EA041025B1 - RESISTANCE HEATED STEAM REFORMING - Google Patents
RESISTANCE HEATED STEAM REFORMING Download PDFInfo
- Publication number
- EA041025B1 EA041025B1 EA202092758 EA041025B1 EA 041025 B1 EA041025 B1 EA 041025B1 EA 202092758 EA202092758 EA 202092758 EA 041025 B1 EA041025 B1 EA 041025B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- structured catalyst
- reactor system
- catalyst
- gas
- structured
- Prior art date
Links
Description
Область изобретенияField of invention
Варианты осуществления изобретения относятся к реакторной системе и способу парового риформинга исходного газа, содержащего углеводороды, в которых тепло для эндотермической реакции обеспечивается нагревом сопротивлением.Embodiments of the invention relate to a reactor system and process for steam reforming of a feed gas containing hydrocarbons in which heat for the endothermic reaction is provided by resistance heating.
Уровень техникиState of the art
В реакциях парового риформинга зачастую существует проблема эффективности передачи теплоты в реакционную зону слоя катализатора внутри реакторной установки. Традиционная теплопередача путем конвективного или кондуктивного теплообмена и/или радиационного нагрева может осуществляться недостаточно быстро и, зачастую, во многих конфигурациях применение таких способов теплопередачи будет связано с существенными сложностями. Эту проблему можно проиллюстрировать на примере трубчатого риформера в установке парового риформинга, который практически можно рассматривать как большой теплообменник, при этом теплопередача ограничивает скорость работы риформера. Температура в наиболее близкой к центру части труб трубчатого риформера несколько ниже, чем температура снаружи труб из-за скорости теплопередачи через стенки трубы и катализатора внутри труб, а также изза эндотермической природы реакции парового риформинга.In steam reforming reactions, there is often a problem with the efficiency of heat transfer to the reaction zone of the catalyst bed within the reactor unit. Conventional heat transfer by convective or conductive heat transfer and/or radiative heating may not be fast enough, and often in many configurations, the application of such heat transfer methods will be associated with significant difficulties. This problem can be illustrated by the example of a tubular reformer in a steam reformer, which can practically be considered as a large heat exchanger, with heat transfer limiting the speed of the reformer. The temperature in the most central part of the tubular reformer tubes is somewhat lower than the temperature outside the tubes due to the rate of heat transfer through the tube walls and the catalyst inside the tubes, and also due to the endothermic nature of the steam reforming reaction.
Один из способов подачи тепла внутри катализатора, а не снаружи труб, в которых находится катализатор, представляет собой нагрев сопротивлением. В документе DE 102013226126 описан процесс аллотермического риформинга метана с физической рекуперацией энергии, в котором риформинг метана осуществляют с использованием диоксида углерода с получением синтез-газа, состоящего из моноксида углерода и водорода. Исходные газы CH4 и СО2 подают в реактор с неподвижным слоем, состоящий из электропроводящих и каталитических частиц, который электрически нагревают до температуры около 1000 K. В реакторе с неподвижным слоем происходит конверсия реагирующих газов и выделение тепла генерируемого синтез-газа.One way to supply heat inside the catalyst, rather than outside the tubes containing the catalyst, is resistance heating. DE 102013226126 describes an allothermic methane reforming process with physical energy recovery, in which methane is reformed using carbon dioxide to produce a synthesis gas consisting of carbon monoxide and hydrogen. The feed gases CH 4 and CO 2 are fed into a fixed bed reactor consisting of electrically conductive and catalytic particles, which is electrically heated to a temperature of about 1000 K. In the fixed bed reactor, the reaction gases are converted and heat is released from the generated synthesis gas.
Целью изобретения является создание альтернативной конфигурации реакторной системы для парового риформинга с электрическим нагревом.The aim of the invention is to provide an alternative configuration of the electrically heated steam reforming reactor system.
Также целью изобретения является создание реакторной системы со встроенным источником тепла и катализаторами.It is also an object of the invention to provide a reactor system with a built-in heat source and catalysts.
Еще одной целью изобретения является создание реакторной системы и процесса производства синтез-газа путем парового риформинга, в которых общее энергопотребление снижено по сравнению с системой с реактором с внешним обогревом, таким как установка парового риформинга метана с боковым или верхним обогревом (SMR), которая является стандартной для промышленного парового риформинга. За счет электрического нагрева можно избежать образования высокотемпературных газообразных продуктов горения, как в случае SMR с внешним обогревом, поэтому в секции риформинга реактора с электронагревом обеспечивается меньшее энергопотребление.Another object of the invention is to provide a reactor system and process for producing synthesis gas by steam reforming, in which the overall energy consumption is reduced compared to an externally heated reactor system, such as a side or top fired methane steam reformer (SMR), which is standard for industrial steam reforming. By means of electrical heating, the generation of high temperature combustion gases as in the case of externally heated SMRs can be avoided, so that the electrically heated reforming section of the reactor consumes less power.
Еще одной целью изобретения является создание реакторной системы и процесса производства синтез-газа путем парового риформинга, в которых количество катализатора и размер реакторной системы уменьшены по сравнению с SMR. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность оптимизации реактора в соответствии с требованиями и, таким образом, уменьшения количества каталитически активного материала при контроле фронта реакции риформинга.Yet another object of the invention is to provide a reactor system and a process for the production of synthesis gas by steam reforming, in which the amount of catalyst and the size of the reactor system are reduced compared to SMR. In addition, the invention makes it possible to optimize the reactor according to requirements and thus reduce the amount of catalytically active material while controlling the front of the reforming reaction.
Кроме того, целью изобретения является создание реакторной системы и процесса производства синтез-газа путем парового риформинга, в которых количество синтез-газа, полученного в реакторе с одним корпусом высокого давления, значительно увеличено по сравнению с известными трубчатыми установками парового риформинга.Furthermore, it is an object of the invention to provide a reactor system and process for the production of synthesis gas by steam reforming, in which the amount of synthesis gas produced in a reactor with a single pressure vessel is significantly increased compared to known tubular steam reformers.
Кроме того, целью изобретения является создание способа производства синтез-газа с использованием системы парового риформинга, в котором синтез-газ, выходящий из системы парового риформинга, имеет относительно высокую температуру и относительно высокое давление. В частности, желательно, чтобы температура синтез-газа, выходящего из системы парового риформинга, составляла приблизительно 900-1100°С или даже достигала 1300°С, а давление синтез-газа, выходящего из системы парового риформинга, было в диапазоне приблизительно 30-100 бар. Изобретение обеспечит возможность точного контроля температуры синтез-газа на выходе из системы парового риформинга.Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for producing synthesis gas using a steam reforming system, in which the synthesis gas leaving the steam reforming system has a relatively high temperature and a relatively high pressure. In particular, it is desirable that the temperature of the synthesis gas leaving the steam reforming system is about 900-1100°C, or even reaches 1300°C, and the pressure of the synthesis gas leaving the steam reforming system is in the range of about 30-100 bar. The invention will provide the possibility of precise control of the temperature of the synthesis gas at the outlet of the steam reforming system.
Преимущество изобретения состоит в том, что может быть значительно снижен общий выброс диоксида углерода и других вредных для климата веществ, в частности, если энергия, используемая в реакторной системе, поступает из возобновляемых источников энергии.The advantage of the invention is that the overall emission of carbon dioxide and other climate-damaging substances can be significantly reduced, in particular if the energy used in the reactor system comes from renewable energy sources.
Краткое изложение сущности изобретенияBrief summary of the invention
Варианты осуществления изобретения в целом относятся к реакторной системе для парового риформинга исходного газа, содержащего углеводороды, при этом реакторная система содержит структурированный катализатор, предназначенный для катализа парового риформинга указанного исходного газа, содержащего углеводороды, при этом указанный структурированный катализатор содержит макроскопическую структуру из электропроводящего материала, при этом на указанной макроскопической структуре расположено керамическое покрытие, при этом указанное керамическое покрытие выступает в качестве подложки каталитически активного материала, причем корпус высокого давления содержит входное отверстие для подачи исходного газа и выходное отверстие для отвода газообраз- 1 041025 ного продукта, при этом входное отверстие расположено так, что исходный газ подают в переднюю часть структурированного катализатора, а газообразный продукт выходит из задней части структурированного катализатора;Embodiments of the invention generally relate to a reactor system for steam reforming of a feed gas containing hydrocarbons, wherein the reactor system comprises a structured catalyst designed to catalyze the steam reforming of said feed gas containing hydrocarbons, wherein said structured catalyst comprises a macroscopic structure of an electrically conductive material, at the same time, a ceramic coating is located on said macroscopic structure, while said ceramic coating acts as a substrate of a catalytically active material, and the high-pressure housing contains an inlet for supplying the source gas and an outlet for removing the gaseous product, while the inlet located so that the source gas is fed into the front of the structured catalyst, and the gaseous product exits from the back of the structured catalyst;
корпус высокого давления, в котором находится структурированный катализатор;a pressure vessel containing the structured catalyst;
теплоизоляционный слой между структурированным катализатором и корпусом высокого давления;a heat-insulating layer between the structured catalyst and the pressure vessel;
по меньшей мере два проводника, электрически соединенные со структурированным катализатором и с источником питания, который расположен вне корпуса высокого давления, причем источник электропитания предназначен для нагрева, по меньшей мере, части структурированного катализатора до температуры по меньшей мере 500°С путем пропускания электрического тока через структурированный катализатор, при этом по меньшей мере два проводника соединены со структурированным катализатором в точке на структурированном катализаторе, расположенной ближе к передней части структурированного катализатора, чем к задней части структурированного катализатора, при этом структурированный катализатор выполнен с возможностью направления электрического тока от одного проводника практически к задней части структурированного катализатора и обратно ко второму проводнику из по меньшей мере двух проводников.at least two conductors electrically connected to the structured catalyst and to a power source that is located outside the pressure vessel, and the power source is designed to heat at least a portion of the structured catalyst to a temperature of at least 500°C by passing an electric current through structured catalyst, wherein at least two conductors are connected to the structured catalyst at a point on the structured catalyst located closer to the front of the structured catalyst than to the back of the structured catalyst, wherein the structured catalyst is configured to direct electric current from one conductor to substantially back of the structured catalyst and back to the second conductor of at least two conductors.
В соответствии с топологией реакторной системы сжатый исходный газ подают в нее через входное отверстие и направляют в корпус высокого давления реакторной системы. Корпус высокого давления имеет такую внутреннюю конфигурацию теплоизоляционных слоев и инертного материала, чтобы исходный газ направлялся через каналы структурированного катализатора, где он будет контактировать с керамическим покрытием и каталитически активным материалом, который расположен на подложке из керамических покрытий, при этом каталитически активный материал будет катализировать реакцию парового риформинга. Кроме того, нагревание структурированного катализатора обеспечивает необходимое тепло для эндотермической реакции. Газообразный продукт из структурированного катализатора направляют к выходному отверстию из реакторной системы.In accordance with the topology of the reactor system, the compressed source gas is fed into it through the inlet and directed to the pressure vessel of the reactor system. The pressure vessel has an internal configuration of thermal insulation layers and inert material such that the source gas is directed through the channels of the structured catalyst where it will contact the ceramic coating and the catalytically active material which is located on the ceramic coating substrate, while the catalytically active material will catalyze the reaction steam reforming. In addition, heating the structured catalyst provides the necessary heat for the endothermic reaction. The gaseous product from the structured catalyst is directed to the outlet from the reactor system.
Термин передняя часть структурированного катализатора означает ту часть структурированного катализатора, где осуществляют подачу исходного газа в структурированный катализатор, а термин задняя часть структурированного катализатора означает ту часть структурированного катализатора, где осуществляют выход газа из структурированного катализатора. Кроме того, следует иметь в виду, что выражение по меньшей мере два проводника соединены со структурированным катализатором в точке на структурированном катализаторе, расположенной ближе к передней части структурированного катализатора, чем к задней части структурированного катализатора означает, что оба проводника/все проводники подсоединены ближе к передней части структурированного катализатора, чем к задней части. По меньшей мере два проводника предпочтительно подсоединяются к передней части структурированного катализатора или в пределах четверти длины макроскопической структуры, ближайшей к передней части.The term structured catalyst front means that part of the structured catalyst where feed gas is supplied to the structured catalyst, and the term structured catalyst back means that part of the structured catalyst where gas exits from the structured catalyst. In addition, it should be understood that the expression at least two conductors connected to the structured catalyst at a point on the structured catalyst located closer to the front of the structured catalyst than to the back of the structured catalyst means that both conductors / all conductors are connected closer to to the front of the structured catalyst than to the back. At least two conductors are preferably connected to the front of the structured catalyst or within a quarter of the length of the macroscopic structure closest to the front.
Из-за непосредственной близости между каталитически активным материалом и макроскопическими структурами возможен эффективный нагрев каталитически активного материала за счет теплопроводности твердого материала от макроскопической структуры, нагреваемой сопротивлением. Важной особенностью процесса нагрева сопротивлением является то, что тепло генерируется внутри самого объекта, а не нагревается внешним источником тепла путем конвективного или кондуктивного теплообмена и/или радиационного нагрева. Кроме того, самая горячая часть реакторной системы будет находиться внутри корпуса высокого давления реактора. Предпочтительно источник электропитания и структурированный катализатор имеют такие размеры, чтобы по крайней мере часть структурированного катализатора достигала температуры 850°С, предпочтительно 900°С, более предпочтительно 1000°С или даже более предпочтительно 1100°С. Количество и состав каталитически активного материала могут быть адаптированы к реакции парового риформинга при данных рабочих условиях. Площадь поверхности макроскопической структуры, часть макроскопической структуры, покрытой керамическим покрытием, тип и структура керамического покрытия, а также количество и состав каталитического материала могут быть адаптированы к реакции парового риформинга при данных рабочих условиях. Однако следует отметить, что преимущественно практически вся поверхность макроскопической структуры имеет керамическое покрытие и предпочтительно все или большая часть керамического покрытия выступает в качестве подложки каталитически активного материала. Предпочтительно керамического покрытя не имеют только те части макроскопического покрытия, которые соединены с проводниками. Керамическое покрытие, выступающее в качестве подложки каталитически активного материала, снижает или предотвращает нагарообразования в соответствии с реакциейDue to the close proximity between the catalytically active material and the macroscopic structures, efficient heating of the catalytically active material is possible by thermal conduction of the solid material away from the resistance-heated macroscopic structure. An important feature of the resistance heating process is that the heat is generated within the object itself, rather than being heated by an external heat source through convective or conductive heat transfer and/or radiative heating. In addition, the hottest part of the reactor system will be inside the reactor pressure vessel. Preferably, the power supply and the structured catalyst are sized such that at least a portion of the structured catalyst reaches a temperature of 850°C, preferably 900°C, more preferably 1000°C, or even more preferably 1100°C. The amount and composition of the catalytically active material can be adapted to the steam reforming reaction under given operating conditions. The surface area of the macroscopic structure, the portion of the macroscopic structure coated with the ceramic coating, the type and structure of the ceramic coating, and the amount and composition of the catalytic material can be adapted to the steam reforming reaction under given operating conditions. However, it should be noted that advantageously substantially the entire surface of the macroscopic structure has a ceramic coating, and preferably all or most of the ceramic coating acts as a substrate for the catalytically active material. Preferably, only those portions of the macroscopic coating that are connected to the conductors are free of the ceramic coating. The ceramic coating acting as a substrate for the catalytically active material reduces or prevents carbon deposits according to the reaction
Из-за керамического покрытия металлической структуры, выступающего в качестве подложки каталитически активного материала, металлическая фаза макроскопической структуры покрыта связным оксидным слоем, который имеет меньший потенциал для реакций нагарообразования. Кроме того, каталитически активный материал оксидной фазы будет катализировать реакции парового риформинга иDue to the ceramic coating of the metal structure serving as the substrate of the catalytically active material, the metal phase of the macroscopic structure is coated with a coherent oxide layer, which has less potential for carbon formation reactions. In addition, the catalytically active material of the oxide phase will catalyze the steam reforming reactions and
- 2 041025 приводить реагирующий газ к термодинамическому равновесию. Это увеличивает парциальное давление водорода и снижает парциальное давление метана, тем самым уменьшая или во многих случаях устраняя термодинамический потенциал нагарообразования в соответствии с реакцией (А) выше.- 2 041025 bring the reacting gas to thermodynamic equilibrium. This increases the hydrogen partial pressure and lowers the methane partial pressure, thereby reducing or in many cases eliminating the thermodynamic potential for carbon formation according to reaction (A) above.
Когда корпус высокого давления содержит входное отверстие для подачи исходного газа и выходное отверстие для отвода газообразного продукта, при этом входное отверстие расположено так, что исходный газ подают в переднюю часть структурированного катализатора, а газообразный продукт выходит из задней части структурированного катализатора, и, когда по меньшей мере два проводника соединены со структурированным катализатором в точке на структурированном катализаторе, расположенной ближе к передней части структурированного катализатора, чем к задней части структурированного катализатора, по меньшей мере два проводника могут быть размещены в относительно более холодной части реакторной системы. Передняя часть структурированного катализатора имеет более низкую температуру, чем задняя часть структурированного катализатора из-за следующих факторов:When the pressure vessel comprises an inlet for supplying a source gas and an outlet for withdrawing a gaseous product, the inlet is positioned such that the source gas is supplied to the front of the structured catalyst and the gaseous product exits from the back of the structured catalyst, and when at least two conductors are connected to the structured catalyst at a point on the structured catalyst located closer to the front of the structured catalyst than to the back of the structured catalyst, at least two conductors can be placed in a relatively colder part of the reactor system. The front of the structured catalyst has a lower temperature than the back of the structured catalyst due to the following factors:
исходный газ, подачу которого осуществляют через входное отверстие, может охлаждать по меньшей мере два проводника перед нагревом структурированным катализатором далее по пути прохождения газа через структурированный катализатор;the feed gas supplied through the inlet may cool at least two conductors before being heated by the structured catalyst downstream of the gas through the structured catalyst;
исходный газ на подаче в переднюю часть структурированного катализатора будет иметь более низкую температуру, чем газообразный продукт, выходящий из задней части структурированного катализатора из-за тепла, которое обеспечивается электронагревом структурированного катализатора;the feed gas at the front of the structured catalyst will have a lower temperature than the product gas leaving the back of the structured catalyst due to the heat provided by the electrical heating of the structured catalyst;
реакция парового риформинга является эндотермической, следовательно, при такой реакции происходит поглощение тепла;the steam reforming reaction is endothermic, therefore, during such a reaction, heat is absorbed;
структурированный катализатор выполнен с возможностью направления электрического тока от одного проводника практически к задней части структурированного катализатора и обратно ко второму проводнику из по меньшей мере двух проводников.the structured catalyst is configured to direct electrical current from one conductor substantially to the back of the structured catalyst and back to a second conductor of at least two conductors.
Следовательно, температурный профиль в структурированном катализаторе будет соответствовать практически непрерывно возрастающей температуре по пути исходного газа через структурированный катализатор. Это соответствует значительному увеличению степени конверсии метана в исходном газе в водород и монооксид углерода.Therefore, the temperature profile in the structured catalyst will correspond to a substantially continuously increasing temperature along the feed gas path through the structured catalyst. This corresponds to a significant increase in the degree of conversion of methane in the source gas into hydrogen and carbon monoxide.
Таким образом, ток направляют в макроскопическую структуру и из макроскопической структуры через проводники, расположенные в ее относительно холодной передней части. Преимуществом является то, что температуру всех электропроводящих элементов за исключением макроскопической структуры поддерживают на низком уровне, чтобы защитить соединения между проводниками и структурированным катализатором. Если для проводников и других электропроводящих элементов, за исключением макроскопической структуры, поддерживают относительно низкую температуру, это позволяет использовать более широкий спектр материалов для проводников и других электропроводящих элементов за исключением макроскопической структуры. Когда температура электропроводящих элементов увеличивается, увеличивается также их удельное сопротивление, следовательно, желательно избежать ненужного нагрева всех других частей за исключением макроскопической структуры внутри реакторной системы.Thus, current is directed into and out of the macroscopic structure through conductors located in its relatively cold front. It is advantageous that the temperature of all electrically conductive elements except the macroscopic structure is kept low in order to protect the connections between the conductors and the structured catalyst. If the conductors and other electrically conductive members other than the macroscopic structure are kept at a relatively low temperature, this allows a wider range of materials to be used for the conductors and other electrically conductive members other than the macroscopic structure. As the temperature of the electrically conductive elements increases, their resistivity also increases, hence it is desirable to avoid unnecessary heating of all other parts except the macroscopic structure within the reactor system.
Кроме того, комбинация теплоизоляции и подключения проводников к передней, более холодной части макроскопической структуры позволяет повысить давление в корпусе высокого давления до уровня более 5 бар.In addition, the combination of thermal insulation and connection of conductors to the front, colder part of the macroscopic structure allows the pressure in the pressure vessel to be increased to more than 5 bar.
Следует отметить, что термин электропроводящие элементы за исключением макроскопической структуры содержит соответствующие электропроводящие элементы, которые предназначены для подключения источника питания к структурированному катализатору и для потенциальных связей между макроскопическими структурами или структурированными катализаторами.It should be noted that the term electrically conductive elements, except for the macroscopic structure, contains the corresponding electrically conductive elements that are intended to connect a power source to a structured catalyst and for potential connections between macroscopic structures or structured catalysts.
Может обеспечиваться сочетание профиля практически непрерывно увеличивающихся температур в структурированном катализаторе по пути прохождения исходного газа через структурированный катализатор, регулируемого теплового потока от структурированного катализатора и контроля фронта химической реакции.A combination of a profile of substantially continuously increasing temperatures in the structured catalyst along the feed gas path through the structured catalyst, controlled heat flow from the structured catalyst, and control of the chemical reaction front can be provided.
При использовании по тексту настоящего документа термин макроскопическая структура означает, что структура достаточно велика, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом без увеличительных устройств. Как правило, макроскопическая структура имеет размеры в диапазоне от десятков сантиметров или до нескольких метров. Макроскопическая структура предпочтительно имеет такие размеры, чтобы они соответствовали, по меньшей мере, частично, внутренним размерам корпуса высокого давления, в котором размещен структурированный катализатор, что позволяет сэкономить место для теплоизоляционного слоя и проводников. Две или несколько макроскопических структур могут быть соединены, в результате чего получают набор макроскопических структур по меньшей мере один из внешних размеров которых находится в метровом диапазоне, например по меньшей мере один размер такого набора макроскопических структур может составлять 0,5, 1, 2 или 5 м. Такие две или несколько макроскопических структур могут именоваться набором макроскопических структур. В этом случае размеры набора макроскопических структур предпочтительно выполнены так, чтобы они соответствовали, по меньшей мере, частично, внутреннему размеру корпуса высокого давления, в котором размещен структурированный катализатор (экономия места для теплоизоляционного слоя). Предполагается, что такойAs used throughout this document, the term macroscopic structure means that the structure is large enough to be visible to the naked eye without magnifying devices. As a rule, the macroscopic structure has dimensions ranging from tens of centimeters or up to several meters. The macroscopic structure is preferably sized to match, at least in part, the internal dimensions of the pressure vessel housing the structured catalyst, thereby saving space for the thermal insulation layer and conductors. Two or more macroscopic structures can be connected, resulting in a set of macroscopic structures, at least one of the external dimensions of which is in the meter range, for example, at least one size of such a set of macroscopic structures can be 0.5, 1, 2 or 5 m. Such two or more macroscopic structures may be referred to as a set of macroscopic structures. In this case, the dimensions of the set of macroscopic structures are preferably made to correspond, at least in part, to the internal dimension of the pressure vessel in which the structured catalyst is placed (saving space for the heat-insulating layer). It is assumed that such
- 3 041025 набор макроскопических структур может занимать объем от 0,1 до 10 м3 или даже больший объем. Структурированный катализатор может включать одну макроскопическую структуру или набор макроскопических структур, при этом на макроскопических структурах расположено керамическое покрытие, при этом указанное керамическое покрытие выступает в качестве подложки каталитически активного материала. Если структурированный катализатор содержит набор макроскопических структур, такие макроскопические структуры могут быть электрически соединены между собой. Тем не менее в качестве альтернативы макроскопические структуры могут быть электрически не соединены между собой. Таким образом, структурированный катализатор может включать две или более макроскопических структур, расположенных рядом друг с другом. Макроскопические структуры могут быть изготовлены путем экструзии и спекания. В качестве альтернативы макроскопические структуры могут быть изготовлены по технологии объемной печати и путем спекания.- 3 041025 a set of macroscopic structures can occupy a volume from 0.1 to 10 m 3 or even more volume. The structured catalyst may include one macroscopic structure or a set of macroscopic structures, wherein a ceramic coating is located on the macroscopic structures, while the specified ceramic coating acts as a substrate of the catalytically active material. If the structured catalyst contains a set of macroscopic structures, such macroscopic structures can be electrically connected to each other. However, as an alternative, the macroscopic structures may not be electrically connected to each other. Thus, a structured catalyst may include two or more macroscopic structures located next to each other. Macroscopic structures can be made by extrusion and sintering. Alternatively, macroscopic structures can be produced by 3D printing and sintering.
Макроскопические структуры могут иметь любые подходящие физические размеры, таким образом, высота может быть меньше ширины макроскопической структуры или наоборот.The macroscopic structures may have any suitable physical dimensions, thus the height may be less than the width of the macroscopic structure, or vice versa.
На указанной макроскопической структуре расположено керамическое покрытие, при этом указанное керамическое покрытие выступает в качестве подложки каталитически активного материала. Термин макроскопическая структура, имеющая керамическое покрытие означает, что, по меньшей мере, часть поверхности макроскопической структуры покрыта керамическим материалом. Таким образом, этот термин не означает, что вся поверхность макроскопической структуры покрыта керамическим материалом; в частности, по меньшей мере, те части макроскопической структуры, которые электрически соединены с проводниками, не имеют керамического покрытия. Покрытие представляет собой керамический материал с порами в структуре, что позволяет наносить каталитически активный материал на покрытие и внутри него. Преимущественно каталитически активный материал содержит каталитически активные частицы, имеющие размер в диапазоне приблизительно 5-250 нм.A ceramic coating is disposed on said macroscopic structure, said ceramic coating acting as a support for the catalytically active material. The term macroscopic structure having a ceramic coating means that at least part of the surface of the macroscopic structure is coated with a ceramic material. Thus, this term does not mean that the entire surface of the macroscopic structure is covered with a ceramic material; in particular, at least those parts of the macroscopic structure that are electrically connected to the conductors do not have a ceramic coating. The coating is a ceramic material with pores in the structure, which allows the application of the catalytically active material on and within the coating. Advantageously, the catalytically active material contains catalytically active particles having a size in the range of approximately 5-250 nm.
