EA019000B1 - Каталитический реакционный модуль - Google Patents

Abstract

Каталитический реакционный модуль (10) для проведения эндотермической реакции, такой как паровой реформинг метана, включает отдельные реакторные блоки (12), каждый реакторный блок ограничивается множеством первых и вторых проточных каналов (15, 16), расположенных поочередно внутри блока, с обеспечением теплового контакта между первым и вторым проточными каналами. Реакторные блоки (12а, 12b) могут быть расположены и соединены для ряда потоков горючей газовой смеси в первых проточных каналах (15), а также газовой смеси, вступающей в эндотермическую реакцию во вторых проточных каналах (16). Это обеспечивает проведение процесса горения по стадиям с возможностью охлаждения газообразных продуктов горения между стадиями и введением дополнительного топлива и дополнительного воздуха.

Description

Настоящее изобретение относится к каталитическому реакционному модулю с каналами для проведения эндотермической химической реакции, такой как паровой реформинг, в которой тепло обеспечивает реакция сжигания в соседних каналах, и к способу осуществления эндотермической химической реакции на данном модуле и к регулированию данного модуля.

Установка и способ описаны в \УО 2005/102511 (СТЬ М1сгозу81ет8 АС), в которой метан взаимодействует с паром с образованием оксида углерода и водорода в первом каталитическом реакторе; образующаяся газовая смесь используется затем для проведения синтеза Фишера-Тропша во втором каталитическом реакторе. Реакцию реформинга обычно проводят при температуре приблизительно 800°С, а требуемое тепло может быть обеспечено каталитическим сжиганием в каналах, соседних с теми, в которых протекает реформинг, каналы сжигания содержат катализатор, который может включать палладий или палладий/платину на носителе из оксида алюминия в форме тонкого покрытия на металлическом субстрате. Легковоспламеняющаяся газовая смесь, такая как смесь метана и воздуха, подается в каналы горения. Горение протекает на поверхности катализатора без пламени. Однако было установлено, что реакция горения протекает наиболее интенсивно вблизи начала канала горения, что может привести к неподходящему распределению температуры вдоль канала, хотя данная проблема может быть преодолена постадийным впрыском топлива вдоль канала горения, альтернативное решение было бы желательным.

Согласно настоящему изобретению разработан каталитический реакционный модуль для осуществления эндотермической реакции, модуль включает множество отдельных реакторных блоков, каждый реакторный блок образован множеством первых и вторых проточных каналов, расположенных поочередно внутри блока, чтобы обеспечить тепловой контакт между первыми и вторыми проточными каналами, реакторные блоки выполнены и соединены для последовательного прохождения газовой смеси для подвергания эндотермической реакции в первые проточные каналы и также для протекания горючей газовой смеси во вторые проточные каналы, так что эндотермическая реакционная смесь проходит последовательно через реакторные блоки.

Подразумевается, что реакторные блоки являются раздельными в том смысле, что они имеют четкие и раздельные входы и выходы для газовой смеси. Реакторные блоки могут также быть физически разделены, то есть расположены на расстоянии друг от друга, или они могут быть соединены вместе, например в виде пакета.

Предпочтительно модуль расположен так, что горючая газовая смесь, поступающая в реакторный блок, находится при повышенной температуре, но ниже ее температуры самовоспламенения, температура повышается, по меньшей мере, частично в результате сгорания горючей газовой смеси в одном или нескольких реакторных блоках. Действительно предпочтительно горючая газовая смесь, поступающая в каждый реакторный блок в модуле, находится при такой повышенной температуре. По меньшей мере, для некоторых блоков температура может быть повышена в результате теплообмена с газами, выходящими из вторых газовых проточных каналов одного или нескольких реакторных блоков. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения горючая газовая смесь размещается так, что протекает последовательно через реакторные блоки в том же порядке, что и эндотермическая газовая смесь. В данном случае горючая газовая смесь, подаваемая во второй или последующие реакторные блоки, находится при повышенной температуре как результат того, что она, по меньшей мере, частично сгорает в предшествующем реакторном блоке ряда.

Горючая газовая смесь включает топливо (такое как метан) и источник кислорода (такой как воздух). Предпочтительно между последовательными реакторными блоками имеется средство для обработки вытекающей газовой смеси, которая претерпела горение, например для изменения ее температуры или для введения и смешения дополнительного топлива. Может также быть желательным между последовательными реакторными блоками установить средство для введения дополнительного воздуха в вытекающую газовую смесь, которая образуется при горении. Установкой средства введения топлива между различными реакторными блоками и установкой средства введения воздуха можно достичь большего контроля над распределением температуры. Например, если имеется два реакторных блока в ряду, доля топлива, вводимого на первой стадии, предпочтительно составляет величину между 50 и 70% от общей потребности в топливе, остальное топливо поступает на вторую стадию.

