EA024238B1 - Установка и способ адиабатической конверсии метана - Google Patents

Установка и способ адиабатической конверсии метана Download PDF

Info

Publication number
EA024238B1
EA024238B1 EA201290615A EA201290615A EA024238B1 EA 024238 B1 EA024238 B1 EA 024238B1 EA 201290615 A EA201290615 A EA 201290615A EA 201290615 A EA201290615 A EA 201290615A EA 024238 B1 EA024238 B1 EA 024238B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
reactor
chamber
methane
gas
membrane
Prior art date
Application number
EA201290615A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201290615A1 (ru
Inventor
Рубен Дарио Родригес Кинтеро
Эрнесто Мануэль Сантана Диас
Джеймс Эндрю Бэнистер
Original Assignee
Гэс2 Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гэс2 Лимитед filed Critical Гэс2 Лимитед
Publication of EA201290615A1 publication Critical patent/EA201290615A1/ru
Publication of EA024238B1 publication Critical patent/EA024238B1/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
    • B01J19/2475—Membrane reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/58—Fabrics or filaments
    • B01J35/59—Membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C01B13/0229—Purification or separation processes
    • C01B13/0248—Physical processing only
    • C01B13/0251—Physical processing only by making use of membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/386—Catalytic partial combustion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/0015—Controlling the temperature by thermal insulation means
    • B01J2219/00155—Controlling the temperature by thermal insulation means using insulating materials or refractories
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Landscapes

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

Abstract

В этом документе описывается способ и установка для конверсии углеводородов. Более конкретно, в этом документе описывается способ и установка для адиабатической конверсии метана в синтетический газ (т.е. синтез-газ).

