NO338329B1 - Kjemisk reaktor - Google Patents

Kjemisk reaktor Download PDF

Info

Publication number
NO338329B1
NO338329B1 NO20043241A NO20043241A NO338329B1 NO 338329 B1 NO338329 B1 NO 338329B1 NO 20043241 A NO20043241 A NO 20043241A NO 20043241 A NO20043241 A NO 20043241A NO 338329 B1 NO338329 B1 NO 338329B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
zones
plates
reactant
chemical reactor
reaction zones
Prior art date
Application number
NO20043241A
Other languages
English (en)
Other versions
NO20043241L (no
Inventor
Anthony Matthew Johnston
Brian Scott Haynes
Original Assignee
Meggitt Uk Ltd
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 Meggitt Uk Ltd filed Critical Meggitt Uk Ltd
Publication of NO20043241L publication Critical patent/NO20043241L/no
Publication of NO338329B1 publication Critical patent/NO338329B1/no

Links

Classifications

    • 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
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • 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
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/249—Plate-type reactors
    • 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
    • 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
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • 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
    • C01B3/48—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 followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00822—Metal
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00873—Heat exchange
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2453—Plates arranged in parallel
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/2458—Flat plates, i.e. plates which are not corrugated or otherwise structured, e.g. plates with cylindrical shape
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2462—Heat exchange aspects the reactants being in indirect heat exchange with a non reacting heat exchange medium
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2465—Two reactions in indirect heat exchange with each 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2469—Feeding means
    • B01J2219/247—Feeding means for the reactants
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2475—Separation means, e.g. membranes inside 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2479—Catalysts coated on the surface of plates or inserts
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2481—Catalysts in granular from between plates
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2483—Construction materials of the plates
    • B01J2219/2485—Metals or alloys
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B01J2219/2492—Assembling means
    • B01J2219/2493—Means for assembling plates together, e.g. sealing means, screws, bolts
    • 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
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B01J2219/2497—Size aspects, i.e. concrete sizes are being mentioned in the classified document
    • 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
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C01B2203/0288—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step containing two CO-shift steps
    • 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
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • 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
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • 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
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0495—Composition of the impurity the impurity being water
    • 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
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • 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
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • 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
    • C01B2203/12—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
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C01B2203/143—Three or more reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • 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
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/146—At least two purification steps in series
    • 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
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/146—At least two purification steps in series
    • C01B2203/147—Three or more purification steps in series
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • 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
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

