ES2284923T3 - Unidad de reformador compacta para producir hidrogeno a partir de hidrocarburos gaseosos en la gama de pequeñas producciones. - Google Patents

Unidad de reformador compacta para producir hidrogeno a partir de hidrocarburos gaseosos en la gama de pequeñas producciones. Download PDF

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Abstract

Unidad de reformador para producir hidrógeno a partir de un educto compuesto por una mezcla de hidrocarburo y agua con lo siguiente: a. un recipiente (1) de reactor; b. un conducto (2) de alimentación para alimentar un educto al recipiente (1) del reactor; c. un intercambiador (3) de calor conectado al conducto (2) de alimentación de educto como intercambiador de calor coaxial con un primer tubo (3a) exterior que está conectado al conducto (2) de alimentación, y un segundo tubo (3b) interior; d. otro intercambiador (5) de calor conectado al primer tubo (3a) del intercambiador (3) de calor, estando dispuesto dicho intercambiador (5) de calor alrededor de un espacio (6) del reformador; e. un conducto (8) conectado al intercambiador (5) de calor con al menos una abertura de salida para alimentar el educto gaseoso al espacio (6) del reformador, con una unidad de catalizador allí dispuesta que puede calentarse mediante un quemador (7); f. al menos un conducto (9) de evacuación para evacuar el reformado formado en el espacio (6) del reformador al segundo tubo (3b) del intercambiador (3) de calor, que está conectado en el otro extremo a un reactor (4) de desplazamiento; así como g. un conducto (11) de evacuación de producto para el gas de productos evacuado del reactor (4) de desplazamiento, y al menos un conducto (12) de evacuación para el gas de combustión procedente del recipiente (1) del reactor.

Description

Unidad de reformador compacta para producir hidrógeno a partir de hidrocarburos gaseosos en la gama de pequeñas producciones.
La invención se dirige a una unidad de reformador para producir hidrógeno a partir de un educto formado por una mezcla de hidrocarburo - agua.
A continuación, se describe un reformador de vapor de agua compacto que genera un gas de productos rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos o derivados de hidrocarburos con aporte de agua. El gas de productos puede emplearse, por ejemplo, en una célula de combustible en la que se genera corriente y calor.
El reformador es adecuado preferiblemente para producir un gas de productos que contiene hidrógeno para la alimentación de células de combustible en el intervalo de potencia descentralizada estacionaria. Los tamaños de la instalación oscilan desde la producción de corriente en el intervalo de MW, pasando por centrales combinadas en bloque eléctricas y de calefacción con algunos cientos de kW para el acoplamiento fuerza - calor, hasta una potencia eléctrica de 1 - 10 kW para la alimentación individual de casas unifamiliares y plurifamiliares. En especial, pueden fabricarse sistemas de alimentación de energía domésticos basados en el combustible gas natural para alimentar corriente y calor a los hogares. En relación con las dimensiones existe principalmente la posibilidad de integrar todo el sistema en un calentador de pared. Para la representación de reactores de producción de hidrógeno eficaces para los casos de aplicación citados deben adaptarse de forma óptima entre sí las fuentes de calor, los sumideros de calor y el nivel de temperatura dentro del reactor para minimizar la pérdida de calor al entorno.
Se sabe que mediante el reformado a vapor de hidrocarburos, en especial de metano como componente principal del gas natural, puede generarse un gas de productos que contiene hidrógeno.
El reformado con vapor de agua se desarrolla fundamentalmente de acuerdo con dos ecuaciones de reacción independientes
CH_{4} + H_{2}O \hskip0,2cm \rightarrow \hskip0,2cm CO + 3H_{2} \Delta_{R} H º = 206 kJ/mol, (1)
CH_{4} + 2H_{2}O \hskip0,2cm \rightarrow \hskip0,2cm CO_{2} + 4H_{2} \Delta_{R} H º = 165 kJ/mol (2)
con aporte de calor en un catalizador (por ejemplo, Ni o Pt) a temperaturas de reacción de 600 - 950ºC. El aporte de calor se realiza mediante un quemador que se hace funcionar con los gases de combustión mencionados. Dado que en función de los parámetros de reacción presión, temperatura y exceso de vapor de agua tras la fase de reformado se ajustan concentraciones de CO de hasta más de 10 en vol.%, a menudo se realizan a continuación dos fases de reacción adicionales para reducir la proporción de monóxido de carbono y obtener más hidrógeno, el denominado "convertidor de desplazamiento". La conversión tiene lugar según la reacción exotérmica homogénea del gas de agua.