Description

Настоящее изобретение имеет отношение к способу и установке для конверсии углеводорода. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и установке для адиабатической конверсии метана в синтетический газ (например, синтез-газ).
Существуют три основные технологии, которые применяются для получения синтез-газа из метана: паровой реформинг; автотермальный реформинг и частичное окисление (каталитическое и некаталитическое). Наиболее часто используемыми являются автотермальный и паровой или их комбинация. Для обеих этих технологий требуется большое количество пара, который включают в систему подачи метана для предотвращения образования кокса и дезактивацию катализатора реформинга. Для достижения высокой энергетической эффективности большое количество явного и скрытого тепла, содержащегося в паре, должно быть регенерировано и возвращено обратно в процесс.
Некаталитическое частичное окисление не требует пара высокого давления, однако очень высокая температура процесса (>1200°С) создает свои собственные проблемы из-за энергоемкости процесса.
Одна современная некоммерческая технология частичного каталитического окисления метана применяет родиевые катализаторы. Было обнаружено, что родий в процессе окисления работает в высшей степени селективно с минимальным образованием кокса, позволяя проводить способ частичного окисления при значительно более низких температурах. В способе не требуется пар для работы установки, хотя многократно описано, что небольшие количества (10 об.% от загрузки метана) используются в качестве средства повышения соотношения водорода к монооксиду углерода для получения синтез-газа.
Простота системы, с небольшим количеством пара или без него, с более низкой рабочей температурой и очень активным катализатором обещает компактный и эффективный способ, который способен эффективно работать без больших паровых рециклов. Однако в процессах, описанных ранее в литературе до патентного документа И8 7641888 (ОоЪша и др ), для селективной реакции используется предварительно хорошо смешанное исходное сырье во взрывоопасных газовых пределах. Патентный документ И8 7641888 представлен здесь ссылкой. Это создает значительные проблемы безопасности, особенно, в работе и в предварительном нагреве соответствующих видов сырья. Безопасность реакции зависит от скоростей газового потока, которые поддерживаются с достаточно высокой скоростью, и не происходит проскок пламени у входного отверстия.
С изобретением реактора с двумя камерами, разделенными пористой каталитической мембраной, с перемешиванием и реакцией, одновременно имеющей место внутри реактора, безопасность системы была значительна улучшена.
Тем не менее, есть еще одна проблема, которая находится в неподвижном слое реактора частичного окисления и которая описана в литературе, но не упомянута в ОоЪша патенте. Это проблема перегревания катализатора. Позже было найдено, что подобная проблема может также возникнуть внутри описанного двухкамерного реактора с пористой мембраной. Шаги к преодолению этой проблемы в пределах простого адиабатического реактора являются предметом этого патента.
Частичное окисление метана является очень быстрой реакцией, которая протекает при температурах выше 600°С. Как правило, когда реакцию проводят, используя неподвижный слой катализатора, с предварительным смешиванием исходного сырья, включающего метан и кислород (молярное отношение газов 2:1), исходное сырье или катализатор предварительно подогревают до температуры по меньшей мере 400°С, при которой осуществляется первоначальный запуск катализатора (1оигиа1 о£ са(а1у818, 249 (2007) рр. 380-393 Ноги е( а1.), таким образом, катализатор начинает работать и достигается хорошая селективность к монооксиду углерода. Как только катализатор заработал при тепловом излучении, начинается перенос тепла через слой, что позволяет предварительно в достаточной степени подогревать входящий газ для поддержания реакции без предварительного нагрева. Температура газов, проходящих через катализатор, быстро поднимается, и при адиабатических условиях (без потери тепла) синтетические газы, покидающие реактор, могут иметь температуру свыше 900°С. Также выгодно, если реакцию можно было бы проводить при повышенном давлении, поскольку большинство процессов, которые используют синтез-газ для получения другого химического вещества, работают при повышенном давлении и затраты на сжатие потоков компонентов сырья (включая метан и кислород) меньше, чем на сжатие получаемого синтез-газа. Это происходит преимущественно в результате повышения объемов газа, которые сопровождают реакцию. У процесса частичного окисления метана, как описано в патентном документе И8 7641888 (ОоЪша), оказывается, имеются аналогичные особенности, в том смысле, что наиболее выгодно проводить реакцию при повышенной температуре и давлении.
При температуре свыле 600°С пределы прочности обыкновенных материалов конструкции (например, 88 316) технологических аппаратов значительно уменьшаются. Кроме того, совместимость материалов для избежания коррозии, представляет проблемы. Следовательно, в резервуарах, эксплуатирующихся под давлением, при работе с высокой температурой часто требуется футеровка более экзотическими материалами для предотвращения коррозии, а также может потребоваться высокопрочный сплав.
Альтернативой конструкции с необычным сплавом (например, 800 НТ) является огнеупорная футеровка внутренней части резервуара для уменьшения теплопередачи к наружной стенке, работающей под давлением, так чтобы тепловые потери во внешнюю среду поддерживались на уровне значительно более низком, чем температура газов внутри реактора Следовательно, требования к материалу элемента конст- 1 024238 рукции понижаются, и может применяться более дешевый материал с более низкими техническими характеристиками.
Кроме того, если реакцию можно успешно проводить в адиабатическом режиме, то тогда требуется минимальное внутреннее давление, и для элементов в пределах реактора можно избежать использования высоколегированных материалов.
Таким образом, самой дешевой формой реактора, работающего при высокой температуре, является резервуар, работающий под давлением с огнеупорной футеровкой, без теплообмена с рабочей текучей средой (адиабатический реактор). Это хорошо известно инженеру, работающему в области реакторного проектирования.
Существуют две главные проблемы, которые имеются при работе с неподвижным слоем катализатора и с предварительно смешанным сырьем для частичного окисления метана. Первой проблемой является проблема, связанная с техникой безопасности при работе во взрывоопасном режиме. Некоторые авторы стремились сделать этот режим менее взрывоопасным путем разумного добавления кислорода к подаче метана, для чего потребовался комплексный ряд неподвижных слоев и газораспределителей (Сопосо И8 7261751).
Вторая проблема состоит в том, что когда применяются катализаторы частичного окисления на основе родия при приготовлении неподвижного слоя, то, несмотря на высокую селективность, которая достигается с этой формой катализатора, может образовываться очень высокая температура поверхности катализатора, которая далеко превышает температуру адиабатической реакции. Некоторые авторы объясняли это повышение температуры поверхности суперадиабатическим эффектом, который связан с более зысокими скоростями диффузии Н2 и Н в процессах горения, другие авторы предполагают, что это последствие конкуренции кинетик.
Задачей изобретения, по меньшей мере одного его аспекта, является устранение или уменьшение по меньшей мере одной или более вышеупомянутых недостатков.
Задачей настоящего изобретения, по меньшей мере одного его аспекта, является обеспечение способа и установки для адиабатической конверсии метана.
Дальнейшей задачей изобретения, по меньшей мере одного его аспекта, является обеспечение установки для усиления регенерации энергии, получаемой в экзотермической реакции.
Дальнейшей задачей изобретения, по меньшей мере одного его аспекта, является обеспечение установки для усиления оперативности управления различными давлениями и сырьем при сохранении высоких выходов.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается реактор для проведения реакции частичного окисления метана, в котором первый и второй газовый компонент реагируют в канале, окруженном пористой каталитической зоной, где длину и диаметр канала выбирают таким образом, чтобы число Рейнольдса в канале составляло больше чем 500.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается реактор для провецения реакции частичного окисления метана, включающий первую камеру, создающую проход для первого газового компонента (например, в виде метана); вторую камеру, создающую проход для второго газового компонента (например, в виде кислорода); пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, которая позволяет второму газовому компоненту (например, кислороду) проходить из второй камеры в первую камеру для взаимодействия с первым газовым компонентом (например, метаном) в реакционной зоне установки;
где первая камера имеет длину и диаметр такие, чтобы число Рейнольдса первого газового компонента, проходящего вдоль длины первой камеры, составляло больше чем приблизительно 500.
Как правило, первый газовый компонент может быть метаном, а второй газовый компонент может быть кислородом.
