專利名稱：緊湊型重整反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)在工業(yè)應(yīng)用如冶金工業(yè)、化學(xué)和制藥工 業(yè)以及燃料電池動(dòng)力設(shè)備中使用的氫的整合且緊湊的重整反應(yīng)器。特 別是，本發(fā)明涉及一種用于將烴原料轉(zhuǎn)化成氫的緊湊型重整反應(yīng)器，
其中所述反應(yīng)器的經(jīng)過(guò)重整的氣體借助于通過(guò)變壓吸附(PSA)單元、 Pd-合金膜、水-氣體變換單元或借助于優(yōu)先氧化(PR0X)而進(jìn)一步富 集氫。更特別地，本發(fā)明涉及一種用于將甲醇轉(zhuǎn)化成適用于燃料電池 設(shè)備中的氫氣的緊湊型重整反應(yīng)器，特別地，其中所述反應(yīng)器的經(jīng)過(guò) 重整的氣體借助于通過(guò)變壓吸附單元而進(jìn)一步富集氫。本發(fā)明進(jìn)一步 涉及一種用于利用該反應(yīng)器將烴原料重整成氫氣的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池設(shè)備通常需要作為燃料源的氫供應(yīng)且因此重整反應(yīng)器一 般被整合在燃料電池設(shè)備中。重整反應(yīng)器將用作能量載體的適當(dāng)?shù)臒N 原料如甲烷、液化石油氣、汽油、柴油或曱醇轉(zhuǎn)化成富氫氣體，所述 富氫氣體隨后可在進(jìn)入燃料電池組件之前通過(guò)富氫單元。目前，緊湊 型燃料電池動(dòng)力設(shè)備可提供約20 kW的功率和甚至更高例如達(dá)50 kW 的功率，由此促進(jìn)了所述燃料電池動(dòng)力設(shè)備的廣泛應(yīng)用。這樣一種應(yīng) 用是將緊湊型燃料電池設(shè)備用于汽車工業(yè)中。
對(duì)于普遍的應(yīng)用而言，無(wú)論從燃料電池設(shè)備的角度考慮，還是從 在其它工業(yè)領(lǐng)域的小型設(shè)備中的應(yīng)用角度考慮，曱醇依然均被視作是 用于生產(chǎn)富氫氣體的最佳烴原料。大體而言，在氫的需要量在50-500 NmVh范圍內(nèi)時(shí)，該范圍通常是小型設(shè)備的需要量，甲醇是特別適當(dāng)?shù)?原料。對(duì)于氫的需要量高于500 NmVh的情況而言，烴原料如天然氣通 常更為適宜。在低于50 NmVh的情況下，電解或瓶裝氫一般更為適宜。
用于對(duì)燃料氣體進(jìn)行重整的反應(yīng)器在本領(lǐng)域中是已公知的，所述 燃料氣體特別地是甲醇且被用于燃料電池設(shè)備中。Dtisterwald等在Chem.
Eng. Technol. 20(1997) 617-623中披露了 一種包括四根獨(dú)立地處于
平衡狀態(tài)的反應(yīng)器管道的曱醇蒸汽重整器。每根反應(yīng)器管道包括同心布置的兩根不銹鋼管道，且催化劑填充在內(nèi)管中，且其中甲醇-水的混 合物進(jìn)行吸熱反應(yīng)所需的熱量是由在管道之間的間隙中流動(dòng)的冷凝蒸
汽提供的。通過(guò)美國(guó)專利No. 4861347還已公知的是，對(duì)原料燃料如 曱醇進(jìn)行氧化以便獲得放熱反應(yīng)，由此由該反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被用于烴 原料的吸熱重整反應(yīng)中，所述烴原料一般是甲醇和水的混合物。該熱 量借助于供來(lái)自燃燒部段的熱煙道氣通過(guò)的熱管或者如JP-A-63248702 所述借助于布置在反應(yīng)器中的熱管而從反應(yīng)器的燃燒部段被傳遞至其 重整部段。結(jié)果是，在燃燒系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量可被均勻地分布到反應(yīng) 器的剩余部分上，由此使得實(shí)現(xiàn)了均勻的溫度分布。
通常情況下，重整反應(yīng)器中的熱傳遞系統(tǒng)并未足夠迅速到在工藝
i程中實(shí)現(xiàn)所需:行溫度的程度，^特別是當(dāng)在重整i應(yīng)器中設(shè)置獨(dú)立
的熱管時(shí)情況更是如此。 一般情況下，需要多個(gè)或多或少順次實(shí)施的 步驟以便啟動(dòng)重整反應(yīng)器，從而導(dǎo)致過(guò)程可能相當(dāng)冗長(zhǎng)且耗時(shí)。
在燃料電池的特定領(lǐng)域中，具有增加的功率例如達(dá)20 kW或甚至 更高的功率如達(dá)50 kW的燃料電池的出現(xiàn)導(dǎo)致需要在單個(gè)重整反應(yīng)器 中設(shè)置多根催化劑管道。這進(jìn)一步使得在緊湊性、更好的溫度分布和 熱效率方面對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)提出了更多要求。特別是，當(dāng)必須通過(guò)反應(yīng) 器中的單個(gè)燃燒器提供重整過(guò)程中所需的加熱時(shí)，提供均勻的溫度分 布從而使反應(yīng)器內(nèi)部的所有催化劑管道被加熱至相同的溫度變得更難 以實(shí)現(xiàn)。
此外，催化劑管道內(nèi)的催化劑通?？赡懿⑽淳鶆蚍植?，從而使得 催化劑可能例如在一些管道中的裝填要優(yōu)于在其它管道中的裝填。這 就可能使得在催化劑管道上形成所不希望的溫度條件變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種在所有的催化劑管道上均 具有改進(jìn)的溫度分布的重整反應(yīng)器。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種重整反應(yīng)器，所述重整反應(yīng)器是 緊湊型的且不含有用于使熱交換介質(zhì)從所述反應(yīng)器的高溫部段循環(huán)至 所述反應(yīng)器的重整部段的機(jī)械裝置。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種重整反應(yīng)器，所述重整反應(yīng)器是
緊湊型的且同時(shí)能夠在工藝條件發(fā)生變化例如烴供給流或溫度發(fā)生變 化或者燃燒器條件發(fā)生變化的情況下或者在啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中迅速且簡(jiǎn) 單地實(shí)現(xiàn)或保持其運(yùn)行溫度。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種重整反應(yīng)器，所述重整反應(yīng)器對(duì) 于在所述催化劑管道上的分散的催化劑裝填不那么敏感。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種重整反應(yīng)器，所述重整反應(yīng)器結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià)且與常規(guī)的重整反應(yīng)器相比具有更低的熱損失。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種重整反應(yīng)器，所述重整反應(yīng)器是
緊湊型的且適用于燃料電池設(shè)備中，特別地適用于能夠產(chǎn)生達(dá)20 kW 的功率或甚至更高的功率如達(dá)50 kW的燃料電池設(shè)備中。
