TW200940164A - Catalytic reaction module - Google Patents

Description

200940164 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具有通道之催化反應模組，其係用 來實行如蒸氣重組之吸熱化學反應，其中在相鄰的通道中 藉由燃燒反應來提供熱，及一種具有此模組用於實行吸熱 化學反應之方法，及此模組之控制。 【先前技術】 在 WO 2005/1 025 1 1 (GTL Microsystems AG)中描述一種 © 設備及方法，其中在第一催化反應器中甲烷與蒸氣反應產 生一氧化碳及氫氣，接著在第二催化反應器中使用所產生 的氣體混合物來進行費雪-闕布希（Fischer-Tropsch)合成。 重組反應典型地在溫度約800°C下進行，且藉由在相鄰的進 行重組的通道中催化燃燒可提供所需的熱，燃燒通道包含 在鋁撐體上含有鈀或鈀/鈾之催化劑，其係以薄的塗層之形 式在金屬基板上。提供如甲烷與空氣的混合物之可易燃性 氣體至燃燒通道。燃燒發生在無火焰的催化劑表面。然而， φ 已發現燃燒反應傾向於最劇烈地發生在接近燃燒通道之開 端，沿著通道產生不安定之溫度分布；雖然此問題可藉由 沿著燃燒通道分段燃料注入來克服，但仍期望其他解決方 法。 【發明内容】 根據本發明提供一種用來實行吸熱反應之催化反應模 組，該模組包含多數分離反應器組，每一反應器組界定爲 在組間交替式配置許多第一及第二流動通道，以確保第一 及第二流動通道間之熱接觸，反應器組的配置與連接係用 -4- 200940164 來在第一流動通道中經歷吸熱反應來串流氣體混合物，且 亦用來在第二流動通道中可燃氣體混合物的流動，使吸熱 反應混合物串聯流經反應器組。 反應器組被稱爲分離，係指其具有用於氣體混合物之 個別及分離之入口及出口。反應器組亦可物理分離，即彼 此爲隔開的；或其亦可結合在一起（例如堆疊（stack))。 較佳地配置模組使被提供至反應器組之可燃氣體混合 物，係在上升的溫度但低於其自燃溫度，在一個或以上之 〇 反應器組中，由於燃燒可燃氣體混合物，而造成至少一部 分的溫度上升。確實地較佳爲藉由與一個或以上之反應器 組的第二氣體流動通道所產生之氣體進行熱交換，來使提 供至模組的可燃氣體混合物溫度上升。在一個較佳具體實 施例中，配置可燃氣體混合物，使其以與吸熱氣體混合物 相同之順序串聯流經反應器組。在此實例中，由於具有至 少部分串聯之先前反應器組歷經燃燒，因此係在上升溫度 中提供可燃氣體混合物至第二或接續的反應器組。 ® 可燃氣體混合物包括燃料（例如甲烷）及氧氣來源（例如 空氣）。較佳爲在連續反應器組裝置之間提供用來處理歷經 燃燒的流出氣體混合物，例如改變其溫度或引入及混合額 外之燃料。亦期望在連續反應器組之間提供裝置，來引入 額外空氣進入因爲燃燒而產生之流出氣體混合物。在不同 反應器組間分段供應燃料及分段引入空氣，可獲得更好的 控制溫度分布。例如，如果有兩個反應器組串聯，在第一 階段所提供的燃料之比例較佳爲總需求燃料的50 %至70% ❹

.200940164 之間，剩餘部分提供至第二階段。 本發明亦提供實行吸熱反應之方法，其 熱需求係藉由在相鄰的通道中燃燒反應提供 其中吸熱反應在許多連續階段中進行。吸熱 氣甲烷重組，且在此實例中較佳爲通過第一 應通道中溫度增加至675 °C及70CTC之間，較佳 且通過第二階段增加至730°C至800°C，較佳ί 在一個較佳具體實施例中，燃燒反應亦在至少 段中進行，在引入下一個階段之前，先處理來 所產生之可燃氣體混合物。 在處理連續階段之間的燃燒氣體混合物_ 其溫度及添加額外燃料。添加額外的燃料之献 氣體溫度可避免自燃。 藉由在許多階段中使用分離反應器組進行 來獲得階段燃料注入之益處，例如沿著反應器 的溫度分布，同時避免潛在的問題。特別地Jtt 引入額外燃料之前，在連續階段之間冷卻可 物，可確保不會發生自燃。