CO + H_{2}O \hskip0,2cm \rightarrow \hskip0,2cm CO_{2} + H_{2} \Delta_{R} H º = 41 kJ/mol (3)
en dos niveles de temperatura, el desplazamiento a alta temperatura (desplazamiento AT) en un catalizador de Fe/Cr a temperaturas de entre 330 y 500ºC y el desplazamiento a baja temperatura (desplazamiento BT) en un catalizador de Cu/Zn a 190 a 280ºC. Después, la mezcla de gas rica en hidrógeno contiene además una proporción de monóxido de carbono de aproximadamente 0,5 - 1%.
Como resultado del reformado industrial a vapor de gas natural se obtiene un gas de productos compuesto por aproximadamente el 75% de hidrógeno.
En el reformado del gas natural - agua, el aporte del calor de reacción es el factor limitante y, por tanto, el punto central a la hora de desarrollar nuevos aparatos e instalaciones. A escala industrial se emplean en la mayoría de los casos reactores tubulares que, para conseguir una característica modular, se calientan desde fuera mediante un gas de combustión caliente. Un reactor de este tipo para el reformado con vapor de agua de gas natural se conoce por el documento de patente US 5 229 102. En este caso, el gas de educto se conduce a través de un sistema de tubos de doble pared relleno de catalizador, en el que se desarrollan las reacciones de reformado. El hidrógeno se extrae de forma selectiva del espacio de reformado, a través del tubo interior diseñado de forma porosa, hacia un espacio de extracción de hidrógeno. El espacio en el que tiene lugar la reacción de reformado se calienta mediante el gas de combustión caliente de varios quemadores que se disponen por fuera. No se prevé conectar las corrientes de calor internas, ni integrar fases de desplazamiento en el reformador.
En el caso de un reformador con vapor de agua descrito en el documento de patente EP 0195 688, el calor necesario para el reformado se aporta por medio de un quemador central que está rodeado por un tubo de cerámica. El gas de combustión caliente circula en un intersticio anular entre el tubo del quemador y un segundo espacio de reformado dispuesto concéntrico a éste, conduciéndose el gas de combustión y el educto (mezcla de gas de combustión/vapor de agua) en el mismo sentido. En otro desarrollo de las corrientes, el gas de combustión transmite calor adicional en contra de la corriente a la mezcla de educto, que atraviesa un primer espacio de reformado dispuesto de forma concéntrica al segundo espacio de reformado y conectado con éste de forma hidrodinámica.
Otros reactores de reformado se describen en el documento de patente US 5 164 163. En el dispositivo de reformado construido de forma cilíndrica que se muestra allí, un quemador está dispuesto de forma central en el interior del dispositivo para producir gas de combustión caliente. La mezcla de educto formada por gas de combustión y vapor de agua se conduce a través de dos tubos de doble revestimiento que rodean el quemador y están unidos entre sí por un lado.
En un dispositivo descrito en el documento de patente DE 197 21 630 C1 se emplea un quemador radiante para calentar superficialmente desde fuera el reactor de reformado configurado en dos partes. El reactor de reformado está compuesto por un reactor tubular interior y un reactor de intersticio anular que lo rodea con una separación. El gas de combustión caliente se conduce al reactor tubular en el intersticio entre el reactor tubular y el reactor de intersticio anular en sentido contrario a la corriente del gas natural. Los eductos se alimentan al reactor tubular mediante un intercambiador de calor realizado como hélice tubular y se calientan allí mediante el gas de combustión conducido en sentido contrario a la corriente. No se prevé utilizar el calor sensible del gas de productos que contiene hidrógeno, ni integrar fases de desplazamiento en el reformador.
Los sistemas conocidos en el estado de la técnica para producir hidrógeno no pueden hacerse más pequeños mediante una simple reducción de las dimensiones dado que en este caso se presentan pérdidas de calor desproporcionadamente altas. Además, para aplicaciones en el sector de suministro de energía doméstica se imponen altos requisitos de dinámica y volumen constructivo.
