催化反應模塊的制作方法

專利名稱：催化反應模塊的制作方法
催化反應模塊本發明涉及一種具有通道的催化反應模塊，其用于進行吸熱化學反應如蒸汽重 整，其中熱是由相鄰通道中的燃燒反應提供的，本發明還涉及一種利用該模塊來進行吸熱 化學反應的方法，以及涉及該模塊的控制。在WO 2005/102511 (GTL微系統AG)中描述了一種成套設備及方法，其中在第一催 化反應器中使甲烷與蒸汽反應而產生一氧化碳和氫氣；然后使用所產生的氣體混合物在第 二催化反應器中進行費歇爾-托羅普希(Fischer-Tropsch)合成。所述的重整反應典型地 在約800°C的溫度下進行，并且所需的熱是由與進行重整的通道相鄰的通道中的催化燃燒 提供的，該燃燒通道包含催化劑，該催化劑可包括在氧化鋁載體上的鈀或鈀/鉬，其呈在金 屬基底上的薄涂層的形式。將可燃氣體的混合物如甲烷和空氣的混合物供給該燃燒通道。 燃燒無火焰地發生在催化劑的表面處。然而，已發現燃燒反應傾向于最劇烈地發生在燃燒 通道的起始端附近，其可導致沿通道的不適宜的溫度分布；雖然此問題可通過沿燃燒通道 分階段注入燃料來克服，但仍期望有其它解決方法。根據本發明，提供了一種用于進行吸熱反應的催化反應模塊，該模塊包括多個獨 立的反應器塊，每一反應器塊限定了交替地布置在該反應器塊內的許多第一和第二流體通 道，以確保在第一和第二流體通道之間的熱接觸，將該反應器塊進行布置和連接用于氣體 混合物在第一流體通道中的串流以進行吸熱反應，并且也用于可燃氣體混合物在第二流體 通道中的流動，使得吸熱反應混合物串聯流過反應器塊。反應器塊被認為是獨立的，其意思是指其具有不同的和獨立的氣體混合物的入口 和出口。該反應器塊也可以是物理上分離的，即彼此被間隔開；或其也可被連接在一起例如 以疊的形式。優選該模塊被布置成這樣使得供給反應器塊的可燃氣體混合物處于低于其自燃 溫度的高溫下，在一個或多個反應器塊中，溫度至少部分地由于可燃氣體混合物的燃燒而 上升。事實上優選地，供給模塊中每個反應器塊中的可燃氣體混合物處于這樣的高溫下。 對于至少某些反應器塊來說，可通過與從一個或多個反應器塊的第二氣體流體通道產生的 氣體進行熱交換而使溫度上升。在一種優選的實施方式中，將可燃氣體混合物布置成以與 吸熱氣體混合物相同的順序串聯流過反應器塊。在該例子中，由于在該串聯的前一反應器 塊中至少部分地進行了燃燒，因此供給第二或之后的反應器塊的可燃氣體混合物處于高溫 下。可燃氣體混合物包括燃料(例如甲烷)及氧氣源(例如空氣)。優選地，在相繼的 反應器塊之間提供了用于處理已經進行了燃燒的流出氣體混合物，例如用于改變其溫度或 用于引入及混入額外的燃料的裝置。還期望在相繼的反應器塊之間提供用于將額外空氣引 入由燃燒產生的流出氣體混合物中的裝置。在不同反應器塊之間分階段供給燃料以及分階 段引入空氣，可達到對溫度分布的更好控制。例如，如果有兩個串聯的反應器塊，在第一階 段提供的燃料的比例優選在總需求燃料的50%至70%之間，剩余部分在第二階段提供。本發明還提供了進行吸熱反應的方法，其中所述的吸熱反應所需的熱是由相鄰通 道中的燃燒反應提供給所述的吸熱反應的，其中所述的吸熱反應在多個相繼的階段中進行。所述的吸熱反應可以是蒸汽甲烷重整，并且在該情形中優選地，經由第一階段，吸熱反 應通道中的溫度增加到675°C至700°C之間，優選增加到約690°C ；并且經由第二階段增加 到730°C至800°C，優選增加到約760V。在一種優選的實施方式中，燃燒反應還在至少兩個 相繼的階段中進行，對從一個階段產生的可燃氣體混合物在將其引入下一個階段之前進行處理。在相繼的階段之間處理燃燒氣體混合物優選地包括改變其溫度和添加額外的燃 料。在添加額外的燃料之前，通過降低氣體溫度可以避免自燃。