ES2861517T3 - Reformador de vapor - Google Patents

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Gerard Westendorp
Dam Johannes Avertanus Josef Ten
Jacobus Gerardus Wihelminus Adele Smolenaars
Driel Marinus Van
Jongh Walter Ricor De
Marco Rep
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Abstract

Aparato (23, 30) para convertir un gas de alimentación (28) que comprende compuestos orgánicos y vapor de agua en un gas producto (29) que esencialmente contiene dióxido de carbono e hidrógeno, que comprende - una parte de reformador (24) con al menos una cámara de reacción (15) dotada con un orificio de entrada (26) para gas de alimentación (28) y un orificio de salida (27) para gas producto (29) y la cual está limitada por la pared interior de un tubo exterior (4) cerrado en uno de sus extremos y la pared exterior de un tubo interior (14) dispuesto coaxialmente en este tubo exterior y abierto en ambos extremos, y - una parte de horno (25) para calentar la cámara de reacción (15), - en donde el orificio de entrada (26) está formado por el extremo abierto del tubo interior (14) distalmente del extremo cerrado del tubo exterior (4), y el orificio de salida (27) está formado por el extremo abierto del tubo exterior (4), - en donde la parte de reformador (24) está provista de una cámara de salida (10), en una primera pared (31) de donde desemboca el extremo abierto del tubo exterior (4), dicha cámara de salida (10) está provista de una segunda pared (12) opuesta a la primera pared (31), caracterizado por que la parte de reformador (24) está provista de una cámara de entrada (11) que está limitada por la segunda pared (12) de la cámara de salida (10) y una tercera pared (47) opuesta a esta segunda pared (12) y acoplada libremente a la segunda pared (12), y la segunda pared (12) está provista de un orificio de inserción que se puede cerrar (13) opuesto al tubo exterior (4) que permite que el tubo interior (14) se introduzca en el tubo exterior (4), en donde el tubo interior (14) está fijado mediante pestañas (32) a la segunda pared (12) y la tercera pared (47) está acoplada de forma liberable a la cámara de salida (10) por medio de pestañas (33, 34).

Description

DESCRIPCIÓN
Reformador de vapor
La presente invención se refiere a un aparato para convertir un gas de alimentación que comprende compuestos orgánicos y vapor de agua en un gas producto que esencialmente contiene dióxido de carbono e hidrógeno, que comprende
- una parte de reformador con al menos una cámara de reacción que está provista de un orificio de entrada para gas de alimentación y un orificio de salida para gas producto y la cual está limitada por la pared interior de un tubo exterior cerrado en uno de sus extremos y la pared exterior de un tubo interior dispuesto coaxialmente en este tubo exterior y abierto en ambos extremos, y
- una parte de horno para calentar la cámara de reacción.
En tal aparato, que se conoce como reformador de vapor, tiene lugar la siguiente reacción.
Cx Hy Oz (2x-z) H2O -> x CO2 + (2x-z+y/2) H2
Esta reacción es endotérmica, así que se necesita calor para sostener la reacción.
Se conoce un aparato así, por ejemplo, por el documento de patente alemana DE 2705324 A1. El aparato descrito en esta publicación comprende un número de tubos exteriores paralelos que están cerrados en su extremo inferior, suspendidos en su extremo superior desde una placa de transporte compartida y calentados desde el exterior con, por ejemplo, gases de escape o gas de helio. El gas de alimentación entra aquí en los tubos exteriores por arriba, cambia la dirección en la parte inferior y seguidamente fluye hacia arriba a través del tubo interior.
Cuando se calienta con gases de escape, se emplea una serie de quemadores, como es conocido, por ejemplo, por el documento de patente europea EP 1734002 A2.
Un problema del diseño de un reformador de vapor es que para una conversión química óptima la temperatura es cercana o mayor que la temperatura a la que se degradan los materiales a emplear para la cámara del reactor. El catalizador a emplear se mantiene en los casos típicos a una temperatura de 800 °C, mientras que las paredes de la cámara de reacción no deben superar una temperatura de unos 900 °C. No obstante, aquí se ha de hacer uso de gases de combustión que normalmente tienen una temperatura de unos 1600 °C.
En los aparatos conocidos se aplican una pluralidad de quemadores para calentar una pluralidad de tubos exteriores. Es necesaria una pluralidad de quemadores para poder conseguir una temperatura uniforme de los tubos exteriores a una potencia menor que la potencia máxima de los quemadores.
El uso de una pluralidad de quemadores es un factor que encarece el coste en el diseño del aparato. Un horno con una pluralidad de quemadores además tiene la desventaja de que se emiten los gases de combustión del mismo, tras el intercambio de calor con los tubos exteriores, a una temperatura relativamente alta, con el efecto del incremento de los costes de funcionamiento del reformador de vapor.