Макроскопическая структура предпочтительно изготовлена путем экструзии смеси порошкообразных металлических частиц и связующего вещества до экструдированной структуры и последующего спекания экструдированной структуры, в результате чего получают материал с высоким отношением геометрической площади поверхности на объем. В качестве альтернативы макроскопическая структура изготовлена по технологии объемной печати. Предпочтительно структуру, полученную путем экструзии или изготовленная по технологии объемной печати, подвергают спеканию в восстановительной атмосфере с получением макроскопической структуры. Керамическое покрытие, которое может содержать каталитически активный материал, наносят на макроскопическую структуру перед вторым спеканием в окислительной атмосфере для образования химических связей между керамическим покрытием и макроскопической структурой. В качестве альтернативы каталитически активный материал может наносится на керамическое покрытие путем пропитки после второго спекания. Когда между керамическим покрытием и макроскопической структурой образуются химические связи, возможна особенно высокая теплопроводность между электрически нагреваемой макроскопической структурой и каталитически активным материалом, который расположен на керамическом покрытии, что обеспечивает тесный и почти прямой контакт между источником тепла и каталитически активным материалом структурированного катализатора. Из-за непосредственной близости между источником тепла и каталитически активным материалом осуществляется эффективная теплопередача, так что нагревание структурированного катализатора может осуществляться с высокой эффективностью. Таким образом, можно добиться оптимальной обработки газа на единицу объема реакторной системы, поэтому реакторная система, содержащая структурированный катализатор, может быть компактной.The macroscopic structure is preferably made by extruding a mixture of powdered metal particles and a binder into an extruded structure and then sintering the extruded structure, resulting in a material with a high geometric surface area to volume ratio. Alternatively, the macroscopic structure is made using 3D printing technology. Preferably, an extruded or 3D printed structure is sintered in a reducing atmosphere to obtain a macroscopic structure. A ceramic coating, which may contain a catalytically active material, is applied to the macroscopic structure prior to the second sintering in an oxidizing atmosphere to form chemical bonds between the ceramic coating and the macroscopic structure. Alternatively, the catalytically active material may be impregnated onto the ceramic coating after the second sintering. When chemical bonds are formed between the ceramic coating and the macroscopic structure, a particularly high thermal conductivity is possible between the electrically heated macroscopic structure and the catalytically active material which is located on the ceramic coating, which ensures close and almost direct contact between the heat source and the catalytically active material of the structured catalyst. Due to the close proximity between the heat source and the catalytically active material, heat transfer is efficient, so that heating of the structured catalyst can be carried out with high efficiency. Thus, an optimum gas treatment per unit volume of the reactor system can be achieved, so the reactor system containing the structured catalyst can be compact.
При использовании по тексту настоящего документа термины технологии объемной печати и 3D-печать означаю технологию производства с использованием металлической добавки. Такие технологии производства с использованием металлической добавки включают процессы 3D-печати, при которых под автоматизированным управлением происходит соединение материала в определенную структуру с получением трехмерного объекта, в котором отверждение структуры осуществляют, например, путем спекания, с получением макроскопической структуры. Кроме того, такие технологии производства с использованием металлической добавки включают процессы 3D-печати, которые не требуют последующего спекания, например технологию расплавления материала в заранее сформированном слое или технологию послойной электроннолучевой плавки материала. Примерами таких технологий расплавления материала в заранее сформированном слое или послойной электронно-лучевой плавки являются процессы трехмерной печати с использованием лазерного луча, электронного луча или плазменной печати.When used in the text of this document, the terms 3D printing technology and 3D printing mean production technology using a metal additive. Such metal-additive manufacturing techniques include 3D printing processes, in which, under automated control, a material is combined into a specific structure to obtain a three-dimensional object, in which the structure is cured, for example, by sintering, to obtain a macroscopic structure. In addition, such metal additive manufacturing technologies include 3D printing processes that do not require subsequent sintering, such as preformed layer melting technology or layer-by-layer electron beam melting technology. Examples of such preformed layer melting or layered electron beam melting technologies are 3D printing processes using a laser beam, electron beam, or plasma printing.
Для реакторной системы согласно изобретению не требуется печь, и это значительно уменьшает общий размер реактора. Кроме того, преимуществом является то, что количество синтез-газа, полученного в реакторе с одним корпусом высокого давления, значительно увеличено по сравнению с известными трубчатыми установками парового риформинга. В стандартном трубчатом реакторе парового риформинга количество синтез-газа, производимого в одной трубе реактора, составляет достигает 500 нм3/ч. Для сравнения, с помощью реакторной системы по изобретению может обеспечиваться производительность до 2000 нм3/ч и более, например до 10000 нм3/ч и более, в одном корпусе высокого давления. При этом в исходном газе может не присутствовать О2, а в полученном синтез-газе может быть менее 10%The reactor system according to the invention does not require an oven and this greatly reduces the overall size of the reactor. In addition, it is an advantage that the amount of synthesis gas produced in the single pressure vessel reactor is significantly increased compared to prior art tubular steam reformers. In a standard tubular steam reforming reactor, the amount of synthesis gas produced in one reactor tube is as high as 500 Nm 3 /h. For comparison, with the reactor system according to the invention, productivity up to 2000 Nm 3 /h or more can be achieved, for example up to 10000 Nm 3 /h or more, in a single pressure vessel. In this case, O 2 may not be present in the source gas, and less than 10% in the resulting synthesis gas
- 4 041025 метана. Когда в одном корпусе высокого давления размещен катализатор, при котором обеспечивается производительность до 10000 нм3/ч синтез-газа, более нет необходимости в нескольких корпусах высокого давления или в устройствах для распределения исходного газа в несколько таких отдельных корпусов высокого давления.- 4 041025 methane. When a single pressure vessel accommodates a catalyst capable of producing up to 10,000 Nm 3 /h of synthesis gas, there is no longer a need for multiple pressure vessels or arrangements for distributing feed gas into several such separate pressure vessels.
Другое преимущество данной реакторной системы состоит в том, что внутри реакторной системы поток через структурированный катализатор может быть направлен вверх из-за того, что структурированный катализатор имеет макроскопическую структуру. В качестве альтернативы поток через структурированный катализатор может быть направлен горизонтально или иметь любое другое подходящее направление. Это более проблематично, если реактор содержит гранулы, из-за риска образования псевдоожиженного слоя, измельчения и выдувания гранул. Таким образом, можно не использовать большое количество труб, что снижает затраты на установку. Кроме того, в случае восходящего или горизонтального потока увеличивается гибкость конфигурации установки.Another advantage of this reactor system is that within the reactor system, the flow through the structured catalyst can be directed upwards due to the fact that the structured catalyst has a macroscopic structure. Alternatively, the flow through the structured catalyst may be directed horizontally or in any other suitable direction. This is more problematic if the reactor contains granules due to the risk of fluidized bed formation, crushing and blowing of the granules. Thus, it is possible not to use a large number of pipes, which reduces installation costs. In addition, in the case of upward or horizontal flow, the flexibility of the installation configuration is increased.
Предпочтительно макроскопическая структура содержит Fe, Cr, Al или их сплав. Такой сплав может содержать дополнительные элементы, такие как Si, Mn, Y, Zr, С, Со или их комбинации. Каталитически активный материал может содержать, например, никель, рутений, родий, иридий, платину, кобальт или их комбинацию. Таким образом, возможен вариант, когда каталитически активный материал представляет собой комбинацию никеля и родия и другую комбинацию никеля и иридия. Керамическое покрытие может представлять собой, например, оксид, содержащий Al, Zr, Mg, Се и/или Са. Покрытие может представлять собой, например, алюминат кальция или алюмомагниевая шпинель. Такое керамическое покрытие может содержать дополнительные элементы, такие как La, Y, Ti, K или их комбинации. Предпочтительно проводники и макроскопическая структура изготовлены из различных материалов. Проводники могут быть изготовлены, например, из железа, никеля, алюминия, меди, серебра или их сплава. Керамическое покрытие представляет собой электроизоляционный материал и, как правило, имеет толщину в диапазоне приблизительно 100 мкм, например приблизительно 10-500 мкм.Preferably the macroscopic structure contains Fe, Cr, Al or an alloy thereof. Such an alloy may contain additional elements such as Si, Mn, Y, Zr, C, Co, or combinations thereof. The catalytically active material may contain, for example, nickel, ruthenium, rhodium, iridium, platinum, cobalt, or a combination thereof. Thus, it is possible that the catalytically active material is a combination of nickel and rhodium and another combination of nickel and iridium. The ceramic coating may be, for example, an oxide containing Al, Zr, Mg, Ce and/or Ca. The coating may be, for example, calcium aluminate or magnesium aluminum spinel. Such a ceramic coating may contain additional elements such as La, Y, Ti, K, or combinations thereof. Preferably, the conductors and macroscopic structure are made of different materials. The conductors may be made of, for example, iron, nickel, aluminium, copper, silver or an alloy thereof. The ceramic coating is an electrically insulating material and typically has a thickness in the range of about 100 microns, such as about 10-500 microns.
Макроскопическая структура предпочтительно представляет собой связный или внутренне цельный материал, чтобы обеспечить электропроводность по всей макроскопической структуре и, следовательно, чтобы обеспечить теплопроводность по всему структурированному катализатору, в частности, для нагрева каталитически активного материала, расположенного на макроскопической структуре. С помощью связного или внутренне цельного материала можно обеспечить равномерное распределение тока в макроскопической структуре и, таким образом, равномерное распределение тепла внутри структурированного катализатора. По тексту настоящего документа термин связный является синонимом термина соединенный; таким образом, связный относится к материалу, который является внутренне цельным или обладает сцеплением. Из-за того что структурированный катализатор представляет собой связный или внутренне цельный материал, обеспечивается контроль над электрической связностью внутри материала структурированного катализатора и, таким образом, обеспечивается проводимость макроскопической структуры. Следует отметить, что даже если выполняются дальнейшие модификации макроскопической структуры, например прорези внутри частей макроскопической структуры или внедрение изолирующего материала в макроскопическую структуру, макроскопическая структура по-прежнему представляет собой связный или внутренне цельный материал.The macroscopic structure is preferably a cohesive or intrinsically solid material in order to provide electrical conductivity throughout the macroscopic structure and therefore to provide thermal conductivity throughout the structured catalyst, in particular to heat the catalytically active material located on the macroscopic structure. With the help of a cohesive or internally solid material, it is possible to ensure a uniform distribution of current in the macroscopic structure and thus a uniform distribution of heat within the structured catalyst. For the purposes of this document, the term connected is synonymous with connected; thus, cohesive refers to a material that is internally solid or cohesive. Because the structured catalyst is a cohesive or intrinsically solid material, control is provided over the electrical connectivity within the structured catalyst material and thus conduction of the macroscopic structure is ensured. It should be noted that even if further modifications to the macroscopic structure are made, such as slits within portions of the macroscopic structure or incorporation of an insulating material into the macroscopic structure, the macroscopic structure is still a coherent or internally integral material.
Как показано на фигурах, поток газа через структурированный катализатор имеет то же направление, что и длина или ось z структурированного катализатора, или поток газа соосен длине или оси z структурированного катализатора. Несмотря на то что на фигурах ось z структурированного катализатора вертикальна, следует отметить, что реактор может быть расположен любым соответствующим образом, так что структурированный катализатор и поток газа через него могут иметь горизонтальное направление или направление, противоположное тому, что показано на фигурах, или могут быть направлены под углом, например 45°, к горизонтали.As shown in the figures, the gas flow through the structured catalyst is in the same direction as the length or z-axis of the structured catalyst, or the gas flow is coaxial with the length or z-axis of the structured catalyst. While the z-axis of the structured catalyst is vertical in the figures, it should be noted that the reactor may be positioned in any appropriate manner such that the structured catalyst and the gas flow through it may be in a horizontal or opposite direction to that shown in the figures, or may be directed at an angle, for example 45°, to the horizontal.
В контексте изобретения термин углеводородный газ означает газ, содержащий один или более углеводородов и, возможно, другие компоненты. Таким образом, как правило, углеводородный газ содержит CH4 и в некоторых случаях также высшие углеводороды в относительно небольших количествах в дополнение к небольшим количествам других газов. Высшие углеводороды - это компоненты с двумя или более атомами углерода, например этан и пропан. Примерами углеводородного газа могут быть природный газ, газ бытового назначения, бензиновая фракция или смесь метана и высших углеводородов. Углеводородами также могут быть компоненты с другими атомами, помимо углерода и водорода, например оксигенаты. Термин исходный газ, содержащий углеводороды означает исходный газ, содержащий углеводородный газ с одним или несколькими углеводородами в смеси с водяным паром, водородом и, возможно, другими компонентами, такими как монооксид углерода, диоксид углерода, и, возможно, также с некоторым количеством азота и аргона. Как правило, исходный газ, подающийся в реакторную систему, имеет определенное отношение углеводородного газа, пара и водорода и, возможно, также диоксида углерода.In the context of the invention, the term hydrocarbon gas means a gas containing one or more hydrocarbons and possibly other components. Thus, as a rule, hydrocarbon gas contains CH4 and in some cases also higher hydrocarbons in relatively small amounts in addition to small amounts of other gases. Higher hydrocarbons are components with two or more carbon atoms, such as ethane and propane. Examples of hydrocarbon gas can be natural gas, domestic gas, gasoline fraction or a mixture of methane and higher hydrocarbons. Hydrocarbons can also be components with atoms other than carbon and hydrogen, such as oxygenates. The term hydrocarbon containing feed gas means a feed gas containing a hydrocarbon gas with one or more hydrocarbons mixed with steam, hydrogen and possibly other components such as carbon monoxide, carbon dioxide, and possibly also some nitrogen and argon. As a rule, the source gas supplied to the reactor system has a certain ratio of hydrocarbon gas, steam and hydrogen, and possibly also carbon dioxide.
- 5 041025- 5 041025
Кроме того, термин паровой риформинг означает реакцию риформинга в соответствии с одним или несколькими из следующих уравнений:In addition, the term steam reforming means a reforming reaction according to one or more of the following equations:
СН4 + Н2О θ СО + ЗН2 (i)CH 4 + H 2 O θ CO + ZN 2 (i)
СН4 + 2Н2О θ СО2 + 4Н2 (й)CH 4 + 2H 2 O θ CO 2 + 4H 2 (th)
СН4 + СО2 θ 2СО + 2Н2 (iii)CH 4 + CO 2 θ 2CO + 2H 2 (iii)
Реакции (i) и (ii) представляют собой реакции парового риформинга метана, тогда как реакция (iii) представляет собой реакцию риформинга сухого метана.Reactions (i) and (ii) are steam methane reforming reactions, while reaction (iii) is a dry methane reforming reaction.
Для высших углеводородов, т.е. для CnHm, где n>2, m>4, уравнение (i) имеет следующий общий вид:For higher hydrocarbons, i.e. for CnH m , where n>2, m>4, equation (i) has the following general form:
СцНщ + η Н2О θ nCO + (n + m/2)H2 (iv), где n>2 и m>4.СцНшch + η Н 2 О θ nCO + (n + m/2)H 2 (iv), where n>2 and m>4.
Паровому риформингу, как правило, сопутствует следующая реакция конверсии водяного газа (v): СО + Н2О θ СО2 + Н2 (ν)Steam reforming is usually accompanied by the following water gas shift reaction (v): CO + H 2 O θ CO 2 + H 2 (v)
Термин паровой риформинг метана включает реакции (i) и (ii), термин паровой риформинг включает реакции (i), (ii) и (iv), в то время как термин метанирование включает реакцию обратную реакции (i). В большинстве случаев на выходе из реакторной системы все эти реакции (i)-(v) достигли равновесия или близки к нему.The term methane steam reforming includes reactions (i) and (ii), the term steam reforming includes reactions (i), (ii) and (iv), while the term methanation includes the reverse reaction of reaction (i). In most cases, at the outlet of the reactor system, all these reactions (i)-(v) have reached equilibrium or are close to it.
Термин предварительный риформинг зачастую используют для обозначения каталитической конверсии высших углеводородов в соответствии с реакцией (iv). Предварительному риформингу, как правило, сопутствует паровой риформинг и/или метанация (в зависимости от состава газа и рабочих условий) и реакция конверсии водяного газа. Предварительный риформинг зачастую проводят в адиабатических реакторах, но может также происходить в реакторах с подогревом.The term pre-reforming is often used to refer to the catalytic conversion of higher hydrocarbons according to reaction (iv). Pre-reforming is typically accompanied by steam reforming and/or methanation (depending on gas composition and operating conditions) and a water gas shift reaction. Pre-reforming is often carried out in adiabatic reactors, but may also take place in heated reactors.
Реакция парового риформинга проходит с поглощением большого количества тепла. Для достижения удовлетворительной степени конверсии метана в исходном газе необходимы высокие температуры, как правило температуры, превышающие 800-850°С. SMR состоит из нескольких труб, заполненных зернами катализатора, внутри печи. Длина труб, как правило, составляет 10-13 м, внутренний диаметр 80-160 мм. Горелки, размещенные в печи, обеспечивают необходимое тепло для реакций за счет сжигания топливного газа. Максимальный средний тепловой поток зачастую составляет 80000-90000 ккал/ч/м2 внутренней поверхности трубы. Общее ограничение теплового потока обусловлено механическими факторами, поэтому мощность повышается за счет увеличения количества труб и размера печи. Подробная информация о реакторной системе типа SMR известна из литературы, например из работы Производство синтез-газа для синтеза Фишера-Тропша (Synthesis gas production for FT synthesis); раздел 4, с. 258-352, 2004. При использовании по тексту настоящего документа аббревиатура SMR обозначает вышеописанный трубчатый реактор парового риформинга метана с внешним обогревом.The steam reforming reaction proceeds with the absorption of a large amount of heat. To achieve a satisfactory degree of methane conversion in the feed gas, high temperatures are required, typically temperatures in excess of 800-850°C. The SMR consists of several tubes filled with catalyst grains inside a furnace. The length of the pipes, as a rule, is 10-13 m, the inner diameter is 80-160 mm. The burners placed in the furnace provide the necessary heat for the reactions by burning the fuel gas. The maximum average heat flow is often 80000-90000 kcal/h/m 2 of the inner surface of the pipe. The overall limitation of the heat flow is due to mechanical factors, so the power is increased by increasing the number of pipes and the size of the furnace. Detailed information about the reactor system type SMR known from the literature, for example from the work Production of synthesis gas for Fischer-Tropsch synthesis (Synthesis gas production for FT synthesis); section 4, p. 258-352, 2004. As used throughout this document, the abbreviation SMR refers to the above-described tubular methane steam reforming reactor with external heating.
Обычно перед подачей в реакторную систему исходный газ подвергают обессериванию для предотвращения дезактивации катализаторов в процессе.Typically, the feed gas is desulfurized before entering the reactor system to prevent deactivation of the catalysts in the process.
При необходимости в качестве начального этапа процесса, который, как правило, осуществляют после этапа обессеривания, углеводородный газ вместе с паром и, возможно, также с водородом и/или другими компонентами, такими как диоксид углерода, также будет подвергаться предварительному риформингу в соответствии с реакцией (iv) в температурном диапазоне приблизительно 350-550°С для конверсии высших углеводородов. Это устраняет риск образования углерода из высших углеводородов на катализаторе на последующих этапах процесса. При необходимости с газом, выходящим с этапа предварительного риформинга, также может смешиваться диоксид углерода или другие компоненты с образованием исходного газа.If necessary, as an initial stage of the process, which is usually carried out after the desulfurization stage, the hydrocarbon gas, together with steam and possibly also with hydrogen and/or other components such as carbon dioxide, will also be pre-reformed in accordance with the reaction (iv) in a temperature range of approximately 350-550°C for the conversion of higher hydrocarbons. This eliminates the risk of carbon formation from higher hydrocarbons on the catalyst in subsequent process steps. Optionally, carbon dioxide or other components may also be mixed with the gas leaving the pre-reformer to form a feed gas.
Как правило, исходный газ, поступающий в реакторную систему, подвергают предварительному нагреву. Однако из-за теплового потока от структурированного катализатора исходный газ, поступающий в реакторную систему, может быть относительно холодным. Таким образом, может быть достаточно предварительного нагрева исходного газа до температуры приблизительно от 200°С до приблизительно 450°С.Typically, the feed gas entering the reactor system is preheated. However, due to the heat flux from the structured catalyst, the feed gas entering the reactor system may be relatively cold. Thus, it may be sufficient to preheat the source gas to a temperature of from about 200°C to about 450°C.
Термин электропроводящий означает материалы с удельным электрическим сопротивлением в диапазоне от 10-5 до 10-8 Ω-м при 20°С. Таким образом, электропроводящими материалами являются, например, металлы, такие как медь, серебро, алюминий, хром, железо, никель или сплавы металлов. Кроме того, термин электроизоляционный означает материалы с удельным электрическим сопротивлением выше 10 Ω-м при 20°С, например, в диапазоне 109-1025 Ω-м при 20°С.The term electrically conductive means materials with electrical resistivity in the range of 10 -5 to 10 -8 Ω-m at 20°C. Thus, electrically conductive materials are, for example, metals such as copper, silver, aluminium, chromium, iron, nickel or metal alloys. In addition, the term electrically insulating means materials with electrical resistivity above 10 Ω-m at 20°C, for example, in the range of 109-10 25 Ω-m at 20°C.
Если реакторная система содержит теплоизоляционный слой между структурированным катализатором и корпусом высокого давления, между структурированным катализатором и корпусом высокого давления обеспечивается необходимая тепло- или электроизоляция. Наличие теплоизоляционного слоя между структурированным катализатором и корпусом высокого давления помогает избежать чрезмерного нагрева корпуса высокого давления и способствует снижению термопотери в окружающую среду. Температуры в структурированном катализаторе, по меньшей мере в некоторых его частях, могут достигать приблизительно 1300°С, однако с помощью теплоизоляционного слоя между структурированнымIf the reactor system comprises a thermal insulation layer between the structured catalyst and the pressure vessel, the necessary thermal or electrical insulation is provided between the structured catalyst and the pressure vessel. The presence of a heat-insulating layer between the structured catalyst and the pressure vessel helps to avoid excessive heating of the pressure vessel and helps to reduce thermal loss to the environment. Temperatures in the structured catalyst, at least in some of its parts, can reach approximately 1300 ° C, however, with the help of a heat-insulating layer between the structured
- 6 041025 катализатором и корпусом высокого давления можно поддерживать более низкую температуру корпуса высокого давления, например 500 или даже 200°С, что является преимуществом, поскольку типичные материалы из конструкционной стали обычно не могут использоваться под нагрузкой при температурах выше 1000°С. Кроме того, теплоизолирующий слой между корпусом высокого давления и структурированным катализатором помогает контролировать электрический ток в системе реактора, поскольку теплоизоляционный слой также является электроизоляционным. Теплоизоляционный слой может представлять собой один или более слоев твердого материала, такого как керамика, инертный материал, огнеупорный материал, газовый барьер или их комбинация. Таким образом, также возможно, чтобы часть теплоизоляционного слоя составлял или образовывал продувочный газ или газ внутри катализатора.- 6 041025 catalyst and pressure vessel can maintain a lower temperature of the pressure vessel, for example 500 or even 200°C, which is an advantage because typical structural steel materials usually cannot be used under load at temperatures above 1000°C. In addition, the heat insulating layer between the pressure vessel and the structured catalyst helps control the electrical current in the reactor system, since the heat insulating layer is also electrically insulating. The thermal barrier layer may be one or more layers of hard material such as ceramic, inert material, refractory material, gas barrier, or a combination thereof. Thus, it is also possible for a part of the heat-insulating layer to constitute or form a purge gas or a gas inside the catalyst.
Кроме того, следует отметить, что термин теплоизоляционный материал означает материалы с теплопроводностью приблизительно 10 Вт(м’-К’1) или ниже. Примерами теплоизоляционных материалов являются керамика, огнеупорный материал, материалы на основе оксида алюминия, материалы на основе диоксида циркония и т.п.In addition, it should be noted that the term thermal insulation material means materials with a thermal conductivity of approximately 10 W(m'-K'1) or lower. Examples of thermal insulation materials are ceramics, refractory materials, alumina materials, zirconia materials, and the like.
Любые соответствующие зазоры между структурированным катализатором, теплоизоляционным слоем, корпусом высокого давления и/или любыми другими компонентами внутри реакторной системы предпочтительно заполнены инертным материалом, например, в виде зерен инертного материала. Такими зазорами могут быть, например, зазор между нижней стороной структурированного катализатора и дном корпуса высокого давления и зазор между сторонами структурированного катализатора и изоляционным слоем, покрывающим внутренние стороны кожуха высокого давления. Инертным материалом может быть, например, керамический материал в виде зерен или плитки. Инертный материал способствует контролю распределения газа в реакторной системе и контролю потока газа через структурированный катализатор. Кроме того, инертный материал, как правило, имеет теплоизоляционный эффект.Any appropriate gaps between the structured catalyst, thermal insulation layer, pressure vessel and/or any other components within the reactor system are preferably filled with inert material, for example in the form of grains of inert material. Such gaps can be, for example, the gap between the underside of the structured catalyst and the bottom of the pressure vessel and the gap between the sides of the structured catalyst and the insulating layer covering the inner sides of the pressure vessel. The inert material may be, for example, a ceramic material in the form of grains or tiles. The inert material helps control the distribution of gas in the reactor system and control the flow of gas through the structured catalyst. In addition, the inert material generally has a heat-insulating effect.