Por el documento EP-A-0 922 666 se conoce una unidad de reformador para producir hidrógeno a partir de una mezcla hidrocarburo - agua. Esta unidad de reformador comprende un recipiente con un conducto para alimentar un educto al recipiente. Además, la unidad de reformador presenta un intercambiador de calor conectado al conducto del educto con un primer tubo y un segundo tubo, estando dispuesto en el primer tubo del intercambiador de calor un segundo intercambiador de calor alrededor del reformador, y estando previsto un conducto entre el segundo intercambiador de calor y el reformador. El reformador comprende un catalizador dispuesto dentro que puede calentarse mediante un quemador, un conducto de evacuación entre el reformador y el segundo tubo del primer intercambiador de calor, así como un conducto de evacuación del producto procedente del reactor de desplazamiento y un conducto de evacuación para el gas de combustión.
Por el contrario, la invención se basa en el objetivo de facilitar una solución para una unidad de reformador compacta con un diseño térmicamente integrado que permita una mejora del intercambio de calor entre el educto y el gas de combustión, por una parte, y el gas de producto, por otra parte.
Este objetivo se alcanza gracias a una unidad de reformador para producir hidrógeno a partir de un educto formado por una mezcla de hidrocarburo - agua con lo siguiente:
a.
un recipiente de reactor;
b.
un conducto de alimentación para alimentar un educto al recipiente de reactor;
c.
un intercambiador de calor conectado al conducto de alimentación de educto como intercambiador de calor coaxial con un primer tubo exterior que está conectado al conducto de alimentación y un segundo tubo interior;
d.
otro intercambiador de calor conectado al primer tubo del intercambiador de calor que está dispuesto alrededor de un espacio del reformador;
e.
un conducto conectado al intercambiador de calor con al menos una abertura de salida para alimentar el educto en forma gaseosa al espacio del reformador con una unidad de catalizador allí dispuesta que puede calentarse mediante un quemador;
f.
al menos un conducto de evacuación para evacuar el reformado formado en el espacio del reformador al segundo tubo del intercambiador de calor, que está conectado por el otro extremo a un reactor de desplazamiento; así como
g.
un conducto de evacuación de producto para el gas de productos evacuado del reactor de desplazamiento y al menos un conducto de evacuación para el gas de combustión procedente del recipiente del reactor.
Por tanto, mediante la invención se facilita un reactor de reformado con vapor de agua eficaz y compacto para el empleo en sistemas de células de combustible descentralizados en el intervalo de baja potencia.
La unidad de reformador según la invención presenta un volumen constructivo compacto, en el que todos los reactores e intercambiadores de calor están alojados en una carcasa. El rendimiento de producción de hidrógeno (valor calorífico menor de hidrógeno producido en función del menor valor calorífico del combustible para el reformado y la alimentación del quemador) del reformador en el funcionamiento a carga nominal se sitúa en aprox. 80% y, por tanto, se sitúa en el orden de magnitud de las instalaciones industriales para la producción de hidrógeno.
Para aplicar el calor necesario en el espacio de reacción se emplea en la configuración según la invención del reformador de vapor de agua, o bien un quemador radiante, o bien un quemador con una o varias fuentes de calor puntuales. El gas de combustión y el gas de productos se conducen en contra de la corriente de educto, en este caso en contracorriente. Además, las corrientes de calor internas del reformador de vapor de agua están conectadas según la invención de manera que para la regulación del nivel de temperatura no son necesarios conductos de refrigeración u otros elementos de calefacción.
En un proceso de reformado se emplea preferiblemente un intercambiador de calor coaxial que tiene un primer tubo exterior y un segundo tubo interior que está rodeado por el tubo exterior, conduciéndose en el tubo exterior la mezcla de educto - agua en dirección al espacio del reformador, mientras que en el tubo interior se conduce el reformado desde el espacio del reformador al reactor de desplazamiento. Al mismo tiempo, en este caso la pared exterior del tubo exterior se solicita con el gas de combustión caliente, de modo que a ambos lados tiene lugar una transmisión de calor intensiva a la mezcla de educto - agua que ha de calentarse.
