permitindo que fluxo turbulento se desenvolva. A bainha 205 e dispositivo de turbilhão 215 trabalham em combinação para gerar velocidades de gás locais altas particularmente na entrada do metano onde de outro modo velocidades de gás e turbulência estariam em um valor mínimo. Conforme a reação procede existe um aumento no volume de gás levando a velocidades mais altas e níveis mais altos de turbulência. Na entrada da câmara onde as velocidades são mais baixas também é o local onde a turbulência é benéfica. Consequentemente, particularmente onde o número de Reynolds do gás de fluxo seria abaixo de 4.000 é benéfico na entrada da câmara realçar localmente velocidades de gás metano. Um dispositivo de turbilhão 215 obtém isto comunicando uma velocidade rotacional assim como linear ao gás. Além disso, um guia de fluxo ou bainha 205 dentro do reator podem ajudar o início da turbulência e com a adição de pás de hélice podem aumentar ainda mais as velocidades de gás, enquanto reduzindo o volume morto e portanto reduzindo o tempo de permanência dentro do reator. Em cargas de catalisador mais altas, taxas de fluxo mais altas e com as membranas de maior diâmetro, onde o passo dos tubos não é mais determinado pelo requerimento de espaço do selo e tampas de vedação as bainhas podem não ser necessárias.
[00069] O gás contendo oxigênio e gás contendo metano contatam na membrana catalítica porosa com fluxo em massa de gás do centro da membrana catalítica porosa à câmara de reação 218. O gás de síntese 213
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 27/71
21/23 produzido pela reação do oxigênio e metano permanece fora da membrana catalítica porosa e sai do invólucro do reator.
[00070] Tipicamente, uma geometria de membrana como mostrado na Figura 5b seria usada com um diâmetro externo de membrana de aproximadamente 50 mm.
[00071] A membrana catalítica porosa 207 seria de aproximadamente 3.000 mm de comprimento, fabricada de uma cerâmica com base em alumina termicamente resistente contendo 0,1 % em peso de ródio como o catalisador depositado sobre um revestimento de alumina termicamente estabilizado.
[00072] O corpo principal do reator 201 pode ser fabricado de material inoxidável 310 conforme o revestimento refratário 204 protege o invólucro de calor excessivo permitindo o uso de um material de espessura mais baixa.
[00073] A Figura 7 é um outro reator da presente invenção que partes específicas de componente são descritas abaixo.
[00074] Gás contendo oxigênio 311 é alimentado no bocal 308 e entra na câmara 313 limitada pelas placas finais do reator 301 e placa intermediária 302. Novamente a câmara 313 é mantida em uma temperatura abaixo de 600°C pelo uso de revestimento refratário 304. O gás contendo oxigênio 311 é distribuído na câmara principal 314 por passagem ao longo e através de distribuidores metálicos e cerâmicos porosos 305. A passagem de distribuição impede a estimulação de turbulência dentro da câmara de oxigênio assim como impede a transferência de massa do oxigênio para garantir boa estequiometria no catalisador. O gás contendo metano 312 passa através das tampas de vedação do reator 312 no centro da membrana catalítica porosa 307. As tampas de vedação 310 permitem inserção da membrana. Na entrada para a membrana catalítica porosa pode haver opcionalmente um dispositivo que realça a turbulência dentro do canal central da membrana que pode ser um tubo estreito simples para aumentar a velocidade local, ou um injetor mais complexo com outros fluidos adicionados por exemplo, água ou dispositivo
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 28/71
22/23 para indução de turbulência (não mostrado). Particularmente onde o número de Reynolds do gás de fluxo seria abaixo de 4.000 é benéfico na entrada da câmara localmente realçar as velocidades de gás metano. Um dispositivo de turbilhão 215 obtém isto comunicando-se uma velocidade rotacional assim como linear ao gás.
[00075] O metano e oxigênio são impedidos de contatar dentro da câmara 313 por uma luva metálica circundando cada membrana catalítica nesta câmara.
[00076] Dentro da câmara principal 314 os gases contatam dentro da membrana porosa catalítica 307.
[00077] Os tubos de distribuição de oxigênio 305 e membrana catalítica porosa 307 são sustentados pela estrutura 306.
[00078] O gás de síntese 313 produzido percorre abaixo do centro da membrana e sai na câmara 315. A vedação é arranjada em tomo das membranas de modo que a expansão e contração das membranas em relação à invólucro possam ocorrer sem estresses mecânicos excessivos. Um tipo deslizante de selo é adequado visto que um grau alto de estanqueidade de vazamento não é necessário. O selo permite que um diferencial de pressão seja mantido entre a câmara 314 e a câmara 315 conduzindo o fluxo de oxidante através da membrana catalítica. Uma quantidade pequena de vazamento é permissível visto que isto não afeta o desempenho do reator e pode ser benéfico em moderar a queda de pressão através da membrana em fluxos altos.
[00079] Uma configuração de membrana adequada para este tipo de reator seria a Figura 5b ou 5c com um diâmetro interno dentro da membrana de cerca de 25 mm e um comprimento de membrana de aproximadamente 3.000 mm.
[00080] Embora formas de realização específicas da presente invenção tenham sido descritas acima, será avaliado que divergências das formas de
Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 29/71
23/23 realização descritas podem cair ainda dentro do escopo da presente invenção. Por exemplo, qualquer tipo adequado de reator de membrana pode ser usado.

