BR112016007641B1 - método para controle de temperatura em um reator, e, reator - Google Patents

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Abstract

MÉTODO PARA CONTROLE DE TEMPERATURA EM UM REATOR, E, REATOR Um sistema e método para controle de temperatura em um reator com base em membrana de transporte de oxigênio são providos. O sistema e o método envolvem introduzir uma quantidade específica de ar de refrigeração ou ar de guarnição entre os estágios em um reator com base em membrana de transporte de oxigênio de múltiplos estágios ou fornalha para manter temperaturas de superfície geralmente consistentes dos elementos da membrana de transporte de oxigênio e reatores associados. Os reatores associados podem incluir reatores de reforma, caldeiras ou aquecedores de gás do processo.

Description

Declaração dos Direitos do Governo
[001] Esta invenção foi feita com o apoio do Governo dos Estados Unidos sob o Acordo Cooperativo No DE-FC26-07NT43088, concedido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos. O Governo dos Estados Unidos tem determinados direitos nesta invenção.
Campo da Invenção
[002] A presente invenção provê um sistema e método para controle de temperatura em um reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio configurado para produzir um gás de síntese a partir de uma alimentação gasosa contendo hidrocarboneto. Mais particularmente, a presente invenção provê um método e aparelho para manter temperaturas de superfície geralmente consistentes dos elementos da membrana de transporte de oxigênio e reatores de reforma associados introduzindo uma quantidade específica de ar de refrigeração ou ar de guarnição entre os estágios em um reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio de múltiplos estágios ou fornalha.
Fundamentos
[003] Gás de síntese contendo hidrogênio e monóxido de carbono são produzidos para uma variedade de aplicações industriais, por exemplo, a produção de hidrogênio, produção de produtos químicos e combustível sintético. Convencionalmente, o gás de síntese é produzido em um reformador de queima no qual gás natural e vapor são reformados nos tubos do reformador contendo catalisador de níquel a temperaturas altas (por exemplo, 900°C a 1.000°C) e pressões moderadas (por exemplo, 1,6 a 2 MPa (16 a 20 bar)) para produzir o gás de síntese. As exigências de aquecimento endotérmico para reações de reforma a vapor de metano ocorrendo dentro dos tubos do reformador são providas por queimadores acesos dentro da fornalha que entram em combustão com parte do gás natural. A fim de aumentar o teor de hidrogênio do gás de síntese produzido pelo processo de reforma a vapor de metano (SMR), o gás de síntese pode ser submetido a reações de troca de gás de água para reagir vapor residual no gás de síntese com o monóxido de carbono.
[004] Uma alternativa bem conhecida à reforma a vapor de metano é o processo de oxidação parcial (POx) por meio do qual uma quantidade limitada de oxigênio é deixada queimar com a alimentação de gás natural criando vapor e dióxido de carbono a temperaturas altas e o vapor e dióxido de carbono em temperaturas altas são submetidos a reações de reforma subsequentes. Uma insuficiência chave de ambos os processos SMR e POx é a quantidade significante de carbono emitido para a atmosfera como gás dióxido de carbono no gás residual de baixa pressão. Além disso, a produção de gás de síntese pelos processos convencionais SMR ou POx é reconhecida como sendo um processo relativamente caro.
[005] Um processo alternativo atrativo para produzir gás de síntese é um processo com reformador autotérmico com queima de oxigênio (ATR) que usa oxigênio para oxidar parcialmente gás natural internamente em um reator que retém quase todo o carbono no gás de síntese de alta pressão, facilitando desse modo à remoção de dióxido de carbono para captura de carbono. No entanto, o processo ATR exige uma unidade de separação de ar (ASU) separada para produzir oxigênio de alta pureza, em alta pressão, o que adiciona complexidade, assim como, custos com capital, e operacionais para o processo total.
[006] Como pode ser apreciado, os métodos convencionais de produzir um gás de síntese tais como sistemas SMR, POx ou ATR são caros e exigem instalações complexas. A fim de superar a complexidade e despesas com tais instalações foi proposto gerar o gás de síntese dentro de reatores que utilizam uma membrana de transporte de oxigênio para fornecer oxigênio e gerar assim o calor necessário para suportar as exigências de aquecimento endotérmico das reações de reforma a vapor de metano. Uma membrana de transporte de oxigênio tem uma camada densa que, embora sendo impenetrável ao ar ou outro gás contendo oxigênio, irá transportar íons de oxigênio quando submetida a uma temperatura operacional elevada e uma diferença na pressão parcial de oxigênio através da membrana.
[007] Exemplos de reatores de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio usados na produção de gás de síntese podem ser encontrados nas Patentes dos Estados Unidos Nos. 6.048.472; 6.110.979; 6.114.400; 6.296.686; 7.261.751; 8.262.755; e 8.419.827. O problema com todos estes sistemas com base em membrana de transporte de oxigênio é porque tais membranas de transporte de oxigênio precisam operar a temperaturas altas de em torno de 900°C a 1100°C, o preaquecimento da alimentação de hidrocarbonetos para temperaturas similarmente altas é exigido. Onde hidrocarbonetos tais como metano e hidrocarbonetos de ordem superior são submetidos a tais temperaturas altas, a formação excessiva de carbono irá ocorrer na corrente de alimentação, especialmente em pressões altas e razões baixas de carbono para vapor. Os problemas da formação de carbono são particularmente severos nos sistemas com base em membrana de transporte de oxigênio da técnica antecedente identificados acima. Uma abordagem diferente para usar um reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio na produção de gás de síntese é descrita na Patente dos Estados Unidos No. 8.349.214 e Pedido de Patente dos Estados Unidos No. de Série 2013/0009102 ambos os quais descrevem um sistema de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio acionada reativamente que usa hidrogênio e monóxido de carbono como parte da alimentação de gás reagente que dirige muitos dos problemas salientados com os sistemas de membrana de transporte de oxigênio anteriores. Outros problemas que surgem com os sistemas de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio são o custo e complexidade dos módulos da membrana de transporte de oxigênio e o acoplamento térmico, durabilidade, confiabilidade e disponibilidade operacional inferior ao desejado de tais sistemas de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio. Estes problemas são as razões primárias porque os sistemas de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio não foram comercializados com sucesso. Novos avanços nos materiais de membrana de transporte de oxigênio têm acionado problemas associados com o fluxo de oxigênio, degradação da membrana e da vida por fluência, mas existe muito trabalho a ser feito para alcançar sistemas de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio comercialmente viáveis do ponto de vista de custo, assim como, do ponto de vista de confiabilidade e disponibilidade.
[008] Projetos do processo que utilizam membrana de transporte de oxigênio separada, termicamente acoplada e reatores de reforma têm seus próprios conjuntos de desafios. Por exemplo, membranas de transporte de oxigênio podem ser configuradas para desempenhar várias tarefas tais como separação de oxigênio do ar, reação de oxigênio permeado com uma corrente de reagente para produzir uma corrente de reagente contendo vapor de água exigida para suportar reações endotérmicas no reator de reforma catalítica e transferência de calor para dirigir as reações endotérmicas no reator de reforma catalítica para alcançar a produção desejada de gás de síntese. O calor para suportar as reações endotérmicas dentro dos reatores catalíticos é na maior parte das vezes provido por transferência de calor radiante do calor liberado da combustão do oxigênio permeado no reator da membrana de transporte de oxigênio. Em temperaturas elevadas às membranas de transporte de oxigênio são submetidas a tensões mecânicas consideráveis tanto durante operação no estado constante como operações transientes tais como partida, paralisação, assim como, condições perturbadoras, particularmente em níveis prejudiciais quando temperaturas ou taxa de mudança de temperatura podem estar fora das faixas aceitáveis. Desse modo, a transferência ineficiente de calor exotérmico liberado nos reatores da membrana de transporte de oxigênio para os reatores de reforma catalítica irá levar à operação menos eficiente, custos superiores com capital e sistema mais complexos.
[009] Por esse motivo, continua a existir a necessidade para um sistema de geração de gás de síntese ou outro reator com base em membrana de transporte de oxigênio que tenha um alto grau de eficiência térmica. A presente invenção dirige os problemas mencionados acima provendo um método e sistema para controle de temperatura do ar em um reator com base em membrana de transporte de oxigênio para manter temperaturas de superfície geralmente consistentes dos elementos da membrana de transporte de oxigênio e reatores associados introduzindo uma quantidade específica de ar de refrigeração ou ar de guarnição entre os estágios em um reator de múltiplos estágios com base em membrana de transporte de oxigênio.
Sumário da Invenção
[0010] A presente invenção em um ou mais aspectos pode ser caracterizada como um método para controle de temperatura em um reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente, de múltiplos estágios compreendendo as etapas de: (i) introduzir um fluxo de uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido tendo uma temperatura de cerca de 800°C a cerca de 1.000°C; (ii) passar a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido através das superfícies de uma pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios em que um pouco de oxigênio é esgotado da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para produzir uma primeira corrente residual a uma temperatura na ou acima da temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; (iii) introduzir um fluxo de ar de refrigeração suplementar para a primeira corrente residual dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio; (iv) misturar o fluxo de ar de refrigeração suplementar com a primeira corrente residual dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio de múltiplos estágios para produzir uma corrente mista tendo uma temperatura de corrente mista; (v) passar a corrente mista através das superfícies de uma segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios em que algum do oxigênio é esgotado na corrente mista para produzir uma segunda corrente residual a uma temperatura geralmente acima da temperatura da corrente mista; e (vi) exaurir uma corrente contendo um pouco ou toda da segunda corrente residual do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, em que a temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido e a temperatura da corrente mista diferem entre si em até cerca de 25°C.
[0011] A invenção pode ser caracterizada também como um reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente, de múltiplos estágios compreendendo: (a) uma entrada de ar configurada para receber uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido a uma temperatura de cerca de 800°C a cerca de 1.000°C; (b) uma primeira pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio contidos dentro de um primeiro estágio do reator de múltiplos estágios e em comunicação fluídica com uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido e configurados para separar oxigênio da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido através de transporte de íons de oxigênio quando submetidos a uma temperatura operacional elevada e uma diferença acionada reativamente na pressão parcial de oxigênio através da primeira pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio para produzir uma primeira corrente residual esgotada de oxigênio a uma temperatura acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; (c) pelo menos um injetor de ar de refrigeração disposto dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio a jusante do primeiro estágio e configurado para introduzir um fluxo de ar de refrigeração suplementar para a primeira corrente residual e produzir uma corrente mista tendo uma temperatura de corrente mista; (d) uma segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio contidos dentro de um segundo estágio do reator de múltiplos estágios e dispostos a jusante do primeiro estágio, a segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em comunicação fluídica com a corrente mista e configurados para separar oxigênio da corrente mista através de transporte de íons de oxigênio quando submetidos a uma temperatura operacional elevada e uma diferença acionada reativamente na pressão parcial de oxigênio através da segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio para produzir uma segunda corrente residual esgotada de oxigênio a uma temperatura acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; e (e) uma saída disposta a jusante do segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e configurada para exaurir uma corrente contendo um pouco ou toda da segunda corrente residual esgotada de oxigênio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, em que a temperatura da primeira corrente residual e a temperatura da segunda corrente residual diferem entre si em até cerca de 25°C.
[0012] A presente invenção também pode ser caracterizada como um método para controle de temperatura em um reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente, de múltiplos estágios compreendendo as etapas de: (i) introduzir um fluxo de uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido tendo uma temperatura de cerca de 800°C a cerca de 1.000°C; (ii) passar a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido através das superfícies de uma pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios em que um pouco de oxigênio é esgotado da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para produzir uma primeira corrente residual a uma temperatura na ou acima da temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; (iii) passar a primeira corrente residual através de uma primeira tela de difusão de ar refratária disposta próxima a uma extremidade periférica do primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e configurada para manter uma temperatura operacional no primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e permitir que a primeira corrente residual passe através da mesma; (iv) passar a primeira corrente residual através das superfícies de uma segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios em que um pouco de oxigênio é esgotado ainda da primeira corrente residual para produzir uma segunda corrente residual; (v) passar a segunda corrente residual através de uma segunda tela de difusão de ar refratária disposta próxima a uma extremidade periférica do segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e configurada para manter uma temperatura operacional no segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e permitir que a segunda corrente residual passe através da mesma; e (vi) exaurir uma corrente contendo um pouco ou toda da segunda corrente residual do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, em que a temperatura operacional no primeiro estágio e a temperatura operacional no segundo estágio diferem entre si em até cerca de 25°C.
