EA016188B1 - Компактный каталитический реактор и способ сжигания водорода - Google Patents

Компактный каталитический реактор и способ сжигания водорода Download PDF

Info

Publication number
EA016188B1
EA016188B1 EA200870513A EA200870513A EA016188B1 EA 016188 B1 EA016188 B1 EA 016188B1 EA 200870513 A EA200870513 A EA 200870513A EA 200870513 A EA200870513 A EA 200870513A EA 016188 B1 EA016188 B1 EA 016188B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
catalytic
combustion
hydrogen
channel
inlet
Prior art date
Application number
EA200870513A
Other languages
English (en)
Other versions
EA200870513A1 (ru
Inventor
Майкл Джозеф Боуэ
Дэвид Джеймс Вест
Стюарт Ли Джонс
Клайв Дерек Ли-Таффнелл
Роберт Пит
Original Assignee
КОМПАКТДЖТЛ ПиЭлСи
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GBGB0608927.0A external-priority patent/GB0608927D0/en
Priority claimed from GB0700402A external-priority patent/GB0700402D0/en
Application filed by КОМПАКТДЖТЛ ПиЭлСи filed Critical КОМПАКТДЖТЛ ПиЭлСи
Publication of EA200870513A1 publication Critical patent/EA200870513A1/ru
Publication of EA016188B1 publication Critical patent/EA016188B1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/249—Plate-type reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2453—Plates arranged in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/2458—Flat plates, i.e. plates which are not corrugated or otherwise structured, e.g. plates with cylindrical shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/2459—Corrugated plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2465—Two reactions in indirect heat exchange with each other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2469—Feeding means
    • B01J2219/247—Feeding means for the reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2479—Catalysts coated on the surface of plates or inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2482—Catalytically active foils; Plates having catalytically activity on their own
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2483—Construction materials of the plates
    • B01J2219/2485—Metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2483—Construction materials of the plates
    • B01J2219/2485—Metals or alloys
    • B01J2219/2486—Steel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B01J2219/2492—Assembling means
    • B01J2219/2493—Means for assembling plates together, e.g. sealing means, screws, bolts
    • B01J2219/2495—Means for assembling plates together, e.g. sealing means, screws, bolts the plates being assembled interchangeably or in a disposable way
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B01J2219/2492—Assembling means
    • B01J2219/2496—Means for assembling modules together, e.g. casings, holders, fluidic connectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B01J2219/2497—Size aspects, i.e. concrete sizes are being mentioned in the classified document
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B01J2219/2498—Additional structures inserted in the channels, e.g. plates, catalyst holding meshes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/44—Palladium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215—Coating
    • B01J37/0225—Coating of metal substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0238—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a carbon dioxide reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/042—Purification by adsorption on solids
    • C01B2203/043—Regenerative adsorption process in two or more beds, one for adsorption, the other for regeneration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/062—Hydrocarbon production, e.g. Fischer-Tropsch process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0822—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel the fuel containing hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0827—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel at least part of the fuel being a recycle stream
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

Изобретение относится к компактному каталитическому реактору (20), содержащему канал для быстрой реакции, имеющий входное отверстие (26) для газовой смеси для прохождения реакции. Канал обеспечивают двумя различными каталитическими структурами (32, 34): первой каталитической структурой (32) около входного отверстия (26) и второй каталитической структурой (34) далее от входного отверстия так, чтобы газовая смесь, подводимая к входному отверстию, протекала мимо их обоих. Первая каталитическая структура (32) имеет небольшую каталитическую активность для быстрой реакции, тогда как вторая каталитическая структура (34) имеет каталитическую активность для быстрой реакции. Это применимо к сгоранию газовых смесей, содержащих водород, для которого первая каталитическая структура (32) может содержать непокрытую окисленную, содержащую алюминий ферритную сталь, в то время как вторая каталитическая структура (34) может включать Pt и/или Pd в подложке оксида алюминия. Отработанные газы могут также быть рециклированы к входному отверстию (26) для ингибирования горения.

