Устройство получения синтез-газа

Полезная модель относится к устройству осуществления автотермической каталитической конверсии жидких углеводородов, например, бензина, керосина, дизеля с целью получения синтез-газа, который может использоваться для питания высокотемпературных топливных элементов, например, твердооксидных топливных элементов различного назначения, как стационарного, так и мобильного применения.
Известно устройство (US 00929735, 18.10.2001) для получения синтез-газа из углеводородных топлив, сжиженных газов, спиртов посредством паровой конверсии. Устройство состоит из нескольких коаксиально расположенных труб разного диаметра, образующих цилиндрические каналы, служащие для осуществления подвода или отвода тепла и расположения слоев катализатора различного назначения: паровой конверсии исходного топлива, паровой конверсии СО, селективного каталитического окисления СО или селективного метанирования. В центральной трубе размещена пламенная горелка для сжигания части исходного топлива с целью генерации тепла, которое в виде дымовых газов подается в соответствующие теплообменные коаксиальные каналы. Перед проведением каталитической реакции исходное топливо смешивается с паром в смесителе. Поскольку в таком реакторе одновременно могут осуществляться несколько каталитических реакций, протекающих при разных температурах, то часть коаксиальных каналов используется для подогрева катализатора или для съема тепла посредством подаваемого в них воздуха или жидкости, а часть для засыпки катализатора. При расположении каналов выдержан принцип максимальной рекуперации тепла, поэтому наиболее высокотемпературные каналы находятся в центре устройства, а низкотемпературные ближе к внешней поверхности. В зависимости от количества коаксиальных каналов устройство может быть использовано для получения либо синтез-газа, либо для водородсодержащего газа с концентрацией СО на уровне 10 ppm.
Устройство достаточно универсальное, но вместе с тем и достаточно сложное за счет использования нескольких различных реакций; также его общим недостатком является использование пламенной горелки, что приводит к необходимости использования жаропрочных сталей и наличием оксидов азота в продуктах сгорания; чрезмерная сложность конструкции; возможность плохо контролируемой передачи тепла, затрудняющей обеспечение и регулирование требуемых тепловых режимов, из-за высокой теплопроводности металла и тепловых контактов.
Известно интегрированное устройство для реформинга углеводородов (US 6641625, B01J 8/04; С01В 3/36, 04.11.2003). Устройство для реформинга углеводородов включает два реактора с теплообменником. Первый реактор генерирует водородсодержащий газ посредством парциального окисления или паровой конверсии углеводородного сырья, либо иным способом. Второй реактор содержит катализатор, обеспечивающий реакцию паровой конверсии СО в реформат, богатый водородом. Теплообменник обеспечивает поступление пара, необходимого для проведения реакции паровой конверсии СО, во второй реактор.
Известен каталитический реактор (RU 2208475, B01J 8/04; С01В 3/00, 20.07.2003) для получения синтез-газа радиального типа, содержащий газораспределительную трубку со слоем катализатора, который выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. Реактор имеет устройство подогрева для запуска его в работу. Газораспределительная трубка имеет отверстия перфорации с диаметром, меньшим критического диаметра для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси. Топливо и воздух предварительно смешиваются в смесителе перед подачей в реактор.
Недостатком этого устройства является, высокая трудоемкость изготовления армированных пористых материалов, снижение общей каталитической активности в связи с использованием армирующих материалов и высокая температура выходящего синтез-газа.
кат
2
2
4
2
12
6
16
4
12
3
3
2
3
3
2
Изобретение [US 7368482, B01J 1900, 06.05.2008] касается проведения каталитического процесса парциального окисления углеводородов, в том числе, сжиженного нефтяного газа, с целью получения синтез-газа в реакторе, состоящем из входной зоны смешения, в которую подают реагенты и предварительно нагревают реакционную смесь до 400°С, с последующим прохождением реакционной смеси через слой керамического материала. Далее в каталитической зоне реактора происходит каталитическая реакция парциального окисления углеводородов (скорость потока реакционной смеси 1000-1000000 л/лч, давление 10-50 атм.) до достижения температуры на выходе 450-1350°С. Соотношение HO/С варьируют от 0 до 2, соотношение O/С=0,1-0,8. Подложкой для катализатора служат нитриды, оксиды, оксинитриды или карбиды, содержащие один или более металл из перечисленных: Rh, Ru, Ir, Pt, Ni, Fe, Co, Mo в количестве 0,05-15 вес. %. Для приготовления катализатора носитель погружают в раствор соответствующей соли, например Rh(CO), Rh(CO), Ir(CO), Pt(CHCOCHCOCH), Ni(CHCOCHCOCH) и др. и далее сушат и прокаливают при температуре разложения соответствующей соли.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является каталитический реактор, описание которого приведено в публикации [J. Pasel, R.C. Samsun, A. Tschauder, R. Peters, D. Stolten, A novel reactor for autothermal reforming of diesel fuel and kerosene // Applied Energy, 150 (2015) 176-184.], предназначенный для проведения автотермической конверсии дизельного топлива и керосина в синтез-газ. Реактор состоит из камеры испарения жидкого углеводородного топлива, камеры смешения топливно-паровой смеси с воздухом (смесителя), блочного катализатора, парогенератора, в который подают воду для испарения и последующего смешения с углеводородным топливом. Топливно-паро-воздушная смесь после смесителя, проходя через каталитический блок, конвертируется в синтез-газ. Недостатком указанного устройства является протекание гомогенных процессов термического крекинга в условиях высоких температур, происходящих в смесителе при смешении топлива, пара и воздуха. Известно [S. Yoon, I. Kang, J. Bae, Effects of ethylene on carbon formation in diesel autothermal reforming // Int. J. Hydrogen Energy 33 (2008) 4780-4788], что в результате протекания гомогенных реакций термокрекинга образуются ненасыщенные легкие углеводороды, в первую очередь этилен, которые способствуют углеродообразованию, приводящему к быстрой потере активности катализатора.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания эффективного устройства для получения синтез-газа из жидких углеводородов, например, бензина, керосина, дизеля по реакции автотермической каталитической конверсии.