處理連續反應器徒 氣體混合物，係在模組之間進行但不是在反應 較佳爲在反應器組之間第一流動通道及澤 往相同方向延伸，且可燃氣體混合物及吸熱民 往相同方向（共流）流動。較佳爲流動通道 300mm，更佳爲至少500mm，但較佳爲不大於 佳長度爲500mm與700mm之間，例如όΟΟιηιη* 吸熱反應之 吸熱反應， 應可以是蒸 段在吸熱反 爲約690°C， !約 7 6 0 °C 。 兩個連續階 自一個階段 佳包含改變 ，藉由降低 燃燒程序， 模組更均勻 可能造成在 燃氣體混合 之間的可燃 器組中進行。 ;二流動通道 :應混合物爲 的長度至少 1 000mm 〇 較 已發現共流 200940164 控制具有較好的溫度控制及較少的熱點風險。 在較佳具體實施例中，每一個第一流動通道（用於吸熱 反應之通道）及每一個第二通道（用於燃燒反應之通道）包含 可移動之觸媒結構來催化個別的反應，每一個觸媒結構較 佳爲包含金屬基質及合倂適當的催化材料。較佳爲在每一 個此觸媒結構均經塑形，以便細分流動通道爲許多平行流 次通道（parallel flow sub-channels)。較佳爲每一個觸媒結 構包含在金屬基質上爲觸媒提供撐體之陶瓷撐體材料。 ❿ 金屬基質提供觸媒結構的強度及藉由傳導提高熱轉 移。較佳爲金屬基質爲鋼合金，在加熱時鋼合金形成氧化 鋁之附著表面塗層，例如鐵磁體鋼合金合倂鋁（例如費克拉 洛伊合金（Fecralloy) (TM))。基質可以是箔、鋼絲網目或氈 片，其可以起皺摺、波紋或起摺的，較佳的基質爲薄金屬 箔，例如厚度小於ΙΟΟμιη，其起皺摺以定義縱向的次通道。 每一個反應器組可包含堆疊的板。例如第一及第二流 動通道可以藉由在個別的板之凹槽來加以界定，堆疊板接 ® 著將其結合在一起。或者流動通道可藉由城堡形的薄金屬 片與平坦薄片交替堆疊來界定；流動通道的邊緣可藉由密 封帶來界定。爲了確保所需要的良好熱接觸，第一及第二 氣體流動通道兩者的高度（斷面）可以是 10mm與2mm之 間；且每一個通道的寬度可以是約3 mm與2 5mm之間。形 成反應器組的堆疊板是例如藉由擴散結合、硬焊或熱等靜 壓而結合在一起。 較佳地在每一個用於燃燒的流動通道之入口提供火焰 .200940164 阻止器，以確保進料至燃燒通道時，不會使蔓延的火燄傳 回進入可燃氣體混合物中。此可在每一燃燒通道的入口部 分之內，例如以非觸媒嵌件之形式來將相鄰入口的燃燒通 道部分細分爲許多狹小流動路徑，該狹小流動路徑沒有比 用於避免火焰蔓延之最大間隙大小更寬。例如此非觸媒嵌 件可以是在長度方向起波紋的箔或在堆疊中許多在長度方 向起波紋的箔。選擇地或附加地，其中經由管集箱提供可 燃性氣體，因此該火燄阻止器可被提供在管集箱之間。 © 本發明亦提供使用此反應模組來實行ρ熱反應（例如 蒸氣重組）之方法。在添加額外的燃料之前，藉由結合空氣 與由燃燒所產生之流出氣體混合物，可燃混合物的溫度可 以維持在自燃溫度之下，以確保在觸媒結構表面發生不均 相反應（除了在氣相中發生）之燃燒。 以此方式實行蒸氣甲烷重組而能夠在每一區之間以高 空間速度來進行操作，例如每小時10000與60000之間， 同時達到90%以上之平衡轉化。同樣地，燃燒反應較佳地 ® 在空間速度每小時20000與70000之間進行。在此文件中， 空間速度意謂在標準溫度及壓力下（0°C與1大氣壓下）測量 每小時被提供至反應器之氣體體積當做許多對應的反應通 道之自由體積。 本發明亦提供控制燃燒之方法，且提供在緊密催化反 應器中將熱應力減至最低之方法。 【實施方式】 現在將進一步且更具體地敘述本發明（僅爲例示），且參照 200940164 附加的圖示。 藉由混合蒸氣與甲烷達成甲烷的蒸氣重組，且在上升 溫度下以適當的觸媒接觸混合物，因此蒸氣與甲烷反應形 成一氧化碳與氫（其可簡稱爲合成氣體或合成氣）。蒸氣重 組爲吸熱且藉由催化燃燒提供熱，例如甲烷與空氣混合。 