В одном из вариантов осуществления изобретения расчетное давление корпуса высокого давления находится в диапазоне 5-30 бар. Для конфигурации малого масштаба расчетное давление корпуса высокого давления может находиться в диапазоне 5-15 бар. Поскольку самой горячей частью реакторной системы является структурированный катализатор, вокруг которого внутри корпуса высокого давления реакторной системы будет находиться теплоизоляционный слой, температура корпуса высокого давления будет сохраняться на значительно более низком уровне, чем максимальная рабочая температура. Это позволяет иметь относительно низкую расчетную температуру корпуса высокого давления, например 700 или 500°С, предпочтительно 300 или 200°С, при максимальной рабочей температуре на структурированном катализаторе 900 или даже 1100°С или даже до 1300°С. Прочность материала выше при более низкой из этих температур (соответствующей расчетной температуре корпуса высокого давления, как указано выше); это означает, что в отличие от реактора парового риформинга метана с внешним нагревом, такого как SMR с верхним или боковым нагревом, реакторная система по настоящему изобретению может быть рассчитана на работу при (более) высоком давлении. В SMR максимальная температура стенки трубы может быть не выше 1000°С. Еще одно преимущество состоит в том, что из-за более низкой расчетной температуры по сравнению с SMR в некоторых случаях толщина корпуса высокого давления может быть уменьшена, что снижает затраты.In one of the embodiments of the invention, the design pressure of the pressure vessel is in the range of 5-30 bar. For a small scale configuration, the design pressure of the pressure vessel can be in the range of 5-15 bar. Since the hottest part of the reactor system is the structured catalyst, around which there will be an insulating layer inside the pressure vessel of the reactor system, the temperature of the pressure vessel will be maintained at a level significantly lower than the maximum operating temperature. This makes it possible to have a relatively low pressure vessel design temperature, for example 700 or 500° C., preferably 300 or 200° C., at a maximum structured catalyst operating temperature of 900 or even 1100° C. or even up to 1300° C. The strength of the material is higher at the lower of these temperatures (corresponding to the pressure vessel design temperature as above); this means that, unlike an externally heated steam methane reformer such as a top or side heated SMR, the reactor system of the present invention can be designed to operate at (higher) pressure. In SMR, the maximum pipe wall temperature can be up to 1000°C. Another advantage is that, due to the lower design temperature compared to SMR, the thickness of the pressure vessel can be reduced in some cases, reducing costs.
В одном из вариантов осуществления изобретения расчетное давление корпуса высокого давления находится в диапазоне 30-200 бар, предпочтительно в диапазоне 80-180 бар.In one embodiment of the invention, the design pressure of the pressure vessel is in the range of 30-200 bar, preferably in the range of 80-180 bar.
Реакторная система по изобретению может представлять собой часть установки, такой как водородная установка. Такая установка может преимущественно включать один или более компрессоров и/или насосов по ходу процесса перед реакторной системой по изобретению. Компрессоры/насосы предназначены для сжатия исходного газа до давления 30-200 бар перед подачей в реакторную систему. Компоненты исходного газа, в частности пар, водород и исходный углеводородный газ, могут по отдельности подвергаться сжатию и подаваться по отдельности в реакторную систему по изобретению. Если перед подачей в реакторную систему по изобретению осуществляют сжатие исходного газа и реакторная система содержит корпус высокого давления, расчетное давление которого составляет 30-200 бар, этап сжатия после реакторной системы по изобретению может быть упрощен или полностью исключен. В водородной установке, которая является частью нефтеперерабатывающего завода, где для гидроочистки используют водородный продукт, от компрессора для гидроочистки можно отказаться, если на выходе из реакторной системы давление газообразного продукта составляет приблизительно 150-200 бар.The reactor system of the invention may be part of a plant, such as a hydrogen plant. Such a plant may advantageously include one or more compressors and/or pumps downstream of the reactor system of the invention. The compressors/pumps are designed to compress the feed gas to a pressure of 30-200 bar before being fed into the reactor system. Feed gas components, in particular steam, hydrogen and hydrocarbon feed gas, can be individually compressed and fed separately to the reactor system of the invention. If the source gas is compressed before being fed into the reactor system according to the invention and the reactor system comprises a pressure vessel having a design pressure of 30-200 bar, the compression step after the reactor system according to the invention can be simplified or eliminated entirely. In a hydrogen plant that is part of a refinery where hydrogen product is used for hydrotreatment, the hydrotreater compressor can be omitted if the product gas pressure is approximately 150-200 bar at the outlet of the reactor system.
В одном из вариантов осуществления удельное сопротивление макроскопической структуры находится в диапазоне 10-5-10-7 Ω-м. Материал с удельным сопротивлением в этом диапазоне обеспечивает эффективный нагрев структурированного катализатора при подаче энергии от источника питания. Удельное сопротивление графита составляет приблизительно 10-5 Ω-м при 20°С, удельное сопротивление кантала составляет приблизительно 10-6 Ω-м при 20°С, удельное сопротивление нержавеющей стали составляет приблизительно 10-7 Ω-м при 20°С. Кантал - торговая марка семейства сплавов железо-хромалюминий (FeCrAl). Макроскопическая структура может быть, например, изготовлена из сплава FeCrAlloy, имеющего удельное сопротивление приблизительно 1,5-10-6 Ω-м при 20°С.In one embodiment, the resistivity of the macroscopic structure is in the range of 10-5-10 -7 Ω-m. A material with a resistivity in this range provides efficient heating of the structured catalyst when energy is supplied from a power source. The resistivity of graphite is approximately 10 -5 Ω-m at 20°C, the resistivity of kanthal is approximately 10 -6 Ω-m at 20°C, the resistivity of stainless steel is approximately 10 -7 Ω-m at 20°C. Kanthal is a brand name for the iron-chromium aluminum (FeCrAl) family of alloys. The macroscopic structure may, for example, be made of FeCrAlloy having a resistivity of approximately 1.5-10 -6 Ω-m at 20°C.
Следует отметить, что система по изобретению может включать в себя любое подходящее количе- 7 041025 ство источников питания и любое подходящее количество проводников, соединяющих источники питания и макроскопические структуры структурированного катализатора.It should be noted that the system of the invention may include any suitable number of power supplies and any suitable number of conductors connecting the power supplies and macroscopic structures of the structured catalyst.
В соответствии с одним из вариантов осуществления реакторной системы каждый из по меньшей мере двух проводников проходит через корпус высокого давления в фитинге таким образом, что по меньшей мере два проводника электрически изолированы от корпуса высокого давления. Фитинг может быть частично изготовлен из пластика и/или керамического материала. Термин фитинг означает устройство, которое позволяет механически соединять две части оборудования, которые находятся в такой конфигурации под нагрузкой. С его использованием может поддерживаться давление внутри корпуса высокого давления, даже если через него проходят по меньшей мере два проводника. В качестве неограничивающих примеров фитингов можно привести электроизоляционные фитинги, диэлектрические фитинги, силовые компрессионные уплотнения, компрессионные фитинги или фланцы. Корпус высокого давления, как правило, содержит боковые стенки, торцевые стенки, фланцы и, возможно, другие элементы. Термин корпус высокого давления может относится к любому из этих компонентов.According to one embodiment of the reactor system, each of the at least two conductors passes through the pressure vessel in a fitting such that the at least two conductors are electrically isolated from the pressure vessel. The fitting may be partly made of plastic and/or ceramic material. The term fitting means a device that allows the mechanical connection of two pieces of equipment that are in such a configuration under load. With its use, the pressure inside the pressure vessel can be maintained, even if at least two conductors pass through it. Non-limiting examples of fittings include electrical insulating fittings, dielectric fittings, power compression seals, compression fittings, or flanges. The pressure vessel typically includes side walls, end walls, flanges, and possibly other elements. The term pressure vessel can refer to any of these components.
Фитинги соединены с передней частью макроскопической структуры. Например, фитинги расположены по ходу процесса перед передней частью макроскопической структуры (относительно направления исходного газа). Тем самым температура самих фитингов будет относительно низкой. С помощью комбинации теплоизоляционного слоя и фитингов в относительно холодной части корпуса высокого давления можно обеспечить давление в корпусе высокого давления более 5 бар, несмотря на то что фитинги проходят через стенку корпуса высокого давления и что максимальная температура структурированного катализатора может достигать около 950°С. В случае нагрева фитингов до высоких температур существует риск возникновения механических дефектов, например деформаций, и вероятна утечка газа из корпуса высокого давления. Кроме того, следует избегать электрического соединения между как минимум двумя проводниками и корпусом высокого давления. Для этого важно избегать чрезмерного нагрева фитингов. Например, фитинг может содержать полимер, а также компрессионный фитинг.The fittings are connected to the front of the macroscopic structure. For example, the fittings are located downstream of the front of the macroscopic structure (relative to the direction of the feed gas). Thus, the temperature of the fittings themselves will be relatively low. With the combination of a thermal insulation layer and fittings in the relatively cold part of the pressure vessel, a pressure in the pressure vessel of more than 5 bar can be achieved, despite the fact that the fittings pass through the wall of the pressure vessel and that the maximum temperature of the structured catalyst can reach about 950°C. If the fittings are heated to high temperatures, there is a risk of mechanical defects, such as deformation, and gas leakage from the pressure housing is likely. In addition, an electrical connection between at least two conductors and the pressure vessel must be avoided. To do this, it is important to avoid excessive heating of the fittings. For example, the fitting may contain a polymer as well as a compression fitting.
В одном из вариантов осуществления изобретения корпус высокого давления также имеет одно или более входных отверстий, расположенных рядом или в комбинации с по меньшей мере одним фитингом, чтобы предоставить возможность охлаждающему газу проходить через, вокруг, рядом или внутри по меньшей мере одного проводника внутри указанного корпуса высокого давления. Таким образом, обеспечивается охлаждение проводников и температура нагрева фитинга сохраняется на низком уровне. Если охлаждающий газ не используют, проводники могут нагреваться исходным газом, подаваемым в реакторную систему, резистивным нагревом проводника из-за подачи тока и/или в результате теплопередачи от структурированного катализатора. Охлаждающий газ может, например, представлять собой водород, азот, пар, диоксид углерода или их смеси. Температура охлаждающего газа на подаче в корпус высокого давления может составлять, например, приблизительно 100, или 200, или 250°С. В одном из вариантов осуществления проводники являются полыми, чтобы обеспечить возможность прохождения охлаждающего газа через проводники и охлаждения их изнутри. Поддерживая низкую температуру фитинга, например, на уровне около 100-200°С легче обеспечить герметичную конфигурацию. В одном из вариантов осуществления в качестве охлаждающего газа в корпус высокого давления подают часть исходного газа, например диоксид углерода и/или пар. В еще одном варианте осуществления в качестве охлаждающего газа используют часть исходного газа или газ того же состава, что и исходный газ.In one embodiment, the pressure housing also has one or more inlets adjacent to or in combination with at least one fitting to allow refrigerant gas to pass through, around, adjacent to, or within at least one conductor within said housing. high pressure. In this way, cooling of the conductors is ensured and the heating temperature of the fitting is kept low. If no cooling gas is used, the conductors may be heated by the feed gas supplied to the reactor system, resistive heating of the conductor due to current injection and/or heat transfer from the structured catalyst. The cooling gas may, for example, be hydrogen, nitrogen, steam, carbon dioxide or mixtures thereof. The temperature of the cooling gas at the supply to the pressure vessel may be, for example, approximately 100, or 200, or 250°C. In one embodiment, the conductors are hollow to allow cooling gas to pass through the conductors and cool them from the inside. By maintaining a low fitting temperature, for example, around 100-200°C, it is easier to achieve a tight configuration. In one embodiment, a portion of the feed gas, such as carbon dioxide and/or steam, is fed into the pressure vessel as cooling gas. In yet another embodiment, a portion of the feed gas or a gas of the same composition as the feed gas is used as the cooling gas.
В одном из вариантов осуществления реакторная система дополнительно содержит внутреннюю трубу, при этом между ней и структурированным катализатором осуществляется теплообмен, причем внутренняя труба выполнена с возможностью отвода газообразного продукта из структурированного катализатора таким образом, что между газообразным продуктом, поступающим через внутреннюю трубу или трубы, осуществляется теплообмен с газом, поступающим через структурированный катализатор, тем не менее внутренняя труба электрически изолирована от структурированного катализатора. Такую конфигурацию именуют в настоящем документе байонетной реакторной системой. В этой конфигурации газообразный продукт во внутренней трубе способствует нагреванию технологического газа, поступающего через структурированный катализатор. Электрическая изоляция между внутренней трубой и структурированным катализатором может обеспечиваться за счет газа в зазоре между внутренней трубой и структурированным катализатором или за счет инертного материала, расположенного вокруг внутренней трубы и структурированного катализатора. Газ может проходить через структурированный катализатор в восходящем или нисходящем направлении. Несмотря на то что электрическая изоляция между внутренней трубой и структурированным катализатором также обеспечивает теплоизоляцию, такой эффект теплоизоляции никогда не бывает полным и некоторая теплопередача будет осуществляться через электроизоляционный слой.In one of the embodiments, the reactor system further comprises an inner tube, wherein heat exchange takes place between it and the structured catalyst, wherein the inner tube is adapted to remove the gaseous product from the structured catalyst in such a way that between the gaseous product entering through the inner pipe or pipes, heat exchange with the gas entering through the structured catalyst, however, the inner tube is electrically isolated from the structured catalyst. This configuration is referred to herein as a bayonet reactor system. In this configuration, the product gas in the inner tube contributes to the heating of the process gas entering through the structured catalyst. Electrical isolation between the inner tube and the structured catalyst may be provided by gas in the gap between the inner tube and the structured catalyst, or by an inert material located around the inner tube and the structured catalyst. The gas may flow through the structured catalyst in an upward or downward direction. While the electrical insulation between the inner tube and the structured catalyst also provides thermal insulation, this thermal insulation effect is never complete and some heat transfer will occur through the electrical insulation layer.
В одном из вариантов осуществления изобретения соединение между структурированным катализатором и указанными по меньшей мере двумя проводниками представляет собой механическое соединение, сварное соединение, паяное соединение или их комбинацию. Структурированный катализатор может включать контактные выводы, физически и электрически соединенные со структурированным катализатором, чтобы обеспечить более эффективное электрическое соединение между макроскопиче- 8 041025 ской структурой структурированного катализатора и по меньшей мере двумя проводниками. Термин механическое соединение означает соединение, в котором два компонента удерживаются вместе механически, например, посредством резьбового соединения или зажима, так что между компонентами может проходить ток.In one of the embodiments of the invention, the connection between the structured catalyst and these at least two conductors is a mechanical connection, a welded joint, a solder joint, or a combination thereof. The structured catalyst may include terminals physically and electrically connected to the structured catalyst to provide a more efficient electrical connection between the macroscopic structure of the structured catalyst and the at least two conductors. The term mechanical connection means a connection in which two components are held together mechanically, such as by a threaded connection or clamp, so that current can flow between the components.
В одном из вариантов осуществления изобретения макроскопические структуры в наборе макроскопических структур могут быть электрически соединены между собой. Соединение между двумя или более макроскопическими структурами может осуществляться посредством механического соединения, зажима, пайки, сварки или любой комбинации этих методов соединения. Каждая макроскопическая структура может включать контактные выводы, чтобы обеспечить более эффективное электрическое соединение. Две или несколько макроскопических структур могут быть подключены к источнику питания последовательно или параллельно. Электрическое соединение между двумя или более макроскопическими структурами предпочтительно является связным и однородным вдоль поверхности соединения между двумя или более макроскопическими структурами, так что две или более макроскопических структур действуют как единый связный или внутренне цельный материал, тем самым обеспечивается однородная электропроводность двух или нескольких макроскопических структур. В качестве альтернативы или дополнительно структурированный катализатор может включать набор макроскопических структур, которые электрически не соединены между собой. Вместо этого две или несколько макроскопических структур размещены вместе внутри корпуса высокого давления, но электрически не соединены друг с другом. Таким образом, в этом случае структурированный катализатор содержит макроскопические структуры, подключенные к источнику питания параллельно.In one of the embodiments of the invention, the macroscopic structures in the set of macroscopic structures can be electrically connected to each other. The connection between two or more macroscopic structures can be achieved by mechanical connection, clamping, soldering, welding, or any combination of these connection methods. Each macroscopic structure may include contact leads to provide a more efficient electrical connection. Two or more macroscopic structures can be connected to the power supply in series or in parallel. The electrical connection between two or more macroscopic structures is preferably coherent and uniform along the interface between the two or more macroscopic structures, such that the two or more macroscopic structures act as a single cohesive or intrinsically solid material, thereby ensuring uniform electrical conductivity of the two or more macroscopic structures. Alternatively, or additionally, the structured catalyst may include a set of macroscopic structures that are not electrically connected to each other. Instead, two or more macroscopic structures are placed together inside the pressure vessel, but are not electrically connected to each other. Thus, in this case, the structured catalyst contains macroscopic structures connected in parallel to the power source.
Керамическое покрытие с каталитически активным материалом или без него может быть нанесено непосредственно на металлическую поверхность путем протравной грунтовки. Протравная грунтовка является известной технологией, ее описание приведено в работе, например Cybulski, A., Moulijn, J.A., Структурированные катализаторы и реакторы (Structured catalysts and reactors), Marcel Dekker, Inc., Нью-Йорк, 1998, глава 3, в ссылочных материалах в настоящем документе. Керамическое покрытие может быть нанесено на поверхность макроскопической структуры, а затем может быть добавлен каталитически активный материал. В качестве альтернативы на макроскопическую структуру наносят керамическое покрытие, содержащее каталитически активный материал.A ceramic coating with or without a catalytically active material can be applied directly to a metal surface by a pickle primer. The mordant primer is a known technology and is described in e.g. Cybulski, A., Moulijn, J.A., Structured Catalysts and Reactors, Marcel Dekker, Inc., New York, 1998, chapter 3, ref. materials in this document. A ceramic coating may be applied to the surface of the macroscopic structure and then the catalytically active material may be added. Alternatively, a ceramic coating containing a catalytically active material is applied to the macroscopic structure.
В результате экструзии и спекания или 3D-печати и спекания получают однородную макроскопическую структуру связной формы, на которую впоследствии можно нанести керамическое покрытие.As a result of extrusion and sintering or 3D printing and sintering, a homogeneous macroscopic structure of a cohesive shape is obtained, which can subsequently be applied with a ceramic coating.
Спекание макроскопической структуры и керамического покрытия может осуществляться в окислительной атмосфере для образования химических связей между керамическим покрытием и макроскопической структурой. Это обеспечивает особенно высокую теплопроводность между макроскопической структурой и каталитически активным материалом, который расположен на подложке из керамического покрытия. Таким образом, структурированный катализатор оптимизирован с точки зрения передачи тепла активному каталитическому центру, а также реакторная система, в которой находится структурированный катализатор, может быть оптимизирована и ограничиваться, главным образом, скоростью химической реакции. Теплоотдача извне корпуса высокого давления к структурированному катализатору не осуществляется, как в случае известных SMR, где теплопередача происходит через стенки труб к катализатору внутри труб.The sintering of the macroscopic structure and the ceramic coating may be carried out in an oxidizing atmosphere to form chemical bonds between the ceramic coating and the macroscopic structure. This provides a particularly high thermal conductivity between the macroscopic structure and the catalytically active material, which is located on the ceramic coating substrate. Thus, the structured catalyst is optimized in terms of heat transfer to the active catalytic site, and also the reactor system in which the structured catalyst is located can be optimized and limited mainly by the chemical reaction rate. Heat transfer from outside the pressure vessel to the structured catalyst is not carried out, as in the case of known SMRs, where heat transfer occurs through the walls of the pipes to the catalyst inside the pipes.
В одном из вариантов осуществления изобретения структурированный катализатор имеет по меньшей мере одну электроизоляционную часть, с помощью которой длина пути тока между проводниками увеличивается и становится больше длины структурированного катализатора по наибольшему измерению. Путь тока между проводниками больший, чем наибольшие измерение структурированного катализатора может быть обеспечен за счет расположения между проводниками электроизоляционной части (частей), когда ток не проходит через некоторую часть структурированного катализатора. Такие электроизоляционные части предназначены для увеличения пути тока и, таким образом, увеличения сопротивления в структурированном катализаторе. Тем самым путь тока через структурированный катализатор может быть, например, более чем на 50, 100, 200, 1000 или 10000% длиннее наибольшего измерения структурированного катализатора.In one of the embodiments of the invention, the structured catalyst has at least one electrically insulating part, with which the length of the current path between the conductors increases and becomes greater than the length of the structured catalyst in the longest dimension. A current path between the conductors greater than the largest dimension of the structured catalyst can be provided by placing an electrically insulating part(s) between the conductors when no current passes through some part of the structured catalyst. Such electrically insulating parts are intended to increase the current path and thus increase the resistance in the structured catalyst. Thus, the current path through the structured catalyst can be, for example, more than 50%, 100%, 200%, 1000% or 10000% longer than the largest dimension of the structured catalyst.
Кроме того, такие электроизоляционные части предназначены для направления тока от одного проводника, который расположен ближе к передней части структурированного катализатора, чем к задней части структурированного катализатора, к задней части структурированного катализатора и обратно ко второму проводнику, расположенному ближе к передней части структурированного катализатора, чем к задней части. Предпочтительно ток проходит от передней части конца структурированного катализатора к задней части и обратно к передней части. Как показано на фигурах, передней частью структурированного катализатора является его верхняя часть. Стрелка, обозначенная буквой z на фиг. 5-7, указывает ось z по длине структурированного катализатора. Основной путь тока через структурированный катализатор будет иметь положительное или отрицательное значение z-координаты соответствующего вектора плотности тока на большей части пути тока. Основной путь тока означает путь электронов через макроскопическую структуру структурированного катализатора с наибольшей плотностью тока. Основной путь тока можно также понимать как путь, имеющий минимальную длину, через макроскопическуюIn addition, such electrically insulating parts are designed to direct current from one conductor, which is located closer to the front of the structured catalyst than to the back of the structured catalyst, to the back of the structured catalyst, and back to the second conductor, located closer to the front of the structured catalyst than towards the back. Preferably, the current flows from the front of the end of the structured catalyst to the back and back to the front. As shown in the figures, the front of the structured catalyst is its top. The arrow marked z in FIG. 5-7 indicates the z-axis along the length of the structured catalyst. The main current path through the structured catalyst will have a positive or negative z-coordinate value of the corresponding current density vector over most of the current path. The main current path means the path of electrons through the macroscopic structure of the structured catalyst with the highest current density. The main current path can also be understood as the path having the minimum length through the macroscopic
- 9 041025 структуру структурированного катализатора. С геометрической точки зрения, главный путь тока может быть количественно определен как наибольший вектор плотности тока в плоскости, перпендикулярной направлению потока газа в связной секции макроскопической структуры. В нижней части структурированного катализатора, как показано на фигурах, ток изменит направление, и здесь z-координата соответствующего вектора плотности тока будет равна нулю.- 9 041025 the structure of the structured catalyst. From a geometric point of view, the main current path can be quantified as the largest current density vector in a plane perpendicular to the direction of gas flow in a connected section of a macroscopic structure. At the bottom of the structured catalyst, as shown in the figures, the current will change direction, and here the z-coordinate of the corresponding current density vector will be zero.
При использовании по тексту настоящего документа термин связная секция означает поперечное сечение макроскопической структуры, где все стенки связной секции геометрически соединены с одной или несколькими другими стенками связной секции в одной и той же плоскости.As used throughout this document, the term bonded section means a cross section of a macroscopic structure where all walls of the bonded section are geometrically connected to one or more other walls of the bonded section in the same plane.
В одном из вариантов осуществления изобретения структурированный катализатор имеет по меньшей мере одну электроизоляционную часть, выполненную с возможностью направления тока через указанный структурированный катализатор для обеспечения ненулевого значения компонента вектора плотности тока основного пути тока по меньшей мере для 70% длины указанного структурированного катализатора параллельно длине указанного структурированного катализатора. Таким образом, по меньшей мере для 70% длины указанного структурированного катализатора вектор плотности тока будет иметь положительное или отрицательное значение компонента, параллельно длине указанного структурированного катализатора. Таким образом, по меньшей мере для 70%, например для 90 или 95% длины структурированного катализатора, т.е. по оси z структурированного катализатора, показанной на фиг. 5-10, вектор плотности тока основного пути тока будет иметь положительное или отрицательное значение компонента по оси z структурированного катализатора. Это означает, что ток направляют от передней части структурированного катализатора к задней его части, а затем снова направляют к передней части. Тепло от структурированного катализатора поглощается в ходе нагрева газа, поступающего в переднюю часть структурированного катализатора, и в ходе эндотермической реакции парового риформинга над структурированным катализатором. Поэтому передняя часть структурированного катализатора остается более холодной, чем задняя часть, и при условии, что вектор плотности тока основного пути тока имеет ненулевое значение компонента, параллельно длине указанного структурированного катализатора, это обеспечивает профиль практически постоянно увеличивающихся температур, что, в свою очередь, обеспечивает управляемый фронт реакции. В одном из вариантов осуществления вектор плотности тока имеет ненулевое значение компонента параллельно длине указанного структурированного катализатора для 70% длины указанного структурированного катализатора, предпочтительно для 80%, более предпочтительно для 90%, еще более предпочтительно для 95% длины указанного структурированного катализатора. Следует отметить, что термин длина структурированного катализатора означает измерение структурированного катализатора в направлении газового потока. У структурированных катализаторов, показанных на фигурах, длина соответствует продольному направлению, т.е. длина является наибольшим измерением катализатора. На некоторых фигурах это направление указано стрелкой, обозначенной буквой z.In one embodiment of the invention, the structured catalyst has at least one electrically insulating portion configured to direct current through said structured catalyst to provide a non-zero value of the current density vector component of the main current path for at least 70% of the length of said structured catalyst parallel to the length of said structured catalyst. catalyst. Thus, for at least 70% of the length of said structured catalyst, the current density vector will have a positive or negative component value parallel to the length of said structured catalyst. Thus, for at least 70%, for example 90% or 95% of the length of the structured catalyst, i.e. along the z-axis of the structured catalyst shown in FIG. 5-10, the current density vector of the main current path will have a positive or negative value of the z component of the structured catalyst. This means that the current is directed from the front of the structured catalyst to the back of it and then back to the front. Heat from the structured catalyst is absorbed during heating of the gas entering the front of the structured catalyst and during the endothermic steam reforming reaction over the structured catalyst. Therefore, the front of the structured catalyst remains cooler than the back, and provided that the current density vector of the main current path has a non-zero component value, parallel to the length of said structured catalyst, this provides a profile of substantially constantly increasing temperatures, which in turn provides controlled reaction front. In one embodiment, the current density vector has a non-zero component value parallel to the length of said structured catalyst for 70% of the length of said structured catalyst, preferably 80%, more preferably 90%, even more preferably 95% of the length of said structured catalyst. It should be noted that the term structured catalyst length refers to the dimension of the structured catalyst in the direction of the gas flow. For the structured catalysts shown in the figures, the length corresponds to the longitudinal direction, i. length is the largest measurement of a catalyst. In some figures, this direction is indicated by an arrow labeled z.
