FI113250B - Laite ja prosessi endotermisen reaktion suorittamiseksi - Google Patents

Laite ja prosessi endotermisen reaktion suorittamiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI113250B
FI113250B FI942930A FI942930A FI113250B FI 113250 B FI113250 B FI 113250B FI 942930 A FI942930 A FI 942930A FI 942930 A FI942930 A FI 942930A FI 113250 B FI113250 B FI 113250B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
reaction
endothermic
combustion
air
gas
Prior art date
Application number
FI942930A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI942930A (fi
FI942930A0 (fi
Inventor
Stephen Hardman
Robert C Ruhl
Michael R Kenyon
Roderick A Mcfarlene
Original Assignee
Standard Oil Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Standard Oil Co filed Critical Standard Oil Co
Publication of FI942930A publication Critical patent/FI942930A/fi
Publication of FI942930A0 publication Critical patent/FI942930A0/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI113250B publication Critical patent/FI113250B/fi

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/008—Details of the reactor or of the particulate material; Processes to increase or to retard the rate of reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0242—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical
    • B01J8/025—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical in a cylindrical shaped bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0285—Heating or cooling the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/04—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds
    • B01J8/0446—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical
    • B01J8/0449—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical beds
    • B01J8/0453—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical beds the beds being superimposed one above the other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/062—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes being installed in a furnace
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00168—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements outside the bed of solid particles
    • B01J2208/00203—Coils
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00389—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2208/00407—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements outside the reactor bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00477—Controlling the temperature by thermal insulation means
    • B01J2208/00495—Controlling the temperature by thermal insulation means using insulating materials or refractories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00504—Controlling the temperature by means of a burner
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00513—Controlling the temperature using inert heat absorbing solids in the bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00522—Controlling the temperature using inert heat absorbing solids outside the bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00716—Means for reactor start-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/02—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor with stationary particles
    • B01J2208/023—Details
    • B01J2208/024—Particulate material
    • B01J2208/025—Two or more types of catalyst
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0277—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a catalytic decomposition step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/061—Methanol production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/062—Hydrocarbon production, e.g. Fischer-Tropsch process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/068—Ammonia synthesis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0816—Heating by flames
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0822—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel the fuel containing hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0866—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combination of different heating methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1011—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1076—Copper or zinc-based catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1082—Composition of support materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1604—Starting up the process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Description

113250
Laite ja prosessi endotermisen reaktion suorittamiseksi
Keksinnön tausta
Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista laitetta 5 ja patenttivaatimuksen 8 johdannon mukaista prosessia endotermisen reaktion suorittamiseksi.
EP-patenttihakemuksessa 0 450 872 A1 selostetaan endoterminen reaktiolaite tai polttouuni, jolla suoritetaan erityyppisiä endotermisia reaktioita, kuten höyry-metaani-reformingkrakkaus, etaanin pyrolyysi etyleeniksi ja vastaa-10 vat. Endotermisen reaktion parantamiseksi lämpölähde, johon kuuluu keraaminen polttoputki ja polttoaineen syöttöputki polttoputken sisällä, sijoitetaan uunin sisälle. Polttoaine ja ilma, joita syötetään erikseen polttoaineen syöttöputkien ja polttoputkien, sekoittuvat, syttyvät ja palavat polttoputken sisällä, jolloin generoituu lämpöä. Endotermisia reagoivia aineita syötetään uunin sisäosaan poltto-15 putken ulkopuolelle, jossa ne reagoivat johtuen putken sisällä olevasta lämmöstä.
Edullisessa suoritusmuodossa endoterminen reagoiva aine ja reak-tiokaasut toisaalta, ja toisaalta palamisen polttoaine, ilma ja palamiskaasut vir-taavat vastavirtaan uunin läpi. Tällöin erikseen syötettyä polttoainetta ja ilmaa 20 voidaan lämmittää automaattisen syttymislämpötilansa yläpuolelle ennen yhdis-tämistään, joka vuorostaan mahdollistaa yksinkertaisemman uunin rakenteen.
: ' *: Tällä rakenteella on useita etuja. Keraamiset putket kestävät korkeita • lämpötiloja useissa endotermisissa reaktioissa paremmin kuin useimmat metal- . ; ·. lit. Keraamiset putket voidaan myös valmistaa vahvemmiksi ja täten ohuemmiksi , , · 25 ulkoisesti sovitetun puristusvoiman avulla, joko mekaanisin elimin, kuten putken . ‘ vastakkaisten päiden puristus, tai lisäämällä painetta putkien ulkopintoihin, jossa ’:;; endoterminen reaktio tapahtuu, tai käyttäen molempia menetelmiä.
v ‘ Valitettavasti keraamiset putket aikaansaavat liikaa lämpöjännitystä useissa sovelluksissa, erityisesti mikäli nämä ovat liian paksut. Keraamiset put-30 ket, jotka ovat sekä pitkiä että ohuita, joka on toivottavaa suuremmissa sovelluk-:, ,: sissa, joissa tarvitaan hyvin monta lähelle vierekkäin pakattuja putkia, ovat myös hyvin vaikeasti valmistettavia. Keraaminen aine on yleensä myös hyvin hauras-t... i ta, jolloin syntyy luotettavuusongelmia.
I ! ·
• I
l : t 2 113250
Yhteenveto keksinnöstä Täten esillä olevan keksinnön tehtävänä on aikaansaada parannettu endoterminen reaktiolaite tai uuni, jossa edelleen voidaan käyttää hyvin korkeita endotermisen reaktion lämpötiloja.
5 Tähän päämäärään päästään keksinnön mukaisella laitteella ja me netelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimusten 1 ja 8 tunnusmerkkiosissa. Keksinnössä käytetään metallisia putkia keraamisten putkien sijaan ja erityisesti suurissa sovellutuksissa käytetään useita lähekkäin pakattuja putkia.
10 Endoterminen reaktio suoritetaan metallisten reaktioputkien sisällä, jotka on varustettu lämpöä generoivilla elimillä, jotka generoivat lämpöä siten, että polttoaine ja ilma syttyvät automaattisesti. Reaktiokaasujen virtaustiet toisaalta ja polttokaasujen virtaustiet toisaalta on sovitettu siten, että ilma ja polttoaine lämmitetään erikseen yli automaattisen syttymislämpötilansa ennen kuin 15 niitä yhdistetään ja myös siten, että kaikki tuloksena saadut kaasut jäähdytetään olennaisesti ennen poistumistaan uunista.