燃燒發生在重組反應器中相鄰的流動通道之燃燒觸媒之 間。較佳地在引入至反應器之前，預熱蒸氣/甲烷混合物， 例如超過600°C。因此，重組反應器之溫度通常係從在入口 ® 約60(TC增加至在出口約750- 800°C。 所需燃料的全部數量（例如甲烷），爲需要提供用於吸 熱反應之熱及用於增加氣體（合理的熱）之溫度，且用於環 境中任何的熱損失；所需空氣的數量至高爲超過與燃料反 應所需要的數量之10%。 現在談及第1圖，其顯示一種適合用於蒸氣重組之反 應器的反應模組10。反應模組10包含兩個反應器組12a 及12b，每一反應器組包含在平面圖中爲長方形之堆疊的 ν 板，每一板爲抗腐蝕高溫合金。交替式配置平板與城堡形 板以便界定堆疊的相對末端之間的直通通道 (straight-through channel)，每一通道具有長爲 600mm 之活 性部分。經由說明，在第1實例中城堡之高度（通常在 2-10mm的範圍）可能是 3mm，或在第二實例中可能是 10mm，同時城堡波長可能使連續細線在第1實例爲分隔 20mm或在第2實例可能爲分隔3mm。所有通道彼此平行延 伸，其中具有管集箱使蒸氣/甲烷混合物可提供至第一組之 200940164 通道15，及空氣/甲烷混合物提供至第二組之通道16，該 第一與第二通道在堆叠中交替（通道15及通道16如圖所 示），使在堆疊中之頂部與底部通道都是燃燒通道16。用於 各反應之合適的觸媒在成波狀的箔（未顯示）上被提供於通 道15及16之活性部分，使空間係數爲約0.9。在燃燒通道 16之每一入口提供火焰阻止器17» 經由實例在每堆疊中可能有超過五十個此種城堡形 板。 © 蒸氣/甲烷混合物串聯流經反應器組12a及12b，導管 20從第一反應器組12a之通道15出口連結至第二反應器組 12b之通道15入口。相同地，燃燒混合物亦以串聯流經反 應器組12a及12b，導管22從第一反應區12a之通道16出 口連結至第二反應器組12b之通道16入口。導管22包含 用於額外的空氣之入口 24,接著靜態混合器25,接著用於 額外燃料之入口 26，接著爲另一個靜態混合器27。 使用反應器模組10，係將蒸氣/甲烷混合物預熱至 ® 620°C並供應至反應器模組10，而流經反應器組12a及 12b。預熱80%的所需空氣及60%所需甲烷（如燃料）之混合 物至5 50°C，其低於該組成物之自燃溫度並供應至第一反應 器組12a。在兩種情況下，皆可藉由與在模組10間歷經燃 燒之排放氣體熱交換來進行預熱。因在觸媒之燃燒使溫度 上升，且因此燃燒產生使氣體溫度爲約7 00°C。彼等與殘餘 之20%的所需空氣（藉由入口 24及靜態混合器25)混合，接 者與殘餘之40%的所需甲烷（藉由入口 26及靜態混合器27) -10- .200940164 混合，使得氣體混合物在約600°C供應至第二反 之燃燒通道16,其亦爲低於此混合物（其包含第 所產生之水蒸氣及二氧化碳）之自燃溫度。藉由 入口 24之額外空氣的溫度，該所獲得混合物之 制至低於自燃溫度。 經由實例氣體流率可使空間速度較佳ί 14000和20000之間，且可能更具體而言，用於 組通道爲每小時15000與1 8000之間（將反應器^ © 整體），且用於燃燒通道較佳爲每小時19000與 (將反應器模組10視爲整體）。 參考第2圖，此圖示地顯示溫度Τ沿著燃费 記爲Α)之長度L，及沿著重組通道15(標記爲 L = 0與L = 0.6m之間的圖部分相當於第一反應器 時L = 0.6m與L=1.2m之間的圖部分相當於第 12b。値得重視的，在鄰近重組通道15之溫度 燒開始總是低於鄰近燃燒通道16之溫度T。由 ® (從入口 24)至第一反應器組12a與第二反應器 爲L = 0.6m)之間，燃燒氣體溫度歷經下降階段之 氣重組反應中，藉由圖標記爲P顯示甲烷轉化 之變化量。經由反應器模組10連續地增加轉 80 %的値，在反應條件下該値接近平衡轉化。 