УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РИФОРМИНГА
DEVICE AND METHOD FOR REFORMING

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к устройствам и способам риформинга газообразных углеводородов и, более конкретно, относится к высокоэффективным устройствам и способам риформинга газообразных углеводородов, с низким пылением металла и с низким закоксовыванием.
Паровой риформинг представляет собой каталитическую реакцию, в которой смесь пара и газообразных углеводородов подвергается воздействию катализатора при высокой температуре, чтобы образовать смесь оксидов углерода и водород, обычно называемую синтез-газом. Синтез-газ может быть затем конвертирован в очень широкий ассортимент продуктов и специальных химикатов, включая водород, метанол, аммиак, топлива для транспортных средств и смазочные материалы.
Химические реакции, включенные в паровой риформинг, хорошо известны много лет. Фактически паровой риформинг используется в промышленности с 1930-х годов, и паровой риформинг природного газа является доминирующим способом производства водорода с 1960-х годов, когда были внедрены технологии под высоким давлением. Две потенциальные проблемы, обусловленные реакциями при риформинге, включают пыление металла и закоксовывание, которые могут приводить к неэффективности процесса и отказу оборудования. Пыление металла происходит, когда сочетание температуры, давления и состава в углеродсодержащем газообразном окружении приводит к коррозионной деградации сплавов с образованием пыли. Условий пыления металла трудно избежать в системах риформинга, и, соответственно, пыление металла является постоянной потенциальной опасностью. Закоксовывание происходит, когда газообразные углеводороды расщепляются с образованием твердого углеродистого материала, который может засорять или повреждать пути протекания текучей среды, что может приводить к неэффективности передачи тепла и конверсии и к отказу оборудования.
Промышленные устройства для парового риформинга обычно являются трубчатыми конструкциями, включающими несколько больших металлических труб, заполненных катализатором риформинга. Исходная углеводородно-паровая смесь протекает через данные трубы, приводится в соприкосновение с катализатором и подвергается конверсии в синтез-газ. Поскольку реакции риформинга являются эндотермическими, то должно подводиться тепло, чтобы поддерживать требуемые температуры риформинга (обычно выше 800°C). В обычных трубчатых устройствах для риформинга это выполняется размещением труб в пламенной печи, обычно со сжиганием природного газа, в которой тепло передается трубам посредством сочетания конвективной и радиационной теплопередачи.
Таким образом, успешное функционирование трубчатого устройства для риформинга основывается на поддержании до некоторой степени тонкого баланса между эндотермическими реакциями риформинга внутри труб и переносом тепла к трубам от пламенной печи. Тепловой поток через стенки труб должен быть достаточно большим, чтобы поддерживать требуемые температуры для реакций риформинга, однако не должен быть таким большим, чтобы обусловливать чрезмерно высокие температуры металлических стенок (приводящие к снижению прочности) или к коксованию углеводородов в горячих местах внутри труб. Поэтому функционирование трубчатых устройств для риформинга должно строго контролироваться.
В то время как трубчатые устройства для крупномасштабного риформинга весьма эффективны как в техническом, так и в экономическом отношении, трубчатые устройства для риформинга в малых масштабах менее эффективны. Помимо прочего затраты на изготовление, установку, техническое обслуживание и эксплуатацию трубчатых устройств для риформинга в малых масштабах являются непривлекательными.
Мелкие потребители продуктов переработки синтез-газа, таких как водород, аммиак и метанол, поэтому не нашли привлекательным размещение оборудования для производства этих продуктов на местах их применения. Предпочтительнее они рассчитывают на доставку автотранспортом контейнеров с продуктом от массовых производителей. Это решение становится менее привлекательным по мере роста цен на топливо для транспортных средств. Многие такие пользователи при доступе к природному газу также предпочли бы иметь оборудование для производства на месте не только, чтобы избежать транспортных расходов, но также, чтобы улучшить надежность получения продуктов. Кроме того, многие поставщики природного газа находятся в небольших областях в удаленных регионах, которые не связаны трубопроводами с рынком природного газа. Энергосодержание этого так называемого «труднодоступного газа» может транспортироваться на рынок более простым образом, если газ первоначально конвертирован в жидкость, такую как метанол и углеводороды с длинной молекулярной цепью, которые могут быть произведены из синтез-газа.
Поэтому имеется потребность в производстве синтез-газа в меньших масштабах по сравнению с тем, как это экономически и практически осуществимо посредством обычных трубчатых устройств, и эта потребность будет, вероятнее всего, возрастать. Имеют место, однако, значительные трудности: устройства меньшего размера должны быть достаточно корректным образом пропорциональны крупномасштабному устройству в отношении первоначальных затрат, и эксплуатационные расходы должны быть также пропорциональны масштабу производства. Низкие эксплуатационные расходы требуют высокой эффективности использования энергии, минимизирования затрат на природный газ, простоты функционирования и минимизирования или устранения необходимости в обслуживании операторами с полной занятостью.
В то время как количество теплоты, необходимое для реакций риформинга, установлено термодинамикой, общая эффективность использования энергии в устройстве зависит от эффективности, с которой тепло регенерируется из потоков горячего синтез-газа и горячих дымовых газов, чтобы подогреть холодное сырье до температур риформинга и образовать требуемый пар. Этому могут содействовать высокоэффективные теплообменники с передачей тепла от выпускаемого материала сырью и применение узлов для предварительного риформинга с подогревом дымовыми газами. Важно, что в то время как крупномасштабные устройства для риформинга могут обеспечивать эффективность использования энергии за счет энергосодержания избыточного пара, направляемого к другим процессам в данном месте, в случае маломасштабных устройств для риформинга маловероятно наличие мест потребления избыточного пара, и, следовательно, его производство не повышает эффективность.
Как первоначальные капитальные затраты, так и простота эксплуатации могут быть улучшены минимизацией применения активного контроля и применением вместо этого методов пассивного контроля там, где это возможно. Например, соответствующее разделение единственного потока для прохождения к нескольким компонентам, соединенным параллельно, может быть достигнуто поддержанием подходящих относительных перепадов давления на этих компонентах без применения регулирующих клапанов. В качестве другого примера, температура потока, выпускаемого из теплообменника, может поддерживаться в узких границах посредством поддержания функционирования теплообменника при небольшой разности температур.
Другое соображение в отношении малотоннажных устройств заключается в том, что пользователь может не эксплуатировать устройство постоянным образом при его максимальной производительности или вблизи нее, в отличие от крупномасштабных устройств. Поэтому должно быть достижимы изменение производительности в пределах широкого интервала при возможности ее автоматизации, а также процедуры быстрого запуска и останова.
Небольшое устройство для риформинга должно также обладать минимальными требованиями в отношении технического обслуживания.
Таким образом, имеется потребность в способе и устройстве для маломасштабного риформинга, которые удовлетворяли бы цели обеспечения конкурентоспособности в отношении капитальных и эксплуатационных затрат с крупномасштабными устройствами в результате упрощения контроля, мониторинга и технического обслуживания, наряду с высокой эффективностью использования энергии.
Краткое изложение сущности изобретения
В некоторых вариантах осуществления способ и/или устройство для парового риформинга газообразного углеводорода могут быть спроектированы таким образом, чтобы ограничивать возникновение условий пыления металла на локализованных участках устройства или стадиях выполнения способа. В некоторых вариантах осуществления локализованные участки устройства или стадии выполнения способа, на которых ограничивается возникновение условий пыления металла, могут включать подогреватель топлива, в котором топливно-воздушная смесь частично сжигается, чтобы нагреть поток топлива от температуры ниже температуры пыления металла до температуры выше температуры пыления металла. В некоторых вариантах осуществления локализованные участки устройства или стадии выполнения способа, на которых ограничивается возникновение условий пыления металла, могут включать подогреватель воздуха, в котором сжигается топливно-воздушная смесь, чтобы нагреть поток воздуха от температуры ниже температуры пыления металла до температуры выше температуры пыления металла. В некоторых вариантах осуществления локализованные участки устройства или стадии выполнения способа, на которых ограничивается возникновение условий пыления металла, могут включать участок трубопровода, прилегающий к теплообменнику быстрого охлаждения, в котором часть потока синтез-газа, образованного в процессе риформинга, быстро охлаждается от температуры выше температуры пыления металла до температуры ниже температуры пыления металла. В некоторых вариантах осуществления локализованные участки устройства или стадии выполнения способа, на которых ограничивается возникновение условий пыления металла, могут включать часть системы трубопроводов, в которой резко охлажденный синтез-газ смешивается со второй частью синтез-газа, которая не была резко охлаждена.
Соответственно, в некоторых вариантах осуществления способ парового риформинга газообразного углеводорода может включать
a) предварительное нагревание одного или нескольких потоков воздуха, чтобы образовать один или несколько потоков подогретого воздуха;
b) объединение по меньшей мере одного потока воздуха с частью по меньшей мере одного потока топлива, чтобы образовать топливно-воздушную смесь с температурой ниже условий пыления металла;
c) частичное сжигание топлива в части топливно-воздушной смеси, чтобы образовать нагретый поток топлива с температурой выше условий пыления металла для применения на одной или нескольких ступенях узла риформинга;
d) сжигание части топливно-воздушной смеси в присутствии по меньшей мере одного из предварительно нагретых воздушных потоков, чтобы образовать нагретый воздушный поток с температурой выше условий пыления для применения в риформинге на одной или нескольких ступенях узла риформинга;
e) нагревание одного или нескольких водных потоков для образования пара;
f) смешивание пара с одним или несколькими потоками газообразного углеводорода, чтобы образовать поток смеси газообразного углеводорода с паром;
g) нагревание и частичный риформинг потока смеси газообразного углеводорода с паром на одной или нескольких стадиях предварительного риформинга, чтобы образовать поток для риформирования в узле риформинга, при этом на всем протяжении одной или нескольких стадий предварительного риформинга потока смеси газообразного углеводорода с паром имеет сочетание температуры и состава, которая устраняет создание условий пыления металла и закоксовывания;
h) риформинг потока для риформирования в узле риформинга в одной или нескольких ступенях узла риформинга, чтобы образовать поток синтез-газа и поток дымовых газов, при этом на протяжении одной или нескольких стадий риформинга поток для риформирования в узле риформинга обладает комбинацией температуры и состава, которая устраняет создание условий пыления металла и закоксовывания;
i) регенерацию тепла из потока дымовых газов, чтобы предоставить тепло для стадий предварительного риформинга на стадии g) и чтобы обеспечить предварительное нагревание водного потока; и
j) регенерацию тепла из потока синтез-газа, чтобы подогреть поток воздуха от стадии a) и чтобы предоставить тепло для образования пара на стадии e).
3
В некоторых вариантах осуществления, способ или устройство включает способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов, чтобы получить синтез-газ, при этом скорость подачи газообразного углеводорода составляет от 1 до 10000 стандартных кубических метров в час («станд. м/ч»). В некоторых вариантах осуществления способ или устройство сконфигурированы таким образом, чтобы минимизировать, устранить или локализовать создание условий пыления металла и закоксовывания на протяжении процесса парового риформинга. Предпочтительно, способ или устройство сконфигурированы таким образом, чтобы устранить условия пыления металла в теплообменниках, на стадиях риформинга и стадиях предварительного риформинга способа или устройства. Предпочтительно, способ или устройство сконфигурированы таким образом, чтобы устранить условия закоксовывания в потоках подаваемого топлива, ступенях риформинга и предварительного риформинга и/или в потоках синтез-газа.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство включает способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов, чтобы получить синтез-газ, при этом способ обеспечивает степень конверсии углеводородов больше 50% и меньше 95%. В некоторых вариантах осуществления способ или устройство включает способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов, чтобы получить синтез-газ, способ обладает эффективностью использования энергии больше 50%. В некоторых вариантах осуществления способ или устройство включает способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов, при этом весь пар, требующийся для процесса, образуется и используется в рамках данного процесса, т.е. отсутствует отвод пара из процесса или его введение в процесс.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов включает систему пассивного контроля потоком, посредством которой соответствующие количества топлива и воздуха направляются в различные места процесса, такие как подогреватели, ступени предварительного риформинга и/или ступени риформинга посредством балансировки перепада давления в теплообменниках, ступенях предварительного риформинга и/или ступенях риформинга.
Обычно предполагается, что паровой риформинг потоков газообразных углеводородов включает следующие реакции:
C<sub>n</sub>H<sub>m</sub>+nH<sub>2</sub>O↔nCO+(n+m/2) H<sub>2</sub>
(1);
CO+H<sub>2</sub>O↔CO<sub>2</sub>+H<sub>2</sub>
(2)
Уравнение (1) сводится к
CH<sub>4</sub>+H<sub>2</sub>O↔CO+3 H<sub>2</sub>
(3),
когда газообразным углеводородом является метан.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1A показывает схематический вид варианта осуществления устройства для риформинга.
Фиг. 1B показывает схематический вид альтернативной конфигурации части устройства для риформинга в соответствии с Фиг. 1A, Фиг. 5 и Фиг. 7.
Фиг. 2A-C показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования варианта осуществления теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, как обозначено на Фиг. 1A.
Фиг. 3A-B показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования варианта осуществления теплообменника 164, как обозначено на Фиг. 1A, Фиг. 5 и Фиг. 7.
Фиг. 4A-D показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования варианта осуществления теплообменника 166, как обозначено на Фиг. 1A, Фиг. 5 и Фиг. 7.
Фиг. 5 показывает схематический вид альтернативного варианта осуществления устройства для риформинга.
Фиг. 6A-C показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования варианта осуществления теплообменника 510 для регенерации тепла синтез-газа, как обозначено на Фиг. 5.
Фиг. 7 показывает схематический вид альтернативного варианта осуществления устройства для риформинга.
Фиг. 8 показывает схематический вид варианта осуществления модуля 150 для риформинга, как обозначено на Фиг. 1A, Фиг. 5 и Фиг. 7, включающего узел риформинга и узел предварительного риформинга.
Фиг. 9A-E показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования варианта осуществления узла предварительного риформинга.
Фиг. 10A-B показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования секции в узле предварительного риформинга.
Фиг. 11A-F показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования варианта осуществления узла риформинга.
Фиг. 12A-D показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования секции в узле риформинга.
Фиг. 13A-B показывает вид снизу пакета пластин, образующих узел предварительного риформинга (Фиг. 13A) и узел риформинга (Фиг. 13B).
Фиг. 14 представляет собой иллюстрацию желательных трендов температурных профилей для потока воздуха для узла риформинга и потока для риформирования в узле риформинга в варианте осуществления.
Фиг. 15 показывает вариант осуществления гидродинамической сетки сопротивлений для потоков воздуха и топлива в устройстве для риформинга.
Фиг. 16A-D показывают схематические виды пластин, которые могут быть применены для образования варианта осуществления узла риформинга.
Фиг. 17 показывает моделированное распределение температуры синтез-газа для перекрестноточного теплообменника узла риформинга без принятия во внимание теплопроводности стенок.
Фиг. 18 показывает моделированное распределение температуры синтез-газа для перекрестноточного теплообменника узла риформинга при принятии во внимание теплопроводности стенок.
Фиг. 19 представляет собой график составных кривых температура-энтальпия для горячих и холодных производственных потоков в варианте осуществления устройства для риформинга.
Фиг. 20 показывает перспективный вид спереди частичной конфигурации для варианта осуществления устройства для риформинга 100.
Фиг. 21 показывает перспективный вид сзади частичной конфигурации для варианта осуществления устройства для риформинга 100, показанной на Фиг. 20.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
C
Условия пыления металла: комбинация температуры и состава в углеродсодержащем газообразном окружении, которая приводит к коррозионной деградации конструкционных материалов и сплавов с образованием пыли. Обычно пыление металла происходит при промежуточных температурах между 400°C и 800°C, и когда активность углерода в газовой фазе («a») больше 1. Поскольку пыление металла является результатом комбинации температуры и состава в данном потоке, любая из этих переменных может регулироваться, чтобы избежать возникновения условий пыления металла или уменьшить их воздействие. Соответственно, для некоторых составов верхний предел для пыления металла может составлять менее 800°C, например 700°C или 750°C, и нижний предел может быть выше 400°C, например 420°C или 450°C. Таким образом, следует понимать, что диапазон от 400°C до 800°C рассматривается как общее эмпирическое правило, из которого могут иметь место исключения, и что условия пыление металла включают комбинацию состава и температуры. Соответственно, когда в этой заявке говорится о том, чтобы «избежать возникновения условий пыления металла или уменьшить их воздействие» и т.п., это надо понимать в том смысле, что комбинации переменных, которая может привести к условиям пыления металла, избегают или уменьшают ее воздействие посредством регулирования температуры и/или состава. Без намерения установления связей с какой-либо теорией, предполагается, что пыление металлов обусловлено, главным образом, следующими реакциями:
CO+H<sub>2</sub>↔C+H<sub>2</sub>O
(4);
2 CO↔CO<sub>2</sub>+C
(5)
C
Соответственно, условий пыления металла можно избежать или уменьшить их влияние посредством регулирования температуры и/или состава газообразного потока, чтобы предотвратить протекание этих реакций и чтобы избежать условий, когда a>1. В качестве варианта, способ и/или устройство могут быть спроектированы таким образом, чтобы ограничивать возникновение условий пыления металла в локализованных местах выполнения способа и/или устройства, чтобы минимизировать необходимость в ремонтных работах, минимизировать сложность и стоимость ремонта и минимизировать необходимость применения дорогих сплавов или материалов с покрытием, устойчивых к пылению металла.
Материалы, устойчивые к пылению металла. Материалами, устойчивыми к пылению металла, являются материалы, которые устойчивы к коррозионной деградации в случае, когда они подвергаются условиям пыления металла. Могут быть применены любые материалы, которые устойчивы к пылению металла и подходят в других отношениях для релевантных условий процесса, таких температура и давление. В некоторых вариантах осуществления материалы, устойчивые к пылению металла, могут быть сплавами Alloy 617, Alloy 617, покрытыми алюминидом, или сплавом Alloy 800H, покрытым алюминидом. Покрытие из алюминида может быть сформировано посредством осаждения алюминия на поверхность материала, его диффузии в сплав при высокой температуре и его окислении.
Катализаторы. Как правило, когда термин «катализатор» используется в данном документе по отношению к ячейкам или камерам для риформинга или сгорания, подразумевается, что он включает любой подходящий катализатор, такой как любой подходящий катализатор на базе неблагородного или благородного металла или же смеси и комбинации таких катализаторов, при этом катализатор может быть структурированным или неструктурированным катализатором и может быть катализатором на носителе или без него. Подходящие неструктурированные катализаторы могут включать катализаторы в виде пористых твердотельных частиц, которые могут иметь размер, оптимизированный для протекания желательной реакции риформинга или сгорания, при поддержании желательного перепада давления в соответствующем потоке. Подходящие структурированные катализаторы могут быть в виде покрытия на опоре в виде сетки из металлической проволоки или металлической фольги или же на керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления катализатор может включать металлический катализатор, содержащий металл, выбранный из золота, серебра, платины, палладия, рутения, родия, осмия, иридия или рения или же комбинаций одного или нескольких этих металлов. В некоторых вариантах осуществления катализатор может быть катализатором платина/палладий на носителе в виде тонкого покрытия из оксида алюминия, нанесенного на матрицу в виде металлической фольги из сплава железа, хрома и алюминия (Fecralloy).
В качестве варианта, когда термин «катализатор» используется по отношению к катализатору реактора конверсии с водяным паром, подразумевается, что он включает любой подходящий катализатор, такой как катализатор на базе неблагородного или благородного металла или же смеси и комбинации таких катализаторов, при этом катализатор может быть структурированным или неструктурированным катализатором и может быть катализатором на носителе или без него. Подходящие неструктурированные катализаторы могут включать катализаторы в виде пористых твердотельных частиц, которые могут иметь размер, оптимизированный для протекания желательной реакции конверсии с водяным паром, при поддержании желательного перепада давления в соответствующем потоке. Подходящие структурированные катализаторы могут быть в виде покрытия на опоре в виде сетки из металлической проволоки или металлической фольги или же на керамической матрице.
Описание фигур
3
3
3
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство включает способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов с целью получения синтез-газа, в которых скорость подачи газообразного углеводорода составляет от 1 до 10000 стандартных кубических метров в час («станд. м/ч»), например от 2 до 5000 станд. м/ч, например от 1 до 10, от 10 до 100, от 100 до 1000, от 1000 до 10000, от 10 до 4000, от 15 до 3000, от 20 до 2000, от 30 до 1000, от 40 до 500, от 50 до 250 или от 60 до 100 станд. м/ч.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов с целью получения синтез-газа может обеспечивать степень конверсии углеводорода 50% или более, например от 50% до 95%, например от 55% до 90%, от 60% до 85%, от 65% до 80% или от 70% до 75%.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов с целью получения синтез-газа может иметь эффективность использования энергии от 50% до 90%, например от 55% до 85%, от 60% до 80% или от 65% до 75%, при расчете по следующему уравнению:
где
s
LHV=количество тепла, выделяющегося в расчете на моль (или на кг) при сгорании синтез-газа, полученного в качестве продукта, исключая скрытую теплоту воды;
s
M=молярный (или массовый) расход синтез-газа, полученного в качестве продукта;
f
LHV=количество тепла, выделяющегося в расчете на моль (или на кг) при сгорании топлива, исключая скрытую теплоту воды;
f
M=молярный (или массовый) расход топлива;
ng
LHV=количество тепла, выделяющегося в расчете на моль (или на кг) при сгорании природного газа, исключая скрытую теплоту воды; и
ng
M=молярный (или массовый) расход природного газа.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство включает способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов, обладающие описанной выше эффективностью, при этом весь пар, требующийся для процесса, образуется и используется в рамках данного процесса, т.е. отсутствует отвод пара из процесса или его введение в процесс.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство сконфигурированы таким образом, чтобы минимизировать, устранить или локализовать создание условий пыления металла и закоксовывания на всем протяжении процесса. Предпочтительно, способ или устройство сконфигурированы таким образом, чтобы устранить условия пыления металла в теплообменниках, ступенях предварительного риформинга и/или ступенях риформинга способа или устройства. Предпочтительно, способ или устройство сконфигурированы таким образом, чтобы устранить условия закоксовывания в потоках подаваемого исходного газообразного углеводорода, потоках подаваемого топлива, ступенях риформинга и предварительного риформинга и/или в потоках синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления способ и/или устройство могут быть спроектированы таким образом, чтобы ограничивать возникновение условий пыления металла в локализованных местах выполнения процесса и/или компонентах устройства таким образом, что локализованные места способа или устройства могут быть спроектированы или изготовлены из материалов, устойчивых к пылению металла или защищенных от него, и/или сконфигурированы с возможностью простого и/или недорого ремонта, и/или замены.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство для парового риформинга газообразных углеводородов включает систему пассивного контроля потоком, посредством которой соответствующие количества топлива и воздуха направляются в различные места процесса, такие как подогреватели и ступени сгорания в устройстве для риформинга, посредством балансировки перепада давления в теплообменниках, ступенях предварительного риформинга и/или ступенях риформинга.
