ES2960690T3 - Reformado con vapor o en seco de hidrocarburos - Google Patents

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Abstract

Un proceso para el reformado con vapor o en seco de hidrocarburos en un reactor de reformado, que comprende las etapas de: (a) hacer pasar una materia prima, que comprende uno o más hidrocarburos junto con vapor y/o CO2, a través de una primera zona catalítica a una temperatura elevada, para formar un gas de proceso parcialmente reformado, en el que la primera zona catalítica comprende uno o más conductos alargados, cada uno de los cuales contiene catalizador de reformado; y (b) hacer pasar el gas de proceso parcialmente reformado a través de una segunda zona catalítica a una temperatura elevada, para formar una corriente de gas reformado, en donde la segunda zona catalítica comprende uno o más conductos alargados, cada uno de los cuales contiene catalizador de reformado; en el que el proceso comprende además la combustión de un combustible fluido con un medio que sostiene la combustión en una región de combustión exotérmica, para formar una corriente de productos de combustión calientes, en el que la región de combustión exotérmica es adyacente y rodea lateralmente cada uno de los conductos alargados de la segunda zona catalítica, en el que el combustible fluido y el medio que sostiene la combustión se alimentan por separado a la región de combustión exotérmica y luego se introducen entre sí dentro de dicha región de combustión exotérmica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Reformado con vapor o en seco de hidrocarburos
La presente invención se refiere a un proceso para el reformado con vapor o en seco de hidrocarburos, y a un aparato para el reformado con vapor o en seco de hidrocarburos.
Antecedentes de la invención
Se conoce bien el reformado con vapor de hidrocarburos, tal como metano. También se conoce el reformado en seco de hidrocarburos, en el que se usa CO<2>para reemplazar todo o parte del vapor. Aunque el reformado con vapor se usa más ampliamente, la presente invención es igualmente aplicable al reformado en seco. Por lo tanto, se contemplan y analizan ambos procesos.
Las reacciones endotérmicas que se presentan en un proceso de reformado con vapor de hidrocarburos se pueden describir por los siguientes esquemas de reacción:
CH<4>+H<2>O = CO 3H2 (-A H°298 = -206 KJ)
CH<4>+<2>H<2>O = CO<2>+ 4H2 (-AH°298 = -165 KJ)
Se pueden establecer esquemas de reacción correspondientes para el reformado con vapor de hidrocarburos superiores al metano, y del mismo modo para el reformado en seco donde CO<2>es el reactivo en lugar de H<2>O.
Estas reacciones de reformado con vapor se presentan en una materia prima, o gas de proceso, que comprende una mezcla de hidrocarburos (tal como gas natural) y vapor. Esta materia prima se hace pasar a través de un catalizador de reformado con vapor bajo condiciones de reformado con vapor. Convencionalmente, la reacción se lleva a cabo en un reformador de vapor a altas temperaturas. El calor necesario para las reacciones endotérmicas se suministra usualmente por combustión en una cámara de horno radiante en la cual el catalizador se dispone en tubos verticales que se extienden a través de la cámara de horno.
La clave para lograr un alto rendimiento térmico de los procesos de reformado es utilizar de la forma más eficiente posible el calor residual contenido en las corrientes de productos calientes. La corriente de producto de gas reformado caliente se dirige habitualmente primero a una caldera de gas reformado, diseñada específicamente para evitar la corrosión por polvo metálico, donde se genera vapor de alta presión. En los procesos convencionales de reformado con vapor de metano, la cantidad de vapor generado excede significativamente la necesaria para el propio proceso de reformado con vapor de metano, necesitando exportar el vapor en exceso. Esto tiene un efecto negativo significativo en la eficiencia térmica total del proceso de reformado con vapor de metano.
El calor residual contenido en los productos de combustión que salen de la sección radiante de reformador se recupera convencionalmente en una sección de convección por diferentes medios, tal como la generación de vapor, sobrecalentamiento de vapor, calentamiento de las corrientes de alimentación o intermedias de proceso, precalentamiento del aire de combustión u otras corrientes. Las secciones de convección de hornos operan en general usando gases de chimenea a o cerca de presión atmosférica, dando lugar a artículos de equipos grandes y pesados.
Además, particularmente a capacidades más altas, los reformadores de metano de vapor convencionales se fabrican predominantementein situ,lo que da lugar a altos costos.
EP0195688 A2 describe un proceso para el reformado con vapor de hidrocarburos en un reactor de reformado por el paso de una corriente de alimentación que comprende vapor y uno o más hidrocarburos como gas de proceso, bajo condiciones de reformado con vapor y bajo un suministro externo de calor, a través de un volumen dado de catalizador de reformado con vapor. El proceso comprende: (a) hacer pasar el gas de proceso a través de una primera porción del catalizador de reformado con vapor, y entonces (b) hacer pasar el gas de proceso que se ha reformado parcialmente en el paso (a) a través de la porción restante del catalizador de reformado con vapor para formar una corriente de producto. El calor necesario para la reacción endotérmica en el paso (b) y para calentar el gas de proceso se suministra por un gas de chimenea caliente, que se ha generado por la combustión de un combustible fluido en un quemador. Conforme el gas de chimenea caliente proporciona calor en este sentido, se enfría, formando de este modo un gas de chimenea moderadamente caliente. El calor necesario para el paso (a) se suministra en parte a partir de este gas de chimenea moderadamente caliente y en parte a partir de la corriente de producto.
EP1403215 A1 describe un proceso para la preparación de gas de síntesis por vapor catalítico y/o reformado de CO<2>de una materia prima de hidrocarburos. El proceso comprende los pasos de: (a) calentar la mezcla de reacción de hidrocarburo y vapor y/o CO<2>en una unidad de reformado con vapor calentado, que se integra con la sección de calor residual que contiene gas de chimenea de un reformador tubular encendido, en la cual el reformado de la mezcla de reacción tiene lugar por contacto con un catalizador de reformado sólido, para obtener una mezcla parcialmente reformada con vapor; y (b) alimentar la mezcla parcialmente reformada con vapor al reformador tubular encendido y reformar adicionalmente la mezcla hasta la composición y temperatura deseadas. La unidad de reformado con vapor calentado comprende un sistema de tuberías que contiene secciones de reacción con catalizador de reformado sólido que comprende gránulos de catalizador y/o elementos estructurados catalizados, el sistema de tuberías que es parte del sistema de tuberías de gas de proceso integrado con la sección de calor residual que contiene gas de chimenea. La única fuente de calor proporcionada al proceso se suministra por un gas de chimenea caliente, que se ha generado por la combustión de un combustible fluido en un quemador. La transferencia de calor a la unidad de reformado con vapor calentado se presenta principalmente mediante convección. En la sección de reformador tubular encendido principal, la transferencia de calor es principalmente por radiación.
Como apreciará el experto, un quemador convencional operará a una temperatura por debajo de la temperatura de autoignición de combustible. Por lo tanto, el combustible y aire se mezclan en primer lugar (en una zona de mezcla) pero no reaccionan, y aguas abajo de la mezcla hay una “llama”, que es una zona bien definida en la cual se presenta la mayoría o todas las reacciones de combustión.
En EP0195688 A2 y EP1403215 A1 la com bustión de un com bustib le flu ido en un quem ador se lleva a cabo por separado, para generar un gas de chimenea caliente, y el gas de chimenea caliente se proporciona al proceso de re fo rm ado con vapor.
EP0195688 A2 explica que su proceso de reformado de intercambio de calor y reactor son adecuados para la producción de cantidades relativamente pequeñas de hidrógeno. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 2, que muestra un quemador individual, así como una combinación individual de tubos concéntricos y por lo tanto, una capacidad de producción máxima limitada.
La combustión completa en o cerca de la relación estequiométrica de combustible:aire dará por resultado una temperatura de fluido extremadamente alta, por ejemplo, aproximadamente 1.900-2.000 °C para el gas natural sin precalentamiento de aire o combustible, a menos que la combustión se realice usando una gran cantidad de aire en exceso, adición de gases inertes tal como gas de chimenea reciclado frío o uso de combustible de bajo valor calorífico, cualquiera de los cuales tendría un efecto perjudicial significativo en la eficiencia térmica total del proceso. El precalentamiento del combustible o aire de combustión incrementará aún más la temperatura de productos de combustión. Por el contrario, el uso de fluidos a temperaturas de combustión tan altas es prohibitivo a menos que los materiales de contención de fluidos de proceso adyacentes se protejan por materiales que puedan soportar estas temperaturas de forma continua o se enfríen adecuadamente a una velocidad que pueda mantener una temperatura de diseño máxima durante un período de operación prolongado. En tubos de reformador de vapor convencionales; esto se limita habitualmente a 1100 °C o más o menos.
Además, EP0195688 A2 muestra el uso de un tubo de cerámica que rodea los lados de, y define, la cámara de combustión. Este tubo de cerámica estará a una temperatura cercana a la temperatura de los productos de combustión dentro del tubo y por lo tanto, se transferirá calor significativo desde el tubo de cerámica por radiación a las paredes de contención de fluidos de proceso adyacentes. Esto es en adición a la transferencia de calor por convección mencionada anteriormente. Este flujo de calor radiativo puede exceder en gran medida el flujo de calor convectivo a la superficie receptora.
En EP0195688 A2 hay una descripción de la temperatura máxima del gas de chimenea caliente (productos de combustión) que se modera a 1370 °C por dilución con gas de chimenea de reciclaje enfriado, reduciendo de este modo la efectividad de transferencia de calor al catalizador de reformado y la eficiencia térmica total de proceso.
EP1403215 A1 utiliza tanto secciones calentadas de catalizador como lechos adiabáticos (no calentados) en la primera sección de reformado. El catalizador sólido comprende hardware catalizado en la forma de gránulos de catalizador y/o elementos estructurados con una capa catalítica de catalizador de reformado con vapor. Los elementos estructurados catalizados y/o los gránulos de catalizador se describen como que se colocan en cualquier ubicación en las secciones calentadas y en las secciones de reacción adiabática.
En el aparato de EP1403215 A1, la unidad de reformado con vapor calentado se comprende de una sección de calentamiento sin catalizador y una sección con catalizador. Estos se separan físicamente y son distintos.
Uno de los objetivos de la presente invención es proporcionar un proceso y aparato para reformar hidrocarburos en un proceso de reformado con vapor o en seco con una eficiencia térmica significativamente mayor que la lograda previamente.
Otro objetivo es proporcionar un aparato para reformar hidrocarburos que se pueda prefabricar total o sustancialmente, reduciendo o eliminando por lo tanto los costos asociados con la fabricaciónin situ.
Otro objetivo es proporcionar un proceso y aparato que sea adecuado para la producción de gases reformados tanto a pequeña escala como en capacidades a gran escala industrial, que sea fácilmente escalable a tamaños industriales.
Sumario de la invención
La invención proporciona, en un primer aspecto, un proceso para reformado con vapor o en seco de hidrocarburos en un reactor de reformado, como se define en la reivindicación 1.
La invención también proporciona, en un segundo aspecto, un aparato adecuado para llevar a cabo el proceso del primer aspecto, como se define en la reivindicación 10.
En una realización preferida del aparato de la invención, la región de combustión exotérmica rodea lateralmente cada uno de los conductos alargados de segunda zona catalítica. En una realización preferida adicional del aparato de la invención, la región de combustión exotérmica es directamente adyacente y rodea lateralmente cada uno de los conductos alargados de segunda zona catalítica.
En el proceso para reformado con vapor o en seco de hidrocarburos de acuerdo con el primer aspecto, y en el montaje de acuerdo con el segundo aspecto, se usa un montaje de tubos de proceso. Este montaje de tubos de proceso comprende dos tubos alargados concéntricos (es decir, hay un tubo interior y un tubo exterior, estos tubos que se proporcionan en una disposición concéntrica de manera que comparten un eje central común),
donde el tubo interior contiene una primera porción de catalizador de reformado, con un primer lecho de catalizador de reformado,
donde el tubo exterior contiene una segunda porción de catalizador de reformado, con un segundo lecho de catalizador de reformado,
por lo que el primer lecho de catalizador de reformado y el segundo lecho de catalizador de reformado se disponen en serie,
por lo que tubo interior tiene una salida a través de la cual el gas parcialmente reformado puede salir del tubo interior, y por lo que un conducto interno, a través del cual puede fluir el gas parcialmente reformado, se extiende desde la salida del tubo interior y pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado.
En una realización preferida, los dos tubos concéntricos del montaje de tubos de proceso son libres de moverse independientemente en una dirección longitudinal uno con respecto al otro, sin que haya conexión directa o indirecta entre los dos tubos concéntricos, excepto en una ubicación individual donde sus posiciones se fijan con respecto entre sí. Por lo tanto, en esta realización preferida, el montaje de tubos de proceso es un montaje de tubos de proceso alargados que comprende dos tubos concéntricos alargados unidos directa o indirectamente en una ubicación individual, permitiendo de este modo el movimiento libre de cada tubo concéntrico entre sí.
El tubo interior y el tubo exterior son alargados y se deben disponer de manera concéntrica. Sin embargo, cada uno de estos tubos puede tener un diámetro constante a lo largo de su longitud o puede tener un diámetro diferente a lo largo de su longitud. Del mismo modo, cada uno de estos tubos puede tener una forma de sección transversal consistente a lo largo de su longitud o puede tener una forma de sección transversal diferente a lo largo de su longitud. Pueden tener cualquier forma de sección transversal adecuada, por ejemplo, circular. En una realización, ambos tubos tienen un diámetro constante a lo largo de sus respectivas longitudes y cada uno tiene una sección transversal circular.
En una realización, el tubo exterior rodea la mayor parte o la totalidad del tubo interior. En una realización, parte del tubo interior se extiende fuera del tubo exterior, pero la mayor parte del tubo interior se ubica dentro del tubo exterior. Por ejemplo, 60 % o más, o 65 % o más, o 70 % o más, o 75 % o más, u 80 % o más, u 85 % o más, de la longitud del tubo interior se puede ubicar dentro del tubo exterior. Por lo tanto, el tubo exterior se puede considerar como un manguito dentro del cual se ubica la mayor parte del tubo interior.
El conducto interno se puede ubicar de manera adecuada, de manera sustancialmente central dentro del tubo exterior, pasando a través de la segunda porción de catalizador de reformado que se ubica en el tubo exterior. Preferentemente, el conducto interno se extiende a lo largo del eje alargado central del tubo exterior. La segunda porción de catalizador de reformado se puede ubicar circunferencialmente alrededor del conducto interno.
El conducto interno tiene una entrada que se conecta directamente a la salida del tubo interior y por lo tanto, esta entrada puede recibir gas parcialmente reformado del tubo interior. El conducto interno pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado en el tubo exterior. El conducto interno tiene una salida que se ubica entre la segunda porción de catalizador de reformado y el extremo del tubo exterior que está más alejado del tubo interior. Por lo tanto, el gas parcialmente reformado sale del conducto interno en una ubicación cerca al extremo del tubo exterior que está más alejado del tubo interior.
El tubo exterior, el conducto interno y la segunda porción de catalizador de reformado se configuran y disponen de modo que el gas parcialmente reformado sale de la salida del conducto interno y entonces cambia de dirección de modo que pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado en la dirección opuesta a su dirección de flujo a través del conducto interno. La dirección de flujo a través de la primera porción de catalizador de reformado es la misma que la dirección de flujo a través del conducto interno. Por lo tanto, durante el uso, los gases de proceso fluyen a través de la primera y segunda porción de catalizador de reformado en direcciones opuestas. Esto es beneficioso debido a que permite que los gases de combustión fluyan fuera del tubo exterior de montaje de tubos de proceso en una dirección individual.
El montaje de tubos de proceso usado en la invención es beneficioso ya que no requiere ningún aislamiento de sus paredes de tubo para funcionamiento efectivo.
La primera porción de catalizador de reformado es parte de la primera zona catalítica y la segunda porción de catalizador de reformado es parte de la segunda zona catalítica, y el conducto interno que pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado proporciona gas parcialmente reformado desde una salida del primer lecho de catalizador de reformado a una entrada del segundo lecho de catalizador de reformado.
En una realización preferida, hay dos o más montajes de tubos de proceso alargados, tal como tres o más, o cuatro o más, o cinco o más, o seis o más. Puede haber 10 o más, o 50 o más, o 100 o más, montajes de reformado alargados proporcionados en el aparato del segundo aspecto. Un beneficio de la presente invención es que es fácilmente escalable y por lo tanto, se puede operar con cualquier número deseado de montajes para satisfacer las necesidades de salida del aparato de reformado. En una realización, por lo tanto, puede haber 250 o más, o 500 o más, o 750 o más, o 1000 o más, o 2000 o más, montajes de reformado alargados proporcionados en el aparato del segundo aspecto.
El montaje de tubos de proceso se puede soportar, directa o indirectamente, desde una ubicación individual en la parte superior, con el montaje libre para expandirse hacia abajo en tensión bajo su propio peso.
Es beneficioso tener los tubos interior y exterior en el montaje co-unidos en una ubicación interior en la parte superior. Esto da por resultado que el peso de los tubos y el peso del catalizador actúen para tensar los tubos. Tener ambos tubos operando en tensión (en comparación con bajo compresión) hace que sea menos probable que los tubos se distorsionen lateralmente.
Se puede proporcionar una entrada individual y una salida individual al montaje de tubos de proceso, y tanto la entrada como la salida pueden estar en el mismo extremo del montaje. Por lo tanto, no se requieren conexiones en el extremo opuesto. Tener todas las conexiones en el extremo superior (el extremo más cercano a la primera zona catalítica) y ninguna en el extremo inferior (el extremo más cercano a la segunda zona catalítica) es ventajoso debido a que si se requieren conexiones (tal como espigas) en el extremo inferior, estas se necesitarían diseñar para permitir una desviación significativa conforme el aparato pasó de frío a caliente.
El montaje de tubos de proceso usado en la invención también es beneficioso debido a que facilita la operación tanto del tubo interior como exterior bajo una presión interna más alta en relación con la presión fuera del montaje de tubos, es decir, presión diferencial positiva. Esto significa que las paredes del tubo están en tensión, lo cual es mecánicamente deseable. Los diseños anteriores tal como aquellos analizados anteriormente en EP0195688 A2 necesariamente dieron por resultado que algunos tubos operan con presión diferencial negativa, es decir, con las paredes de tubo en compresión, que puede ser indeseable.
Los montajes de tubos de proceso alargados son independientes de las boquillas de quemador. Los montajes de tubos de proceso pueden estar sin restricciones y libres para moverse verticalmente para adaptarse a la expansión y contracciones térmicas, tanto de manera colectiva como individualmente.
El montaje de tubos de proceso se puede proporcionar en un recipiente. Se describe un sistema de tubos de proceso que comprende un recipiente que contiene dos o más (por ejemplo, 3 o más, o 4 o más, o 5 o más, o 6 o más) montajes de tubos de proceso. Puede haber 10 o más, o 50 o más, o 100 o más, montajes de reformado alargados proporcionados en el recipiente. Un beneficio de la presente invención es que es fácilmente escalable y por lo tanto, se puede operar con cualquier número deseado de montajes para satisfacer las necesidades de salida del aparato de reformado. En una realización, por lo tanto, puede haber 250 o más, o 500 o más, o 750 o más, o 1000 o más, o 2000 o más, montajes de reformado alargados proporcionados en el recipiente.