Изобретение также относится к способу осуществления эндотермической реакции, где тепло, необходимое для эндотермической реакции, обеспечивают за счет реакции горения в соседнем к эндотермической реакции канале, причем эндотермическую реакцию проводят на множестве последовательных стадий. Эндотермической реакцией может быть паровой реформинг метана, и в этом случае предпочтительно температура в каналах эндотермической реакции повышается на первой стадии от величины между 675 и 700°С до приблизительно 690°С, и на второй стадии повышается от величины между 730 и 800°С, предпочтительно до приблизительно 760°С. В предпочтительном варианте реакцию горения проводят по меньшей мере на двух последовательных стадиях с обработкой смеси газообразных продуктов горения, выходящей с одной стадии, перед ее введением на следующую стадию.

Обработка смеси газов горения между последовательными стадиями предпочтительно включает изменение ее температуры и добавление дополнительного топлива. Снижая температуру газа перед до

- 1 019000 бавлением дополнительного топлива, можно избежать самовоспламенения.

Осуществляя процесс сжигания на ряде стадий, используя отдельные реакторные блоки, реализуют преимущества постадийного впрыска топлива - например, более равномерного распределения температуры вдоль реакционного модуля - одновременно избегая возникновения потенциальных проблем. В частности, это позволяет охлаждать смесь газов горения между последовательными стадиями перед введением дополнительного топлива, что может гарантировать отсутствие самовоспламенения. Обработка смеси газов горения между последовательными реакторными блоками происходит внутри модуля, но не внутри реакторных блоков.

Предпочтительно первые проточные каналы и вторые проточные каналы проходят параллельно внутри реакторного блока, и смесь газов горения и эндотермическая реакционная смесь проходят в одном направлении (прямотоком). Предпочтительно проточные каналы имеют длину по меньшей мере 300 мм, более предпочтительно по меньшей мере 500 мм, но предпочтительно не длиннее 1000 мм. Предпочтительная длина находится между 500 и 700 мм, например 600 мм. Установлено, что работа в режиме прямотока обеспечивает лучший температурный контроль и меньший риск возникновения проблемных участков.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый первый проточный канал (каналы для эндотермической реакции) и каждый второй проточный канал (каналы для реакции горения) содержит сменную каталитическую систему для катализа соответствующей реакции, каждая каталитическая система предпочтительно содержит металлическую подложку и вводит соответствующий каталитический материал. Предпочтительно каждая данная каталитическая система имеет такую форму, которая подразделяет проточный канал на множество параллельных проточных подканалов. Предпочтительно каждая каталитическая система включает керамический материал носителя на металлическом субстрате, который обеспечивает носитель для катализатора.

Металлический субстрат дает прочность каталитической системе и ускоряет теплоперенос за счет теплопроводности. Предпочтительно металлический субстрат изготовлен из стального сплава, который при нагревании образует адгезионное поверхностное покрытие на оксиде алюминия, например ферритный стальной сплав, который включает алюминий (например, Реста11оу™). Субстратом может быть фольга, проволочная сетка или войлочный лист, который может быть рифленым, с вдавленными ямочками или складчатым; предпочтительный субстрат представляет тонкую металлическую фольгу, например, толщиной менее 100 мкм, которая является рифленой и ограничивает продольные подканалы.

Каждый реакторный блок может включать пакет из пластин. Например, первый и второй проточные каналы могут быть определены канавками в соответствующих пластинах, пластины собраны стопкой, а затем соединены вместе. В альтернативном случае проточные каналы могут быть определены тонкими металлическими листами, которые имеют зубчатый край и сложены стопкой поочередно с листами; края проточных каналов могут быть ограничены уплотнительными полосками. Чтобы обеспечить требуемый хороший термический контакт, оба первый и второй проточные каналы могут быть шириной между приблизительно 3 и 25 мм. Пакет пластин, образующих реакторный блок, соединен вместе, например, диффузионным креплением, спайкой или горячим изостатическим прессованием.

Предпочтительно на входе каждого проточного канала для горения установлен пламегаситель, чтобы предотвратить продвижение пламени обратно в горючую смесь, вводимую в канал горения. Он может находиться внутри зоны ввода в каждый канал горения, например, в форме некаталитической вставки, которая подразделяет часть канала горения рядом со входом на множество узких протоков, которые не шире максимального зазора, для предотвращения роста пламени. Например, данная некаталитическая вставка может быть рифленой в продольном направлении фольгой или множеством продольно рифленых листов фольги в стопке. В альтернативном случае или дополнительно, когда горючий газ подают из магистральной трубы, тогда данный пламегаситель может быть расположен внутри магистральной трубы.

Настоящее изобретение также относится к способу осуществления эндотермической реакции, такой как паровой реформинг, с использованием данного реакционного модуля. Объединяя воздух с вытекающей газовой смесью, которая образуется при горении, перед введением дополнительного топлива, температуру горючей смеси можно поддерживать ниже температуры самовоспламенения, обеспечивая тем самым протекание горения как гетерогенной реакции на поверхности каталитической системы (а не как протекание реакции в газовой фазе).