Description

Данное изобретение относится к каталитической структуре, подходящей для использования в каталитическом реакторе, содержащем каналы для химической реакции, к способу, выполненному с использованием такой каталитической структуры, и к химическому реактору, включающему такую каталитическую структуру.
В \νϋ 01/51194 и νθ 03/033131 (АссеШик р1с) описывают способ, в котором метан подвергают реакции с водяным паром для генерирования монооксида углерода и водорода в первом каталитическом реакторе; получающуюся газовую смесь затем используют для выполнения синтеза Фишера-Тропша во втором каталитическом реакторе. Итоговый результат состоит в преобразовании метана в углеводороды с более длинной цепью с более высокой молекулярной массой, которые являются обычно жидкостями или восковыми массами при окружающих условиях. Две стадии процесса: риформинг водяного пара/метана и синтез Фишера-Тропша требуют различных катализаторов, и каталитические реакторы описаны для каждой стадии. В каждом случае катализатор может содержать рифленую фольгу, покрытую каталитическим материалом. Реакция риформинга водяной пар/метана является эндотермической, и необходимая теплота может быть обеспечена каталитическим процессом сгорания в смежном канале, например, с использованием палладия и/или платины на оксиде алюминия в качестве катализатора. Как описано в νθ 2004/078642 (СТЬ М1сго8у81ет8 АС), водород может подаваться к каналам сгорания для обеспечения по крайней мере части горючих газов; например, водород может быть получен из отходящих газов после синтеза Фишера-Тропша. Газовые смеси, которые содержат водород обычно в комбинации с другими горючими газовыми компонентами, такими как метан, монооксид углерода, газообразные углеводороды с короткой цепью, спирты или кетоны, обеспечивают преимущество, что каталитическая реакция горения может быть без труда инициирована, даже когда реактор холоден. Однако присутствие водорода может привести к проблеме: водородный компонент подвергается каталитическому сгоранию очень легко с таким обычным катализатором сгорания, и температура около входного отверстия, где горючие газы и воздух подают к каналу сгорания, может быстро повышаться выше 1000°С, несмотря на теплоту, которую удаляют эндотермической реакцией в смежных каналах.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения компактный каталитический реактор содержит канал для быстрой реакции, имеющий входное отверстие для газовой смеси для прохождения реакции, где упомянутый канал обеспечивают двумя различными каталитическими структурами, первая каталитическая структура около входного отверстия и вторая каталитическая структура далее от входного отверстия так, чтобы газовая смесь, подаваемая к входному отверстию, протекала мимо первой каталитической структуры и второй каталитической структуры, где вторая каталитическая структура имеет каталитическую активность для быстрой реакции, а первая каталитическая структура имеет меньше каталитической активности для быстрой реакции.
Первая каталитическая структура (около входного отверстия) может иметь небольшую каталитическую активность для быстрой реакции и небольшую или никакую каталитическую активность для других реакций или альтернативно она может иметь каталитическую активность для других реакций между газами, где те другие реакции ингибируют быструю реакцию, например, где они являются эндотермическими и/или уменьшают концентрацию быстро реагирующего газового компонента.
Изобретение особенно применимо к реакции каталитического горения, включающей водород, поскольку она является быстрой реакцией, которая может произвести зоны перегрева.
В контексте сгорания топлива, включающего смесь газов, включающих водород и метан, первая каталитическая структура могла бы, например, иметь небольшую каталитическую активность для сгорания водорода и почти никакую каталитическую активность для сгорания метана при температурах до 800°С. Следовательно, скорость, при которой происходит быстрая реакция в начале канала, подавляется так, чтобы скорость температурного увеличения была также уменьшена. Следовательно, предотвращается начальный температурный пик. Значительное количество компонента с быстрыми реакционными кинетиками действительно реагирует, когда он проходит первую каталитическую структуру, но это происходит при более длительном времени пребывания, чем с обычным катализатором, и поэтому более медленно и так, чтобы скорость, при которой теплота производится сгоранием, была более близко подобрана к скорости, при которой теплота передается и поглощается в смежном канале для эндотермической реакции.
Предпочтительно первая каталитическая структура (которая находится около входного отверстия) протягивается на длину, которая является по меньшей мере 5%, но предпочтительно не больше чем 50% полной длины катализатора в пределах канала, и предпочтительно активность катализатора в первой каталитической структуре является такой, что между 20 и 80% быстрая реакция происходит к тому времени, когда газовая смесь достигает конца первой каталитической структуры. Активность катализатора во второй каталитической структуре является предпочтительно такой, что реакция завершается к тому времени, когда газовая смесь покидает канал. Каталитическая активность первой каталитической структуры для быстрой реакции должна быть не более 0,2 от активности для второй каталитической структуры, например приблизительно 0,1 раза.
- 1 016188
Первая структура катализатора может, например, содержать окисленный стальной сплав, поверхность которого имеет только очень небольшую каталитическую активность для быстрой реакции. Например, было найдено, что сгорание газовых смесей, которые включают водород, катализируют до небольшой степени окисленной, содержащей алюминий ферритной сталью, такой как железо с 15% хрома, 4% алюминия и 0,3% иттрия (ед Еесга11оу (ТМ)). Когда этот металл нагревают в воздухе, он формирует липкое окисное покрытие оксида алюминия, которое защищает сплав против дальнейшего окисления и против коррозии и имеет удивительно небольшую каталитическую активность. Было предварительно предположено, что этот сплав является подходящим для использования в качестве подложки катализатора, когда покрыт керамикой (типа оксида алюминия), содержащей материал катализатора, но нет такого керамического покрытия или материала катализатора, требуемого первым катализатором настоящего изобретения. Альтернативно, первая каталитическая структура может содержать керамическое покрытие без добавленного материала катализатора. Вторая каталитическая структура, напротив, может содержать керамическое покрытие на металлической подложке, керамическое покрытие, действующее как подложка для каталитического материала, такого как платина и/или палладий. Для дальнейшего контроля скорости реакции загрузка каталитического материала может изменяться вдоль длины второй каталитической структуры.
В другом аспекте альтернативно или дополнительно подход состоит в добавлении негорючих компонентов к горючей газовой смеси. Предпочтительно каталитические структуры формируют так, чтобы обозначить множество продольных подканалов, например каталитическая структура может включать фольгу с продольными складками, такими, что подканалы имеют наименьшее поперечное сечение меньше чем 2 мм и предпочтительно меньше чем 1 мм. Следовательно, условия протекания для газовой смеси в пределах каталитической структуры являются ламинарным течением, и введение негорючего компонента уменьшает скорость, при которой кислород диффундирует к катализаторным сайтам, и поэтому подавляется скорость водородного каталитического сгорания.
Другие преимущества могут явиться результатом введения подходящих дополнительных компонентов газовой смеси. Например, добавление водяного пара к смеси газа сгорания может уменьшить скорость реакции; если смесь сгорания включает и водяной пар, и метан, то в присутствии благородного металлического катализатора сгорания эта смесь может подвергнуться реакции риформинга, которая является эндотермической, уменьшая тенденцию к образованию зоны перегрева. Реакция риформинга производит водород и поэтому увеличивает производство теплоты сгоранием дополнительно вдоль канала от входного отверстия. И водяной пар, и углекислый газ могут быть добавлены в горючую газовую смесь рециклированием части отработанных газов от канала сгорания назад для смешивания с воздухом и горючими газами, подаваемыми к входному отверстию.