En la siguiente divulgación, todas las características y realizaciones preferidas/opcionales se refieren a cada uno del proceso y el aparato de la presente invención a menos que el contexto o redacción indique claramente lo contrario.
Además, todas las características y realizaciones preferidas/opcionales se pueden usar de manera individual o conjunta en cualquier combinación, a menos que el contexto o redacción indique lo contrario.
El proceso y el aparato de la presente invención son capaces de reformar hidrocarburos de manera más eficiente que los procesos y aparatos convencionales.
En particular, la presente invención incrementar al máximo el uso de calor residual contenido en la corriente de producto de gas reformado y la corriente de producto de combustión, al usar estas corrientes calientes para proporcionar calor directamente a la primera zona catalítica, para realizar reformado adicional (con vapor o seco) de la materia prima. Esto contrasta con el enfoque tradicional de usar calor residual del gas reformado para producir vapor y calor residual de productos de combustión de alta temperatura para proporcionar precalentamiento adicional para la corriente de proceso. Este nuevo enfoque reduce la energía requerida para completar el proceso de reformado, reduciendo de esta manera el consumo de combustible asociado. Por lo tanto, se puede lograr una alta eficiencia térmica.
Un beneficio adicional de la presente invención es que el aparato es fácilmente escalable y por lo tanto, el proceso y aparato se pueden usar a pequeña escala o a gran escala, como se desee. Se puede proporcionar cualquier número deseado de conductos alargados en la primera y segunda zonas catalíticas.
Se debe apreciar que la región de combustión rodea lateralmente cada conducto alargado de segunda zona catalítica. Por lo tanto, cuando hay múltiples conductos, hay una región de combustión que se extiende lateralmente alrededor de cada uno de los conductos alargados de segunda zona catalítica. Por lo tanto, el área de superficie de transferencia de calor se incrementa al máximo en toda la región de combustión individual.
El uso de una región de combustión exotérmica asociada con una pluralidad de boquillas de quemador, una entrada de combustible a través de la cual se puede proporcionar combustible fluido y una entrada de medio de mantenimiento de combustión a través de la cual se puede proporcionar medio de mantenimiento de combustión es beneficioso debido a que significa que el combustible fluido y el medio de mantenimiento de la combustión se pueden introducir entre sí mediante la pluralidad de boquillas de quemador, y la combustión del combustible fluido con el medio de mantenimiento de combustión puede presentarse en la región de combustión exotérmica para formar una corriente de productos de combustión caliente.
Es beneficioso tener una pluralidad de boquillas de quemador y una región de combustión exotérmica que rodea lateralmente el (o cada) conducto alargado de segunda zona catalítica. El calor se proporciona a la segunda zona catalítica de manera eficiente. Cada boquilla de quemador puede suministrar calor a más de un conducto alargado de segunda zona catalítica. El diseño también es fácilmente escalable.
En una realización preferida, el número de boquillas de quemador es mayor que el número de conductos alargados de segunda zona catalítica.
En el proceso de la invención, el calor para proporcionar la temperatura elevada en el paso (b) se suministra desde la región de combustión exotérmica a la segunda zona catalítica por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión caliente. Además, la transferencia de calor se presenta tanto por convección como por radiación de gas.
En la presente invención, el calor se proporciona por una región de combustión, en la cual un medio de mantenimiento de combustión y el combustible fluido inician la combustión.
En el proceso de la invención, el calor para proporcionar la temperatura elevada en el paso (b) se suministra directamente a la segunda zona catalítica desde una región de combustión exotérmica adyacente y lateralmente circundante, por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión caliente, tanto por convección como por radiación de gas.
Por lo tanto, en el proceso de la invención, el calor se transfiere no solo por los productos de combustión, sino también por sus precursores, combustible calentado, aire de combustión calentado y material parcialmente quemado formado durante el proceso de combustión. La transferencia de calor es mediante la radiación de gas y la convección de los gases que fluyen. El calor se remueve en la segunda zona catalítica durante el proceso de combustión, que se presenta en un volumen finito.
Esta disposición significa que la temperatura pico de los productos de combustión se modera en comparación con tener una combustión completa antes de cualquier transferencia de calor, es decir, con la transferencia de calor total de los productos de gas de chimenea, como en EP0195688 A2. Los gases de proceso que fluyen dentro del o de los conductos alargados de segunda zona catalítica, y la reacción endotérmica en los mismos, absorben y transfieren calor directamente durante la combustión. Esto significa que las temperaturas de las paredes de conducto en la segunda zona catalítica se pueden mantener dentro de los límites de diseño mecánico aceptables. No hay necesidad de transferir y distribuir productos de combustión calientes a temperaturas muy altas.
En una realización preferida del aparato de la invención, la pluralidad de boquillas de quemador, entrada de combustible y entrada de medio de mantenimiento de combustión se disponen con respecto a la segunda zona catalítica de modo que, en uso, puede haber transferencia directa de calor desde la región de combustión exotérmica a la segunda zona catalítica por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión caliente, tanto por convección como por radiación de gas. De manera adecuada, el aparato se configura y dispone de modo que la región de combustión exotérmica rodea lateralmente y es directamente adyacente al o a los conductos alargados de segunda zona catalítica.
En una realización preferida, cada conducto alargado que contiene catalizador de reformado tiene solo una pared de contención individual para el propósito de transferir calor desde una fuente de calor al catalizador de reformado en su interior.
En una realización preferida, el conducto alargado que contiene catalizador de reformado en la primera zona catalítica recibe calor directamente y por convección, a través de una pared de contención individual, solo de la corriente de gas reformado. En una realización preferida, el conducto alargado que contiene catalizador de reformado en la segunda zona catalítica recibe calor directamente solo de los productos de combustión.
En una realización, hay una pluralidad de conductos alargados de segunda zona catalítica.
En una realización, las boquillas de quemador y los conductos alargados de segunda zona catalítica se disponen de modo que cada boquilla de quemador proporciona calor a una pluralidad de conductos alargados.
En una realización preferida, los conductos alargados de segunda zona catalítica y las boquillas de quemador se disponen en un arreglo regular, ortogonal al flujo de la corriente de productos de combustión y la materia prima.
El método o aparato de la invención implica el uso de un montaje de tubos de proceso, que comprende tanto un conducto alargado de primera zona catalítica como un conducto alargado de segunda zona catalítica. Por lo tanto, un montaje individual proporciona (a) una primera zona catalítica que comprende un conducto alargado que tiene una entrada y una salida y que contiene catalizador de reformado, y (b) una segunda zona catalítica que comprende un conducto alargado que tiene una entrada y una salida y que contiene catalizador de reformado. El conducto alargado de primera zona catalítica y el conducto alargado de segunda zona catalítica se alinean longitudinalmente de manera adecuada entre sí en el montaje de tubos de proceso. Por lo tanto, el montaje de tubos de proceso es alargado y su eje longitudinal central corresponde con el eje longitudinal central del conducto alargado de primera zona catalítica y el eje longitudinal central del conducto alargado de segunda zona catalítica.
En una realización, la invención usa uno o más de estos montaje de tubos de proceso y en particular, el alojamiento del aparato puede contener uno o más de estos montajes de tubos de proceso.
Cada montaje de tubos de proceso comprende dos tubos concéntricos, con cada tubo interior que contiene una primera porción de catalizador de reformado, con un primer lecho de catalizador de reformado, y cada tubo exterior que contiene una segunda porción de catalizador de reformado, con un segundo lecho de catalizador de reformado, dispuesto en serie, y por lo que un conducto interno pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado para el propósito de proporcionar gas parcialmente reformado desde una salida del primer lecho de catalizador de reformado a una entrada del segundo lecho de catalizador de reformado. La primera porción de catalizador de reformado es parte de la primera zona catalítica y la segunda porción de catalizador de reformado es parte de la segunda zona catalítica.
En una realización preferida, los dos tubos concéntricos tienen sus posiciones uno con respecto al otro fijadas en una ubicación individual, pero de otro modo son libres de moverse con respecto entre sí. Los tubos se pueden fijar directa o indirectamente.
El aparato de la invención se puede describir como un reformador convectivo doble (DCR), debido a la manera en que funciona.
Las características beneficiosas particulares de la invención son:
1.El proceso de la invención, por el cual se proporciona calor residual de alta calidad de los productos de reacción para llevar a cabo una porción significativa de las reacciones de reformado con vapor o en seco, confiere una eficiencia térmica muy alta en todo el aparato.
2.El uso de calor residual de alta calidad del gas reformado para llevar a cabo una porción significativa de las reacciones de reformado con vapor anula la necesidad de generar vapor en el proceso de la invención. En las plantas de reformado con vapor tradicionales, frecuentemente se exporta el exceso normal de vapor. Además, la exportación de vapor normalmente se incluye en la eficiencia energética total establecida de una planta de reformado con vapor, ya sea que se utilice de manera útil o eficiente o no.
3.El aparato de la invención confiere bajos costos de capital específicos, es decir, costo por unidad de gas de síntesis producido, debido a uno o más de lo siguiente: alto rendimiento a través de cada montaje de conducto alargado y la capacidad de tener un espaciamiento estrecho del mismo, la capacidad de tener altas velocidades espaciales a través de catalizadores, la simplicidad mecánica de los montajes de conductos alargados, la capacidad de tener conductos con paredes delgadas y sin que se requiera la fabricaciónin situdel aparato.
4.El bajo peso del aparato en comparación con los reformadores de vapor tradicionales da por resultado inercia térmica significativamente reducida, que significa arranques y paros más rápidos y de bajo costo.
5.El aparato de la invención tiene un gran intervalo de capacidad y no es específico de ubicación; no hay ningún requerimiento para la fabricaciónin situ,y la capacidad del aparato se limita solo por la fabricación de recipiente o el tamaño de transporte. Por ejemplo, un solo reformador de 5 m de diámetro es capaz de producir suficiente gas de síntesis para la producción de hasta 2.400 toneladas métricas por día de metanol, o 210.000 Nm3/h de hidrógeno puro. La operación usando un montaje de conducto alargado individual (tubo de proceso) es particularmente adecuada para la producción a baja capacidad.
6.La invención se puede usar dondequiera que se usen reformadores de vapor de hidrocarburos tradicionales, incluso en la producción de gas de síntesis, hidrógeno, amoníaco, metanol, líquidos de síntesis de Fischer Tropsch y éter dimetílico.
Además, el aparato de la invención es simple en términos de diseño y construcción, y puede tener las siguientes características mecánicas:
• El aparato incluye montajes de tubos de proceso alargados que comprenden dos tubos concéntricos. Estos tubos se pueden unir directa o indirectamente en una ubicación individual, permitiendo de este modo el movimiento libre de cada tubo concéntrico entre sí.
• No se requieren sellos o dispositivos de expansión térmica, tal como fuelles, en o alrededor del montaje para tener en cuenta la expansión diferencial vertical en el mismo.
• Cada montaje de tubos de proceso alargados se puede soportar, directa o indirectamente, desde una ubicación individual en la parte superior, con el montaje libre para expandirse hacia abajo en tensión bajo su propio peso. • Se puede proporcionar una entrada individual y una salida individual a cada montaje de tubos de proceso alargados, ambas en el mismo extremo. No se requieren conexiones en el extremo opuesto. Tener todas las conexiones en el extremo superior (el extremo más cercano a la primera zona catalítica) y ninguna en el extremo inferior (el extremo más cercano a la segunda zona catalítica) es ventajoso debido a que si se requieren conexiones (tal como espigas) en el extremo inferior, estas se necesitarían diseñar para permitir una desviación significativa conforme el aparato pasó de frío a caliente.
• Los montajes de tubos de proceso alargados son independientes de las boquillas de quemador. Los montajes de tubos de proceso pueden estar sin restricciones y libres para moverse verticalmente para adaptarse a la expansión y contracciones térmicas, tanto de manera colectiva como individualmente.
Del mismo modo, el montaje de tubos de proceso usado en la invención es simple en términos de diseño y construcción, y puede tener las siguientes características mecánicas:
• El montaje de tubo de proceso comprende dos tubos concéntricos que se pueden unir directa o indirectamente en una ubicación individual, permitiendo de este modo el movimiento libre de cada tubo concéntrico entre sí.
• No se requieren sellos o dispositivos de expansión térmica, tal como fuelles, en o alrededor del montaje para tener en cuenta la expansión diferencial vertical en el mismo.
• En uso, cada montaje de tubos de proceso se puede soportar, directa o indirectamente, desde una ubicación individual en la parte superior, con el montaje libre para expandirse hacia abajo en tensión bajo su propio peso. • Se puede proporcionar una entrada individual y una salida individual a cada montaje de tubos de proceso, ambas en el mismo extremo. No se requieren conexiones en el extremo opuesto. Tener todas las conexiones en el extremo superior (el extremo que, en uso, está más cerca a la primera zona catalítica) y ninguna en el extremo inferior (el extremo que, en uso, está más cerca a la segunda zona catalítica) es ventajoso debido a que si se requieren conexiones (tal como espigas) en el extremo inferior, estas se necesitarían diseñar para permitir una desviación significativa conforme el aparato pasó de frío a caliente.
• En uso, los montajes de tubos de proceso son independientes de las boquillas de quemador. Los montajes de tubos de proceso pueden estar sin restricciones y libres para moverse verticalmente para adaptarse a la expansión y contracciones térmicas, tanto de manera colectiva como individualmente.
Es particularmente beneficioso que en la presente invención se pueda utilizar una gran cantidad de calor residual para el reformado adicional de una manera práctica, y libre de restricciones de temperatura, por el uso de boquillas de quemador dentro de la región de combustión, en lugar de por la combustión total de combustible aguas arriba de las secciones de reformado. Se eliminan las temperaturas excesivamente altas (normalmente > 1.900 °C) y la transferencia de calor en el extremo aguas arriba de la disposición de tubos, debido a productos de combustión de alta temperatura.
La presente invención también proporciona una disposición práctica para contener las secciones de catalizador, disponer los flujos y gestionar la transferencia de calor en un dispositivo mecánico simple, robusto.
Descripción detallada de la invención
El proceso de la invención actual usa una combinación novedosa de características técnicas para permitir las altas temperaturas inherentes a la combustión casi estequiométrica de un combustible fluido con aire. No se han reconocido previamente los beneficios técnicos de la combinación de características reivindicada.
En el proceso, el aire de combustión (u otro medio de mantenimiento de combustión, por ejemplo, una mezcla de oxígeno y CO<2>) y un combustible fluido se alimentan por separado a una región de combustión que también contiene en su interior y en todos los conductos que contienen el segundo catalizador de reformado. El aire de combustión (u otro medio de mantenimiento de combustión) y el combustible inician la combustión mediante una o más boquillas de quemador dentro de la región de combustión.
El calor se puede remover adecuadamente de manera simultánea y directa en conductos adyacentes que contienen el gas de proceso y el segundo volumen de catalizador durante el proceso de combustión, es decir, el calor se transfiere no solo por “gas de chimenea” (es decir, productos de combustión) solo, sino también por sus precursores, combustible calentado, aire de combustión calentado y material parcialmente quemado formado durante el proceso de combustión. La transferencia de calor es mediante la radiación y convección de los gases que fluyen.
En una realización preferida, la combustión se presenta en la región de combustión usando aire u otro medio de mantenimiento de combustión a una temperatura tal que el combustible fluido se somete a auto-ignición con el medio de mantenimiento de combustión (por ejemplo, aire de combustión). Por lo tanto, la combustión se puede lograr mediante un mecanismo de llama de difusión turbulenta. La combustión total puede presentarse a través de una longitud de mezcla de combustible/aire que permite que el calor de combustión se remueva simultáneamente al gas de proceso en el segundo volumen de catalizador sin exceder las temperaturas de diseño de conducto modestas y habituales.
Al tener la combustión dispuesta para presentarse por arriba de la temperatura de auto-ignición, no hay llama, como tal, o frente de llama. La combustión se define por el modelo “mezclado se quema” por el cual tan pronto como el combustible o combustible parcialmente quemado se mezcla con el medio de mantenimiento de combustión, la combustión se presenta de manera efectivamente instantánea. Por lo tanto, la ubicación en la cual se presenta la combustión, y particularmente la ubicación en términos de longitud aguas abajo, se determina por la velocidad de mezcla del combustible y el medio de mantenimiento de combustión. Esto se puede controlar, dentro de los límites, en el diseño al ajustar las velocidades relativas y absolutas del combustible y el medio de mantenimiento de combustión, que determinan la velocidad de mezcla. Por ejemplo, una alta velocidad diferencial entre el combustible y el medio de mantenimiento de combustión tenderá a inducir una zona de mezcla más corta y proporcionará mayores flujos de calor locales a los tubos de proceso adyacentes. Se pueden lograr perfiles más largos con flujos más bajos al reducir las velocidades diferenciales.
El aparato de la presente invención se diseña para producción de gases reformados en capacidades tanto a pequeña como gran escala industrial. Es capaz de utilizar numerosas boquillas de quemador dentro del aparato y es capaz de utilizar múltiples conductos alargados (tubos de proceso). En una realización puede haber aproximadamente una boquilla de quemador por conducto alargado de segunda zona catalítica, y en otra realización puede haber más de una boquilla de quemador por conducto alargado de segunda zona catalítica, tal como dos o más boquillas de quemador por conducto alargado de segunda zona catalítica.
Estas características son importantes para poder construir un dispositivo práctico de capacidad industrial y con alta eficiencia térmica.
En virtud de la disposición mecánica única y la alta eficiencia térmica de la invención actual, el gas reformado y los productos de combustión con temperaturas de salida por debajo de 500 °C y 600 °C respectivamente se pueden lograr fácilmente por el proceso, más preferiblemente por debajo de 480 °C y 550 °C respectivamente.
En particular, puede ser que la corriente de producto de gas reformado salga del aparato a una temperatura de 500 °C o menos, tal como 490 °C o menos, o 480 °C o menos, por ejemplo, de 300 a 500 °C o de 450 a 490 °C o de 400 a 480 °C.
Puede ser que la corriente de productos de combustión salga del aparato a una temperatura de 600 °C o menos, tal como 575 °C o menos, o 550 °C o menos, por ejemplo, de 350 a 600 °C o de 420 a 575 °C o de 450 a 550 °C.
Sin embargo, los valores anteriores son de ejemplo en lugar de limitantes. Si se requieren temperaturas de salida de gas reformado más altas y/o temperaturas de salida de productos de combustión más altas, el lector experto apreciará que estas se pueden admitir por diseño.
Un conducto alargado de primera zona catalítica y un conducto alargado de segunda zona catalítica se alinean longitudinalmente para formar un montaje de reformado alargado. Puede ser que haya un recipiente individual que contenga uno o más de estos montajes de reformado alargados. Puede ser que la posición del conducto alargado de primera zona catalítica y el conducto alargado de segunda zona catalítica entre sí se fije en una ubicación individual, ya sea por unión directa de los conductos entre sí o indirectamente, debido a la presencia de componentes adicionales que aseguran las posiciones de los conductos en una ubicación.
