催化劑容納反應(yīng)器系統(tǒng)以及相關(guān)方法

催化劑容納反應(yīng)器系統(tǒng)以及相關(guān)方法
【專利摘要】根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例，提供了一種管狀催化劑容納反應(yīng)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括殼體以及殼體內(nèi)的汽化器單元，汽化器單元包括用于接收液體化學(xué)反應(yīng)物流并使其至少部分汽化的螺旋纏繞管狀組件。殼體內(nèi)的重整器單元從汽化器單元接收汽化的化學(xué)反應(yīng)物流。重整器單元包括與汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件相連接并同軸定位的螺旋纏繞管狀組件。重整器單元的螺旋纏繞管狀組件包含催化劑，用于從汽化的化學(xué)反應(yīng)物流催化形成氣體產(chǎn)物流。燃燒器單元加熱汽化器單元以及重整器單元。燃燒器單元接收燃料流以及空氣流，并大致在汽化器單元以及重整器單元的螺旋纏繞管狀組件內(nèi)產(chǎn)生火焰。
【專利說(shuō)明】催化劑容納反應(yīng)器系統(tǒng)以及相關(guān)方法
[0001]交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求享有2011年12月6日所提交的題為“TUBULAR PACKED BED CATALYTICREACTOR WITH COILED REACTOR TUBES AND ASSOCIATED METHODS” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/567，340的優(yōu)先權(quán)，上述申請(qǐng)通過(guò)引用方式并入本文。

【背景技術(shù)】
[0003]本領(lǐng)域已知將管狀填充床催化反應(yīng)器用于多種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在一般情況下，反應(yīng)器管道中填充有顆粒催化劑，化學(xué)反應(yīng)物流過(guò)管道并在其中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)物通常是氣態(tài)形式，但在某些情況下可以是液體，并且這同樣適用于該反應(yīng)的產(chǎn)物。在大多數(shù)情況下，反應(yīng)產(chǎn)生熱量或者消耗熱量，其本身可能需要升高的溫度，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的反應(yīng)速率。
[0004]許多準(zhǔn)則影響催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。其中典型的考慮因素是:(I)反應(yīng)速率以及每單位反應(yīng)物流所需要催化劑的對(duì)應(yīng)量(體積)；(2)反應(yīng)的熱量以及溫度要求；以及(3)管道內(nèi)部的流體流量以及壓力要求。
[0005]下面說(shuō)明對(duì)于反應(yīng)器幾何形狀的一些典型設(shè)計(jì)隱含要求和權(quán)衡，特別是管道的長(zhǎng)度以及直徑。由于相對(duì)小直徑的管道具有較高的外表面與內(nèi)部體積比，其提供更好的傳熱特性。然而，小直徑限制流量，要求更高的入口壓力。由于每單位長(zhǎng)度的體積較小，它們還需要更長(zhǎng)的管道長(zhǎng)度用于給定的催化劑體積。另一方面，相對(duì)較大直徑的管道提供較少的流動(dòng)阻力，對(duì)于相同的催化劑體積需要更短的長(zhǎng)度。然而，由于較低的外表面與內(nèi)部體積比，具有較大直徑的管道通常具有較差的傳熱特性。
[0006]在這些因素之間的進(jìn)行權(quán)衡獲得最終的設(shè)計(jì)決定，將給定體積的催化劑填充到具有給定直徑以及長(zhǎng)度的管道內(nèi)。為了管理催化反應(yīng)器組件內(nèi)的壓降，使其處于實(shí)用水平，通常優(yōu)選平行布置多個(gè)管道，而不是采用單個(gè)的長(zhǎng)管道。這樣的管束在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)經(jīng)常遇到。
[0007]在相對(duì)小規(guī)模的重整器系統(tǒng)領(lǐng)域中，對(duì)于設(shè)計(jì)存在附加的約束限制。通常，催化反應(yīng)器組件必須限制于較小的外部體積，同時(shí)保持良好的溫度以及傳熱特性。系統(tǒng)的成本會(huì)是設(shè)計(jì)考慮的首要因素，因此優(yōu)選最少化制造步驟的設(shè)計(jì)——所以由于成本原因優(yōu)選減少管道的數(shù)目。在某些情況下這些額外的限制可能是有矛盾的。例如，可以采用具有給定直徑的單個(gè)長(zhǎng)管道設(shè)計(jì)，但由于空間限制，這種設(shè)計(jì)被具有更高制造成本的管束所取代。
