ES2966051T3 - Procedimiento y reactor para producir uno o más productos - Google Patents

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John Benjamin Hinkey
Timothy John Elder
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Christopher Edwin John Reid
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Abstract

Se introduce un gas de alimentación, tal como gas natural, en una cámara de mezcla. Se introduce un gas combustible en una cámara de combustión, por ejemplo simultáneamente con la introducción del gas de alimentación. Después, el gas combustible se enciende para hacer que el gas combustible fluya hacia la cámara de mezcla a través de una o más vías de flujo de fluido entre la cámara de combustión y la cámara de mezcla, y se mezcle con el gas de materia prima. La mezcla del gas combustible con el gas de alimentación provoca que se produzcan uno o más productos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y reactor para producir uno o más productos
Campo de la divulgación
La presente divulgación se refiere a un procedimiento y un reactor asociado para producir uno o más productos, por ejemplo a través del craqueo de un gas como materia prima, tal como el gas natural.
Antecedentes de la divulgación
El craqueo químico del gas natural (CH4) se refiere a la disociación del gas natural en sus componentes constituyentes de carbono (C) e Hidrógeno (H2). Los procedimientos convencionales de generación de hidrógeno, tales como el reformado de metano con vapor (SMR), dan lugar a importantes emisiones de CO2 diluido que pueden requerir una costosa limpieza posterior al reformado para secuestrarlo. Como resultado, SMR produce aproximadamente entre 8 y 10 toneladas de CO2 por tonelada de H2 producida. Por lo general, añadir la limpieza de C<o>2 a los flujos de gases de combustión de los SMR resulta prohibitivo desde el punto de vista de los costes, a menos que las sanciones por las emisiones de dióxido de carbono aumenten hasta un punto de inflexión.
Existen otros procedimientos de descomposición térmica para producir hidrógeno y carbono sólido, TALES como la pirólisis térmica y líquida de metales y la pirólisis por plasma. Por lo general, estos procesos se adaptan para maximizar la producción de carbono sólido para los mercados de carbono asociados y se utilizan ampliamente en estas industrias.
El craqueo térmico del gas natural suele ser un proceso de presión constante y flujo continuo en el que el gas natural se calienta hasta que alcanza la temperatura necesaria para iniciar la formación de hidrógeno y carbono. En este punto, la temperatura se mantiene durante cierto tiempo para completar la reacción de equilibrio. A medida que aumenta la temperatura, disminuye el tiempo necesario para la conversión del metano, suponiendo una presión constante de 1 ATM (como se muestra en la FIG. 1 - dibujo obtenido del documento Kinetic model of homogeneous thermal decomposition of methane and ethane, Maryam Younessi-Sinaki, Edgar A. Matida, Feridun Hamdullahpur, Carleton University, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, 1125 Colonel By Drive, Ottawa, ON K1S 5B6, Canada).
En tales reactores de flujo continuo, el carbono formado tiende a acumularse en las superficies del reactor, llegando a ser tan espeso que el rendimiento del reactor se ve comprometido. Los procesos mecánicos de raspado, o la combustión del carbono de las superficies por medio de la introducción de aire en el reactor, son dos medios habituales de limpieza del reactor. El raspado mecánico es difícil de aplicar y puede no ser capaz de eliminar los depósitos de carbonilla dura. Quemar el carbono con aire genera importantes emisiones de CO2, lo que no es deseable. Por lo tanto, es muy conveniente no formar carbono en las superficies en primer lugar, y enviar el carbono producido a procesos posteriores.
Además, se necesitan tiempos de reacción más cortos para reducir el tamaño del reactor, pero esto requiere altas temperaturas y materiales exóticos que son muy costosos. A fin de evitarlo, se añaden catalizadores al reactor que reducen la temperatura de reacción. Sin embargo, ahora también se produce una acumulación de carbono en la superficie de los catalizadores, que se desactivan con el tiempo y requieren un proceso de reactivación, o son sustituidos. Ambas opciones son costosas y añaden complejidad al proceso.
Los reactores de medios líquidos, tales como los reactores de metal líquido, implican un proceso térmico por el que se hace burbujear gas natural a través de una columna de líquido a alta temperatura, tal como metal líquido o sales. Como se trata de un proceso de presión constante y flujo continuo, se aplican las mismas velocidades de reacción de temperatura frente a tiempo descritas anteriormente. La ventaja de este proceso es que la separación del hidrógeno y el carbono se simplifica, dado que el hidrógeno producido burbujea fuera de la parte superior de la columna del reactor y el carbono flota en la superficie del medio líquido, en el que teóricamente puede ser eliminado. En algunos ejemplos, se han identificado aleaciones de metal líquido que proporcionan un efecto catalizador y reducen la temperatura de reacción. En todos los casos, sin embargo, la acumulación de carbono en la parte superior del reactor sigue siendo un problema, y el uso de medios fundidos añade complejidad, problemas de materiales y coste al reactor.
En la mayoría de los procesos térmicos, la energía necesaria para calentar el reactor y mantener el proceso suele suministrarse quemando parte del gas natural sobrante con aire. Estos gases de combustión liberan CO2 a la atmósfera y contribuyen al calentamiento global. En algunos casos, el exceso de acumulación de carbono y/o hidrógeno también puede utilizarse para proporcionar calor de reacción.
Los reactores de plasma hacen pasar gas natural a presión constante a través de un plasma de alta temperatura creado por electricidad. Los plasmas pueden crearse mediante el uso de, por ejemplo, electrodos o microondas. En estos reactores, la acumulación de carbono puede seguir siendo un problema, pero menos que en los reactores térmicos, dado que el plasma a alta temperatura se limita a una zona muy pequeña. A diferencia de los reactores térmicos, los reactores de plasma dependen únicamente de la electricidad como aporte energético. En comparación con los sistemas térmicos, el coste de la electricidad como energía de entrada es mucho más elevado que el del gas natural y, por tanto, el coste de producción resultante de hidrógeno y metano es mucho mayor.