В некоторых вариантах осуществления способ парового риформинга газообразного углеводорода включает:
частичное сжигание топлива в первом потоке топливно-воздушной смеси, чтобы нагреть первый поток топливно-воздушной смеси для применения при риформинге потока смеси газообразного углеводорода с паром;
сжигание второго потока топливно-воздушной смеси, чтобы нагреть поток воздуха для применения при риформинге потока смеси газообразного углеводорода с паром; и
риформинг смеси газообразного углеводорода с паром, чтобы образовать поток синтез-газа и поток дымовых газов.
Частичное сгорание может включать каталитическое окисление по меньшей мере части топлива в первом потоке топливно-воздушной смеси, чтобы предоставить нагретый поток топлива.
При частичном сгорании может использоваться весь или в основном весь воздух, содержащийся в первом потоке топливно-воздушной смеси.
После частичного сгорания нагретый поток топлива может быть подан к одной или нескольким ступеням узла риформинга для дальнейшего сгорания, чтобы нагреть или дополнительно подогреть один или несколько потоков воздуха. Сгорание второго потока топливно-воздушной смеси может включать каталитическое окисление всего или в основном всего топлива во втором потоке топливно-воздушной смеси, чтобы предоставить нагретый поток воздуха. Нагретый поток воздуха может быть доставлен до одной или нескольких ступеней узла риформинга, чтобы предоставить тепло потоку смеси газообразного углеводорода с паром, подлежащей риформингу. Результирующий охлажденный поток воздуха может быть затем нагрет или повторно подогрет посредством, например, сжигания части нагретого потока топлива в присутствии данного охлажденного потока воздуха. В некоторых вариантах осуществления риформинг включает предварительный риформинг потока смеси газообразного углеводорода с паром, чтобы образовать поток для риформирования в узле риформинга, перед риформингом данного потока для риформирования в узле риформинга.
В некоторых вариантах осуществления риформинг включает уменьшение пыления металла и/или закоксовывания во время риформинга посредством нагревания и предварительного риформинга потока смеси газообразного углеводорода с паром на нескольких стадиях предварительного риформинга, чтобы образовать поток для риформирования в узле риформинга, перед риформингом данного потока для риформирования в узле риформинга. В некоторых вариантах осуществления предварительный риформинг включает частичный риформинг части потока смеси газообразного углеводорода с паром. В некоторых вариантах осуществления частичный риформинг включает несколько стадий предварительного риформинга, каждая стадия включает a) нагревание потока смеси газообразного углеводорода с паром и последующий b) частичный каталитический риформинг потока смеси газообразного углеводорода с паром. Нагревание может включать регенерацию тепла из потока дымовых газов от процесса риформинга. Число ступеней предварительного риформинга может составлять от 1 до 10, например от 2 до 7 или от 3 до 5 ступеней предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления предварительный риформинг выполняется на нескольких ступенях, чтобы способствовать устранению или уменьшению образования условий закоксовывания во время предварительного риформинга и риформинга. В некоторых вариантах осуществления образование условий закоксовывания во время предварительного риформинга устраняют или уменьшают посредством изменения состава и/или температуры потока смеси газообразного углеводорода с паром. В некоторых вариантах осуществления предварительный риформинг осуществляют в реакторе в виде печатной платы (printed circuit reactor (PCR)).
Поток для риформирования в узле риформинга может быть риформирован на одной или нескольких ступенях каталитического риформинга. В некоторых вариантах осуществления риформинг осуществляют в реакторе PCR. В некоторых вариантах осуществления риформинг включает от 1 до 40 ступеней риформинга, например от 2 до 35 ступеней, от 3 до 30 ступеней, от 5 до 25 ступеней, от 8 до 20 ступеней или от 10 до 15 ступеней каталитического риформинга. В некоторых вариантах осуществления риформинг потока смеси газообразного углеводорода с паром включает по меньшей мере три стадии:
i) нагревание потока для риформирования в узле риформинга посредством регенерации тепла из нагретого потока воздуха в теплообменнике, чтобы образовать нагретый поток для риформирования в узле риформинга и охлажденный поток воздуха;
ii) риформинг по меньшей мере части нагретого потока для риформирования в узле риформинга; и
iii) сжигание части потока частично сожженной топливно-воздушной смеси в присутствии охлажденного потока воздуха, чтобы подогреть охлажденный поток воздуха.
В некоторых вариантах осуществления нагревание потока для риформирования в узле риформинга включает регенерацию тепла в теплообменнике из нагретого потока воздуха, такого как нагретый поток воздуха, образованный сжиганием второго потока топливно-воздушной смеси, или нагретый поток воздуха, образованный сжиганием части потока частично сожженной топливно-воздушной смеси в присутствии охлажденного потока воздуха, чтобы подогреть охлажденный поток воздуха. В некоторых вариантах осуществления теплообменник может включать прямоточный, перекрестный или противоточный теплообменник. Предпочтительно, теплообменник содержит перекрестный теплообменник. В некоторых вариантах осуществления теплообменник содержит теплообменник в виде печатной платы. Предпочтительно, перепад давления на теплообменнике для нагретого потока воздуха составляет менее 0,1 бар (10 кПа), например менее 0,09 бар (9 кПа), менее 0,07 бар (7 кПа), менее 0,06 бар (6 кПа) или менее 0,05 бар (5 кПа). В некоторых вариантах осуществления перепад давления на теплообменнике для потока для риформирования в узле риформинга составляет менее 0,5 бар (50 кПа), например менее 0,4 бар (40 кПа), менее 0,30 бар (30 кПа), менее 0,2 бар (20 кПа) или менее 0,1 бар (10 кПа).
Риформинг по меньшей мере части нагретого потока для риформирования в узле риформинга может включать каталитический риформинг части нагретого потока для риформирования в узле риформинга, чтобы получить синтез-газ. Такой риформинг может быть проведен на протяжении последовательности ступеней каталитического преобразования, чтобы максимально увеличить степень конверсии углеводорода, при одновременном устранении или уменьшении образования условий закоксовывания в потоке для риформирования в данном узле риформинга. Предпочтительно, конверсия газообразного углеводорода происходит в соответствии с Уравнением (1). Кроме того, может происходить дополнительное образование водорода посредством следующей реакции конверсии с водяным газом:
CO+H<sub>2</sub>O→CO<sub>2</sub>+H<sub>2</sub>
(6),
которая может приблизиться к равновесию при риформинге и предварительном риформинге.
В некоторых вариантах осуществления сжигание части потока частично сожженной топливно-воздушной смеси в присутствии охлажденного потока воздуха, чтобы подогреть охлажденный поток воздуха, включает каталитическое сгорание части потока частично сожженной топливно-воздушной смеси в присутствии охлажденного потока воздуха. В некоторых вариантах осуществления часть потока частично сожженной топливно-воздушной смеси подается отдельно к камерам каталитического сгорания части или всех ступеней узла риформинга. В некоторых вариантах осуществления часть потока частично сожженной топливно-воздушной смеси, подаваемой в ступени узла риформинга, является одним и тем же количеством потока частично сожженной топливно-воздушной смеси для каждой ступени узла риформинга, на которую смесь подается.
В других вариантах осуществления часть потока частично сожженной топливно-воздушной смеси, подаваемой в ступени узла риформинга, изменяется в зависимости от ступени, на которую она подается. В некоторых вариантах осуществления количество частично сожженной топливно-воздушной смеси, подаваемой на один или несколько стадий сжигания второй и последующей ступеней узла риформинга, может быть меньше ее количества, подаваемого на одну или несколько предшествующих ступеней. Например, в некоторых вариантах осуществления количество подаваемого потока частично сожженной топливно-воздушной смеси может последовательно уменьшаться для каждой ступени риформинга, и в некоторых вариантах осуществления одна или несколько более поздних ступеней риформинга может не иметь подаваемой в нее части потока частично сожженной топливно-воздушной смеси. Предпочтительно, количество частично сожженной топливно-воздушной смеси, подаваемой в ступени узла риформинга, уменьшается для каждой последующей ступени и может быть равно нулю для одной или нескольких ступеней.
Часть потока частично сожженной топливно-воздушной смеси, подаваемой на каждую ступень риформинга, может контролироваться при применении активного или пассивного контроля. Предпочтительно часть потока частично сожженной топливно-воздушной смеси, подаваемой на каждую ступень риформинга, контролируется при применении пассивного контроля потока. Такой пассивный контроль потока может быть выполнен балансировкой перепадов давления в потоках топлива, потоках воздуха, потоках топливно-воздушной смеси и/или ее компонентов на протяжении узла риформинга и теплообменных компонентов процесса риформинга.
После выполнения последней стадии риформинга из узла риформинга выпускаются два потока, из которых может быть регенерировано тепло. Первый поток является потоком синтез-газа, который является риформированным потоком смеси газообразного углеводорода и пара. Второй поток является потоком дымовых газов, который является потоком воздуха, выходящим из последнего теплообменника на последней ступени узла риформинга. Каждый из этих потоков находится при сравнительно высоких температурах.
В некоторых вариантах осуществления способ или устройство достигает описанной здесь эффективности отчасти посредством регенерации тепла из потоков дымовых газов и/или синтез-газа, выходящих из ступеней узла риформинга. В некоторых вариантах осуществления тепло регенерируется из потока синтез-газа в один или несколько потоков исходных реагентов, таких как один или несколько потоков из: потока газообразного углеводорода, одного или нескольких потоков топлива, одного или нескольких потоков воздуха и одного или нескольких водных потоков в одном или нескольких теплообменниках. В некоторых вариантах осуществления тепло регенерируется в одном или нескольких теплообменниках из потока дымовых газов, чтобы нагреть поток смеси газообразного углеводорода с паром в одной или нескольких ступенях узла предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления тепло регенерируется из потока дымовых газов как потоком смеси газообразного углеводорода с паром, так и одним или несколькими водными потоками. В некоторых вариантах осуществления, в которых тепло регенерируется из потока дымовых газов как потоком смеси газообразного углеводорода с паром, так и одним или несколькими водными потоками, поток дымовых газов нагревается перед обменом тепла с водным потоком посредством сжигания части по меньшей мере одного потока топлива в присутствии потока дымовых газов. В некоторых вариантах осуществления водный поток регенерирует тепло как из потока дымовых газов, так и из потока синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления тепло регенерируется из по меньшей мере части потока синтез-газа посредством охлаждения по меньшей мере части потока синтез-газа в теплообменнике быстрого охлаждения.
В некоторых вариантах осуществления способ парового риформинга газообразного углеводорода включает:
a) предварительное нагревание одного или нескольких потоков воздуха, чтобы образовать один или несколько потоков подогретого воздуха;
b) объединение по меньшей мере одного потока воздуха с частью по меньшей мере одного потока топлива, чтобы образовать топливно-воздушную смесь с температурой ниже условий пыления металла;
c) частичное сжигание топлива в части топливно-воздушной смеси, чтобы образовать нагретый поток топлива с температурой выше условий пыления металла для применения на одной или нескольких ступенях узла риформинга;
d) сжигание части топливно-воздушной смеси в присутствии по меньшей мере одного из предварительно нагретых воздушных потоков, чтобы образовать нагретый воздушный поток с температурой выше условий пыления металла для применения на одной или нескольких ступенях узла риформинга;
e) нагревание одного или нескольких водных потоков для образования пара;
f) смешивание пара с одним или несколькими потоками газообразного углеводорода, чтобы образовать поток смеси газообразного углеводорода с паром;
g) нагревание и частичный риформинг потока смеси газообразного углеводорода с паром на одной или нескольких стадиях предварительного риформинга, чтобы образовать поток для риформирования в узле риформинга, при этом на всем протяжении одной или нескольких стадий предварительного риформинга потока смеси газообразного углеводорода с паром имеет сочетание температуры и состава, которые устраняют создание условий пыления металла и закоксовывания;
h) риформинг потока для риформирования в узле риформинга в одной или нескольких ступенях узла риформинга, чтобы образовать поток синтез-газа и поток дымовых газов, при этом на протяжении одной или нескольких стадий риформинга поток для риформирования в узле риформинга обладает комбинацией температуры и состава, которая устраняет создание условий пыления металла и закоксовывания;
i) регенерацию тепла из потока дымовых газов, чтобы обеспечить тепло для стадий предварительного риформинга на стадии g) и чтобы обеспечить предварительное нагревание водного потока; и
j) регенерацию тепла из потока синтез-газа, чтобы подогреть поток воздуха от стадии a) и чтобы предоставить тепло для образования пара на стадии e).
В некоторых вариантах осуществления поток воздуха предварительно нагревается посредством регенерации тепла из потока синтез-газа в теплообменнике. Таким образом может быть регенерирована по меньшей мере часть тепла, остающегося в потоке синтез-газа, что улучшает эффективность процесса. Поток воздуха может быть любым подходящим потоком воздуха, таким как поток воздуха от процесса или нагнетаемый поток воздуха, и он может быть кондиционированным или некондиционированным, например фильтрованным или нефильтрованным, очищенным или неочищенным или же увлажненным или осушенным.
Предпочтительно, поток воздуха может быть нагнетаемым потоком воздуха, предоставляемым воздуходувкой или другим источником нагнетаемого потока воздуха. Обычно предпочтительно, чтобы воздух подавался при давлении, достаточном для удовлетворения технологических требований, однако не при избыточном давлении, которое может обусловить неэффективность процесса увеличенного потребления электроэнергии воздуходувкой. Соответственно, способ и устройство желательно конфигурировать таким образом, чтобы минимизировать давление воздуха, необходимое в процессе, что может быть выполнено посредством устранения больших перепадов давления на компонентах процесса, таких как теплообменники, клапаны и ступени предварительного риформинга и риформинга.
В некоторых вариантах осуществления объединение по меньшей мере одного потока воздуха с частью по меньшей мере одного потока топлива, чтобы образовать топливно-воздушную смесь с температурой ниже условий пыления металла, включает объединение потока воздуха и потока топлива. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один поток воздуха является частью рассмотренного выше потока воздуха перед тем как этот поток воздуха подогрет или после этого. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один поток воздуха является частью рассмотренного выше потока воздуха перед предварительным нагреванием. Таким образом, может иметься единственный поток воздуха, предоставляемый в систему или процесс, который может быть разделен на два или более потока воздуха перед предварительным нагреванием или после него. Один или несколько потоков воздуха могут быть предварительно нагреты в одном и том же или в разных теплообменниках посредством регенерации тепла из потока синтез-газа.
В некоторых вариантах осуществления поток топлива предварительно нагревается посредством регенерации тепла из потока синтез-газа, например, в теплообменнике. В некоторых вариантах осуществления часть потока топлива, которая объединена с по меньшей мере одним потоком воздуха, предварительно нагревается в том же самом теплообменнике, в котором предварительно нагреваются один или несколько потоков воздуха, описанные выше. Поток топлива может быть частью любого потока исходного топлива для сжигания, подходящего для процессов парового риформинга, такого как потоки отходящего газа или остаточного газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA), от процесса производства метанола или от процесса производства аммиака или же он может быть смесью отходящего газа или остаточного газа с потоком или потоками газообразного углеводорода, например потоками природного газа, потоками метана, потоками пропана, смесями газообразных углеводородов, нефтезаводскими или другими отходящими газами или остаточными газами и их смесями или комбинациями. Во время предварительного нагревания предпочтительно поддерживаются такие условия, чтобы уменьшить или избежать образования условий пыления металла и закоксовывания в потоке топлива и в теплообменнике.
По меньшей мере один поток воздуха и часть потока топлива могут быть объединены любым подходящим образом, например посредством объединения потоков с образованием единственного потока при применении Y- или T-образного соединителя или посредством добавления одного потока в другой поток. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один поток воздуха и часть потока топлива могут быть объединены в теплообменнике посредством комбинирования теплообменных потоков или посредством подачи потоков к одному и тому же выпускному отверстию теплообменника. Предпочтительно, результирующая топливно-воздушная смесь обогащена топливом и способна лишь к неполному сгоранию вследствие ограниченного количества воздуха в потоке.
В некоторых вариантах осуществления после того как топливно-воздушная смесь образована, она может быть разделена на два или более потоков при применении любого подходящего разветвительного узла, такого как Y- или T-образный соединитель. По меньшей мере одна из частей разделенной топливно-воздушной смеси может быть частично сожжена, например каталитически сожжена, чтобы образовать нагретый поток топлива, который может иметь температуру выше, чем в случае условий пыления металла. Предпочтительно, сгорание является частичным как результат ограниченного содержания воздуха в смеси. В некоторых вариантах осуществления нагретый поток топлива может по существу не содержать воздуха для сжигания и может включать топливо и побочные продукты сгорания. В некоторых вариантах осуществления во время сгорания топливно-воздушной смеси поток подвергается воздействию условий пыления металла и/или закоксовывания. В таких случаях элементы потока, связанные со сгоранием, включая камеру сгорания, предпочтительно изготовлены из материалов, устойчивых к пылению металла, таких как сплавы, устойчивые к пылению металла, или сплавы, которые имеют покрытия, устойчивые к пылению металла, и/или сконфигурированы с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены. Предпочтительно, температура и состав нагретого потока топлива после сгорания подходят для применения в ступенях узла риформинга без дополнительной модификации и являются такими, что нагретый поток топлива не будет подвергаться воздействию условий пыления металла или закоксовывания в ступенях узла риформинга.
Вторая часть топливно-воздушной смеси может быть сожжена, например каталитически сожжена, в присутствии предварительно нагретого потока воздуха, чтобы образовать нагретый поток воздуха для ступеней узла риформинга. В некоторых вариантах осуществления нагретый поток воздуха может иметь температуру выше условий пыления металла. Предпочтительно, топливо в топливно-воздушной смеси полностью или в основном полностью сжигается, чтобы предоставить дополнительное тепло предварительно нагретому потоку воздуха.
В некоторых вариантах осуществления нагревание одного или нескольких водных потоков, чтобы образовать пар, включает регенерацию тепла из потока дымовых газов и/или потока синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления регенерация тепла из потока синтез-газа включает регенерацию тепла из потока синтез-газа в двух разных местах процесса парового риформинга газообразного углеводорода, например, вскоре после того, как поток синтез-газа оставляет ступени узла риформинга и непосредственно перед тем как поток синтез-газа выводится из процесса.
В некоторых вариантах осуществления один или несколько водных потоков регенерируют тепло из потока дымовых газов в теплообменнике после того, как поток дымовых газов оставил ступени риформинга и предварительного риформинга, например, непосредственно перед тем, как поток дымовых газов выводится из процесса риформинга. В некоторых вариантах осуществления поток дымовых газов может быть объединен с частью потока топлива и/или потока газообразного углеводорода поток и затем подогреваться сжиганием, например каталитическим сжиганием, частью потока топлива и/или потока газообразного углеводорода поток в присутствии потока дымовых газов перед введением в теплообменник, однако после того как поток дымовых газов оставил ступени риформинга и предварительного риформинга. В других вариантах осуществления, таких как варианты осуществления, в которых риформинг выполняется в виде высокотемпературного процесса риформинга, эта стадия сгорания может не включаться или не применяться.
В некоторых вариантах осуществления водный поток регенерирует тепло из части потока синтез-газа вскоре после того как поток синтез-газа оставляет ступени узла риформинга, данная регенерация происходит в теплообменнике быстрого охлаждения, в котором входящий поток синтез-газа образует пар посредством теплообмена с водным потоком в теплообменнике, который погружен в воду. В таких вариантах осуществления, поскольку теплообменник погружен в воду, условия пыления металла устраняются в результате сравнительно постоянной температуры металла, обусловленной кипением воды, вместе с тем, что давления недостаточно для повышения точки кипения воды до температур пыления металла. Хотя в теплообменнике не создаются условия пыления металла, поток синтез-газа может подвергаться воздействию таких условий непосредственно перед введением в теплообменник быстрого охлаждения. Соответственно, та часть трубопровода для синтез-газа, которая расположена на расстоянии в пределах по меньшей мере пяти диаметров трубы от входа в теплообменник, предпочтительно сконструирована из материалов, устойчивых к пылению металла, таких как сплавы, устойчивые к пылению металла, или сплавы, которые имеют покрытия, устойчивые к пылению металла, и/или сконфигурирована с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены. В некоторых вариантах осуществления весь пар или основная часть пара, образуемого и используемого в процессе парового риформинга газообразного углеводорода, образуется в теплообменнике быстрого охлаждения. В некоторых вариантах осуществления поток синтез-газа разделяется, чтобы образовать первый поток синтез-газа и второй поток синтез-газа, и тепло регенерируется в теплообменнике быстрого охлаждения из одного из первого и второго потоков синтез-газа.
В некоторых вариантах осуществления водный поток регенерирует тепло из потока синтез-газа непосредственно перед тем, как поток синтез-газа выводится из процесса парового риформинга газообразного углеводорода. В некоторых вариантах осуществления эта регенерация тепла происходит в том же самом теплообменнике, что и регенерация тепла для потоков воздуха и топлива, как рассмотрено выше. В других вариантах осуществления применяется отдельный теплообменник для регенерации тепла в водный поток из потока синтез-газа непосредственно перед тем как поток синтез-газа выводится из процесса парового риформинга газообразного углеводорода.
В некоторых вариантах осуществления после того, как один или несколько водных потоков нагреты для получения пара, пар смешивается с одним или несколькими потоками газообразного углеводорода, чтобы образовать поток смеси газообразного углеводорода с паром. Смешивание может быть выполнено объединением потока пара с потоком газообразного углеводорода, чтобы образовать единственный поток, при применении любых подходящих средств, например при применении Y- или T-образного соединителя или посредством добавления одного потока в другой поток. В некоторых вариантах осуществления поток газообразного углеводорода предварительно нагревается, например предварительно нагревается посредством регенерации тепла из потока синтез-газа, например, в том же самом или другом теплообменнике по сравнению с рассмотренной выше регенерацией тепла для потоков воздуха и топлива. Поток газообразного углеводорода может быть потоком любого подходящего газообразного углеводорода для парового риформинга, такого как природный газ, метан, пропан, смеси газообразных углеводородов, нефтезаводские или другие отходящие газы и их смеси или комбинации. В некоторых вариантах осуществления соотношение пара и газообразного углеводорода в потоке смеси газообразного углеводорода с паром может быть указано как соотношение пара и углерода. В некоторых вариантах осуществления соотношение пара и углерода в потоке для риформирования в узле риформинга может составлять от 1:1 до 12:1, например от 2:1 до 10:1, от 3:1 до 8:1 или от 4:1 до 6:1.
В некоторых вариантах осуществления поток смеси газообразного углеводорода с паром предварительно риформируется на одной или нескольких стадиях предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления одна или несколько стадий предварительного риформинга включают нагревание и частичный риформинг потока смеси газообразного углеводорода с паром, чтобы образовать риформированный поток. В таких вариантах осуществления частичный риформинг может включать одну или несколько стадий нагревания потока смеси газообразного углеводорода с паром посредством регенерации тепла из потока дымовых газов, затем следует частичное каталитическое преобразование потока смеси газообразного углеводорода с паром. В некоторых вариантах осуществления выполняются по меньшей мере 2 стадии предварительного риформинга, например от 2 до 10, от 3 до 10, от 4 до 8 или от 5 до 7 стадий предварительного риформинга, например от 2 или более, 3 или более, 4 или более или же 5 или более стадий предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления условия закоксовывания устраняются на стадиях предварительного риформинга посредством изменения температуры потока смеси газообразного углеводорода с паром и/или изменения состава потока смеси газообразного углеводорода с паром нагреванием и его частичным риформингом, чтобы избежать образования таких условий. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления стадии предварительного риформинга предоставляют поток для риформирования в узле риформинга к первой стадии риформинга, который позволяет избежать условий пыления металла и закоксовывания.