Por tanto, la invención prevé en el diseño una unidad de reformador en la que el intercambiador de calor coaxial conectado al conducto de alimentación de educto está rodeada por un tubo exterior para alojar otro fluido emisor de calor, estando conectados cada uno de los conductos de alimentación y evacuación para los fluidos emisores de calor y el fluido receptor de calor con los tubos correspondientes, de manera que el fluido que ha de calentarse se conduce en el tubo en sentido contrario a la corriente de los dos fluidos emisores de calor.
También resulta ventajosa una configuración de la invención que se caracteriza porque el intercambiador 3 de calor coaxial conectado al conducto 2 de alimentación de educto está rodeado por un tubo exterior para alojar otro fluido emisor de calor, estando conectados en cada caso los conductos de alimentación y evacuación para los fluidos emisores de calor y el fluido receptor de calor en los tubos correspondientes de modo que el fluido que ha de calentarse en el tubo 3a se conduce en sentido contrario a la corriente respecto a los dos fluidos emisores de calor.
De forma conveniente, según la variante de la invención, el intercambiador de calor conectado al conducto de alimentación de educto está dispuesto alrededor del reactor de desplazamiento, que está realizado preferiblemente como reactor de desplazamiento a baja temperatura.
Además, la invención prevé que el conducto presente varias aberturas de salida o un intersticio para alimentar el educto gaseoso al espacio del reformador.
Finalmente, la invención se caracteriza porque el conducto de salida de producto está conectado a una unidad para depurar el gas de productos, preferiblemente para reducir el contenido de CO en el gas de productos.
El reactor de desplazamiento puede estar realizado como reactor de desplazamiento a baja temperatura, el cual funciona normalmente en el intervalo de temperaturas entre 180 y 250ºC, o, en función de las condiciones, como reactor de desplazamiento a alta temperatura, que normalmente funciona en el intervalo de temperaturas entre 350 y 500ºC. En relación con la forma constructiva compacta del reformador y el régimen de temperatura posible con esto en el recipiente del reactor, se prefiere la realización como reactor de desplazamiento a baja temperatura.
Al reformador de vapor de agua se alimentan como educto agua líquida y gas de combustión, al quemador se alimenta aire y gas de combustión. Como productos se evacuan gas de combustión y gas de productos. El gas de combustión caliente sirve principalmente para facilitar el calor de reacción endotérmico de las reacciones de reformado. Además, en el desarrollo adicional de la corriente se emplea tanto el calor sensible del gas de combustión caliente, como también el reformado para calentar previamente el educto (gas de combustión y agua líquida).
Las corrientes de calor internas están acopladas de tal manera que para la regulación del nivel de temperatura no son necesarios conductos de refrigeración u otros elementos de calefacción. La regulación tiene lugar mediante la dosificación de las corrientes de educto: la temperatura del reformador se regula mediante la potencia de combustión y la temperatura de desplazamiento dentro de los límites mediante la relación vapor a carbón (S/C, Steam-to-Carbon). En este caso, la relación S/C es preferiblemente 2-4, de forma especialmente preferida, de 3.
En el recipiente de reacción están previstas en la unidad de reformador una zona superior y una zona inferior, estando previstos en la zona superior tanto los conductos para la alimentación del educto, como también para la evacuación del gas de productos y el gas de combustión. Preferiblemente, el conducto de alimentación está conectado directamente con el primer intercambiador de calor, que preferiblemente está dispuesto en forma de espiral alrededor del reactor de desplazamiento para el intercambio de calor.
Desde el extremo inferior del primer intercambiador de calor se alimenta el gas de productos calentado a un segundo intercambiador de calor, en el que el intercambio de calor únicamente tiene lugar entre el gas de combustión evacuado del espacio de combustión y el gas de productos ya calentado que se encuentra en el interior del segundo intercambiador de calor.
Desde el segundo intercambiador de calor se conduce cerca del suelo del recipiente de reacción el otro gas de educto calentado en el espacio alrededor del quemador, donde el gas de educto se evacua desde el conducto de alimentación al espacio alrededor del quemador y se somete al reformado en la unidad de catalizador.