[0008]基于這些高水平的設(shè)計(jì)考慮，需要考慮其它實(shí)際問(wèn)題。在單個(gè)直管道或者直管道束的情況中，管道的取向?qū)τ陂L(zhǎng)期性能穩(wěn)定性的影響十分明顯。這是由于催化劑顆粒的磨損以及沉降過(guò)程會(huì)隨時(shí)間的推移緩慢發(fā)生，并且可以通過(guò)外部因素例如振動(dòng)來(lái)加速。這些老化過(guò)程的結(jié)果是催化劑所占據(jù)體積隨時(shí)間而減小，并且在水平取向的情況中，管道內(nèi)所產(chǎn)生的空體積使得反應(yīng)物流能夠繞過(guò)催化劑。在豎直取向的情況中，催化劑沉降會(huì)導(dǎo)致在管道底部出現(xiàn)較高壓降，其中細(xì)顆粒將趨于聚集。管道頂部的對(duì)應(yīng)空體積會(huì)導(dǎo)致潛在問(wèn)題，由于空體積具有與填充管道不同的傳熱特性，在施加外部熱量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱并加速管道失效。在大規(guī)模安裝中，這些問(wèn)題通常由催化劑床的適當(dāng)維護(hù)計(jì)劃以及維護(hù)程序來(lái)進(jìn)行處理。然而，在小規(guī)模系統(tǒng)中，對(duì)催化劑床進(jìn)行常規(guī)維護(hù)通常是不實(shí)際的，取而代之的是，在性能劣化到不可接受的程度時(shí)，需要更換整個(gè)催化反應(yīng)器組件。
[0009]對(duì)于具有多個(gè)管道平行操作的反應(yīng)器設(shè)計(jì)，必須考慮到在多個(gè)管道之間均衡反應(yīng)物流、以及在操作期間維持相等的流量。對(duì)于涉及從反應(yīng)物到產(chǎn)物增加摩爾數(shù)的反應(yīng)，由于相對(duì)表現(xiàn)不良的管道或者“死”管道會(huì)為反應(yīng)物流提供低阻力的路徑，這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物流維持為未經(jīng)轉(zhuǎn)換，因而存在嚴(yán)重流量分布不均的可能性。死管道可能由劣化的較低活性催化劑造成，或者由相對(duì)于其它管道具有較差熱量傳遞造成，從而導(dǎo)致冷管道或者較低催化劑活性的管道。
[0010]對(duì)于將催化重整器組件加入到系統(tǒng)中以例如通過(guò)甲醇(甲基醇或者CH3OH)的蒸汽重整而生產(chǎn)氫氣，必須考慮向重整器組件提供所需的熱量輸入，以用于保持重整器溫度以及提供反應(yīng)所必需的熱量。該熱量可通過(guò)例如燃燒器提供。由于向重整器管道提供均衡的熱量輸入是有益的，燃燒器設(shè)計(jì)和管道布置相互依存。同樣，當(dāng)多個(gè)管道平行操作時(shí)，為避免出現(xiàn)上述死管道，熱量輸入以及與之相關(guān)的燃燒器設(shè)計(jì)變得十分重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例，提供一種管狀催化劑容納反應(yīng)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括殼體以及殼體內(nèi)的汽化器單元，該汽化器單元包括螺旋纏繞的管狀組件，用于接收液體化學(xué)反應(yīng)物流并使其至少部分汽化。殼體內(nèi)的重整器單元從汽化器單元接收汽化的化學(xué)反應(yīng)物流。重整器單元包括與汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件相連接并同軸定位的螺旋纏繞管狀組件。重整器單元的螺旋纏繞管狀組件包含催化劑，用于從汽化化學(xué)反應(yīng)物流催化形成氣體產(chǎn)物流。燃燒器單元加熱汽化器單元和重整器單元。燃燒器單元接收燃料流以及空氣流，并大致在汽化器單元以及重整器單元的螺旋纏繞管狀組件內(nèi)產(chǎn)生火焰。
[0012]根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)一步實(shí)施例，提供了一種從液體化學(xué)反應(yīng)物流催化形成氣體產(chǎn)物流的方法。該方法特征為包括如下步驟:(a)提供汽化器單元(其包括螺旋纏繞的管狀組件)以及重整器單元(其包括包含催化劑的螺旋纏繞管狀組件)，汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件與重整器單元的螺旋纏繞管狀組件為同軸布置；(b)通過(guò)燃燒燃料流，大致在汽化器單元以及重整器單元的螺旋纏繞管狀組件內(nèi)產(chǎn)生火焰，以加熱汽化器單元以及重整器單元；(C)在汽化器單元內(nèi)使液體化學(xué)反應(yīng)物流至少部分汽化；以及(d)在重整器單元內(nèi)，使在汽化器單元內(nèi)至少部分汽化的化學(xué)反應(yīng)物流催化形成氣體產(chǎn)物流。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的管狀填充床催化反應(yīng)器的前部軸測(cè)圖；
[0014]圖2是圖1所示催化反應(yīng)器的后部軸測(cè)圖；
[0015]圖3是盤繞式反應(yīng)器管道組件的底部軸測(cè)圖，用于圖1所示根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例催化反應(yīng)器中；
[0016]圖4是根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)替代實(shí)施例的管狀填充床催化反應(yīng)器的剖視圖；
[0017]圖5A和圖5B分別是根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的進(jìn)氣歧管的軸測(cè)圖以及剖視圖；
[0018]圖6是示意性框圖，示出根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的燃料輸送過(guò)程；
[0019]圖7是示意框圖，示出根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的燃料處理；
[0020]圖8是示意框圖，示出根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的排氣系統(tǒng)；以及
