RU2302287C2 - Химический реактор - Google Patents

Химический реактор Download PDF

Info

Publication number
RU2302287C2
RU2302287C2 RU2004123790/12A RU2004123790A RU2302287C2 RU 2302287 C2 RU2302287 C2 RU 2302287C2 RU 2004123790/12 A RU2004123790/12 A RU 2004123790/12A RU 2004123790 A RU2004123790 A RU 2004123790A RU 2302287 C2 RU2302287 C2 RU 2302287C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
zones
plates
channel structure
chemical reactor
reaction zones
Prior art date
Application number
RU2004123790/12A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2004123790A (ru
Inventor
Энтони Мэттью ДЖОНСТОН (AU)
Энтони Мэттью ДЖОНСТОН
Брайэн Скотт ХЭЙНЕС (AU)
Брайэн Скотт ХЭЙНЕС
Original Assignee
МЕДЖИТТ (Ю Кей) ЛТД
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 МЕДЖИТТ (Ю Кей) ЛТД filed Critical МЕДЖИТТ (Ю Кей) ЛТД
Publication of RU2004123790A publication Critical patent/RU2004123790A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2302287C2 publication Critical patent/RU2302287C2/ru

Links

Images

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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

Химический реактор содержит насадку, состоящую из пакета металлических пластин, соединенных диффузией и поверхности которых обращены друг к другу в контактирующем прилегании. В насадке расположено множество реакционных зон и множество каталитических зон, при этом и реакционные зоны, и каталитические зоны ограничены соответствующими совмещенными отверстиями в пластинах. Некоторые пластины имеют первую канальную структуру для транспортирования первого реагента в и между реакционными зонами, при этом части первой канальной структуры, которые взаимно соединяют реакционные зоны, выполнены, по меньшей мере, на части их длины как теплообменные каналы. Вторая канальная структура выполнена в других пластинах и подает второй реагент в каждую реакционную зону. Еще и в других пластинах выполнена третья канальная структура, которая транспортирует третий реагент в и между содержащими катализатор зонами, при этом части третьей канальной структуры, которые взаимно соединяют содержащие катализатор зоны, выполнены, по меньшей мере, на части их длины как теплообменные каналы, которые находятся в теплообменной близости к теплообменным каналам первой канальной структуры. По заявленному способу осуществления химической реакции в химическом реакторе, размещенном в топливном процессоре, каталитические зоны функционируют как стадии конверсии в топливном процессоре. Технический результат - использование насадки из множества пакетов металлических пластин для реакторов большой емкости. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Настоящее изобретение в широком смысле относится к реактору для его использования в осуществлении химической реакции и к способу ее осуществления. Изобретение разработано в отношении установки конверсии метана водяным паром для использования с топливным элементом, имеющим мембрану протонного обмена, и изобретение излагается в этом контексте. Однако необходимо отметить, что и устройство, и способ данного изобретения в действительности имеют более широкие применения - для других реактивных процессов.
Процессы конверсии обычно осуществляются в трубчатых установках конверсии, в которых катализаторная насадка установлена в множестве реакторных трубок. Тепло прикладывается и передается непосредственно через стенки трубок таким образом, чтобы обеспечивать радиальные и осевые температурные характеристики внутри трубок в требуемых пределах, и этот подход является более или менее удачным. Однако для него требуется создание точного баланса между реакцией и теплопередачей внутри трубок, теплопередачей снаружи трубок и перепадом давления.
Создание этого баланса и соответствующая необходимость обеспечения относительно крупных частиц катализатора приводит к низкой эффективности катализатора и обусловливает наличие изначально громоздких установок конверсии. Эффективность катализатора можно было бы повысить и размер установок конверсии уменьшить, если использовать более мелкие частицы катализатора с более высокой эффективностью, но при этом ограничения со стороны перепада давления будут обусловливать необходимость использования большого количества параллельных коротких трубок в установках конверсии.
Также изучались вопросы возможной разработки альтернативы трубчатым установкам конверсии, т.е. использование т.н. насадки печатно-схемного теплообменника (ПСТО) и осаждение тонких слоев катализатора конверсии в каналах пластин, образующих насадки. ПСТО-насадки используются в настоящее время в теплообменниках, и их выполняют путем травления каналов требуемой формы и профиля в одной поверхности отдельных пластин, которые затем пакетируют и соединяют диффузией, чтобы сформировать насадки с размерами, нужными для конкретных применений.
Хотя этот альтернативный (проектируемый) подход обеспечивает некоторые преимущества, но остаются некоторые проблемы, включая следующие:
трудность обеспечения сцепления катализатора с металлической подложкой (пластиной), ограниченный срок службы катализатора, трудность замены катализатора и соединение зон теплопередачи и катализатора, требующее очень высокоактивного катализатора, чтобы избежать больших капитальных вложений при изготовлении поверхностей теплообмена.