Осуществление парового реформинга метана таким путем обеспечивает проведение технологической операции с высокой объемной скоростью внутри каждого блока, например, между 10000 и 60000 ч^-1, достигая при этом более 90% равновесной конверсии. Аналогичным образом реакцию горения предпочтительно проводят с объемной скоростью между 20000 и 70000 ч^-1. Объемная скорость в настоящем документе означает объем газа, подаваемого в реактор, в час, измеренный при стандартной температуре и давлении (0°С и 1 атм), как многократный свободный объем соответствующих реакторных каналов.

Изобретение также относится к способу регулирования горения; и оно относится к способу минимизации термических напряжений в компактном каталитическом реакторе.

Далее изобретение будет рассмотрено дополнительно и более конкретно только на примерах и с ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

- 2 019000 фиг. 1 показывает схематический вид сбоку реакционного модуля согласно изобретению;

фиг. 2 показывает графически изменение температуры по реакторному модулю фиг. 1 и соответствующее изменение конверсии в реакции парового реформинга метана;

фиг. 3 показывает систему, в которой парометановая смесь подается в модуль фиг. 1;

фиг. 4 показывает систему, которая содержит модуль, показанный на фиг. 1; и фиг. 5 показывает технологическую схему альтернативного реакторного модуля согласно изобретению.

Реакция парового реформинга метана проводится смешением пара и метана и осуществлением контакта смеси с подходящим катализатором при повышенной температуре, так что пар и метан взаимодействуют с образованием оксида углерода и водорода (который можно назвать синтез-газом или сингазом). Реакция парового реформинга является эндотермической, и тепло обеспечивает каталитическое горение, например, метана, смешанного с воздухом. Горение происходит над катализатором горения внутри соседних проточных каналов внутри реактора реформинга. Предпочтительно смесь пар/метан предварительно нагревают, например, до температуры свыше 600°С, перед введением в реактор. Температура в реакторе реформинга поэтому обычно повышается от выше приблизительно 600°С на входе до приблизительно 750-800°С на выходе.

Общее количество топлива (например, метана), которое требуется, такое, какое необходимо для обеспечения теплом эндотермической реакции, для повышения температуры газов (теплосодержание) и для любых потерь тепла в окружающую среду; количество требуемого воздуха составляет на 10% больше, чем необходимо для взаимодействия с данным количеством топлива.

Далее касательно фиг. 1, на ней представлен реакционный модуль 10, подходящий для использования в качестве реактора парового реформинга. Реакционный модуль 10 состоит из двух реакторных блоков 12а и 12Ь, каждый из которых состоит из пакета пластин, которые являются прямоугольными в поперечном сечении, каждая пластина изготовлена из коррозионностойкого жаропрочного сплава. Плоские пластины расположены поочередно с зазубренными пластинами (пластинами с зубцами), так чтобы сформировались сквозные каналы между противоположными концами пакета, каждый канал имеет активную часть длиной 600 мм. Например, высота зазубрин (зубцов) (обычно в интервале 2-10 мм) может быть 3 мм в первом примере, или может быть 10 мм во втором примере, тогда как длина волны зазубрин может быть такой, что последовательные связки находятся на расстоянии 20 мм в первом примере или могут отстоять на 3 мм во втором примере. Все каналы проходят параллельно друг другу, существуют держатели, так что смесь пар/метан может быть направлена в первое множество каналов 15, и смесь воздух/метан может быть направлена во второе множество каналов 16, первый и второй каналы чередуются в пакете (каналы 15 и 16 представлены схематично), так что верхние и нижние каналы в пакете, оба, являются каналами 16 горения. Соответствующие катализаторы для соответствующих реакций обеспечиваются на рифленой фольге (не показано) в активных частях каналов 15 и 16, так что доля полостей составляет приблизительно 0,9. На входе каждого из каналов 16 горения предусмотрен пламегаситель 17.

Например, может быть свыше пятидесяти таких зазубренных пластин (пластин с зубцами) в каждом пакете.

Смесь пар/метан протекает через реакторные блоки 12а и 12Ь последовательно, причем существует труба 20, соединяющая выход из каналов 15 первого реакторного блока 12а со входом каналов 15 второго реакторного блока 12Ь. Аналогично, смесь газов горения также протекает через реакторные блоки 12а и 12Ь последовательно, существует труба 22, соединяющая выход из каналов 16 первого реакторного блока 12а со входом каналов 16 второго реакторного блока 12Ь. Труба 22 имеет вход 24 для дополнительного воздуха, за ним статический смеситель 25 и затем вход 26 для дополнительного топлива, после которого установлен другой статический смеситель 27.

При использовании реакционного модуля 10 смесь пар/метан предварительно нагревают до 620°С и подают в реакционный модуль 10 для прохождения через реакторные блоки 12а и 12Ь. Смесь 80% требуемого воздуха и 60% требуемого метана (в качестве топлива) предварительно нагревают до 550°С, что ниже температуры самовоспламенения для данной композиции, и направляют в первый реакторный блок 12а. В обоих случаях предварительный нагрев может быть осуществлен путем теплообмена с отработанными газами, которые сгорели внутри модуля 10. Температура растет в результате горения на катализаторе, и газы, которые образуются при таком сгорании, выходят при температуре приблизительно 700°С. Их смешивают с остальными 20% требуемого воздуха (на входе 24 с помощью статического смесителя 25), а затем с остальными 40% требуемого метана (на входе 26 и с помощью статического смесителя 27), так что газовая смесь, подаваемая в каналы 16 сжигания второго реакторного блока 12Ь, имеет температуру приблизительно 600°С, что вновь ниже температуры самовоспламенения данной смеси (которая содержит водяной пар и углекислый газ как следствие сгорания на первой стадии). Регулируя температуру добавляемого дополнительного воздуха на входе 24, можно регулировать температуру образующейся смеси на уровне ниже температуры самовоспламенения.