El documento de patente estadounidense US 6 667 014 B1 revela un reformador de vapor para convertir un combustible de reactor en un gas producto, dicho reformador incluye un lecho del catalizador que está formado por bloques catalizadores que están configurados para coincidir con la configuración de la cámara del lecho del catalizador. En este reformador, se suministran flujos de gas calentado, consistente en productos de la combustión, directamente desde la cámara de combustión a la superficie exterior de la pared exterior de la cámara de reacción, calentando de este modo la cámara de reacción considerablemente mediante convección. No se da a conocer nada sobre el modo de acceder al interior de los tubos exteriores, por ejemplo para mantenimiento o reparación.
Es un objeto de la invención proporcionar un reformador de vapor que sea de construcción compacta y que pueda ser diseñado y operado de forma que se reduzcan los costes.
Estos objetivos se cumplen, y se consiguen otras ventajas, con un aparato del tipo indicado en la reivindicación 1. A diferencia de en un reformador de vapor de la técnica anterior, el gas de alimentación en un aparato según la invención entra a los tubos interiores, cambia la dirección al final de estos tubos exteriores y fluye hacia afuera a través del tubo exterior intercambiando calor con el horno.
Se ha descubierto que se puede conseguir una inesperadamente buena transferencia de calor en un reformador de vapor con tal dirección de flujo del gas de alimentación, en el cual la temperatura del tubo exterior es relativamente homogénea y se puede por consiguiente alimentar tanto calor como sea posible al espacio del reactor sin exceder localmente la temperatura máxima del tubo permitida a pesar del hecho de que el flujo no sea relativamente homogéneo en todas partes.
En un aparato según la invención, el interior de los tubos exteriores es de un acceso especialmente fácil, por ejemplo para mantenimiento o reparación.
La parte de reformador se dota de una cámara de entrada que está limitada por la segunda pared de la cámara de salida y una tercera pared opuesta a esta segunda pared y acoplada libremente a la segunda pared.
En otra forma de realización la cámara del reactor comprende un material catalizador que por ejemplo está dotado en al menos una parte de una lámina portadora dispuesta alrededor del tubo interior.
A fin de aumentar el área de superficie efectiva de la lámina portadora, esta lámina por ejemplo, en una sección transversal a través del tubo interior y exterior, tiene una estructura periódica de picos y valles sucesivos.
En una forma de realización subsiguiente, en donde la cámara del reactor está provista de un intercambiador de calor para transferir el calor entre el gas de alimentación suministrado a través del tubo interior y el gas producto que fluye a través de la cámara del reactor, el intercambiador de calor está formado por una lámina de un material termoconductor dispuesto alrededor de al menos una parte del tubo interior, teniendo esta lámina en una sección transversal a través del tubo interior y exterior una estructura periódica de picos y valles sucesivos.
En una forma de realización preferida de un aparato según la invención en el que la parte de horno comprende un quemador, una cámara de combustión y una sección de transferencia de calor, la sección de transferencia de calor se dota de al menos un tubo de transferencia de calor que está cerrado en un extremo exterior y mediante el cual al menos un tubo exterior de la parte de reformador está encerrado.
A diferencia de en el aparto de la técnica anterior, la transferencia de calor en un aparato según esta forma de realización desde la parte de horno hasta la parte de reformador no tiene lugar sustancialmente por medio de convección sino por medio de radiación. Esta transferencia de calor por medio de radiación contribuye adicionalmente a una distribución uniforme de temperatura en la cámara del reactor.
Tal aparato según esta forma de realización proporciona además la ventaja de que es posible, de una manera particularmente sencilla, colocar uno o más sensores de temperatura, por ejemplo termopares, en el espacio entre la parte de horno y la parte de reformador.
A fin de mejorar el buen contacto entre los gases de combustión del quemador con la pared exterior del tubo de transferencia de calor, la parte de horno por ejemplo comprende un canal de descarga para gases de combustión que está formado por la pared exterior del tubo de transferencia de calor y una cubierta cilíndrica coaxial que se extiende alrededor de esta pared y provista de orificios de paso.
Los orificios de paso están por ejemplo provistos en una parte de la cubierta cilíndrica proximalmente al extremo cerrado del tubo de transferencia de calor y el canal de descarga también comprende una salida en una parte de la sección de transferencia de calor distalmente del extremo cerrado del tubo de transferencia de calor.