這些和其它目的是通過(guò)本發(fā)明的反應(yīng)器和方法而實(shí)現(xiàn)的。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，我們提供了 一種用于將工藝流體轉(zhuǎn)化成 氫的重整反應(yīng)器，所述重整反應(yīng)器包括重整部段、蒸煮器部段和燃 燒部段，所述重整部段被包含在封閉體積空間內(nèi)，其中所述重整部段 包含填充有重整催化劑的 一根或多根催化劑管道，所述蒸煮器部段設(shè) 有用于使來(lái)自所述燃燒部段的煙道氣通過(guò)的一條或多條流道且所述燃 燒部段設(shè)有至少一個(gè)燃燒器，其中在所述一根或多根催化劑管道中對(duì) 所述工藝流體進(jìn)行重整所需的熱交換介質(zhì)是氣體-液體混合物，所述氣 體-液體混合物在所述封閉體積空間內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)且凈皮封裝在所述封 閉體積空間內(nèi)部且其中所述封閉體積空間的至少 一部分伸出到所述蒸 煮器部段內(nèi)部。
因此，在本發(fā)明中，在所述重整部段中的所述催化劑管道外部循 環(huán)且通過(guò)使煙道氣進(jìn)入所述蒸煮器部段中而吸收熱量的氣體-液體混合 物提供了大的吸熱器，所述大的吸熱器使得能夠積聚并供應(yīng)熱量以便 進(jìn)行所述重整反應(yīng)，從而使得所述反應(yīng)器內(nèi)的所有金屬部件特別是所 述催化劑管道保持或迅速達(dá)到了相同的溫度，且由于所述反應(yīng)器對(duì)于 工藝條件的暫時(shí)變化如燃燒器負(fù)荷的變化變得更不敏感，因此使得實(shí) 現(xiàn)了所述反應(yīng)器的耐久運(yùn)行。
所述封閉體積空間內(nèi)所述氣體-液體混合物進(jìn)行自循環(huán)的所述部分 作為單個(gè)細(xì)長(zhǎng)元件或者作為多個(gè)細(xì)長(zhǎng)元件伸出到所述蒸煮器部段內(nèi)部 以便形成多個(gè)沿周向且沿徑向隔開的細(xì)長(zhǎng)元件，所述多個(gè)沿周向且沿 徑向隔開的細(xì)長(zhǎng)元件優(yōu)選以管道的形式存在，且其中所述細(xì)長(zhǎng)元件通過(guò)在內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)的所述氣體-液體混合物而彼此流體連通。所述細(xì) 長(zhǎng)元件之間的空間限定出多條流道，熱煙道氣能夠通過(guò)所述多條流道。 被封裝在所述反應(yīng)器的所述蒸煮器部段中的所述細(xì)長(zhǎng)元件內(nèi)部且由此 被封裝在所述封閉體積空間內(nèi)部的所述氣體-液體混合物能夠接收并積 聚來(lái)自在所述燃燒部段中產(chǎn)生的熱煙道氣的熱量。
所述反應(yīng)器的所述蒸煮器部段是在其中使得煙道氣與所述封閉體 積空間的至少 一部分進(jìn)行接觸的所述反應(yīng)器的區(qū)域，所述氣體-液體混 合物在所述至少一部分內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)。
就術(shù)語(yǔ)"自循環(huán)(self-circulates )，，而言，該術(shù)語(yǔ)意味著用 作熱交換介質(zhì)的所述氣體-液體混合物在不需要任何機(jī)械裝置的情況下 在所述反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行移動(dòng)。氣體流到表面或催化劑管壁上，在由當(dāng) 所述氣體轉(zhuǎn)變成液體時(shí)由于氣體體積減少而形成的略微更低的壓力所 驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)下在所述表面或催化劑管壁處發(fā)生冷凝。液體隨后在重力 的驅(qū)動(dòng)下流至所述蒸煮器部段。
為了確保實(shí)現(xiàn)更好的熱傳遞，所述反應(yīng)器的所述蒸煮器部段可設(shè) 有多塊垂直地隔開或水平地隔開的擋板，其中所述擋板被布置成大體 上橫向于在所述燃燒部段中產(chǎn)生的所述煙道氣的流向。因此，所述擋道氣在沿所述蒸煮器;段中的所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件的所i長(zhǎng)度方向:進(jìn)時(shí)具有之字形流動(dòng)模式。在將熱量傳輸給所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件內(nèi)部的所述氣體-液 體混合物之后，所述煙道氣通過(guò)進(jìn)入所述反應(yīng)器中的位于所述蒸煮器 部段和所述封閉空間外部的環(huán)形區(qū)域內(nèi)而被排出所述蒸煮器部段。
所述一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件可設(shè)有套筒以便允許煙道氣通過(guò)由所述 細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和所述套筒限定出的環(huán)形區(qū)域，所述一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件優(yōu) 選被形成管道。在將熱量傳輸給位于所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件內(nèi)部的所述氣體-液 體混合物之后，所述煙道氣借助于進(jìn)入所述反應(yīng)器中的位于所述蒸煮 器部段和所述封閉體積空間外部的環(huán)形區(qū)域內(nèi)而被排出所述蒸煮器部 段。
在本發(fā)明的所述反應(yīng)器中，載運(yùn)著要被轉(zhuǎn)化的工藝流體的至少一 根工藝供給管道可延伸進(jìn)入所述反應(yīng)器的所述封閉體積空間內(nèi)部，所 述要被轉(zhuǎn)化的工藝流體例如為甲醇和水的液體混合物。因此，所述至 少一根工藝供給管道可延伸進(jìn)入包含所述重整部段(the reforming)
的所述封閉體積空間內(nèi)部的任何位置處且其中所述封閉體積空間的至 少一部分伸出到所述蒸煮器部段內(nèi)部。例如，所述至少一根工藝供給 管道可從位于所述反應(yīng)器頂部處且位于所述重整部段上方的區(qū)域延伸 進(jìn)入該重整部段內(nèi)或甚至進(jìn)一步延伸進(jìn)入被布置在下面的所述蒸煮器 部段內(nèi)。載運(yùn)著所述要被轉(zhuǎn)化的工藝流體的所述至少一根工藝供給管 道通過(guò)位于所述反應(yīng)器的外壁中的導(dǎo)管被引導(dǎo)至所述反應(yīng)器且隨后可 從布置在所述外壁中的所述導(dǎo)管延伸進(jìn)入所述反應(yīng)器內(nèi)。所述工藝供 給導(dǎo)管優(yōu)選在所述封閉體積空間內(nèi)部與所述反應(yīng)器壁大體上共軸地從 所述反應(yīng)器的所述重整部段延伸至盡可能接近所述反應(yīng)器的所述蒸煮 器部段的位置處例如所述封閉體積空間的區(qū)域中，所述一個(gè)或多個(gè)細(xì) 長(zhǎng)構(gòu)件從所述區(qū)域中伸出。這使得能夠提供一種緊湊型反應(yīng)器，原因 在于所述至少一根工藝供給管道例如單根大體上直的管道或管道組被 有利地整合在所述反應(yīng)器內(nèi)，由此使得隨著所述管道外部的所述進(jìn)行 自循環(huán)的氣體-液體混合物中的氣體的冷凝而可以有利地實(shí)現(xiàn)所述工藝 流體的預(yù)熱或汽化。因此，有可能將所需的汽化階段整合在所述反應(yīng) 器內(nèi)部，因此避免了在所述反應(yīng)器外部不適當(dāng)?shù)卦O(shè)置獨(dú)立的汽化裝置。
對(duì)于術(shù)語(yǔ)"大體上共軸地進(jìn)行延伸"而言，該術(shù)語(yǔ)意味著所述工 藝供給管道的一部分，特別是與所述反應(yīng)器的所述外壁中的所述導(dǎo)管 協(xié)同作用的所述入口部分可沿與所述反應(yīng)器的長(zhǎng)度軸線垂直的方向延
