JP2006502938A - 優先的酸化反応装置の温度調整 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2002年6月13日付けの米国仮特許出願第60/388,555号の優先権を主張する。
できれば、PrOx反応に使用する酸素(O2)の量は、改質油内のCOと反応するのに必要な化学量論的量の約2倍以下であることが望ましい。O2の量が必要な化学量論的量の約2〜3倍を超えると、H2が過度に消費されることになる。一方、O2の量が必要な化学量論的量の約2倍よりかなり少ないと、COの酸化が不十分になる場合があり、改質油はPEM燃料電池で使用するのに適さないものになる。PrOxプロセスの本質については、文献、例えば、米国特許第1,366,176号および1,375,932号に記載されている。近代的方法については、例えば、1988年発行のJournal of New Materials for Electrochemical Systems(39〜46ページ)掲載のM.J.Kahlich他の「Pt/γ−Al2O3およびAu/α−Fe2O3上でのCOの優先的酸化:反応装置設計計算および実験結果」(Preferential Oxidation of CO over Pt/γ−Al2O3 and Au/α−Fe2O3:Reactor Design Calculations and Experimental Results)およびPow他の米国特許第5,316,747号に記載されている。
11 反応装置本体
12 改質油用入口
14 空気用入口
16 非触媒冷却ベッド
17 触媒ベッド
18 冷却チューブ
20 マニホールド
22 入口
Claims (71)
- 優先的酸化触媒により水素を豊富に含んでいる改質油の流れ内で、COの選択的酸化を促進する反応装置内で、ある温度範囲を供給するための優先的酸化反応装置内で温度プロファイルを制御するための方法であって、
優先的酸化触媒上を水素を豊富に含んでいる改質油および酸素の混合物の流れを供給するステップと、
前記触媒上を通過する水の流れおよび改質油の流れが熱伝達を行うように、前記優先的酸化触媒の近くで水の流れを供給するステップと、
前記水がその沸点に達する一点から、そこから水の前記流れが前記反応装置から出る出口の近くの一点へ、水の前記流れを二相流れとして維持するステップとを含む方法。 - 水の前記流れを二相流れとして維持する前記ステップが、前記水の流れの流速を制御するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 水の前記流れの圧力を制御するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記圧力を制御する前記ステップが、約1気圧〜約10気圧の範囲内の圧力を生成するステップを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記優先的酸化触媒が、モノリス、フォーム、ペレット、粉末およびウォッシュ・コートからなるグループから選択した形状をしている、請求項1に記載の方法。
- 水の流れを供給する前記ステップが、触媒でウォッシュ・コーティングされている熱交換器を通して前記流れを供給するステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記熱交換器が、隣接するフィンを有するヘリカル・チューブ、またはプレートおよびフレーム・タイプの熱交換器である、請求項6に記載の方法。
- 前記温度プロファイルが約75℃〜約300℃の範囲内に位置する、請求項1に記載の方法。
- 前記温度プロファイルが、約100℃〜約250℃の範囲内に位置する、請求項1に記載の方法。
- 水素を豊富に含んでいる改質油の流れ内で一酸化炭素の選択的酸化を行うための反応装置であって、
反応装置本体と、
前記反応装置本体に改質油の流れを追加するための入口と、
前記改質油の流れに酸素を追加するための少なくとも1つの酸素用入口と、
前記反応装置本体内に位置する一酸化炭素の選択的酸化を行うのに適している触媒と、
前記触媒および前記改質油の中の少なくとも一方から熱を除去するための入口と出口を有する熱交換器と、
前記熱交換器を通して流れる水の流れとを含み、
前記水の流れが少なくとも一部が液体の水として前記熱交換器に入り、
前記水の流れが、前記改質油の流れ経路の少なくとも一部全体を通して水とスチームとの二相混合物である反応装置。 - 前記触媒が、ペレット、フォーム、モノリス、粉末、および前記熱交換器の構成要素上にウォッシュ・コーティングされた層からなる前記グループから選択した形状をしている、請求項10に記載の反応装置。
- 前記熱交換器が、前記触媒に隣接する冷却チューブを備える、請求項10に記載の反応装置。
- 前記熱交換器が、前記反応装置の外壁の近くに位置する冷却ジャケットを備える、請求項10に記載の反応装置。
