ТРУБА РИФОРМЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
REFORMER TUBE AND APPARATUS FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS

Настоящее изобретение касается трубы риформера для получения синтез-газа, в частности для получения водорода, а также устройства для получения синтез-газа, в частности для получения водорода.
Для получения синтез-газа и в частности, для получения водорода обычно применяются паровые риформеры. Такого рода паровые риформеры применяются в том числе также для получения окиси углерода или других синтез-газов. При этом исходным веществом обычно служит метан, природный газ, пропан или бутан. Собственно реакция для получения синтез-газа происходит при этом в трубах, наполненных катализатором, в которых в присутствии водяного пара преобразуется загружаемый газ с температурой, равной от 500°C до 900°C или даже больше 900°C, и очень высоким давлением. При этом нагрев обычно реализуется посредством источника тепла вне труб, так что тепло поступает в стенки труб, и таким образом эдукты, а также материал катализатора в трубе нагреваются. Чем выше при этом температура стенки трубы или, соответственно, материала катализатора вблизи стенки трубы, тем эффективнее может получаться синтез-газ, такой как, например, водород, в единицу времени. Однако у труб риформера определенного размера существует тот недостаток, что поступающее в стенки трубы тепло не может направляться в центральную область трубы или распределяется, так что в этой центральной области реагирует меньше эдуктов в единицу времени, чем в наружной, близкой к стенке трубы области. Это означает также, что расположенный в центре в трубе риформера материал катализатора используется менее эффективно, чем материал катализатора вблизи стенки.
Исходя из этого, в основе настоящего изобретения лежит задача, предоставить трубу риформера, а также устройство и способ для получения синтез-газа, в частности для получения водорода, с помощью которых простым, экономичным и надежным образом обеспечивается возможность получения синтез-газа.
Эта задача решается с помощью предлагаемой изобретением трубы риформера по п.1 формулы изобретения, а также с помощью предлагаемого изобретением устройства для получения синтез-газа по п.8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления предлагаемой изобретением трубы риформера указаны в зависимых пунктах 2-7 формулы изобретения.
Предлагаемая изобретением труба риформера выполнена для направления течения эдуктов и по меньшей мере одного продукта реакции в объемных потоках с целью получения синтез-газа, в частности для получения водорода, при этом труба риформера в своем внутреннем пространстве имеет по меньшей мере одно устройство для направления потока, включающее в себя первое направляющее устройство для перенаправления первого отдельного объемного потока в направлении, имеющем радиальную компоненту, направленную от продольной оси трубы риформера, и второе направляющее устройство для перенаправления второго отдельного объемного потока в направлении, имеющем радиальную компоненту, направленную к продольной оси трубы риформера. Труба риформера выполнена для того, чтобы по ней протекали эдукты, которые реагируют в трубе риформера и образуют обогащенный водородом синтез-газ. С этой целью в трубе риформера расположен материал катализатора. При этом внутреннее пространство трубы риформера представляет собой объем, окруженный стенкой трубы. Труба риформера не обязательно должна иметь круглое поперечное сечение, а может иметь отличающиеся от него формы поперечного сечения. С помощью первого и второго направляющего устройства обеспечивается направление первого отдельного объемного потока из центральной области трубы риформера в направлении внутренней стенки трубы, а направление второго отдельного объемного потока от внутренней стенки трубы в центральную область трубы риформера. Предпочтительно направление течения, которое реализуется данным направляющим устройством, в поперечном сечении трубы риформера ориентировано точно радиально. Преимущество предлагаемой изобретением трубы риформера заключается, в частности, в том, что посредством направления течения достигается подвод неизрасходованных эдуктов вплотную к внутренней стенке трубы и повторный отвод от нее синтез-газа, образовавшегося на внутренней стенке трубы. При этом в зону более высокой температуры у внутренней стенки трубы постоянно дополнительно подводятся эдукты, и образовавшийся продукт реакции перенаправляется в ту область, в которой можно констатировать меньшее преобразование эдуктов, а именно, в центральную область трубы риформера или вплотную к ней, которая имеет более низкую температуру. Наряду с удлинением траектории течения и связанным с ним более эффективным использованием материала катализатора достигается усиленное использование зоны более высокой температуры у внутренних стенок трубы и при этом ускорение или, соответственно, более эффективное осуществление реакции. Это приводит к тому, что преобразование загружаемого вещества на длине трубы может улучшаться. Кроме того, благодаря улучшенному перемешиванию и выравниванию профиля температуры в трубе риформера улучшается часто лимитированный перенос тепла в трубу риформера и реакционную смесь, так что на площадь трубы может передаваться больше тепловой мощности, и пропускная способность трубы может увеличиваться. Другое преимущество заключается в том, что температура стенки трубы при одинаковой пропускной способности снижается, и благодаря этому расходуется меньше топочного газа.