Риформинг потока для риформирования в узле риформинга в одной или нескольких ступенях узла риформинга, чтобы образовать поток синтез-газа и поток дымовых газов, может быть выполнен, как описано в данном документе, включая контроль нагретого потока топлива, подаваемого на отдельные ступени. Например, в некоторых вариантах осуществления риформинг может быть выполнен в одной или нескольких ступенях узла риформинга, каждая ступень содержит: i) нагревание потока для риформирования в узле риформинга посредством регенерации тепла из нагретого потока воздуха в теплообменнике, чтобы образовать нагретый поток для риформирования в узле риформинга и охлажденный поток воздуха; ii) риформинг по меньшей мере части нагретого потока для риформирования в узле риформинга; и iii) сжигание части нагретого потока топлива в присутствии охлажденного потока воздуха, чтобы образовать нагретый поток воздуха для следующей ступени. Предпочтительно, поток для риформирования в узле риформинга имеет сочетание температуры и состава, которые устраняют создание условий закоксовывания и пыления металла на протяжении ступеней узла риформинга.
В некоторых вариантах осуществления устройство для парового риформинга газообразного углеводорода содержит:
a) подогреватель топлива, который частично сжигает топливо в первой топливно-воздушной смеси, чтобы образовать нагретый поток топлива, нагретый поток топлива сжигается в модуле для риформинга;
b) подогреватель воздуха, который сжигает второй топливно-воздушный поток в присутствии потока воздуха, чтобы образовать нагретый поток воздуха, данный нагретый поток воздуха подает тепло в модуль для риформинга; и
c) модуль для риформинга, который образует поток синтез-газа из потока для риформирования в узле риформинга.
Подогреватели топлива и воздуха могут включать любую подходящую камеру каталитического сгорания и могут включать отдельный каталитический реактор или могут включать модифицированную секцию трубы, в которой размещен структурированный или неструктурированный катализатор. Как правило, каталитическое сгорание включает каталитическое окисление горючих компонентов в соответствующем потоке, чтобы генерировать тепло в результате протекания высокоэкзотермической реакции окисления. Реакция сгорания может быть катализирована при применении любого подходящего катализатора и/или может включать или содержать некаталитическое сжигание вместе с источником зажигания или источником пламени для запуска.
В некоторых вариантах осуществления модуль для риформинга может включать один или несколько, например 2 или более, 3 или более, 4 или более, 5 или более, 6 или более, 7 или более, 8 или более, 9 или более или же 10 или более ступеней узла предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления модуль для риформинга может включать от 2 до 10, от 3 до 8 или от 4 до 7 ступеней узла предварительного риформинга. После ступеней узла предварительного риформинга модуль для риформинга может включать от 1 до 40 ступеней узла риформинга, например от 2 до 35 ступеней, от 3 до 30 ступеней, от 5 до 25 ступеней, от 8 до 20 ступеней или от 10 до 15 ступеней узла риформинга. Каждая ступень узла предварительного риформинга может включать по меньшей мере один теплообменник и по меньшей мере одну ячейку для предварительного риформинга. Могут быть использованы любые подходящие теплообменник и каталитическая ячейка для предварительного риформинга.
В некоторых вариантах осуществления одна или несколько ступеней узла предварительного риформинга может включать PCR. PCR может быть сконфигурирован аналогично теплообменнику в виде печатной платы («PCHE»), как известно в данной области, с катализаторными камерами или ячейками, расположенными прерывистым образом внутри пути для протекания потока смеси газообразного углеводорода с паром таким образом, что поток может попеременно нагреваться в теплообменнике или в теплообменной части и затем частично каталитически риформироваться катализаторной камерой или ячейкой в последовательности ступеней предварительного риформинга. В связи с этим PCR может включать последовательность пластин, имеющих один или несколько каналов для протекания потока смеси газообразного углеводорода с паром и потока дымовых газов поблизости относительно друг друга, чтобы обеспечивался теплообмен. Каналы для отдельных потоков могут быть вытравлены или сформированы иным образом на отдельных пластинах, которые могут быть затем пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом с образованием конфигурации теплообменника таким образом, что каналы расположены в непосредственной близости относительно друг друга, и происходит теплообмен через стенки каналов. Пакетирование может включать пакетирование оконечных пластин, соединительных пластин и пластин с конкретными конфигурациями каналов для смеси газообразного углеводорода с паром и дымовых газов в соответствии с желательным переносом тепла. Каналы на каждой пластине могут быть сконфигурированы для переноса тепла между потоками при однократном или многократном проходе, и когда они образованы в виде PCR, то могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы функционировать в прямоточном, перекрестном или противоточном режиме. В некоторых вариантах осуществления пластины для одного из потоков могут быть сконфигурированы для многократных проходов, в то время как пластины для другого потока сконфигурированы для однократных проходов.
Каждая из пластин для смеси газообразного углеводорода с паром и дымовых газов может включать несколько проемов для катализаторных камер или ячеек для предварительного риформинга, так что, когда пластины пакетизированы и соединены с образованием конфигурации теплообменника, пластины образуют несколько зон теплообмена, в которых тепло извлекается из каналов с дымовыми газами в каналы с потоком смеси газообразного углеводорода с паром, и несколько зон риформинга, в которых нагретый поток смеси газообразного углеводорода с паром частично каталитически риформируется. Зоны риформинга могут быть образованы совмещением проемов для катализаторных камер или ячеек для предварительного риформинга, когда пластины пакетизированы, чтобы образовать камеры, в которых может быть размещен катализатор, на носителе или без носителя.
В связи с этим, в некоторых вариантах осуществления PCR может функционировать следующим образом: поток смеси газообразного углеводорода с паром может вводиться в каналы пластины для потока смеси газообразного углеводорода с паром PCR, в которых она может нагреваться горячим потоком, который может быть потоком дымовых газов от ступеней узла риформинга, протекающим в каналах пластины для дымовых газов. После нагревания каналы пластины для потока смеси газообразного углеводорода с паром могут направлять поток смеси газообразного углеводорода с паром в камеру или ячейку для предварительного риформинга, содержащую катализатор, в которой поток смеси газообразного углеводорода с паром может быть частично каталитически риформирован. После частичного риформирования поток смеси газообразного углеводорода с паром может быть направлен в другие каналы далее вдоль пластины, в которых поток будет повторно нагреваться дымовыми газами, протекающими в каналах для дымовых газов пластины для дымовых газов. Таким образом, частичный риформинг может включать несколько повторений нагревания и частичного риформинга в единственной структуре, содержащей оконечные пластины, соединительные пластины, концевые пластины, соединительных пластин одну или несколько пластин для дымовых газов и пластин для смеси газообразного углеводорода с паром.
После ступеней узла предварительного риформинга модуль для риформинга может включать от 1 до 40 ступеней узла риформинга, например от 2 до 35 ступеней, от 3 до 30 ступеней, от 5 до 25 ступеней, от 8 до 20 ступеней или от 10 до 15 ступеней каталитического риформинга. Модуль для риформинга может быть сконфигурирован любым подходящим образом для конвертирования в узле риформинга потока, выпускаемого из ступеней узла предварительного риформинга, в синтез-газ. Такой риформинг может включать один или несколько теплообменников, которые нагревают поток для риформирования в узле риформинга посредством регенерации тепла из горячего потока, такого как нагретый поток воздуха. Горячий поток может предоставлять достаточное количество тепла потоку для риформирования в узле риформинга, чтобы активизировать риформинг в одной или нескольких ячейках для каталитического риформинга. Ячейки для риформинга могут каталитически риформировать поток для риформирования в узле риформинга в ходе эндотермической реакции, и вследствие этого поток для риформирования в узле риформинга охлаждается. Поток для риформирования в узле риформинга может быть затем повторно нагрет посредством регенерации тепла из горячего потока, такого как нагретый поток воздуха, и затем может быть направлен к одной или нескольким дополнительным ячейкам узла риформинга. Таким образом, данные стадии могут быть повторены посредством ступеней узла риформинга.
В некоторых вариантах осуществления модуль для риформинга может включать несколько ступеней, при этом каждая ступень включает i) теплообменник, который нагревает поток для риформирования в узле риформинга посредством регенерации тепла из нагретого потока воздуха, чтобы образовать охлажденный поток воздуха; ii) слой для риформинга, который риформирует нагретый поток для риформирования в узле риформинга; и iii) камеру сгорания, которая сжигает часть нагретого потока топлива, чтобы подогреть охлажденный поток воздуха.
В некоторых вариантах осуществления устройство может включать сеть регулирования распределения топлива, которая сконфигурирована, чтобы пассивным образом регулировать величину нагретого потока топлива, подаваемого в каждую камеру сгорания в ступенях узла риформинга. Эта конфигурация может быть получена проектированием устройства и отдельных компонентов теплообменников и узла риформинга устройства таким образом, чтобы сбалансировать перепады давления в потоках воздуха и топлива на протяжении устройства, чтобы подавать соответствующее количество воздуха и топлива в каждую камеру сгорания в ступенях узла риформинга. В некоторых вариантах осуществления сеть регулирования распределения топлива сконфигурирована, чтобы подавать некоторое количество нагретого потока топлива в одну или несколько камер сгорания второй и последующих ступеней узла риформинга, которое меньше количества нагретого потока топлива, поданного в одну или несколько камер сгорания предшествующих ступеней. В некоторых вариантах осуществления сеть регулирования распределения топлива сконфигурирована, чтобы подавать некоторое количество нагретого потока топлива в каждую из камер сгорания второй и последующих ступеней узла риформинга, которое меньше количества нагретого потока топлива, поданного в предшествующие ступени.
Как в случае стадий предварительного риформинга, в некоторых вариантах осуществления ступени узла риформинга могут включать PCR. В некоторых вариантах осуществления PCR, составляющие часть ступеней узла риформинга, могут включать оконечные пластины, соединительные пластины, пластины для протекания воздуха, пластины для протекания топлива и пластины для протекания потока для риформирования в узле риформинга. Каждая из активных пластин может включать каналы для протекания соответствующего исходного потока (воздуха, топлива или материала, подлежащего риформированию), несколько камер каталитического сгорания и несколько проемов ячеек для каталитического риформинга. При объединении в пакет и соединении диффузией или иным образом, несколько проемов камер каталитического сгорания и несколько проемов ячеек для каталитического риформинга каждой пластины могут быть совмещены с соответствующими проемами на других пластинах в пакете, чтобы образовать несколько камер для каталитического сгорания и несколько ячеек для каталитического риформинга.
В некоторых вариантах осуществления такой реактор в виде печатной платы может функционировать следующим образом. Нагретый поток воздуха протекает через каналы пластин для протекания воздуха и обменивается теплом с потоком для риформирования в узле риформинга, протекающим через каналы пластин для риформинга, чтобы нагреть поток для риформирования в узле риформинга и охладить поток воздуха. Поток для риформирования в узле риформинга затем поступает в первую ячейку для каталитического риформинга, в которой он каталитически риформируется в ходе эндотермической реакции, при этом происходит охлаждение потока для риформирования в узле риформинга и преобразование его части в синтез-газ. Охлажденный поток воздуха направляется в первую камеру каталитического сгорания, в которой он соединяется с частью нагретого потока топлива, который подвергнут каталитическому сжиганию, чтобы повторно нагреть поток воздуха. Повторно нагретый поток воздуха затем обменивается теплом с охлажденным потоком для риформирования в узле риформинга и процесс может повторяться на протяжении нескольких ступеней. В некоторых вариантах осуществления часть нагретого потока топлива подается параллельно в каждую камеру сгорания. В некоторых вариантах осуществления в каждую камеру сгорания подается одно и то же количество топлива из нагретого потока топлива. Предпочтительно, количество нагретого потока топлива, подаваемого в каждую камеру сгорания после первой камеры сгорания, уменьшается по сравнению с предшествующей камерой сгорания. Предпочтительно, подача нагретого потока топлива регулируется пассивным образом. В конечном счете, потоки, выпускаемые из модуля для риформинга, включают поток синтез-газа, образованного из потока через устройство для риформинга, и поток дымовых газов, содержащий поток воздуха, какие-либо остаточные компоненты и компоненты сгорания топлива.
В некоторых вариантах осуществления устройство для парового риформинга газообразного углеводорода может также включать по меньшей мере один теплообменник, который регенерирует тепло из потока синтез-газа после его выведения из модуля для риформинга. В некоторых вариантах осуществления устройство содержит по меньшей мере два теплообменника для регенерации тепла из части потока синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из по меньшей мере двух теплообменников является теплообменником быстрого охлаждения. Теплообменник быстрого охлаждения может включать теплообменник, который погружен в воду. Часть горячего синтез-газа может вводиться в теплообменник быстрого охлаждения при температуре, соответствующей условиям пыления металла, или выше и может быть быстро охлаждена до температуры ниже условий пыления металла. Поскольку теплообменник погружен в воду, то теплообменник никогда не будет находиться при условиях пыления металла, вследствие того, что температура воды будет оставаться в основном постоянной при ее кипении, и как результат высокого коэффициента теплопередачи кипящей воды металл погружного теплообменника будет оставаться по существу при температуре кипения воды. Пар, образованный таким образом посредством быстрого охлаждения потока синтез-газа, может быть объединен с потоком газообразного углеводорода перед введением в модуль для риформинга. Хотя теплообменник быстрого охлаждения устраняет условия пыления металла, часть трубопровода для потока синтез-газа, прилегающая к входу в теплообменник быстрого охлаждения, может находиться при условиях пыления металла, и, таким образом, эта часть устройства предпочтительно изготавливается из материалов, устойчивых к пылению металла, или из материалов, которые имеют покрытия, устойчивые к пылению металла, и/или сконфигурирована с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены.
Погружной теплообменник является предпочтительно PCHE, который основан на термосифонном эффекте, чтобы извлекать тепло из потока синтез-газа в воду, при этом вода циркулирует через теплообменник в результате разности плотностей между кипящей водой и водой в одной фазе. PCHE может содержать одну или несколько пластин для синтез-газа и одну или несколько пластин для воды, которые совместно могут быть «активными» пластинами в теплообменнике. Пластины для синтез-газа могут иметь несколько проточных каналов, вытравленных или сформированных на них иным образом, через которые протекает синтез-газ. Пластины для воды могут иметь несколько проточных каналов, вытравленных или сформированных на них иным образом, через которые протекает вода/пар. Пластины для воды и синтез-газа вместе с соединительными пластинами и/или оконечными пластинами могут быть пакетизированы с образованием конфигурации теплообменника. В этой конфигурации PCHE может включать последовательность пакетизированных и соединенных диффузией или иным образом пластин, имеющих несколько каналов для протекания потоков синтез-газа и воды поблизости относительно друг друга, чтобы извлекать тепло из потоков синтез-газа в водные потоки. PCHE может быть образован пакетированием оконечных пластин, соединительных пластин и конкретных конфигураций пластин для потоков синтез-газа и воды в соответствии с желательным переносом тепла. Каналы на каждой пластине могут быть сконфигурированы для переноса тепла между потоками при однократном или многократном проходе, и когда они образованы в виде теплообменника, то могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы функционировать в прямоточном, перекрестноточном или противоточном режиме. Предпочтительно, теплообменник, образованный из таких пластин, сконфигурирован для работы в прямоточном режиме, чтобы избежать высыхания в каналах с водной стороны теплообменника. В некоторых вариантах осуществления пластины для одного из потоков могут быть сконфигурированы для многократных проходов, в то время как пластины для другого потока сконфигурированы для однократных проходов.
Уровень воды в теплообменнике быстрого охлаждения может контролироваться любым подходящим методом, таким как с применением известного средства контроля уровня воды, обеспечивающего регулирование уровней котловой воды. Погружной теплообменник может быть частично или полностью погружен, при условии, что присутствует достаточно воды, чтобы обеспечить предотвращение образования условий пыления металла в теплообменнике. В некоторых вариантах осуществления теплообменник быстрого охлаждения образует большую часть пара для объединения с потоком газообразного углеводорода.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из теплообменников, которые регенерируют тепло из потока синтез-газа, содержит теплообменник для регенерации тепла синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления теплообменник для регенерации тепла синтез-газа извлекает тепло из потока синтез-газа в по меньшей мере один поток, выбранный из одного или нескольких потоков воздуха, одного или нескольких потоков топлива, одного или нескольких водных потоков и одного или нескольких потоков газообразного углеводорода. В некоторых вариантах осуществления теплообменник для регенерации тепла синтез-газа содержит мультипоточный теплообменник. Теплообменник для регенерации тепла синтез-газа может включать мультипоточный теплообменник, который является мультипоточным PCHE. Мультипоточный PCHE может содержать одну или несколько пластин для синтез-газа и одну или несколько пластин для исходного реагента, которые совместно могут быть активными пластинами в теплообменнике. Пластины для синтез-газа могут иметь несколько проточных каналов, вытравленных или сформированных на них иным образом, через которые протекает синтез-газ. Пластины для исходного реагента могут иметь несколько проточных каналов, вытравленных или сформированных на них иным образом, через которые протекают различные исходные реагенты. Например, в некоторых вариантах осуществления пластины для исходного реагента могут иметь одну или несколько групп каналов для протекания одного или нескольких потоков воздуха, одну или несколько групп каналов для протекания одного или нескольких потоков топлива, одну или несколько групп каналов для протекания одного или нескольких потоков газообразного углеводорода и/или одну или несколько групп каналов для протекания одного или нескольких водных потоков. Пластины для исходного реагента и синтез-газа вместе с соединительными пластинами и/или оконечными пластинами могут быть пакетизированы с образованием конфигурации теплообменника. В этой конфигурации PCHE может включать последовательность пакетизированных и соединенных диффузией или иным образом пластин, имеющих несколько каналов для протекания потоков синтез-газа и исходного реагента поблизости относительно друг друга, чтобы извлекать тепло из потоков синтез-газа в потоки исходного реагента. Пакетирование может включать пакетирование концевых пластин, соединительных пластин и пластин с конкретными конфигурациями каналов для потоков синтез-газа и исходного реагента в соответствии с желательным переносом тепла. Каналы на каждой пластине могут быть сконфигурированы для переноса тепла между потоками при однократном или многократном проходе, и когда они образованы в виде теплообменника, то они могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы функционировать в прямоточном, перекрестноточном или противоточном режиме. Предпочтительно, теплообменник для регенерации тепла синтез-газа функционирует в противотоке или в многопроходной перекрестноточной аппроксимации противотока, чтобы максимально увеличить регенерацию тепла из потока синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления пластины для одного или некоторых из потоков могут быть сконфигурированы для многократных проходов, в то время как пластины для одного или некоторых из других потоков сконфигурированы для однократных проходов.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из теплообменников, который регенерирует тепло из потока синтез-газа, содержит теплообменник быстрого охлаждения и теплообменник для регенерации тепла синтез-газа.
В некоторых вариантах осуществления устройство содержит по меньшей мере один теплообменник, который регенерирует тепло в водный поток из потока дымовых газов после того, как поток дымовых газов оставляет модуль для риформинга. В некоторых вариантах осуществления такой теплообменник включает PCHE, как описано в других местах данного документа, при этом активные пластины PCHE являются одной или несколькими пластинами для дымовых газов и одной или несколькими пластинами для воды. В некоторых вариантах осуществления, например в вариантах осуществления, в которых модуль для риформинга функционирует в режиме пониженной температуры риформинга или в режиме риформинга при повышенном давлении, поток дымовых газов может быть предварительно нагрет перед введением в PCHE для теплообмена с водным потоком. Такое предварительное нагревание может включать каталитическое сгорание части по меньшей мере одного потока топлива или части по меньшей мере одного потока газообразного углеводорода в присутствии потока дымовых газов. Каталитическое сгорание может быть проведено в подогревателе дымовых газов, который может быть сконфигурирован в основном таким же образом, что и подогреватель воздуха, рассмотренный выше. Подогреватель дымовых газов может быть использован для нагревания дымовых газов, чтобы предоставить увеличенное количество тепла водному потоку, посредством чего увеличивается соотношение пара и углерода, поступающих в конечном счете в модуль для риформинга, и создаются более благоприятные равновесные условия для реакции риформинга при данных давлении и температуре, что делает подогреватель дымовых газов привлекательным опциональным компонентом модулей для риформинга при пониженной температуре или повышенном давлении.
В некоторых вариантах осуществления, в особенности в вариантах осуществления, в которых желательна высокая концентрация водорода в потоке синтез-газа, устройство может включать реактор конверсии с водяным паром. Реактор конверсии с водяным паром может способствовать каталитическому получению водорода в соответствии с Уравнением (6).
Реактор конверсии с водяным паром предпочтительно принимает поток синтез-газа при температуре существенно ниже температур пыления металла, так что равновесная температура на выходе реактора также ниже температур пыления металла. В некоторых вариантах осуществления несколько реакторов конверсии с водяным паром могут быть применены последовательно, чтобы дополнительно увеличить содержание водорода в потоке синтез-газа. Реактор конверсии с водяным паром может быть аналогичен камере каталитического сгорания и может включать отдельный каталитический реактор или может включать модифицированную секцию трубы, в которой размещен структурированный или неструктурированный катализатор, и которая предпочтительно может включать подходящий катализатор на базе благородного металла.
В некоторых вариантах осуществления устройство сконфигурировано, чтобы избежать или уменьшить образование условий пыления металла и условий закоксовывания во всех теплообменниках, ступенях предварительного риформинга, ступенях риформинга и реакторах конверсии с водяным паром в таком устройстве.
В некоторых вариантах осуществления устройство для парового риформинга газообразного углеводорода содержит:
a) теплообменник для регенерации тепла синтез-газа, который регенерирует тепло из потока синтез-газа для нагревания по меньшей мере одного потока воздуха;
b) делитель потока воздуха, который разделяет поток воздуха на первый поток воздуха и второй поток воздуха, первый поток воздуха объединяется с потоком топлива, чтобы образовать топливно-воздушную смесь;
c) делитель потока топлива, который разделяет топливно-воздушную смесь на первый поток топливно-воздушной смеси и второй поток топливно-воздушной смеси, первый поток топливно-воздушной смеси соединяется с подогревателем топлива, и второй поток топливно-воздушной смеси соединяется с подогревателем воздуха;
d) подогреватель топлива, который частично сжигает топливо в первом потоке топливно-воздушной смеси, чтобы образовать нагретый поток топлива;
e) подогреватель воздуха, который сжигает второй поток топливно-воздушной смеси в присутствии второго потока воздуха, чтобы образовать нагретый поток воздуха;
f) узел предварительного риформинга, который частично риформирует нагретый поток газообразного углеводорода в присутствии пара, чтобы образовать поток для риформирования в узле риформинга;
g) узел риформинга, который риформирует поток для риформирования в узле риформинга, чтобы образовать поток синтез-газа;
h) теплообменник быстрого охлаждения, который регенерирует тепло из потока синтез-газа, чтобы образовать или способствовать образованию пара из водного потока для узла предварительного риформинга.