Tällä järjestelyllä reaktioputkien sisä- ja ulkoseinämien lämpötilat pidetään hyväksyttävän alhaisella tasolla vaikkakin polttokaasujen lämpötila saavuttaa hyvin korkean tason. Tämä mahdollistaa metallin käytön keraamisten 20 putkien sijasta. Myös polttokaasujen automaattinen syttyminen eliminoi erillisten sytytyslaitteiden ja/tai liekinpitimien käytön polton aloittamiseksi ja/tai stabiloimi-seksi. Nämä ominaisuudet ovat erityisen arvokkaita suurimuotoisissa, moniput-kisissa reformingkrakkausuuneissa, koska ne mahdollistavat polttoputkien tihe-än pakkaamisen ja eliminoivat myös pysähdysaikoja ja korjausaikoja sekä syty- : 25 tyslaitteiden huoltoaikoja.
* * » • » · Kuvioluettelo f:'; Keksintöä selostetaan seuraavassa viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa kuvio 1 on poikkileikkausesitys esillä olevan keksinnön mukaisesta 30 reformingkrakkauslaitteesta, kuvio 2 on graafinen esitys polttokaasujen reaktiolämpötilaprofiileista ':' ; sekä kuvion 1 laitteen reaktioputkiseinämästä vakiotoiminnassa.
Keksinnön yksityiskohtainen selostus : i': Keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla seuraavaan .·*. 35 suoritusmuotoon.
* t 3 113250
Kuviossa 1 keksinnön mukaiseen reaktiolaitteeseen 100 kuuluu pitkänomainen astia 102, jossa on laajennusliitos 103, joka määrittää ensimmäisen pään 104 ja toisen pään 106, eristys 107 ja sisäosa 108. Kylmäkäynnistystä varten käytetään ulkoista poltinta (ei esitetty) sisääntulevan ilman esilämmittämi-5 seksi lämpötilaan, joka on suuruusluokkaa 550 °C reaktorin esilämmittämiseksi yli itsesyttymislämpötilan. Tämä poltin sammutetaan polttoaineen ruiskutuksen alkaessa.
Sisäosan 108 sisällä on endoterminen reaktioputki 110, joka on kiinnitetty päätylevyihin tai "putkiseiniin" 109 ja 111 sopivasti kiinnittämällä, esim. 10 hitsaamalla (ei esitetty). Kuten nähdään kuviosta 1 putkiseinät 109 ja 111 on kiinnitetty astian 102 seinämiin siten, että putkiseinät eivät liiku aksiaalisesti mainitussa astiassa suhteessa astian osaan, johon ne on kiinnitetty, joka tunnetun tekniikan mukaisesti tunnetaan termillä "kiinteän putken seinäasennus". Edelleen esitetyssä suoritusmuodossa ei ole tukirakennetta kuten sauvoja tai levyjä 15 astian seinäpuolella, jotka tukisivat reaktioputkea 110 sisäasennossaan (eli jossakin kohtaa tämän päiden välissä), kuten on tavanomaisissa ratkaisuissa, joissa estetään putken sivuttaisliike ja täten muodonmuutos eri puristuskuormien alla.
Reaktioputken 110 sisäosa määrittää endotermisen reaktiovirtaustien 20 endotermisen reaktion suorittamiseksi, kun toisaalta reaktioputken 110 ulkopuolella oleva tilavuus määrittää polttovirtaustien polton suorittamiseksi. Reaktioput-Ί ki 110 täytetään endotermisella reaktiokatalyytilla 112, joka on muodoltaan ja : kooltaan sopiva. Esitetyssä suoritusmuodossa katalyytti 112 muodostuu pallois- . ta, jotka ovat halkaisijaltaan n. 5 mm. Lämmönsiirtymän parantamiseksi ja täten . : 25 reaktioputken 110 lämmöstä johtuvan vanhenemisen vähentämiseksi, endoter minen katalyytti 114 polttoalueen 116 vieressä on kooltaan pienempi, esim. hal- ’ kaisijaltaan 3 mm. Inertiamateriaalia 122 ja 124 on sovitettu endotermisen kata- * 1 · lyytin 112/114 jommallekummalle puolelle, myös lämmönsiirtymän parantamiseksi.
.. : * 30 Pää 104 ja putkiseinä 109 määrittävät yhdessä tuloputkiston 126 en- : dotermisen reaktiosyötön vastaanottamiseksi tulokohdasta 128. Pää 106 ja put- kiseinä 111 määrittävät yhdessä poistoputkiston 130 endotermisen tuotteen , , purkamiseksi poistokohdan 132 kautta.
* · llmankokooja 134 määrittää yhdessä putkiseinän 111 kanssa ilman-v : 35 tuloputkiston 136 ilman vastaanottamiseksi tulokohdasta 138. Ilmaputki 140, joka on samankeskinen reaktioputken 110 kanssa, kommunikoi ilman tuloputkis- 4 113250 ton 136 kanssa ilman tuomiseksi paloalueelle 116 renkaan 142 kautta. Polttoaineen kokooja 144 yhdessä ilmankokoojan 134 kanssa määrittävät polttoaineen tuloputkiston 146 kaasumaisen polttoaineen vastaanottamiseksi polttoaineen tulokohdasta 148. Polttoaineputki 150, joka myös on samankeskinen reaktioput-5 ken 110 ja ilmaputken 140 kanssa kommunikoi polttoaineen tuloputkiston 146 kanssa syöttäen polttoainetta paloalueelle 116 polttoainerenkaan 152 kautta. Polttokaasukokooja 154 yhdessä putkiseinän 109 kanssa määrittävät polttokaa-sutuloputkiston 156 polttokaasujen purkamiseksi, jotka ovat syntyneet polttoaineen ja ilman polton yhteydessä astian sisäosassa 108 polttokaasurenkaan 162 10 kautta, joka muodostuu reaktioputkesta 110 ja purkausputkesta 160, joka on samankeskinen tämän kanssa, ja palokaasupoiston 158 kautta. Kuten todetaan kuviosta 1, ilmaputki 140 ja polttoaineputki 150 ovat muodoltaan sellaiset, että paloalue 116 sijaitsee astian 102 sisäosassa, ja kuten alla selostetaan tarkemmin sijaitsee riittävällä etäisyydellä reaktiokaasujen ja polttokaasujen poistokoh-15 dista siten, että sekä endotermiset tuotekaasut että polttotuotekaasut jäähtyvät olennaisesti ennen poistumistaan astiasta.