Если топливный газ содержит и монооксид углерода, и водород, то первая каталитическая структура может содержать катализатор для синтеза метанола или для синтеза метанизации, чтобы уменьшить концентрацию и монооксида углерода, и водорода в начале канала и гарантировать, что сгорание происходит более медленно, поскольку метанол и метан подвергаются каталитическому сгоранию менее быстро, чем водород. Альтернативно, катализатор для синтеза метанола или для синтеза метанизации может быть расположен выше по каналу сгорания.
Для каналов сгорания длиннее чем приблизительно 0,5 м падение давления вдоль канала сгорания может стать значительным. При сравнении реакции в коротком канале (говоря о длине 0,3 м или меньше) с реакциями в гораздо более длинном канале некорректно измерять просто время пребывания (или время контакта). В другом аспекте настоящего изобретения предпочтительно скорости потока являются такими, что скорость потока газа канала сгорания на выходе при рабочих режимах, которые являются фактической скоростью, при которой появляются горячие газы, не превышает 30 м/с. Предпочтительно они не превышают 20 м/с.
В другом аспекте настоящего изобретения, где сгорание требуется вдоль более длинного канала, скоростью сгорания и, следовательно, температурным профилем по длине можно управлять соответствующим осуществлением добавления топлива в канал. Например, природный газ с небольшим количеством водорода может быть введен в воздушный поток в качестве топлива на первой стадии. Количество водорода достаточно лишь для инициирования сгорания. Эта первая стадия сгорания использует кислород воздуха и, следовательно, увеличивает концентрации водяного пара и диоксида углерода. На второй стадии дополнительные топлива добавляют в газовую смесь уже в канале сгорания, и эти дополнительные топлива могут включать большую часть водорода из-за эффекта растворения водяного пара и диоксида углерода (как обсуждено выше).
Реактор может содержать пакет пластин. Например, первый и второй каналы потока могут быть обозначены углублениями в пластинах, выполненных в виде пакета или пакета с установленными с промежутками полосами и пластинами, связанными вместе. Альтернативно, каналы потока могут быть ограничены тонкими металлическими листами, которые являются зубчатыми и сложенными поочередно с плоскими листами; края каналов потока могут быть образованы запечатыванием полос. Пакет пластин, формирующих реактор, связывают вместе, например диффузионной сваркой, пайкой твердым припоем или горячим изостатическим прессованием. В качестве примера пластины (в плане) могут иметь ширину
- 2 016188
0,05-1,0 м и длину 0,2-2,0 м, и каналы потока имеют предпочтительно высоту между 1 и 20 мм или меньше (в зависимости от природы химической реакции). Например, пластины могут быть шириной 0,3 м и длиной 1,5 м, образуя каналы высотой 5 мм. Первый и второй каналы потока чередуются в пакете, таким образом, есть хорошая тепловая проводимость между текучими средами в тех каналах. Например, первые каналы потока могут быть для сгорания (чтобы произвести теплоту) и вторые каналы потока могут быть для риформинга водяного пара/метана (который требует теплоты). Каталитические структуры вставлены в каналы, могут быть удалены для замены и не обеспечивают прочность реактора, таким образом, сам реактор должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять любым силам давления или тепловым нагрузкам во время действия.
Там, где глубина канала составляет не больше чем приблизительно 3 мм, структура катализатора может, например, включать отдельную фасонную фольгу. Альтернативно, и особенно там, где глубина канала больше чем приблизительно 2 мм, каталитическая структура может включать множество такой фасонной фольги, отделенной, по существу, ровной фольгой. Чтобы гарантировать необходимую хорошую теплопередачу, например, в реакторе риформинга водяного пара/метана, каналы сгорания являются предпочтительно меньше чем 5 мм глубиной. Но каналы являются предпочтительно по крайней мере глубиной 1 мм, или становится трудно вставить каталитические структуры, и техническая допустимость становится более требовательной.
Изобретение будет теперь далее и более подробно описано только посредством примера и ссылаясь на сопровождающие фигуры, на которых:
фиг. 1 показывает вид в разрезе части реакторного блока (что является частичным изображением относительно линии 1-1 фиг. 2);
фиг. 2 показывает вид в разрезе реактора, включающего реакторный блок фиг. 1 в частичном разрезе (соответствующем линии 2-2 фиг. 1);
фиг. 3 показывает блок-схему части химической установки, включающей реактор фиг. 2; и фиг. 4 показывает фрагментарный вид в разрезе модификации реактора фиг. 2.
Изобретение было бы применимым к процессу получения синтез газа, т. е. смеси монооксида углерода и водорода, из природного газа риформингом водяного пара. Это хорошо известная реакция и она эндотермическая; теплоту можно обеспечить горением. Синтез-газ может, например, впоследствии использоваться для получения углеводородов с более длинной цепью синтезом Фишера-Тропша. Полный процесс (т.е. преобразование природного газа в синтез-газ для углеводородов) производит водород в качестве побочного продукта, и он может использоваться как часть топлива сгорания.
Обращаясь теперь к фиг. 1, реакторный блок 10 показан в сечении и с компонентами, отделенными для ясности. Реакторный блок 10 состоит из пакета плоских пластин 12 толщиной 1 мм, разнесенных для того, чтобы образовать каналы для процесса сгорания, чередующиеся с каналами для реакции риформинга. Каналы сгорания образованы зубчатыми пластинами 14 толщиной 0,75 мм. Высота зубцов в этом примере (обычно в диапазоне 1-4 мм) равна 3 мм и толщина 3 мм, твердые стыковые накладки 16 обеспечены по сторонам каждой пластины 14, и последовательные связи (обычно разнесенные на расстояние между 10 и 50 мм) равны расстоянию 20 мм (расположение описывается более подробно ниже). Каналы для реакции риформинга имеют высоту 4 мм, и образованы аналогичными зубчатыми пластинами 18, в которых последовательные связи (обычно разнесенные на расстоянии между 10 и 50 мм) равны расстоянию 25 мм и со стыковыми накладками 19 (см. фиг. 2). Расположение зубчатых пластин 14 и 18 является таким, что получающиеся каналы потока находятся в ортогональных направлениях.
Обращаясь теперь к фиг. 2, реактор риформинга водяного пара/метана 20 показан в разрезе с частично разрезанным реакторным блоком 10. Как упомянуто выше, реакторный блок 10 состоит из пакета плоских пластин 12, отделенных друг от друга для образования каналов потока. Ориентации дополнительных каналов в пакете ортогональны. Каждая плоская пластина 12 имеет площадь горизонтальной проекции 0,5 х 1,5 м. Каналы для реакции риформинга, образованные зубчатыми пластинами 18, продолжаются прямо через реакторный блок 10 (сверху донизу, как показано) от коллектора 23, к которому через трубу 24 обеспечивается смесь водяной пар/метан, к коллектору 25 выхода. Каналы для реакции сгорания образованы зубчатыми пластинами 14, каждая площадью горизонтальной проекции 0,5х0,3 м, а именно пятью такими пластинами 14, положенными рядом друг с другом и отделенными стыковыми накладками 16 на каждой плоской пластине 12. Эти каналы сгорания снабжают горючей газовой смесью через коллектор 26 шириной 0,3 м (вверху левой стороны, как показано); в диагонально противоположной части реакторного блока 10 (у основания правой стороны, как показано) имеется аналогичный коллектор 28 оттока для отходящих газов также шириной 0,3 м; а вдоль противоположных сторон реакторного блока 10 имеются связанные коллекторы 30 шириной 0,6 м; следовательно, путь течения газа следует за извилистой линией, пересекая ширину реакторного блока 10 пять раз между коллекторами 26 и 30. Следовательно, полный путь течения для газов сгорания, как обозначено стрелками, является зигзагообразной или извилистой траекторией, которая является частично параллельным потоком относительно потока в каналах риформинга.
- 3 016188