通過在許多階段中使用獨立的反應器塊進行燃燒過程，得到了分階段注入燃料的 益處，例如沿著反應器模塊更均勻的溫度分布，同時避免了潛在的問題。特別地，這使得在 引入額外的燃料之前，在相繼的階段之間冷卻燃燒氣體混合物成為可能，它可確保不會發 生自燃。在相繼的反應器塊之間處理燃燒氣體混合物在模塊內進行，而不是在反應器塊內 進行。優選地，在反應器塊內第一流體通道和第二流體通道沿平行方向延伸，并且可燃 氣體混合物和吸熱反應混合物沿相同方向流動(共流)。優選地，流體通道的長度至少為 300mm,更優選至少為500mm，但優選不長于1000mm。優選的長度在500mm與700mm之間，例 如為600mm。已發現同向流動操作提供更好的溫度控制和較少的熱點風險。在優選的實施方式中，每個第一流體通道(用于吸熱反應的通道)和每個第二流 體通道(用于燃燒反應的通道)包含可去除的催化劑結構用來催化各自的反應，每個催化 劑結構優選地包含金屬基底并引入了適當的催化劑材料。優選地，將每一個該催化劑結構 成形以便將該流體通道細分為許多個平行的流體子通道。優選地，每一個催化劑結構包含 在金屬基底上的陶瓷載體材料，其為催化劑提供了支撐。該金屬基底為催化劑結構提供了強度并通過傳導提高了熱轉移。優選地，該金屬 基底是鋼合金基底，在其受熱時形成附著的氧化鋁表面涂層，例如摻入鋁的鐵素體鋼合金 (例如Fecralloy )。該基底可以是箔、金屬絲網或氈片，其可以是起皺的、起波紋的或打 褶的；優選該基底是薄的金屬箔，例如厚度小于IOOym的，其是起皺紋的以限定縱向的子 通道。每一個反應器塊可包括一疊板。例如第一和第二流體通道可由各自板中的溝槽來 限定，將所述板堆疊并然后將其粘合在一起。可替代地，所述流體通道可由城堡形的與扁平 片交替堆疊的薄金屬片來限定；流體通道的邊緣可由密封帶來限定。為了確保所需要的良 好的熱接觸，第一和第二氣體流體通道兩者的高度都可以在IOmm與2mm之間(橫截面)； 并且每個通道的寬度可以在約3mm與25mm之間。例如通過擴散粘合、釬焊或熱等靜壓加工 將形成反應器塊的這一疊板粘合在一起。優選地，在每個用于燃燒的流體通道的入口處提供阻火器，以確保火焰不會蔓延 回到向燃燒通道供料的可燃氣體混合物中。這可在每一燃燒通道的入口部分內，例如以非 催化嵌件形式，其將與入口相鄰的燃燒通道部分細分為許多個窄的流體小道，其不寬于用 于防止火焰蔓延的最大間隙尺寸。例如這樣的非催化嵌件可以是縱向成波狀的箔或疊成一 疊的多個縱向成波狀的箔。可替代地或另外地，其中通過集流管來提供可燃氣體，然后可將 阻火器提供在該集流管內。本發明還提供了一種采用該反應模塊來進行吸熱反應(例如蒸汽重整)的方法。在添加額外的燃料之前，通過將空氣與由燃燒所產生的流出氣體混合物混合，可以將可燃 混合物的溫度保持在自燃溫度之下，從而確保在催化劑結構的表面處(而不是在氣相中發 生)以非均相反應的形式發生燃燒。以此方式進行蒸汽甲烷重整能夠使操作在每一反應器塊內以高空間速度，例如以 10000-60000/小時的空間速度來進行，同時達到超過90%的平衡轉化率。同樣地，優選地， 以20000-70，000/小時的空間速度進行燃燒反應。在此文件中，空間速度是指在標準溫度 和壓力(0°C或1大氣壓)下，以多個相應的反應器通道的自由體積形式測量的每小時供給 反應器的氣體體積。本發明還提供了 一種控制燃燒的方法；并且其提供了 一種將在緊湊型催化反應器 中的熱應力減至最小的方法。現將進一步更具體地描述本發明，僅以舉例說明的方式，并且參照附圖，其中