Частичное решение этих проблем раскрыто в публикации США US2002/0018739 А1, 14.02.2002 г., в которой описан химический реактор с насадкой ПСТО-типа. Насадка выполнена таким образом, что теплообменные зоны перемежаются каталитическими зонами, которые вместе образуют путь прохождения для реагента. Каждая теплообменная зона сформирована из пакетированных соединенных диффузией пластин, при этом некоторые пластины имеют каналы для (снаружи нагреваемой или охлаждаемой) теплообменной текучей среды и других пластин, обеспечивающих ортогонально направленные каналы для транспортирования реагента от одной каталитической зоны к следующей такой зоне.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является техническое решение, известное из ЕР 0430184, B01J 19/24, 05.06.1991., содержащее пакет металлических пластин, соединенных по периферии смежных пластин с образованием реакционных и каталитических зон.
Известное техническое решение также имеет перечисленные выше недостатки.
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование трубчатых установок конверсии, заключающееся в увеличении срока службы катализатора, упрощении конструкции и снижении капитальных затрат и в расширении использования эффективным образом ПСТО-насадок в химических реакторах.
Технический результат достигается посредством создания химического реактора. Который содержит: а) насадку, состоящую по меньшей мере из одного пакета металлических пластин, соединенных таким образом, что их поверхности обращены друг к другу в контактирующем прилегании, б) множество реакционных зон, находящихся в насадке, в) множество каталитических зон, находящихся в насадке, г) первую канальную структуру, выполненную по меньшей мере в некоторых пластинах для транспортирования первого реагента в реакционные зоны и между ними, при этом части первой канальной структуры, взаимно соединяющие реакционные зоны, сформированы по меньшей мере на части их длины в качестве теплообменных каналов, д) вторую канальную структуру, выполненную по меньшей мере в некоторых пластинах и подающую второй реагент в каждую реакционную зону, и е) третью канальную структуру, выполненную по меньшей мере в некоторых пластинах для транспортирования третьего реагента в каталитические зоны и между ними, при этом части третьей канальной структуры, взаимно соединяющие каталитические зоны, сформированы по меньшей мере на части их длины в качестве теплообменных каналов, расположенных в теплообменной близости с теплообменными каналами первой канальной структуры.
Насадка предпочтительно содержит один пакет металлических пластин, соединенных диффузией, поверхности которых обращены друг к другу в контактирующем прилегании.
Каждая реакционная зона в химическом реакторе ограничена совмещенными отверстиями в соседних пластинах пакета.
Каждая каталитическая зона в химическом реакторе также ограничена совмещенными отверстиями в соседних пластинах пакета.
Предпочтительно насадка имеет два параллельных ряда девяти реакционных зон, которые в случае топливного процессора содержат зоны сгорания.
Реакционные зоны имеют катализатор, выбранный для обеспечения каталитического сгорания первого и второго реагентов.
Предпочтительно пластины пакетированы повторяющимися группами из шести налагаемых друг на друга пластин, в которых пластины с первой по четвертую в нисходящем потоке имеют первую канальную структуру для транспортирования первого реагента в реакционные зоны и между ними, пластины со второй по пятую имеют вторую канальную структуру для подачи второго реагента в реакционные зоны, и пластины с третьей по шестую имеют третью канальную структуру для транспортирования третьего реагента в каталитические зоны и между ними.
При этом вторая и пятая пластины имеют толщину, которая меньше толщины других пластин в каждой группе.
В одном варианте осуществления изобретения реакционные зоны расположены двумя параллельными рядами, а первая канальная структура проходит линейно между реакционными зонами, а содержащие катализатор зоны расположены тремя параллельными рядами, из которых один расположен между рядами реакционных зон и два других снаружи рядов реакционных зон.
Химический реактор согласно изобретению выполнен с возможностью использования его в качестве установки конверсии с топливным элементом.
В одном варианте осуществления изобретения химический реактор размещен в топливном процессоре, имеющем стадию конверсии, которая включает реакционные зоны, в качестве зон теплопроводности, и каталитические зоны.
В еще одном варианте осуществления изобретения химический реактор размещен в топливном процессоре при использовании с топливным элементом с мембраной протонного обмена, при этом топливный процессор имеет стадию конверсии, которая включает реакционные зоны, в качестве зон теплопроводности, и каталитические зоны.
В другом варианте осуществления изобретения химический реактор размещен в топливном процессоре, содержащем по меньшей мере одну стадию установки предварительной конверсии, включающую по меньшей мере одну каталитическую зону.