Por encima de la unidad de catalizador se encuentra preferiblemente una cavidad, desde la cual un conducto de evacuación del reformado dispuesto preferiblemente en el centro se alimenta al tubo interior del primer intercambiador tubular y se conduce en sentido contrario a la corriente del educto alimentado.
El diseño compacto del reformador con vapor de agua como una unidad compuesta por reformador, quemador del reformador, reactor de desplazamiento y, opcionalmente, depuración fina de gas de CO puede realizarse en el intervalo de potencia de 500 watt a 50 kW. En combinación con una célula de combustible pueden mostrarse instalaciones de suministro de energía doméstica para el suministro de corriente y agua a los hogares. En relación con las dimensiones, todo el sistema puede integrarse en un calentador de pared.
Para aportar el calor necesario en el espacio de reacción, en el reformador de vapor de agua se emplea, o bien un quemador radiante, o bien un quemador con una o varias fuentes de calor puntuales. Para esto se ofrece una disposición concéntrica en la que el aporte de calor se realiza por radiación y convección. En este caso el gas de combustión y la mezcla de educto (gas de combustión y agua) se conducen en sentido contrario a la corriente.
La temperatura de reacción alcanzada determina de forma decisiva la transformación del combustible de reformador empleado, por una parte, mediante la situación del equilibrio termodinámico y, por otra parte, mediante el aumento de la velocidad de la reacción, y, por tanto, repercute de forma decisiva en el rendimiento. La temperatura del reformador puede regularse mediante la potencia del quemador. Con la conexión de transmisión de calor por radiación y transmisión de calor por convección del gas de combustión en sentido contrario a la corriente del educto (mezcla de gas de combustión - vapor de agua) puede ajustarse en la zona superior del catalizador del reformador, con una potencia del quemador lo más reducida posible, una temperatura de reacción suficientemente alta. El rendimiento de un reformador a vapor depende en gran medida de la relación de la corriente de gas de combustión para el reformado respecto a la corriente de gas necesaria para el quemador. Cuanto mayor sea esta relación, mayor es también el rendimiento del sistema de reformador.
En el primer intercambiador de calor en el dispositivo reformador tiene lugar el calentamiento previo del educto (combustible y agua), en la realización como intercambiador de calor coaxial, en el intersticio anular, simultáneamente mediante la refrigeración del reformado desde dentro (de aproximadamente 700ºC a 200ºC) y mediante la reducción de la temperatura del gas de combustión en el lado exterior. Por tanto, en la construcción está prevista preferiblemente una hélice coaxial del intercambiador de calor. El reformado caliente se conduce al tubo interior, la mezcla de educto fría se conduce al espacio intermedio y el gas de combustión caliente alrededor de la hélice, siendo posibles aquí la conducción en el mismo sentido de la corriente y en sentido contrario a ésta. La hélice del intercambiador de calor puede disponerse preferiblemente de forma que ahorre espacio alrededor de un reactor de desplazamiento a baja temperatura. Con esto es posible al mismo tiempo una refrigeración de este reactor.
La unidad de reformador comprende también un intercambiador de calor en sentido contrario a la corriente compuesto por un tubo interno para alojar un fluido que emite calor y un tubo de intersticio anular que rodea el tubo interior para alojar el fluido que ha de calentarse, también denominado, "tubo doble espiral" o "intercambiador de calor coaxial", y un tubo exterior que rodea el intercambiador de calor, alimentándose el educto al tubo de intersticio anular en el sentido contrario a la corriente del gas de productos conducido en el tubo interior y en el sentido contrario a la corriente del gas de combustión que circula por fuera del tubo de intersticio anular, y desde este intercambiador de calor, dado el caso mediante otro intercambiador de calor, a la zona del reformador para la transformación catalítica. El tubo exterior que rodea al intercambiador de calor coaxial puede estar configurado en forma del recipiente de
reactor.
En este caso el intercambiador de calor coaxial está dispuesto preferiblemente en el recipiente de reactor con devanados separados coaxialmente preferiblemente de modo que el gas de combustión caliente evacuado del espacio de combustión circula alrededor del intercambiador de calor coaxial, al menos en el espacio intermedio del tubo doble helicoidal. En una realización, el tubo doble helicoidal está dispuesto alrededor de un reactor de desplazamiento que está realizado preferiblemente como reactor de desplazamiento a baja temperatura.