En una realización preferida, un conducto alargado de primera zona catalítica se une directa o indirectamente a un conducto alargado de segunda zona catalítica para formar un montaje de reformado alargado. Puede ser que haya un recipiente individual que contenga uno o más de estos montajes de reformado alargados.
En una realización, se proporciona un montaje de reformado alargado individual en el recipiente. En una realización preferida, hay dos o más montajes de reformado alargados proporcionados en el recipiente, tal como tres o más, o cuatro o más, o cinco o más, o seis o más. Puede haber 10 o más, o 50 o más, o 100 o más, montajes de reformado alargados proporcionados en el recipiente.
Un beneficio de la presente invención es que es fácilmente escalable y por lo tanto, se puede operar con cualquier número deseado de montajes para satisfacer las necesidades de salida del aparato de reformado. En una realización, por lo tanto, puede haber 250 o más, o 500 o más, o 750 o más, o 1000 o más, o 2000 o más, montajes de reformado alargados proporcionados en el recipiente.
Primera zona catalítica
La presente invención incluye una primera zona catalítica, en la cual una materia prima que comprende uno o más hidrocarburos junto con vapor y/o CO<2>se convierte en un gas de proceso parcialmente reformado. Esto se presenta a temperatura elevada, y en la presencia de un catalizador.
Se prefiere que la materia prima esté a una temperatura de 500 °C o menos cuando entra en la primera zona catalítica, tal como 450 °C o menos o 400 °C o menos, por ejemplo, de 300 a 450 °C o de 325 a 400 °C o de 350 a 400 °C.
El uno o más hidrocarburos en la materia prima se pueden proporcionar en la forma de cualquier producto de hidrocarburo adecuado, adecuado para someterse a reformado con vapor o en seco. Los ejemplos no limitantes son gas natural, LPG, nafta, queroseno, gases residuales de refinería, biogás y metanol, o cualquier combinación de los mismos.
En una realización, la materia prima se alimenta a través de un pre-reformador antes de que alcance la primera zona catalítica. Por lo tanto, el pre-reformador está aguas arriba y es externo a la primera zona catalítica. Los pre-reformadores se conocen en la técnica. El pre-reformador actúa para remover componentes más pesados que el metano. Esto sirve para evitar la formación de goma o deposición de carbono mediante craqueo térmico a bajas temperaturas en la primera zona catalítica. El pre-reformador también removerá adecuadamente contaminantes traza, tal como azufre y cloro, que de otro modo envenenarían lentamente el catalizador de reformado.
La primera zona catalítica comprende un conducto alargado, que contiene catalizador de reformado. El catalizador de reformado se puede proporcionar en la forma de un lecho de catalizador. El conducto alargado tiene una entrada de materia prima, de modo que la materia prima que comprende uno o más hidrocarburos junto con vapor y/o CO<2>puede entrar en el conducto y entrar en contacto con el catalizador.
Puede haber cualquier número adecuado de conductos alargados de primera zona catalítica, por ejemplo, dos o más o tres o más, o cuatro o más, o diez o más, o 15 o más, o 20 o más, o 50 o más, o 100 o más. En una realización, puede haber 250 o más, o 500 o más, o 750 o más, o 1000 o más, o 2000 o más. Cuando hay dos o más conductos alargados, estos pueden extenderse adecuadamente paralelos entre sí. Se pueden disponer en un arreglo regular. En una realización, los conductos alargados se extienden paralelos entre sí y se disponen en un arreglo triangular o cuadrado repetitivo.
En una realización, hay múltiples conductos alargados de primera zona catalítica y la materia prima para todos los conductos entra en el alojamiento de aparato conjuntamente, como una corriente de materia prima individual. Puede ser que haya una entrada de materia prima combinada individual que se extienda desde el exterior del alojamiento de aparato hasta una cámara o cámara impelente dentro del alojamiento de aparato. La cámara o cámara impelente entonces tiene múltiples salidas, cada una que es una entrada de materia prima para uno de los conductos alargados de primera zona catalítica.
De manera alternativa, puede haber múltiples conductos alargados de primera zona catalítica y la materia prima para todos los conductos entra en el alojamiento de aparato mediante múltiples entradas de materia prima, por ejemplo 2 o 4 entradas de materia prima. Las entradas pueden estar separadas, por ejemplo, puede haber 1 o 2 entradas de materia prima en cada lado del aparato. Las entradas de materia prima pueden extenderse desde el exterior del alojamiento de aparato hasta una cámara o cámara impelente dentro del alojamiento de aparato. La cámara o cámara impelente entonces tiene múltiples salidas, cada una que es una entrada de materia prima para uno de los conductos alargados de primera zona catalítica.
Puede ser que cuando hay múltiples conductos alargados, la invención use un sistema de “cabezal y lateral”, como se conoce en la técnica, para proporcionar la materia prima. Por lo tanto, la corriente de materia prima desde el exterior de alojamiento de aparato puede alimentar varios tubos o tuberías (cabezales) dentro del alojamiento de aparato antes de que, a su vez, alimente múltiples tubos más pequeños (laterales) dentro del aparato que proporcionan la materia prima a los múltiples conductos alargados. Por lo tanto, la materia prima se extiende desde una ubicación fuera del alojamiento de aparato hasta los múltiples conductos alargados mediante el sistema de “cabezal y lateral”.
La materia prima pasa a través del conducto alargado, y el contacto con el catalizador a temperatura elevada da por resultado la formación de gas de proceso parcialmente reformado. En otras palabras, en la primera zona catalítica el proceso de reformado ha progresado en parte, pero no hasta finalización. Por ejemplo, cuando la materia prima comprende gas natural, puede ser que parte pero no todo el metano se haya convertido y esencialmente todos los hidrocarburos superiores se hayan convertido en hidrógeno y óxidos de carbono.
El gas de proceso parcialmente reformado que se forma dentro del conducto alargado de primera zona catalítica entonces sale del conducto mediante una salida de gas.
Una característica clave de la invención es que el calor para proporcionar la temperatura elevada en la primera zona catalítica se suministra a la primera zona catalítica desde: (i) una corriente de productos de combustión parcialmente enfriada y (ii) una corriente de gas reformado. Estas fuentes de calor se describirán con más detalle más adelante en la presente solicitud.
En una realización, se proporciona calor a la primera zona catalítica de modo que el gas de proceso parcialmente reformado sale de la primera zona catalítica a una temperatura de 650 °C o más, tal como 700 °C o más o 750 °C o más, por ejemplo, de 650 a 900 °C o de 700 a 850 °C o de 750 a 800 °C.
Estas temperaturas intermedias altas son beneficiosas en términos de incrementar al máximo la cantidad total de reformado que se presenta en el proceso de la invención.
Segunda zona catalítica
La presente invención incluye una segunda zona catalítica, en la cual el gas de proceso parcialmente reformado que se forma dentro de la primera zona catalítica se convierte en una corriente de gas reformado. Esto se presenta a temperatura elevada, y en la presencia de un catalizador.
Se prefiere que el gas de proceso parcialmente reformado entre a la segunda zona catalítica a una temperatura de 650 °C o más, tal como 700 °C o más o 750 °C o más, por ejemplo, de 650 a 900 °C o de 700 a 850 °C o de 750 a 800 °C. Esto es beneficioso en términos de incrementar al máximo la cantidad total de reformado que se presenta en el proceso de la invención.
La segunda zona catalítica comprende un conducto alargado, que contiene catalizador de reformado. El catalizador de reformado se puede proporcionar en la forma de un lecho de catalizador. El conducto alargado de segunda zona catalítica tiene una entrada de gas parcialmente reformado, de modo que el gas de proceso parcialmente reformado de la primera zona catalítica puede entrar en el conducto y entrar en contacto con el catalizador. Puede haber cualquier número adecuado de conductos alargados de segunda zona catalítica, por ejemplo, dos o más, o tres o más, o cuatro o más, o diez o más, tal como 50 o más o 100 o más. En una realización, puede haber 250 o más, o 500 o más, o 750 o más, o 1000 o más, o 2000 o más. Cuando hay dos o más conductos alargados de segunda zona catalítica, estos pueden extenderse adecuadamente paralelos entre sí. Se pueden disponer en un arreglo regular. En una realización, los conductos alargados se extienden paralelos entre sí y se disponen en un arreglo triangular o cuadrado repetitivo.
El gas de proceso parcialmente reformado pasa a través del conducto alargado de segunda zona catalítica, y el contacto con el catalizador a temperatura elevada da por resultado la formación de una corriente de gas reformado. En otras palabras, en la segunda zona catalítica el proceso de reformado progresa hacia finalización.
El experto en la técnica apreciará que, en la práctica, un proceso de reformado nunca está bastante completo, siempre hay un “enfoque de equilibrio”. Por lo tanto, la presente invención no requiere que se complete el proceso de reformado, pero en la segunda zona catalítica el proceso puede lograr una corriente de gas reformado con la concentración de metano deseada.
El reformado que se presenta en la segunda zona catalítica da por resultado una corriente de gas reformado que tiene una composición, por ejemplo, en términos de contenido de H<2>, que lo convierte en un producto final útil.
La corriente de gas reformado que se forma dentro del conducto alargado de segunda zona catalítica entonces sale del conducto mediante una salida de gas. Esta corriente de gas reformado está caliente y pasa a la región de intercambio de calor donde el calor se transfiere a la primera zona catalítica.
Una característica clave de la invención es que el calor se proporciona a la segunda zona catalítica desde una región de combustión exotérmica que se extiende lateralmente alrededor de la segunda zona catalítica, donde el calor se genera en la región de combustión por el combustible fluido y el medio de mantenimiento de combustión que se somete a combustión.
El proceso de la invención requiere que el calor para proporcionar la temperatura elevada en la segunda zona catalítica se suministre desde una región de combustión exotérmica adyacente a, y que se extiende lateralmente alrededor de, la segunda zona catalítica. El calor se suministra por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión, y tanto por convección como por radiación de gas.
Estas fuentes de calor se describirán con más detalle más adelante en la presente solicitud.
En una realización, se proporciona calor a la segunda zona catalítica de modo que la corriente de gas reformado sale de la segunda zona catalítica a una temperatura de 750 °C o más, por ejemplo, 800 °C o más u 850 °C o más, tal como 900 °C o más, o 950 °C o más, por ejemplo, de 750 °C a 1100 °C, o de 800 °C a 1100 °C, o de 850 °C a 1050 °C, o de 900 a 1050 °C, o de 950 a 1000 °C.
Región de combustión
Una característica clave de la presente invención es el uso de una región de combustión donde el combustible fluido y el medio de mantenimiento de combustión se someten a combustión, generando calor.
El calor se puede transferir no solo por los productos finales de la combustión, sino también por sus precursores, combustible calentado, aire de combustión calentado y material parcialmente quemado formado durante el proceso de combustión.
Específicamente, la presente invención implica la combustión de un combustible fluido con un medio de mantenimiento de combustión en una región de combustión exotérmica, para formar una corriente de productos de combustión. La región de combustión exotérmica rodea lateralmente cada conducto alargado en la segunda zona catalítica.
El combustible fluido y el medio de mantenimiento de combustión se alimentan por separado a la región de combustión exotérmica y entonces se introducen entre sí dentro de la región de combustión exotérmica, por ejemplo, mediante una o más, y en particular una pluralidad de, boquillas de quemador. Las boquillas de quemador pueden distribuir combustible en el medio de mantenimiento de combustión o pueden distribuir el medio de mantenimiento de combustión en el combustible; se prefiere lo primero.
Por lo tanto, significativamente, la combustión tiene lugar durante el proceso de reformado. Preferentemente, esto tiene lugar directamente al lado y en paralelo a la segunda zona catalítica donde se forma la corriente de gas reformado. Por lo tanto, en una realización, la una o más boquillas de quemador se disponen para dirigir el combustible y el medio de mantenimiento de combustión sustancialmente paralelos al o a los conductos alargados de segunda zona catalítica.
Por consiguiente, el calor para soportar la reacción de reformado endotérmica se generain situ.Se transfiere directamente de la región de combustión exotérmica a la segunda zona catalítica.
En el proceso de la invención, el calor para soportar la reacción de reformado endotérmica no se proporciona únicamente a partir de productos de combustión, por ejemplo, un gas de chimenea. En cambio, el calor para proporcionar la temperatura elevada que se requiere para la reacción de reformado en la segunda zona catalítica se suministra por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión. Además, este calor se proporciona tanto por convección como por radiación de gas.
El aparato de la invención incluye múltiples (una pluralidad de) boquillas de quemador. Múltiple se refiere a dos o más, tal como tres o más o cuatro o más o cinco o más o seis o más, por ejemplo, 10 o más o 50 o más o 100 o más. En una realización, puede haber 250 o más, o 500 o más, o 750 o más, o 1000 o más, o 2000 o más.
En una realización, el combustible fluido y el medio de mantenimiento de combustión se introducen entre sí dentro de la región de combustión exotérmica mediante dos o más boquillas de quemador y el número total de boquillas de quemador presentes es mayor que el número de conductos alargados en la segunda zona catalítica.
En una realización preferida, cada conducto alargado en la segunda zona catalítica se proporciona con una parte del calor de una o más boquillas de quemador, preferentemente de dos o más boquillas de quemador, más preferentemente de tres o más boquillas de quemador o cuatro o más boquillas de quemador. Se prefiere que el conducto alargado reciba calor de la zona de combustión exotérmica inicialmente de dos o más boquillas de quemador diferentes alrededor de su circunferencia exterior, tal como tres o más o cuatro o más boquillas de quemador diferentes.
En una realización preferida, la invención usa un enfoque que utiliza las altas temperaturas inherentes a una combustión casi estequiométrica de un combustible fluido con aire u otro medio de mantenimiento de combustión.
En una realización preferida, el aire, como medio de mantenimiento de combustión, y un combustible fluido se alimentan por separado a la región de combustión que también contiene en su interior y en todos los conductos alargados (tubos) que contienen un segundo catalizador de reformado. Estos conductos (tubos) que contienen un segundo catalizador de reformado forman la segunda zona catalítica. El aire de combustión y combustible inician la combustión mediante una o más boquillas de quemador dentro de la zona de combustión. El calor se remueve simultánea y directamente en los conductos adyacentes que contienen el gas de proceso y el segundo catalizador de reformado durante el proceso de combustión, que se presenta en un volumen finito. En otras palabras, el calor se transfiere no solo por los productos de combustión, sino también por sus precursores, combustible calentado, aire de combustión calentado y material parcialmente quemado formado durante el proceso de combustión. La transferencia de calor es mediante la radiación de gas y la convección de los gases que fluyen. Los gases de proceso que fluyen dentro del conducto y el catalizador y la reacción endotérmica en los mismos absorben y transfieren calor, reduciendo de este modo las temperaturas de pared de tubo dentro de los límites de diseño mecánico aceptables.
Un beneficio de la presente invención es que la temperatura pico para los productos de combustión se modera en comparación con si la combustión completa tuviera lugar antes de cualquier transferencia de calor (enfriamiento), es decir, con la transferencia de calor total posteriormente.
La disposición de la presente invención evita la necesidad de transferir y distribuir productos de combustión calientes a alta temperatura, habitualmente por encima de 2000 °C, aguas arriba de los tubos de proceso (conductos alargados), que presentaría dificultades prácticas, con menor integridad refractaria asociada y costos incrementados.
La distribución del medio de mantenimiento de combustión de la presente invención se puede limitar a la temperatura deseada para la auto-ignición del combustible y el medio de mantenimiento de combustión, que es habitualmente menor de 650 °C.
Una temperatura de entrada alta para los productos de combustión daría por resultado temperaturas de pared de tubo de proceso más altas en el extremo caliente de los tubos de proceso (conductos alargados) para una temperatura de salida de gas reformado dada, por lo que se requeriría un incremento en la temperatura de diseño de tubo o una reducción en la temperatura de gas parcialmente reformado, que reduciría la eficiencia de proceso total. Por lo tanto, es ventajoso que la presente invención permita el uso de productos de combustión o gases de entrada de medio de mantenimiento de combustión que no tienen temperaturas tan altas.
A fin de incrementar al máximo el área de superficie de transferencia de calor de los tubos de proceso (conductos alargados) es necesario incrementar al máximo, en la medida de lo posible, el flujo de calor de la combustión a los fluidos de proceso. Esto se logra al iniciar la combustión de combustible y aire, sin dilución, en o cerca de la relación estequiométrica. Esto da la temperatura de combustión máxima para la mezcla de combustible/aire y la máxima eficiencia térmica.
Por lo tanto, en una realización preferida, la combustión del combustible y el medio de mantenimiento de combustión, por ejemplo, aire, tiene lugar sin dilución, en o cerca de una relación estequiométrica.
En una realización preferida, la combustión se presenta en la región de combustión usando aire parcialmente precalentado, a una temperatura de modo que el combustible fluido se somete a auto-ignición con el aire de combustión. La combustión se logra adecuadamente mediante un mecanismo de llama de difusión turbulenta.
En una realización preferida, la combustión total se presenta a través de una longitud de mezcla de combustible/aire que permite que el calor de combustión se remueva simultáneamente a la segunda zona catalítica sin exceder las temperaturas de diseño de conducto modestas y habituales.
La alta eficiencia térmica de la presente invención significa que puede haber calor residual insuficiente en el proceso total para precalentar el medio de mantenimiento de combustión (usualmente aire de combustión), por ejemplo, a la temperatura requerida para asegurar la auto-ignición de la mezcla de combustible/aire en la región de combustión, además de proporcionar calor para otras tareas, tal como para provisión de vapor para la alimentación de reformador, para precalentar la materia prima para desulfuración y para precalentamiento de la materia prima para pre-reformado. Por lo tanto, se puede requerir un suministro de calor externo si el medio de mantenimiento de combustión se va a precalentar.
Sigue siendo preferible precalentar el medio de mantenimiento de combustión. Por lo tanto, en una realización, el medio de mantenimiento de combustión precalentado (por ejemplo, aire precalentado) se proporciona al:
• utilizar aire caliente de otra fuente, tal como un compresor de aire de turbina de gas,
• calentar indirectamente, usando calor residual externo,
• calentar directamente la combustión de combustible aguas arriba del reformador,
o una combinación de dos o más de estos.
En una realización, el medio de mantenimiento de combustión precalentado se proporciona con base en una combinación de calentamiento indirecto usando calor residual y por calentamiento directo de la combustión de una parte del combustible total usado en el proceso de la invención en el suministro de aire de combustión aguas arriba de las boquillas de quemador que se sitúan en la región de combustión del reformador. El calentamiento directo puede ser mediante una o más boquillas de quemador separadas dentro de, o aguas arriba de, el aparato de reformado.
En una realización, se proporciona un quemador de arranque para precalentar el medio de mantenimiento de combustión y para calentar el aparato de frío o para mantener temperaturas adecuadas dentro del aparato durante un paro temporal de la planta de reformado. Esto se puede proporcionar dentro de o aguas arriba del aparato de reformado.
Adecuadamente, el quemador de arranque puede operar de manera continua, para provisión de parte o la totalidad del precalentamiento requerido del medio de mantenimiento de combustión.
En una realización preferida, el medio de mantenimiento de combustión se precalienta a una temperatura de 400 °C o más, o 500 °C o más, o 600 °C o más, tal como de 500 a 800 °C, o de 600 a 750 °C, por ejemplo, aproximadamente 650 °C. Por lo tanto, el medio de mantenimiento de combustión se proporciona adecuadamente a la región de combustión a una temperatura tan elevada (precalentada).