En una forma de realización un aparato según la invención comprende un intercambiador de calor para transferencia de calor entre la sección de transferencia de calor y la cámara del reactor, este intercambiador de calor está formado con una lámina de material termoconductor dispuesta alrededor de al menos una parte del tubo de transferencia de calor, dicha lámina en una sección transversal a través del tubo interior y exterior tiene una estructura periódica de picos y valles sucesivos.
En otra forma de realización el tubo de transferencia de calor en su parte exterior está provisto de un material termoaislante en una zona alrededor de su extremo cerrado.
Las ventajas de un aparato según la invención se hacen especialmente manifiestas en una forma de realización en la que la parte de reformador comprende al menos dos reactores situados en paralelo, en donde los respectivos orificios de entrada son correspondidos por un colector de entrada compartido, y los respectivos orificios de salida son correspondidos por un colector de salida compartido.
En una forma de realización que es especialmente ventajosa en la práctica el número de reactores en paralelo es de 3n2-3n+1, en donde n es un número entero 2<n<13, dichos reactores en una sección transversal están situados adyacentemente dentro de un hexágono regular en filas paralelas, en donde una primera fila exterior comprende n reactores y cada fila subsiguiente comprende un reactor más hasta un máximo de 2n-1 reactores, tras lo cual cada fila subsiguiente comprende un reactor menos hasta un segunda fila exterior opuesta a la primera fila exterior, dicha segunda fila exterior comprende n reactores.
Por ejemplo para el valor n=3 el número de reactores según esta forma de realización es 19, los cuales en una sección transversal están situados adyacentemente en un hexágono regular en filas paralelas de respectivamente tres, cuatro, cinco, cuatro y tres reactores.
La colocación de los reactores en paralelo en esta última forma de realización ahorra muchos costes y es compacta, pero aun así las cámaras de reacción son de fácil y rápido acceso, por ejemplo para mantenimiento o reparación. A continuación se ilustrará la invención en base a formas de realización ejemplares y con referencia a los dibujos. En los dibujos
la figura 1 muestra una vista esquemática de una primera realización de un reformador de vapor según la invención en un estado desmontado,
la figura 2 muestra una vista esquemática de una segunda realización de un reformador de vapor según la invención en un estado de funcionamiento,
la figura 3 es una vista en perspectiva de una parte de un detalle del reactor de un reformador de vapor como se muestra en las figuras 1 y 2,
la figura 4 es una vista en perspectiva de una primera realización de una lámina portadora plegada para un catalizador,
la figura 5 es una vista en perspectiva de una segunda realización de una lámina portadora plegada para un catalizador, y
la figura 6 es una vista en perspectiva de una tercera realización de una lámina portadora plegada para un catalizador.
Los componentes correspondientes están designados en las figuras con los mismos numerales de referencia.
La figura 1 muestra un reformador de vapor 23 con una parte de reformador 24 y una parte de horno 25. La parte de reformador 24 se muestra con tres reactores situados en paralelo los cuales están formados por un tubo exterior 4 cerrado en la parte superior y un tubo interior 14 el cual es dispuesto coaxialmente allí dentro y el cual está abierto en ambos extremos, en donde la pared interior del tubo exterior 4 y la pared exterior del tubo interior 14 limitan una cámara de reacción 15 que está llena de un catalizador en una lámina portadora. Los tres reactores mostrados están situados en la pared superior 31 de un colector de salida 10, en el que desembocan los extremos abiertos 27 de los tubos exteriores 4. Una segunda pared 12 opuesta a la primera pared 31 está provista de orificios de inserción que se pueden cerrar 13 los cuales están situados opuestos al tubo exterior 4 y a través de dichos tubos interiores 14, en algunos casos provistos de un portador de catalizador 37 (mostrado en la figura 3) o un intercambiador de calor de recuperación 16 (mostrado en la figura 2), que son insertados en los tubos exteriores 4. Los extremos abiertos 26 de los tubos interiores 14 distalmente del extremo cerrado de los tubos exteriores 4 son los orificios de entrada para el gas de alimentación (representado por flechas 28). Los tubos interiores 14 están fijados por medio de pestañas 32 a la segunda pared 12. La segunda pared 12 funciona como pared divisora para un colector de entrada 11, en el cual desembocan los orificios de entrada 26 formados por los extremos cerrados de los tubos exteriores 4. La pared más baja parte de 47 del colector de entrada 11 en la figura está acoplado libremente al colector de salida 10 por medio de pestañas 33, 34. Los orificios de entrada 26 para el gas de alimentación 28 están en conexión abierta con una entrada 35 en el colector de entrada 11. Los orificios de salida 27 para el gas producto (representado por flechas 29) en la parte inferior de los tubos exteriores 4 están en conexión abierta con una salida 36 en el colector de salida 10. La parte de horno 25 del reformador de vapor 23 comprende una cubierta exterior 2 en la que están alojados un quemador 5, una cámara de combustión 1 y una sección de transferencia de calor, estando