[0021]圖9是示意框圖，示出根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的氫氣調(diào)節(jié)過(guò)程。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本文披露的多種實(shí)施例涉及管狀催化劑容納反應(yīng)器，特別地，涉及管狀填充床催化反應(yīng)器，其包括填充有顆粒狀催化劑的盤繞式反應(yīng)器管道。催化反應(yīng)器適合用于多種已知的化學(xué)過(guò)程，很大范圍包括用靜止催化劑顆粒引導(dǎo)的氣相反應(yīng)，也稱為“異相化學(xué)反應(yīng)”。在示例性實(shí)施方式中，本文所披露的方法以及裝置用于通過(guò)醇或者烴系燃料進(jìn)行蒸汽重整的氫氣生產(chǎn)，該蒸汽重整由適合于相關(guān)特定反應(yīng)的催化劑顆粒引導(dǎo)。甲基醇與水的反應(yīng)特別重要。通常，以大約1:1的摩爾比預(yù)混合的反應(yīng)物完全地汽化，以及，將氣態(tài)混合物引入處于大約200至450攝氏度(V )、優(yōu)選300至400攝氏度的溫度范圍內(nèi)的填充床催化反應(yīng)器，以完成甲基醇與水的反應(yīng)。在反應(yīng)器出口處得到的氣體混合物包含氫氣、一氧化碳、以及未反應(yīng)的甲基醇和水，氫氣通常超過(guò)60%體積，以及，混合有二氧化碳時(shí)會(huì)高達(dá)75%體積。該混合物非常適合于多種氫氣分離過(guò)程，包括通過(guò)氫氣選擇性膜的分離，分離得到的副產(chǎn)物流可燃燒以提供汽化以及反應(yīng)過(guò)程所需的熱量。當(dāng)與氫分離例如氫氣選擇性膜或者變壓吸附(PSA)相結(jié)合時(shí)，最好在升高的壓力下進(jìn)行上述過(guò)程，優(yōu)選壓力在大約100至400磅/平方英寸(Psig)之間，從而使所得到的氣體混合物處在適當(dāng)?shù)膲毫ο拢则?qū)動(dòng)氫分離。
[0023]圖1至圖3示出根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的催化反應(yīng)器10的示例。如圖1所示，反應(yīng)器10包括汽化器單元12、與汽化器單元12出口相連接的盤繞式反應(yīng)器管道組件14、以及與盤繞式反應(yīng)器管道組件14出口 16相連接的反應(yīng)物管道組件18。燃燒器22設(shè)置在汽化器單兀12中用于加熱反應(yīng)物。反應(yīng)器10封閉在外殼(未不出)中，并在殼體中錨定在合適的位置上。
[0024]如圖1至圖3所示，盤繞式反應(yīng)器管道組件14包括兩個(gè)相連的盤繞式反應(yīng)器管道
24、26。各盤繞式反應(yīng)器管道包括連續(xù)的一系列規(guī)則間隔的螺旋。各盤繞式管道在管道的一端包括入口，以及，在相反端包括出口。在此示例中，第一反應(yīng)器管道26的出口 28與第二反應(yīng)器管道24的入口 30相連。各管道填充有催化劑顆粒。從第一管道26的入口 16處(從汽化器組件12)引入的一種或多種化學(xué)反應(yīng)物流過(guò)第一管道26以及第二管道24，在管道中發(fā)生期望的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物從第二管道24的出口 20流入反應(yīng)物管道組件18，反應(yīng)物管道組件18的功能是使離開(kāi)反應(yīng)器的產(chǎn)物氣體的溫度緩和。
[0025]在圖1至圖3的示例性催化反應(yīng)器10中，盤繞式管道24、26串聯(lián)布置。在替代實(shí)施例中，管道可以布置為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。此外，雖然示出的盤繞式反應(yīng)器管道組件14包括兩個(gè)盤繞式反應(yīng)器管道，可以使用任意數(shù)量的盤繞式管道，這取決于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以及空間限制。
[0026]通過(guò)將直管成型為盤繞式結(jié)構(gòu)，能夠以低成本形成盤繞式管道。管道材料的選擇由過(guò)程的操作條件確定，在一些示例中，操作條件包括溫度范圍在大約200攝氏度至大約500攝氏度、以及內(nèi)部壓力在Opsig至400psig之間。因此，對(duì)構(gòu)成材料進(jìn)行選擇，以使其在全部操作條件范圍內(nèi)保持完整性。合適的金屬可包括:不銹鋼，其包括316不銹鋼；以及本領(lǐng)域中已知的更高溫度合金，包括inconel (因科內(nèi)爾鉻鎳鐵合金)和hastelloy (哈司特鎳基合金)。
[0027]盤繞式管道應(yīng)具有最小壁厚以改善傳熱，同時(shí)要足夠厚以安全地維持反應(yīng)器的內(nèi)部操作壓力。然而，如果壁太薄，在進(jìn)行盤繞式結(jié)構(gòu)的形成時(shí)，管道的剖面會(huì)變?yōu)闄E圓形，以及會(huì)承受應(yīng)力疲勞并會(huì)導(dǎo)致失效。小直徑管道提供更好的傳熱特性，但是，如果管道太小，流量將受到限制，因而需要更大的入口壓力。管道也需要具有更長(zhǎng)的管道長(zhǎng)度，以提供足夠的催化劑容積。大直徑管道對(duì)流體提供較小的阻力，但是具有較弱的傳熱特性。下面是制成的適用于中等規(guī)模氫氣生產(chǎn)反應(yīng)器的盤繞式管道尺寸的示例。盤繞式管道可由直管制成，該直管具有內(nèi)徑的范圍在0.5英寸至1.25英寸，并且其壁厚范圍在0.05英寸至0.125英寸。盤繞式管道可由管長(zhǎng)為10英尺至40英尺的直管制成。盤繞式管道結(jié)構(gòu)的外徑范圍可從4英寸至8英寸。螺旋管管道結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑約為螺旋管外徑減去管道的外徑。盤繞式管道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度可以為6英寸至24英寸。間距即螺旋管間隔的范圍可以為O至0.125英寸。這些尺寸僅為示例，根據(jù)所涉及特定過(guò)程和設(shè)計(jì)約束，也可使用其他多種合適尺寸。