Por lo tanto, existe la necesidad en la técnica de un proceso de craqueo de gas natural que utilice energía térmica, que tenga un menor coste de capital y que sufra menos problemas de acumulación de carbono.
El documento EP0119158 desvela un proceso de craqueo térmico para producir olefinas y un gas de síntesis a partir de hidrocarburos.
El documento US2004166055A desvela un proceso para la conversión de una materia prima, en particular una materia prima de hidrocarburo tal como metano o gas natural, en el que se prepara una mezcla reactiva que contiene la materia prima y se alimenta a una zona de reacción.
Resumen de la descripción
En general, la presente divulgación se refiere (pero no se limita) al craqueo de gas natural en sus componentes de carbono (C) e hidrógeno (H2), mediante el uso de compresión dinámica de gas y mezclado para crear la presión y temperatura necesarias para descomponer térmicamente el gas natural. Uno de los objetivos del proceso es optimizar el rendimiento de hidrógeno y recuperar el carbono sólido como flujo de valor secundario, minimizando al mismo tiempo las emisiones de carbono de efecto invernadero. Cuando se combina con una pila de combustible de carbono directo (DCFC), el producto de carbono puede utilizarse para generar electricidad y un flujo de producto puro de CO2 apto para el secuestro (véase la FIG. 2). El resultado es una producción de hidrógeno "limpia" y de bajo coste.
De acuerdo con un primer aspecto de la divulgación, se proporciona un procedimiento para producir uno o más productos, introduciendo un gas de alimentación en una cámara de mezcla, en la que el gas de alimentación comprende uno o más gases; introduciendo un gas combustible en una cámara de combustión conectada a la cámara de mezcla a través de múltiples pasajes que están siempre abiertos, en la que el gas combustible comprende uno o más gases; y, a continuación, encender el gas combustible para que se queme y se formen uno o más gases de combustión y hacer que uno o más gases de combustión fluyan hacia la cámara de mezcla a través de los múltiples conductos entre la cámara de combustión y la cámara de mezcla, y hacer que uno o más gases de combustión se mezclen con el gas de alimentación, en el que, como resultado de la mezcla de uno o más gases de combustión con el gas de alimentación, la energía se transfiere de uno o más gases de combustión al gas de alimentación y, por lo tanto, provoca una reacción química para producir uno o más productos.
Las introducciones del gas de alimentación y del gas combustible pueden ser tales que el gas de alimentación sustancialmente no se mezcle, o sufra una mezcla muy pequeña o insignificante, con el gas combustible antes de la ignición.
El procedimiento puede comprender además detener la producción adicional de uno o más productos.
El procedimiento puede comprender además el precalentamiento del gas de alimentación antes de introducir el gas de alimentación en la cámara de mezcla.
El procedimiento puede comprender además el precalentamiento del gas combustible antes de introducir el gas combustible en la cámara de combustión.
La energía puede transferirse desde el gas combustible al gas de alimentación a través de la compresión dinámica del gas y la mezcla.
Una temperatura en la cámara de combustión después de la ignición pero antes de la mezcla del gas combustible con el gas de alimentación puede ser de ~90 ATM y ~3.700 K, por ejemplo con O2 puro como oxidante y gas reciclado como gas combustible.
Después de mezclar el gas combustible con el gas de alimentación, y antes de producir uno o más productos, al menos una parte de la mezcla de gas de alimentación y gas combustible puede transferirse a una tercera cámara. De este modo, la cámara de combustión y la cámara de mezcla pueden reponerse con gas combustible fresco y gas de alimentación mientras un usuario espera a que se produzcan uno o más productos en la tercera cámara.
En otro aspecto de la divulgación, se proporciona un sistema que comprende: múltiples reactores de materia prima, cada reactor comprende: una cámara de mezcla; una cámara de combustión conectada a la cámara de mezcla a través de múltiples pasajes que están siempre abiertos; y un encendedor; válvulas para controlar el flujo de gases dentro y fuera de las cámaras de mezcla y las cámaras de combustión; y uno o más controladores configurados para realizar un procedimiento que comprende, para cada reactor: controlar la válvula para introducir un gas de alimentación en la cámara de mezcla, en la que el gas de alimentación comprende uno o más gases; controlar la válvula para introducir un gas combustible en la cámara de combustión, en la que el gas de alimentación comprende uno o más gases; y, a continuación, controlar el dispositivo de ignición para encender el gas combustible de modo que haga que el gas combustible fluya hacia la cámara de mezcla a través de los múltiples pasajes entre la cámara de combustión y la cámara de mezcla, y se mezcle con el gas de alimentación, en el que la energía se transfiere desde el gas combustible al gas de alimentación y, por lo tanto, hace que se produzcan uno o más productos, en el que, para un reactor dado, el procedimiento se realiza fuera de fase con al menos otro reactor de los múltiples reactores.
Para cada reactor, las introducciones del gas de alimentación y del gas combustible pueden ser tales que el gas de alimentación sustancialmente no se mezcle con el gas combustible.
Para cada reactor, el procedimiento puede comprender además controlar la válvula para detener la producción adicional de uno o más productos.
Los reactores múltiples pueden estar dispuestos radialmente alrededor de un eje central, y el sistema puede comprender además un rotador configurado para: rotar los reactores múltiples alrededor del eje central en relación con un conjunto de válvulas que comprenda la válvula; o rotar un conjunto de válvulas que comprenda la válvula alrededor del eje central en relación con los reactores múltiples. De este modo, el conjunto de válvulas puede girar mientras los reactores están estacionarios, o el conjunto de válvulas puede estar estacionario mientras los reactores giran. En algunas realizaciones, el conjunto de válvulas y los reactores pueden incluso girar al mismo tiempo.
