EA041440B1 - ENDOTHERMIC REACTIONS WITH RESISTANCE HEATING - Google Patents

ENDOTHERMIC REACTIONS WITH RESISTANCE HEATING Download PDF

Info

Publication number
EA041440B1
EA041440B1 EA202092761 EA041440B1 EA 041440 B1 EA041440 B1 EA 041440B1 EA 202092761 EA202092761 EA 202092761 EA 041440 B1 EA041440 B1 EA 041440B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
structured catalyst
reactor system
gas
catalyst
pressure vessel
Prior art date
Application number
EA202092761
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Петер Мёльгаард Мортенсен
Роберт КЛЯЙН
Ким Аасберг-Петерсен
Original Assignee
Хальдор Топсёэ А/С
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Хальдор Топсёэ А/С filed Critical Хальдор Топсёэ А/С
Publication of EA041440B1 publication Critical patent/EA041440B1/en

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 эндотермических реакциях 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 endothermic 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 pipes of the tubular reformer is somewhat lower than the temperature outside the pipes due to the rate of heat transfer through the walls of the pipe and the catalyst inside the pipes, and also because of the endothermic nature of the steam reforming reaction.

Один из способов подачи тепла внутри катализатора, а не снаружи реактора, в котором находится катализатор представляет собой нагрев сопротивлением. В документе DE102013226126 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 CO2 подают в реактор с неподвижным слоем, состоящий из электропроводящих и каталитических частиц, который электрически нагревают до температуры около 1000 К. В реакторе с неподвижным слоем происходит конверсия реагирующих газов и выделение тепла генерируемого синтез-газа.One method of supplying heat inside the catalyst rather than outside the reactor containing the catalyst is resistance heating. DE102013226126 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.

Кроме того, целью изобретения является способ осуществления эндотермической реакции, при котором осуществляют точное регулирование температуры эндотермической реакции для ограничения нежелательной побочной реакции, например, крекинга углеводородов в реакциях дегидрогенизации.Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for carrying out an endothermic reaction in which the temperature of the endothermic reaction is precisely controlled to limit an undesired side reaction, such as cracking of hydrocarbons in dehydrogenation reactions.

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 осуществления эндотермической реакции исходного газа, при этом реакторная система включает:Embodiments of the invention generally relate to a reactor system for carrying out an endothermic feed gas reaction, wherein the reactor system includes:

структурированный катализатор, предназначенный для эндотермической реакции исходного газа, при этом структурированный катализатор включает макроскопическую структуру из электропроводящего материала, при этом на указанной макроскопической структуре расположено керамическое покрытие, при этом керамическое покрытие выступает в качестве подложки каталитически активного материала;a structured catalyst for an endothermic feed gas reaction, the structured catalyst comprising a macroscopic structure of an electrically conductive material, said macroscopic structure having a ceramic coating, the ceramic coating acting as a substrate of the catalytically active material;

структурированный катализатор, предназначенный для катализа указанной эндотермической реакции исходного газа, при этом указанный структурированный катализатор содержит электропроводящий материал и каталитический материал;a structured catalyst for catalyzing said endothermic feed gas reaction, said structured catalyst comprising an electrically conductive material and a catalytic material;

корпус высокого давления, в котором расположен указанный структурированный катализатор;a high pressure housing in which said structured catalyst is located;

теплоизоляционный слой между указанным структурированным катализатором и указанным корпусом высокого давления;a heat-insulating layer between said structured catalyst and said pressure vessel;

по меньшей мере два проводника, электрически соединенные с указанным структурированным катализатором и с источником питания, который расположен вне корпуса высокого давления, причем источник питания выполнен с возможностью нагрева, по меньшей мере, части указанного структурированного катализатора до температуры по меньшей мере 200°C путем пропускания электрического тока через электропроводящий материал;at least two conductors electrically connected to said structured catalyst and to a power source located outside the pressure vessel, wherein the power source is configured to heat at least a portion of said structured catalyst to a temperature of at least 200°C by passing electric current through an electrically conductive material;

причем указанный корпус высокого давления включает входное отверстие для введения технологического газа и выходное отверстие для выведения газообразного продукта, при этом указанное входное отверстие расположено рядом с передней частью корпуса высокого давления, а выходное отверстие расположено рядом с задней частью корпуса высокого давления, при этом по меньшей мере два проводника соединены со структурированным катализатором в точке на структурированном катализаторе, расположенной ближе к входному отверстию, чем к выходному отверстию; и причем структурированный катализатор имеет электроизоляционные части, расположенные между проводниками, предотвращающие прохождение указанного тока через некоторую часть структурированного катализатора.wherein said pressure vessel includes an inlet for introducing a process gas and an outlet for removing a gaseous product, wherein said inlet is located adjacent to the front of the pressure vessel and the outlet is located adjacent to the rear of the pressure vessel, wherein at least at least two conductors are connected to the structured catalyst at a point on the structured catalyst closer to the inlet than to the outlet; and moreover, the structured catalyst has electrically insulating parts located between the conductors, preventing the passage of the specified current through some part of the structured catalyst.

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 давленияIn 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. High pressure housing

- 1 041440 имеет такую внутреннюю конфигурацию теплоизоляционных слоев и инертного материала, чтобы исходный газ направлялся через структурированный катализатор, где он будет контактировать с каталитическим материалом, при этом каталитически активный материал будет способствовать реакции парового риформинга. Кроме того, нагревание структурированного катализатора обеспечивает необходимое тепло для эндотермической реакции. Газообразный продукт из нагреваемого структурированного катализатора направляют к выходному отверстию из реакторной системы.- 1 041440 has such an internal configuration of heat-insulating layers and inert material that the source gas is directed through the structured catalyst, where it will be in contact with the catalytic material, while the catalytically active material will promote the steam reforming reaction. In addition, heating the structured catalyst provides the necessary heat for the endothermic reaction. The gaseous product from the heated structured catalyst is directed to the outlet from the reactor system.

Из-за непосредственной близости между каталитически активным материалом и электропроводящим материалом возможен эффективный нагрев каталитически активного материала за счет теплопроводности от электропроводящего материала, нагреваемого сопротивлением. Важной особенностью способа 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 питания и структурированный катализатор имеют такие размеры, чтобы температура, по меньшей мере, части структурированного катализатора достигала 850-1100°C, если эндотермической реакцией является реакция парового риформинга, или 7001200°C, если эндотермической реакцией является синтез цианистого водорода, или 500-700°C, если эндотермической реакцией является дегидрогенизация, или 200-300°C, если эндотермической реакцией является крекинг метанола, и приблизительно 500°C, если эндотермической реакцией является крекинг аммиака. Площадь поверхности электропроводящего материала, часть электропроводящего материала, покрытая керамическим покрытием, тип и структура керамического покрытия, а также количество и состав каталитического материала могут быть адаптированы для определенных рабочих условий конкретной эндотермической реакции.Due to the close proximity between the catalytically active material and the electrically conductive material, efficient heating of the catalytically active material by conduction from the electrically conductive material heated by the resistance is possible. An important feature of the resistance heating method is that the heat is generated within the object itself, and is not 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 feed source and the structured catalyst are sized such that the temperature of at least a portion of the structured catalyst reaches 850-1100°C if the endothermic reaction is a steam reforming reaction, or 7001200°C if the endothermic reaction is hydrogen cyanide synthesis, or 500-700°C if the endothermic reaction is dehydrogenation, or 200-300°C if the endothermic reaction is methanol cracking, and about 500°C if the endothermic reaction is ammonia cracking. The surface area of the electrically conductive material, the portion of the electrically conductive material 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 specific operating conditions of a particular endothermic reaction.

В одном из вариантов осуществления электропроводящим материалом является макроскопическая структура. 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 нескольких сантиметров 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 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 такой 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. В наборе 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 или изготовлены по технологии объёмной печати. Макроскопическая структура, изготовленная по технологии объёмной печати, может в дальнейшем подвергаться спеканию или не подвергаться спеканию.In one embodiment, the electrically conductive material is a macroscopic structure. As 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. Typically, the macroscopic structure has dimensions ranging from a few centimeters 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 dimension of such a set of macroscopic structures can be 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 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. In 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, or made by 3D printing technology. The macroscopic structure produced by 3D printing technology may or may not be further sintered.

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 включает 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 comprises 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 последующегоThe macroscopic structure is preferably made by extruding a mixture of powdered metal particles and a binder to an extruded structure and then

- 2 041440 спекания экструдированной структуры, в результате чего получают материал с высоким соотношением геометрической площади поверхности на объем. Предпочтительно структуру, полученную путем экструзии, подвергают спеканию в восстановительной атмосфере с получением макроскопической структуры. В качестве альтернативы, макроскопическую структуру изготавливают по технологии объёмной печати и плавления с использованием металлической добавки, а именно с использованием процессов 3D-печати, которые не требуют последующего спекания, например, по технологии расплавления материала в заранее сформированном слое или по технологии послойной электронно-лучевой 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. В качестве другой альтернативы, макроскопическая структура может быть изготовлена в виде трехмерной металлической структуры по технологии производства на основе связующего с использованием металлической добавки и затем может подвергаться спеканию в неокислительной атмосфере при первой температуре T1, где T1>1000°C для получения макроскопической структуры.- 2 041440 sintering the extruded structure, resulting in a material with a high ratio of geometric surface area to volume. Preferably, the structure obtained by extrusion is subjected to sintering in a reducing atmosphere to obtain a macroscopic structure. Alternatively, the macroscopic structure is fabricated by 3D printing and melting with a metal additive, namely using 3D printing processes that do not require subsequent sintering, such as melting a material in a preformed layer or layered electron beam technology. melting material. 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. As another alternative, the macroscopic structure can be made as a three-dimensional metal structure by a binder-based manufacturing technique using a metal additive, and then can be sintered in a non-oxidizing atmosphere at a first temperature T1, where T1>1000°C to obtain a macroscopic structure.

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 наноситься 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.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 объёмной 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 осуществляется, 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 layered 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.The reactor system according to the invention does not require an oven and this greatly reduces the overall size of the reactor.

В одном из вариантов осуществления электропроводящим материалом является устройство сопротивления, встроенное в каталитический материал структурированного катализатора. Такое встроенное устройство сопротивления может иметь любую подходящую форму, например, форму пластин, спиралей, стержней или другую подобную форму, где материал катализатора может окружать встроенное устройство сопротивления или может быть расположен иным образом, чтобы плотно контактировать с устройством.In one embodiment, the electrically conductive material is a resistance device embedded in the catalytic material of the structured catalyst. Such an embedded resistance device may be in any suitable shape, such as plates, spirals, rods, or the like, where the catalyst material may surround the embedded resistance device or may be otherwise positioned to closely contact the device.

В одном из вариантов осуществления на встроенном устройстве сопротивления расположено керамическое покрытие, при этом указанное керамическое покрытие выступает в качестве подложки каталитически активного материала. Таким образом, встроенное устройство сопротивления, аналогично макроскопической подложке, может быть покрыто керамическим покрытием, чтобы на нем непосредственно располагалась каталитически активная фаза, при этом устройство сопротивления остается встроенным в каталитический материал. В этом варианте осуществления каталитический материал расположен вокруг встроенного устройства сопротивления, и структурированный катализатор содержит каталитический материал в виде зерен, экструдатов или гранул катализатора. Каталитический материал может содержать подходящую комбинацию подложки катализатора и каталитически активной фазы для катализа эндотермической реакции.In one embodiment, a ceramic coating is disposed on the embedded resistance device, said ceramic coating acting as a support for the catalytically active material. Thus, an embedded resistance device, similar to a macroscopic substrate, can be coated with a ceramic coating so that the catalytically active phase is directly on it, while the resistance device remains embedded in the catalytic material. In this embodiment, the catalytic material is located around the built-in resistance device, and the structured catalyst contains the catalytic material in the form of grains, extrudates or granules of the catalyst. The catalytic material may contain a suitable combination of catalyst support and catalytically active phase to catalyze an endothermic reaction.