Oppfinnelsens område
Foreliggende oppfinnelse angår en kjemisk reaktor for anvendelse i, samt en fremgangsmåte for, å utføre en kjemisk reaksjon i en brenselscelle. Oppfinnelsen, som er nærmere beskrevet i krav 1, er utviklet i forhold til en dampmetanreformer for anvendelse sammen med en protonvekslermembran-drivstoffcelle og oppfinnelsen beskrives heri i den sammenheng.
Oppfinnelsens bakgrunn
Reformeringsprosesser er vanligvis utført i tubereformere, med katalysatorer pak-ket inn i flere av reaktortubene. Varme påføres direkte til og overføres gjennom tubeveggene på en måte som holder de radiale og aksiale temperaturprofilene inne i tubene innenfor de nødvendige grensene, og denne tilnærmingen har hatt mer eller mindre suksess. Den krever imidlertid etableringen av en fin balanse mellom reaksjonen og varmevekslingen inne i tubene, varmeveksling til utsiden av tubene samt trykkfall.
Etablering av denne balansen og det følgende behovet for relativt store katalysatorpartikler resulterer i lav katalysatoreffektivitet samt behov for reformere som i seg selv er uhåndterlig massive. Katalysatoreffektiviteten kan forsterkes og refor-merstørrelsen kan reduseres hvis mindre katalysatorpartikler med høyere aktivitet kan anvendes, men trykkfallsbegrensninger ville da nødvendiggjøre brukav mange parallelle korte tuber i reformere.
En del omtanke er gått inn i den mulige utviklingen av et alternativ til tubeformete reformere; dvs. anvendelse av kjerner av såkalt trykt krets varmeveksler ("printed circuit heat exchanger "PCHE") samt avsetning av tynne lag reformeringskataly-satorer inn i kanaler i platene som dannes i kjernene. PCHE-kjerner er i dag brukt i varmevekslere og er oppbygget ved å etse kanaler med nødvendig fasong og profi-ler inn i en flate til individuelle plater som deretter stables og diffusjonsbindes for å danne kjerner med dimensjoner nødvendig for spesifikke anvendelser.
Mens denne (foreslåtte) alternative tilnærmingen kan vise til noen fordeler, er imidlertid flere problemer forventet, inklusiv følgende: Vanskeligheter med å oppnå heft mellom katalysatoren og metall (plate)under-laget;
begrenset katalysatorlevetid;
vanskeligheter med å bytte ut katalysatoren; og
kobling mellom varmeveksler- og katalysatorområder, da dette krever høyaktivi-tetskatalysator hvis overinvestering i varmeveksleroverflate vil unngås.
En delvis løsning på disse problemene er bekjentgjort i US patentskrift US 2002/0018739 Al, av 14. februar 2002, som uten å utgjøre generell kunnskap be-kjentgjør en kjemisk reaktor med en PCHE-type kjerne. Kjernen er konstruert med vekslende varmeveksler- og katalysatorholdige soner som sammen danner en passasje for reaktanten. Hver av varmevekslersonene er dannet fra stablete diffusjonsbundne plater, der noen av platene sørger for kanaler for (eksternt oppvarmet eller avkjølt) varmevekslerfluid, og andre plater sørger for ortogonalt rettede kanaler for å føre reaktanten fra en katalysatorholdig sone til den neste lignende sone.
Foreliggende oppfinnelse omhandler, i en anvendelsesform, en utvikling som letter minst noen av problemene ved tubeformete reformere og som forenkler eller for-lenger, på en ny måte, anvendelse av PCHE-kjerner i kjemiske reaktorer.
Sammendrag av oppfinnelsen
Foreliggende oppfinnelse kan bredt defineres som å tilveiebringe en kjemisk reaktor omfattende: a) en kjerne (31) sammensatt av minst en stabel med metallplater (32) som er forbundet i et flate-mot-flate-forhold,
b) flere reaksjonssoner (33) plassert inne i kjernen,
c) flere katalysatormottakssoner (35) plassert inne i kjernen,
d) en første kanalinnretning (36) anordnet i minst noen av platene for transport av en første reaktant til og mellom reaksjonssonene (33), der deler (37) av den første kanalinnretningen (36) som forbinder reaksjonssonene (33) er dannet over minst en del av deres lengde som varmevekslerkanaler, e) en andre kanalinnretning (38) anordnet i minst noen av platene og innrettet for å levere en andre reaktant til hver av reaksjonssonene (33), og f) en tredje kanalinnretning (39) anordnet i minst noen av platene for transport av en tredje reaktant til og mellom katalysatormottakssonene (35), der
deler (40) av den tredje kanalinnretningen (39) som forbinder katalysatormottaks-
sonene (35) er dannet over minst en del av deres lengde som varmevekslerkanaler som er plassert i varmevekslerområdet til varmevekslerkanalene (37) i den første kanalinnretningen (36),
og som er særpreget ved at kjernen (31) omfatter en enkel stabel av metall-plater (32) som er diffusjonsbundet i et flate-mot-flate-kontaktforhold, ved at hver av reaksjonssonene (33) og katalysatormottakssonene (35) defineres ved sammenstilte åpninger i tilgrensende plater av den minst ene stabelen av metallplater (32) og ved hver tredje kanalinnretning er tilveiebragt i en plate som ikke inneholder en første kanalinnretning.
I denne kjemiske reaktoren er reaksjonssonene (33) anordnet for å utgjøre forbrenningssoner (27).
Reaksjonssonene (33) i den kjemiske reaktoren er fylt med en katalysator som er valgt for å sørge for katalytisk forbrenning av første og andre reaktanter.
