(57) Реферат / Формула:
Настоящий документ описывает способ и устройство для частичного окисления углеводородов. Более конкретно, он описывает способ и устройство изотермического реактора для частичного окисления метана, который содержит поверхность теплопередачи, пористую каталитическую мембрану и в котором тепло рассеивается и/или отводится через поверхность теплопередачи.
Евразийское (21) 201290618 (13) Al
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. C01B 3/38 (2006.01)
2013.02.28 C01B 13/02 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2011.01.07
(54) ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ЧАСТИЧНОГО ОКИСЛЕНИЯ МЕТАНА
(31) (32)
1000156.8
2010.01.07
(33) GB
(86) PCT/GB2011/050015
(87) WO 2011/083333 2011.07.14
(71) Заявитель:
ГЭС2 ЛИМИТЕД (GB)
(72) Изобретатель:
Кинтеро Рубен Дарио Родригес, Диас Эрнесто Мануэль Сантана, Бэнистер Джеймс Эндрю (GB)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
(57) Настоящий документ описывает способ и устройство для частичного окисления углеводородов. Более конкретно, он описывает способ и устройство изотермического реактора для частичного окисления метана, который содержит поверхность теплопередачи, пористую каталитическую мембрану и в котором тепло рассеивается и/или отводится через поверхность теплопередачи.
2420-187864ЕА/061 ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ЧАСТИЧНОГО ОКИСЛЕНИЯ МЕТАНА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ Настоящее изобретение относится к способу и устройству для частичного окисления углеводородов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и устройству изотермического реактора для частичного окисления метана, в котором используется поверхность теплопередачи.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ Существуют три основных технологии, которые используют для производства синтез-газа из метана, и они представляют собой конверсию водяным паром, автотермическую конверсию и частичное окисление (каталитическое и некаталитическое) . Наиболее часто используют автотермическую конверсию и конверсию водяным паром или их сочетание. В обеих этих технологиях требуется включать в исходный метан большую долю пара, чтобы предотвращать образование кокса и дезактивацию катализатора конверсии. Чтобы обеспечить высокую эффективность использования энергии, большое количество сухого и скрытого тепла, содержащегося в паре, необходимо регенерировать и возвращать в технологический процесс.
Для некаталитического частичного окисления не требуются высокие уровни пара, но очень высокие технологические температуры (более 1200°С) сами по себе создают проблемы для эффективности использования энергии.
Одна наиболее новая непромышленная технология представляет собой каталитическое частичное окисление метана с использованием родиевых катализаторов. Родий оказался высокоселективным в окислении с минимальным коксообразованием, позволяя осуществлять процесс частичного окисления при значительно меньших температурах. В осуществлении данного способа не требуется пар, хотя, согласно описаниям, небольшие количества пара (10% объема исходного метана) часто используют как средство увеличения соотношения водород/моноксид углерода в получаемом синтез-газе.
Простота системы, содержащей небольшое или нулевое
количество пара, сниженная рабочая температура и высокоактивный катализатор создают в перспективе компактный и производительный процесс, который способен работать эффективно без чрезмерной рециркуляции пара. Однако способы, описанные в литературе до патента США № 7641888 (Gobina), используют предварительно приготовленную исходную смесь в пределах взрываемости газов для обеспечения селективной реакции. Патент США № 7 641888 включен в настоящий документ посредством ссылки. Он представляет собой значительные проблемы безопасности, в частности, в процессе работы и подогрева соответствующих исходных материалов. Безопасность реакции зависит от скоростей газа, поддерживаемых на уровне, достаточно высоком для того, чтобы не происходил обратный удар к точке впуска.
Благодаря этому изобретению реактора с двумя камерами, разделенными пористой каталитической мембраной с одновременным перемешиванием и проведением реакции в реакторе, безопасность системы была повышена в значительной степени.
Однако существует еще одна проблема, которая связана с частичным окислением в реакторе с неподвижным слоем и описана в литературе, но не отмечена в патенте США № 7641888. Это проблема перегрева катализатора. С тех пор обнаружено, что аналогичная проблема может также возникать в описанном двухкамерном реакторе с пористой мембраной. Способы решения данной проблемы в многотрубчатом реакторе представляют собой предмет данного патента.
Частичное окисление метана представляет собой очень быструю реакцию, которая происходит при температурах, превышающих 600°С. Как правило, при ее осуществлении с использованием неподвижного слоя катализатора предварительно перемешанную исходную смесь, содержащую метан и кислород (где молярное соотношение газов составляет 2:1), подогревают, по меньшей мере, до 400°С, чтобы обеспечивать хорошую селективность по отношению к моноксиду углерода. Температура газов, проходящих над катализатором, быстро возрастает, и в адиабатических условиях (отсутствуют потери тепла) газообразные продукты, выходящие из реактора, могут нагреваться более чем до
900°С. Кроме того, выгодно, если можно проводить реакцию при повышенном давлении, поскольку большинство способов, в которых используют синтез-газ для получения другого химического соединения, осуществляются при повышенном давлении, и расходы на сжатие компонентов в исходных потоках (содержащих метан и кислород) являются ниже расходов на сжатие получаемого синтез-газа. Это обусловлено, в основном, увеличением объемов газа, которым сопровождается реакция. Оказалось, что частичное окисление метана, как описано в патенте США № 7 641888, обладает аналогичными характеристиками в отношении того, что его наиболее выгодно осуществлять при повышенных уровнях температуры и давления.
Недостаток проведения реакции частичного окисления в простом адиабатическом реакторе заключается в том, что отсутствует регулирование температуры текучих сред внутри реактора, в результате чего уменьшается гибкость в управлении реактором при температуре, которая является наиболее выгодной для сохранения продолжительного срока службы катализатора. В случае типичного реактора с продолжительным временем контакта это непосредственная проблема, которую должны решать специалисты в данной области техники. Возможности ее решения представляют собой помещение гранул катализатора в трубу реактора кожухотрубного типа или использование реакторов с охлаждаемыми трубами. Еще одна возможность, которую можно использовать в реакторе с пониженной температурой, заключается в том, чтобы проводить реакцию в жидкой фазе, где теплоемкость жидкости позволяет поглощать теплоту реакции.
Если для реакции, такой как частичное окисление метана, требуется короткое время контакта при высокой температуре, как правило, используют очень тонкий слой катализатора в виде гранул или сетки, то отвод тепла является более проблематичным. Можно найти необычные решения, такие как в реакторе конверсии метанола в формальдегид с серебряным катализатором, где хороший тепловой контакт между укрупненными спеченными гранулами катализатора обеспечивает отвод теплоты реакции на переднюю сторону слоя, чтобы она затем служила для подогрева исходных
материалов, создавая практически изотермический слои катализатора внутри адиабатического реактора.
При работе реактора с неподвижным слоем катализатора при предварительном перемешивании исходных материалов для окисления метана в синтез-газ существуют проблемы безопасности, которые связаны с работой во взрывоопасном режиме. Эти проблемы усиливаются, если требуется функция теплообмена внутри реактора. Сделаны некоторые попытки противодействия путем постепенного введения кислорода в исходный метан, для чего требуется сложная последовательность реакторов с неподвижным слоем и газораспределителей, как описано в патенте США № 7261751 (Conoco), который включен в настоящий документ посредством ссылки, и это позволяет отводить часть теплоты реакции между слоями катализатора, поскольку материал содержит небольшое или нулевое количество кислорода, когда он проходит через теплообменник. Однако это решение является сложным и дорогостоящим.
Проблема, обнаруженная в случае конфигурации с неподвижным слоем родиевого катализатора частичного окисления, заключается в том, что, несмотря на высокую селективность, которая достигается данной формой катализатора, возможно создание очень высоких температур поверхности катализатора, которые значительно превышают температуру адиабатической реакции.
Одна возможность уменьшения температуры поверхности катализатора внутри реактора заключается в том, чтобы использовать катализатор с турбулентным газом в контакте с катализатором. Это и составляет предмет настоящего изобретения.
Как известно, медленное частичное окисление метана кислородом представляет собой сильно экзотермическую реакцию, за которой следует эндотермическая реакция. После этого исходного факта было обнаружено, что реакция все же проходит с намного более высокими значениями газовой часовой объемной скорости (GHSV). Быстрое частичное окисление метана кислородом с использованием неподвижного слоя родия на оксиде алюминия считалось эффективно изотермическим, хотя по этому вопросу до сих пор не прекращаются споры. Опубликованные работы показали,
что путь реакции все же включает значительное выделение тепла в начальной части слоя катализатора и последующие эндотермические реакции (см., например, статью Basini, Aasberg-Petersen, Guarinoni, Ostberg в журнале Catalysis Today (Катализ сегодня), 2001 г., т. 64, с. 9-20, которая включена в настоящий документ посредством ссылки). Некоторые авторы приписали данное повышение температуры поверхности сверхадиабатическому эффекту, который связан с повышенными скоростями диффузии Нг и Н в процессах горения, другие предположили, что оно является следствием конкурентной кинетики. Однако так и не был найден удовлетворительный способ управления температурным профилем слоя катализатора.