[0013] Alternativamente, a invenção pode ser caracterizada como um método para controle de temperatura em um reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios compreendendo as etapas de: (i) introduzir um fluxo de uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido tendo uma temperatura de cerca de 800°C a cerca de 1.000°C; (ii) passar a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido através das superfícies de uma pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios em que um pouco de oxigênio é esgotado da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para produzir uma primeira corrente residual a uma temperatura na ou acima da temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; (iii) passar a primeira corrente residual através de uma primeira tela de difusão de ar refratária disposta próxima a uma extremidade periférica do primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e configurada para manter uma temperatura operacional no primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e permitir que a primeira corrente residual passe através da mesma; (iv) introduzir um fluxo de ar de refrigeração suplementar para a primeira corrente residual em um local a jusante da primeira tela de difusão de ar refratária dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio de múltiplos estágios; (v) misturar o fluxo de ar de refrigeração suplementar com a primeira corrente residual para produzir uma corrente mista tendo uma temperatura de corrente mista; (vi) passar a corrente mista através das superfícies de uma segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios em que algum do oxigênio é esgotado na corrente mista para produzir uma segunda corrente residual a uma temperatura acima da temperatura da corrente mista; (vii) passar a segunda corrente residual através de uma segunda tela de difusão de ar refratária disposta próxima a uma extremidade periférica do segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e configurada para manter uma temperatura operacional no segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e permitir que a segunda corrente residual passe através da mesma; e (viii) exaurir uma corrente contendo um pouco ou toda da segunda corrente residual do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, em que a temperatura operacional no primeiro estágio e a temperatura operacional no segundo estágio diferem entre si em até cerca de 25°C cada uma.
[0014] Em algumas modalidades, o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios é um reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente. Em outras modalidades, o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios é uma caldeira da membrana de transporte de oxigênio acionada reativamente ou um aquecedor de gás do processo com base em membrana de transporte de oxigênio acionada reativamente.
[0015] Em algumas modalidades, a adição de ar de refrigeração suplementar é introduzida em múltiplos locais dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, incluindo, por exemplo, a montante do primeiro estágio, entre o primeiro estágio e o segundo estágio, entre o segundo e o terceiro estágio, entre quaisquer estágios sucessivos, ou mesmo a jusante do último estágio antes da saída.
[0016] Nas várias modalidades dos sistemas e métodos reivindicados presentemente, o controle da temperatura do ar e manejo térmico do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente, de múltiplos estágios pode ser ainda vantajosamente alcançado mantendo a temperatura da primeira corrente residual e a temperatura da segunda corrente residual diferindo entre si em até cerca de 25°C. Alternativamente, a adição ou mistura de ar de refrigeração suplementar permite manter a corrente exaurida, a primeira corrente residual, e/ou a segunda corrente residual em temperaturas não maiores do que cerca de 50°C acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido e/ou das temperaturas da corrente mista.
Breve Descrição dos Desenhos
[0017] Os outros aspectos, características e vantagens acima da presente invenção serão mais aparentes a partir da descrição detalhada seguinte dos mesmos, apresentadas em conjunto com os desenhos seguintes, nos quais: a Fig. 1 mostra ilustrações esquemáticas de uma modalidade do presente sistema de membrana de transporte de oxigênio; a Fig. 2 mostra ilustrações esquemáticas de uma modalidade alternativa do presente sistema de membrana de transporte de oxigênio; as Figs. 3A, 3B, 3C, e 3D são ilustrações esquemáticas de quatro modalidades alternativas da tecnologia da membrana de transporte de oxigênio e configurações do reator; a Fig. 4 é uma ilustração esquemática de tubos da membrana de transporte de oxigênio acoplados ou unidades de repetição da membrana de transporte de oxigênio; a Fig. 5 é uma ilustração esquemática de uma modalidade alternativa de unidades de repetição da membrana de transporte de oxigênio acoplando uma pluralidade de tubos da membrana de transporte de oxigênio; a Fig. 6 é uma ilustração esquemática de uma unidade de repetição ou tubo de reforma catalítica; a Fig. 7 é uma ilustração esquemática de um painel da membrana de transporte de oxigênio; a Fig. 8 é uma ilustração esquemática de um painel de reforma catalítica; a Fig. 9 é uma ilustração esquemática de um módulo de painel duplo; a Fig. 10 é uma ilustração esquemática de uma pluralidade de módulos de painel duplo, empilhados ou firmemente compactados; a Fig. 11 é uma vista isométrica expandida de um conjunto do bloco de um reator de membrana de transporte de oxigênio; a Fig. 12 é uma vista isométrica expandida de um conjunto do bloco de um reator de membrana de transporte de oxigênio e seguimento da fornalha correspondente com provisão de estágio de ar; as Figs. 13 e 14 são ilustrações esquemáticas de um trem da fornalha; a Fig. 15 é uma ilustração esquemática de arranjos múltiplos da fornalha em um sistema de produção de gás de síntese em grande escala; a Fig. 16 é um gráfico que mostra variáveis selecionadas do controle de temperatura do ar como uma função da recuperação de oxigênio em um único conjunto de bloco, incluindo: (i) a entrada de ar de refrigeração por bloco como uma porcentagem do fluxo total de ar; (ii) a fração total de ar de refrigeração como uma porcentagem do fluxo de ar total; (iii) a recuperação total do oxigênio resultante através de todos os cinco blocos do trem da fornalha; e (iv) elevação da temperatura por bloco para um trem da fornalha de cinco blocos da membrana de transporte de oxigênio; a Fig. 17 é um gráfico que mostra a elevação da temperatura da corrente de ar na entrada e saída de cinco conjuntos de blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio colocados em série em um trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio, assim como a concentração de oxigênio na corrente de ar na entrada e saída de cada conjunto de bloco para um caso de linha de base sem uma solução de manejo da temperatura do ar; a Fig. 18 é um gráfico que mostra a elevação da temperatura da corrente de ar na entrada e saída de cada dos cinco conjuntos de blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio colocados em série em um trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio, assim como, a concentração de oxigênio na corrente de ar na entrada e saída de cada conjunto de bloco para uma solução convencional para o manejo da temperatura do ar; a Fig. 19 é um gráfico que mostra a elevação da temperatura da corrente de ar na entrada e saída de cada dos cinco conjuntos de blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio colocados em série em um trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio, assim como a concentração de oxigênio na corrente de ar na entrada e saída de cada conjunto de bloco para a solução do manejo da temperatura do ar de acordo com a presente invenção; a Fig. 20 é uma ilustração esquemática de um gerador de vapor com base na membrana de transporte de oxigênio ou um aquecedor do gás do processo com base na membrana de transporte de oxigênio; e a Fig. 21 é uma ilustração esquemática de um módulo de painel duplo integrado ou arranjo do painel para um gerador de vapor com base na membrana de transporte de oxigênio ou um aquecedor de gás do processo com base na membrana de transporte de oxigênio.
Descrição Detalhada
[0018] Falando amplamente, a presente invenção pode ser caracterizada como um reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio melhorado para produzir gás de síntese. O reator e sistema melhorado provê acoplamento térmico intensificado dos tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos de reforma contendo catalisador, assim como, fabricação, manutenção e operabilidade melhorada comparada aos sistemas e reatores de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio. Em uma modalidade alternativa, o reator e sistema melhorado é uma caldeira da membrana de transporte de oxigênio ou aquecedor de gás do processo que provê acoplamento térmico intensificado dos tubos da membrana de transporte de oxigênio com tubos de vapor ou tubos de aquecimento do gás do processo. Cada destas modalidades são discutidas nos parágrafos que seguem. Sistema de Reforma com Base em Membrana de Transporte de Oxigênio Acionado Reativamente
[0019] Para propósitos de descrever a operação geral do reator e sistema de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente, a Fig. 1 e Fig. 3A mostram ilustrações esquemáticas do sistema, assim como, a tecnologia básica da membrana de transporte de oxigênio e configuração do reator. Como visto ali, uma corrente contendo oxigênio 110, tal como ar, é introduzida no sistema 100 por meio de um soprador ou ventilador 114 dentro de um trocador de calor 113 com propósitos de preaquecer a corrente contendo oxigênio 110. O trocador de calor 113 é preferivelmente um regenerador rotativo de alta eficiência, cíclico ou contínuo disposto em associação operativa com a corrente contendo oxigênio 110 e a corrente de retentato aquecido 124. A corrente de retentato esgotada de oxigênio e aquecida 124 pode ser introduzida opcionalmente dentro de uma região do queimador do duto contendo o queimador do duto 126 e usada para suportar a combustão de uma corrente de combustível suplementar 128 para produzir calor suplementar introduzido dentro do regenerador rotativo contínuo 113 para preaquecer a corrente contendo oxigênio 110. A corrente de exaustão 132 do trocador de calor 113 é descarregada.
[0020] A corrente contendo oxigênio aquecida 115 é então direcionada pelo duto de entrada para os elementos da membrana de transporte de oxigênio 120 incorporados dentro do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 101. Cada dos elementos da membrana de transporte de oxigênio 120 são preferivelmente configurados como um tubo de cerâmica de múltiplas camadas capaz de conduzir íons de oxigênio a uma temperatura operacional elevada, em que o lado do retentato dos elementos da membrana de transporte de oxigênio 120 é a superfície exterior dos tubos de cerâmica expostos para a corrente contendo oxigênio e o lado do permeado é a superfície interior dos tubos de cerâmica. Embora apenas seis elementos da membrana de transporte de oxigênio 120 sejam ilustrados em proximidade íntima com os três tubos de reforma catalítica 140, como ocorreria com os versados na técnica, poderiam existir muitos de tais elementos da membrana de transporte de oxigênio e muitos tubos de reforma catalítica em cada conjunto de membrana de transporte de oxigênio. Igualmente, poderiam existir muitos conjuntos de membrana de transporte de oxigênio usados em uma aplicação industrial do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 101. Além disso, uma corrente de ar de refrigeração 119 ou ar de guarnição pode ser injetada e misturada com a corrente de ar aquecido 115 como um meio para prover o controle da temperatura do ar dentro do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 101, particularmente em aplicações onde reatores múltiplos são arranjados em série em uma fornalha da membrana de transporte de oxigênio, como descrito em maiores detalhes abaixo.
[0021] Uma corrente contendo hidrogênio também é introduzida dentro do lado do permeado dos elementos da membrana de transporte de oxigênio 120 e é oxidada através da reação com o oxigênio permeado para produzir uma corrente do produto da reação 198 e calor. A corrente contendo hidrogênio é preferivelmente uma porção reciclada do gás de síntese produzido 163. Como um resultado da separação de oxigênio e da reação (isto é, combustão) ocorrendo no lado do permeado dos elementos da membrana de transporte de oxigênio 120, uma corrente de retentato esgotada de oxigênio, aquecida 124 também é formada.
[0022] A corrente contendo hidrogênio é preferivelmente uma porção da corrente de gás de síntese aquecida saindo dos tubos de reforma de catalisador. Uma porção do gás de síntese aquecido, preferivelmente entre 25% e 50%, é reciclada para o lado do permeado dos tubos da membrana de transporte de oxigênio 120 para reagir com a corrente de permeado de oxigênio para gerar a corrente do produto da reação aquecido e calor radiante. A temperatura do gás de síntese reciclado quente está preferivelmente acima de 815,5°C (1500°F) a fim de evitar problemas associados com corrosão de pó de metal.