I den kjemiske reaktoren er platene (32) er stablet i gjentagende grupper på seks overliggende plater, der de første og fjerde platene (32A) (i nedadgående rekkeføl-ge) blir dannet med den første kanalinnretningen (36) for transport av den første reaktanten til og mellom reaksjonssonene (33), de andre og femte platene (32B) blir dannet med den andre kanalinnretningen (38) for levering av den andre reaktanten til reaksjonssonene (33) og de tredje (32C) og sjette (32C) platene blir dannet med den tredje kanal-innretningen (39) for transport av den tredje reaktanten til og mellom katalysatormottakssonene (35).
De andre og femte (32B) platene i den kjemiske reaktoren har en tykkelse som er mindre enn den for de andre platene i hver gruppe.
Kanalkomponentene i den kjemiske reaktoren, som danner den andre kanalinnretningen (38) har et tverrsnittsområde som er mindre enn det for kanalkomponentene som danner de første (36) og tredje kanalinnretningene (39).
I den kjemiske reaktoren er reaksjonssonene (33) er anordnet i to parallelle rekker og den første kanalinnretningen (36) strekker seg lineært mellom reaksjonssonene (33) .
I den kjemiske reaktoren er katalysatormottakssonene (35) anordnet i tre parallelle rekker, der én er plassert mellom rekkene med reaksjonssoner (33) og de andre to er plassert utenfor rekkene med reaksjonssoner (33).
Oppfinnelsen angår videre anvendelse av kjemisk reaktor når den er i form av en reformer, som er egnet for anvendelse sammen med en brenselcelle.
Oppfinnelsen angår videre anvendelse av kjemisk reaktor når den er inntatt i en brenselprosessor som har et reformeringstrinn som omfatter reaksjonssonene (33), når i form av varmeoverføringssoner, og katalysatormottakssonene (35).
Oppfinnelsen angår videre anvendelse av kjemisk reaktor når den er inntatt i en brenselprosessor for anvendelse med en protonvekslermembranbrenselcelle, der brenselprosessoren har et reformeringstrinn som omfatter reaksjonssonene (33), når i form av varmeoverføringssoner, og katalysatormottakssonene (35).
Brenselprosessoren, som den kjemiske reaktoren utgjør en del av, innbefatter minst et for-reformeringstrinn som omfatter minst en av katalysatormottakssonene (35).
Brenselprosessoren i den kjemiske reaktoren omfatter minst en for-reformer som er anordnet for å oppvarmes ved en varm syntesegass.
Brenselprosessoren i den kjemiske reaktoren omfatter minst en for-reformer som er anordnet for å oppvarmes ved en varm avgass som ved anvendelse føres gjennom en del av den tredje kanalinnretningen (39).
Oppfinnelsen kan også bredt defineres som å tilveiebringe en fremgangsmåte for å utføre en kjemisk reaksjon ved: a) å føre en første reaktant inn i, og i serie gjennom reaksjonssonene i den kjemiske reaktoren gjennom den første kanalinnretningen, b) å føre en andre reaktant i parallelle føder inn i reaksjonssonene gjennom den andre kanalinnretningen, der den andre reaktanten er valgt for å reagere eksotermisk med den første reaktanten i sine respektive reaksjonssoner, og c) å føre en tredje reaktant medstrøms inn i, og i serie gjennom, en katalysator inneholdt i katalysatormottakssonene gjennom den tredje kanalinnretningen, og på
den måten eksponere reaktanten for varme fra produktet fra den eksotermiske reaksjonen i sin passasje gjennom varmevekslerkanalene i den første kanalinnretningen.
Avhengig av prosessen kan reaksjonssonene også fylles med en katalysator som er valgt for å gi en katalytisk reaksjon (f.eks. forbrenning) av de første og andre reaktantene.
Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen
Kjernen til den ovenfor definerte reaktoren kan være oppbygget av flere stabler med metallplater og, i slike tilfeller, kan de tilgrensende stablene være avstands-plassert med forbundne vegger som definerer reaksjonssonene og katalysatormottakssonene. En slik oppbygging er betraktet som spesielt egnet for reaktorer med stor kapasitet.
For noen reaktorer omfatter kjernen imidlertid en enkel stabel med metallplater. I dette tilfelle vil hver av reaksjonssonene defineres ved sammenstilte åpninger i tilgrensende soner i platene, og hver av katalysatormottakssonene vil på lignende vis defineres ved (ytterligere) sammenstilte åpninger i tilgrensende soner i platene.
Antallet reaksjonssoner inne i kjernen kan være den samme eller forskjellig fra antallet katalysatormottakssoner. I en anvendelsesform av oppfinnelsen er reaksjonssonene fortrinnsvis ordnet i to parallelle rekker, der den første kanalinnretningen strekker seg lineært mellom reaksjonssonene. I tillegg, i dette tilfellet, er katalysatormottakssonene fortrinnsvis ordnet i tre parallelle rekker der en er plassert mellom rekkene med reaksjonssoner, og de andre to er plassert utenfor rekken med reaksjonssoner.
I noen anvendelsesformer av oppfinnelsen er metallplatene fortrinnsvis stablet i repeterende grupper på tre overlagte plater, der en av tre plater er laget med den første kanalinnretningen for transport av den første reaktanten til og mellom reaksjonssoner, en andre av de tre platene er laget med den andre kanalinnretningen for å levere den andre reaktanten til reaksjonssonene, og den tredje platen i hver gruppe er laget med den tredje kanalinnretningen for transport av den tredje reaktanten gjennom katalysatormottakssonene. For å optimere varmevekslingen mel lom produktet av den eksotermiske reaksjonen og den tredje reaktanten er de førs-te og tredje platene fortrinnsvis diffusjonsbundet i et flate-mot-flate-forhold.