Claims (9)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para oxidar parcialmente metano por meio de um reator, cujo reator tem um invólucro, caracterizado pelo fato de que compreende:
    fornecer uma primeira câmara tendo uma entrada, onde a primeira câmara compreende um canal com um comprimento maior do que 600 mm formando uma passagem para um primeiro gás reagente na forma de metano (211);
    fornecer uma segunda câmara formando uma passagem para um segundo gás reagente na forma de oxigênio (212);
    impedir que o primeiro gás reagente na forma de metano (211) se misture com o segundo gás reagente na forma de oxigênio (212) por meio de um cilindro de vedação de metal que circunda uma extremidade de uma membrana catalítica porosa;
    fornecer uma membrana catalítica porosa (207) separando a primeira e a segunda câmaras, sendo a membrana (207) capaz de permitir que o segundo gás reagente (212) permeie da segundo câmara diretamente para a primeira câmara para reagir com o primeiro gás reagente (211) em uma zona de reação do reator, onde o segundo gás reagente na forma de oxigênio (212) e o primeiro gás reagente na forma de metano (211) se contatam na membrana catalítica porosa (207) com o fluxo em massa de gás proveniente do centro da membrana catalítica porosa (207) para a câmara de reação (218);
    alimentar o primeiro gás reagente na forma de metano (211) num bocal (208) que entra numa câmara de distribuição (214), estando o primeiro gás reagente a uma temperatura abaixo de 600°C sendo a câmara de distribuição (214) protegida por um material refratário (204);
    passar o primeiro gás reagente através de uma placa intermediária (202) e do material refratário (204) na câmara de distribuição (204) e através de um orifício (210) na primeira câmara;
    alimentar o segundo gás reagente na forma de oxigênio (212)
    Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 31/71
  2. 2/4 através de um tubo de distribuição em cada membrana catalítica individual através de uma tampa (209) que permite a inserção da membrana catalítica porosa (207) no reator e também forma um selo de pressão contra a placa (201);
    sendo que a oxidação parcial do metano pelo oxigênio ocorre pela introdução de um dispositivo de indução de turbulência (215) na corrente de metano na entrada da primeira câmara, onde o dispositivo de indução de turbulência é um gerador de turbilhão (215) que gera turbulência tanto na forma de velocidade rotacional como na forma de velocidade linear à corrente de gás metano, com o gás de fluxo tendo um número de Reynolds maior do que 4.000 sendo alimentado para dentro de uma câmara limitada por uma bainha (205) e pela membrana catalítica porosa (207), onde há vão entre a bainha (205) e a membrana catalítica porosa (207) que é adaptado para permitir o desenvolvimento de um fluxo turbulento;
    sendo que a reação é adiabática;
    sendo que a membrana catalítica porosa (207) é cilíndrica e é baseada em ródio;
    sendo produzido gás de síntese (213), pela reação do oxigênio e metano, em razões de 1,8:1 de H2/CO a 6:1; e, sendo que o gás de síntese (213) produzido permanece do lado de fora da membrana catalítica porosa (207) e deixa o invólucro do reator.
    2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um fluido adicional tal como vapor, água ou nitrogênio é adicionado à corrente de metano na entrada da primeira câmara para estimular a turbulência através de vaporização ou expansão rápida.
  3. 3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que: para obter o número de Reynolds necessário o comprimento da primeira câmara é selecionado de qualquer um dentre: mais longo do que 1.200 mm; mais longo do que 2.000 mm; ou mais longo do que 5.000 mm; ou, para obter o número de Reynolds necessário o diâmetro médio
    Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 32/71 hidráulico da primeira câmara é selecionado de qualquer um dentre: maior do que 5 mm; maior do que 10 mm; ou maior do que 20 mm; ou, para obter o número de Reynolds necessário o diâmetro médio hidráulico da primeira câmara é selecionado de qualquer um dentre: menor do que 300 mm; menor do que 100 mm; ou menor do que 60 mm.
  4. 4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o oxigênio (212) é alimentado ao reator através de uma zona porosa que é separada da zona contendo catalisador porosa onde:
    a. o número de Reynolds na câmara compreendendo oxigênio é mantido mais baixo do que na câmara compreendendo metano
    b. onde o distribuidor poroso de oxigênio é de extremidade aberta.
  5. 5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o reator é refratário revestido com revestimento refratário cerâmico, vítreo, ou revestimento refratário coberto com uma bainha metálica protetora incluindo uma liga de níquel-ferro-cromo tal como Incoloy 800HT; e, o invólucro do reator tem um material refratário interno capaz de autoconter calor fornecendo as características adiabáticas do reator que permitem a recuperação de calor depois de passar através do reator de modo que a energia dos gases quentes depois pode ser usada para gerar energia ou pré-aquecer os gases no início da reação.
  6. 6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a reação usa ar ou qualquer combinação de ar enriquecido com oxigênio, sendo que o reator também permite a extração de produto gasoso em ambos os lados da membrana que permite a recuperação do gás de síntese (213) produzido através do centro do reator no lado da membrana ou através do invólucro do reator adiabático.
  7. 7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o reator tem um revestimento refratário capaz de recuperar o calor que ocorre no reator que depois pode ser usado para gerar
    Petição 870180151893, de 14/11/2018, pág. 33/71
    4/4 energia ou pré-aquecer gases que entram no reator.
  8. 8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o reator é capaz de permitir a extração de produto gasoso em ambos os lados da membrana permitindo a recuperação de gás de síntese produzido através do centro do reator no lado da membrana ou através do invólucro do reator adiabático.
  9. 9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a membrana catalítica é microporosa.
BR112012016776-6A 2010-01-07 2011-01-07 Método para oxidar parcialmente metano por meio de um reator BR112012016776B1 (pt)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB1000160.0A GB201000160D0 (en) 2010-01-07 2010-01-07 Apparatus for adiabatic methane conversion
GB1000160.0 2010-01-07
PCT/GB2011/050014 WO2011083332A1 (en) 2010-01-07 2011-01-07 Apparatus and method for adiabatic methane conversion