A fin de incrementar al máximo la eficiencia térmica del proceso, el combustible fluido en forma de gas combustible se puede suministrar de manera útil a la región de combustión en una forma precalentada (siempre y cuando la temperatura aún esté por debajo de donde se presentaría el craqueo la degradación del combustible). Un incremento en la temperatura del gas combustible permite una reducción en la temperatura del medio de mantenimiento de combustión, si se desea, en tanto que se mantiene la auto-ignición.
Por lo tanto, puede ser útil, en una realización, usar combustible precalentado que esté a una temperatura de hasta 400 °C, por ejemplo, de 100 a 400 °C o de 200 a 400 °C, o de 300 a 400 °C, o de 350 a 400 °C, tal como a aproximadamente 380 °C.
Los catalizadores de reformado con vapor basados en níquel se pueden envenenar con compuestos que contienen azufre. Por lo tanto, cualquiera de estos compuestos en los hidrocarburos para la materia prima normalmente se removerá a un nivel bajo, para obtener un material inicial de hidrocarburo desulfurado, antes del reformado con vapor o en seco. Esto se logra por el uso de una unidad de desulfuración, como se conoce en la técnica. Esta unidad puede, por ejemplo, usar una combinación de catalizador de hidro-desulfuración y un adsorbente de sulfuro de hidrógeno tal como óxido de zinc. En una realización, por lo tanto, el uno o más hidrocarburos para la materia prima se alimentan a través de una unidad de desulfuración antes de que alcancen la primera zona catalítica, y preferentemente antes de que alcancen un pre reformador ubicado aguas arriba de la primera zona catalítica.
Puede ser que una porción se tome de este material inicial de hidrocarburo desulfurado, antes de la adición de vapor/CO<2>, y se proporcione como combustible de gas natural a la región de combustión. Este combustible de gas natural precalentado puede estar a una temperatura de hasta 400 °C, por ejemplo, de 200 a 400 °C o de 300 a 400 °C, tal como de 350 a 400 °C, por ejemplo, aproximadamente 380 °C.
Cuando se usa un pre-reformador, esto puede remover aún más los rastros de azufre que quedan después del tratamiento de unidad de desulfuración.
La desulfuración del combustible puede ser beneficiosa cuando el procesamiento de los productos de combustión se lleva a cabo aguas abajo, como por ejemplo, cuando se usa la captura de CO<2>.
La mayor eficiencia térmica para la presente invención se logra al operar a una relación estequiométrica de aire/combustible. Sin embargo, la presente invención se diseña para ser capaz de operar con una concentración de oxígeno de 0,5 % en los productos de combustión.
Se debe señalar que se espera que cualquier mala distribución de combustible o aire de combustión de por resultado temperaturas de producto de combustión inferiores a las de diseño (estequiométricas) y, por lo tanto, inferiores a las temperaturas de pared de diseño. Cualquier mala distribución se observará por concentración incrementada de oxígeno y/o CO en los productos de combustión aguas abajo.
En una realización, los productos de combustión a la salida del aparato de reformado contienen < 2 % en mol, preferentemente < 1 % en mol, más preferentemente < 0,5 % en mol de oxígeno.
A fin de incrementar al máximo la eficiencia térmica del proceso de reformado y reducir al mínimo el área de superficie de transferencia de calor dentro del aparato, la combustión se inicia lo más cerca posible de la relación estequiométrica.
La operación cercana a la relación estequiométrica requiere una distribución adecuada tanto de combustible como de aire de combustión a la región de combustión. Se conocen bien los métodos para la distribución de gases, y se puede emplear cualquier medio adecuado.
Los productos de combustión producidos en la región de combustión y que alcanzan la región de transferencia de calor tienen adecuadamente una temperatura de 1500 °C o menos, tal como 1400 °C o menos, por ejemplo, 1250 °C o menos. En una realización, los productos de combustión a la salida de la región de combustión tienen una temperatura de 750 a 1500 °C, tal como de 800 a 1400 °C, por ejemplo, de 900 a 1250 °C.
En una realización, los productos de combustión como se producen en la región de combustión y que alcanzan la región de transferencia de calor tienen una temperatura de 1300 °C o menos, por ejemplo, 1100 °C o menos. En una realización, los productos de combustión a la salida de la región de combustión tienen una temperatura de 850 a 1500 °C, tal como de 950 a 1300 °C, por ejemplo, de 1000 a 1100 °C.
En una realización, la diferencia en la temperatura entre la corriente de gas reformado (conforme sale de la segunda zona catalítica) y la corriente de productos de combustión (a la salida de la región de combustión) es de 50 a 250 °C o de 50 a 200 °C; especialmente de 75 a 150 °C.
Una mayor diferencia de temperatura entre el gas reformado y los productos de combustión conduce a una disminución de la eficiencia térmica, pero reduce las áreas de superficie y el costo, en tanto que una menor diferencia de temperatura entre el gas reformado y los productos de combustión conduce a lo contrario. El experto en la técnica apreciará que seleccionar una diferencia de temperaturas adecuada es un ejercicio de optimización y se puede seleccionar dependiendo de las propiedades deseadas para el proceso.
Disposición de conductos alargados y boquillas de quemador
Como se señaló anteriormente, la región de combustión exotérmica es adyacente a y rodea lateralmente la segunda zona catalítica. La segunda zona catalítica comprende uno o más tubos alargados, y la región de combustión exotérmica puede comprender una o más boquillas de quemador.
En una realización, por lo tanto, hay una o más boquillas de quemador dispuestas con respecto a uno o más tubos alargados de la segunda zona catalítica.
En una realización, se usa una disposición triangular o cuadrada de boquillas de quemador alternas y tubos alargados. Se puede usar un número aproximadamente igual de boquillas de quemador y tubos alargados.
La figura 6a muestra un arreglo de separación cuadrada y la figura 6b muestra un arreglo de separación triangular.
En las paredes del alojamiento dentro de las cuales se proporcionan la segunda zona catalítica y la región de combustión exotérmica, pueden estar presentes boquillas de quemador adicionales. Estas pueden, en una realización, ser de menor tamaño que el resto de las boquillas de quemador.
Una vez que el combustible fluya desde cada boquilla de quemador, la mezcla con el medio de mantenimiento de combustión comenzará inmediatamente, al igual que la combustión y flujo de calor asociados. La mezcla de combustible y medio de mantenimiento de combustión se presentará tanto hacia arriba como circunferencialmente alrededor de cada tubo. Por lo tanto, la entrada de calor circunferencialmente en los tubos será más uniforme/equilibrada conforme los gases fluyen hacia arriba.
La entrada de calor equilibrada (no necesariamente igual) circunferencialmente alrededor de cada tubo en la zona de combustión es beneficiosa. La entrada de calor desigual puede dar por resultado un “arco” de los tubos (calentando un lado más que el otro), que a su vez puede conducir entonces a una mala distribución adicional de entrada de calor.
Por lo tanto, es beneficioso tener un arreglo regular de boquillas de quemador dispuestas con respecto a los tubos alargados de la segunda zona catalítica. En particular, el diseño preferido es una separación triangular o cuadrada con boquillas de quemador alternas y tubos alargados. En general, cuando se descuentan las boquillas de quemador adicionales que pueden estar presentes en las paredes, preferentemente hay aproximadamente el mismo número de boquillas de quemador y tubos alargados en el arreglo regular.
Calor para la primera zona catalítica
En la presente invención, como se analizó anteriormente, hay una región de combustión exotérmica en la cual tiene lugar la combustión de un combustible fluido con un medio de mantenimiento de combustión, para formar una corriente de productos de combustión caliente. Esta corriente de productos de combustión caliente proporciona calor a la segunda zona catalítica y como consecuencia, se enfría por la transferencia de calor a la segunda zona catalítica, para formar una corriente de productos de combustión parcialmente enfriada.
Esta corriente de productos de combustión parcialmente enfriada proporciona calor a la primera zona catalítica.
Además, se proporciona calor a la primera zona catalítica a partir de la corriente de gas reformado, tal como se forma en la segunda zona catalítica.
Por lo tanto, el calor residual se utiliza directamente para proporcionar el calor requerido para soportar el reformado catalítico endotérmico y calentamiento sensible de la materia prima que contiene hidrocarburos en la primera zona catalítica.
La corriente de gas reformado se enfría por esta transferencia de calor a la primera zona catalítica, reduciendo de este modo la cantidad de calor residual de menor grado que se va a recuperar aguas abajo del reformador. En una realización beneficiosa, el gas reformado se enfría para reducir o eliminar el riesgo de corrosión por polvo metálico aguas abajo.
Mientras tanto, la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada también se enfría por esta transferencia de calor a la primera zona catalítica, reduciendo de este modo la cantidad de calor residual de menor grado que se debe recuperar aguas abajo del reformador e incrementando la eficiencia térmica en todo el aparato.
En una realización, se puede proporcionar calor adicional a la primera zona catalítica por el uso de un lecho de material inerte, por ejemplo, en la forma de partículas u otros dispositivos conformados. En particular, esto puede ser beneficioso para asegurar que la materia prima esté suficientemente caliente cuando alcanza el catalizador en la primera zona catalítica, de modo que el catalizador pueda operar de manera efectiva. En esta realización, la materia prima pasa sobre un lecho de material inerte antes de que alcance el lecho de catalizador. Se proporciona calor al material inerte, y por lo tanto a la materia prima que pasa sobre el material inerte, por la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada y la corriente de gas reformado, de la misma manera como se analizó anteriormente.
Por lo tanto, el lecho de material inerte se instala aguas arriba del lecho de catalizador en el o los conductos alargados en la primera zona catalítica a fin de incrementar la temperatura de materia prima antes de que entre en contacto con el catalizador.
Transferencia de calor en la primera zona catalítica
Es deseable incrementar al máximo la transferencia de calor a la primera zona catalítica, en tanto que se reduce al mínimo el área de transferencia de calor requerida. Incrementar al máximo la transferencia de calor requiere reducir al mínimo las diferencias de temperatura entre el gas reformado y la materia prima en la entrada y salida de la primera zona catalítica. Reducir al mínimo el área de transferencia de calor requiere incrementar al máximo las mismas diferencias de temperatura.
Preferentemente, la diferencia de temperatura entre la materia prima y la corriente de gas reformado adyacente en cualquier interfaz de transferencia de calor en la primera zona catalítica es de 300 °C o menos, especialmente 250 °C o menos, por ejemplo, de 20 a 300 °C y preferentemente en el intervalo de 50 a 250 °C, tal como de 100 a 300 °C o de 150 a 250 °C.
Por lo tanto, se desea una diferencia de temperatura promedio óptima aceptable (LMTD) entre fluidos calientes y fríos.
En una realización preferida, la corriente de gas reformado fluye en contracorriente y en contacto de intercambio de calor indirecto con la materia prima, de modo que el calor se transfiere de la corriente de gas reformado a la materia prima. De manera simultánea, la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada fluye en contracorriente y en contacto de intercambio de calor indirecto con la materia prima, de modo que el calor se transfiere de la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada a la corriente de gas reformado.
Por lo tanto, la corriente de gas reformado está a su temperatura más alta en el extremo de salida de materia prima del conducto, y se enfría conforme pasa hacia el extremo de entrada de materia prima del conducto, conforme el calor se transfiere a la materia prima. Mientras tanto, la materia prima está a su temperatura más alta en el extremo de salida de materia prima del conducto, conforme el calor se transfiere de la corriente de gas reformado.
Este diseño permite que se logre una diferencia de temperatura promedio óptima aceptable (LMTD) entre fluidos calientes y fríos.
En esta realización, la corriente de gas reformado fluye en contracorriente y en contacto de intercambio de calor indirecto con la materia prima, y simultáneamente la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada fluye en co corriente en contacto de intercambio de calor indirecto con la corriente de gas reformado, de modo que el calor se transfiere de la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada a la corriente de gas reformado, y el calor se transfiere de la corriente de gas reformado a la materia prima.
Una diferencia de temperatura adecuada entre la materia prima (gas parcialmente reformado) y la corriente de gas reformado en el extremo de salida de cada conducto alargado en la primera zona catalítica es 300 °C o menos, especialmente 250 °C o menos, por ejemplo, de 20 a 300 °C y preferentemente en el intervalo de 50 a 250 °C, tal como de 100 a 300 °C o de 150 a 250 °C.
Por ejemplo, en el extremo de salida de la primera zona catalítica, la corriente de gas reformado puede estar a una temperatura de 900 a 1000 °C, por ejemplo, aproximadamente 950 °C y la materia prima (gas parcialmente reformado) puede estar a una temperatura de 700 a 800 °C, por ejemplo, aproximadamente 750 °C .
Una diferencia de temperatura adecuada entre la materia prima y la corriente de gas reformado en el extremo de entrada de cada conducto alargado en la primera zona catalítica es 200 °C o menos, especialmente 150 °C o menos, y preferentemente de 50 a 150 °C.
Por ejemplo, en el extremo de entrada de la primera zona catalítica, la corriente de gas reformado puede estar a una temperatura de 450 a 500 °C, por ejemplo, aproximadamente 475 °C y la materia prima puede estar a una temperatura de 350 a 400 °C, por ejemplo, aproximadamente 375 °C.
Se apreciará que conforme la materia prima pasa a lo largo del conducto reaccionará y por lo tanto, se formará gas parcialmente reformado. Sin embargo, para mayor claridad, cuando se hace referencia a la diferencia de temperatura, el fluido dentro del conducto que está recibiendo calor de la corriente de gas reformado se refiere como “materia prima”, aunque en la práctica se convertirá en gas parcialmente reformado conforme se desplaza a lo largo del conducto desde la entrada hasta la salida.
A fin de incrementar al máximo la eficiencia térmica de proceso total y reformado, la temperatura de salida del gas parcialmente reformado de la primera zona catalítica debe ser lo más alta posible. Por lo tanto, esto necesita una temperatura alta para la corriente de gas reformado, para proporcionar suficiente diferencia de calor y temperatura para transferir a la materia prima en la primera zona catalítica.
La temperatura de gas parcialmente reformado es adecuadamente 650 °C o más, tal como 700 °C o más o 750 °C o más, por ejemplo, de 650 a 900 °C o de 700 a 800 °C, a fin de incrementar al máximo la cantidad de reformado que se presenta en el proceso de la invención.
Para lograr esto, la corriente de gas reformado como se produce en la segunda zona catalítica está adecuadamente a una temperatura de 800 °C o más, u 850 °C o más, tal como 900 °C o más, o 950 °C o más, por ejemplo, de 800 °C a 1100 °C o de 850 a 1100 °C, o de 900 a 1000 °C.
Es deseable que la corriente de gas reformado se enfríe antes de salir del aparato, para incrementar al máximo la eficiencia y también para reducir o evitar los problemas de formación de polvo metálico aguas abajo del aparato. Se entenderá que la transferencia de calor a la materia prima en la primera zona catalítica permite que se logre este objetivo.
En una realización, la corriente de gas reformado está a una temperatura de 550 °C o menos cuando sale del aparato, tal como 500 °C o menos o 475 °C o menos o 450 °C o menos, por ejemplo, de 300 a 500 °C o de 350 a 475 °C o de 400 a 450 °C.
Se requiere el uso de la disposición de flujo en contracorriente entre la materia prima y la corriente de gas reformado como se describió anteriormente para lograr el intercambio de calor deseado.
El uso de una temperatura de entrada de materia prima relativamente baja en la primera zona catalítica proporciona una corriente de gas reformado adecuadamente enfriada en tanto que se reduce al mínimo el área de transferencia de calor.
Se prefiere que la materia prima esté a una temperatura de 500 °C o menos cuando entra en la primera zona catalítica, tal como 450 °C o menos o 400 °C o menos, por ejemplo, de 250 a 450 °C o de 300 a 400 °C.
En una realización, la invención hace uso de una disposición de flujo en contracorriente entre la materia prima y la corriente de gas reformado, y la materia prima está a una temperatura de 500 °C o menos cuando entra en la primera zona catalítica, tal como 450 °C o menos o 400 °C o menos, por ejemplo, de 250 a 450 °C o de 300 a 400 °C.
Como se señaló anteriormente, en una realización, en la primera zona catalítica, la corriente de gas reformado se calienta por intercambio de calor indirecto con la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada, que fluye en co corriente y externa a la corriente de gas reformado, y al mismo tiempo la materia prima en la primera zona catalítica se calienta por intercambio de calor indirecto con la corriente de gas reformado. Por lo tanto, el calor pasa de la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada a la corriente de gas reformado, y el calor pasa de la corriente de gas reformado a la materia prima en la primera zona catalítica.
Un beneficio de esta disposición es que solo se requiere una pared de contención de catalizador y una superficie de transferencia de calor en contacto con el catalizador en la primera zona catalítica.
En esta disposición, el gas reformado fluye hacia arriba por los anillos entre las paredes de conducto alargado interior y exterior (tubo de proceso). A fin de incrementar al máximo los coeficientes de transferencia de calor del gas reformado en la pared interior y por lo tanto, reducir al mínimo el área de transferencia de calor, el espaciamiento entre las dos paredes (el radio hidráulico) de los anillos se reduce al mínimo en la medida de lo posible dentro de las restricciones de caída de presión de gas reformado.
Preferentemente, las aletas u otros dispositivos adecuados pueden unirse a, o formarse sobre, la superficie exterior del conducto alargado de primera zona catalítica para incrementar adicionalmente la velocidad de transferencia de calor asociada del gas reformado a la materia prima/gas de proceso parcialmente reformado en la primera zona catalítica.
Del mismo modo, se pueden unir aletas u otros dispositivos adecuados al interior y/o exterior del tubo de proceso exterior para incrementar las velocidades de transferencia de calor local.
Cuando hay múltiples conductos alargados, en una realización, la invención usa un sistema de “cabezal y lateral”, como se conoce en la técnica, para la recolección y salida de cada corriente de gas reformado enfriada. Por lo tanto, las corrientes de gas reformado enfriadas (como se obtienen después de haber calentado cada una un conducto alargado de primera zona catalítica dado) se recolectan en varios tubos colectores (laterales) que entonces se alimentan a tubos o tuberías más grandes (cabezales) antes de salir del alojamiento de aparato mediante una o más salidas (por ejemplo, 1, 2 o 4 salidas). Por lo tanto, las salidas de corriente de gas reformado enfriada se extienden hasta una ubicación fuera del alojamiento de aparato mediante el sistema de “cabezal y lateral”.
En otra realización donde hay múltiples conductos alargados, la invención usa un sistema de cámara impelente, como se conoce en la técnica, para recolección y salida de la corriente de gas reformado enfriada. Por lo tanto, el gas reformado enfriado de todos los conductos sale del alojamiento de aparato solo después de que las corrientes de gas reformado enfriadas individuales se hayan fusionado para formar una corriente de gas reformado enfriada combinada individual. En otras palabras, las salidas de corriente de gas reformado enfriada de todos los conductos alargados se fusionan en una cámara o cámara impelente individual ubicada dentro del alojamiento de aparato. La corriente de gas reformado enfriada sale entonces de la cámara o cámara impelente individual, y sale del alojamiento de aparato, mediante una o más salidas (por ejemplo, 1, 2 o 4 salidas).