[0023] A corrente de gás de síntese quente 162 é acionada ou puxada para o lado do permeado dos tubos ou elementos da membrana de transporte de oxigênio 120 por meio de um ejetor, extrator ou dispositivo com base em Venturi 199 acoplado operativamente com o lado do permeado dos elementos da membrana de transporte de oxigênio 120. Pela sucção das correntes no lado do permeado dos elementos da membrana de transporte de oxigênio 120 dentro do ejetor, extrator ou dispositivo com base em Venturi 199 com um fluido móvel compreendendo a corrente de alimentação do reformador pré- reformada 195, a corrente do produto da reação 198 é misturada com a corrente de alimentação do reformador pré-reformada 195 para produzir a corrente de alimentação combinada 200, preferivelmente tendo uma razão de vapor para carbono entre cerca de 1,6 e 3,0 e uma temperatura entre cerca de 537,7°C e 760°C (1.000°F e 1400°F). Essencialmente, o dispositivo 199 move a corrente de reciclo de gás de síntese quente de pressão inferior 162 para a corrente de alimentação combinada de pressão superior 200.
[0024] A reação da corrente contendo hidrogênio ou corrente de gás de síntese reciclado 163 no lado do permeado do elemento membrana de transporte de oxigênio 120 produz calor. A radiação deste calor junto com a transferência de calor convectiva provida pela corrente de retentato aquecido 124 aquece os tubos do reator catalítico 140 para fornecer o aquecimento endotérmico exigido da reforma a vapor de metano ocorrendo nos tubos do reator catalítico 140. À medida que a corrente de retentato aquecido 124 sai do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 101, ela também aquece uma corrente de alimentação do reformador 138 para uma temperatura entre cerca de 900oF e 1200oF pela transferência indireta de calor usando uma ou mais bobinas 191 dispostas no duto do retentato de modo que a corrente de retentato esgotada de oxigênio 124 aquece as correntes de alimentação passando através das bobinas 191. Observe também que qualquer vapor superaquecido não adicionado ou usado na alimentação de gás natural 182 pode ser vapor exportado 181 que pode ser usado para a geração de energia.
[0025] A corrente de alimentação contendo hidrocarbonetos 182 a ser reformada é preferivelmente gás natural. Dependendo da pressão fornecida, o gás natural é comprimido ou deixado na pressão desejada pelo arranjo de um compressor ou válvula (não mostrado) e então preaquecido no trocador de calor 150 que serve como um preaquecedor de combustível. Assim, já que o gás natural contém tipicamente um nível alto inaceitável de espécies de enxofre, a corrente de gás natural 182 passa por um processo de remoção de enxofre tal como hidrotratamento, pelo dispositivo 190, para reduzir as espécies de enxofre em H2S, que é subsequentemente removido em um leito com guarda usando material do tipo ZnO e/ou CuO. A etapa de hidrotratamento também satura quaisquer alcenos presentes na corrente de alimentação contendo hidrocarbonetos. Além disso, já que o gás natural contém geralmente hidrocarbonetos que irão romper a temperaturas elevadas para formar depósitos de carbono indesejados que impactam adversamente o processo de reforma, a corrente de gás natural 182 é preferivelmente pré- reformada em um pré-reformador adiabático 192, que converte hidrocarbonetos superiores em metano, hidrogênio, monóxido de carbono, e dióxido de carbono. Pré-reformadores são tipicamente sistemas com base em catalisador. Embora não mostrado, esta corrente de alimentação do reformador pré-reformada 195 pode ser aquecida ainda pela troca indireta de calor com a corrente de retentato aquecido 124. Também contemplado, mas não mostrado, é uma modalidade onde o pré-reformador pode compreender um pré-reformador aquecido que é termicamente acoplado com a corrente de retentato aquecido 124.
[0026] No sistema ilustrado, a corrente do produto da reação aquecida descrita acima 198 é combinada com a corrente de alimentação do reformador pré-reformada aquecida 195 para produzir uma corrente de alimentação combinada 200 que contém vapor e hidrocarbonetos. Esta corrente de alimentação combinada é introduzida dentro dos tubos do reator catalítico 140 onde a corrente de alimentação combinada 200 é submetida à reforma a vapor de metano para produzir uma corrente de gás de síntese 142. A temperatura da corrente de alimentação combinada 200 é entre cerca de 537,7°C e 760°C (1.000°F e 1400°F), e mais preferivelmente entre cerca de 593,3°C e 760°C (1100°F e 1400°F). Vapor 180 também pode ser adicionado na corrente de alimentação combinada 200, a corrente de gás natural 182, ou a corrente de alimentação do reformador pré-reformada, pré-aquecida 195, como exigido, para ajustar a temperatura da corrente 200, assim como, a razão de vapor para carbono da corrente 200 para entre cerca de 1,6 e 3,0, e mais preferivelmente para razão de vapor para carbono entre cerca de 2,0 e 2,8. O vapor é preferivelmente vapor superaquecido 180 entre cerca de 2068,4 kPa e 8273,7 kPa (300 psia e 1200 psia) e entre cerca de 315,5°C e 593,3°C (600°F e 1100°F) e aquecido por meio de troca de calor indireto com a corrente de retentato aquecido 124 usando bobinas de vapor 179 dispostas no duto do retentato. O vapor superaquecido 180 é preferivelmente adicionado na corrente de alimentação contendo hidrocarbonetos 182 a montante do pré- reformador 192 para ajustar a razão de vapor para carbono e temperatura final da corrente de alimentação combinada 200. Assim, para reduzir o deslizamento de metano e otimizar o desempenho econômico do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio, o reator de membrana de transporte de oxigênio 101 deve ser mantido preferivelmente a uma pressão de saída de menos do que ou igual a cerca de 3447,4 kPa (500 psia).
[0027] A corrente de gás de síntese 142 produzida pelo reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 101 contém geralmente hidrogênio, monóxido de carbono, vapor e dióxido de carbono, outros constituintes tais como um possível deslizamento de metano. A seção de troca de calor 104 é projetada para resfriar a corrente de gás de síntese 142 produzida. A seção de troca de calor 104 também é projetada de modo que no resfriamento da corrente de gás de síntese 142, várias correntes de alimentação são pré-aquecidas e vapor do processo também é gerado.
[0028] O resfriamento inicial da corrente de gás de síntese 142 é realizado com geração de vapor em uma caldeira do gás do processo (caldeira PG) 149 acoplada a um tambor de vapor 157 e projetada para reduzir a temperatura do gás de síntese resfriado 144 para cerca de 404,4°C (760°F) ou menos. Como ilustrado na Fig. 1, a corrente de gás de síntese inicialmente resfriada 144 é resfriada ainda sucessivamente em uma rede de trocadores de calor que incluem preaquecedor da alimentação de hidrocarbonetos 150, economizador 156, aquecedores da água de alimentação 158, resfriador do gás de síntese 161 e trocador de calor de água resfriada 164. A corrente de gás de síntese inicialmente resfriada 144 é direcionada para o preaquecedor de combustível 150 para aquecer a corrente de gás natural 182 e então é direcionada para o economizador 156 para aquecer a água de alimentação da caldeira 188. A corrente da água de alimentação da caldeira 188 é bombeada preferivelmente usando uma bomba de água de alimentação (não mostrada), aquecida no economizador 156 e enviada para o tambor de vapor 157.
[0029] A corrente de gás de síntese resfriada 146 é resfriada ainda em uma série de etapas incluindo um aquecedor da água de alimentação 158, usado para aquecer a corrente da água de alimentação 159, seguido por um resfriador de gás de síntese 161 e um trocador de calor de água resfriada subsequente 164 resfriado pela corrente de água de resfriamento separada 166. A água da alimentação aquecida 159 é direcionada para um desaerador (não mostrado) que provê água de alimentação da caldeira 188. A corrente de gás de síntese resfriada total resultante 148 é introduzida então dentro de um tambor tipo “knock-out” 168 a partir do qual uma corrente de condensado 170 é drenada para produzir uma corrente de gás de síntese completamente resfriada 172. A corrente de gás de síntese completamente resfriada 172 pode ser comprimida em um compressor de gás de síntese 174 para produzir um produto gás de síntese 176.
[0030] O gás de síntese produzido deve ter um módulo de entre cerca de 1,5 e 2,2. Além disso, tal corrente de gás de síntese produzido tem idealmente um deslizamento de metano de menos do que cerca de 4,5 por cento em volume quando a pressão de saída do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio é 3447,4 kPa (500 psia) ou menos, e mais preferivelmente, um deslizamento de menos do que cerca de 2,5 por cento em volume onde a pressão de saída do reator de reforma é 1378,9 kPa (200 psia) ou menos.
[0031] Com referência as Figs. 2 e 3B, uma modalidade alternativa do sistema de reforma com base na membrana de transporte de oxigênio é mostrado como um sistema de reforma combinado da membrana de transporte de oxigênio 401 que compreende preferivelmente dois reatores, isto é, um reator de reforma e reator de membrana de transporte de oxigênio. O reator de reforma consiste de uma pluralidade de tubos de reforma contendo catalisador 440 nos quais a reforma primária da alimentação de gás natural ocorre e o reator de membrana de transporte de oxigênio consiste de uma pluralidade de tubos da membrana de transporte de oxigênio contendo catalisador 420 onde a reforma secundária ocorre. A Fig. 3 descreve um do arranjo geral dos dois reatores e os fluxos associados com isso. A Fig. 4, por outro lado, mostra uma ilustração esquemática do sistema de reforma combinado com base na membrana de transporte de oxigênio 401. Embora apenas seis tubos de reforma secundária da membrana de transporte de oxigênio 420 sejam ilustrados na Fig. 2 em proximidade íntima com três tubos de reforma primária 440, como ocorreria com os versados na arte, poderiam existir muitos de tais tubos de reforma secundária da membrana de transporte de oxigênio e muitos tubos de reforma primária em cada subsistema da membrana de transporte de oxigênio. Igualmente, poderiam existir múltiplos subsistemas da membrana de transporte de oxigênio usados em aplicações industriais do sistema de reforma combinado da membrana de transporte de oxigênio 401.
[0032] Como descrito na Fig. 2, uma corrente contendo oxigênio aquecido 415 é direcionada por um duto de entrada 416 para uma pluralidade de tubos de reforma secundária da membrana de transporte de oxigênio 420 incorporados dentro do sistema da membrana de transporte de oxigênio 401. Os tubos de reforma secundária da membrana de transporte de oxigênio 420 são configurados preferivelmente como tubos de cerâmica de múltiplas camadas capazes de conduzir íons de oxigênio a uma temperatura operacional elevada, em que o lado do oxidante ou lado do retentato dos tubos de reforma secundária da membrana de transporte de oxigênio 420 é a superfície exterior dos tubos de cerâmica expostos a corrente contendo oxigênio aquecido 415 e o lado do reagente ou o lado do permeado é a superfície interior dos tubos de cerâmica. Dentro da cada dos tubos de reforma secundária da membrana de transporte de oxigênio 420 estão um ou mais catalisadores que facilitam a oxidação parcial e reforma do gás natural.
[0033] Uma corrente de alimentação contendo hidrocarbonetos 492, preferivelmente gás natural, a ser formada é tipicamente misturada com uma pequena quantidade de hidrogênio ou gás rico em hidrogênio 493 e preaquecido para em torno de 370°C no trocador de calor 450 que serve como um preaquecedor da alimentação. Já que o gás natural contém tipicamente um nível alto inaceitável de espécies de enxofre, uma pequena quantidade de hidrogênio é adicionada tipicamente para facilitar a dessulfurização. A corrente de alimentação aquecida 482 passa por um processo de remoção de enxofre pelo dispositivo 490 tal como um hidrotratamento para reduzir as espécies de enxofre em H2S, que são subsequentemente removidas em um leito com guarda usando material do tipo ZnO e/ou CuO. A etapa de hidrotratamento também satura quaisquer alcenos presentes na corrente de alimentação contendo hidrocarbonetos. Embora não mostrado, a corrente de alimentação aquecida 482 pode passar também por uma etapa de reforma em, por exemplo, um pré-reformador adiabático que converte hidrocarbonetos superiores em metano, hidrogênio, monóxido de carbono, e dióxido de carbono ou uma etapa de pré-reforma aquecida. No caso de pré-reforma aquecida, é contemplado que o pré-reformador com base em catalisador é termicamente acoplado com o sistema de reforma da membrana de transporte de oxigênio.