En otra forma de realización del intercambiador de calor en contracorriente, éste está configurado en forma de un intercambiador de calor en contracorriente con un bloque de cilindros huecos con dos cilindros huecos que, con igual longitud axial, tienen un diámetro diferente y están dispuestos encajados uno dentro de otro, y con un tubo helicoidal para alojar un fluido receptor del calor, estando dispuesto el tubo helicoidal en el intersticio cilíndrico anular entre los dos cilindros huecos, y estando el tubo helicoidal en contacto de forma estanca con la pared exterior e interior de
éstos.
En este caso, el intersticio anular cilíndrico entre los cilindros huecos está cerrado por el extremo en los dos lados mediante una placa de cierre anular, y en las placas de cierre existe en cada caso al menos un conducto de alimentación o evacuación para los fluidos conducidos en sentido contrario a la corriente en el tubo helicoidal o el intersticio anular cilíndrico.
Rodeando al bloque de cilindros huecos está previsto con una separación un tubo exterior con alimentación y evacuación para alojar otro fluido emisor de calor, estando previstos en cada caso conductos de alimentación y evacuación para los fluidos emisores de calor y el fluido receptor de calor en los compartimentos correspondientes, y conduciéndose el fluido que ha de calentarse en el tubo de intersticio anular en sentido contrario a la corriente de los dos fluidos emisores de calor.
El lado exterior del bloque de cilindros huecos se solicita con el gas de combustión caliente, lo que conduce a un intercambio de calor adicional con el interior del cilindro doble.
De forma convencional, en las instalaciones de producción de hidrógeno se emplean dos reactores de desplazamiento a diferente nivel de temperatura para la transformación del monóxido de carbono con agua a dióxido de carbono e hidrógeno. Las razones que motivan esto son con frecuencia una mayor velocidad de reacción a mayor temperatura (\sim 400ºC) y un equilibrio adicional en el lado del CO_{2} a menor temperatura (\sim 200ºC). Además, en la reacción exotérmica, gracias al uso de un reactor de desplazamiento de alta temperatura (reactor de desplazamiento AT), se libera el calor a un nivel de temperatura mayor y puede utilizarse mejor industrialmente.
En el reformador a vapor compacto según la invención puede prescindirse preferiblemente de un reactor de desplazamiento AT para así reducir el volumen constructivo y para simplificar la integración del calor. El calor distribuido en caso contrario en dos reactores se libera así en un reactor y puede utilizarse mejor. Además, al prescindir del desplazamiento de alta temperatura, se simplifica la regulación de la instalación dado que el valor de temperatura debe controlarse y regularse menos. Además, al utilizar el catalizador de desplazamiento de alta temperatura que contiene hierro / cromo, debido a la separación de la carga inicial de azufre, debe preverse un conducto de derivación alrededor del reactor de desplazamiento a baja temperatura para que el catalizador de desplazamiento a baja temperatura no se intoxique. En la configuración preferida descrita del reformador a vapor, puede prescindirse de este conducto adicional y la regulación correspondiente.
A continuación, se explicará la invención de forma detallada mediante los dibujos. Muestran:
la figura 1, una representación esquemática de la unidad de reformador para producir hidrógeno mediante reformado con vapor de agua de hidrocarburos;
la figura 2, una representación esquemática del calentamiento de la mezcla de educto mediante el gas de combustión caliente y el gas de productos (reformado) según la invención;
la figura 3, la conexión técnica de la unidad de reformador.
En la forma de realización según la figura 1, la unidad 1 de reformador cilíndrica presenta un conducto 2 de entrada de educto. Mediante el conducto 2 se conducen el hidrocarburo que va a reformarse y el agua líquida en una relación S/C preajustada en el intersticio 3a anular del intercambiador 3 de calor coaxial. La hélice 3 del intercambiador de calor coaxial está dispuesta de forma concéntrica alrededor del reactor 4 de desplazamiento a baja temperatura.