Cuando se consideran los productos de combustión, en una realización donde hay múltiples conductos alargados, y por lo tanto donde hay múltiples corrientes de productos de combustión enfriadas adicionalmente, puede ser que la invención use una configuración por la cual estas corrientes de productos de combustión enfriadas adicionalmente que rodean cada conducto se combinan dentro del alojamiento, hacia la parte superior, antes de salir del alojamiento mediante una salida individual. Por lo tanto, todas las corrientes de productos de combustión enfriadas adicionalmente se dirigen a una ubicación fuera del alojamiento de aparato mediante una disposición que permite que estas corrientes se combinen dentro del aparato, antes de salir a través de una salida.
Mientras tanto, en aun otra realización donde hay múltiples conductos alargados, la invención usa un sistema de cámara impelente, como se conoce en la técnica, para recolección y salida de la corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente. Por lo tanto, la corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente de todos los conductos sale del alojamiento de aparato solo después de que las corrientes de productos de combustión enfriadas adicionalmente individuales se hayan fusionado para formar una corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente combinada individual. En otras palabras, las salidas de corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente de todos los conductos alargados se fusionan en una cámara o cámara impelente individual ubicada dentro del alojamiento de aparato. La corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente sale entonces de la cámara o cámara impelente individual, y sale del alojamiento de aparato, mediante una o más salidas (por ejemplo, 1, 2 o 4 salidas).
Transferencia de calor en la segunda zona catalítica
En la segunda zona catalítica, el gas parcialmente reformado se convierte en una corriente de gas reformado. Esto requiere la provisión de calor al gas parcialmente reformado conforme pasa sobre el catalizador en un conducto alargado en la segunda zona catalítica.
Como se analizó anteriormente, el calor se transfiere a la segunda zona catalítica desde la región de combustión exotérmica. El calor se suministra desde la región de combustión exotérmica a la segunda zona catalítica por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión caliente, tanto por convección como por radiación de gas.
La región de combustión exotérmica es adyacente a y rodea lateralmente la segunda zona catalítica. Como se analizó con más detalle anteriormente, se prefiere que cada conducto alargado en la segunda zona catalítica se proporcione con calor de dos o más boquillas de quemador, más preferentemente de tres o más boquillas de quemador o cuatro o más boquillas de quemador. Estas boquillas de quemador pueden ser adyacentes y rodear lateralmente el conducto alargado al cual proporcionan calor.
La segunda zona catalítica se dispone de modo que los productos de combustión fluyan externamente y en co-corriente al gas parcialmente reformado que fluye a través del o de los conductos alargados en la segunda zona catalítica. Esto se puede lograr al colocar las salidas de las boquillas de quemador fuera del o de los conductos alargados en la segunda zona catalítica y hacia el o los extremos de entrada de gas parcialmente reformado de los mismos, y disponiéndolos de modo que los productos de combustión se dirijan hacia el o los extremos de salida de gas reformado del o de los conductos alargados.
Durante la combustión de combustible, e inmediatamente después, las altas temperaturas de los gases de combustión parcialmente quemados y resultantes conducen a un flujo de calor muy alto al o a los conductos alargados adyacentes de la segunda zona catalítica. Si se usara una disposición de flujo en contracorriente, el punto de flujo pico sería adyacente a la temperatura pico del gas reformado. Esto daría por resultado temperaturas de pared de tubo extremadamente altas. Esto haría que la disposición fuera mucho menos práctica y rentable. Por lo tanto, se usa una disposición en co-corriente, debido a que asegura que el flujo pico se presenta en una ubicación donde la temperatura del gas reformado es significativamente menor que la temperatura pico de la corriente de gas reformado, y esta temperatura pico se presenta en una ubicación donde el flujo de calor de los productos de combustión es significativamente menor. Por lo tanto, se experimentan temperaturas de pared de tubo relativamente bajas, que proporciona temperaturas de pared de tubo de diseño más bajas que requieren materiales de construcción de menor calidad y/o espesores de pared de tubo más bajos de lo que de otro modo se requeriría, lo que conduce a costos reducidos.
En una realización, la invención opcionalmente hace uso de piezas de inserción radiativas como se describe en otra parte en relación con la primera zona catalítica. Estas pueden mejorar la transferencia de calor a los conductos alargados en la segunda zona catalítica en el área adyacente a la primera zona catalítica.
De manera adecuada, las piezas de inserción radiativas ubicadas adyacentes a la segunda zona catalítica pueden ser continuaciones de las piezas de inserción radiativas ubicadas en la primera zona catalítica.
Por lo tanto, en el extremo aguas abajo de la segunda zona catalítica, se puede incrementar la velocidad de transferencia de calor de los productos de combustión al gas parcialmente reformado, reduciendo al mínimo de esta manera el área de transferencia de calor y la longitud de tubo requeridos.
Piezas de inserción radiativas
En una realización, la invención opcionalmente hace uso de piezas de inserción radiativas. Estas pueden mejorar la transferencia de calor a los conductos alargados en la primera zona catalítica.
Una piezas de inserción radiativa se puede elaborar de cualquier material que tenga la capacidad de irradiar calor adecuadamente. Puede ser que la pieza de inserción se elabore completamente del material o que la pieza de inserción se pueda revestir o tratarse de otro modo con el material.
En una realización, la pieza de inserción radiativa se forma a partir de, o se reviste con, material cerámico. Se conocen bien otros tratamientos para incrementar la emisividad superficial.
Las piezas de inserción radiativas se ubican en, y pasan adecuadamente de forma continua a través de la región de recuperación de calor. Por lo tanto, se disponen con respecto a los conductos alargados en la primera zona catalítica. La transferencia de calor de la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada a la primera zona catalítica se puede mejorar por el uso de estas piezas de inserción radiativas.
Las piezas de inserción radiativas se pueden proporcionar adecuadamente entre los conductos alargados ubicados en la primera zona catalítica. Las piezas de inserción se pueden proporcionar en un patrón regular o un patrón irregular. No es esencial que se proporcione una pieza de inserción en cada espacio entre dos conductos alargados, pero cuando las piezas de inserción están presentes, se deben proporcionar de modo que se dispongan de manera simétrica alrededor de cada conducto alargado.
Las piezas de inserción radiativas cumplen dos funciones.
En primer lugar, al bloquear una gran proporción del área dentro de la cual pueden fluir los productos de combustión, se incrementa en gran medida la velocidad, y por lo tanto el coeficiente de transferencia de calor por convección, de los productos de combustión y la velocidad de transferencia de calor al o a los conductos alargados.
En segundo lugar, el calor de los productos de combustión se transfiere por convección a las piezas de inserción radiativas, y entonces se transfiere hacia adelante al o a los conductos alargados por radiación de superficie a superficie.
Por lo tanto, se incrementa al máximo el calor transferido a la primera zona catalítica y la corriente de gas reformado en la misma.
Las piezas de inserción pueden ser de cualquier tamaño y forma adecuadas. En una realización, son cuerpos alargados. Pueden tener cualquier forma de sección transversal adecuada, por ejemplo, circular, triangular o cuadrada. Los espaciamientos entre las piezas de inserción y los conductos alargados se pueden variar tanto circunferencialmente como longitudinalmente. En una realización, las piezas de inserción pueden tener un extremo ahusado.
Se pueden proporcionar aletas en la superficie de las piezas de inserción radiativas, para ayudar a la transferencia de calor y mezcla de gases que fluyen.
El espaciamiento entre las piezas de inserción radiativas o recinto y el conducto alargado exterior se puede estrechar de manera adecuada para proporcionar una velocidad de transferencia de calor variable a diferentes elevaciones, para incrementar al máximo de este modo la velocidad de transferencia de calor local sin exceder las temperaturas de diseño de pared de conducto alargado (tubo de proceso exterior).
Los separadores se proporcionan de manera útil para mantener las distancias de separación entre cada pieza de inserción radiativa y el tubo de proceso exterior.
Las piezas de inserción radiativas pueden extenderse adecuadamente en parte en la región de combustión y por lo tanto, se pueden disponer con respecto a los tubos alargados en la segunda zona catalítica.
Sin embargo, las piezas de inserción radiativas no se deben extender hasta llegar a la ubicación de las boquillas de quemador. La distancia que se extienden hacia la región de combustión se limita por (a) la falta de necesidad de ellas (el flujo de calor local es suficientemente alto de todos modos) y (b) las temperaturas se vuelven demasiado altas y por lo tanto, se excederían los límites mecánicos de las piezas de inserción radiativas.
En otra realización, la invención opcionalmente hace uso de tubos inertes que encierran cada uno de los conductos alargados.
Combustión presurizada
La invención se puede operar a cualquier presión de combustión adecuada que facilite el flujo de gases de combustión a través del aparato mediante las rutas de flujo designadas. Si se opera a o cerca de la presión atmosférica en la salida de productos de combustión, para un diseño económico se puede requerir una presión de aire de combustión de hasta 1 barg o más. Sin embargo, la invención se puede operar a presiones más altas, que puede conferir ventajas significativas tanto al aparato como al diagrama de flujo de reformado asociado.
En particular, la invención proporciona la opción de operar a una presión tal que puede proporcionar una presión diferencial a través de la pared del o de los conductos alargados en la segunda zona catalítica, que es ya sea cero o solo ligeramente negativa o positiva. Tener una diferencia de presión mínima o cero entre el lado de proceso, donde se presenta la reacción de reformado, y el lado de combustión donde se genera el calor para soportar la reacción de reformado, es un beneficio técnico significativo.
En este sentido, al operar con la presión diferencial que es sustancialmente cero, se puede reducir el espesor de pared de conducto que se requiere para evitar la ruptura durante la vida útil de diseño. El espesor de la pared se puede mantener al mínimo requerido para la estabilidad estructural, corrosión y cualquier otra consideración de diseño, en lugar de tener que permitir un espesor adicional para hacer frente a las presiones experimentadas durante el proceso. Esto es particularmente relevante cuando se consideran las paredes del conducto alargado en la ubicación de la temperatura pico (“punto caliente”) durante la operación.
De manera ventajosa, la fluencia radial se puede eliminar por completo en este punto de “punto caliente”, y casi por completo en otra parte a lo largo de la longitud del conducto alargado. Esto proporciona la capacidad de utilizar paredes delgadas y/o material para las paredes que es menos robusto/tiene propiedades mecánicas más pobres de lo que puede ser el caso cuando se opera la zona de combustión a o cerca de la presión atmosférica.
Además de la reducción de costos y peso, un beneficio significativo adicional del uso de paredes de tubo más delgadas para el conducto exterior es que las rutas de flujo de gas de proceso tanto para la segunda zona catalítica como para la primera zona catalítica tienen mayores áreas de sección transversal para una velocidad de flujo másico de proceso dado, dando por resultado menor caída de presión a través de las zonas, o permitiendo tamaños de partícula de catalizador más pequeños y tasas de transferencia de calor incrementada correspondientes a los gases de proceso. Las velocidades de transferencia de calor incrementadas reducen tanto las temperaturas de paredes metálicas como las áreas de superficie requeridas, ambas de las cuales son beneficiosas.
Se apreciará que la presión del medio de mantenimiento de combustión como se proporciona a la región de combustión se puede controlar y como consecuencia, el diferencial de presión se puede controlar para que sea cero o cercano a cero.
En una realización, la presión del medio de mantenimiento de combustión se controla de modo que la presión diferencial entre la segunda zona catalítica y la región de combustión exotérmica es menor de 500 kPa o menor de 250 kPa, tal como menor de 100 kPa o menor de 50 kPa, por ejemplo, menor de 20 kPa o menor de 10 kPa.
En una realización preferida, el medio de mantenimiento de combustión está a una presión de 1.000 kPa a 8.000 kPa o más y el gas reformado dentro del o de los conductos alargados en la segunda zona catalítica está a una presión de 1.000 kPa a 8.000 kPa o más, y la diferencia de presión entre estos es de 500 kPa o menos, tal como 100 kPa o menos o 50 kPa o menos, o 10 kPa o menos.
En particular, esta baja diferencia de presión es altamente relevante en la ubicación de la temperatura pico de pared (“punto caliente”) durante la operación.
En una realización alternativa, la presión del medio de mantenimiento de combustión se puede seleccionar para que sea óptima en términos del diseño de los conductos alargados en comparación con la potencia requerida para comprimir el medio de mantenimiento de combustión para lograr la presión.
El uso de una presión más alta para el medio de mantenimiento de combustión y la posterior reducción de diferencial de presión permite el diseño y la operación de la corriente de gas reformado a una temperatura pico más alta de lo que sería el caso con el mismo material de pared de tubo y espesor de pared. Una temperatura más alta puede tener el beneficio de incrementar la conversión de hidrocarburos en el proceso de reformado. Una temperatura de gas reformado pico alta también incrementa al máximo la temperatura del gas parcialmente reformado tal como se forma en la primera zona catalítica y por lo tanto, incrementa al máximo la proporción del reformado logrado en la primera zona catalítica. Esto significa que se incrementa al máximo la proporción del reformado logrado al usar calor residual, que es claramente beneficioso. Por lo tanto, incrementa la eficiencia térmica total del proceso.
Por lo tanto, son posibles temperaturas de gas reformado superiores a 950 °C, con eficiencias térmicas asociadas más altas. Sin embargo, esto se debe contrastar contra el hecho de que las temperaturas de diseño incrementadas pueden conducir a que se requieran materiales de mayor especificación para el o los conductos alargados en la segunda zona catalítica y una parte de la primera zona catalítica
Se puede apreciar por el lector experto que la temperatura óptima para el gas reformado se basará en consideraciones económicas totales.
Catalizadores
Se conocen catalizadores para el reformado con vapor (H<2>O) de hidrocarburos y para el reformado en seco (CO<2>) de hidrocarburos. Está dentro de la capacidad del lector experto seleccionar un sistema de catalizador para la primera zona catalítica y un sistema de catalizador para la segunda zona catalítica a fin de lograr el reformado de la alimentación de hidrocarburos.
El sistema de catalizador para la primera zona catalítica y un sistema de catalizador para la segunda zona catalítica pueden ser los mismos o diferentes. Un sistema de catalizador puede comprender un tipo de catalizador individual o más de un tipo de catalizador.
Los catalizadores se proporcionarán normalmente en la forma de un lecho de catalizador. Por lo tanto, la primera zona catalítica tendrá un primer lecho de catalizador en cada conducto alargado, y la segunda zona catalítica tendrá un segundo lecho de catalizador en cada conducto alargado.
El volumen de catalizador requerido para el proceso de reformado, para una velocidad de flujo de proceso dada, se determina habitualmente por el área de superficie de transferencia de calor del conducto alargado (tubo de proceso de reformador), a través del cual debe pasar todo el calor para calentar los gases de proceso y el calor endotérmico de las reacciones de reformado. Otras consideraciones son el tiempo de residencia/velocidad espacial del gas dentro del catalizador, el tipo, tamaño, forma y área de superficie efectiva del catalizador y su composición, tal como el contenido de níquel. Todos estos factores se pueden considerar por el lector experto para lograr el grado de conversión de materia prima requerido.
El tipo, tamaño y forma del catalizador también tienen un impacto en la transferencia de calor, tanto en las paredes del o de los conductos alargados como lateralmente a través del propio lecho de catalizador. El tamaño es, en particular, muy relevante. La transferencia de calor en las paredes del o de los conductos alargados afecta la temperatura de pared de tubo. La transferencia de calor lateralmente a través del propio lecho de catalizador afecta la efectividad total del lecho de catalizador (es decir, el enfoque al equilibrio del gas reformado saliente).
Como se analizó anteriormente, en una realización preferida, la temperatura de la materia prima como se proporciona a la entrada del o de los conductos alargados en la primera zona catalítica es relativamente baja.
En el lecho de catalizador en la primera zona catalítica, las temperaturas predominantes son benignas en términos de diseño de pared metálica, excepto cerca de la salida del lecho. Por lo tanto, no es necesario un alto coeficiente de transferencia de calor interno de superficie de pared para reducir al mínimo las temperaturas de diseño de metal.
Como sabrá el lector experto, llevar a cabo el reformado a temperaturas relativamente bajas requiere el uso de un catalizador altamente activo con una gran área de superficie. Estos catalizadores se conocen y se usan habitualmente en lechos de catalizador de pre-reformado. Los catalizadores adecuados incluyen por ejemplo, aquellos con alto contenido de níquel.
Los catalizadores particulados de pre-reformado tradicionales, que son adecuados para uso en al menos parte de la primera zona catalítica, también tienden a tener pequeñas dimensiones características, tal como un diámetro de 3 a 6 mm. Esta dimensión característica o tamaño de partícula también proporciona coeficientes de transferencia de calor suficientemente altos en las paredes de los conductos alargados, reduciendo al mínimo de este modo la longitud de conducto requerida. Por lo tanto, se puede apreciar que estos catalizadores serían apropiados para uso en la primera zona catalítica, particularmente cerca de la entrada.
Hacia la salida de la primera zona catalítica, puede ser más apropiado utilizar un catalizador de mayor tamaño, con menor actividad, para reducir al mínimo la caída de presión a través del lecho. Por lo tanto, la dimensión característica para el catalizador puede ser, por ejemplo, un diámetro de Smm o más o 6 mm o más, tal como de 5 a 9 mm, preferentemente de, por ejemplo, 6 a 8 mm. En general, el tamaño de catalizador no debe ser tan grande para no rellenar adecuadamente el conducto de contención (tubo de proceso). Por ejemplo, para las esferas, una relación D/d baja (donde D es el diámetro interno de tubo y d es el diámetro de esfera) puede dar lugar a velocidades de flujo de gas excesivas en las paredes u otra mala distribución de flujo en el lecho.
El uso de catalizadores monolíticos o estructurados puede, en particular, ser apropiado para uso en la primera zona catalítica. Estos se pueden usar en parte, junto con otros catalizadores, o pueden ser el único tipo de catalizador.
La selección del o de los catalizadores óptimos en la primera zona catalítica es un compromiso entre el tamaño/forma de catalizador, área de superficie, actividad, transferencia de calor y caída de presión. El lector experto será capaz de seleccionar un tipo de catalizador adecuado teniendo en cuenta aquellos disponibles y los factores que se van a equilibrar y optimizar.
A fin de mantener la actividad y asegurar una larga vida útil de catalizador, es necesario eliminar la probabilidad de degradación de catalizador con el paso del tiempo, por ejemplo, por acumulación o desactivación de carbono/goma con compuestos de azufre u otros venenos, particularmente en la entrada de lecho de catalizador. Esto se puede lograr por instalación de un lecho de catalizador de pre-reformado, dentro del o de los conductos alargados aguas arriba del primer lecho de catalizador. De manera alternativa, y de manera más práctica, esto se puede proporcionar externamente a la primera zona catalítica dentro de, o externa al aparato. Si es externo al aparato, el cambio del catalizador sería sencillo y se puede llevar a cabo con el aparato en línea, durante operación normal, si es necesario. La remoción de cantidades traza de azufre en un lecho de catalizador de pre-reformado entonces mantendrá la actividad dentro del primer lecho de catalizador a bajas temperaturas durante un período prolongado.