Число Рейнольдса в первой камере может быть выбрано из любых следующих значений: больше чем приблизительно 1000; больше чем приблизительно 5000 или больше чем приблизительно 10000.
В качестве варианта число Рейнольдса в первой камере может быть приблизительно от 500 до 20000 или приблизительно от 1000 до 20000.
Для получения требуемого числа Рейнольдса длина первой камеры может быть выбрана из любой следующей длины: длиннее чем приблизительно 400 мм; длиннее чем приблизительно 600 мм; длиннее чем приблизительно 3200 мм; длиннее чем приблизительно 2000 мм или длиннее чем приблизительно 5000 мм.
Для получения требуемого числа Рейнольдса среднюю величину гидравлического диаметра первой камеры могут выбрать из любого следующего значения: больше чем приблизительно 2 мм; больше чем приблизительно 5 мм; больше чем приблизительно 10 мм или больше чем приблизительно 20 мм.
Для получения требуемого числа Рейнольдса величину среднего гидравлического диаметра первой камеры могут выбрать из любого следующего значения: меньше чем приблизительно 300 мм; меньше чем приблизительно 100 мм или меньше чем приблизительно 50 мм.
Как правило, кислород через пористую зону, которая отделена от пористого катализатора, может подаваться в реактор, включающий зону, где
- 2 024238
a) число Рейнольдса в камере, содержащей кислород, поддерживается ниже, чем в канале, содержащем метан;
b) пористый распределитель кислорода открытый.
В конкретных вариантах осуществления части газа позволено пройти из одной камеры в другую без прохождения через каталитическую мембрану.
Реактор может быть с огнеупорной футеровкой. Поэтому у корпуса реактора может быть внутренний огнеупорный материал, способный самостоятельно держать тепло, придающий реактору адиабатические особенности, которые позволят регенерировать тепло после прохождения через реактор. Энергию горячих газов могут затем использовать для получения электроэнергии или для предварительного нагрева газов перед началом процесса.
Как правило, в реакции может использоваться воздух или любая комбинация воздуха, обогащенного кислородом.
В адиабатическом реакторе может быть предусмотрена очистка на месте путем введения, например, пара для улучшения скорости подачи газа на входе, понижения образования углерода и улучшения выходов водорода.
Адиабатический реактор может также позволить введение азота для повышения производительности и уменьшения температуры реакции.
Адиабатический реактор может также позволить выделение газового продукта с обеих сторон мембраны, другими словами, адиабатический реактор позволяет извлекать синтез-газ, полученный в середине реактора, со стороны мембраны или через корпус адиабатического реактора.
Адиабатический реактор может позволить на месте регенерацию катализатора.
Адиабатический реактор может быть использован для производства синтез-газа в соотношениях приблизительно 1,8:1 Н2/СО по всей длине или, если желательно, 6:1.
Адиабатический реактор поэтому может использоваться для переработки: натурального газа, метана угольных пластов и биогаза.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается способ частичного окисления метана, указанный способ включает обеспечение первой камеры, создающей проход для первого газ-реагента (например, в виде метана);
обеспечение второй камеры, создающей проход для второго газ-реагента (например, в виде кислорода);
обеспечение пористой каталитической мембраны, разделяющей первую и вторую камеры, указанная мембрана позволяет второму газ-реагенту (например, кислороду) проходить из второй камеры в первую камеру для взаимодействия с первым газ-реагентом (например, метаном) в реакционной зоне установки;
причем длину и диаметр первой камеры делают такими, чтобы число Рейнольдса первого газового компонента, проходящего вдоль длины первой камеры, было больше чем приблизительно 500.
Реактор может быть задан как в первом, так и во втором или третьем аспектах.
В формуле изобртения заявляется реактор для частичного окисления метана, содержащий первую камеру, образующую проход для первого газообразного реагента; вторую камеру, образующую проход для второго газообразного реагента;
пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем мембрана позволяет, по существу, всему второму газообразному реагенту проникать из второй камеры в первую камеру для взаимодействия с первым газообразным реагентом в реакционной зоне установки;
причем средний гидравлический диаметр первой камеры является большим чем приблизительно 5 мм и длина первой камеры больше чем приблизительно 600 мм, что обеспечивает получение числа Рейнольдса в первой камере больше чем приблизительно 2000.
Предпочтительно первая камера обеспечивает получение числа Рейнольдса больше чем приблизительно 4000 или больше чем приблизительно 10000.
Предпочтительно первая камера обеспечивает получение числа Рейнольдса в пределах приблизительно 2000-20000.
Предпочтительно устройство, вызывающее турбулентность, размещено на входе в первую камеру для подачи потока метана.
Предпочтительно устройство, вызывающее турбулентность, размещено на входе в первую камеру для подачи потока метана, в отсутствие которого число Рейнольдса газового потока будет меньше чем приблизительно 4000.
Предпочтительно для получения требуемого числа Рейнольдса длина первой камеры выбрана любой из следующих: больше чем приблизительно 1200 мм; больше чем приблизительно 2000 мм или больше чем приблизительно 5000 мм.
Предпочтительно для получения требуемого числа Рейнольдса средний гидравлический диаметр первой камеры выбран любым из следующих: больше чем приблизительно 10 мм или больше чем приблизительно 20 мм.
- 3 024238
Предпочтительно для получения требуемого числа Рейнольдса средний гидравлический диаметр первой камеры выбран любым из следующих: менее чем приблизительно 300 мм; менее чем приблизительно 100 мм или менее чем приблизительно 60 мм.
Предпочтительно имеется пористая зона, отделенная от пористого катализатора для подачи кислорода в реактор, где реактор включает в себя зону, обеспечивающую:
a) поддержание числа Рейнольдса в камере, содержащей кислород, ниже, чем в канале, содержащем метан;
b) открытый кислородный пористый распределитель.
Предпочтительно реактор имеет огнеупорную футеровку, например, из керамики, стеклянную огнеупорную футеровку или огнеупорную футеровку, покрытую защитной металлической оболочкой, например, из сплава никель-железо-хром, такого как 1псо1оу 800НТ.
Предпочтительно у корпуса реактора имеется внутренний огнеупорный материал для задерживания тепла, образующегося в реакторе адиабатического типа для регенерирования тепла после прохождения через реактор, причем энергию горячих газов могут затем использовать для получения электричества или предварительного нагрева газов в самом начале процесса.
Предпочтительно реактор обеспечивает получение синтез-газа в соотношениях приблизительно 1,8:1 Н2/СО по всей длине, при желании, до приблизительно 6:1.
Предпочтительно реактор обеспчивает обработку природного газа, метана угольных пластов и биогаза.
Предпочтительно у реактора имеется огнеупорная футеровка толщиной приблизительно 25-200 мм, способная выдерживать температуры приблизительно до 1000°С.
Предпочтительно реактор обеспечивает проведение конверсии углеводородов.
Предпочтительно у реактора имеется огнеупорная футеровка для регенерирования тепла, возникающего в реакторе, которое может затем использоваться для получения энергии или предварительного нагрева газов, входящих в реактор.
Предпочтительно применяемый катализатор выполнен, по существу, цилиндрическим и может быть, например, на основе родия.
Предпочтительно катализатор выполнен пористым и/или микропористым.
Предпочтительно применяется перпендикулярный или, по существу, перпендикулярный поток второго газ-реагента через пористую каталитическую мембрану в первую камеру и быстрый ламинарный продольный или, по существу, продольный поток второго газ-реагента вдоль пористой каталитической мембраны, обеспечивающий теплообмен с пористой каталитической мембраной и защищающий катализатор от перегрева.
В формуле изобртения заявляется способ частичного окисления метана посредством вышеуказанного реактора, в котором подают первый газообразный реагент в первую камеру; подают второй газообразный реагент во вторую камеру;
обеспечивают пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем, по существу, весь второй газообразный реагент проходит через мембрану из второй камеры в первую камеру для взаимодействия с первым газообразным реагентом в реакционной зоне установки, причем число Рейнольдса в первой камере больше чем приблизительно 2000; и причем для получения требуемого числа Рейнольдса средний гидравлический диаметр первой камеры больше чем приблизительно 5 мм и длина первой камеры больше чем приблизительно 600 мм.
Предпочтительно первым газообразным реагентом является метан, а вторым газообразным реагентом является кислород.
Предпочтительно дополнительную текучую среду, такую как пар, вода или азот, добавляют в поток метана на входе в первую камеру для усиления турбулентности за счет быстрого расширения или парообразования.
Предпочтительно часть газа проходит из одной камеры в другую без прохождения через каталитическую мембрану.
Предпочтительно доля массового расхода газа через реактор, проходящая из одной камеры в другую без прохождения через каталитическую мембрану, составляет более чем 0,1%; составляет более чем 0,5%; составляет более чем 5%.