- 液体の水および二相水の一方と熱交換する前記改質油の流れ経路の前記一部が、触媒を含む前記改質油の流れ経路の一部とほぼ等しい、請求項10に記載の反応装置。
- その周囲に前記改質油の流れが供給される前記反応装置内のコアをさらに備え、
前記触媒が前記コアの周囲に配置されている、請求項10に記載の反応装置。 - 前記コアが中空である、請求項15に記載の反応装置。
- 前記コア内に位置する炭化水素燃料を処理するためのユニットをさらに備える、請求項15に記載の反応装置。
- 前記ユニットが、低温シフト・ユニットを備える、請求項15に記載の反応装置。
- 水素を豊富に含んでいる改質油の流れ内で一酸化炭素の選択的酸化を行うための反応装置であって、
反応装置本体と、
前記反応装置本体に改質油の流れを追加するための入口と、
前記改質油の流れに酸素を追加するための少なくとも1つの入口と、
前記反応装置本体内に含まれている一酸化炭素の選択的酸化に適している触媒でウォッシュ・コーティングした基板とを備え、前記基板がそこを通してクーラントが流れる熱交換器である反応装置。 - 前記冷却媒体が液体および気相の二相水を含む、請求項19に記載の反応装置。
- 前記基板が、フィンを有する冷却チューブを備える、請求項19に記載の反応装置。
- 前記クーラントが、前記改質油の流れの方向とはほぼ反対方向に流れる、請求項19に記載の反応装置。
- 前記クーラントの流れが、前記改質油の前記流れの方向とほぼ同じ方向である、請求項19に記載の反応装置。
- その周囲を改質油の前記流れが流れる前記反応装置本体に内蔵されているコアをさらに備える、請求項19に記載の反応装置。
- 前記熱交換器が、前記反応装置本体内の前記コアの周囲に配置されているフィンを有するヘリカル・チューブをさらに備える、請求項24に記載の反応装置。
- そこを通して酸素が前記改質油の流れに導入される追加の入口をさらに備える、請求項25に記載の反応装置。
- 前記コアの容積が、前記反応装置の容積の約10パーセント〜約95パーセントの範囲内である、請求項24に記載の反応装置。
- 水素を豊富に含んでいる改質油の流れ内で一酸化炭素の前記選択的酸化を行うための反応装置であって、
その内部の流れの方向に改質油の流れを有する反応装置本体と、
前記反応装置本体への入口を有する前記改質油の流れを運ぶチューブと、
前記改質油の流れを運ぶ前記チューブへの入口を有する酸素の流れを運ぶチューブと、
前記改質油の流れの方向とは反対の方向に、水およびスチームの二相システムを運ぶための第1のヘリカル・チューブと、
そこを通して前記第1のヘリカル・チューブが延び、その上を前記改質油の流れが供給される鋼鉄ショットのベッドと、
前記鋼鉄ショットのベッドの下流に位置する選択的酸化触媒の第1のベッドと、
その中に前記改質油の流れが供給されるマニホールドと、
前記マニホールドへの酸素用入口と、
前記マニホールドからその中に前記改質油の流れが流入する選択的酸化触媒の第2のベッドと、
前記マニホールドから出た場合、前記改質油の流れの方向とは反対の方向に水を運ぶ第2のヘリカル・チューブと、
前記触媒の第2のベッドを通して前記ヘリカル・チューブから延びる上昇管と、
そこを通して前記第2のヘリカル・チューブが延び、その上を前記改質油の流れが供給される鋼鉄ショットの第2のベッドと、
前記改質油の流れのための出口とを備え、
前記上昇管が前記反応装置本体の外側の前記第1のヘリカル・チューブと流体で連絡している反応装置。 - 熱交換器であって、
それぞれが、管状セクションを通して熱交換流体が循環することができるようにするための入口および出口を備える2つのまたはそれ以上の管状セクションと、ある管状セクションの出口から次の管状セクションの入口へ流れることができるようにするための、各管状セクション間のコネクタとを備える熱交換器。 - 前記コネクタが、破壊しないで取り付けたり、取り外したりできるように構成されている、請求項29に記載の熱交換器。
- 各コネクタが、熱交換流体の漏洩を防止するためのシールを有し、前記シールが、漏洩に対して依然としてシールとして機能しながら、前記管状セクションを取り外したり、再度組立てたりすることができる、請求項30に記載の熱交換器。
- 前記コネクタが、
各管状セクションに結合しているマニホールドを備え、各マニホールドが、前記管状セクションの入口と流体で連絡するためのマニホールド入口と、前記同じ管状セクションの出口と流体で連絡するためのマニホールド出口を有し、各マニホールドが、他のマニホールドからの流体で連絡するためのセクション移送入口と、前記流体の流れの下の流れの他のマニホールドと流体で連絡するためのセクション移送出口とを有する、請求項30に記載の熱交換器。 - 各マニホールドが、漏洩に対して依然としてシールとして機能しながら、前記管状セクションを取り外したり、再度組立てたりすることができる、あるマニホールドから他のマニホールドへ熱交換流体が移動する場合に、熱交換流体の漏洩を防止するためのシールを有する、請求項32に記載の熱交換器。