[0034] O vapor superaquecido 480 é adicionado a corrente de alimentação de gás natural e hidrogênio pré-aquecida, como exigido, para produzir uma corrente de alimentação mista 438 com uma razão de vapor para carbono preferivelmente entre cerca de 1,0 e 2,5, e mais preferivelmente entre cerca de 1,2 e 2,2. O vapor superaquecido 480 está preferivelmente entre cerca de 1,5 MPa e 1,8 MPa (15 bar e 80 bar) e entre cerca de 300°C e 600°C e do por meio de troca de calor indireto com a corrente de retentato aquecido 424 usando bobinas de vapor 479 dispostas no duto do retentato 425. Qualquer vapor superaquecido 480 não adicionado ou usado na alimentação de gás natural e hidrogênio 482 é vapor exportado 481 usado para geração de energia. A corrente de alimentação mista 438 é aquecida, por meio de troca de calor indireto com a corrente de retentato aquecido usando bobinas 489 dispostas no duto do retentato 425, para preferivelmente entre cerca de 450°C e 650°C, e mais preferivelmente entre cerca de 500°C e 600°C.
[0035] A corrente de alimentação mista aquecida 438 é enviada então para os tubos de reforma 440, que contêm um catalisador de reforma. A temperatura do gás de síntese rico em hidrogênio parcialmente reformado 498 deixando os tubos de reforma 440 é projetada tipicamente para estar entre 650°C e 850°C. Este gás de síntese é então alimentado para os tubos da membrana de transporte de oxigênio 420 cheios com ou contendo um catalisador de reforma. Oxigênio da entrada aquecida permeia ar através dos tubos da membrana de transporte de oxigênio 420 e facilita a reação de uma porção do gás de síntese parcialmente reformado 498. Uma porção da energia ou calor gerado por esta reação é usada para reforma secundária in situ do metano residual no gás de síntese parcialmente reformado 498. O resto da energia ou calor é transferido por radiação para os tubos de reforma 440 para direcionar as reações de reforma primária e por convecção para a corrente esgotada de oxigênio 424. O gás de síntese 442 deixando os tubos da membrana de transporte de oxigênio 420, que funciona essencialmente como um reformador secundário, está a uma temperatura entre cerca de 900°C e 1050°C.
[0036] As exigências de aquecimento endotérmico do processo de reforma ocorrendo nos tubos de reforma primária 440 são fornecidas através de radiação de um pouco do calor dos tubos de reforma secundária da membrana de transporte de oxigênio 420 junto com a transferência de calor convectiva provida pela corrente de retentato aquecido 424. Além disso, à medida que a corrente de retentato esgotada de oxigênio aquecida 424 sai do sistema de reforma com base na membrana de transporte de oxigênio 401, ela também aquece a corrente de alimentação mista 438 para uma temperatura entre cerca de 450°C e 650°C por transferência de calor indireto usando uma ou mais bobinas 489 dispostas no duto da corrente de retentato 425.
[0037] O resto da modalidade alternativa do subsistema da membrana de transporte de oxigênio na Fig. 3 é em muitos aspectos similar a modalidade mostrada na Fig. 1. Por exemplo, uma corrente contendo oxigênio 410 é introduzida no sistema por meio de um ventilador de arrasto forçado (FD) 414 dentro de um trocador de calor 413 com o propósito de preaquecer a corrente de alimentação contendo oxigênio 410 para uma temperatura na faixa de cerca de 500°C a 1050°C.
[0038] O ar esgotado de oxigênio deixa os tubos de reforma da membrana de transporte de oxigênio como uma corrente de retentato aquecido 424 a uma temperatura levemente superior à da corrente de alimentação de ar aquecido 415. Qualquer aumento na temperatura, tipicamente <50°C, é atribuível a porção de energia gerada pela reação de oxidação de hidrogênio e monóxido de carbono nos tubos da membrana de transporte de oxigênio e transferida por convecção para a corrente de ar, deslocada pela introdução de ar de alimentação suplementar, como descrito em maiores detalhes abaixo. A corrente esgotada de oxigênio, aquecida 424 é usada primeiro para aquecer a corrente de alimentação mista para uma temperatura entre cerca de 450°C e 650°C, e mais preferivelmente para uma temperatura entre 500°C e 600°C, e pode ser usada ainda para aquecer ainda vapor em vapor superaquecido.
[0039] A temperatura desta corrente de retentato esgotada de oxigênio 424 preferivelmente precisa ser então aumentada novamente para uma temperatura entre cerca de 1050°C e 1200°C antes de ser direcionado para o trocador de calor de cerâmica ou regenerador 413. Este aumento na temperatura da corrente de retentato 424 é realizado preferivelmente pelo uso de um queimador no duto 426, que facilita a combustão de uma corrente de combustível suplementar 428 usando um pouco do oxigênio residual na corrente de retentato 424. É concebível que o aquecedor da alimentação mista e superaquecedor de vapor possam estar localizados alternativamente em um aquecedor de queima separado (não mostrado). Naquele caso, as exigências de combustível do queimador do duto 426 serão substancialmente menores. A corrente de retentato frio resultante saindo do trocador de calor de cerâmica, contendo tipicamente menos do que 5% de oxigênio deixa o sistema de reforma com base na membrana de transporte de oxigênio 401, sistema como gás da exaustão 432 a uma temperatura e em torno de 150°C.
[0040] Voltando novamente a Fig. 3, a corrente de gás de síntese 442 produzida pelo sistema de reforma com base na membrana de transporte de oxigênio 401 contém geralmente hidrogênio, monóxido de carbono, metano não convertido, vapor, dióxido de carbono e outros constituintes. Uma porção significante do calor sensível da corrente de gás de síntese 442 pode ser recuperada usando uma seção de troca de calor ou trem de recuperação 404. A seção de troca de calor 404 é projetada para resfriar a corrente de gás de síntese produzida 442 saindo do sistema de reforma com base na membrana de transporte de oxigênio 401. Enquanto resfriando a corrente de gás de síntese 442, vapor do processo é gerado, a corrente de alimentação de hidrocarbonetos é pré-aquecida, e água da alimentação da caldeira é aquecida.
[0041] Para minimizar problemas de poeira de metal, o gás de síntese quente 442 é resfriado diretamente a cerca de 400°C ou menos em uma Caldeira do Gás do Processo (PG) 449. A corrente de gás de síntese resfriada inicialmente 444 é então usada para preaquecer a mistura de corrente de alimentação de gás natural e hidrogênio 482 em um preaquecedor de combustível 450 e subsequentemente para preaquecer a água de alimentação da caldeira 488 no economizador 456 e para aquecer a corrente de água de alimentação 459. Na modalidade ilustrada, a corrente de água de alimentação da caldeira 488 é bombeada preferivelmente usando uma bomba de água de alimentação (não mostrada), aquecida no economizador 456 e enviada para o tambor de vapor 457 enquanto a água da alimentação aquecida 459 é enviada para um desaerador (não mostrado) que provê água de alimentação da caldeira 488. O gás de síntese deixando o aquecedor da água de alimentação 458 está preferivelmente em torno de 150°C. Ele é resfriado para 40°C usando um resfriador com aleta-ventilador 461 e um resfriador do gás de síntese 464 alimentado pela água de resfriamento 466. O gás de síntese resfriado 448 entra então em um tambor tipo “knock-out” 468 onde água é removida das frações de fundo como corrente de condensado do processo 470 que, embora não mostrada, é reciclada para uso como água de alimentação, e o gás de síntese resfriado 472 é recuperado no topo.
[0042] A corrente de gás de síntese resfriado 472 é opcionalmente comprimida em um compressor de gás de síntese 474 para produzir um produto gás de síntese 476. Dependo da pressão operacional do sistema de reforma com base na membrana de transporte de oxigênio, a pressão do gás de síntese recuperado está preferivelmente na faixa de cerca de 1034,2 kPa e 3447,4 kPa (150 psia e 500 psia) e mais preferivelmente na faixa de 1206,6 kPa e 2757,9 kPa (175 psia e 400 psia). O módulo do gás de síntese produzido na modalidade descrita é tipicamente menor do que cerca de 2,0 e frequentemente menor do que cerca de 1,9, enquanto para algumas aplicações do gás de síntese tal como síntese de metanol, o módulo desejado do gás de síntese está preferivelmente na faixa de cerca de 2,0 a 2,2. O uso de um pré- reformador adiabático na frente do reator OTM pode aumentar o módulo em cerca de 0,05 a 0,1 relativo a configuração sem um pré-reformador. Com um pré-reformador aquecido, é possível alcançar módulos superiores, preferivelmente maiores do que 2 e definitivamente maiores do que 1,9. O valor exato do módulo depende da temperatura operacional do reator. Módulo de Reforma da Membrana de Transporte de Oxigênio
[0043] A partir da discussão precedente, pode ser rapidamente apreciado que um conjunto ou módulo da membrana de transporte de oxigênio acionada reativamente pode ser construído ou compreendido de: (i) uma pluralidade de membranas de transporte de oxigênio de cerâmica tubulares configuradas para transportar íons de oxigênio de uma corrente contendo oxigênio presentes na superfície exterior ou lado do retentato das membranas de transporte de oxigênio de cerâmica tubulares para a superfície interior ou lado do permeado das membranas de transporte de oxigênio de cerâmica tubulares; (ii) uma pluralidade de tubos de reforma contendo catalisador dispostos adjacentes ou em relação sobreposta com os tubos da membrana de transporte de oxigênio de cerâmica e configurados para produzir gás de síntese a partir da alimentação de hidrocarbonetos na presença de um catalisador de reforma e calor radiante gerado a partir das membranas de transporte de oxigênio de cerâmica tubulares; (iii) um primeiro cano de distribuição com vedações associadas para permitir um fluxo de gás de alimentação de hidrocarbonetos e vapor através dos tubos do reformador de catalisador para produzir um gás de síntese; (iv) um segundo cano de distribuição com vedações associadas para permitir o fluxo de um gás contendo hidrogênio tal como gás de síntese e vapor através das membranas de transporte de oxigênio de cerâmica tubulares; (v) um circuito de reciclo para prover uma porção do gás de síntese produzida nos tubos do reformador de catalisador para as membranas de transporte de oxigênio de cerâmica tubulares; (vi) um circuito de entrada configurado para prover vapor e fornecer a alimentação de hidrocarbonetos para o conjunto ou módulo e a pluralidade de tubos do reformador de catalisador contidos ali; (vii) um circuito de saída com cano de distribuição de saída configurado para retirar o gás de síntese produzido na pluralidade de tubos do reformador de catalisador do conjunto ou módulo; e (viii) um sistema de estágio de ar configurado para fornecer o volume exigido de ar de entrada aquecido e ar de refrigeração suplementar para o reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio ou fornalha, assim como, prover o controle da temperatura do ar no reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio para manter temperaturas de superfície geralmente consistentes dos tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos de reforma.