Предпочтительно в качестве второго газообразного реагента в реакции применяют воздух или любую комбинацию из воздуха, обогащенного кислородом.
Предпочтительно также выделяют газовый продукт по обеим сторонам мембраны для осуществления отбора синтез-газа, получаемого в средней части реактора, со стороны мембраны или через корпус адиабатического реактора.
Варианты осуществления настоящего изобретения ниже будут описаны посредством примера только в отношении прилагаемых чертежей, где на фиг. 1 показана корреляция между средним гидравлическим диаметром и числом Рейнольдса для ряда каталитических каналов с фиксированной поверхностной концентрацией катализатора и фиксиро- 4 024238 ванным перепадом давлений согласно варианту настоящего изобретения;
на фиг. 2 представлена принципиальная схема реактора с пористой мембраной согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 представлена турбулентность при снижении температуры катализатора в цилиндрической каталитической пористой трубке реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 представлен эффект увеличения массопереноса кислорода при удалении пористого распределителя согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5а-5б представлены мембраны для генерирования турбулентности согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 6 представлен пористый мембранный реактор, включающий большой центральный канал, позволяющий установить распределитель и внешнюю камеру, для того чтобы позволить турбулентности развиваться согласно варианту осуществления настоящего изобретения без слишком большого времени контакта; и на фиг. 7 представлен дополнительный пористый мембранный реактор, включающий пористый кислородный распределитель и большую центральную камеру, позволяющую турбулентности развиваться согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Настоящее изобретение относится к реактору для частичного окисления метана с применением окруженного пористой стенкой канала, способного создавать турбулентность газа метана до взаимодействия с кислородным газом. Турбулентность создается путем формирования окруженного пористой стенкой канала так, чтобы число Рейнольдса было больше чем 500.
В механике жидкости число Рейнольдса-Ке является безразмерным числом, которое показывает величину отношения инерционных сил рУ2/Ь к вязким силам цУ/Ь2 и, следовательно, количественно определяет относительную важность этих двух типов сил для данных условий потока. Понятие было введено Джорджем Габриэлем Стоксом в 1851 г., но число Рейнольдса названо в честь Осборна Рейнольдса, который популяризировал его использование в 1883 г.
Реакция, к которой стремятся в настоящем изобретении, в которой первый газ-реагент метан, а второй газ-реагент кислород, представляет собой следующую реакцию частичного окисления с образованием синтез-газа:
Например, если взять пористую цилиндрическую трубку с толщиной стенки 2 мм, с содержанием металлического родия 0,09 мас.%, то с фиксированной СН8У (среднечасовая скорость подачи газа) мы можем варьировать длиной и диаметром так, чтобы перепад давлений оставался постоянным (1 бар) по всей длине трубки. Перепад давлений подсчитывается исходя из теоретической фрикционной (определяемой трением) потери давления. Когда диаметр трубки увеличивается, то длина трубки может быть увеличена для поддержания того же перепада давлений. Когда количество трубок увеличивается, количество катализатора тоже увеличивается, и поэтому поток через трубки может быть увеличен.
На фиг. 1 показана корреляция между средним гидравлическим диаметрюм и числом Рейнольдса для ряда каталитических каналов с постоянней поверхностной концентрацией катализатора и постоянным перепадом давлений. На фиг. 1 также показана взаимосвязь между диаметром и временем контакта.
Наиболее выгодным диаметром канала катализатора является тот, при котором турбулентность только достигнута. Дальнейшее повышение диаметра снижает объемную плотность катализатора, излишне увеличивая размер реактора.
Повышение СН8У катализатора (например, за счет повышения дисперсности катализатора) увеличивает поток, который может пройти вдоль по трубке, требующей большего диаметра для избежания чрезмерного перепада давлений.
Эффект турбулентности наиболее ярко выражается на входе в реактор, и поэтому это является местом, где наибольшее усилие направлено на обеспечение получения турбулентности. В то время, когда число Рейнольдса приблизительно равно 4000 или более, оно является достаточным, чтобы гарантировать, что такая турбулентность пройдет по всей длине трубки, тогда как при более низком числе Рейнольдса вьсокие локальные скорости и высокое рассеивание энергии внутри потока могут обеспечить наличие турбулентности. Например, комбинация преград и сужение на входном отверстии потока, включающего метан, могут гарантировать, что появится турбулентность.
Эффект турбулентности можно наблюдать на следующей ΟΡΌ модели пористого канала катализатора. На примере показан теоретический канал катализатора со средним гидравлическим диаметром 37 мм, работающий при низком ламинарном режиме потока и высоком турбулентном режиме потока.
Замечено, что, как правило, в любом ламинарном или турбулентном режиме, увеличение скорости потока через реактор повышает температуры поверхности. Однако если конструкцию реактора изменить таким образом, чтобы основные каналы работали в турбулентном режиме для того, чтобы высокие температуры, замеченные в конце входного отверстия у слоя катализатора, значительно уменьшились, то тогда увеличится стабильность катализатора.
Пример. Одним из методов оценки эффективности различных диаметров реактора для моделирова- 5 024238 ния реакции является использование признанной опубликованной кинетики. Например, кинетика от авторов ЭеийсЬтапп апб РЭ. 8сЬт1б1 (Т\уо-бппеп:4опа1 тобейпд о£ рагба1 ох1бабоп о£ те!Ьапе оп КЬобшт ίη а 8Йоп соп!ас! Ите геасЮг. О1а£ ЭеиРсЬтапп апб Баппу Ό. 8с1шпб1. Т\усп1у-8еуеп111 Бутрокшт (1п1егпаИопа1) оп СотЬикИоп/ТЬе СотЬикИоп 1п81Ьи1е, 1998/рр. 2283-2291), примененная в различных конфигурациях реактора, была процитирована во всем мире другими авторами, и может использоваться в пределах СРО модели для определения температур поверхности, которые могут присутствовать в различных конфигурациях катализатора. Применяя эту кинетику к пористой трубке длиной 1 м и диаметром 41 мм, находящуюся в пределах адиабатического реактора, посредством которой кислород вводят через пористую стенку по всей длине реактора, можно определить температуру катализатора. Применяя скорости потока метана 10 л/мин или 100 л/мин при давлении 4 бар по центру пористой трубки, можно определить температурный профиль пористой трубки либо в ламинарном, либо в турбулентном режимах. В этой реакторной системе кислород подается в пространство корпуса реактора за пределами пористого цилиндра, а метан подается по центру цилиндрической трубки. Метан и кислород смешиваются и контактируют с катализатором в пористой области, реагируя с получением синтез-газа, содержащего водород, оксид углерода и двуокись углерода.
На фиг. 2 представлена схема установки 8. Подача 18 кислорода (О2) осуществляется во внешний канал 22 с одного конца мембранной установки 8, подача 20 природного газа (который в основном включает метан (СН4) осуществляется с соответствующего конца во внутренний канал 14. Парциальное давление кислорода 18 поддерживается на более высоком уровне, чем давление, при котором поставляется метан 20, в результате чего кислород проходит через поры (не показаны) модифицированной мембраны 10 от внешнего канала 22 до внутреннего канала 14. При этом молекулы кислорода входят в контакт с катализаторами 12, расположенными на боковой стенке модифицированной мембраны 10, которые активируют молекулы кислорода, прежде чем те войдут в контакт с метаном, присутствующим во внутреннем канале модифицированной мембраны 10. Катализатор понижает энергию активации реакции, так что реакция протекает при более низкой температуре, чем реакция без катализатора, и, таким образом, в результате контакта метана с кислородом в присутствии катализатора мгновенно образуется синтез-газ согласно следующей химической реакции:
Полученный синтез-газ выходит из мембранной установки 8 с другого конца внутреннего канала 14 за счет естественного перепада давлений, созданного метаном поставки 20, в результате чего создается поток синтез-газа 24. Контроль давления кислородного расхода подачи 18 позволяет использовать различные скорости подачи 20 потока метана, поскольку повышение давления при подаче кислорода приведет к большему потоку кислорода через поры модифицированной мембраны 10. При использовании газового потока, включающего метан, потоки проходят рядом или через импрегнированный слой катализатора 12. Термический стабилизированный слой гамма оксида алюминия на стороне канала 14 увеличивает удельную поверхность носителя и стабилизирует большую область поверхности металлического катализатора, который ускоряет реакцию между проникающим через него кислородом и метаном. Поскольку молекулы кислорода должны диффундировать в сторону канала 14 из слоя гамма оксида алюминия и соседнего пористого слоя, то газообразная окружающая среда слоя гамма оксида алюминия в и около канала менее сокращена, чем во внешних пористых слоях. Как результат, реакция полного или частичного окисления здесь состоится с некоторым реформингом, который произойдет, поскольку газ двигается соответственно от слоя гамма алюминия. Выгодно покрыть поры последнего пористого слоя носителя катализатором реформинга, таким как КЬ, для того чтобы вызвать некоторый эндотермический реформинг, так как лоток продуктов сгорания проходит через пористый слой носителя. Это поможет в отводе тепла экзотермической реакции от поверхности активного пористого слоя.