- 前記管状セクションが、間隔を置いて位置していて、相互にほぼ平行な各面に沿って前記管状セクション内に流体の流れを供給し、前記マニホールドが、前記管状セクション内の流れの面に対してある角度を有する方向に流体の流れを供給する、請求項32に記載の熱交換器。
- 前記マニホールドを通る流れのある角度を有する方向が、前記管状セクション内の前記流れに対して約90度である、請求項34に記載の熱交換器。
- 各マニホールドが、前記結合しているマニホールドが、前記結合している管状セクションに対する狭いサポートで、前記熱交換器を移送または動作させるのに十分な構造上の剛性を有するようなサイズを有し、そのように構成され、前記隣接マニホールドに取り付けられている、請求項32に記載の熱交換器。
- 各マニホールドが、前記結合しているマニホールドが、前記結合している管状セクションに対する狭いサポートで、前記熱交換器を移送または動作させるのに十分な構造上の剛性を有するようなサイズを有し、そのように構成され、前記隣接マニホールドに取り付けられている、請求項35に記載の熱交換器。
- 前記各管状セクションが、内面および外面を有し、前記セクションのうちの少なくとも1つが、その外面に接続していて、そこから延びるフィンを有する、請求項29に記載の熱交換器。
- 前記各管状セクションが、内面および外面を有し、前記セクションのうちの少なくとも1つがその外面に接続していて、そこから延びるフィンを有する、請求項30に記載の熱交換器。
- 前記各管状セクションが、内面および外面を有し、前記セクションのうちの少なくとも1つがその外面に接続していて、そこから延びるフィンを有する、請求項31に記載の熱交換器。
- 前記各管状セクションが、内面および外面を有し、前記セクションのうちの少なくとも1つが、その外面に接続していて、そこから延びるフィンを有する、請求項33に記載の熱交換器。
- 前記各管状セクションが、内面および外面を有し、前記セクションのうちの少なくとも1つが、その外面に接続していて、そこから延びるフィンを有する、請求項35に記載の熱交換器。
- 前記各管状セクションが、内面および外面を有し、前記セクションのうちの少なくとも1つが、その外面に接続していて、そこから延びるフィンを有する、請求項36に記載の熱交換器。
- 前記各管状セクションが、内面および外面を有し、前記セクションのうちの少なくとも1つが、その外面に接続していて、そこから延びるフィンを有する、請求項37に記載の熱交換器。
- 2つ以上の管状セクション上にフィンを有し、各管状セクション上の前記フィンが、フィンの数、フィン間の間隔、フィンの整合、前記フィンを含む材質、前記フィン上のコーティング、熱伝達係数、表面積、個々のフィンの形状、前記個々のフィンのサイズ、前記管状セクションに対する向き、前記管状セクションへの取付けのタイプを含むパラメータを有し、前記管状セクションのうちの少なくとも1つが、前記パラメータの中の1つまたはそれ以上により、少なくとも1つの他の管状セクションのフィンとは異なるフィンを有する、請求項38に記載の熱交換器。
- 2つ以上の管状セクション上にフィンを有し、各管状セクション上の前記フィンが、フィンの数、フィン間の間隔、フィンの整合、前記フィンを含む材質、前記フィン上のコーティング、熱伝達係数、表面積、個々のフィンの形状、前記個々のフィンのサイズ、前記管状セクションに対する向き、前記管状セクションへの取付けのタイプを含むパラメータを有し、前記管状セクションのうちの少なくとも1つが、前記パラメータの中の1つまたはそれ以上により、少なくとも1つの他の管状セクションのフィンとは異なるフィンを有する、請求項39に記載の熱交換器。
- 2つ以上の管状セクション上にフィンを有し、各管状セクション上の前記フィンが、フィンの数、フィン間の間隔、フィンの整合、前記フィンを含む材質、前記フィン上のコーティング、熱伝達係数、表面積、個々のフィンの形状、前記個々のフィンのサイズ、前記管状セクションに対する向き、前記管状セクションへの取付けのタイプを含むパラメータを有し、前記管状セクションのうちの少なくとも1つが、前記パラメータの中の1つまたはそれ以上により、少なくとも1つの他の管状セクションのフィンとは異なるフィンを有する、請求項41に記載の熱交換器。
- 2つ以上の管状セクション上にフィンを有し、各管状セクション上の前記フィンが、フィンの数、フィン間の間隔、フィンの整合、前記フィンを含む材質、前記フィン上のコーティング、熱伝達係数、表面積、個々のフィンの形状、前記個々のフィンのサイズ、前記管状セクションに対する向き、前記管状セクションへの取付けのタイプを含むパラメータを有し、前記管状セクションのうちの少なくとも1つが、前記パラメータの中の1つまたはそれ以上により、少なくとも1つの他の管状セクションのフィンとは異なるフィンを有する、請求項33に記載の熱交換器。