伸進(jìn)入所述反應(yīng)器的中心內(nèi)，隨后彎曲90。并因此垂直地延伸進(jìn)入所述 重整部段或下面的蒸煮器部段內(nèi)。
所述至少一根工藝供給管道可垂直地延伸進(jìn)入過(guò)渡隔室 (transition compartment)內(nèi)，載運(yùn)著要被轉(zhuǎn)化的工藝氣體的至少 一根工藝管道在所述反應(yīng)器的所述封閉體積空間內(nèi)部從所述過(guò)渡隔室 垂直地向上延伸，且其中載運(yùn)著所述工藝氣體的所述至少一根工藝管 道被形成為盤管。單根工藝管道優(yōu)選從所述外壁中的所述導(dǎo)管向下延 伸至所述過(guò)渡隔室，其中經(jīng)供給物例如液態(tài)烴供給物通過(guò)所述導(dǎo)管進(jìn) 入所述反應(yīng)器。所述過(guò)渡隔室被布置作為箱體，所述箱體具有適于容 納載運(yùn)著以大體上液體的形式存在的工藝流體的至少一根工藝管道的 入口孔和適于容納載運(yùn)著以大體上氣體的形式存在的工藝流體的至少 一根工藝管道的出口孔。這些管道垂直地向上延伸且^^皮形成為盤管或 螺旋管。這樣就確保實(shí)現(xiàn)了更好的熱傳遞以便在重整之前對(duì)所述工藝
氣體進(jìn)行預(yù)熱且同時(shí)提供了緊湊的反應(yīng)器設(shè)計(jì)，原因在于可在更低的 高度中容納與例如直的管道相同的熱傳遞區(qū)域。此外，盤管或螺旋管 的使用在兩相流(氣體-液體)上施加了離心效應(yīng)，由此使得仍未汽化 的任何液體能夠產(chǎn)生回流且有利于工藝氣體向上流動(dòng)。
所述至少一根工藝管道可從所述封閉體積空間內(nèi)部的位于接近所 述反應(yīng)器的所述蒸煮器部段的位置處的過(guò)渡隔室延伸至所述重整部 段，從而確保了所述工藝氣體在所述重整部段中被加熱至適當(dāng)反應(yīng)溫 度。
在本發(fā)明中，還有可能使所述至少一根工藝供給管道延伸進(jìn)入位
隔室可;使所:至少二i工^供給管道延伸進(jìn)入位于所s 封閉體積空間外部的過(guò)渡隔室內(nèi)。
在本說(shuō)明書中，術(shù)語(yǔ)"烴原料(hydrocarbon feedstock)，，可與 術(shù)語(yǔ)"工藝流體(process fluid)"或"供給工藝流體(feed process fluid)"互換地使用。 一般情況下，進(jìn)入所述反應(yīng)器內(nèi)的供給物例如 曱醇和水的混合物以液體的形式存在，而所述供給物在進(jìn)入所述重整 部段內(nèi)時(shí)以氣體的形式存在。當(dāng)進(jìn)入所述反應(yīng)器時(shí)，所述烴供給物還 被稱作工藝流體且在所述工藝管道中進(jìn)行汽化之后，所得的流體還被 稱作工藝氣體。本文所使用的術(shù)語(yǔ)"工藝供給管道(process feed tube)"指的是載運(yùn)著所述工藝流體且進(jìn)入所述過(guò)渡隔室的至少一根 管道。從所述過(guò)渡隔室伸出并載運(yùn)著被引導(dǎo)至所述重整部段的汽化氣 體的管道^f皮筒單地稱作"工藝管道(process tube)"。
在本發(fā)明的另 一實(shí)施例中，載運(yùn)著要被轉(zhuǎn)化的所述工藝流體的所 述至少 一根工藝供給管道通過(guò)被布置在所述反應(yīng)器的所述外壁中的導(dǎo) 管進(jìn)入所述反應(yīng)器且所述工藝流體通過(guò)與來(lái)自所述反應(yīng)器的所述重整 部段的排出的經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的氣體進(jìn)行間接接觸(即在熱傳遞表面上)而 受到預(yù)熱，其中所述排出的經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的氣體優(yōu)選進(jìn)入所述導(dǎo)管的環(huán)形 區(qū)域中。 一般情況下，下游的變壓吸附單元需要相對(duì)較冷的富氫氣體 流且因此要使用位于所述反應(yīng)器下游的冷卻裝置如空氣冷卻器。因此， 該實(shí)施例使得來(lái)自所述反應(yīng)器的所述經(jīng)過(guò)重整的氣體(富氫氣體)能 夠由一般情況下的約280。C冷卻至約150。C，由此減輕下游的所述空氣 冷卻器中所需的效應(yīng)且因此同時(shí)減小了其尺寸，所述約280°C的溫度是對(duì)甲醇進(jìn)行重整的典型溫度。載運(yùn)著與來(lái)自所述重整部段的所述排 出的經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的氣體進(jìn)行接觸的所述工藝流體的所述至少 一根工藝管 道的部分可有利地被形成盤管以便確保實(shí)現(xiàn)甚至更為緊湊的反應(yīng)器設(shè) 計(jì)，而不會(huì)產(chǎn)生太多明顯的伸出部分。所述導(dǎo)管優(yōu)選位于所述反應(yīng)器 的上部部分中，例如接近其頂部的位置處。在另一可選實(shí)施例中，出 口管道載運(yùn)著所述排出的經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的氣體且與所述導(dǎo)管內(nèi)部的所述工 藝供給管道平行地進(jìn)行延伸。
在優(yōu)選被布置在所述反應(yīng)器的下部部分中且位于所述蒸煮器部段 下面的所述燃燒部段中，適當(dāng)?shù)娜剂先缂状纪ㄟ^(guò)燃料入口被注入且與 所述至少一個(gè)燃燒器中的經(jīng)過(guò)預(yù)熱的燃燒空氣產(chǎn)生反應(yīng)。曱醇的放熱 反應(yīng)產(chǎn)生了熱煙道氣且所述熱煙道氣隨后到達(dá)所述蒸煮器部段。用于 供所述煙道氣通過(guò)的流道可從所述燃燒部段垂直地延伸進(jìn)入所述蒸煮 器部段內(nèi)且在所述煙道氣已經(jīng)將熱量傳輸給在所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行 自循環(huán)的所述氣體-液體混合物之后，所述煙道氣受到力的作用從而沿 徑向方向朝向所述反應(yīng)器的環(huán)形部段流動(dòng)。
所述蒸煮器部段的主要部分或優(yōu)選整個(gè)蒸煮器部段被包含在優(yōu)選 由圓柱形壁部限定出的殼體內(nèi)。 一塊或多塊擋板可從所述壁部以大體 上橫向于所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件的長(zhǎng)度方向的方式被布置。由于本文所使用的 所述反應(yīng)器的所述蒸煮器部段是由所述反應(yīng)器的區(qū)域限定出的，在所 述區(qū)域中煙道氣與所述封閉體積空間的至少 一部分進(jìn)行接觸，所述氣 體-液體混合物在所述至少一部分(例如細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件)內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)， 所述蒸煮器部段的一部分，且優(yōu)選是所述蒸煮器部段的一'J、部分可不 被包含在所述殼體內(nèi)。特別地，位于接近所述封閉體積空間的位置處 的區(qū)域可位于所述殼體外部，所述一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件從所述區(qū)域伸 出且在所述區(qū)域中所述煙道氣受到力的作用以便沿徑向方向朝向所述 反應(yīng)器的環(huán)形部段流動(dòng)。