El control de la válvula puede comprender el control de la apertura y/o cierre de válvulas individuales. Alternativamente, o además, el control de la válvula puede comprender la rotación de las válvulas (por ejemplo, mediante el uso de un motor) en relación con los reactores.
El sistema puede comprender cualquiera de las características descritas en relación con el primer aspecto de la divulgación.
El sistema puede comprender cualquiera de las características descritas en relación con el primer aspecto de la divulgación.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describirán en detalle realizaciones de la divulgación junto con los dibujos adjuntos, de los cuales:
La Figura 1 es un gráfico de la fracción molar de hidrógeno creada a partir de metano a una presión de 1 atmósfera bajo diversas temperaturas y constantes de tiempo;
La Figura 2. muestra una combinación de disociación de gas natural y una pila de combustible de carbono para producir hidrógeno, electricidad y dióxido de carbono puro, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 3 es un diagrama esquemático de un sistema de craqueo de gas natural, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
Las FIGS. 4A y 4B muestran diferentes disposiciones de una cámara de mezcla y una cámara de combustión, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 5 es un diagrama esquemático de un procedimiento de craqueo de gas natural, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 6 muestra diferentes configuraciones de un sistema que comprende reactores agrupados que funcionan fuera de fase, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 7 muestra reactores agrupados girando alrededor de válvulas estacionarias, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 8 es un diagrama esquemático de bloques de una cámara de combustión y una cámara de mezcla utilizadas para proporcionar la mezcla de un gas de alimentación con un gas combustible, y una tercera cámara a la que se dirige la mezcla de combustible y gas de alimentación y en la que se producen uno o más productos a partir de la mezcla, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 9 es un diagrama esquemático de bloques de una cámara de combustión y una cámara de mezcla utilizada para proporcionar la mezcla de un gas de alimentación con un gas combustible, y en el que uno o más productos se producen a partir de la mezcla, de acuerdo con las realizaciones de la divulgación;
La Figura 10 es un diagrama esquemático de bloques de una cámara de combustión y una cámara de mezcla utilizada para proporcionar la mezcla de un gas de alimentación con un gas combustible, y en el que uno o más productos se producen a partir de la mezcla, y en el que los gases reciclados se utilizan para proporcionar energía térmica para el proceso, de acuerdo con las realizaciones de la divulgación;
La Figura 11 es un diagrama esquemático de una cámara de combustión situada dentro de una cámara de mezcla, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 12 es un diagrama esquemático de una cámara de combustión situada fuera de una cámara de mezcla, de acuerdo con realizaciones de la divulgación;
La Figura 13 muestra una cámara de combustión dispuesta dentro de una cámara de mezcla, de acuerdo con realizaciones de la divulgación; y
La Figura 14 muestra un haz de reactores múltiples con reactores estacionarios y válvulas giratorias, de acuerdo con realizaciones de la divulgación.
Descripción detallada de las realizaciones
La presente divulgación pretende proporcionar un procedimiento y un reactor mejorados para producir uno o más productos. Aunque a continuación se describen diversas realizaciones de la divulgación, ésta no se limita a dichas realizaciones, y las variaciones de las mismas pueden quedar comprendidas en el ámbito de aplicación de la divulgación, que ha de limitarse únicamente por las reivindicaciones adjuntas.
La palabra "un" o "una" cuando se utiliza junto con el término "que comprende" o "que incluye" en las reivindicaciones y/o la especificación puede significar "uno", pero también es coherente con el significado de "uno o más", "al menos uno" y "uno o más de uno" a menos que el contenido dicte claramente lo contrario. Del mismo modo, la palabra "otro" puede significar al menos un segundo o más, a menos que el contenido dicte claramente lo contrario.
Los términos "acoplado", "acoplamiento" o "conectado" utilizados en el presente documento pueden tener distintos significados dependiendo del contexto en el que se utilicen. Por ejemplo, los términos acoplado, acoplamiento o conectado pueden tener una connotación mecánica o eléctrica. Por ejemplo, tal como se utilizan en el presente documento, los términos acoplado, acoplamiento o conectado pueden indicar que dos elementos o dispositivos están directamente conectados entre sí o conectados entre sí a través de uno o más elementos o dispositivos intermedios por medio de un elemento eléctrico, una señal eléctrica o un elemento mecánico, dependiendo del contexto particular. El término "y/o", cuando se utiliza asociado a una lista de elementos, significa uno o más de los elementos que componen dicha lista.
Como se utiliza en la presente memoria, una referencia a "aproximadamente" o "aproximadamente" un número o a ser "sustancialmente" igual a un número significa estar dentro de /-10% de ese número.
En general, de acuerdo con realizaciones de la divulgación, se describe un proceso de pirólisis pulsada ultra-rico utilizado para producir gas rico en hidrógeno y/o productos de carbono a partir de gas natural como materia prima. A fin de producir hidrógeno a gran escala, el proceso podría competir con el SMR.
De acuerdo con las realizaciones de la divulgación, se describe el uso de un proceso de reacción pulsado, inestable y de volumen constante para producir productos de hidrógeno y carbono a partir de una materia prima basada en gas natural. Una cámara separada de gases combustibles y un oxidante proporcionan la energía para la reacción, y se transfiere directamente a la cámara de mezcla de la materia prima por medio de compresión gasodinámica e intercambio de energía térmica de mezcla rápida por contacto directo. En la explicación que sigue, el aire se utiliza como oxidante; sin embargo, en el proceso pueden utilizarse otros oxidantes, tales como el oxígeno puro. Además, el gas de alimentación y el gas combustible pueden comprender el mismo gas o mezcla de gases o pueden comprender diferentes gases o mezclas de gases. En algunas realizaciones, el gas combustible puede comprender una mezcla de gas reciclado.