В еще другом варианте осуществления изобретения химический реактор размещен в топливном процессоре, содержащем по меньшей мере одну установку предварительной конверсии, которая нагревается горячим синтез-газом.
В еще другом варианте осуществления изобретения химический реактор размещен в топливном процессоре, содержащем по меньшей мере одну установку предварительной конверсии, которая нагревается горячим дымовым газом, который во время работы направляется по части третьей канальной структуры.
Технический результат достигается также посредством создания способа осуществления химической реакции в химическом реакторе, включающего следующие стадии:
а) направляют первый реагент в и последовательно через реакционные зоны в химическом реакторе по первой канальной структуре,
б) направляют второй реагент параллельными потоками в реакционные зоны по второй канальной структуре, при этом второй реагент выбирают из числа реагентов, способных реагировать экзотермически с первым реагентом в соответствующих реакционных зонах, и
в) одновременно направляют третий реагент в и последовательно через катализатор, находящийся в каталитических зонах, по третьей канальной структуре, при этом подвергают реагент воздействию тепла от продукта экзотермической реакции при его прохождении через теплообменные каналы первой канальной структуры.
В зависимости от конкретного процесса в реакционных зонах можно также разместить катализатор, обеспечивающий каталитическую реакцию (например, сгорание) первого и второго реагентов.
Насадка реактора может быть сконструирована из множества пакетов металлических пластин, в этом случае соседние пакеты могут быть отделены друг от друга соединительными стенками, ограничивающими реакционные зоны и каталитические зоны. Такая компоновка считается особенно подходящей для реакторов большой емкости.
Однако, по меньшей мере, для некоторых реакторов насадка предпочтительно имеет один пакет металлических пластин. В этом случае каждая реакционная зона будет ограничиваться совмещенными отверстиями в соседних пластинах, и каждая каталитическая зона будет аналогично ограничиваться (последующими) совмещенными отверстиями в соседних пластинах.
Число реакционных зон в насадке может быть одинаковым или отличаться от числа каталитических зон. В одном из вариантов осуществления изобретения реакционные зоны предпочтительно расположены двумя параллельными рядами, при этом первая канальная структура проходит линейно между реакционными зонами. Также в этом случае каталитические зоны предпочтительно расположены тремя параллельными рядами, из которых один находится между рядами реакционных зон и два других расположены снаружи рядов реакционных зон.
В некоторых вариантах осуществления изобретения металлические пластины предпочтительно пакетированы повторяющимися группами в виде трех налагаемых друг на друга пластин, при этом одна из трех пластин имеет первую канальную структуру для транспортирования первого реагента в и между реакционными зонами, и вторая из трех пластин имеет вторую канальную структуру для подачи второго реагента в реакционные зоны, и третья пластина каждой группы имеет третью канальную структуру для транспортирования третьего реагента через каталитические зоны. Для оптимизации теплопередачи между продуктом экзотермической реакции и третьим реагентом первая и третья пластины предпочтительно соединены диффузией и таким образом, что их поверхности обращены друг к другу в контактирующем прилегании.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения, например, когда реактор сконструирован или выполнен в виде установки конверсии, может быть необходимым или желательным теплообмен между частями (одного и того же) потока реагента, которые находятся в разных технологических стадиях. Также в некоторых случаях может быть желательным обеспечить одну технологическую функцию двум или более пластинам и/или увеличить число пластин в целях оптимизации теплообмена. В таких случаях будет необходимо пакетировать пластины в повторяющихся группах из четырех или более пластин. Порядок перемеживания и соединения диффузией пластин каждой группы будет зависеть от требований определенных процессов и размеров канала, выполненного в пластинах.
Данное изобретение применимо в любом процессе, для которого требуется каталитическая конверсия реагента и нагревание реагента между каталитическими реакционными стадиями. Однако данное изобретение предпочтительно осуществляется в реакторе, содержащем или включающем такую установку конверсии, как установка конверсии метана водяным паром для использования в топливном элементе с мембраной протонного обмена или с другим устройством, для которого необходим водород или синтез-газ. В этом случае реактор предпочтительно находится в топливном процессоре, который может содержать по меньшей мере одну установку предварительной конверсии, нагреваемую горячим синтез-газом, по меньшей мере одну установку предварительной конверсии, которая нагревается горячим топочным газом, и, как части реактора, множественные установки конверсии, нагреваемые косвенно каталитическим сгоранием, например, анодного отходящего газа. В этой компоновке первый реагент предпочтительно содержит обеспечивающий сгорание газ, и второй реагент предпочтительно содержит сгораемый газ, такой как анодный отходящий газ.