В качестве неограничивающих примеров изоляционных частей можно привести прорези, щели или отверстия в конструкции. При необходимости в прорезях в конструкции можно использовать твердый изоляционный материал, такой как керамика. В случае когда твердый изолирующий материал представляет собой пористый керамический материал, каталитически активный материал может преимущественно вводиться в поры, например, посредством пропитки. Твердый изолирующий материал внутри прорези помогает изолировать части структурированного катализатора по сторонам прорези друг от друга. При использовании по тексту настоящего изобретения термин наибольшее измерение структурированного катализатора означает наибольшее внутреннее измерение геометрической формы, занимаемой структурированной катализатором. Если структурированный катализатор имеет форму коробки, наибольшим измерением будет диагональ от одного угла до самого дальнего угла, которую также именуют пространственной диагональю.As non-limiting examples of insulating parts, slots, slots or openings in the structure can be cited. If necessary, a solid insulating material such as ceramic can be used in the slots in the structure. In the case where the solid insulating material is a porous ceramic material, the catalytically active material may advantageously be introduced into the pores, for example by impregnation. A solid insulating material within the slot helps isolate the portions of the structured catalyst on the sides of the slot from each other. When used in the text of the present invention, the term the largest dimension of the structured catalyst means the largest internal dimension of the geometric shape occupied by the structured catalyst. If the structured catalyst is box-shaped, the largest dimension will be the diagonal from one corner to the farthest corner, also referred to as the space diagonal.
Следует отметить, что даже несмотря на то что благодаря электроизоляционным частям, предусмотренным для увеличения пути тока, ток может проходить через структурированный катализатор с изменением направления, газ, проходящий через реакторную систему, поступает в одну часть реакторной системы и один раз проходит через структурированный катализатор перед тем, как выйти из реакторной системы. В соответствующих зазорах между структурированным катализатором и остальной частью реакторной системы предпочтительно присутствует инертный материал, чтобы внутри реакторной системы газ проходил через структурированный катализатор и каталитически активный материал.It should be noted that even though due to the electrically insulating parts provided to increase the current path, the current can pass through the structured catalyst with a change of direction, the gas passing through the reactor system enters one part of the reactor system and passes through the structured catalyst once before how to get out of the reactor system. In appropriate gaps between the structured catalyst and the rest of the reactor system, an inert material is preferably present so that, within the reactor system, the gas passes through the structured catalyst and the catalytically active material.
В одном варианте осуществления длина газового канала через структурированный катализатор меньше, чем длина пути тока от одного проводника через структурированный катализатор к следующему проводнику. Отношение длины газового канала к длине пути тока может быть меньше 0,6 или 0,3, 0,1 или даже 0,002.In one embodiment, the length of the gas passage through the structured catalyst is less than the length of the current path from one conductor through the structured catalyst to the next conductor. The ratio of the length of the gas channel to the length of the current path can be less than 0.6 or 0.3, 0.1 or even 0.002.
В одном из вариантов осуществления структурированный катализатор имеет по меньшей мере одну электроизоляционную часть, с помощью которой ток направляют через структурированный катализатор по зигзагообразному пути. В настоящем документе термин зигзагообразный путь означают путь от одного проводника к другому, направление которого меняется под разными углами. Зигзагообразный путь - это, например, путь, который идет вверх, поворачивает, а затем идет вниз. Зигзагообразный путьIn one embodiment, the structured catalyst has at least one electrically insulating portion by which current is directed through the structured catalyst in a zigzag path. In this document, the term zigzag path means a path from one conductor to another, the direction of which changes at different angles. A zigzag path is, for example, a path that goes up, turns, and then goes down. zigzag path
- 10 041025 может иметь множество поворотов, он может идти вверх, а затем вниз много раз при прохождении через структурированный катализатор, даже если одного поворота достаточно, чтобы сделать путь зигзагообразным.- 10 041025 can have many turns, it can go up and then down many times while passing through the structured catalyst, even if one turn is enough to make the path zigzag.
Следует отметить, что изолирующие части, предназначенные для увеличения пути прохождения тока, не обязательно связаны с керамическим покрытием на макроскопической структуре, хотя это керамическое покрытие также считается электроизоляционным, оно не изменяет длину пути тока между проводниками, подключенными к макроскопической структуре.It should be noted that insulating parts designed to increase the current path are not necessarily associated with a ceramic coating on the macroscopic structure, although this ceramic coating is also considered electrically insulating, it does not change the length of the current path between conductors connected to the macroscopic structure.
В одном из вариантов осуществления изобретения макроскопическая структура имеет множество параллельных или почти параллельных каналов, множество непараллельных каналов и/или множество каналов с меняющимся направлением, при этом каналы ограничены стенками. Таким образом, можно использовать несколько различных форм макроскопической структуры до тех пор, пока площадь поверхности структурированного катализатора, на которую воздействует газ, будет максимальной. В предпочтительном варианте осуществления макроскопическая структура имеет параллельные каналы, поскольку такие параллельные каналы обеспечивают очень небольшой перепад давления в структурированном катализаторе. В предпочтительном варианте осуществления параллельные продольные каналы расположены под углом относительно продольной оси макроскопической структуры. Таким образом, молекулы газа, поступающего через макроскопическую структуру, будут ударяться о стенки внутри каналов, а не просто поступать прямо через канал без соприкосновения со стенкой. Размер каналов должен быть таким, чтобы обеспечить достаточное сопротивление макроскопической структуры. Например, каналы могут быть квадратными (в поперечном сечении, перпендикулярном каналам) с длиной стороны 1-3 мм, однако также возможны каналы с максимальной протяженностью в поперечном сечении примерно до 4 см. Кроме того, толщина стенок должна быть достаточно малой, чтобы обеспечить относительно большое электрическое сопротивление, и достаточно большой, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность. Толщина стенок может, например, составлять 0,2-2 мм, например, приблизительно 0,5 мм, а толщина керамического покрытия, расположенного на стенках, составляет 10-500 мкм, например 50-200 мкм, например 100 мкм. В еще одном варианте осуществления макроскопическая структура структурированного катализатора имеет поперечное гофрирование.In one embodiment of the invention, the macroscopic structure has a plurality of parallel or nearly parallel channels, a plurality of non-parallel channels, and/or a plurality of reversing channels, wherein the channels are limited by walls. Thus, several different forms of macroscopic structure can be used as long as the surface area of the structured catalyst exposed to the gas is maximized. In a preferred embodiment, the macroscopic structure has parallel channels, since such parallel channels provide a very small pressure drop in the structured catalyst. In a preferred embodiment, the parallel longitudinal channels are arranged at an angle with respect to the longitudinal axis of the macroscopic structure. Thus, gas molecules entering through the macroscopic structure will hit the walls inside the channels rather than simply flowing straight through the channel without making contact with the wall. The size of the channels must be such as to provide sufficient resistance to the macroscopic structure. For example, the channels may be square (in a cross section perpendicular to the channels) with a side length of 1-3 mm, however, channels with a maximum cross-sectional extent of up to about 4 cm are also possible. large electrical resistance, and large enough to provide sufficient mechanical strength. The wall thickness may, for example, be 0.2-2 mm, eg approximately 0.5 mm, and the thickness of the ceramic coating located on the walls, 10-500 µm, eg 50-200 µm, eg 100 µm. In another embodiment, the macroscopic structure of the structured catalyst has transverse corrugation.
В целом, когда макроскопическая структура имеет параллельные каналы, перепад давления от входа к выходу из реакторной системы может быть значительно снижен по сравнению с реактором, в котором материал катализатора находится в форме зерен, таким как стандартный SMR.In general, when the macroscopic structure has parallel channels, the pressure drop from the inlet to the outlet of the reactor system can be significantly reduced compared to a reactor in which the catalyst material is in the form of grains, such as a standard SMR.
В одном из вариантов осуществления изобретения реакторная система дополнительно содержит слой второго каталитического материала по ходу процесса перед структурированным катализатором внутри корпуса высокого давления. В настоящем документе термин по ходу процесса перед означает перед по направлению потока исходного газа. Таким образом, в настоящем документе термин по ходу процесса перед означает, что исходный газ направляют через слой второго каталитического материала до подачи в структурированный катализатор. Это обеспечивает ситуацию, когда такой второй каталитический материал может использоваться для предварительного риформинга подаваемого газа (в соответствии с реакцией (iv) выше), так что в реакторной системе осуществляют предварительный риформинг и паровой риформинг внутри одного корпуса высокого давления. Это также может обеспечить ситуацию, когда углеводороды в исходном газе реагируют с паром и/или СО2 над вторым каталитическим материалом (например, в соответствии с реакциями (i)-(v), приведенными выше) и когда технологический газ, подаваемый к структурированному катализатору, имеет более низкое содержание углеводородов, чем исходный газ для второго каталитического материала. Второй катализатор может в качестве альтернативы альтернативно или дополнительно представлять собой катализатор, приспособленный также для улавливания соединений серы в исходном газе. Слой второго каталитического материала не требует специального нагрева, однако может осуществляться непрямой нагрев слоя второго каталитического материала, если он находится в непосредственной близости от структурированного катализатора. В качестве альтернативы может осуществляться непрямой нагрев второго каталитического материала.In one of the embodiments of the invention, the reactor system further comprises a layer of the second catalytic material in the course of the process before the structured catalyst inside the pressure vessel. In this document, the term upstream means upstream in the direction of flow of the source gas. Thus, as used herein, the term downstream means that the feed gas is passed through the bed of the second catalyst material prior to being fed into the structured catalyst. This provides a situation where such a second catalyst material can be used to pre-reform the feed gas (according to reaction (iv) above) so that the reactor system is pre-reformed and steam reformed within the same pressure vessel. This may also provide a situation where the hydrocarbons in the feed gas react with steam and/or CO 2 over the second catalyst material (for example, in accordance with reactions (i)-(v) above) and when the process gas supplied to the structured catalyst , has a lower hydrocarbon content than the feed gas for the second catalyst material. The second catalyst may alternatively alternatively or additionally be a catalyst adapted to also capture sulfur compounds in the feed gas. The layer of the second catalytic material does not require special heating, however, indirect heating of the layer of the second catalytic material can be carried out if it is in close proximity to the structured catalyst. Alternatively, indirect heating of the second catalytic material can be carried out.
В одном из вариантов осуществления изобретения реакторная система дополнительно содержит третий каталитический материал в виде зерен, экструдатов или гранул катализатора, которые загружены в каналы структурированного катализатора. Таким образом, в этом варианте осуществления реакторная система будет иметь каталитически активный материал в покрытии макроскопической структуры и третий каталитический материал в виде зерен, экструдатов или гранул внутри каналов структурированного катализатора. Это позволяет повысить каталитическую реакционную способность в каналах или в сегментах каналов структурированного катализатора. Чтобы прояснить используемую в настоящем документе терминологию, следует отметить, что термин структурированный катализатор может также относится к первому каталитическому материалу, чтобы отличать его от второго, и/или третьего, и/или четвертого каталитического материала.In one of the embodiments of the invention, the reactor system further comprises a third catalyst material in the form of grains, extrudates or granules of the catalyst, which are loaded into the channels of the structured catalyst. Thus, in this embodiment, the reactor system will have the catalytically active material in the coating of the macroscopic structure and the third catalyst material in the form of grains, extrudates or granules within the channels of the structured catalyst. This makes it possible to increase the catalytic reactivity in the channels or channel segments of the structured catalyst. To clarify the terminology used herein, it should be noted that the term structured catalyst may also refer to the first catalyst material to distinguish it from the second and/or third and/or fourth catalyst material.
Зерна, например, могут иметь такой размер, который приблизительно соответствует размеру каналов, чтобы сформировать единую цепочку зерен, уложенных друг на друга внутри канала макроскопической структуры. В качестве альтернативы зерна, экструдаты или гранулы могут иметь размер, значительно меньшим, чем размер канала, для образования уплотненного слоя внутри каждого канала. ПриThe grains, for example, may be of a size that approximates the size of the channels so as to form a single chain of grains stacked on top of each other within the channel of the macroscopic structure. Alternatively, the grains, extrudates or granules may be substantially smaller than the size of the channel to form a compacted layer within each channel. At
- 11 041025 использовании по тексту настоящего изобретения термин зерно означает любую определенную структуру, имеющую максимальный внешний размер в диапазоне миллиметров или сантиметров, в то время как термины экструдат и гранулят определяют материал катализатора с максимальным внешним размером в определенном диапазоне.- 11 041025 used in the text of the present invention, the term grain means any specific structure having a maximum external size in the range of millimeters or centimeters, while the terms extrudate and granulate define a catalyst material with a maximum external size in a certain range.
В одном из вариантов осуществления изобретения внутри корпуса высокого давления после указанного структурированного катализатора размещен слой четвертого каталитического материала. Такой четвертый каталитический материал может быть в виде зерен, экструдатов или гранул катализатора. Это обеспечивает ситуацию, когда четвертый каталитический материал может быть использован для снижения температуры приближения к равновесным условиям для газа, покидающего структурированный катализатор, путем создания псевдоадиабатического уравновешивания реакции парового риформинга.In one of the embodiments of the invention inside the pressure vessel after the specified structured catalyst is placed a layer of the fourth catalytic material. Such fourth catalyst material may be in the form of grains, extrudates, or catalyst pellets. This provides a situation where the fourth catalyst material can be used to reduce the near-equilibrium temperature for the gas leaving the structured catalyst by creating a pseudo-adiabatic equilibrium of the steam reforming reaction.
В одном варианте осуществления второй, третий и четвертый каталитические материалы представляют собой каталитические материалы, подходящие для реакции парового риформинга, реакции предварительного риформинга или реакции конверсии водяного газа. Примеры подходящих катализаторов: Ni/MgAl2O4, Ni/CaAl4O4, Ni/Al2O4 и Cu/Zn/Al2O3. В конфигурации, где реакторная система содержит комбинацию второго, третьего и четвертого каталитического материала, катализатор каждого каталитического материала может быть различным.In one embodiment, the second, third, and fourth catalyst materials are catalyst materials suitable for a steam reforming reaction, a pre-reforming reaction, or a water gas shift reaction. Examples of suitable catalysts are Ni/MgAl 2 O 4 , Ni/CaAl 4 O 4 , Ni/Al 2 O 4 and Cu/Zn/Al 2 O 3 . In a configuration where the reactor system contains a combination of second, third and fourth catalyst material, the catalyst of each catalyst material may be different.
В одном из вариантов осуществления изобретения материал макроскопической структуры подобран таким образом, чтобы путем нагрева материала сопротивлением создавался тепловой поток 500-50000 кВт/м/м2. Предпочтительно нагрев сопротивлением материала обеспечивает тепловой поток в диапазоне 5-12 кВт/м2, например в диапазоне 8-10 кВт/м2. Тепловой поток определяется как количество тепла на геометрическую площадь поверхности, подверженной воздействию газа.In one of the embodiments of the invention, the material of the macroscopic structure is selected in such a way that by heating the material with a resistance, a heat flux of 500-50000 kW/m/m 2 is created. Preferably, the resistance heating of the material provides a heat flux in the range of 5-12 kW/m 2 , for example in the range of 8-10 kW/m 2 . Heat flux is defined as the amount of heat per geometric surface area exposed to the gas.
В одном из вариантов осуществления изобретения геометрическая площадь поверхности макроскопической структуры находится в диапазоне 100-3000 м2/м3, например 500-1100 м2/м3. Тепловой поток от материала преимущественно выбирают в соответствии с реакционной способностью каталитически активного материала.In one of the embodiments of the invention, the geometric surface area of the macroscopic structure is in the range of 100-3000 m 2 /m 3 for example 500-1100 m 2 /m 3 . The heat flux from the material is preferably chosen according to the reactivity of the catalytically active material.
В одном из вариантов осуществления изобретения структурированный катализатор содержит первую часть, выполненную с возможностью создания первого теплового потока, и вторую часть, выполненную с возможностью создания второго теплового потока, причем первый тепловой поток меньше второго теплового потока, при этом первая часть находится по ходу процесса перед второй частью. В настоящем документе термин первая часть находится по ходу процесса перед второй частью означает, что газ, подаваемый в реакторную систему, достигает первой части до того, как газ достигает второй части. Первая часть и вторая часть структурированного катализатора могут быть двумя разными макроскопическими структурами с керамическим покрытием, на котором расположен каталитически активный материал, при этом такие две разные макроскопические структуры могут быть расположены так, чтобы генерировать разные тепловые потоки для заданных значений электрического тока и напряжения. Например, передняя часть структурированного катализатора может иметь имеет большую площадь поверхности, чем задняя часть структурированного катализатора. Это может быть достигнуто за счет того, что структурированный катализатор во второй части может иметь меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения катализатора в первой части. В качестве альтернативы, путь тока через первую часть структурированного катализатора может быть менее искривленным, чем путь тока через вторую часть структурированного катализатора, таким образом, путь тока через вторую часть будет изменять направление большее количество раз, чем в первой части структурированного катализатора, в результате чего ток генерирует большее количество тепла во второй части структурированного катализатора, чем в первой части. Как упоминалось ранее, из-за прорезей в макроскопической структуре путь тока через макроскопическую структуру может быть зигзагообразным. Следует отметить, что в первую и вторую часть структурированного катализатора могут подаваться ток и напряжения с разными значениями, чтобы иметь возможность обеспечивать тепловые потоки с разными значениями. Тем не менее разные тепловые потоки в первой и второй части также могут быть обеспечены путем подачи через первую и вторую часть тока и напряжения с одинаковыми значениями из-за различных физических свойств материалов в первой и второй части, как указано выше.In one of the embodiments of the invention, the structured catalyst contains a first part configured to create a first heat flux, and a second part configured to create a second heat flux, the first heat flux being less than the second heat flux, the first part being in the process ahead of the second part. In this document, the term first part is downstream before the second part means that the gas supplied to the reactor system reaches the first part before the gas reaches the second part. The first part and the second part of the structured catalyst can be two different macroscopic structures with a ceramic coating on which the catalytically active material is located, while such two different macroscopic structures can be located so as to generate different heat fluxes for given values of electric current and voltage. For example, the front of the structured catalyst may have a larger surface area than the back of the structured catalyst. This can be achieved in that the structured catalyst in the second part may have a smaller cross-sectional area than the cross-sectional area of the catalyst in the first part. Alternatively, the current path through the first part of the structured catalyst may be less curved than the current path through the second part of the structured catalyst, so that the current path through the second part will change direction more times than in the first part of the structured catalyst, resulting in the current generates more heat in the second part of the structured catalyst than in the first part. As mentioned earlier, due to the slits in the macroscopic structure, the current path through the macroscopic structure can be zigzag. It should be noted that the first and second parts of the structured catalyst can be supplied with different current and voltage values in order to be able to provide heat fluxes with different values. However, different heat fluxes in the first and second parts can also be achieved by supplying the same current and voltage through the first and second parts due to the different physical properties of the materials in the first and second parts, as mentioned above.
В одном из вариантов осуществления изобретения реакторная система дополнительно содержит систему контроля, выполненную с возможностью контроля подачи электроэнергии, чтобы температура газа, выходящего из корпуса высокого давления, была в определенном диапазоне и/или для того, чтобы степень конверсии углеводородов в исходном газе была в определенном диапазоне, и/или для того, чтобы мольная концентрация метана в сухом состоянии была в определенном диапазоне, и/или для приближения к условиям равновесия реакции парового риформинга в определенном диапазоне.In one of the embodiments of the invention, the reactor system further comprises a control system configured to control the supply of electricity so that the temperature of the gas leaving the pressure vessel is within a certain range and/or so that the degree of conversion of hydrocarbons in the feed gas is within a certain range. range, and/or to ensure that the molar concentration of methane in the dry state was in a certain range, and/or to approach the equilibrium conditions of the steam reforming reaction in a certain range.
Как правило, максимальная температура газа составляет 500-1000°С, например 850-1000°С, например приблизительно 950°С, но возможны и более высокие температуры, например до 1300°С. Однако максимальная температура газа, выходящего из реакторной системы, может составлять всего 500°С, например, в случае когда реакторная система является байонетной. Максимальная температура газа будет достигаться ближе к самой нижней части структурированного катализатора относительно направленияTypically, the maximum gas temperature is 500-1000°C, eg 850-1000°C, eg approximately 950°C, but higher temperatures are possible, eg up to 1300°C. However, the maximum temperature of the gas leaving the reactor system may be as low as 500° C., for example in the case where the reactor system is bayonet. The maximum gas temperature will be reached closer to the lowest part of the structured catalyst with respect to the direction
- 12 041025 потока исходного газа. Однако при использовании фигуры байонетного типа максимальная температура газа, выходящего из реакторной системы, может быть несколько ниже из-за теплообмена с подаваемым газом; максимальная температура газа, выходящего из байонетной реакторной системы по изобретению может составлять 500-900°С. Контроль подачи электроэнергии означает контроль электрической мощности от источника питания. Контроль подачи электроэнергии может, например, осуществляться как контроль напряжения и/или тока, подаваемого от источника электрического питания, как контроль путем включения/выключения источника электрического питания или с помощью комбинации указанных способов. На структурированный катализатор может подаваться переменный или постоянный ток.- 12 041025 source gas flow. However, when using a bayonet-type figure, the maximum temperature of the gas leaving the reactor system may be somewhat lower due to heat exchange with the feed gas; the maximum temperature of the gas leaving the bayonet reactor system according to the invention may be 500-900°C. Power supply control means control of electrical power from a power source. The control of the power supply may, for example, be carried out as a control of the voltage and/or current supplied from the power supply, as a control by switching on/off the power supply, or by a combination of these methods. The structured catalyst may be supplied with alternating or direct current.
Напряжение между по меньшей мере двумя проводниками может иметь любое значение, подходящее для обеспечения необходимого теплового потока. Если напряжение слишком низкое, тепловой поток может быть недостаточным, а если напряжение слишком высокое, увеличивается риск возникновения дуговых разрядов. Примеры значений напряжения: 50-4000 В, например 100-1000 В. Такие значения обеспечивают возможность компактной макроскопической структуры и, следовательно, реакторной системы. Через макроскопическую структуру между проводниками может подаваться ток любого значения, подходящего для необходимого теплового потока с выбранным напряжением. Значение тока может, например, быть в диапазоне 100-2000 А, например в диапазоне 200-1500 А.The voltage between the at least two conductors may be any value suitable to provide the required heat flow. If the voltage is too low, the heat flow may be insufficient, and if the voltage is too high, the risk of arcing increases. Example voltage values: 50-4000 V, eg 100-1000 V. Such values enable a compact macroscopic structure and thus a reactor system. Through the macroscopic structure between the conductors, a current of any value suitable for the required heat flow with a selected voltage can be supplied. The current value may, for example, be in the range of 100-2000 A, for example in the range of 200-1500 A.
Заданный диапазон температур газа, выходящего из корпуса высокого давления/реакторной системы, предпочтительно составляет 500-1300°С, предпочтительно 800-1150°С, например 900-1000°С. Предпочтительно диапазон температур приближения к равновесным условиям реакции парового риформинга метана составляет 1-60°С, более предпочтительно 5-30°С, наиболее предпочтительно 5-20°С.The predetermined temperature range of the gas leaving the pressure vessel/reactor system is preferably 500-1300°C, preferably 800-1150°C, eg 900-1000°C. Preferably, the temperature range for approaching the equilibrium conditions of the methane steam reforming reaction is 1-60°C, more preferably 5-30°C, most preferably 5-20°C.
Чтобы контролировать температуру реакции, необходимо обеспечить равновесие тепла, подводимого к реакторной системе или отводимого из реакторной системы, с теплом, потребляемым/производимым в ходе химической реакции. Подача/отвод тепла должны быть уравновешены скоростью реакции и, в частности, температурой приближения к равновесным условиям, определенной β, где β-отношение между коэффициентом реакции и константой равновесия реакции. Если значение β приближается к 1, это означает, что реакционная смесь близка к равновесию, а значения, приближающиеся к 0, означают, что реакционная смесь далека от равновесия. В целом желательно иметь как можно более высокую скорость реакции, которая достигается при низком β, при условии, что можно в достаточной степени параллельно регулировать температуру, уравновешивая добавляемую энергию.In order to control the reaction temperature, it is necessary to balance the heat supplied to the reactor system or removed from the reactor system with the heat consumed/produced during the chemical reaction. Heat input/removal must be balanced by the reaction rate and, in particular, by the temperature approaching equilibrium conditions, defined by β, where β is the ratio between the reaction coefficient and the equilibrium constant of the reaction. If the value of β approaches 1, this means that the reaction mixture is close to equilibrium, and values approaching 0 mean that the reaction mixture is far from equilibrium. In general, it is desirable to have as high a reaction rate as possible, which is achieved at low β, provided that the temperature can be controlled in parallel sufficiently to balance the added energy.