El reactor comprende una cámara de mezcla y una cámara de combustión. Estas cámaras están conectadas a través de una serie de pasillos que siempre están abiertos. En algunas realizaciones, el reactor comprende un tubo perforado (la cámara de combustión) dentro de un tubo sólido más grande (la cámara de mezcla); véanse las FIGS.
3 y 4A. En otras realizaciones, la cámara de combustión puede ser externa a la cámara de mezcla (como se muestra en la FIG. 4B). Las válvulas externas proporcionan la materia prima, el oxidante y el gas combustible (mostrado comoCH4), así como el hidrógeno descargado, el carbono y otros gases producidos durante la reacción.
Volviendo a la FIG. 5, al inicio del ciclo, la cámara de mezcla se llena con los productos del ciclo de reacción anterior. La cámara de mezcla se llena con una mezcla de productos de la reacción de la materia prima más una parte de los productos de la reacción de combustión. La cámara de combustión se llena predominantemente con los productos de la reacción de combustión. En 500, se introducen en la cámara de mezcla materia prima fresca y quizás algunos gases de producto reciclado para desplazar los productos del ciclo anterior del extremo de la cámara de mezcla. Al mismo tiempo, se introduce una mezcla de gas combustible y aire en la cámara de combustión, desplazando los productos de la combustión del extremo de la cámara de combustión. En 502, todas las válvulas de entrada y salida están cerradas, creando un volumen cerrado. En 504, los gases de la cámara de combustión se encienden, lo que provoca un aumento de la presión y la temperatura dentro de la cámara de combustión. En 506, los pasajes entre la cámara de combustión y la cámara de mezcla permiten que los productos gaseosos combustibles entren en la cámara de mezcla, para de este modo comprimir los gases de alimentación y aumentar su presión y temperatura. Además, los productos gaseosos calientes de la cámara de combustión se mezclan con los gases de alimentación y transfieren de este modo su energía térmica a los gases de alimentación, lo que aumenta aún más su temperatura. La temperatura y la presión resultantes de los gases de alimentación provocan una reacción. En 508, se deja que la reacción continúe durante un período de tiempo para completar la reacción deseada y desarrollar los productos deseados. En 510, la presión dentro de la cámara de mezcla se reduce rápidamente liberando los productos a un volumen externo (no mostrado). Los gases de los productos de la combustión que permanecen en la cámara de combustión pueden expulsarse con los gases de la cámara de mezcla o expulsarse por separado a través de un puerto específico. La reducción de la presión en la cámara de mezcla reduce la temperatura y detiene o apaga la reacción. Esta rápida despresurización y expansión también tiene el efecto deseable de eliminar los productos sólidos de la reacción, tales como el carbono, de las paredes del reactor. Además, la onda de presión generada por la combustión puede eliminar los depósitos de carbono de las paredes del reactor.
Si la materia prima y los gases combustibles están premezclados, es posible que la mezcla no se encienda, dado que es demasiado rica. Por lo tanto, la cámara de mezcla y la cámara de combustión son distintas y están separadas antes de la ignición, de forma que no se produce ninguna mezcla, o preferentemente muy poca, entre el gas de alimentación y el gas combustible.
Se pueden agrupar varios sistemas de reactores y hacerlos funcionar ligeramente desfasados entre sí para producir un flujo continuo de entrada y salida del sistema de reactores. Las válvulas pueden ser fijas o giratorias, como se muestra en la FIG. 6. En algunas realizaciones, los reactores pueden ser rotados y las válvulas pueden permanecer estacionarias (véase la FIG. 7, modificado de la FIG. 2 del documento Wave rotor design method with three steps including experimental validation, Chan Shining y otros, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, diciembre de 2017, cuya totalidad se incorpora al presente documento como referencia).
Pueden ajustarse varios parámetros para que el reactor funcione eficazmente. El gas de alimentación puede precalentarse justo por debajo de la temperatura a la que empieza a reaccionar, antes de introducirlo en la cámara de mezcla. Una temperatura típica estaría en el rango de 600K-1000K, dependiendo de los componentes de la materia prima y de las presiones de trabajo.
Además, la mezcla de gas combustible / oxidante que se introduce también puede precalentarse antes de entrar en la cámara de combustión. Una temperatura típica oscilaría entre 400K y 700 K, dependiendo de los gases combustibles utilizados. El precalentamiento de la mezcla de gas combustible / oxidante puede mejorar la eficiencia del proceso, de forma que se transfiera más energía de combustión a los reactantes en lugar de utilizarse para calentar los productos de la combustión.
La relación de volumen entre la cámara de mezcla y la cámara de combustión debe establecerse de forma que la cantidad correcta de energía contenida en la cámara de combustión se proporcione a la cámara de mezcla para producir los productos deseados. También debe haber suficientes productos de gas combustible entrando en la cámara de mezcla para proporcionar una mezcla efectiva. Una relación de volumen < 10: 1 es deseable generalmente. Cuando se utiliza aire como oxidante, el nitrógeno puede ser beneficioso como gas no reactivo que promueve una menor relación de volumen y aumenta la mezcla. Cuando se utiliza oxígeno puro como oxidante, otro gas como el CO2 puede proporcionar el mismo beneficio que el nitrógeno en el caso del aire como oxidante. La introducción de CO2 adicional en la mezcla de gases combustibles puede dar lugar a una mayor producción de carbono sólido.