Некоторые варианты осуществления устройства будут теперь описаны более подробно со ссылками на фигуры. Следует понимать, что подробно описанные устройства являются лишь примерами, и что могут быть сделаны различные модификации и изменения устройств без отклонения от объема способов и устройств, определенных в данном документе, как это понятно специалистам в данной области техники. Примеры таких изменений могут включать, однако, не ограничиваясь ими, вид и число потоков реагента, вид и число каждого из теплообменников и камер сгорания/подогревателей, вид, число и конфигурации ступеней предварительного риформинга и риформинга, конструкционные материалы, конфигурации и размеры теплообменника и трубопровода, расположение и вид клапанов, температуры и давления потоков, расходы и составы различных потоков, вид и число реакторов конверсии с водяным паром, если они имеются, и виды и составы катализаторов.
При ссылке на Фиг. 1A в некоторых вариантах осуществления система или устройство 100 парового риформинга газообразных углеводородов может включать по меньшей мере четыре потока исходных реагентов: поток 102 исходного газообразного углеводорода, поток 104 исходного топлива, поток 106 исходного воздуха и поток 108 исходной воды. Поток 102 исходного газообразного углеводорода может предоставлять поток любого подходящего газообразного углеводорода для парового риформинга, включая природный газ, метан, пропан, другие газообразные углеводороды, смеси газообразных углеводородов, нефтезаводские или другие отходящие газы и их смеси или комбинации, в устройство 100. Предпочтительно, поток 102 исходного газообразного углеводорода имеет достаточно низкое содержание примесей (например, серы), чтобы обеспечить приемлемый срок службы катализатора риформинга и/или конверсии с водяным паром. В некоторых вариантах осуществления поток 102 исходного газообразного углеводорода является природным газом или метаном. Поток 102 исходного газообразного углеводорода может вводиться в устройство 100 для риформинга при любых температуре и давлении, подходящих для устройства. Предпочтительно, давление равно или выше давления потока 180 синтез-газа, выпускаемого из модуля 150 для риформинга. В некоторых вариантах осуществления поток 102 исходного газообразного углеводорода вводится в устройство 100 при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.). В некоторых вариантах осуществления поток 102 исходного газообразного углеводорода вводится в устройство 100 при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре, однако предпочтительно выше температуры конденсации потока. В некоторых вариантах осуществления поток 102 исходного газообразного углеводорода вводится в устройство 100 при температуре между примерно -40°C и 250°C, например между -25°C и 200°C, между -10°C и 150°C, между -10°C и 100°C, между 0 и 90°C, между 0°C и 75°C, между 5°C и 65°C, между 10°C и 50°C, между 15°C и 40°C, между 15°C и 35°C, между 20°C и 30°C или между 20°C и 25°C.
Поток 104 исходного топлива может быть потоком любого исходного топлива для сжигания, подходящего для процессов парового риформинга, такого как потоки отходящего газа или остаточного газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA), от процесса производства метанола или от процесса производства аммиака, и может включать или быть обогащенным другими топливными компонентами, такими как поток газообразного углеводорода или такие потоки как потоки природного газа, потоки метана, потоки пропана, смеси газообразных углеводородов, нефтезаводские или другие дымовые газы и их смеси или комбинации. В некоторых вариантах осуществления часть потока 102 исходного газообразного углеводорода или другого потока газообразного углеводорода может быть предоставлена в качестве по меньшей мере части потока 104 исходного топлива. В некоторых вариантах осуществления поток 104 исходного топлива может включать остаточные газообразные углеводороды и/или водород из потока 192 синтез-газа после последующей обработки. Поток 104 исходного топлива может вводиться в устройство 100 для риформинга при любых температуре и давлении, подходящих для устройства. В некоторых вариантах осуществления, например в вариантах осуществления, в которых поток 104 исходного топлива содержит поток отходящего газа или остаточного газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA), поток 104 исходного топлива вводится в устройство 100 при давлении меньше 10 бар изб. давл. (1 МПа изб. давл.), например меньше 8 бар изб. давл. (800 кПа изб. давл.), меньше 5 бар изб. давл. (500 кПа изб. давл.), меньше 2,5 бар изб. давл. (250 кПа изб. давл.), меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,5 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,4 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,3 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,2 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.). В некоторых вариантах осуществления, например, когда поток 104 исходного топлива содержит поток от продувки при синтезе метанола, поток 104 исходного топлива может вводиться в устройство при давлении, которое существенно выше, в этом случае давление может быть понижено при применении любого подходящего средства для понижения давления газообразных потоков. В некоторых вариантах осуществления поток 104 исходного топлива вводится в устройство 100 при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре, однако предпочтительно выше температуры конденсации потока. В некоторых вариантах осуществления поток 104 исходного топлива вводится в устройство 100 при температуре между -40°C и 350°C, например между -30°C и 300°C, между -20°C и 250°C, между -10°C и 200°C, между -5°C и 150°C, между 0°C и 100°C, между 0°C и 50°C, между 5°C и 40°C, между 10°C и 35°C, между 15°C и 30°C или между 20°C и 25°C.
Поток 106 исходного воздуха может быть любым подходящим потоком исходного воздуха, таким как нагнетаемый поток исходного воздуха или поток сжатого исходного воздуха, который предоставляет достаточно кислорода для процессов сгорания в устройстве 100 для риформинга. В некоторых вариантах осуществления поток исходного воздуха может быть обогащен дополнительным кислородом или может быть очищен, чтобы удалить или ограничить содержание одного или нескольких компонентов или загрязняющих веществ в виде частиц или газа. В некоторых вариантах осуществления поток 106 исходного воздуха вводится в устройство 100 при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.). В некоторых вариантах осуществления поток 106 исходного воздуха вводится в устройство 100 при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре, однако предпочтительно выше температуры конденсации потока. В некоторых вариантах осуществления поток 106 исходного воздуха вводится в устройство 100 при температуре между -40°C и 350°C, например между -30°C и 300°C, между -20°C и 250°C, между -10°C и 200°C, между -5°C и 150°C, между 0°C и 100°C, между 0°C и 50°C, между 5°C и 40°C, между 10°C и 35°C, между 15°C и 30°C или между 20°C и 25°C.
Поток 108 исходной воды может быть любым подходящим потоком исходной воды и может быть необработанным, обработанным, очищенным или кондиционированным водным потоком. Предпочтительно, вода обработана, чтобы отвечать по меньшей мере стандартам для питательной воды котла, соответствующим рабочим температурам и давлениям, чтобы избежать образования накипи в теплообменниках и/или необходимости в чрезмерном сбросе. В некоторых вариантах осуществления поток 108 исходной воды может быть нагрет выше температуры окружающей среды в нагревателе воды или бойлере перед введением в процесс. В некоторых вариантах осуществления поток 108 исходной воды может включать пар, образованный вне данного процесса, при этом он может смешиваться непосредственным образом с потоком 102 газообразного углеводорода прямо перед введением в модуль 150 для риформинга, в этом случае конфигурация теплообменника на Фиг. 1A может быть изменена. Предпочтительно, весь необходимый пар генерируется в пределах процесса из водного потока 108 без отвода пара из процесса или его поступления в процесс. В некоторых вариантах осуществления поток 108 исходной воды вводится в устройство 100 при любом подходящем давлении выше давления потока 180 синтез-газа, выходящего из модуля для риформинга, например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.). В некоторых вариантах осуществления поток 108 исходной воды вводится в устройство 100 при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре. В некоторых вариантах осуществления поток 108 исходной воды вводится в устройство 100 при температуре несколько выше температуры замерзания и ниже температуры кипения, например между 0,1°C и 350°C, между 2,5°C и 250°C, между 5°C и 150°C, между 10°C и 125°C, между 15°C и 100°C, между 15°C и 75°C, между 15°C и 50°C, между 15°C и 40°C, между 15°C и 35°C, между 20°C и 30°C или между 20°C и 25°C. Поток 108 исходной воды может быть предварительно нагрет в теплообменнике 109, который может быть отделен от теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа или может быть его частью. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 109 объединен с теплообменником 110 для регенерации тепла синтез-газа в единственном PCHE.
Потоки одного или нескольких исходных реагентов, например от 2 до 10, от 3 до 9 или от 4 до 6 потоков исходных реагентов или 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 потоков исходных реагентов, могут быть предварительно нагреты в одном или нескольких теплообменниках 110 для регенерации тепла синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один поток исходного воздуха, такой как поток 106 исходного воздуха или поток 107 исходного воздуха предварительно нагревается теплообменнике 110. В других вариантах осуществления и как показано, теплообменник 110 может быть мультипоточным теплообменником, в котором предварительно нагревается более одного исходного реагента.
В некоторых вариантах осуществления, включающих вариант осуществления, показанный на Фиг. 1A, поток 104 исходного топлива опционально может быть разделен делителем 113 потока топлива на поток 105 исходного топлива и поток 112 топлива для дымовых газов перед введением в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа. Оба потока 105 и 112 могут затем быть нагреты в теплообменнике 110 для регенерации тепла синтез-газа. В качестве варианта, поток 104 исходного топлива может быть разделен после выпуска из теплообменника 110, однако предпочтительно перед объединением с потоком 114 воздуха для сжигания. Поток 104 исходного топлива может быть разделен при применении любого подходящего средства для разделения потока, либо перед, либо после теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, например, T- или Y-образного трубного соединения, и может быть разделен, чтобы отводить достаточно топлива из потока 104 исходного топлива посредством потока 112 топлива для дымовых газов, используемого для сжигания в присутствии потока 160 дымовых газов, чтобы предоставить дополнительное тепло потоку 108 исходной воды. Делитель 113 потока топлива может быть патрубком или любым другим подходящим узлом для разделения потока, может включать клапан 113a, как это показано, или другой подходящий разделительный узел для контроля протекания топлива, может разделять и контролировать протекание при применении пассивного средства, которое поддерживает желательное соотношение топливо/воздух в нисходящем потоке для подачи в подогреватель 120 топлива, подогреватель 122 воздуха и подогреватель 175 дымовых газов в широком интервале величин потока. Такое пассивное средство может включать контроль геометрии пути протекания на основании перепадов давления и желательного интервала числа Рейнольдса в соответствующем пути для протекания текучей среды.
Подобным образом, в некоторых вариантах осуществления, включая вариант осуществления, показанный на Фиг. 1A, поток 106 исходного воздуха может быть разделен на поток 107 исходного воздуха и поток 114 воздуха для сжигания перед введением в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа посредством делителя 115 потока воздуха. Оба потока 107 и 114 могут затем быть нагреты в теплообменнике 110 для регенерации тепла синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 110 сконфигурирован таким образом, что поток 114 воздуха для сжигания объединяется с потоком 105 исходного топлива в теплообменнике 110, чтобы образовать поток топливно-воздушной смеси 118 перед выпуском из теплообменника. В качестве варианта, поток 106 исходного воздуха может быть разделен после выпуска из теплообменника 110. Делитель 115 потока воздуха может быть любым подходящим средством разделения потока 106 исходного воздуха перед или после теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, таким как T- или Y-образное трубное соединение, если поток 114 воздуха для сжигания соединяется с потоком 105 исходного топлива перед делителем 116 потока топливно-воздушной смеси. Делитель 115 потока воздуха отводит достаточное количество воздуха из потока 106 исходного воздуха посредством потока 114 воздуха для сжигания в поток 105 исходного топлива, предпочтительно перед делителем 116 потока топливно-воздушной смеси, чтобы образовать поток топливно-воздушной смеси 118 с достаточным количеством воздуха для частичного сгорания топлива из потока 105 исходного топлива в подогревателе 120 топлива. Делитель 115 потока воздуха может быть патрубком или любым другим подходящим узлом для разделения потока, может включать клапан 115a, как это показано, или другой подходящий разделительный и контролирующий узел, или поток воздуха может разделяться и его протекание может контролироваться при применении пассивного средства, которое поддерживает желательное соотношение топливо/воздух в нисходящем потоке для подачи в подогреватель 120 топлива и подогреватель 122 воздуха в широком интервале величин потока. Такое пассивное средство может включать контроль геометрии пути протекания на основании перепадов давления и желательного интервала числа Рейнольдса в соответствующем пути для протекания текучей среды.
Теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа может быть любым подходящим теплообменником и может обеспечивать обмен теплом между входящими горячими и холодными потоками при применении прямоточного, противоточного или перекрестноточного теплообмена. Предпочтительно, теплообменник для регенерации тепла синтез-газа является PCHE, и теплообмен выполняется в противоточном режиме или в приближении к противоточному режиму при использовании поперечного теплообмена между многопроходными потоками при общем противоточном направлении. В некоторых вариантах осуществления теплообменник для регенерации тепла синтез-газа регенерирует тепло из потока синтез-газа перед его выпуском из устройства 100 для риформинга и направлением для дальнейшей обработки, например, в устройстве для адсорбции при переменном давлении, устройстве мембранного разделения, устройстве для производства метанола или в устройстве для производства аммиака. Теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа может регенерировать тепло из потока 190 синтез-газа, чтобы предварительно нагреть один или несколько потоков исходного реагента, включая один или несколько потоков газообразного углеводорода, один или несколько потоков топлива, один или несколько потоков воздуха и/или один или несколько водных потоков. Для того, чтобы избежать пыления металла или уменьшить его, поток 190 синтез-газа предпочтительно поступает в теплообменник 110 при температуре, которая ниже температуры пыления металла. Предпочтительно поток 190 синтез-газа оставляет теплообменник 110 при температуре и давлении, подходящих для любой дополнительной последующей обработки.
В некоторых вариантах осуществления теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа может включать PCHE, который изготовлен из последовательности пластин, как показано на Фиг. 2A-C. Пластины могут быть объединены в пакет и соединены диффузией или иным образом одна с другой, чтобы обеспечить теплообмен между входящими холодными и горячими потоками. Обычно пути для протекания текучей среды для каждого из потоков могут быть образованы в пластинах травлением, фрезерованием или другим подходящим методом и могут быть сконфигурированы, чтобы обеспечить желательный теплообмен при ограничении перепада давления для одного или нескольких потоков через теплообменник. Предпочтительно, входящий поток 190 синтез-газа находится при температуре ниже температуры пыления металла, посредством чего обеспечивается устранение образования условий пыления металла внутри теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа.
При ссылке на Фиг. 2A-C, в некоторых вариантах осуществления теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа может включать одну или несколько соединительных пластин 210, одну или несколько пластин 230 для синтез-газа и одну или несколько пластин 260 для исходного реагента. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2A-C, пластины при соединении с подходящими оконечными пластинами (не показаны), когда они пакетизированы надлежащим образом с образованием теплообменника, будут образовывать теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, который включает теплообменник 109. Каждая из пластин может быть изготовлена из материалов, подходящих для целей и условий, присутствующих в теплообменнике 110. Примеры подходящих материалов для изготовления пластин 210, 230 и 260 включают нержавеющую сталь 316 и нержавеющую сталь 304, и пластины могут независимым образом иметь толщины, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждая из пластин может иметь толщину 1,6 мм.
Фиг. 2A показывает соединительную пластину 210, имеющую путь 211 для протекания синтез-газа, содержащий по меньшей мере один проточный канал 212, соединяющий впускные отверстия 213 для синтез-газа с выпускными отверстиями 214 для синтез-газа. Соединительные пластины 210 обеспечивают то, что все пластины 260 для исходного реагента имеют пластины для горячего потока на обеих сторонах, либо соединительную пластину 210, либо пластину 230 для синтез-газа, и способствуют балансу тепловой нагрузки и потока тепла на протяжении высоты пакета. Соединительная пластина 210 может иметь один или несколько независимых проточных каналов 212, которые вместе со смежными кромками могут иметь такой размер, чтобы обеспечивать надежное удержание давления и рентабельную комбинацию способности к передаче тепла и перепада давления. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 212 может иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 212 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,95 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки примерно 0,4 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 212, следует понимать, что путь 211 для протекания синтез-газа может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 2A показывает путь 211 для протекания синтез-газа как многопроходной путь для протекания, путь 211 для протекания может также содержать прямой противоточный, прямоточный, перекрестный или однопроходной путь для протекания, содержащий несколько независимых каналов. В некоторых вариантах осуществления путь 211 для протекания синтез-газа может включать более одного прохода, например от 2 до 100 проходов, от 5 до 75 проходов, от 10 до 60 проходов, от 15 до 50 проходов или от 20 до 40 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 211 для протекания синтез-газа содержит многопетлевой путь для протекания, имеющий 5 проходов или больше, 10 проходов или больше, 15 проходов или больше, 20 проходов или больше, 25 проходов или больше или 30 проходов или больше, при этом проходы находятся в перекрестном режиме во время теплообмена, и синтез-газ протекает в основном в противоточном направлении по отношению к потокам на пластине 260 для исходного реагента.
Соединительная пластина 210 также включает проемы 215 и 216 для потока исходного воздуха, проем 217 для потока воздуха для сжигания, проем 218 для потока исходного топлива, проем 227 для потока топливно-воздушной смеси, проемы 219 и 220 для потока топлива для дымовых газов, проемы 221 и 222 для потока исходного газообразного углеводорода, проемы 223 и 224 для потока синтез-газа и проемы 225 и 226 для водного потока.
При ссылке на Фиг. 2B пластина 230 для синтез-газа включает впускные отверстия 231 для синтез-газа, выпускные отверстия 232 для синтез-газа и путь 233 для протекания синтез-газа. Путь 233 для протекания синтез-газа может содержать один или несколько каналов 234 для независимого протекания синтез-газа. Каналы 234 и прилегающие кромки могут иметь такой размер, чтобы обеспечивать надежное удержание давления и рентабельную комбинацию способности к передаче тепла и перепада давления. В некоторых вариантах осуществления каждый из каналов 234 для независимого протекания синтез-газа может иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 234 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,95 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки 0,4 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 234, следует понимать, что путь 233 для протекания синтез-газа может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 2B показывает путь 233 для протекания синтез-газа как многопроходной путь для протекания, путь 233 для протекания может также содержать прямой противоточный, прямоточный, перекрестный или однопроходной путь для протекания, содержащий несколько независимых каналов. В некоторых вариантах осуществления путь 233 для протекания синтез-газа может включать более одного прохода, например от 2 до 100 проходов, от 5 до 75 проходов, от 10 до 60 проходов, от 15 до 50 проходов или от 20 до 40 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 233 для протекания синтез-газа включает противоток, который может быть аппроксимирован как многопроходной путь для протекания текучей среды, имеющий 5 проходов или больше, 10 проходов или больше, 15 проходов или больше, 20 проходов или больше, 25 проходов или больше или 30 проходов или больше, в котором проходы находятся в перекрестном токе при теплообмене, однако потоки синтез-газа находятся в основном в перекрестном токе или противотоке по отношению к потокам воздуха, топлива и газообразного углеводорода, протекающим на пластине 260 для исходного реагента.
Пластина 230 для синтез-газа также включает проемы 235 и 236 для потока исходного воздуха, проем 237 для потока воздуха для сжигания, проем 238 для потока исходного топлива, проем 247 для потока топливно-воздушной смеси, проемы 239 и 240 для потока топлива для дымовых газов, проемы 241 и 242 для потока исходного газообразного углеводорода, проемы 243 и 244 для потока синтез-газа и проемы 245 и 246 для водного потока.
При ссылке на Фиг. 2C, пластина 260 для исходного реагента имеет путь 261 для протекания водного потока, который соединяет впускные отверстия 262 для водного потока и выпускные отверстия 263 для водного потока, как показано в нижней левой части пластины 260 для исходного реагента. Путь 261 для протекания водного потока может включать один или несколько независимых проточных каналов 264. Эта часть пластины 260 для исходного реагента при формировании теплообменника соответствует потокам для протекания воды для теплообменника 109, как указано на Фиг. 1A. Проточные каналы 264 и прилегающие кромки могут иметь такой размер, чтобы обеспечивать надежное удержание давления и рентабельную комбинацию способности к передаче тепла и перепада давления. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 264 может иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 264 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,90 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки примерно 0,4 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 264, следует понимать, что путь 261 для протекания потока воды может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 2C показывает путь 261 для протекания потока воды как многопроходной путь для протекания, путь 261 для протекания может также содержать прямой противоточный, прямоточный, перекрестный или однопроходной путь для протекания, содержащий несколько независимых каналов. В некоторых вариантах осуществления путь 261 для протекания потока воды может включать более одного прохода, например от 2 до 100 проходов, от 5 до 75 проходов, от 10 до 60 проходов, от 15 до 50 проходов или от 20 до 40 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 261 для протекания потока воды содержит многопроходный путь для протекания, имеющий 5 проходов или больше, 10 проходов или больше, 15 проходов или больше, 20 проходов или больше, 25 проходов или больше или 30 проходов или больше, при этом проходы находятся в перекрестном режиме во время теплообмена, однако поток протекает в целом в противоточном направлении по отношению к протеканию потока синтез-газа.
Пластина 260 для исходного реагента также включает путь 265 для протекания исходного воздуха впускным отверстием 266 для воздуха и впускным отверстием 267 для воздуха, путь 268 для протекания исходного воздуха для сжигания с впускным отверстием 269 для исходного воздуха для сжигания, путь 270 для протекания исходного топлива с впускным отверстием 271 для исходного топлива и выпускным отверстием 272 для топливно-воздушной смеси, путь 273 для протекания топлива для дымовых газов с впускным отверстием 274 для топлива для дымовых газов и выпускным отверстием 275 для топлива для дымовых газов и путь 276 для протекания газообразного углеводорода канал с впускным отверстием 277 для газообразного углеводорода и выпускным отверстием 278 для газообразного углеводорода. Каждый из путей 265, 268, 270, 273 и 276 протекания текучей среды может включать один или несколько независимых проточных каналов 279, 280, 281, 282 и 283 соответственно. Как правило, каждый независимый проточный канал 279, 280, 281, 282 и 283 и прилегающие кромки могут иметь такой размер, чтобы обеспечивать надежное удержание давления и рентабельную комбинацию способности к передаче тепла и перепада давления. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 279, 280, 281, 282 и 283 может независимым образом иметь в основном полукруглое поперечное сечение и каждый из них может независимым образом иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 279, 280, 281, 282 и 283 могут иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,90 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки примерно 0,4 мм. В некоторых вариантах осуществления участки впускных и выпускных отверстий независимых проточных каналов 283 могут иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,75 мм, глубиной примерно 1,00 мм и кромки 0,5 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 279, 280, 281, 282 и 283, следует понимать, что пути 265, 268, 270, 273 и 276 для протекания текучей среды могут независимым образом содержать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 2C показывает пути 265, 268, 270, 273 и 276 протекания текучей среды как прямые перекрестные или однопроходные пути протекания текучей среды, в некоторых вариантах осуществления пути 265, 268, 270, 273 и 276 протекания текучей среды могут независимым образом содержать более одного прохода, например от 2 до 20 проходов, от 2 до 10 проходов или от 2 до 5 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, каждый из путей 265, 268, 270, 273 и 276 протекания текучей среды содержит прямой или однопроходной перекрестный путь для протекания потока. На Фиг. 2C, путь 268 для протекания воздуха для сжигания сконфигурирован, чтобы обеспечивать смешивание потока 114 воздуха для сжигания по Фиг. 1A с потоком 105 исходного топлива внутри теплообменника 110 посредством подачи воздуха, протекающего через путь 268, и топлива, протекающего в пути 270, в одно и то же выпускное отверстие, выпускное отверстие 272 для топливно-воздушной смеси. При конфигурировании таким образом отсутствует отдельное объединение этих потоков с выпускной стороны теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, как это изображено на Фиг. 1A.