В предпочтительном варианте осуществления трубы риформера предусмотрено, что устройство для направления течения выполнено в виде одного узла, и первое направляющее устройство, а также второе направляющее устройство скомбинированы друг с другом, а также механически соединены друг с другом внутри этого узла. Выполненное в виде узла устройство для направления течения включает в себя при этом предпочтительно не стенки трубы, а собственный, по существу компактный конструктивный элемент. Преимущество этого устройства для направления течения заключается, в частности, в том, что при необходимости оно может вставляться в трубу или, соответственно, труба риформера может дооснащаться этим устройством для направления течения. При этом количество и исполнение применяемых устройств для направления течения может варьироваться в зависимости от параметров способа, которых хотят достичь.
В выполненном в виде узла устройстве для направления течения предпочтительно первое и второе направляющее устройство расположены между двумя плоскостями, которые проходят по существу перпендикулярно продольной оси трубы риформера. Это значит, что эти две плоскости проходят в области поперечного сечения трубы риформера, и не в одной плоскости с ее продольной осью. Область перенаправления отдельных объемных потоков находится, таким образом, также предпочтительно между этими двумя вышеназванными плоскостями и при этом в определенном слое трубы риформера.
Чтобы получить перенаправленные отдельные объемные потоки, имеющие по меньшей мере частично ламинарный или, соответственно, оптимизированный по потерям давления характер течения, они предпочтительно перенаправляются не перпендикулярно из направления продольной протяженности к продольной оси или, соответственно, в направлении стенок трубы, а по существу наискосок к ним.
В проекции перенаправленных отдельных объемных потоков на плоскость поперечного сечения, которая проходит перпендикулярно продольной оси трубы риформера, перенаправленные отдельные объемные потоки должны иметь максимальное отклонение, равное 10°, в частности максимум 5° и в особенно предпочтительном варианте осуществления максимум 2° относительно радиального направления.
В другом предпочтительном варианте осуществления трубы риформера предусмотрено, что первое направляющее устройство находится на меньшем расстоянии от продольной оси трубы риформера, чем второе направляющее устройство. В особенно предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что первое направляющее устройство или же первые направляющие устройства расположены в первом круге или круглом кольце, максимальный диаметр которого меньше, чем у второго круглого кольца, в котором расположено второе направляющее устройство или, соответственно, вторые направляющие устройства. Преимущество этого варианта осуществления заключается, в частности, в том, что сначала центрально проходящий отдельный объемный поток перенаправляется в направлении внутренней стенки трубы, а отдельный объемный поток, проходящий у внутренней стенки трубы, перенаправляется в направлении центральной области, то есть к продольной оси трубы риформера. Тем самым достигается, что неизрасходованные эдукты текут в горячую зону у внутренней стенки трубы, а образовавшийся там синтез-газ опять отводится из этой области и при этом в области повышенной температуры опять предоставляется в распоряжение объем, в который снова могут подводиться неизрасходованные эдукты для реакции.
Благодаря тому, что первое направляющее устройство расположено в трубе ближе к центру, чем второе направляющее устройство, направление течения эдуктов, а также продуктов реакции описанным образом облегчается.
Для оптимального направления течения устройство для направления течения должно иметь несколько первых и вторых направляющих устройств, которые проходят радиально и расположены каждое в соседних друг с другом угловых секторах, чередуясь. Это значит, что устройство для направления течения предпочтительно разделено на угловые сектора одинакового размера вокруг продольной оси трубы риформера, например, на восемь угловых секторов по 45° каждый. Четыре из этих угловых секторов имеют по одному первому направляющему устройству, каждое из которых направляет одним отдельный объемный поток наружу, а четыре других сектора имеют вторые направляющие устройства, которые направляют соответствующий отдельный объемный поток внутрь, при этом различные направляющие устройства, чередуясь, расположены, проходя под углом, вокруг продольной оси. Соответствующая радиальная протяженность направляющего устройства определяется прохождением желобчатого элемента данного направляющего устройства.