Toiminnassa, kun vakaa tilanne on saavutettu, endoterminen reagoiva aine, kuten metaanin ja vesihöyryn seos, sovitetaan tulokohtaan 128, endoterminen tuote poistetaan poistokohdasta 132, polttoaine ja ilma sovitetaan 20 polttoaineen tulokohtaan 148 ja ilmantulokohtaan 138 vastaavasti, ja polttokaa-sut poistetaan palopoistokohdasta 158. Tämä aikaansaa vastavirtavirtauksen reaktiokaasujen, jotka viilaavat polttoputken 110 läpi ja polttokaasujen, jotka j'·’; vihaavat astian 102 sisäosan 108 läpi, välillä. Eri reagoivien aineiden ja tuottei- . ; . den virtausnopeudet ja eri putkien koot ja muodot valitaan siten, että kun ilma ja : 25 polttoaine sekoittuu polttoalueella 116 nämä ovat automaattisytytyslämpötilansa ' ] yläpuolella. Täten ne sekoittuvat, syttyvät ja palavat ilman erillisen sytyttimen tarvetta, jolloin esim. sytytystulppaa ei tarvita. Endotermisten reagoivien ainei-‘ ‘ den kaasujen ja polttokaasujen vastavirtavirtaus parantaa myös lämmön siirty misen reagoivien kaasujen ja polttokaasujen välillä reaktioputken seinämien 30 vastakkaisilla sivuilla. Tämä vuorostaan minimoi lämpimien kohtien esiintymistä .,.: ja aikaansaa putkien pidempiä käyttöikiä.
Tämä on esitetty kuviossa 2, jossa graafisesti esitetään eri prosessi-kaasujen lämpötila ja kuvion 1 laitteen reaktioputken 110 putkiseinämän lämpötila. Kuviossa 2 abskissa on etäisyys polttoalueelta 116 siten, että nollakohta 35 lasketaan polttoalueen 116 käynnistymisestä. Koordinaatilla esitetään eri kaasujen ja putken seinämän lämpötila. Tässä kuviossa 164 esittää endotermista rea- 5 113250 goivan aineen lämpötilaprofiilia, 166 esittää endotermisen tuotteen lämpötilapro-fiilia, 168 polttoaineen lämpötilaprofiilia, 170 ilman lämpötilaprofiilia, 172 liekin lämpötilaprofiilia, 174 polttokaasun lämpötilaprofiilia, 178 reaktioputken ulkosei-nämän lämpötilaprofiilia, ja 180 reaktioputken sisäseinämän lämpötilaprofiilia.
5 Viitemerkinnällä 182 esitetään yhteyttä inertin 122 ja endotermisen katalyytin 112 välillä, ja 184 esittää polttoaine/ilma-yhdistelmän automaattista syttymis-lämpötilaa.
Kuten kuviosta ilmenee, vaikkakin polttokaasujen liekkilämpötila saavuttaa hyvin korkean tason, reaktioputken 110 sisä-ja ulkoputkiseinämät ovat 10 suhteellisen alhaisessa lämpötilassa, jolloin näiden käyttöikä pitenee ja jolloin on mahdollista käyttää metallisia putkia keraamisten putkien sijasta suurlämpötila-sovelluksissa. Samanaikaisesti eri kaasut, jotka poistuvat laitteesta, sekä endo-termiset tuotekaasut että polttokaasut, jäähtyvät sopivaan lämpötilaan vaikkakin keksinnön mukaisessa uunissa polttokaasut lämpiävät autosyttymislämpötilansa 15 yläpuolelle ja samanaikaisesti riittävästi lämpöä siirtyy endotermisiin reagoiviin aineisiin toivotun endotermisen reaktion aikaansaamiseksi. Myös suuren lämpöjännityksen ongelma, joka joskus esiintyy keraamisten putkien yhteydessä, on tällä tavalla estetty.
Keksinnön mukainen reaktiolaite sopii suuriin sovelluksiin, kuten syn-20 teesikaasujen kaupalliseen tuotantoon kaasumaisten vetykarbonaattien, erityisesti metaanin tuotantoon höyryreformingkrakkauksen avulla. Höyryreforming- _ krakkausreaktiot tapahtuvat edullisesti korkeammissa lämpötiloissa, kuten esim.
·': 800 - 1000 °C, edullisemmin 870 - 920 °C, ja synteesikaasun myötävirtakäyttö, esim. metanolisynteesi ja Fischer-Tropsch -synteesi, on edullista korkean pai- : 25 neen alla, ainakin 0,508 MPa (10 atm), edullisesti 1,016 - 3,048 MPa (20 - 60 * · atm), edullisimmin 1,524 - 2,540 MPa (30 - 50 atm). Siksi on toivottavaa toimia näissä korkeissa paineissa ainakin kuoren puolella, ja myös korkeissa lämpö-’·* * tiloissa tämäntyyppisten reaktioiden yhteydessä.
Suuren halkaisijan omaavat reaktioputket, jotka on tarkoitettu suuria ··!:’ 30 uuneja varten, joissa käytetään korkeita lämpötiloja ja paineita, riippumatta siitä, käytetäänkö näissä keraamisia tai kalliita metalliseoksia, jotka kestävät tällaisia ...,: lämpötiloja, tarvitaan hyvin paksuja seinämiä, jolloin niiden sisäinen lämpötila- ,···. profiili on huono. Ne ovat myös hyvin kalliita. Siksi höyryreformingkrakkaukseen tarkoitettuja uuneja on valmistettava useista pitkistä ja pienen halkaisijan omaa-:.: : 35 vista lähelle toisiaan pakatuista putkista jotta saataisiin taloudellinen uuni. Usei- ;.,, ‘ den pienen halkaisijan omaavien putkien pakkaaminen vierekkäin on mahdollis- 6 113250 ta keksinnön mukaisesti koska putket ovat metallia, jolloin reaktio tapahtuu putkien sisällä ja polttokaasujen automaattinen syttyminen eliminoi sytyttimien ja/tai liekinpitimien tarpeen pysyvän polttoliekin ylläpitämiseksi. Putken tukirakenteen puuttuminen astian sisällä kuoren puolella, joka on edullista mutta ei välttämä-5 töntä keksinnön mukaisesti, edesauttaa myös tätä.