Авторы настоящего изобретения также ссылаются на международную патентную заявку WO 2004/098750, которая включена в настоящий документ посредством ссылки и относится к мембране и способу изготовления мембраны, причем упомянутая мембрана используется в способе производства газообразного водорода частичным окислением метана.
Задача, по меньшей мере, одного аспекта настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить или уменьшить, по меньшей мере, одну или более из вышеупомянутых проблем.
Следующая задача, по меньшей мере, одного аспекта настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить улучшенный способ и устройство для частичного окисления метана.
Еще одна задача, по меньшей мере, одного аспекта настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить улучшенный способ и устройство для частичного окисления метана, которые позволяют охлаждать катализатор в реакционной зоне, в результате чего преодолевается проблема перегрева катализатора реакции.
Еще одна задача, по меньшей мере, одного аспекта настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить улучшенный способ и устройство для частичного окисления метана, которые позволяют использовать повышенные температуры, в результате чего увеличивается тепловой коэффициент полезного действия процесса, и также допускается повышение рабочего
давления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложено устройство для окисления газообразных реагентов, причем в упомянутом устройстве содержатся:
первая камера, образующая канал для первого газообразного реагента;
вторая камера, образующая канал для второго газообразного реагента;
пористая каталитическая мембрана, разделяющая первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана способна обеспечивать проникновение первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузию второго газообразного реагента в пористую каталитическую мембрану, таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
где теплота реакции, выделяющаяся в реакции первого и второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено устройство для окисления газообразных реагентов, причем в упомянутом устройстве содержатся:
первая камера, образующая канал для первого газообразного реагента;
вторая камера, образующая канал для второго газообразного реагента;
пористая каталитическая мембрана, разделяющая первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана способна обеспечивать проникновение первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузию второго газообразного реагента в пористую каталитическую мембрану, таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
где теплота реакции, выделяющаяся в реакции первого и второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны при прохождении газа вдоль поверхности теплопередачи практически перпендикулярно потоку газов через пористую каталитическую зону.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предложено устройство для окисления газообразных реагентов, причем в упомянутом устройстве содержатся:
первая камера, образующая канал для первого газообразного реагента;
вторая камера, образующая канал для второго газообразного реагента;
пористая каталитическая мембрана, разделяющая первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана способна обеспечивать проникновение первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузию второго газообразного реагента в пористую каталитическую мембрану, таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
где теплота реакции, выделяющаяся в реакции первого и второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны при прохождении газа вдоль поверхности теплопередачи практически перпендикулярно потоку газов через пористую каталитическую зону, где поверхность теплопередачи разделена пористой каталитической зоной, составляющей 5 мм.
Таким образом, настоящее изобретение относится к рассеиванию и/или отводу тепловой энергии, образующейся в результате теплоты реакции первого и второго газообразных реагентов, и уменьшению температуры поверхности в реакционной зоне. Первый и второй газообразные реагенты могут реагировать друг с другом в процессе частичного окисления, образуя частично окисленный продукт, такой как синтетический газ (например, СО и Н2) .
Использование цилиндрической геометрии вместо неподвижного слоя увеличивает площадь поверхности слоя катализатора, на которой можно осуществлять теплопередачу, в частности, посредством механизма теплового излучения экономичным способом. Теплоту реакции можно затем отводить, обеспечивая поверхность теплопередачи, например, на линии прямой видимости данной зоны катализатора, таким образом, что тепловое излучение и конвекция из реакционной зоны способны отводить некоторую часть теплоты
реакции с поверхности катализатора к поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи можно поддерживать при желательной температуре посредством использования потока газа, например, по обратной стороне. Каталитическая пористая зона поддерживается при более однородной температуре путем обеспечения хорошей теплопроводности. Это можно обеспечить, например, посредством использования спеченного носителя, в котором спекание составляющих его частиц повышает теплопроводность в результате тесного контакта между составляющими частицами. Одна возможность заключается в том, что этот поток газов может представлять собой один из исходных газов. В этом выгодна простота того, что поверхность теплопередачи не представляет собой находящуюся под давлением поверхность. Например, как указано в литературе, хотя температура газа, как правило, увеличивается от приблизительно 400°С до приблизительно 850°С от впуска до выпуска для стехиометрической реакции в неподвижном слое, можно обнаружить, что температуры поверхности катализатора достигают приблизительно 1100°С. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что использование поверхности теплопередачи на линии прямой видимости реакционной зоны для частичного окисления метана способно снижать максимальную температуру поверхности катализатора приблизительно на 50-300°С или, как правило, приблизительно на 100°С.
Количество тепла, которое можно отводить, зависит от скорости потока, экзотермичности реакции и полученной температуры поверхности. При температуре поверхности, составляющей приблизительно 1000°С, выделяемое тепловое излучение составляет приблизительно 60 кВт/м2. Количество тепла, которое можно отводить при этой температуре без серьезного неблагоприятного воздействия на селективность способа, в существенной степени зависит от технологических параметров, включая величину полного окисления, скорости потоков, давление и т.д. Верхний предел определяют величина площади поверхности и температура, и, таким образом, можно видеть, что увеличение видимой площади поверхности является полезным для теплопередачи. В конкретных вариантах
осуществления теплоту реакции можно отводить, соединяя устройство с эндотермической реакцией, такой как реакция конверсии метана водяным паром. Дополнительную возможность может представлять собой изготовление поверхности теплопередачи в виде трубы, в том числе окружающей цилиндрический носитель катализатора или помещенной между цилиндрическими блоками теплообменника, как правило, для теплообменника кожухотрубного типа. В обеих этих конфигурациях поверхность теплопередачи может образовывать содержащий давление резервуар, в котором можно теперь использовать отдельную текучую среду для поддержания желательной температуры поверхности теплопередачи. Кроме того, труба теплопередачи может даже содержать катализатор и реагирующие текучие среды. Например, если труба теплопередачи содержит катализатор конверсии водяным паром и подходящие реагирующие газы, то, поскольку конверсия водяным паром представляет собой сильно эндотермическую реакцию, некоторая часть теплоты реакции частичного окисления метана будет передаваться посредством конвекции и излучения, чтобы осуществлять конверсию метана водяным паром. Предпочтительно реакционная зона во второй камере, где могут реагировать первый и второй газообразные реагенты, может быть непосредственно соединена с эндотермической реакцией. Эндотермическая реакция предпочтительно может иметь теплоту реакции, составляющую приблизительно 2 00 кДж/моль.
Реакционная зона во второй камере, где могут реагировать первый и второй газообразные реагенты, может быть также непосредственно соединена с экзотермической реакцией, чтобы справиться с ситуацией, в которой реакция окисления становится эндотермической. Экзотермическая реакция предпочтительно может иметь свободную энергию реакции ДН, которая составляет приблизительно от 40 до 900 кДж/моль, в зависимости от уровня полного и частичного окисления.
Таким образом, тепло можно рассеивать и/или отводить из реакционной зоны во второй камере в первую камеру со скоростью, составляющую приблизительно от 0 до 50 кВт/м2 или, как правило, приблизительно 2 0 кВт/м2. Температура в реакционной зоне может
достигать верхней температуры поверхности, составляющей приблизительно 1000°С, и нижней температуры, составляющей приблизительно 750°С. Предпочтительно поддерживать реакционную зону при температуре, составляющей приблизительно 950°С, используя внешне соединенные экзотермические и/или эндотермические реакции.
Реакционную зону можно определить как любую часть или всю площадь второй камеры, где происходит реакция между первым и вторым газообразными реагентами. Реакционная зона может иметь длину, составляющую приблизительно 2 00 см, может находиться при температуре, составляющей приблизительно 900°С, причем существуют более высокие температуры около точек впуска исходных веществ и менее высокие температуры около точки выпуска продуктов, и/или рабочее давление может составлять приблизительно от 100 до 2000 кПа. Диаметр камеры, имеющей цилиндрическую форму, может составлять приблизительно 4 0 мм. При более высоком турбулентном потоке во второй камере температурный профиль является более ровным, и максимальные температуры поверхности могут существовать более чем через полпути через реактор, однако поверхность теплопередачи все еще является способной эффективно снижать температуры
каталитической поверхности.
Первый и второй газообразные реагенты можно подогревать в области реакционной зоны устройства.
Скорость потока первого и второго газообразных реагентов может составлять приблизительно 600 л/мин.
Как правило, первая камера может иметь вид трубы, форма которой может быть цилиндрической.
Первая камера может, таким образом, содержать центральный канал, через который может протекать первый газообразный реагент. Первая камера может также представлять собой реакционную камеру, в которой могут реагировать первый и второй газообразные реагенты.
Как правило, вторая камера может иметь вид трубы, форма которой может быть цилиндрической. Вторая камера может иметь больший диаметр, чем первая камера, и может, таким образом,
представлять собой внешнюю трубу. Как правило, вторая камера может образовывать оболочку вокруг первой камеры или, по меньшей мере, частично окружать ее. Вторая камера может, таким образом, образовывать канал для второго газообразного реагента.