В случае эндотермической реакции парового риформинга метана необходимо подавать добавочное тепло для продолжения реакции, поскольку в противном случае реакция будет уравновешена, значение β приблизится к 1 и реакция замедлится. Тем не менее, с другой стороны, желательно, чтобы повышение температуры соответствовало скорости реакции, поскольку воздействие высоких температур на непрореагировавшие углеводороды может привести к нагарообразованию. Можно эффективно следить за этим путем приближения к равновесным условиям. Температуру приближения к равновесным условиям реакции парового риформинга определяют вначале путем расчета коэффициента реакции (Q) для определенного газа:In the case of an endothermic methane steam reforming reaction, it is necessary to supply additional heat to continue the reaction, because otherwise the reaction will be balanced, the value of β will approach 1, and the reaction will slow down. However, on the other hand, it is desirable that the temperature increase be consistent with the rate of reaction, since exposing unreacted hydrocarbons to high temperatures can lead to carbon formation. One can effectively monitor this by approaching equilibrium conditions. The temperature approaching the equilibrium conditions of the steam reforming reaction is determined first by calculating the reaction coefficient (Q) for a specific gas:
с.Усо-У^2 р2 with .Uso-Y^ 2 p2
Усн4 ’ Ун2оUsn 4 'un 2 o
Здесь y-мольная доля j соединения, а Р-полное значение давления в барах. Это уравнение используют для определения температуры равновесия (Teq), при которой данный коэффициент реакции равен константе равновесия:Here y is the mole fraction j of the compound and P is the total pressure in bar. This equation is used to determine the equilibrium temperature (T eq ) at which a given reaction coefficient is equal to the equilibrium constant:
Q = ^SMR(Teq) где KSMR - термодинамическая константа равновесия реакции парового риформинга метана. Температура приближения к равновесным условиям (АТравн SMR) реакции парового риформинга метана определяется следующим образом:Q = ^SMR(Teq) where K SMR is the thermodynamic equilibrium constant of the methane steam reforming reaction. The temperature approaching equilibrium conditions (AT equals SMR ) of the methane steam reforming reaction is determined as follows:
△Травн., SMR = т — Teq где Т - средняя массовая температура газа, окружающего используемый каталитический материал, такой как структурированный катализатор.△Trav., SMR = t - T e q where T is the mass average temperature of the gas surrounding the catalytic material used, such as a structured catalyst.
Для обеспечения хороших характеристик катализатора парового риформинга желательно, чтобы катализатор непрерывно работал в направлении уменьшения ΔТравн., SMR. Исторически крупномасштабные промышленные SMR имели температуру приближения к равновесным условиям 5-20°С на выходе.To ensure good performance of the steam reforming catalyst, it is desirable that the catalyst is continuously operated in the direction of decreasing ΔT equal ., SMR . Historically, large-scale industrial SMRs have had near-equilibrium temperatures of 5-20° C. at the outlet.
Применение настоящего изобретения позволяет осуществлять контроль теплового потока и согласовывать его непосредственно с кинетическими характеристиками структурированного катализатора, поскольку они в некоторой степени независимы.The use of the present invention allows the heat flow to be controlled and matched directly to the kinetic characteristics of the structured catalyst, since they are to some extent independent.
В одном из вариантов осуществления изобретения в реакторной системе отношение между эквивалентным диаметром площади горизонтального поперечного сечения структурированного катализатора и высотой структурированного находится в диапазоне 0,1-2,0. Эквивалентный диаметр площади поперечного сечения реакторной системы определяется как диаметр окружности с площадью эквивалентной площади поперечного сечения. Когда отношение между эквивалентным диаметром площади и высотойIn one of the embodiments of the invention in the reactor system, the ratio between the equivalent diameter of the horizontal cross-sectional area of the structured catalyst and the height of the structured is in the range of 0.1-2.0. The equivalent cross-sectional area diameter of a reactor system is defined as the diameter of a circle with an area equivalent to the cross-sectional area. When the ratio between the equivalent area diameter and the height
- 13 041025 структурированного катализатора составляет 0,1-2,0, корпус высокого давления, в которой находится структурированный катализатор, может быть относительно небольшой по сравнению с существующими SMR. Каждая реакторная система может обрабатывать большее количество подаваемого газа, чем это возможно в одной трубе в SMR. Тем самым может быть уменьшено количество внешних трубопроводов, подводимых к реакторной системе по сравнению с известными SMR, и, таким образом, затраты на такие трубопроводы снижаются. Как правило, газ проходит через реакторную систему в восходящем или нисходящем направлении, так что газ поступает через каналы в структурированном катализаторе в направлении высоты структурированного катализатора. Когда структурированный катализатор содержит несколько макроскопических структур или набор макроскопических структур, отдельные макроскопические структуры внутри массива могут быть размещены рядом, друг на друге или может быть комбинированное расположение макроскопических структур. Подчеркивается, что, когда структурированный катализатор содержит более одной макроскопической структуры, размеры структурированного катализатора определяются размерами нескольких макроскопических структур. Таким образом, например, если структурированный катализатор состоит из двух установленных друг на друга макроскопических структур, каждая из которых имеет высоту h, высота структурированного катализатора составляет 2h.- 13 041025 structured catalyst is 0.1-2.0, the high pressure vessel in which the structured catalyst is located can be relatively small compared to existing SMRs. Each reactor system can handle more feed gas than is possible in a single pipe in the SMR. In this way, the number of external pipelines leading to the reactor system can be reduced compared to known SMRs, and thus the cost of such pipelines is reduced. Typically, the gas flows through the reactor system in an upward or downward direction, so that the gas flows through channels in the structured catalyst in the height direction of the structured catalyst. When the structured catalyst contains several macroscopic structures or a set of macroscopic structures, individual macroscopic structures within the array may be placed side by side, on top of each other, or there may be a combined arrangement of macroscopic structures. It is emphasized that when a structured catalyst contains more than one macroscopic structure, the dimensions of the structured catalyst are determined by the dimensions of several macroscopic structures. Thus, for example, if a structured catalyst consists of two stacked macroscopic structures, each having a height h, the height of the structured catalyst is 2h.
Объем структурированного катализатора выбирают с учетом желательной температуры, в том числе температуры приближения к равновесным условиям, и/или желательной степени конверсии углеводородов, и/или сухой мольной концентрации углеводородов в газообразном продукте, и/или температуры вне системы реактора, коррелирующей с тепловыделением макроскопической структуры, и/или чтобы обеспечить мольную концентрацию сухих углеводородов в газообразном продукте в заданном диапазоне и/или обеспечить температуру приближения к равновесным условиям реакции парового риформинга метана (реакции (i)) в заданном диапазоне.The volume of the structured catalyst is selected taking into account the desired temperature, including the temperature approaching equilibrium conditions, and/or the desired degree of conversion of hydrocarbons, and/or the dry mole concentration of hydrocarbons in the gaseous product, and/or the temperature outside the reactor system, correlated with the heat release of the macroscopic structure , and/or to ensure the molar concentration of dry hydrocarbons in the gaseous product in a given range and/or to provide a temperature approaching the equilibrium conditions of the methane steam reforming reaction (reaction (i)) in a given range.
В одном из вариантов осуществления изобретения высота реакторной системы составляет 0,5-7 м, более предпочтительно 0,5-3 м. Высота реакторной системы может составлять, например, менее 5 м, предпочтительно менее 2 м или даже 1 м. Размеры реакторной системы и структурированного катализатора внутри реакторной системы являются взаимосвязанными. Очевидно, что из-за корпуса высокого давления и теплоизоляционного слоя реакторная система имеет несколько больший размер, чем сам структурированный катализатор. Для сравнения SMR в промышленном масштабе обычно конструируют из катализаторных труб длиной 10 м или более, чтобы максимально увеличить площадь внешней поверхности труб. Настоящее изобретение имеет то преимущество, что конструкция реакторной системы не имеет таких ограничений.In one embodiment of the invention, the height of the reactor system is 0.5-7 m, more preferably 0.5-3 m. The height of the reactor system may be, for example, less than 5 m, preferably less than 2 m, or even 1 m. Dimensions of the reactor system and the structured catalyst within the reactor system are interconnected. Obviously, due to the pressure vessel and thermal insulation layer, the reactor system is somewhat larger than the structured catalyst itself. In comparison, commercial scale SMRs are typically constructed with catalyst tubes of 10 m or more in order to maximize the outer surface area of the tubes. The present invention has the advantage that the design of the reactor system does not have such limitations.
По тексту настоящего изобретения значение термина реакторная система, включающая структурированный катализатор не ограничивается реакторной системой только с одной макроскопической структурой. Напротив, этот термин означает как структурированный катализатор с макроскопической структурой, керамическим покрытием и каталитически активным материалом, так и с набором таких макроскопических структур.In the context of the present invention, the meaning of the term reactor system including a structured catalyst is not limited to a reactor system with only one macroscopic structure. On the contrary, this term means both a structured catalyst with a macroscopic structure, a ceramic coating and a catalytically active material, and a set of such macroscopic structures.
Еще один аспект изобретения относится к способу парового риформинга исходного газа, содержащего углеводороды, в реакторной системе, содержащей корпус высокого давления, в котором расположен структурированный катализатор для катализа парового риформинга исходного газа, содержащего углеводороды. На структурированном катализаторе, включающем макроскопическую структуру из электропроводящего материала, и на самой макроскопической структуре расположено керамическое покрытие. Керамическое покрытие выступает в качестве подложки для каталитически активного материала, а между структурированным катализатором и корпусом высокого давления в реакторной системе предусмотрен теплоизоляционный слой. В реакторной системе предусмотрен теплоизоляционный слой между структурированным катализатором и корпусом высокого давления.Another aspect of the invention relates to a process for steam reforming of a hydrocarbon containing feed gas in a reactor system comprising a pressure vessel containing a structured catalyst for catalyzing the steam reforming of a hydrocarbon containing feed gas. A ceramic coating is located on the structured catalyst, which includes a macroscopic structure of an electrically conductive material, and on the macroscopic structure itself. The ceramic coating acts as a substrate for the catalytically active material, and a thermal insulation layer is provided between the structured catalyst and the pressure vessel in the reactor system. In the reactor system, a heat-insulating layer is provided between the structured catalyst and the pressure vessel.
Способ включает следующие этапы:The method includes the following steps:
сжатие исходного газа, содержащего углеводороды, до давления по меньшей мере 5 бар;compressing the source gas containing hydrocarbons to a pressure of at least 5 bar;
подача сжатого исходного газа в реакторную систему;supply of compressed source gas to the reactor system;
реакция парового риформинга исходного газа над структурированным катализатором и отвод газообразного продукта из реакторной системы; и подача тока через проводники, соединяющие источник питания, который расположен вне корпуса высокого давления, и структурированный катализатор, при этом ток пропускают через макроскопическую структуру, в результате чего обеспечивается нагрев, по меньшей мере, части структурированного катализатора до температуры по меньшей мере 500°С.steam reforming reaction of the source gas over the structured catalyst and removal of the gaseous product from the reactor system; and supplying current through the conductors connecting the power source, which is located outside the pressure vessel, and the structured catalyst, while the current is passed through the macroscopic structure, resulting in heating at least a portion of the structured catalyst to a temperature of at least 500°C. .
Способ обеспечивает те же преимущества, что описаны для реакторной системы. Газообразный продукт является синтез-газом. Синтез-газ - это газ, содержащий монооксид углерода и водород, а также другие компоненты, такие как пар, диоксид углерода и метан. Тем не менее процесс может включать дополнительные этапы, на которых будет осуществляться переработка газообразного продукта, например очистка, повышение давления, нагревание, охлаждение, реакция конверсии водяного газа и т.д., с получением конечного газообразного продукта, который будет использоваться в процессе после реакторной системы по изобретению.The method provides the same advantages as described for the reactor system. The gaseous product is synthesis gas. Synthesis gas is a gas containing carbon monoxide and hydrogen, as well as other components such as steam, carbon dioxide and methane. However, the process may include additional steps in which the gaseous product will be processed, such as purification, pressurization, heating, cooling, water gas shift reaction, etc., to obtain the final gaseous product that will be used in the process after the reactor systems according to the invention.
Следует отметить, что исходный газ может содержать отдельные исходные газы, такие как пар, уг- 14 041025 леводородный газ, диоксид углерода и водород, и что этап сжатия исходного газа может включать сжатие отдельных исходных газов. Кроме того, следует отметить, что этапы процесса не обязательно должны выполняться в указанном порядке, например два этапа или несколько этапов могут выполняться одновременно или порядок может отличаться от вышеуказанного порядка.It should be noted that the feed gas may contain individual feed gases such as steam, hydrocarbon gas, carbon dioxide and hydrogen, and that the step of compressing the feed gas may include compressing the individual feed gases. In addition, it should be noted that the steps of the process do not have to be performed in the specified order, for example, two steps or multiple steps may be performed simultaneously, or the order may be different from the above order.
В одном из вариантов осуществления процесс включает этап сжатия исходного газа по ходу процесса перед корпусом высокого давления до давления, по меньшей мере, в диапазоне 5 бар. Для конфигурации малого масштаба расчетное давление корпуса высокого давления может находиться в диапазоне 5-15 бар. Для крупномасштабных конфигураций расчетное давление корпуса высокого давления может составлять, например, 15, 30 бар или достигать 50 бар. Возможно даже использование корпуса высокого давления с расчетным давлением до 150 или 200 бар.In one embodiment, the process includes the step of compressing the feed gas upstream of the pressure vessel to a pressure of at least 5 bar. For a small scale configuration, the design pressure of the pressure vessel can be in the range of 5-15 bar. For large scale configurations, the design pressure of the pressure vessel can be, for example, 15, 30 bar or up to 50 bar. It is even possible to use a pressure vessel with design pressures up to 150 or 200 bar.
В одном из вариантов осуществления способа по изобретению температура исходного газа, поступающего в реакторную систему, составляет 200-700°С. Для SMR с внешним нагревом температуру исходного газа, как правило, повышают до температуры 450-650°С; однако, поскольку реакторная система, используемая в процессе, представляет собой реакторную систему с внутренним нагревом, температура исходного газа может составлять всего 200°С. Тем не менее во всех вариантах осуществления температура и давление исходного газа регулируются для обеспечения того, чтобы температура исходного газа была выше точки росы.In one of the embodiments of the method according to the invention, the temperature of the source gas entering the reactor system is 200-700°C. For SMR with external heating, the temperature of the source gas, as a rule, is increased to a temperature of 450-650°C; however, since the reactor system used in the process is an internally heated reactor system, the temperature of the feed gas can be as low as 200°C. However, in all embodiments, the feed gas temperature and pressure are controlled to ensure that the feed gas temperature is above the dew point.
В одном из вариантов осуществления процесса по настоящему изобретению структурированный катализатор нагревают так, чтобы максимальная температура структурированного катализатора находилась в диапазоне 500-1300°С. Предпочтительно максимальная температура структурированного катализатора составляет 700-1100°С, например 900-1000°С. Максимальная температура структурированного катализатора зависит от материала макроскопической структуры. Таким образом, если макроскопическая структура изготовлена из сплава Fecralloy®, температура плавления которого составляет 1380-1490°С (в зависимости от фактических свойств сплава), максимальная температура должна быть несколько ниже точки плавления, например приблизительно 1300°С, если точка плавления макроскопической структуры составляет приблизительно 1400°С, так как при приближении к точке плавления материал станет мягким и пластичным. Максимальная температура может быть дополнительно ограничена износоустойчивостью покрытия и каталитически активного материала.In one of the embodiments of the process according to the present invention, the structured catalyst is heated so that the maximum temperature of the structured catalyst is in the range of 500-1300°C. Preferably, the maximum temperature of the structured catalyst is 700-1100°C, for example 900-1000°C. The maximum temperature of the structured catalyst depends on the material of the macroscopic structure. Thus, if the macroscopic structure is made from a Fecralloy® whose melting point is 1380-1490°C (depending on the actual properties of the alloy), the maximum temperature should be somewhat below the melting point, for example approximately 1300°C if the melting point of the macroscopic structure is approximately 1400 ° C, since when approaching the melting point, the material will become soft and ductile. The maximum temperature may be further limited by the wear resistance of the coating and the catalytically active material.
В одном из вариантов осуществления способ по настоящему изобретению включает этап подачи охлаждающего газа через входное отверстие в корпусе высокого давления, чтобы охлаждающий газ мог проходить через по меньшей мере один проводник и/или фитинг. Охлаждающим газом может быть предпочтительно водород, азот, пар, диоксид углерода или любой другой газ, подходящий для охлаждения области или зоны вокруг по меньшей мере одного проводника. В качестве охлаждающего газа в корпус высокого давления может подаваться часть исходного газа, например, диоксид углерода и/или пар.In one embodiment, the method of the present invention includes the step of supplying refrigerant gas through an inlet in the pressure housing so that refrigerant gas can pass through at least one conductor and/or fitting. The cooling gas may preferably be hydrogen, nitrogen, steam, carbon dioxide, or any other gas suitable for cooling the region or zone around the at least one conductor. A portion of the source gas, such as carbon dioxide and/or steam, can be fed into the pressure vessel as cooling gas.
В одном из вариантов осуществления процесса объемная скорость газа, оцениваемая как расход газа относительно геометрической площади поверхности структурированного катализатора, находится в диапазоне 0,6-60 нм3/м2/ч, например в диапазоне 3-17 нм3/м2/ч или, например 9-14 нм3/м2/ч. Относительно занятого объема структурированного катализатора объемная скорость находится в диапазоне 700-70000 нм3/м3/ч, например в диапазоне 3500-20000 нм3/м3/ч или в диапазоне 11000-16000 нм3/м3/ч. Если объемная скорость задана относительно объема активного катализатора, т.е. объема керамического покрытия, то объемная скорость находится в диапазоне 6000-1200000 нм3/м3/ч. Работа в этих диапазонах объемной скорости позволяет обеспечить необходимую степень конверсии. Следует отметить, что термин объемная скорость газа относится к объемной скорости газа, поступающего в реакторную систему, а именно как к скорости исходного, так и охлаждающего газа.In one embodiment of the process, the gas space velocity, measured as the gas flow rate relative to the geometric surface area of the structured catalyst, is in the range of 0.6-60 Nm 3 /m 2 /h, for example in the range of 3-17 Nm 3 /m 2 /h or, for example, 9-14 nm 3 /m 2 /h. With respect to the occupied volume of the structured catalyst, the space velocity is in the range of 700-70000 Nm 3 /m 3 /h, for example in the range of 3500-20000 Nm 3 /m 3 /h or in the range of 11000-16000 Nm 3 /m 3 /h. If the space velocity is given relative to the active catalyst volume, i.e. volume of the ceramic coating, the volumetric velocity is in the range of 6000-1200000 nm 3 /m 3 /h. Working in these ranges of space velocity allows you to provide the required degree of conversion. It should be noted that the term gas space velocity refers to the space velocity of the gas entering the reactor system, namely both the feed gas velocity and the cooling gas velocity.
В одном из вариантов осуществления изобретения процесс дополнительно включает этап подачи охлаждающего газа через входное отверстие в корпусе высокого давления, чтобы охлаждающий газ мог проходить через по меньшей мере один проводник и/или фитинг. В качестве охлаждающего газа может использоваться любой подходящий газ, например, охлаждающий газ может представлять собой водород, азот, пар, диоксид углерода или их смеси. Охлаждающий газ может поступать через проводники и охлаждать их изнутри, в этом случае проводники должны быть полыми, чтобы вмещать охлаждающий газ. В качестве охлаждающего газа может использоваться часть исходного газа или газ того же состава, что и исходный газ.In one embodiment of the invention, the process further includes the step of supplying refrigerant gas through an inlet in the pressure housing so that refrigerant gas can pass through at least one conductor and/or fitting. Any suitable gas can be used as the cooling gas, for example, the cooling gas can be hydrogen, nitrogen, steam, carbon dioxide, or mixtures thereof. Coolant gas can flow through the conductors and cool them from the inside, in which case the conductors must be hollow to accommodate the cooling gas. A portion of the feed gas or a gas of the same composition as the feed gas can be used as the cooling gas.
Далее приводится подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Приводится описание примеров вариантов осуществления, достаточно подробное для иллюстрации изобретения. Тем не менее такое подробное описание не ограничивает возможные модификации вариантов осуществления; напротив, цель состоит в том, чтобы охватить все возможные модификации, эквивалентные и альтернативные варианты, которые соответствуют существу и объему настоящего изобретения, согласно определению в прилагаемой формуле изобретения.The following is a detailed description of the embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Exemplary embodiments are described in sufficient detail to illustrate the invention. However, such a detailed description does not limit possible modifications of the embodiments; on the contrary, the aim is to cover all possible modifications, equivalents and alternatives that fall within the spirit and scope of the present invention, as defined in the appended claims.
Краткое описание фигурBrief description of the figures
На фиг. 1а представлен поперечный разрез реакторной системы по изобретению со структурированным катализатором, включающим набор макроскопических структур, в соответствии с одним вариан- 15 041025 том осуществления изобретения.In FIG. 1a is a cross-sectional view of a reactor system of the invention with a structured catalyst comprising a set of macroscopic structures, in accordance with one embodiment of the invention.
На фиг. 1b показана реакторная система, которая также показана на фиг. 1а, при этом на фиг. 1b удалена часть корпуса высокого давления и теплоизоляционного слоя.In FIG. 1b shows a reactor system which is also shown in FIG. 1a, while in Fig. 1b part of the pressure vessel and thermal insulation layer has been removed.
На фиг. 2 приведен увеличенный вид части реакторной системы.In FIG. 2 is an enlarged view of part of the reactor system.
На фиг. 3а и 3b представлен вид в поперечном разрезе реакторной системы, включающей структурированный катализатор, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.In FIG. 3a and 3b are cross-sectional views of a reactor system including a structured catalyst, in accordance with one embodiment of the invention.
На фиг. 4 и 5 показан вариант осуществления структурированного катализатора с набором макроскопических структур, вид сверху и вид сбоку соответственно.In FIG. 4 and 5 show an embodiment of a structured catalyst with a set of macroscopic structures, top view and side view, respectively.
На фиг. 6 представлен вариант осуществления структурированного катализатора, который может использоваться в реакторной системе по изобретению.In FIG. 6 shows an embodiment of a structured catalyst that can be used in the reactor system of the invention.
На фиг. 7 и 8 показаны варианты осуществления структурированного катализатора с соединителями.In FIG. 7 and 8 show embodiments of a structured catalyst with connectors.
На фиг. 9а представлен вариант осуществления структурированного катализатора, который может использоваться в реакторной системе по изобретению.In FIG. 9a shows an embodiment of a structured catalyst that can be used in the reactor system of the invention.
На фиг. 9b показана плотность тока структурированного катализатора согласно фиг. 9а в функциональной зависимости от электрического эффекта, передаваемого на структурированный катализатор.In FIG. 9b shows the current density of the structured catalyst according to FIG. 9a as a function of the electrical effect transferred to the structured catalyst.
На фиг. 10 приведено схематическое изображение поперечного сечения структурированного катализатора с электроизоляционными частями.In FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a structured catalyst with electrically insulating parts.
На фиг. 11а и 11b показаны профили температуры и конверсии в функциональной зависимости от электрического эффекта, передаваемого на структурированный катализатор.In FIG. 11a and 11b show temperature and conversion profiles as a function of the electrical effect transferred to the structured catalyst.
На фиг. 12а и 12b показаны результаты моделирования температуры и состава газа по длине структурированного катализатора.In FIG. 12a and 12b show the results of modeling temperature and gas composition along the length of the structured catalyst.
На фиг. 13 показана необходимая максимальная температура в реакторной системе по изобретению в функциональной зависимости от давления.In FIG. 13 shows the required maximum temperature in the reactor system according to the invention as a function of pressure.
На фиг. 14 приведен график приближения к равновесным условиям (АТравн SMR) реакции парового риформинга метана для различных значений расхода газового потока через структурированный катализатор.In FIG. 14 is a graph of the approach to equilibrium conditions (AT equals SMR) of the methane steam reforming reaction for various rates of gas flow through the structured catalyst.
Подробное описание фигурDetailed description of the figures
На всех фигурах номера позиций означают соответствующие элементы.Throughout the figures, reference numbers refer to the respective elements.
На фиг. 1 представлен вид в поперечном разрезе реакторной системы 100 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Реакторная система 100 содержит структурированный катализатор 10, расположенный в виде набора макроскопических структур 5. Каждая макроскопическая структура 5 в наборе имеет керамическое покрытие, пропитанное каталитически активным материалом. Кроме того, реакторная система 100 содержит проводники 40, 40', подключенные к источнику питания (не показан на фигурах) и к структурированному катализатору 10, а именно к набору макроскопических структур. Проводники 40, 40' проходят через стенку корпуса высокого давления 20, содержащего структурированный катализатор, и через изоляционный материал 30 на внутренней стороне корпуса высокого давления через фитинги 50. Проводники 40' подсоединены к набору макроскопических структур 5 посредством контактных шин 41 проводников.In FIG. 1 is a cross-sectional view of a reactor system 100 in accordance with one embodiment of the invention. The reactor system 100 contains a structured catalyst 10 arranged in a set of macroscopic structures 5. Each macroscopic structure 5 in the set has a ceramic coating impregnated with a catalytically active material. In addition, the reactor system 100 includes conductors 40, 40' connected to a power source (not shown in the figures) and to a structured catalyst 10, namely a set of macroscopic structures. The conductors 40, 40' pass through the wall of the pressure vessel 20 containing the structured catalyst and through the insulating material 30 on the inside of the pressure vessel through fittings 50. The conductors 40' are connected to the set of macroscopic structures 5 via conductor busbars 41.
В одном из вариантов осуществления изобретения используют источник питания с напряжением 70 В и током 800 А. В еще одном варианте осуществления изобретения используют источник питания с напряжением 170 В и ток 2000 А. Ток подают по проводникам 40, 40' к контактным шинам 41 проводников, и ток проходит через структурированный катализатор 10 от одной контактной шины 41 проводника, например от контактной шины проводника, которая на фиг. 1а показана слева, до другой контактной шины 41 проводника, например контактной шины проводника, которая на фиг. 1а показана справа. Ток может быть переменным и, например, идти попеременно в обоих направлениях, или он может быть постоянным и идти в одном из двух направлений.In one of the embodiments of the invention, a power supply with a voltage of 70 V and a current of 800 A is used. In another embodiment of the invention, a power supply with a voltage of 170 V and a current of 2000 A is used. and the current passes through the structured catalyst 10 from one conductor bar 41, for example from a conductor bar, which in FIG. 1a is shown on the left, up to another conductor bar 41, for example a conductor bar, which in FIG. 1a is shown on the right. The current may be variable and, for example, flow alternately in both directions, or it may be constant and flow in one of the two directions.