應知道的是在燃燒通道及在重組通道中 度，且調整提供至每一反應器組的燃料與空氣 確保整個反應器組獲得令人滿意的溫度分布， :應器組12b 一階段燃燒 調整供應至 溫度可被控 專每小時爲 蒸氣甲烷重 莫組1 0視爲 23000之間 I通道16(標 B)之變化。 f組1 2 a，同 二反應器組 T，一旦燃 於添加空氣 組12b(位置 :改變。在蒸 C與長度L 化且達到約 調整空間速 百分比，以 且在每一反 -11- .200940164 應器組之間熱應力減至最小。此確保反應器模組控制在安 全極限，無反應器組之損壞風險。亦應了解如第2圖所顯 示的溫度與轉化之變化量係僅作爲例示，且例如如果改變 燃燒觸媒或如果改變燃料對空氣的比率，溫度分布與轉化 將有微小的不同。 應注意的是以上之描述僅作爲例示，且即使做了許多 的改變仍應屬本發明的範圍。例如通道15與16及反應器 組12的大小與上述指示不同。供應至第一反應器組12a之 © 空氣與甲烷的百分比可能與上述百分比不同。最初提供燃 料的百分比可能爲50%與65 %之間，更佳爲55 %及殘餘提供 至12a與12b區之間爲35 %至50%，較佳爲45%。例如最初 可提供100%所需的空氣與65%所需的燃料，且殘餘35%的 燃料提供至12a與12b組之間，雖然在此例子之中可能需 要提供熱交換器（未顯示）來冷卻外流氣體，以確保溫度在 自燃溫度以下。在每一例子中，在氣體組成物與壓力之一 般的條件下，較佳爲添加額外的燃料至混合物氣體，其低 ® 於氣體混合物之自燃溫度。如上所述，最初僅提供部分的 空氣，此百分比較佳爲至少50%，且較佳爲不大於90%， 更佳爲75%與85%之間，最佳爲如上述實例之80%。 應知道的是在通道15及16中攜帶觸媒之箔較佳爲個 別延伸通道的全部長度，除了被火焰阻止器1 7所佔用之燃 燒通道16的最初部分。在修改例中，在每一重組通道15 之最初部分沒有提供重組觸媒，此最初非催化部分比火燄 阻止器17之長度更長，使將要歷經重組之氣體混合物在達 -12- .200940164 到重組觸媒之前先預熱。 應注意的是當燃料氣體含有或包括例如仏及co的有 效濃度（指明> 5%)，其相對於甲烷具有快速燃燒動能，則 可使用超過兩個反應器組與內部階段混合位置，以控制在 反應器模組之溫度曲線且避免產生熱點與相反的溫度梯 度。 亦可調整進料至每一階段的燃料與空氣百分比，以補 償隨著時間觸媒活性的減少。當隨著時間燃燒觸媒失去活 © 性時，具有此配置之另外的精煉，能夠將一些所產生的合 成氣循環至燃料混合階段，以維持反應器模組之溫度曲線。 應注意地，蒸氣甲烷重組可形成用於將甲烷轉換成長 鏈烴類之方法的一部分，藉由重組接著以費雪-闕布希 (Fischer-Tropsch)之條件來合成而製造合成氣體。或者，合 成氣體可以催化方法來形成甲烷。在任何的裝置中使用一 個或以上的反應模組10(如上所述）進行蒸氣甲烷重組。較 佳的裝置爲合倂數個以串聯排列的此種反應模組，使得裝 ❹ 置生產力可藉由改變所使用之反應器模組的數量來調整。 如第1圖所顯示之反應器模組10僅考慮燃燒通道16， 在兩個反應器組12a與12b可提供鉑-鈀觸媒。或者，在兩 反應器組12a與12b中的觸媒可以是不同的》例如在第一反 應器組12a中觸媒可以是鉑-鈀，在第二反應器組12b中之 觸媒僅以鈾來代替。應注意的是因爲燃燒已經發生，在第 二反應器組1 2b的氧分壓係小於第一反應器組1 2a。如果在 第二反應器組12b使用鉑-鈀觸媒會產生一種問題，因爲此 -13- .200940164 低氧分壓促進氧化鈀轉化成鈀金屬，且做爲燃燒觸媒鈀金 屬比氧化鈀做爲燃燒觸媒效率小。因此，在第二反應器組 12b中僅使用鉑觸媒爲有益的，或在第二反應器組12b中使 用具有高比率鉑之鉑-鈀混合物。除了氧化形式之外，在金 屬形式中鉑爲催化活性，因此，觸媒的活性相反地不被在 第二反應器組12b之低氧分壓所影響。或者可以在12a與 12b兩反應器組中均使用僅含鉛的觸媒。