圖1顯示本發明的反應模塊的示意側視圖；圖2用圖形顯示通過圖1的反應模塊的溫度變化以及在蒸汽甲烷反應中轉化率的 相應變化；圖3顯示其中蒸汽將甲烷混合物供給圖1的模塊的系統；圖4顯示引入了圖1的模塊的系統；以及圖5顯示本發明的另一反應模塊的流程圖。通過將蒸汽與甲烷混合，并且在高溫下使該混合物與適當的催化劑接觸而引起甲 烷的蒸汽重整反應，從而使蒸汽與甲烷反應形成一氧化碳與氫氣(其可以被稱為合成氣體 或合成氣)。蒸汽重整反應是吸熱的，并且熱是由催化燃燒例如與空氣混合的甲烷的催化燃 燒提供的。該燃燒發生在重組反應器內在相鄰的流體通道內的燃燒催化劑之上。優選地在 將蒸汽/甲烷混合物引入反應器之前，將其預熱到例如600°C以上。因此，在重整反應器中 的溫度通常從在入口處的約600°C增加到在出口處的約750-800°C。所需的燃料(例如甲烷)總量，是提供用于吸熱反應和為了使氣體升溫(合理的 熱)以及任何的因環境熱損失而要提供熱所需的燃料總量；而所需的空氣量至多比與該數 量的燃料反應所需的量多10%。現參考圖1，示出了適合用作蒸汽重整反應器的反應模塊10。反應模塊10由兩個 反應器塊12a和12b組成，其各自由在平面圖中為矩形的一疊板組成，每個板是由抗腐蝕的 高溫合金制成的。將平板與城堡形板交替地布置以便在所述疊的相對的末端之間限定出直 通的通道，每個通道具有長度為600mm的活動部分。通過舉例說明，在第1實施例中城堡形 的高度(典型地在2-10mm范圍內)可以是3mm，或在第2實施例中可以是10mm，同時該城 堡形的波長可以是這樣的使得相繼的線在第1實施例中間隔為20mm或在第2實施例中可 能間隔為3mm。所有的通道彼此平行地延伸，其中有集流管使得蒸汽/甲烷混合物可被提供 到第一組通道15，以及空氣/甲烷混合物被提供到第二組通道16，第一和第二通道在疊中 交替(通道15及通道16如圖所示)，使得所述疊中的頂部通道與底部通道兩者都是燃燒通 道16。用于各自反應的適當催化劑被提供到通道15及16的活動部分中的成波紋狀的箔上 (未示出)，使得空隙率為約0. 9。在每個燃燒通道16的入口處提供了阻火器17。例如，在每個疊中可以有超過五十個的這種城堡形板。蒸汽/甲烷混合物串聯流過反應器塊12a和12b，有一個導管20將第一反應器塊12a的通道15的出口連接到第二反應器塊12b的通道15的入口。相似地，燃燒混合物也串 聯流過反應器塊12a和12b，有一個導管22將第一反應器塊12a的通道16的出口連接到第 二反應器塊12b的通道16的入口。導管22包含用于額外空氣的入口 24，之后是靜態混合 器25，并然后是用于額外燃料的入口 26，接著是另一靜態混合器27。在反應模塊10的使用中，將蒸汽/甲烷混合物預熱至620°C，并將其供給反應模塊 10，使其流過反應器塊12a和12b。將所需空氣的80%及所需甲烷(作為燃料)的60%的 混合物預熱至550°C，其低于該組合物的自燃溫度，并將其供給第一反應器塊12a。在這兩 種情況下，都可通過與模塊10內已經進行了燃燒的廢氣進行熱交換來進行所述的預熱。因 在催化劑處的燃燒使溫度上升，并且這些由燃燒產生的氣體以約700°C的溫度排出。將這些 氣體與所需空氣的剩余的20% (通過入口 24及靜態混合器25)混合，然后與所需甲烷的剩 余的40% (通過入口 26及靜態混合器27)混合，使得供給第二反應器塊12b的燃燒通道 16的氣體混合物處在約600°C，該溫度也低于該混合物(其包含第一階段燃燒所產生的水 蒸汽及二氧化碳)的自燃溫度。通過調節在入口 24處供給的額外空氣的溫度，可將所得混 合物的溫度控制在低于自燃溫度。舉例來說，氣體流速可以是這樣的，使得空間速度優選在14000與20000/每小時 之間，并且可能更特別地，對于蒸汽甲烷重整通道在15000與18000/每小時之間(將反應 模塊10作為整體考慮)，并且對于燃燒通道優選在19000與23000/每小時之間(將反應模 塊10作為整體考慮)。現參考圖2，該圖以圖解方式顯示了溫度T沿著燃燒通道16(標注為A)的長度L 以及沿著重整通道15 (標注為B)的長度L的變化。