Первый газообразный реагент может проникать из первой камеры через пористую каталитическую мембрану при высоких температурах во вторую камеру, чтобы реагировать со вторым газообразным реагентом. Скорость проникновения первого газообразного реагента может быть такой, чтобы перепад давления между одной камерой и другой поддерживался на подходящем уровне, составляющем, как правило, менее чем приблизительно 1 бар (0,1 МПа) . Перепад давления можно уменьшать, увеличивая размер пор носителя. Как правило, данный размер пор может составлять приблизительно от 200 до 20000 нм, причем толщину слоя регулируют, чтобы сбалансировать перепад давления и скорость проникновения.
Таким образом, удобно, чтобы первый газообразный реагент мог поступать, в основном, через первую камеру, и второй газообразный реагент мог поступать, в основном, через вторую камеру.
Первый газообразный реагент поступает со скоростью, составляющей приблизительно 300 л/мин, и может представлять собой, например, кислород.
Как правило, первый газообразный реагент можно подогревать до температуры, составляющей приблизительно 200°С, используя любой подходящий тип подогревателя.
Первый газообразный реагент может поступать в первую камеру через любое подходящее приспособление, такое как впуск.
Пористая каталитическая мембрана может представлять собой пористую трубчатую область, содержащую катализатор. Пористая трубчатая область может иметь любую подходящую форму и может содержать полую середину, образующую канал для второго газообразного реагента. Например, трубчатая область может иметь цилиндрическую или практически цилиндрическую форму.
Второй газообразный реагент может поступать со скоростью, составляющей приблизительно 600 л/мин, и может представлять
собой, например, метан. Второй газообразный реагент можно также подогревать до температуры, составляющей приблизительно 600°С, используя любой подходящий тип подогревателя. В конкретных вариантах осуществления можно использовать поверхность теплообмена.
Первый и второй газообразные реагенты могут реагировать, образуя синтетический газ (т.е. синтез-газ) и обеспечивая полную скорость выходящего потока, составляющую приблизительно 1800 л/мин.
В конкретных вариантах осуществления, где первый газообразный реагент представляет собой кислород, и второй газообразный реагент представляет собой метан, может происходить следующая реакция частичного окисления с образованием синтетического газа:
СН4+0, 502^СО+2Н2.
Пористая каталитическая мембрана может быть изготовлена из любого подходящего пористого материала, но, в частности, она изготовлена из оксида алюминия и имеет размеры пор, составляющие приблизительно от 0,2 до 20 мкм. Пористая каталитическая мембрана может, таким образом, образовывать пористый носитель, имеющий, например, цилиндрическую форму. Пористая каталитическая мембрана содержит структурные пустоты (т.е. пространства, не занятые гранулами катализатора). Предпочтительный каталитический материал представляет собой родий или платину. Катализатор может пропитывать весь объем пористой области, или его можно осаждать на одной или обеих из внутренней и внешней поверхностей пористой области.
Функция пористой каталитической мембраны может заключаться в том, чтобы позволять первому газообразному реагенту после поступления в первую камеру проникать по направлению к камере со вторым реагентом и обеспечивать диффузию второго газообразного реагента в пористую каталитическую мембрану, в которой происходит их реакция. Присутствие каталитического металла в зоне, где смешиваются газы, может обеспечить правильную стехиометрию на поверхности катализатора в целях поддержания хорошей селективности, одновременно обеспечивая
разделение газообразных реагентов при их поступлении в реактор.
Давление в центральном канале второй камеры может составлять приблизительно 500 кПа. Давление в первой камере может составлять приблизительно 550 кПа.
Используя теплообмен для поддержания температуры поверхности теплопередачи от 800 до 1000°С, можно регулировать температуру поверхности катализатора. Регулирование температуры поверхности катализатора обеспечит более равномерную температуру поверхности катализатора, составляющую
приблизительно 900°С. Это обеспечивает полезный эффект увеличения срока службы катализатора. Тепловой коэффициент полезного действия процесса может также увеличиваться, поскольку тепло можно использовать внутри реактора для подогрева исходных газов до более высокой температуры, чем при простом подогреве.
Температуру можно поддерживать, используя сочетание экзотермических и/или эндотермических реакций в процессе теплопередачи, чтобы поддерживать катализатор при оптимальной рабочей температуре, составляющей, например, приблизительно 900°С. Настоящее изобретение, таким образом, предлагает поверхность теплообмена и теплопередачи, которая способна обеспечивать отвод тепла с каталитической поверхности, где экзотермическая реакция является наиболее интенсивной, и необязательно вводить тепло в реакционную зону, где эндотермические реакции становятся более преобладающими. Тепло можно, таким образом, рассеивать, используя эндотермическую реакцию, такую как реакция конверсии метана водяным паром. В альтернативных вариантах осуществления тепло можно вводить за счет использования экзотермической реакции, такой как полное или частичное сгорание.
Кроме того, выгодно выбирать длину мембраны, диаметр каналов внутри мембраны и диаметр окружающей поверхности теплопередачи таким образом, чтобы число Рейнольдса (Reynolds) текучей среды, которая движется внутри камеры, содержащей метановый газообразный реагент, составляло более чем 500.
Первая камера может, таким образом, иметь такую длину и
диаметр, чтобы число Рейнольдса первого газообразного реагента, проходящего по длине первой камеры, составляло более чем приблизительно 500. В качестве числа Рейнольдса в первой камере можно выбирать любое из чисел, составляющих более чем приблизительно 1000, более чем приблизительно 5000 или более чем приблизительно 10000. В качестве альтернативы, число Рейнольдса в первой камере может составлять приблизительно от 500 до 20000 или приблизительно от 1000 до 20000.
Чтобы получить требуемое число Рейнольдса, в качестве длины первой камеры можно выбирать любую из следующих величин: более чем приблизительно 400 мм, более чем приблизительно 600 мм, более чем приблизительно 12 0 0 мм, более чем приблизительно 2000 мм или более чем приблизительно 5000 мм.
Чтобы получить требуемое число Рейнольдса, в качестве среднего гидравлического диаметра первой камеры можно выбирать любую из следующих величин: более чем приблизительно 2 мм, более чем приблизительно 5 мм, более чем приблизительно 10 мм или более чем приблизительно 2 0 мм.
Чтобы получить требуемое число Рейнольдса, в качестве среднего гидравлического диаметра первой камеры можно выбирать любую из следующих величин: менее чем приблизительно 300 мм, менее чем приблизительно 100 мм или менее чем приблизительно 50 мм.
Как правило, кислород может поступать в реактор через пористую зону, которая отделена от содержащей катализатор пористой зоны, где:
a. число Рейнольдса в камере, содержащей кислород, поддерживается ниже, чем в канале, содержащем метан;
b. пористый распределитель кислорода является сквозным.
В конкретных вариантах осуществления допускается прохождение части газа из одной камеры в другую без прохождения через каталитическую мембрану.
Реактор может содержать огнеупорную облицовку. Таким образом, оболочка реактора может содержать внутренний огнеупорный материал, способный самостоятельно сохранять тепло, придавая реактору адиабатические свойства, что позволит
регенерировать тепло после прохождения газов через реактор. Энергию от горячих газов можно затем использовать для производства энергии или подогрева газов в начале процесса.
Как правило, в реакции можно использовать воздух или любое сочетание обогащенного кислородом воздуха.
Реактор может также допускать очистку на месте, например, посредством введения, например, пара, чтобы повысить впускную скорость газа, уменьшить образование углерода и повысить выходы водорода.
Реактор может также допускать введение азота для повышения эффективности реактора и уменьшения требований к теплопередаче.
Реактор может также допускать извлечение газообразного продукта на обеих сторонах мембраны, другими словами, адиабатический реактор позволяет извлекать полученный синтез-газ через середину реактора на стороне мембраны или через оболочку адиабатического реактора.
Реактор может также допускать регенерацию катализатора на месте.
Реактор можно использовать для производства синтез-газа, имеющего соотношение Н2/СО, составляющее от приблизительно 2:1 до приблизительно 6:1, если это желательно.
Реактор можно, таким образом, использовать для переработки природного газа, метана из угольных пластов и биогаза.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, предложен способ рассеивания и/или отвода тепла вдоль реакционной зоны устройства, используемого для окисления газообразных реагентов, причем упомянутый способ включает:
изготовление первой камеры, образующей канал для первого газообразного реагента;
изготовление второй камеры, образующей канал для второго газообразного реагента;
изготовление пористой каталитической мембраны, разделяющей первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана способна обеспечивать проникновение первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузию второго газообразного реагента в пористую каталитическую мембрану,
таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
где теплота реакции, выделяющаяся в реакции первого и второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны.