在所述蒸煮器部段中，所述熱煙道氣將熱量供應(yīng)給所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件 內(nèi)部的所述氣體-液體混合物，由此使所述液體的一部分汽化且促進(jìn)了 所述液體的所述一部分在所述封閉體積空間內(nèi)部在所述反應(yīng)器內(nèi)向上 進(jìn)行的循環(huán)。所述氣體-液體混合物中的熱量的一部分還被傳輸給載運(yùn)著要被轉(zhuǎn)化的所述氣體或液體或氣體-液體混合物例如甲醇-水的所述 至少一根工藝管道。所述工藝管道延伸遠(yuǎn)離例如恰位于所述蒸煮器部段上方的所述封閉體積空間且向上延伸通過(guò)所述反應(yīng)器的中間部分并 進(jìn)一步延伸到所述重整部段，在所述重整部段內(nèi)部設(shè)置了 一根或多根 垂直的催化劑管道。所述重整部段還被包含在同一隔室或封閉體積空 間內(nèi)，且優(yōu)選被獨(dú)立地布置在所述反應(yīng)器的上部部分中。術(shù)語(yǔ)催化劑 管道意味著這些管道中填充有適用于對(duì)給定的烴原料如甲醇和水的混 合物進(jìn)行重整的固體催化劑顆粒。
在進(jìn)行重整之前，要被重整的所述工藝氣體在所述重整器部段中 的適當(dāng)位置處，優(yōu)選在位于所述一根或多根催化劑管道上方的位置處， 被排出所述工藝管道。所述一根或多根催化劑管道一般被布置為多根
沿周向且沿徑向隔開的催化劑管道。所述催化劑管道的數(shù)量通常大于5 或20，更通常地大于50且甚至高于100或200,這取決于所述反應(yīng)器 的氫容量。要被重整的所述工藝氣體進(jìn)入所述催化劑管道且向下流動(dòng) 通過(guò)所述催化劑顆粒以便隨著所述工藝氣體通過(guò)所述催化劑管道而被 逐漸轉(zhuǎn)化。進(jìn)行重整反應(yīng)所需的熱量是由在所述催化劑管道外部進(jìn)行 自循環(huán)的所述氣體-液體混合物提供的。隨著所述氣體-液體混合物將 熱量傳輸給所述催化劑管道，所述氣體被冷凝且受到重力的作用而向 下流至所述蒸煮器部段。用作熱交換介質(zhì)的所述氣體-液體混合物因此 在所述反應(yīng)器內(nèi)部且在被封裝在包含所述重整部段的所述封閉體積空 間內(nèi)部且伸出到所述蒸煮器部段內(nèi)部的區(qū)域中以自循環(huán)方式移動(dòng)。這 使得所述氣體-液體混合物能夠連續(xù)地循環(huán)通過(guò)所述反應(yīng)器內(nèi)部的所述 蒸煮器部段和所述重整部段。
因此應(yīng)該理解所述氣體-液體混合物在所述至少一根工藝供給管 道外部、在載運(yùn)著要被轉(zhuǎn)化的所述工藝氣體的所述至少 一根工藝管道 外部、并且在密封的隔室即封閉體積空間中的所述一根或多根催化劑 管道外部進(jìn)行自循環(huán)。所述混合物中的氣體或液體，例如當(dāng)所述混合 物是飽和的水-蒸汽混合物時(shí)所述混合物中的蒸汽，除了被用作上述熱 傳遞介質(zhì)以外并未用于實(shí)現(xiàn)其它目的。
至少所述重整部段和蒸煮器部段優(yōu)選被共軸地布置在所述反應(yīng)器 中以便能夠裝配在外部的大體上呈圓柱形的殼體內(nèi)。因此，在一個(gè)實(shí) 施例中，所述燃燒部段、重整部段和蒸煮器部段被共軸地布置在所述 反應(yīng)器中。在另一實(shí)施例中，所述重整部段和蒸煮器部段可被共軸地 布置在所述反應(yīng)器中，而所述燃燒部段可與所述蒸煮器部段垂直地被布置以便形成L形反應(yīng)器。這使得所述反應(yīng)器的長(zhǎng)度更短且在反應(yīng)器 長(zhǎng)度成為限制性因素的情況下有利于所述反應(yīng)器的輸運(yùn)。
所述重整部段優(yōu)選相對(duì)于所述蒸煮器部段串聯(lián)地被布置，在所述 蒸煮器部段中，載運(yùn)著所述工藝氣體的所述至少一根工藝管道且可選
地載運(yùn)著進(jìn)入的所述工藝流體的所述至少一根工藝供給管道被共軸地 設(shè)置。所述蒸煮器部段優(yōu)選相對(duì)于燃燒部段串聯(lián)地被布置，所述燃燒 部段除了一個(gè)或多個(gè)燃燒器以外還可包括用于引入適當(dāng)?shù)娜剂系娜剂?入口，且可選地包括用于引入另一種燃料的共軸布置的燃料入口，所 述適當(dāng)?shù)娜剂蠟闀醮?，所述另一種燃料優(yōu)選是來(lái)自所述變壓吸附單元 的廢氣或者是來(lái)自富集氫步驟的任何其它廢氣。通常在所述反應(yīng)器的 正常運(yùn)行過(guò)程中，來(lái)自所述變壓吸附單元的廢氣用作主要的燃料，而 甲醇用作輔助燃料，而在啟動(dòng)時(shí)則用作主要燃料的是甲醇。使用來(lái)自 所述變壓吸附單元的廢氣且可選地使用來(lái)自所述燃料電池的陽(yáng)極廢氣 使得能夠在例如包括所述反應(yīng)器和所述附屬變壓吸附單元的燃料電池 設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的總熱效率。
所述反應(yīng)器的所述燃燒部段還設(shè)有至少一個(gè)燃燒器。由于需要反 應(yīng)器的緊湊性，因此將燃燒器的數(shù)量保持在最小值。優(yōu)選設(shè)置單個(gè)燃 燒器；更優(yōu)選設(shè)置單個(gè)催化燃燒器。所述催化燃燒器可以是陶瓷中空 圓柱體，所述陶覺中空?qǐng)A柱體在其外表面上具有氧化催化劑，與空氣 預(yù)先混合的燃料氣體從內(nèi)部被供應(yīng)至所述外表面。所述催化燃燒器優(yōu) 選是被布置在流道中且被設(shè)置為串聯(lián)布置的金屬絲網(wǎng)層的燃燒器，所 述串聯(lián)布置的金屬絲網(wǎng)層上涂覆有陶瓷且浸漬有氧化催化劑。燃燒過(guò) 程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)對(duì)流機(jī)理且借助于產(chǎn)生的煙道氣被傳遞至所述自 循環(huán)的氣體-液體體系。因此，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在所述反應(yīng) 器中，所述燃燒部段設(shè)有單個(gè)催化燃燒器且其中所述催化燃燒器被設(shè) 置為串聯(lián)布置的金屬絲網(wǎng)層，所述串聯(lián)布置的金屬絲網(wǎng)層上涂覆有陶 瓷且浸漬有氧化催化劑，由此使得燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)對(duì)流機(jī) 理且借助于產(chǎn)生的煙道氣被傳遞至所述自循環(huán)的氣體-液體混合物。這 使得與例如通過(guò)輻射機(jī)理進(jìn)行熱傳遞的體系相比能夠?qū)崿F(xiàn)更好的熱量 傳遞，且同時(shí)使得能夠獲得緊湊的反應(yīng)器設(shè)計(jì)，原因在于僅使用了單 個(gè)燃燒器。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述重整部段和蒸煮器部段由絕緣的殼體大體上圍繞，其中所述絕緣的殼體由載運(yùn)著煙道氣的第一環(huán)形區(qū) 域和載運(yùn)著燃燒空氣的第二環(huán)形區(qū)域包繞。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)向周圍環(huán)境產(chǎn)生的低熱損失，原因在于包含重整部段、燃燒部段和栽運(yùn)著用作 熱交換介質(zhì)的氣體-液體體系的隔室或封閉體積空間的反應(yīng)器的主體內(nèi) 的更熱的部分首先被絕緣殼體包繞、隨后被供煙道氣通過(guò)的套筒包繞、 且最終被栽運(yùn)著要用于所述燃燒器中的燃燒空氣的笫二(外部)環(huán)形 區(qū)域包繞。這還使得燃燒氣體和任何其它適當(dāng)?shù)娜剂蠚怏w如來(lái)自下游 的氫純化單元的廢氣通過(guò)與煙道氣進(jìn)行間接熱交換而被預(yù)熱，所述煙 道氣優(yōu)選在其被排出所述反應(yīng)器的途徑中以逆流方式流動(dòng)。在優(yōu)選的 實(shí)施例中，煙道氣從所述蒸煮器部段通過(guò)位于所述蒸煮器部段和所述 封閉體積空間外部的環(huán)形區(qū)域直接進(jìn)入所述笫一環(huán)形區(qū)域內(nèi)。