Макроскопические структуры 5 выполнены из электропроводящего материала. Особенно предпочтительным является сплав кантал, состоящий из алюминия, железа и хрома. Керамическое покрытие, например, оксид, нанесенный на структурированный катализатор 5, пропитано каталитически активным материалом. Проводники 40, 40' выполнены из таких материалов, как железо, алюминий, никель, медь или их сплавы.The macroscopic structures 5 are made of an electrically conductive material. Particularly preferred is a kanthal alloy consisting of aluminium, iron and chromium. The ceramic coating, such as an oxide, deposited on the structured catalyst 5 is impregnated with a catalytically active material. The conductors 40, 40' are made of materials such as iron, aluminium, nickel, copper or their alloys.
Во время работы исходный газ подают в реакторную систему 100 сверху, как показано стрелкой 11, и выходит из реакторной системы внизу, как показано стрелкой 12.During operation, the source gas is fed into the reactor system 100 from above, as indicated by arrow 11, and exits the reactor system from below, as indicated by arrow 12.
На фиг. 1b показана реакторная система 100, которая также показана на фиг. 1а, при этом на фиг. 1b удалена часть корпуса высокого давления 20 и теплоизоляционного слоя 30, а на фиг. 2 приведен увеличенный вид части реакторной системы 100. На фиг. 1b и 2 соединения между проводниками 40' и контактными шинами 41 проводника показаны более понятно, чем на фиг. 1а. Кроме того, видно, что проводники 40 проходят через стенки корпуса высокого давления посредством фитингов 50 и что внутри корпуса высокого давления один проводник 40 разделяют на три проводника 40'. Следует отметить, что может использоваться любое подходящее количество проводников 40', например может использоваться меньше трех или больше трех проводников.In FIG. 1b shows a reactor system 100, which is also shown in FIG. 1a, while in Fig. 1b, part of the pressure vessel 20 and the thermal insulation layer 30 have been removed, and in FIG. 2 is an enlarged view of a portion of reactor system 100. FIG. 1b and 2 the connections between the conductors 40' and the contact bars 41 of the conductor are shown more clearly than in FIG. 1a. In addition, it can be seen that the conductors 40 pass through the walls of the pressure vessel by means of fittings 50 and that inside the pressure vessel one conductor 40 is divided into three conductors 40'. It should be noted that any suitable number of conductors 40' may be used, for example less than three or more than three conductors may be used.
В реакторной системе, показанной на фиг. 1a, 1b и 2, проводники 40, 40' проходят через стенку кор- 16 041025 пуса высокого давления 20, содержащего структурированный катализатор, и через изоляционный материал 30 на внутренней стороне корпуса высокого давления через фитинги 50. Исходный газ для парового риформинга подают в реакторную систему 100 через входное отверстие в верхней части реакторной системы 100, показанное стрелкой 11, а газ, прошедший риформинг, покидает реакторную систему 100 через выходное отверстие в нижней части реакторной системы 100, показанное стрелкой 12. Более того, рядом с фитингами 50 или в комбинации с фитингами могут быть преимущественно расположены одно или несколько дополнительных входных отверстий (не показаны на фиг. 1а-2). Такие дополнительные входные отверстия позволяют охлаждающему газу проходить через, вокруг, рядом или внутри по меньшей мере одного проводника внутри указанного корпуса высокого давления, чтобы уменьшить нагрев фитинга. Охлаждающий газ может, например, представлять собой водород, азот, пар, диоксид углерода или их смеси. Температура охлаждающего газа на подаче в корпус высокого давления может составлять, например, приблизительно 100°С.In the reactor system shown in FIG. 1a, 1b and 2, conductors 40, 40' pass through the wall of the pressure vessel 20 containing the structured catalyst and through the insulating material 30 on the inside of the pressure vessel through fittings 50. The steam reforming feed gas is fed into the reactor system 100 through the inlet at the top of the reactor system 100, indicated by arrow 11, and the reformed gas leaves the reactor system 100 through the outlet at the bottom of the reactor system 100, indicated by arrow 12. Moreover, adjacent to the fittings 50 or in combination with fittings, one or more additional inlets (not shown in Figs. 1a-2) can advantageously be located. Such additional inlets allow refrigerant gas to pass through, around, adjacent to, or within at least one conductor within said pressure vessel to reduce heating of the fitting. The cooling gas may, for example, be hydrogen, nitrogen, steam, carbon dioxide or mixtures thereof. The temperature of the cooling gas at the supply to the pressure vessel may be, for example, approximately 100°C.
В реакторной системе 100, показанной на фиг. 1а-2, между нижней частью структурированного катализатора 10 и дном корпуса высокого давления преимущественно присутствует инертный материал (не показан на фиг. 1а-2). Более того, инертный материал предпочтительно присутствует между внешними сторонами структурированного катализатора 10 макроскопических структур 5 и изоляционным материалом 30. Таким образом, одна сторона изоляционного материала 30 обращена к внутренней стороне корпуса высокого давления 20, а другая сторона изоляционного материала 30 обращена к инертному материалу. Инертным материалом является, например, керамический материал. Инертный материал может иметь форму гранул. Инертный материал способствует контролю перепада давления в реакторной системе 100 и контролю потока газа через реакторную систему 100, так что поток газа поступает по поверхностям структурированного катализатора 10.In the reactor system 100 shown in FIG. 1a-2, between the bottom of the structured catalyst 10 and the bottom of the pressure vessel there is predominantly an inert material (not shown in FIGS. 1a-2). Moreover, an inert material is preferably present between the outer sides of the structured catalyst 10 of the macroscopic structures 5 and the insulating material 30. Thus, one side of the insulating material 30 faces the inside of the pressure vessel 20 and the other side of the insulating material 30 faces the inert material. The inert material is, for example, a ceramic material. The inert material may be in the form of granules. The inert material assists in controlling the pressure drop across the reactor system 100 and controlling the flow of gas through the reactor system 100 so that the gas flow flows over the surfaces of the structured catalyst 10.
На фиг. 3а и 3b представлен вид в поперечном разрезе реакторной системы 100', 100'', включающей структурированный катализатор 10а, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Структурированный катализатор 10а может состоять из единой макроскопической структуры с керамическим покрытием, которая выступает в качестве подложки каталитически активного материала, или структурированный катализатор может включать две или несколько макроскопических структур. Каждая из реакторных систем 100', 100'' с одержит корпус высокого давления 20 и теплоизоляционный слой 80 между структурированным катализатором 10а и корпусом высокого давления 20; на фиг. 3а и 3b инертный материал 90 обозначен штриховкой. Для заполнения зазора между структурированным катализатором 10а и теплоизоляционным слоем или корпусом высокого давления 20 может использоваться инертный материал 90. На фиг. 3а и 3b инертный материал 90 обозначен штриховкой; инертный материал 90 может быть в любой подходящей форме, например в виде инертных гранул, и представлять собой, например, керамический материал. Инертный материал 90 способствует контролю перепада давления в реакторной системе и контролю потока газа через реакторную систему. Кроме того, инертный материал, как правило, имеет теплоизоляционный эффект.In FIG. 3a and 3b are cross-sectional views of a reactor system 100', 100'' including a structured catalyst 10a, in accordance with one embodiment of the invention. The structured catalyst 10a may consist of a single ceramic-coated macroscopic structure that acts as a support for the catalytically active material, or the structured catalyst may include two or more macroscopic structures. Each of the reactor systems 100', 100''c includes a pressure vessel 20 and a thermal insulation layer 80 between the structured catalyst 10a and the pressure vessel 20; in fig. 3a and 3b, the inert material 90 is indicated by hatching. An inert material 90 may be used to fill the gap between the structured catalyst 10a and the thermal barrier layer or pressure vessel 20. FIG. 3a and 3b, inert material 90 is indicated by hatching; the inert material 90 may be in any suitable form, such as inert granules, and may be, for example, a ceramic material. The inert material 90 assists in controlling the pressure drop in the reactor system and controlling the flow of gas through the reactor system. In addition, the inert material generally has a heat-insulating effect.
Из фиг. 3а и 3b видно, что реакторные системы 100', 100'' дополнительно содержат внутреннюю трубу 15, при этом между ней и структурированным катализатором 10а осуществляется теплообмен. Внутренняя труба 15 выполнена с возможностью отвода газообразного продукта из структурированного катализатора 10а таким образом, что между газообразным продуктом, поступающим через внутреннюю трубу или трубы, осуществляется теплообмен с газом, поступающим через структурированный катализатор; тем не менее внутренняя труба 15 электрически изолирована от структурированного катализатора 10а теплоизоляционным слоем 80 или инертным материалом 90 или зазором или их комбинацией. Такую конфигурацию именуют байонетной реакторной системой. В этой конфигурации газообразный продукт во внутренней трубе способствует нагреванию технологического газа, поступающего через макроскопическую структуру. В конфигурациях, показанных на фиг. 3а и 3b, исходный газ подают в реакторную систему 100', 100 через входное отверстие, указанное стрелкой 11, и он поступает в структурированный катализатор 10а в передней части 101а, как показано стрелками 13. Во время прохождения исходного газа через структурированный катализатор 10а осуществляют реакцию парового риформинга исходного газа. Газ, выходящий из задней части 102а структурированного катализатора 10а, по меньшей мере, частично прореагировал в реакции риформинга. Потоки, по меньшей мере, частично реформированного газа, выходящие из задней части 102а структурированного катализатора 10а, поступают во внутреннюю трубу 15, как показано стрелками 14, и выходят из внутренней трубы через выходное отверстие корпуса высокого давления, как показано стрелками 12. Даже несмотря на то что между внутренней трубой 15 и структурированным катализатором 10а присутствует инертный материал 80, будет происходить некоторая теплопередача от газа внутри внутренней трубы 15 и газа внутри структурированного катализатора 10а или по ходу процесса перед структурированным катализатором 10а. В вариантах осуществления, показанных на фиг. 3а и 3b, исходный газ поступает вниз через структурированный катализатор 10а, от передней части 101а структурированного катализатора к задней части 102а, а затем вверх через внутреннюю трубу 15; однако возможна и обратная конфигурация, так что исходный газ будет поступать вверх через структурированный катализатор 10а и вниз через внутреннюю трубу 15. В этом случае нижняя часть структурированного катализатора будет выступать в качестве передней части, а верхняя частьFrom FIG. 3a and 3b, it can be seen that the reactor systems 100', 100'' additionally comprise an inner tube 15, heat exchange between it and the structured catalyst 10a. The inner tube 15 is configured to withdraw product gas from the structured catalyst 10a such that the product gas entering through the inner tube or tubes is heat exchanged with the gas entering through the structured catalyst; however, the inner tube 15 is electrically isolated from the structured catalyst 10a by a heat insulating layer 80 or an inert material 90 or a gap or a combination thereof. This configuration is referred to as a bayonet reactor system. In this configuration, the product gas in the inner tube contributes to the heating of the process gas entering through the macroscopic structure. In the configurations shown in FIG. 3a and 3b, the feed gas is fed into the reactor system 100', 100 through the inlet indicated by the arrow 11 and enters the structured catalyst 10a at the front portion 101a as shown by the arrows 13. While the feed gas passes through the structured catalyst 10a, the reaction steam reforming of the source gas. The gas exiting the back portion 102a of the structured catalyst 10a is at least partially reacted in the reforming reaction. The streams of at least partially reformed gas exiting the back portion 102a of the structured catalyst 10a enter the inner tube 15 as indicated by arrows 14 and exit the inner tube through the pressure vessel outlet as indicated by arrows 12. Even though With inert material 80 present between inner tube 15 and structured catalyst 10a, there will be some heat transfer from the gas inside the inner tube 15 and the gas inside the structured catalyst 10a or upstream of the structured catalyst 10a. In the embodiments shown in FIG. 3a and 3b, the feed gas flows downward through the structured catalyst 10a, from the structured catalyst front 101a to the back 102a, and then upwards through the inner tube 15; however, the reverse configuration is also possible, so that the feed gas will flow upwards through the structured catalyst 10a and downwards through the inner tube 15. In this case, the lower part of the structured catalyst will act as a front part, and the upper part
- 17 041025 структурированного катализатора будет выступать в качестве задней части.- 17 041025 structured catalyst will act as the rear part.
На фиг. 4 и 5 показан вариант осуществления структурированного катализатора, включающего набор макроскопических структур, вид сверху и сбоку соответственно. На фиг. 4 показан структурированный катализатор 10, включающий набор макроскопических структур 5, вид сверху, а именно вид по направлению стрелки 11 на фиг. 1а и 1b. Этот набор имеет 6 рядов, а именно 1а, 1b, 1c, 1d, 1e и 1f пяти макроскопических структур 5. Макроскопические структуры 5 в каждом ряду соединены с соседней макроскопической структурой в том же ряду, а две крайние макроскопические структуры в каждом ряду соединены с контактной шиной 41 проводника. Соседние макроскопические структуры 5 в ряду макроскопических структур соединены друг с другом посредством соединительного элемента 3.In FIG. 4 and 5 show an embodiment of a structured catalyst including a set of macroscopic structures, top and side views, respectively. In FIG. 4 shows a structured catalyst 10 including a set of macroscopic structures 5, viewed from above, namely the view along the direction of the arrow 11 in FIG. 1a and 1b. This set has 6 rows, namely 1a, 1b, 1c, 1d, 1e and 1f of five macroscopic structures 5. Macroscopic structures 5 in each row are connected to an adjacent macroscopic structure in the same row, and the two extreme macroscopic structures in each row are connected to contact bus 41 conductor. Neighboring macroscopic structures 5 in a row of macroscopic structures are connected to each other by means of a connecting element 3.
На фиг. 5 показан структурированный катализатор 10, имеющий набор макроскопических структур 5, показанных на фиг. 4, вид сбоку. На фиг. 5 видно, что каждая макроскопическая структура 5 проходит в продольном направлении перпендикулярно поперечному сечению, показанному на фиг. 4. Каждая макроскопическая структура 5 имеет прорезь 60, прорезанную в продольном направлении относительно макроскопической структуры (см. фиг. 5). Следовательно, ток от источника питания подают в набор макроскопических структур 5 через контактную шину 41 проводника, он проходит через первую макроскопическую структуру 5 вниз до нижней границы прорези 60 и затем его подают вверх к соединительному элементу 3. Ток проходит по соответствующей зигзагообразной траектории вниз и вверх через каждую макроскопическую структуру 5 в каждом ряду 1a-1f макроскопических структур 5 в наборе 10. Преимущество этой конфигурации состоит в том, что в этом случае увеличивается сопротивление по сравнению со структурированным катализатором 10.In FIG. 5 shows a structured catalyst 10 having the set of macroscopic structures 5 shown in FIG. 4, side view. In FIG. 5 it can be seen that each macroscopic structure 5 extends in the longitudinal direction perpendicular to the cross section shown in FIG. 4. Each macroscopic structure 5 has a slot 60 cut in the longitudinal direction relative to the macroscopic structure (see Fig. 5). Therefore, the current from the power supply is fed into the set of macroscopic structures 5 through the contact strip 41 of the conductor, it passes through the first macroscopic structure 5 down to the lower border of the slot 60 and then it is fed upwards to the connecting element 3. The current follows a corresponding zigzag path down and up through each macroscopic structure 5 in each row 1a-1f of macroscopic structures 5 in the set 10. The advantage of this configuration is that in this case the resistance is increased compared to the structured catalyst 10.
На фиг. 6 показан вид структурированного катализатора 10' по настоящему изобретению в перспективе. Структурированный катализатор 10' содержит макроскопическую структуру, которая имеет керамическое покрытие, пропитанное каталитически активным материалом. Внутри структурированного катализатора имеются каналы 70, проходящие в продольном направлении (показанном стрелкой, обозначенной h на фиг. 6) макроскопической структуры 5, эти каналы ограничены стенками 75. В варианте осуществления, показанном на фиг. 6, стенки 75 образуют ряд параллельных квадратных каналов 70, если смотреть со стороны направления потока, указанного стрелкой 12. Структурированный катализатор 10' имеет практически квадратный (при взгляде сверху) периметр, определяемый кромками e1 и е2. Однако периметр также может быть круглым или иметь другую форму.In FIG. 6 shows a perspective view of the structured catalyst 10' of the present invention. Structured catalyst 10' contains a macroscopic structure that has a ceramic coating impregnated with a catalytically active material. Within the structured catalyst there are channels 70 extending in the longitudinal direction (shown by an arrow labeled h in FIG. 6) of the macroscopic structure 5, these channels are delimited by walls 75. In the embodiment shown in FIG. 6, walls 75 form a series of parallel square channels 70 as viewed from the direction of flow indicated by arrow 12. Structured catalyst 10' has a substantially square (when viewed from above) perimeter defined by edges e1 and e2. However, the perimeter can also be circular or have a different shape.
Стенки 75 структурированного катализатора 10' выполнены из экструдированного материала с керамическим покрытием, например, из оксида, нанесенного на макроскопическую структуру в виде покрытия. на фигурах керамическое покрытие не показано. Керамическое покрытие пропитано каталитически активным материалом. Керамическое покрытие и, следовательно, каталитически активный материал имеется на каждой стенке структурированного катализатора 10', по которому поступает поток газа во время работы реактора и взаимодействует с нагретой поверхностью структурированного катализатора и каталитически активного материала.The walls 75 of the structured catalyst 10' are made of a ceramic-coated extruded material, such as an oxide, deposited on a macroscopic structure in the form of a coating. the ceramic coating is not shown in the figures. The ceramic coating is impregnated with a catalytically active material. A ceramic coating, and hence catalytically active material, is present on each wall of the structured catalyst 10', which carries a gas stream during operation of the reactor and interacts with the heated surface of the structured catalyst and catalytically active material.
Таким образом, в реакторной системе для парового риформинга углеводородный исходный газ проходит через каналы 70 и взаимодействует с нагретой поверхностью структурированного катализатора и с каталитически активным материалом, расположенным на подложке из керамического покрытия.Thus, in a steam reforming reactor system, the hydrocarbon feed gas passes through channels 70 and interacts with the heated surface of the structured catalyst and with the catalytically active material located on the ceramic coating substrate.
В структурированном катализаторе 10', показанном на фиг. 6, имеется прорезь 60. Из-за этой прорези 60 ток проходит внутри макроскопической структуры зигзагообразным путем (в данном случае вниз, а затем вверх), в результате чего путь тока увеличивается, а следовательно, увеличивается сопротивление, а следовательно, увеличивается количество теплоты, которое отдается макроскопической структуре. В прорезь 60 внутри макроскопической структуры может быть встроен изоляционный материал, чтобы гарантировать, что ток не течет в направлении, поперечном прорези 60.In the structured catalyst 10' shown in FIG. 6, there is a slot 60. Due to this slot 60, the current flows inside the macroscopic structure in a zigzag way (in this case down and then up), as a result of which the current path increases, and therefore the resistance increases, and therefore the amount of heat increases, which is given to the macroscopic structure. An insulating material may be embedded in slot 60 within the macroscopic structure to ensure that current does not flow in a direction transverse to slot 60.
Каналы 70 в структурированном катализаторе 5 открыты с обоих концов. При использовании структурированного катализатора в реакторной системе углеводородный исходный газ проходит через установку в направлении, показанном стрелками 11 и 12 на фиг. 1а и 1b и нагревается за счет контакта со стенками 75 каналов 70 и за счет радиационного нагрева. Из-за тепла инициируется необходимый процесс парового риформинга. Толщина стенок 75 каналов 70 может составлять, например, 0,5 мм, а толщина керамического покрытия, нанесенного на стенки 75, может составлять, например, 0,1 мм. Несмотря на то что стрелки 11 и 12 (см. фиг. 1а и 1b) показывают, что поток углеводородного исходного газа направлен вниз, также возможно противоположное направление потока, а именно поток может быть направлен вверх.The channels 70 in the structured catalyst 5 are open at both ends. When using a structured catalyst in a reactor system, the hydrocarbon feed gas flows through the plant in the direction shown by arrows 11 and 12 in FIG. 1a and 1b and is heated by contact with the walls 75 of the channels 70 and by radiation heating. Due to the heat, the necessary steam reforming process is initiated. The thickness of the walls 75 of the channels 70 may be, for example, 0.5 mm, and the thickness of the ceramic coating applied to the walls 75 may be, for example, 0.1 mm. Although arrows 11 and 12 (see FIGS. 1a and 1b) indicate that the flow of the hydrocarbon feed gas is directed downward, the opposite direction of flow is also possible, namely, the flow may be directed upward.
На фиг. 7 приведен вид структурированного катализатора 5 согласно фиг. 1а и 1b в перспективе с прикрепленными соединителями 7. Каждый соединитель 7 соединяет часть структурированного катализатора 10' с проводником 40. Оба проводника 40 подключены к источнику питания (не показан). Каждый из соединителей 7 соединен с верхней частью структурированного катализатора. Когда проводники 40 подключены к источнику питания, ток подводится к соответствующему соединителю 7 через проводник и проходит через структурированный катализатор 10'. Прорезь 60 препятствует прохождению тока в поперечном направлении (горизонтальное направление на фиг. 7) по всей ее длине по высоте h структурированного катализатора 10'. Следовательно, ток течет в вниз, как показано на фиг. 7 в части структуриIn FIG. 7 is a view of the structured catalyst 5 according to FIG. 1a and 1b are perspective views with connectors 7 attached. Each connector 7 connects a portion of the structured catalyst 10' to a conductor 40. Both conductors 40 are connected to a power source (not shown). Each of the connectors 7 is connected to the top of the structured catalyst. When the conductors 40 are connected to a power supply, the current is supplied to the corresponding connector 7 through the conductor and passes through the structured catalyst 10'. The slot 60 prevents the passage of current in the transverse direction (horizontal direction in Fig. 7) along its entire length along the height h of the structured catalyst 10'. Therefore, the current flows in downwards, as shown in Fig. 7 in structure part
- 18 041025 рованного катализатора вдоль прорези 60, затем он проходит перпендикулярно к продольной оси структурированного катализатора под прорезью 60, как показано на фиг. 7, и, наконец, ток течет вверх, параллельно продольной оси структурированного катализатора к другому соединителю 7. Соединители 7 на фиг. 7 механически прикреплены к структурированному катализатору, в частности, с помощью механических крепежных элементов, таких как винты и болты. Однако возможны дополнительные или альтернативные крепежные элементы. В одном из вариантов осуществления изобретения используют источник питания с напряжением 3 В и током 400 А.- 18 041025 of the structured catalyst along the slot 60, then it passes perpendicular to the longitudinal axis of the structured catalyst under the slot 60, as shown in FIG. 7, and finally the current flows upward, parallel to the longitudinal axis of the structured catalyst, to another connector 7. The connectors 7 in FIG. 7 are mechanically attached to the structured catalyst, in particular by means of mechanical fasteners such as screws and bolts. However, additional or alternative fasteners are possible. In one of the embodiments of the invention, a power supply with a voltage of 3 V and a current of 400 A is used.
Проводники 7 выполнены, например, из таких материалов, как железо, алюминий, никель, медь или их сплавы.The conductors 7 are made, for example, of materials such as iron, aluminium, nickel, copper or their alloys.
Как уже указывалось, структурированный катализатор 10' имеет керамическое покрытие, например, из оксида, которое выступает в качестве подложки каталитически активного материала. Тем не менее части структурированного катализатора 10', которые соединены с соединителями 7, не должны быть покрыты оксидом. Вместо этого макроскопическая структура структурированного катализатора должна контактировать непосредственно с соединителями 7 или быть соединена с ними, чтобы обеспечить необходимый электрический контакт между макроскопической структурой и соединителем.As already mentioned, the structured catalyst 10' has a ceramic coating, for example of an oxide, which acts as a support for the catalytically active material. However, the portions of the structured catalyst 10' that are connected to the connectors 7 must not be coated with oxide. Instead, the macroscopic structure of the structured catalyst must be in direct contact with or connected to the connectors 7 in order to provide the necessary electrical contact between the macroscopic structure and the connector.
Когда соединители 7 и, следовательно, проводники 40 подключены к одной части структурированного катализатора 5, т.е. к верхней части, как показано на фиг. 7, газ, подающийся в реакторную систему, в которой находится структурированный катализатор 10', сможет охлаждать соединители 7 и проводники 40. Например, углеводородный газ, подающийся в такую реакторную систему, будет иметь температуру 400 или 500°С, таким образом, этот газ не даст соединителям 7 и проводникам 40 достичь температур, намного превышающих эту температуру.When the connectors 7 and hence the conductors 40 are connected to one part of the structured catalyst 5, i. e. towards the top, as shown in Fig. 7, the gas supplied to the reactor system containing the structured catalyst 10' will be able to cool the connectors 7 and conductors 40. For example, the hydrocarbon gas supplied to such a reactor system will have a temperature of 400 or 500°C, thus will prevent connectors 7 and conductors 40 from reaching temperatures much higher than this temperature.
На фиг. 8 показан еще один вариант осуществления структурированного катализатора 10' с соединителями 7'''. Структурированный катализатор 10' представляет собой, например, структурированный катализатор, показанный на фиг. 6. Каждый из соединителей 7''' имеет три отверстия в своей верхней части для подключения к проводникам (не показаны) Внутри прорези 60 структурированного катализатора 10' находится кусок электроизоляционного материала 61 (см. фиг. 6).In FIG. 8 shows another embodiment of a structured catalyst 10' with connectors 7'''. The structured catalyst 10' is, for example, the structured catalyst shown in FIG. 6. Each of the connectors 7''' has three holes at its top for connection to conductors (not shown). Inside the slot 60 of the structured catalyst 10' is a piece of electrically insulating material 61 (see FIG. 6).
На фиг. 9а представлен вариант осуществления структурированного катализатора 10'', который может использоваться в реакторной системе по изобретению. На фиг. 9а показан структурированный катализатор 10 в перспективе. Можно видеть, что структурированный катализатор 10'' имеет единственную вертикальную прорезь 60 вдоль продольной оси катализатора 10', как показано на фиг. 9а. Одиночная вертикальная щель 60 проходит от верха структурированного катализатора 10'' к его нижней части, занимая приблизительно 90% длины структурированного катализатора. Может считаться, что одиночная вертикальная щель 60 разделяет структурированный катализатор 10'' на две половины. Каждая из этих двух половин имеет пять горизонтальных прорезей 65. Вертикальная прорезь 60 и горизонтальные прорези 65 служат для направления тока через структурированный катализатор по зигзагообразному пути.In FIG. 9a shows an embodiment of a structured catalyst 10'' that can be used in the reactor system of the invention. In FIG. 9a shows the structured catalyst 10 in perspective. It can be seen that the structured catalyst 10'' has a single vertical slot 60 along the longitudinal axis of the catalyst 10' as shown in FIG. 9a. A single vertical slot 60 extends from the top of the structured catalyst 10'' to its bottom, occupying approximately 90% of the length of the structured catalyst. A single vertical slot 60 may be considered to separate the structured catalyst 10'' into two halves. Each of these two halves has five horizontal slots 65. The vertical slot 60 and horizontal slots 65 serve to direct current through the structured catalyst in a zigzag path.