然而，鉑觸媒與鈾 -鈀觸媒相比具有較低的點火溫度，因此不適合在第一反應 e 器組12a中使用，此外在第一反應器組12a中具有較高的 氧分壓，因此僅有鉑之觸媒無法提供其在第二反應器組12b 中的效益。 現在參照如第5圖所顯示另外的反應器模組100,與模 組1 0相同的元件視爲相同。由圖式顯示反應器模組100係 由兩個反應器組12a與12b構成，且如上所述蒸氣/甲烷混 合物經由導管20以串聯流經反應器組12a與12b。供應分 離燃燒混合物至每一反應器組12a與12b，且從兩反應器組 ® 12a與12b之燃燒通道16產生的排放氣體係提供至共有的 排氣孔1〇2(或兩分離排氣孔）。藉由在熱交換器104與105 中預熱空氣與燃料（熱交換器係藉由在排氣孔102中之排 放氣體來加熱），然後將經預熱之空氣與燃料在混合器27 中混合，供應至第二反應器組12b的燃燒混合物係被預熱 至550°C(低於自燃溫度）。（供應燃燒混合物至第一反應器 組12a相同地可被預熱）。 供應至模組100的第一反應器組12a之燃燒混合物， -14- 200940164 可與供應至第二反應器組12b時具有相同組成物。因此需 要的50%總燃料可供給至第一反應器組12a且殘餘的50% 至第二反應器組12b，提供相同體積的空氣至每一區。然 而，應注意的是供應至第一反應器組12a的燃料體積可與 供應至模組10之第一反應器組相同。因此供應至模組100 所有燃料數量可比供應至模組10之燃料數量更大。 或者稍微較高的所需燃料總量比率可提供至第一反應 器組12a，例如55%，且殘餘總量之45%提供至第二反應器 Φ 組12b。藉由從第一階段燃燒反應排放至少一部分的排放氣 體，與第1圖做比較在第二反應器組12b之通道所產生的 氣體、水、蒸氣與二氧化碳之比率係減少的。此係依次貢 獻一增加的氧分壓至第二反應器組12b。因此鉑/鈀觸媒適 合用於兩反應器組12a與12b之燃燒通道16。模組100中 之溫度分布實質上與第2圖中關於模組10之描述相同，且 在蒸氣甲烷重組通道中所獲得的所有轉化實質上相同。 現在參考第3圖，其顯示供應蒸氣甲烷混合物至重組 ® 模組1〇(如上所述）、或如上所述之重組模組100之系統30 流程圖，爲用於處理天然氣之部分裝置。在此實例中之處 理裝置將天然氣轉化成長鏈烴產物。天然氣最初經調整以 移除例如汞或硫磺之雜質，因此提供乾淨的天然氣之進料 蒸氣，一般爲約90%的甲烷與小比率之其他烷類。藉由使 用蒸氣甲烷重組來產生合成氣體。合成氣體係以費雪-闕布 希（Fischer-Tropsch)之合成而產生長鏈烴、留下殘餘尾氣， 此尾氣可包含主要爲短鍊烷類、一氧化碳、二氧化碳、水 -15- .200940164 蒸氣及氫。 系統30意指使用於此處理裝置，且在此實例中提供三 個輸入蒸氣：乾淨的天然氣之進料蒸氣31、供應蒸氣32 及從費雪-闕布希合成裝置來循環之尾氣33。系統30產生 包含天然氣與蒸氣之混合物，且在預重組器35中使混合物 預重組（例如使用鎳觸媒），將任何C2 +烴類（乙烷、丙烷等） 轉化成甲烷、一氧化碳與氫。流量爲理想地使得在預重組 之後蒸氣：甲烷莫耳比率爲1 4與1 6至1之間。所得的氣 © 體混合物36首要地包含甲烷與蒸氣並供應至如上所述之 一個或以上之重組反應器模組1 〇。 系統30包含控制供應至預重組器35之蒸氣對碳的比率 (不管甲烷或其他的烷烴）之控制系統38。在一般操作期間， 蒸氣：碳的比率約爲1.4至1，但在起動期間使用較高的蒸 氣比率避免在重組模組10中之觸媒焦化，同時觸媒溫度上 升至其標準値。流動傳送器40測量31、32與33的輸入蒸 氣流量，且供應數據至燃料流動控制器42。操作燃料流動 ® 控制器42來控制閥44以調整蒸氣流率，以確保所需的蒸 氣對碳的比率。來自測量進料氣體流量31的流動傳送器40 之信號亦可傳送至流量控制器46，流量控制器控制通風閥 48將進料氣體流量之任何尖峰轉移至系統30外，例如轉移 至燃燒塔（flare)(未顯示）。 