В качестве примера, расходы газа могут быть такими, что объемная скорость находится предпочтительно между 14000 и 20000 ч^-1 и возможно более предпочтительно между 15000 и 18000 ч^-1 для каналов парового реформинга метана (имея в виду реакторный модуль 10 в целом) и предпочтительно составляет

- 3 019000 величину между 19000 и 23000 ч^-1 для каналов горения (имея в виду реакционный модуль 10 в целом).

Далее касательно фиг. 2, на ней представлены графически изменения температуры Т по длине Ь каналов 16 горения (обозначены А) и по длине каналов 15 реформинга (обозначены В). Часть кривой между Ь=0 и Ь=0,6 м соответствует первому реакторному блоку 12а, тогда как часть кривой между Ь=0,6 м и Ь=1,2 м соответствует второму реакторному блоку 12Ь. Следует отметить, что температура Т в каналах 15 реформинга, как только горение началось, всегда ниже, чем температура Т в соседнем канале 16 горения. Температура продуктов горения постепенно падает в результате добавленного воздуха (с ввода 24) между первым реакторным блоком 12а и вторым реакторным блоком 12Ь (в положении Ь=0,6 м). Изменение степени конверсии метана, С, в реакции парового реформинга по длине Ь показано кривой, обозначенной Р. Конверсия возрастает непрерывно в реакционном модуле 10 и достигает величины приблизительно 80%, которая близка к равновесной конверсии в условиях реакции.

Следует понимать, что регулирование объемных скоростей в каналах горения и в каналах реформинга и регулирование соотношения топлива и воздуха, подаваемых на сжигание в каждый реакторный блок, гарантирует удовлетворительное распределение температуры в реакторном блоке и минимальные тепловые напряжения в каждом реакторном блоке. Это обеспечивает безопасную работу реакторного блока без риска повреждения реакторных блоков. Будет также понятно, что изменения температуры и конверсии, показанные на фиг. 2, являются только пояснительными, и что распределение температуры и, следовательно, конверсия будут несколько отличаться, например, если катализаторы горения изменены или если изменено отношение топлива к воздуху.

Будет понятно, что представленное выше описание является лишь примером, и могут быть сделаны многочисленные изменения в пределах объема притязаний настоящего изобретения. Например, размеры каналов 15 и 16 и реакторных блоков 12 могут отличаться от тех, что указаны выше. Соотношения воздуха и метана, подаваемых в первый реакторный блок 12а, могут отличаться от соотношений, упомянутых выше. Доля топлива, вводимого первоначально, может быть между 50 и 65%, более предпочтительно 55%, а остальные 35-50%, предпочтительно 45% распределяются между блоками 12а и 12Ь, например, 100% требуемого воздуха и 65% требуемого топлива могут быть введены первоначально; а остальные 35% топлива могут быть распределены между блоками 12а и 12Ь, хотя в этом случае может быть желательным установить теплообменник (не показан) для охлаждения выводимых газов и обеспечения температуры ниже температуры самовоспламенения. В каждом случае дополнительное топливо предпочтительно вводят в газовую смесь, то есть, ниже температуры самовоспламенения для газовой смеси в превалирующих условиях состава газа и давления. Если только часть воздуха вводится первоначально, как описано выше, данная доля предпочтительно составляет по меньшей мере 50% и предпочтительно больше 90%, более предпочтительно между 75 и 85% и наиболее предпочтительно 80%, как в примере, данном выше.

Следует понимать, что несущая катализатор фольга в каналах 15 и 16 предпочтительно проходит по всей длине соответствующих каналов, отдельно от внутренней части канала 16 горения, занятой пламегасителем 17. В модификации в начальной части каждого канала 15 реформинга нет катализатора реформинга, данная исходная бескатализаторная часть длиннее, чем длина пламегасителя 17, так что газовая смесь, которая должна претерпеть реформинг, предварительно нагревается до того, как она достигнет катализатора реформинга.

Следует понимать, что когда топливный газ состоит из или содержит значительную концентрацию (> 5%) соединений, таких как Н₂ и СО, которые имеют быструю кинетику горения по сравнению с метаном, можно использовать больше двух реакторных блоков и участки внутристадийного смешения, чтобы регулировать температурный профиль в реакторном модуле и предотвратить возникновение проблемных участков и отрицательных температурных градиентов.

Возможность менять соотношения топлива и воздуха, подаваемых на каждую стадию, также может быть использовано для компенсации снижения каталитической активности во времени. Другим преимуществом данной компоновки является возможность рециркуляции некоторого количества получаемого сингаза на стадии смешения с топливом для сохранения температурного профиля в реакторном модуле по мере дезактивирования катализатора горения во времени.