На фиг. 2 кислород в точке 18 может подаваться со скоростью 5-500 л/мин, а метан в точке 20 может подаваться со скоростью 10-1000 л/мин.
Длина и диаметр внутреннего канала 14 выбраны так, чтобы число Рейнольдса составляло больше чем 500, в этом случае турбулентность произойдет в пределах внутреннего канала. Безразмерное число Рейнольдса определяется как отношение (гЬо χ ν х Ό/ти) (плотность х скорость х средний гидравлический диаметр/вязкость) является показателем того, каким потоком ламинарным или турбулентным, является полученный поток текучей среды. Число Рейнольдса ниже 2000 для гладкоствольной трубы, или ниже 1000 для гидравлической шероховатой трубы указывает на то, что поток текучей среды в трубе будет находиться в ламинарном режиме. При значениях выше, чем эти, возможна турбулентность. Для потока в нецилиндрических конфигурациях труб число Рейнольдса можно определить, применяя средний гидравлический диаметр, рассчитанный из отношения смачиваемого периметра и площади поперечного сечения. Турбулентность увеличивает массоперенос с помощью местной циркуляции текучей среды и недиффузионного переноса материала. Подобная турбулентность способствует теплопередаче посредством конвекции, так же как механизмы проводимости для теплопередачи. Для теплообменника, где тепло отводится с горячей поверхности, эффект турбулентности присутствует вплоть до тонкого пограничного слоя текучей среды, т.е. на температурной поверхности, и усиливает процесс теплопередачи от по- 6 024238 граничного слоя. Это может привести к охлаждению поверхности по сравнению с теплообменником ламинарного потока. Однако несмотря на то, что турбулентность повышает коэффициент теплопередачи, увеличение размера теплообменника (тем самым, увеличение среднего гидравлического диаметра и числа Рейнольдса) увеличивает турбулентность, но также уменьшает площадь поверхности, предоставленную теплообменником. Когда требуется компактный теплообменник с высокой теплопередачей, то лучшим решением является использование маленького канала теплообменника, в котором допускается ухудшение коэффициента теплопереноса из-за особенностей ламинарного потока, но который способен обеспечить гораздо большее отношение площади поверхности к объему для конечных высоких скоростей теплопередачи.
Когда требуется управлять температурой каталитической реакции внутри определенных границ, тогда температура текучей среды (и катализатора) регулируется передачей высокой температуры реакции от поверхности катализатора к поверхности теплообмена и затем к вторичной текучей среде. Турбулентность, в свою очередь, уменьшает толщину пограничного слоя и улучшает тепло- и массоперенос от катализатора. Однако на температуру поверхности катализатора, как правило, не влияет повышенная турбулентность. В отличие от большинства реакций с хорошим перемешиванием, где реакция может продолжаться без массопереноса с каталитической реакционной поверхности, увеличение теплоотдачи с турбулентностью также сопровождается увеличением массопереноса, который может повышать скорость реакции и в результате скорость нагрева. Результатом этого является то, что текучая среда, контактируя с катализатором, будет иметь температуру катализатора. Эта температура будет не больше чем температура адиабатической реакции, которая может быть рассчитана из знания термодинамических свойств текучих сред и реагентов. Для реакции частичного каталитического окисления существует распространенное мнение, что реакция не лимитируется массопереносом и поэтому для того, чтобы получить компактный и эффективный реактор, носитель катализатора создают с малым размером канала, который способен обеспечить для работы высокую объемную концентрацию катализатора. Размер канала ограничивается только увеличением перепада давлений, который возникает с уменьшением размера канала. Увеличение размера канала больше чем минимум, необходимый для избежания чрезмерного перепада давлений, приведет к менее эффективному реактору.
Отойдя от распространенной точки зрения нашли, что при работе с каналом больших размеров и значительно большим числом Рейнольдса для газа, содержащего метан, действительно уменьшается объемная загрузка катализатора, но имеется положительный эффект значительного снижения высоких температур поверхности, которые создаются на поверхности катализатора ламинарным потоком. Впрочем, если никакой теплообмен из реактора не происходит, никакая поверхность теплообмена не обеспечивается. Это удивительно, поскольку температура поверхности в результате адиабатической реакции обычно зависит исключительно от координаты реакции - показателя степени, при котором реакция перешла в завершение. Повышение массопереноса в кислородсодержащем потоке приводит только к повышенным температурам поверхности, что невыгодно.
В патентном документе И8 7641188 поток метана проходит вдоль мембраны, размер которой составляет приблизительно 10 мм в диаметре, с внутренними каналами, разделенными тремя спицами, дающими средний гидравлический диаметр канала 4 мм. Эта мембрана изготовлена из коммерчески доступного керамического носителя, который предназначен, чтобы увеличить до предела внутреннюю площадь поверхности канала без чрезмерного перепада давлений потока текучей среды. Носители с большим диаметром доступны, и сечение одного такого носителя показано на фиг. 5а. Средний гидравлический диаметр каналов вновь составляет приблизительно 4 мм. В то время как большая площадь поверхности полезна для стабилизации структуры во время экструзии, а также для создания большой площади поверхности металлического катализатора, это наносит ущерб развитию турбулентности, конструкция 5а не подходит для использования с метаном, проходящим по центру каналов. Увеличение размера каналов и диаметра носителя уменьшает площадь поверхности носителя катализатора, делает структуру менее стабильной в процессе промышленной экструзии, но существенно повышает гидравлический диаметр канала. Также увеличение размера камеры, внешней по отношению к мембране, увеличивает размер реактора и уменьшает объемную концентрацию катализатора. Однако, как было показано, если турбулентность возникает, то проблема перегрева катализатора может быть предотврашена. Отсюда повышение средних гидравлических диаметров камер, приводящее к возникновению турбулентности, является выгодным. Для метана, проходящего по центру каналов, мембранное устройство должно быть изменено от фиг. 5а к фиг. 5с, чтобы была достигнута турбулентность.
Уменьшение количества спиц в устройстве больших мембран является полезным, хотя опять это делает промышленное производство носителя путем экструзии более трудным. Кроме того, установка инжекторов вихревых устройств или препятствий в потоке метана для обеспечения присутствия турбулентности даже при числах Рейнольдса ниже 4000 является выгодным. Кроме того предотвращение турбулентности, возникающей в кислородной камере, с помощью использования распределителя для устранения местных высоких скоростей, которые могут увеличить массообмен кислорода более чем у метана, является полезным.
На фиг. 3 показано влияние турбулентности на уменьшение температуры катализатора в цилиндри- 7 024238 ческой пористой трубке каталитического реактора.
Влияние препятствий массопереносу кислородного потока и предотвращение локализованных высоких скоростей в кислородном потоке можно также видеть в профиле температуры на фиг. 4. На фиг. 4 в описанном выше примере показано влияние удаления пористого распределителя на температуру катализатора при высокой скорости потока 100 л/мин. В частности, на фиг. 4 показан эффект увеличения массопереноса кислорода при удалении пористого распределителя.
Если это окислитель, который пропускают в центральный канал или каналы каталитической мембраны, тогда выгодно, чтобы турбулентность получалась за пределами каталитической мембраны без чрезмерной продолжительности. Проще всего это достигается путем использования достаточной длины каталитической мембраны так, чтобы желаемая ОН§У (среднечасовая скорость подачи газа) приводила к турбулентному потоку. Как правило, для этого потребуется камера, содержащая метан, по меньшей мере 1 м в длину, окружающая каталитическую мембрану, по меньшей мере 25 мм в диаметре, и для внешней камеры необходимо иметь средний гидравлический диаметр по меньшей мере 25 мм. Может быть выгодным в целях контроля и газового распределения окружить каждую мембрану металлическим экраном, который будет управлять направлением потока и поддерживать турбулентность. Кроме того, входное отверстие метана может быть снабжено средствами повышения турбулентности и газового распределения, такими как вихревое устройство или другое; устройство, вызывающими турбулентность.