En el tubo 3b interior de la hélice del intercambiador de calor coaxial se conduce el reformado caliente procedente de la zona de reformado en sentido contrario a la corriente de la mezcla de educto, mientras que el gas de combustión caliente atraviesa desde fuera la hélice del intercambiador de calor coaxial. Por tanto, en el intercambiador de calor coaxial citado tiene lugar el calentamiento previo y la evaporación del educto en el intersticio anular gracias al enfriamiento simultáneo del reformador desde dentro y mediante la reducción de la temperatura del gas de combustión en el lado exterior. En la forma constructiva mostrada, la mezcla de educto se conduce en el sentido contrario a la corriente tanto del reformado, como también del gas de combustión.
Tras atravesar la hélice 3 del intercambiador de calor coaxial se conduce el educto a otra hélice 5 tubular que está dispuesta de forma concéntrica alrededor del espacio 6 del reformador y el quemador 7. La mezcla de educto se calienta adicionalmente mediante el gas de combustión caliente que pasa por el lado exterior de la hélice tubular en sentido contrario a la corriente y se conduce al espacio 6 del reformador pasando por el tubo 8 distribuidor de gas.
Tras atravesar el espacio 6 del reformador, los eductos reformados llegan a la zona superior del reformador y se evacuan mediante el conducto 9 y se alimentan al tubo 3b interior de la hélice 3 del intercambiador de calor coaxial.
El espacio 6 del reformador está configurado aquí preferiblemente como intersticio anular concéntrico alrededor del quemador 7, que está limitado hacia arriba mediante una cúpula, por ejemplo, en forma de un suelo de fondo abovedado o en forma de un disco circular plano. La sección transversal de la zona superior del reformador está diseñada de forma circular. En la zona de entrada del reformador se prevé un volumen 10 libre para la distribución homogénea del gas por la sección transversal de la corriente. Esto puede realizarse constructivamente mediante un fondo perforado que porta el material catalizador.
La zona del reformador puede estar dividida en una zona pre-reformador y una zona principal del reformador en las que pueden emplearse diferentes catalizadores que están activos a las temperaturas dominantes. Asimismo, los diferentes catalizadores pueden separarse además mediante acumulaciones ciegas no activas catalíticamente o mediante otros fondos perforados. Gracias a esta distribución de la temperatura, el pre-reformador se emplea en la zona de entrada y el reformador principal, en la zona de salida. Los dos catalizadores pueden contener, por ejemplo, Pt o Ni y estar compuestos por una acumulación o panal recubierto. El conducto 9 puede estar dispuesto centrado en el centro de la zona superior del reformador o también de forma radial.
Al quemador 7 se alimenta gas natural o un gas de escape anódico que contiene hidrógeno de una célula de combustible, así como aire mediante alimentación de gas de combustión y aire, no mostrada. El gas de combustión que se origina durante la combustión sirve para calentar el espacio del reformador.
La unidad 1 de reformador cilíndrica y la zona 6 del reformador están dotadas preferiblemente de una capa de aislamiento para el aislamiento térmico.
La espiral 3 coaxial del intercambiador de calor está compuesta según la figura 2 por un tubo 3b interior en el que se refrigera el reformado que sale del reformador 6 y un tubo 3a exterior que conduce el educto frío (mezcla de hidrocarburo - agua). Alrededor del tubo 3b exterior fluye gas de combustión que conduce a un precalentamiento adicional del educto. Este intercambio de calor doble de la mezcla de educto al reformado que contiene hidrógeno y al gas de combustión puede tener lugar en cada caso en el sentido de la corriente o, preferiblemente, en el sentido contrario a ésta. La ventaja de la construcción mostrada consiste en un tamaño constructivo reducido.
Aunque en la figura 1 se muestra una unidad de reformador con reformador y un reactor de desplazamiento a baja temperatura dispuesto a continuación en la conducción subsiguiente del reformado, el cual funciona normalmente en el intervalo de temperatura entre 180 y 250ºC, también es posible, o también resulta necesario en función de las condiciones, prever entre el reformador y el reactor de desplazamiento a baja temperatura otro reactor de desplazamiento que puede estar realizado como reactor de desplazamiento a baja temperatura o alta temperatura y que funciona normalmente en el intervalo de temperaturas entre 350 y 500ºC. En este caso, se conduce reformado desde el espacio del reformador a este primer reactor de desplazamiento y, en sentido contrario a la corriente del educto ya precalentado, al reactor de desplazamiento a baja temperatura, realizándose preferiblemente la conducción del educto, el reformado y el gas de combustión de forma correspondiente a la conducción en el caso del reactor de desplazamiento a baja temperatura tal como se ha mostrado anteriormente.