提供熱交換器50來加熱循環尾氣蒸氣33至蒸氣32與進 料氣體31之相同溫度，其中在此裝置預先加熱至上升的溫 度。接著混合氣體蒸氣31、32與33,且所得氣體混合物藉由 -16- .200940164 預加熱器52再進一步加熱至預重組器35的所需的輸入溫 度，一般約425°C。 進料氣體31及尾氣33的流率藉由相對應的流動傳送器 40來量測，但提供結果至通氣閥48，係在54計算與傳送 來控制蒸氣甲烷重組模組1〇(如下所述）。 在預重組器35中之反應可以藉由預還原與穩定的鎳爲主 的觸媒來催化。因爲尾氣33包含在氣體混合物之間，氣體混 合物包含一氧化碳與二氧化碳，因此在預重組器之反應爲輕 ® 微的放熱，且所得輸出蒸氣36之溫度約540°C。 爲了保護在預重組器35與重組反應器模組10之觸媒， 需要控制溫度與進料至預重組器35的組成物。例如，如果濃 縮條件存在，例如如果在預重組器35中之溫度小於1 80°C， 則不需要引入蒸氣。蒸氣亦不可單獨流經預重組器35長於15 分鐘’否則觸媒可能開始歷經不可逆的氧化反應。爲了防止 觸媒氧化，蒸氣32應與至少小比例的氫或天然氣混合，例如 10 mole%。預重組器35在至高爲20(TC可通過天然氣而沒有 戲 損害’但如果在超過250°C時天然氣通過觸媒，在約20秒之 間將因焦化而破壞觸媒。因此，如果蒸氣供應32停止就關掉 天然氣進料蒸氣31’且亦須關掉尾氣蒸氣33。預重組器35 不應降壓快過lbar/min來避免觸媒損壞，且亦不應加熱或冷 卻快過l°C/min » 現在參考第4圖’其顯示系統6〇用來控制如第1圖所示 之蒸氣重組模組10的操作之流程圖。在此例子中氣體供應 爲：脫硫天然氣體61作爲燃料，來自預重組器35之氣體混 -17- ,200940164 合物36與吹製空氣62。氣體混合物36主要地包含蒸氣與甲 烷來控制包含壓力傳遞器64之迴路，提供關於氣體混合物36 之壓力數據至壓力控制器65，壓力控制器65可以使用控制閥 66來調整流率，且如果氣體混合物36之壓力超過反應器模組 10之預定安全限値壓力，可以打開通風閥67來轉向氣體混合 物至燃燒塔。 亦可供應反應器模組10用於燃燒反應的吹製空氣62與 脫硫天然氣61之混合物。吹製空氣62經由預加熱器604先加 © 熱，接著藉由溫度感應器605量測其溫度。供應至模組10之 空氣流率係藉由閥606來調整，閥係回應來自控制器70之控 制信號。控制器70接收來自溫度感應器605與氧感應器607 兩者之信號，氧感應器607係位在第二模組12b的燃燒氣體 之出口。 吹製空氣62在通過閥606之後，分成第一空氣流經由熱 交換器610供應至第一反應器模組12a之入口的靜態混合器 618(與燃料混合），及第二空氣流經由熱交換器611供應至位 ® 於第一反應模組12a之出口的靜態混合器25之入口 24。第一 與第二空氣之流率係藉由在第二空氣流量之閥608來控制。 藉由控制器72來控制此閥608，控制器接收來自靜態混合器 25之出口的溫度感應器609與閥608之入口的流量感應器74 之輸入信號。熱交換器610與611可以分離地來控制，熱交 換器610加熱空氣至溫度約500°C同時第二階段加熱器611加 熱空氣至溫度範圍爲300°C。 脫硫氣體61係用於燃燒之燃料，其以相似於控制吹製氣 -18- .200940164 體62的方法來控制，然而如上述之說明供應至第一反應器組 12a之混合物可以爲80%的所需空氣與55%或60%的所需燃 料。經由在第一反應器組12a與第二反應器組12b之間之靜態 混合器25與27引入剩餘的所需空氣與剩餘的所需燃料。燃 料流61分成兩流：第一流經控制閥614與熱交換器616至第 一反應器組12a在入口之靜態混合器618,及第二流經控制閥 615與熱交換器617至靜態混合器27之入口 26。藉由熱交換 器616加熱第一流至約500°C或550。