Техническим результатом является минимизация углеродобразования в реакторе, что приводит к увеличению времени работы катализатора без снижения его активности.
Задача решается следующей конструкцией устройства.
В общем случае устройство для получения синтез-газа из жидких углеводородов состоит из пароперегревателя, трубок, подводящих пар, воздух и жидкое углеводородное топливо, испарителя, распределительного устройства и каталитического реактора, содержащего структурированный каталитический блок. Посредством автотермической конверсии углеводородного топлива на катализаторе осуществляется получение синтез-газа. Устройство оборудовано карманами для термопар, которые позволяют проводить определение температуры его различных частей. Также в устройстве предусмотрена система предварительного разогрева катализатора.
Испаритель, представляющий собой капиллярно-пористое тело, установлен во внутренней полости структурированного каталитического блока. Внутри трубки, через которую подаются жидкие углеводороды, расположен канал подачи водяного пара из пароперегревателя. Равномерная подача перегретого пара с испаренными жидкими углеводородами в каталитический блок достигается с помощью применения распределительного устройства. Воздух подается встречно потоку паров жидких углеводородов.
Благодаря отсутствию отдельного смесителя, что является существенным отличительным признаком предлагаемого устройства, смешение воздуха, паров жидких углеводородов и воды производится непосредственно во входной части слоя структурированного катализатора. За счет этого минимизируется протекание гомогенных процессов термокрекинга жидких углеводородов и, соответственно, углеродообразование. Нанесенная снаружи теплоизоляция снижает тепловые потери устройства получения синтез-газа.
Сущность полезной модели иллюстрируется примером и Фиг.
На Фиг. представлена схема заявляемого устройства.
Оно состоит из следующих элементов:
1. Трубка подачи жидких углеводородов;
2. Трубка подачи водорода;
3. Трубка подачи воздуха;
4. Термопарный карман с термопарой;
5. Термопарный карман с термопарой;
6. Термопарный карман с термопарой;
7. Испаритель;
8. Распределитель;
9. Каталитический блок конверсии жидких углеводородов;
10. Теплоизоляция;
11. Выводящий патрубок;
12. Трубка подачи водяного пара;
13. Пароперегреватель;
14. Термопара;
Система запуска представлена трубками подачи водорода и воздуха. Датчики температуры - хромель-алюмелевые термопары вставляются в устройство через термопарные каналы 4, 5 и 6. Теплоизоляция устанавливается снаружи устройства после окончательной сборки конструкции.
Устройство работает следующим образом.
Первоначальный разогрев устройства осуществляется за счет работы системы запуска - подачи водорода и воздуха (температура которого контролируется по термопаре 14 на лобовую часть структурированного катализатора по трубкам 2 и 3. Структура каталитического блока 9 обеспечивает перемешивание газового потока непосредственно в слое катализатора и его саморазогрев за счет протекания каталитической реакции окисления водорода.
2
2
После достижения температуры более 400°С по показаниям термопары 4, в испаритель подают перегретый пар с температурой не ниже 450°С и начинают подавать жидкие углеводороды по трубке 1 в мольном соотношении HO/С=2-3, где С - мольное количество углерода в подаваемом топливе. Одновременно с подачей жидких углеводородов выключают подачу водорода, а количество подаваемого воздуха устанавливают в мольном соотношении O/С=0.05-0.7.
Температуру каталитического структурированного блока при протекании автотермической каталитической реакции окисления жидких углеводородов в синтез-газ регулируют за счет изменения количеств подаваемого пара, жидких углеводородов и воздуха, а также их соотношения. Температуру каталитического блока, контролируемую по термопарам 5 и 6, устанавливают в интервале 650-950°С предпочтительно 700-900°С.
Пример 1.
Результаты испытаний устройства при автотермической каталитической конверсии бензина, керосина и дизельного топлива приведены в Таблице.