Пластина 260 для исходного реагента также включает проемы 285 и 286 для потока исходного воздуха, проем 287 для потока воздуха для сжигания, проем 288 для потока исходного топлива, проем 289 для потока топливно-воздушной смеси, проемы 290 и 291 для потока топлива для дымовых газов, проемы 292 и 293 для потока исходного газообразного углеводорода, проемы 294 и 295 для потока синтез-газа и проемы 296 и 297 для водного потока.
В некоторых вариантах осуществления пластины, используемые чтобы образовать варианты осуществления теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, могут быть пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом в любом подходящем порядке, чтобы образовать теплообменник. В некоторых вариантах осуществления пластины могут быть пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иначе по порядку следующим образом: по меньшей мере одна 1 оконечная пластина (не показана), 1 соединительная пластина 210, несколько теплообменных секций, каждая теплообменная секция содержит пластину 260 для исходного реагента, затем следует пластина 230 для синтез-газа, 1 дополнительная пластина 260 для исходного реагента, 1 соединительная пластина 210 и по меньшей мере 1 оконечная пластина (не показана). Соответственно, в некоторых вариантах осуществления порядок теплообменных пластин в виде печатной платы в данном пакете может иметь следующий вид (оконечная пластина=«E», соединительная пластина 210=«B», пластина 260 для исходного реагента=«R», пластина 230 для синтез-газа=«S»): E B R S R S R S . . . R S R B E. Оконечные пластины могут быть сплошными пластинами без путей для протекания текучей среды и могут быть изолированными, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. Оконечные пластины могут служить в качестве крышек для камер и путей доступа потоков, образованных совмещением проемов, и обеспечивать поддержку соединения соответствующих потоков в теплообменник 110, например, через отверстия или коллекторы, соединенных с возможностью протекания текучей среды с камерами и путями протекания текучей среды. Соответственно, оконечные пластины должны быть достаточно толстыми, чтобы соответствовать давлению в каждом проеме, и чтобы поддерживать отверстия или коллекторы. В некоторых вариантах осуществления единственная оконечная пластина используется для каждого конца теплообменника 164, при этом оконечная пластина толще других пластин. В других вариантах осуществления несколько оконечных пластин может быть использовано на каждом конце, чтобы обеспечить достаточную толщину для поддержки или предоставления коллекторов или отверстий.
3
В некоторых вариантах осуществления теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа содержит от 5 до 30 теплообменных секций, например от 7 до 25, от 8 до 20, от 9 до 17 или от 10 до 15 теплообменных секций, каждая теплообменная секция содержит пластину 260 для исходного реагента и пластину 230 для синтез-газа. В предпочтительных вариантах осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа содержит по меньшей мере 14 теплообменных секций. В одном из предпочтительных вариантов осуществления теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа содержит 2 соединительные пластины 210, 14 теплообменных секций, дополнительную пластину 260 для исходного реагента и 5 оконечных пластин и содержит пластины, каждая из которых имеет толщину 1,65 мм, образующие пакет высотой 57,75 мм. Число пластин и теплообменных секций может быть изменено в соответствии с потребностями производства, эффективностью теплообмена, числом исходных потоков и другими параметрами.
Когда разные пластины пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом, чтобы образовать теплообменник, различные соответствующие проемы на каждой из пластин предпочтительно совмещены, чтобы образовать пути доступа потоков или камеры для разных исходных реагентов. В некоторых вариантах осуществления проемы 215, 235 и 285 и 216, 236 и 286 для потока исходного воздуха совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 107 исходного воздуха может быть подан к пластинам 260 для исходного реагента теплообменника и может быть выпущен из них, соответственно. В некоторых вариантах осуществления проемы 217, 237 и 287 для потока воздуха для сжигания совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 114 воздуха для сжигания может быть подан к пластинам 260 для исходного реагента теплообменника. В некоторых вариантах осуществления проемы 218, 238 и 288 для потока исходного воздуха совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 105 исходного топлива может быть подан к пластинам 260 для исходного реагента теплообменника. В некоторых вариантах осуществления проемы 227, 247 и 289 для потока топливно-воздушной смеси совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 107 исходного топлива в комбинации с потоком 114 воздуха для сжигания может выпускаться из пластин 260 для исходного реагента теплообменника. В некоторых вариантах осуществления проемы 219, 239 и 290 и 220, 240 и 291 для потока топлива для дымовых газов совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 112 топлива для дымовых газов может быть подан к пластинам 260 для исходного реагента теплообменника и может быть выпущен из них, соответственно. В некоторых вариантах осуществления проемы 221, 241 и 292 и 222, 242 и 293 для потока исходного газообразного углеводорода совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 102 газообразного углеводорода может быть подан к пластинам 260 для исходного реагента теплообменника и может быть выпущен из них, соответственно. В некоторых вариантах осуществления проемы 213, 231 и 294 и 224, 244 и 295 для потока синтез-газа совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 190 синтез-газа может быть подан к пластинам 230 для синтез-газа и соединительным пластинам 210 теплообменника и может быть выпущен из них, соответственно. В некоторых вариантах осуществления проемы 225, 245 и 277 и 226, 246 и 296 для потока исходной воды совмещены, чтобы образовать пути доступа потока или камеры, через которые поток 108 исходной воды может быть подан к пластинам 260 для исходного реагента теплообменника и может быть выпущен из них, соответственно.
В дополнение к совмещению различных проемов пакетирование пластин предпочтительно образует независимые каналы, составляющие пути 265, 268, 270, 273 и 276 протекания текучей среды, поблизости от независимых каналов, составляющих пути 211 и/или 233 протекания текучей среды, чтобы способствовать переносу тепла между соответствующими потоками через стенки соответствующих независимых каналов.
При функционировании поток 102 газообразного углеводорода может вводиться в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа в основном при давлении и температуре, при которых он вводится в устройство 100 для риформинга и может выводиться из теплообменника 110 при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.) и при температуре между 200°C и 375°C, например между 225°C и 375°C, между 250°C и 370°C, между 275°C и 365°C, между 300°C и 360°C или между 325°C и 355°C. Предпочтительно, температура потока 102, оставляющего теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, находится в пределах 100°C от температуры потока 190 синтез-газа, например 90°C, 80°C, 70°C, 60°C, 50°C, 40°C, 30°C или в пределах 20°C от температуры потока 190 синтез-газа. Предпочтительно перепад давления для потока 102 газообразного углеводорода через теплообменник 110 составляет меньше 0,50 бар абс. давл. (50 кПа абс. давл.), например меньше 0,40 бар абс. давл. (40 кПа абс. давл.), меньше 0,30 бар абс. давл. (30 кПа абс. давл.), меньше 0,20 бар абс. давл. (20 кПа абс. давл.) или меньше 0,10 бар абс. давл. (10 кПа абс. давл.).
В некоторых вариантах осуществления поток 105 исходного топлива может вводиться в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа при давлении меньше 10 бар изб. давл. ( МПа изб. давл.), например меньше 8 бар изб. давл. (800 кПа изб. давл.), меньше 5 бар изб. давл. (500 кПа изб. давл.), меньше 2,5 бар изб. давл. (250 кПа изб. давл.), меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,5 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,4 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,3 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,2 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.). В некоторых вариантах осуществления поток 105 исходного топлива вводится в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре. В некоторых вариантах осуществления поток 105 исходного топлива вводится в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа при температуре между -40°C и 350°C, например между -30°C и 300°C, между -20°C и 250°C, между -10°C и 200°C, между -5°C и 150°C, между 0°C и 100°C, между 0°C и 50°C, между 5°C и 40°C, между 10°C и 35°C, между 15°C и 30°C или между 20°C и 25°C. В некоторых вариантах осуществления поток 105 исходного топлива может выводиться из теплообменника 110 при давлении меньше 10 бар изб. давл. (1 МПа изб. давл.), например меньше 8 бар изб. давл. (800 кПа изб. давл.), меньше 5 бар изб. давл. (500 кПа изб. давл.), меньше 2.5 бар изб. давл. (250 кПа изб. давл.), меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,5 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,4 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,3 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,2 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) и при температуре между 200°C и 375°C, например между 225°C и 375°C, между 250°C и 370°C, между 275°C и 365°C, между 300°C и 360°C или между 325°C и 355°C. Предпочтительно, температура потока 105, оставляющего теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, находится в пределах 100°C от температуры потока 190 синтез-газа, например 90°C, 80°C, 70°C, 60°C, 50°C, 40°C, 30°C или в пределах 20°C от температуры потока 190 синтез-газа. Предпочтительно перепад давления для потока 105 исходного топлива через теплообменник 110 составляет менее 0,10 бар (10 кПа), например менее 0,09 бар (9 кПа), менее 0,07 бар (7 кПа), менее 0,06 бар (6 кПа) или менее 0,05 бар (5 кПа).
Поток 112 топлива для дымовых газов может вводиться в теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа при давлении меньше 10 бар изб. давл. (1 МПа изб. давл.), например меньше 8 бар изб. давл. (800 кПа изб. давл.), меньше 5 бар изб. давл. (500 кПа изб. давл.), меньше 2.5 бар изб. давл. (250 кПа изб. давл.), меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,5 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,4 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,3 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,2 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) и при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре или же, например, при температуре между -40°C и 350°C, например между -30°C и 300°C, между -20°C и 250°C, между -10°C и 200°C, между -5°C и 150°C, между 0°C и 100°C, между 0°C и 50°C, между 5°C и 40°C, между 10°C и 35°C, между 15°C и 30°C или между 20°C и 25°C. В некоторых вариантах осуществления поток 112 топлива для дымовых газов может выводиться из теплообменника 110 при давлении меньше 10 бар изб. давл. (1 МПа изб. давл.), например меньше 8 бар изб. давл. (800 кПа изб. давл.), меньше 5 бар изб. давл. (500 кПа изб. давл.), меньше 2.5 бар изб. давл. (250 кПа изб. давл.), меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,5 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,4 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,3 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,2 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) и при температуре между 200°C и 375°C, например между 225°C и 375°C, между 250°C и 370°C, между 275°C и 365°C, между 300°C и 360°C или между 325°C и 355°C. Предпочтительно, температура потока 112, оставляющего теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, находится в пределах 100°C от температуры потока 190 синтез-газа, например 90°C, 80°C, 70°C, 60°C, 50°C, 40°C, 30°C или в пределах 20°C от температуры потока 190 синтез-газа. Предпочтительно перепад давления для потока 112 топлива для дымовых газов через теплообменник 110 составляет менее 0,10 бар (10 кПа), например менее 0,09 бар (9 кПа), менее 0,07 бар (7 кПа), менее 0,06 бар (6 кПа) или менее 0,05 бар (5 кПа).
Поток 114 воздуха для сжигания может вводиться в теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) и при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре или же, например, при температуре между -40°C и 350°C, например между -30°C и 300°C, между -20°C и 250°C, между -10°C и 200°C, между -5°C и 150°C, между 0°C и 100°C, между 0°C и 50°C, между 5°C и 40°C, между 10°C и 35°C, между 15°C и 30°C или между 20°C и 25°C. В некоторых вариантах осуществления поток 114 воздуха для сжигания может выводиться из теплообменника 110 при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) и при температуре между 200°C и 375°C, например между 225°C и 375°C, между 250°C и 370°C, между 275°C и 365°C, между 300°C и 360°C или между 325°C и 355°C. Предпочтительно, температура потока 114, оставляющего теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, находится в пределах 100°C от температуры потока 190 синтез-газа, например 90°C, 80°C, 70°C, 60°C, 50°C, 40°C, 30°C или в пределах 20°C от температуры потока 190 синтез-газа. Предпочтительно перепад давления для потока 114 воздуха для сжигания через теплообменник 110 составляет менее 0,10 бар (10 кПа), например менее 0,09 бар (9 кПа), менее 0,07 бар (7 кПа), менее 0,06 бар (6 кПа) или менее 0,05 бар (5 кПа).
Поток 107 исходного воздуха может вводиться в теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) и при любой подходящей температуре, например при температуре подачи или при комнатной температуре или же, например, при температуре между -40 °C и 350 °C, например между -30°C и 300°C, между -20°C и 250°C, между -10°C и 200°C, между -5°C и 150°C, между 0°C и 100°C, между 0°C и 50°C, между 5°C и 40°C, между 10°C и 35°C, между 15°C и 30°C или между 20°C и 25°C. В некоторых вариантах осуществления поток 107 исходного воздуха может выводиться из теплообменника 110 при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) и при температуре между 200°C и 375°C, например между 225°C и 375°C, между 250°C и 370°C, между 275°C и 365°C, между 300°C и 360°C или между 325°C и 355°C. Предпочтительно, температура потока 107, оставляющего теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, находится в пределах 100°C от температуры потока 190 синтез-газа, например 90°C, 80°C, 70°C, 60°C, 50°C, 40°C, 30°C или в пределах 20°C от температуры потока 190 синтез-газа. Предпочтительно перепад давления для потока 107 исходного воздуха через теплообменник 110 составляет менее 0,10 бар (10 кПа), например менее 0,09 бар (9 кПа), менее 0,07 бар (7 кПа), менее 0,06 бар (6 кПа) или менее 0,05 бар (5 кПа).
Поток 190 синтез-газа может вводиться в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа при температуре между 200°C и 450°C, например между 300°C и 420°C, между 325°C и 400°C, между 350°C и 400°C, между 375°C и 400°C, между 385°C и 400°C или между 385 °C и 395 °C и при давлении ниже давления потока 180 синтез-газа, оставляющего модуль 150 для риформинга, например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.) и может выводиться из теплообменника 110 при температуре между 75°C и 200°C, между 100°C и 180°C, между 125°C и 170°C или между 130°C и 150°C и при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,0 бар абс. давл. (1,4 МПа абс. давл.). Предпочтительно, перепад давления для потока синтез-газа 114 через теплообменник 110 составляет меньше 0,50 бар (50 кПа), например меньше 0,40 бар (40 кПа), меньше 0,30 бар (30 кПа), меньше 0,20 бар (20 кПа) или меньше 10 бар (1 МПа).
Поток 191 синтез-газа, оставляющий теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, может направляться в теплообменник 109, в котором он может обмениваться теплом с водным потоком 108. Предпочтительно, теплообменник 109 объединен с теплообменником 110 в единый PCHE. Поток синтез-газа может вводиться в теплообменник 109 (либо как часть теплообменника 109, либо отдельно) при температуре и давлении, при которых он оставляет теплообменник 110 и может выводиться из теплообменника 109 при температуре между 75°C и 200°C, между 100°C и 180°C, между 125°C и 170°C или между 130°C и 150°C и при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.). Предпочтительно, водный поток 108 оставляет теплообменник 109 в пределах 20°C от температуры потока 191 синтез-газа на входе.
Водный поток 108 может вводиться в теплообменник 109 (либо как часть теплообменника 109, либо отдельно) по существу при тех же температуре и давлении, при которых он вводится в устройство 100, и может выводиться из теплообменника 109 при температуре между 95°C и 200°C, например между 110°C и 190°C, между 115°C и 180°C, между 120°C и 170°C или между 130°C и 150°C и при давлении, равном или выше давления потока 180, оставляющего модуль 150 для риформинга, например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.).
Поток 114 воздуха для сжигания может быть объединен с потоком 105 исходного топлива внутри теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа или после выпуска из теплообменника 110, как показано на Фиг. 1A, чтобы образовать поток 118 топливно-воздушной смеси, и поток 118 топливно-воздушной смеси может быть разделен делителем 116 потока топливно-воздушной смеси на топливную подогретую смесь 119 и воздушную подогретую смесь 117. Делитель 116 потока топливно-воздушной смеси может быть патрубком или любым другим подходящим узлом для разделения потока, может включать клапан или другой подходящий разделительный узел для контроля потока, или поток топливно-воздушной смеси может разделяться и его протекание может контролироваться при применении пассивного средства, которое поддерживает желательное соотношение топливо/воздух в нисходящем потоке для подачи в подогреватель 120 топлива и подогреватель 122 воздуха в широком интервале величин потока.
В качестве альтернативы, в некоторых вариантах осуществления детали конфигурации потоков топлива и воздуха, подаваемых в теплообменник для регенерации тепла синтез-газа, оставляющих его и направляемых в подогреватели, могут быть такими, как показано на Фиг. 1B. Фиг. 1B показывает поток 105 исходного топлива, поток 114 воздуха для сжигания и поток 107 исходного воздуха, поступающие в часть теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа. На Фиг. 1B поток 114 воздуха для сжигания не объединяется с потоком 105 исходного топлива перед введением в подогреватель 120 топлива и вместо этого объединяется с предварительно нагретым потоком 119a топлива, которое не является топливно-воздушной смесью в этом варианте осуществления, в подогревателе 120. В таком случае поток 105 исходного топлива может быть разделен на поток 117a топлива для подогрева воздуха и поток 119a для подогрева топлива, при этом ни один из потоков не включает воздух из потока 114 воздуха для сжигания, и поток топлива 117a может быть подан в качестве потока чистого топлива в подогреватель 122 воздуха. В таком случае детали гидродинамической сетки сопротивлений и балансов давления на Фиг. 15 будут незначительно отличаться. В некоторых вариантах осуществления, таких как варианты осуществления, в которых содержание водорода и монооксида углерода в потоках топлива достаточно для каталитического сгорания, подогреватели 120 и 122 могут быть сконфигурированы, чтобы смешивать входящие потоки воздуха и чистого топлива перед прохождением смешанного потока в катализаторные ячейки или камеры для каталитического сгорания. В качестве варианта, подогреватели 120 и 122 могут быть сконфигурированы с применением источника зажигания для запуска, таким как искровой источник или нагревательный элемент, чтобы обеспечить некаталитическое (гомогенное) сгорание всего потока топлива или по меньшей мере его части. В этих случаях требуется, чтобы по меньшей мере часть некаталитического сгорания происходило в диффузионном пламени, в то время как некоторое некаталитическое сгорание может происходить в пламени предварительно перемешанной смеси. Подогреватели могут также быть сконфигурированы как для некаталитического сгорания, так и для каталитического сгорания потока топлива.
При ссылке на Фиг. 1A, топливная подогретая смесь 119 может быть частично каталитически сожжена в подогревателе 120 топлива, чтобы предоставить тепло топливному потоку 124 для риформинга. Подогреватель 120 топлива может быть любой подходящей камерой каталитического сгорания, в которой частично каталитически сжигается топливо в топливной подогретой смеси 119 и которая может включать отдельный каталитический реактор с размещенным в нем структурированным или неструктурированным катализатором или может включать модифицированную секцию трубы, в которой размещен структурированный или неструктурированный катализатор. В некоторых вариантах осуществления топливо в топливной подогретой смеси 119 является лишь частично каталитически сжигаемым, поскольку количество воздуха в топливной подогретой смеси 119 является преднамеренно недостаточным для полного сгорания топлива. В предпочтительных вариантах осуществления, в которых топливная подогретая смесь 119 вводится в подогреватель 120 топлива при температуре ниже температуры пыления металла, а поток 124 топлива для узла риформинга находится при температуре выше температуры пыления металла, в подогревателе 120 топлива могут возникнуть условия пыления металла, и поэтому подогреватель 120 топлива предпочтительно изготовлен из металла, устойчивого к пылению, или из металла, который имеет покрытие, устойчивое к пылению металла, и/или сконфигурирован с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены.
Предпочтительно топливная подогретая смесь 119 находится при температуре ниже условий пыления металла, например при температуре ниже 400°C, например ниже 375°C, ниже 360°C, ниже 350°C, ниже 325°C или ниже 300°C. Предпочтительно, давление топливной подогретой смеси 119 составляет меньше 10 бар изб. давл. (1 МПа изб. давл.), например меньше 8 бар изб. давл. (800 кПа изб. давл.), меньше 5 бар изб. давл. (500 кПа изб. давл.), меньше 2,5 бар изб. давл. (250 кПа изб. давл.), меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,5 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,4 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,3 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,2 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.). Предпочтительно, количества воздуха в топливной подогретой смеси 119 как раз достаточно, в случае его полного расходования избыточным топливом, чтобы обеспечить необходимую для узла риформинга температуру топлива, при отсутствии необходимости в дополнительном контроле реактора.
Предпочтительно поток 124 топлива в узел риформинга находится при температуре выше условий пыления металла, например при температуре выше 775°C, выше 780°C, выше 785°C, выше 790°C, выше 795°C, выше 800°C, выше 805°C, выше 810°C или выше 815°C. Предпочтительно, давление потока 124 топлива в узел риформинга составляет меньше 10 бар изб. давл. (1 МПа изб. давл.), например меньше 8 бар изб. давл. (800 кПа изб. давл.), меньше 5 бар изб. давл. (500 кПа изб. давл.), меньше 2,5 бар изб. давл. (250 кПа изб. давл.), меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,5 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,4 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,3 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,2 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.) или меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) или же меньше 0,05 бар изб. давл. (5 кПа изб. давл.).
Предварительно нагретая воздушная смесь 117 может быть сожжена в подогревателе 122 воздуха в присутствии потока 107 исходного воздуха, чтобы образовать поток 126 воздуха для риформинга. Подогреватель 122 воздуха может быть любой подходящей камерой каталитического сгорания, в которой каталитически сжигается топливо в воздушной подогретой смеси 117 и которая может включать отдельный каталитический реактор с размещенным в нем структурированным или неструктурированным катализатором или может включать модифицированную секцию трубы, в которой размещен структурированный или неструктурированный катализатор. В отличие от подогревателя 120 топлива топливо в воздушной подогретой смеси 117 полностью или в основном полностью каталитически сжигается, поскольку количество воздуха в подогревателе 122 воздуха не ограничивается с целью сохранения топлива для дополнительного сгорания в нисходящем потоке. В предпочтительных вариантах осуществления, в которых воздушная подогретая смесь 117 вводится в подогреватель 122 топлива при температуре ниже температуры пыления металла, а поток 126 воздуха для узла риформинга находится при температуре выше температуры пыления металла, в подогревателе 122 воздуха могут возникнуть условия пыления металла, и поэтому подогреватель 122 воздуха предпочтительно изготовлен из металла, устойчивого к пылению, или из металла, который имеет покрытие, устойчивое к пылению металла, и/или сконфигурирован с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены. Посредством локализации образования условий пыления металла или ограничения компонентов в устройстве 100 для риформинга, которые подвержены образованию условий пыления металла, стоимость устройства и простота применения и ремонта/технического обслуживания могут быть минимизированы.
Как правило, воздушная подогретая смесь 117 находится при температуре ниже условий пыления металла, например при температуре ниже 400°C, например ниже 375°C, ниже 360°C, ниже 350°C, ниже 325°C или ниже 300°C. Предпочтительно давление воздушной подогретой смеси 122 составляет меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.), меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) или меньше 0,05 бар изб. давл. (5 кПа изб. давл.). Предпочтительно, количества топлива в воздушной подогретой смеси 117 как раз достаточно, в случае его полного сжигания в избытке воздуха, чтобы обеспечить необходимую для узла риформинга температуру воздуха, при отсутствии необходимости в дополнительном контроле реактора.