Данный способ можно использовать в любом из описанных выше устройств.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны исключительно посредством примеров со ссылкой на сопровождающие чертежи, где:
фиг. 1 представляет температурный профиль поверхности неподвижного слоя родия на оксиде алюминия во время частичного окисления метана кислородом согласно предшествующему уровню техники;
фиг.2 представляет устройство с неподвижным слоем согласно предшествующему уровню техники;
фиг. 3 представляет устройство, которое включает подогрев газов в оболочке реактора согласно предшествующему уровню техники;
фиг.4а-о! представляют устройство, подходящее для частичного окисления метана согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.5а представляет сравнение температуры каталитической поверхности в адиабатических и изотермических условиях по определению путем моделирования методом CFD реакторов, работающих в режиме ламинарного газового потока, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.5Ь представляет вычисленный тепловой поток с поверхности теплопередачи небольшого реактора, работающего в изотермическом режиме, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6-9 представляют дополнительные устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.Юа-lOd представляют каталитические мембраны для создания турбулентности в реакторе с пористой мембраной
согласно вариантам осуществления настоящего изобретения; и
фиг.13 и 14 представляют дополнительные устройства
согласно настоящему изобретению. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Вообще говоря, настоящее изобретение относится к предложению способа и устройства для производства синтетического газа, используемого в производстве
синтетического жидкого топлива из газа (GTL) методом Фишера-Тропша (Fischer-Tropsch) в нефтегазовой промышленности, в производстве метанола или в производстве водорода, используемого в качестве топлива. В частности, настоящее изобретение заключается в предложении пористой мембранной трубы для частичного окисления метана, где используется поверхность теплопередачи, расположенная рядом с пористой мембраной, чтобы увеличить тепловой коэффициент полезного действия. Поверхность теплопередачи используется для рассеивания и/или отвода тепловой энергии, образующейся из теплоты реакции, в результате чего можно уменьшать и/или регулировать температуру катализатора.
В то время как морская добыча нефти слегка выросла за последние годы, добыча природного газа (который состоит, главным образом, из метана) увеличилась значительно больше. Природный газ часто добывают во время добычи из недр жидких углеводородов, таких как нефть, и его присутствие часто является нежелательным вследствие недостатка инфраструктуры для транспортировки природного газа в береговое хранилище. Недостаток инфраструктуры можно объяснить физическими свойствами природного газа, которые затрудняют его безопасную и/или эффективную транспортировку в его основном газообразном состоянии. В результате природный газ часто сжигают в виде факела, вызывая экономические потери и проблемы для окружающей среды. Следовательно, была бы желательной конверсия природного газа в какое-либо другое вещество, которое можно легко транспортировать, или транспортировка природного газа в жидком состоянии. Таким образом, разработка новых месторождений станет более обоснованной в финансовом отношении посредством
использования развитой инфраструктуры и технологии, уже применяемой в отрасли для транспортировки жидких углеводородов с морских месторождений.
Известна транспортировка природного газа в виде сжиженного природного газа (LNG) в имеющих специальную конструкцию судовых резервуарах, которые приспособлены для указанных целей. Однако этот способ обладает множеством недостатков, включая необходимость дорогостоящего компрессорного оборудования, которое трудно приспособить для работы в меньшем масштабе на небольших разрабатываемых месторождениях, потери газа во время транспортировки за счет испарения, связанные с транспортировкой опасности для судна и экипажа вследствие имеющих высокое давление легковоспламеняющихся газов и необходимость снижения давления LNG и превращение его в газообразное состояние для использования на предприятии потребителя.
Считают, что лучший способ использования добываемого на морских месторождениях природного газа (СН4) представляет собой его конверсию, непосредственно на морской буровой платформе или на небольшом расстоянии от нее, в синтетический газ (т.е. синтез-газ), который можно, в свою очередь, использовать для производства газов, текучих сред и химических продуктов, таких как метанол, аммиак и, что важно, неочищенные жидкие углеводороды, которые можно легко перекачивать по таким же нефтепроводам, как добываемую нефть.
Синтез-газ содержит смесь моноксида углерода (СО) и водорода (Н2) . Согласно имеющейся в литературе информации, конверсия синтез-газа в жидкий углеводород представляет собой реакцию роста цепи между моноксидом углерода и водородом на поверхности гетерогенного катализатора.
Фиг. 1 представляет температурный профиль поверхности неподвижного слоя родия на оксиде алюминия во время частичного окисления метана кислородом. Ниже представлено частичное окисление метана:
СН4+0, 502^СО+2Н2.
Хотя здесь используют быстрое по своей природе катализируемое родием частичное окисление метана кислородом,
которое можно осуществлять в компактном реакторе, желательном для производства синтез-газа, высокие температуры, до которых нагревается катализатор в способах предшествующего уровня техники, препятствуют промышленному использованию данной технологии. В этих типах способов предшествующего уровня техники предотвращается любая внешняя теплопередача в процессе одностадийной реакции. Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы преодолеть эту проблему.
Как указано выше, настоящее изобретение относится к использованию пористой мембранной трубы для частичного окисления метана. Это позволяет использовать поверхность теплопередачи, которая расположена рядом с пористой мембраной, чтобы уменьшать температуру поверхности катализатора. Использование пористой мембраны для контакта метана и кислорода было ранее запатентовано (см. международную патентную заявку W0 2004/001787, которая включена в настоящий документ посредством ссылки), поскольку оно делает выгодным способ производства синтетического газа. Раздельное введение метана и кислорода делает данный способ более безопасным, и использование газопроницаемого слоя регулирует смешивание двух газов, обеспечивая высокие степени конверсии. Теперь данный способ дополнительно разработан в настоящей заявке посредством использования поверхности теплопередачи и геометрических конфигураций, которые повышают турбулентность рядом с поверхностью катализатора в содержащем метан потоке.
Существуют внешние аналогии неподвижного слоя катализатора и цилиндрического пористого носителя (т.е. катализатора) в том, что цилиндр можно рассматривать как свернутый лист неподвижного слоя или радиальный слой катализатора, однако существуют важные различия. Во-первых, газообразные реагенты поступают с обеих сторон слоя катализатора таким образом, что, по меньшей мере, один реагент должен диффундировать в слой катализатора реакции против потока другого реагента и газообразных продуктов. Во-вторых, поскольку газообразные продукты выводятся по длине цилиндрической мембраны на поверхности слоя катализатора, состав газов изменяется от исходных веществ до продуктов вдоль
пористой мембраны. Это приводит к изменению характеристик тепловыделения вдоль мембраны, даже если на мембрану нанесен регулирующий проницаемость слой. Неожиданный эффект заключается в получении температурного профиля вдоль мембраны, который представляет собой модифицированный вариант температурного профиля реактора с неподвижным слоем. При использовании геометрических параметров реактора и катализаторов, которые способствуют ламинарному потоку, данный эффект становится наиболее выраженным. Как только движение потока, содержащего метан и полученный синтетический газ, становится турбулентным, максимальная температура поверхности сдвигается за среднюю точку реактора. Таким образом, на температурный профиль могут влиять другие характеристики реактора, что может приводить к еще более ровному профилю, например, при создании турбулентности в камере, содержащей исходный газообразный углеводород, в результате чего можно исключить требование подвода тепла к частям зоны катализатора. Однако по-прежнему остается выгодным ограничение температуры поверхности катализатора посредством использования поверхности
теплопередачи, поскольку все еще происходит перегрев поверхности. При этом в системах с неподвижным слоем используется очень тонкий слой, что препятствует использованию традиционных теплообменных элементов. Использование длинного цилиндрического контактного устройства расширяет температурный профиль, что позволяет отводить тепло с каталитической поверхности, где экзотермическая реакция является наиболее интенсивный, и необязательно вводить тепло в реакционную зону, где эндотермические реакции становятся более преобладающими.
Фиг. 2 представляет устройство с неподвижным слоем, обозначенное в целом ссылочной позицией 100. Как показано на фиг.2, предварительно полученная смесь метана и кислорода первоначально поступает в и через экран 110 для теплового излучения. Потери тепла со стороны впуска слоя приводят к тому, что реакция не инициируется. Газовый поток затем проходит по неподвижному слою катализатора 112, в результате чего смесь метана и кислорода превращается в синтетический газ (т.е.
синтез-газ).
Ограничение данного способа с неподвижным слоем заключается в том, что отсутствует простой механизм, посредством которого можно уменьшать температуру поверхности неподвижного слоя. Охлаждение газов на впуске приводит к гашению реакции и уменьшению селективности реакции. Уменьшение селективности приводит к выделению большего количества тепла в слое катализатора, поскольку теплота нежелательной реакции образования диоксида углерода значительно превышает теплоту желательной реакции частичного окисления в моноксид углерода. Высокие скорости газа, требуемые для такого типа реактора окисления неподвижным слоем, приводят к очень тонкому каталитическому слою, с поверхности которого невозможен отвод тепла посредством излучения. Настоящая заявка преодолевает данную проблему.