煙道氣 被供應(yīng)給該環(huán)形區(qū)域，所述煙道氣已經(jīng)將其熱量傳輸給所述蒸煮器部 段中的所述一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件內(nèi)部的所述自循環(huán)氣體-液體混合物。 所述煙道氣還可從所述反應(yīng)器的所述燃燒部段直接進(jìn)入所述第一環(huán)形 區(qū)域內(nèi)，由此使得可在所述煙道氣中實(shí)現(xiàn)更高的溫度。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)"由絕緣殼體大體上圍繞(substantially surrounded by an insulated housing)，，意味著所述反應(yīng)器的一些部 分可能并未被絕緣。例如，所述重整部段的一部分有可能不需要進(jìn)行 絕緣。所述重整部段或蒸煮器部段的一小部分也有可能不被所述絕緣 殼體圍繞。例如，所述絕緣殼體可能不覆蓋位于最接近所述燃燒部段 的位置處的所述蒸煮器部段的下部部分。
所述反應(yīng)器可適于與變壓吸附單元(PSA)協(xié)同作用，所述變壓吸 附單元優(yōu)選是用于對(duì)被排出所述反應(yīng)器的經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體進(jìn)行進(jìn) 一步處理的氬純化單元。如上所述，來(lái)自所述變壓吸附單元的廢氣可 作為燃料被用于所述反應(yīng)器中。因此，在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，入 口被適配給載運(yùn)著燃燒空氣的所述第二環(huán)形區(qū)域以便使變壓吸附單元 的廢氣通過(guò)。這使得能夠在將所述廢氣引入所述燃燒部段中的所述至 少 一個(gè)燃燒器內(nèi)之前對(duì)所述廢氣進(jìn)行預(yù)熱。
還可使用Pd合金膜代替變壓吸附單元以便對(duì)經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體 進(jìn)行富集。 一般情況下，可通過(guò)利用Pd合金膜獲得更高的純化程度， 所述Pd合金膜可被包括在所述反應(yīng)器內(nèi)。因此，在本發(fā)明中，氫純化 單元如Pd合金膜還有可能被整合在所述反應(yīng)器內(nèi)。然而，由于變壓吸 附純化單元與Pd合金膜相比不那么敏感且更為廉價(jià)，因此仍優(yōu)選利用 變壓吸附純化單元。通常情況下，Pd合金膜還需要在所述經(jīng)過(guò)重整的 氣體中具有相對(duì)較高的溫度，例如約350°C的溫度。因此，在曱醇重
整過(guò)程中，將需要對(duì)被排出所述反應(yīng)器的處于約300。C下的經(jīng)過(guò)重整 的氣體進(jìn)行加熱以便符合Pd合金膜的需要。可有利地利用其它富氫單 元如常規(guī)的水-氣體變換步驟如一氧化碳的低溫變換(low shift)和 選擇性氧化，所述選擇性氧化也被稱作一氧化碳的優(yōu)先氧化(PROX), 所述單元特別地與燃料電池相關(guān)。水-氣體變換和優(yōu)先氧化步驟使得能 夠從經(jīng)過(guò)重整的富氫氣體中除去一氧化碳。這導(dǎo)致提高了質(zhì)子交換膜 (PEM)燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)的效率，原因在于被吸附在質(zhì)子交換 膜燃料電池的Pt陽(yáng)極中的一氧化碳抑制了氫離解為質(zhì)子和電子的過(guò)程 且因此大大降低了質(zhì)子交換膜燃料電池的功率輸出或性能。
載運(yùn)著燃燒空氣的所述反應(yīng)器的所述第二環(huán)形區(qū)域優(yōu)選被連接至 燃燒部段。因此，所述第二環(huán)形區(qū)域可優(yōu)選延伸進(jìn)入所述燃燒部段內(nèi) 以便確保經(jīng)過(guò)預(yù)熱的燃燒空氣與入口燃料和另一燃料一起進(jìn)入燃燒器 內(nèi)，所述入口燃料優(yōu)選是曱醇且所述另一燃料優(yōu)選是來(lái)自變壓吸附單 元的廢氣。應(yīng)該理解可利用任何其它適當(dāng)?shù)难趸瘎┤绺谎蹩諝鈦?lái)代 替空氣。
氣體-液體混合物優(yōu)選是在約55至110 bar g，優(yōu)選65至110 bar g的壓力下和在270。C至約320。C，優(yōu)選280。C至約320。C的溫度下進(jìn)
行自循環(huán)的飽和的蒸汽-水體系。最優(yōu)選地，所述飽和的蒸汽-水體系 在65 bar g的壓力和280。C的溫度下進(jìn)行自循環(huán)。應(yīng)該理解所述溫 度是由循環(huán)體系中的飽和蒸汽壓力決定的，對(duì)于溫度為280。C的這種 情況而言，所述飽和的蒸汽-水體系的壓力為65 bar g。因此，所述飽 和的蒸汽-水體系還可在110 bar g的壓力和約320°C的溫度下進(jìn)行自 循環(huán)，或者在50 bar g的壓力以及270°C的溫度下進(jìn)行自循環(huán)。所述 飽和的蒸汽-水體系使得能夠提供一種自循環(huán)體系，其中易于實(shí)現(xiàn)在所 述重整部段中進(jìn)行的將甲醇轉(zhuǎn)化成氫所需的溫度如280°C。當(dāng)要^L重整 的工藝氣體包括甲醇，例如曱醇和水的混合物時(shí)，上面的壓力和溫度 是特別適當(dāng)?shù)?，原因在于甲醇的重整一般發(fā)生在250-350。C的溫度范 圍內(nèi)。因此，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，進(jìn)入所述反應(yīng)器的所述工藝 流體是甲醇和水的混合物且所述氣體-液體混合物是在55至110 bar g
的壓力和270℃ 至約320℃ (更具體而言為318℃ )的溫度下循環(huán)的飽 和的蒸汽-水體系。所述飽和的蒸汽-水體系的高熱容使得因此能夠在 所述反應(yīng)器中提供大的吸熱器。熱量被積聚且準(zhǔn)備用在周圍情況使得 需要熱量的時(shí)候，例如反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)或燃燒器的負(fù)荷發(fā)生變化而 使得需要熱量的時(shí)候。熱量通過(guò)自循環(huán)蒸汽-水體系而被分布在整個(gè)反 應(yīng)器上，其中水通過(guò)與來(lái)自催化燃燒器的熱煙道氣進(jìn)行熱交換而汽化， 同時(shí)在消耗熱量的位置處產(chǎn)生蒸汽冷凝。
在又一實(shí)施例中，進(jìn)入所述反應(yīng)器的所述工藝流體包含二甲醚 (DME) 。 二甲醚一般是通過(guò)曱醇的脫水而獲得的。進(jìn)入所述反應(yīng)器的 所述工藝流體可因此包括甲醇、二甲醚或者二甲醚和甲醇的混合物。
當(dāng)利用二曱醚作為工藝流體時(shí)，通過(guò)兩步反應(yīng)將二甲醚分解為氫。 在第一反應(yīng)中，醚通過(guò)下面的反應(yīng)被水合成甲醇
CH3OCH3+H20=2CH3OH ( 1 ) 且在二曱醚的水合過(guò)程中產(chǎn)生的曱醇在第二步驟中被分解為碳的氧化 物和氫
CH3OH+H20=C02+3H2 ( 2 )
C02+H2=CO+H20 ( 3 )
兩個(gè)反應(yīng)都可以氣相和液相的形式發(fā)生。
反應(yīng)(1)在存在弱酸的情況下以極低的反應(yīng)速率進(jìn)行且該反應(yīng)對(duì) 于曱醇而言在熱力學(xué)上是不利的。已公知地借助于固體催化劑對(duì)通過(guò) 上面的反應(yīng)(2)和(3)進(jìn)行的甲醇分解進(jìn)行催化，所述固體催化劑 通?；阢~、鋅和鋁的氧化物。在熱力學(xué)上，高溫、低壓和高蒸汽濃度有利于所述甲醇分解。