Предпочтительно электропроводящий материал содержит Fe, Cr, Al или их сплав. Такой сплав может содержать дополнительные элементы, такие как Si, Mn, Y, Zr, C, Co или их комбинации. Предпочтительно каталитически активный материал представляет собой частицы, имеющие размер 5-250 нм. Предпочтительно, проводники и электропроводящий материал изготовлены из различных материалов. Про- 3 041440 водники могут быть изготовлены, например, из железа, никеля, алюминия, меди, серебра или их сплава.Preferably, the electrically conductive material 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. Preferably the catalytically active material is a particle having a size of 5-250 nm. Preferably, the conductors and the electrically conductive material are made from different materials. The conductors may be made, for example, of iron, nickel, aluminium, copper, silver, or an alloy thereof.

Керамическое покрытие представляет собой электроизоляционный материал и, как правило, имеет толщину в диапазоне приблизительно 100 мкм, например 10-500 мкм.The ceramic coating is an electrically insulating material and typically has a thickness in the range of about 100 microns, such as 10-500 microns.

Электропроводящий материал предпочтительно представляет собой связный или внутренне цельный материал, чтобы обеспечить электропроводность по всему электропроводящему материалу и, следовательно, чтобы обеспечить теплопроводность по всему структурированному катализатору, в частности, для нагрева каталитически активного материала. С помощью связного или внутренне цельного материала можно обеспечить равномерное распределение тока в электропроводящем материале 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 электропроводящего материала. Следует отметить, что даже если выполняются дальнейшие модификации электропроводящего материала, например, прорези внутри частей электропроводящего материала или внедрение изолирующего материала в электропроводящий материал, электропроводящий материал по-прежнему представляет собой связный или внутренне цельный материал.The electrically conductive material is preferably a cohesive or internally integral material in order to provide electrical conductivity throughout the electrically conductive material and therefore to provide thermal conductivity throughout the structured catalyst, in particular for heating the catalytically active material. By means of a cohesive or internally solid material, it is possible to ensure a uniform distribution of current in the electrically conductive material and thus a uniform distribution of heat within the structured catalyst. Throughout this document, the term cohesive is synonymous with the term bonded, thus cohesive refers to a material that is intrinsically 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 electrically conductive material is ensured. It should be noted that even if further modifications are made to the electrically conductive material, such as slitting within portions of the electrically conductive material or embedding an insulating material into the electrically conductive material, the electrically conductive material is still a coherent or internally integral material.

Поток газа через структурированный катализатор может иметь то же направление, что и направление пути тока через структурированный катализатор, или поток газа соосен направлению пути тока через структурированный катализатор, он может быть перпендикулярен пути тока или иметь любое другое подходящее направление по отношению к направлению пути тока.The gas flow through the structured catalyst may be in the same direction as the direction of the current path through the structured catalyst, or the gas flow may be coaxial with the direction of the current path through the structured catalyst, it may be perpendicular to the current path, or have any other suitable direction with respect to the direction of the current path.

В контексте изобретения термин исходный газ означает газ с составом, пригодным для осуществления определенной эндотермической реакции. Если эндотермическая реакция представляет собой паровой риформинг метана, в состав газа, как правило, могут входить углеводороды, метан, водород, монооксид углерода, диоксид углерода, пар и инертные газы, такие как азот и аргон. Если эндотермическая реакция представляет собой дегидрогенизацию, исходный газ может представлять собой углеводород в виде пропана или стирола вместе с инертными компонентами и, возможно, с водородом. Если эндотермическая реакция представляет собой синтез цианида водорода или процесс синтеза органических нитрилов, в состав газа могут входить высшие углеводороды, аммиак, метан, азот, водород, кислород и/или инертные компоненты. Если эндотермическая реакция представляет собой крекинг метанола, в состав газа могут входить метанол, пар, монооксид углерода, диоксид углерода, водород и инертные компоненты. Если эндотермическая реакция представляет собой крекинг аммиака, в состав газа могут входить аммиак, водород, азот и инертные компоненты.In the context of the invention, the term source gas means a gas with a composition suitable for carrying out a particular endothermic reaction. If the endothermic reaction is a steam reforming of methane, the composition of the gas may typically include hydrocarbons, methane, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, and inert gases such as nitrogen and argon. If the endothermic reaction is a dehydrogenation, the feed gas may be a hydrocarbon in the form of propane or styrene, together with inert components and possibly hydrogen. If the endothermic reaction is a hydrogen cyanide synthesis or an organic nitrile synthesis process, the gas composition may include higher hydrocarbons, ammonia, methane, nitrogen, hydrogen, oxygen, and/or inert components. If the endothermic reaction is methanol cracking, the gas composition may include methanol, steam, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and inert components. If the endothermic reaction is ammonia cracking, the gas composition may include ammonia, hydrogen, nitrogen, and inert components.

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(ii)CH 4 + 2H 2 O θ CO 2 + 4H 2 (ii)

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 C n Hm, where n>2, m>4, equation (i) has the following general form:

CnHm + η Н2О θ nCO + (η + m/2)H2 (iv) где n>2, m>4.CnHm + η H 2 O θ nCO + (η + m/2)H 2 (iv) where n>2, m>4.

Паровому риформингу, как правило, сопутствует реакция конверсии водяного газа (v):Steam reforming is usually accompanied by a water gas shift reaction (v):

СО + Н2О θ СО2 + Н2 (ν)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 используется 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 проводится 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.

Термин синтез цианистого водорода означает следующие реакции:The term hydrogen cyanide synthesis means the following reactions:

СН4 + 2 NH3 + 3 О2 θ 2 HCN + 6 Н2О (vi)CH 4 + 2 NH 3 + 3 O 2 θ 2 HCN + 6 H 2 O (vi)

СН4 + ΝΗ3 θ HCN + ЗН2 (vii)CH 4 + ΝΗ 3 θ HCN + ZN 2 (vii)

- 4 041440- 4 041440

Термин дегидрогенизация означает следующие реакции:The term dehydrogenation means the following reactions:

R1-CH2-CH2-R2 θ Ri-CH=CH-R2 (viii) где R1 и R2 может представлять собой любую подходящую группу в молекуле углеводорода, такой как -H, -CH3, -CH2 или -CH.R1-CH2-CH2-R2 θ Ri-CH=CH-R 2 (viii) where R1 and R2 may be any suitable group on the hydrocarbon molecule such as -H, -CH3, -CH2 or -CH.

Термин крекинг метанола означает следующие реакции:The term methanol cracking means the following reactions:

СНзОН θ СО + 2Н2 (ix)CH3OH θ CO + 2H 2 (ix)

СНзОН + Н2О θ СО2 + ЗН2 (х)CH3OH + H 2 O θ CO 2 + ZH 2 (x)

Реакции крекинга метанола, как правило, сопутствует реакция конверсии водяного газа (v). Термин крекинг аммиака означает следующие реакции:The methanol cracking reaction is usually accompanied by a water gas shift reaction (v). The term ammonia cracking means the following reactions:

2ΝΗ3 θ N2 + ЗН2 (xi)2ΝΗ 3 θ N 2 + ZN 2 (xi)

Например, 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°C. 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 8000090000 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.For example, the steam reforming reaction proceeds with the absorption of a large amount of heat. To achieve a satisfactory degree of conversion of methane in the source gas requires high temperatures, 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 8000090000 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.

Термин электропроводящий означает материалы с удельным электрическим сопротивлением в диапазоне от 10-5 до 10-8 Ω-м при 20°C. 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°C, например в диапазоне 109-1025 Ω-м при 20°C.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 включает 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°C, однако с помощью теплоизоляционного слоя между структурированным катализатором и корпусом высокого давления можно поддерживать более низкую температуру корпуса высокого давления, например, 500°C или даже 100°C, что является преимуществом, поскольку типичные материалы из конструкционной стали обычно не могут использоваться под нагрузкой при температурах выше 1000°C. 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, кирпич или газовый барьер, или их комбинация. Таким образом, также возможно, чтобы часть теплоизоляционного слоя составлял или образовывал продувочный газ или газ внутри катализатора.If the reactor system includes 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, using a thermal insulation layer between the structured catalyst and the pressure vessel, it is possible to maintain a lower temperature of the pressure vessel, for example, 500°C or even 100 °C, which is an advantage because typical structural steel materials cannot normally 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, brick, or 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’1-К’1) или ниже. Примерами теплоизоляционных материалов являются керамика, кирпич, 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' 1 -K' 1 ) or lower. Examples of thermal insulation materials are ceramics, bricks, 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 an inert material, such as grains of inert material. Such gaps may 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 расчётное давление корпуса высокого давления находится в диапазоне 2-30 бар. Фактическое рабочее давление будет определяться, помимо прочего, эндотермической реакцией и размером установок. Поскольку самой горячей частью реакторной системы является электропроводящий материал, 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 позволяетIn one of the embodiments of the invention, the design pressure of the pressure vessel is in the range of 2-30 bar. The actual operating pressure will be determined, among other things, by the endothermic reaction and the size of the units. Since the hottest part of the reactor system is the electrically conductive material 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 allows

- 5 041440 иметь относительно низкую расчетную температуру корпуса высокого давления, например, 700 или- 5 041440 have a relatively low pressure vessel design temperature, e.g. 700 or

500°C, или предпочтительно 300 или 100°C, при максимальной рабочей температуре на структурированном катализаторе 400 или даже 900 или 1100 или даже до 1300°C. Прочность материала выше при более низкой из этих температур (соответствующей расчетной температуре корпус высокого давления, как указано выше). Это обеспечивает преимущества при проектировании химического реактора.500°C, or preferably 300 or 100°C, at a maximum operating temperature on the structured catalyst of 400 or even 900 or 1100 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 provides advantages in the design of a chemical reactor.

В одном из вариантов осуществления изобретения расчётное 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.

В одном из вариантов осуществления удельное сопротивление электропроводящего материала 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°C, удельное сопротивление кантала составляет приблизительно 10-6 Ω-м при 20°C, удельное сопротивление нержавеющей стали составляет приблизительно 10-7 Ω-м при 20°C. Электропроводящий материал может быть изготовлен, например, из сплава FeCrAlloy с удельным сопротивлением приблизительно 1,5-10-6 Ω-м при 20°C.In one embodiment, the resistivity of the electrically conductive material 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. The electrically conductive material may be made of, for example, FeCrAlloy with a resistivity of approximately 1.5-10 -6 Ω-m at 20°C.