I en annen anvendelsesform av oppfinnelsen, f.eks. når reaktoren omfatter eller er oppbygget som en reformerer, kan det være nødvendig eller ønskelig å overføre varme mellom deler av (samme) reaktantstrøm som er i forskjellige behandlings-trinn. I tillegg kan det også være ønskelig i noen tilfeller å fordele en enkel behand-lingsfunksjon over to eller flere plater og/eller å øke antall plater for å optimere varmevekslingen. I slike tilfeller vil det være nødvendig å stable platene i gjentagende grupper på fire eller flere plater. Rekkefølgen som platene i hver gruppe sammenflettes og diffusjonsbindes i, vil være avhengig av kravene til de spesifikke prosessene og kanalformater omfattet av platene.
Oppfinnelsen har anvendelse i hvilken som helst prosess som krever katalytisk konvertering av en reaktant samt oppvarming av reaktanten mellom katalytiske reaksjonstrinn. Oppfinnelsen er imidlertid fortrinnsvis innbefattet i en reaktor som omfatter eller innlemmer en reformer slik som en dampmetanreformer for bruk i tilknytning til en protonvekslermembran-drivstoffcelle eller andre anvendelser som krever hydrogen eller syntesegass. I slike tilfeller er reaktoren fortrinnsvis innlem-met i en drivstoffprosessor som kan inkludere minst en for-reformer som er oppbygget for å varmes ved en varm avgass og, som deler av reaktoren, flere reformere oppbygget for indirekte oppvarming ved katalytisk forbrenning av, f.eks., anodeavgass. I denne oppbyggingen omfatter den første reaktanten fortrinnsvis en for-brenningsbærergass, og den andre reaktanten omfatter fortrinnsvis en forbren-ningsgass slik som en anodeavgass.
Drivstoffprosessoren som reaktoren (i sin foretrukne form) er en del av, inneholder fortrinnsvis også tilleggsbehandlingstrinn, inklusiv kjøling og forvarmingstrinn, vann-gasskift og CO-oksidering. Noen av eller alle disse trinnene kan innarbeides i en ytterligere kjerne (eller ytterligere kjerner) som ligner reaktorkjernen, der den ytterligere kjernen(e) har hensiktsmessige kanalinnretninger i stablete metallplater.
Oppfinnelsen vil i større grad forstås fra følgende beskrivelse av en foretrukket ut-førelsesform av en reaktor i form av en dampmetanreformer som innlemmes i en drivstoffprosessor. Beskrivelsen er gitt med henvisning til de vedlagte tegningene.
Kort beskrivelse av tegningene
I tegningene viser:
Figur 1 en diagrammatisk representasjon av drivstoffprosessor koblet til en tilhø-rende protonvekslermembrandrivstoffcelle ("PEMFC"), Figur 2 viser en diagrammatisk representasjon av drivstoffprosessoren vist i figur 1, inklusiv en reaktor med reformeringstrinn og for-reformeringstrinn,
Figur 3 viser en temperaturprofil fra for-reformeringstrinnene,
Figur 4 viser en temperaturprofil fra reformeringstrinnene,
Figur 5 viser en temperaturprofil fra de kombinerte for-reformeringstrinnene og reformeringstrinnene,
Figur 6 en graf av syntesegassvarmegjenvinning,
Figur 7 en graf av avgassvarmegjenvinning,
Figur 8 en perspektivtegning av kjernen til drivstoffprosessoren isolert fra de tilhø-rende drivstoffinnløps- og utløpsrør, og Figur 9, i stablete forhold, en gruppe på seks metallplater som er stablet og diffusjonsbundet der ytterligere slike grupper danner kjernen.
Detaljert beskrivelse av foretrukket utførelsesform
Som vist i figur 1 og 2 er drivstoffprosessoren 10 koblet til en PEMFC 11, og rørar-beid vist ved pilkoblingene er tilveiebrakt for å levere de forskjellige angitte fluidene (der dette begrepet omfatter både væsker og gasser i denne beskrivelsen) til og fra drivstoffprosessoren. Drivstoffprosessoren 10 er vist i blokkdiagram i figur 2, men, som vil beskrives senere, deler av drivstoffprosessoren er omfattet av en enkel kjerne som er sammensatt av diffusjonsbundne plater.
Drivstoffprosessoren 10 kan ansees å inkludere syv teoretiske separate deler eller moduler 12 til 18 som gir følgende funksjonalitet:
12 - anodegasskjøling metan/vannforvarming
13 - syntesegasskjøling/CO-oksidering/vanngasskift (WGS) vannkoking
14 - syntesegasskoking metan ("fødegass") forvarm in g/for-reformering 15 - Avgasskjøling anodeavgass ("drivstoff)/luft forvarming 16 - Avgasskjøling vannkoking 17 - Avgasskjøling føde forvarm in g/for-reformering 18 - flertrinnsforbrenning flertrinnsoppvarming av reaktant
flertrinnsreformering
Flere av disse funksjonene vil bli beskrevet i mer detalj senere i denne beskrivelsen.
Fødegassen er, som vist, utsatt for trinnvis reformering som omfatter:
Tre for-reformere 19 oppvarmet ved varm syntesegass i del 14, to for-reformere 20 oppvarmet ved varm avgass i del 17, og ni reformere 21 i reaktordel 18 som oppvarmes indirekte ved katalytisk forbrenning av anodegassen.
Temperaturprofilene for for-reformerings- og reformeringstrinnene 19/20 og 21 er vist i henholdsvis figur 3 og 4 og den sammensatte temperaturprofilen er vist i figur 5. Som angitt er den maksimale reformeringstemperaturen holdt under 800 °C et-tersom høyere temperaturer ikke er nødvendig ved det tiltenkte lave driftstrykket. Eventuell metanlekkasje vil utgjøre en "inert" ved drivstoffcelleanoden og vil til slutt med fordel forbrennes i forbrennerne.