Поток 107 исходного воздуха может вводиться в подогреватель 122 воздуха по существу при тех же температуре и давлении, при которых он оставляет теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, например при температуре ниже условий пыления металла, и может выводиться из подогревателя 122 воздуха в качестве потока 126 воздуха для узла риформинга при температуре выше условий пыления металла, например при температуре выше 800°C, выше 815°C, выше 830°C, выше 840°C, выше 850°C, выше 860°C, выше 875°C, выше 890°C или выше 900°C. Предпочтительно, давление потока 126 воздуха для узла риформинга составляет меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.), меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) или меньше 0,05 бар изб. давл. (5 кПа изб. давл.).
Как показано на Фиг. 1A, после выпуска из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа поток 112 топлива для дымовых газов объединяется с потоком 160 дымовых газов из модуля 150 для риформинга, чтобы образовать поток дымовых газов 162, содержащий топливо. Поток дымовых газов 162, содержащий топливо, сжигается в подогревателе 175 дымовых газов посредством каталитического сгорания компонентов топлива в потоке 162 дымовых газов, содержащем топливо, образуя нагретый поток 163 дымовых газов. В качестве варианта, поток 112 топлива для дымовых газов может быть подан непосредственно в подогреватель 175 дымовых газов, в котором он может смешиваться с потоком 160 дымовых газов и затем сжигаться, чтобы образовать нагретый поток 163 дымовых газов. Нагретый поток 163 дымовых газов может предоставлять дополнительное тепло водному потоку 108 в теплообменнике 164 после того как водный поток 108 выводится из теплообменника 109. Оттуда нагретый поток 163 дымовых газов может быть выпущен в качестве выхлопных дымовых газов или может быть направлен в качестве нисходящего потока для дополнительной обработки.
Подогреватель 175 дымовых газов может быть любой подходящей камерой каталитического сгорания, в которой топливо в потоке 162, содержащем топливо, (или в потоке 112 топлива 112, когда поток 112 топлива направляется непосредственно в подогреватель 175 дымовых газов) каталитически сжигается, чтобы предоставить тепло потоку 162 дымовых газов, содержащем топливо, и может включать отдельный каталитический реактор с размещенным в нем структурированным или неструктурированным катализатором или может включать модифицированную секцию трубы, в которой размещен структурированный или неструктурированный катализатор. Предпочтительно, поток 162 дымовых газов, содержащем топливо вводится в подогреватель 175 дымовых газов при температуре между 200°C и 450°C, например между 225°C и 440°C, между 250 и 425°C, между 275°C и 420°C, между 300°C и 410°C, между 325°C и 400°C или между 350°C и 390°C, и при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.), меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) или меньше 0,05 бар изб. давл. (5 кПа изб. давл.) и выпускается из подогревателя 175 дымовых газов в качестве нагретого потока 163 дымовых газов при температуре между 250°C и 550°C, например между 275°C и 525°C, между 300°C и 500°C, между 350°C и 490°C, между 375°C и 475°C или между 400°C и 450°C, и при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.), меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) или меньше 0,05 бар изб. давл. (5 кПа изб. давл.).
Теплообменник 164 может быть любым подходящим теплообменником для передачи тепла из нагретого потока 163 дымовых газов в водный поток 108. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 164 может быть PCHE. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 164 может включать PCHE, который изготовлен из последовательности пластин, как показано на Фиг. 3A-B. Пластины могут быть объединены в пакет и соединены диффузией или иным образом одна с другой, чтобы образовать теплообменник 164 для обеспечения теплообмена между входящими холодными и горячими потоками. Обычно пути для протекания текучей среды для каждого из потоков могут быть образованы в пластинах травлением, фрезерованием или другим подходящим методом и могут быть сконфигурированы, чтобы обеспечить желательный теплообмен при ограничении перепада давления для одного или нескольких потоков через теплообменник. Предпочтительно, для потоков, входящих в теплообменник 164 и выходящих из него, поддерживаются такие условия температуры, давления и состава, которые позволяют избежать или уменьшить образование условий пыления металла внутри теплообменника.
При ссылке на Фиг. 3A-B, в некоторых вариантах осуществления теплообменник 164 может содержать одну или несколько пластин 320 для исходной воды и одну или несколько пластин 350 для нагретых дымовых газов. Каждая из пластин может быть изготовлена из материалов, подходящих для целей и условий, присутствующих в теплообменнике 164. Примеры подходящих материалов для изготовления пластин 320 и 350 включают нержавеющую сталь 316 и нержавеющую сталь 304. Пластины 320 для исходной воды и пластины 350 для нагретых дымовых газов могут независимым образом иметь толщины, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждая из пластин может иметь толщину 1,6 мм.
Фиг. 3A показывает пластину 350 для протекания нагретых дымовых газов с путем 351 для протекания потока нагретых дымовых газов, который соединяет впускные отверстия 353 для потока нагретых дымовых газов и выпускные отверстия 356 для потока нагретых дымовых газов. Впускные отверстия 353 для нагретых дымовых газов могут разделять поток 163 нагретых дымовых газов и направлять его в несколько независимых проточных каналов 355, образующих путь 351 для протекания потока нагретых дымовых газов. Выпускные отверстия 356 для потока нагретых дымовых газов могут повторно объединять потоки в проточных каналах 355, чтобы повторно образовать поток 163 дымовых газов на выходе из теплообменника 164. Впускные отверстия 353 для потока нагретых дымовых газов и выпускные отверстия 356 для потока нагретых дымовых газов соединены с впускным проемом 358 для потока нагретых дымовых газов и выпускным проемом 357 для потока нагретых дымовых газов, и пластина 350 для протекания нагретых дымовых газов также включает впускной проем 354 для воды и выпускной проем 352 для воды. Проточные каналы 355 и прилегающие кромки могут иметь такой размер, чтобы обеспечивать надежное удержание давления и рентабельную комбинацию способности к передаче тепла и перепада давления. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 355 может иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 355 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,9 мм, глубиной примерно 1,0 мм и кромки примерно 0,4 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 355, следует понимать, что путь 351 для протекания потока воды может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 3A показывает путь 351 для протекания потока нагретых дымовых газов как прямой перекрестный или однопроходной путь протекания текучей среды, в некоторых вариантах осуществления путь 351 для протекания потока нагретых дымовых газов может содержать более одного прохода, например от 2 до 20 проходов, от 2 до 10 проходов или от 2 до 5 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 351 для протекания потока нагретых дымовых газов содержит прямой перекрестный или однопроходной путь для протекания во время теплообмена, и поток протекает в противоточном направлении по отношению к общему протеканию водного потока.
Фиг. 3B показывает пластину 320 для исходной воды, имеющую путь 321 для протекания водного потока, который соединяет впускные отверстия 326 для водного потока и выпускные отверстия 323 для водного потока. Путь 321 для протекания водного потока может включать один или несколько независимых проточных каналов 325. Впускные отверстия 326 для водного потока и выпускные отверстия 323 для водного потока соединены с впускным проемом 324 для воды и выпускным проемом 322 для воды, соответственно, и пластина 320 для исходной воды также включает выпускной проем 327 для потока нагретых дымовых газов и впускной проем 328 для потока нагретых дымовых газов 328. Проточные каналы 325 и прилегающие кромки могут иметь такой размер, чтобы обеспечивать надежное удержание давления и рентабельную комбинацию способности к передаче тепла и перепаду давления. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 325 может иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 325 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,63 мм, глубиной примерно 0,75 мм и кромки примерно 0,4 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 325, следует понимать, что путь 321 для протекания потока воды может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 3B показывает путь 321 для протекания потока воды как многопроходной одноканальный путь для протекания, путь 321 для протекания может также содержать прямой противоточный, прямоточный, перекрестный или однопроходной путь для протекания, содержащий несколько независимых каналов. В некоторых вариантах осуществления путь 321 для протекания потока воды может включать более одного прохода, например от 2 до 100 проходов, от 5 до 75 проходов, от 10 до 60 проходов, от 15 до 50 проходов или от 20 до 40 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 321 для протекания потока воды содержит многопроходный путь для протекания, имеющий 5 проходов или больше, 10 проходов или больше, 15 проходов или больше, 20 проходов или больше, 25 проходов или больше или 30 проходов или больше, при этом проходы находятся в перекрестноточном режиме во время теплообмена, и водный поток протекает в целом в противоточном направлении по отношению к потоку нагретых дымовых газов.
В некоторых вариантах осуществления пластины, используемые чтобы образовать варианты осуществления теплообменника 164, могут быть пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом в любом подходящем порядке, чтобы образовать теплообменник 164. В некоторых вариантах осуществления пластины могут быть пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иначе по порядку следующим образом: по меньшей мере одна 1 оконечная пластина (не показана), несколько теплообменных секций, каждая теплообменная секция содержит пластину 350 для протекания нагретых дымовых газов, затем следует пластина 320 для подачи водного потока, затем следует оконечная пластина 350 для протекания нагретых дымовых газов, и затем по меньшей мере 1 оконечная пластина (не показана). Соответственно, порядок теплообменных пластин в виде печатной платы в данном пакете для теплообменника 164 может иметь следующий вид (оконечная пластина =«E», пластина 350 для дымовых газов 350=«F», пластина 320 для подачи водного потока=«W»): E F W F F W F F W F . . . F W F F W F E). Оконечные пластины могут быть сплошными пластинами без путей для протекания текучей среды и могут быть изолированными, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. Оконечные пластины могут служить крышками для проемов и поддерживать соединение соответствующих потоков с теплообменником 164, например, через отверстия или коллекторы. Соответственно, оконечные пластины должны быть достаточно толстыми, чтобы соответствовать давлению в каждом проеме, и чтобы поддерживать отверстия или коллекторы. В некоторых вариантах осуществления единственная оконечная пластина используется для каждого конца теплообменника 164, при этом оконечная пластина толще других пластин. В других вариантах осуществления несколько оконечных пластин может быть использовано на каждом конце, чтобы обеспечить достаточную толщину для поддержки или предоставления коллекторов или отверстий. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 164 может включать пакет высотой между 50 мм и 70 мм, например высотой 60 мм.
3
В некоторых вариантах осуществления теплообменник 164 содержит от 2 до 30 теплообменных секций, например от 5 до 25, от 7 до 20, от 8 до 17 или от 10 до 15 теплообменных секций, каждая теплообменная секция содержит пластину 350 для протекания нагретых дымовых газов, затем следует пластина 320 для подачи водного потока, затем следует пластина 350 для протекания нагретых дымовых газов. В предпочтительных вариантах осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива теплообменник 164 содержит по меньшей мере 10 теплообменных секций. В одном из предпочтительных вариантов осуществления теплообменник 164 содержит 10 теплообменных секций, каждая теплообменная секция содержит пластину 350 для протекания нагретых дымовых газов, затем следует пластина 320 для подачи водного потока, и содержит дополнительную пластину 350 для протекания нагретых дымовых газов и шесть оконечных пластин для в сумме 30 активных пластин. Число пластин и теплообменных секций может быть изменено в соответствии с потребностями производства, эффективностью теплообмена и другими параметрами.
Когда разные пластины пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом, чтобы образовать теплообменник, впускные проемы 358 для потока нагретых дымовых газов и выпускные проемы 357 для потока нагретых дымовых газов предпочтительно совмещены с впускными проемами 328 для потока нагретых дымовых газов и выпускными проемами 327 для потока нагретых дымовых газов на пластинах 320 для исходной воды, чтобы образовать впускные и выпускные пути доступа потоков или камеры для потока нагретых дымовых газов. Кроме того, впускные проемы 324 и 356 для водного потока и выпускные проемы 322 и 355 для водного потока также предпочтительно совмещены, чтобы образовать впускные и выпускные пути доступа потоков или камеры для водного потока. Пакетирование пластин также предпочтительно размещает пути 321 и 351 протекания текучей среды поблизости один от другого, чтобы способствовать переносу тепла между потоками через стенки независимых каналов 325 и 355.
В некоторых вариантах осуществления водный поток 108 может вводиться в теплообменник 164 по существу при тех же температуре и давлении, при которых он выводится из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, и может выводиться из теплообменника 164 при температуре между 120°C и 210°C, например между 130°C и 205°C, между 150°C и 200°C или между 175°C и 195°C, и при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.). Предпочтительно перепад давления для водного потока 108 через теплообменник 164 составляет меньше 1 бар (100 кПа), например меньше 0,75 бар (75 кПа), меньше 0,60 бар (60 кПа), меньше 0,50 бар (50 кПа), меньше 0,40 бар (40 кПа) или меньше 0,30 бар (30 кПа). Нагретый поток 163 дымовых газов может вводиться в теплообменник 164 по существу при тех же температуре и давлении, при которых он выводится из подогревателя 175 дымовых газов, и может выводиться из теплообменника 164 при температуре между 120°C и 200°C, например между 125°C и 180°C, между 130°C и 160°C или между 140°C и 150°C, и при давлении меньше 0,02 бар изб. давл. (2 кПа изб. давл.), например меньше 0,015 бар изб. давл. (1,5 кПа изб. давл.) или меньше 0,010 бар изб. давл. (1,0 кПа изб. давл.).
После выведения из теплообменника 164 водный поток 108 может вводиться в теплообменник 165 быстрого охлаждения, в котором он может быть дополнительно нагрет, чтобы образовать пар для процесса риформинга. Теплообменник 165 быстрого охлаждения может включать теплообменник 166, погруженный в воду в баке или резервуаре. Теплообменник 165 быстрого охлаждения может быть использован для быстрого охлаждения быстроохлаждаемого потока 170 синтез-газа. Быстроохлаждаемый поток 170 синтез-газа может быть частью потока 180 синтез-газа, выходящего из модуля 150 для риформинга. Поток 180 синтез-газа может быть разделен при применении делителя 184 потока синтез-газа, чтобы образовать быстроохлаждаемый поток 170 синтез-газа и поток 182 синтез-газа. Делитель 184 потока синтез-газа может быть любым подходящим средством разделения потока 180 синтез-газа, таким как T- или Y-образное трубное соединение и может направлять желательное количество потока в каждом направлении, чтобы обеспечить соответствующее производство пара в теплообменнике 165 быстрого охлаждения и соответствующее производство водорода в опциональном реакторе 186 конверсии с водяным паром или требуемые температуру и давление синтез-газа на входе теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа. Предпочтительно, теплообменник 165 быстрого охлаждения и теплообменник 166 сконфигурированы таким образом, чтобы протекание быстроохлаждаемого потока 170 синтез-газа оставалось турбулентным в пределах желательного диапазона изменения производительности, в котором функционирует устройство 100.
Пока теплообменник 166 остается погруженным в воду в теплообменнике 165 быстрого охлаждения, образование условий пыления металла в теплообменнике устраняется, поскольку температура теплообменника никогда не поднимается выше температуры кипения воды, так как температура воды остается по существу постоянной во время фазового перехода. Хотя условий пыления металла избегают в охлаждающем теплообменнике 165, условия пыления металла могут возникнуть в быстроохлаждаемом потоке 170 синтез-газа вблизи теплообменника 165 быстрого охлаждения, и поэтому часть трубопровода для быстроохлаждаемого потока 170 синтез-газа предпочтительно изготавливается из металла, устойчивого к пылению, или из металла, который имеет покрытие, устойчивое к пылению металла, и/или сконфигурирована с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены. В идеальном случае, часть трубопровода для быстроохлаждаемого потока 170 синтез-газа, которая подвергается воздействию условий пыления металла, минимизирована и сконфигурирована таким образом, чтобы свести к минимуму ремонт, техническое обслуживание и замену. В некоторых вариантах осуществления условия пыления металла в потоке 170 предпочтительно ограничены расстоянием в пределах 5 диаметров трубы от входа в теплообменник 165 быстрого охлаждения, и поэтому трубопровод в этой части устройства может быть изготовлен из металла, устойчивого к пылению, или из металла, который имеет покрытие, устойчивое к пылению металла, и/или сконфигурирован с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены. Таким образом, пар может быть образован из горячего синтез-газа для применения в ступенях риформинга, в то время как условия пыления металла локализованы в небольшой части быстроохлаждаемого потока 170 синтез-газа. Теплообменник 165 быстрого охлаждения также содержит выпускное отверстие 167 для пара и отверстие 168 для выпуска воды. Пар, образованный в теплообменнике 165 быстрого охлаждения, может проходить через выпускное отверстие 167 для пара и направляться далее в устройство 100. Сточные воды и растворенные твердотельные вещества могут периодически выпускаться через отверстие 168 для выпуска воды посредством приведения в действие клапана 169, чтобы предотвратить или ограничить накапливание в теплообменнике 165 быстрого охлаждения.
Теплообменник 166 может быть частично или полностью погружен в воду из водного потока 108, после того как он выпускается из теплообменника 164. Теплообменник 166 и тепло, которое он передает из быстроохлаждаемого потока 170 синтез-газа воде, предпочтительно генерируют большую часть пара, используемого в модуле 150 для риформинга. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 166 может быть PCHE. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 166 может включать PCHE, который изготовлен из последовательности пластин, как показано на Фиг. 4A-D. Пластины могут быть объединены в пакет и соединены диффузией или иным образом одна с другой, чтобы образовать теплообменник 166 для обеспечения теплообмена между входящими холодными и горячими потоками. Обычно пути для протекания текучей среды для каждого из потоков могут быть образованы в пластинах травлением, фрезерованием или другим подходящим методом и могут быть сконфигурированы, чтобы обеспечить желательный теплообмен при ограничении перепада давления для одного или нескольких потоков через теплообменник. Предпочтительно, для потоков, входящих в теплообменник 166 и выходящих из него, поддерживаются такие условия температуры, давления и состава, которые позволяют избежать или уменьшить образование условий пыления металла внутри теплообменника.
При ссылке на Фиг. 4A-D, в некоторых вариантах осуществления теплообменник 166 может включать одну или несколько пластин для воды 410, одну или несколько пластин 420 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа, одну или несколько верхних оконечных пластин 430 и одну или несколько нижних оконечных пластин 440. Каждая из пластин может быть изготовлена из материалов, подходящих для целей и условий, присутствующих в теплообменнике 166. Примеры подходящих материалов для изготовления пластин 320 и 350 включают нержавеющую сталь 316 и нержавеющую сталь 304. Пластины могут независимым образом иметь толщины, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждая из пластин может иметь толщину 1,6 мм.
Фиг. 4A показывает пластину 410 для воды, имеющую путь 411 для протекания водного потока, который соединяет впускные отверстия 412 для водного потока и выпускные отверстия 413 для водного потока. Впускные отверстия 412 для водного потока могут разделять водный поток на один или несколько независимых проточных каналов 414, которые образуют путь 411 для протекания воды. Выпускные отверстия 413 для водного потока могут повторно объединять проточные каналы 414 для выпуска из теплообменника 166. Проточные каналы 414 могут быть сконфигурированы для термосифонного кипения воды внутри теплообменника 166 и могут быть сформированы таким образом, чтобы иметь любые подходящие форму и размер. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 414 может иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 234 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 2,6 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки 0,4 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 414, следует понимать, что путь 411 для протекания потока воды может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
В некоторых вариантах осуществления впускные отверстия 412 и выпускные отверстия 413 для водного потока могут также иметь в основном полукруглое поперечное сечение шириной от 0,6 мм до 3,5 мм, глубиной от 0,3 до 1,75 мм и кромки от 0,3 мм до 1,5 мм и могут быть по размеру такими же, что и независимые проточные каналы 414, или отличаться от них. В некоторых вариантах осуществления каждое из впускных отверстий 412 и выпускных отверстий 413 имеет полукруглое поперечное сечение шириной примерно 2,6 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки 0,4 мм. Хотя Фиг. 4A показывает путь 411 для протекания водного потока как прямой противоточный или прямоточный или однопроходной путь для протекания текучей среды, в некоторых вариантах осуществления путь 411 для протекания водного потока может содержать более одного прохода, например от 2 до 20 проходов, от 2 до 10 проходов или от 2 до 5 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 411 для протекания водного потока содержит прямой или однопроходной прямоточный путь для протекания. Как показано на Фиг. 4A, пластина 410 для водного потока также включает впускные и выпускные проемы 415 и 416 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа, соответственно.
При ссылке на Фиг. 4B, пластины 420 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа могут иметь путь 421 для протекания быстроохлаждаемого потока синтез-газа, который соединяет впускные проемы 422 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа и выпускные проемы 423 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа. Впускные проемы 422 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа могут подавать поток во впускные каналы 426, которые могут затем разделяться, чтобы образовать один или несколько независимых проточных каналов 424, которые образуют путь 421 для протекания текучей среды. Выпускные проемы 423 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа могут объединять несколько выпускных каналов 425, которые могут объединять независимые проточные каналы 424 для вывода из теплообменника. Каждый из впускных и выпускных каналов 426 и 425 и независимых проточных каналов 424 может иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 424 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 1,99 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки 0,4 мм. В некоторых вариантах осуществления каждый из впускных и выпускных каналов 426 и 425 может иметь полукруглое поперечное сечение шириной примерно 2,2 мм, глубиной примерно 1,10 мм и кромки 0,4 мм. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 414, следует понимать, что путь 411 для протекания потока воды может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 4B показывает путь 421 для протекания быстроохлаждаемого потока синтез-газа как прямой противоточный или прямоточный или однопроходной путь для протекания текучей среды, в некоторых вариантах осуществления путь 421 для протекания быстроохлаждаемого потока синтез-газа может содержать более одного прохода, например от 2 до 20 проходов, от 2 до 10 проходов или от 2 до 5 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 421 для протекания быстроохлаждаемого потока синтез-газа содержит прямой или однопроходной прямоточный путь для протекания.
В некоторых вариантах осуществления пластины, используемые чтобы образовать варианты осуществления теплообменника 166, могут быть пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом в любом подходящем порядке, чтобы образовать теплообменник. В некоторых вариантах осуществления пластины могут быть пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иначе по порядку следующим образом: по меньшей мере одна верхняя оконечная пластина 430 (Фиг. 4C), несколько теплообменных секций, каждая теплообменная секция содержит пластину 410 для воды, затем следует пластина 420 для протекания быстроохлаждаемого потока синтез-газа, с одной дополнительной пластиной для воды и затем по меньшей мере одна нижняя оконечная пластина 440 (Фиг. 4D). Соответственно, порядок теплообменных пластин в виде печатной платы в данном пакете для теплообменника 166 может иметь следующий вид для активных пластин теплообменника 166 (пластина 410 для воды=W; пластина 420 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа=S): W S W S W S . . . W S W S W. В некоторых вариантах осуществления конфигурация будет содержать секции чередующихся пластин для воды 410 и пластин 420 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа с одной дополнительной пластиной 410 для воды, служащей в качестве соединительной пластины для последней пластины 420 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа в пакете. Оконечные пластины могут быть сплошными пластинами без путей для протекания текучей среды и могут быть изолированными, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. В некоторых вариантах осуществления может быть применено несколько оконечных пластин на каждом конце. Оконечные пластины образуют стенку для проходов на соединительной пластине, обращенной к оконечной пластине, служат в качестве крышек для проемов и поддерживают соединение соответствующих потоков в теплообменник 166, например, через отверстия или коллекторы. Соответственно, оконечные пластины должны быть достаточно толстыми, чтобы соответствовать давлению в каждом проеме, и чтобы поддерживать отверстия или коллекторы. В некоторых вариантах осуществления единственная оконечная пластина используется для каждого конца теплообменника 166, при этом оконечная пластина толще других пластин. В других вариантах осуществления несколько оконечных пластин может быть использовано на каждом конце, чтобы обеспечить достаточную толщину для поддержки или предоставления коллекторов или отверстий. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 166 может включать пакет высотой между 15 мм и 25 мм.