Пакет собирают, как описано выше, и затем связывают вместе, чтобы сформировать реакторный блок 10, например, диффузионной сваркой. Рифленые каталитические подложки с металлической фольгой 22, каждая длиной 1,5 м и шириной, равной расстоянию связи (в этом случае 25 мм), и которые включают подходящий катализатор, затем вставляют в каналы для реакции риформинга водяного пара. Точно так же рифленую металлическую фольгу 32 вставляют в каналы, сообщающиеся с коллектором 26 входного отверстия газов сгорания, а гофрированную металлическую фольгу 34 вставляют во все другие каналы сгорания. (Фольга 32 в первой секции сгорания и фольга 34 в последней секции сгорания показаны на вырыве на фиг. 2 и только несколько листов фольги 32 и 34 показаны на фиг. 1.)
В этом примере рифленая фольга 32 является сталью Ресга11оу, обработанной высокой температурой, чтобы гарантировать окисную поверхность, но без любого керамического покрытия и без нанесения покрытия из любого каталитического материала. В отличие от этого рифленая фольга 22 и 34 включает металлическую подложку фольги (которой также является сталь Ресга11оу), покрытая слоем оксида алюминия толщиной 30-50 нм, импрегнированным подходящим каталитическим материалом. Что касается фольги 22, каталитический материал является смесью платина/родий 1:1, в то время как для фольги 34 каталитический материал является смесью палладий/платина 3:1, в каждом случае при загрузке 10 мас.% оксида алюминия.
Стрелки на фиг. 2 указывают, что реакторный блок 10 гарантирует, что газы сгорания пересекают реакторный блок 10 пять раз; альтернативно, реакторный блок может быть сконструирован так, чтобы газы сгорания могли пройти только один раз или больше чем один раз поперек ширины. В другой альтернативной расстановке сгорание может происходить в вертикальных каналах (в пластинах 18) и риформинг водяного пара/метана происходит в извилистых пересекающихся каналах потока (в пластинах 14).
Будет понятно, что устройство реактора 20 показано только для примера, где одна реакция проходит во множестве стадий (как на фиг. 2), газовый поток между последовательными проходами или стадиями может проходить через средства, отличные от коллекторов 30. Например, в подобном способе, описанном в \УО 2005/102511 (СТЬ МюгохуЧепъ АС) протекание газов может быть организовано между последовательными стадиями через отверстия в концевых участках зубчатых пластин 14 и концевых участках стыковых накладок 16 так, чтобы коллекторы 30 могли быть меньше или в некоторых случаях могли быть заменены глухими пластинами. В этом случае вставки из фольги в каналах для этой реакции не продолжаются прямо к концам каналов потока в пластинах 14.
Обращаясь теперь к фиг. 3, использование реактора 20 проиллюстрировано в виде блок-схемы установки для преобразования метана в углеводороды с более длинной цепью. Смесь метана и водяного пара подводят к трубе 24 обычно при температуре приблизительно 400°С и смесь нагревают до температуры приблизительно 850°С, поскольку она проходит через каналы риформинга реактора 20. Синтез-газ, выходящий из коллектора 25 выпуска, подается к реактору 40 Фишера-Тропша (представлен символически), и получающаяся смесь конденсируется и разделяется на воду, углеводороды 41 с более длинной цепью и поток отходящего газа 42, который содержит излишек водорода. Детали относительно того, как синтез-газ обрабатывают перед реактором 40 Фишера-Тропша и относительно того, как получающуюся газовую смесь обрабатывают после реактора 40 Фишера-Тропша, не относятся к настоящему изобретению. Водород из отходящего газа 42, который может, например, быть отделен от других компонентов, таких как монооксид углерода, углекислый газ и метан, с применением мембраны смешивают с воздухом (представлен О2 на фиг. 3) и подают к входному отверстию коллектора 26 для сгорания. Как обозначено выше, вставки из рифленой фольги 32 в первой секции канала сгорания не включают никакого дополнительного каталитического материала, однако каталитическое сгорание на самом деле происходит; окисленная поверхность, очевидно, имеет некоторую ограниченную каталитическую активность. Таким образом, в этом примере сгорание происходит постепенно через первую секцию, в которой находятся непокрытые вставки 32, поскольку обычно 20-80% водорода подвергается сгоранию в этой секции, а другие топливные газовые компоненты не подвергаются сгоранию, и затем остаточный водород и остающиеся топливные газовые компоненты подвергаются сгоранию, когда они достигают последующих секций, в которых есть каталитические вставки 34.
В качестве примера каталитическая активность равных длин листов 32 и 34 фольги может быть сравнена в экспериментальном испытании, в котором смесь газа сгорания проходит по фольге, удерживая температуру в реакторной стене постоянной при 100°С и удерживая газовую композицию при постоянной скорости течения. Было обнаружено, что со вставками 32 из окисленной стальной фольги Ресга11оу длиной 150 мм только приблизительно 10% водорода подвергается сгоранию при этой температуре, тогда как с обычными вставками 34 фольги катализатора сгорания приблизительно 90% водорода подвергается сгоранию при этой температуре. Таким образом, очевидно, что каталитическая активность окисленной фольги 32 составляет только приблизительно 0,11 от активности обычной фольги 34 сгорания.
В модификации активность каталитического материала во вставках 34 может быть различной вдоль каналов сгорания, будучи менее каталитически активным в начале вставок 34, чем в конце. Плавное распределение каталитической активности в этом примере может быть удобно достигнуто путем увеличения активности пошагово от одной вставки 34 к следующей вдоль пути течения, хотя плавное распреде
- 4 016188 ление каталитической активности вдоль длины индивидуальной вставки также может быть дополнительной возможностью. Плавное распределение каталитической активности может быть достигнуто путем изменения загрузки каталитического металла от, например, 1% обычного значения при запуске до 100% обычного значения далее вдоль пути течения. Для катализатора палладия/платины, упомянутого выше, стандартная загрузка могла бы быть 10 мас.% оксида алюминия. Загрузка, например, 20% от стандартного значения может быть получена обеспечением 2 мас.% по всей ширине вставки или введением каталитического материала при более высокой концентрации, но только по частям структуры, например 10 мас.% более чем по 1/5 поверхности, например в форме полос шириной 1 или 2 мм. Альтернативный способ плавного распределения каталитической активности состоит в том, чтобы покрыть каталитический материал, по крайней мере части вставки, керамическим покрытием, действующим как диффузионный барьер для уменьшения скорости, при которой реагенты и в особенности кислород диффундируют к каталитическим сайтам.
Если каталитическая вставка является стопкой фольги, а не отдельной фольгой, ее активностью можно управлять, обеспечивая катализатор только на некоторых поверхностях фольги.
Как указано на фиг. 3, метан может также быть включен в горючую газовую смесь, подаваемую к коллекторному трубопроводу 26. В одном примере газовая смесь, подаваемая к входному отверстию сгорания, содержит 77% водорода, 0,4% СО, 7,7% СО2 и 15% углеводорода (молярные проценты), водород и небольшие проценты углеродистых окисей, полученные мембранным разделением из отходящего газа 42, и углеводороды (преимущественно метан), полученные из природного газа, смешиваются с воздухом. Если бы каталитические вставки 34 нужно было обеспечить в первой секции каналов сгорания, то был бы значительный риск, что разовьются зоны перегрева и действительно катализатор сгорания мог бы нагреться до температуры выше 1000°С вблизи начала канала сгорания, потому что водород подвергается быстрой реакции, повышая температуру и, следовательно, повышая скорость сгорания других топливных компонентов, таких как монооксид углерода и метан. Такие зоны перегрева произвели бы значительные термические напряжения в конструкции реактора 20 и также могли бы уменьшить эффективность процесса, поскольку желательный температурный градиент по направлению сгорания должен идеально постепенно повышаться так, чтобы максимальная температура (около 900°С) была соседней с выходом каналов риформинга.