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BR112012016776A2 BR112012016776A2 (pt) 2018-05-08
BR112012016776B1 true BR112012016776B1 (pt) 2019-03-19

Family

ID=41819008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BR112012016776-6A BR112012016776B1 (pt) 2010-01-07 2011-01-07 Método para oxidar parcialmente metano por meio de um reator

Country Status (9)

Country Link
US (1) US9387455B2 (pt)
EP (1) EP2521611B1 (pt)
BR (1) BR112012016776B1 (pt)
CA (1) CA2786519C (pt)
EA (1) EA024238B1 (pt)
GB (1) GB201000160D0 (pt)
MY (1) MY187266A (pt)
NO (1) NO2521611T3 (pt)
WO (1) WO2011083332A1 (pt)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105706282B (zh) * 2013-11-06 2018-05-01 瓦特燃料电池公司 气态燃料cpox重整器和cpox重整方法
EP3065857B1 (en) * 2013-11-06 2022-06-08 Watt Fuel Cell Corp. Integrated gaseous fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
CN105705226B (zh) * 2013-11-06 2018-03-27 瓦特燃料电池公司 液体燃料催化部分氧化重整器和催化部分氧化重整方法
CA2929721C (en) * 2013-11-06 2019-08-20 WATT Fuel Cell Corp Liquid fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
JP6630721B2 (ja) * 2015-03-23 2020-01-15 千代田化工建設株式会社 合成ガスの製造方法および製造装置
RU2674971C1 (ru) * 2017-12-07 2018-12-13 Публичное акционерное общество "Газпром" Аппарат и способ получения водородсодержащего газа
JP2022157595A (ja) * 2021-03-31 2022-10-14 三菱重工業株式会社 均温化された熱交換型触媒反応器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5171767A (en) 1991-05-06 1992-12-15 Rohm And Haas Company Utrafiltration process for the recovery of polymeric latices from whitewater
CA2381154C (en) * 1999-08-17 2009-02-03 Battelle Memorial Institute Chemical reactor and method for catalytic gas phase reactions
DE10114173A1 (de) * 2000-06-16 2001-12-20 Linde Ag Reaktor
GB0310281D0 (en) * 2003-05-03 2003-06-11 Univ Robert Gordon A membrane apparatus and method of preparing a membrane and a method of producing synthetic gas
US7261751B2 (en) * 2004-08-06 2007-08-28 Conocophillips Company Synthesis gas process comprising partial oxidation using controlled and optimized temperature profile
US7641188B2 (en) 2007-04-24 2010-01-05 Canon Kabushiki Kaisha Sheet feeding apparatus and image forming apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
EA201290615A1 (ru) 2012-12-28
MY187266A (en) 2021-09-17
BR112012016776A2 (pt) 2018-05-08
GB201000160D0 (en) 2010-02-24
US20130032762A1 (en) 2013-02-07
US9387455B2 (en) 2016-07-12
EP2521611B1 (en) 2018-02-14
CA2786519C (en) 2018-05-08
CA2786519A1 (en) 2011-07-14
EA024238B1 (ru) 2016-08-31
NO2521611T3 (pt) 2018-07-14
AU2011204498A1 (en) 2012-07-26
WO2011083332A1 (en) 2011-07-14
EP2521611A1 (en) 2012-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
BR112012016776B1 (pt) Método para oxidar parcialmente metano por meio de um reator