esta última formada por tubos de transferencia de calor 3 que están cerrados en un extremo y los cuales en estado de funcionamiento normal envuelven los correspondientes tubos exteriores 4 de la parte de reformador 24 (mostrada en la figura 2). Se descargan gases de combustión, representados por flechas 38, por medio de un canal de descarga que comprende canales 39 en una pantalla térmica 6 alrededor del extremo cerrado de los tubos respectivos 3 y el cual de otro modo está formado por la pared exterior de los respectivos tubos de transferencia de calor 3 y cubiertas cilíndricas coaxiales 8 que se prolongan pasadas esas paredes y que están provistas de orificios de paso 40. El canal de descarga lleva a una salida 9 en una parte de horno 25 muy alejada del extremo cerrado de los tubos de transferencia de calor 3. La transferencia de calor de los tubos de transferencia de calor 3 a los tubos exteriores 4 de los reactores respectivos tiene lugar por medio de radiación, en donde los gases de combustión 38 y los gases de alimentación 28 guiados a través de las cámaras del reactor 15 están en coflujo. La temperatura de los gases de combustión 38 en la región 7 pasados los canales 39 y antes de los orificios de paso 40 tiene una temperatura adecuada para el intercambio de calor con la cámara del reactor con el objetivo de suministrar el calor para la reacción endotérmica.
La figura 2 muestra un reformador de vapor 30 en funcionamiento. Además de los componentes arriba comentados, este reformador 30 comprende en los tubos interiores 14 cercanos al orificio de entrada 26 una primera parte 16 de un intercambiador de calor de recuperación, por medio del cual se precalientan los gases de alimentación 28 admitidos a los tubos interiores 14 y se enfrían los gases producto 29 a descargar de la cámara del reactor 15, una parte de una lámina 17 que no está provista de un catalizador y la cual como segunda parte del intercambiador de calor de recuperación asegura la transferencia de calor del gas producto 29 que escapa al gas de alimentación 28 que entra, y un intercambiador de calor 19 alrededor de una parte del tubo de transferencia de calor 3. La figura también muestra de manera esquemática un colector de salida 18 con una salida 22 para descarga de los gases de combustión 38, un intercambiador de calor 19 alrededor de una parte de los tubos exteriores 4 de los reactores respectivos y la parte correspondiente del colector de salida 18, y sellos 20 y 21 para sellar gases de combustión 38 a temperaturas respectivamente altas y bajas.
La figura 3 muestra una parte de un tubo interior 14 alrededor del cual se dispone una lámina portadora 37 de metal con una capa de catalizador, teniendo esta lámina en una sección transversal a través del tubo interior una estructura periódica de picos 41 y valles 42 sucesivos.
La figura 4 muestra la lámina 42 de la figura 3 en una situación antes de ser dispuesta alrededor de un tubo 14, en donde los picos 41 y los valles 42 forman una almena rectangular en una sección transversal.
La figura 5 muestra una segunda forma de realización de una lámina 42' en una situación antes de ser dispuesta alrededor de un tubo 14, en donde los picos 41' y los valles 42' forman un patrón ondulado regular en una sección transversal.
La figura 6 muestra una tercera forma de realización de una lámina 42" en una situación antes de ser dispuesta alrededor del tubo 14, en donde los picos 41" y los valles 42" forman una almena rectangular tanto en una sección transversal como en dirección axial.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Aparato (23, 30) para convertir un gas de alimentación (28) que comprende compuestos orgánicos y vapor de agua en un gas producto (29) que esencialmente contiene dióxido de carbono e hidrógeno, que comprende - una parte de reformador (24) con al menos una cámara de reacción (15) dotada con un orificio de entrada (26) para gas de alimentación (28) y un orificio de salida (27) para gas producto (29) y la cual está limitada por la pared interior de un tubo exterior (4) cerrado en uno de sus extremos y la pared exterior de un tubo interior (14) dispuesto coaxialmente en este tubo exterior y abierto en ambos extremos, y
- una parte de horno (25) para calentar la cámara de reacción (15),
- en donde el orificio de entrada (26) está formado por el extremo abierto del tubo interior (14) distalmente del extremo cerrado del tubo exterior (4), y el orificio de salida (27) está formado por el extremo abierto del tubo exterior (4),
- en donde la parte de reformador (24) está provista de una cámara de salida (10), en una primera pared (31) de donde desemboca el extremo abierto del tubo exterior (4), dicha cámara de salida (10) está provista de una segunda pared (12) opuesta a la primera pared (31), caracterizado por que
la parte de reformador (24) está provista de una cámara de entrada (11) que está limitada por la segunda pared (12) de la cámara de salida (10) y una tercera pared (47) opuesta a esta segunda pared (12) y acoplada libremente a la segunda pared (12), y
la segunda pared (12) está provista de un orificio de inserción que se puede cerrar (13) opuesto al tubo exterior (4) que permite que el tubo interior (14) se introduzca en el tubo exterior (4), en donde el tubo interior (14) está fijado mediante pestañas (32) a la segunda pared (12) y la tercera pared (47) está acoplada de forma liberable a la cámara de salida (10) por medio de pestañas (33, 34).