[0028]在這種盤繞式管道中填充有選擇用于給定反應(yīng)過(guò)程的催化劑。本領(lǐng)域已知多種這樣用于醇或者烴蒸汽重整的催化劑。如本領(lǐng)域中已知，用于甲醇蒸汽重整的一個(gè)示例是由銅、鋅以及氧化鋁組成的催化劑家族，這些催化劑很好地適用于甲醇的低溫蒸氣重整。
[0029]催化反應(yīng)器10還包括加熱單元32，當(dāng)反應(yīng)器處于“待機(jī)”狀態(tài)時(shí)，即不向加工工序供給燃料因而不運(yùn)行燃燒器的狀態(tài)時(shí)，加熱單元32用于將反應(yīng)器管道24、26維持處在給定溫度(例如在特定氫氣產(chǎn)生過(guò)程中為大于300攝氏度)。在特定應(yīng)用中，例如備份電源在高達(dá)數(shù)十千瓦電力范圍內(nèi)提供電力的應(yīng)用中，要求最短的啟動(dòng)時(shí)間，如果系統(tǒng)需要以最短啟動(dòng)時(shí)間來(lái)生產(chǎn)氫氣，這樣的待機(jī)狀態(tài)是必需的。提供保持系統(tǒng)為熱的狀態(tài)，在需要時(shí)允許隨后處理的燃料快速氣化、重整并最終輸送至燃燒器點(diǎn)燃，從而加熱單元32允許反應(yīng)器10快速運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到運(yùn)行狀態(tài)。之后，燃燒器提供所需要的處理熱，而不再要求電氣加熱。圖1和圖2所示的加熱單元32布置為同心方式位于盤繞式反應(yīng)器管道24、26的內(nèi)徑里。這種布置允許加熱單元32與反應(yīng)器管道的很大一部分外表面區(qū)域緊密接觸，允許有效地向管道傳熱。各加熱單元32包括金屬塊(例如鋁塊)34，該金屬塊包括中心孔，中心孔形成用于容納細(xì)長(zhǎng)形電氣盒狀加熱件36的容納部。根據(jù)需要，電氣盒狀加熱件36可以周期性移除以及替換。催化反應(yīng)器10的外殼(未示出)上的孔可用于接近盒狀加熱件36。典型的電氣盒狀加熱件可為3/8”至1/2”直徑的圓筒型加熱件，3至8英寸長(zhǎng)，功率為100至1000瓦。
[0030]在優(yōu)選的實(shí)施例中，金屬塊34具有非圓形的橫截面。在圖1和圖2中，金屬塊都示出為具有六邊形橫截面。由于具有非圓形的橫截面，盤繞式管道24、26的內(nèi)表面與金屬塊34之間形成有間隙。該間隙允許空氣流通過(guò)其中，增加了在運(yùn)行24、26期間提供從燃燒器廢氣對(duì)流而傳遞到盤繞式結(jié)構(gòu)的熱傳遞。
[0031]根據(jù)多種實(shí)施例的盤繞式管道反應(yīng)器在使用時(shí)可定位成總體上任意取向，包括水平或者豎直取向。如上所述，水平取向的常規(guī)直狀反應(yīng)器管道中發(fā)生的催化劑沉淀、顆粒磨損產(chǎn)生細(xì)顆粒、以及老化，可以產(chǎn)生催化劑空隙，允許反應(yīng)物流繞過(guò)催化劑。此外，在豎直取向的常規(guī)直狀反應(yīng)器管道中，催化劑沉淀會(huì)導(dǎo)致在管道底端產(chǎn)生很高的壓降，此處，小且細(xì)的催化劑顆粒會(huì)隨時(shí)間而蓄積。此外，在管道頂部對(duì)應(yīng)的空體積會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱。根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施例的反應(yīng)器盤繞式管道構(gòu)造避免了這些以及其他問(wèn)題。采用盤繞式結(jié)構(gòu)，不存在明顯的通道用于反應(yīng)物流繞行催化劑。而且，在盤繞式構(gòu)造中，沿著盤繞式結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，在多個(gè)螺旋管之間更均勻地分配催化劑沉淀，因此，減小了在結(jié)構(gòu)底部的壓降，以及避免了結(jié)構(gòu)頂部的明顯空體積。
[0032]附加地，基于選擇催化劑材料/反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)選操作條件，根據(jù)過(guò)程中的各個(gè)步驟的相對(duì)溫度，可采用替代系統(tǒng)的構(gòu)造。如果所期望的反應(yīng)和/或所選擇的催化劑必須在高于上述構(gòu)造溫度的溫度下運(yùn)行，有利的是將重整器螺旋管布置在緊靠燃燒器的上方，實(shí)際上使其與汽化器部分交換位置，這非常適合于在銅/鋅/氧化鋁基催化劑上進(jìn)行相對(duì)低溫的甲醇蒸汽重整。
[0033]圖4是根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)替代實(shí)施例的管狀催化劑容納反應(yīng)器100的剖視圖。反應(yīng)器100包括支撐在支腿106上的殼體102。汽化器單元108和重整器單元110安裝在殼體102內(nèi)部。設(shè)置燃燒器單元112用于加熱汽化器單元108以及重整器單元110。
[0034]燃燒器單元112在燃料入口 114處接收燃料流，以及在空氣進(jìn)氣歧管116處接收空氣流?？諝膺M(jìn)氣歧管116 (更詳細(xì)地示出于圖5A以及圖5B中)形成大致圓柱形環(huán)，其布置為使得空氣流完全地圍裹住來(lái)自燃料噴嘴118的燃料流。空氣進(jìn)氣歧管116包括多個(gè)沿切向取向的空氣流通道120，該通道向空氣速度矢量引入切向或者渦流組分，以使燃燒穩(wěn)定并提供增強(qiáng)的空氣/燃料混合，改善了燃燒效率，以及降低了排放。燃燒器單元112還包括用于啟動(dòng)燃燒器的火花點(diǎn)火器122、以及其附近的熱電偶，用于核查和監(jiān)測(cè)火焰。