На фиг. 9b показана плотность тока структурированного катализатора 10 согласно фиг. 9а в функциональной зависимости от электрического эффекта, передаваемого на структурированный катализатор 10''. Также на фиг. 9b приведены данные, полученные в результате мультифизического моделирования распределения тока в структуре, показанной на фиг. 9а, с применением методов вычислительной газодинамики с использованием программного обеспечения Comsol. На фиг. 9b приведен вид сбоку структурированного катализатора 10''. Два проводника (не показаны на фиг. 9b) подключены к верхней части структурированного катализатора 10'' с левой стороны. Как демонстрируется интенсивностью плотности тока, как показано на шкале в правой части фиг. 9b, когда источник питания подключен к структурированному катализатору 10'', из-за горизонтальных прорезей ток проходит от его верхней части зигзагообразно к нижней части структурированного катализатора 10 к его задней части, т.е. в бумагу, как показано на фиг. 9b, а затем зигзагообразно вверх ко второму проводнику. Температура структурированного катализатора 10'' зависит от плотности тока в структурированном катализаторе 10''. Также на фиг. 9b можно видеть, что плотность тока наиболее высока в конечных точках горизонтальных щелей 65 в структурированном катализаторе 10''. В этих точках путь тока меняет направление, т.е. в этих точках происходит изменение направления тока, проходящего через структурированный катализатор 10''. Кроме того, можно сделать вывод, что вектор плотности тока основного пути тока имеет ненулевое значение компонента, параллельно длине указанного структурированного катализатора для более чем 80% структуры. В заключение, из фиг. 9b видно, что в структурированном катализаторе можно управлять основным путем тока. Это обеспечивает возможность контроля температурного профиля внутри структурированного катализатора.In FIG. 9b shows the current density of the structured catalyst 10 according to FIG. 9a as a function of the electrical effect transmitted to the structured catalyst 10''. Also in FIG. 9b shows data obtained from a multiphysics simulation of the current distribution in the structure shown in FIG. 9a using CFD methods using Comsol software. In FIG. 9b is a side view of the structured catalyst 10''. Two conductors (not shown in Fig. 9b) are connected to the top of the structured catalyst 10'' on the left side. As demonstrated by the current density intensity as shown on the scale on the right side of FIG. 9b, when a power supply is connected to the structured catalyst 10″, due to the horizontal slots, current flows from its top in a zigzag pattern to the bottom of the structured catalyst 10 towards its rear, i.e. into paper, as shown in Fig. 9b and then zigzag up to the second conductor. The temperature of the structured catalyst 10'' depends on the current density in the structured catalyst 10''. Also in FIG. 9b, it can be seen that the current density is highest at the end points of the horizontal slots 65 in the structured catalyst 10''. At these points, the current path changes direction, i.e. at these points there is a change in the direction of the current passing through the structured catalyst 10''. In addition, it can be concluded that the current density vector of the main current path has a non-zero component value, parallel to the length of the specified structured catalyst for more than 80% of the structure. Finally, from FIG. 9b shows that the main current path can be controlled in the structured catalyst. This makes it possible to control the temperature profile within the structured catalyst.
На фиг. 10 приведено схематическое изображение поперечного сечения структурированного катализатора с электроизоляционными частями. На фиг. 10 приведено схематическое изображение поперечного сечения структурированного катализатора 10''' по изобретению с электроизоляционными частями 61'. На фиг. 10 электроизоляционные части показаны штриховкой. В варианте осуществления, показанном на фиг. 10, три электроизоляционных части 61' пересекают большую часть структурированного катализатора 10''' в продольном направлении. Проводники 7 подключены к верхней стороне структурированного катализатора 10', как показано на фиг. 10. Во время использования структурированного каталиIn FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a structured catalyst with electrically insulating parts. In FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of a structured catalyst 10''' according to the invention with electrically insulating parts 61'. In FIG. 10 the electrically insulating parts are shown in hatching. In the embodiment shown in FIG. 10, three electrically insulating portions 61' traverse the major portion of the structured catalyst 10''' in the longitudinal direction. The conductors 7 are connected to the upper side of the structured catalyst 10' as shown in FIG. 10. During the use of a structured cathal
- 19 041025 затора 10''', проводники 7 подключаются к источнику питания, и исходный углеводородный газ контактирует со структурированным катализатором 10'''. Таким образом, ток проходит от первого проводника через структурированный катализатор 10''' в зигзагообразном направлении, а именно вниз от первого проводника, по нижней стороне первой электроизоляционной части 61', затем вверх, по верхней стороне средней электроизоляционной части 61', затем снова вниз и по нижней стороне третьей электроизоляционной части 61' и, наконец, вверх ко второму проводнику 7. Следует отметить, что может использоваться любое подходящее количество электроизоляционных частей 61'. Электроизоляционные части 61' выполнены из твердого электроизоляционного материала, например из стекла, и они находятся в прорезях в макроскопической структуре. Из-за электроизоляционных частей 61' части макроскопической структуры разделены сторонами электрически изолирующих частей 61'. Следует отметить, что в этом варианте осуществления, как и в остальных вариантах осуществления, поток газа может поступать в том же направлении, что и направление тока через структурированный катализатор, или в другом направлении. В варианте осуществления, показанном на фиг. 10, поток газа направляют, например, от верхней части структурированного катализатора 10''' к нижней части структурированного катализатора 10'''; таким образом, направление тока совпадает с направлением потока газа лишь в некоторых частях структурированного катализатора 10''', в то время как в других частях направление тока перпендикулярно направлению потока газа и противоположно направлению потока газа (когда ток идет вверх).- 19 041025 plug 10''', the conductors 7 are connected to a power source, and the original hydrocarbon gas is in contact with the structured catalyst 10'''. Thus, the current flows from the first conductor through the structured catalyst 10''' in a zigzag direction, namely downwards from the first conductor, along the underside of the first electrically insulating portion 61', then upwards, along the upper side of the middle electrically insulating portion 61', then down again. and along the underside of the third electrically insulating portion 61' and finally upwards to the second conductor 7. It should be noted that any suitable number of electrically insulating portions 61' may be used. The electrical insulating parts 61' are made of a solid electrical insulating material, such as glass, and are in slots in the macroscopic structure. Due to the electrically insulating parts 61', the macroscopic structure parts are separated by the sides of the electrically insulating parts 61'. It should be noted that in this embodiment, as in other embodiments, the gas flow may flow in the same direction as the direction of the current through the structured catalyst, or in a different direction. In the embodiment shown in FIG. 10, the gas flow is directed, for example, from the top of the structured catalyst 10''' to the bottom of the structured catalyst 10'''; thus, the direction of the current coincides with the direction of the gas flow only in some parts of the structured catalyst 10''', while in other parts the direction of the current is perpendicular to the direction of the gas flow and opposite to the direction of the gas flow (when the current goes up).
На фиг. 11а и 11b показаны профили температуры и конверсии в функциональной зависимости от электрического эффекта, передаваемого на структурированный катализатор. На фиг. 11а приведены результаты лабораторных испытаний стендовой реакторной системы с структурированным катализатором длиной 12 см и объемом 108 см3, который определяется его внешними стенками/сторонами, и с конфигурацией, показанной на фиг. 6, где проводники из меди приварены к первым 2 см монолита с противоположных сторон в передней части. Давление в корпусе высокого давления составляло 3,5 бар, температура на подаче исходного газа в реакторную систему составляла приблизительно 200°С. Использовался исходный газ со следующим составом: 31,8% CH4, 2,4% H2, 65,8% H2O, а общий расход газа составлял 102,2 н.л/ч. Следует отметить, что баланс энергии значительно лучше в реакторе большего масштаба, чем в условиях мелкомасштабного эксперимента, результаты которого приведены на графиках на фиг. 11а, из-за высоких потерь энергии при таком относительно небольшом масштабе. Однако из фиг. 11а видно, что с увеличением мощности как степень конверсии метана, так и температура повышаются. Температура превышает 900°С, а степень конверсии метана достигает более 98%.In FIG. 11a and 11b show temperature and conversion profiles as a function of the electrical effect transferred to the structured catalyst. In FIG. 11a shows the results of laboratory testing of a structured catalyst bench reactor system 12 cm long and 108 cm 3 in volume, which is defined by its outer walls/sides, and with the configuration shown in FIG. 6, where copper conductors are welded to the first 2 cm of the monolith on opposite sides in the front. The pressure in the pressure vessel was 3.5 bar, the temperature at the source gas supply to the reactor system was approximately 200°C. The feed gas used was 31.8% CH 4 , 2.4% H 2 , 65.8% H 2 O and the total gas flow was 102.2 NL/h. It should be noted that the energy balance is much better in a larger scale reactor than under the conditions of a small scale experiment, the results of which are plotted in FIG. 11a due to the high energy loss at such a relatively small scale. However, from FIG. 11a shows that with increasing power, both the degree of methane conversion and the temperature increase. The temperature exceeds 900°C, and the degree of methane conversion reaches more than 98%.
На фиг. 11b показан эксперимент, аналогичный описанному выше, но с давлением 21 бар. Опять же из фиг. 11а видно, что с увеличением мощности повышается степень конверсии метана и температура. Температура превышает 1060°С, а степень конверсии метана достигает более 95%.In FIG. 11b shows an experiment similar to that described above, but with a pressure of 21 bar. Again from FIG. 11a it can be seen that with increasing power, the degree of methane conversion and temperature increase. The temperature exceeds 1060°C, and the degree of methane conversion reaches more than 95%.
На фиг. 12а и 12b показаны результаты моделирования температуры и состава газа по длине структурированного катализатора. Моделируется единственный канал структурированного катализатора. Длина структурированного катализатора в этой модели, и, следовательно, длина одного канала составляет 10 см. Внутри корпуса высокого давления/структурированного катализатора/канала обеспечиваются следующие условия:In FIG. 12a and 12b show the results of modeling temperature and gas composition along the length of the structured catalyst. A single channel of the structured catalyst is modeled. The length of the structured catalyst in this model, and therefore the length of one channel, is 10 cm. The following conditions are provided inside the pressure vessel/structured catalyst/channel:
давление: 29 бар и.д.;pressure: 29 bar i.d.;
Твход: 466°С;Tin: 466°C;
общий поток: 30 н.л/ч.total flow: 30 Nl/h
состав исходного газа на подаче в реактор/канал: 31,8% метана, 8,8% водорода, 2,3% двуокиси углерода и 57,1% пара.the composition of the source gas at the feed to the reactor/channel: 31.8% methane, 8.8% hydrogen, 2.3% carbon dioxide and 57.1% steam.
На фиг. 12а температура стенки канала обозначена Tw, а температура в центре канала обозначена Тс. Значения Tw и Тс указаны на шкале справа от графиков. Степень конверсия метана обозначается Сс, соответствующие значения указаны на шкале слева от графиков.In FIG. 12a, the temperature of the channel wall is indicated by Tw, and the temperature at the center of the channel is indicated by Tc. The values of Tw and Tc are indicated on the scale to the right of the graphs. The degree of methane conversion is denoted by Cs, the corresponding values are indicated on the scale to the left of the graphs.
Из фиг. 12а видно, что температура стенки канала в структурированном катализаторе непрерывно увеличивается почти по всей длине структурированного катализатора. В передней части (z=0 см) структурированного катализатора температура составляет приблизительно 480°С, а задней части структурированного катализатора (z=10 см) - приблизительно 1020°С. Температуру повышают наиболее быстро в первых 10% длины структурированного катализатора, на последних нескольких процентах длины структурированного катализатора температура изменяется незначительно. Таким образом, когда ток меняет направление в задней части структурированного катализатора, от движения вниз к вверх на фиг. 1-9а, температура стенок каналов структурированного катализатора существенно не изменяется при увеличении значений z. Однако на фиг. 12а также показано, что температура в центре канала продолжает увеличиваться по всей длине структурированного катализатора. Однако следует отметить, что температура в центре канала остается практически постоянной на первых 5-7% длины структурированного катализатора. Это происходит из-за того, что подача газа в структурированный катализатор обеспечивает охлаждение структурированного катализатора вблизи его передней части из-за задержки переноса тепловой энергии от стенки к центру канала.From FIG. 12a shows that the temperature of the channel wall in the structured catalyst increases continuously along almost the entire length of the structured catalyst. At the front (z=0 cm) of the structured catalyst, the temperature is approximately 480°C and at the back of the structured catalyst (z=10 cm) is approximately 1020°C. The temperature increases most rapidly in the first 10% of the length of the structured catalyst, with little change in temperature over the last few percent of the length of the structured catalyst. Thus, as the current changes direction at the rear of the structured catalyst, from downward to upward in FIG. 1-9a, the temperature of the channel walls of the structured catalyst does not change significantly with increasing z values. However, in FIG. 12a also shows that the temperature at the center of the channel continues to increase along the entire length of the structured catalyst. However, it should be noted that the temperature in the center of the channel remains almost constant for the first 5–7% of the length of the structured catalyst. This is due to the fact that the gas supply to the structured catalyst provides cooling of the structured catalyst near its front due to the delay in the transfer of thermal energy from the wall to the center of the channel.
На фиг. 12а также приведены данные по конверсии метана в центре канала структурированного каIn FIG. 12a also shows data on the conversion of methane in the center of the structured ca
- 20 041025 тализатора. Видно, что для первых 10-12% длины канала степень конверсии близка к нулю, а затем конверсия постепенно увеличивается и достигает значения около 85%. Как отмечалось выше, при моделировании для маломасштабных реакторов обеспечиваются значения меньшие оптимальных, и в реакторной системе реального масштаба достижима значительно более высокая степень конверсии. Однако моделирование предоставляет информацию о тенденциях скорости конверсии и температуры в структурированном катализаторе.- 20 041025 tote. It can be seen that for the first 10-12% of the channel length, the degree of conversion is close to zero, and then the conversion gradually increases and reaches a value of about 85%. As noted above, simulations for small scale reactors provide sub-optimal values, and a much higher conversion rate is achievable in a real scale reactor system. However, the simulation provides information on the trends in the conversion rate and temperature in the structured catalyst.
На фиг. 12b показаны парциальные давления основных активных газов в канале структурированного катализатора на фиг. 12а. Из фиг. 12b видно, что парциальные давления пара и метана значительно уменьшаются по длине канала структурированного катализатора, в то время как парциальные давления водорода и монооксида углерода значительно возрастают. Кроме того, парциальное давление диоксида углерода немного увеличивается по длине структурированного катализатора, но уменьшается при наиболее высоких температурах, когда термодинамически предпочтительной является обратная реакция конверсии водяного газа.In FIG. 12b shows the partial pressures of the main active gases in the channel of the structured catalyst in FIG. 12a. From FIG. 12b shows that the partial pressures of steam and methane decrease significantly along the length of the channel of the structured catalyst, while the partial pressures of hydrogen and carbon monoxide increase significantly. In addition, the partial pressure of carbon dioxide increases slightly along the length of the structured catalyst, but decreases at the highest temperatures, when the water gas shift reverse reaction is thermodynamically preferable.
На фиг. 13 показана требуемая максимальная температура внутри реакторной системы по изобретению в функциональной зависимости от давления для давлений в диапазоне приблизительно 30-170 бар во время парового риформинга исходного газа, состоящего из 30,08% CH4, 69,18% H2O, 0,09% H2, 0,45% СО2, 0,03% Ar, 0,02% СО, 0,15% N2 до достижения степени конверсии метана 88% при температуре 10°С в условиях близких к равновесию парового риформинга метана. Требуемая максимальная температура увеличивается с увеличением давления из-за принципа Ле Шателье. Это показывает, что из-за высоких температур, которые могут использоваться в настоящем изобретении, могут использоваться значительно более высокие давления, чем давления, используемые в традиционном SMR, где из-за внешнего нагрева труб не может использоваться температура более 950°C. Температура 950°С соответствует 27 бар и.д. на фиг. 13. В реакторной системе по изобретению может использоваться, например, максимальная температура 1150°C, что обеспечивает давление до 146 бар и.д. при сохранении вышеуказанной степени конверсии метана.In FIG. 13 shows the required maximum temperature within the reactor system of the invention as a function of pressure for pressures in the range of approximately 30-170 bar during steam reforming of a feed gas of 30.08% CH 4 , 69.18% H 2 O, 0, 09% H 2 , 0.45% CO 2 , 0.03% Ar, 0.02% CO, 0.15% N 2 to achieve a methane conversion of 88% at 10° C. under near-equilibrium methane steam reforming conditions. The required maximum temperature increases with increasing pressure due to Le Chatelier's principle. This shows that due to the high temperatures that can be used in the present invention, significantly higher pressures can be used than those used in traditional SMR where, due to external heating of the tubes, temperatures above 950°C cannot be used. A temperature of 950°C corresponds to 27 barg. in fig. 13. The reactor system according to the invention can use, for example, a maximum temperature of 1150°C, which provides a pressure of up to 146 barg. while maintaining the above degree of methane conversion.
На фиг. 14 приведен график приближения к равновесным условиям (АТравн SMR) реакции парового риформинга метана для различных значений расхода газового потока через структурированный катализатор. на фиг. 14 показано, что при определенном расходе потока газа через структурированный катализатор условия близкие к равновесию на входе в реакторную систему со структурированным катализатором внутри создаются при температуре в диапазоне 160-175°C, поскольку исходный газ далек от равновесия. При прохождении углеводородного газа через структурированный катализатор температура приближения к равновесным условиям снижается из-за каталитических реакций.In FIG. 14 is a graph of the approach to equilibrium conditions (AT equals SMR ) of the methane steam reforming reaction for various rates of gas flow through the structured catalyst. in fig. 14 shows that at a certain gas flow rate through the structured catalyst, conditions close to equilibrium at the inlet to the reactor system with the structured catalyst inside are created at a temperature in the range of 160-175°C, since the feed gas is far from equilibrium. As the hydrocarbon gas passes through the structured catalyst, the temperature approaching equilibrium conditions decreases due to catalytic reactions.
На фиг. 14 показаны условия близкие к равновесию (АТравн SMR) для расхода газа от 10000 нм3/ч до 200000 нм3/ч. Для самого низкого расхода газа, 10000 нм3/ч температура приближения к равновесным условиям становится менее 10°С примерно на 13% длины реакторной системы. Здесь длина реакторной системы рассматривается как внешняя высота структурированного катализатора в направлении потока, так что длина реакторной системы структурированного катализатора 10 составляет около 1h согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 6. Для более высоких расходов газа температура приближения к равновесным условиям тем выше, чем выше расход газа, поэтому при расходе газа 200000 нм3/ч температура приближения к равновесным условиям достигает минимального значения чуть менее 80°С.In FIG. 14 shows near-equilibrium conditions (AT equals SMR ) for gas flow rates from 10,000 Nm 3 /h to 200,000 Nm 3 /h. For the lowest gas flow rate, 10,000 Nm 3 /h, the temperature approaching equilibrium conditions becomes less than 10° C. for about 13% of the length of the reactor system. Here, the length of the reactor system is considered as the outer height of the structured catalyst in the flow direction, so that the length of the reactor system of the structured catalyst 10 is about 1h according to the embodiment shown in FIG. 6. For higher gas flow rates, the temperature approaching equilibrium conditions is higher, the higher the gas flow rate, therefore, at a gas flow rate of 200,000 Nm 3 /h, the temperature approaching equilibrium conditions reaches a minimum value of just under 80°C.
Общая тенденция для всех кривых на фиг. 14 заключается в том, что температура для условий близких к равновесию непрерывно уменьшается от входа в структурированный катализатор до тех пор, пока не будет достигнуто псевдоравновесие, когда подача тепла и потребление тепла примерно равны друг другу. С этого момента температура приближения к равновесным условиям остается практически постоянной или немного увеличивается из-за общего повышения температуры реакторной системы. Например, при расходе 150000 нм3/ч температура приближения к равновесным условиям опускается ниже 60°С примерно на 80% длины реакторной системы, но впоследствии увеличивается примерно до 60°С.The general trend for all curves in Fig. 14 is that the temperature for near-equilibrium conditions decreases continuously from entering the structured catalyst until pseudo-equilibrium is reached, where heat input and heat consumption are approximately equal to each other. From this point on, the temperature of approach to equilibrium conditions remains practically constant or slightly increases due to the general increase in the temperature of the reactor system. For example, at a flow rate of 150,000 Nm 3 /h, the temperature approaching equilibrium conditions falls below 60°C for about 80% of the length of the reactor system, but subsequently increases to about 60°C.
Следует отметить, что даже несмотря на то что на фигурах показаны структурированные катализаторы с каналами с квадратным поперечным сечением (если смотреть перпендикулярно оси z), возможна любая подходящая форма поперечных сечений каналов. Таким образом, в качестве альтернативы каналы структурированного катализатора быть, например, треугольной, шестиугольной, восьмиугольной или круглой формы. Предпочтительными являются каналы треугольной, квадратной или шестиугольной формы.It should be noted that even though the figures show structured catalysts with square cross-sectional channels (when viewed perpendicular to the z-axis), any suitable channel cross-sectional shape is possible. Thus, as an alternative, the channels of the structured catalyst may be, for example, triangular, hexagonal, octagonal, or circular in shape. Triangular, square or hexagonal channels are preferred.
ПримерыExamples
Изобретение проиллюстрировано описанием различных вариантов осуществления и примерами, и, хотя эти варианты осуществления и примеры описаны довольно подробно, заявитель не намерен ограничивать объем прилагаемой формулы изобретения таким подробным описанием. Специалистам очевидны дополнительные преимущества и возможные модификации. Следовательно, изобретение в общих аспектах не ограничивается приведенными конкретными деталями, типичными способами и пояснительными примерами. Соответственно допустимы отклонения от таких деталей без искажения сущности или объема общей изобретательской концепции заявителя.The invention is illustrated by the description of various embodiments and examples, and although these embodiments and examples are described in some detail, the Applicant does not intend to limit the scope of the appended claims to such a detailed description. Additional advantages and possible modifications will be apparent to those skilled in the art. Therefore, the invention in general aspects is not limited to the given specific details, typical methods and illustrative examples. Accordingly, deviations from such details are permissible without distorting the essence or scope of the Applicant's general inventive concept.
- 21 041025- 21 041025
Все описанные ниже примеры относятся к компактным реакторным системам. Это возможно благодаря тому, что реакторные системы содержат компактные структурированные катализаторы в форме компактных макроскопических подложек с высоким тепловым потоком при электронагреве. Кроме того, следует отметить, что размеры структурированных катализаторов могут быть подобраны относительно свободно, так что структурированный катализатор может иметь почти кубическую внешнюю форму или его ширина может быть больше, чем его высота.All the examples described below refer to compact reactor systems. This is possible due to the fact that the reactor systems contain compact structured catalysts in the form of compact macroscopic substrates with a high heat flux during electric heating. In addition, it should be noted that the dimensions of the structured catalysts can be chosen relatively freely, so that the structured catalyst may have an almost cubic external shape, or its width may be greater than its height.
Все примеры описывают рабочие условия с высоким давлением в диапазоне 28-182 бар. Такие высокие давления возможны благодаря конфигурации реакторной системы, поскольку структурированный катализатор внутри реакторной системы имеет высокий тепловой поток при электронагреве, он в некоторой степени теплоизолирован от корпуса высокого давления, и обеспечивается очень низкий перепад давления в структурированном катализаторе по сравнению с SMR. В реакторе системе структурированный катализатор будет иметь наибольшую температуру, в то время как корпус высокого давления будет иметь значительно меньшую температуру из-за теплоизоляционного слоя между структурированным катализатором и корпусом высокого давления. В идеале температура корпуса высокого давления не должна превышать 500°C. Когда требуется газообразный продукт с высоким давлением, например 30 бар или выше, газообразный продукт, выходящий из реакторной системы, зачастую может использоваться напрямую без использования компрессоров. Это возможно из-за этапа сжатия исходного газа по ходу процесса перед реакторной системой по изобретению. Сжатие исходного газа требует меньше энергии, чем сжатие газообразного продукта, поскольку объем исходного газа меньше, чем объем газообразного продукта, так как реакция парового риформинга имеет чистое образование молекул. Кроме того, можно перекачивать один из компонентов исходного газа, что требует значительно меньше энергии по сравнению со сжатием газа.All examples describe high pressure operating conditions in the range of 28-182 bar. Such high pressures are possible due to the configuration of the reactor system because the structured catalyst within the reactor system has a high heat flux when electrically heated, it is thermally insulated from the pressure vessel to some extent, and a very low pressure drop across the structured catalyst compared to SMR is achieved. In the reactor system, the structured catalyst will have the highest temperature, while the pressure vessel will have a significantly lower temperature due to the thermal insulation layer between the structured catalyst and the pressure vessel. Ideally, the temperature of the pressure vessel should not exceed 500°C. When a high pressure product gas, such as 30 bar or higher, is required, the product gas leaving the reactor system can often be used directly without the use of compressors. This is possible due to the stage of compression of the source gas during the process before the reactor system according to the invention. Compressing the feed gas requires less energy than compressing the gaseous product because the volume of the feed gas is smaller than the volume of the gaseous product, since the steam reforming reaction has a net formation of molecules. In addition, one of the feed gas components can be pumped, which requires significantly less energy compared to compressing the gas.
Во всех примерах, приведенных ниже, исходный газ поступает в реакторную систему и проходит через структурированный катализатор внутри нее. Когда реакторная система имеет теплоизоляционный материал, теплоизоляционный материал, как правило, занимает большую часть пространства между структурированным катализатором и корпусом высокого давления вдоль стенок корпуса высокого давления, так что при прохождении через корпус высокого давления исходный газ вынужден течь вдоль стенок макроскопической структуры.In all of the examples below, the feed gas enters the reactor system and passes through the structured catalyst within it. When the reactor system has a heat insulating material, the heat insulating material typically occupies most of the space between the structured catalyst and the pressure vessel along the walls of the pressure vessel, so that when passing through the pressure vessel, the feed gas is forced to flow along the walls of the macroscopic structure.