Täten on tärkeää huomata, että kun keksinnön mukaista laitetta käytetään paineella, joka on suurempi kuin putkipuolella oleva ympäristön paine, kuten integroidussa prosessissa, johon kuuluu metaanin reformingkrakkaus ensimmäisenä askeleena, jota seuraa edelleen myötävirtainen suurpaineinen kä-10 sittely, putket ovat jännityksen alla. Tämä johtuu siitä, että paine putkipuolella aikaansaa aksiaalisen voiman, joka pyrkii työntämään päitä 104 ja 106, ja täten tulo- ja poistoputkistoja 126 ja 130 toisistaan ja edelleen johtuen siitä, että laa-jennusliitos 103 estää astian 102 seinämiä aikaansaamasta minkäänlaisia vas-tavenytysvoimia. Putkien jännitys on tärkeä ominaisuus tässä suoritusmuodossa 15 johtuen siitä, että käytetyt putket, erityisesti mikäli nämä ovat pitkiä, ovat ohuita, mikä on talouden kannalta välttämätöntä, ja niillä on suhteellisen huono puris-tuslujuus, ja täten suurehko puristuskuorma, aksiaalinen tai sivusuuntainen aikaansaa ei-toivottua putkien vioittumista ja kolhiintumista. Putkien jännitys aikaansaa kuitenkin niihin lisääntynyttä voimaa kolhiintumisongelman estämiseksi, 20 ja mahdollistaa täten, että putket voidaan tehdä ohuemmiksi ja täten halvemmiksi.
Edelleen suurissa lämpötiloissa, jotka esiintyvät useissa endotermi-•' *': sissa reaktioissa, putkiin kohdistuu hiipumista, eli suuren lämpötilan muodon-
• I
muutosta, lähinnä aksiaalisessa suunnassa. Esim. estimoidaan, että 7,5 m pitkä ; 25 putki pitenee n. 7,5 cm tyypillisessä metaanireformingkrakkausympäristössä.
Aksiaalinen hiipumismuodonmuutos putkissa mahdollistaa putkissa automaatti-;;; sen aksiaalisen kuormituksen jakamisen tasaisesti putkien kesken, joka on täy- ‘ ’ sin poikkeava tavanomaisista kiinteistä putkikuorista ja putkilämmönvaihtimista, joissa aksiaaliset kuormat putkissa vaihtelevat huomattavasti putkikuoren sisäl-,,!; ’ 30 lä. Tämä aksiaalisen kuorman automaattinen jakauma tasaisesti putkien kesken • '· aikaansaa pidempiä laitteen käyttöikiä kokonaisuudessaan, koska tällöin välte tään putkien vaurioituminen johtuen suuremmista aksiaalisista kuormituksista verrattuna tunnettuun tekniikkaan.
Täten edullisessa suoritusmuodossa esillä oleva keksintö aikaansaa : : 35 polttouuneja, joissa on ainakin 100, edullisesti ainakin 500, ja edullisimmin aina- t » 7 113250 kin 1000 tai jopa 5000 polttoputkea, joilla kullakin on sisähalkaisija/pituussuhde 50 -1000, edullisesti 150 - 500 ja edullisimmin 250 - 350.
Erityisesti esillä oleva keksintö on sopiva suurten suurtehoisten uunien yhteydessä, joissa on ainakin 100 polttoputkea, joilla kullakin on pituus/sisä-5 halkaisijan suhde, joka on ainakin 100. Tällaiset uunit sopivat suurlämpötila- (ainakin 250 °C) ja suurpaine- (ainakin 0,508 MPa (10 atm)) -toimintaan. Edullisimpia ovat uunit, joissa on ainakin 500 polttoputkea, joiden kunkin pi-tuus/sisähalkaisijasuhde on ainakin 200. Jopa vieläkin suositumpia ovat uunit, joissa on ainakin 1000 putkea, joiden pituus/sisähalkaisijasuhde on ainakin 250. 10 Nämä viimeksimainitut uunit ovat erityisen käyttökelpoisia olosuhteissa, joissa käytetään korotettua painetta, esim. ainakin 3,445 MPa (500 psi) ja korotettuja lämpötiloja, esim. ainakin 875 °C.
Keksinnön mukaisen uunin parhaan rakenteen ja toimintaolosuhteiden määrittämiseksi esitetään näkökohtia, jotka riippuvat sovelluksista ja muista 15 tekijöistä. Esim. höyry-metaani-reformingkrakkaus (ja useimmat muut endo-termiset reaktiot) ovat edullisia korkeissa lämpötiloissa ja alhaisessa paineessa. Kuitenkin useimmat sovellukset tuotesynteesikaasua varten vaativat, että syn-teesikaasu on korkean paineen alainen. Kompressoreiden käyttö synteesi-kaasun puristamiseksi on kallista sekä laitteiston että energiakäytön osalta.
20 Keksinnön mukaisesti on käytännöllistä aikaansaada synteesikaasua missä tahansa paineessa aina 3,048 MPa (60 atm) asti. Edullinen paine on pie-nin mahdollinen, joka tarkoittaa sitä, että tunnetun tekniikan mukainen komp- * ressori voidaan täysin jättää pois.
Ilmanpaine, polttoaineen paine ja päätuotteiden paine polttovirtauk-25 sessa voi olla ympäristöpaineen suuruinen. Mikäli endoterminen reaktio suorite-: ’ taan korotetussa paineessa on toivottavaa ylläpitää polttokaasujen paine suu rempana, esim. 0,102 - 0,508 MPa (2-10 atm), koska tämä vähentää jännityksiä reaktioputkissa ja tällöin reaktioputket voivat olla ohuempia.
Reaktioputkien edullinen sisähalkaisija-pituussuhde riippuu valitusta • : 30 suoritusmuodosta, valitusta lämpötilasta, ja sallitusta kaasupaineen alenemises- ta tietyssä sovelluksessa. Esim. kuvion 1 suoritusmuodossa käytetään edullises-.;..: ti L/D (pituus/halkaisija) -suhdetta 250 - 350.
, , Reaktioputkien edullinen sisähalkaisija on suhteellisen pieni, esim. 5 - 50 mm, edullisesti 15-30 mm, taloudellisista syistä, vaikkakin mitä tahansa si-: * : 35 sähalkaisijoita voidaan käyttää. Pieni halkaisija vaatii ohuemman seinämän kuin :,,.: suuri halkaisija samassa lämpötilassa ja eri paineessa, ja on täten edullisempi.