Топливный процессор, частью которого является реактор (в предпочтительном варианте осуществления), предпочтительно также содержит вспомогательные технологические стадии, включая стадии охлаждения и предварительного нагревания, конверсии водяного газа и окисления СО. Некоторые из этих стадий могут находиться в последующей насадке (или насадках), которая(ые) имеет(ют) соответствующие канальные структуры в пакетированных металлических пластинах.
Изобретение более подробно поясняется в приводимом ниже описании предпочтительного варианта осуществления реактора в виде установки конверсии метана водяным паром, входящей в состав топливного процессора со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - схематическое представление топливного процессора, соединенного с соответствующим топливным элементом с мембраной протонного обмена (ТЭМПО),
фиг.2 - схематическое представление топливного процессора, показанного на Фиг.1, содержащего реактор, имеющий стадии конверсии и предварительной конверсии,
фиг.3 - температурный профиль стадий предварительной конверсии,
фиг.4 - температурный профиль стадий конверсии,
фиг.5 - температурный профиль объединенных стадий предварительной конверсии и конверсии,
фиг.6 - график регенерации тепла синтез-газа,
фиг.7 - график регенерации тепла дымового газа,
фиг.8 - вид в перспективе насадки топливного процессора отдельно от соответствующего трубопровода подачи и выведения текучей среды; и
фиг.9 - группа налагаемых друг на друга шести металлических пластин, которые пакетированы и соединены диффузией с такими же последующими группами, формирующими насадку.
На фиг.1 и 2 показан топливный процессор, соединенный с ТЕМПО 11, и трубопровод, указанный стрелочными соединениями, который обеспечивает подачу различных текучих сред (этот термин в данном описании включает и жидкости, и газы) в топливный процессор и из него. Топливный процессор 10 показан в виде блок-схемы на фиг.2, но, согласно приводимому ниже описанию, части процессора объединены в единую насадку, состоящую из пластин, соединенных диффузией.
Топливный процессор 10 можно рассматривать как включающий семь теоретически отдельных частей или модулей 12-18, функции которых следующие:
12 - охлаждение анодного газа; предварительное нагревание метана/воды.
13 - охлаждение синтез-газа/окисление СО/конверсия водяного газа (КВГ); кипячение воды.
14 - охлаждение синтез-газа; предварительное нагревание/предварительная конверсия метана («исходного газа»).
15 - охлаждение дымового газа; предварительное нагревание анодного отходящего («дымового») газа/воздуха.
16 - охлаждение дымового газа; кипячение воды.
17 - охлаждение дымового газа; предварительное нагревание/предварительная конверсия сырья.
18 - многостадийное сгорание; многостадийное нагревание реагента; многостадийная конверсия.
Значительные функции из числа указанных выше описаны в данном описании более подробно ниже.
Исходный газ проходит многостадийную конверсию, при которой:
три установки 19 предварительной конверсии нагреваются синтез-газом в части 14;
две установки 20 предварительной конверсии нагреваются горячим дымовым газом в части 17; и
девять установок 21 предварительной конверсии в части 18 реактора нагреваются косвенно каталитическим сгоранием анодного отходящего газа.
Температурные профили стадий 19, 20 и 21 предварительной конверсии и конверсии показаны на фиг.3 и 4 соответственно, и составной температурный профиль показан на фиг.5. Максимальная температура конверсии поддерживается ниже 800°С, поскольку более высокие температуры при предполагаемых низких давлениях не являются целесообразными. Любое скольжение метана будет являться «инертностью» на аноде топливного элемента и, в конечном счете, будет полезным образом сгорать в камерах сгорания.
В относительно низкотемпературных стадиях предварительной конверсии высокомолекулярные углеводороды подвергаются конверсии, и содержание водорода повышается гораздо ниже температур крекинга метана. При температурах выше 650°С образование углерода в результате крекинга метана происходит намного быстрее, чем реакции удаления углерода, если равновесие крекинга метана неблагоприятное, и поэтому высокие уровни водорода необходимы к тому времени, когда эта температура будет достигнута. Шесть стадий предварительной конверсии и конверсии, показанные проходящими при температуре ниже 650°С, обеспечивают сохранение активности углерода ниже единицы при температурах выше 650°С.
Показанный на фиг.2 топливный процессор объединяет признаки, обеспечивающие пассивное регулирование (т.е. саморегулирование) работы.
Теплообменники могут иметь такие размеры и такую конфигурацию, при которых показанный на фиг.5 температурный профиль по существу сохраняется даже в условиях существенного изменения параметров. Автономное регулирование требуется только для максимальной температуры установки конверсии посредством регулирования расхода подачи топлива.
Применяются противоточные теплообменники и теплообменники с одинаково направленными потоками. Оба снижают интенсивность работы при уменьшении расхода потоков, при этом без существенных последствий для граничных температур.