La relación longitud-diámetro es importante para obtener una transferencia de energía eficiente de la cámara de combustión a la cámara de mezcla. Los reactores cortos y de gran diámetro tenderán a tener un mezclado deficiente, mientras que los reactores largos y delgados desarrollarán dificultades a la hora de introducir la materia prima y los gases combustibles en el reactor a lo largo de su longitud. Generalmente se desea una relación longituddiámetro < 30:1.
De acuerdo con algunas realizaciones, el reactor utiliza metano (o gas natural) además de algunos gases de productos reciclados como gas de alimentación, y una mezcla de gas reciclado / oxidante como gases combustibles. El reactor puede diseñarse y operarse para maximizar la producción de hidrógeno y carbono sólido en la corriente de productos de reacción. El reactor puede comprender una cámara de combustión, que es un tubo perforado, dentro de una cámara de mezcla. La cámara de combustión perforada puede estar desplazada del centro de la cámara de mezcla y unida a una pared de la cámara de mezcla para proporcionar integridad estructural y soporte, como puede verse en la FIG. 13. La relación de volumen cámara de mezcla/cámara de combustión puede ser menor o igual a 10:1 y la relación longitud/diámetro puede ser de 10:1. En algunas realizaciones la relación de volumen cámara de mezcla/cámara de combustión puede ser de aproximadamente 6:1 , y en algunas realizaciones la relación de volumen cámara de mezcla/cámara de combustión puede ser de aproximadamente 3,5:1.
Como se puede ver en la FIG. 14, pueden disponerse varios tubos de reactor junto con válvulas giratorias externas que proporcionan el flujo y la secuencia de todas las materias primas, gases combustibles y productos de reacción. Un puerto separado puede ventilar los productos de combustión de la cámara de combustión.
El reactor puede funcionar a una presión suficientemente alta para que el hidrógeno resultante pueda purificarse mediante el uso de la tecnología estándar de absorción por cambio de presión. De acuerdo con algunas realizaciones, los gases de producto tales como el metano (CH4) sin reaccionar, el monóxido de carbono (CO) y algo de hidrógeno se reciclan y se mezclan con más metano para producir la mezcla de gases de alimentación al reactor. La mezcla de gas combustible comprende la mezcla de gas reciclado además (en el caso de un reactor soplado con aire) del CO2 eliminado del sistema de eliminación de CO2, y oxígeno puro. En algunas realizaciones, la mezcla de gas reciclado que fluye hacia las cámaras de combustión y mezcla contiene CO2 además de CH4, CO y Hz. La mezcla de gases de alimentación y la mezcla de gases combustibles se precalientan a ~900K y ~600K respectivamente, a partir de la energía térmica recuperada de la corriente de productos del reactor por medio de un intercambiador de calor de varias corrientes. En realizaciones alternativas, la relación de volumen de la cámara de mezcla / cámara de combustión es de 3,5:1, y se utiliza una mezcla de metano (o gas natural) / aire para los gases combustibles.
Ahora se proporcionará una descripción detallada de las realizaciones de la divulgación.
Con referencia a la FIG. 8, el gas combustible 10 y el gas oxidante 20 entran en el sistema de acondicionamiento y control de la mezcla de combustión 30, que acondiciona la mezcla de gas combustible 31 a la temperatura y presión correctas requeridas por la cámara 60. El gas de alimentación 40 y la mezcla de gas de reciclado 91 entran en el sistema de acondicionamiento y control de la mezcla de alimentación 50, que acondiciona la mezcla de alimentación 51 a la temperatura y presión correctas requeridas por la cámara 60. En algunas realizaciones, no se dispone de una mezcla de gas de reciclaje y sólo el gas de alimentación 40 entra en el sistema 50 de acondicionamiento y control de la mezcla de alimentación.
La cámara 60 es un dispositivo de volumen constante que utiliza la energía de combustión de la mezcla acondicionada de gas combustible 31 para aumentar la presión y la temperatura de la mezcla acondicionada de materia prima 51 hasta un nivel listo para la reacción. Una mezcla de gas de producto de combustión 67 que comprende principalmente los productos de combustión de la mezcla de gas combustible 31 acondicionada puede ventilarse desde la cámara 60. La mezcla gaseosa lista para la reacción 61 entra en el reactor 70, donde permanece hasta que la mezcla gaseosa se convierte en una reacción endotérmica de volumen constante en la mezcla de producto reaccionado 71. La reacción a volumen constante es un proceso inestable que funciona por lotes y requiere un control del tiempo de flujo. Esto se consigue por medio del control del flujo en los sistemas de acondicionamiento 30, 50 y el sistema de separación y control 80.
La mezcla de producto reaccionado 71 entra en el sistema de separación y control de producto 80, que detiene la reacción en el reactor 70 reduciendo la presión y la temperatura de la mezcla de producto reaccionado deseada 71 y separa y/o purifica los componentes individuales del producto 81, 82, los productos no deseados 83 y la mezcla de gas de reciclaje 84. La mezcla de gas de recirculación 84 entra en el sistema de preacondicionamiento de gas de recirculación 90, donde la mezcla de gas de recirculación 84 se preacondiciona a la temperatura y presión deseadas y fluye hacia el sistema 50 de acondicionamiento y control de la mezcla de materia prima.
En algunas realizaciones, el gas combustible 10 y el gas de alimentación 40 son gas natural, y el gas oxidante 20 es aire. La reacción deseada en el reactor 70 es la pirólisis de metano dada generalmente por la siguiente ecuación:
CH4 (metano) energía ^ C (carbono) 2H2 (hidrógeno)
El producto individual 81 es hidrógeno gaseoso, el producto individual 82 es carbono, y los productos no deseados 83 son principalmente dióxido de carbono, nitrógeno y agua. La mezcla de gas de reciclado 84 se compone principalmente de gas natural sin reaccionar, hidrógeno, nitrógeno y monóxido de carbono.