В качестве альтернативы использованию вставок 32 или в качестве дополнения к их использованию, по существу, инертные компоненты могут быть добавлены к смеси топлива и воздуха, подаваемой к каналам сгорания. Например, могут быть введены водяной пар или диоксид углерода. Поскольку состояния потока в пределах вставок 32 и 34 являются ламинарными, добавление такого инертного компонента уменьшает скорость, при которой кислород диффундирует к каталитическим участками, и это имеет главное влияние на скорость каталитического сгорания водорода. Добавление водяного пара к смеси газа сгорания может изменить равновесие реакции сгорания и, следовательно, замедлить скорость реакции. Альтернативно, водяной пар может реагировать с метаном, присутствующим в газовой смеси, в присутствии катализатора сгорания из благородного металла, подвергаясь эндотермической реакции риформинга и, таким образом, удаляя теплоту из любых появляющихся зон перегрева, в то же самое время увеличивая генерирование теплоты далее по каналу потока из-за образования и последующего сгорания продуктов реакции риформинга: монооксида углерода и водорода.
Один способ, которым это может быть достигнуто, состоит в том, чтобы рециклировать часть отработанных газов от каналов сгорания, поступающих назад через коллектор 28, чтобы быть смешанными со смесью газа сгорания, как показано пунктиром 44 на фиг. 3.
Далее способ контроля теплового градиента вдоль реактора 20 должен вводить топливо постепенно. Например, весь воздух может быть введен через входное отверстие коллектора 26, но только часть необходимых горючих газов, остающихся горючих газов, вводится в поток газа сгорания через один или больше последующих коллекторов 30. В модификации метан только с очень небольшой частью водорода (и воздуха) вводится во входное отверстие коллектора 26. Первая стадия сгорания сокращает газовый поток кислорода и увеличивает концентрацию диоксида углерода и водяного пара. Богатый водородом отходящий газ может быть затем введен на одной или более последующих стадиях, не приводя к начальной высокой реактивности, которая могла бы наблюдаться с воздухом. В другой модификации метан и избыток воздуха (без водорода) вводят в первую стадию сгорания, используя обычный катализатор сгорания; и затем богатый водородом газ сгорания вводят в газовую смесь на последующей стадии, первая каталитическая структура, с которой сталкивается этот богатый водородом газ, является структурой низкой активности, такой как каталитическая вставка 32, а последующие каталитические структуры являются более высокоактивными.
Действительно, оба топлива и воздух могут быть добавлены на стадиях вдоль канала сгорания или каналов. Даже с реактором, в котором сгорание происходит в отдельном прямоточном проходе и в котором имеются различные вставки, плотно установленные в каналах сгорания, богатое водородом топливо или дополнительный воздух сгорания могут быть введены в различных точках по каналу через форсунки. Это может привести к большему контролю теплового градиента через реактор. Например, как показано на фиг. 4, в модификации реактора на фиг. 2 (выполняющего сгорание в вертикальных каналах и
- 5 016188 риформинг водяного пара/метана в извилистых каналах) разделяющие полосы 16 в пределах реакторного блока 10 (кроме тех, что на концах) заменены расположенными на расстоянии парами полос 46 с промежутком 47 между ними, промежуток 47 закрыт на конце, который находится в пределах коллектора 30 и является открытым с другого конца. Этот промежуток 47 может, например, быть шириной 2 мм и обеспечивает канал входного отверстия для топлива или воздуха, как обозначено стрелкой 50; узкие отверстия 48 просверлены через смежную пластину или пластины 12 так, чтобы топливо или воздух, подаваемое к промежутку 47, протекало через отверстия 48 в канал сгорания.
Эксперимент был выполнен с каналом сгорания длиной 1200 мм, в котором первые 20% канала (240 мм) были оборудованы окисленной фольгой 32 РеетаЛоу. Остаток длины канала оборудован обычной вставкой катализатора, который является, скажем, рифленой фольгой 34 с покрытием оксида алюминия, содержащим Р6/Р1. Канал имел две точки впрыска топлива, одну в начале фольги 32 РеетаЛоу и другие приблизительно 40% вдоль длины канала. Воздух сгорания предварительно подогревался до 200°С. Топливо, содержащее водород в диапазоне 70-80 мол.% и баланс, было смесью СО, метана и СО2. Когда 40% топлива было введено в первую точку впрыскивания, температура в канале сгорания между первой и второй точками впрыскивания была поднята максимум до 450°С. Большинство водорода во введенном топливе было окислено между первой и второй точками впрыскивания, но метан оставался не окисленным. Остальные 60% топлива были добавлены во второй точке впрыскивания, и температура в канале сгорания между второй точкой впрыскивания и выходом достигла максимального значения приблизительно 820°С, поскольку водород и СО были окислены ниже по потоку второй точки впрыскивания, повышения температуры достаточно, чтобы метан также подвергся сгоранию. Процесс сгорания был полностью устойчив без признаков зон перегрева. Вероятно, что продукты сгорания от первой стадии и получающегося истощения доступного кислорода также помогли в стабилизации процесса сгорания вниз по потоку второй точки впрыскивания.
Если топливный газ содержит значительные уровни и монооксида углерода, и водорода, то начальные каталитические вставки, например, могут содержать катализатор для формирования метанола так, чтобы по крайней мере часть водорода была преобразована в метанол на начальных стадиях. Это снова подавляет начальную скорость сгорания водорода и помогает достичь желаемого температурного градиента вдоль реактора 20. Метанол далее по каналу подвергнется сгоранию. Альтернативно, катализатор для формирования метанола можно обеспечить в отдельный реакторный слой вверх по потоку реактора 20.
Будет понятно, что каналы сгорания в реакторе 20 делают пять проходов каждый длиной 0,5 м, таким образом, полная длина равна 2,5 м. Этот реактор показан только посредством примера. Обычно длина каждого канала сгорания равна между 0,2 и 1,6 м, и число проходов равно обычно между одним и пятью так, чтобы полная длина каналов сгорания могла быть целых 8 м. При таких условиях является нецелесообразным пытаться измерять реакторную конструкцию на основе времени нахождения в аппарате или времени контакта, поскольку необходимая скорость стала бы очень высокой и последовательное снижение давления будет чрезмерным, требуя чрезмерной мощности для обеспечения скорости сгорания воздушного потока. Максимальная скорость выхода из каналов сгорания, измеренная в рабочих режимах (т.е. при температуре выхода газа и его давлении выхода), не должна превысить 30 м/с, чтобы избежать чрезмерного снижения давления. Предпочтительное снижение давления по всей длине канала сгорания равно не больше чем 1 бар, предпочтительно не больше чем 0,2 бар и более предпочтительно не больше чем 0,1 бар.
Понятно, что газовые смеси, легкодоступные для сгорания, будут изменяться при других применениях. Например, в другой ситуации, где риформинг водяного пара/метана сопровождается абсорбцией с колебаниями давления, чтобы получить чистый водородный поток, остающийся газовый поток, как было обнаружено, имел мольный состав: 37% водорода, 27% СО, 24% СО2 и 12% углеводородов. Хотя эта композиция совсем отлична от описанной выше, она может использоваться для сгорания, по существу, в том же самом реакторе 20.
Описанный выше реактор 20 показан только в качестве примера и понятно, что он может быть модифицирован различными способами, оставаясь в рамках настоящего изобретения. Например, с реактором 20, в котором имеется пять последовательных проходов для сгорания, низкоактивные вставки 32 могут быть обеспечены в первых двух проходах, а не только в первом проходе, или даже в первых трех проходах. Как упомянуто выше, может быть только отдельный проход для газов сгорания, в этом случае могут быть две отдельные вставки, первая с низкой каталитической активностью (такая как окисленная сталь РеетаЛоу) и вторая, содержащая катализатор сгорания, установленный вплотную в канале. Альтернативно, может быть единственная рифленая вставка фольги, продолжающаяся на всю длину канала, в котором нет никакого катализатора и никакого керамического покрытия на первой части, но катализатор сгорания на второй части.
Хотя вставки описаны как содержащие рифленую фольгу, будет понятно, что они могли бы вместо этого включать другую металлическую подложку, например рифленый волокнистый слой. В любом случае они предпочтительно сформированы так, чтобы образовывать большое число параллельных подканалов потока.
- 6 016188