В одном из вариантов осуществления корпус высокого давления включает входное отверстие для подачи технологического газа и выходное отверстие для отвода газообразного продукта, при этом входное отверстие расположено ближе к передней части корпуса высокого давления, а выходное отверстие к задней части корпуса высокого давления, при этом по меньшей мере два проводника соединены со структурированным катализатором в точке на структурированном катализаторе, расположенной ближе к входному отверстию, чем к выходному отверстию. Из-за этого по меньшей мере два проводника могут быть размещены в существенно более холодной части реакторной системы, поскольку газ на подаче будет иметь более низкую температуру, чем газообразный продукт, а часть электропроводящего материала, расположенная выше по ходу процесса, будет холоднее из-за поглощения тепла в ходе химической реакции, и 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. Преимуществом является то, что температуру всех электропроводящих элементов, за исключением электропроводящего материала, поддерживают на низком уровне, чтобы защитить соединения между проводниками и структурированным катализатором. Если для проводников и других электропроводящих элементов, за исключением электропроводящего материала, поддерживают относительно низкую температуру, это позволяет использовать более широкий спектр материалов для проводников и других электропроводящих элементов, за исключением электропроводящего материала. Когда температура электропроводящих элементов увеличивается, увеличивается также их удельное сопротивление, следовательно, желательно избежать ненужного нагрева всех других частей, за исключением электропроводящих материалов внутри реакторной системы. Термин электропроводящие элементы, за исключением электропроводящего материала включает соответствующие электропроводящие элементы, которые предназначены для подключения источника питания к структурированному катализатору.In one embodiment, the pressure vessel includes a process gas inlet and a product gas outlet, with the inlet located closer to the front of the pressure vessel and the outlet toward the rear of the pressure vessel, with at least At least two conductors are connected to the structured catalyst at a point on the structured catalyst closer to the inlet than to the outlet. Because of this, at least two conductors can be placed in a substantially colder part of the reactor system, since the feed gas will have a lower temperature than the product gas, and the upstream part of the electrically conductive material will be colder due to absorb heat during the chemical reaction, and the feed gas fed through the inlet can cool at least two conductors before being heated by the structured catalyst downstream of the gas through the structured catalyst. The advantage is that the temperature of all electrically conductive elements, with the exception of the electrically conductive material, is maintained at a low level in order to protect the connections between the conductors and the structured catalyst. If the conductors and other electrically conductive members other than the electrically conductive material 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 electrically conductive material. 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 electrically conductive materials within the reactor system. The term electrically conductive elements other than electrically conductive material includes corresponding electrically conductive elements that are intended to connect a power source to the structured catalyst.

В еще одном варианте осуществления два проводника реакторной системы могут быть расположены на разных концах структурированного катализатора.In yet another embodiment, the two conductors of the reactor system may be located at opposite ends of the structured catalyst.

Следует отметить, что система по изобретению может включать любое подходящее количество источников питания и любое подходящее количество проводников, соединяющих источники питания и электропроводящие материалы 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 the electrically conductive materials of the structured catalyst.

В соответствии с одним из вариантов осуществления реакторной системы по меньшей мере два проводника проходят через корпус высокого давления посредством фитинга 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, включает боковые стенки, торцевые стенки, фланцы и, возможно, другие элементы. Термин корпус высокого давления может относиться к любому из этих компонентов.According to one embodiment of the reactor system, at least two conductors are passed through the pressure vessel by means of 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.

В одном из вариантов осуществления изобретения корпус высокого давления дополнительно включает 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, представ- 6 041440 лять 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°C. 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°C легче обеспечить герметичную конфигурацию. В одном из вариантов осуществления в качестве охлаждающего газа в корпус высокого давления подают часть исходного газа, например, один из реагентов. 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 further includes 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 one of the reactants, 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 включает внутреннюю трубку, при этом между ней и структурированным катализатором осуществляется теплообмен, причем внутренняя трубка выполнена с возможностью отвода газообразного продукта из структурированного катализатора таким образом, что между газообразным продуктом, поступающим через внутреннюю трубку или трубы, осуществляется теплообмен с газом, поступающим над структурированным катализатором, тем не менее, внутренняя трубка электрически изолирована от структурированного катализатора. Такую конфигурацию именуют в настоящем документе байонетной реакторной системой. В этой конфигурации газообразный продукт во внутренней трубке способствует нагреванию технологического газа, поступающего через структурированный катализатор. Электрическая изоляция между внутренней трубкой и структурированным катализатором может обеспечиваться за счет газа в зазоре между внутренней трубкой 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.In one of the embodiments, the reactor system further includes an inner tube, wherein heat exchange is carried out between it and the structured catalyst, and the inner tube is configured to remove the gaseous product from the structured catalyst in such a way that between the gaseous product entering through the inner tube or pipes, there is heat exchange with the gas flowing over 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 can 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.

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 электропроводящим материалом 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 electrically conductive material 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 электропроводящие материалы, размещенные в наборе электропроводящих материалов, могут быть электрически соединены между собой. Соединение между двумя или более электропроводящими материалами может осуществляться посредством механического соединения, зажима, пайки, сварки или любой комбинации этих методов соединения. Каждый электропроводящий материал может включать контактные выводы, чтобы обеспечить более эффективное электрическое соединение. Два или несколько электропроводящих материалом могут быть подключены к источнику питания последовательно или параллельно. Электрическое соединение между двумя или более электропроводящими материалами предпочтительно является связным и однородным вдоль поверхности соединения между двумя или более электропроводящими материалами, так что два или более электропроводящих материала действуют как единый связный или внутренне цельный материал, тем самым обеспечивается однородная электропроводность двух или нескольких электропроводящих материалов. В качестве альтернативы или дополнительно структурированный катализатор может включать набор электропроводящих материалов, которые электрически не соединены между собой. Вместо этого два или несколько электропроводящих материала размещены вместе внутри корпуса высокого давления, но электрически не соединены друг с другом. Таким образом, в этом случае структурированный катализатор включает электропроводящие материалы, подключенные к источнику питания параллельно.In one of the embodiments of the invention, the electrically conductive materials placed in the set of electrically conductive materials may be electrically connected to each other. The connection between two or more electrically conductive materials may be by mechanical connection, clamping, soldering, welding, or any combination of these connection methods. Each electrically conductive material may include contact leads to provide a more efficient electrical connection. Two or more electrically conductive materials can be connected to the power supply in series or in parallel. The electrical connection between two or more electrically conductive materials is preferably cohesive and uniform along the surface of the connection between the two or more electrically conductive materials, so that the two or more electrically conductive materials act as a single cohesive or internally integral material, thereby ensuring uniform electrical conductivity of the two or more electrically conductive materials. Alternatively, or additionally, the structured catalyst may include a set of electrically conductive materials that are not electrically connected to each other. Instead, two or more electrically conductive materials are placed together within the pressure vessel, but are not electrically connected to each other. Thus, in this case, the structured catalyst includes electrically conductive materials connected in parallel to a power source.

Керамическое покрытие с каталитически активным материалом или без него может быть нанесено непосредственно на металлическую поверхность электропроводящего материала путем протравной грунтовки. Протравная грунтовка является известной технологией, ее описание приведено в работе e.g. Cybulski, A., and 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 электропроводящего материала, а затем может быть добавлен каталитически активный материал. В качестве альтернативы на макроскопическую структуру или на электропроводящий материал наносят керамическое покрытие, содержащее каталитически активный материал. Керамическое покрытие может представлять собой, например, оксид, содержащий Al, Zr, Mg, Ce и/или Ca. 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.A ceramic coating, with or without a catalytically active material, can be applied directly to the metal surface of the electrically conductive material by a pickle primer. Pickling primer is a known technology and is described in e.g. Cybulski, A., and Moulijn, J. A., Structured catalysts and reactors, Marcel Dekker, Inc, New York, 1998, chapter 3, referenced herein. A ceramic coating may be applied to the surface of the electrically conductive material and then the catalytically active material may be added. Alternatively, the macroscopic structure or the electrically conductive material is coated with a ceramic coating containing the catalytically active material. 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.

Керамическое покрытие представляет собой электроизоляционный материал и, как правило, имеет толщину в диапазоне приблизительно 100 мкм, например 10-500 мкм.The ceramic coating is an electrically insulating material and typically has a thickness in the range of about 100 microns, such as 10-500 microns.

В результате экструзии и спекания или 3D-печати получают однородную макроскопическую структуру связной формы, на которую впоследствии можно нанести керамическое покрытие.As a result of extrusion and sintering or 3D printing, a homogeneous macroscopic structure of a cohesive shape is obtained, which can subsequently be applied with a ceramic coating.

Спекание электропроводящего материала и керамического покрытия может осуществляться в окисThe sintering of the electrically conductive material and ceramic coating can be carried out in the oxide

- 7 041440 лительной атмосфере для образования химических связей между керамическим покрытием и электропроводящим материалом. Это обеспечивает особенно высокую теплопроводность между электропроводящим материалом и каталитически активным материалом, который расположен на подложке из керамического покрытия. Таким образом, структурированный катализатор оптимизирован с точки зрения передачи тепла активному каталитическому центру, и 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.- 7 041440 casting atmosphere for the formation of chemical bonds between the ceramic coating and the electrically conductive material. This provides a particularly high thermal conductivity between the electrically conductive material 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 is the case with known SMRs, where heat transfer occurs through the walls of the pipes to the catalyst inside the pipes.

В одном из вариантов осуществления структурированный катализатор имеет электроизоляционные части, с помощью которых 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 электроизоляционных 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. В качестве неограничивающих примеров изоляционных частей можно привести прорези, щели, изгибы или отверстия в электропроводящем материале. 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.In one embodiment, the structured catalyst has electrically insulating portions by which the length of the current path between the conductors is increased to be greater than the longest dimension of the structured catalyst. A current path between conductors greater than the largest dimension of the structured catalyst can be provided by placing electrically insulating portions between the conductors when no current passes through some portion of the structured catalyst. Such electrically insulating parts are intended to increase the current path and thus increase the resistance in the structured catalyst. As non-limiting examples of insulating parts, slots, slots, bends or holes in the electrically conductive material can be given. 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 spatial 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 над структурированным катализатором 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 над структурированным катализатором и каталитически активным материалом.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 once over the structured catalyst before leaving the reactor system. In appropriate gaps between the structured catalyst and the rest of the reactor system, inert material is preferably present so that, within the reactor system, the gas passes over 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 электрода через структурированный катализатор к следующему электроду. Соотношение 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 electrode through the structured catalyst to the next electrode. 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 электроизоляционные части, с помощью которых 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 путь 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.In one embodiment, the structured catalyst has electrically insulating portions that direct current 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 around, and then goes down. A zigzag path may have many turns, it may go up and then down many times as it passes 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 электроизолирующем материале, хотя это керамическое покрытие также считается электроизоляционным, оно не изменяет длину пути тока между проводниками, подключенными к электропроводящему материалу.It should be noted that insulating parts designed to increase the current path are not necessarily associated with a ceramic coating on an electrically insulating material, although this ceramic coating is also considered electrically insulating, it does not change the length of the current path between conductors connected to the electrically conductive material.

В одном из вариантов осуществления изобретения макроскопическая структура имеет множество параллельных каналов, множество непараллельных каналов и/или множество лабиринтных каналов, 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 макси- 8 041440 мальной протяженностью в поперечном сечении примерно до 4 см. 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 channels, a plurality of non-parallel channels, and/or a plurality of labyrinthine 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, but channels with a maximum cross-sectional extent of up to about 4 cm are also possible. 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 is 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 изготовлена путем экстрзии или по технологии объёмной печати, перепад давления от входа к выходу из реакторной системы может быть значительно снижен по сравнению с реактором, в котором материал катализатора находится в форме зеренокатыш.In general, when the macroscopic structure is made by extrusion or 3D printing, 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 pellets.

В одном из вариантов осуществления изобретения реакторная система дополнительно включает 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 подготовки исходного потока. 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. 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 includes 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 prepare the feed stream. 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. 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.

В одном из вариантов осуществления изобретения реакторная система дополнительно включает третий каталитический материал в виде зерен катализатора, экструдатов или гранул катализатора, которые загружены в каналы макроскопической структуры. Таким образом, в этом варианте осуществления реакторная система будет иметь каталитически активный материал в покрытии макроскопической структуры и третий каталитический материал в виде зерен катализатора, экструдатов или гранул катализаторм внутри каналов макроскопической структуры. 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. При 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.In one of the embodiments of the invention, the reactor system further includes a third catalyst material in the form of catalyst grains, extrudates or catalyst granules, which are loaded into the channels of the macroscopic structure. Thus, in this embodiment, the reactor system will have the catalytically active material in the macroscopic structure coating and the third catalyst material in the form of catalyst grains, extrudates or catalyst pellets within the channels of the macroscopic structure. The 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. As used throughout the present invention, the term grain refers to any defined structure having a maximum external dimension in the range of millimeters or centimeters, while the terms extrudate and granulate define a catalyst material with a maximum external dimension in a specific 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.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.