[0035]汽化器單元108包括具有同軸對(duì)齊的兩個(gè)螺旋部分(內(nèi)螺旋件124以及外螺旋件126)的螺旋纏繞管狀組件。兩個(gè)螺旋件124、126優(yōu)選以相反的方向纏繞，以在基部處相結(jié)合形成連續(xù)的螺旋管。通過(guò)裝配、焊接或其它合適的加工方法，使螺旋件124、126在基部處相結(jié)合。內(nèi)螺旋件124的頂部引入液體燃料混合物(或其他化學(xué)反應(yīng)物流)，允許液體流在重力的作用下向下移動(dòng)。然后，部分汽化或者優(yōu)選完全汽化的混合物通過(guò)外螺旋件126向上流，并從外螺旋件126的頂部流入重整器單元110。
[0036]重整器單元110包括與汽化器單元108的旋繞螺旋管124、126相連接并同軸地布置在其周圍的旋繞螺旋管，也可以采用其他布置方式。例如，根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例，汽化器單元的旋繞螺旋管124、126同軸地布置在重整器旋繞螺旋管110的周圍。根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施方案，汽化器旋繞螺旋管124、126的一部分位于重整器旋繞螺旋管110的外部，以及，一部分位于重整器旋繞螺旋管110的內(nèi)部。
[0037]重整器旋繞螺旋管110填充有催化劑。根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例，重整器旋繞螺旋管110是催化劑材料為顆粒物質(zhì)的填充床催化反應(yīng)器。在一個(gè)或者多個(gè)替代實(shí)施例中，催化劑洗涂并固定在重整器旋繞螺旋管110的內(nèi)表面上。
[0038]離開(kāi)汽化器單元108外旋繞螺旋管126頂部的汽化燃料進(jìn)入重整器旋繞螺旋管110的頂部，并大致在向下方向流動(dòng)，在底部排出。通過(guò)在重整器螺旋管中的催化反應(yīng)，燃料混合物部分或者優(yōu)選完全地轉(zhuǎn)化為富氫氣體混合物。重整器的溫度可以在入口附近以及重整器螺旋管的中間部分處進(jìn)行測(cè)定。
[0039]凈化器單元(示出于圖7的燃料過(guò)程流程圖)從重整器單元110接收富氫氣體混合物，并將該流分離分成兩個(gè)流，一個(gè)富含氫氣流(例如，以摩爾計(jì)至少95%的氫氣)以及廢氣流。富含氫氣流優(yōu)選高純度(例如，以摩爾計(jì)至少99%的氫氣)以及更優(yōu)選超高純度(例如，以摩爾計(jì)至少99.999%的氫氣)。廢氣流包括殘余氣體，該殘余氣體包含氫氣、二氧化碳、一氧化碳、以及水作為主要成分。分離比例根據(jù)需要進(jìn)行控制，以在廢氣流中獲取足夠的燃燒值，所以當(dāng)廢氣流在燃燒器單元112中燃燒時(shí)，提供了使燃料汽化以及重整所需的基本所有熱量，同時(shí)維持汽化器與重整器處在足夠的工作溫度范圍內(nèi)。該凈化器單元130被很好地隔離，以及，溫度由附接在凈化裝置130外部的熱電偶進(jìn)行測(cè)定。
[0040]系統(tǒng)進(jìn)一步包括:主控制器單元132，其包括微處理器，該微處理器具備能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各種溫度和壓力的能力、以及控制系統(tǒng)內(nèi)各組件的能力一燃料泵134以及燃料泵速度、燃燒鼓風(fēng)機(jī)或者空氣鼓風(fēng)機(jī)136及其速度、以及其他各種致動(dòng)閥以及與該系統(tǒng)的控制相關(guān)的切換組件。主控制器132還包括用戶通信界面，其允許用戶向系統(tǒng)發(fā)出指令，例如待機(jī)或者產(chǎn)生氫氣。主控制器132運(yùn)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的數(shù)字算法，用于確定對(duì)各種輸入信號(hào)變化的輸出響應(yīng)。
[0041 ] 放氣組件包括管路以及可能的其他部件例如閥門，該放氣組件連接從凈化器單元130到燃燒器單元112的廢氣流。放氣組件提供被動(dòng)控制燃料向燃料噴嘴118流動(dòng)的功能，以及維持對(duì)系統(tǒng)其余部分的背壓的功能。放氣組件可包括固定長(zhǎng)度的管道，該管道的尺寸大小設(shè)定為向燃燒器產(chǎn)生預(yù)定范圍的燃料流速，同時(shí)維持系統(tǒng)的背壓處在預(yù)定范圍內(nèi)。
[0042]排氣組件包括排出器裝置內(nèi)的空氣鼓風(fēng)機(jī)136 (圖8)，該空氣鼓風(fēng)機(jī)136通過(guò)排氣口 138將空氣排到殼體外，因而通過(guò)燃燒器單元112的空氣進(jìn)氣口 120將空氣吸殼體內(nèi)。排出器裝置允許系統(tǒng)以相對(duì)于周圍略微負(fù)壓的狀態(tài)運(yùn)行，從而燃燒器單元112的排放限制為通過(guò)排氣口 138離開(kāi)系統(tǒng)。改變空氣鼓風(fēng)機(jī)136的速度，從而允許間接控制流向燃燒器單元112的空氣流。
[0043]燃料輸送系統(tǒng)(圖6)包括:流量計(jì)量燃料泵134，其可在升高的壓力下將燃料輸送到反應(yīng)器100 ;電磁閥140，其耦接在泵上，以在泵不工作以及系統(tǒng)處于壓力之下時(shí)阻止通過(guò)泵的回流；以及壓力指示裝置，例如壓力傳感器142。
[0044]純凈氫氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(圖9)包括:冷卻部分144，其用來(lái)降低產(chǎn)物氫氣溫度，達(dá)到至少預(yù)定的最低水平；單向閥146，用來(lái)幫助防止氫氣回流到凈化器；致動(dòng)閥148例如電磁閥，用于打開(kāi)或者關(guān)閉氫氣流；以及緩沖箱150。在另一種結(jié)構(gòu)中，第二致動(dòng)閥152例如電磁閥設(shè)置用于控制進(jìn)入緩沖箱150的流動(dòng)。