〇同時藉由熱交換器617 © 加熱第二流至約30(TC。 藉由控制器612來提供系統60之全部控制。控制器612 接收信號54,其指示天然氣31與尾氣33之流量（參考第3圖） 可推論甲烷流會重組。控制器612亦接收從第二反應器組12b 之出口的溫度感應器613的資料。亦接收控制器70有關吹製 空氣62之流量的資料。控制器612藉由提供信號至個別的閥 控制器76與78(其亦接收來自流量感應器77與79流率之資 料），來控制經由閥614與615之燃料流量。控制器612亦控 ® 制經由閥606之吹製空氣62的流率，係藉由提供信號至控制 器70。 因此，在系統60的操作中供應空氣至模組1〇,也就是說 吹製空氣之流量62，係根據待重組甲烷的量藉由控制器612 與控制器70來控制。如果藉由模組1〇之出口的感應器607 檢測到氧減少，則接著調整閥606以增加至模組10的吹製空 氣62之流量。如果氧增加，則減少至模組1 〇之吹製空氣62 的流量，且亦按比例減少燃料61之流率。 -19- .200940164 亦根據待重組之甲烷量來控制燃料61之流率。此外， 如果從模組10出口之感應器613所測出的溫度變爲極度地 高，就減少至兩個反應器組12a與12b之燃料61的流率。 另一方面如果從靜態混合器25出口之感應器609測出溫度 爲上升，則增加供應至靜態混合器25的入口 24之空氣（或 可調整熱交換器611爲較低的溫度）。此確保在混合器27 中氣體混合物低於其自燃溫度。 控制蒸氣重組模組100的操作之系統如第5圖所顯 © 示，該系統可與如上所述之系統60相似，除了將第一反應 器組12a之燃燒通道的輸出予以排氣，且供應新的空氣與 燃料混合物。因此不需要靜態混合器25,只需要混合器27。 在模組100中，可分別控制輸入兩階段之氣體溫度與數量， 且用於第二反應器組12b的空氣與燃料之溫度分別藉由熱 交換器611和617來控制（與第5圖之熱交換器105和104 相符合），其溫度至高爲500°C或550°C(如上所述除了 300°C)。 ® 控制系統30描述得到烴類之兩個來源：天然氣31與 尾氣33。應注意的此僅爲例示，當只需要供應含至少一部 分烴之氣體時，一般提供天然氣》如果有獲得氣態烴之第 二來源，那麼亦可在類似的方法中供應尾氣33。例如，在 全文中的不同處理裝置提供此預重組器35與已結合的控 制系統30時，例如用於製造甲醇（除了製造長鏈烴）之處理 裝置，則可能只有單一此氣體供應至預重組器35，或亦有 與上述組成物不同的尾氣。 -20- .200940164 【圖式簡單說明】 第1圖顯示本發明之反應模組的側視圖； 第2圖顯示經由第1圖之反應器模組的溫度變化圖， 及在蒸氣甲烷重組中所轉化的對應變化； 第3圖顯示藉由提供蒸氣甲烷混合物至第1圖的模組 之系統； 第4圖顯示合倂第1圖的模組之系統；及 第5圖顯示本發明的另外反應模組之流程圖。 © 【主要元件符號說明】 10 反 應 器 模 組 12a 第 一 反 應 器 組 12b 第 二 反 應 器 組 15 通 道 16 通 道 17 火 焰 阻 止 器 20 導 管 22 導 管 24 入 P 25 靜 態 混 合 器 26 入 P 27 靜 態 混 合 器 30 系 統 31 進 料 蒸 氣 32 供 應 蒸 氣 -21- 200940164 ❿ 33 尾氣 35 預重組器 36 氣體混合物 38 控制系統 40 流動傳送器 42 燃料流動控制器 44 控制閥 46 流量控制器 48 流量控制器控制通風閥 50 熱交換器 52 預加熱器 54 接收信號 60 系統 61 脫硫天然氣體 62 吹製空氣 64 壓力傳遞 65 壓力控制器 66 控制閥 67 通風閥 68 熱交換器 70 控制器 76 閥控制器 77 流量感應器 78 閥控制器 -22- 200940164