En la segunda zona catalítica los criterios de selección son diferentes. En este caso, el catalizador se reducirá bien, con un alto contenido de hidrógeno en el gas de reformado en la primera zona catalítica, y la velocidad de reacción será alta debido a las altas temperaturas de operación. El criterio más importante para la selección de catalizador aquí es asegurar que el coeficiente de transferencia de calor en la pared del o de los conductos alargados sea suficientemente alto para limitar las temperaturas de pared para que estén dentro de límites de diseño razonables y que no se exceda la caída de presión permitida. Un segundo criterio es asegurar suficiente actividad de catalizador para admitir el alto flujo de calor local en la entrada de lecho. En general, la o las dimensiones características de catalizador en la segunda zona catalítica serán más pequeñas que las usadas en la primera zona catalítica, tal como < 6 mm, preferentemente 3 - 5,5 mm, más preferentemente 3,5 - 5 mm, a fin de proporcionar los altos coeficientes de transferencia de calor necesarios en la pared de conducto alargado, con distribución de gas aceptable a través de la ruta de flujo.
Si se desea, se puede utilizar un tamaño o forma diferente de catalizador en diferentes ubicaciones dentro del segundo lecho de catalizador, pero esto no es esencial.
Los volúmenes de catalizador requeridos en la presente invención pueden ser algo más bajos de lo que es habitual para las operaciones de reformado con vapor conocidas. Las velocidades espaciales usadas en la presente invención son relativamente habituales para los tamaños de catalizador y composiciones de gas requeridos.
Tradicionalmente, los catalizadores de reformado con vapor se han formado a partir de componentes catalíticamente activos tal como níquel depositado sobre materiales portadores tal como materiales portadores cerámicos, frecuentemente fabricados como gránulos, y frecuentemente formados como cilindros cortos conformados con orificios para proporcionar áreas de superficie extendidas. Los catalizadores granulados o particulados se conocen como catalizadores de “empaquetamiento aleatorio” o catalizadores aleatorios. La ventaja de los catalizadores de empaquetamiento aleatorio es que en general rellenan los tubos de reformador consistentemente a lo largo de toda la longitud de tubo calentado, particularmente en las paredes de tubo; esto es importante para mantener una alta turbulencia y una alta transferencia de calor a fin de mantener las temperaturas de pared de tubo dentro de los límites de diseño. Esto también es útil ya que los tubos de reformador habituales están sujetos a “fluencia” radial durante su vida útil, por lo que los tubos pueden crecer en diámetro en varios por ciento. Los catalizadores de empaquetamiento aleatorio se adaptan a esto estableciendo y manteniendo el contacto de pared de tubo.
La desventaja de los catalizadores de empaquetamiento aleatorio es el hecho de que no están sujetos al mismo grado de expansión/contracción térmica durante los ciclos de calentamiento/enfriamiento que los tubos de reformador que los contienen. Por lo tanto, durante el calentamiento de tubo (en el arranque) el tubo se expandirá, el catalizador tenderá a caer conforme rellena el volumen adicional creado. Al enfriar el tubo (en paro), los gránulos de catalizador están sujetos a fuerzas de aplastamiento, y la rotura se presenta en puntos más débiles, tal como esquinas. Por lo tanto, el catalizador está sujeto a degradación con el paso del tiempo, frecuentemente manifestada por una caída de presión incrementada a través del lecho de catalizador.
Un problema potencial particular es cuando el catalizador granulado está contenido dentro de un espacio anular, por lo que las paredes internas y externas de tubo se expanden y contraen en diferentes cantidades. Esto puede provocar una distorsión grave y sobreesfuerzo potencial de los tubos conforme el sistema se enfría y el catalizador se comprime y tiende a “agarrar” las paredes de tubo, evitando el libre movimiento de las paredes entre sí.
Los catalizadores estructurados (de empaquetamiento) desarrollados más recientemente se fabrican habitualmente a partir de monolitos cerámicos o láminas metálicas que consisten en bloques del sustrato de catalizador al cual se aplica el catalizador, en los cuales se forman rutas de flujo regulares.
La ventaja de los catalizadores estructurados es que se pueden lograr altas actividades (mediante una alta superficie) con bajas caídas de presión. El catalizador estructurado debe estar sujeto a menos degradación física con el paso del tiempo, y debe mantener la misma dimensión vertical a lo largo de su vida.
Una desventaja es que, puesto que las dimensiones laterales son fijas, el espaciamiento entre los bloques de catalizador y la pared de tubo incrementará con el paso del tiempo conforme el tubo se “arrastra” hacia afuera. Esto puede reducir la velocidad de gas local y el coeficiente de transferencia de calor, reduciendo de este modo el enfriamiento de la pared de tubo. El catalizador estructurado debe tener esto en cuenta en el diseño total, puesto que el control de la temperatura de pared de tubo es de suma importancia.
Una segunda desventaja es la limitación práctica/económica en la temperatura máxima de operación, particularmente para sustratos metálicos.
El lector experto será capaz de contrastar las ventajas y desventajas y elegir un catalizador o combinación de catalizadores adecuados.
En una realización, el catalizador usado en la presente invención se selecciona de catalizadores estructurados, catalizadores de empaquetamiento aleatorio y combinaciones de los mismos.
En una realización, la presente invención puede usar una combinación de uno o más catalizadores estructurados en la sección más fría del conducto alargado en combinación con uno o más catalizadores de empaquetamiento aleatorio en la sección más caliente del conducto alargado. Esto tiene el beneficio de equilibrar y optimizar las consideraciones prácticas y económicas.
En general, se pueden usar diferentes combinaciones de diferentes catalizadores de reformado en el primer y segundo lechos de catalizador. Los catalizadores usados pueden diferir en términos de composición, tal como contenido de níquel o inclusión de promotores, y/o pueden diferir en términos de forma y/o tamaño de partícula. Se pueden realizar selecciones para optimizar la actividad de catalizador y las características de transferencia de calor.
Los catalizadores de reformado con vapor se pueden utilizar en una orientación de flujo ascendente o flujo descendente. Cuando sea necesario, la carga de catalizador puede ser convenientemente desde la parte inferior (la parte inferior del conducto alargado).
En una realización, dentro de cada conducto alargado puede haber un lecho de catalizador continuo. En una realización alternativa, puede haber secciones discretas de catalizador proporcionadas dentro de cada conducto alargado en la primera zona catalítica. Estas se pueden intercalar adecuadamente por bloques o formas inertes que actúan para dirigir el flujo en un espacio anular adyacente a las paredes para lograr una alta transferencia de calor. Por lo tanto, habría una serie de pasos de calentamiento y reacción separadas, en lugar de un lecho de catalizador continuo dentro de los tubos alargados. Un beneficio de esta disposición es que se puede reducir la cantidad total de catalizador requerida.
Medio de mantenimiento de combustión
El medio de mantenimiento de combustión puede ser adecuadamente aire de combustión.
Sin embargo, una alternativa al uso de aire de combustión es una mezcla de oxígeno y CO<2>. Por ejemplo, una realización útil puede usar CO<2>reciclado (por ejemplo, obtenido de los productos de combustión) y oxígeno. Esto puede ser beneficioso en términos de reducción de energía por ejemplo, cuando se produce hidrógeno con captura de CO<2>.
Parámetros de operación de proceso
Relación vapor/carbono
La invención se puede llevar a cabo usando un intervalo de relaciones vapor/carbono (S/C) en la materia prima. En general, el proceso de la invención actual se puede iniciar en cualquier relación S/C como se conoce en la técnica. El experto en la técnica apreciará que esto se puede seleccionar dependiendo del uso final. Una relación S/C habitual estará en el intervalo de 1,5 a 3,0, o más. En una realización, la relación S/C puede estar en el intervalo de 1,5 a 2,5, tal como de 2,0 a 2,5.
El uso de relaciones S/C más altas en general da por resultado menores eficiencias totales de proceso. Son posibles relaciones S/C de 1,5 o menos, dependiendo de la configuración de catalizador, las condiciones de operación y la composición de materia prima. La operación a una relación S/C demasiado baja bajo las condiciones de proceso prevalecientes puede dar lugar a la deposición de carbono en el catalizador de reformado y/o las paredes de tubo de proceso, que conduce al daño de catalizador y bloqueo de los tubos
CO<2>se puede usar para reemplazar parte o la totalidad del vapor en la reacción de reformado. La adición de CO<2>es beneficiosa para situaciones donde se requieren altas relaciones CO:H<2>en el producto final. La adición de CO<2>puede incrementar la eficiencia de proceso total al reducir la velocidad de vapor necesaria. Esto se aplicaría a la producción de, por ejemplo, productos de síntesis de Fischer Tropsch y metanol.
Para la producción de hidrógeno, la adición de CO<2>no es beneficiosa, pero las relaciones S/C más bajas dan por resultado mayores eficiencias de proceso
Presión de operación de proceso
La invención se puede operar a cualquier presión que produzca gas reformado a la presión de producto deseada en la salida, por ejemplo, de 200 a 8.000 kPa o más.
En general, las presiones de operación de reformado con vapor más bajas incrementan la cantidad de reformado, en tanto que incrementan los costos, tanto en la propia planta de reformado como en la compresión de gas reformado aguas abajo. La presión de operación óptima es, por lo tanto, un equilibrio entre los costos operativos y de capital, y variará de un caso a otro.
Se puede ver que el proceso de la invención actual es adecuado para operación a presiones relativamente altas, ya que el incremento de presión reduce proporcionalmente la velocidad de gas y la presión diferencial de aparato.
Conductos alargados
Tamaño y forma de conductos alargados
Se usan conductos alargados tanto en la primera zona catalítica como en la segunda zona catalítica. En cada caso, el conducto contiene catalizador, como se analizó anteriormente.
El siguiente análisis del tamaño y forma de los conductos alargados se aplica tanto a los conductos usados en la primera zona catalítica como a los conductos usados en la segunda zona catalítica. Los conductos para las dos zonas se pueden seleccionar de forma independiente, por lo que no es necesario que tengan el mismo tamaño y/o la misma forma.
En una realización, se prefieren tubos alargados con sección transversal circular como la forma para los conductos alargados, aunque se pueden usar otras formas.
Los diámetros preferidos para los conductos son relativamente pequeños en comparación con los tubos de reformador de vapor convencionales, por ejemplo, el diámetro de los conductos alargados puede estar en el intervalo de 25 a 150 mm, por ejemplo, de 25 a 100 mm, preferentemente de 50 a 100 mm, por ejemplo, de 40 a 80 mm. Sin embargo, también se pueden usar tubos de otros diámetros.
Un tubo de diámetro pequeño requiere una pared más delgada que un tubo de diámetro más grande para operar a la misma temperatura y presión diferencial, y por lo tanto es menos costoso. Los tubos más pequeños en mayor número también proporcionan relativamente más área de superficie de transferencia de calor para un rendimiento total dado. Sin embargo, los tubos más pequeños requieren más tubos para obtener el mismo rendimiento y un incremento correspondiente en el costo. También, los diámetros pequeños pueden provocar problemas de empaquetamiento de catalizador que conducen a una mala transferencia de calor. Un número menor de tubos de mayor diámetro puede proporcionar un área de superficie de transferencia de calor relativamente menor para un rendimiento total dado.
Por lo tanto, el experto en la técnica puede seleccionar un diámetro de tubo deseado teniendo en cuenta estos factores. Disposición de conductos alargados
Se usa uno o más conductos alargados tanto en la primera zona catalítica como en la segunda zona catalítica.
Cuando se usa más de un conducto alargado, la disposición de los conductos entre sí está preferentemente en un patrón o arreglo regular.
En una realización preferida, los conductos se disponen en una separación de orientación triangular o cuadrada.
Cuando se utilizan múltiples conductos alargados en un arreglo regular, la separación de tubo, es decir, la distancia desde la línea central de cada montaje de conducto alargado hasta el siguiente, se determina principalmente por consideración de la transferencia de calor a la segunda zona catalítica desde los productos de combustión y sus precursores en la región de combustión.
En general, reducir al mínimo la separación de tubo y por lo tanto, reducir al mínimo el espaciamiento entre tubos adyacentes, da por resultado mayor rendimiento total para un diámetro dado de recipiente de contención y por lo tanto, menores costos.
Se apreciará que cuanto más cerca se disponen juntos los conductos alargados, más cerca se acerca la relación de separación al diámetro de tubo exterior a 1.
En un reformador de vapor radiante convencional, el modo principal (radiante) de transferencia de calor se facilita por longitudes medias de haz relativamente grandes entre los tubos y el recinto.
En la invención actual, la transferencia de calor es tanto convectiva como radiativa, esta última particularmente en el área de combustión inicial cerca de las boquillas de quemador donde las temperaturas son más altas.
Al reducir la separación de tubo y por lo tanto, la distancia entre los tubos, se reducirá la longitud media de haz de las moléculas radiantes, reduciendo de este modo la cantidad de calor transferido a los tubos de proceso (conductos alargados). Sin embargo, la misma reducción en la separación de tubo para un diámetro de tubo dado dará por resultado un área en sección transversal más pequeña disponible para flujo de productos de combustión. Por lo tanto, se incrementarán las velocidades de gas de producto de combustión, incrementando de este modo los coeficientes de transferencia de calor por convección y el calor transferido a los tubos de proceso.
Por consiguiente, el método y velocidad de transferencia de calor se pueden variar por diseño al ajustar la separación de tubo.
Adicionalmente, en una realización, el diámetro exterior del tubo de proceso (y necesariamente el diámetro interior de tubo) varía a lo largo de la longitud de tubo para optimizar la mezcla de entrada de calor convectivo y radiativo.
Las consideraciones mecánicas prácticas también pueden influir en la separación de tubo. Por ejemplo, el soporte de los montajes puede requerir un espacio fijo entre el exterior de cada montaje, o los conductos de distribución de alimentación o los conductos colectores de corriente de producto de gas reformado pueden requerir este espaciamiento.
En la presente invención, se puede usar una relación de separación a diámetro de tubo exterior de 2,0 o menos, tal como 1,8 o menos o 1,6 o menos. Preferentemente, se usa una relación de separación a diámetro de tubo exterior de 1,5 o menos, más preferentemente 1,3 o menos.
En la presente invención no es necesario tener ningún aislamiento térmico en las paredes que separan las corrientes de proceso. Por lo tanto, en una realización, no hay aislamiento térmico en las paredes que separan las corrientes de proceso. Materiales de construcción
Los conductos alargados (tubos de proceso) se pueden fabricar a partir de aceros comúnmente usados de especificaciones apropiadas, que se conocen bien en el servicio de reformado con vapor.
En general, el aparato de la invención actual puede usar materiales habituales de los reformadores de vapor tradicionales. En la región de alta temperatura, las aleaciones metálicas preferidas tendrían alta resistencia a la temperatura (resistencia a la fluencia y a la ruptura por fluencia) y alta resistencia tanto a la oxidación como a la corrosión de gas de proceso. En áreas de temperaturas más bajas se pueden usar materiales de menor grado apropiados, tal como aceros inoxidables austeníticos, por ejemplo grado 347H.
En el aparato de la invención actual, ventajosamente cada conducto alargado se puede elaborar de más de una aleación, y puede ser del mismo o diferente espesor de pared a lo largo de su longitud. Estas diferencias pueden tener en cuenta diferentes temperaturas y presiones a lo largo de la longitud del conducto.
Las temperaturas de diseño más altas se presentan en el conducto alargado exterior especialmente en y adyacente a, la región de combustión exotérmica. En operación, la temperatura pico de la pared es preferentemente adyacente a la temperatura pico del gas reformado, aunque el aparato se puede diseñar con una temperatura pico de pared más cerca o cerca de las boquillas de quemador.
Entre las aleaciones adecuadas para aplicaciones habituales de reformado con vapor se encuentran diferentes aleaciones basadas en níquel, que contienen diferentes cantidades de níquel, cromo con modificadores tal como tungsteno o niobio. En general, se prefieren tubos de fundición centrífuga.
En el aparato de la invención actual, el uso de conductos alargados de diámetro relativamente pequeño significa que es deseable reducir al mínimo el espesor de pared tanto como sea posible, para incrementar al máximo la ruta de flujo de gas y por lo tanto, la velocidad de flujo de gas reformado a través de cada tubo.
La operación de acuerdo con la realización preferida que utiliza combustión de alta presión reduce al mínimo la presión diferencial a través de la pared de tubo y el espesor de pared de diseño resultante requerido. Por consiguiente, se pueden utilizar tubos forjados de espesor de pared más delgado de especificación apropiada, tal como Haynes Alloy 230MR. Esto reduce los costos totales a través de los costos reducidos de tubos y el incremento al máximo de la producción de gas reformado por tubo (montaje).
Distribución de gas combustible
El gas combustible se puede suministrar a cada boquilla de quemador mediante al menos una pluralidad de conductos en comunicación de flujo con una entrada de gas combustible y ubicados aguas arriba de (por debajo de) la región de combustión exotérmica.
En otra realización, la entrada de gas combustible puede suministrar combustible a una cámara impelente de distribución de combustible ubicada aguas arriba de la región de combustión exotérmica. La cámara impelente de distribución de combustible a su vez se comunica con los extremos de entrada de una pluralidad de tubos de boquilla (boquillas de quemador) que se extienden hacia arriba desde la lámina de tubos superior de la cámara impelente. Se prefiere el uso de una cámara impelente para recipientes más grandes.
Preferentemente, cada boquilla de quemador tiene asociada con la misma un dispositivo de restricción de flujo, tal como un orificio, que funciona para hacer que las velocidades de flujo de combustible sean más uniformes de boquilla a boquilla. La punta de salida de cada boquilla de quemador puede ser de cualquier forma adecuada, tal como redonda (circular), ranuras rectas o circulares, o de otra forma y puede ser de extremo abierto o contener otros dispositivos para controlar la longitud y dirección de mezcla de medio de mantenimiento de combustible y combustión.
Distribución de medio de mantenimiento de combustión
El sistema de distribución de medio de mantenimiento de combustión se diseña para introducir aire u otro medio de mantenimiento de combustión en la región de combustión exotérmica en el extremo aguas arriba de la misma de tal manera que proporciona un perfil de velocidad sustancialmente uniforme a través de la ruta de flujo.
El diseño detallado del sistema de distribución dependerá de la capacidad del aparato, es decir, el número de montajes de conductos alargados y por lo tanto, el diámetro de recipiente de contención.
Los dispositivos para la distribución de gases en recipientes se conocen bien y pueden comprender tal como desviadores, deflectores, placas con orificios, tubos y similares. Se puede usar cualquier dispositivo conocido, solo o en combinación. En una realización, cuando se utiliza una cámara impelente para distribución de gas combustible, se pueden usar tubos de distribución de aire. En este sentido, se pueden proporcionar múltiples tubos en paralelo en un arreglo regular. Cada tubo puede pasar a través de la cámara impelente desde la lámina de tubos inferior de la cámara impelente hasta la lámina de tubos superior de la cámara impelente. Cada tubo se puede dimensionar para proporcionar sustancialmente la misma velocidad de flujo de aire a través del mismo.
Cada tubo de distribución de aire y las láminas de tubos de cámara impelente se pueden proporcionar adecuadamente con aislamiento térmico para evitar el sobrecalentamiento del gas combustible contenido en los mismos.