Claims (10)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Компактный каталитический реактор, содержащий канал для сгорания водорода, имеющий входное отверстие для газовой смеси, вступающей в реакцию, в котором упомянутый канал снабжен двумя различными каталитическими структурами: первой каталитической структурой около входного отверстия и второй каталитической структурой далее от входного отверстия, так чтобы газовая смесь, подводимая к входному отверстию, протекала через первую каталитическую структуру и вторую каталитическую структуру, при этом вторая каталитическая структура имеет каталитическую активность для реакции сгорания водорода, а первая каталитическая структура имеет меньшую каталитическую активность для реакции сгорания водорода, которая находится в пределах от 0,1 до 0,2 от активности второй каталитической структуры, при испытании указанных каталитических структур длиной 150 мм при прохождении газовой смеси, содержащей водород, через указанные каталитические структуры и при поддержании температуры в реакторной стене постоянной и равной 100°С.
  2. 2. Каталитический реактор по п.1, в котором первая каталитическая структура имеет низкую каталитическую активность сгорания водорода и низкую или отсутствие каталитической активности для других реакций.
  3. 3. Каталитический реактор по п.1 или 2, в котором первая каталитическая структура имеет длину, составляющую по меньшей мере 5%, но не больше чем 50% от полной длины катализатора в пределах канала.
  4. 4. Каталитический реактор по любому одному из предыдущих пунктов, в котором первая каталитическая структура содержит окисленный стальной сплав.
  5. 5. Каталитический реактор по любому одному из предыдущих пунктов, в котором вторая каталитическая структура содержит керамику, включающую в себя каталитически активный материал, причем активность каталитически активного материала постепенно меняется вдоль длины второй каталитической структуры, будучи наименее активной в начале.
  6. 6. Каталитический реактор по п.5, в котором каталитическая активность постепенно меняется ступенчатым образом вдоль длины второй каталитической структуры.
  7. 7. Каталитический реактор по п.1, в котором первая каталитическая структура имеет каталитическую активность для других реакций между газами, которые ингибируют реакцию сгорания водорода.
  8. 8. Каталитический реактор по п.4, в котором окисленный стальной сплав представляет собой содержащую алюминий ферритную сталь с липким покрытием оксида алюминия без добавления любого материала катализатора.
  9. 9. Способ сжигания водорода, в котором сжигание осуществляют в компактном каталитическом реакторе по одному из пп.1-8.
  10. 10. Способ сжигания водорода по п.9, в котором часть отработанных газов из канала сгорания рециклирует обратно к входному отверстию для канала сгорания.
EA200870513A 2006-05-08 2007-04-27 Компактный каталитический реактор и способ сжигания водорода EA016188B1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB0608927.0A GB0608927D0 (en) 2006-05-08 2006-05-08 Catalytic Reactor
GB0700402A GB0700402D0 (en) 2007-01-10 2007-01-10 Controlled combustion catalyst
PCT/GB2007/050220 WO2007129109A2 (en) 2006-05-08 2007-04-27 Catalytic reactor comprising first and secondary flow channels arranged alternately