Предлагаемая изобретением труба риформера может быть также выполнена так, чтобы она имела несколько устройств для направления течения, которые расположены в направлении продольной протяженности трубы риформера в различных положениях, при этом первые и вторые направляющие устройства устройств для направления течения расположены в продольном направлении трубы риформера в одинаковых угловых секторах, чередуясь. Здесь угловые сектора также определены в поперечном сечении трубы риформера вокруг ее продольной оси. Преимущество этого варианта осуществления заключается, в частности, в том, что в ходе течения эдуктов и продуктов реакции по трубе риформера они постоянно направляются из центральной области к стенке трубы и наоборот, так что траектория течения по трубе риформера удлинена, и осуществляется оптимальное перемешивание, а также происходит улучшенное использование материала катализатора. Кроме того, облегчается захват неизрасходованных эдуктов к стенке трубы, чтобы можно было преобразовывать все помещенные в трубу эдукты. Дополнительно также улучшается перенос тепла в трубу и реакционную смесь.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением трубы риформера ее устройство для направления течения имеет разделительный элемент для разделения объемного потока, имеющегося на траектории течения перед данным устройством для направления течения, на первый отдельный объемный поток и второй отдельный объемный поток. Первый отдельный объемный поток течет в центральной области трубы риформера и перенаправляется посредством устройства для направления течения наружу. Второй отдельный объемный поток течет в краевой области трубы риформера и перенаправляется посредством устройства для направления течения внутрь. Разделительный элемент представляет собой предпочтительно патрубок, который при расположении направляющих устройств в круглых кольцах вокруг продольной оси расположен коаксиально этим круглым кольцам и осуществляет разделение сред между первым круглым кольцом и вторым круглым кольцом, так что притекающие среды уже до попадания на устройство для направления течения могут разделяться на внутренний, первый, а также на наружный, второй отдельный объемный поток сред.
Кроме того, дополнительно изобретением предоставляется устройство для получения синтез-газа, в частности для получения водорода или обогащенного водородом газа, которое имеет предлагаемую изобретением трубу риформера, а также отопительное устройство для обеспечения тепла для нагрева трубы риформера и мембрану для отделения произведенного водорода. Кроме того, труба риформера этого устройства предпочтительно имеет устройство для засыпки материала катализатора.
Кроме того, предоставляется способ получения синтез-газа, в частности получения водорода, при котором по предлагаемой изобретением трубе риформера в объемном потоке протекают эдукты и по меньшей мере один продукт реакции, при этом первый отдельный объемный поток направляется первым направляющим устройством устройства для направления течения в направлении, имеющем радиальную компоненту, направленную от продольной оси трубы риформера, а второй отдельный поток вторым направляющим устройством устройства для направления течения в направлении, имеющем радиальную компоненту, направленную к продольной оси трубы риформера. В качестве эдуктов используются предпочтительно метан, природный газ, пропан или бутан.
Этот способ является предпочтительным в частности, благодаря тому, что материал катализатора омывается первым и/или вторым отдельным объемным потоком. Материал катализатора служит для обеспечения возможности или, соответственно, ускорения реакции получения синтез-газа. Возможно применение материалов катализатора предпочтительно на основе никеля или на основе благородных металлов в виде засыпки или же в виде структурированных порций.
Ниже изобретение поясняется на примерах осуществления, изображенных на прилагаемых чертежах.
Показано:
фиг.1: фрагмент предлагаемой изобретением трубы риформера;
фиг.2: устройство для направления течения на виде сбоку;
фиг.3: устройство для направления течения на виде сверху,
и
фиг.4: устройство для направления течения на виде в перспективе.
При этом на изображенном на фиг.1 фрагменте предлагаемой изобретением трубы риформера показаны объемные течения или, соответственно, траектории 21 течения в половине трубы 10 риформера, а не только в изображенной плоскости сечения. Из изображенного на фиг.1 фрагмента предлагаемой изобретением трубы риформера видно, что поперек к ее продольной оси 11 во внутреннем пространстве 12 расположены несколько устройств 30 для направления течения. Однако изобретение не ограничено расположением в трубе 10 риформера нескольких устройств 30 для направления течения, а предлагаемая изобретением труба 10 риформера может быть также оснащена только одним устройством 30 для направления течения. Втекающий в трубу 10 риформера объемный поток 20 посредством надлежащего устройства 30 для направления течения разделяется на первый отдельный объемный поток 22, который на траектории течения находится перед устройством 30 для направления течения вблизи центральной области 13 трубы 10 риформера, а также на второй отдельный объемный поток 23, который находится вблизи внутренней стенки 14 трубы. Данное устройство 30 для направления течения включает в себя первое направляющее устройство, а также второе направляющее устройство, которое на фиг.1 детально не изображено. Наглядное расположение, а также исполнение первого и второго направляющего устройства содержится на фиг.2-4.
Устройство 30 для направления течения или, соответственно, образованное им первое, а также второе направляющее устройство перенаправляют первый отдельный объемный поток 22 из центральной области 13 в область вблизи внутренней стенки 14 трубы, а второй отдельный объемный поток 23 из области вблизи внутренней стенки 14 трубы в близкую к центральной области 13. Это видно по траекториям 21 течения, изображенным на фиг.1.