8 113250
Mikäli putket tehdään liian pieniksi putkien määrä kasvaa liian suureksi, jolloin kustannukset jälleen lisääntyvät. Myös hyvin pienet halkaisijat voivat aiheuttaa katalyytin pakkausongelmia, joka aiheuttaa paikallisesti huonomman lämmön siirtymän. Suuremmat putket aikaansaavat epäedullisia radiaalisia lämpötilagra-5 dientteja.
Edullinen putkien väli, mikäli käytetään useita putkia, on hyvin pieni. Edullisesti keskiviivan väli vierekkäisten putkiryhmien välillä (eli syöttöputken 150, ilmaputken 140 ja reaktioputken 110 välillä) on 1,25 kertaa syöttöputken 150 ulkohalkaisija. Pienet etäisyydet aiheuttavat pienempiä astiakokoja. Voi-10 daan myös käyttää putkia, jotka on valmistettu keraamisista tai muista materiaaleista metallin sijasta keksinnön mukaisesti. Metalliputket ovat kuitenkin edullisia johtuen niiden hyvästä saatavuudesta ja sopivista pituus/halkaisijasuhteista, johtavuudesta, helposta tiivistettävyydestä (hitsaamalla), luotettavuudesta, edullisuudesta ja lämpöjännityskestävyydestä.
15 Edullisen putkien lukumäärän määrityksessä on valittava yksinkertai sen hyvin suuren reaktorin ja useiden pienempien reaktoreiden välillä, erityisesti teollisuusprosesseissa, joissa käsitellään suuria prosessikaasutilavuuksia. Yleensä ei ole kovin paljon kokonaiskustannussäästöä, mikäli käytetään useita tuhansia putkia yhdessä reaktorissa. Edullinen minimiputkilukumäärä on se, jo-20 ka tarvitaan tarvittavan kaasumäärän prosessointia varten. Käyttäen kuvion 1 suoritusmuodossa reaktioputkea, jonka sisähalkaisija on 20 mm, synteesikaa-: ‘ t": sun tuotanto per putki oli erään esimerkin yhteydessä 2,7 kg-moolia/tunti.
·*’: Edullisten metalliseosten, joita käytetään keksinnön mukaisessa re- . : . aktiouunissa, on omattava hyvä lämmönkesto (hiipumisenkesto) ja hyvä oksi- , ·, ; 25 dointi- ja prosessikaasun korroosiokesto. Sopivia seoksia ovat nikkelipohjaiset ’ korkealämpötilaseokset. Esim., mikäli keksinnön mukaista reaktiouunia käyte- ';;; tään höyry-metaani-reformingkrakkauksessa suurlämpötilanikkelipohjaisissa « * · _ *·* seoksissa, jotka sisältävät kromia, wolframia ja molybdeenia, on HaynesR 230 (22 % Cr, 14 % W, 2 % Mo balanssi Ni), jota on saatavana Haynes Interna-.. ,T 30 tional, Inc. of Kokomo, Indianasta, edullista. Mikäli halutaan voidaan käyttää me-talliputkia, jotka on päällystetty sopivasti estämään metallia likaantumasta. Täl-,,,, laiset päällysteet ovat yleisesti tunnettuja, ja alonisointi on eräs esimerkki tästä.
Edullinen huippuprosessilämpötila riippuu valitusta paineesta, putki-materiaalista, syöttöseoksen kokoonpanosta ja ulkoisten prosessien vaatimuk-v : 35 sista. Usein on edullista toimia korkeimmassa lämpötilassa, joka aikaansaa edullisen putken iän valituissa olosuhteissa. Näissä tapauksissa metalliputkia 113250 θ voidaan edullisesti käyttää alueella 850 - 1000 °C. Muissa tapauksissa saavutetaan edullinen prosessilämpötasapaino ja kokonaiskustannussäästö hieman alemmassa lämpötilassa kuin yllä, jolloin edullinen huippulämpötila metalliputkilla on n. 875 - 925 °C.
5 Keksinnön erityisen edullisessa suoritusmuodossa reaktiouuni on so vitettu sellaiseksi, että se toimii siten, että vakiotoiminnassa lämpötilaero, johon polttoaine ja ilma lämmitetään ennen sekoittamista polttoalueella ja maksimien-doterminen reaktiolämpötila, joka kuviossa 2 on esitetty lämpötilaerona Δ on alle 200 °C. Edullisesti tämä ero on 50 - 100 °C. Koska useimmat yleisistä kaasu-10 maisista polttoaineista syttyvät automaattisesti ilmalämpötilassa n. 400 - 450 °C, ja koska useimmat endotermiset reaktiot tapahtuvat n. 850 - 950 °C lämpötiloissa tarkoittaa tämä normaalisti, että ilma- ja kaasupolttoaineseosta lämmitetään olennaisesti (400 - 500 °C) yli autosyttymislämpötilansa ennen niiden yhdistämistä polttoalueella 116. Tämä ylimääräinen lämmitys aiheuttaa myös ylimää-15 räistä endotermisten tuotekaasujen jäähdytystä.
Samalla tavalla on toivottavaa rakentaa uuni siten, että polttotuote-kaasut jäähdytetään olennaisesti ennen poistumistaan uunista. Sopivasti uunia suunnittelemalla on mahdollista varmistaa, että sekä poltto- että endotermiset tuotekaasut poistuvat uunista sopivassa lämpötilassa, esim. alle 500 °C. Tämä 20 aikaansaa suuren lämpötehokkuuden ja pienen liitäntäjohtojen ja -laitteiden lämpenemisen.
Esillä olevaa keksintöä voidaan käyttää useiden eri endotermisten ; *’: reaktioiden suorittamiseksi, kuten höyryreformingkrakkausta kevyille vetykar- bonaateille, erityisesti metaanille, etaanille ja luonnonkaasulle, pyrolysoimaan . . : 25 alkaaneja, kuten etaania ja propaania vastaaviksi alkeeneiksi, etyleeniksi ja pro- pyleeniksi jne. Tällaiset prosessit ovat yleisesti tunnettuja.
‘'j! Joitain näistä prosesseista voidaan suorittaa ilman katalyyttia, kun toisaalta toiset tarvitsevat sopivaa katalyyttia. Mikäli katalyyttia käytetään sen on ylläpidettävä riittävä aktiviteetti pidemmän aikaa korkeassa lämpötilassa. Sen ·* · ·' 30 tulisi olla riittävän vahva kestämään päällään olevaa kerrospainoa. Sillä tulisi olla hiukkaskoko, joka on riittävän pieni sopivasti täyttämään putkien välistä tilaa, .;..; mutta riittävän iso minimoimaan painelaskua kerroksen läpi sopivalle tasolle. Se . ” -. ei saisi sitoa kerrostumia itseensä tai putkiin ollessaan pitkiä aikoja korkeassa ·’ ’ lämpötilassa. Sopiva nikkelin muoto alumiinin päällä on mahdollinen katalyytti, : 35 mutta myös muita voidaan käyttää.