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA200870513A1 EA200870513A1 (ru) 2009-06-30
EA016188B1 true EA016188B1 (ru) 2012-03-30

Family

ID=38179662

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201101623A EA201101623A1 (ru) 2006-05-08 2007-04-27 Способ осуществления быстрой реакции в компактном каталитическом реакторе
EA200870513A EA016188B1 (ru) 2006-05-08 2007-04-27 Компактный каталитический реактор и способ сжигания водорода

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201101623A EA201101623A1 (ru) 2006-05-08 2007-04-27 Способ осуществления быстрой реакции в компактном каталитическом реакторе

Country Status (11)

Country Link
US (1) US8262754B2 (ru)
EP (3) EP2015866B1 (ru)
AU (1) AU2007246840B2 (ru)
BR (1) BRPI0711443A2 (ru)
CA (1) CA2648502A1 (ru)
DK (1) DK2015866T3 (ru)
EA (2) EA201101623A1 (ru)
MY (1) MY147151A (ru)
NO (1) NO20084686L (ru)
TW (1) TW200803976A (ru)
WO (1) WO2007129109A2 (ru)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7870536B2 (en) * 2006-06-15 2011-01-11 International Business Machines Corporation Computer implemented method and system for sharing resources among hierarchical containers of resources
GB0725140D0 (en) 2007-12-24 2008-01-30 Compactgtl Plc Catalytic Reactor
GB0822544D0 (en) * 2008-12-11 2009-01-14 Compactgtl Plc Chemical reactor operation
GB0915036D0 (en) * 2009-08-28 2009-09-30 Compactgtl Plc Catalytic reaction module
FR2949772A1 (fr) * 2009-09-04 2011-03-11 Total Raffinage Marketing Procede de fabrication d'un gaz de synthese ou d'hydrogene, a partir d'une charge hydrocarbonee
JP5581028B2 (ja) 2009-09-16 2014-08-27 住友精密工業株式会社 触媒反応器
DE102010008857A1 (de) * 2010-02-22 2011-08-25 Lurgi GmbH, 60439 Verfahren zur Herstellung von Methanol
US20140021094A1 (en) * 2011-03-31 2014-01-23 Japan Oil, Gas And Metals National Corporation Method of removing heavy hydrocarbons
TW201334862A (zh) * 2011-12-19 2013-09-01 Compactgtl Ltd 觸媒結構及催化方法
GB201122193D0 (en) * 2011-12-22 2012-02-01 Compact Gtl Plc Catalytic reactor and catalyst structure
US11607657B2 (en) 2012-02-06 2023-03-21 Helbio S.A. Heat integrated reformer with catalytic combustion for hydrogen production
US10961122B2 (en) 2012-02-06 2021-03-30 Helbio S.A. Heat integrated reformer with catalytic combustion for hydrogen production
CA3137624C (en) * 2012-03-08 2023-06-20 Helbio Societe Anonyme Hydrogen And Energy Production Systems Catalytically heated fuel processor with replaceable structured supports bearing catalyst for fuel cell
GB201216271D0 (en) * 2012-09-12 2012-10-24 Compactgtl Plc Operation of catalytic process plant
JP6408754B2 (ja) * 2013-02-06 2018-10-17 株式会社Ihi リアクタ
US9676623B2 (en) 2013-03-14 2017-06-13 Velocys, Inc. Process and apparatus for conducting simultaneous endothermic and exothermic reactions
CN114832731B (zh) * 2022-04-05 2023-09-05 华东理工大学 一种高效紧凑强吸热/放热反应耦合用螺旋式反应器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1232790A1 (en) * 1999-11-25 2002-08-21 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Catalyst for exothermic or endothermic reaction, catalyst for water-gas-shift reaction and catalyst for selective oxidation of carbon monoxide, and plate-fin heat exchange type reformer
WO2002064248A2 (en) * 2001-02-16 2002-08-22 Battelle Memorial Institute Integrated reactors, methods of making same, and methods of conducting simultaneous exothermic and endothermic reactions
EP1266701A2 (de) * 2001-06-16 2002-12-18 Ballard Power Systems AG Katalytische Beschichtung von strukturierten Wärmetauschern
US20040034111A1 (en) * 2002-08-15 2004-02-19 Tonkovich Anna Lee Process for conducting an equilibrium limited chemical reaction in a single stage process channel
US20040141893A1 (en) * 2003-01-21 2004-07-22 Martin Jerry L. Chemical reactor with enhanced heat exchange