Разделенная, параллельная подача топлива в каталитические камеры сгорания, подача воздуха в две стадии окисления СО и подача воды в теплообменники все интегрированы в топливный процессор.
Вода может подаваться с расходом, необходимым для поддержания уровня жидкости в фазовом сепараторе; при этом можно предусмотреть некоторый сетчатый выходной поток пара и продувку незначительного количества жидкости. Соотношение пара остается по существу постоянным при изменении имеющегося количества тепла для генерирования пара в зависимости от количества метана, проходящего через устройство.
Со ссылкой на фиг.2-7, и на функции различных частей 12-18 топливного процессора:
В части 12 трехпоточный противоточный теплообменник 22 используется для предварительного нагревания воды и метана в последней стадии охлаждения синтез-газа, и внутреннее «защемление» происходит при температуре, при которой конденсация воды начинается на стороне синтез-газа. Трехпоточный теплообменник позволяет обеспечивать относительно высокую эффективность, согласно фиг.6, и устраняет необходимость регулируемого разделения потока синтез-газа для предварительного нагревания потоков метана и воды в отдельных теплообменниках.
В отношении части 13, как показано на фиг.2, уровни СО должны обычно выдерживаться ниже 10 частей на миллион для ТЕМПО. Для этого требуется реакция избирательного окисления после конверсии водяного газа. Обе реакции, как показано, происходят в двух стадиях в части 13.
Тепловая нагрузка для генерирования пара относительно высокая и составляет около двух третей нагрузки, требуемой от сгорания в стадии конверсии. Поэтому основная часть регенерации тепла из горячих технологических потоков расходуется на кипячение воды; и обе экзотермические реакции КВГ и окисления СО могут проходить при температуре, превышающей температуру кипения воды, обеспечивая генерирование пара. Как показано на чертежах, вода кипит в контуре термосифона в теплообменниках после этих реакций, и тем самым обеспечивается возможность продувки, сводя к минимуму количество компенсирующей воды, и при этом исключается высыхание теплообменных поверхностей с помощью высококачественного пара.
В части 15, при температуре выше температуры кипения воды, тепло от горячего синтез-газа используется для предварительного нагревания исходного потока. Достаточное тепло можно создать для работы трех стадий предварительного нагревания", что является целесообразным по следующим причинам:
С2+ молекулы в сырье конвертируются в метан при низких температурах, без риска спекания;
Уровни водорода повышаются при низкой температуре, без риска крекинга метана и, как указано, высокотемпературное тепло используется для предварительной конверсии в трех стадиях 19 установки предварительной конверсии.
Два теплообменника 24 обеспечивают противоточный теплообмен, и третий теплообменник 25 обеспечивает теплообмен в однонаправленных потоках, чтобы зафиксировать требуемый температурный профиль во время изменения параметров. Однонаправленный поток в третьем теплообменнике предусматривается для исключения возможного риска перегрева исходного потока и крекинга метана.
В части 15 также используется трехпоточный теплообменник 26, в котором топливо и воздух предварительно нагреваются отдельно во избежание регулируемого разделения дымового газа. Предварительно нагретый воздух проходит последовательно через девять стадий каталитического сгорания в части 18, при этом предварительно нагретое топливо подается в зоны сгорания 27 параллельными потоками, чтобы ограничить рост температуры в каждой зоне.
Основная часть пара для процессора генерируется в теплообменнике 23 в части 16, причем этот теплообменник действует как однопроходный котел, обеспечивающий выходное качество ниже приблизительно 70%, чтобы исключить возможность высыхания.
Две последующие стадии 20 предварительной конверсии используются в части 17 для генерирования водорода с относительно низкой температурой, тем самым обеспечивая дальнейшую защиту от крекинга метана в стадиях 21 установки конверсии в части 18. Один соответствующий теплообменник 28 выполнен с возможностью обеспечения противоточного теплообмена, и другой теплообменник 29 обеспечивает однонаправленный теплообмен, чтобы зафиксировать нужный температурный профиль при изменении параметров, без риска перегрева исходного потока.
Фиг.6 и 7 соответствуют предыдущему описанию частей 13-17 процессора в том отношении, что они графически иллюстрируют температурные профили регенерации тепла синтез-газа и дымового газа соответственно.
Сама установка конверсии в части 18 топливного процессора состоит из девяти стадий 21 реакции конверсии, работающих от девяти стадий 27 сгорания анодного отходящего газа. Реакции на обеих сторонах происходят по существу в адиабатических слоях, при этом теплообменники 30 обеспечивают теплообмен между текучими средами, когда они проходят между соответствующими адиабатическими слоями.
Цикл текучей среды в части, являющейся установкой конверсии, разделяет анодный отходящий газ на девять параллельных потоков, как указанно на фиг.2, и, согласно поясняемым ниже конфигурациям пластин, далее подразделяет топливо в этих потоках на многочисленные параллельные потоки для тщательного перемешивания с обеспечивающим сгорание воздухом до сгорания в каждой стадии 27.