10 113250
Vedyn tuottamiseksi voidaan käyttää joko korkean lämpötilan siirty-mäkatalyyttia ja/tai alhaisemman lämpötilan siirtymäkatalyyttia, joka sijoitetaan reaktorin sisälle alueelle, jossa prosessikaasu jäähtyy, ja tämä voi aiheuttaa sen, että suurin osa CO:sta reagoi ylimääräisen hfeOm kanssa muodostaen H2 ja 5 CO2 sivutuotteena (nk. "vesi-kaasusiirtymä"-reaktio).
Seuraavassa hypoteettisessa esimerkissä esitetään yksityiskohtaisemmin esillä olevaa keksintöä:
Esimerkki
Alla esitettyä yhdistettä sovitetaan kuvion 1 laitteeseen lämpötilassa 10 350 °C esitetyssä paineessa ja esitetyllä virtausnopeudella. Tuotekaasun koos tumus laskettiin perustuen kemialliseen tasapainotermodynamiikkaan noin 893 °C ja 3,596 MPa (522 psi). Tuotteen poistumislämpötila on 490 °C. Ilman syöttönopeus on 2139 kmol/h lämpötilassa 120 °C ja paineessa 0,903 MPa (131 psi). Pofttokaasu sisältää 82 % H2, ja balanssi useita muita kaasuja. Poltto-15 aineen ja ilman esilämmityslämpötilat ovat lähellä 850 °C ja poistokaasujen lämpötila on noin 495 °C.
Mooli-% Syöttökaasu Tuotekaasu H2 1,19 45,28 20 CO - 14,93 C02 8,18 5,66 CH4 30,86 6,86 Γ’·· N2 6,29 4,35 0‘: H20 53,57 22,90 :'\j 25 Paine (MPa) 4,396 3,590 • · · Virtausnopeus (kmol/h) 3222 4583
Reformingkrakkaus huippuprosessilämpötila: 900 °C Polttoputkien lukumäärä: 1700 30 " sisähalkaisija: 19,8 mm ’ " kokonaispituus: 7260 mm ‘: " pituus/halkaisija: 367 Tällä esimerkillä osoitetaan, että metaanin muuttaminen synteesi-35 kaasuksi voidaan aikaansaada toivottavissa korkeissa paineissa ja myös pai-‘ ' neissa, jotka ovat riittävän alhaisia sopiakseen kaupallisesti saataviin suurläm- 11 113250 pötilalejeerinkeihin. Tämä tarkoittaa sitä, että keksinnön mukainen uuni voidaan valmistaa metallista eikä keraamisista putkista, ja että nämä metalliputket aikaansaavat pitkiä käyttöikiä vaikkakin niitä käytetään metaanin muuntamiseksi synteesikaasuksi korkeissa paineissa.
5 Keksintöä voidaan modifioida eri tavalla. Esim. kaasumaisen poltto aineen ja ilmanvirtaustiet voidaan vaihtaa toivottaessa. Näiden virtausteiden ei myöskään tarvitse olla rengasmaisesti samankeskiset reaktioputkien kanssa, mutta voidaan käyttää mitä tahansa sovitelmaa, joka mahdollistaa sen, että polttoaine ja ilma lämmitetään erikseen automaattisyttymislämpötilan yli ennen nii-10 den yhdistämistä polttoalueella. Myöskään erillinen lämpöä generoiva elin kussakin reaktioputkessa ei ole välttämätön, jolloin on riittävää, että riittävästi lämpöä sovitetaan yhdestä tai useasta lämmön generoivasta elimestä uunin sisällä endotermisen reaktion ylläpitämiseksi. Lisäksi polttokaasut toisaalta ja endoter-miset reaktiokaasut toisaalta voidaan sovittaa virtaamaan myötävirtaisesti eikä 15 vastavirtaisesti.
Myös muut modifioinnit ovat mahdollisia. Esim. prosessinestevirtaus voidaan aikaansaada eri tavalla, sisältäen kaasuja, kiehumisnesteitä, nesteitä, tai lietteitä, jotka sisältävät hienoja kiintoaineita. Kaasu-nestekondensointi voi myös toivottaessa esiintyä reaktorin kylmimmällä alueella. Lisäksi kylmän reak- 20 torin esilämmitystä voidaan aikaansaada muilla elimillä kuin sähköisellä vastus- lämmittimellä. Esim. polttokaasut voidaan tuoda reaktorin suuttimien kautta ja kierrättää toivotulla alueella. Voidaan myös käyttää monta erityyppistä lämpö- eristettä paineastian sisällä. Lisäksi polttokaasujen maksimilämpötila putkien . ·; . ulkopuolella voi vaihdella säätämällä polttoaineen koostumusta ja polttoaineen * » · ’ . 25 ja ilmavirtauksen nopeuksia. Mikäli ilmavirtauksen nopeutta lisätään progressii- ‘ visesta stökiömetrisen suhteen yli, pienenee maksimaalinen paikallinen lämpöti- ’ ; la progressiivisesti. Höyryn lisäys polttoaineeseen voi myös vähentää maksimi- • ’ ’ lämpötilaa.
Lopulta, mikäli synteesikaasu on toivottu ammoniakkisynteesiä var-‘ 30 ten, sopiva (yleensä pieni) suhde puristettua ilmaa voidaan lisätä luonnolliseen : kaasuun ja höyryyn, siten, että tuotettu synteesikaasu sisältää H2 ja N2 toivotus- ; sa suhteessa (yleensä 3:1). Tämä ilman lisäys reagoi katalyyttikerroksessa lämmityksen aikana, mutta on riittävän pieni siten, että ei aikaansaada paikallista kerroksen lämpötilan nousua. Kokonaisreaktio pysyy endotermisena. Tämä : 35 menetelmä ammoniakkisynteesikaasun valmistamiseksi ei vaadi lisähapen käyt- 12 113250 tämistä ilmassa esiintyvän hapen lisäksi, mikä merkitsee huomattavia kustannussäästöjä verrattuna kilpaileviin prosesseihin, joissa käytetään lisähappea.