В одном варианте осуществления первый, второй, третий и четвертый каталитические материалы представляют собой каталитические материалы, подходящие для реакции парового риформинга, реакции предварительного риформинга или реакции конверсии водяного газа, реакции дегидрогенизации, реакции крекинга метанола, реакции крекинга аммиака или реакции синтеза цианистого водорода. В конфигурации, где реакторная система включает комбинацию второго, третьего и четвертого каталитического материала, катализатор каждого каталитического материала может быть различным.In one embodiment, the first, 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, a dehydrogenation reaction, a methanol cracking reaction, an ammonia cracking reaction, or a hydrogen cyanide synthesis reaction. In a configuration where the reactor system includes a combination of second, third and fourth catalyst material, the catalyst of each catalyst material may be different.

В одном из вариантов осуществления изобретения геометрическая площадь поверхности макроскопической структуры находится в диапазоне 100-3000 м23, например 500-1100 м23.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 .

В одном из вариантов осуществления изобретения материал макроскопической структуры подобран таким образом, чтобы путем нагрева материала сопротивлением создавался тепловой поток 500-50000 Вт/м2. Предпочтительно нагрев сопротивлением материала обеспечивает тепловой поток в диапазоне 512 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 W/m 2 is created. Preferably, the resistance heating of the material provides a heat flux in the range of 512 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 реакторная система дополнительно включает систему контроля, выполненную с возможностью контроля подачи электроэнергии, чтобы температура газа, выходящего из корпуса высокого давления, была в предварительно определенном диапазоне и/или для того, чтобы степень конверсии углеводородов в исходном газе была в предварительно определенном диапазоне. Контроль подачи электроэнергии - это контроль электрической мощностью от источника питания. Контроль подачи электроэнергии может, например, может 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.In one of the embodiments of the invention, the reactor system further includes a control system configured to control the supply of electricity so that the temperature of the gas leaving the pressure vessel is within a predetermined range and/or so that the degree of conversion of hydrocarbons in the source gas is in predefined range. Power supply control is the control of electrical power from a power source. The control of the power supply may, for example, be carried out as control of the voltage and/or current supplied from the power supply, as 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.

Определенный температурный диапазон газа, выходящего из корпуса высокого давления/реакторной системы, - это диапазон от 200 до 1300°C, в зависимости от протекающей эндотермической реакции.The specific temperature range for the gas exiting the pressure vessel/reactor system is between 200 and 1300°C, depending on the endothermic reaction taking place.

- 9 041440- 9 041440

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 - соотношение 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 supply/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 определен ного 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 certain gas:

зh

IQ^ Усо ' Ун2 р2 I Q ^ Uso ' Un 2 p2

Усн4 ’ Ун2оUsn 4 'un 2 o

Здесь yj - мольная доля j соединения, а P - полное значение давления в барах. Это уравнение используют для определения температуры равновесия (Teq), при которой данный коэффициент реакции равен константе равновесия:Here yj is the mole fraction j of the compound and P is the total pressure value in bar. This equation is used to determine the equilibrium temperature (Teq) at which a given reaction coefficient equals the equilibrium constant:

Q — KsMR(Teq) где KSMR - термодинамическая константа равновесия реакции парового риформинга метана. Температура приближения к равновесным условиям (ΔТрαвн,SMR) реакции парового риформинга метана определяется следующим образом:Q — KsMR(Teq) where K SMR is the thermodynamic equilibrium constant of the methane steam reforming reaction. Temperature approaching equilibrium conditions (ΔТ αin , SMR ) of the methane steam reforming reaction is determined as follows:

△Травн, SMR = Т — Teq где T - средняя массовая температура газа, окружающего используемый каталитический материал, такой как структурированный катализатор.△Trav, SMR = T - T eq 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 ΔТрaвн,SMR. Исторически, крупномасштабные промышленные SMR имели температуру приближения к равновесным условиям 5-20°C на выходе.To ensure good performance of the steam reforming catalyst, it is desirable that the catalyst be 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 согла совывать его непосредственно с кинетическими характеристиками структурированного катализатора, поскольку они в некоторой степени независимы.The use of the present invention allows the heat flux to be controlled and matched directly to the kinetic characteristics of the structured catalyst, since they are somewhat independent.

В одном из вариантов осуществления в указанной реакторной системе соотношение между эквивалентным диаметром площади горизонтального поперечного сечения структурированного катализатора и высотой структурированного катализатора 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 соотношение между эквивалентным диаметром площади и высотой структурированного катализатора составляет 0,1-2,0, корпус высокого давления, в которой находится структурированный катализатор, может быть относительно небольшой по сравнению с другими реакторными системами для эндотермических реакций, например, по сравнению с существующими SMR.In one embodiment, in said reactor system, the ratio between the equivalent diameter of the horizontal cross-sectional area of the structured catalyst and the height of the structured catalyst 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 of the structured catalyst is 0.1-2.0, the pressure vessel housing the structured catalyst can be relatively small compared to other endothermic reaction reactor systems, for example compared to existing SMRs. .

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 включает 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 включает 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.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 includes 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 includes 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 степени конверсии и/или температуры на выходе из реакторной системы, коррелирующей со способностью к тепловыделению электропроводящего материала.The volume of the structured catalyst is selected based on the desired degree of conversion and/or the temperature at the outlet of the reactor system, correlated with the heat generating capacity of the electrically conductive material.

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 или даже 1 м. Размеры реакторной системы и структурированного катализатоIn one of the embodiments 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 can be, for example, less than 5 m, preferably less than 2 or even 1 m. structured catalyzate

- 10 041440 ра 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.- 10 041440 RA 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. By comparison, industrial scale SMRs are typically constructed with catalyst tubes of 10 m or more in length 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.

Еще один аспект изобретения относится к способу осуществления эндотермической реакции исходного газа в описанной реакторной системе. Указанный способ включает следующие этапы:Another aspect of the invention relates to a method for carrying out an endothermic feed gas reaction in the described reactor system. This method includes the following steps:

подачу указанного исходного газа в реакторную систему путем введения указанного технологического газа в точке, расположенной рядом с передней частью корпуса высокого давления;supplying said feed gas to the reactor system by introducing said process gas at a point adjacent to the front of the pressure vessel;

обеспечение эндотермической реакции исходного газа над нагретым структурированным катализатором и отвод газообразного продукта из реакторной системы, причем указанный газообразный продукт выходит в точке, расположенной рядом с задней части корпуса высокого давления; и подачу тока через проводники, соединяющие источник питания, расположенный вне указанного корпуса высокого давления, в указанный структурированный катализатор, что позволяет осуществить пропускание тока через указанный электропроводящий материал, посредством чего обеспечивается нагрев, по меньшей мере, части структурированного катализатора до температуры по меньшей мере 200°C.providing an endothermic reaction of the source gas over the heated structured catalyst and the removal of the gaseous product from the reactor system, and the specified gaseous product exits at a point located near the rear of the pressure vessel; and supplying current through conductors connecting a power source located outside said pressure vessel to said structured catalyst, which allows current to be passed through said electrically conductive material, thereby heating at least a portion of the structured catalyst to a temperature of at least 200 °C.

Способ обеспечивает те же преимущества, что описаны для реакторной системы. Тем не менее, способ может включать дополнительные этапы, на которых будет осуществляться переработка газообразного продукта, например, очистка, повышение давления, нагревание, охлаждение и т.д., с получением конечного газообразного продукта, который будет использоваться в способе после реакторной системы по изобретению.The method provides the same advantages as described for the reactor system. However, the process may include additional steps in which the gaseous product will be processed, for example, purification, pressurization, heating, cooling, etc., to obtain the final gaseous product, which will be used in the process after the reactor system according to the invention .

Следует отметить, что исходный газ может содержать отдельные исходные газы, и что этап сжатия исходного газа может включать сжатие отдельных исходных газов. Кроме того, следует отметить, что этапы способа 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 separate feed gases, 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 method 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 способ дополнительно включает этап сжатия исходного газа по ходу процесса перед корпусом высокого давления до давления по меньшей мере в диапазоне 2 бар и подачу указанного сжатого исходного газа в реакторную систему посредством введения указанного сжатого исходного газа в указанной точке, расположенной рядом с передней частью корпуса высокого давления. Выбранное рабочее давление определяется эндотермической реакцией и технологическими этапами, в которые встроен реактор.In one embodiment, the method further comprises the step of compressing the feed gas upstream of the pressure vessel to a pressure of at least 2 bar and supplying said compressed feed gas to the reactor system by introducing said compressed feed gas at said point adjacent front of the high pressure housing. The selected operating pressure is determined by the endothermic reaction and the process steps in which the reactor is built.

В одном из вариантов осуществления способа по изобретению температура исходного газа, поступающего в реакторную систему, составляет 100-700°C. 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 100-700°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 способа по изобретению осуществляют нагрев структурированного катализатора таким образом, что максимальная температура структурированного катализатора находится в диапазоне 200-1300°C. Используемая температура будет зависеть от эндотермической реакции. Максимальная температура структурированного катализатора зависит от материала электропроводящего материала. Таким образом, если электропроводящий материал изготовлен из сплава Fecralloy®, температура плавления которого составляет 1380-1490°C (в зависимости от фактических свойств сплава), максимальная температура должна быть несколько ниже точки плавления, например, приблизительно 1300°C, если точка плавления электропроводящего материала составляет приблизительно 1400°C, так как при приближении к точке плавления материал станет мягким и пластичным. Максимальная температура может быть дополнительно ограничена износоустойчивостью материала катализатора, покрытия и каталитически активного материала.In one of the embodiments of the method according to the invention, the structured catalyst is heated in such a way that the maximum temperature of the structured catalyst is in the range of 200-1300°C. The temperature used will depend on the endothermic reaction. The maximum temperature of the structured catalyst depends on the material of the electrically conductive material. Thus, if the electrically conductive material 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 electrically conductive material is approximately 1400°C, as the material will become soft and ductile as it approaches the melting point. The maximum temperature may be further limited by the wear resistance of the catalyst material, coating and 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.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. Part of the feed gas can be fed into the pressure vessel as cooling gas.

В одном из вариантов осуществления изобретения способ 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.In one embodiment of the invention, the method 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 may be used as the cooling gas, for example the cooling gas may be hydrogen, nitrogen, steam, carbon dioxide, or mixtures thereof.

Охлаждающий газ может поступать через проводники и охлаждать их изнутри, в этом случае проводники должны быть полыми, чтобы вмещать охлаждающий газ.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.

В одном из вариантов осуществления эндотермическая реакция представляет собой дегидрогениза- 11 041440 цию углеводородов. Реакция протекает в соответствии с уравнением (viii). Каталитическим материалом для реакции может быть Pt/Al2O3 или Pt-Sn/Al2O3. Каталитически активный материал может представлять собой Pt. Максимальная температура реактора может составлять 500-700°C. Давление исходного газа может составлять 2-5 бар.In one embodiment, the endothermic reaction is the dehydrogenation of hydrocarbons. The reaction proceeds according to equation (viii). The catalytic material for the reaction may be Pt/Al2O 3 or Pt-Sn/Al2O 3 . The catalytically active material may be Pt. The maximum temperature of the reactor may be 500-700°C. The pressure of the source gas can be 2-5 bar.