Хотя предложение поверхности теплообмена внутри реактора, предназначенного для частичного окисления метана, и ее содержание описано на предшествующем уровне техники, системы таких типов передают тепло от газообразных продуктов после реакционной зоны поступающим исходным газам, но не позволяют передавать тепло непосредственно из зоны катализатора. Таким образом, такой способ предшествующего уровня техники не решает проблемы перегрева катализатора, которые присущи проведению каталитической реакции частичного окисления в адиабатической реакционной зоне. Например, рассмотрим фиг.З, представляющую устройство 200, которое включает подогрев газов в оболочке реактора. Устройство 2 00 представляет собой гибридный пористый мембранный реактор, в котором мембрана действует в качестве распределителя кислорода и происходит подогрев газов вне реакционной зоны. Фиг.З показывает, что существует впуск исходного газа 210, через который проходит газообразный метан 212. Газообразный метан 212 поступает в пористую трубчатую область 214, которая содержит неподвижный слой катализатора 216. Как показано на фиг.З, кислород 222, который проходит снаружи устройства 200, проникает, как обозначено стрелками 218, через пористую область 214 и внутрь неподвижного слоя
катализатора 216. Метан превращается в синтетический газ 224 на выпуске 220, причем теплопередача происходит, как обозначено стрелками 226, через выпуск 220. Однако такие способы не предотвращают перегрев катализатора, поскольку реакционная зона по-прежнему работает в адиабатическом режиме без отвода тепла непосредственно с поверхности катализатора. Использование пористого мембранного носителя, как предложено в настоящем изобретении, позволяет справляться с этими повышенными температурами.
Фиг.4а-4о! представляют возможные конфигурации
каталитических поверхностей и поверхностей теплопередачи согласно настоящему изобретению, а также зоны, в которых возможно обеспечение теплопередачи.
Фиг.4а представляет устройство 300 согласно настоящему изобретению. Как показано на фиг.4а, газ 1, обозначенный условным номером 312, поступает в канал 311, образованный внешней цилиндрической трубой 313. Газ 1 поступает со скоростью, составляющей приблизительно 300 л/мин, и может представлять собой, например, кислород. Газ 1 подогревают до температуры, составляющей приблизительно 200°С, используя любой подходящий тип подогревателя.
Фиг.4а также показывает, что газ 2, обозначенный ссылочной позицией 314, поступает через впуск 310 в пористую трубчатую область 316, содержащую катализатор. Пористая трубчатая область 316 может иметь любую подходящую форму, но должна содержать полую середину, образующую, по меньшей мере, один канал для газа 2. Например, трубчатая область 316 может иметь цилиндрическую или по существу цилиндрическую форму.
Газ 2 поступает со скоростью, составляющей приблизительно 600 л/мин, и может представлять собой, например, метан. Газ 2 подогревают до температуры, составляющей приблизительно 700°С, используя любой подходящий тип подогревателя.
Пористая трубчатая область 316 состоит из любого подходящего пористого материала (например, микропористого) , но, в частности, она состоит из керамического материала на основе оксида алюминия, у которого размер пор составляет
приблизительно от 200 до 20000 нм, а также может состоять из композитных слоев. Материал, из которого состоит пористая трубчатая область 316, имеет толщину, составляющую приблизительно 3 мм.
Фиг.4а показывает, что как только газ 1 поступает в канал 311, образованный внешней трубой 313, газ 1, обозначенный стрелками 318, получает возможность проникать через пористую трубчатую область 316, как обозначено стрелками 322, в центральный канал, имеющий общее обозначение 328. Это происходит в области, обозначенной как зона 1 и зона 2, где температура составляет приблизительно от 700 до 1000°С. Температуры, как правило, являются наиболее высокими в зоне 1, в зависимости от степени внешнего подогрева газа и режима потока газов, ламинарного или турбулентного. В области зоны 2 температуры, как правило, падают ниже 900°С.
Расстояние между внешней трубой 313 и пористой трубчатой областью 316 составляет приблизительно 20 мм. У внешней трубы 313 диаметр составляет приблизительно 90 мм, и ее длина составляет приблизительно 1900 мм. У пористой трубчатой области 316 диаметр составляет приблизительно 50 мм, и ее полная длина составляет приблизительно 2000 мм. Активная область пористой трубчатой области 316, где происходит реакция, имеет длину, составляющую приблизительно 1900 мм.
Пористая трубчатая область 316 состоит из любого подходящего пористого материала, такого как керамический материал на основе спеченного оксида алюминия, и содержит любой подходящий тип катализатора, такого как диспергированный металлический родий. Катализатор пропитывает насквозь всю пористую трубчатую область 316 или осаждается на одной или обеих из внутренней и внешней поверхностей пористой трубчатой области 316.
Газы (газ 1 и газ 2) вступают в контакт преимущественно в пористой области 316, где происходят реакции. Диффузия газов приводит к тому, что все газы обнаруживаются в некоторой степени во всех областях. Например, в вариантах осуществления, где газ 1 представляет собой кислород, и газ 2 представляет
собой метан, происходит частичное окисление метана, как показано ниже:
СЩ+О, 502^СО+2Н2.
Давление в центральном канале 32 8 составляет приблизительно 400 Па, когда скорость потока в производстве синтез-газа составляет приблизительно 1800 л/мин.
Фиг.4а также показывает, что теплопередача происходит, как обозначено стрелками 320, где тепло рассеивается из пористой трубчатой области 316 по направлению к внешней трубе 313. Этот процесс может происходить, потому что температура поверхности пористой среды выше, чем температура окружающих газов, что характерно для частичного окисления метана с родиевым катализатором. Высокая температура газа и высокая температура поверхности позволяют отводить тепло посредством теплового излучения даже на поверхность, температура которой выше температуры отделяющегося газа. Помимо увеличения расстояния, на котором наблюдается характерный температурный профиль поверхности, становится возможным не только отвод тепла из средней секции слоя, где температуры поверхности являются наиболее высокими. Тепло рассеивается посредством использования более холодного потока газа по обратной стороне поверхности теплопередачи; кроме того, этот газ может находиться в контакте с катализатором для эндотермической реакции, такой как реакция конверсии метана водяным паром, на поверхности 313. Кроме того, если реакция образования синтез-газа становится
эндотермической, тепло можно вводить, используя экзотермическую реакцию.
Как показано на фиг.4а, справа и на выпуске 324 происходит конверсия газа 1 и газа 2 в синтетический газ 326 (т.е. синтез-газ) .
В конфигурации реактора согласно фиг.4а, небольшого непромышленного реактора, содержащего одну каталитическую мембрану, температуру поверхности катализатора 316 можно регулировать, например, посредством электронного управления зонального нагревания и охлаждения реакторной стенки 313, окружающей пористую каталитическую мембрану, в результате чего
образуется изотермическая поверхность вокруг катализатора. Например, это можно осуществлять с каталитической мембраной, у которой, как правило, диаметр составляет 25 мм, и длина составляет 368 мм, и скорость потока метана в области составляет 1 л/мин, и реактор, диаметр которого составляет приблизительно 6 0 мм, работает при абсолютном давлении 1 бар
(0,1 МПа). Тепловой поток, требуемый для поддержания этой изотермической поверхности, представлен на фиг.5Ь. На отрезке АВ кривой тепло отводится с изотермической поверхности, и, таким образом, охлаждается поверхность (зона 1 на фиг.4а), и посредством теплопередачи охлаждается поверхность катализатора
(отрезок АВ) . На отрезке ВС кривой тепло поступает к изотермической стенке (зона 2 на фиг.4а), и, таким образом, нагревается поверхность катализатора (область CD катализатора 316 на фиг.4а).
Моделирование показало, что использование изотермической трубы вокруг реакционной зоны, как показывает поверхность 313 на фиг.4а, способно уменьшать максимальную температуру поверхности катализатора приблизительно на 100°С. Вследствие этого, уменьшение температуры поверхности катализатора увеличивает срок службы катализатора. В качестве альтернативы, температуры исходных газов можно увеличивать, что увеличивает конверсию в реакторе и повышает тепловой коэффициент полезного действия процесса.
В качестве следующего примера на фиг.5а приведены вычисленные температурные профили для такого же небольшого реактора, работающего в режиме ламинарного потока при скорости 2 л/мин метана и абсолютном давлении 4 бар (0,4 МПа) . При увеличении потока увеличивается степень полного окисления, которое происходит, и, соответственно, увеличивается экзотермичность суммарной реакции. Если катализатор работает в реакторе с изотермическим режимом при температуре стенок, составляющей 800°С (1073 К), видно, что температура поверхности катализатора, приведенная на графике, также близка к изотермической. Если реактор работает в адиабатическом режиме без потери тепла, то поверхность катализатора становится
чрезмерно горячей.
Фиг.6-9 представляют несколько возможных вариантов практического осуществления реакции согласно настоящему изобретению. Эти конфигурации поверхности теплопередачи и поверхности катализатора можно использовать в оболочке реактора, как показано в конкретных вариантах осуществления, таких как те, которые представлены на фиг.6-9. Фиг.6 и 7 представляют подогрев газа 1 или газа 2. В конструкциях может быть также предусмотрено нагревание другого газа посредством использования байонетной трубки внутри тела цилиндрической каталитической мембраны.