介于L = O和L = 0.6m之間的圖形部 分對應于第一反應器塊12a，而介于L = 0. 6m和L = 1. 2m之間的圖形部分對應于第二反 應器塊12b。要注意的是，一旦燃燒已經開始，重整通道15中的溫度T，就總是低于相鄰燃 燒通道16中的溫度T。由于在第一反應器塊12a與第二反應器塊12b之間(在位置L = 0.6m處)添加的空氣(來自入口 24)，燃燒氣體的溫度經歷向下的逐步變化。在蒸汽重整 反應中，甲烷的轉化率C隨長度L的變化由標記為P的圖形顯示。穿過反應器塊10該轉化 率連續地增加并且達到約80%的值，該值接近于在反應條件下的平衡轉化率。應當理解的是，調節燃燒通道和重整通道中的空間速度，并且調節向每一反應器 塊提供的用于燃燒的燃料和空氣的比例，確保貫穿整個反應器塊達到令人滿意的溫度分 布。并且將每一反應器塊內的熱應力減至最小。這確保反應模塊在安全邊界內運行，沒有 損壞反應器塊的風險。還應重視的是如圖2中所示的溫度和轉化率的變化僅僅是舉例來說 的，并且如果改變燃燒催化劑或如果改變燃料與空氣的比例，溫度分布以及因此轉化率將 與實施例的稍有不同。應重視的是以上給出的描述僅為舉例說明，可對其進行許多改變同時仍在本發明 的保護范圍內。例如通道15和16以及反應器塊12的尺寸可以與以上所示的那些不同。供 給第一反應器塊12a的空氣與甲烷的比例可與上述比例不同。最初提供的燃料的比例可在 50%與65%之間，更優選地為55%，而剩余的35%至50%，優選45%在12a與12b之間提 供。例如可以最初提供所需空氣的100%和所需燃料的65% ；并且在反應器塊12a和12b 之間提供燃料的剩余的35%，雖然在此情況中可能理想的是提供一個熱交換器(未示出) 來冷卻流出的氣體，以確保溫度低于自燃溫度。在每種情況中，在氣體組合物的普遍條件和壓力下，優選地將額外的燃料加入溫度低于氣體混合物的自燃溫度的氣體混合物中。如上 所述，當最初僅提供部分空氣時，該比例優選為至少50 %，并且優選為不大于90%，更優選 地在75%與85%之間，最優選為80%，如上述實施例中那樣。應理解的是，在通道15及16中攜帶催化劑的箔優選地在除了被阻火器17所占據 的燃燒通道16的初始部分之外的各自通道的全部長度上延伸。在一種改型中，在每一重整 通道15的初始部分中沒有提供重整催化劑，該初始無催化劑部分比阻火器17的長度更長， 使得將要進行重整的氣體混合物在其到達重整催化劑之前被預熱。應該重視的是當燃料氣體包含(或由其組成)顯著濃度(例如> 5% )的相對于 甲烷具有快速燃燒動力學的物質例如H2及CO時，，則可采用超過兩個的反應器塊和階段之 間的混合位置，以控制在反應器模塊中的溫度分布并且防止產生熱點和不利的熱梯度。調節供給每一階段的燃料與空氣比例的能力還可被用于補償隨時間流逝催化劑 活性的降低。當隨時間流逝燃燒催化劑失去活性時，具有此布置的進一步精制能夠將一些 所產生的合成氣再循環到燃料混合階段，以保持反應模塊中的溫度分布。要重視的是，蒸汽甲烷重整可以形成用于將甲烷轉化成更長鏈烴的工藝的一部 分，然后使通過重整產生的合成氣體進行費歇爾-托羅普希合成。可替代地，可以使合成氣 體進行催化過程來形成甲醇。利用一個或多個反應模塊10 (如上所述)，在任何這樣的成套 設備中可進行蒸汽甲烷重整。優選的成套設備整合了平行布置的幾個這樣的反應模塊，使 得可通過改變所使用的反應模塊的數量來調節該成套設備的容量。在圖1中所示的反應模塊10中，并且僅考慮燃燒通道16，在反應器塊12a與12b 兩者中都可提供鉬_鈀催化劑。可選擇地，在兩個反應器塊12a與12b中的催化劑可以是 不同的。例如在第一反應器塊12a中的催化劑可以是鉬-鈀，并且在第二反應器塊12b中 的催化劑可僅以鉬來代替。