В одном из вариантов осуществления изобретения эндотермическая реакция представляет собой крекинг метанола. Реакция протекает в соответствии с уравнениями (v), (ix) и (x). Каталитическим материалом для реакции может быть Ni/MgAl2O3 или Cu/Zn/Al2O3. Каталитически активный материал может представлять собой Си или Ni. Максимальная температура реактора может составлять 200-300°C. Давление исходного газа может составлять 2-30 бар, предпочтительно приблизительно 25 бар.In one of the embodiments of the invention, the endothermic reaction is the cracking of methanol. The reaction proceeds according to equations (v), (ix) and (x). The catalytic material for the reaction may be Ni/MgAl 2 O 3 or Cu/Zn/Al 2 O 3 . The catalytically active material may be Cu or Ni. The maximum temperature of the reactor may be 200-300°C. The feed gas pressure may be 2-30 bar, preferably about 25 bar.

В одном из вариантов осуществления эндотермическая реакция представляет собой паровой риформинг углеводородов. Реакция протекает в соответствии с уравнениями (i)-(v). Каталитическим материалом для реакции может быть Ni/Al2O3, Ni/MgAl2O3, Ni/CaAl2O3, Ru/MgAl2O3 или Rh/MgAl2O3. Каталитически активный материал может представлять собой Ni, Ru, Rh, Ir или их комбинацию. Максимальная температура реактора может составлять 850-1300°C. Давление исходного газа может составлять 15180 бар, предпочтительно приблизительно 25 бар.In one embodiment, the endothermic reaction is the steam reforming of hydrocarbons. The reaction proceeds according to equations (i)-(v). The catalytic material for the reaction may be Ni/Al 2 O 3 , Ni/MgAl 2 O 3 , Ni/CaAl 2 O 3 , Ru/MgAl 2 O 3 or Rh/MgAl 2 O 3 . The catalytically active material may be Ni, Ru, Rh, Ir, or a combination thereof. The maximum temperature of the reactor may be 850-1300°C. The feed gas pressure may be 15180 bar, preferably about 25 bar.

В одном из вариантов осуществления изобретения эндотермическая реакция представляет собой крекинг аммиака. Реакция протекает в соответствии с уравнением (xi). Каталитическим материалом для реакции может быть Fe, FeCo или Ru/Al2O3. Каталитически активный материал может представлять собой Fe или Ru. Максимальная температура реактора может составлять 400-700°C. Давление исходного газа может составлять 2-30 бар, предпочтительно приблизительно 25 бар.In one embodiment, the endothermic reaction is ammonia cracking. The reaction proceeds according to equation (xi). The catalytic material for the reaction may be Fe, FeCo or Ru/Al 2 O 3 . The catalytically active material may be Fe or Ru. The maximum temperature of the reactor may be 400-700°C. The feed gas pressure may be 2-30 bar, preferably about 25 bar.

В одном из вариантов осуществления изобретения эндотермическая реакция представляет собой синтез цианистого водорода или процесс синтеза органических нитрилов. Реакция протекает в соответствии с уравнением (vi) и (vii). Каталитическим материалом для реакции может быть Pt/Al2O3. Каталитически активный материал может представлять собой Pt, Co или SnCo. Максимальная температура реактора может составлять 700-1200°C. Давление исходного газа может составлять 2-30 бар, предпочтительно приблизительно 5 бар.In one embodiment, the endothermic reaction is a hydrogen cyanide synthesis or an organic nitrile synthesis process. The reaction proceeds according to equation (vi) and (vii). The catalytic material for the reaction may be Pt/Al2O3. The catalytically active material may be Pt, Co or SnCo. The maximum temperature of the reactor may be 700-1200°C. The feed gas pressure may be 2-30 bar, preferably about 5 bar.

В одном из вариантов осуществления эндотермическая реакция представляет собой ароматизацию углеводородов. Предпочтительно, эндотермическая реакция представляет собой ароматизацию высших углеводородов.In one embodiment, the endothermic reaction is the aromatization of hydrocarbons. Preferably, the endothermic reaction is the aromatization of higher hydrocarbons.

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 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. 1a представлен поперечный разрез реакторной системы по изобретению со структурированным катализатором, включающим набор макроскопических структур, в соответствии с одним вариантом 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. 1a, 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. 3a 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 сбоку соответственно;in fig. 4 and 5 show an embodiment of a structured catalyst with a set of macroscopic structures, top and side views, respectively;

на фиг. 6 представлен вариант осуществления структурированного катализатора по изобретению;in fig. 6 shows an embodiment of the structured catalyst of the invention;

на фиг. 7, 8 и 9 показаны варианты осуществления структурированного катализатора с соединителями;in fig. 7, 8 and 9 show embodiments of a structured catalyst with connectors;

на фиг. 10 показана необходимая максимальная температура в реакторной системе по изобретению в функциональной зависимости от давления; и на фиг. 11 приведен график приближения к равновесным условиям (ATapp,SMR) реакции парового риформинга метана для различных значений расхода газового потока через структурированный катализатор.in fig. 10 shows the required maximum temperature in the reactor system according to the invention as a function of pressure; and in FIG. 11 is a graph of the approach to equilibrium conditions (AT app , 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 включает 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 включает проводники 40, 40', подключенные к источнику питания (не показан на фигурах) и к структурированному катализатору 10, а именно к набору макроскопических струк- 12 041440 тур. 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 includes a structured catalyst 10 arranged as 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 to 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 26 В и током 1200 А. В еще одном варианте осуществления изобретения используют источник питания с напряжением 5 В и ток 240 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. 1a показана слева, до другой контактной шины 41 проводника, например, контактной шины проводника, которая на фиг. 1a 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 26 V and a current of 1200 A is used. In another embodiment of the invention, a power supply with a voltage of 5 V and a current of 240 A is used. and the current passes through the structured catalyst 10 from a single 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. 1a, 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. 1a. Кроме того, видно, что проводники 40 проходят через стенки корпуса высокого давления посредством фитинга 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 the fitting 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 корпуса 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. 1a-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°C.In the reactor system shown in FIG. 1a, 1b and 2, 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 the fittings 50. The steam reforming feed gas is fed into the reactor system 100 through the inlet opening at the top of reactor system 100, shown by arrow 11, and the reformed gas leaves reactor system 100 through an outlet at bottom of reactor system 100, shown by arrow 12. preferably one or more additional inlets are located (not shown in Figs. 1a-2). 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. 1a-2, между нижней частью структурированного катализатора 10 и дном корпуса высокого давления преимущественно присутствует инертный материал (не показан на фиг. 1a-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. 3a и 3b представлен схематический вид в поперечном разрезе реакторной системы 100', 100', включающей структурированный катализатор 10' в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Структурированный катализатор 10' 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' содержит корпус высокого давления 20 и теплоизоляционный слой 80 между структурированным катализатором 10' и корпусом высокого давления 20. Для заполнения зазора между структурированным катализатором 10' и теплоизоляционным слоем или корпусом высокого давления 20 может использоваться инертный материал 90. На фиг. 3a 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 черезIn FIG. 3a and 3b show a schematic cross-sectional view of a reactor system 100', 100' comprising a structured catalyst 10' in accordance with one embodiment of the invention. The structured catalyst 10' may be comprised 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' includes a pressure vessel 20 and a heat insulating layer 80 between the structured catalyst 10' and the pressure vessel 20. An inert material 90 may be used to fill the gap between the structured catalyst 10' and the heat insulating layer or pressure vessel 20. In 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 helps control the pressure drop in the reactor system and control the gas flow through

- 13 041440 реакторную систему. Кроме того, инертный материал, как правило, имеет теплоизоляционный эффект.- 13 041440 reactor system. In addition, the inert material generally has a heat-insulating effect.

Из фиг. 3a и 3b видно, что реакторные системы 100', 100 дополнительно содержат внутреннюю трубку 15, при этом между ней и структурированным катализатором 10' осуществляется теплообмен. Внутренняя трубка 15 выполнена с возможностью отвода газообразного продукта из структурированного катализатора 10' таким образом, что между газообразным продуктом, поступающим через внутреннюю трубку или трубы, осуществляется теплообмен с газом, поступающим над структурированным катализатором; тем не менее, внутренняя трубка 15 электрически изолирована от структурированного катализатора 10' 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. 3a и 3b, исходный газ подают в реакторную систему 100', 100, как указано стрелкой 11, и поступает в структурированный катализатор 10', как показано стрелками 13. Во время прохождения исходного газа над структурированным катализатором 10' осуществляют реакцию парового риформинга исходного газа. Газ, выходящий из структурированного катализатора 10', по меньшей мере, частично прореагировал в реакции риформинга. По меньшей мере, частично реформированный газ поступает из структурированного катализатора 10' во внутреннюю трубку 15, как показано стрелками 14, и выходит из внутренней трубы, как показано стрелками 12. Даже несмотря на то, что между внутренней трубкой 15 и структурированным катализатором 10' присутствует теплоизоляционный слой 80, будет происходить некоторая теплопередача от газа внутри внутренней трубы 15 и газа внутри структурированного катализатора 10' или по ходу процесса перед структурированным катализатором 10'. В вариантах осуществления, показанных на фиг. 3a и 3b, исходный газ поступает вниз через структурированный катализатор 10', а затем вверх через внутреннюю трубку 15; однако возможна и обратная конфигурация, так что исходный газ будет поступать вверх через структурированный катализатор 10' и вниз через внутреннюю трубку 15.From 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 10'. The inner tube 15 is adapted to withdraw the gaseous product from the structured catalyst 10' in such a way that the gaseous product entering through the inner tube or pipes is heat exchanged with the gas entering over the structured catalyst; however, the inner tube 15 is electrically isolated from the structured catalyst 10' by an 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 as indicated by arrow 11 and enters the structured catalyst 10' as indicated by arrows 13. While the feed gas passes over the structured catalyst 10', a feed gas steam reforming reaction is carried out. The gas exiting the structured catalyst 10' is at least partially reacted in the reforming reaction. The at least partially reformed gas flows from the structured catalyst 10' into the inner tube 15 as indicated by arrows 14 and exits the inner tube as indicated by arrows 12. Even though there is a thermal insulation layer 80, there will be some heat transfer from the gas inside the inner tube 15 and the gas inside the structured catalyst 10' or downstream of the structured catalyst 10'. In the embodiments shown in FIG. 3a and 3b, the feed gas flows down through the structured catalyst 10' and then up through the inner tube 15; however, the reverse configuration is also possible so that the feed gas will flow upwards through the structured catalyst 10' and downwards through the inner tube 15.

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. 1a и 1b. Этот набор имеет 6 рядов, а именно 1a, 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, проходит через первую макроскопическую структуру 5 вниз до нижней границы прорези 60 и затем подается 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 conductor strip 41, passes through the first macroscopic structure 5 down to the bottom of the slot 60 and then is supplied 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 increases 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 e2. 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 или изготовленного по технологии объёмной печати 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 an extruded or 3D printed material with a ceramic coating, 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 flow during reactor operation 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.

- 14 041440- 14 041440

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 и, следовательно, увеличивается сопротивление и, следовательно, увеличивается количество теплоты, которое отдается макроскопической структуре. В прорезь 60 внутри макроскопической структуры может быть встроен изоляционный материал, чтобы обеспечить отсутствие течения тока 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 incorporated into slot 60 within the macroscopic structure to ensure that no current flows in a direction transverse to slot 60.