I de relativt lave temperatur for-reformeringstrinnene konverteres høyere hydro-karboner og hydrogeninnholdet økes til godt under metankrakkingstemperaturer. Over 650 °C forekommer karbondannelse fra metankrakking raskere enn karbon-fjerningsreaksjoner hvis metankrakkingslikevekten er ugunstig, slik at høye hydrogennivåer er nødvendig innen disse temperaturene nås. De seks trinnene for for-reformering og reformering som er vist å forekomme under 650 °C bidrar til å sikre at karbonaktiviteten holder seg under 1 ved temperaturer over 650 °C.
I tillegg integrerer drivstoffprosessoren vist i figur 2 trekk som fremmer passiv regulering (dvs. selvregulering) av driften.
Størrelsen og utformingen av varmevekslerne kan bestemmes slik at temperaturprofilen vist i figur 5 i hovedsak er opprettholdt selv under betingelser med vesentlig reduksjon. Kun den maksimale reformertemperaturen krever uavhengig regulering, ved å regulere drivstofftilførselshastigheten.
Motstrøms- og medstrømsvarmevekslere anvendes. Begge innsnevres når strøm-ningshastigheter faller, uten vesentlig påvirkning på grensetemperaturer.
Den delte parallelle mating av drivstoff til de katalytiske forbrennerne, luftforsy-ningen til de to trinnene for selektiv CO-oksidering, samt vannforsyningen til varmevekslerne, er alle integrert i drivstoffprosessoren.
Vann kan tilføres ved en hastighet nødvendig for å opprettholde væskenivået i fa-seseparatoren, fra hvilket det kan settes en betingelse for netto utstrøm av damp og en liten væske utblåsning. Forholdet mellom damp og kapasitet holdes forholds-vis konstant mens varmetilgjengeligheten for å øke damp varierer med metangjen-nomstrømningen.
Det vises nå til figurene 2 til 7 og til funksjonaliteten til de forskjellige delene 12 til 18 til drivstoffprosessoren.
I del 12 benyttes en trestrøms-, motstrømsvarmeveksler 22 for å forvarme vannet og metanet i det endelige kjøletrinnet til syntesegassen, og en intern innsnevring forekommer på det punktet der vannkondensering begynner på syntesegassiden. Trestrømsvarmeveksleren muliggjør oppnåelse av relativ høy effektivitet, som vist i figur 6, og unngår behovet for en regulert oppdeling av syntesegasstrømmen for å forvarme metan- og vannstrømmene i separate vekslere.
Med hensyn til del 13, som vist i figur 2, er det observert at CO-nivåer typisk bør holdes under 10 ppm for en PEMFC. Dette krever en selektiv oksiderings-(COOX)reaksjon etter vanngasskift. Begge reaksjonene, som vist, forekommer i to trinn i del 13.
Varmebelastningen for å opprette damp er relativ høy, ca totredjedeler av den nød-vendig fra forbrenning i reformeringstrinnet. Mye av varmegjenvinningen fra de varme prosesstrømmene er derfor øremerket vannkoking, og begge de eksotermiske WGS og COOX reaksjonene kan kjøres over kokepunktet til vann og bidra til oppretting av damp. Som angitt kokes vann i en termosyfonsløyfe i varmevekslere etter disse reaksjonene, og dette gir muligheten for utblåsning, hvilket minimerer kvalitetsbehovene for tilskuddsvann, og unngår uttørking på varmevekslerflatene med høy dampkvalitet.
I del 15, over vannets kokepunkt, brukes varmen fra den varme syntesegassen for å forvarme fødestrømmen. Tilstrekkelig varme kan gjøres tilgjengelig for å kjøre de tre anviste trinnene for forvarming, hvilket er fordelaktig av følgende grunner: C2+ molekyler i føden konverteres til metan ved lave temperaturer, uten risiko for forkoksing, hydrogennivåer økes ved lave temperaturer, uten risiko for metankrakking, og som vist, benyttes høygradsvarmen for for-reformering i de tre for-reformeringstrinnene 19. To varmevekslere 24 sørger for motstrømsveksling og den tredje varmeveksleren 25 sørger for medstrømsveksling, for å fastlåse en nødvendig temperaturprofil under reduksjonsoversetning. Medstrømmen i den tredje veksleren er gitt for å mot-virke den mulige faren for overoppheting av fødestrømmen samt metankrakking.
I del 15 benyttes igjen en trestrømsvarmeveksler 26, der drivstoff og luft forvarmes for seg for å unngå behovet for en regulert deling av avgassen. Den forvarmete luften føres i serie gjennom de illustrerte ni trinnene i katalytisk forbrenning i del 18, mens det forvarmete drivstoffet fødes til forbrenningssoner 27 i parallelle strømmer for å begrense temperaturstigningen i hver sone.
Mesteparten av dampen for prosessoren dannes i varmeveksler 23 i del 16, der varmeveksleren kjøres som en engangsgjennomkoker som sørger for en utstrøms-kvalitet under 70 % som unngår muligheten for uttørking.
De to ytterligere trinnene 20 til for-reformeringen tilveiebringes i del 17 for å gene-rere relativt lavtemperatur hydrogen, som videre beskytter mot metankrakking i reformeringstrinnene 21 i del 18. En tilhørende varmeveksler 28 er anordnet for å sørge for motstrømsveksling og den andre varmeveksleren 29 sørger for med-strømsveksling for å fastlåse en nødvendig temperaturprofil under reduksjonsoversetning, uten risiko for å overopphete føden.
Figurene 6 og 7 i tegningene er relevante for foregående beskrivelse av prosessor-deler 13 til 17 i at de grafisk viser temperaturprofilene til henholdsvis syntesegass-og avgassgjenvinning.
Selve reformeren i del 18 i drivstoffprosessoren består av de ni trinnene 21 i refor-meringsreaksjonen som drives av de ni trinnene 27 i anodeavgassforbrenning. Reaksjonene på begge sider forekommer i hovedsak i ugjennomtrengelige sjikt, der varmevekslere 20 sørger for varmeveksling mellom fluidene etterhvert som de fø-res mellom de respektive ugjennomtrengelige sjiktene.