В некоторых вариантах осуществления верхняя оконечная пластина 430 может включать впускной проем 432 для потока синтез-газа и выпускной проем 431 для потока синтез-газа для ввода и вывода быстроохлаждаемого потока синтез-газа. Когда разные пластины пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом, чтобы образовать теплообменник, впускные проемы 432 для потока синтез-газа и выпускные проемы 431 для потока синтез-газа предпочтительно совмещены с впускными проемами 422 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа и выпускными проемами 423 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа на пластинах 420 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа и с впускными и выпускными проемами 414 и 415 для быстроохлаждаемого потока синтез-газа на пластинах для воды 410, чтобы образовать впускные и выпускные пути доступа потоков или камеры для быстроохлаждаемого потока синтез-газа. Пакетирование пластин также предпочтительно размещает пути 411 и 421 протекания текучей среды поблизости один от другого, чтобы способствовать переносу тепла между потоками через стенки независимых каналов 414 и 424. Для тех пластин и потоков, которые не имеют проемов, через которые доступны пути протекания текучей среды и проточные каналы, могут быть присоединены коллекторы, например, сваркой, поверх концов индивидуальных каналов, чтобы облегчить подачу и/или отбор потока, протекающего через соответствующие каналы.
3
В некоторых вариантах осуществления теплообменник 166 содержит от 1 до 15 теплообменных секций, например от 2 до 10, от 3 до 8, от 4 до 7 или от 5 до 7 теплообменных секций, каждая теплообменная секция содержит пластину 410 для воды, затем следует пластина 420 для протекания быстроохлаждаемого потока синтез-газа. В предпочтительных вариантах осуществления для риформинга примерно 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа или остаточного газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива теплообменник 166 содержит по меньшей мере 4 теплообменные секции. В одном из предпочтительных вариантов осуществления теплообменник 166 содержит 4 теплообменные секции, каждая теплообменная секция содержит пластину 410 для воды, затем следует пластина 420 для протекания быстроохлаждаемого потока синтез-газа, и 4 оконечные пластины для в сумме 9 активных пластин. Число пластин и теплообменных секций может быть изменено в соответствии с потребностями производства, эффективностью теплообмена и другими параметрами.
Водный поток 108 может вводиться в теплообменник 165 быстрого охлаждения по существу при тех же температуре и давлении, при которых он выводится из теплообменника 164 и выпускаться из теплообменника 165 в качестве потока 172 пара для узла риформинга при температуре, равной температуре насыщенного пара, например, между 175°C и 225°C, между 180°C и 210°C, между 185°C и 205°C, между 190 и 205°C или между 195 и 200°C, и при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.).
Быстроохлаждаемый поток 170 синтез-газа может вводиться в теплообменник 165 быстрого охлаждения при температуре между 700°C и 1000°C, например между 750°C и 975°C или между 800°C и 950°C, между 825°C и 925°C или между 850°C и 900°C, и при давлении между 5 бар абс. давл. (500 кПа абс. давл.) и 120 бар абс. давл. (12 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 80 бар абс. давл. (8 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.), и может выпускаться из теплообменника 165 при температуре между 180°C и 210°C например между 185°C и 205°C, между 190°C и 205°C или между 195°C и 200°C и при давлении между 5 бар абс. давл. (500 кПа абс. давл.) и 120 бар абс. давл. (12 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 80 бар абс. давл. (8 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.). Предпочтительно, перепад давления для быстроохлаждаемого потока 170 синтез-газа через теплообменник 165 составляет меньше 0,10 бар (10 кПа), например меньше 0,075 бар (7,5 кПа) или меньше 0,05 бар (5 кПа).
Водный поток 108 нагревается в теплообменнике 165 быстрого охлаждения до тех пор, пока он не становится паром, и в этот момент пар выводится из теплообменника 165 быстрого охлаждения через выпускное отверстие 167 для пара в качестве потока 172 пара для риформинга. Поток 172 пара для риформинга может быть объединен с потоком 102 газообразного углеводорода после того, как поток 102 выведен из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, чтобы образовать поток 174 газообразного углеводорода/пара. Поток 172 пара для риформинга и поток 102 газообразного углеводорода могут быть объединены любым подходящим образом, например посредством объединения потоков с образованием единственного потока при применении Y- или T-образного соединителя или посредством добавления одного потока в другой поток. После объединения потоков поток 174 смеси газообразного углеводорода с паром может быть подан в первую ступень предварительного риформинга модуля для риформинга. В некоторых вариантах осуществления поток 172 пара для риформинга может включать регулятор противодавления внутри пути для его протекания перед объединением потока 102 газообразного углеводорода, чтобы способствовать предоставлению условий стабильного кипения во время пуска, изменений производительности и других изменений режима, посредством чего устраняются выбросы жидкой воды в модуль для риформинга или ограничение подачи пара в узел риформинга, что может привести к закоксовыванию в узле риформинга и/или узле предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления поток смеси газообразного углеводорода с паром может также включать обратный клапан внутри путь для его протекания перед объединением с потоком 172 пара для риформинга.
После быстрого охлаждения в теплообменнике 165 быстрого охлаждения быстроохлаждаемый поток 170 синтез-газа может выпускаться из теплообменника 165 быстрого охлаждения в качестве быстро охлажденного потока 171 синтез-газа и проходить через клапан 185, который может быть любым подходящим клапаном для контроля или регулирования подачи быстро охлажденного потока 171 синтез-газа в смеситель 188 для повторного смешивания синтез-газа. После прохождения через клапан 185 быстро охлажденный поток 171 синтез-газа может быть объединен с потоком 182 синтез-газа в смесителе 188 для повторного смешивания синтез-газа. Поток 182 синтез-газа направляется от делителя 184 синтез-газа через узел 187 постоянного сопротивления, который может быть простой диафрагмой или любым другим узлом регулирования контроля высокотемпературных потоков. Обычно поток 182 синтез-газа слишком горячий, чтобы применять клапан. Предпочтительно, поток 182 синтез-газа находится при температуре между 700°C и 1000°C, например между 750°C и 975°C или между 800°C и 950°C, между 825°C и 925°C или между 850°C и 900°C, и при давлении между 5 бар абс. давл. (500 кПа абс. давл.) и 120 бар абс. давл. (12 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 80 бар абс. давл. (8 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.).
Смеситель 188 для повторного смешивания синтез-газа может быть любым подходящим узлом для объединения двух потоков, например, посредством объединения потоков, чтобы образовать единственный поток, при применении Y- или T-образного соединителя или посредством добавления одного потока в другой поток. Вследствие температуры в потоке синтез-газа 182 по сравнению с температурой в быстро охлажденном потоке 171 синтез-газа, в части повторно смешанного потока 189 синтез-газа и части трубопровода для потока 182 синтез-газа могут быть созданы условия пыления металла. Соответственно, часть трубопровода для потока 182 синтез-газа в пределах примерно 5 диаметров трубы от смесителя 188 для повторного смешивания и часть трубопровода для повторно смешанного потока 189 синтез-газа в пределах примерно 5 диаметров трубы от смесителя 188 для повторного смешивания предпочтительно изготовлены из сплавов, устойчивых к пылению, или из сплавов, которые имеют покрытие, устойчивое к пылению металла, и/или сконфигурированы с возможностью простого ремонта и/или удаления и замены.
После повторного смешивания повторно смешанный поток 189 синтез-газа может направляться в опциональный реактор 186 конверсии с водяным паром, в котором образуется дополнительный водород посредством реакции конверсии водяного газа. При применении реактора конверсии с водяным паром температура повторно смешанного потока 189 синтез-газа находится предпочтительно между 250°C и 350°C, например между 275°C и 325°C, между 280°C и 310°C, между 290°C и 305°C или между 295°C и 300°C.
После выпуска из реактора 186 конверсии с водяным паром поток 190 синтез-газа может направляться в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, в котором он может предоставлять тепло для потоков исходных реагентов, например потока 102 газообразного углеводорода, потока 112 топлива для дымовых газов, потока 105 исходного топлива, потока 107 исходного воздуха, потока 114 воздуха для сжигания и водного потока 108 (когда теплообменник 109 является частью теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа). Поток 190 синтез-газа, выпускаемый из высокотемпературного реактора конверсии, может иметь температуру между 250°C и 450°C, например между 275°C и 450°C, между 300°C и 440°C, между 325°C и 430°C, между 350°C и 420°C, между 375°C и 410°C или между 380°C и 400°C, и давление между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 80 бар абс. давл. (8 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.).
Пример альтернативной конфигурации устройства для парового риформинга показан на Фиг. 5. Как показано, устройство 500 для парового риформинга является в основном таким же, что и устройство 100, описанное по отношению к Фиг. 1A и/или Фиг. 1B, за исключением того, что в устройстве 500 для парового риформинга, поток 512 топлива для дымовых газов пропускается в обход теплообменника 510 для синтез-газа и объединяется с потоком 160 дымовых газов непосредственно перед введением в подогреватель 175 дымовых газов, чтобы образовать поток 162 дымовых газов, обогащенных топливом. Поток 512 топлива для дымовых газов может быть объединен с потоком 160 дымовых газов любым подходящим образом, например посредством объединения потоков с образованием единственного потока при применении Y- или T-образного соединителя или посредством добавления одного потока в другой поток. Поскольку поток 512 топлива для дымовых газов пропускается в обход теплообменника 510 для синтез-газа, то теплообменник 510 для регенерации тепла синтез-газа 510 сконфигурирован несколько по-другому и через него протекают лишь 4 потока исходных реагентов (поток 105 исходного топлива, поток 107 исходного воздуха, поток 114 воздуха для сжигания и поток 102 исходного газообразного углеводорода), опционально поток 108 исходной воды (если теплообменник 109 включен в теплообменник 510) и поток 190 синтез-газа.
Пример конфигурации пластин, которые могут образовать теплообменник 510 для регенерации тепла синтез-газа, показан на Фиг. 6A-C. При ссылке на Фиг. 6A-C, в некоторых вариантах осуществления теплообменник 510 для регенерации тепла синтез-газа может включать PCHE, сформированный из последовательности пластин, которые могут быть объединены в пакет и соединены диффузией одни с другими, чтобы обеспечить теплообмен между входящими горячими и холодными потоками. Обычно пути для протекания текучей среды для каждого из потоков могут быть образованы в пластинах травлением, фрезерованием или другим подходящим методом и могут быть сконфигурированы, чтобы обеспечить желательный теплообмен при ограничении перепада давления для одного или нескольких потоков через теплообменник. Предпочтительно, для потоков, входящих в теплообменник 510 и выходящих из него, поддерживаются такие условия температуры, давления и состава, которые позволяют избежать или уменьшить образование условий пыления металла внутри теплообменника. Во многих случаях потоки, вводимые в теплообменник 510 и выводимые из него, находятся при температуре ниже температур пыления металла. Обычно, теплообменник 510 для регенерации тепла синтез-газа является в основном таким же, что и теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, показанный на Фиг. 1 и 2A-C, за исключением того, что теплообменник 510 для регенерации тепла синтез-газа не нагревает поток 512 топлива для дымовых газов. Соответственно, при этом незначительном отличии, общая конструкция теплообменника 510 для регенерации тепла синтез-газа, подходящие размеры пластин и каналов, толщины и материалы конструкции для каждой из пластин, а также условия процесса являются по существу такими же, что и описанные по отношению к Фиг. 2A-C.
При ссылке на Фиг. 6A-C, в некоторых вариантах осуществления теплообменник 510 для регенерации тепла синтез-газа может включать одну или несколько соединительных пластин 610, одну или несколько пластин одну или несколько пластин 625 для исходного реагента и одну или несколько пластин 650 для синтез-газа. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 6A-C, пластины, когда они пакетизированы надлежащим образом с образованием теплообменника, будут образовывать теплообменник 510 для регенерации тепла синтез-газа, который включает теплообменник 109 (см. Фиг. 5). Фиг. 6A показывает соединительную пластину 610, имеющую путь 611 для протекания синтез-газа, содержащий независимые проточные каналы 612, соединяющие впускные отверстия 613 для синтез-газа с выпускными отверстиями 614 для синтез-газа. Хотя Фиг. 6A показывает путь 611 для протекания синтез-газа как многопроходной путь для протекания, путь 611 для протекания может также содержать прямой противоточный, прямоточный, перекрестный или однопроходной путь для протекания, содержащий один или несколько независимых каналов 612. В некоторых вариантах осуществления путь 611 для протекания синтез-газа может включать более одного прохода, например от 2 до 100 проходов, от 5 до 75 проходов, от 10 до 60 проходов, от 15 до 50 проходов или от 20 до 40 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 611 для протекания синтез-газа содержит многопроходной путь для протекания, имеющий 5 проходов или больше, 10 проходов или больше, 15 проходов или больше, 20 проходов или больше, 25 проходов или больше или 30 проходов или больше, при этом проходы находятся в перекрестноточном режиме во время теплообмена, однако синтез-газ протекает в основном в перекрестноточном или противоточном направлении по отношению к потокам на пластине 260 для исходного реагента. Соединительная пластина 610 также включает проемы 615 для потока воздуха, проем 616 для потока воздуха для сжигания, проем 617 для потока топлива, проем 661 для топливно-воздушной смеси, проемы 618 для потока газообразного углеводорода, проемы 619 для водного потока и проемы 620 для потока синтез-газа. Соединительная пластина 610 обеспечивает то, что все пластины 625 для исходного реагента имеют пластины для горячего потока на обеих сторонах, либо соединительную пластину 610, либо пластину 650 для синтез-газа, и способствует балансу тепловых нагрузок и потока тепла на протяжении пакета. Соединительная пластина 610 может иметь более одного проточного канала 612.
При ссылке на Фиг. 6B, пластина 650 для синтез-газа включает впускные отверстия 651 для синтез-газа, выпускные отверстия 652 для синтез-газа и путь 653 для протекания синтез-газа. Путь 653 для протекания синтез-газа может содержать один или несколько каналов 654 для независимого протекания синтез-газа. Хотя показано конкретное число независимых проточных каналов 654 для синтез-газа, следует понимать, что путь 653 для протекания синтез-газа может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 6B показывает путь 653 для протекания синтез-газа, имеющий конкретное число проходов, в некоторых вариантах осуществления путь 653 для протекания синтез-газа может содержать более одного прохода, например от 2 до 100 проходов, от 5 до 75 проходов, от 10 до 60 проходов, от 15 до 50 проходов или от 20 до 40 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 653 для протекания синтез-газа содержит многопроходной путь для протекания, имеющий 5 проходов или больше, 10 проходов или больше, 15 проходов или больше, 20 проходов или больше, 25 проходов или больше или 30 проходов или больше, при этом проходы находятся в перекрестноточном режиме во время теплообмена, однако синтез-газ протекает в основном в перекрестноточном или противоточном направлении по отношению к потокам на пластине 525 для исходного реагента. Пластина 650 для синтез-газа также имеет проемы 655 для потока воздуха, проем 656 для потока воздуха для сжигания, проем 657 для потока топлива, проем 663 для топливно-воздушной смеси, проемы 658 для потока газообразного углеводорода, проемы 659 для водного потока и проемы 660 для потока синтез-газа.
При ссылке на Фиг. 6C, пластина 625 для исходного реагента имеет проемы 621 для потока воздуха, проем 622 для потока воздуха для сжигания, проем 623 для потока топлива, проем 662 для топливно-воздушной смеси, проемы 624 для потока газообразного углеводорода, проемы 626 для водного потока и проемы 646 для потока синтез-газа. Пластина 625 для исходного реагента включает путь 627 для протекания воздуха с впускными отверстиями 628 и выпускными отверстиями 629 для воздуха, путь 630 для протекания воздуха для сжигания с впускными отверстиями 631 для воздуха для сжигания, путь 632 для протекания топлива впускными отверстиями 633 для топлива и выпускными отверстиями 634 для топливно-воздушной смеси и путь 635 для протекания газообразного углеводорода с впускными отверстиями 636 для газообразного углеводорода и выпускными отверстиями 637 для газообразного углеводорода. Каждый из путей 627, 630, 632 и 635 протекания текучей среды может включать один или несколько независимых проточных каналов 638, 639, 640 и 641 соответственно. Как правило, каждый независимый проточный канал 638, 639, 640 и 641 и прилегающие кромки могут иметь такой размер, чтобы обеспечивать надежное удержание давления и рентабельную комбинацию способности к передаче тепла и перепада давления. Хотя на Фиг. 6 показано конкретное число независимых проточных каналов 638, 639, 640 и 641, следует понимать, что каждый из путей 627, 630, 632 и 635 для протекания текучей среды может содержать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 6C показывает каждый из путей 627, 630, 632 и 635 протекания текучей среды как перекрестный и/или однопроходной, в некоторых вариантах осуществления один или несколько путей 627, 630, 632 и 635 протекания текучей среды могут содержать несколько проходов, например от 2 до 20 проходов, от 2 до 10 проходов или от 2 до 5 проходов. Предпочтительно, пути 627, 630, 632 и 635 протекания текучей среды являются перекрестноточными и/или однопроходными путями протекания текучей среды. На Фиг. 6C, путь 630 для протекания воздуха для сжигания сконфигурирован, чтобы обеспечивать смешивание потока 114 воздуха для сжигания по Фиг. 5 с потоком 105 исходного топлива внутри теплообменника 510 посредством подачи воздуха, протекающего через путь 630, и топлива, протекающего в пути 632, в один и тот же проем, проем 662 для топливно-воздушной смеси. При конфигурировании таким образом отсутствует отдельное объединение этих потоков с выпускной стороны теплообменника 510 для регенерации тепла синтез-газа, как это изображено на Фиг. 5.
Пластина 625 для исходного реагента также включает путь 642 для протекания водного потока, который соединяет впускные отверстия 643 для водного потока и выпускные отверстия 644 для водного потока, как показано в нижней левой части пластины 625 для исходного реагента по Фиг. 6С. Путь 642 для протекания водного потока может включать один или несколько независимых проточных каналов 645. Эта часть пластины 625 для исходного реагента при формировании теплообменника соответствует потокам для протекания воды для теплообменника 109, как указано на Фиг. 5. Проточные каналы 645 могут иметь такой размер, чтобы обеспечить надлежащую подачу воды при желательном давлении и температуре к остальной части устройства 500 для риформинга. Хотя на Фиг. 6C показан лишь один независимый проточный канал 645, следует понимать, что путь 642 для протекания может включать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы.
Хотя Фиг. 6C показывает путь 642 для протекания, сконфигурированный как многопетлевой или многопроходной противоточный путь для протекания, он может быть также перекрестноточным, прямоточным и/или однопроходным. В некоторых вариантах осуществления путь 642 для протекания может включать более одного прохода, например от 2 до 100 проходов, от 5 до 75 проходов, от 10 до 60 проходов, от 15 до 50 проходов или от 20 до 40 проходов, при этом каждый проход содержит единственное реверсирование направления потока. Предпочтительно, путь 642 для протекания потока воды содержит многопроходный путь для протекания, имеющий 5 проходов или больше, 10 проходов или больше, 15 проходов или больше, 20 проходов или больше, 25 проходов или больше или 30 проходов или больше, при этом проходы находятся в перекрестноточном режиме во время теплообмена, однако вода протекает в целом в перекрестноточном или противоточном направлении по отношению к протеканию синтез-газа на пластине 650 для синтез-газа.
Когда различные соединительные пластины 610, пластины 625 для исходного реагента и пластины 650 для синтез-газа пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом, чтобы образовать теплообменник, они предпочтительно совмещены таким образом, что каждые из разных проемов 615, 621 и 655 для потока воздуха, проемов 616, 622 и 656 для потока воздуха для сжигания, проемов 617, 623 и 657 для потока топлива, проемов 661, 662 и 663 для топливно-воздушной смеси, проемов 618, 624 и 658 для потока газообразного углеводорода, проемов 619, 626 и 659 для водного потока и проемов 620, 627 и 660 для потока синтез-газа образуют пути доступа потоков или камеры для соединения каждого из различных потоков с соответствующими впускными отверстиями и выпускными отверстиями для разных путей протекания текучей среды. Пластины могут быть пакетизированы в том порядке, который описан в отношении Фиг. 2, и могут включать такое же число секций и иметь такую же конфигурацию, как это описано в отношении Фиг. 2. В дополнение к совмещению различных проемов, пакетирование пластин предпочтительно образует независимые каналы 638, 639, 640 и 641, составляющие пути 627, 630, 632 и 635 протекания текучей среды, поблизости от независимых каналов 612 и 654, составляющих пути 611 и 653 протекания текучей среды, чтобы способствовать переносу тепла между соответствующими потоками через стенки соответствующих независимых каналов.
Пример другой альтернативной конфигурации устройства для парового риформинга показан на Фиг. 7. Как показано, устройство 700 для парового риформинга является в основном таким же, что и устройство 100, описанное по отношению к Фиг. 1A и/или Фиг. 1B, за исключением того, что в устройстве 700 для парового риформинга поток 160 дымовых газов не нагревается предварительно перед введением в теплообменник 164. Соответственно, в отношении к Фиг. 1A, поток 104 исходного топлива не разделяется, отсутствует поток 114 топлива для дымовых газов и подогреватель 175 дымовых газов также не применяется. В результате этого, теплообменник 710 для регенерации тепла синтез-газа может быть сконфигурирован так, как рассмотрено выше в отношении к Фиг. 6A-C. Конфигурация на Фиг. 7 предназначена для случаев, в которых узел риформинга функционирует при более высоких температурах по сравнению с устройством на Фиг. 1A. В таких случаях поток 180 синтез-газа и поток 160 дымовых газов выводятся из ступеней риформинга при температурах, близких к 1000°C. При такой повышенной температуре не требуется образование дополнительного пара при помощи камеры сгорания 175 на Фиг. 1A или 5, поскольку риформинг при такой повышенной температуре обеспечивает более высокую степень конверсии метана для данного соотношения пара и углерода, и дополнительного тепла, регенерированного из потока 180 синтез-газа и потока 160 дымовых газов, достаточно, чтобы образовать необходимый пар для риформинг при повышенной температуре.
При ссылке на Фиг. 1A, 5 и 7, каждое из устройств 100, 500 и 700 для риформинга включает модуль 150 для риформинга. Модуль 150 для риформинга риформирует поток 174 смеси газообразного углеводорода с паром, чтобы образовать поток 180 синтез-газа и поток 160 дымовых газов. Во время процесса риформинга process, поток 124 топлива для риформинга сжигается в присутствии потока 126 воздуха для риформинга, чтобы предоставить дополнительное тепло для процесса риформинга. Пример варианта осуществления модуля для риформинга представлен на Фиг. 8. Как показано на Фиг. 8, в некоторых вариантах осуществления модуль 150 для риформинга может включать узел 800 предварительного риформинга и узел 820 риформинга. Узел 800 предварительного риформинга может содержать несколько ступеней 801, 802 и 803 теплообмена между потоком 174 смеси газообразного углеводорода с паром и потоком 160 дымовых газов в теплообменниках 804, 805 и 806, за которыми следует частичный каталитический риформинг потока 174 смеси газообразного углеводорода с паром в камерах или ячейках 807, 808 и 809 каталитического риформинга. Хотя вариант осуществления на Фиг. 8 показывает три ступени 801-803 предварительного риформинга, число ступеней предварительного риформинга может быть изменено от 1 до 10, в зависимости от требований устройства. Предпочтительно, на протяжении стадий предварительного риформинга избегают образования условий пыления металла и закоксовывания. При функционировании узел 800 предварительного риформинга включает несколько повторений или ступеней нагревания потока 174 смеси газообразного углеводорода с паром посредством регенерации тепла из потока дымовых газов 160, за которыми следует частичный каталитический риформинг нагретого потока смеси газообразного углеводорода с паром.