[0045]反應(yīng)器100包括電加熱單元組件154，在反應(yīng)器系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，該電加熱單元組件154將維持重整器單元110以及汽化器單元108處在給定溫度。該加熱單元154包括金屬塊(例如鋁塊)，金屬塊包括孔，該孔形成用于容納細(xì)長(zhǎng)形電氣盒狀加熱件的容納部。
[0046]系統(tǒng)運(yùn)行:
[0047]當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)模式時(shí)，向加熱單元154的電氣加熱件供電，以將重整器以及汽化器螺旋管110、108至少部分維持于啟動(dòng)溫度。通過(guò)讀取溫度以及在全功率或者調(diào)制到O與100%占空比之間的功率水平下，運(yùn)行加熱件，以控制加熱器功率，其中占空比取決于與目標(biāo)溫度的接近程度。
[0048]當(dāng)達(dá)到最低待機(jī)溫度時(shí)，系統(tǒng)已準(zhǔn)備好氫氣生產(chǎn)。在一些實(shí)施例中，凈化器單元130也可需要單獨(dú)電氣加熱到其自身的待機(jī)溫度，以使其為氫氣生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。
[0049]在從待機(jī)進(jìn)入氫氣生產(chǎn)模式的過(guò)程中，系統(tǒng)經(jīng)歷數(shù)個(gè)動(dòng)作:
[0050]點(diǎn)火:在點(diǎn)火期間，空氣流最開(kāi)始以相對(duì)低的流量流至燃燒器單元112。當(dāng)空氣流被確認(rèn)后，啟動(dòng)燃料泵134——將液體燃料送至汽化器單元108 (在該處空氣流被汽化)、并通過(guò)重整器單元I1 (在該處轉(zhuǎn)換為富氫氣體)。盡管通過(guò)保持氫氣電磁閥148關(guān)閉而阻止氫氣流到系統(tǒng)外，富氫氣體可通過(guò)氫氣凈化單元130。因此，基本上所有的重整燃料到達(dá)燃燒器單元112。在燃燒器單元112，啟動(dòng)點(diǎn)火器122，并繼續(xù)燃火直到火焰由燃燒器熱電偶溫度的迅速升高得以確認(rèn)。
[0051]加熱:通過(guò)以預(yù)定的加料速率運(yùn)轉(zhuǎn)燃燒器單元112，系統(tǒng)升高到優(yōu)選操作溫度。為保持向燃燒器的高加料速率，不允許氫氣流出凈化器單元130。在加熱時(shí)，加料速率逐漸地從較低的初始值提高到更高的完成值。
[0052]氫氣輸送:當(dāng)重整器的操作溫度達(dá)到最低優(yōu)選水平，通過(guò)打開(kāi)電磁閥148(在存在兩個(gè)電磁閥的實(shí)施例中還需要在隨后打開(kāi)電磁閥152),啟動(dòng)氫氣輸送。在輸送狀態(tài)中，控制系統(tǒng)連續(xù)地確定兩個(gè)輸出參數(shù)——燃料泵的速度，其決定了液體燃料添加到系統(tǒng)中的速率，以及燃燒風(fēng)扇(即，空氣鼓風(fēng)機(jī)136)的速度，其決定了空氣加入燃燒器中的速率。泵以及風(fēng)機(jī)的速度是由主控制器132所運(yùn)行的算法確定的，該算法評(píng)估兩個(gè)重整器的溫度、燃料壓力、以及純凈氫氣壓力，并確定設(shè)定燃料泵以及燃燒風(fēng)扇的值。在一般情況下，控制系統(tǒng)試圖將氫氣壓力保持在最低值或者在最低值之上，而同時(shí)將重整器溫度保持在溫度窗口內(nèi)，并將燃料壓力保持為低于最大值。在燃料泵的情況中，當(dāng)新燃料泵的速度是由算法要求時(shí)，通過(guò)重載斜坡函數(shù)(overriding ramping funct1n)來(lái)逐漸逼近速度，以減緩加料速率的變化，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。在一些實(shí)施例中，凈化器溫度是通過(guò)向加熱件提供電力而額外控制的。
[0053]尾氫氣輸送:一般情況下，當(dāng)燃燒器處仍然有火焰時(shí)，燃燒風(fēng)扇136繼續(xù)操作，如燃料壓力大致高于環(huán)境壓力時(shí)所表明的。在一些實(shí)施例中，在完全關(guān)閉燃料泵134之前，系統(tǒng)將試圖通過(guò)以預(yù)設(shè)低速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)燃料泵134來(lái)填充氫氣緩沖箱150至預(yù)設(shè)水平，直到達(dá)到目標(biāo)填充壓力。否則，當(dāng)內(nèi)部純凈氫氣壓力超過(guò)預(yù)設(shè)水平時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)打開(kāi)氫氣電磁閥來(lái)將過(guò)量的氫氣壓力排向處在關(guān)機(jī)期間的緩沖箱150。一旦系統(tǒng)已基本上完成減壓,其可以回到待機(jī)狀態(tài)。
[0054]在以上所提供的各種實(shí)施例中，反應(yīng)器系統(tǒng)被描述為通過(guò)重整醇或者烴系燃料來(lái)生產(chǎn)氫氣。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的反應(yīng)器可以用于多種其他過(guò)程，包括例如氨(NH3)裂解。