79 流 量 感 應 器 100 反 應 器 模 組 102 排 氣 孔 104 熱 交 換 器 105 熱 交 換 器 604 預 加 熱 器 605 溫 度 感 應 器 606 閥 607 氧 感 應 器 608 閥 609 溫 度 感 應 器 610 熱 交 換 器 611 熱 交 換 器 612 控 制 器 613 溫 度 感 應 器 615 控 制 閥 616 熱 交 換 器 617 熱 交 換 器 618 靜 態 混 合 器

Claims (1)

1. .200940164 七、申請專利範圍： 1. 一種用於實行吸熱反應之催化反應模組，其模組包括多 數的分離反應器組，每一反應器組界定爲在區間交替式 配置許多第一及第二流動通道，以確保第一及第二流動 通道間之熱接觸，反應器組的配置與連接係用來在第一 流動通道中經歷吸熱反應來串流氣體混合物，且亦用來 在第二流動通道中可燃氣體混合物的流動，使得吸熱反 應混合物串聯流經反應器組。 Ο 2.如申請專利範圍第1項之反應器模組，其中包含在連續 反應器組之間的裝置以引入額外的燃料。 3. 如申請專利範圍第2項之反應器模組，其中額外的燃料 係被導入因燃燒而產生之流出氣體混合物中。 4. 如申請專利範圍第2或3項之反應器模組，其中配置模 組使得被提供至反應器組的可燃氣體混合物係在自燃溫 度以下之升高溫度，該溫度係因爲在一個或以上之反應 器組中燃燒可燃氣體混合物而至少部分上升。 ® 5 .如申請專利範圍第4項之反應器模組，其係配置爲使得 提供至模組中每一反應器組之可燃氣體混合物爲該升高 溫度。 6.如申請專利範圍第3項之反應器模組，其亦包括在連續 反應器之間的裝置，以引入額外含氧氣體進入因燃燒而 產生之流出氣體混合物中。 7 ·如上述申請專利範圍中任何一項之反應器模組，其中反 應器組中第一流動通道及第二流動通道往同方向延伸， -24- .200940164 且可燃氣體混合物及吸熱反應混合物在同方向流動。 8. 如上述申請專利範圍中任何一項之反應器模組，其中流 動通道中每一反應器組之長度至少爲300mm，更佳爲至 少爲500mm，但較佳爲不大於1000mm。 9. 如上述申請專利範圍中任何一項之反應器模組，其中將 火焰阻止器提供至用於燃燒的每一通道之入口》 10.—種實行吸熱反應之方法，其中使用如上述申請專利範 圍中任何一項之反應器模組。 © 11.—種實行吸熱反應之方法，其中藉由在相鄰的通道之燃 燒反應來提供吸熱反應之熱需求至吸熱反應，且其中吸 熱反應在多數連續階段中進行。 12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中燃燒反應係在至少 兩個階段中依序進行，在相同順序做爲吸熱反應，在引 入下一個階段之前，處理從一個階段所產生的可燃氣體 混合物。 13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中處理包含改變其溫 ® 度及塡加額外之燃料。 14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中藉由添加氣體或蒸 汽來改變溫度。 15. —種用來實行吸熱反應的觸媒反應模組之控制系統，其 中該模組包含多數分離反應器組，每一反應區界定爲第 一及第二流動通道，反應器組的配置與連接係用來在反 應器組之第一流動通道中經歷吸熱反應來串流氣體混合 物，且亦用來在第二流動通道中可燃氣體混合物的流 -25- 200940164 動，使得可燃氣體混合物流經反應器組且使吸熱反應混 合物串聯流經反應器組，其中控制系統包含監控歷經吸 熱反應之混合物的流速之裝置，及根據監控之流速來控 制經歷燃燒之混合物的流速之裝置。 16.如申請專利範圍第15項之控制系統，其中提供至第一反 應器組之燃料的比例，係供應至模組之燃料的5〇%至 70%。

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