Повышающийся температурный профиль для установки конверсии, как показано на фиг.5, осуществляется этим циклом без последующего активного контроля. Как указано выше, непрерывное регулирование с помощью общего расхода подаваемого топлива требуется только для максимальной температуры установки конверсии.
Части 17 и 18 топливного процессора, согласно схематическому изображению на фиг.2, можно осуществить в насадке 31, показанной также схематически на фиг.8. Соответствующий трубопровод (схематически показан на фиг.1) подачи и выведения текучей среды на фиг.8 не показан, и иллюстрированы только основные признаки насадки. Признаки, не указанные для удобства описания, будут поняты и легко определены специалистами в данной области техники.
Насадка 31 представляет собой единый пакет соединенных диффузией пластин 32, общее число которых будет зависеть от нужной производительности топливного процессора в данном применении, при этом насадка имеет два параллельных ряда девяти реакционных зон 33, которые в случае топливного процессора имеют зоны 27 сгорания.
В реакционные зоны 27/33 подается первый реагент (т.е. обеспечивающий сгорание газ в случае топливного процессора) через концевые входы (не показаны) в насадке. В реакционные зоны 27/33 также подается второй реагент (т.е. топливо в случае топливного процессора) через впускные отверстия 34.
Насадка 31 также содержит три параллельных ряда девяти каталитических зон 35 и 35А, которые, в случае топливного процессора, содержат участки 20 и 21 предварительной конверсии и конверсии в частях 17 и 18 топливного процессора. В каталитические зоны подается третий реагент (т.е. метан и водяной пар в случае топливного процессора) через впускные и выпускные отверстия сверху и/или снизу насадки согласно фиг.8.
Все пластины 32 имеют прямоугольные отверстия, из числа которых разные отверстия совмещены с образованием реакционных зон 33 и каталитических зон 35. Пластины пакетированы в повторяющиеся группы из шести пластин, одна из этих групп показана на фиг.9 и содержит, сверху вниз:
Пластину 32А - на которую поступает первый реагент (т.е. обеспечивающий сгорание газ).
Пластину 32В - на которую поступает второй реагент (т.е. топливо).
Пластину 32С(1) - на которую поступает первый поток третьего реагента (например, синтез-газ 1).
Пластину 32А - на которую поступает первый реагент (т.е. обеспечивающий сгорание газ).
Пластину 32В - на которую поступает второй реагент (т.е. топливо).
Пластину 32С(2) - на которую поступает второй поток третьего реагента (т.е. синтез-газ).
Все пластины выполнены из такого теплостойкого сплава, как нержавеющая сталь, и все пластины обычно имеют размеры 600 мм на 100 мм. Пластины 32А, С(1) и С (2) имеют толщину 1,6 мм, и толщина пластин 32В - 0,7 мм. Соответственно вторая и пятая пластины имеют толщину, которая меньше толщины других пластин в каждой группе.
Первая канальная структура 36 в пластинах 32А транспортирует первый реагент в отверстия 33 и между ними, которые ограничивают реакционные зоны 27. Эта канальная структура проходит линейно между подающими и выпускными отверстиями, которые при использовании процессора расположены на концах насадки 31. Части 37 канальной структуры, которые проходят между соседними парами отверстий 33 и, в некоторых случаях дальше, действуют в качестве теплообменных каналов.
Вторая канальная структура 38 в пластинах 32В обеспечивает подачу второго реагента параллельными потоками в каждую реакционную зону 33 из подающих отверстий 34. Вторая канальная структура имеет большое число подающих ответвлений, которые сообщаются с реакционными зонами 33 и обеспечивают тщательное перемешивание первого и второго реагентов (т.е. воздуха и горючего газа топливного процессора) в реакционных зонах 33.
Третья канальная структура 39 в каждой пластине 32С(1) и 32С(2) транспортирует третий реагент параллельными потоками в и между каталитическими зонами 35 и 35А на соответствующих пластинах. Имеющие серпантинную форму части 40 третьей канальной структуры находятся в теплообменной близости к теплообменным частям 37 первой канальной структуры 36 на пластинах 32А, с которыми поверхностный контакт имеют пластины 32С(1) и С(2).
Элементы, образующие вторую канальную структуру, имеют площадь сечения, которая меньше площади сечения элементов, образующих первую и третью канальные структуры.
Различные каналы на пластинах 32А и 32С(1) и 0(2) имеют полукруглое сечение и радиальную глубину величиной 1,0 мм, и каналы на пластинах 32В имеют радиальную глубину величиной 0,4 мм.
Как указано выше, пластины 32 пакетированы и соединены диффузией поверхность к поверхности, то есть (передняя) имеющая каналы поверхность каждой пластины контактирует с (задней) не имеющей каналов поверхностью своей соседней пластины.
В описанном выше топливном процессоре и в его элементах могут быть осуществлены изменения и модификации в рамках объема данного изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. Например, порядок пакетирования, расположение различных реакционных зон и размещение и конфигурации разных канальных структур можно в значительной степени изменить по сравнению с изложенным выше описанием.