Каналы 70 в структурированном катализаторе 10 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. 1a 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. 1a 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 10 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. While arrows 11 and 12 (see FIGS. 1a and 1b) indicate that the hydrocarbon feed gas flow 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 10 согласно фиг. 1a 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 структурированного 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 крепёжных элементов, таких как винты и болты. Однако возможны дополнительные или альтернативные крепёжные элементы. В одном из вариантов осуществления изобретения используют источник питания с напряжением 3 В и током 400 А. Проводники 7 выполнены, например, из таких материалов, как железо, алюминий, никель, медь или их сплавы.In FIG. 7 is a view of the structured catalyst 10 of 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 source, 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 the portion of the structured catalyst along slot 60, then it extends perpendicular to the longitudinal axis of the structured catalyst under 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. The conductors 7 are made, for example, from materials such as iron, aluminum, 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 indicated, the structured catalyst 10 has a ceramic coating, such as an oxide, which acts as a support for the catalytically active material. However, the parts 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 10, 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°C, 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 10, i. e. towards the top, as shown in Fig. 7, the gas fed into the reactor system containing the structured catalyst 10 will be able to cool the connectors 7 and the conductors 40. will allow connectors 7 and conductors 40 to reach temperatures much higher than this temperature.

На фиг. 8 показан альтернативный вариант осуществления структурированного катализатора 10' с прикрепленными соединителями 7'. Структурированный катализатор 10', показанный на фиг. 8, имеет квадратное поперечное сечение, как структурированный катализатор 10, показанный на фиг. 6 и 7, но структурированный катализатор 10' на фиг. 8 не имеет прорезей. В верхней и нижней части макроскопической структуры 10' расположен проводник 40. Проводник 40 может быть изготовлен, например, из никеля. В качестве альтернативы в качестве распределителей электрического тока могут использоваться другие подходящие металлы или сплавы, такие как FeCrAlloy. Для направления тока через структурированный катализатор 10', то есть через макроскопическую структуру, используются соединители 7', 7 в виде электропроводящих брусков. Соединители 7', 7 прикреплены к проводникам 40 и структурированному катализатору 10' посредством механических крепёжных элементов; однако также возможны дополнительные или альтернативные крепёжные элементы.In FIG. 8 shows an alternative embodiment of a structured catalyst 10' with connectors 7' attached. The structured catalyst 10' shown in FIG. 8 has a square cross section like the structured catalyst 10 shown in FIG. 6 and 7, but the structured catalyst 10' in FIG. 8 has no slots. At the top and bottom of the macroscopic structure 10' is a conductor 40. The conductor 40 may be made of nickel, for example. Alternatively, other suitable metals or alloys such as FeCrAlloy can be used as current distributors. To direct the current through the structured catalyst 10', ie through the macroscopic structure, connectors 7', 7 in the form of electrically conductive bars are used. Connectors 7', 7 are attached to conductors 40 and structured catalyst 10' by means of mechanical fasteners; however, additional or alternative fasteners are also possible.

Соединители 7 в нижней части структурированного катализатора 10' и соединители 7' в верхней части структурированного катализатора 10' могут быть изготовлены из различных материалов, как показано на фиг. 2. Например, соединители 7' могут быть из меди, а соединители 7 - из никеля. Поскольку проводимость никеля ниже, чем проводимость меди, соединители 7 больше, чем соединители 7'.The connectors 7 at the bottom of the structured catalyst 10' and the connectors 7' at the top of the structured catalyst 10' can be made from various materials, as shown in FIG. 2. For example, connectors 7' may be copper and connectors 7 nickel. Since the conductivity of nickel is lower than that of copper, the connectors 7 are larger than the connectors 7'.

Вариант осуществления, показанный на фиг. 8, подходит для температур ниже 800°C, например 600-700°C.The embodiment shown in FIG. 8, suitable for temperatures below 800°C, such as 600-700°C.

На фиг. 9 показан еще один вариант осуществления структурированного катализатора 10' с соединителями 7'. Структурированный катализатор 10' представляет собой, например, структурированныйIn FIG. 9 shows another embodiment of a structured catalyst 10' with connectors 7'. The structured catalyst 10' is, for example, a structured

- 15 041440 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).- 15 041440 the 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. 10 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% CO2, 0,03% Ar, 0,02% CO, 0,15% N2 до достижения степени конверсии метана 88% при температуре 10°C 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°C соответствует 27 бар и.д. на фиг. 10. 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. 10 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% H2O, 0.09% H2, 0.45% CO2, 0.03% Ar, 0.02% CO, 0.15% N2 until a methane conversion of 88% is achieved 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. 10. 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.

Общая тенденция для всех кривых на фиг. 11 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°C примерно на 80% длины реакторной системы, но впоследствии увеличивается примерно до 60°C.The general trend for all curves in Fig. 11 is that the temperature for near-equilibrium conditions continuously decreases from entering the structured catalyst 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. For example, at a flow rate of 150,000 Nm 3 /h, the temperature approaching equilibrium drops below 60°C for about 80% of the length of the reactor system, but subsequently increases to about 60°C.

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.

Все описанные ниже примеры относятся к компактным реакторным системам. Это возможно благодаря тому, что реакторные системы содержат компактные структурированные катализаторы 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 with a high heat flux when electrically heated. 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 отсутствие перепада давления или очень низкий перепад давления в структурированном катализаторе. В реакторной системе структурированный катализатор будет иметь наибольшую температуру, в то время как корпус высокого давления будет иметь значительно меньшую температуру из-за теплоизоляционного слоя между макроскопической структурой 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.All examples describe high pressure operating conditions in the range of 28-182 bar. Such high pressures are possible due to the design of the reactor system because the structured catalyst within the reactor system has a high heat flux when electrically heated, it is thermally insulated to some extent from the pressure vessel, and there is no pressure drop or a very low pressure drop in the structured catalyst. In a 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 macroscopic structure 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.

Во всех примерах, приведенных ниже, в качестве примера используют паровой риформинг, когда 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, steam reforming is used as an example, where the feed gas enters the reactor system and passes through the structured catalyst inside 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 для парового риформинга. 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 неAll of the examples below (with the exception of the comparative example) refer to a structured catalyst reactor system for steam reforming. 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, for example, at the junction point of two adjacent macroscopic structures or at the junction point of a macroscopic structure and a conductor, the macroscopic structure may not

- 16 041440 иметь керамического покрытия, чтобы упростить соединение между проводником и макроскопической структурой.- 16 041440 have a ceramic coating to simplify the connection between the conductor and the macroscopic structure.

Пример 1.Example 1

В табл. 1 ниже приведен пример расчёта параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают углеводородный исходный поток, содержащий, помимо прочего, углеводородный газ, водород и пар. Исходный поток, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 28 кг/см-г и имеет температуру 500°C. Внутри реакторной системы размещают структурированный катализатор в виде набора 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 структурированный катализатор 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 is an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system of the invention is fed with a hydrocarbon feed stream containing, among other things, hydrocarbon gas, hydrogen and steam. The feed stream entering the reactor system is at a pressure of 28 kg/cm-g and has a temperature of 500°C. The structured catalyst is placed inside the reactor system as 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 structured catalyst 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 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. In all the examples described here, 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 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.

Таблица 1Table 1

Размер структурированного катализатора: Structured Catalyst Size: Длина кромки [м] Edge length [m] 0,53 0.53 Высота [м] Height [m] 2,3 2.3 Количество макроскопических структур Quantity macroscopic structures 9 9 Общий объём [л] Total volume [l] 5888 5888 Т[°С] Давление [кг/см2 изб.] СО2 [нм3/ч] N2 [нм3/ч] СН4 [нм3/ч] Н2 [нм3/ч] СО [нм3/ч]T[°C] Pressure [kg/ cm2g ] CO2 [ nm3 /h] N2 [ nm3 /h] CH4 [ nm3 /h] H2 [ nm3 /h] CO [ nm3 /h] Исходный газ 500 27,97 168 26 2630 590 1 Feed gas 500 27.97 168 26 2630 590 1 Газообразный продукт 963 27,47 727 26 164 8545 1907 Gaseous product 963 27.47 727 26 164 8545 1907 Н2О [нм3/ч]H2O [nm 3 /h] 8046 8046 5022 5022 Общий поток (нм3/ч)Total flow (nm 3 /h) 11461 11461 16391 16391 ATpaBHjsMR [°C]AT paBHj sMR [°C] 10 10 Мощность [кВт] Тепловой поток [кВт/м2]Power [kW] Heat flow [kW/m 2 ] 9899 2,2 9899 2.2

Пример 2.Example 2

В табл. 2 ниже приведен пример расчёта параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают углеводородный исходный поток, содержащий, помимо прочего, углеводородный газ, водород и пар. Исходный поток, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 28 кг/см2-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. Структурированный катализатор дополнительно имеет 10000 каналов с квадратным сечением и с длиной стороны или кромки 0,32 см. Структурированный катализатор имеет прорези, параллельные его 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 структурированный катализатор по зигзагообразному пути. На структурированный катализатор в реакторной системе по изобретению воздействует ток 200 А и напряжение приблизительно 500 В для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего над структурированным катализатором, что соответствует подаваемой мощности 99 кВт.In table. 2 below is an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system of the invention is fed with a hydrocarbon feed stream containing, among other things, hydrocarbon gas, hydrogen and steam. The initial stream entering the reactor system is under pressure of 28 kg/cm 2 -g and has a temperature of 500°C. Inside the reactor system, a structured catalyst is placed in the form of a single macroscopic structure with a square cross section with a size of 0.4x0.4x0.35 m. The structured catalyst additionally has 10,000 channels with a square section and with a side or edge length of 0.32 cm. The structured catalyst 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 structured catalyst in a zigzag path. The structured catalyst 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 over the structured catalyst, corresponding to an input power of 99 kW.

- 17 041440- 17 041440

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 overall internal diameter of the reactor system in this configuration may be 1.2 m and the overall 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.

Таблица 2table 2

Размер структурированного катализатора: Structured Catalyst Size: Длина кромки [м] Edge length [m] 0,4 0.4 Высота [м] Height [m] 0,35 0.35 Количество макроскопических структур Number of macroscopic structures 1 1 Общий объём [л] Total volume [l] 55,4 55.4 Исходный газ source gas Газообразный продукт gaseous product Т[°С] T[°C] 500 500 963 963 Давление [кг/см2 изб.]Pressure [kg/ cm2g ] 27,97 27.97 27,47 27.47 СО2 [нм3/ч]CO2 [nm 3 /h] 1,7 1.7 7,3 7.3 N2 [нм3/ч]N2 [nm 3 /h] о,з oh, s о,з oh, s СН4 [нм3/ч]CH4 [nm 3 /h] 26,3 26.3 1,6 1.6 Н2 [нм3/ч]H2 [nm 3 /h] 5,9 5.9 85,4 85.4 СО [нм3/ч]CO [nm 3 /h] 0 0 19,1 19.1 Н2О [нм3/ч]H2O [nm 3 /h] 80,5 80.5 50,2 50.2 Общий поток (нм3/ч)Total flow (nm 3 /h) 114,7 114.7 163,9 163.9 ATp;IP,H.S\1R [°C]ATp; IP ,HS\1R [°C] 10 10 Мощность [кВт] Тепловой поток [кВт/м2]Power [kW] Heat flow [kW/m 2 ] 99 2,2 99 2.2

Пример 3.Example 3

В табл. 3 ниже приведен пример расчёта параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают углеводородный исходный поток, содержащий, помимо прочего, углеводородный газ, водород и пар. Исходный поток, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 97 бар, т.е. 97 кг/см-г и имеет температуру 500°C.In table. 3 below is an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system of the invention is fed with a hydrocarbon feed stream containing, among other things, hydrocarbon gas, hydrogen and steam. The feed stream entering the reactor system is at a pressure of 97 bar, i.e. 97 kg/cm-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 структурированный катализатор 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 над структурированным катализатором, 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 structured catalyst 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 over 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 структурированные катализаторы расположены в квадрате с длиной диагонали 2,3 м. Вокруг структурированных катализаторов 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 structured catalysts are arranged in a square with a diagonal length of 2.3 m. Around the structured catalysts is an inert material that closes 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.