El sistema de la FIG. 9 es similar al de la FIG. 8 con la excepción de que la cámara 60 y el reactor 70 se combinan en el reactor de volumen constante 62.
La FIG. 10 es similar a la FIG. 9 pero con una parte de la mezcla de reciclado 84, acondicionada en el acondicionador de gas reciclado preacondicionado 90, enviada al acondicionador de gas combustible y al sistema de control 30 para compensar la cantidad de gas combustible 10 necesaria.
La FIG. 11 representa una vista en sección transversal de la cámara 60 o del reactor de volumen constante 62. En esta descripción, representa el reactor 62 de volumen constante.
El reactor de volumen constante 62 comprende un volumen de combustión 65 contenido dentro de la cámara de combustión 63. La cámara de combustión 63 está rodeada por el volumen del reactor 64 que está contenido en la cámara del reactor 68. Los pasillos 66 conectan el volumen de combustión 65 con el volumen del reactor 64. Aunque la cámara de combustión 63 se muestra en el centro de la cámara de reactor 68, la cámara de combustión 63 puede estar situada en cualquier parte de la cámara de reactor 68, incluso contra la pared exterior 69 de la cámara de reactor 68.
La mezcla de gas combustible acondicionado 31 entra en la cámara de combustión 63 a través de la válvula de mezcla de gas combustible 32 y el conducto de paso 33, desplazando cualquier mezcla de gas de producto de combustión 67 presente en el volumen de combustión 65 fuera del reactor 62 a través del conducto de paso 74 y la válvula de producto de combustión 75. La mezcla acondicionada de gas de alimentación 51 entra en la cámara de mezcla 68 a través de la válvula de mezcla de gas de alimentación 52 y el conducto 53, desplazando la mezcla de producto reaccionado deseada 71 en el volumen del reactor 64 fuera del reactor 62 a través del conducto 73 y la válvula de producto 72. Tanto la mezcla acondicionada de gas combustible 31 como la mezcla acondicionada de gas de alimentación 51 pueden entrar simultáneamente en el reactor de volumen constante 62 a la misma presión, de forma que haya muy poca mezcla a través de los conductos 66.
Una vez que predominantemente toda la mezcla de gas combustible 67 y la mezcla de producto deseado 71 es desplazada del reactor 62, la válvula de producto de combustión 75 y la válvula de producto 72 se cierran. Una vez alcanzada la presión deseada en el reactor, se cierran la válvula de mezcla de gas combustible 32 y la válvula de mezcla de gas de alimentación 52, creando un volumen cerrado en el reactor 62. El encendedor 100 crea energía de ignición 101 que permite que la mezcla de gas combustible 31 acondicionada en la cámara de combustión 63 arda en una reacción exotérmica creando la mezcla de gas de producto de combustión 67 a temperatura y presión elevadas. Debido a la diferencia de presión resultante entre la cámara de combustión 63 y la cámara de mezcla 68, una parte de la mezcla de gas combustible 67 entra en el volumen del reactor 64, comprimiendo la mezcla de gas de alimentación 51 a una presión más alta. Simultáneamente, esta porción de mezcla de gas combustible caliente 67 se mezcla y calienta la mezcla de gas de alimentación 51 por conducción, convección y radiación. La mezcla de gas de alimentación 51 se encuentra ahora a una temperatura y presión elevadas, lo que crea las condiciones para que se produzca una reacción endotérmica. El reactor 62 de volumen constante se mantiene como un volumen cerrado hasta que la reacción endotérmica procede el tiempo suficiente para crear la mezcla de producto deseada 71. Una vez alcanzada esta condición, se abren la válvula de producto 72 y la válvula de producto de combustión 75, lo que hace descender la presión y la temperatura, deteniendo la reacción endotérmica. A continuación, el proceso se repite.
La FIG. 12 muestra una realización de la cámara 60 o reactor de volumen constante 62 con cámara de combustión 63 externa a la cámara de mezcla 68. El volumen de combustión 65 está conectado al volumen del reactor 64 a través de una serie de conductos 68. Si es necesario, se pueden colocar varios encendedores a lo largo de la cámara de combustión 63 para crear condiciones de combustión específicas. También pueden colocarse múltiples encendedores en el reactor de volumen constante 62 de la FIG. 11 si la cámara de combustión 63 está situada junto a la pared de la cámara del reactor 69.
La FIG. 13 muestra una vista isométrica de una realización de la cámara 60 o reactor de volumen constante 62 con la cámara de combustión 63 unida directamente con la pared de la cámara del reactor 69 de la cámara del reactor 68. La unión directa de la cámara de combustión 63 a la pared 69 de la cámara del reactor proporciona soporte estructural y alineación a la cámara de combustión 63, y crea esencialmente una cámara 60 de una sola pieza o un reactor 62 de volumen constante.
A fin de crear un sistema de flujo cuasi o semi-continuo, múltiples cámaras 60 o reactores de volumen constante 62 pueden ser dispuestos juntos y operados fuera de fase de forma que cada cámara o reactor está experimentando una parte diferente del proceso descrito en la FIG. 11.