2. Aparato (23, 30) según la reivindicación 1,
caracterizado por que la cámara del reactor (15) comprende un material catalizador.
3. Aparato (23, 30) según la reivindicación 2,
caracterizado por que el material catalizador está provisto en al menos una parte de una lámina portadora (37, 37', 37") dispuesta alrededor del tubo interior (14).
4. Aparato (23, 30) según la reivindicación 3,
caracterizado por que la lámina portadora (37, 37', 37") tiene una estructura periódica de picos (41, 41', 41") y valles (42, 42', 42") en una sección transversal a través del tubo interior (14) y exterior (4).
5. Aparato (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde la cámara del reactor (15) está provista de un intercambiador de calor (17) para transferir el calor entre el gas de alimentación (28) suministrado a través del tubo interior (14) y del gas producto (29) que fluye a través de la cámara del reactor (15), caracterizado por que el intercambiador de calor (17) está formado por una lámina (37, 37', 37") de un material termoconductor dispuesto alrededor de al menos una parte del tubo interior (14), teniendo esta lámina (37, 37', 37") una estructura periódica de picos (41, 41', 41") y valles (42, 42', 42") en una sección transversal a través del tubo interior (14) y exterior (4).
6. Aparato (23, 30) según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde la parte de horno (25) comprende un quemador (5), una cámara de combustión (1) y una sección de transferencia de calor, caracterizado por que la sección de transferencia de calor está provista de al menos un tubo de transferencia de calor (3) que está cerrado en un extremo exterior y por que al menos un tubo exterior (4) de la parte de reformador (24) está encerrado.
7. Aparato (23, 30) según la reivindicación 6, caracterizado por que la parte de horno (25) comprende un canal de descarga para gases de combustión (38) que está formado por la pared exterior del tubo de transferencia de calor (3) y una cubierta cilindrica coaxial (8) que se prolonga más allá de esta pared y provista de orificios de paso (40).
8. Aparato (23) según la reivindicación 7, caracterizado por que los orificios de paso (40) están situados en una parte de la cubierta cilindrica (8) proximalmente al extremo cerrado del tubo de transferencia de calor (3), y el canal de descarga también comprende una salida (9) en una parte de la sección de transferencia de calor distalmente del extremo cerrado del tubo de transferencia de calor (3).
9. Aparato (30) según la reivindicación 7, caracterizado por tener un intercambiador de calor (19) para transferencia de calor entre la sección de transferencia de calor y la cámara del reactor (15), este intercambiador de calor (19) está formado por una lámina de un material termoconductor dispuesto alrededor de al menos una parte del tubo de transferencia de calor (3), dicha lámina tiene una estructura periódica de picos (41, 41', 41") y valles (42, 42', 42") sucesivos en una sección transversal a través del tubo de transferencia de calor (3).
10. Aparato (30) según la reivindicación 7, caracterizado por que el tubo de transferencia de calor (3) está situado en su parte exterior con un material termoaislante en una zona alrededor de su extremo cerrado.
11. Aparato (23, 30) según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado por que la parte de reformador (24) comprende al menos dos reactores situados en paralelo, en donde los respectivos orificios de entrada (26) son correspondidos mediante un colector de entrada compartido (11), y los respectivos orificios de salida (27) son correspondidos mediante un colector de salida compartido (10).
12. Aparato (23, 30) según la reivindicación 11, en donde el número de reactores en paralelo es de 3n2-3n+1, en donde n es un número entero 2<n<13, dichos reactores en una sección transversal están situados adyacentemente dentro de un hexágono regular en filas paralelas, en donde una primera fila exterior comprende n reactores y cada fila subsiguiente comprende un reactor más hasta un máximo de 2n-1 reactores, tras lo cual cada fila subsiguiente comprende un reactor menos hasta un segunda fila exterior opuesta a la primera fila exterior, dicha segunda fila exterior comprende n reactores.
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