В то время как турбулентность в кислородной камере может быть полезной, в том случае, когда очень высокий массоперенос в камере метана уже достигнут, это менее необходимо, и вообще, более низкое число Рейнольдса в кислородной камере должно быть сохранено. Когда окислитель проходит по центральной камере, маленькая мембрана канала может оказаться желательной для каталитической мембраны, чтобы предотвратить турбулентность, однако из-за градиентов концентраций, это может привести к проблемам стабильности керамического материала, из которого она сделана. Это также препятствует использованию отдельного кислородного распределителя.
Фиг. 5а-56 представляют каталитические мембраны для создания турбулентности в пористой мембране реактора, как описано ранее. Фиг. 5а представляет мембрану 100, сделанную из керамики с диаметром приблизительно 25 мм. Мембрана 100 имеет ряд внешне расположенных каналов 102. Эта форма мембраны подходит только для применения в реакторе с конфигурацией, показанной на фиг. 6, в котором кислородсодержащий поток проходит по каналам 102, а метансодержащий поток проходит по внешней поверхности мембраны 100 в отличие от описания патентного документа И8 7641888. Каналы 102 слишком малы для развития внутренней турбулентности, не вызвав большого перепада давлений. Фиг. 5Ь представляет мембрану 120, у которой имеется центральный канал 122 и ряд внешних каналов 124. Центральный канал имеет достаточно большой диаметр, который будет использоваться в реакторе любой конфигурации фиг. 6 или 7; как в конфигурации, показанной на фиг. 6, внутренний кислородный распределитель может быть оборудован и в конфигурации фиг. 7, в которой поток метана проходит через центральный канал 122 и может стать турбулентным метановым потоком. На фиг. 5с представлена мембрана 130 с простым большим каналом 132, который аналогичен по конструкции и применению конфигурации фиг. 5Ь. В конфигурации, показанной на фиг. 5с, используется толстая стенка, позволяющая проводить стабильную экструзию, в то время как на фиг. 5Ь экструзия делается более стабильной благодаря использованию облегченной, но более сложной и большего объема структуры. На фигуре 56 представлена следующая мембрана 140, в которой число спиц 142 сведено к минимуму для достижения баланса между средним гидравлическим диаметром каналов 144 и стабильностью керамики в процессе экструзии. Структуры, как правило, имеют внешний диаметр, превышающий 50 мм, и отдельные каналы 144 со средними гидравлическими диаметрами более 25 мм. Эта структура является наиболее подходящей для использования в реакторе конфигурации фиг. 7, в которое метан проходит по центру каналов.
На фиг. 6 представлен дальнейший реактор настоящего изобретения, характерные комплектующие детали которого описаны ниже.
Реагент-газ 211 содержит метан и подается в сопло 208 распределительной камеры 214, которая ограничена краем основания реактора 201 и промежуточной плитой 202. Поскольку газ-реагент находится при температуре ниже 600°С и камера 214 защищена от высокой температуры камеры 218 огнеупорными материалами 204, то основной металл конструкции для края основания реактора и других элементов вокруг камеры 214 может быть нержавеющей сталью. Метансодержащий газ затем проходит через плиту 202 и огнеупорный материал 204, через отверстие 210, через устройство 215, вызывающее турбулентность такую же, как генератор завихрения, в камеру, ограниченную экраном 205 и каталитической мембраной 207.
Кислородсодержащий газ-реагент 212 подается через коллектор в каждую отдельную каталитическую мембрану через манжету 209. Манжетное уплотненле 209 позволяет вставлять мембрану в реактор, при этом создает герметичное уплотнение вплотную с основанием реактора 201. Газу-реагенту 212 препятствует смешиваться с газом-реагентом 211 изолирующий металлический цилиндр, который окружает конец каталитической пористой мембраны.
Пористый распределитель для кислорода 216, сделанный либо из металла, либо из керамики, расположен по центру каталитической мембраны и запечатан с использованием минерального материала,
- 8 024238 такого как слюда или расслоенная слюда, по типу изолирующей пробки вокруг края каталитической мембраны. Пористый газовый распределитель и каталитическую мембрану поддерживают структуры 206 и 217.
Зазор между экраном 205 и мембраной 207, как правило, составляет приблизительно 25 мм, позволяя развиваться турбулентному потоку. Экран 205 и вихревое устройство 215 работают совместно для создания высоких локальных скоростей, особенно на входе метана, где, в противном случае, скорости газа и турбулентность были бы минимальны. По мере протекания реакции происходит увеличение объема газа, приводящее к повышенным скоростям и более высоким уровням турбулентности. Вход в камеру, где скорости самые низкие, является местоположением, где турбулентность выгодна. Следовательно, особенно там, где число Рейнольдса протекающего газа будет ниже 4000, выгодно на входе в камеру увеличить локальные скорости газа метана. Это достигается при помощи вихревого устройства 215, путем придания вращательного движения, а также линейной скорости газу. Дальнейшее управление потоком или экраном 205 в пределах реактора может способствовать возникновению турбулентности, а с добавлением вентилятора можно дополнительно увеличить скорости газа, уменьшая при этом мертвый объем и, следовательно, сокращая время пребывания в реакторе. При более высоких нагрузках на катализатор, более высоких скоростях потока и самым большим диаметром мембраны, где высота труб больше не определяется необходимой площадью, требования изоляции и манжетного уплотнения экрана могут не потребоваться.
Кислородсодержащий газ и метансодержащий газ контактируют в пористой каталитической мембране с массовым передвижением газа от центра пористой каталитической мембраны в реакционную камеру 218. Синтез-газ 213, полученный реакцией кислорода и метана, остается с наружной стороны пористой каталитической мембаны и выходит из корпуса реактора.
Как правило, форма мембраны, показанная на фиг. 5Ь, применялась бы с наружным диаметром приблизительно 50 мм.
Пористая каталитическая мембрана 207 имела бы длину приблизительно 3000 мм и изготавливалась из термостойкого алюминия, базирующегося на керамической основе, содержащего 0,1 мас.% родия в качестве катализатора, нанесенного на термически устойчивое алюминиевое покрытие.
Основная часть реактора 201 может быть изготовлена из нержавеющей стали, поскольку огнеупорная футеровка 204 защищает корпус от чрезмерного нагрева, позволяя использовать меньшую толщину материала.
На фиг. 7 показан дальнейший реактор настоящего изобретения, характерные комплектующие детали которого описаны ниже.
Кислородсодержащий газ 311 подается в сопло 308 и входные отверстия камеры 313, ограниченные краем основания реактора 301 и промежуточной плитой 302. Камеру 313 опять выдерживают при температуре ниже 600°С с помощью огнеупорной футеровки 304. Кислородсодержащий газ 311 проходит вдоль и через пористые металлические или керамические распределители 305 и распределяется по основной камере 314. Проход через распределитель предотвращает возбуждение турбулентности внутри кислородной камеры, а также препятствует массопереносу кислорода для обеспечения хорошей стехиометрии на катализаторе. Метансодержащий газ 312 проходит через манжетные уплотнения реактора 312 в центр пористой каталитической мембраны 307. Манжетные уплотнения 310 позволяют вставить мембрану. На входе в пористую каталитическую мембрану может необязательно быть устройство для усиления турбулентности внутри центрального канала мембраны, которое может бьть простой узкой трубкой для усиления локальной скорости или более сложным инжектором с другими текучими средами, например, водой, или индукционным устройством для создания турбулентности (не показано). В частности, когда число Рейнольдса протекающего газа будет ниже 4000, это полезно для локального увеличения скоростей газа метана на входе в камеру. При помощи вихревого устройства это достигается путем придания газу вращательного движения, а также линейной скорости.
Метан и кислород не имеют возможности контактировать внутри камеры 313 из-за металлического рукава, окружающего каждую каталитическую мембрану в этой камере.
В пределах основной камеры 314 газы контактируют внутри каталитической пористой мембраны
307.
Кислородные распределительные трубы 305 и пористая каталитическая мембрана 307 поддерживаются конструкцией 306.
Полученный синтез-газ 313 перемещается вдоль центра мембраны и выходит в камеру 315. Уплотнение, окружающее мембрану, устроено так, что расширение и сжатие мембраны относительно корпуса может проходить без чрезмерных механических напряжений. Подвижньй тип уплотнения является подходящим, поскольку высокая степень герметичности не требуется. Уплотнение позволяет поддерживать градиент давлений между камерой 314 и камерой 315 движущегося через каталитическую мембрану потока окислителя. Небольшое количество утечки, допустимо, поскольку это не влияет на производительность работы реактора и может оказаться полезным в плане замедления падения давления по ту сторону мембраны при интенсивных потоках.
Подходящей конфигурацией мембраны для этого типа реактора будет фиг. 5Ь или 5с с внутренним
- 9 024238 диаметром мембраны приблизительно 25 мм и длиной мембраны около 3000 мм.
Хотя конкретные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны выше, следует иметь в виду, что отклонения от описанных вариантов могут также попадать под действие настоящего изобретения. Например, может применяться любой подходящий тип мембраны реактора.