La FIG. 14 muestra una realización de un reactor multitubular 110, con una multitud de reactores individuales de volumen constante 62 mostrados en la FIG. 14 dispuestas en forma circular. La mezcla de gas combustible acondicionado 31 entra en el reactor multitubular 110 a través del conducto 34 hacia el pleno 35. La mezcla de gases de alimentación acondicionados 51 entra en el reactor multitubular 110 a través del conducto 54 al pleno 55. La sincronización de la combustión acondicionada y de las mezclas acondicionadas de gases de alimentación que entran en el reactor multitubular 110 se controla por medio de la válvula giratoria de entrada 120, que forma parte del conjunto de válvulas giratorias 121. La válvula rotativa de entrada 120 realiza la misma función que la válvula de mezcla de gas combustible 32, el pasaje 33, la válvula de mezcla de gas de alimentación 52 y el pasaje 53 descritos en la FIG. 11. El momento en que la mezcla de gas de producto de combustión 67 y la mezcla de producto deseada 71 salen del reactor multitubular 110 se controla por medio de la válvula giratoria de salida 122, que forma parte del conjunto de válvula giratoria 121. La válvula rotatoria de salida 122 realiza la misma función que la válvula de producto de combustión 72, el pasaje 73, la válvula de producto de materia prima 75 y el pasaje 74 descritos en la FIG. 11.
Las mezclas de gas de producto de combustión 67 de cada reactor de volumen constante 62 se recogen en el pleno de producto de combustión 123 y se distribuyen fuera del reactor multitubular 110 a través del pasaje 125. La mezcla de producto 71 de cada reactor de volumen constante 62, se recoge en el espacio lleno de producto 124 y se distribuye fuera del reactor multitubular 110 a través del pasillo 126.
Se desvela en el presente documento un reactor de gas de alimentación que comprende: una cámara de mezcla; una cámara de combustión conectada a la cámara de mezcla a través de múltiples pasajes que están siempre abiertos; válvulas para controlar el flujo de gases dentro y fuera de la cámara de mezcla y la cámara de combustión; un encendedor; y uno o más controladores configurados para realizar un procedimiento que comprende: controlar la válvula para introducir un gas de alimentación en la cámara de mezcla, en la que el gas de alimentación comprende uno o más gases; controlar la válvula para introducir un gas combustible en la cámara de combustión, en la que el gas combustible comprende uno o más gases; y, a continuación, controlar el dispositivo de ignición para que encienda el gas combustible de modo que éste fluya hacia la cámara de mezcla a través de los múltiples pasajes entre la cámara de combustión y la cámara de mezcla, y se mezcle con el gas de alimentación, transfiriendo energía del gas combustible al gas de alimentación y produciendo así uno o más productos.
Las introducciones del gas de alimentación y del gas combustible pueden ser tales que el gas de alimentación no se mezcle sustancialmente con el gas combustible.
El procedimiento puede comprender además el control de la válvula para detener la producción de uno o más productos.
La cámara de combustión puede estar situada dentro de la cámara de mezcla. La cámara de combustión puede estar desplazada respecto a un eje longitudinal de la cámara de mezcla.
La cámara de combustión puede estar situada fuera de la cámara de mezcla.
La cámara de combustión puede comprender una o más aberturas formadas en la misma.
El reactor de gas de alimentación puede comprender cualquiera de las características descritas en relación con el primer aspecto de la divulgación.
También se desvela en el presente documento un reactor de gas de materia prima que comprende: una cámara de mezcla; una cámara de combustión que comprende una o más aberturas formadas en la misma, en la que la una o más aberturas proporcionan una o más vías de flujo de fluido desde la cámara de combustión a la cámara de mezcla; válvulas para controlar el flujo de gases dentro y fuera de la cámara de mezcla y la cámara de combustión; y un encendedor.
El reactor de gas de alimentación puede, por ejemplo, comprender cualquiera de las características descritas en el resumen en relación con el primer aspecto de la invención.
El control de la válvula puede comprender el control de la apertura y/o cierre de válvulas individuales. Alternativamente, o además, el control de la válvula puede comprender la rotación de las válvulas (por ejemplo, mediante el uso de un motor) en relación con el reactor.
También se desvela en el presente documento un sistema que comprende: uno o más de cualquiera de los reactores descritos anteriormente; y una o más pilas de combustible acopladas a uno o más reactores y configuradas para recibir carbono producido a partir de la mezcla de los gases combustibles con los gases de alimentación.
Aunque la divulgación se ha presentado principalmente en el contexto del craqueo de un gas de alimentación, la divulgación se extiende a otros procedimientos de producción de uno o más productos a partir de un gas de alimentación. Por ejemplo, el gas de síntesis (H2y CO) puede producirse ajustando uno o más parámetros del proceso de forma que el gas combustible reaccione (además de mezclarse) con el gas de alimentación. Por ejemplo, puede aumentarse la proporción de oxidante respecto al gas reciclado en el gas combustible, para aumentar la presión y la temperatura del gas combustible inmediatamente después de la ignición, y de este modo inducir una reacción adecuada entre el gas combustible y el gas de alimentación.
Aunque la divulgación se ha descrito en relación con realizaciones específicas, debe entenderse que la divulgación no se limita a estas realizaciones, y que el experto puede realizar alteraciones, modificaciones y variaciones de estas realizaciones sin apartarse del alcance de la divulgación. Se contempla además que cualquier parte de cualquier aspecto o realización discutida en esta especificación puede ser implementada o combinada con cualquier parte de cualquier otro aspecto o realización discutida en esta especificación.

Claims (27)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento de producción de uno o más productos, que comprende:
introducir un gas de alimentación en una cámara de mezcla (68), en la que el gas de alimentación comprende uno o más gases;
introducir un gas combustible en una cámara de combustión (63) conectada a la cámara de mezcla a través de múltiples conductos (66) que están siempre abiertos, en la que el gas combustible comprende uno o más gases; y
a continuación, encender el gas combustible para quemarlo y formar así uno o más gases de combustión, y hacer que uno o más gases de combustión fluyan hacia la cámara de mezcla a través de los múltiples pasajes entre la cámara de combustión y la cámara de mezcla, y hacer que uno o más gases de combustión se mezclen con el gas de alimentación, en el que, como resultado de la mezcla de uno o más gases de combustión con el gas de alimentación, se transfiere energía de uno o más gases de combustión al gas de alimentación, para de este modo provocar una reacción química para producir uno o más productos.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que, antes de encender el gas combustible, una presión del gas de alimentación en la cámara de mezcla es aproximadamente igual a una presión del gas combustible en la cámara de combustión de forma que el gas de alimentación sustancialmente no se mezcle con el gas combustible.