Lista de números de referencia
Unidad 1 de reformador
Conducto 2 de entrada del educto
Intercambiador 3 de calor coaxial
con tubo 3a de intersticio anular y tubo 3b interior
Reactor 4 de desplazamiento
Hélice 5 tubular
Espacio 6 del reformador
Quemador 7
Tubo 8 distribuidor de gas
Conducción 9
Volumen 10 libre.

Claims (6)

1. Unidad de reformador para producir hidrógeno a partir de un educto compuesto por una mezcla de hidrocarburo y agua con lo siguiente:
a.
un recipiente (1) de reactor;
b.
un conducto (2) de alimentación para alimentar un educto al recipiente (1) del reactor;
c.
un intercambiador (3) de calor conectado al conducto (2) de alimentación de educto como intercambiador de calor coaxial con un primer tubo (3a) exterior que está conectado al conducto (2) de alimentación, y un segundo tubo (3b) interior;
d.
otro intercambiador (5) de calor conectado al primer tubo (3a) del intercambiador (3) de calor, estando dispuesto dicho intercambiador (5) de calor alrededor de un espacio (6) del reformador;
e.
un conducto (8) conectado al intercambiador (5) de calor con al menos una abertura de salida para alimentar el educto gaseoso al espacio (6) del reformador, con una unidad de catalizador allí dispuesta que puede calentarse mediante un quemador (7);
f.
al menos un conducto (9) de evacuación para evacuar el reformado formado en el espacio (6) del reformador al segundo tubo (3b) del intercambiador (3) de calor, que está conectado en el otro extremo a un reactor (4) de desplazamiento; así como
g.
un conducto (11) de evacuación de producto para el gas de productos evacuado del reactor (4) de desplazamiento, y al menos un conducto (12) de evacuación para el gas de combustión procedente del recipiente (1) del reactor.
2. Unidad de reformador según la reivindicación 1, caracterizada porque el intercambiador (3) de calor coaxial conectado al conducto (2) de alimentación de educto está rodeado por un tubo exterior para recibir otro fluido emisor de calor, estando conectados en cada caso los conductos de alimentación y evacuación para los fluidos emisores de calor y el fluido receptor de calor a los tubos correspondientes de modo que el fluido que ha de calentarse se conduce en el tubo (3a) en sentido contrario a la corriente de los dos fluidos emisores de calor.
3. Unidad de reformador según la reivindicación 1, caracterizada porque el intercambiador (3) de calor conectado al conducto (2) de alimentación de educto es un intercambiador de calor en contracorriente que presenta un bloque de cilindros huecos con dos cilindros huecos, que, con igual longitud axial, tienen un diámetro diferente y están dispuestos encajados uno dentro del otro, y un tubo helicoidal para recibir un fluido receptor de calor, estando dispuesto el tubo helicoidal en el intersticio anular cilíndrico entre los dos cilindros huecos, y el tubo helicoidal está en contacto de forma estanca con la pared exterior o interior de los mismos, estando cerrado el intersticio anular cilíndrico entre los cilindros huecos por los dos lados finales mediante una placa de cierre anular, y estando presente en cada una de las placas de cierre al menos un conducto de alimentación o evacuación para los fluidos conducidos en sentido contrario a la corriente en el tubo helicoidal o el intersticio anular cilíndrico.
4. Unidad de reformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el intercambiador (3) de calor conectado al conducto (2) de alimentación de educto está dispuesto alrededor del reactor (4) de desplazamiento, que está realizado preferiblemente como reactor de desplazamiento a baja temperatura.
5. Unidad de reformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el conducto (8) presenta varias aberturas de salida o un intersticio para alimentar el educto gaseoso al espacio (6) del reformador.
6. Unidad de reformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el conducto (11) de salida de producto está conectado a una unidad para la depuración del gas de productos, preferiblemente para la reducción del contenido de CO en el gas de productos.
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