Opcionalmente, cada tubo de distribución de aire puede tener asociado con el mismo un dispositivo de restricción de flujo, tal como un orificio, que funciona para hacer que las velocidades de flujo de aire sean más uniformes de un tubo a otro.Polvo metálico
El polvo metálico es una forma grave de degradación corrosiva de metales y aleaciones a altas temperaturas (300-850 °C) en ambientes gaseosos sobresaturados de carbono.
El experto en la técnica será consciente del polvo metálico y de que se pueden usar revestimientos para evitar el polvo metálico. Estos revestimientos se conocen bien en la técnica. El revestimiento por difusión de aluminio es un ejemplo específico. También es posible un tratamiento adicional de la superficie revestida por difusión de aluminio, para mejorar aún más la protección. Por ejemplo, la fosfatación se conoce como un ejemplo de un tratamiento adicional.
Por lo tanto, se pueden usar revestimientos y tratamientos adecuados en la presente invención para prevenir/reducir la formación de polvo metálico.
Conforme el gas reformado se enfría desde su temperatura pico contra las paredes circundantes en el espacio anular entre el primer conducto alargado y el tubo de proceso exterior, las paredes del tubo alcanzarán una temperatura, dependiendo de la composición de gas reformado, donde puede presentase el inicio de corrosión por polvo metálico. Conforme las temperaturas disminuyen aún más, la probabilidad y grado de formación de polvo metálico tienden a caer. Las ubicaciones del inicio de la posible región de polvo metálico serán diferentes para las paredes interior y exterior de los anillos.
Tanto las paredes interior como exterior se pueden proporcionar con revestimientos/tratamientos adecuados para evitar la formación de polvo metálico. Las aletas u otras unión en el anillo dentro de la zona de posible formación de polvo metálico se pueden tratar de manera similar.
La temperatura relativamente baja del gas reformado que sale de los anillos asegura que los problemas de polvo metálico no deben presentarse aguas abajo del aparato.
Otras características opcionales de la invención
Mejoras y opciones adicionales con respecto al proceso y aparato descritos en la presente son:
• El uso de una membrana de hidrógeno dentro del o de los conductos alargados para facilitar la remoción de hidrógeno e incrementar la producción total de hidrógeno dentro del aparato.
• El uso de una zona de catalizador de desplazamiento de gas de agua dentro del o de los conductos alargados para incrementar la producción total de hidrógeno dentro del aparato.
• El uso de medios de mejora de transferencia de calor adicionales, que pueden ser convectivos y/o radiativos, dentro y externos al o al o a los conductos alargados. Estos incluyen, pero no se limitan a, la provisión de aletas, tratamientos de superficie, dispositivos para incrementar las velocidades de fluido y/o tortuosidad de flujo de fluido.
• El uso de conexiones externas adicionales al o a los conductos alargados para, por ejemplo, facilitar la adición de vapor o la purga del segundo catalizador de reformado sin pasar a través del primer lecho de catalizador.
Descripción detallada de la invención con referencia a los dibujos
La figura 1 es un diagrama que ilustra las corrientes de proceso y los flujos de calor en la presente invención.
La figura 2 es una ilustración esquemática de un aparato.
La figura 3A muestra una primera configuración del aparato de acuerdo con la presente invención.
La figura 3B muestra una segunda configuración del aparato de acuerdo con la presente invención.
La figura 4 es una sección transversal parcial del aparato mostrado en las figuras 3A y B, tomada a través de la línea “A”-“A”. Esto proporciona una vista en sección transversal parcial de la sección de recuperación de calor del aparato.
La figura 5 muestra el aparato de acuerdo con la invención integrado en un sistema de reformado con vapor adecuado. La figura 6A y figura 6B muestran dos posibles disposiciones de boquillas de quemador y conductos alargados dentro de un aparato de acuerdo con la invención.
El proceso y aparato de la invención se pueden entender por referencia a las figuras 1 a 6.
El aparato se puede operar invertido desde la orientación como se indica en los dibujos.
La invención se describe en el contexto del reformado con vapor, pero se apreciará que esto se puede modificar fácilmente para uso en el reformado en seco, reemplazándose parte o la totalidad del vapor con COz.
Todo el proceso como se describe se puede iniciar en un recinto o alojamiento individual (104) que contiene un montaje de reformado alargado individual o múltiples montajes de reformado alargados (100) dispuestos en paralelo. Por simplicidad, esta descripción se refiere a múltiples conjuntos de reformado alargados (también conocidos como tubos de proceso) (100).
Los montajes de reformado alargados (100) comprenden cada uno un tubo de proceso exterior que forma el conducto alargado de segunda zona catalítica (101) y un conducto alargado de primera zona catalítica (114).
En la figura 3A, cada conducto alargado de segunda zona catalítica (101) contiene y se une a un conducto alargado de primera zona catalítica (114) de manera que estos dos conductos (101, 114) están en alineación longitudinal.
En esta realización mostrada en la figura 3A, cada conducto alargado de primera zona catalítica (114) recibe materia prima (1) mediante una entrada de materia prima separada. Esto puede ser adecuadamente mediante un sistema de cabezal y lateral.
En esta realización mostrada en la figura 3A, cada corriente de gas reformado caliente (5) pierde calor hacia un conducto alargado de primera zona catalítica (114) y las corrientes de producto de gas reformado enfriadas separadas resultantes (6) entonces se recolectan conjuntamente (por ejemplo, en un sistema de cabezal y lateral) para formar una corriente de producto de gas reformado enfriada combinada. Esta corriente de producto de gas reformado enfriada individual sale entonces del aparato mediante una o más salidas.
En esta realización mostrada en la figura 3A, cada corriente de productos de combustión (13) pierde calor hacia un conducto alargado de primera zona catalítica (114) y las corrientes de productos de combustión enfriadas adicionalmente resultantes (14) entonces se combinan dentro del alojamiento, hacia la parte superior, antes de salir del alojamiento mediante una salida individual.
Se puede entender que el aparato mostrado en la figura 3A incluye un montaje de tubos de proceso. El montaje de tubos de proceso comprende un tubo interior (114) y un tubo exterior (101) en una disposición concéntrica, donde el tubo interior (114) contiene una primera porción de catalizador de reformado, con un primer lecho de catalizador de reformado, donde el tubo exterior (101) contiene una segunda porción de catalizador de reformado, con un segundo lecho de catalizador de reformado, por lo que el primer lecho de catalizador de reformado y el segundo lecho de catalizador de reformado se disponen en serie, por lo que el tubo interior (114) tiene una salida a través de la cual el gas parcialmente reformado puede salir del tubo interior (114), y por lo que un conducto interno (111), a través del cual puede fluir el gas parcialmente reformado, se extiende desde la salida del tubo interior (114) y pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado.
En la realización mostrada en la figura 3B, cada conducto alargado de segunda zona catalítica (101) contiene un conducto alargado de primera zona catalítica (114) y estos dos conductos (101, 114) están en alineación longitudinal. La ubicación del conducto alargado de primera zona catalítica (114) se fija en una ubicación individual, donde el conducto alargado de primera zona catalítica (114) se mantiene en su lugar por la unidad de cámara impelente (16). La ubicación del conducto alargado de segunda zona catalítica (101) se fija de manera similar en una ubicación individual, donde el conducto alargado de segunda zona catalítica (101) se mantiene en su lugar por la unidad de cámara impelente (16). Por lo tanto, se puede considerar que el conducto alargado de segunda zona catalítica (101) y el conducto alargado de primera zona catalítica (114) se unen indirectamente, en una ubicación individual, mediante la unidad de cámara impelente.
Se puede entender que el aparato mostrado en la figura 3B incluye un montaje de tubos de proceso. El montaje de tubos de proceso comprende un tubo interior (114) y un tubo exterior (101) en una disposición concéntrica, donde el tubo interior (114) contiene una primera porción de catalizador de reformado, con un primer lecho de catalizador de reformado, donde el tubo exterior (101) contiene una segunda porción de catalizador de reformado, con un segundo lecho de catalizador de reformado, por lo que el primer lecho de catalizador de reformado y el segundo lecho de catalizador de reformado se disponen en serie, por lo que el tubo interior (114) tiene una salida a través de la cual el gas parcialmente reformado puede salir del tubo interior (114), y por lo que un conducto interno (111), a través del cual puede fluir el gas parcialmente reformado, se extiende desde la salida del tubo interior (114) y pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado.
En la realización mostrada en la figura 3B, la unidad de cámara impelente (16) comprende una cámara impelente de gas reformado enfriado. La cámara impelente de gas reformado enfriado tiene múltiples entradas (30), cada una que es una entrada para una corriente de gas reformado enfriado que se obtiene después de haber calentado un conducto alargado de primera zona catalítica dado (114) . Las múltiples entradas (30) se fusionan en una cámara individual (31) ubicada dentro del alojamiento de aparato. Esta cámara o cámara impelente tiene una o más salidas (32) para la corriente de gas reformado enfriada combinada (6); la o cada salida se extiende hasta una ubicación fuera del alojamiento de aparato.
En esta realización mostrada en la figura 3B, la unidad de cámara impelente (16) también comprende una cámara impelente de corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente. La cámara impelente de corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente tiene múltiples entradas (40), cada una que es una entrada para una corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente que se obtiene después de haber calentado un conducto alargado de primera zona catalítica dado (114). Las múltiples entradas (40) se fusionan en una cámara individual (41) ubicada dentro del alojamiento de aparato. Esta cámara o cámara impelente tiene una o más salidas (42) para la corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente combinada (14); la o cada salida se extiende hasta una ubicación fuera del alojamiento de aparato.
Se puede ver que en la realización mostrada en la figura 3B, la unidad de cámara impelente (16) también sirve para el propósito de mantener en su lugar la parte superior de cada uno de los conductos alargados de primera zona catalítica (114) y la parte superior de cada uno de los conductos alargados de segunda zona catalítica (101). Por lo tanto, su posición relativa entre sí se asegura, indirectamente.
En esta realización mostrada en la figura 3B, el aparato comprende una entrada de materia prima combinada individual (20) que se extiende desde el exterior del alojamiento de aparato hasta una cámara (21) dentro del alojamiento de aparato para proporcionar materia prima (1). La cámara (21) entonces tiene múltiples salidas (22), cada una que es una entrada de materia prima para uno de los conductos alargados de primera zona catalítica (114).
En todas las realizaciones de la invención, el gas natural desulfurado (o cualquier otra fuente de hidrocarburo) y el vapor pueden proporcionar una materia prima (1) a una temperatura en la región de 300 - 500 °C. Esto se introduce en la parte superior de los conductos alargados de primera zona catalítica (tubos de proceso) (114). La materia prima (1) entonces fluye hacia abajo como corriente (2) a través de las primeras zonas catalíticas de reformado (112), cada una que comprende un primer lecho de catalizador de reformado. En las primeras zonas catalíticas de reformado, parte del metano contenido y esencialmente todos los hidrocarburos superiores se convierten en hidrógeno y óxidos de carbono. Por lo tanto, se forma un gas de proceso parcialmente reformado (3). Los primeros lechos de catalizador de reformado en las primeras zonas catalíticas de reformado (112) se pueden componer de más de un tipo de catalizador.
Se proporcionan segundas zonas catalíticas de reformado (102) en cada conducto alargado de segunda zona catalítica (101). Cada una de las segundas zonas catalíticas (102) comprende un segundo lecho de catalizador de reformado.
La corriente de gas de proceso parcialmente reformado (3) se dirige a través de estas segundas zonas catalíticas (102) mediante los conductos de transferencia (111).
Entonces, la corriente de gas de proceso parcialmente reformado (4) fluye hacia arriba a través de las segundas zonas catalíticas (102).
El reformado adicional y la conversión de metano tienen lugar en las segundas zonas catalíticas para producir hidrógeno y óxidos de carbono. Esta corriente de gas sale de los lechos de catalizador a una temperatura habitualmente entre 750 °C y 1100 °C, preferentemente entre 900 y 1000 °C. Por lo tanto, se forma una corriente de gas reformado caliente (5).
El calor para la reacción de reformado endotérmica en las primeras zonas catalíticas de reformado (112) y para el calentamiento adicional de la materia prima y el gas de proceso parcialmente reformado (3), hasta una temperatura en la región de 650 - 800 °C, se proporciona por enfriamiento en contracorriente de la corriente de gas reformado caliente (5).
En la disposición mostrada en la figura 2, la corriente de gas reformado caliente (5) fluye en un espacio anular entre el conducto alargado de primera zona catalítica (114) y el tubo de proceso exterior (101). También hay un calentamiento simultáneo de la corriente de gas reformado caliente (5) por la corriente de productos de combustión (13) que fluye fuera del tubo de proceso exterior (101).
Las aletas u otros dispositivos (115) se pueden unir a la superficie exterior del conducto alargado (114) de la primera zona catalítica (112) para incrementar la velocidad de transferencia de calor asociada del gas reformado a la materia prima/gas de proceso parcialmente reformado (2).
Del mismo modo, se pueden unir aletas u otros dispositivos adecuados (no mostrados) al interior y/o exterior del tubo de proceso exterior (101) adyacente a la primera zona catalítica para incrementar las velocidades de transferencia de calor local.
Los separadores adecuados se proporcionan de manera útil para mantener las distancias de separación entre cada conducto alargado de primera zona catalítica (114) y cada tubo de proceso exterior (101).
Para evitar el calentamiento significativo de la corriente de gas de proceso parcialmente reformado (3) dentro de los conductos de transferencia (111), se puede aplicar material aislante térmico adecuado dentro o fuera de una parte o todas sus longitudes.
En una realización preferida, el movimiento libre de los conductos de transferencia (111) se presenta verticalmente, durante arranques o paros, cuando hay temperaturas diferenciales y grados de expansión del tubo de proceso exterior (101) en relación con el conducto interior (114) y el conducto de transferencia (111). Esto se logra por provisión de un tubo exterior (119) en contacto con el catalizador en la segunda zona catalítica de reformado (102). El conducto de transferencia (111) es capaz de deslizarse verticalmente con respecto a este tubo exterior (119), permitiendo de este modo también el movimiento libre del conducto interior (114) con respecto al tubo de proceso exterior (101). El tubo exterior (119) se configura para permitir este movimiento. Por ejemplo, el tubo exterior (119) se puede formar por partes discretas, puede tener una forma que no sea cilíndrica o puede ser corrugado.
Las superficies internas de los conductos de transferencia (111) se pueden chapar o revestir con una superficie de catalizador de reformado adecuado o el conducto se puede proporcionar con piezas de inserción catalíticas para ayudar en el proceso de reformado total.
Para proporcionar soporte y restricción de los catalizadores dentro de las zonas catalíticas, se proporcionan dispositivos de soporte o restricción apropiados (116, 117, 118). Un primer dispositivo (116) está por debajo de la primera zona catalítica, un segundo dispositivo (117) está por arriba de la segunda zona catalítica y un tercer dispositivo (118) está por debajo de la segunda zona catalítica.
El dispositivo de soporte de catalizador (116) permite el flujo libre de gas parcialmente reformado al conducto (111) en tanto que evita la pérdida de catalizador de la primera zona catalítica anterior.
El dispositivo de restricción (117) evita el flujo ascendente de catalizador con el gas reformado al espacio anular por arriba entre (114) y (101). Este dispositivo se puede unir de manera útil a la parte inferior del conducto (114), para evitar de este modo una separación incrementada entre los dos. Una separación incrementada daría por resultado velocidades de gas local más bajas en la pared de tubo exterior (101), con coeficientes de transferencia de calor local correspondientemente más bajos que conducen a temperaturas de pared de tubo local más altas.
El dispositivo de soporte (118) se proporciona para evitar que el catalizador pase en una dirección inversa cuando el flujo de gas es bajo, en tanto que permite el flujo ascendente de gas parcialmente reformado a través del mismo. Se diseña para moverse hacia arriba en operación para soportar el catalizador de fondo y evitar la fluidización de partículas de catalizador dentro de la segunda zona catalítica.
A fin de incrementar el flujo de calor a los tubos de proceso en la parte superior de la zona de combustión, se proporcionan piezas de inserción radiativas (110) u otros dispositivos alrededor de los tubos de proceso para incrementar la velocidad de los productos de combustión y para incrementar la velocidad de transferencia de calor a los montajes de reformado alargados (tubos de proceso) (100).
En una realización preferida, se proporcionan piezas de inserción radiativas (110) en la región de recuperación de calor (2000) y se extienden en parte en la región de combustión exotérmica (1000). Estas piezas de inserción son externas a las zonas catalíticas (102) y (112) respectivamente, y se pueden formar de formas constantes o variables. Estas proporcionan un volumen inerte, para incrementar la velocidad de gas y los coeficientes de transferencia de calor local de la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada (13) que fluye hacia arriba y hacia fuera del tubo de proceso exterior (101), así como para absorber calor por convección con la posterior transferencia de calor a los tubos de proceso mediante radiación directa.
La corriente de gas reformado caliente (5) sale de la segunda zona catalítica (102), pasando por el espacio anular entre los tubos (101) y los conductos alargados de primera zona catalítica (114), proporcionando calor de reacción para las primeras zonas catalíticas. Como consecuencia, pierde calor y por lo tanto, se convierte en una corriente de producto de gas reformado enfriada (6).
La corriente de producto de gas reformado enfriada (6) se descarga desde la parte superior de los tubos de proceso (101) y sale del reformador a una temperatura de habitualmente 400 - 500 °C, de manera preferente aproximadamente 475 °C o menos.
En la figura 2, la corriente de gas reformado caliente (5) fluye en contracorriente y en contacto de intercambio de calor indirecto con la materia prima (1), y simultáneamente la corriente de productos de combustión (13) fluye en co-corriente en contacto de intercambio de calor indirecto con la corriente de gas reformado caliente (5), de modo que el calor se transfiere de la corriente de productos de combustión (13) a la corriente de gas reformado (5), y el calor se transfiere de la corriente de gas reformado caliente (5) a la materia prima (1).
El calor de reacción para la reacción de reformado en la sección inferior de reformador (segunda zona catalítica) se proporciona por la combustión de un oxidante, tal como aire, y un combustible fluido.
El medio de mantenimiento de la combustión externamente precalentado y presurizado (por ejemplo, corriente de aire) (7) se introduce en o cerca de la parte inferior del recinto o alojamiento (104) a una temperatura por la cual la combinación de aire de combustión y combustible está por arriba de la temperatura de auto-ignición del combustible y la combustión se puede mantener mediante la llama de difusión turbulenta. Habitualmente, la corriente de aire de combustión (7) se calentará a una temperatura mínima de aproximadamente 600 °C a 750 °C, aunque se pueden usar temperaturas más altas. Las temperaturas más altas por arriba de la temperatura de auto-ignición tienden a ser mecánicamente desventajosas. El aire de combustión caliente se distribuye en la zona de combustión, como corriente (9). La temperatura de auto-ignición se puede reducir si se desea por el uso de dispositivos de combustión catalítica adecuados.
La corriente de gas combustible fría o parcialmente precalentada externamente (10) se introduce en el aire en la zona de combustión mediante las boquillas de quemador (109) donde se quema (11) para formar la corriente de productos de combustión (12) que imparte calor tanto por convección como mediante radiación de gas a los tubos de proceso (101) y por lo tanto a la corriente de gas de proceso (4) y las segundas zonas catalíticas (102).