可通過(guò)在存在如美國(guó)專利No. 5, 837, 217所述的固體酸的情況下 實(shí)施所述反應(yīng)(1)而大大提高在通過(guò)反應(yīng)(1)進(jìn)行的將二甲醚水合 成甲醇的過(guò)程中的反應(yīng)速率。當(dāng)借助于從甲醇到氫的反應(yīng)而隨著甲醇 的形成除去產(chǎn)生的甲醇并除去根據(jù)上面的反應(yīng)(2)和(3)生成的碳 的氧化物從而克服了二甲醚水合反應(yīng)(1)的平衡限制時(shí)，使得通過(guò)反 應(yīng)CH3OCH3+3H20=2C02+6H2進(jìn)行的從二甲醚到富氫氣體的總反應(yīng)以適當(dāng)?shù)?速率進(jìn)行且對(duì)于氫和碳的氧化物的形成而言具有高產(chǎn)率和選擇性。二 甲醚因此優(yōu)選在存在選自固體酸組群的醚水合催化劑且存在曱醇分解 催化劑的情況下與水進(jìn)行反應(yīng)，所述醚水合催化劑和曱醇分解催化劑
在所述反應(yīng)器的所述催化劑管道內(nèi)被布置成物理混合物。用于二甲醚 進(jìn)行水合的適當(dāng)催化劑是任何的固體酸。水合催化劑優(yōu)選包括酸性沸石，所述酸性沸石最優(yōu)選為以H-形式存在的ZSM-5。 二曱醚水合催化 劑與甲醇分解催化劑以介于1:5與5:1之間的重量比進(jìn)行物理混合， 所述曱醇分解催化劑優(yōu)選是Cu-Zn-氧化鋁。
在工藝流體側(cè)上，壓力被保持處于更低的水平，所述更低的壓力 水平一般在3至30 bar g的范圍內(nèi)，例如在20至30 bar g的范圍內(nèi)。 例如，進(jìn)入所述反應(yīng)器的工藝流體的壓力可為約22 bar g且其溫度在 0°C至50°C的范圍內(nèi)，此處所述工藝流體是甲醇和水的液體混合物， 而在被排出所述反應(yīng)器的經(jīng)過(guò)重整的氣體中，壓力可能略低例如為20 bar g且溫度在120°C至270°C的范圍內(nèi)。由反應(yīng)器生產(chǎn)的氫產(chǎn)率(排 出的經(jīng)過(guò)重整的氣體) 一般在10-5000 NmVh的范圍內(nèi)，通常在15-1000 NmVh的范圍內(nèi)，優(yōu)選在25-1000 Nm3/h的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在25-500 Nm3/h 的范圍內(nèi)。 一般情況下，所述經(jīng)過(guò)重整的氣體的成分為約65%體積的H2、 11%體積的H20、 2. ly。體積的C0、 23%體積的(:02和1.4%體積的曱醇。所 述反應(yīng)器中的曱醇轉(zhuǎn)化率一般高于90%，通常高于95°/ ，例如為97%至 99%。對(duì)于具有600 NmVh的氫容量(產(chǎn)率)的反應(yīng)器而言，催化劑管 道的數(shù)量一般在110至120根的范圍內(nèi)。所述催化劑管道一般長(zhǎng)2.5 至3. 0 m且內(nèi)徑為20 mm。所述反應(yīng)器中的在所述重整部段中的所述催 化劑管道上的溫度被保持處于均勻水平，例如被保持處于280。C的溫 度水平，且該水平是由所述循環(huán)體系中的飽和蒸汽壓力確定的，在這 種情況下所述飽和蒸汽壓力為65 bar g。對(duì)于更高的溫度應(yīng)用情況而 言，自循環(huán)體系可包括鈉或鉀來(lái)代替水-蒸汽混合物。
所述反應(yīng)器可進(jìn)一步包括布置在所述催化劑管道上方的催化劑的 固定床，其中所述固定床覆蓋了所述反應(yīng)器的大體上整個(gè)水平剖面且 其中所述固定床適于在要被轉(zhuǎn)化的工藝氣體進(jìn)入所述催化劑管道內(nèi)之 前接收所述工藝氣體。所述催化劑的固定床可圍繞載運(yùn)著所述要被轉(zhuǎn) 化的工藝氣體的所述一根或多根工藝管道。因此，所述固定床被布置 在所述重整部段的所述一根或多根催化劑管道上游。載運(yùn)著所述工藝 氣體的所述一根或多根工藝管道延伸通過(guò)所述固定床且可伸出并略微 遠(yuǎn)離所述床。所述工藝管道可因此設(shè)有恰位于所述固定床上方的出口 孔以便允許工藝氣體通過(guò)所述床并隨后通過(guò)所述一根或多根催化劑管
道內(nèi)部的催化劑床。覆蓋所述反應(yīng)器的大體上整個(gè)水平剖面的所述催 化劑的固定床用作防中毒催化劑層且通常使得所述工藝氣體能夠均勻 地流入下游的所述催化劑管道內(nèi)且因此使得在所述反應(yīng)器的所述水平 剖面上實(shí)現(xiàn)了更好的溫度分布。
應(yīng)該理解根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)過(guò)整合且緊湊的反應(yīng)器在單個(gè)單元中 整合了可能要不然需要在反應(yīng)器外部獨(dú)立地運(yùn)行的多個(gè)工藝單元或步 驟，例如用于對(duì)烴原料進(jìn)行預(yù)熱和汽化、對(duì)燃燒空氣進(jìn)行預(yù)熱且可選 地對(duì)來(lái)自變壓吸附單元的廢氣進(jìn)行預(yù)熱的加熱器，以及催化燃燒器和 封裝有用作熱交換介質(zhì)的所述氣體-液體混合物(氣體-液體體系)的 所述封閉體積空間。所述反應(yīng)器不需要使用活動(dòng)部件如閥和泵，例如 并非必需設(shè)置泵而提供用作熱交換介質(zhì)的所述氣體-液體混合物在所述 反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行的內(nèi)部循環(huán)。
在第二方面中，本發(fā)明還包括一種用于生產(chǎn)氫的方法。因此，我 們提供了一種用于在如本文所述的包含燃燒部段、蒸煮器部段和重整 部段的反應(yīng)器中由供給工藝流體生產(chǎn)氫的方法，所述方法包括以下步 驟
-通過(guò)使供給工藝流體與來(lái)自所述重整部段的排出的經(jīng)過(guò)重整的工 藝氣體進(jìn)行間接熱交換而對(duì)所述供給工藝流體進(jìn)行可選地預(yù)熱，
-通過(guò)使所述反應(yīng)器中的所述供給工藝流體與氣體-液體混合物進(jìn) 行間接熱交換而對(duì)所述供給工藝流體進(jìn)行可選地進(jìn)一步加熱和汽化以 便形成經(jīng)過(guò)預(yù)熱的工藝氣體，所述氣體-液體混合物在包含所述重整部 段的封閉體積空間內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)且被封裝在所述封閉體積空間內(nèi) 部，且其中所述封閉體積空間的至少 一部分伸出到所述蒸煮器部段內(nèi) 部，
-使經(jīng)過(guò)預(yù)熱的工藝氣體通過(guò)所述重整部段，
-通過(guò)使所述重整部段中的至少一根催化劑管道與氣體-液體混合 物進(jìn)行間接熱交換而對(duì)所述至少 一根催化劑管道進(jìn)行加熱，所述氣體-液體混合物在包含所述重整部段的封閉體積空間內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)且被 封裝在所述封閉體積空間內(nèi)部，且其中所述封閉體積空間的至少一部 分伸出到所述蒸煮器部段內(nèi)部，
-從所述重整部段回收經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體并且通過(guò)對(duì)所述供給工 藝流體進(jìn)行預(yù)熱而對(duì)所述經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體進(jìn)行可選地冷卻，
-將燃料與燃燒空氣一起引入所述燃燒部段中的至少一個(gè)燃燒器 內(nèi)，其中通過(guò)使所述燃燒空氣與來(lái)自所述蒸煮器部段的煙道氣進(jìn)行間 接熱交換而對(duì)所述燃燒空氣進(jìn)行預(yù)熱，