Благодаря тому, что труба 10 риформера отапливается снаружи, стенка трубы 10 риформера, а также область у внутренней стенки 14 трубы и расположенный там материал 50 катализатора имеет более высокую температуру, чем центральна область 13 или, соответственно, расположенный там материал 50 катализатора. Однако реакция получения синтез-газа проходит тем быстрее или, соответственно, эффективнее, чем выше температура. Это означает, что вблизи внутренней стенки 14 трубы в единицу времени образуется больше синтез-газа, чем в центральной области 13. Благодаря тому, что с помощью устройств 30 для направления течения эдукты в первом отдельном объемном потоке 22 направляются из центральной области 13 к внутренней стенке 14 трубы, вследствие действующей у внутренней стенки 14 трубы более высокой температуры достигается преобразование этих эдуктов в синтез-газ. Образовавшийся там синтез-газ 14 посредством ближайшего на траектории 21 течения устройства 30 для направления течения во втором отдельном объемном потоке 23 снова подводится в центральную область 13 или, соответственно, близко к ней, чтобы предоставить в распоряжение пространство, в которое снова в первом отдельном объемном потоке 22 могут направляться по существу неизрасходованные эдукты. Тем самым достигается отсутствие протекания по трубе риформера неизрасходованных эдуктов и оптимальное преобразование всех введенных эдуктов в синтез-газ. Кроме того, удлиняется траектория 21 течения в трубе 10 риформера, так что содержащийся в трубе 10 риформера материал 50 катализатора используется оптимальным образом.
На фиг.2-4 видно устройство 30 для направления течения. В частности, при совместном рассмотрении фиг.2 и 3, на которых показано одно и то же устройство 30 для направления течения, видно, что устройство 30 для направления течения имеет два первых направляющих устройства 31, которые расположены в первом, центральном круглом кольце 36, а также два вторых направляющих устройства 32, которые расположены во втором круглом кольце 37 большего размера. Оба первых направляющих устройства 31 образованы каждое поверхностями, выступающими наискосок из центральной области. Два вторых направляющих устройства 32 образованы соответствующими, исходящими от наружной стороны второго круглого кольца 37 фасонными элементами. При разделении по существу вращательно-симметричного устройства 30 для направления течения на изображенные четыре угловых сектора 38 в каждом из этих угловых секторов 38 расположено направляющее устройство 31, 32. При этом данное устройство для направления течения в соответствии с изобретением не ограничено только четырьмя угловыми секторами 38 и расположением в одном угловом секторе 38 по одному направляющему устройству 31, 32, а устройство 30 для направления течения может также иметь больше четырех угловых секторов, при этом также в таком варианте осуществления в каждом секторе 38 расположено по одному направляющему устройству.
В частности, на фиг.2 видно, что устройство 30 для направления течения выполнено таким образом, что первые направляющие устройства 31, а также вторые направляющие устройства 32 проходят между первой плоскостью 34, а также второй плоскостью 35, при этом первые направляющие устройства 31 и вторые направляющие устройства 32 механически соединены друг с другом посредством первого круглого кольца 36, а также второго круглого кольца 37. Это приводит к компактному исполнению устройства 30 для направления течения, так что оно простым образом может вставляться в стандартную трубу риформера, как изображено на фиг.1.
На фиг.4 видно, что устройство 30 для направления течения может быть оснащено дополнительным разделительным элементом 40, который выполнен по существу в виде трубы или, соответственно, полого цилиндрического патрубка и расположен коаксиально первому круглому кольцу 36, а также второму круглому кольцу 37, при этом стенки трубы этого разделительного элемента 40 расположены по существу на наружном крае первого круглого кольца 36 или, соответственно, на внутреннем крае второго круглого кольца 37. С помощью этого разделительного элемента 40 притекающий объемный поток может разделяться на первый, проходящий центрально отдельный объемный поток 22, а также на второй, проходящий в наружной области отдельный объемный поток 23. Как видно из фиг.4, второй отдельный объемный поток 23 направляется соответствующим вторым направляющим устройством 32 из наружной области в направлении центра устройства 30 для направления течения. Первый отдельный объемный поток 22 направляется из центральной области соответствующим первым направляющим устройством 31 в направлении края устройства 30 для направления течения, так что в целом образуются траектории 21 течения, как изображено на фиг.1. Для реализации надежного перенаправления течения, а также ориентации, имеющей радиальную компоненту, первое направляющее устройство 31, а также второе направляющее устройство 32 имеют каждое желобчатые элементы 33, по которым направляются среды отдельных объемных потоков.
Список ссылочных обозначений
10
Труба риформера
11
Продольная ось
12
Внутреннее пространство
13
Центральная область
14
Внутренняя стенка трубы
20
Объемный поток
21
Траектория течения
22
Первый отдельный объемный поток
23
Второй отдельный объемный поток
30
Устройство для направления течения
31
Первое направляющее устройство
32
Второе направляющее устройство
33
Желобчатый элемент
34
Первая плоскость
35
Вторая плоскость
36
Первое круглое кольцо
37
Второе круглое кольцо
38
Угловой сектор
40
Разделительный элемент
50
Материал катализатора