Как будет понятно, что паровой реформинг метана может составлять часть процесса превращения метана в углеводороды с более длинной цепочкой, синтетический газ, образующийся при реформинге, может быть затем использован в синтезе Фишера-Тропша. В альтернативном случае синтетический газ может быть подвергнут каталитической обработке с получением метанола. Паровой реформинг метана на любой такой установке может быть осуществлен с использованием одного или нескольких реакционных модулей 10, как описано выше. Предпочтительная установка включает несколько данных реакционных модулей, расположенных параллельно, так что производительность установки может регулироваться изменением числа используемых реакционных модулей.

В реакционном модуле 10, показанном на фиг. 1, рассматривая только каналы 16 горения, платинопалладиевый катализатор может быть использован в обоих реакторных блоках 12а и 12Ь. В альтернативном случае катализатор может отличаться в двух реакторных блоках 12а и 12Ь. Например, катализатор в первом реакторном блоке 12а может быть платино-палладиевым, а катализатор во втором реакторном

- 4 019000 блоке 12Ь может быть только палладиевым. Будет понятно, что парциальное давление кислорода внутри второго реакторного блока 12Ь меньше, чем парциальное давление кислорода в первом реакторном блоке 12а из-за горения, которое имеет место. Если платино-палладиевый катализатор используется во втором реакторном блоке 12Ь, возникает проблема, так как данное низкое парциальное давление кислорода способствует трансформации оксида палладия в металлический палладий, а металлический палладий менее эффективен как катализатор горения, чем оксид палладия. Следовательно, может быть преимущество от использования только платинового катализатора внутри второго реакторного блока 12Ь или от использования платино-палладиевой смеси с высокой долей платины во втором реакторном блоке 12Ь. Платина является каталитически активной скорее в металлической форме, чем в форме оксида, и поэтому на активность катализатора отрицательно не влияет низкое парциальное давление кислорода внутри второго реакторного блока 12Ь. В качестве другого альтернативного варианта только платиновый катализатор может быть использован в обоих реакторных блоках 12а и 12Ь. Однако платиновый катализатор имеет более низкую температуру свечения, чем платино-палладиевый катализатор, так что он не так пригоден для использования в первом реакторном блоке 12а, и, кроме того, парциальное давление кислорода выше в первом реакторном блоке 12а, и поэтому только платиновый катализатор не обеспечивает того же преимущества, какое он обеспечивает во втором реакторном блоке 12Ь.

Альтернативный реакционный модуль 100 показан на фиг. 5, на которую далее будет дана ссылка, компоненты которого являются теми же, что и компоненты модуля 10, рассматриваемого в тех же ссылках. Реакционный модуль 100 состоит из двух реакторных блоков 12а и 12Ь, представленных схематически, и смесь пар/метан протекает через реакторные блоки 12а, 12Ь последовательно по трубопроводу 20, как описано выше. Отдельные смеси для сжигания подаются в каждый из реакторных блоков 12а и 12Ь, а отработанные газы, выходящие из каналов 16 горения обоих реакторных блоков 12а и 12Ь, направляют в общий вентиляционный канал 102 (выход 102) (или в два отдельных вентиляционных клапан отработанных газов). Смесь для сжигания, подаваемая во второй реакторный блок 12Ь, предварительно нагревается до 550°С, что ниже ее температуры самовоспламенения, путем предварительного нагревания воздуха и топлива в теплообменниках 104 и 105, нагретых отработанными газами в вентиляционном канале 102, затем предварительно нагретые воздух и топливо смешиваются в смесителе 27 (смесь для сжигания, вводимая в первый реакторный блок 12а, может быть предварительно нагрета аналогичным образом).

Смесь для сжигания, вводимая в первый реакторный блок 12а модуля 100, может иметь тот же состав, что и смесь, вводимая во второй реакторный блок 12Ь. Следовательно, 50% общей потребности в топливе может быть введено в первый реакторный блок 12а, а остальные 50% во второй реакторный блок 12Ь, каждый блок обеспечивается одинаковым объемом воздуха. Однако следует отметить, что объем топлива, вводимого в первый реакторный блок 12а, может быть таким же, что подается в первый реакторный блок модуля 10. Соответственно, общее количество топлива, вводимого в модуль 100, может быть больше, чем количество топлива, вводимого в модуль 10.

В альтернативном случае, в первый реакторный блок 12а может быть введено несколько большее количество от общей потребности в топливе, например 55%, а остальные 45% общей потребности вводят во второй реакторный блок 12Ь. Выпуская по меньшей мере часть отработанных газов из реакции горения первой стадии, снижают процент образующихся газов/водяного пара и углекислого газа в каналах второго реакторного блока 12Ь по сравнению с тем же блоком на фиг. 1. Это, в свою очередь, способствует повышению парциального давления кислорода во втором реакторном блоке 12Ь. Следовательно, палладий/платиновый катализатор подходит для применения в каналах 16 горения обоих реакторных блоков 12а и 12Ь. Распределение температуры по модулю 100, по существу, такое же, что рассмотрено применительно к фиг. 2 модуля 10, и общая конверсия, достигаемая в каналах парового реформинга метана, является, по существу, такой же.