- 18 041440- 18 041440

Таблица 3Table 3

Размер структурированного катализатора: Structured Catalyst Size: Длина кромки [м] Edge length [m] 0,53 0.53 Высота [м] Height [m] 2,3 2.3 Количество макроскопических структур Quantity macroscopic structures 9 9 Общий объём [л] Total volume [l] 5888 5888 Исходный газ source gas Газообразный продукт gaseous product Т [°C] T [°C] 500 500 1115 1115 Давление [кг/см2 изб.]Pressure [kg/ cm2g ] 96,97 96.97 96,47 96.47 СО2 [нм3/ч]CO2 [nm 3 /h] 111 111 510 510 N2 [нм3/ч]N2 [nm 3 /h] 23 23 23 23 СН4 [нм3/ч]CH4 [nm 3 /h] 2337 2337 143 143 Н2 [нм3/ч]H2 [nm 3 /h] 372 372 7354 7354 СО [нм3/ч]CO [nm 3 /h] 1 1 1796 1796 Н2О [нм3/ч]H2O [nm 3 /h] 7111 7111 4518 4518 Общий поток (нм3/ч)Total flow (nm 3 /h) 9955 9955 14344 14344 ATpaBH,sMR [°C]AT paBH ,sMR [°C] 10 10 Мощность [кВт] Тепловой поток [кВт/м2]Power [kW] Heat flow [kW/m 2 ] 9899 2,2 9899 2.2

Пример 4.Example 4

В табл. 3 ниже приведен пример расчёта параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают углеводородный исходный поток, содержащий, помимо прочего, углеводородный газ, водород и пар. Исходный поток, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 28 бар, т.е. 28 кг/см2-г и имеет температуру 500°С.In table. 3 below is an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system of the invention is fed with a hydrocarbon feed stream containing, among other things, hydrocarbon gas, hydrogen and steam. The feed stream entering the reactor system is at a pressure of 28 bar, i.e. 28 kg/cm 2 -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 0,24x0,24x1,8 м. Каждая макроскопическая структура дополнительно имеет 4702 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 структурированный катализатор по зигзагообразному пути. На каждую макроскопическую структуру в реакторной системе по изобретению воздействует ток 500 А и напряжение приблизительно 792 кВт для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего над структурированным катализатором, 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 0.24x0.24x1.8 m. Each macroscopic structure additionally has 4702 channels with a square cross section 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 structured catalyst in a zigzag path. Each macroscopic structure in the reactor system of the invention is subjected to a current of 500 A and a voltage of approximately 792 kW to heat the structured catalyst and hence the gas passing over 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 - 4,1 м, если реакторная система имеет цилиндрическую форму со сферическими головками. В этой конкретной конфигурации структурированные катализаторы расположены в квадрате с длиной диагонали 1,7 м. Вокруг структурированных катализаторов 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 4.1 m if the reactor system is cylindrical with spherical heads. In this particular configuration, the structured catalysts are arranged in a square with a diagonal length of 1.7 m. Around the structured catalysts is an inert material that closes 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 1 и 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 exit temperature of 963 °C. From Table. 4 shows that the structured catalyst according to example 4 has a slightly smaller size 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.

- 19041440- 19041440

Таблица 4Table 4

Размер структурированного катализатора: Structured Size catalyst: Длина кромки [м] Edge length [m] 0,24 0.24 Высота [м] Height [m] 1,8 1.8 Количество макроскопических структур Number of macroscopic structures 25 25 Общий объём [л] Total volume [l] 2562 2562 Исходный газ source gas Газообразный продукт gaseous product Т[°С] T[°C] 500 500 963 963 Давление [кг/см2 изб.]Pressure [kg/ cm2g ] 27,97 27.97 27,47 27.47 СО2 [нм3/ч]CO2 [nm 3 /h] 168 168 727 727 N2 [нм3/ч]N2 [nm 3 /h] 26 26 26 26 СН4 [нм3/ч]CH4 [nm 3 /h] 2630 2630 164 164 Н2 [нм3/ч]H2 [nm 3 /h] 590 590 8545 8545 СО [нм3/ч]CO [nm 3 /h] 1 1 1907 1907 Н2О [нм3/ч]H2O [nm 3 /h] 8046 8046 5022 5022 Общий поток (нм3/ч)Total flow (nm 3 /h) 11461 11461 16391 16391 ATpaBH.SMR [°C] ATpaBH.SMR [°C] 10 10 Мощность [кВт] Тепловой поток [кВт/м2]Power [kW] Heat flow [kW/m 2 ] 9899 3,6 9899 3.6

Пример 5.Example 5

В табл. 4 ниже приведен пример расчёта параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают углеводородный исходный поток, содержащий, помимо прочего, углеводородный газ, водород и пар. Исходный поток, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 182 бар и имеет температуру 500°С.In table. 4 below is an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system of the invention is fed with a hydrocarbon feed stream containing, among other things, hydrocarbon gas, hydrogen and steam. The feed stream 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 структурированный катализатор 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 над структурированным катализатором, 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 structured catalyst 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 over 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 структурированные катализаторы расположены в квадрате с длиной диагонали 2,3 м. Вокруг структурированных катализаторов 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 structured catalysts are arranged in a square with a diagonal length of 2.3 m. Around the structured catalysts is an inert material that closes 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 по производству аммиака без дальнейшего сжатия. Таким образом, между реакторной системой и контуром синтеза аммиака не требуется использование компрессоров. Это значительно уменьшает общую стоимость установки с реакторной системой по изобретению и контура синтеза аммиака.Since the gaseous product leaving the reactor system is already at a pressure of 181 bar, it can be fed, for example, to an ammonia plant without further compression. Thus, compressors are not required between the reactor system and the ammonia synthesis loop. This significantly reduces the overall cost of the installation with the reactor system according to the invention and the ammonia synthesis loop.

-20041440-20041440

Таблица 5Table 5

Размер структурированного Structured Size катализатора: catalyst: Длина кромки [м] Edge length [m] 0,53 0.53 Высота [м] Height [m] 2,3 2.3 Количество макроскопических структур Number of macroscopic structures 9 9 Общий объём [л] Total volume [l] 5888 5888 Исходный газ source gas Газообразный продукт gaseous product Т[°С] T[°C] 500 500 1236 1236 Давление [кг/см2 изб.]Pressure [kg/ cm2g ] 181,97 181.97 181 181 СО2 [нм3/ч]CO2 [nm 3 /h] 86 86 395 395 N2 [нм3/ч]N2 [nm 3 /h] 21 21 21 21 СН4 [нм3/ч]CH4 [nm 3 /h] 2116 2116 96 96 Н2 [нм3/ч]H2 [nm 3 /h] 278 278 6648 6648 СО [нм3/ч]CO [nm 3 /h] 0 0 1711 1711 Н2О [нм3/ч]H2O [nm 3 /h] 6425 6425 4096 4096 Общий поток (нм3/ч)Total flow (nm 3 /h) 8926 8926 12967 12967 4TpaBH,SMR [°C]4Tpa BH ,SMR [°C] 10 10 Мощность [кВт] Тепловой поток [кВт/м2]Power [kW] Heat flow [kW/m 2 ] 9899 2,2 9899 2.2

Пример 6.Example 6

Пример 6 относится к реакторной системе, содержащей структурированный катализатор в виде макроскопической структуры 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 над структурированным катализатором, 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°С. Использовалась кинетическая модель аналогичная подходу, использовавшемуся в работе Xu and Froment, (J. Хи and 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. 11 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°C, 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. 11 заключается в том, что температуру для условий близких к равновесию непрерывно уменьшают 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 containing a structured catalyst in the form of a macroscopic structure 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, thus 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 over a structured catalyst, with gas with the following composition used in all calculations: 8.8% H 2 , 56.8% H 2 O, 0.2% N 2 , 0.1% CO, 2.3% CO 2 , 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 gaseous product leaving the reactor system containing the structured catalyst. . A kinetic model was used similar to that used by Xu and Froment, (J. Xu and 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. 11 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. 11 is that the temperature for conditions close to equilibrium is continuously reduced until pseudo-equilibrium is reached, when the heat supply and heat consumption are approximately equal to each other. From this point on, the temperature approaching equilibrium conditions remains practically constant or increases slightly due to the overall increase in the temperature of the reactor system.

Пример 7.Example 7

В табл. 6 ниже приведен пример расчёта параметров способа по изобретению. В реакторную систему по изобретению подают углеводородный исходный поток, содержащий, помимо прочего, углеводородный газ и водород. Исходный поток, поступающий в реакторную систему, находится под давлением 3,2 бар, т.е. 3,2 кг/см2-г и имеет температуру 500°С.In table. 6 below is an example of calculating the parameters of the method according to the invention. The reactor system of the invention is fed with a hydrocarbon feed stream containing, among other things, hydrocarbon gas and hydrogen. The feed stream entering the reactor system is at a pressure of 3.2 bar, i.e. 3.2 kg/cm 2 -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 0,24x0,24x1,8 м. Каждая макроскопическая структура дополнительно имеет 4702 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 черезA 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 0.24x0.24x1.8 m. Each macroscopic structure additionally has 4702 channels with a square cross section 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 parts, so that the current flows through

Claims (18)