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2153437B2 (de) * 1971-10-27 1974-11-21 Metallgesellschaft Ag, 6000 Frankfurt Reaktor zur Herstellung von Methanol
GB1471138A (en) 1974-05-06 1977-04-21 Atomic Energy Authority Uk Supports for catalyst materials
DE2610556C2 (de) 1976-03-12 1978-02-02 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Vorrichtung zum Verteilen strömender Medien über einen Strömungsquerschnitt
US4289652A (en) 1978-02-10 1981-09-15 Johnson Matthey Inc. Catalyst comprising a metal substrate
US4302360A (en) * 1980-01-11 1981-11-24 Agency Of Industrial Science & Technology Catalyst for catalytic combustion of hydrogen
DE3028003C1 (de) 1980-07-24 1981-10-08 Basf Ag, 6700 Ludwigshafen Vorrichtung zur Verteilung eines aus einem Rohr ankommenden Gases auf den Querschnitt eines Behaelters
US5474441A (en) 1989-08-22 1995-12-12 Engelhard Corporation Catalyst configuration for catalytic combustion systems
US5498278A (en) 1990-08-10 1996-03-12 Bend Research, Inc. Composite hydrogen separation element and module
DE4125085A1 (de) 1991-07-29 1993-02-04 Siemens Ag Verfahren und geraet zum rekombinieren und/oder zuenden von wasserstoff, enthalten in einem h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-luft-dampf-gemisch, insbesondere fuer kernkraftwerke
DE69412536T2 (de) 1993-05-17 1998-12-24 Haldor Topsoe As Hochtemperaturdampfreformierung
US6576203B2 (en) 1998-06-29 2003-06-10 Ngk Insulators, Ltd. Reformer
DE19852951C2 (de) 1998-11-17 2002-07-11 Forschungszentrum Juelich Gmbh Rekombinator zum effektiven Beseitigen von Wasserstoff aus Störfallatmosphären
DE19855769B4 (de) 1998-12-03 2008-10-09 Nucellsys Gmbh Katalytisch beheizte Komponente für einen chemischen Reaktor
KR100771391B1 (ko) 2000-01-11 2007-10-31 컴팩트지티엘 피엘씨 촉매 반응기 및 이를 사용하는 화학공정
FR2807337B1 (fr) 2000-04-11 2002-07-05 Packinox Sa Grille de maintien d'un catalyseur dans un faisceau de plaques d'un reacteur catalytique
US20020071797A1 (en) 2000-10-06 2002-06-13 Loffler Daniel G. Catalytic separator plate reactor and method of catalytic reforming of fuel to hydrogen
DE10056673A1 (de) 2000-11-10 2002-05-29 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Vorrichtung und Verfahren zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid
US6781024B2 (en) 2000-11-22 2004-08-24 Fina Technology, Inc. Dehydrogenation process
DE10110465B4 (de) 2001-03-05 2005-12-08 Vodafone Pilotentwicklung Gmbh Reaktor
FR2824755B1 (fr) 2001-05-15 2003-08-15 Physiques Et Chimiques Reacteur a plaques et son fonctionnement dans un procede catalytique exothermique
US7109378B2 (en) 2001-08-30 2006-09-19 Air Products And Chemicals, Inc. Monolith catalytic reactor coupled to static mixer
WO2003033131A1 (en) 2001-10-12 2003-04-24 Gtl Microsystems Ag Catalytic reactor
US7250151B2 (en) * 2002-08-15 2007-07-31 Velocys Methods of conducting simultaneous endothermic and exothermic reactions
CN100379489C (zh) * 2003-01-31 2008-04-09 曼德韦有限公司 用来进行催化气相反应的套管反应器及其运行方法
GB0304949D0 (en) 2003-03-05 2003-04-09 Accentus Plc Catalytic reactor and process
US7485671B2 (en) * 2003-05-16 2009-02-03 Velocys, Inc. Process for forming an emulsion using microchannel process technology
GB0408896D0 (en) 2004-04-20 2004-05-26 Accentus Plc Catalytic reactor
DE102004025445A1 (de) * 2004-05-19 2005-02-10 Basf Ag Verfahren zum Langzeitbetrieb einer heterogen katalysierten Gasphasenpartialoxidation wenigstens einer organischen Verbindung
EP1791629A4 (en) * 2004-08-11 2008-07-02 Nuvera Fuel Cells Inc THERMAL EXCHANGER COATED WITH CATALYST
US8517717B2 (en) 2004-08-13 2013-08-27 Velocys, Inc. Detonation safety in microchannels
GB0510514D0 (en) * 2005-05-24 2005-06-29 Johnson Matthey Plc Steam reforming
EP1890802A2 (en) * 2005-05-25 2008-02-27 Velocys, Inc. Support for use in microchannel processing
EP1893858B1 (en) * 2005-06-22 2017-04-12 Ricardo, Inc. Reforming process for production of hydrogen from hydrocarbon fuel
DE102005030414A1 (de) 2005-06-30 2007-01-18 Stockhausen Gmbh Reaktor und Verfahren zur katalytischen Gasphasenreaktion sowie Verfahren zur Applikation eines Katalysators in einem Reaktor
WO2007032891A2 (en) * 2005-09-13 2007-03-22 Catacel Corp. Low-cost high-temperature heat exchanger
KR101223627B1 (ko) * 2006-02-03 2013-01-17 삼성에스디아이 주식회사 연료 개질장치 및 그 제조 방법
WO2007094766A1 (en) * 2006-02-13 2007-08-23 Uop Llc Process for the production of hydrogen
GB0608927D0 (en) * 2006-05-08 2006-06-14 Accentus Plc Catalytic Reactor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1232790A1 (en) * 1999-11-25 2002-08-21 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Catalyst for exothermic or endothermic reaction, catalyst for water-gas-shift reaction and catalyst for selective oxidation of carbon monoxide, and plate-fin heat exchange type reformer
WO2002064248A2 (en) * 2001-02-16 2002-08-22 Battelle Memorial Institute Integrated reactors, methods of making same, and methods of conducting simultaneous exothermic and endothermic reactions
EP1266701A2 (de) * 2001-06-16 2002-12-18 Ballard Power Systems AG Katalytische Beschichtung von strukturierten Wärmetauschern
US20040034111A1 (en) * 2002-08-15 2004-02-19 Tonkovich Anna Lee Process for conducting an equilibrium limited chemical reaction in a single stage process channel
US20040141893A1 (en) * 2003-01-21 2004-07-22 Martin Jerry L. Chemical reactor with enhanced heat exchange

Also Published As

Publication number Publication date
US8262754B2 (en) 2012-09-11
WO2007129109A3 (en) 2008-10-02
EA201101623A1 (ru) 2012-09-28
DK2015866T3 (da) 2011-12-05
TW200803976A (en) 2008-01-16
NO20084686L (no) 2009-01-27
WO2007129109A2 (en) 2007-11-15
EA200870513A1 (ru) 2009-06-30
MY147151A (en) 2012-11-14
EP2015866B1 (en) 2011-09-14
US20070258883A1 (en) 2007-11-08
CA2648502A1 (en) 2007-11-15
AU2007246840A1 (en) 2007-11-15
EP2384813A2 (en) 2011-11-09
EP2384813A3 (en) 2011-12-21
EP2015866A2 (en) 2009-01-21
EP2384812A2 (en) 2011-11-09
AU2007246840B2 (en) 2011-10-13
BRPI0711443A2 (pt) 2011-11-01
EP2384812A3 (en) 2011-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA016188B1 (ru) Компактный каталитический реактор и способ сжигания водорода
CN101437608B (zh) 用于快速反应的催化剂结构
US20010018140A1 (en) Catalytic burner element inside a fuel cell with structured catalytic coated surfaces
US20060096297A1 (en) Method and apparatus for operating a burner of a heat engine, in particular of a gas turbine installation
JP2007533444A (ja) 着脱自在の触媒構造体を含む、プレート型の反応器
JP2003506306A (ja) コンパクト反応器
EA019000B1 (ru) Каталитический реакционный модуль
US20060143983A1 (en) Apparatus for producing hydrogen gas and fuel cell system using the same
WO2011083332A1 (en) Apparatus and method for adiabatic methane conversion
JP2013503031A (ja) 触媒反応モジュール
US20070258871A1 (en) Fuel Reforming Apparatus
US8992642B2 (en) Fuel processing system with temperature-control fluid circuit
US20020106596A1 (en) Catalytic burner element inside a fuel cell with structured catalytic coated surfaces
KR101246795B1 (ko) 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기
WO2013034934A1 (en) Catalytic method using a plate-type reactor
KR20240017375A (ko) 금속 더스팅이 감소된 열교환 반응기
AU2011204498B2 (en) Apparatus and method for adiabatic methane conversion
TW201317049A (zh) 催化反應方法
WO2013076460A1 (en) Removal of carbon from a catalytic reaction module

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM BY KG MD TJ

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AZ KZ TM RU