[0055]上文描述了幾個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到多種替代、修改以及改進(jìn)。這樣的替代、修改以及改進(jìn)構(gòu)成本文公開(kāi)的一部分，并包含在本發(fā)明的精神以及范圍內(nèi)。雖然本文介紹的一些實(shí)施例涉及功能或者結(jié)構(gòu)元件的具體組合，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些功能以及元件可以根據(jù)本發(fā)明以其它方式進(jìn)行組合，以完成相同或者不同的目標(biāo)。特別地，在一個(gè)實(shí)施例中所討論的動(dòng)作、元件、以及特征并不排除在其它實(shí)施例中起到類似或其他作用。
[0056]此外，本文所述的元件以及部件可以進(jìn)一步分為額外的部件或者結(jié)合在一起以形成用于執(zhí)行相同功能的較少部件。
[0057]因此，以上描述以及附圖僅用于示例說(shuō)明，而并不用于限制本發(fā)明。
[0058]在權(quán)利要求書中提出權(quán)利要求。
【權(quán)利要求】
1.一種管狀催化劑容納反應(yīng)器系統(tǒng)，包括: 殼體； 所述殼體內(nèi)的汽化器單元，其包括螺旋纏繞管狀組件，用于接收液體化學(xué)反應(yīng)物流并使其至少部分汽化； 所述殼體內(nèi)的重整器單元，用于從所述汽化器單元接收汽化化學(xué)反應(yīng)物流，所述重整器單元包括與所述汽化器單元的所述螺旋纏繞管狀組件相連接并同軸定位的螺旋纏繞管狀組件，所述重整器單元的螺旋纏繞管狀組件包含催化劑，用于從所述汽化化學(xué)反應(yīng)物流催化形成氣體產(chǎn)物流；以及 燃燒器單元，用于加熱所述汽化器單元以及所述重整器單元，所述燃燒器單元接收燃料流以及空氣流，以及，通常在所述汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件以及所述重整器單元的螺旋纏繞管狀組件內(nèi)產(chǎn)生火焰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述重整器單元的螺旋纏繞管狀組件布置在所述汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件的周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述重整器單元包括填充床催化反應(yīng)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述燃燒器單元包括燃料噴嘴組件以及空氣進(jìn)氣歧管，所述空氣進(jìn)氣歧管包括大致圓柱形環(huán)，該大致圓柱形環(huán)布置為，使得進(jìn)入所述燃燒器單元的空氣流圍裹住來(lái)自所述燃料噴嘴組件的燃料，以及，其中，所述空氣進(jìn)氣歧管設(shè)置為使氣流成漩渦以增強(qiáng)空氣和燃料的混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件包括內(nèi)螺旋部以及外螺旋部，所述螺旋部結(jié)合并同軸對(duì)齊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)器系統(tǒng)取向?yàn)?，在進(jìn)入所述重整器單元之前，所述化學(xué)反應(yīng)物流大致在向下方向通過(guò)所述汽化器單元的內(nèi)螺旋部，以及，之后大致在向上方向通過(guò)所述汽化器單元的外螺旋部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電加熱單元，用于當(dāng)所述反應(yīng)器系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)時(shí)維持所述重整器單元處在給定溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述化學(xué)反應(yīng)物流包括水與醇或者烴基燃料的混合物，以及，其中，所述化學(xué)反應(yīng)物流經(jīng)過(guò)催化重整以產(chǎn)生含有氫的氣流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述氣流包含以摩爾計(jì)至少30%的氫。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述氣流包含以摩爾計(jì)至少50%的氫。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括凈化器組件，用于使所述含有氫氣的氣流分離成為第一富含氫氣流以及第二廢氣流，該第二廢氣流包含的殘余氫氣混合有二氧化碳、一氧化碳、以及水。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述第一富含氫氣流以摩爾計(jì)至少有99%的氫。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述第一富含氫氣流以摩爾計(jì)至少有99.999% 的氫。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括放氣組件，用于引導(dǎo)所述第二廢氣流至所述燃燒器單元用作所述燃料流，其中，所述放氣組件包括固定長(zhǎng)度的管道，該管道的尺寸設(shè)定為產(chǎn)生預(yù)定范圍流量的燃料供給所述燃燒器，同時(shí)維持所述系統(tǒng)的所述背壓處在預(yù)定范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括排氣組件，其包括噴射器用于抽吸廢氣排到所述殼體之外，從而通過(guò)空氣進(jìn)氣口將空氣流從所述殼體之外吸入所述燃燒器單J Li ο