應重視的是因為已經發生的燃燒，在第二反應器塊12b內的氧 氣分壓小于在第一反應器塊12a中的氧氣分壓。如果在第二反應器塊12b中使用鉬-鈀催 化劑可能產生一個問題，因為該低氧氣分壓鼓勵將氧化鈀轉化成鈀金屬，而鈀金屬作為燃 燒催化劑，其沒有氧化鈀有效。因此，可受益于在第二反應器塊12b中僅使用鉬催化劑，或 在第二反應器塊12b中使用具有高比率鉬的鉬-鈀混合物。金屬形式的鉬而不是氧化物形 式的鉬是催化活性的，因此，催化劑的活性不會因第二反應器塊12b內的低氧氣分壓而受 到不利的影響。作為另一種替代方式，在反應器塊12a與12b兩者中均可使用僅含有鉬的 催化劑。然而，鉬催化劑與鉬-鈀催化劑相比具有較低的點火溫度，所以不適合在第一反應 器塊12中使用，此外在第一反應器塊12a中的氧氣分壓更高，因此僅含有鉬的催化劑無法 提供其將在第二反應器塊12b中提供的益處。現參照圖5，其中示出了另一反應模塊100，與模塊10中的組件相同的組件也用相 同的參考符號標注。反應模塊100由示意圖所示的兩個反應器塊12a和12b組成，并且如 上所述，蒸汽/甲烷混合物經由導管20串聯流過反應器塊12a、12b。將獨立的燃燒混合物 供給每一反應器塊12a和12b，并且將從反應器塊12a和12b兩者的燃燒通道16的產生的 廢氣提供給共同的排氣孔102 (或提供給兩個分開的排氣孔)。通過在由排氣孔102中的廢 氣加熱的熱交換器104與105中預熱空氣與燃料，將供給第二反應器塊12b的燃燒混合物 預熱到550°C (低于其自燃溫度)，然后使預熱的空氣與燃料在混合器27中混合(可以類 似地將供給第一反應器塊12a的燃燒混合物預熱)。
供給模塊100的第一反應器塊12a的燃燒混合物可與供給第二反應器塊12b的燃 燒混合物具有相同的組成。因此可以將總燃料需要量的50%供給第一反應器塊12a而將 剩余的50%供給第二反應器塊12b，給每一反應器塊提供相同體積的空氣。然而，應注意的 是，供給第一反應器塊12a的燃料體積可以與供給模塊10的第一反應器塊的燃料體積相 同。因此供給模塊100的燃料總量可以大于供給模塊10的燃料量。可選擇地，可以向第一反應器塊12a提供比例稍高的所需燃料總量，例如55%，并 且將剩余的45%總量供給第二反應器塊12b。通過從第一階段燃燒反應中排放至少一部分 的廢氣，與圖1中的相比較，在第二反應器塊12b的通道中所產生的氣體水蒸汽與二氧化碳 的百分比減小了。這轉而對第二反應器塊12b中的氧氣分壓增高有貢獻。因此鈀/鉬催化 劑適合在反應器塊12a和12b兩者的燃燒通道16中使用。在整個模塊100中的溫度分布 實質上與相對于圖2中描述的模塊10中的溫度分布相同，并且在蒸汽甲烷重整通道中所達 到的總體轉化率實質上相同。現參考圖3，該圖顯示了作為用于加工天然氣的成套設備的一部分，用于將蒸汽甲 烷混合物供給如上所述的重整模塊10、或供給如上所述的重整模塊100的系統30的流程 圖。在此實施例中，所述的加工成套設備將天然氣轉化成更長鏈的烴產物。首先調節天然 氣以除去雜質例如汞或硫磺，因此提供清潔的天然氣的原料流，典型地為含有小百分率的 其它烷類的約90%的甲烷。通過蒸汽甲烷重整將這用于產生合成氣體。讓該合成氣體進行 費歇爾-托羅普希合成而產生更長鏈的烴，留下殘余的尾氣；該尾氣可以主要由短鏈烷烴、 一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽和氫氣組成。意欲將系統30用于該加工成套設備中，并且在該實施例中，給系統30提供了三 種輸入料流干凈天然氣的進料流31、蒸汽32的供料以及從費歇爾_托羅普希奇合成成套 設備再循環的尾氣33。系統30產生含有天然氣和蒸汽的混合物，并使其在預重整器35中 進行預重整(例如采用鎳催化劑)，將任何C2+烴(乙烷、丙烷等)轉化成甲烷、一氧化碳 和氫氣。