структурированный катализатор по зигзагообразному пути. На каждую макроскопическую структуру в реакторной системе по изобретению воздействует ток 500 А и напряжение приблизительно 787 кВт для нагрева структурированного катализатора и, следовательно, газа, проходящего над структурированным катализатором, что соответствует подаваемой мощности 9858 кВт.structured catalyst in a zigzag path. Each macroscopic structure in the reactor system of the invention is subjected to a current of 500 A and a voltage of approximately 787 kW to heat the structured catalyst and hence the gas passing over the structured catalyst, corresponding to an input power of 9858 kW. Общий внутренний диаметр реакторной системы в этой конфигурации составляет 2,3 м, а общая внутренняя высота - 4,1 м, если реакторная система имеет цилиндрическую форму со сферическими головками. В этой конкретной конфигурации структурированный катализатор расположен 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 overall internal diameter of the reactor system in this configuration is 2.3 m and the overall internal height is 4.1 m if the reactor system is cylindrical with spherical heads. In this particular configuration, the structured catalyst is located in a square with a diagonal length of 1.7 m. Around the structured catalyst is an inert material that closes 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 дегидрогенизации пропана и термический крекинг с получением газообразного продукта с выходной температурой 600°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 propane dehydrogenation reaction and thermal cracking are carried out to obtain a gaseous product with an outlet temperature of 600°C. Таблица 6Table 6 Размер структурированного катализатора: Длина кромки [м] Высота [м] Количество макроскопических структур Общий объём [л] Т [°C] Давление [кг/см2 изб.] С3Н8 [нм3/ч] N2 [нм3/ч] Н2 [нм3/ч] СзН6 [нм3/ч] 0,24 1,8 25 2562 Исходный газ 500 3,24 18918 0,0 9450 0 Газообразный продукт 600 2,73 14747 0,0 12739 3721Structured catalyst size: Edge length [m] Height [m] Number of macroscopic structures Total volume [l] T [°C] Pressure [kg/cm 2 g] C 3 H 8 [nm 3 /h] N 2 [nm 3 /h] N 2 [nm 3 /h] CsN 6 [nm 3 /h] 0.24 1.8 25 2562 Feed gas 500 3.24 18918 0.0 9450 0 Product gas 600 2.73 14747 0.0 12739 3721 СН4 [нм3/ч] 43 487CH 4 [nm 3 /h] 43 487 С2Н6 [нм3/ч] 1338 1767C 2 H 6 [nm 3 /h] 1338 1767 С2Н4 [нм3/ч] 19 33C 2 H 4 [nm 3 /h] 19 33 Общий поток (нм3/ч) 29770 33495,8Total flow (nm 3 /h) 29770 33495.8 ДТаррлж [°C]DTarrl [°C] Мощность [кВт] Тепловой поток [кВт/м2] 9858 3,59Power [kW] Heat flux [kW/ m2 ] 9858 3.59 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Реакторная система для осуществления эндотермической реакции исходного газа, включающая структурированный катализатор, предназначенный для катализа указанной эндотермической реакции указанного исходного газа, 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;1. A reactor system for carrying out an endothermic reaction of the source gas, including a structured catalyst designed to catalyze the specified endothermic reaction of the specified source gas, while the specified structured catalyst contains a macroscopic structure of an electrically conductive material, while a ceramic coating is located on the specified macroscopic structure, while the specified the ceramic coating acts as a support for the catalytically active material; корпус высокого давления, в котором расположен указанный структурированный катализатор;a high pressure housing in which said structured catalyst is located; теплоизоляционный слой между указанным структурированным катализатором и указанным корпусом высокого давления; и по меньшей мере два проводника, электрически соединенные с указанным структурированным катализатором и с источником питания, который расположен вне указанного корпуса высокого давления, причем указанный источник электропитания выполнен с возможностью нагрева, по меньшей мере, части указанного структурированного катализатора до температуры по меньшей мере 200°C путем пропускания электрического тока через указанный электропроводящий материал;a heat-insulating layer between said structured catalyst and said pressure vessel; and at least two conductors electrically connected to said structured catalyst and to a power source that is located outside of said pressure vessel, said power source being configured to heat at least a portion of said structured catalyst to a temperature of at least 200° C by passing an electric current through said electrically conductive material; причем указанный корпус высокого давления включает входное отверстие для введения технологического газа и выходное отверстие для выведения газообразного продукта, при этом указанное входное отверстие расположено рядом с передней частью корпуса высокого давления, а выходное отверстие расположено рядом с задней частью корпуса высокого давления, при этом по меньшей мере два проводника соединены со структурированным катализатором в точке на структурированном катализаторе, расположенной ближе к входному отверстию, чем к выходному отверстию;wherein said pressure vessel includes an inlet for introducing a process gas and an outlet for removing a gaseous product, wherein said inlet is located adjacent to the front of the pressure vessel and the outlet is located adjacent to the rear of the pressure vessel, wherein at least at least two conductors are connected to the structured catalyst at a point on the structured catalyst closer to the inlet than to the outlet; и причем структурированный катализатор имеет электроизоляционные части, расположенные между проводниками, предотвращающие прохождение указанного тока через некоторую часть структурированного катализатора.and moreover, the structured catalyst has electrically insulating parts located between the conductors, preventing the passage of the specified current through some part of the structured catalyst. 2. Реакторная система по п.1, отличающаяся тем, что расчётное давление корпуса высокого давле-2. The reactor system according to claim 1, characterized in that the design pressure of the high pressure vessel is - 22 041440 ния находится в диапазоне 2-30 бар.- 22 041440 The range is 2-30 bar. 3. Реакторная система по п.1, отличающаяся тем, что расчётное давление корпуса высокого давления находится в диапазоне 30-200 бар.3. Reactor system according to claim 1, characterized in that the design pressure of the pressure vessel is in the range of 30-200 bar. 4. Реакторная система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что удельное сопротивление электропроводящего материала находится в диапазоне 10'5-10'7Q-m.4. Reactor system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the resistivity of the electrically conductive material is in the range of 10' 5 -10' 7 Qm. 5. Реакторная система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что указанные по меньшей мере два проводника проходят через корпус высокого давления в фитинге таким образом, что по меньшей мере два проводника электрически изолированы от корпуса высокого давления.5. Reactor system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said at least two conductors pass through the pressure vessel in the fitting in such a way that at least two conductors are electrically isolated from the pressure vessel. 6. Реакторная система по п.5, отличающаяся тем, что указанный корпус высокого давления дополнительно включает одно или более входных отверстий, расположенных рядом или в комбинации с по меньшей мере одним фитингом, чтобы обеспечить прохождение охлаждающего газа через, вокруг, рядом или внутри по меньшей мере одного проводника внутри указанного корпуса высокого давления.6. The reactor system according to claim 5, characterized in that said pressure vessel further includes one or more inlets located adjacent to or in combination with at least one fitting to allow the passage of cooling gas through, around, adjacent to or inside the at least one conductor inside said pressure vessel. 7. Реакторная система по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит внутреннюю трубу, между которой и структурированным катализатором осуществляется теплообмен, но которая электрически изолирована от структурированного катализатора, причем указанная внутренняя труба выполнена с возможностью отвода газообразного продукта из структурированного катализатора таким образом, что между газообразным продуктом, поступающим через внутреннюю трубу, осуществляется теплообмен с газом, поступающим через структурированный катализатор.7. Reactor system according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it further comprises an inner tube between which heat exchange takes place and the structured catalyst, but which is electrically isolated from the structured catalyst, said inner tube being configured to remove gaseous product from the structured catalyst. catalyst in such a way that between the gaseous product entering through the inner tube, heat exchange is carried out with the gas entering through the structured catalyst. 8. Реакторная система по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что соединение между структурированным катализатором и указанными по меньшей мере двумя проводниками представляет собой механическое соединение, сварное соединение, паяное соединение или их комбинацию.8. Reactor system according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the connection between the structured catalyst and said at least two conductors is a mechanical connection, a welded connection, a soldered connection, or a combination thereof. 9. Реакторная система по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что электропроводящий материал содержит макроскопическую структуру, которая изготовлена по технологии объёмной печати или путем экструзии и спекания, при этом на указанной макроскопической структуре расположено керамическое покрытие, при этом указанное керамическое покрытие выступает в качестве подложки каталитически активного материала.9. The reactor system according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the electrically conductive material contains a macroscopic structure, which is made by 3D printing technology or by extrusion and sintering, while a ceramic coating is located on said macroscopic structure, while said ceramic coating acts as a support for the catalytically active material. 10. Реакторная система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что структурированный катализатор содержит набор макроскопических структур, электрически соединенных друг с другом.10. Reactor system according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the structured catalyst comprises a set of macroscopic structures electrically connected to each other. 11. Реакторная система по любому из пп.9 или 10, отличающаяся тем, что указанная макроскопическая структура имеет множество параллельных каналов, множество непараллельных каналов и/или множество лабиринтных каналов.11. Reactor system according to any one of claims 9 or 10, characterized in that said macroscopic structure has a plurality of parallel channels, a plurality of non-parallel channels and/or a plurality of labyrinthine channels. 12. Реакторная система по любому из пп.1-11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит слой второго каталитического материала по ходу процесса перед указанным структурированным катализатором внутри указанного корпуса высокого давления.12. Reactor system according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it further comprises a layer of a second catalytic material in the course of the process in front of said structured catalyst inside said pressure vessel. 13. Реакторная система по п.11 или 12, отличающаяся тем, что дополнительно содержит третий каталитический материал в виде зерен катализатора, экструдатов или гранул катализатора, которые загружены в каналы указанной макроскопической структуры.13. The reactor system according to claim 11 or 12, characterized in that it additionally contains a third catalyst material in the form of catalyst grains, extrudates or catalyst granules, which are loaded into the channels of the specified macroscopic structure. 14. Реакторная система по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что дополнительно включает систему контроля, выполненную с возможностью контроля подачи электроэнергии, чтобы обеспечить нахождение температуры газа, выходящего из корпуса высокого давления, в предварительно определенном диапазоне и/или чтобы обеспечить нахождение степени конверсии исходного газа в предварительно определенном диапазоне.14. The reactor system according to any one of claims 1 to 13, characterized in that it further includes a control system configured to control the supply of electricity to ensure that the temperature of the gas exiting the pressure vessel is within a predetermined range and/or to ensure finding the degree of conversion of the source gas in a predetermined range. 15. Реакторная система по любому из пп.1-14, отличающаяся тем, что в указанной реакторной системе соотношение между эквивалентным диаметром площади горизонтального поперечного сечения структурированного катализатора и высотой структурированного катализатора находится в диапазоне 0,1-2,0.15. Reactor system according to any one of claims 1 to 14, characterized in that in said reactor system the ratio between the equivalent diameter of the horizontal cross-sectional area of the structured catalyst and the height of the structured catalyst is in the range of 0.1-2.0. 16. Реакторная система по любому из пп.1-15, отличающаяся тем, что высота реакторной системы составляет 0,5-7 м, более предпочтительно 0,5-3 м.16. Reactor system according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the height of the reactor system is 0.5-7 m, more preferably 0.5-3 m. 17. Способ осуществления эндотермической реакции исходного газа в реакторной системе по любому из пп.1-16, включающий следующие этапы:17. The method for carrying out an endothermic reaction of the source gas in the reactor system according to any one of claims 1 to 16, including the following steps: подачу указанного исходного газа в реакторную систему путем введения указанного технологического газа в точке, расположенной рядом с передней частью корпуса высокого давления;supplying said feed gas to the reactor system by introducing said process gas at a point adjacent to the front of the pressure vessel; обеспечение эндотермической реакции исходного газа над структурированным катализатором и отвод газообразного продукта из реакторной системы, причем указанный газообразный продукт выходит в точке, расположенной рядом с задней части корпуса высокого давления; и подачу тока через проводники, соединяющие источник питания, расположенный вне указанного корпуса высокого давления, в указанный структурированный катализатор, что позволяет осуществить пропускание тока через указанный электропроводящий материал, посредством чего обеспечивается нагрев, по меньшей мере, части структурированного катализатора до температуры по меньшей мере 200°C.providing an endothermic reaction of the source gas over the structured catalyst and the removal of the gaseous product from the reactor system, and the specified gaseous product exits at a point located near the rear of the pressure vessel; and supplying current through conductors connecting a power source located outside said pressure vessel to said structured catalyst, which allows current to be passed through said electrically conductive material, whereby at least a portion of the structured catalyst is heated to a temperature of at least 200 °C 18. Способ по п.17, дополнительно включающий сжатие указанного исходного газа до давления по меньшей мере 2 бар и подачу указанного сжатого исходного газа в реакторную систему посредством введения указанного сжатого исходного газа в указанной точке, расположенной рядом с передней частью18. The method of claim 17 further comprising compressing said feed gas to a pressure of at least 2 bar and supplying said compressed feed gas to the reactor system by introducing said compressed feed gas at said point adjacent the front --
EA202092761 2018-05-31 2019-05-15 ENDOTHERMIC REACTIONS WITH RESISTANCE HEATING EA041440B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201800249 2018-05-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA041440B1 true EA041440B1 (en) 2022-10-25

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11905173B2 (en) Steam reforming heated by resistance heating
US20210113983A1 (en) Endothermic reactions heated 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
US20220242727A1 (en) On demand hydrogen from ammonia
AU2020360751A1 (en) Cyanide on demand
US20220363537A1 (en) Synthesis gas on demand
US20230226516A1 (en) A structured catalyst
EA041440B1 (en) ENDOTHERMIC REACTIONS WITH RESISTANCE HEATING
EA041025B1 (en) RESISTANCE HEATED STEAM REFORMING
KR20220069071A (en) Coastal reforming plant or vessel
CA3220562A1 (en) A structured body for heating gas
EA047631B1 (en) STRUCTURED CATALYST