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述化學(xué)反應(yīng)物流包含燃料，以及，其中，所述反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)一步包括燃料輸送組件，該燃料輸送組件包括用于向所述汽化器單元輸送所述燃料的流量計(jì)量燃料泵。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中，所述氣體產(chǎn)物流包含氫，以及，其中，所述反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)一步包括氫調(diào)節(jié)單元，該氫調(diào)節(jié)單元用于將所述氣體產(chǎn)物流冷卻到至少預(yù)定溫度，以及抑制所述氣體產(chǎn)物流的回流。
18.一種從液體化學(xué)反應(yīng)物流催化形成氣體產(chǎn)物流的方法，包括下述步驟: 提供包括螺旋纏繞管狀組件的汽化器單元、以及包括螺旋纏繞管狀組件的重整器單元，所述重整器單元的螺旋纏繞管狀組件包含有催化劑，所述汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件和所述重整器單元的螺旋纏繞管狀組件同軸布置； 通過(guò)燃料流的燃燒，大致在所述汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件以及所述重整器單元的螺旋纏繞管狀組件內(nèi)產(chǎn)生火焰，從而加熱所述汽化器單元以及所述重整器單元； 在所述汽化器單元內(nèi)使所述液體化學(xué)反應(yīng)物流至少部分汽化；以及 在所述重整器單元內(nèi)，使所述汽化器單元內(nèi)至少部分汽化的所述化學(xué)反應(yīng)物流催化形成所述氣體產(chǎn)物流。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述重整器單元的螺旋纏繞管狀組件圍繞所述汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件布置。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述重整器單元包括填充床催化反應(yīng)器。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，燃燒的所述燃料流包括:通過(guò)使空氣圍繞燃料渦旋，使所述燃料流的燃料與空氣混合，以增進(jìn)空氣和燃料的混合。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述汽化器單元的螺旋纏繞管狀組件包括內(nèi)螺旋部以及外螺旋部，所述螺旋部分結(jié)合并同軸對(duì)齊。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括:所述化學(xué)反應(yīng)物流在進(jìn)入所述重整器單元之前，使所述化學(xué)反應(yīng)物流大致在向下方向通過(guò)所述汽化器單元的所述內(nèi)螺旋部，以及，之后大致在向上方向通過(guò)所述汽化器單元的所述外螺旋部。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括在待機(jī)狀態(tài)下維持所述重整器單元處于給定溫度。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述化學(xué)反應(yīng)物流包含水與醇或者烴基燃料的混合物，以及，其中，所述化學(xué)反應(yīng)物流經(jīng)過(guò)催化重整產(chǎn)生含有氫的氣流。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述氣流包含以摩爾計(jì)至少30%的氫。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述氣流包含以摩爾計(jì)至少50%的氫。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括:將所述包含氫的氣流分離成為第一富含氫氣流以及第二廢氣流，該第二廢氣流包含的殘余氫氣混合有二氧化碳、一氧化碳、以及水。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述第一富含氫氣流以摩爾計(jì)至少有99%的氫氣。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述第一富含氫氣流以摩爾計(jì)至少有99.999% 的氫。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括:使所述第二廢氣流以預(yù)定流量范圍流向燃燒器單元，以用作所述燃料流，同時(shí)維持所述背壓在預(yù)定范圍內(nèi)。
32.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括:將廢氣抽吸排出到包括所述汽化器單元以及所述重整器單元的殼體之外，從而通過(guò)空氣進(jìn)氣口吸入來(lái)自所述殼體外部的空氣流用于燃燒所述燃料流。
33.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述氣體產(chǎn)物流包含氫，以及，其中，所述方法進(jìn)一步包括將所述氣體產(chǎn)物流冷卻到至少預(yù)定溫度、以及抑制所述氣體產(chǎn)物流發(fā)生回流的步驟。
【文檔編號(hào)】B01J19/24GK104203397SQ201280069054
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月6日
【發(fā)明者】查爾斯·W·克呂格爾, 喬治·M·羅伯茨, 愛(ài)德華·G·凱爾里克, 邁克爾·Y·萊希納 申請(qǐng)人:Hy9公司