流量理想地是這樣的，使得在預重整之后蒸汽甲烷的摩爾比率介于1.4 1和 1.6 1之間。所得的氣體混合物36主要由甲烷和蒸汽組成，并將該氣體混合物供給如上 所述的一個或多個重整反應器模塊10。系統30包括用于控制供給預重整器35的蒸汽與碳的比率(不論是以甲烷形式還 是另一種烷烴形式)的控制系統38。在常規操作期間，蒸汽碳的比率將會為約1.4 1， 但在啟動期間，采用較高的蒸汽比率來避免催化劑在重整模塊10中結焦，同時催化劑溫度 升高到其目標值。流量變送器40測量輸入料流31、32和33的流量，并且將數據提供給燃 料流量控制器42。燃料流量控制器42操作控制閥44以調節蒸汽的流速，并且從而確保所 需的蒸汽與碳的比率。來自測量進料氣體流量31的流量變送器40的信號也可被傳送給流 量控制器46，該流量控制器46操作排氣閥48將進料氣體流速中的任何尖峰轉移到系統30 外，例如轉移到一個漏斗(未示出)。提供熱交換器50來將循環的尾氣料流33加熱到與蒸汽32和進料氣體31相同的 溫度，在該成套設備中已經預先將后者加熱到高溫。然后將氣流31、32和33混合，并且然 后進一步將所得氣體混合物用預加熱器52加熱到預重整器35所需的輸入溫度，典型地大 約 425 0C ο正如通過相應的流量變送器40測量的那樣，但是允許受排氣閥48的影響，計算并傳送了在54處進料氣體31和尾氣33的流速，用來控制蒸汽甲烷重整模塊10 (如下所述)。在預重整器35中的反應可通過預還原的并且穩定化的鎳基催化劑來催化。因為 尾氣33被包括在氣體混合物中，該氣體混合物包含一氧化碳和二氧化碳，因此在預重整器 中的反應是稍微放熱的，并且所得的輸出料流36的溫度是約540°C。為了保護預重整器35與重整反應器模塊10中的催化劑，控制提供給預重整器35 的混合物的溫度和組成是必要的。例如，如果存在冷凝條件，例如如果預重整器35內的溫 度小于180°C，則不應該引入蒸汽。還必須不允許蒸汽自己本身流動通過預重整器35超過 15分鐘，否則催化劑可能開始進行不可逆的氧化反應。為了防止催化劑的氧化，蒸汽32應 與至少小比例(例如10摩爾％ )的氫氣或天然氣混合。預重整器35可在至多200°C下讓 天然氣通過而沒有損害，但如果讓天然氣在高于250°C時在催化劑上通過，催化劑將因在約 20秒內結焦而被破壞。因此，重要的是如果蒸汽供給32停止了，要切斷天然氣進料流31， 并且尾氣流33也必須被切斷。預重整器35的降壓必須不快于1巴/分鐘以避免損壞催化 劑，并且其加熱或冷卻也不應該快于1°C /min。現參考圖4，示出了用于控制如圖1中所示的蒸汽重整模塊10的操作的系統60的 流程圖。在此例子中氣體供應為作為燃料的脫硫的天然氣61 ；來自預重整器35的氣體混 合物36 ；以及吹制空氣62。讓主要由蒸汽和甲烷組成的該氣體混合物36進入控制回路，該 控制回路包括將關于氣體混合物36的壓力的數據提供給壓力控制器65的壓力變送器64 ； 如果氣體混合物36的壓力超過反應器模塊10的預定安全閾值壓力，則壓力控制器65可以 利用控制閥88調節流速并且可以打開排氣閥67以將氣體混合物轉移到漏斗。然后通過預 加熱器68將氣體混合物36進料到反應器模塊10。還可給反應器模塊10提供吹制空氣62與脫硫的天然氣61的混合物用于燃燒反 應。首先通過預加熱器604加熱吹制空氣62，然后通過溫度傳感器605測量其溫度。通過 閥606響應于來自控制器70的控制信號來調節供給模塊10的空氣流速。控制器70接收來 自位于第二模塊12b的燃料氣體的出口處的溫度傳感器605和氧傳感器607兩者的數據。吹制空氣62在通過閥606之后，被分成穿過熱交換器610供給位于第一反應器模 塊12a的入口處的靜態混合器618 (將要與燃料氣體混合)的第一空氣流以及穿過熱交換 器611供給位于第一反應器模塊12a的出口處的靜態混合器25的入口 24的第二空氣流。 