Claims (18)

1. Химический реактор, содержащий:
а) насадку, состоящую, по меньшей мере, из одного пакета металлических пластин, соединенных таким образом, что их поверхности обращены друг к другу в контактирующем прилегании;
б) множество реакционных зон, находящихся в насадке;
в) множество каталитических зон, находящихся в насадке;
г) первую канальную структуру, выполненную по меньшей мере в некоторых пластинах для транспортирования первого реагента в реакционные зоны и между ними, при этом части первой канальной структуры, взаимно соединяющие реакционные зоны, сформированы по меньшей мере на части их длины в качестве теплообменных каналов,
д) вторую канальную структуру, выполненную, по меньшей мере, в некоторых пластинах и подающую второй реагент в каждую реакционную зону, и
е) третью канальную структуру, выполненную, по меньшей мере, в некоторых пластинах для транспортирования третьего реагента в каталитические зоны и между ними, при этом части третьей канальной структуры, взаимно соединяющие каталитические зоны, сформированы, по меньшей мере, на части их длины в качестве теплообменных каналов, расположенных в теплообменной близости с теплообменными каналами первой канальной структуры.
2. Химический реактор по п.1, в котором насадка содержит один пакет металлических пластин, соединенных диффузией, и поверхности которых обращены друг к другу в контактирующем прилегании.
3. Химический реактор по п.2, в котором каждая реакционная зона ограничена совмещенными отверстиями в соседних пластинах пакета.
4. Химический реактор по п.2, в котором каждая каталитическая зона ограничена совмещенными отверстиями в соседних пластинах пакета.
5. Химический реактор по п.2, в котором насадка имеет два параллельных ряда девяти реакционных зон, которые в случае топливного процессора содержат зоны сгорания.
6. Химический реактор по п.2, в котором реакционные зоны имеют катализатор, выбранный для обеспечения каталитического сгорания первого и второго реагентов.
7. Химический реактор по п.2, в котором пластины пакетированы повторяющимися группами из шести налагаемых друг на друга пластин, в которых пластины с первой по четвертую в нисходящем потоке имеют первую канальную структуру для транспортирования первого реагента в реакционные зоны и между ними, пластины со второй по пятую имеют вторую канальную структуру для подачи второго реагента в реакционные зоны, и пластины с третьей по шестую имеют третью канальную структуру для транспортирования третьего реагента в каталитические зоны и между ними.
8. Химический реактор по п.7, в котором вторая и пятая пластины имеют толщину, которая меньше толщины других пластин в каждой группе.
9. Химический реактор по п.7, в котором пластины, образующие вторую канальную структуру, имеют площадь сечения, которая меньше площади сечения пластин, образующих первую и третью канальные структуры.
10. Химический реактор по п.1, в котором реакционные зоны расположены двумя параллельными рядами, а первая канальная структура проходит линейно между реакционными зонами.
11. Химический реактор по п.10, в котором содержащие катализатор зоны расположены тремя параллельными рядами, из которых один расположен между рядами реакционных зон и два других - снаружи рядов реакционных зон.
12. Химический реактор по п.1, который выполнен с возможностью использования его в качестве установки конверсии с топливным элементом.
13. Химический реактор по п.2, который размещен в топливном процессоре, имеющем стадию конверсии, которая включает реакционные зоны в качестве зон теплопроводности и каталитические зоны.
14. Химический реактор по п.2, который размещен в топливном процессоре при использовании с топливным элементом с мембраной протонного обмена, при этом топливный процессор имеет стадию конверсии, которая включает реакционные зоны в качестве зон теплопроводности и каталитические зоны.
15. Химический реактор по п.13, который размещен в топливном процессоре, содержащем, по меньшей мере, одну стадию установки предварительной конверсии, включающую, по меньшей мере, одну каталитическую зону.
16. Химический реактор по п.15, который размещен в топливном процессоре, содержащем, по меньшей мере, одну установку предварительной конверсии, которая нагревается горячим синтез-газом.
17. Химический реактор по п.15, который размещен в топливном процессоре, содержащем, по меньшей мере, одну установку предварительной конверсии, которая нагревается горячим дымовым газом, который во время работы направляется по части третьей канальной структуры.
18. Способ осуществления химической реакции в химическом реакторе, выполненном по одному из предыдущих пунктов, включающий следующие стадии:
а) направляют первый реагент в и последовательно через реакционные зоны в химическом реакторе по первой канальной структуре,
б) направляют второй реагент параллельными потоками в реакционные зоны по второй канальной структуре, при этом второй реагент выбирают из числа реагентов, способных реагировать экзотермически с первым реагентом в соответствующих реакционных зонах, и
в) одновременно направляют третий реагент в и последовательно через катализатор, находящийся в каталитических зонах, по третьей канальной структуре, при этом подвергают реагент воздействию тепла от продукта экзотермической реакции при его прохождении через теплообменные каналы первой канальной структуры.
RU2004123790/12A 2002-01-04 2003-01-03 Химический реактор RU2302287C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AUPR9817A AUPR981702A0 (en) 2002-01-04 2002-01-04 Steam reformer
AUPR9817 2002-01-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004123790A RU2004123790A (ru) 2005-03-10
RU2302287C2 true RU2302287C2 (ru) 2007-07-10