Kaikki modifioinnit liittyvät keksintöön, ja keksinnön suojan määräävät seuraavat patenttivaatimukset.
t » • · · • t • · · • · » • · · • T · t · tl *

Claims (13)

13 113250
1. Laite endotermisen reaktion suorittamiseksi, jossa endoterminen reagoiva kaasu lämmitetään polttamalla ilmaa ja polttoainekaasua, jolla aikaansaadaan se, että reagoiva kaasu muodostaa endotermisen tuotteen, t u n-5 n e 11 u siitä, että laitteeseen kuuluu: a) astia (102), b) useita astiassa (102) olevia metallisia reaktioputkia (110) jotka jakavat astian sisustan useisiin erillisiin reaktiovirtausteihin, jotka yhdessä määrittävät reaktiovirtaustien endotermisen reaktion suorittamiseksi, ja useisiin erillisiin 10 reaktioputkien ulkopuolisiin polttovirtausteihin, jotka yhdessä määrittävät poltto-virtaustien, jotka reaktiovirtaustie ja polttovirtaustie ovat termisessä yhteydessä toisiinsa siten, että polttovirtaustie voidaan siirtää reaktiovirtaustielle, c) erilliset lämmöntuottoelimet (116), jotka liittyvät kuhunkin metalliseen reaktioputkeen (110) lämmön tuottamiseksi polttoainekaasun ja ilman polt- 15 tamisella, d) ensimmäiset syöttöelimet (126), jotka aikaansaavat sen, että reagoiva kaasu virtaa reaktiovirtaustielle ja ensimmäiset poistoelimet (130), jotka poistavat endotermisen tuotekaasun reaktiovirtaustieltä, ja e) toiset syöttöelimet (136), jotka on sovitettu erikseen syöttämään 20 ilmaa (140) ja polttoainekaasua (150) kuhunkin lämmöntuottoelimeen, lämmön- tuottoelimien sijaitessa astian sisällä, jolloin ilmaa ja polttoainekaasua voidaan :'": lämmittää näiden automaattisen syttymislämpötilan yläpuolelle ennen saapumis- • v. taan lämmöntuottoelimiin ja toisiin poistoelimiin polttokaasun poistamiseksi polt- tovirtaustieltä. • · · .·, ; 25 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että toi- • 1 » * .* set syöttöelimet (126) määrittävät polttoaineen syöttökäytävän (150) ja ilman * * ♦ ·;;; syöttökäytävän (140) kutakin putkea (110) varten, jolloin ilmansyöttökäytävä ja *·* * polttoaineen syöttökäytävä kussakin putkessa ovat samankeskiset.
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että ,30 lämmöntuottoelimet (116) on sijoitettu riittävän etäälle ensimmäisistä (130) ja ' toisista poistoelimistä, niin että sekä endoterminen tuotekaasu ja polttokaasu : voidaan jäähdyttää ennen niiden poistumista astiasta (102).
4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että endotermiset reaktioputket (110) sisältävät endotermista reaktiokata- 35 lysaattoria. 14 113250
5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että laite on kuoren ja putkilämmönvaihtimen muodossa, jossa on kiinteä putkilevyrakenne.
6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu 5 siitä, että reaktioputkia (110) ei tueta alueella, joka sijaitsee niiden päiden välissä.
7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että reaktioputket (110) ovat olennaisesti suoria ja olennaisesti yhdensuuntaisia.
8. Prosessi endotermisen reaktion suorittamiseksi endotermisessa reaktiolaitteessa, jossa endoterminen reagoiva aine lämmitetään polttamalla ilmaa ja polttoainekaasua, jolloin reagoiva aine muunnetaan endotermiseksi tuotteeksi, johon laitteeseen kuuluu: a) astia (102), 15 b) useita astiassa (102) olevia metallisia reaktioputkia (110) jotka ja kavat astian sisustan useisiin erillisiin reaktiovirtausteihin, jotka yhdessä määrittävät reaktiovirtaustien endotermisen reaktion suorittamiseksi, ja useisiin erillisiin reaktioputkien ulkopuolisiin polttovirtausteihin, jotka yhdessä määrittävät poltto-virtaustien, jotka reaktiovirtaustie ja polttovirtaustie ovat termisessä yhteydessä 20 toisiinsa siten, että polttovirtaustie voidaan siirtää reaktiovirtaustielle, c) erilliset lämmöntuottoelimet (116), jotka liittyvät kuhunkin metalliseen reaktioputkeen (110) lämmön tuottamiseksi polttoainekaasun ja ilman polttamisella, *, d) ensimmäiset syöttöelimet (126), jotka aikaansaavat sen, että rea- Ϊ . 25 goiva kaasu virtaa reaktiovirtaustielle ja ensimmäiset poistoelimet (130), jotka ' : poistavat endotermisen tuotekaasun reaktiovirtaustieltä, ja • » ; : e) toiset syöttöelimet (136), jotka on sovitettu erikseen syöttämään : ilmaa (140) ja polttoainekaasua (150) kuhunkin lämmöntuottoelimeen, lämmön- tuottoelimien sijaitessa astian sisällä, jolloin ilmaa ja polttoainekaasua voidaan :' 30 lämmittää näiden automaattisen syttymislämpötilan yläpuolelle ennen saapumis- ’: taan lämmöntuottoelimiin ja toisiin poistoelimiin polttokaasun poistamiseksi polt- . tovirtaustieltä. tunnettu siitä, että prosessiin kuuluu vaiheet, joissa i) aiheutetaan reaktantin virtaus ensimmäistä reaktantin virtaustietä : 35 pitkin ensimmäisten syöttöelimien (126) kautta, 15 113250 ii) syötetään toisten syöttöelimien (136) kautta erikseen ilmaa ja polt-toainekaasua kuhunkin lämmöntuottoelimeen (116), jolloin polttoainekaasu ja ilma lämmitetään näiden automaattisen syttymislämpötilan yläpuolelle ennen niiden saapumista lämmöntuottoelimiin, niin ett ilma ja polttoainekaasu syttyvät 5 itsestään ja palavat tuottaakseen lämpöä polttovirtaustiellä, jolloin lämpö siirtyy reaktiovirtausteille aiheuttaen näin endotermisen reaktion tapahtumisen, iii) poistetaan endoterminen tuotekaasu reaktiovirtaustieltä ensimmäisten poistoelimien (130) kautta, ja iv) poistetaan polttokaasut polttovirtaustieltä toisten poistoelimien 10 kautta.