第一與第二空氣流的流量比是由第二空氣流中的閥608控制的。通過控制器72來控制該閥 608，控制器72接收來自位于靜態混合器25出口處的溫度傳感器609和位于閥608的入口 處的流量傳感器74的輸入信號。可以獨立地控制熱交換器610與611，熱交換器610將空 氣加熱到大約500°C的溫度，同時第二階段加熱器611將空氣加熱到在300°C附近的溫度。雖然如以上解釋，供給第一反應器塊12a的混合物可以是所需空氣的80%加上所 需燃料的55%或60%，但仍以與吹制氣體62相似的方式控制作為燃燒燃料的脫硫氣體61。 通過在第一反應器塊12a與第二反應器塊12b之間的靜態混合器25和27引入所需空氣的 剩余部分與所需燃料的剩余部分。燃料流61被分成兩股料流經由控制閥614和熱交換器 616到達位于第一反應器塊12a的入口處的靜態混合器618的第一流以及經由控制閥615 和熱交換器617到達靜態混合器27的入口 26的第二流。通過熱交換器616將第一流加熱 到大約50(TC或550°C，而通過熱交換器617將第二流加熱至大約300°C。通過控制器612來提供對系統60的總體控制。控制器612接收指示天然氣31和尾氣33的流量的信號54 (參見圖3)，從中可推斷出將要重整的甲烷的流量。控制器612也 接收來自位于第二反應器塊12b的出口處的溫度傳感器613的數據。它還接收來自控制器 70的有關吹制空氣62流量的數據。控制器612通過閥614和615來控制燃料流量，這是通 過將信號提供給各自的閥控制器76和78來進行控制的，這些閥控制器也接收來自傳感器 77和79的流速數據。通過將控制信號提供給控制器70，控制器612也通過閥606控制吹 制空氣62的流速。因此，在操作系統60時，供給模塊10的空氣供料，即吹制空氣62的流量是根據將 要重整的甲烷量通過控制器612和控制器70來控制的。如果由在模塊10出口處的傳感器 607感測到的氧氣水平降低，則調節閥606以使供給模塊10的吹制空氣62的流量增加。如 果氧氣水平增加了，則將供給模塊10的吹制空氣62的流量減少，并且也按比例地降低燃料 61的流速。還根據將要重整的甲烷量來控制燃料61的流速。此外如果由位于模塊10出口處 的傳感器613所感測到的溫度變得過高，則供給兩個反應器塊12a和12b的燃料61的流速 將會被降低。另一方面，如果由位于靜態混合器25出口處的傳感器609所感測的溫度上升， 則增加供給靜態混合器25的入口 24的空氣供料(或可選擇地，可以調節熱交換器611以 達到較低的溫度)。這確保混合器27中的氣體混合物低于其自燃溫度。如圖5中所示的用于控制蒸汽重整模塊100操作的系統可以與上述系統60相似， 除了排放來自第一反應器塊12a的燃燒通道的輸出物并且供給新的空氣與燃料的混合物 之外。因此不需要靜態混合器25，只需要混合器27。在模塊100中，可獨立地控制輸入兩 個階段的氣體的溫度和數量，并且分別受熱交換器611和617 (對應于圖5的熱交換器105 和104)控制的第二反應器塊12b的空氣和燃料的溫度可以至多為500°C或550°C (而不是 如上所述的300°C )。將控制系統30描述為接收兩種來源的烴類天然氣31和尾氣33。應當重視這僅 為舉例說明，因為要求僅僅是必須有至少一種含有烴類的氣體供料，典型地是天然氣供料。 如果可利用第二種來源的氣態烴，則也可用類似的方法將其供給尾氣33。例如，當在不同的 加工成套設備，例如用于制備甲醇而不是用于制備長鏈烴的加工成套設備的情形下提供這 樣的一種預重整器35以及相關聯的控制系統30時，則可能只有唯一的一種該氣體供給預 重整器35，或者還可能有具有與上述氣體組成不同的尾氣。
權利要求