В конструкции реактора большего размера обнаружено, что если создается турбулентное движение в содержащем метан потоке, то возможна одна зона отвода тепла, и зону 2, представленную на фиг.4а, можно не включать для упрощения конструкции реактора. Многотрубчатая конструкция реактора со схемой теплопередачи, которая представлена на фиг.4а, схематично изображена на фиг.7. В реакторе данной конструкции каталитическая мембрана 511 герметично прикреплена одновременно к верхней трубной решетке
510 и нижней трубной решетке 513. Для этого требуется скользящее уплотнение на нижней трубной решетке 513 во избежание механических напряжений на каталитической мембране
511 в результате различного теплового расширения. Поверхность теплопередачи 512 подогревает поступающий воздух, прежде чем воздух входит во внешнюю камеру 514.
Возможны также и альтернативные конфигурации, которые обсуждаются ниже.
На фиг.4Ь конфигурация газов изменена тем, что содержащий кислород газ проходит вниз в центре каталитической пористой мембраны, что позволяет подогревать содержащий метан газ в оболочке реактора. Если поток содержащего метан газа во внешней области является турбулентным, то температурный профиль может не иметь сильного экзотермического максимума вблизи начала реактора. Преимущество такой конфигурации заключается в том, что для нее требуется герметизация только вокруг одного края каталитической мембраны, что может упрощать конструкцию
реактора и снижать его стоимость.
Фиг. б показывает, как конфигурацию газов, представленную на фиг.4Ь, можно осуществлять для многотрубчатого реактора. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.б, каталитические мембраны состоят из содержащего оксид алюминия пористого керамического материала и имеют круглое поперечное сечение с одним внутренним каналом, чтобы максимально увеличивать внутренний средний гидравлический диаметр. Диаметр керамической трубы составляет приблизительно 41 мм, и длина керамической трубы составляет приблизительно 3 метра. В керамическую трубу можно включить дополнительный пористый элемент, чтобы сократить до минимума турбулентность в центре трубы и распределять содержащий кислород газ вниз по трубе. Содержащий кислород газ подогревают до температуры, составляющей, по меньшей мере, 200°С, и содержащий метан газ подогревают до температуры, составляющей, по меньшей мере, 400°С. Вся система работает при давлении, составляющем приблизительно 10 бар (1 МПа), и перепаде давления на каталитической пористой мембране, составляющем 1 бар (0,1 МПа) или менее. Снаружи каталитической трубы находится цилиндрическая металлическая оболочка 412, которая действует в качестве поверхности теплопередачи и принимает тепловое излучение с поверхности катализатора. Исходный газообразный метан для реактора проходит по внешней стороне этой трубы в турбулентном потоке таким образом, что он отбирает некоторое количество тепла от окружающей оболочки перед поступлением в реакционную камеру 414. Дополнительный холодный газообразный метан можно также вводить через вторичный распределитель в оболочке реактора, чтобы регулировать температуру впуска метана, но он не показан на схеме. Для этой конфигурации не требуется никакого непосредственного соединения каталитической мембраны 411 с нижней трубной решеткой 413, и, таким образом, предотвращаются напряжения каталитической мембраны 411. Кроме того, можно сделать такую конфигурацию поверхности теплопередачи, чтобы она была расположена в пористой каталитической мембране. Эти конфигурации проиллюстрированы на
фиг.4с и 4d. Помещение поверхности теплопередачи в центр каталитической структуры обладает преимуществом возможности высококомпактной конструкции. Однако можно также создавать ламинарный поток и уменьшать доступное пространство для пористого распределителя кислорода, что может также быть полезным. Устройство для теплопередачи может также принимать форму теплопроводного материала как средства отвода избыточного тепла из реакционной зоны или трубы для содержания текучей среды.
Фиг. 8 и 9 иллюстрируют реактор в вариантах осуществления, которые допускают сочетание процесса частичного окисления, в котором используется двухкамерное устройство, с более традиционным катализатором конверсии водяным паром. Это позволяет уменьшать используемую для частичного окисления температуру поверхности катализатора при одновременном сведении до минимума количества кислорода, требуемого для достижения высокой конверсии.
В патенте США № 4844837 (Heck и др.) описано использование реактора, сочетающего частичное окисление метана с использованием катализатора, содержащего благородный металл, в том числе необязательно родий, с последовательным расположением слоев реактора, в котором используется предварительно смешанный поток метана и окислителя. Патент США № 4844837 включен в настоящий документ посредством ссылки. Как описано в патенте США № 4844837, катализатор частичного окисления будет страдать от дезактивации в результате высоких температур поверхности, создаваемых в слое катализатора для частичного окисления. Имеющий монолитную структуру катализатор предложен в качестве решения для уменьшения перепада давления, в результате чего достигается высокое значение GHSV, при котором работает катализатор частичного окисления.
На фиг.8 представлен один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором уменьшаются высокие температуры, обнаруженные в результате использования монолитного катализатора.
На фиг.8 газообразный окислитель 619 при температуре,
составляющей от комнатной температуры до 2 00°С, и при манометрическом давлении, составляющем приблизительно 10 бар (1 МПа), поступает через одну из коллекторных уплотнительных крышек 616 и проходит в пористый распределитель 618, который проводит газообразный окислитель в одну из камер частичного окисления 620. Содержащий метан газ 614, подогретый до температуры, составляющей, по меньшей мере, 400°С, поступает в сопло 613, из которого он поступает в распределительную камеру 622. Распределительная камера 622 защищена от повышенных температур главной камеры посредством использования керамической изолирующей облицовки 604. Из распределительной камеры 622 метан проходит во внешнюю секцию камеры частичного окисления 620 через распределительные отверстия 623. Эти отверстия 623 необязательно снабжены устройством для максимального увеличения турбулентности внутри камеры 62 0, таким как вихревая форсунка, лопатки или лопасти (не показаны). Камера 62 0 обычно работает при температуре, составляющей, по меньшей мере, 800°С.
Каталитическая мембрана 624 состоит из термически устойчивого носителя, в котором осажден катализатор на основе благородного металла. Подходящие катализаторы могут включать те, которые описаны в патентах США № 4844837 и № 7641888 (Gobina), которые включены в настоящий документ посредством ссылки. В одном пример носитель состоит из стабилизированного оксида алюминия, на который нанесено грунтовочное стабилизированное покрытие, полученное из у-м°ДиФикаДии оксида алюминия, чтобы увеличить площадь поверхности носителя. Соль родия, такую как хлорид родия, осаждают на носитель и восстанавливают, получая металлический родий.
Длину и диаметр носителя каталитической мембраны 62 4 выбирают таким образом, чтобы число Рейнольдса текучей среды внутри камеры 622, в которую поступает метан, составляло более чем 500 и предпочтительно более чем 2000, в результате чего текучая среда является турбулентной внутри распределительной камеры 622. Это производит эффект уменьшения температуры поверхности катализатора в результате уменьшения толщины
граничного слоя и улучшения массопередачи. Как правило, длина керамической мембраны составляет более чем 1 м и, более типично, 3 м, а ее диаметр составляет более чем 10 мм и, более типично, находится в интервале от 40 до 120 мм. Толщина мембраны составляет приблизительно от 2 до 4 мм, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность как при работе, так и при изготовлении.
Содержащий метан газ 619 и газообразный окислитель 614 соединяются и реагируют внутри пор каталитической керамической мембраны 624. Некоторая часть тепла, образующегося во время реакции, излучается на стенки 60 8 камеры 62 0, которые окружают каталитическую мембрану. В реакции метана и кислорода образуется синтез-газ, который может быть обогащен водородом и моноксидом углерода, но он также содержит некоторое количество остаточного метана, образующейся воды и диоксида углерода. Данный газ 611 выходит из камеры 62 0 во вторичную реакционную камеру 621, которая содержит катализатор 605, подходящий для конверсии водяным паром, такой как катализаторы, описанные в литературе, в том числе в патенте США № 4844837, включенном в настоящий документ посредством ссылки. Синтез-газ, содержащий избыточный метан и пар, проходит через слой катализатора 605 в камеру 626 под решетку с носителем катализатора 624. Когда синтез-газ проходит через катализатор, происходит дальнейшая реакция метана и пара, в результате чего дополнительно увеличивается конверсия метана в реакции с водяным паром. Хорошо известно, что реакция конверсии водяным паром представляет собой эндотермическую реакцию, и в данном определенном варианте осуществления тепло для этой реакции обеспечивает теплота реакции частичного окисления и любого полного окисления, которое может также происходить в камере 620. Введение небольшого количества окислителя через сопло 610 и использование устойчивого к окислению катализатора конверсии в верхней секции слоя катализатора 60 6 можно также считать приводящим к образованию зоны нагревания и зоны охлаждения, как проиллюстрировано на фиг.4а. Полученный синтез-газ 612 выходит из реактора через сопло 617.