Далее касательно фиг. 3, на которой показана схема системы 30 для подачи смеси пар/метан в модуль реформинга 10, как описано выше, или в модуль реформинга 100, как описано выше, как часть установки по переработке природного газа.

Перерабатывающая установка в данном примере превращает природный газ в углеводородные продукты с большей длиной углеродной цепи. Природный газ сначала кондиционируют для удаления примесей, таких как ртуть или сера, и обеспечивают поток сырья из чистого природного газа обычно приблизительно 90% метана с небольшим процентным содержанием других алканов. Он используется для получения синтетического газа путем парового реформинга метана. Синтетический газ подвергают синтезу Фишера-Тропша с получением углеводородов с более длинной цепочкой, оставляя остаточный газ; данный остаточный газ может состоять главным образом из короткоцепочечных алканов, оксида углерода, углекислого газа, водяного пара и водорода.

Система 30 предназначена для использования в такой технологической установке и в данном примере снабжена тремя вводимыми потоками: потоком сырья 31 из чистого природного газа, подачи потока 32, и остаточного газа 33, рециркулируемого из установки синтеза Фишера-Тропша. Система 30 образует смесь, содержащую природный газ и пар, и подвергает ее предварительному реформингу, например, при использовании никелевого катализатора, в реформинг-установке 35 предварительного реформинга с превращением любых С2+ углеводородов (этан, пропан и т.д.) в метан, оксид углерода и водород. Пото

- 5 019000 ки в идеальном случае являются такими, что молярное отношение пар:метан после предварительного реформинга составляет величину между 1,4 и 1,6 к 1. Образующаяся газовая смесь 36 состоит главным образом из метана и пара и подается в один или несколько реакторных модулей 10 реформинга, как описано выше.

Система 30 включает систему управления 38 для регулирования отношения пара к углероду (либо в метане, либо другом алкане), который поступает в реформинг-установку 35 предварительного реформинга. В процессе нормальной работы отношение пар:углерод будет составлять приблизительно 1,4 к 1, но в момент старта используется более высокая доля пара, чтобы избежать коксования катализатора в модуле 10 реформинга, пока температуры катализатора повышаются до их заданных значений. Датчики расхода 40 измеряют расход входящих потоков 31, 32 и 33 и передают данные в регулятор 42 расхода. Регулятор 42 расхода приводит в действие регулирующий клапан 44 с установкой расхода пара и обеспечения, таким образом, требуемого отношения пара к углероду. Сигналы от датчика расхода 40, измеряющего расход исходного газа 31, также передаются в регулятор расхода 46, который приводит в действие вентиляционный клапан 48 для отвода любых пиковых расходов исходного газа из системы 30, например, в факел для сжигания (не показан).

Теплообменник 50 установлен для нагревания потока 33 рециркуляционного остаточного газа до той же температуры, что и поток 32 и исходный газ 31, который на данной установке ранее нагревался до повышенной температуры. Газовые потоки 31, 32 и 33 затем смешивают и полученную газовую смесь затем дополнительно нагревают в системе 52 предварительного подогрева до желательной температуры ввода в установку 35 предварительного реформинга, обычно приблизительно до 425°С.

Расходы исходного газа 31 и остаточного газа 33, измеренные соответствующими датчиками расхода 40, но учитывающие эффект от вентиляционного клапана 48, рассчитываются и передаются в позиции 54 для регулирования модуля 10 парового реформинга метана (как описано ниже).

Реакция в установке 35 предварительного реформинга может быть катализирована предварительно восстановленным и стабилизированным катализатором на основе никеля. Поскольку остаточный газ 33 входит в состав газовой смеси, газовая смесь содержит оксид углерода и углекислый газ, и, соответственно, реакция в установке предварительного реформинга является слегка экзотермической, и температура возникающего выходящего потока 36 составляет приблизительно 540°С.

Регулирование температуры и состава смеси, поступающей в установку 35 предварительного реформинга необходимо для того, чтобы защитить катализаторы в установке 35 предварительного реформинга и реакционном модуле 10 реформинга. Например, пар не следует вводить, если существуют условия конденсации, например, если температура внутри установки 35 предварительного реформинга составляет меньше 180°С. Пар также не может проходить через установку 35 предварительного реформинга сам по себе в течение более 15 мин, иначе катализатор может начать претерпевать необратимую реакцию окисления. Чтобы предотвратить окисление катализатора, поток 32 должен быть смешан, по меньшей мере, с небольшим количеством водорода или природного газа, например 10 мол.%. Установка 35 предварительного реформинга может пропускать природный газ до 200°С без ущерба, но катализатор будет разрушаться за счет коксования в течение приблизительно 20 с, если природный газ проходит над катализатором при температуре выше 250°С. Поэтому важно отключить исходный поток 31 природного газа, если прекращается подача пара 32, и поток 33 остаточного газа также должен быть отключен. И в установке 35 предварительного реформинга не должно сбрасываться давление быстрее, чем 1 бар/мин, во избежание повреждения катализатора, и она не должна нагреваться или остывать быстрее, чем 1°С/мин.