Claims (26)

1. Реактор для частичного окисления метана, содержащий первую камеру, образующую проход для первого газообразного реагента; вторую камеру, образующую проход для второго газообразного реагента;
пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем мембрана позволяет, по существу, всему второму газообразному реагенту проникать из второй камеры в первую камеру для взаимодействия с первым газообразным реагентом в реакционной зоне установки;
причем средний гидравлический диаметр первой камеры является большим чем приблизительно 5 мм и длина первой камеры больше чем приблизительно 600 мм, что обеспечивает получение числа Рейнольдса в первой камере больше чем приблизительно 2000.
2. Реактор по п.1, в котором первая камера обеспечивает получение числа Рейнольдса больше чем приблизительно 4000 или больше чем приблизительно 10000.
3. Реактор по любому из пп.1, 2, в котором первая камера обеспечивает получение числа Рейнольдса в пределах приблизительно 2000-20000.
4. Реактор по любому из пп.1-3, в котором устройство, вызывающее турбулентность, размещено на входе в первую камеру для подачи потока метана.
5. Реактор по любому из пп.1-4, в котором устройство, вызывающее турбулентность, размещено на входе в первую камеру для подачи потока метана, в отсутствие которого число Рейнольдса газового потока будет меньше чем приблизительно 4000.
6. Реактор по любому из пп.1-5, в котором для получения требуемого числа Рейнольдса длина первой камеры выбрана любой из следующих: больше чем приблизительно 1200 мм; больше чем приблизительно 2000 мм или больше чем приблизительно 5000 мм.
7. Реактор по любому из пп.1-6, в котором для получения требуемого числа Рейнольдса средний гидравлический диаметр первой камеры выбран любым из следующих: больше чем приблизительно 10 мм или больше чем приблизительно 20 мм.
8. Реактор по любому из пп.1-7, в котором для получения требуемого числа Рейнольдса средний гидравлический диаметр первой камеры выбран любым из следующих: менее чем приблизительно 300 мм; менее чем приблизительно 100 мм или менее чем приблизительно 60 мм.
9. Реактор по любому из пп.1-5, в котором имеется пористая зона, отделенная от пористого катализатора для подачи кислорода в реактор, где реактор включает в себя зону, обеспечивающую:
a) поддержание числа Рейнольдса в камере, содержащей кислород, ниже, чем в канале, содержащем метан;
b) открытый кислородный пористый распределитель.
10. Реактор по любому из пп.1-9, в котором реактор имеет огнеупорную футеровку, например, из керамики, стеклянную огнеупорную футеровку или огнеупорную футеровку, покрытую защитной металлической оболочкой, например, из сплава никель-железо-хром, такого как 1псо1оу 800НТ.
11. Реактор по любому из пп.1-10, в котором у корпуса реактора имеется внутренний огнеупорный материал для задерживания тепла, образующегося в реакторе адиабатического типа для регенерирования тепла после прохождения через реактор, причем энергию горячих газов могут затем использовать для получения электричества или предварительного нагрева газов в самом начале процесса.
12. Реактор по любому из пп.1-11, в котором реактор обеспечивает получение синтез-газа в соотношениях приблизительно 1,8:1 Н2/СО по всей длине, при желании, до приблизительно 6:1.
13. Реактор по любому из пп.1-12, в котором реактор обеспчивает обработку природного газа, метана угольных пластов и биогаза.
14. Реактор по любому из пп.1-13, в котором у реактора имеется огнеупорная футеровка толщиной приблизительно 25-200 мм, способная выдерживать температуры приблизительно до 1000°С.
15. Реактор по любому из пп.1-14, в котором реактор обеспечивает проведение конверсии углеводородов.
16. Реактор по любому из пп.1-15, в котором у реактора имеется огнеупорная футеровка для регенерирования тепла, возникающего в реакторе, которое может затем использоваться для получения энергии или предварительного нагрева газов, входящих в реактор.
17. Реактор по любому из пп.1-16, в котором применяемый катализатор выполнен, по существу, цилиндрическим и может быть, например, на основе родия.
18. Реактор по любому из пп.1-17, в котором катализатор выполнен пористым и/или микропористым.
19. Реактор по любому из пп.1-18, в котором применяется перпендикулярный или по существу пер- 10 024238 пендикулярный поток второго газ-реагента через пористую каталитическую мембрану в первую камеру и быстрый ламинарный продольный или по существу продольный поток второго газ-реагента вдоль пористой каталитической мембраны, обеспечивающий теплообмен с пористой каталитической мембраной и защищающий катализатор от перегрева.
20. Способ частичного окисления метана посредством реактора по любому из пп.1-19, в котором подают первый газообразный реагент в первую камеру;
подают второй газообразный реагент во вторую камеру;
обеспечивают пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем, по существу, весь второй газообразный реагент проходит через мембрану из второй камеры в первую камеру для взаимодействия с первым газообразным реагентом в реакционной зоне установки, причем число Рейнольдса в превой камере больше чем приблизительно 2000;
причем для получения требуемого числа Рейнольдса средний гидравлический диаметр первой камеры больше чем приблизительно 5 мм и длина первой камеры больше чем приблизительно 600 мм.
21. Способ по п.20, в котором первым газообразным реагентом является метан, а вторым газообразным реагентом является кислород.
22. Способ по любому из пп.20, 21, в котором дополнительную текучую среду, такую как пар, вода или азот, добавляют в поток метана на входе в первую камеру для усиления турбулентности за счет быстрого расширения или парообразования.
23. Способ по любому из пп.20-22, в котором часть газа проходит из одной камеры в другую без прохождения через каталитическую мембрану.
24. Способ по любому из пп.20-23, в котором доля массового расхода газа через реактор, проходящая из одной камеры в другую без прохождения через каталитическую мембрану, составляет более чем 0,1%; составляет более чем 0,5%; составляет более чем 5%.
25. Способ по любому из пп.20-24, в котором в качестве второго газообразного реагента в реакции применяют воздух или любую комбинацию из воздуха, обогащенного кислородом.
26. Способ по любому из пп.20-25, в котором также выделяют газовый продукт по обеим сторонам мембраны для осуществления отбора синтез-газа, получаемого в средней части реактора, со стороны мембраны или через корпус адиабатического реактора.
Эффект от увеличения диаметра канала
EA201290615A 2010-01-07 2011-01-07 Установка и способ адиабатической конверсии метана EA024238B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201290615A1 EA201290615A1 (ru) 2012-12-28
EA024238B1 true EA024238B1 (ru) 2016-08-31