Все приведенные ниже примеры (за исключением сравнительного примера) относятся к реакторной системе со структурированным катализатором. Структурированные катализаторы, описанные в этих примерах, включают одну или несколько макроскопических структур. В примерах ниже на одной или нескольких макроскопических структурах расположено керамическое покрытие, при этом указанное керамическое покрытие выступает в качестве подложки каталитически активного материала. Преимущественно, практически на всей поверхности макроскопической структуры имеется керамическое покрытие, выступающее в качестве подложки каталитически активного материала; однако в точках соединений, например в точке соединения двух соседних макроскопических структур или в точке соединения макроскопической структуры и проводника, макроскопическая структура может не иметь керамического покрытия, чтобы упростить соединение между проводником и макроскопической структурой.All of the examples below (with the exception of the comparative example) refer to the structured catalyst reactor system. The structured catalysts described in these examples include one or more macroscopic structures. In the examples below, one or more macroscopic structures are provided with a ceramic coating, said ceramic coating acting as a support for the catalytically active material. Preferably, almost the entire surface of the macroscopic structure has a ceramic coating acting as a substrate for the catalytically active material; however, at connection points, such as at the junction of two adjacent macroscopic structures or at the junction of the macroscopic structure and the conductor, the macroscopic structure may not have a ceramic coating in order to facilitate the connection between the conductor and the macroscopic structure.
Пример 1.Example 1
В табл. 1 ниже приведен пример расчета параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают исходный газ. Исходный газ, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 28 кг/см-г и имеет температуру 500°C. Внутри реакторной системы размещают структурированный катализатор с набором из девяти макроскопических структур с квадратным поперечным сечением, и каждая макроскопическая структура имеет размер 0,53x0,53x2,3 м. Каждая макроскопическая структура дополнительно имеет 17778 каналов с квадратным сечением и с длиной стороны или кромки 0,32 см. Каждая макроскопическая структура имеет прорези, параллельные ее продольному направлению, так что образуются 5 групп по 5 каналов. Каждая группа каналов изолирована от соседней, за исключением концевых частей, так что ток идет через макроскопическую структуру по зигзагообразному пути. На каждую макроскопическую структуру в реакторной системе по изобретению воздействует ток 200 А и напряжение приблизительно 5,5 кВт для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего через структурированный катализатор, что соответствует подаваемой мощности 9899 кВт.In table. 1 below shows an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system according to the invention is fed with a feed gas. The feed gas entering the reactor system is at a pressure of 28 kg/cm-g and has a temperature of 500°C. A structured catalyst is placed inside the reactor system with a set of nine macroscopic structures with a square cross section, and each macroscopic structure has a size of 0.53x0.53x2.3 m. Each macroscopic structure additionally has 17778 channels with a square cross section and with a side or edge length of 0, 32 cm. Each macroscopic structure has slots parallel to its longitudinal direction, so that 5 groups of 5 channels are formed. Each group of channels is isolated from the next, except for the end portions, so that the current flows through the macroscopic structure in a zigzag path. Each macroscopic structure in the reactor system of the invention is subjected to a current of 200 A and a voltage of approximately 5.5 kW to heat the structured catalyst and hence the gas passing through the structured catalyst, corresponding to an input power of 9899 kW.
Общий внутренний диаметр реакторной системы в этой конфигурации может составлять 3,2 м, а общая внутренняя высота-5,5 м, если реакторная система имеет цилиндрическую форму со сферическими головками. В этой конкретной конфигурации макроскопические структуры расположены в квадрате с длиной диагонали 2,3 м. Во всех описанных здесь примерах за исключением сравнительного примера вокруг структурированного катализатора расположен инертный материал, закрывающий зазор между изоляционным материалом, прилегающим к корпусу высокого давления. Изоляционный материал в примере 1 имеет цилиндрическую форму с внутренним диаметром 2,5 м и толщиной 0,35 м.The overall internal diameter of the reactor system in this configuration can be 3.2 m and the overall internal height 5.5 m if the reactor system is cylindrical with spherical heads. In this particular configuration, the macroscopic structures are arranged in a square with a diagonal length of 2.3 m. In all examples described herein, except for the comparative example, an inert material is located around the structured catalyst, closing the gap between the insulating material adjacent to the pressure vessel. The insulating material in example 1 has a cylindrical shape with an inner diameter of 2.5 m and a thickness of 0.35 m.
Во время прохождения исходного газа через реакторную систему исходный газ нагревают теплом структурированного катализатора и осуществляют реакцию парового риформинга с получением газообDuring the passage of the feed gas through the reactor system, the feed gas is heated by the heat of the structured catalyst and a steam reforming reaction is carried out to obtain a gaseous
- 22 041025 разного продукта с выходной температурой 963°С.- 22 041025 different product with an outlet temperature of 963°C.
Таблица 1Table 1
Пример 2.Example 2
В табл. 2 ниже приведен пример расчета параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают исходный газ. Исходный газ, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 28 кг/см-г и имеет температуру 500°C. Внутри реакторной системы размещают структурированный катализатор в виде одной макроскопической структуры с квадратным поперечным сечением с размером 0,4x0,4x0,35 м. Макроскопическая структура дополнительно имеет 10000 каналов с квадратным сечением и с длиной стороны или кромки 0,32 см. Макроскопическая структура имеет прорези, параллельные ее продольному направлению, так что образуются 5 групп по 5 каналов. Каждая группа каналов изолирована от соседней за исключением концевых частей, так что ток идет через макроскопическую структуру по зигзагообразному пути. На макроскопическую структуру в реакторной системе по изобретению воздействует ток 200 А и напряжение приблизительно 500 В для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего через структурированный катализатор, что соответствует подаваемой мощности 99 кВт.In table. 2 below shows an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system according to the invention is fed with a feed gas. The feed gas entering the reactor system is at a pressure of 28 kg/cm-g and has a temperature of 500°C. Inside the reactor system, a structured catalyst is placed in the form of one macroscopic structure with a square cross section with a size of 0.4x0.4x0.35 m. The macroscopic structure additionally has 10,000 channels with a square cross section and with a side or edge length of 0.32 cm. parallel to its longitudinal direction, so that 5 groups of 5 channels are formed. Each group of channels is isolated from the next, except for the end portions, so that the current flows through the macroscopic structure in a zigzag path. The macroscopic structure in the reactor system of the invention is subjected to a current of 200 A and a voltage of approximately 500 V to heat the structured catalyst, and hence the gas passing through the structured catalyst, corresponding to an input power of 99 kW.
Общий внутренний диаметр реакторной системы в этой конфигурации может составлять 1,2 м, а общая внутренняя высота-1,5 м, если реакторная система имеет цилиндрическую форму со сферическими головками. В этой конкретной конфигурации диагональ структурированного катализатора имеет длину 0,6 м. Вокруг структурированных катализаторов расположен инертный материал, закрывающий зазор между изоляционным материалом с внутренним диаметром 0,6 м и толщиной 0,3 м.The total internal diameter of the reactor system in this configuration may be 1.2 m and the total internal height 1.5 m if the reactor system is cylindrical with spherical heads. In this particular configuration, the diagonal of the structured catalyst has a length of 0.6 m. Surrounding the structured catalysts is an inert material covering the gap between an insulating material with an internal diameter of 0.6 m and a thickness of 0.3 m.
Во время прохождения исходного газа через реакторную систему исходный газ нагревают теплом структурированного катализатора и осуществляют реакцию парового риформинга с получением газообразного продукта с выходной температурой 963°C.During the passage of the feed gas through the reactor system, the feed gas is heated by the heat of the structured catalyst and a steam reforming reaction is carried out to obtain a gaseous product with an outlet temperature of 963°C.
- 23 041025- 23 041025
Таблица 2table 2
Пример 3.Example 3
В табл. 3 ниже приведен пример расчета параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают исходный газ. Исходный газ, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 97 бар, т.е. 97 кг/см2-г и имеет температуру 500°C.In table. 3 below shows an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system according to the invention is fed with a feed gas. The feed gas entering the reactor system is at a pressure of 97 bar, i.e. 97 kg/cm 2 -g and has a temperature of 500°C.
Внутри реакторной системы размещают структурированный катализатор с набором из девяти макроскопических структур с квадратным поперечным сечением, и каждая макроскопическая структура имеет размер 0,53x0,53x2,3 м. Каждая макроскопическая структура дополнительно имеет 17778 каналов с квадратным сечением и с длиной стороны или кромки 0,32 см. Каждая макроскопическая структура имеет прорези, параллельные ее продольному направлению, так что образуются 5 групп по 5 каналов. Каждая группа каналов изолирована от соседней, за исключением концевых частей, так что ток идет через макроскопическую структуру по зигзагообразному пути. На каждую макроскопическую структуру в реакторной системе по изобретению воздействует ток 200 А и напряжение приблизительно 5,5 кВт для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего через структурированный катализатор, что соответствует подаваемой мощности 9899 кВт.A structured catalyst is placed inside the reactor system with a set of nine macroscopic structures with a square cross section, and each macroscopic structure has a size of 0.53x0.53x2.3 m. Each macroscopic structure additionally has 17778 channels with a square cross section and with a side or edge length of 0, 32 cm. Each macroscopic structure has slots parallel to its longitudinal direction, so that 5 groups of 5 channels are formed. Each group of channels is isolated from the next, except for the end portions, so that the current flows through the macroscopic structure in a zigzag path. Each macroscopic structure in the reactor system of the invention is subjected to a current of 200 A and a voltage of approximately 5.5 kW to heat the structured catalyst and hence the gas passing through the structured catalyst, corresponding to an input power of 9899 kW.
Общий внутренний диаметр реакторной системы в этой конфигурации может составлять 3,2 м, а общая внутренняя высота-5,5 м, если реакторная система имеет цилиндрическую форму со сферическими головками. В этой конкретной конфигурации макроскопические структуры расположены в квадрате с длиной диагонали 2,3 м. Вокруг структурированного катализатора расположен инертный материал, закрывающий зазор между изоляционным материалом с внутренним диаметром 2,5 м и толщиной 0,35 м.The overall internal diameter of the reactor system in this configuration can be 3.2 m and the overall internal height 5.5 m if the reactor system is cylindrical with spherical heads. In this particular configuration, the macroscopic structures are arranged in a square with a diagonal length of 2.3 m. An inert material is located around the structured catalyst, closing the gap between the insulating material with an internal diameter of 2.5 m and a thickness of 0.35 m.
Во время прохождения исходного газа через реакторную систему исходный газ нагревают теплом структурированного катализатора и осуществляют реакцию парового риформинга с получением газообразного продукта с выходной температурой 1115°C. Из табл. 3 видно, что общие значения расхода исходного газа и газообразного продукта в примере 3 ниже по сравнению с примером 1.During the passage of the feed gas through the reactor system, the feed gas is heated by the heat of the structured catalyst and a steam reforming reaction is carried out to obtain a gaseous product with an outlet temperature of 1115°C. From Table. 3 it can be seen that the total flow rates of the source gas and the gaseous product in example 3 are lower compared to example 1.
Поскольку газообразный продукт, покидающий реакторную систему, имеет давление 97 бар, нет необходимости в использовании компрессоров после реакторной системы по ходу процесса, если требуется газообразный продукт с высоким давлением. Это значительно уменьшает общую стоимость установки с реакторной системой по изобретению.Since the product gas leaving the reactor system has a pressure of 97 bar, it is not necessary to use compressors downstream of the reactor system during the process if a high pressure product gas is required. This greatly reduces the overall cost of the installation with the reactor system according to the invention.
- 24 041025- 24 041025
Таблица 3Table 3
Пример 4.Example 4
В табл. 3 ниже приведен пример расчета параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают исходный газ. Исходный газ, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 28 бар, т.е. 28 кг/см-г и имеет температуру 500°C.In table. 3 below shows an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system according to the invention is fed with a feed gas. The feed gas entering the reactor system is at a pressure of 28 bar, i.e. 28 kg/cm-g and has a temperature of 500°C.
Внутри реакторной системы размещают структурированный катализатор с набором из 25 макроскопических структур с квадратным поперечным сечением, и каждая макроскопическая структура имеет размер 0,24x0,24x0,9 м. Каждая макроскопическая структура дополнительно имеет 3600 каналов с квадратным сечением и с длиной стороны или кромки 0,33 см. Каждая макроскопическая структура имеет прорези, параллельные ее продольному направлению, так что образуются 10 групп по 10 каналов. Каждая группа каналов изолирована от соседней за исключением концевых частей, так что ток идет через макроскопическую структуру по зигзагообразному пути. На каждую макроскопическую структуру в реакторной системе по изобретению воздействует ток 1500 А и напряжение приблизительно 260 кВт для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего через структурированный катализатор, что соответствует подаваемой мощности 9899 кВт.A structured catalyst is placed inside the reactor system with a set of 25 macroscopic structures with a square cross section, and each macroscopic structure has a size of 0.24x0.24x0.9 m. Each macroscopic structure additionally has 3600 square channels and with a side or edge length of 0, 33 cm. Each macroscopic structure has slots parallel to its longitudinal direction, so that 10 groups of 10 channels are formed. Each group of channels is isolated from the next, except for the end portions, so that the current flows through the macroscopic structure in a zigzag path. Each macroscopic structure in the reactor system of the invention is subjected to a current of 1500 A and a voltage of approximately 260 kW to heat the structured catalyst and hence the gas passing through the structured catalyst, corresponding to an input power of 9899 kW.
Общий внутренний диаметр реакторной системы в этой конфигурации может составлять 2,3 м, а общая внутренняя высота - 3,2 м, если реакторная система имеет цилиндрическую форму со сферическими головками. В этой конкретной конфигурации макроскопические структуры расположены в квадрате с длиной диагонали 1,7 м. Вокруг структурированного катализатора расположен инертный материал, закрывающий зазор между изоляционным материалом с внутренним диаметром 1,8 м и толщиной 0,25 м.The total internal diameter of the reactor system in this configuration may be 2.3 m and the total internal height 3.2 m if the reactor system is cylindrical with spherical heads. In this particular configuration, the macroscopic structures are arranged in a square with a diagonal length of 1.7 m. An inert material is located around the structured catalyst, closing the gap between the insulating material with an internal diameter of 1.8 m and a thickness of 0.25 m.
Во время прохождения исходного газа через реакторную систему исходный газ нагревают теплом структурированного катализатора, и осуществляют реакцию парового риформинга с получением газообразного продукта с выходной температурой 963°C. Из табл. 4 видно, что структурированный катализатор согласно примеру 4 имеет немного меньший размер, чем структурированный катализатор согласно примерам 1и 3 из-за более высокой силы тока. Общие значения расхода исходного газа и газообразного продукта соответствуют значениям примера 1.During the passage of the feed gas through the reactor system, the feed gas is heated by the heat of the structured catalyst, and a steam reforming reaction is carried out to obtain a gaseous product with an outlet temperature of 963°C. From Table. 4 shows that the structured catalyst according to example 4 is slightly smaller than the structured catalyst according to examples 1 and 3 due to the higher current strength. The total flow rates of feed gas and product gas correspond to those of Example 1.
- 25 041025- 25 041025
Таблица 4Table 4
Пример 5.Example 5
В табл. 4 ниже приведен пример расчета параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают исходный газ. Исходный газ, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 182 бар и имеет температуру 500°C.In table. 4 below shows an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system according to the invention is fed with a feed gas. The feed gas entering the reactor system is at a pressure of 182 bar and has a temperature of 500°C.
Внутри реакторной системы размещают структурированный катализатор с набором из девяти макроскопических структур с квадратным поперечным сечением, и каждая макроскопическая структура имеет размер 0,53x0,53x2,3 м. Каждая макроскопическая структура дополнительно имеет 17778 каналов с квадратным сечением и с длиной стороны или кромки 0,32 см. Каждая макроскопическая структура имеет прорези, параллельные ее продольному направлению, так что образуются 5 групп по 5 каналов. Каждая группа каналов изолирована от соседней за исключением концевых частей, так что ток идет через макроскопическую структуру по зигзагообразному пути. На каждую макроскопическую структуру в реакторной системе по изобретению воздействует ток 200 А и напряжение приблизительно 5,5 кВт для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего через структурированный катализатор, что соответствует подаваемой мощности 9899 кВт.A structured catalyst is placed inside the reactor system with a set of nine macroscopic structures with a square cross section, and each macroscopic structure has a size of 0.53x0.53x2.3 m. Each macroscopic structure additionally has 17778 channels with a square cross section and with a side or edge length of 0, 32 cm. Each macroscopic structure has slots parallel to its longitudinal direction, so that 5 groups of 5 channels are formed. Each group of channels is isolated from the next, except for the end portions, so that the current flows through the macroscopic structure in a zigzag path. Each macroscopic structure in the reactor system of the invention is subjected to a current of 200 A and a voltage of approximately 5.5 kW to heat the structured catalyst and hence the gas passing through the structured catalyst, corresponding to an input power of 9899 kW.
Общий внутренний диаметр реакторной системы в этой конфигурации может составлять 3,2 м, а общая внутренняя высота - 5,5 м, если реакторная система имеет цилиндрическую форму со сферическими головками. В этой конкретной конфигурации макроскопические структуры расположены в квадрате с длиной диагонали 2,3 м. Вокруг структурированного катализатора расположен инертный материал, закрывающий зазор между изоляционным материалом с внутренним диаметром 2,5 м и толщиной 0,35 м.The total internal diameter of the reactor system in this configuration may be 3.2 m and the total internal height 5.5 m if the reactor system is cylindrical with spherical heads. In this particular configuration, the macroscopic structures are arranged in a square with a diagonal length of 2.3 m. An inert material is located around the structured catalyst, closing the gap between the insulating material with an internal diameter of 2.5 m and a thickness of 0.35 m.
Во время прохождения исходного газа через реакторную систему исходный газ нагревают теплом структурированного катализатора, и осуществляют реакцию парового риформинга с получением газообразного продукта с выходной температурой 1236°С. Общие значения расхода исходного газа и газообразного продукта ниже по сравнению с примерами 1 и 4.During the passage of the feed gas through the reactor system, the feed gas is heated by the heat of the structured catalyst, and a steam reforming reaction is carried out to obtain a gaseous product with an outlet temperature of 1236°C. The overall flow rates of the source gas and the gaseous product are lower compared to examples 1 and 4.
Поскольку газообразный продукт, покидающий реакторную систему, уже находится под давлением 181 бар, он может подаваться, например, в установку гидроочистки нефтеперерабатывающего завода без дальнейшего сжатия. Таким образом, между реакторной системой и установкой гидроочистки нефтеперерабатывающего завода не требуется использование компрессоров. Это значительно уменьшает общую стоимость установки с реакторной системой по изобретению.Since the gaseous product leaving the reactor system is already at a pressure of 181 bar, it can be fed to, for example, a refinery hydrotreater without further compression. Thus, compressors are not required between the reactor system and the refinery hydrotreater. This greatly reduces the overall cost of the installation with the reactor system according to the invention.
- 26 041025- 26 041025
Таблица 5Table 5
Пример 6.Example 6
Пример 6 относится к реакторной системе, состоящей из структурированного катализатора с 78540 каналами с общей длиной стенки каждого канала в поперечном сечении 0,00628 м и длиной стенки 2 м, таким образом, общая площадь поверхности катализатора составляет 987 м2. Для реакторной системы с таким структурированным катализатором было выполнено моделирование с изменяющимся расходом газа через структурированный катализатор, при этом во всех расчетах использовался газ со следующим составом: 8.8 % Н2, 56.8% Н2О, 0.2% N2, 0.1% СО, 2.3% СО2 и 31.8% СН4. В каждом моделировании использовалась кинетическая модель для парового риформинга и конверсии водяного газа, и для регулирования температуры газообразного продукта, выходящего из реакторной системы, в которой находится структурированный катализатор, было выполнено изменение поверхностного потока (Q) энергии от электрически нагреваемого структурированного катализатора до 920°C. Использовалась кинетическая модель аналогичная подходу, использовавшемуся в работе Xu and Froment (J. Xu, G.F. Froment, Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. intrinsic kinetics. American Institution of Chemical Engineers Journal, 35:88-96, 1989). На фиг. 14 показана температура приближения к равновесным условиям по длине реакторной системы при различных значениях общего расхода. на фигуре показано, что при низких расходах исходного газа (10000 нм3/ч) температура приближения к равновесным условиям на выходе из реакторной системы составляет менее 5°С, из-за этого степень конверсии углеводородов составляет 77%, в то время как при высоких расходах (150000 нм3/ч) температура приближения к равновесным условиям составляет более 60°С, что соответствует степени конверсии углеводорода лишь 64%, поэтому использование углеводородов осуществляется менее эффективно. Таким образом, из-за точного контроля теплового потока в настоящем изобретении обеспечивается контроль температуры приближения к равновесным условиям по всей длине реакторной системы. Общая тенденция для всех кривых на фиг. 14 заключается в том, что температура для условий близких к равновесию непрерывно уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто псевдоравновесие, когда подача тепла и потребление тепла примерно равны друг другу. С этого момента температура приближения к равновесным условиям остается практически постоянной или немного увеличивается из-за общего повышения температуры реакторной системы.Example 6 refers to a reactor system consisting of a structured catalyst with 78540 channels with a total wall length of each channel in cross section of 0.00628 m and a wall length of 2 m, so the total surface area of the catalyst is 987 m 2 . For a reactor system with such a structured catalyst, simulations were performed with varying gas flow through the structured catalyst, while all calculations used gas with the following composition: 8.8% H 2 , 56.8% H2O, 0.2% N2, 0.1% CO, 2.3% CO2 and 31.8% CH 4 . In each simulation, a kinetic model was used for steam reforming and water gas shift, and changing the surface energy flux (Q) from the electrically heated structured catalyst to 920°C was performed to control the temperature of the product gas leaving the reactor system containing the structured catalyst. . A kinetic model was used similar to that used by Xu and Froment (J. Xu, GF Froment, Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. intrinsic kinetics. American Institution of Chemical Engineers Journal, 35:88-96, 1989 ). In FIG. 14 shows the temperature approaching equilibrium conditions along the length of the reactor system at various total flow rates. the figure shows that at low feed gas flow rates (10,000 Nm 3 /h), the temperature approaching equilibrium conditions at the outlet of the reactor system is less than 5°C, because of this, the degree of hydrocarbon conversion is 77%, while at high flow rate (150,000 nm 3 /h), the temperature approaching equilibrium conditions is more than 60°C, which corresponds to a degree of hydrocarbon conversion of only 64%, so the use of hydrocarbons is less efficient. Thus, due to the precise control of the heat flow, the present invention provides control of the temperature approaching equilibrium conditions along the entire length of the reactor system. The general trend for all curves in Fig. 14 is that the temperature for conditions close to equilibrium decreases continuously until pseudo-equilibrium is reached, when heat supply and heat consumption are approximately equal to each other. From this point on, the temperature of approach to equilibrium conditions remains practically constant or slightly increases due to the general increase in the temperature of the reactor system.
Пример 7 (сравнительный пример).Example 7 (comparative example).
Используется SMR с рядом идентичных труб. Внутренний диаметр каждой трубы составляет 10 см, а длина - 13 м. Общий тепловой поток к трубам SMR регулируется в соответствии со средним значением теплового потока (на основании площади внутренней поверхности труб) 90 000 ккал/ч/м2, что соответствует приблизительно 105 кВт/м2. В каждую трубу загружены зерна катализатора. Размеры зерен катализатора регулируют таким образом, чтобы доля пустот составляла 60%. Такая конфигурация позволяет осуществлять обработку приблизительно 410 нм3/ч технологического газа на трубу в SMR, если исходный газ имеет следующий состав: 8,8% водорода, 56,8% воды, 0,2% азота, 0,1% оксида углерода, 2,3% диоксида углерода и 31,8% метана.Used by SMR with a number of identical pipes. The inner diameter of each pipe is 10 cm and the length is 13 m. The total heat flow to the SMR pipes is adjusted according to an average heat flow value (based on the inner surface area of the pipes) of 90,000 kcal/h/ m2 , which corresponds to approximately 105 kW / m 2 . Catalyst grains are loaded into each tube. The catalyst grain sizes are adjusted so that the void fraction is 60%. This configuration allows approximately 410 Nm 3 /h of process gas per tube to be processed in the SMR if the feed gas has the following composition: 8.8% hydrogen, 56.8% water, 0.2% nitrogen, 0.1% carbon monoxide, 2.3% carbon dioxide and 31.8% methane.
--
Claims (28)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP18175366.6 | 2018-05-31 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA041025B1 true EA041025B1 (en) | 2022-08-30 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7406508B2 (en) | Steam reforming heated by resistance heating | |
CN112203757A (en) | Endothermic reaction with heating by resistance heating | |
US11591215B2 (en) | Hydrogen production by steam methane reforming | |
US11986804B2 (en) | Catalyst and system for methane steam reforming by resistance heating; said catalyst's preparation | |
US20140109976A1 (en) | Multi-Stream Multi-Channel Process and Apparatus | |
KR20180100379A (en) | Reaction device | |
CN114787077A (en) | Conversion of biogas to synthesis gas for production of hydrocarbons | |
CN113474283A (en) | Chemical plant with reforming section and method for producing chemical products | |
US20230002223A1 (en) | Synthetic fuels by electrically heated steam methane reforming | |
EA041025B1 (en) | RESISTANCE HEATED STEAM REFORMING | |
US20220363537A1 (en) | Synthesis gas on demand | |
EA041440B1 (en) | ENDOTHERMIC REACTIONS WITH RESISTANCE HEATING | |
CN114746173A (en) | Gas heater | |
KR20220069071A (en) | Coastal reforming plant or vessel | |
CN117643174A (en) | Structure for heating gas | |
Chen | Theoretical and Computational Investigations of the Reaction Characteristics and Transport Phenomena of Steam Reforming Reactors Using Fluid Mechanics | |
EP4415857A1 (en) | Reactor with electrically heated thermo-conductive structure for endothermic catalytic processes |