Fluidkretssystemet innen reformerdelen sørger for deling av anodeavgassen i ni parallelle strømmer, som angitt i figur 2, og, noe som vil være åpenlyst fra plateut-formingene vist til ovenfor, videre deling av drivstoffet i strømmene inn i flere parallelle strømmer for intensiv blanding inn i forbrenningsbærerluft forut for forbrenning ved hvert trinn 27.
Den stigende temperaturprofilen for reformere, som vist i figur 5, drives av dette kretssystemet uten ytterligere aktivitetsregulering. Som tidligere angitt, krever kun den maksimale reformertemperaturen kontinuerlig regulering gjennom den totale drivstofftilførselshastigheten.
Deler 17 og 18 av drivstoffprosessoren, som vist skjematisk i figur 2, kan innbefat-tes av kjernen 31 som også er vist skjematisk i figur 8. Tilhørende fluidtilførsels- og utslippsrørsystem (som angitt skjematisk i figur 1) er utelatt fra figur 8 og kun pri-mære trekk fra kjernen er illustrert. Trekkene som er utelatt, for å forenkle beskrivelsen, vil kunne forstås og kunne fastslås av personer som er kjent med foreliggende teknikk.
Kjernen 31 omfatter en enkel stabel med diffusjonsbundne plater 32, der det totale antallet er avhengig av den nødvendige kapasiteten til drivstoffprosessoren i en gitt anvendelse, og kjernen innlemmer to parallelle rekker med ni reaksjonssoner 33, som, i tilfelle med den ovenfor beskrevne drivstoffprosessoren, omfatter forbren-ningssonene 27.
Reaksjonssonene 27/33 fødes med en første reaktant (dvs. forbrenningsbærergas-sen i tilfellet med drivstoffprosessor) via endeåpninger (ikke vist) i kjernen. I tilegg er reaksjonssonene 27/33 fødet med en andre reaktant (dvs. drivstoff i tilfellet med drivstoffprosessoren) via innløpsåpninger 34.
Kjernen 31 innbefatter videre tre parallelle rekker med ni katalysatormottakssoner 35 og 35A som, i tilfellet med drivstoffprosessoren, omfatter de ovenfor nevnte for-reformerings- og reformeringsområdene 20 og 21 av deler 17 og 18 av drivstoffprosessoren. Katalysatormottakssonene fødes med en tredje reaktant (dvs. metan og damp i tilfelle med drivstoffprosessoren) via innløps- og utløpsåpninger i toppen og/eller bunnen av kjernen som vist i figur 8.
Platene 32 er alle dannet med generelt rektangulære åpninger, der forskjellige samstilles for å danne reaksjonssoner 33 og katalysatormottakssoner 35. Platene er stablet i gjentagende grupper på seks plater, der en gruppe vises i figur 9 og innbefatter ovenfra og ned: Plate 32A - som bærer den første reaktanten (dvs. forbrennings- bærergassen).
Plate 32B - som bærere den andre reaktanten (dvs. drivstoffet).
Plate 32C(1) - som bærer en første strøm av den tredje reaktanten (dvs.
syntesegass 1).
Plate 32A - som bærer den første reaktanten (dvs. forbren-ningsbærergassen).
Plate 32B - som bærere den andre reaktanten (dvs. drivstoffet).
Plate 32C(2) - som bærer en første strøm av den tredje reaktanten (dvs.
syntesegass 2).
Alle platene er fremstilt fra en varmebestandig legering som rustfritt stål og alle platene har typisk dimensjonene 600 mm ganger 100 mm. Platene 32A, C(l) og C(2) har en tykkelse på 1,6 mm og platene 32B har en tykkelse på 0,7 mm.
En første kanalinnretning 36 er sørget for i platene 32A for transport av den første reaktanten til og mellom åpningene 33 som definerer reaksjonssonene 27. Kanal-innretningen strekker seg lineært mellom tilførsels- og utslippsåpningene som, når prosessoren anvendes, er plassert i endende av kjernen 31. Deler 37 av kanalinnretningen som strekker seg mellom, og i noen tilfeller forbi, tilgrensende åpnings-par 33 fungerer, under bruk, som varmevekslerkanaler.
En andre kanalinnretning 38 er sørget for i platene 32B for å levere den andre reaktanten i parallelle strømmer til hver av reaksjonssonene 33 fra tilførselsåpningene 34. Den andre kanalinnretningen innlemmer et stort antall fødeforgreninger som kommuniserer med reaksjonssonene 33 for å lette intensiv blanding av de første og andre reaktantene (dvs. luften og forbrenningsgassen i tilfelle med drivstoffprosessoren) i reaksjonssonene 33.
En tredje kanalinnretning 39 er sørget for i hver av platene 32C(1) og 32C(2) for transport av den tredje reaktanten i parallelle strømmer til og mellom katalysatormottakssoner 35 og 35A i de respektive platene. Serpentinformede deler 40 av den tredje kanalinnretningen er plassert for å være i varmevekslingsnærhet til varme-vekslerdeler 37 av den første kanalinnretningen 36 i platene 32A som platene 32C(1) og C(2) har overflatekontakt med.
De forskjellige kanalene i platene 32A og 32C(1) og C(2) er semisirkulære i tverr-snitt og har en radial dybde på 1,0 mm, og de i platene 32B har en radial dybde på 0,4 mm.
Som tidligere beskrevet er platene 32 stablet og diffusjonsbundet i et flate-mot-flate-forhold; dvs. med (forside) flaten med kanal til hver plate i kontakt med (bak-side) flaten uten kanal til naboplaten.
Variasjoner og modifikasjoner kan utføres med hensyn til drivstoffprosessoren og dens komponentdeler som beskrevet ovenfor uten å avvike fra oppfinnelsens om-fang som definert i de etterfølgende kravene. For eksempel kan rekkefølgen av pla-testabelen, plasseringen av de forskjellige reaksjonssonene og oppstillingen og ut formingen av de forskjellige kanalinnretningene omfattende endres fra de som er beskrevet og illustrert.