Рассмотрим далее фиг. 4, на которой представлена схема системы 60 регулирования режима работы модуля 10 парового реформинга, который представлен на фиг. 1. Источниками газа в данном случае являются обессеренный природный газ 61 как топливо; газовая смесь 36 из установки 35 предварительного реформинга и вдуваемый воздух 62. Газовая смесь 36, которая состоит, главным образом, из пара и метана, направляется в контур управления, включающий передатчик 64 давления, который направляет данные по давлению газовой смеси 36 в регулятор 65 давления; регулятор 65 давления может регулировать расход с помощью контрольного клапана 66 и может открывать вентиляционный клапан 67 для сброса газовой смеси в факел, если давление газовой смеси 36 превышает заранее заданный порог безопасности по давлению для реакционного модуля 10. Газовая смесь 36 затем направляется через установку 68 предварительного подогрева в реакционный модуль 10.

Реакционный модуль 10 также снабжается смесью вдуваемого воздуха 62 и обессеренного природного газа 61 для реакций горения. Вдуваемый воздух 62 сначала нагревается в устройстве 604 предварительного подогрева, а затем его температуру измеряют датчиком 605 температуры. Расход воздуха, подаваемого в модуль 10, регулируется клапаном 606 в ответ на контрольные сигналы от регулятора 70. Регулятор 70 принимает данные от датчика 605 температуры и также от датчика 607 кислорода на выходе газов горения из второго модуля 12Ь.

Вдуваемый воздух 62 после прохождения через клапан 606 разделяется на первый воздушный поток, вводимый через теплообменник 610 в статический смеситель 618 (для смешения с топливным газом) на входе в первый реакционный модуль 12а, и второй воздушный поток, вводимый через теплообменник

- 6 019000

611 на вход 24 статического смесителя 25 на выходе из первого реакционного модуля 12а. Доля первого и второго воздушного потока регулируется клапаном 608 во втором воздушном потоке. Данный клапан 608 управляется регулятором 72, который принимает входящие сигналы от датчика 609 температуры на выходе из статического смесителя 25 и датчика 74 расхода на входе в клапан 608. Теплообменники 610 и 611 могут управляться по отдельности, теплообменник 610 нагревает воздух до температуры приблизительно 500°С, пока нагреватель 611 второй стадии нагревает воздух до температуры в области 300°С.

Обессеренный газ 61, который является топливом для сжигания, регулируется аналогично тому, как и вдуваемый воздух 62, хотя, как пояснено выше, смесь, подаваемая в первый реакторный блок 12а, может состоять из 80% требуемого воздуха и 55% или 60% требуемого топлива. Остальная часть требуемого воздуха и остальная часть требуемого топлива вводится через статические смесители 25 и 27 между первым реакторным блоком 12а и вторым реакторным блоком 12Ь. Поток 61 топлива разделяют на два потока: первый поток проходит через контрольный клапан 614 и теплообменник 616 на статический смеситель 618 на входе в первый реакторный блок 12а, а второй поток проходит через контрольный клапан 615 и теплообменник 617 на вход 26 статического смесителя 27. Первый поток нагревается приблизительно до 500 или 550°С в теплообменнике 616, тогда как второй поток нагревается приблизительно до 300°С в теплообменнике 617.

Общий контроль системы 60 обеспечивает регулятор 612. Регулятор 612 принимает сигналы 54, указывающие расходы природного газа 31 и остаточного газа 33 (см. фиг. 3), из которых он может вычесть расход метана для реформинга. Регулятор 612 также принимает данные от датчика 613 температуры на выходе из второго реакторного блока 12Ь. Он также принимает данные от регулятора 70 по расходу вдуваемого воздуха 62. Регулятор 612 регулирует расход топлива через клапаны 614 и 615, подавая сигналы на соответствующие регуляторы 76 и 78 клапанов, которые также принимают данные по расходу от датчиков 77 и 79 расхода. Регулятор 612 также регулирует расход вдуваемого воздуха 62 через клапан 60 6, подавая управляющие сигналы на регулятор 70.

Таким образом, управление системой 60, подачей воздуха в модуль 10, то есть, расходом вдуваемого воздуха 62, осуществляется регулятором 612 и регулятором 70 в соответствии с количеством метана для реформинга. Если содержание кислорода, определенное датчиком 607 на выходе из модуля 10, снижается, тогда клапан 606 регулирует и увеличивает расход вдуваемого воздуха 62 в модуль 10. Если содержание кислорода повышается, тогда расход вдуваемого воздуха 62 в модуле 10 снижается и пропорционально снижается расход топлива 61.