Family

ID=41819008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201290615A EA024238B1 (ru) 2010-01-07 2011-01-07 Установка и способ адиабатической конверсии метана

Country Status (9)

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

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015069836A2 (en) * 2013-11-06 2015-05-14 Watt Fuel Cell Corp. Gaseous fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
CN105705227B (zh) * 2013-11-06 2018-09-25 瓦特燃料电池公司 液体燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法
MX352227B (es) * 2013-11-06 2017-11-15 WATT Fuel Cell Corp Reformadores cpox de combustible liquido y metodo de reformacion cpox.
EP3065857B1 (en) * 2013-11-06 2022-06-08 Watt Fuel Cell Corp. Integrated gaseous fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
US10472235B2 (en) * 2015-03-23 2019-11-12 Chiyoda Corporation Synthesis gas manufacturing method and synthesis gas manufacturing apparatus
RU2674971C1 (ru) * 2017-12-07 2018-12-13 Публичное акционерное общество "Газпром" Аппарат и способ получения водородсодержащего газа
JP2022157595A (ja) * 2021-03-31 2022-10-14 三菱重工業株式会社 均温化された熱交換型触媒反応器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6248809B1 (en) * 1991-05-06 2001-06-19 Rohm And Haas Company Ultrafiltration process for the recovery of polymeric latices from whitewater
DE10114173A1 (de) * 2000-06-16 2001-12-20 Linde Ag Reaktor
US7641888B2 (en) * 2003-05-03 2010-01-05 Gas2 Limited Membrane apparatus and method of preparing a membrane and a method of producing hydrogen

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MX267940B (es) * 1999-08-17 2009-07-03 Battelle Memorial Institute Reactor quimico y metodo para reacciones cataliticas de reactivo en fase gaseosa.
US7261751B2 (en) 2004-08-06 2007-08-28 Conocophillips Company Synthesis gas process comprising partial oxidation using controlled and optimized temperature profile
US7641188B2 (en) 2007-04-24 2010-01-05 Canon Kabushiki Kaisha Sheet feeding apparatus and image forming apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6248809B1 (en) * 1991-05-06 2001-06-19 Rohm And Haas Company Ultrafiltration process for the recovery of polymeric latices from whitewater
DE10114173A1 (de) * 2000-06-16 2001-12-20 Linde Ag Reaktor
US7641888B2 (en) * 2003-05-03 2010-01-05 Gas2 Limited Membrane apparatus and method of preparing a membrane and a method of producing hydrogen

Also Published As

Publication number Publication date
US9387455B2 (en) 2016-07-12
BR112012016776A2 (pt) 2018-05-08
GB201000160D0 (en) 2010-02-24
US20130032762A1 (en) 2013-02-07
CA2786519A1 (en) 2011-07-14
WO2011083332A1 (en) 2011-07-14
MY187266A (en) 2021-09-17
NO2521611T3 (ru) 2018-07-14
EA201290615A1 (ru) 2012-12-28
EP2521611B1 (en) 2018-02-14
AU2011204498A1 (en) 2012-07-26
EP2521611A1 (en) 2012-11-14
CA2786519C (en) 2018-05-08
BR112012016776B1 (pt) 2019-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9561958B2 (en) Isothermal reactor for partial oxidation of methane
EA024238B1 (ru) Установка и способ адиабатической конверсии метана
US4981676A (en) Catalytic ceramic membrane steam/hydrocarbon reformer
RU2342318C2 (ru) Способ получения синтез-газа
JP5379944B2 (ja) 炭化水素の接触酸化方法
GB2181740A (en) Generation of synthesis gas
US7416571B2 (en) Compact mixer for the mixing of gaseous hydrocarbon and gaseous oxidants
JP2004047472A (ja) 水素を製造するための方法および装置
JP5054375B2 (ja) 自動熱分解反応装置
CN109310971B (zh) 通过蒸汽重整产生合成气的反应器
GB2372462A (en) Reactor for conducting endothermic reactions
WO2013008020A1 (en) Isothermal reactor for partial oxidation of methane
JP2001354403A (ja) 水素とｃｏとを含む混合物の製造方法
RU2548410C2 (ru) Способ и устройство для получения синтез-газа
US20070166211A1 (en) Device for converting gaseous streams
AU2011204498B2 (en) Apparatus and method for adiabatic methane conversion
WO2013008009A1 (en) Apparatus for adiabatic methane partial oxidation
US3450506A (en) Apparatus for the production of hydrogen
JP2023022850A (ja) 反応器及びそれを用いたアンモニア分解混合物の製造方法
RU2615768C1 (ru) Реактор для каталитической паровой и пароуглекислотной конверсии углеводородов
RU2664138C1 (ru) Компактный реактор для получения синтез-газа из природного/попутного газа в процессе автотермического риформинга
RU2664063C1 (ru) Способ переработки природного/попутного газа в синтез-газ автотермическим риформингом
JP2008544846A (ja) ２つ以上の流体を混合及び反応させると共に当該流体間で熱を移動させる反応器、及び当該反応器を操作する方法
KR20150028223A (ko) 수소의 생성 방법 및 생성 장치
RU2535826C2 (ru) Способ получения синтез-газа путем паровой конверсии углеводородов

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 AZ BY KZ KG MD TJ TM RU