Claims (15)

1. Kjemisk reaktor omfattende: a) en kjerne (31) sammensatt av minst en stabel med metallplater (32) som er forbundet i et flate-mot-flate-forhold, b) flere reaksjonssoner (33) plassert inne i kjernen, c) flere katalysatormottakssoner (35) plassert inne i kjernen, d) en første kanalinnretning (36) anordnet i minst noen av platene for transport av en første reaktant til og mellom reaksjonssonene (33), der deler (37) av den første kanalinnretningen (36) som forbinder reaksjonssonene (33) er dannet over minst en del av deres lengde som varmevekslerkanaler, e) en andre kanalinnretning (38) anordnet i minst noen av platene og innrettet for å levere en andre reaktant til hver av reaksjonssonene (33), og f) en tredje kanalinnretning (39) anordnet i minst noen av platene for transport av en tredje reaktant til og mellom katalysatormottakssonene (35), der deler (40) av den tredje kanalinnretningen (39) som forbinder katalysatormottakssonene (35) er dannet over minst en del av deres lengde som varmevekslerkanaler som er plassert i varmevekslerområdet til varmevekslerkanalene (37) i den første kanalinnretningen (36), karakterisert vedat kjernen (31) omfatter en enkel stabel av metall-plater (32) som er diffusjonsbundet i et flate-mot-flate-kontaktforhold, ved at hver av reaksjonssonene (33) og katalysatormottakssonene (35) defineres ved sammenstilte åpninger i tilgrensende plater av den minst ene stabelen av metallplater (32) og ved hver tredje kanalinnretning er tilveiebragt i en plate som ikke inneholder en første kanalinnretning.
2. Kjemisk reaktor ifølge krav 1 hvori reaksjonssonene (33) er anordnet for å utgjøre forbrenningssoner (27).
3. Kjemisk reaktor ifølge krav 1 eller 2 hvori reaksjonssonene (33) er fylt med en katalysator som er valgt for å sørge for katalytisk forbrenning av første og andre reaktanter.
4. Kjemisk reaktor ifølge hvilke som helst av de foregående kravene hvori platene (32) er stablet i gjentagende grupper på seks overliggende plater, der de førs-te og fjerde platene (32A) (i nedadgående rekkefølge) blir dannet med den første kanalinnretningen (36) for transport av den første reaktanten til og mellom reaksjonssonene (33), de andre og femte platene (32B) blir dannet med den andre ka nalinnretningen (38) for levering av den andre reaktanten til reaksjonssonene (33) og de tredje (32C) og sjette (32C) platene blir dannet med den tredje kanal-innretningen (39) for transport av den tredje reaktanten til og mellom katalysatormottakssonene (35).
5. Kjemisk reaktor ifølge krav 3 hvori de andre og femte (32B) platene har en tykkelse som er mindre enn den for de andre platene i hver gruppe.
6. Kjemisk reaktor ifølge krav 3 eller krav 4 hvori kanalkomponentene som danner den andre kanalinnretningen (38) har et tverrsnittsområde som er mindre enn det for kanalkomponentene som danner de første (36) og tredje kanalinnretningene (39).
7. Kjemisk reaktor ifølge hvilke som helst av de foregående kravene hvori reaksjonssonene (33) er anordnet i to parallelle rekker og den første kanalinnretningen (36) strekker seg lineært mellom reaksjonssonene (33).
8. Kjemisk reaktor ifølge krav 6 hvori katalysatormottakssonene (35) er anordnet i tre parallelle rekker, der én er plassert mellom rekkene med reaksjonssoner (33) og de andre to er plassert utenfor rekkene med reaksjonssoner (33).
9. Anvendelse av kjemisk reaktor ifølge hvilke som helst av de foregående kravene, når i form av en reformer, som er egnet for anvendelse sammen med en brenselcelle.
10. Avendelse av kjemisk reaktor ifølge hvilke som helst av de foregående kravene når inntatt i en brenselprosessor som har et reformeringstrinn som omfatter reaksjonssonene (33), når i form av varmeoverføringssoner, og katalysatormottakssonene (35).
11. Avendelse av kjemisk reaktor ifølge hvilke som helst av de foregående kravene når inntatt i en brenselprosessor for anvendelse med en protonvekslermembranbrenselcelle, der brenselprosessoren har et reformeringstrinn som omfatter reaksjonssonene (33), når i form av varmeoverføringssoner, og katalysatormottakssonene (35).
12. Kjemisk reaktor ifølge krav 9 eller krav 10 hvori brenselprosessoren, som reaktoren utgjør en del av, innbefatter minst et for-reformeringstrinn som omfatter minst en av katalysatormottakssonene (35).
13. Kjemisk reaktor ifølge krav 11 hvori brenselprosessoren omfatter minst en for-reformer som er anordnet for å oppvarmes ved en varm syntesegass.
14. Kjemisk reaktor ifølge krav 11 eller krav 12 hvori brenselprosessoren omfatter minst en for-reformer som er anordnet for å oppvarmes ved en varm avgass som ved anvendelse føres gjennom en del av den tredje kanalinnretningen (39).
15. Fremgangsmåte for å utføre en kjemisk reaksjon i en kjemisk reaktor ifølge hvilke som helst av de foregående kravene, og som omfattende trinnene av: a) å føre en første reaktant inn i og i serie gjennom reaksjonssonene (33) i den kjemiske reaktoren gjennom den første kanalinnretningen (36), b) å føre en andre reaktant i parallell føde inn i reaksjonssonene (33) gjennom den andre kanalinnretningen (38), der den andre reaktanten er valgt for å reagere eksotermisk med den første reaktanten i sine respektive reaksjonssoner (33), og c) å føre en tredje reaktant medstrøms inn i og i serie gjennom en katalysator inneholdt i katalysatormottakssonene (35) gjennom den tredje kanalinnretningen (39), og på den måten eksponere reaktanten forvarme fra produktet av den eksotermiske reaksjonen i sin passasje gjennom varmevekslerkanalene i den første kanalinnretningen (36).
NO20043241A 2002-01-04 2004-08-02 Kjemisk reaktor NO338329B1 (no)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AUPR9817A AUPR981702A0 (en) 2002-01-04 2002-01-04 Steam reformer
PCT/AU2003/000022 WO2003055585A1 (en) 2002-01-04 2003-01-03 Chemical reactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO20043241L NO20043241L (no) 2004-09-27
NO338329B1 true NO338329B1 (no) 2016-08-08