- 前記管状セクションのうちの少なくとも1つが、内面および外面を有し、前記内面および外面の中の少なくとも1つが、前記伝熱流体内で反応を促進するための触媒でコーティングされる、請求項29に記載の熱交換器。
- 前記フィンが、前記管状セクションの外面上にダイキャストされる、請求項46に記載の熱交換器。
- 前記フィンが、前記管状セクションの外面上にダイキャストされる、請求項38に記載の熱交換器。
- 前記フィンが、前記管状セクションの外面上にダイキャストされる、請求項41に記載の熱交換器。
- 前記管状セクションがステンレス鋼であり、前記フィンがアルミニウムである、請求項41に記載の熱交換器。
- 前記管状セクションのうちの1つ上の前記フィンが、両方の管状セクションの前記フィン上を通過する流体の流れ内の乱流を増大するのに十分なように、もう1つの管状セクション上の前記フィンとの整合がずれている、請求項50に記載の熱交換器。
- 各管状セクションが、その入口から形成された流れ経路の長さのその出口への流れ経路を有し、前記管状セクションのうちの少なくとも2つが、異なる流れ経路の長さを有する、請求項29に記載の熱交換器。
- 各管状セクションが、その入口から形成された流れ経路の長さのその出口への流れ経路を有し、前記管状セクションのうちの少なくとも2つが、異なる流れ経路の長さを有する、請求項30に記載の熱交換器。
- 各管状セクションが、その入口から形成された流れ経路の長さのその出口への流れ経路を有し、前記管状セクションのうちの少なくとも2つが、異なる流れ経路の長さを有する、請求項40に記載の熱交換器。
- 各管状セクションが、その入口から形成された流れ経路の長さのその出口への流れ経路を有し、前記管状セクションのうちの少なくとも2つが、異なる流れ経路の長さを有する、請求項41に記載の熱交換器。
- 前記フィン上または前記管状セクションを通って流れる熱交換流体内の所望の反応を促進するために、前記フィンまたは前記管状セクションの内面あるいは両方上にオプションとしての触媒を含む、請求項38に記載の熱交換器。
- 前記フィン上または前記管状セクションを通って流れる熱交換流体内の所望の反応を促進するために、前記フィンまたは前記管状セクションの内面あるいは両方上にオプションとしての触媒を含む、請求項39に記載の熱交換器。
- 前記フィン上または前記管状セクションを通って流れる熱交換流体内の所望の反応を促進するために、前記フィンまたは前記管状セクションの内面あるいは両方上にオプションとしての触媒を含む、請求項40に記載の熱交換器。
- 前記フィン上または前記管状セクションを通って流れる熱交換流体内の所望の反応を促進するために、前記フィンまたは前記管状セクションの内面あるいは両方上にオプションとしての触媒を含む、請求項41に記載の熱交換器。
- 前記フィン上または前記管状セクションを通って流れる熱交換流体内の所望の反応を促進するために、前記フィンまたは前記管状セクションの内面あるいは両方上にオプションとしての触媒を含む、請求項42に記載の熱交換器。
- 前記フィン上または前記管状セクションを通って流れる熱交換流体内の所望の反応を促進するために、前記フィンまたは前記管状セクションの内面あるいは両方上にオプションとしての触媒を含む、請求項43に記載の熱交換器。
- 前記フィンの少なくとも一部が、前記フィン上を通って流れる熱交換流体内の所望の反応を促進する触媒を含む、請求項38に記載の熱交換器。
- 熱交換器を製造するための方法であって、
a.第1の金属の管状コンジットを管状セクションに形成するステップと、
b.ダイ内に前記管状セクションを置くステップと、
c.フィンの形をしている前記管状セクションの外面上に第2の金属を鋳造するステップ(フィンは、任意のサイズ、形状、相互または前記管状セクションに対する任意の向きの任意の延長突起であってもよい)とを含む方法。 - 前記フィンを熱伝達動作中に前記フィンと接触させるための伝熱流体内で所望の反応を促進するための触媒でコーティングするステップを含む、請求項66に記載の方法。
- 前記管状セクションをコネクタに接続するステップと、少なくとも2つの管状セクションを前記コネクタにより一緒に接続するステップとを含む、請求項66に記載の方法。
- 熱伝達動作中に前記フィンと接触させるための伝熱流体内で所望の反応を促進するための触媒で、そうしたい場合に、前記フィンまたは前記管状セクションの内面あるいは両方をコーティングするステップを含む、請求項68に記載の方法。
- 前記第1の金属が、前記第2の金属とは異なる、請求項66に記載の方法。
- 前記第1の金属がステンレス鋼であり、前記第2の金属がアルミニウムをベースとする金属である、請求項70に記載の方法。
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