[0044] Quando múltiplos conjuntos ou módulos da membrana de transporte de oxigênio são arranjados dentro de um duto isolado com um gás contendo oxigênio tal como ar aquecido fluindo em uma configuração de fluxo transversal, gás de síntese será produzido provido que o requisito de vapor, combustível, e gás contendo hidrogênio sejam alimentados para o lado do processo. Acoplamento térmico ou transferência de calor suficiente entre os tubos da membrana de transporte de oxigênio de cerâmica liberando calor e os tubos do reformador de catalisador absorvendo calor deve ser realizado dentro do projeto dos conjuntos ou módulos e o arranjo de múltiplos módulos em um arranjo. Entre cerca de 75% e 85% de transferência de calor entre os tubos da membrana de transporte de oxigênio de cerâmica e os tubos do reformador de catalisador adjacentes é através do modo radiação de transferência de calor por meio do qual a área de superfície, fator vista de superfície, emissividade de superfície, e diferença de temperatura não linear entre os tubos, isto é, Totm4-Treformador4, são elementos críticos para o acoplamento térmico. A emissividade da superfície e temperaturas são ditadas geralmente pelo material do tubo e exigências da reação. A área de superfície e fator vista de radiação são geralmente ditados pelo arranjo ou configuração do tubo dentro de cada módulo e de todo o reator. Embora existam numerosos arranjos ou configurações que podem satisfazer o acoplamento térmico entre os tubos da membrana de transporte de oxigênio e os tubos do reformador, um desafio chave é alcançar uma taxa de produção relativamente alta por unidade de volume que, por sua vez, depende da quantidade da área da membrana de transporte de oxigênio ativa contida dentro da unidade de volume. Um desafio adicional para alcançar o desempenho de acoplamento térmico ideal é acertar e otimizar o tamanho dos tubos de cerâmica da membrana de transporte de oxigênio e dos tubos do reformador de catalisador, e mais particular a razão de área de superfície efetiva, Areformador/Aotm, dos respectivos tubos. É claro, tal otimização de desempenho deve ser equilibrada em relação às exigências de fabricação, custos, assim como, a confiabilidade, capacidade de manutenção, disponibilidade operacional dos módulos e reator.
[0045] Foi verificado que vantagens significantes nas áreas destes problemas podem ser alcançadas aumentando a capacidade da unidade de repetição da membrana de transporte de oxigênio, redução no diâmetro do tubo do reator catalítico, e o projeto do módulo e arranjo do tubo. Com uma redução no diâmetro externo do tubo do reator catalítico de 2,0 a 3,0 polegadas encontrada nos vários sistemas da técnica antecedente para uma faixa de diâmetro externo de 0,6 a 1,0 polegadas junto com uma mudança correspondente no arranjo do tubo, a quantidade de membrana de transporte de oxigênio ativa contida dentro de uma unidade de volume de alojamento do reator pode ser dramaticamente aumentada.
[0046] Um arranjo preferido dos tubos da membrana de transporte de oxigênio 201 é um primeiro arranjo de painel compreendendo uma pluralidade de tubos da membrana de transporte de oxigênio em fileiras retas 204 como geralmente mostrado nas Figs. 4, 5 e 7 adjacentes a um segundo arranjo de painel compreendendo uma pluralidade de fileiras retas de tubos do reformador de catalisador 208 como mostrado nas Figs. 6 e 8. Este arranjo de múltiplos painéis de tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos do reformador de catalisador ilustrado na Fig. 9 melhora a razão da área de superfície, fator vista e eficiência de transferência de calor radiativo entre os diferentes tubos. Devido ao fator vista melhorado entre tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos de reforma, a contagem de tubos na rede e área total dos tubos de reforma pode ser reduzida em um fator de 30% a 40% comparado aos processos da técnica antecedente. Além disso, com uma redução no diâmetro do tubo de reforma, a espessura de parede exigida para resistir à ruptura por fluência nas temperaturas e pressões operacionais pode ser reduzida que, acoplada com reduções de contagem do tubo resulta em redução significante dos custos.
[0047] Como mostrado em maiores detalhes na Fig. 4, um arranjo de acoplamento preferido para qualquer forma final dos elementos da membrana tubular de cerâmica é referido como um arranjo tipo ‘hair-pin’ 204 criado pela união de dois elementos da membrana tubular 201 juntos em pares com um 180 grau de adaptação no cotovelo 220 em uma extremidade. Este arranjo tipo ‘hair-pin’ representa uma unidade de repetição do elemento membrana de transporte de oxigênio de cerâmica. Um arranjo preferido alternativo é outro arranjo de múltiplos passes ou serpentina mostrado na Fig. 5 e referido como o arranjo ‘M-pin’. O arranjo ‘M-pin’ ilustrado compreende pelo menos quatro (4) tubos da membrana de transporte de oxigênio ou segmentos de pernas de múltiplos tubos conectados em série, incluindo cerâmicos apropriados para adaptadores de cerâmica 224, e dois (2) adaptadores de cerâmica-metal 228 configurados para conectar de modo vedável as extremidades do arranjo ‘M- pin’ para formar o painel da membrana de transporte de oxigênio usando vedações de metal em cerâmica avançadas. O arranjo ‘M-pin’ inclui ainda preferivelmente uma pluralidade de conectores de cerâmica na forma de U configurados para acoplar fluidicamente tubos adjacentes ou segmentos da perna, embora um único conjunto de conector integrado possa ser usado. Os segmentos a perna podem ter comprimentos iguais ou comprimentos diferentes. A modalidade ilustrada mostra o uso de três (3) conectores de cerâmica dobrados em U 220 para acoplar os tubos adjacentes para produzir o arranjo serpentina. O arranjo ‘M-pin’ de múltiplos passes é preferido do ponto de vista de capacidade de fabricação e durabilidade.
[0048] O emprego de ‘hair-pin’, dois passes, ‘M-pin’ ou outro arranjo de múltiplos passes também permite criar unidades de repetição com capacidade superior unindo múltiplos tubos juntos usando conectores de cerâmica 224 para criar um comprimento adicional efetivo dos elementos da membrana de transporte de oxigênio de cerâmica ativos como mostrado na Fig. 7. Como discutido em maiores detalhes abaixo, a extremidade oposta a uma das extremidades do ‘hair-pin’ da unidade de repetição é configurada para conectar os canos de distribuição de alimentação e exaustão pelos tubos de metal pequenos 232. A colocação de todas as conexões externas do elemento da membrana em uma única extremidade do módulo permite expansão térmica do módulo sem colocar tensão adicional nos pontos de conexão. Já que o fluxo de oxigênio ao longo do comprimento de reação do elemento da membrana tubular não é constante devido à oxidação progressiva dos gases combustíveis ocorrendo ao longo do comprimento do elemento da membrana tubular, este arranjo de dois passes na unidade de repetição ajuda a equilibrar as temperaturas à medida que mais seções reativas de uma unidade de repetição localizada próxima à alimentação está adjacente a seções menos reativas da mesma unidade de repetição localizada perto da saída. Na extremidade do ‘hair-pin’, as seções adjacentes são ambas moderadamente reativas. A unidade de repetição de múltiplos passes é construída acoplando as extremidades do tubo através de um elemento do adaptador de cerâmica 224 ou adaptação do cotovelo denso de cerâmica a 180 graus 220 com vedações de cerâmica-vidro que são cristalizadas durante o processo de queima do elemento da membrana. O cotovelo de 180 graus 220 é uma parte de cerâmica densa produzida geralmente através de moldagem por injeção de cerâmica e processos de ligação.
[0049] Para montar um conjunto do painel da membrana de transporte de oxigênio, os canos de distribuição são colocados primeiro dentro de um suporte da estrutura em um único lado e a pluralidade de unidades de repetição da membrana de transporte de oxigênio, já como subconjuntos vedados, é colocada dentro de engates ou partes essenciais no suporte da estrutura com as extremidades do tubo de metal inseridas dentro de aberturas ou encaixes do cano de distribuição correspondente. A pluralidade de tubos OTM 204 é então soldada nos canos de distribuição de entrada 268 e saída 264 e os canos de distribuição de saída são soldados nos membros da estrutura no topo e fundo do painel. Para minimizar a tensão devido à expansão térmica, o cano de distribuição de saída é soldado na estrutura em apenas uma posição.
[0050] Um segundo painel similarmente construído pode ser formado a partir das unidades de repetição do reformador catalítico 208 (Ver Figs. 6 e 8). Neste caso, o tubo de reforma 208 é construído usando tubulação ou tubo de metal feito preferivelmente de material forjado apropriado do tipo Incoloy 800HT. Estes tubos podem ser ovais, substancialmente cilíndricos, ou cilíndricos na estrutura. Um comprimento contínuo de 0,75 polegadas de tubulação ou 0,5 NPS de tubos pode ser dobrado para formar duas pernas paralelas e uma volta de 180 em uma extremidade. Este arranjo de duas pernas paralelas provê uma reforma de múltiplos passes da alimentação que intensifica o processo de reforma enquanto mantendo excelente acoplamento térmico com os tubos da membrana de transporte de oxigênio de geração de calor radiante adjacentes. Como visto nos desenhos, os tubos de reforma catalítica são configurados como um tubo tipo serpentina, ou mais preferivelmente um tubo na forma de U, contendo catalisadores de reforma a vapor de metano e os reatores são dispostos em um arranjo de fluxo transversal com a corrente de ar. Este projeto de fluxo em dois passes provê mais tempo de residência, aumenta a área de superfície e serve para melhorar o fator vista radiativa entre a membrana de transporte de oxigênio e reatores de reforma catalítica.
[0051] A pluralidade de tubos de reforma 208 é soldada preferivelmente no cano de distribuição de entrada 272 e cano de distribuição de saída 276. O cano de distribuição de entrada 272 e o cano de distribuição de saída 276 são soldados nos membros da estrutura no topo e fundo do painel. Para minimizar a tensão devido à expansão térmica, o cano de saída é soldado preferivelmente na estrutura em apenas uma posição. Em uma modalidade, aquela posição é no topo do painel. Tampas de extremidade 209 facilitando a transição dos tubos do reformador para fios de tubulação de metal de diâmetro menor 211 são também soldadas ou folheadas sobre o tubo de reforma para completar a unidade de repetição do reformador catalítico.
[0052] Como visto mais claramente nas Figs. 9 e 10, o módulo da membrana de transporte de oxigênio melhorado 212 inclui um primeiro painel da membrana de transporte de oxigênio 214 e um segundo painel do reformador arranjado intimamente 216. Este arranjo acoplado intimamente permite as vantagens significantes associadas com o arranjo de tubo com fila linear ou coplanar e de tubos de reforma com diâmetros reduzidos. O módulo da membrana de transporte de oxigênio ilustrado 212 tem também as vantagens adicionais de ser inerentemente modular e expansível em sua abordagem que permite aplicações em escala industrial sem perder eficiência.
[0053] O primeiro painel da membrana de transporte de oxigênio 214 e o segundo painel do reformador catalítico 216 são preferivelmente empilhados ou encaixados juntos para formar um módulo de painel duplo 212 com as fileiras de tubos da membrana de transporte de oxigênio 204 dispostas justapostas ou adjacentes as fileiras de tubos do reformador catalítico 208. Um ou mais destes módulos de painéis duplos 212 podem ser empilhados juntos para formar um arranjo de tubos da membrana de transporte de oxigênio interfoliados com um arranjo de tubos do reformador catalítico (Ver Fig. 10). Este arranjo 299 tem caracteristicamente o fator de visão alto entre os tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos do reformador catalítico e um número relativamente baixo de tubos do reformador catalítico exigido para alcançar o equilíbrio térmico. No arranjo preferido 299, existem preferivelmente entre cerca de dois e quatro, e mais preferivelmente três ou quatro tubos da membrana de transporte de oxigênio por tubo do reformador catalítico. O cano de distribuição de entrada 264 e cano de distribuição de saída 268 para o painel da membrana de transporte de oxigênio 214 e o cano de distribuição de entrada 272 e cano de distribuição de saída 276 para o painel do reformador catalítico 216 estão preferivelmente em lados opostos do módulo do painel combinado ou duplo 212 quando totalmente montados. Este arranjo facilita conexões melhoradas do cano de distribuição, assim como, uma espessura reduzida e arranjo mais firme para o módulo de painel combinado ou duplo 212. Embora não mostrado, os painéis da membrana de transporte de oxigênio 214 e painéis do reformador catalítico 216 podem ser arranjados alternativamente em um único módulo de painel com camadas alternadas no lugar de arranjo de subconjunto de painel duplo.