US9561958B2 (en) Isothermal reactor for partial oxidation of methane
ES2966051T3 (es) Procedimiento y reactor para producir uno o más productos
JP2752383B2 (ja) ガス混合および分配装置
GB2181740A (en) Generation of synthesis gas
BRPI0610674A2 (pt) aparelho para reforma a vapor de hidrocarbonetos, processo para reforma a vapor de hidrocarbonetos para gerar uma mistura de gás reformado, processo de sìntese de metanol, processo de sìntese de amÈnia e processo de sìntese fischer-tropsch de lìquido de hidrocarboneto
JP2004224690A5 (pt)
JP3262354B2 (ja) 非断熱触媒反応を実施する改質器
JP5898785B2 (ja) 混合器／流量分配器
ES2356287T3 (es) Aparato y método de reformado para la generación de gas de síntesis.
EP1329256B1 (en) Apparatus and method for production of synthesis gas
JP5054375B2 (ja) 自動熱分解反応装置
ZA200509014B (en) Device for converting gaseous streams
US11229894B2 (en) Micro-reactor and method implementation for methanation
ES2807473T3 (es) Dispositivo y procedimiento de producción de gas de síntesis
WO2013008020A1 (en) Isothermal reactor for partial oxidation of methane
ES2639664B1 (es) Procedimiento para la oxidación parcial de combustibles, dispositivo para aplicar dicho procedimiento y gas obtenido con dicho procedimiento
US8038968B2 (en) Radiative heat transfer via shunt in a steam reforming reactor
JPH0794322B2 (ja) メタノール改質装置
AU2011204498B2 (en) Apparatus and method for adiabatic methane conversion
WO2013008009A1 (en) Apparatus for adiabatic methane partial oxidation
US6458217B1 (en) Superadiabatic combustion generation of reducing atmosphere for metal heat treatment
RU2615768C1 (ru) Реактор для каталитической паровой и пароуглекислотной конверсии углеводородов
US11918991B2 (en) Reformer furnace with supported reformer tubes
KR20150028223A (ko) 수소의 생성 방법 및 생성 장치

Legal Events

Date Code Title Description
B07A Application suspended after technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette]
B09A Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette]
B16A Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette]

Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 20 (VINTE) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 07/01/2011, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS.

B21F Lapse acc. art. 78, item iv - on non-payment of the annual fees in time

Free format text: REFERENTE A 10A ANUIDADE.

B24J Lapse because of non-payment of annual fees (definitively: art 78 iv lpi, resolution 113/2013 art. 12)

Free format text: EM VIRTUDE DA EXTINCAO PUBLICADA NA RPI 2612 DE 26-01-2021 E CONSIDERANDO AUSENCIA DE MANIFESTACAO DENTRO DOS PRAZOS LEGAIS, INFORMO QUE CABE SER MANTIDA A EXTINCAO DA PATENTE E SEUS CERTIFICADOS, CONFORME O DISPOSTO NO ARTIGO 12, DA RESOLUCAO 113/2013.