-從所述燃燒器回收煙道氣并且使所述煙道氣通過(guò)蒸煮器部段，并
且
-通過(guò)使所述氣體-液體混合物與通過(guò)所述蒸煮器部段的所述煙道 氣進(jìn)行間接熱交換而對(duì)所述氣體-液體混合物進(jìn)行加熱，所述氣體-液 體混合物在所述反應(yīng)器中的包含所述重整部段的封閉體積空間內(nèi)部進(jìn) 行自循環(huán)且被封裝在所述封閉體積空間內(nèi)部，且其中所述封閉體積空 間的至少一部分伸出到所述蒸煮器內(nèi)部。
所述方法使得能夠生產(chǎn)經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體，所述經(jīng)過(guò)重整的工 藝氣體是富氫的且特別適用于變壓吸附單元中。另一種可選方式是，
在Pd合金膜或相似部件代替變壓吸附單元被用作氫純化單元的情況 下，可通過(guò)使所述經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體與煙道氣進(jìn)行間接熱交換而有 利地實(shí)現(xiàn)對(duì)所述經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體進(jìn)行的進(jìn)一步加熱。所述氫純化 單元可因此是膜，所述膜也可被整合在所述反應(yīng)器內(nèi)。
與燃燒空氣一起被引入所迷燃燒部段中的所述至少一個(gè)燃燒器內(nèi) 的燃料可以是烴燃料如曱醇，但通常僅是來(lái)自被用作富氫單元的位于 下游的變壓吸附單元的廢氣。
上面的方法可進(jìn)一步包括以下步驟 -使經(jīng)過(guò)冷卻的經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體通過(guò)空氣冷卻器， -隨后使所述經(jīng)過(guò)冷卻的經(jīng)過(guò)重整的工藝氣體通過(guò)氫純化單元以便 形成富集氫的氣體，并且
-將來(lái)自所述氫純化單元的廢氣引入所述反應(yīng)器的所述至少一個(gè)燃 燒器內(nèi)。
在所述氬純化單元是變壓吸附單元的情況下，該單元和所述空氣 冷卻器優(yōu)選位于所述反應(yīng)器的外部。來(lái)自所述變壓吸附單元的廢氣可 隨后被引入所述至少一個(gè)燃燒器內(nèi)，如上所述。來(lái)自所述氫純化單元 的富氫氣體可隨后用于任何適當(dāng)?shù)墓I(yè)應(yīng)用中，例如用于冶金工業(yè)、 電子器件、化學(xué)和制藥工業(yè)中或用作燃料電池設(shè)備中的氫源。


通過(guò)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的反應(yīng)器的示意圖，其中通 過(guò)擋板使進(jìn)入蒸煮器部段中的煙道氣轉(zhuǎn)向；且
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的反應(yīng)器的示意圖，其中使 蒸煮器部段中的煙道氣受力以便使其通過(guò)設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件 中的套筒。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，具有80 NmVh的氫容量的呈圓柱形的整合的反應(yīng)器1 包含燃燒部段2、蒸煮器部段3和重整部段4。該圓柱形反應(yīng)器l具有 300 kg的總重量且高約1.6 m,且直徑(除了燃燒部段以外)為約0. 4m。 該反應(yīng)器的總體積為約0.275 m3，且總的催化劑體積為0.020 m3。
重整部段4還包括重整催化劑的固定床5，所述固定床被布置在 重整部段的區(qū)域上方，在所述區(qū)域中設(shè)置了催化劑管道。這些部段被 共軸地布置在反應(yīng)器中以便能夠裝配在外部的大體上呈圓柱形的殼體 內(nèi)。
曱醇和水的混合物通過(guò)反應(yīng)器外壁中的導(dǎo)管6被引導(dǎo)至反應(yīng)器1。 載運(yùn)著工藝流體(甲醇和水的混合物)的工藝供給管道7延伸通過(guò)導(dǎo) 管6。工藝管道垂直地向下延伸至封閉體積空間8內(nèi)部的位于蒸煮器部 段3上方的區(qū)域。
蒸煮器部段被布置在包括封閉體積空間8的至少一部分的殼體 中，且所述至少一部分作為細(xì)長(zhǎng)元件9伸出到蒸煮器部段3內(nèi)部，所 述封閉體積空間在圖中被示作陰影區(qū)域。飽和的水-蒸汽混合物10在 封閉體積空間內(nèi)部且由此也在細(xì)長(zhǎng)元件9內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)。飽和的水-蒸汽混合物因此在反應(yīng)器內(nèi)部且在被封裝在包含細(xì)長(zhǎng)元件9和重整部 段4的封閉體積空間8內(nèi)部的區(qū)域中以自循環(huán)方式進(jìn)行移動(dòng)。該細(xì)長(zhǎng) 元件形成了流道ll，來(lái)自被布置在下面的燃燒部段2的熱煙道氣12通 過(guò)所述流道。多塊垂直或水平地隔開的擋板13被布置大體上橫向于在 燃燒部段2中產(chǎn)生的煙道氣l2的流向。
在被布置在反應(yīng)器的下部部分中且位于蒸煮器部段3下面的燃燒 部段2中，適當(dāng)?shù)娜剂先鐣醮纪ㄟ^(guò)燃料入口 14被注入，所述燃料入口 適于用作噴嘴。曱醇隨后在單個(gè)催化燃燒器16中與通過(guò)入口 l5進(jìn)入的經(jīng)過(guò)預(yù)熱的燃燒空氣進(jìn)行反應(yīng)，所述單個(gè)催化燃燒器包括浸漬有氧 化催化劑的金屬絲網(wǎng)且被共軸地設(shè)置在圓柱形反應(yīng)器1的流道中。熱
煙道氣12被產(chǎn)生并隨后到達(dá)蒸煮器部段3。在將熱量傳輸給位于細(xì)長(zhǎng) 構(gòu)件9內(nèi)部的水-蒸汽混合物10之后，煙道氣被排出蒸煮器部段朝向 反應(yīng)器的環(huán)形部段17流動(dòng)。
在恰位于蒸煮器部段3上方的封閉體積空間8中，飽和的水-蒸汽 混合物10中的熱量的一部分被傳輸給工藝管道18的系統(tǒng)。工藝管道18 延伸遠(yuǎn)離過(guò)渡隔室19且向上延伸通過(guò)反應(yīng)器的中間部分且進(jìn)一步延伸 至重整部段4，所述工藝管道在此被形成為盤管或螺旋管。重整部段4 被布置在反應(yīng)器的上部部分中的隔室或封閉體積空間8中， 一根或多 根垂直的催化劑管道20被設(shè)置在所述重整部段的內(nèi)部。在工藝管道18 內(nèi)部行進(jìn)的要被重整的工藝氣體在催化劑的固定床5上方被排出、通 過(guò)該床并且進(jìn)入催化劑管道20。經(jīng)過(guò)重整的氣體通過(guò)出口管道21在催 化劑管道20的底部處被排出重整部段且被用于對(duì)在反應(yīng)器的外壁處的 導(dǎo)管6中的工藝供給管道7內(nèi)部進(jìn)行輸運(yùn)的烴供給物進(jìn)行預(yù)熱。
重整部段4、 5和蒸煮器部段3被絕緣殼體22圍繞。該絕緣殼體22 被載運(yùn)著煙道氣的第一環(huán)形區(qū)域23和載運(yùn)著通過(guò)入口 15進(jìn)入的燃燒 空氣的第二環(huán)形區(qū)域24包繞。通過(guò)使燃燒空氣與在環(huán)形部段"中朝 向煙道氣出口 24以逆流方式行進(jìn)的煙道氣12進(jìn)行間接熱交換而對(duì)所 述燃燒空氣進(jìn)行預(yù)熱。燃燒部段2也被獨(dú)立的絕緣殼體25圍繞。來(lái)自 下游的變壓吸附單元的廢氣也被用作燃料并且通過(guò)入口 26進(jìn)入到燃燒 器16中。煙道氣12通過(guò)所述蒸煮器部段外部的環(huán)形區(qū)域l7從蒸煮器 部段直接進(jìn)入所述第一環(huán)形區(qū)域23內(nèi)。載運(yùn)著燃燒空氣的第二環(huán)形區(qū) 域24通過(guò)狹窄的通路27被連接至燃燒部段2。