3. El procedimiento de la reivindicación 1 o 2 comprende además detener la producción adicional de uno o más productos.
4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que comprende además precalentar el gas de alimentación antes de introducir el gas de alimentación en la cámara de mezcla.
5. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende además precalentar el gas combustible antes de introducir el gas combustible en la cámara de combustión.
6. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que una relación entre un volumen de la cámara de mezcla y un volumen de la cámara de combustión es menor o igual a aproximadamente 10:1.
7. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que una relación entre una longitud de la cámara de mezcla y un diámetro de la cámara de mezcla es menor o igual a aproximadamente 30:1.
8. El procedimiento de la reivindicación 1 a 7, en el que el gas de alimentación comprende gas natural.
9. El procedimiento de la reivindicación 8, en el que el gas de alimentación comprende una mezcla de gas natural y gas reciclado.
10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que el gas reciclado comprende uno o más de: uno o más componentes de gas natural; hidrógeno; monóxido de carbono; y dióxido de carbono.
11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el gas combustible comprende un oxidante.
12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que el gas combustible comprende una mezcla de CH4 y el oxidante.
13. El procedimiento de la reivindicación 11 o 12, en el que el gas combustible comprende una mezcla de gas reciclado y el oxidante.
14. El procedimiento de la reivindicación 13, en el que el gas reciclado comprende uno o más de: uno o más componentes de gas natural; hidrógeno; monóxido de carbono; y dióxido de carbono.
15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en el que el gas combustible se introduce en la cámara de combustión simultáneamente a la introducción del gas de alimentación en la cámara de mezcla.
16. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-15, en el que el gas combustible se introduce en la cámara de combustión a una presión que es igual a una presión con la que el gas de alimentación se introduce en la cámara de mezcla.
17. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-16, en el que uno o más productos comprenden uno o más de hidrógeno y carbono.
18. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-16, en el que uno o más productos comprenden uno o más de hidrógeno y monóxido de carbono.
19. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-16, en el que uno o más productos comprenden uno o más de hidrógeno, nitrógeno y carbono.
20. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que detener la producción adicional de uno o más productos comprende reducir una presión dentro de la cámara de mezcla.
21. El procedimiento de la reivindicación 20, en el que la presión dentro de la cámara de mezcla se reduce al menos en un 50% en menos de 1 segundo para inhibir el ensuciamiento por carbono de la cámara de mezcla.
22. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-21, en el que la energía se transfiere desde uno o más gases de producto de combustión al gas de alimentación por medio de compresión dinámica y mezcla de gases.
23. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-22, en el que la energía se transfiere desde uno o más gases de producto de combustión al gas de materia prima y, de este modo, hace que la reacción química produzca uno o más productos en una reacción endotérmica de volumen constante.
24. Un sistema que comprende:
múltiples reactores de gas de alimentación (62), cada reactor de gas de alimentación que comprende: una cámara de mezcla (65);
una cámara de combustión (63) conectada a la cámara de mezcla a través de múltiples pasillos (66) que están siempre abiertos; y
un encendedor (100);
válvulas (32, 52, 72, 75) para controlar el flujo de gases hacia y desde la cámara de mezcla y la cámara de combustión de cada reactor de gas de alimentación; y
uno o más controladores configurados para realizar un procedimiento que comprende, para cada reactor de gas de alimentación:
controlar la válvula para introducir un gas de alimentación en la cámara de mezcla del reactor de gas de alimentación, donde el gas de alimentación comprende uno o más gases;
controlar la válvula para introducir un gas combustible en la cámara de combustión del reactor de gas de alimentación, en el que el gas combustible comprende uno o más gases; y
a continuación, controlar el dispositivo de encendido del reactor de gas de alimentación para que encienda el gas combustible de forma que se queme el gas combustible y de este modo se formen uno o más gases de combustión, y hacer que uno o más gases de combustión fluyan hacia la cámara de mezcla a través de los múltiples conductos entre la cámara de combustión y la cámara de mezcla, y hacer que uno o más gases de los productos de combustión se mezclen con el gas de alimentación, en el que, como resultado de la mezcla de uno o más gases de los productos de combustión con el gas de alimentación, se transfiere energía de uno o más gases de los productos de combustión al gas de alimentación, lo que provoca una reacción química para producir uno o más productos,
en el que, para un reactor de gas como materia prima dado, el procedimiento se realiza fuera de fase con al menos otro reactor de gas como materia prima de los múltiples reactores de gas como materia prima.
25. El sistema de la reivindicación 24, en el que, para cada reactor, las introducciones del gas de alimentación y del gas combustible son tales que el gas de alimentación sustancialmente no se mezcla con el gas combustible.
26. El sistema de la reivindicación 24 o 25, en el que, para cada reactor de gas de alimentación, el uno o más controladores están configurados además para controlar la válvula para detener la producción adicional de uno o más productos.
27. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 24-26, en el que los múltiples reactores de gas de alimentación están dispuestos radialmente alrededor de un eje central, y en el que el sistema comprende además un rotador configurado para:
girar los reactores de gas de alimentación múltiple alrededor del eje central en relación con un conjunto de válvulas que comprenda la válvula; o bien
girar un conjunto de válvulas que comprenda la válvula alrededor del eje central en relación con los múltiples reactores de gas de alimentación.
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