Las paredes internas del recinto o alojamiento (104) se cubren con material refractario adecuado (106) para proporcionar protección al recinto o alojamiento (104) y para incrementar al máximo la pérdida de calor externa.
En la figura 5, se muestran los siguientes componentes de un sistema de reformado con vapor adecuado para uso con la invención actual:
Artículos de equipo
201.Recipiente de desulfuración
202.Saturador de materia prima
203.Bomba de circulación de agua de saturador
204.Intercambiador de calor de materia prima/gas reformado
205.Pre-reformador
206.Reformador convectivo doble = aparato de acuerdo con la invención
207.Reactor de cambio de CO de alta temperatura(opcional, solo para producción de H2)
208.Calentador de agua de saturador de gas reformado
209.Reactor de cambio de CO de baja temperatura(opcional, solo para producción de H2)
210.Calentador de conformación de agua de saturador
211.Enfriador de gas reformado
212.Separador de gas reformado
213.Compresor de aire de combustión
214.Expansor de productos de combustión
215.Calentador de aire de combustión
216.Precalentador de aire de combustión
217.Precalentador de desulfuración
218.Calentador de agua de saturador de productos de combustión
219.Intercambiador de recuperación de calor de bajo grado
220.Enfriador de productos de combustión
221.Separador de productos de combustión
Números de corriente
301' materia prima de gas natural
302 reciclaje de hidrógeno
303 materia prima precalentada a la unidad de desulfuración
304 materia prima desulfurada al saturador
305 gas combustible desulfurado a DCR
306 gas combustible desulfurado a calentador CA
307 agua de circulación de saturador enfriada
308 agua de circulación de saturador caliente
309 gas de alimentación saturado
310 alimentación de pre-reformador calentado
311 alimentación de DCR
312 producto de gas reformado de DCR
313 gas parcialmente reformado enfriado
314 gas parcialmente reformado enfriado
315 gas parcialmente reformado enfriado
316 gas reformado separado enfriado
317 condensado de proceso
320 aire de combustión atmosférico
321 aire de combustión precalentado comprimido
322 aire de combustión calentado a DCR
323 productos de combustión de DCR
324 productos de combustión parcialmente enfriados
325 productos de combustión separados enfriados
326 condensado de vapor
327 productos de combustión a expansor
328 productos de combustión se ventilan a atmósfera
La figura 6 muestra dos opciones diferentes para disponer los tubos alargados de la segunda zona catalítica (101) y las boquillas de quemador (109). Son posibles otras disposiciones, pero estas son disposiciones beneficiosas en términos de eficiencia e incluso distribución de calor. En estas disposiciones se usa una disposición triangular o cuadrada de boquillas de quemador alternas y tubos alargados, y se usa un número aproximadamente igual de boquillas de quemador y tubos alargados. La figura 6a muestra una disposición cuadrada en tanto que la figura 6b muestra una disposición triangular. Ambas disposiciones permiten que cada boquilla de quemador proporcione calor a múltiples conductos alargados.
Un ejemplo de los datos de un proceso que opera de acuerdo con la presente invención, de acuerdo con el aparato como se muestra en la figura 3B, se establece en la tabla 1 más adelante. Según las disposiciones preferidas descritas previamente, se asume que la materia prima ha pasado a través de un pre-reformador adiabático inmediatamente aguas arriba del aparato, en tanto que el aire de combustión se ha precalentado por arriba de la temperatura de auto-ignición de combustible usando gas combustible adicional (no mostrado en la tabla 1).
El ejemplo se basa en una presión de gas reformado que sale del aparato de 3.410 kPa. Esto requiere una presión de entrada de materia prima de 4.110 kPa, que indica una presión diferencial de 700 kPa en todo el aparato. Esta presión diferencial relativamente alta resulta de la necesidad de proporcionar altas velocidades de gas de proceso a través de tamaños de gránulo de catalizador relativamente pequeños a fin de generar altos coeficientes de transferencia de calor en los lechos de catalizador, para asegurar un reformado adecuado, y a través de las paredes de conducto alargado (tubo de proceso), a fin de reducir al mínimo las temperaturas de pared de tubo.
La velocidad espacial del gas que fluye en el ejemplo, con base en Nm3/h de metano en la alimentación por m3 de catalizador, es aproximadamente 1.400 Ir1, que está dentro pero en el extremo superior de lo habitual de los catalizadores de reformado, pero en el extremo inferior del intervalo habitual del catalizador de tipo de pre-reformado. El catalizador de pre-reformado habitual es similar en dimensión característica (tamaño) al requerido en las zonas catalíticas.
Por lo tanto, en términos de volumen de catalizador habitual y por lo tanto, área de superficie y actividad, se puede ver que el volumen de catalizador total del aparato de la invención actual es suficiente para lograr la cantidad requerida de reformado.
Tabla 1: Datos de Fluo
____ ____

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para reformado con vapor o en seco de hidrocarburos en un reactor de reformado, para formar una corriente de producto de gas reformado enfriada y una corriente de productos de combustión enfriada adicionalmente, el proceso que comprende los pasos de:
(a) hacer pasar una materia prima (1), la materia prima que comprende uno o más hidrocarburos junto con vapor y/o CO<2>, a través de una primera zona catalítica (112) a una temperatura elevada, para formar un gas de proceso parcialmente reformado (3), donde la primera zona catalítica comprende uno o más conductos alargados (114), cada uno que contiene catalizador de reformado; y
(b) hacer pasar el gas de proceso parcialmente reformado a través de una segunda zona catalítica (102) a una temperatura elevada, para formar una corriente de gas reformado (5), donde la segunda zona catalítica comprende uno o más conductos alargados (101), cada uno que contienen catalizador de reformado;
donde el proceso implica el uso de un montaje de tubos de proceso alargados (401), que comprende tanto un conducto alargado de primera zona catalítica (114) como un conducto alargado de segunda zona catalítica (101), de modo que un montaje individual proporciona (a) una primera zona catalítica que comprende un conducto alargado que tiene una entrada y una salida y que contiene catalizador de reformado, y (b) una segunda zona catalítica que comprende un conducto alargado que tiene una entrada y una salida y que contiene catalizador de reformado, y donde el conducto alargado de primera zona catalítica y el conducto alargado de segunda zona catalítica se alinean longitudinalmente entre sí en el montaje de tubos de proceso, de modo que el eje longitudinal central del montaje de tubos de proceso alargados corresponde con el eje longitudinal central del conducto alargado de primera zona catalítica y con el eje longitudinal central del conducto alargado de segunda zona catalítica;
y donde el montaje de tubos de proceso (401) comprende un tubo interior y un tubo exterior (402) en una disposición concéntrica, donde:
• el tubo interior contiene una primera porción de catalizador de reformado con un primer lecho de catalizador de reformado, esta primera porción de catalizador de reformado que es parte de la primera zona catalítica,
• el tubo exterior contiene una segunda porción de catalizador de reformado con un segundo lecho de catalizador de reformado (403), esta segunda porción de catalizador de reformado que es parte de la segunda zona catalítica,
• el primer lecho de catalizador de reformado y el segundo lecho de catalizador de reformado se disponen en serie, • el tubo interior tiene una salida a través de la cual el gas parcialmente reformado puede salir del tubo interior,
• un conducto interno (404), a través del cual puede fluir el gas parcialmente reformado (405), se extiende desde la salida del tubo interior y pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado, donde el conducto interno proporciona gas parcialmente reformado desde una salida del primer lecho de catalizador de reformado a una entrada del segundo lecho de catalizador de reformado;
donde el proceso comprende además la combustión (11) de un combustible fluido con un medio de mantenimiento de combustión (7) en una región de combustión exotérmica, para formar una corriente de productos de combustión caliente (13), donde la región de combustión exotérmica es adyacente y rodea lateralmente cada uno de los conductos alargados de segunda zona catalítica, donde el combustible fluido y el medio de mantenimiento de combustión se alimentan por separado a la región de combustión exotérmica y entonces se introducen entre sí dentro de la región de combustión exotérmica;
donde el calor para proporcionar la temperatura elevada en el paso (b) se suministra directamente por transferencia de calor desde la región de combustión exotérmica a los conductos alargados de segunda zona catalítica, por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión caliente, tanto por convección como por radiación de gas;
por lo que la corriente de productos de combustión caliente se enfría por la transferencia de calor a los conductos alargados de segunda zona catalítica, para formar una corriente de productos de combustión parcialmente enfriada; y donde el calor para proporcionar la temperatura elevada en el paso (a) se suministra a los conductos alargados de primera zona catalítica desde: (i) la corriente de gas reformado y (ii) la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada;
por lo que la corriente de gas reformado se enfría por la transferencia de calor a los conductos alargados de primera zona catalítica, para formar una corriente de producto de gas reformado enfriada (6); y
por lo que la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada se enfría por la transferencia de calor a la primera zona catalítica, para formar una corriente de productos de combustión adicionalmente enfriada;
donde el tubo exterior, el conducto interno y la segunda porción de catalizador de reformado se configuran y disponen de modo que el gas parcialmente reformado sale de la salida del conducto interno y entonces cambia de dirección de modo que pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado en la dirección opuesta a su dirección de flujo a través del conducto interno, y por lo tanto la dirección de flujo a través de la primera porción de catalizador de reformado es la misma que la dirección de flujo a través del conducto interno, y por lo tanto los gases de proceso fluyen a través de la primera y segunda porción de catalizador de reformado en direcciones opuestas, de modo que los gases de combustión pueden fluir fuera del tubo exterior de montaje de tubos de proceso en una dirección individual.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, donde se usan medios de mejora de transferencia de calor adicionales, dentro y externos a los conductos alargados, y donde los medios de mejora de transferencia de calor se seleccionan de: aletas, tratamientos de superficie y dispositivos para incrementar las velocidades de fluido y/o tortuosidad de flujo de fluido.
3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o reivindicación 2, donde el proceso se lleva a cabo en un recipiente individual que contiene dos o más montajes de tubos de proceso alargados.
4. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el combustible fluido y el medio de mantenimiento de combustión se introducen entre sí dentro de la región de combustión exotérmica mediante una pluralidad de boquillas de quemador (109), y donde el número de boquillas de quemador es mayor que el número de conductos alargados en la segunda zona catalítica.
5. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde en el paso (a) la corriente de gas reformado fluye en contracorriente y en contacto de intercambio de calor indirecto con la materia prima, de modo que el calor se transfiere de la corriente de gas reformado a la materia prima, y simultáneamente la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada fluye en contracorriente y en contacto de intercambio de calor indirecto con la materia prima, de modo que el calor se transfiere de la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada a la materia prima; y donde opcionalmente en el paso (a) la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada fluye en co corriente en contacto de intercambio de calor indirecto con la corriente de gas reformado, de modo que el calor se transfiere de la corriente de productos de combustión parcialmente enfriada a la corriente de gas reformado, y el calor se transfiere de la corriente de gas reformado a la materia prima.
6. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el combustible fluido y el medio de mantenimiento de combustión se alimentan cada uno a la zona de combustión a una temperatura suficiente para mantener la auto-ignición.
7. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la presión del medio de mantenimiento de combustión se controla de modo que la presión diferencial entre la segunda zona catalítica y la región de combustión exotérmica, en la ubicación donde la temperatura de pared de conducto es más alta, es:
a) menor de 500 kPa, o
b) menor de 100 kPa, o
c) menor de 20 kPa.
8. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el catalizador usado en la primera zona catalítica y el catalizador usado en la segunda zona catalítica se seleccionan cada uno independientemente de: catalizadores de empaquetamiento aleatorio, catalizadores estructurados, catalizadores monolíticos y combinaciones de los mismos, y donde opcionalmente una o ambas de las zonas catalíticas incluyen dos o más tipos diferentes de catalizador.
9. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde
a) el tubo interior y el tubo exterior del montaje de tubos de proceso son libres de moverse independientemente en una dirección longitudinal entre sí, sin que haya conexión directa o indirecta entre los dos tubos, excepto en una ubicación individual donde sus posiciones se fijan con respecto entre sí; y/o
b) el conducto interno se co-une con la parte del tubo interior que contiene el primer lecho de catalizador de reformado; y/o
c) el montaje de tubos de proceso tiene una entrada individual y una salida individual, tanto la entrada como la salida que son en el mismo extremo del montaje.
10. Un aparato adecuado para llevar a cabo el proceso como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde el aparato comprende:
un alojamiento (104), el alojamiento que contiene:
• una primera zona catalítica (112) que comprende uno o más conductos alargados (114), cada uno que contiene catalizador de reformado, y cada uno que tiene una entrada y una salida, por lo que en uso, una materia prima (1) que comprende uno o más hidrocarburos junto con vapor y/o CO<2>puede entrar en un conducto alargado de primera zona catalítica mediante su entrada y pasar a través del conducto alargado de primera zona catalítica a una temperatura elevada, para formar un gas de proceso parcialmente reformado (3), que entonces puede salir mediante la salida de este conducto alargado;
• una segunda zona catalítica (102) que comprende uno o más conductos alargados (101), cada uno que contiene catalizador de reformado, y cada uno que tiene una entrada y una salida, por lo que en uso, el gas de proceso parcialmente reformado de la primera zona catalítica puede entrar en un conducto alargado de segunda zona catalítica mediante su entrada y pasar a través del conducto alargado de segunda zona catalítica a una temperatura elevada, para formar una corriente de gas reformado (5), que entonces puede salir mediante la salida de este conducto alargado;
• una región de combustión exotérmica (1000) que rodea lateralmente la segunda zona catalítica, donde la región de combustión exotérmica se asocia con una pluralidad de boquillas de quemador (109), una entrada de combustible a través de la cual se puede proporcionar combustible fluido y una entrada de medio de mantenimiento de combustión a través de la cual se puede proporcionar medio de mantenimiento de combustión (7), de modo que en uso el combustible fluido de la entrada de combustible y el medio de mantenimiento de combustión de la entrada de medio de mantenimiento de combustión se pueden introducir entre sí mediante la pluralidad de boquillas de quemador, y la combustión del combustible fluido con el medio de mantenimiento de combustión puede presentarse en la región de combustión exotérmica para formar una corriente de productos de combustión caliente, de tal forma que en uso puede haber transferencia de calor de la corriente de productos de combustión caliente a la segunda zona catalítica mediante la región de combustión exotérmica;
• una región de recuperación de calor (2000), que se adapta para, en uso, recibir calor de la corriente de producto de gas reformado y de la corriente de productos de combustión caliente después de haber proporcionado calor a la segunda zona catalítica, y para transferir calor a la primera zona catalítica;
• una salida de corriente de productos de combustión, a través de la cual la corriente de productos de combustión puede salir del alojamiento después de que haya perdido calor en la zona de recuperación de calor; y
• una salida de corriente de gas reformado, a través de la cual la corriente de gas reformado puede salir del alojamiento después de que haya perdido calor en la zona de recuperación de calor;
donde el aparato comprende de un montaje de tubos de proceso alargados (401), que comprende tanto un conducto alargado de primera zona catalítica como un conducto alargado de segunda zona catalítica, de modo que un montaje individual proporciona (a) una primera zona catalítica que comprende un conducto alargado que tiene una entrada y una salida y que contiene catalizador de reformado, y (b) una segunda zona catalítica que comprende un conducto alargado que tiene una entrada y una salida y que contiene catalizador de reformado, y donde el conducto alargado de primera zona catalítica y el conducto alargado de segunda zona catalítica se alinean longitudinalmente entre sí en el montaje de tubos de proceso, de modo que el eje longitudinal central del montaje de tubos de proceso alargados corresponde con el eje longitudinal central del conducto alargado de primera zona catalítica y con el eje longitudinal central del conducto alargado de segunda zona catalítica;
y donde el montaje de tubos de proceso (401) comprende un tubo interior y un tubo exterior (402) en una disposición concéntrica, donde:
• el tubo interior contiene una primera porción de catalizador de reformado con un primer lecho de catalizador de reformado, esta primera porción de catalizador de reformado que es parte de la primera zona catalítica,
• el tubo exterior contiene una segunda porción de catalizador de reformado con un segundo lecho de catalizador de reformado (403), esta segunda porción de catalizador de reformado que es parte de la segunda zona catalítica,
• el primer lecho de catalizador de reformado y el segundo lecho de catalizador de reformado se disponen en serie, • el tubo interior tiene una salida a través de la cual el gas parcialmente reformado puede salir del tubo interior,
• un conducto interno (404), a través del cual puede fluir el gas parcialmente reformado, se extiende desde la salida del tubo interior y pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado, de modo que, en uso, el conducto interno proporciona gas parcialmente reformado desde una salida del primer lecho de catalizador de reformado a una entrada del segundo lecho de catalizador de reformado;
y donde el tubo exterior, el conducto interno y la segunda porción de catalizador de reformado se configuran y disponen de modo que, en uso, el gas parcialmente reformado sale de la salida del conducto interno y entonces cambia de dirección de modo que pasa a través de la segunda porción de catalizador de reformado en la dirección opuesta a su dirección de flujo a través del conducto interno, y por lo tanto la dirección de flujo a través de la primera porción de catalizador de reformado es la misma que la dirección de flujo a través del conducto interno, y por lo tanto los gases de proceso fluyen a través de la primera y segunda porción de catalizador de reformado en direcciones opuestas, de modo que los gases de combustión pueden fluir fuera del tubo exterior de montaje de tubos de proceso en una dirección individual.
11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en el cual los conductos alargados de la segunda zona catalítica y las boquillas de quemador se disponen en un arreglo regular, ortogonal al flujo de la corriente de productos de combustión y la materia prima.
12. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10 o reivindicación 11, donde el tubo exterior comprende un tubo alargado individual que se ubica parcialmente en la región de combustión y parcialmente en la región de recuperación de calor.
13. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, donde el número de boquillas de quemador es mayor que el número de conductos alargados en la segunda zona catalítica.
14. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, donde:
a) se incluyen una o más piezas de inserción radiativas, externas a la primera y segunda zonas catalíticas y ubicadas al menos parcialmente en la región de recuperación de calor; y/o
b) la región de combustión exotérmica rodea lateralmente y es directamente adyacente a la segunda zona catalítica; y/o c) la pluralidad de boquillas de quemador, entrada de combustible y entrada de medio de mantenimiento de combustión se disponen con respecto a la segunda zona catalítica de modo que, en uso, puede haber transferencia directa de calor desde la región de combustión exotérmica a la segunda zona catalítica por transferencia de calor tanto de (i) la misma combustión como de (ii) la corriente de productos de combustión caliente, tanto por convección como por radiación de gas.
15. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, donde:
a) los dos tubos concéntricos de cada montaje de tubos de proceso son libres de moverse independientemente en una dirección longitudinal uno con respecto al otro, sin que haya conexión directa o indirecta entre los dos tubos concéntricos, excepto en una ubicación individual donde sus posiciones se fijan con respecto entre sí; y/o
b) el conducto interno se co-une con la parte del tubo interior que contiene el primer lecho de catalizador de reformado; y/o
c) el montaje de tubos de proceso tiene una entrada individual y una salida individual, tanto la entrada como la salida que son en el mismo extremo del montaje.
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