現(xiàn)在參見圖2,如圖1所示的反應(yīng)器1還包含燃燒部段2、蒸煮器 部段3和重整部段4。除了在蒸煮器部段3中并未設(shè)置擋板且優(yōu)選被形 成為細(xì)長(zhǎng)管道的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件9設(shè)有套筒lla以便允許煙道氣通過(guò)由所述 細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件9和所述套筒lla限定出的環(huán)形區(qū)域以外，該反應(yīng)器具有與 結(jié)合圖1所示的反應(yīng)器相同的元件。因此，該環(huán)形區(qū)域用作供煙道氣 通過(guò)的流道。限定出蒸煮器部段的殼體的壁部28可用作用于最外部的 細(xì)長(zhǎng)元件的套筒或外壁的一部分。在將熱量傳輸給細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件內(nèi)部的氣 體-液體混合物之后，煙道氣通過(guò)進(jìn)入反應(yīng)器中的位于所述蒸煮器部段和所述封閉體積空間外部的環(huán)形區(qū)域17內(nèi)而被排出蒸煮器部段。
權(quán)利要求
1、用于將工藝流體轉(zhuǎn)化成氫的重整反應(yīng)器，所述重整反應(yīng)器包括重整部段、蒸煮器部段和燃燒部段，所述重整部段被包含在封閉體積空間內(nèi)，其中所述重整部段包含填充有重整催化劑的一根或多根催化劑管道，所述蒸煮器部段設(shè)有用于使來(lái)自所述燃燒部段的煙道氣通過(guò)的一條或多條流道且所述燃燒部段設(shè)有至少一個(gè)燃燒器，其中在所述一根或多根催化劑管道中對(duì)所述工藝流體進(jìn)行重整所需的熱交換介質(zhì)是氣體-液體混合物，所述氣體-液體混合物在所述封閉體積空間內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)且被封裝在所述封閉體積空間內(nèi)部且其中所述封閉體積空間的至少一部分伸出到所述蒸煮器部段內(nèi)部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述封閉體積空間內(nèi)氣體件伸J到所述蒸煮器部、段l^部以便形成多個(gè)沿周;且沿徑向隔開的細(xì) 長(zhǎng)元件，且其中所述細(xì)長(zhǎng)元件彼此流體連通。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器的所述蒸煮器 部段設(shè)有多塊垂直地隔開或水平地隔開的擋板，其中所述擋板被布置 成大體上橫向于在所述燃燒部段中產(chǎn)生的所述煙道氣的流向。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的反應(yīng)器，其中所述一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng) 構(gòu)件設(shè)有套筒以便允許煙道氣通過(guò)由所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和所述套筒限定出 的環(huán)形區(qū)域，所述一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件優(yōu)選#1形成管道。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中載運(yùn)著要被轉(zhuǎn) 化的工藝流體的至少 一根工藝供給管道延伸進(jìn)入所述反應(yīng)器的所述封 閉體積空間內(nèi)部。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器，其中載運(yùn)著要被轉(zhuǎn)化的所迷工 藝流體的所迷至少一根工藝供給管道通過(guò)被布置在所述反應(yīng)器的外壁 中的導(dǎo)管進(jìn)入所述反應(yīng)器且其中所述工藝流體通過(guò)與來(lái)自所述反應(yīng)器 的所述重整部段的排出的經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的氣體進(jìn)行間接接觸而受到預(yù)熱。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的反應(yīng)器，其中所述至少一根工藝供 給管道垂直地延伸進(jìn)入過(guò)渡隔室內(nèi)，載運(yùn)著要被轉(zhuǎn)化的工藝氣體的至 少 一根工藝管道在所述反應(yīng)器的所述封閉體積空間內(nèi)部從所述過(guò)渡隔 室垂直地進(jìn)行延伸，且其中載運(yùn)著所述工藝氣體的所述至少一根工藝 管道被形成為盤管。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中包含所述重整 部段和蒸煮器部段的所述封閉體積空間由絕緣的殼體大體上圍繞，其中所述絕緣的殼體由載運(yùn)著煙道氣的第一環(huán)形區(qū)域和載運(yùn)著燃燒空氣 的第二環(huán)形區(qū)域包繞。
9、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中進(jìn)入所述反應(yīng) 器的所述工藝流體包括曱醇、二曱醚或者二甲醚和甲醇的混合物。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，其中進(jìn)入所述反應(yīng)器的所述 工藝流體是甲醇和水的混合物且所述氣體-液體混合物是在55至110 bar g的壓力下和270。C至約320°C的溫度下進(jìn)行循環(huán)的飽和的蒸汽-水體系。
11、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中所述燃燒部 段設(shè)有單個(gè)催化燃燒器且其中所述催化燃燒器被設(shè)置為串聯(lián)布置的金 屬絲網(wǎng)層，所述串聯(lián)布置的金屬絲網(wǎng)層上涂覆有陶瓷且浸漬有氧化催 化劑，由此使得在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)對(duì)流機(jī)理且借助于產(chǎn)生 的煙道氣被傳遞至所述自循環(huán)的氣體-液體混合物。
全文摘要
用于將工藝流體轉(zhuǎn)化成氫的重整反應(yīng)器包括重整部段、蒸煮器部段和燃燒部段，所述重整部段被包含在封閉體積空間內(nèi)，其中所述重整部段包含填充有重整催化劑的一根或多根催化劑管道，所述蒸煮器部段設(shè)有用于使來(lái)自所述燃燒部段的煙道氣通過(guò)的一條或多條流道且所述燃燒部段設(shè)有至少一個(gè)燃燒器，其中在所述一根或多根催化劑管道中對(duì)所述工藝流體進(jìn)行重整所需的熱交換介質(zhì)是氣體-液體混合物，所述氣體-液體混合物在所述封閉體積空間內(nèi)部進(jìn)行自循環(huán)且被封裝在所述封閉體積空間內(nèi)部且其中所述封閉體積空間的至少一部分伸出到所述蒸煮器部段內(nèi)部。
文檔編號(hào)C01B3/38GK101208264SQ200680023249
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2006年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者J·B·漢森, M·博 申請(qǐng)人:赫多特普索化工設(shè)備公司