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että reaktioputken (110) sisältävät endotermista reaktiokatalysaattoria.
10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että endoterminen reaktantti on kaasumaisen hiilivedyn ja höyryn seos, jolloin 15 endoterminen tuote on synteettinen kaasu.
11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että kaasumainen hiilivety on metaania.
12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että endoterminen reaktantti kuumennetaan lämpötilaan 800 -1000 °C.
13. Jonkin patenttivaatimuksen 10-12 mukainen prosessi, tun nettu siitä, että paine reaktiovirtaustiellä on vähintään 0,508 MPa (10 atm). t * S * • · • · I * | • * ie 113250
FI942930A 1991-12-19 1994-06-17 Laite ja prosessi endotermisen reaktion suorittamiseksi FI113250B (fi)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US81025191A 1991-12-19 1991-12-19
US81025191 1991-12-19
US88903592A 1992-05-26 1992-05-26
US88903592 1992-05-26
US9210942 1992-12-16
PCT/US1992/010942 WO1993012032A1 (en) 1991-12-19 1992-12-16 Endothermic reaction apparatus

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI942930A FI942930A (fi) 1994-06-17
FI942930A0 FI942930A0 (fi) 1994-06-17
FI113250B true FI113250B (fi) 2004-03-31

Family

ID=27123332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI942930A FI113250B (fi) 1991-12-19 1994-06-17 Laite ja prosessi endotermisen reaktion suorittamiseksi

Country Status (13)

Country Link
EP (1) EP0643618B1 (fi)
JP (1) JP3834069B2 (fi)
AT (1) ATE178221T1 (fi)
CA (1) CA2079746C (fi)
DE (1) DE69228834T2 (fi)
DK (1) DK0643618T3 (fi)
ES (1) ES2129513T3 (fi)
FI (1) FI113250B (fi)
GE (1) GEP20002208B (fi)
GR (1) GR3029840T3 (fi)
NO (1) NO314988B1 (fi)
RU (1) RU2134154C1 (fi)
WO (1) WO1993012032A1 (fi)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5567398A (en) * 1990-04-03 1996-10-22 The Standard Oil Company Endothermic reaction apparatus and method
DE19621036C2 (de) * 1996-05-24 2000-07-06 Westfalen Ag Vorrichtung zur Erzeugung von Endogas
DE10341896A1 (de) * 2003-09-10 2005-04-14 Uhde Gmbh Mehrphasen-Flüssigkeitsverteiler für einen Rieselbettreaktor
TWI435766B (zh) * 2009-02-16 2014-05-01 Saint Gobain Ceramics 包含流體分佈介質之容器
WO2012138218A1 (en) * 2011-04-07 2012-10-11 Biomethanol Chemie Nederland B.V. Multi-tubular steam reformer and process for catalytic steam reforming of a hydrocarbonaceous feedstock
GB201402782D0 (en) 2014-02-17 2014-04-02 Johnson Matthey Davy Technologies Ltd Process
DE102016114563A1 (de) * 2016-08-05 2018-02-08 Thyssenkrupp Ag Vorrichtung und Verfahren zum Reformieren eines Kohlenwasserstoffs
US11718535B1 (en) 2022-02-23 2023-08-08 SANsyco Consulting, LLC Ammonia synthesis converter and method for small production units

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2569846A (en) * 1951-10-02 Method of starting a unit for high
US1934836A (en) * 1926-11-26 1933-11-14 Ig Farbenindustrie Ag Process for the catalytic conversion of hydrocarbons
US2039603A (en) * 1932-05-07 1936-05-05 Mountain Copper Company Ltd Method for the production of hot reducing gases
US2336879A (en) * 1942-07-10 1943-12-14 Universal Oil Prod Co Reactor
NL82570C (fi) * 1954-08-10
US3909299A (en) * 1973-10-01 1975-09-30 United Technologies Corp Fuel cell system including reform reactor
GB1579577A (en) * 1977-04-14 1980-11-19 Robinson L F Reforming of hydrocarbons
JPS5826002A (ja) * 1981-07-31 1983-02-16 Toshiba Corp スチ−ムリホ−ミング法及びスチ−ムリホ−ミング用反応管
DE3245636A1 (de) * 1982-12-09 1984-06-14 Interatom Internationale Atomreaktorbau Gmbh, 5060 Bergisch Gladbach Roehrenspaltofen mit umhuellten spaltrohren
US4861348A (en) * 1986-10-08 1989-08-29 Hitachi, Ltd. Fuel reforming apparatus
US4909808A (en) * 1987-10-14 1990-03-20 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Steam reformer with catalytic combustor

Also Published As

Publication number Publication date
DE69228834T2 (de) 1999-08-05
NO314988B1 (no) 2003-06-23
ATE178221T1 (de) 1999-04-15
CA2079746C (en) 2002-07-30
DK0643618T3 (da) 1999-10-11
EP0643618B1 (en) 1999-03-31
DE69228834D1 (de) 1999-05-06
JP3834069B2 (ja) 2006-10-18
RU94033836A (ru) 1996-04-10
NO942277D0 (no) 1994-06-16
GR3029840T3 (en) 1999-07-30
WO1993012032A1 (en) 1993-06-24
ES2129513T3 (es) 1999-06-16
GEP20002208B (en) 2000-08-25
JPH05269369A (ja) 1993-10-19
EP0643618A1 (en) 1995-03-22
RU2134154C1 (ru) 1999-08-10
CA2079746A1 (en) 1993-06-20
FI942930A (fi) 1994-06-17
NO942277L (no) 1994-06-16
FI942930A0 (fi) 1994-06-17
EP0643618A4 (en) 1994-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0703823B1 (en) Endothermic reaction apparatus
AU698930B2 (en) Endothermic reaction apparatus
US5565009A (en) Endothermic reaction process
US6835360B2 (en) Compact endothermic catalytic reaction apparatus
US6096106A (en) Endothermic reaction apparatus
US6153152A (en) Endothermic reaction apparatus and method
JP2022506005A (ja) 炭化水素の水蒸気改質又は乾式改質
FI113250B (fi) Laite ja prosessi endotermisen reaktion suorittamiseksi
KR100241568B1 (ko) 흡열 반응장치 및 이 반응을 수행하기 위한 방법
NZ245475A (en) Endothermic reaction vessel with metallic reaction tube in thermal contact with combustion zone
SA93140127B1 (ar) عملية تفاعل ماص للحرارة