一種用于進行吸熱反應的催化反應模塊，該模塊包括多個獨立的反應器塊，每一反應器塊限定了交替地布置在該反應器塊內的許多第一和第二流體通道，以確保第一和第二流體通道之間的熱接觸，將該反應器塊進行布置和連接用于氣體混合物在第一流體通道中的串流以進行吸熱反應，并且也用于可燃氣體混合物在第二流體通道中的流動，使得吸熱反應混合物串聯流過該反應器塊。
2.如權利要求1中所述的反應模塊，其在相繼的反應器塊之間包括用來引入額外燃料 的裝置。
3.如權利要求2中所述的反應模塊，其中將所述額外燃料引入由燃燒產生的流出氣體 混合物中。
4.如權利要求2或3中所述的反應模塊，其中布置所述模塊使得供給反應器塊的可燃 氣體混合物處于低于其自燃溫度的高溫下，該溫度至少部分地由于一個或多個所述反應器 塊中的可燃氣體燃燒而上升。
5.如權利要求4中所述的反應模塊，其被布置成這樣使得供給所述模塊中每個反應器 塊的可燃氣體混合物處于所述的高溫下。
6.如權利要求3中所述的反應模塊，其還在相繼的反應器塊之間包括用來將額外含氧 氣體引入由燃燒所產生的流出氣體混合物中的裝置。
7.如前述權利要求中任一項所述的反應模塊，其中在反應器塊內，第一流體通道和第 二流體通道沿平行方向延伸，并且可燃氣體混合物和吸熱反應混合物沿相同的方向流動。
8.如前述權利要求中任一項所述的反應模塊，其中在每個反應器塊內所述流體通道的 長度至少為300mm，更優選至少為500mm，但優選不長于1000mm。
9.如前述權利要求中任一項所述的反應模塊，其中在每個用于燃燒的流體通道的入口 處提供阻火器。
10.一種進行吸熱反應的方法，該方法采用前述權利要求中任一項所述的反應模塊。
11.一種進行吸熱反應的方法，其中所述的吸熱反應所需的熱是由相鄰通道中的燃燒 反應提供給所述的吸熱反應的，并且其中所述的吸熱反應是在多個相繼的階段中進行的。
12.如權利要求11中所述的方法，其中所述燃燒反應順序地在至少兩個階段中進行， 以與所述吸熱反應相同的順序，對從一個階段所產生的燃燒氣體混合物在將其引入下一個 階段之前進行處理。
13.如權利要求12中所述的方法，其中所述處理包括改變其溫度和添加額外的燃料。
14.如權利要求13中所述的方法，其中通過添加氣體或蒸汽來改變所述溫度。
15.一種用于進行吸熱反應的催化反應模塊的控制系統，該模塊包括多個獨立的反應 器塊，每一反應器塊限定了第一和第二流體通道，將該反應器塊進行布置和連接用于氣體 混合物在該反應器塊的第一流體通道中的串流以進行吸熱反應，并且也用于可燃氣體混合 物在第二流體通道中的流動，使得可燃氣體混合物流過該反應器塊以及吸熱反應混合物串 聯流過該反應器塊，其中所述控制系統包括用于監測將要進行吸熱反應的混合物流速的裝 置，以及用于根據所監測的流速控制將要進行燃燒的混合物的流速的裝置。
16.如權利要求15中所述的控制系統，其中提供給第一反應器塊的燃料比例為供給該 模塊的燃料的50%至70%。
全文摘要
一種用于進行吸熱反應例如蒸汽甲烷重整的催化反應模塊(10)，包括獨立的反應器塊(12)，每一反應器塊限定了交替地布置在該反應器塊內的許多第一和第二流體通道(15、16)，以確保第一和第二流體通道之間的熱接觸。可以將該反應器塊(12a、12b)進行布置和連接用于可燃氣體混合物在第一流體通道(15)中的串流以及也用于氣體混合物在第二流體通道(16)中的串流以進行吸熱反應。這使燃燒過程能夠在幾個階段中進行，具有在各階段之間冷卻燃燒氣體以及引入額外的燃料和額外的空氣的選擇余地。
文檔編號B01J19/24GK101952031SQ200980105193
公開日2011年1月19日 申請日期2009年2月10日 優先權日2008年2月14日
發明者C·D·李-塔夫內爾, M·J·鮑, R·皮特 申請人:康帕克特Gtl有限公司