Family

ID=3833429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004123790/12A RU2302287C2 (ru) 2002-01-04 2003-01-03 Химический реактор

Country Status (8)

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

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7922781B2 (en) * 2001-03-02 2011-04-12 Chellappa Anand S Hydrogen generation apparatus and method for using same
AU2002258962A1 (en) 2001-04-23 2002-11-05 Mesosystems Technology, Inc. Hydrogen generation apparatus and method for using same
US7967878B2 (en) * 2002-01-04 2011-06-28 Meggitt (Uk) Limited Reformer apparatus and method
US8177868B2 (en) 2002-01-04 2012-05-15 Meggitt (Uk) Limited Reforming 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
US11724245B2 (en) 2021-08-13 2023-08-15 Amogy Inc. Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems
US11994061B2 (en) 2021-05-14 2024-05-28 Amogy Inc. Methods for reforming ammonia
KR20240020274A (ko) 2021-06-11 2024-02-14 아모지 인크. 암모니아의 가공처리를 위한 시스템 및 방법
US11539063B1 (en) 2021-08-17 2022-12-27 Amogy Inc. Systems and methods for processing hydrogen
US11912574B1 (en) 2022-10-06 2024-02-27 Amogy Inc. Methods for reforming ammonia
US11866328B1 (en) 2022-10-21 2024-01-09 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia
US11795055B1 (en) 2022-10-21 2023-10-24 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07109773B2 (ja) * 1989-02-28 1995-11-22 石川島播磨重工業株式会社 燃料電池を用いた発電装置
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
US5858314A (en) * 1996-04-12 1999-01-12 Ztek Corporation Thermally enhanced compact reformer
DE19708472C2 (de) * 1997-02-20 1999-02-18 Atotech Deutschland Gmbh Herstellverfahren für chemische Mikroreaktoren
JP3129670B2 (ja) * 1997-02-28 2001-01-31 三菱電機株式会社 燃料改質装置
DE19754012C2 (de) * 1997-12-05 1999-11-11 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Anlage zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs
US6190623B1 (en) * 1999-06-18 2001-02-20 Uop Llc Apparatus for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
AU2001223877A1 (en) * 2000-01-11 2001-07-24 Aea Technology Plc Catalytic reactor
WO2001054806A1 (en) 2000-01-25 2001-08-02 Meggitt (Uk) Ltd Chemical reactor with heat exchanger
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

Also Published As

Publication number Publication date
BR0306721B1 (pt) 2013-09-24
RU2004123790A (ru) 2005-03-10
JP2011025240A (ja) 2011-02-10
EP1471994A4 (en) 2009-03-18
US7276214B2 (en) 2007-10-02
WO2003055585A1 (en) 2003-07-10
US20050138864A1 (en) 2005-06-30
NO338329B1 (no) 2016-08-08
EP1471994A1 (en) 2004-11-03
AUPR981702A0 (en) 2002-01-31
BR0306721A (pt) 2004-12-28
JP2005512802A (ja) 2005-05-12
EP1471994B1 (en) 2017-10-25
AU2003201195A1 (en) 2003-07-15
NO20043241L (no) 2004-09-27
JP4634038B2 (ja) 2011-02-16
AU2003201195B2 (en) 2007-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2302287C2 (ru) Химический реактор
US10775107B2 (en) Nested-flow heat exchangers and chemical reactors
CN1108857C (zh) 径流式反应器
US8882865B2 (en) Reformer apparatus and method with heat exchange occurring through a cross-flow configuration
RU2334928C2 (ru) Теплообменник
US5516344A (en) Fuel cell power plant fuel processing apparatus
JP2644922B2 (ja) モジュール等温反応器
RU2435639C2 (ru) Изотермический реактор
WO2007008581A2 (en) Thermally coupled monolith reactor
US20070280862A1 (en) Modular Micro-Reactor Architecture And Method For Fluid Processing Devices
JP2006522678A (ja) マルチチャネルモノリシック構造のチャネルに出入りするよう２つの流体を分配する方法及び装置、並びにそれらの使用
CN108940132B (zh) 固定床反应器
Chen Fundamental Nature of Reforming Reactions in Catalytic Reactor Systems
Freund et al. Design Procedure for Compact Chemical Reactors