[0054] A combinação de um único painel da membrana de transporte de oxigênio 214 e um único painel do reformador catalítico 216 dentro de um módulo de painel duplo 212 forma uma unidade modular básica do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio. Módulos de acoplamento ou painel duplo de múltiplas integrações aumentam a capacidade de processamento e, desse modo, a capacidade de produção de gás de síntese. Para qualquer aplicação do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio, o tamanho exato do painel e número de módulos de painel duplo pode ser escolhido para se adaptar melhor as necessidades. No entanto, aplicações mais práticas do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio podem exigir um grande número de painéis. Para este fim, um nível adicional de integração e modularização são descritos na Fig. 11 e Fig. 12, onde múltiplos módulos de painel duplo 212 são empilhados dentro de um recipiente ou alojamento de aço forrado refratário 301 e acoplados juntos para formar um conjunto de blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio facilmente instalado e conectado 300. Vantajosamente, estes conjuntos de blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300 podem ser produzidos em uma loja e transportados para o local da fábrica para instalação. Além disso, estes conjuntos de blocos de múltiplos módulos 300 facilitam a manipulação, conexão e serviço simplificado para a equipe da fábrica à medida que eles são facilmente instalados ou removidos.
[0055] Como descrito nas Figs. 11 e 12, um ou mais dos módulos de painel duplo 212 podem ser empilhados juntos em um alojamento forrado refratário 301 para formar o núcleo de um conjunto de blocos 300. Entre seis e doze módulos de painel duplo 212 são empilhados preferivelmente dentro de cada conjunto de blocos 300. O alojamento 301 é preferivelmente uma estrutura de aço de carbono que provê áreas com janelas abertas 303 para permitir que ar ou outra corrente contendo oxigênio flua através dos tubos da membrana de transporte de oxigênio 204 e através dos módulos de painel duplo 212. O alojamento 301 também tem forro refratário rodeando parcialmente os módulos de painel duplo empilhado e configurado para prover isolamento térmico entre a região de temperatura alta contendo os painéis de módulos de painel duplo e uma seção ou zona dedicada 307 do conjunto de blocos configurada para conter o circuito de entrada, circuito de saída e circuito de reciclo. O alojamento do conjunto de blocos 301 também provê o suporte estrutural, painéis de acesso, pontos de elevação, etc. Os múltiplos módulos de painel duplo 212 dentro de um conjunto de blocos 300 são tipicamente multiplicados juntos dentro do conjunto compacto na seção ou zona dedicada 307 do conjunto de blocos, preferivelmente localizado acima ou no topo dos módulos de painel duplo 212. Esta seção ou zona dedicada 307 que inclui preferivelmente um circuito de entrada é configurada ou adaptada para prover alimentação mista pré-aquecida (por exemplo, gás natural e vapor) para os canos de distribuição de alimentação associados com os painéis do reformador de catalisador e painéis da membrana de transporte de oxigênio e um circuito de saída configurado ou adaptado para receber e retirar o gás de síntese produzido nos painéis do reformador contendo catalisador. A seção ou zona dedicada que também inclui um circuito de reciclo 309 é adaptada para prover uma porção do gás de síntese dos canos de distribuição de saída dos painéis do reformador catalítico para o cano de distribuição associado com os painéis da membrana de transporte de oxigênio. Trem da Fornalha da Membrana de Transporte de Oxigênio
[0056] Como visto mais claramente na Fig. 12, é previsto que cada conjunto de blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300 deslize dentro de uma caixa quente ou segmento da fornalha 304. Estes segmentos da fornalha 304 podem ser produzidos individualmente e conectados juntos em série para formar um trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio 308 (Ver Figs. 13-15). Alternativamente, uma única caixa quente longa ou fornalha configurada para aceitar múltiplos conjuntos de blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300 pode ser fabricada e transportada para a fábrica ou construída no local. Em ambas as modalidades, os blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300 são instalados geralmente em série no trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio 308. Múltiplos trens da fornalha da membrana de transporte de oxigênio 308 podem ser arranjados em paralelo para formar um reformador em grande escala 309 como mostrado na Fig. 15. No trem da fornalha 308 arranjos compreendem dois ou mais conjuntos do bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300, pode ser vantajoso prover um sistema de estágio de ar para prover ar de refrigeração suplementar ou ar de guarnição, assim como, meios de liberação de pressão na fornalha entre múltiplos conjuntos de blocos adjacentes do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300 no trem da fornalha 308.
[0057] Por exemplo, um trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio pode ser projetado para otimizar o controle da temperatura do ar. Nas modalidades ilustradas nas Figs. 9, 10, e 11, o trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio inclui um duto de entrada de ar aquecido 320, um trem de fornalha modular 308 compreendido de uma pluralidade de segmentos do duto da fornalha 304, uma pluralidade de canos de distribuição de fornecimento de ar de refrigeração 312 acoplados operativamente um com cada da pluralidade de segmentos do duto da fornalha 304, uma pluralidade de conjuntos do bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300 arranjados em série e dispostos nos segmentos do duto da fornalha 304; e um duto de saída ou exaustão de ar esgotado de oxigênio 330.
[0058] O segmento do duto da fornalha 304 compreende preferivelmente um alojamento de aço com um painel de acesso 315 e uma câmara interior configurada para receber e conter um conjunto do bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300, geralmente descrito acima. Cada segmento do duto da fornalha 304 provê também uma janela dianteira e traseira para permitir que as correntes contendo oxigênio fluam através dos conjuntos de blocos da membrana de transporte de oxigênio 300 e em um arranjo de fluxo transversal com os tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos de reforma. Cada segmento do duto da fornalha 304 inclui também um circuito de entrada de ar de refrigeração conectado operativamente com uma válvula de controle de ar de refrigeração (não mostrada), canos de distribuição de ar de refrigeração 312, tubos de distribuição de ar de refrigeração 313 e telas difusoras de ar 325.
[0059] O ar de refrigeração suplementar é introduzido preferivelmente através e um tubo ou cano com base no sistema de ar de refrigeração de modo que o ar de refrigeração é distribuído dentro de uma seção transversal de cada segmento do duto da fornalha 304 através de uma pluralidade de tubos de distribuição 313 ou cilindros perfurados dispostos próximos à janela da frente de cada segmento da fornalha 304. A colocação dos tubos de distribuição 313 em relação ao reator com base em membrana de transporte de oxigênio é tal que existe comprimento suficiente a jusante do ponto de injeção de ar de refrigeração para permitir a mistura adequada do ar de refrigeração suplementar com a corrente de ar aquecido entrando antes de contatar os tubos da membrana de transporte de oxigênio. Tal mistura é intensificada ainda através de um desprendimento de vórtice atrás dos tubos de distribuição de tamanho maior 313 ou cilindros perfurados. Tal mistura do ar de refrigeração suplementar com a corrente de ar aquecido permite o controle efetivo da temperatura dentro de cada segmento da fornalha 304.
[0060] Cada segmento do duto da fornalha inclui também uma ou mais telas difusoras de ar 325 dispostas próximas à janela de trás ou extremidade periférica do segmento da fornalha 304. Esta tela difusora de ar 325 é uma tela ou placa perfurada construída preferivelmente de material em placa refratária. Materiais refratários tais como Duraboard™ HD da Unifrax Inc. ou material de cálcio-silicato da Zircar Inc. são exemplos de material refratário. A tela difusora de ar 325 é configurada para permitir que a corrente residual esgotada de oxigênio saindo do reator com base em membrana de transporte de oxigênio saia do segmento do duto da fornalha enquanto retendo muito do calor dentro do segmento do duto da fornalha 304.
[0061] O ar de refrigeração suplementar pode ser fornecido por um soprador para um coletor principal de ar de refrigeração (não mostrado) e o fluxo de ar de refrigeração para o cano de distribuição de ar de refrigeração 312 e tubos de distribuição de ar de refrigeração 313 é preferivelmente controlado através de uma simples válvula de controle de baixa temperatura, tal como uma válvula borboleta (não mostrada). Alternativamente, onde o trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio está operando a menos do que pressão ambiente, o ar de refrigeração pode ser fornecido através de uma fonte de ar ambiente filtrado, controlada através das mesmas válvulas de controle, mas sem o coletor principal de ar de refrigeração e soprador.
[0062] O controle da temperatura no reator com base em membrana de transporte de oxigênio é alcançado através de dois aspectos distintos do sistema. Primeiro, introduzindo um fluxo de ar de refrigeração suplementar para a corrente contendo oxigênio aquecida nos locais a montante da pluralidade de reatores com base em membrana de transporte de oxigênio em um sistema de reator de múltiplos estágios e misturar o fluxo de ar de refrigeração suplementar com as correntes contendo oxigênio introduzidas em cada da pluralidade de reatores com base em membrana de transporte de oxigênio em um sistema de reator múltiplos estágios, é possível manter a alimentação contendo oxigênio para cada reator com base em membrana de transporte de oxigênio a uma temperatura uniforme. A corrente resultante é passada através das superfícies de uma pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio dentro de cada reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente em que algum do oxigênio é esgotado na corrente mista para produzir uma corrente residual a uma temperatura geralmente acima da temperatura da corrente mista.
[0063] A corrente residual é passada então através de uma tela de difusão de ar refratária disposta a jusante e próxima da extremidade periférica do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente. A tela de difusão refratária é configurada para reter o calor gerado pelo reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente enquanto permitindo concorrentemente que a corrente residual passe através dos mesmos.
[0064] Vantagens do esquema de controle da temperatura do ar descrito e arranjo de ar de refrigeração suplementar incluem um controle melhorado da temperatura da superfície para todos os módulos do reator de reforma da membrana de transporte de oxigênio e todos os tubos do reator/ reforma no trem da fornalha em virtude a injeção de ar frio em estágios entre os módulos sem a necessidade de aumentar o ar aquecido para os reatores. Além disso, o aumento do fluxo total de ar da mistura de alimentação de ar entrando aquecida reduz a recuperação de oxigênio dentro de um bloco o que permite uma pressão parcial mais constante de oxigênio do lado do retentato da membrana de transporte de oxigênio dentro de um conjunto do bloco. Uma recuperação efetiva total de 50-70% é alcançada colocando múltiplos blocos em série.
[0065] O controle da temperatura do ar dentro de todo trem da fornalha é um aspecto importante para controlar o desempenho total do reator de reforma com base em membranas de transporte de oxigênio disposto ali. De fato, o controle da temperatura do ar afeta tanto o desempenho dos tubos da membrana de transporte de oxigênio, assim como, dos tubos de reforma. Foi verificado que para cada aumento de 50°C na temperatura de ar de entrada para um dado bloco se traduz em um aumento de cerca de 100°C nas temperaturas de superfície dos tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos de reforma nos reatores naquele bloco. Temperaturas de superfície excessivas dos elementos da membrana de transporte de oxigênio levarão a falhas anteriores da membrana, vida operacional mais curta e desempenho do sistema potencialmente degradado. Similarmente, temperaturas excessivas na superfície dos tubos de reforma podem afetar adversamente o desempenho do catalisador de reforma e qualidade resultante do gás de síntese.
[0066] Para o desenvolvimento do esquema de controle de temperatura ideal é necessário entender o acoplamento térmico ocorrendo dentro do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio. É sabido que o calor gerado na superfície a membrana de transporte de oxigênio deve deixar a superfície por transferência de calor convectivo para os gases ao redor e transportados e a transferência de calor radiante para as superfícies do reformador. Este princípio conhecido pode ser expresso geralmente como: Qotm = Qrad + Q conv, ar + Qconv, combustível + Qcond; e Fr + Fconv, ar + Fconv, combustível = 1 em que Qotm é calor liberado na superfície da membrana de transporte de oxigênio; Qrad é calor na rede transferido através de radiação; Qconv, ar é calor transferido por convecção para o ar ao redor; Qconv, combustível é calor transferido por convecção para gases combustíveis transportados dentro do tubo; Qcond, é perda de calor através de condução, que é presumida como sendo insignificante; Fr é a fração de calor deixando a superfície da membrana de transporte de oxigênio devido a radiação; e Fconv,ar e Fconv,combustível são perdas de transmissão para ar e gases combustíveis, respectivamente.