Расход топлива 61 также регулируется в соответствии с количеством метана для реформинга. Помимо этого, если температура, измеренная датчиком 613 на выходе из модуля 10, становится чрезвычайно высокой, тогда расход топлива 61 в обоих реакторных блоках 12а и 12Ь будет снижен. С другой стороны, если температура, измеренная датчиком 609 на выходе из статического смесителя 25, поднимается, подача воздуха на ввод 24 статического смесителя 25 повышается (или в альтернативном случае теплообменник 611 может быть отрегулирован для обеспечения более низкой температуры). Это гарантирует, что газовая смесь в смесителе 27 находится ниже температуры ее самовоспламенения.

Система для операции управления модуля 100 парового реформинга, показанная на фиг. 5, может быть аналогична системе 60, описанной выше, за исключением того, что выход из каналов горения первого реакторного блока 12а вентилируется, и подается новая смесь воздуха и топлива. Поэтому нет необходимости в статическом смесителе 25, работает только смеситель 27. В модуле 100 температуры и количества газа, вводимого на две стадии, могут регулироваться независимо, и температура воздуха и топлива для второго реакторного блока 12Ь, регулируемая теплообменниками 611, 617 (которые соответствуют теплообменникам 105 и 104 фиг. 5), соответственно, могут достигать 500 или 550°С (в отличие от 300°С, как рассмотрено выше).

Система управления 30 рассмотрена с точки зрения получения двух источников углеводородов: природного газа 31 и остаточного газа 33. Будет ясно, что это показано только в качестве примера, так как требованием является только обязательное наличие по меньшей мере одного источника газа, который содержит углеводороды, обычно источник природного газа. Если доступен второй источник газообразных углеводородов, тогда он может вводиться аналогично остаточному газу 33. Например, когда обеспечены данная установка предварительного реформинга 35 и связанная с ней система управления 30 в контексте другой технологической установки, например технологической установки по производству метана, а не получения длинноцепочечных углеводородов, тогда может быть лишь один данный источник газа для установки предварительного реформинга 35, или также может быть использован остаточный газ другого состава, отличного от состава, который рассмотрен выше.

Claims (10)

1. Каталитический реакционный модуль для осуществления эндотермической реакции, содержащий множество отдельных реакторных блоков, каждый реакторный блок образует множество первых и вторых проточных каналов, расположенных поочередно внутри блока для обеспечения теплового контакта между первым и вторым проточными каналами, причем первые проточные каналы содержат катализатор

- 7 019000 для эндотермической реакции, а вторые проточные каналы содержат катализатор горения, причем реакторные блоки выполнены и соединены для последовательного прохождения газовой смеси для подвергания эндотермической реакции в первые проточные каналы, а также для последовательного прохождения горючей газовой смеси во вторые проточные каналы для сгорания, так что эндотермическая реакционная смесь протекает последовательно через реакторные блоки, причем между последовательными реакторными блоками модуль содержит средство введения дополнительного кислородсодержащего газа, за которым следует средство для введения дополнительного топлива, в газовую смесь, выходящую из вторых проточных каналов, которая образуется в результате горения.

2. Реакционный модуль по п.1, в котором модуль выполнен так, что горючая газовая смесь, вводимая в реакторный блок, находится при повышенной температуре, которая ниже температуры ее самовоспламенения, причем температура увеличивается, по меньшей мере, частично в результате сжигания горючей газовой смеси в одном или нескольких реакторных блоках.

3. Реакционный модуль по п.2, выполненный так, что горючая газовая смесь, поступающая в каждый реакторный блок в модуле, находится при указанной повышенной температуре.

4. Реакционный модуль по любому из предшествующих пунктов, в котором внутри реакторного блока первые проточные каналы и вторые проточные каналы проходят в параллельных направлениях, а горючая газовая смесь и эндотермическая реакционная смесь проходят в одном направлении.

5. Реакционный модуль по любому из предшествующих пунктов, в котором проточные каналы внутри каждого реакторного блока имеют длину по меньшей мере 300 мм, более предпочтительно по меньшей мере 500 мм, но предпочтительно не больше 1000 мм.

6. Реакционный модуль по любому из предшествующих пунктов, в котором на входе в каждый второй проточный канал установлен пламегаситель.

7. Способ осуществления эндотермической реакции с использованием реакционного модуля по любому из предшествующих пунктов, в котором тепло, необходимое для эндотермической реакции, обеспечивают за счет реакции горения в соседнем с эндотермической реакцией канале, причем эндотермическую реакцию и реакцию горения проводят на множестве последовательных стадий, по меньшей мере на двух последовательных стадиях с обработкой смеси газообразных продуктов горения, выходящей с одной стадии, перед ее введением на следующую стадию.

8. Способ по п.7, в котором обработка смеси газообразных продуктов горения включает изменение ее температуры и добавление дополнительного топлива.

9. Способ по п.8, в котором температуру изменяют добавлением газа или пара.

10. Система управления каталитическим реакционным модулем по п.1, которая содержит средство контроля расхода смеси, которая подвергается эндотермической реакции, и средство регулирования расхода смеси, которая подвергается сжиганию, в соответствии с проконтролированным расходом, причем средство управления расходом выполнено с возможностью обеспечения первого реакторного блока частью топлива между 50 и 70% от топлива, поступающего в модуль.