В альтернативном варианте осуществления меняются местами потоки метана и окислителя. Это представлено на фиг.9. Газообразный метан 719 при температуре подогрева, составляющей, как правило, 400°С, и при манометрическом давлении, составляющем приблизительно 10 бар (1 МПа), поступает через одну из коллекторных уплотнительных крышек 716 и проходит в центр каталитической мембраны 724 необязательно через устройство для создания максимальной турбулентности внутри камеры 72 0, такое как вихревая форсунка, лопатки или лопасти (не показаны). Содержащий кислород газ 714, подогретый до температуры, составляющей от 25 до 200°С, поступает в сопло 713, откуда он поступает в распределительную камеру 722. Распределительная камера 722 защищена от повышенных температур основной камеры посредством использования керамической изолирующей облицовки 704. Из распределительной камеры 722 окислитель проходит в секцию камеры частичного окисления 72 0 через распределительные отверстия 723 и пористые распределители 718, которые распределяют кислород вниз по трубе, предотвращая создание ненужной турбулентности в потоке окислителя. Камера 720, как правило, работает при температуре, составляющей, по меньшей мере, 800°С.
Каталитическая мембрана 724 состоит из термически устойчивого носителя, в котором осажден катализатор на основе благородного металла. Подходящие катализаторы могут включать те, которые описаны в патентах США № 4844837 и № 7641888 (Gobina), которые включены в настоящий документ посредством ссылки. В одном примере носитель состоит из стабилизированного оксида алюминия, на который нанесено грунтовочное стабилизированное покрытие, полученное из у-м°ДиФикаДии оксида алюминия, чтобы увеличить площадь поверхности носителя. Соль родия, такую как хлорид родия, осаждают на носитель и восстанавливают, получая металлический родий.
Длину и диаметр носителя каталитической мембраны выбирают таким образом, чтобы число Рейнольдса текучей среды внутри камеры, в которую поступает метан, составляло более чем 500 и предпочтительно более чем 2000, в результате чего текучая среда
является турбулентной внутри распределительной камеры 722. Это производит эффект уменьшения температуры поверхности катализатора в результате уменьшения толщины граничного слоя и улучшения массопередачи. Как правило, длина керамической мембраны составляет более чем 1 м и, более типично, 3 м, а ее диаметр составляет более чем 10 мм и, более типично, находится в интервале от 40 до 120 мм. Толщина мембраны составляет приблизительно от 2 до 4 мм, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность как при работе, так и при изготовлении.
Подходящая геометрия катализатора должна предусматривать достаточно большой канал через центр мембраны таким образом, чтобы было возможным создание турбулентности. Многочисленные мелкие каналы способствуют ламинарному потоку и уменьшают эффективность катализатора.
Фиг.Юа-lOd представляют каталитические мембраны для создания турбулентности в пористом мембранном реакторе, как описано выше. Фиг.10а представляет мембрану 8 00, изготовленную из керамического материала и имеющую диаметр, составляющий приблизительно 25 мм. Мембрана 800 содержит ряд внешне расположенных каналов 8 02. Только такая конфигурация мембраны является подходящей для использования в реакторе, конфигурация которого представлена на фиг.8, в котором содержащий кислород поток проходит вниз по каналам 8 02, и содержащий метан поток проходит вдоль внешней поверхности мембраны 8 00, но устраняется использование распределителя кислорода. Каналы 8 02 являются слишком малыми для создания внутренней турбулентности без образования большого перепада давления.
Фиг.10Ь представляет мембрану 82 0, которая содержит центральный канал 822 и ряд внешне расположенных каналов 824. Центральный канал 822 имеет достаточно большой диаметр для использования в любой конфигурации реактора. В конфигурации, представленной на фиг.8, можно устанавливать внутренний распределитель кислорода, или в конфигурации, представленной на фиг.9, в которой поток метана проходит через центральный канал 822, возможно создание турбулентного потока метана.
Фиг.10с представляет мембрану 130 с простым большим
каналом 832, которая является аналогичной по конструкции и использованию конфигурации на фиг.10Ь. В конфигурации, представленной на фиг.10с, используют более толстую стенку, чтобы обеспечить устойчивое вытеснение, в то время как на фиг.10Ь вытеснение сделано более устойчивым посредством использования имеющей меньшую массу, но более сложной и крупной по объему структуры.
Фиг.Юо! представляет следующую мембрану 84 0, где число спиц 8 42 сведено к минимуму, чтобы обеспечить баланс между средним гидравлическим диаметром каналов 844 и устойчивостью керамического материала в процессе вытеснения. Как правило, данная структура имеет внешний диаметр, превышающий 50 мм, и содержит отдельные каналы 844, имеющие средние гидравлические диаметры, которые превышают 25 мм. Эта структура является наиболее подходящей для использования в конфигурации реактора на фиг.9, в котором метан проходит вниз через центральные каналы, и не требуется никакого внутреннего распределителя кислорода.
Возможны и другие конфигурации согласно настоящему изобретению, такие как конфигурации, описанные ниже.
На фиг.13 представлено видоизменение конфигурации представленной на фиг.7 теплопередающей трубы 912, которая герметически прикреплена как к верхней трубной решетке 910, так и к нижней трубной решетке 913, создавая отдельную напорную камеру 915, окружающую каталитическую мембрану 911. Теплопередающая текучая среда проходит через камеру 915 и используется для отвода тепла. Подходящая текучая среда представляет собой пар, азот или другой термически устойчивый газ, который можно использовать в любой точке процесса. Газ 1 представляет собой кислород, газ 2 представляет собой метан, и газ 3 представляет собой синтез-газ. Преимущество этого заключается в том, что можно вводить избыточное тепло в другие технологические блоки. Отрицательный аспект состоит в том, что высокие температуры создают проблемы настоящего уплотнения и температурного напряжения.
На фиг.14 в конструкцию включен катализатор 1015, как и на
фиг. 8 и 9, но здесь можно осуществлять другие реакции, помимо конверсии водяным паром, которые являются совместимыми с реакционными температурами и давлением, но скорости потока теперь не зависят от основных реакционных потоков. Теплопередающая труба 1012 герметично прикреплена как к верхней трубной решетке 1010, так и к нижней трубной решетке 1013, создавая отдельную напорную камеру 1015, окружающую каталитическую мембрану 1011. Третий реагент проходит через камеру 1015 и используется для отвода тепла посредством эндотермической реакции. Примеры реакций, которые можно осуществлять, представляют собой сухую конверсию, где газ 4 содержит диоксид углерода, метан и водород, приводя к составу синтез-газа (газ 5) с уменьшенным содержанием метана. В качестве альтернативы, газ 4, который может частично или полностью состоять из углеводорода и пара, поступает в процесс частичного окисления, где может происходить реакция предварительной конверсии в слое катализатора с использованием тепла от реакции частичного окисления, и где реагирует некоторая часть из присутствующих углеводородов, образуя моноксид углерода и водород, таким образом сокращая количество кислорода, которое требуется во всем процессе.
Хотя выше были описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что отклонения от описанных вариантов осуществления могут все же попадать в объем настоящего изобретения. Например, можно использовать любой подходящий тип пористого носителя катализатора.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для окисления газообразных реагентов, содержащее:
первую камеру, образующую канал для первого газообразного реагента;
вторую камеру, образующую канал для второго газообразного реагента;
пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана выполнена с возможностью обеспечения проникновения первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузии второго газообразного реагента в упомянутую пористую каталитическую мембрану, таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
причем теплота реакции, образующаяся при реакции первого и второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны.
2. Устройство для окисления газообразных реагентов, содержащее:
первую камеру, образующую канал для первого газообразного реагента;
вторую камеру, образующую канал для второго газообразного реагента;
пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана выполнана с возможностью обеспечения проникновения первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузии второго газообразного реагента в упомянутую пористую каталитическую мембрану, таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
причем теплота реакции, образующаяся при реакции первого и второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны при прохождении газа вдоль поверхности теплопередачи по существу перпендикулярно потоку газов через пористую каталитическую зону.
3. Устройство для окисления газообразных реагентов,
содержащее:
первую камеру, образующую канал для первого газообразного реагента;
вторую камеру, образующую канал для второго газообразного реагента;
пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана выполнана с возможностью обеспечения проникновения первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузии второго газообразного реагента в упомянутую пористую каталитическую мембрану, таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
причем теплота реакции, образующаяся при реакции первого и второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны при прохождении газа вдоль поверхности теплопередачи по существу перпендикулярно потоку газов через пористую каталитическую зону, причем упомянутая поверхность теплопередачи разделена упомянутой пористой каталитической зоной, составляющей 5 мм.
4 . Устройство по любому предыдущему пункту, в котором теплота реакции отводится путем подогрева газов.
5. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором теплота реакции отводится путем соединения устройства с эндотермической реакцией, такой как реакция конверсии метана водяным паром.
6. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором реакционная зона во второй камере, где реагируют первый и второй газообразные реагенты, непосредственно соединена с эндотермической реакцией.
7. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором реакционная зона во второй камере, где реагируют первый и второй газообразные реагенты, непосредственно соединена с экзотермической реакцией.
8. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором реакционная зона поддерживается при температуре, составляющей, например, приблизительно 950°С, путем использования внешне соединенных экзотермических и/или эндотермических реакций.
9. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором реакционная зона имеет длину, составляющую приблизительно или более чем 100 см, и имеет максимальную температуру поверхности 1050°С.
10. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором, по меньшей мере, один из первого и второго газообразных реагентов подогревают в области реакционной зоны устройства до температуры, составляющей приблизительно 600°С.
11. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором скорость потока первого и второго газообразных реагентов составляет приблизительно или более чем 100 л/мин и 50 л/мин, соответственно, на камеру.
12. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первая камера изготовлена в виде трубы, такой как цилиндрическая по форме.
13. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первая камера содержит центральный канал, через который проходит первый газообразный реагент.
14. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первая камера также образует реакционную камеру, где первый и второй газообразные реагенты реагируют в реакционной зоне.
15. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором вторая камера изготовлена в виде трубы, такой как цилиндрическая по форме.
16. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором вторая камера имеет больший диаметр, чем первая камера, и, таким образом, образует внешнюю трубу вокруг первой камеры.
17. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первая камера имеет больший диаметр, чем вторая камера, и, таким образом, образует внешнюю трубу вокруг второй камеры.
18. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первый газообразный реагент проникает из первой камеры через пористую каталитическую мембрану при высоких температурах во вторую камеру, чтобы реагировать со вторым газообразным реагентом.
19. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первый газообразный реагент представляет собой кислород.
20. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первый газообразный реагент подогревают до температуры, составляющей
приблизительно 200°С, используя поверхность теплообмена.
21. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором пористая каталитическая мембрана образует область типа пористой трубы, которая содержит катализатор.
22. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором второй газообразный реагент подогревают до температуры, составляющей, например, приблизительно 150°С, используя поверхность теплообмена, такую как кожухотрубный теплообменник.
23. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первый и второй газообразные реагенты реагируют, образуя синтетический газ (т.е. синтез-газ).
24. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первый и второй газообразные реагенты реагируют, образуя синтетический газ следующим путем:
СЩ+О, 502^СО+2Н2.
25. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором пористая каталитическая мембрана изготовлена, в основном, из оксид алюминия и имеет размеры пор, составляющие приблизительно б мкм.
26. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором поверхность теплообмена является пригодной к использованию для поддержания температуры, составляющей, например, приблизительно 850°С, в результате чего поддерживается более равномерная температура поверхности катализатора, составляющая, например, приблизительно 950°С.
27. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором сочетание экзотермических и/или эндотермических реакций в процессе теплопередачи является пригодным к использованию для поддержания катализатора при оптимальной рабочей температуре, составляющей, например, приблизительно 950°С.
28. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором поверхность теплообмена и теплопередачи способна обеспечивать отвод тепла с каталитической поверхности, где экзотермическая реакция является наиболее интенсивной, и передачу тепла в реакционную зону, где становятся более преобладающими эндотермические реакции.
29. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором
поверхность теплообмена и теплопередачи способна обеспечивать отвод тепла с каталитической поверхности, используя эндотермическую реакцию конверсии метана водяным паром.
30. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором первый и второй газообразные реагенты реагируют в канале, окруженном пористой каталитической реакционной зоной, где длину и диаметр канала выбирают таким образом, что число Рейнольдса в канале составляет более чем 500.
31. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором вторая камера имеет такую длину и диаметр, что число Рейнольдса второго газообразного реагента, проходящего по длине первой камеры, составляет более чем приблизительно 500.
32 . Устройство по любому предыдущему пункту, в котором число Рейнольдса во второй камере составляет приблизительно от 500 до 2 0000 или приблизительно от 1000 до 20000.
33. Устройство по любому из п.п.27-29, в котором, чтобы получить требуемое число Рейнольдса, в качестве длины второй камеры выбирают любое из следующих значений: более чем приблизительно 4 00 мм, более чем приблизительно 600 мм, более чем приблизительно 1200 мм, более чем приблизительно 2 000 мм или более чем приблизительно 5000 мм.
34. Устройство по любому из п.п.27-29, в котором, чтобы получить требуемое число Рейнольдса, в качестве среднего гидравлического диаметра второй камеры выбирают любое из следующих значений: более чем приблизительно 5 мм, более чем приблизительно 10 мм или более чем приблизительно 2 0 мм.
35. Устройство по любому из п.п.27-30, в котором, чтобы получить требуемое число Рейнольдса, в качестве среднего гидравлического диаметра первой камеры можно выбрать любое из следующих значений: менее чем приблизительно 300 мм, менее чем приблизительно 100 мм или менее чем приблизительно 60 мм.
36. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором кислород поступает в устройство через пористую зону, которая отделена от содержащей пористый катализатор зоны, где:
а. число Рейнольдса в камере, содержащей кислород, поддерживается ниже, чем в канале, содержащем метан;
b. пористый распределитель кислорода является сквозным.
37. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором допускается прохождение части газа из одной камеры в другую без прохождения через каталитическую мембрану.
38. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором устройство имеет огнеупорную облицовку, например, керамическую или стеклянную огнеупорную облицовку, или огнеупорную облицовку, покрытую защитной металлической оболочкой, такой как из сплава никеля, железа и хрома, например, Incoloy 800НТ.
39. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором оболочка реактора содержит внутренний огнеупорный материал, способный самостоятельно сохранять тепло, придавая реактору адиабатические свойства, что позволяет регенерировать тепло после прохождения через реактор, причем энергию от горячих газов можно затем использовать для производства энергии или подогрева газов в начале.
40. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором оболочка реактора содержит огнеупорную облицовку, способную регенерировать тепло, образующееся в реакторе, которое можно затем использовать для производства энергии или подогрева газов, поступающих в реактор.
41. Способ рассеивания и/или отвода тепла вдоль реакционной зоны устройства, используемого для окисления газообразных реагентов, включающий этапы, на которых:
обеспечивают первую камеру, образующую канал для первого газообразного реагента;
обеспечивают вторую камеру, образующую канал для второго газообразного реагента;
обеспечивают пористую каталитическую мембрану, разделяющую первую и вторую камеры, причем упомянутая мембрана выполнена с возможностью обеспечения проникновения первого газообразного реагента из первой камеры через себя во вторую камеру и диффузии второго газообразного реагента в пористую каталитическую мембрану, таким образом, что происходит реакция, и продукты проходят во вторую камеру;
причем теплота реакции, образующаяся при реакции первого и
второго газообразных реагентов, способна рассеиваться и/или отводиться вдоль реакционной зоны.
42. Способ рассеивания и/или отвода тепла вдоль реакционной зоны устройства по п.41, в котором использовано устройство по любому из п.п.1-37.
43. Устройство для окисления газообразных реагентов, описанное выше и/или представленное на любо1 из фиг.1-14.
44. Способ рассеивания и/или отвода тепла вдоль реакционной зоны устройства, используемого для окисления газообразных реагентов, как описано выше и/или представлено на любой из фиг.1-14.
По доверенности
1200
1000 800 600 400 /
200
Расстояние (мм)
Фиг. 1
00 О)
2/15
Предварительно смешанные метан и кислород
110
/MMJI Экран для :::::: теплового :::::: излучения
Синтез-газ
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4а
313
314
Газ 2 [
Синтез-газ
310
? ? ? ? ???????? Теплопередача
МшУ..........им..........им
324
326
310
Газ 1
312
Содержащая катализатор пористая область
Синтез-газ
314-
Газ 2
326
Фиг. 4Ь
Газ 1
310
314 Содержащая катализатор пористая область 324 326
U-^i:
Газ 2l-f"Ј>
1..........wm...........шп......c.,.^
--^
Содержащая текучую среду труба или другое устройство теплопередачи 33Q
Газ 2c=J> I , \W
и 1 п 111 м 111111J J11) J) J) 111 и.....iiiiiiiiiiiiiiiiiiimm Г
310
Газ 1
312
Фиг. 4c
312
310
Синтез-газ
Газ 1
324
326
Газ 2 C=J>
Содержащая текучую среду труба или другое устройство теплопередачи 330
' ^> Содержащая катализатор пористая область
310
Газ 1
Синтез-газ
326
Фиг. 46
8/15
*¦ -к- К- -К- *- -X-
-1-1-1-1-1-1-1-1
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
¦Х-Х-Х- Адиабатический реактор
Реактор с поверхностью теплопередачи
Фиг. 5а
800
-1 ООО -
Положение оболочки по длине реактора (мм)
Тепловой поток на поверхности теплообмена вдоль реакционной зоны для поддержания изотермичности
Фиг. 5Ь
10/15
Газ 2
Газ 1 - кислород Газ 2 - метан
Газ 3
Газ 3 - синтез-газ
Фиг. 6
11/15
Фиг. 7
12/15
609 610
Фиг.
13/15
Фиг. 9
14/15
802
Фиг. 10а
824
Фиг. 10d
15/15
Фиг. 13
Фиг. 14