[0067] Se o calor gerado na superfície da membrana de transporte de oxigênio (Qotm) é caracterizado como: Qotm= A1 N’O2 x LHVcombustível a perda de calor na rede pela membrana de transporte de oxigênio devido a radiação e devido a transmissão para o ar ao redor poderia ser expressa, respectivamente como: Qrad/A1= N’O2xLHVcombustível x Fr;e conv,ar/A1 = N’O2 x LHVcombustível x F em que A1 é a área de superfície da membrana de transporte de oxigênio; N’O2 = fluxo de oxigênio através da membrana (sccm/cm2); LHVcombustível é o valor inferior de aquecimento de gás combustível fornecido para a membrana de transporte de oxigênio; Fr é a fração de calor deixando a superfície da membrana de transporte de oxigênio devido a radiação; e Fconv,ar é a fração de calor deixando a superfície da membrana de transporte de oxigênio devido a transmissão para o ar ao redor.
[0068] Em outras palavras, para qualquer conjunto de tubos da membrana de transporte de oxigênio arranjados em uma fornalha ou duto do reator, irá existir um aumento característico da temperatura do ar através dos tubos da membrana de transporte de oxigênio devido ao acoplamento convectivo com a corrente de ar que não pode ser evitado. Para operar o reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio com alta recuperação de oxigênio para um fluxo de oxigênio fixo, as taxas de fluxo de ar são tipicamente reduzidas e para uma entrada fixa de calor para o ar, a elevação da temperatura do ar é necessariamente aumentada. Para mitigar este problema, a área total do tubo da membrana de transporte de oxigênio pode ser partida em uma pluralidade de blocos arranjados em série e uma quantidade específica de ar de refrigeração ou ar de guarnição pode ser introduzida e misturada entre as séries de blocos para reduzir a temperatura do ar transportado para os blocos a jusante.
[0069] Assim, para um dado valor da área de superfície do tubo da membrana de transporte de oxigênio e fluxo de oxigênio, existe geralmente uma quantidade fixa de oxigênio removido da corrente de ar pelos tubos da membrana de transporte de oxigênio. Esta quantidade de oxigênio esgotado ou removido é caracterizada por: NO2 = (1 mol O2/4.78 mol ar) x NarxUar em que NO2 e Nar são as taxas de fluxo molar de oxigênio e ar respectivamente, e Uar é a fração de oxigênio recuperada do ar, ou “recuperação de oxigênio”.
[0070] Para um dado fluxo de oxigênio de N’O2, o fluxo de ar exigido por unidade de área de superfície do tubo da membrana de transporte de oxigênio é caracterizado pela equação Nar/A1= 4.78 N’O2 / Uar e o aumento da temperatura do ar através dos tubos OTM pode ser determinado a partir do equilíbrio de calor do lado do ar, isto é, Qconv, ar = Nar Cp, ar (ΔTar). Expresso em uma unidade base da área de superfície do tubo OTM, o aumento da temperatura do ar através dos tubos OTM é caracterizado como: ΔTar = (Qconv,ar/A1) / (Nar/A1)Cp,ar ; ou ΔTar = (Uar x LHVcombustível x Fconv,ar) / (4.78 x Cp,ar)
[0071] Em resumo, o aumento da temperatura do ar através dos tubos da membrana de transporte de oxigênio é geralmente independente do fluxo de oxigênio e da área de superfície da membrana de transporte de oxigênio e é dependente apenas da recuperação de oxigênio, calor específico do ar, liberação de calor na membrana por unidade de oxigênio, e a fração de calor que é transferida para o ar por convecção.
[0072] Para um trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio de vários conjuntos de blocos da membrana de transporte de oxigênio arranjados em série no lado de fluxo de ar, uma quantidade específica de fluxo de ar pode ser adicionada entre os blocos adjacentes para reduzir a temperatura do ar para o próximo bloco em série. Se a temperatura aumenta a partir do bloco antecedente deve ser completamente revertida, uma estimativa do fluxo de ar de refrigeração exigido é dada por: Nrefrigeração/Nar = Cp,ar (ΔTar) / Cp, refrigeração(Tentrada-T0) onde Nrefrigeração/Nar é a fração de ar de refrigeração que precisa ser adicionada ao ar deixando o bloco a montante (Nar), e (Tentrada-T0) é a mudança de temperatura da fonte de ar de refrigeração T0, para a entrada de ar do bloco a jusante, Tentrada.
[0073] Usando as caracterizações acima, o indivíduo pode prever ou modelar o aumento da temperatura do ar para o conjunto de bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio 300 descrito acima com referência as Figs. 10-14 e usando uma fração prevista de calor transferido por convecção para a corrente de ar de 9%. A Fig. 16 mostra os resultados previstos e modelados para um trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio de cinco blocos. Especificamente, a Fig. 16 mostra variáveis selecionadas de controle de temperatura de ar como uma função da recuperação de oxigênio em um único conjunto de bloco, incluindo: (i) a entrada de ar de refrigeração por bloco como uma porcentagem do fluxo de ar total; (ii) a fração total de ar de refrigeração como uma porcentagem do fluxo de ar total; (iii) a recuperação total do oxigênio resultante através de todo trem da fornalha de cinco blocos; e (iv) o aumento da temperatura do ar por bloco para um dado trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio de cinco blocos.
[0074] Na Fig. 16, a entrada de ar de refrigeração por bloco como uma porcentagem do fluxo de ar total representa o volume de fluxo de ar de refrigeração exigido a ser introduzido entre conjuntos do bloco do reator para reverter o aumento da temperatura do ar e manter as temperaturas de superfície dos tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos do reformador geralmente consistentes através de todos os cinco blocos do reator no trem da fornalha. As curvas ilustradas na Fig. 16 sugerem que para qualquer conjunto de tubos da membrana de transporte de oxigênio operando a um nível de recuperação de oxigênio que é superior a cerca de 17,5%, o aumento da temperatura do ar através do bloco irá exceder 50°C. Para manter os tubos da membrana de transporte de oxigênio dentro de uma faixa de temperatura operacional estreita de cerca de 1.000°C-1.025°C, é necessário limitar o aumento temperatura do ar através do bloco, preferivelmente para um aumento de temperatura do ar de menos do que cerca de 50°C.
[0075] Colocado de outra forma, a projeção e operação do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio a cerca de 17,5% de recuperação de oxigênio por bloco, o aumento da temperatura do bloco em cada bloco é limitado para menos do que cerca de 50°C e, mais significantemente, a recuperação total de oxigênio é cerca de 67%. A adição do ar de refrigeração suplementar para o trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio entre os blocos aumenta a quantidade total de ar exigido pelo trem da fornalha em aproximadamente 25%. Os custos adicionais associados com os 25% de fluxo de ar adicional é insignificante comparado aos melhoramentos no reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio e confiabilidade, durabilidade, e desempenho melhorado do sistema.
Exemplos
[0076] Um fluxo em série do fluxo de ar através do trem da fornalha, tal como aqueles trens da fornalha ilustrados nas Figs. 13-15 envolveria tipicamente direcionar um volume significante de ar de alimentação (por exemplo, 141584,2 cm3 a 1132674 cm3) (5 MMscfd a 40 MMscfd) aquecido para uma temperatura entre cerca de 800°C a 1.000°C através do trem da fornalha. À medida que ar flui através de cada conjunto de bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio um pouco do oxigênio é esgotado da corrente em virtude dos elementos da membrana de transporte de oxigênio, como geralmente descrito acima. Além disso, um pouco do calor liberado na reação exotérmica da membrana de transporte de oxigênio é transferido para a corrente de ar passando causando um aumento na temperatura da corrente de ar que se move para o próximo conjunto de bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio.
[0077] Como indicado acima, o controle da temperatura do ar é crítico para o controle do reator de membrana de transporte de oxigênio. Foi verificado que cada aumento de 50°C na temperatura do ar de entrada se traduz em cerca de 100°C de aumento na temperatura da superfície dos elementos da membrana de transporte de oxigênio para cada conjunto de bloco. A temperatura do ar deve ser controlada preferivelmente para aproximadamente uma faixa de 50°C para manter a temperatura das superfícies da membrana de transporte de oxigênio dentro da faixa de temperatura operacional desejada. Temperaturas excessivas na superfície dos elementos da membrana de transporte de oxigênio levarão mais cedo a falhas na membrana, vida operacional mais curta e desempenho do sistema potencialmente degradado. O controle da temperatura do ar também é crítico para o controle do reator do reformador catalítico. Novamente, para cada 50°C de aumento na temperatura do ar um aumento de 100°C na temperatura da superfície da parede dos tubos do reformador dentro do conjunto de blocos será igualmente realizado. O controle preciso das temperaturas de superfície da parede dos tubos de reforma é exigido para manter as temperaturas do reformador e qualidade do gás de síntese nos níveis alvo ou desejados.
[0078] A Fig. 17 mostra uma elevação da temperatura da corrente de ar na entrada e saída de cada dos conjuntos de cinco blocos do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio, assim como, uma concentração de oxigênio na corrente de ar na entrada e saída e cada conjunto de bloco. Estes dados da linha de base foram obtidos modelando um fluxo em série de cerca de 181227,8 cm3 (6.4 MMscfd) do ar da alimentação aquecida a uma temperatura de entrada de cerca de 900°C através de cinco blocos do trem da fornalha. Embora este arranjo modelado proveja excelente recuperação total de oxigênio de cerca de 25456,8 cm3 (0.899 MMscfd) de oxigênio ou grosseiramente 67% do oxigênio disponível na corrente de ar, o aumento total na temperatura do ar é muito alto. A temperatura máxima do ar dentro dos cinco blocos do trem da fornalha alcançaria cerca de 1170°C representando um aumento na temperatura de entrada e saída de cerca de 270°C.
[0079] A solução convencional para este aumento excessivo da temperatura em um reator de membrana de transporte de oxigênio seria aumentar o fluxo de ar entrando. A Fig. 18 mostra o aumento da temperatura da corrente de ar na entrada e saída de cada conjunto de bloco do reator do reformador com base em membrana de transporte de oxigênio, assim como, uma concentração de oxigênio na corrente de ar na entrada e saída de cada conjunto de bloco do reator com base em membrana de transporte de oxigênio em um arranjo onde o fluxo de ar entrando é aumentado para 866495,5 cm3 (30.6 MMscfd) de ar de alimentação aquecido para uma temperatura de cerca de 900°C. Embora este aumento no fluxo de ar aquecido entrando mantenha a temperatura máxima do ar levemente superior ao desejado a cerca de 956°C ou 56°C acima da temperatura de partida da alimentação, o aumento no fluxo da alimentação de ar está acima de 400% ou 4 vezes acima do caso da linha de base. Este aumento significante no fluxo da alimentação de ar resulta em um aumento nos custos com capital associados com compressão e/ou manipulação deste fluxo de ar, assim como, um aumento nos custos operacionais associados com o aquecimento do fluxo total de ar entrando para a temperatura alvo de entrada de cerca de 900°C.
[0080] As modalidades descritas presentemente usam um arranjo de fluxo de ar em estágios através do trem da fornalha de reforma de cinco blocos com base membrana de transporte de oxigênio. A Fig. 19 mostra um aumento da temperatura da corrente de ar na entrada e saída de cada conjunto de bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio, assim como, uma concentração de oxigênio na corrente de ar na entrada e saída de cada conjunto de bloco do reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio no arranjo de fluxo de ar em estágios. Neste arranjo, o fluxo do fluxo de ar de entrada aquecido passando em série através de todos os cinco conjuntos de blocos é cerca de 186891,2 cm3 (6.6 MMscfd) a uma temperatura de entrada de cerca de 900°C. Além disso, grosseiramente 45306,9 cm3 (1.6 MMscfd) de ar frio em boas condições é suplementado dentro da corrente de ar de alimentação entre conjuntos adjacentes de bloco.