Family

ID=3833429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20043241A NO338329B1 (no) 2002-01-04 2004-08-02 Kjemisk reaktor

Country Status (8)

Country Link
US (1) US7276214B2 (no)
EP (1) EP1471994B1 (no)
JP (2) JP4634038B2 (no)
AU (2) AUPR981702A0 (no)
BR (1) BR0306721B1 (no)
NO (1) NO338329B1 (no)
RU (1) RU2302287C2 (no)
WO (1) WO2003055585A1 (no)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7811529B2 (en) 2001-04-23 2010-10-12 Intelligent Energy, Inc. Hydrogen generation apparatus and method for using same
US7922781B2 (en) * 2001-03-02 2011-04-12 Chellappa Anand S Hydrogen generation apparatus and method for using same
US8177868B2 (en) 2002-01-04 2012-05-15 Meggitt (Uk) Limited Reforming apparatus and method
US7967878B2 (en) * 2002-01-04 2011-06-28 Meggitt (Uk) Limited Reformer apparatus and method
US7014835B2 (en) * 2002-08-15 2006-03-21 Velocys, Inc. Multi-stream microchannel device
JP4559790B2 (ja) * 2003-09-05 2010-10-13 大日本印刷株式会社 水素製造用のマイクロリアクターおよびその製造方法
KR100578817B1 (ko) 2004-10-28 2006-05-11 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 개질기
KR100646985B1 (ko) * 2005-06-24 2006-11-23 삼성에스디아이 주식회사 평판형 연료개질 시스템 및 이를 구비한 연료전지 시스템
DE102006037353A1 (de) * 2006-08-09 2008-02-14 Behr Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion
DE102008064277A1 (de) 2008-12-20 2010-07-01 Bayer Technology Services Gmbh Verfahren zur Herstellung von Synthesegas
US8628887B2 (en) 2009-07-15 2014-01-14 Cummins Power Generation Ip, Inc. Fuel cell with low water consumption
US8287763B2 (en) * 2010-10-28 2012-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Steam-hydrocarbon reforming with limited steam export
FR3040313B1 (fr) 2015-08-24 2017-08-25 Air Liquide Echangeur-reacteur integrant les reactions de vaporeformage et de gaz a l'eau pour la production d'hydrogene
PL3235785T3 (pl) * 2016-04-22 2019-04-30 Air Liquide Sposób i układ do wytwarzania gazu syntezowego w wyniku katalitycznego reformingu parowego gazu zasilającego zawierającego węglowodory
US20220389864A1 (en) 2021-05-14 2022-12-08 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia
US11724245B2 (en) 2021-08-13 2023-08-15 Amogy Inc. Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems
EP4352008A1 (en) 2021-06-11 2024-04-17 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia
US11539063B1 (en) 2021-08-17 2022-12-27 Amogy Inc. Systems and methods for processing hydrogen
US11834334B1 (en) 2022-10-06 2023-12-05 Amogy Inc. Systems and methods of processing ammonia
US11795055B1 (en) 2022-10-21 2023-10-24 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia
US11866328B1 (en) 2022-10-21 2024-01-09 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0384944A1 (en) * 1989-02-28 1990-09-05 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Power generation system with use of fuel cell
WO1997039490A2 (en) * 1996-04-12 1997-10-23 Ztek Corporation Thermally enhanced compact reformer
WO1998037457A1 (de) * 1997-02-20 1998-08-27 Atotech Deutschland Gmbh Chemische mikroreaktoren und verfahren zu deren herstellung
EP0861802A2 (en) * 1997-02-28 1998-09-02 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Fuel reforming apparatus
WO2000078443A1 (en) * 1999-06-18 2000-12-28 Uop Llc Apparatus and method for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
WO2001051194A1 (en) * 2000-01-11 2001-07-19 Accentus Plc Catalytic reactor

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH085644B2 (ja) * 1989-11-27 1996-01-24 石川島播磨重工業株式会社 プレート型改質器
JPH05105405A (ja) * 1991-10-21 1993-04-27 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレート型リフオーマ
JPH0812303A (ja) * 1994-07-05 1996-01-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレートリフォーマ
JP3582132B2 (ja) * 1995-03-03 2004-10-27 石川島播磨重工業株式会社 プレート型改質器
DE19754012C2 (de) * 1997-12-05 1999-11-11 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Anlage zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs
ES2234848T5 (es) * 2000-01-25 2015-07-03 Meggitt (U.K.) Limited Reactor químico con intercambiador de calor
US7485454B1 (en) * 2000-03-10 2009-02-03 Bioprocessors Corp. Microreactor
US20020071797A1 (en) * 2000-10-06 2002-06-13 Loffler Daniel G. Catalytic separator plate reactor and method of catalytic reforming of fuel to hydrogen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0384944A1 (en) * 1989-02-28 1990-09-05 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Power generation system with use of fuel cell
WO1997039490A2 (en) * 1996-04-12 1997-10-23 Ztek Corporation Thermally enhanced compact reformer
WO1998037457A1 (de) * 1997-02-20 1998-08-27 Atotech Deutschland Gmbh Chemische mikroreaktoren und verfahren zu deren herstellung
EP0861802A2 (en) * 1997-02-28 1998-09-02 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Fuel reforming apparatus
WO2000078443A1 (en) * 1999-06-18 2000-12-28 Uop Llc Apparatus and method for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
WO2001051194A1 (en) * 2000-01-11 2001-07-19 Accentus Plc Catalytic reactor

Also Published As

Publication number Publication date
WO2003055585A1 (en) 2003-07-10
BR0306721A (pt) 2004-12-28
EP1471994A1 (en) 2004-11-03
RU2302287C2 (ru) 2007-07-10
RU2004123790A (ru) 2005-03-10
US20050138864A1 (en) 2005-06-30
EP1471994B1 (en) 2017-10-25
JP4634038B2 (ja) 2011-02-16
EP1471994A4 (en) 2009-03-18
BR0306721B1 (pt) 2013-09-24
JP2011025240A (ja) 2011-02-10
NO20043241L (no) 2004-09-27
AU2003201195B2 (en) 2007-05-17
US7276214B2 (en) 2007-10-02
JP2005512802A (ja) 2005-05-12
AUPR981702A0 (en) 2002-01-31
AU2003201195A1 (en) 2003-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO338329B1 (no) Kjemisk reaktor
US10775107B2 (en) Nested-flow heat exchangers and chemical reactors
US8882865B2 (en) Reformer apparatus and method with heat exchange occurring through a cross-flow configuration
JP5667624B2 (ja) 複数ステージ、複数チューブのシェル−アンド−チューブリアクタ
US6620386B1 (en) Radial flow reactor
JP6408754B2 (ja) リアクタ
KR20070008648A (ko) 제거형 촉매 구조체를 갖는 플레이트형 반응기
KR20160140603A (ko) 유사-등온 반응기
JP2017148704A (ja) 反応装置及び反応システム
US11608266B2 (en) Hydrogen generation systems
WO2006007216A1 (en) Multi-pass heat exchanger
CA2426347C (en) Process and apparatus using plate arrangement for reactant heating and preheating
WO2002051538A1 (en) Simplified plate channel reactor arrangement
AU2001224509A1 (en) Simplified plate channel reactor arrangement
WO2005097310A1 (en) Actively cooled reactor for exothermic reaktions
CN109562346B (zh) 用于甲烷化的微反应器和方法控制
Johnston et al. Heatric steam reforming technology
EA041776B1 (ru) Адиабатический конвертер с осевым потоком

Legal Events

Date Code Title Description
MK1K Patent expired