[0081] Pela injeção de ar resfriamento suplementar ou em boas condições dentro da corrente de alimentação de ar aquecido, a temperatura máxima do ar no trem da fornalha de múltiplos blocos é mantida a cerca de 949°C ou dentro da faixa alvo de 50°C acima da temperatura de partida da alimentação de. O aumento no fluxo total da alimentação de ar é apenas 28% acima do caso da linha de base e não existe necessidade para aquecer ar suplementar para a temperatura de entrada alta. Como um resultado, os custos adicionais com capital e operacionais para manipular a alimentação de ar suplementar são mínimos. Vantajosamente, a recuperação de oxigênio realizada usando este arranjo de fluxo de ar em estágios é 52% do oxigênio disponível levemente abaixo do caso da linha de base. Trem da Fornalha com Base na Membrana de Transporte de Oxigênio Acionada Reativamente
[0082] Como visto nas Figs. 12-14, o fluxo de ar preaquecido principal é introduzido no trem da fornalha da membrana de transporte de oxigênio 308 através do duto de trabalho forrado refratário 320 através de um arranjo de bloco duplo e válvula de sangria 311 de modo que fluxo de ar aquecido pode ser parado quando o trem da fornalha 308 deve ser isolado de outros trens da fornalha operando paralelos (ver 308A, 308B, 308C) e resfriado para serviço. O arranjo de bloco duplo e válvula de sangria 311 permite que cada trem da fornalha 308 seja seguramente isolado de trens da fornalha paralelos para desligamento efetivo da produção de gás de síntese nas fábricas onde múltiplos trens de fornalha (ver, por exemplo, 308A, 308B, 308C) são empregados. Similarmente, o isolamento e resfriamento dos trens da fornalha 308 que exigem manutenção ou serviço dos trens da fornalha paralelos que continuariam a produzir gás de síntese provê disponibilidade operacional melhorada da fábrica. Durantes tais modos operacionais de desligamento e resfriamento, a válvula de paralisação de entrada de ar é fechada e os canos de distribuição de ar de refrigeração suplementar 312 são completamente abertos para lavar o trem da fornalha isolado e módulos ou blocos do reator associados dispostos ali com ar resfriado. A saída da válvula de paralisação 317 também é fechada para evitar que o ar lavado resfriado recircule novamente para o regenerador de cerâmica enquanto as outras válvulas de saída 319 incluindo a válvula de sangria são abertas, assim o ar lavado é purgado do sistema. Caldeira ou Aquecedor de Gás do Processo com Base em Membrana de Transporte de Oxigênio Acionada(o) Reativamente
[0083] Em outro aspecto, a presente invenção pode ser caracterizada como um sistema e método para controle da temperatura do ar em um reator gerador de vapor com base em membrana de transporte de oxigênio ou reator de aquecimento de gás do processo para produzir vapor ou outro fluido do processo aquecido. O sistema e reator melhorado provê manejo do resfriamento de ar e temperatura do reator de uma maneira a do reator de reforma com base em membranas de transporte de oxigênio descrito acima.
[0084] As Figs. 3C, 3D mostram uma ilustração esquemática de alto nível de uma caldeira ou aquecedor de gás do processo com base na membrana de transporte de oxigênio. Mais especificamente, as Figs. 20 e 21 mostram um projeto conceitual para uma caldeira ou aquecedor de gás do processo 500 com base na membrana de transporte de oxigênio com taxa de queima de 50kW em que um arranjo do painel do tipo arranjo de tubos das membranas de transporte de oxigênio 510 e vapor ou tubos de gás do processo 520 similar ao descrito acima com relação ao reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio são usados. A caldeira da membrana de transporte de oxigênio ou aquecedor de gás do processo 500 é preferivelmente arranjado em um modo modular integrando uma pluralidade de painéis da membrana de transporte de oxigênio 512 e gerador de vapor adjacente ou painéis de gás 522. Os painéis ilustrados das membranas de transporte de oxigênio 512 e painéis de vapor/gás do processo 522 são dispostos geralmente em uma orientação paralela (embora arranjos não paralelos possam ser empregados). Os painéis podem ter o tamanho ou quantidade aumentada para acomodar sistemas e capacidades maiores. Uma pluralidade de painéis ou arranjos integrados 505 é alojada preferivelmente em um duto isolado com ar quente 502 com um tambor ou cano de distribuição de água de alimentação comum 504 arranjados em uma zona do resfriador fora do duto de ar quente e um tambor ou cano de distribuição de vapor 506 arranjado também em uma zona separada. As conexões do gás do processo são arranjadas preferivelmente no topo ou em um lado da caldeira ou aquecedor 500, tornando o outro lado acessível para manutenção.
[0085] O arranjo do bloco integrado dos tubos da membrana de transporte de oxigênio e tubos de vapor/gás do processo provê transferência de calor eficiente, primeiramente através de radiação do calor dos tubos da membrana de transporte de oxigênio para os tubos de vapor/gás do processo. Este arranjo provê também um reator com caldeira com base membrana de transporte de oxigênio ou outro reator de aquecimento de gás para ter vantagens similares como o reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio descrito acima com relação à densidade de compactação, modularização, fabricação com baixo custo, módulos fabricados na loja, e escalabilidade.
[0086] Embora a invenção descrita aqui tenha sido descrita por meio de modalidades específicas e processos associados com a mesma, numerosas modificações e variações podem ser feitas na mesma pelos versados na técnica sem se desviar do escopo da invenção como especificado nas reivindicações ou sacrificar todas as suas vantagens materiais.

Claims (19)

1. Método para controle de temperatura em um reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: introduzir um fluxo de uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido tendo uma temperatura de 800°C a 1.000°C; passar a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido através das superfícies de uma pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um primeiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, em que um pouco de oxigênio é esgotado da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para produzir uma primeira corrente residual a uma temperatura na ou acima da temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; introduzir um fluxo de ar de refrigeração suplementar para a primeira corrente residual dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio de múltiplos estágios; misturar o fluxo de ar de refrigeração suplementar com a primeira corrente residual dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio de múltiplos estágios para produzir uma corrente mista tendo uma temperatura de corrente mista; passar a corrente mista através das superfícies de uma segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em um segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, em que um pouco de oxigênio é esgotado da corrente mista para produzir uma segunda corrente residual a uma temperatura acima da temperatura da corrente mista; e exaurir uma corrente contendo um pouco ou toda da segunda corrente residual do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios; em que a temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido e a temperatura da corrente mista diferem entre si em até 25°C.
2. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da primeira corrente residual e a temperatura da segunda corrente residual diferem entre si em até 25°C.
3. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da corrente exaurida não é maior do que 50°C acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido.
4. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da primeira corrente residual não é maior do que 50°C acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido.
5. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da segunda corrente residual não é maior do que 50°C acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido.
6. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da segunda corrente residual não é maior do que 50°C acima da temperatura da corrente mista.
7. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo de ar de refrigeração suplementar é um segundo fluxo de ar de refrigeração suplementar e a corrente mista é uma segunda corrente mista tendo uma segunda temperatura na corrente mista e em que o método compreende adicionalmente as etapas para introduzir um primeiro fluxo de ar de refrigeração suplementar para a corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido para produzir uma primeira corrente mista tendo uma temperatura da primeira corrente mista, em que a temperatura da primeira corrente mista e a temperatura da segunda corrente mista diferem entre si em até 25°C.
8. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura da primeira corrente residual não é maior do que 50°C acima da temperatura da primeira corrente mista.
9. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura da segunda corrente residual não é maior do que 50°C acima da temperatura da primeira corrente mista.
10. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um terceiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, um terceiro fluxo de ar de refrigeração suplementar, uma terceira corrente mista formada a partir da mistura do terceiro fluxo de ar de refrigeração suplementar com a segunda corrente residual, e uma terceira corrente residual e em que a primeira corrente mista, a segunda corrente mista e a terceira corrente mista diferem entre si em até 25°C.
11. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um terceiro estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, um terceiro fluxo de ar de refrigeração suplementar, uma terceira corrente mista formada a partir da mistura do terceiro fluxo de ar de refrigeração suplementar com a segunda corrente residual, e uma terceira corrente residual e em que a primeira corrente residual, a segunda corrente residual e a terceira corrente residual diferem entre si em até 25°C e não mais do que 50°C acima da temperatura da primeira corrente mista.
12. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios é um reator de reforma com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente.
13. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios é uma caldeira da membrana de transporte de oxigênio acionada reativamente.
14. Método para controle de temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios é um aquecedor de gás do processo com base na membrana de transporte de oxigênio acionada reativamente.
15. Reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios, caracterizado pelo fato de que compreende: uma entrada de ar configurada para receber uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido a uma temperatura de 800°C a 1.000°C; uma primeira pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio contidos em um primeiro estágio do reator de múltiplos estágios e em comunicação fluídica com uma corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido e configurados para separar oxigênio da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido através de transporte de íons de oxigênio quando submetidos a uma temperatura operacional elevada e uma diferença acionada reativamente na pressão parcial de oxigênio através da primeira pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio para produzir uma primeira corrente residual esgotada de oxigênio a uma temperatura acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; pelo menos um injetor de ar de refrigeração disposto dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio a jusante do primeiro estágio e configurado para introduzir um fluxo de ar de refrigeração suplementar para a primeira corrente residual e produzir uma corrente mista tendo uma temperatura de corrente mista; uma segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio contidos dentro de um segundo estágio do reator de múltiplos estágios e dispostos a jusante do primeiro estágio, a segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em comunicação fluídica com a corrente mista e configurados para separar oxigênio da corrente mista através de transporte de íons de oxigênio quando submetidos a uma temperatura operacional elevada e uma diferença acionada reativamente na pressão parcial de oxigênio através da segunda pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio para produzir uma segunda corrente residual esgotada de oxigênio a uma temperatura acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; e uma saída disposta a jusante do segundo estágio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios e configurada para exaurir uma corrente contendo um pouco ou toda da segunda corrente residual esgotada de oxigênio do reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios; em que a temperatura da primeira corrente residual e a temperatura da segunda corrente residual diferem entre si em até 25°C.
16. Reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a temperatura da primeira corrente residual e a temperatura da segunda corrente residual diferem entre si em até 25°C.
17. Reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a temperatura da primeira corrente residual não é maior do que 50°C acima da temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido.
18. Reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a temperatura da segunda corrente residual não é maior do que 50°C acima da temperatura da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido.
19. Reator com base em membrana de transporte de oxigênio acionado reativamente de múltiplos estágios de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: pelo menos um segundo injetor de ar de refrigeração disposto dentro do reator com base em membrana de transporte de oxigênio a jusante do segundo estágio e configurado para introduzir um segundo fluxo de ar de refrigeração suplementar na segunda corrente residual e produzir uma segunda corrente mista tendo uma segunda temperatura de corrente mista; e uma terceira pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio contidos dentro de um terceiro estágio do reator de múltiplos estágios e dispostos a jusante do segundo estágio, a terceira pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio em comunicação fluídica com a segunda corrente mista e configurados para separar oxigênio da segunda corrente mista através de transporte de íons de oxigênio quando submetidos a uma temperatura operacional elevada e uma diferença acionada reativamente na pressão parcial de oxigênio através da terceira pluralidade de elementos da membrana de transporte de oxigênio para produzir uma terceira corrente residual esgotada de oxigênio a uma temperatura acima da corrente de alimentação contendo oxigênio aquecido; em que a temperatura da primeira corrente mista e a temperatura da segunda corrente mista diferem entre si em até 25°C.
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