В некоторых вариантах осуществления узел 800 предварительного риформинга содержит PCR, который образован из последовательности пластин, как показано на Фиг. 9A-E, которые пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом, чтобы образовать PCR. Такие PCR могут быть сконфигурированы подобно PCHE, с катализаторными камерами или ячейками, предусмотренными периодически внутри пути для протекания потока 174 смеси газообразного углеводорода с паром, так что этот поток может попеременно нагреваться потоком 160 дымовых газов и затем частично каталитически риформироваться. PCR может быть образован из последовательности пластин, которые могут быть объединены в пакет и соединены диффузией одна с другой, чтобы обеспечить теплообмен между горячим и холодным потоками посредством размещения каналов, которые образуют пути протекания текучей среды, в непосредственно близости одного с другим, и чтобы обеспечить каталитический риформинг потока 174 смеси газообразного углеводорода с паром. Пакетирование может включать пакетирование оконечных пластин, соединительных пластин и пластин с конкретными конфигурациями каналов для смеси газообразного углеводорода с паром и дымовых газов в соответствии с желательным переносом тепла. Обычно пути для протекания текучей среды для каждого из потоков могут быть образованы в виде каналов в пластинах травлением, фрезерованием или другим подходящим методом и могут быть сконфигурированы, чтобы обеспечить желательный теплообмен при ограничении перепада давления для одного или нескольких потоков через PCR. Каналы на каждой пластине могут быть сконфигурированы для переноса тепла между потоками при однократном или многократном проходе и могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы функционировать в прямоточном, перекрестноточном или противоточном режиме. В некоторых вариантах осуществления пластины для одного из потоков могут быть сконфигурированы для многократных проходов, в то время как пластины для другого потока сконфигурированы для однократных проходов. Предпочтительно, для потоков, входящих в PCR и выходящих из него, поддерживаются такие условия температуры, давления и состава, которые позволяют избежать или уменьшить образование условий пыления металла внутри PCR. Вариант осуществления, показанный на Фиг. 9A-E, содержит три ступени предварительного риформинга.
При ссылке на Фиг. 9A-E, в некоторых вариантах осуществления PCR может содержать одну или несколько соединительных пластин 910, одну или несколько пластины 920 для дымовых газов, одну или несколько пластин 950 для смеси газообразного углеводорода с паром, одну или несколько верхних оконечных пластин 970 и одну или несколько нижних оконечных пластин 980. Для тех пластин и потоков, которые не имеют проемов, через которые доступны пути протекания текучей среды и проточные каналы, могут быть присоединены коллекторы, например, сваркой, поверх концов индивидуальных каналов на конце пакетизированных пластин, чтобы облегчить подачу и/или отбор потока, протекающего через соответствующие каналы. В некоторых вариантах осуществления такой коллектор может содержать часть трубы или трубопровода, которая открыта на одной стороне, чтобы обеспечить протекание потока индивидуальных каналов непосредственно в трубу или трубопровод. Каждая из Фиг. 9A-E включает изолирующие вырезы A, а Фиг. 9C также включает изолирующие проемы B. Изолирующие вырезы A перекрывают всю высоту пакета PCR, когда пластины пакетизированы с образованием PCR, и служат для контроля потока тепла и предотвращения нежелательной передачи тепла из горячих частей потоков на пластинах к холодным частям тех же самых потоков на той же пластине вследствие теплопроводности вдоль пластин посредством образования областей с уменьшенным переносом тепла между потоками. Изолирующие проемы 9B служат для той же самой цели, однако присутствуют лишь на пластинах 950 для потока смеси газообразного углеводорода с паром и не перекрывают всю высоту пакета.
Фиг. 9A показывает соединительную пластину 910, имеющую путь 911 для протекания дымовых газов, содержащий несколько независимых проточных каналов 912, соединяющих впускные отверстия 913 для дымовых газов с выпускными отверстиями 914 для дымовых газов. Соединительная пластина 910 также включает проемы 915, 916 и 917 камеры или ячейки для риформинга и проем 918 для потока газообразного углеводорода. Соединительная пластина 910 служит для поддержки баланса тепловых нагрузок и потока тепла на протяжении пакета, когда он сформирован в виде теплообменника.
При ссылке на Фиг. 9B, пластина 920 для дымовых газов включает проемы 921, 922 и 923 камеры или ячейки для риформинга и проем 924 для потока газообразного углеводорода. Пластина 920 для дымовых газов также включает путь 927 для протекания дымовых газов с впускными отверстиями 926 для дымовых газов и выпускными отверстиями 925 для дымовых газов. Путь 927 для протекания может включать один или несколько независимых проточных каналов 928. Хотя на Фиг. 9B показано конкретное число независимых проточных каналов 928, следует понимать, что путь 927 для протекания может содержать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы. Кроме того, хотя Фиг. 9B показывает путь 927 для протекания как перекрестный или однопроходной, в некоторых вариантах осуществления путь 927 для протекания может включать несколько проходов, например от 2 до 20 проходов, от 2 до 10 проходов или от 2 до 5 проходов. Предпочтительно, путь 925 для протекания является перекрестноточным или однопроходным путем для протекания.
При ссылке на Фиг. 9C, пластина 950 для смеси газообразного углеводорода с паром включает проемы 951, 952 и 953 камеры или ячейки для риформинга и проем 954 для потока газообразного углеводорода. Пластина 950 для смеси газообразного углеводорода с паром включает путь 955 для протекания смеси газообразного углеводорода с паром с впускными отверстиями 956 для смеси газообразного углеводорода с паром и выпускными отверстиями 957 для потока для риформирования в узле риформинга. Путь 955 для протекания может включать один или несколько независимых проточных каналов 958. Хотя на Фиг. 9C показано конкретное число независимых проточных каналов 958, следует понимать, что путь 955 для протекания может содержать любое подходящее число независимых проточных каналов, сконфигурированных надлежащим образом в соответствии с конкретными требованиями системы. Кроме того, хотя Фиг. 9C показывает путь 955 для протекания как комбинацию нескольких перекрестноточных проходов и однопроходного перекрестноточного протока, в некоторых вариантах осуществления путь 955 для протекания может включать несколько проходов, например от 2 до 20 проходов, от 2 до 10 проходов или от 2 до 5 проходов, а в других вариантах осуществления путь 955 для протекания может включать однопроходной перекрестный проток, прямоточный или противоточный проток. Предпочтительно, путь 955 для протекания является комбинацией нескольких перекрестноточных проходов и однопроходного перекрестноточного протока во время теплообмена, при протекании в основном в противоточном или перекрестноточном направлении по отношению к потоку поток 160 дымовых газов. В некоторых вариантах осуществления путь 955 для протекания содержит несколько перекрестноточных проходов между впускным отверстием 956 и проемом 951 первой камеры или ячейки для риформинга, при протекании в основном в противоточном направлении, и однопроходной перекрестный проток между первой и второй камерами сгорания и второй и третьей камерами сгорания, при протекании по-прежнему в основном в противоточном направлении.
В некоторых вариантах осуществления Фиг. 9C также включает каналы 960 для смеси газообразного углеводорода с паром и каналы 961 для потока для риформирования в узле риформинга. Канал 960 для смеси газообразного углеводорода с паром может служить для подачи потока 174 смеси газообразного углеводорода с паром в узел 800 предварительного риформинга и проем 954 для потока газообразного углеводорода, и подача может осуществляться через коллектор, который может быть приварен или присоединен поверх концов индивидуальных каналов, поперек пакета пластин, образующих PCR. Проемы 954 для смеси газообразного углеводорода с паром, вместе с проемами для смеси газообразного углеводорода с паром на других пластинах могут формировать камеру, которая может быть пустой камерой или которая может опционально содержать катализатор, чтобы активизировать дополнительный риформинг потока смеси газообразного углеводорода с паром в узле 800 предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления, таких как варианты осуществления, в которых не включены каналы 960, камера, сформированная из проемов для потока смеси газообразного углеводорода с паром, может служить в качестве впускного отверстия для введения потока 174 смеси газообразного углеводорода с паром в узел 800 предварительного риформинга посредством подачи потока через отверстие, расположенное на оконечной пластине, которое обеспечивает доступ в камеру. Подобным образом, каналы 961 для потока для риформирования в узле риформинга могут служить для сбора потока 811 для риформирования в узле риформинга, протекающего в индивидуальных пластинах узла 800 предварительного риформинга, когда завершается предварительный риформинг потока 174, в камере, образованной проемами 917, 923 и 953 камеры или ячейки для риформинга и оконечными пластинами, для подачи в узел 820 риформинга. Каналы 961 могут подавать поток в коллектор, который может быть приварен или соединен иным образом с узлом предварительного риформинга поверх концов индивидуальных каналов поперек пакета пластин, образующих PCR. Каналы 960 и 961 могут быть сконфигурированы также или иначе и иметь такие же или другие размеры по сравнению с каналами 958, и может иметься такое же или другое число каналов 960 и 961 по сравнению с каналами 958. Обычно каналы 960 и 961 могут независимым образом иметь размеры, представленные в таблице 1.
При ссылке на Фиг. 9D, верхняя оконечная пластина 970 может быть сплошной пластиной или пластиной без путей для протекания текучей среды и может быть изолированной, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. В некоторых вариантах осуществления верхняя оконечная пластина 970 может включать впускные отверстия и выпускные отверстия или отверстиями для ввода и вывода различных потоков. В некоторых вариантах осуществления может быть применено несколько верхних оконечных пластин на каждом конце. В некоторых вариантах осуществления применяется единственная верхняя оконечная пластина 970. В других вариантах осуществления может быть применено несколько верхних оконечных пластин, чтобы обеспечить достаточную толщину для коллекторов или отверстий. Подобным образом, при ссылке на Фиг. 9E, нижняя оконечная пластина 980 может быть сплошной пластиной или пластинами без путей для протекания текучей среды и может быть изолированной, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. В некоторых вариантах осуществления нижняя оконечная пластина 980 может включать впускные отверстия и выпускные отверстия или отверстиями для ввода и вывода различных потоков, например проем 984, а также доступ в камеры с катализатором через входные отверстия 981, 982 и 983, образованные, когда индивидуальные пластины пакетизированы. В некоторых вариантах осуществления нижняя оконечная пластина 980 может не включать проем 984. В некоторых вариантах осуществления может быть применено несколько нижних оконечных пластин. В некоторых вариантах осуществления применяется единственная нижняя оконечная пластина 980. В других вариантах осуществления может быть применено несколько оконечных пластин, чтобы обеспечить достаточную толщину для коллекторов или отверстий. В некоторых вариантах осуществления оконечные пластины могут образовывать стенку для соединительной пластины, смежной с верхней оконечной пластиной, служить в качестве крышек для проемов и поддерживать соединение соответствующих потоков в PCR 900, например, через отверстия или коллекторы. Соответственно, оконечные пластины должны быть достаточно толстыми, чтобы соответствовать давлению в каждом проеме, и чтобы поддерживать отверстия или коллекторы.
Когда различные соединительные пластины 910, пластины 920 для дымовых газов и пластины 950 для смеси газообразного углеводорода с паром пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом, чтобы образовать PCR, они предпочтительно совмещены таким образом, что каждые из разных проемов 915, 921 и 951, и 916, 922 и 952, и 917, 923 и 953, камер или ячеек для риформинга совмещены, чтобы образовать камеры или ячейки для риформинга, такие как камеры или ячейки 807, 808 и 809 для риформинга. В камерах или ячейках для риформинга может быть размещен структурированный или неструктурированный катализатор, и реакция риформинга может катализироваться с применением любого подходящего катализатора. Кроме того, разные пластины предпочтительно совмещены таким образом, что проемы 918, 924, 954 и 984 для потока газообразного углеводорода образуют путь доступа потока или камеру для потока смеси газообразного углеводорода с паром.
Кроме того, чтобы совместить проемы камер или ячеек для риформинга, пакетирование пластин предпочтительно образует пути 911, 925 и 955 протекания текучей среды поблизости один от другого, чтобы способствовать переносу тепла между соответствующими потоками через стенки независимых каналов 912, 928 и 958. В некоторых вариантах осуществления этот перенос тепла представлен на Фиг. 8 в виде теплообменников 804, 805 и 806.
В некоторых вариантах осуществления пластины могут быть пакетизированы и соединены диффузией или соединены иным образом в любом подходящем порядке, чтобы образовать PCR. В некоторых вариантах осуществления пластины могут быть пакетизированы в следующем порядке: по меньшей мере одна верхняя оконечная пластина 970, соединительная пластина 910, несколько секций предварительного риформинга, каждая секция предварительного риформинга содержит пластину 920 для дымовых газов и пластину 950 для газообразного углеводорода, затем следует еще одна пластина 920 для дымовых газов, другая соединительная пластина 910 и нижняя оконечная пластина 980. Соответственно, порядок пластин реактора в виде печатной платы в данном пакете может иметь следующий вид для активных пластин (соединительная пластина 910=B, пластина 920 для дымовых газов=F, пластина 950 для газообразного углеводорода=G): B F G F G F G . . . F G F G F B.
Перспективный вид пластины 920 для дымовых газов и пластины 950 для газообразного углеводорода, т.е. секции предварительного риформинга, показан на Фиг. 10. Оконечные пластины могут быть сплошными пластинами без путей для протекания текучей среды и могут быть изолированными, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. Оконечные пластины могут служить в качестве крышек для камер и путей доступа потоков, образованных совмещением проемов, и обеспечивать поддержку соединения соответствующих потоков в PCR, например, через отверстия или коллекторы, соединенных с возможностью протекания текучей среды с камерами и путями протекания текучей среды. Соответственно, оконечные пластины должны быть достаточно толстыми, чтобы соответствовать давлению в каждом проеме, и чтобы поддерживать отверстия или коллекторы. В некоторых вариантах осуществления единственная оконечная пластина используется для каждого конца PCR, при этом оконечная пластина толще других пластин. В других вариантах осуществления несколько оконечных пластин может быть использовано на каждом конце, чтобы обеспечить достаточную толщину для поддержки или предоставления коллекторов или отверстий.
3
В одном из конкретных вариантов осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива PCR содержит 3 верхних оконечных пластин, затем следует соединительная пластина 910, за которой следует 11 секций для риформинга, за которыми следует пластина 920 для дымовых газов, затем следует соединительная пластина 910 и 3 нижних оконечных пластин. Эта конфигурация приводит к пакетизированному узлу 800 предварительного риформинга высотой 49,6 мм при применении пластин, имеющих толщину 1,60 мм. Предпочтительно, PCR, составляющий узел 800 предварительного риформинга, изготовлен из материалов, которые могут противостоять давлениям и температурам, имеющим место в узле 800 предварительного риформинга. В некоторых вариантах осуществления PCR и, тем самым, узел 800 предварительного риформинга могут быть изготовлены из сплавов Alloy 800H или Alloy 617.
Индивидуальные пластины, составляющие PCR, могут независимым образом иметь толщины, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждая из пластин может иметь толщину 1,6 мм. Кроме того, каждый из независимых проточных каналов 912, 928 и 958 может независимым образом иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может независимым образом иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждый из независимых проточных каналов 912, 928 и 958 может иметь полукруглое поперечное сечение и может иметь ширину примерно 1,99 мм, глубину примерно 1,1 мм и кромки примерно 0,5 мм.
В некоторых вариантах осуществления PCR может функционировать следующим образом: поток 174 смеси газообразного углеводорода с паром 174 может вводиться в первую ступень 801 риформинга через впускное отверстие 956 для смеси газообразного углеводорода с паром и путь доступа потока или камеру, образованную совмещением проемов 918, 924, 954 и 984 для смеси газообразного углеводорода с паром и оконечных пластин 970 и 980, и в путь 955 для протекания смеси газообразного углеводорода с паром на пластинах 950 для смеси газообразного углеводорода с паром. Смесь газообразного углеводорода с паром протекает через впускное отверстие 956 для смеси газообразного углеводорода с паром в независимые проточные каналы 958 на пластинах 950 для смеси газообразного углеводорода с паром, в которых поток нагревается дымовыми газами, которые вводятся в PCR на пластинах 920 для дымовых газов и соединительных пластинах 910 и и протекают в независимых проточных каналах 928 и 912 путей 925 и 911 протекания текучей среды, соответственно. В варианте осуществления, представленном на Фиг. 9A-E, во время первой стадии теплообмена независимые проточные каналы 958 образуют путь 955 для протекания, который имеет несколько проходов и является перекрестноточным во время теплообмена по отношению к протеканию дымовых газов в однопроходных путях 927 и 911 протекания текучей среды.
После первой стадии нагревания смесь газообразного углеводорода с паром, протекающая в каналах 958, направляется в камеру или ячейку 807 для риформинга, образованную совмещением проемов 915, 921 и 951 для риформинга и оконечных пластин, и частично каталитически риформируется. Этот частично риформированный поток затем вводится во вторую ступень 802 предварительного риформинга 802, в которой он нагревается потоком 160 дымовых газов. На этой второй стадии нагревания независимые проточные каналы 958 образуют путь 955 для протекания, который является однопроходным путем для протекания в перекрестноточном направлении по отношению к протеканию дымовых газов в однопроходных путях 927 и 911 протекания текучей среды.
После второй стадии нагревания частично риформированный поток, протекающий в каналах 958, направляется в камеру или ячейку 808 для риформинга, образованную совмещением проемов 916, 922 и 952 для риформинга и оконечных пластин, и частично каталитически риформируется. Результирующий частично риформированный поток затем вводится в третья ступень 803 предварительного риформинга 802, в которой он нагревается потоком 160 дымовых газов. На этой третьей стадии нагревания независимые проточные каналы 958 образуют путь 955 для протекания, который является однопроходным путем для протекания в перекрестноточном направлении по отношению к протеканию дымовых газов в однопроходных путях 925 и 911 протекания текучей среды.
После третьей стадии нагревания частично риформированный поток, протекающий в каналах 958, направляется в камеру или ячейку 809 для риформинга, образованную совмещением проемов 917, 923 и 953 для риформинга и оконечных пластин, и частично каталитически риформируется. Поток, оставляющий камеру или ячейку 809 для риформинга, выпускается из узла 800 предварительного риформинга в качестве потока 811 для риформирования в узле риформинга и направляется в первую ступень риформинга в узле 820 риформинга. Поток 160 дымовых газов, выпускаемый из узла 800 предварительного риформинга и опционально повторно нагревается в камере сгорания 175 перед предоставлением им дополнительного тепла водному потоку 108 в теплообменнике 164 перед выпуском из устройства 100 для риформинга.
В некоторых вариантах осуществления поток 174 смеси газообразного углеводорода с паром поступает в узел 800 предварительного риформинга при температуре, от несколько меньшей температуры насыщенного пара до превышающей ее, например между 200°C и 270°C, между 210°C и 260°C, между 215°C и 250°C, между 220°C и 240°C или между 225°C и 240°C, и при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.), и может выпускаться из узла 800 предварительного риформинга в качестве потока 811 для риформирования в узле риформинга при температуре между 500°C и 700°C, например между 510°C и 675°C, между 520°C и 650°C, между 530°C и 625°C, между 550°C и 600°C или между 560°C и 590°C, и при давлении между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 100 бар абс. давл. (10 МПа абс. давл.), например между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 90 бар абс. давл. (9 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 75 бар абс. давл. (7,5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 60 бар абс. давл. (6 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 50 бар абс. давл. (5 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 40 бар абс. давл. (4 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 30 бар абс. давл. (3 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 20 бар абс. давл. (2 МПа абс. давл.), между 10 бар абс. давл. (1 МПа абс. давл.) и 18 бар абс. давл. (1,8 МПа абс. давл.), между 11 бар абс. давл. (1,1 МПа абс. давл.) и 17 бар абс. давл. (1,7 МПа абс. давл.), между 12 бар абс. давл. (1,2 МПа абс. давл.) и 16 бар абс. давл. (1,6 МПа абс. давл.), между 13 бар абс. давл. (1,3 МПа абс. давл.) и 15 бар абс. давл. (1,5 МПа абс. давл.) или между 13,5 бар абс. давл. (1,35 МПа абс. давл.) и 14,5 бар абс. давл. (1,45 МПа абс. давл.).
Поток 160 дымовых газов может вводиться в узел 800 предварительного риформинга при температуре между 700°C и 1050°C, например между 750°C и 1000°C, между 800°C и 950°C, между 825°C и 925°C, между 850°C и 900°C, и при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.), меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.), или меньше 0,05 бар изб. давл. (5 кПа изб. давл.), и может выводиться из узла 800 предварительного риформинга при температуре между 500°C и 650°C, например между 510°C и 625°C, между 520°C и 600°C или между 530°C и 575°C, и при давлении меньше 1 бар изб. давл. (100 кПа изб. давл.), например меньше 0,75 бар изб. давл. (75 кПа изб. давл.), меньше 0,50 бар изб. давл. (50 кПа изб. давл.), меньше 0,40 бар изб. давл. (40 кПа изб. давл.), меньше 0,30 бар изб. давл. (30 кПа изб. давл.), меньше 0,20 бар изб. давл. (20 кПа изб. давл.), меньше 0,15 бар изб. давл. (15 кПа изб. давл.), меньше 0,10 бар изб. давл. (10 кПа изб. давл.), меньше 0,075 бар изб. давл. (7,5 кПа изб. давл.) или меньше 0,05 бар изб. давл. (5 кПа изб. давл.).
При ссылке на Фиг. 8, после выведения из узла 800 предварительного риформинга поток 811 для риформирования в узле риформинга вводится в узел 820 риформинга. Как показано на Фиг. 8, узел 820 риформинга содержит несколько ступеней риформинга, таких как 821, 822, 823, 824 и 825, и ступеней, представленных разрывом 880, который предназначен для представления любого подходящего числа ступеней, сконфигурированных по существу таким же образом, что и ступени 821-825, как описано ниже, каждая ступень включает передачу тепла от потока 126 воздуха для узла риформинга в поток 811 для риформирования в узле риформинга в теплообменниках 831, 832, 833, 834 и 835, затем следует каталитический риформинг потока 811 для риформирования в узле риформинга в камерах 841, 842, 843, 844 и 845 и повторное нагревание потока 126 воздуха для узла риформинга посредством каталитического сгорания части потока 124 топлива для узла риформинга в камерах сгорания 851, 852, 853 и 855. Поток 124 топлива для узла риформинга может подаваться параллельно индивидуальным ступеням через сеть для распределения топлива, содержащую поток 124 топлива для риформинга и потоки 861, 862, 863 и 865 топлива для ступеней риформинга. Хотя Фиг. 8 показывает пять полных ступеней 821, 822, 823, 824 и 825, следует понимать, что может быть применено любое подходящее число ступеней риформинга, например от 1 до 40 ступеней риформинга, например от 2 до 35 ступеней, от 3 до 30 ступеней, от 5 до 25 ступеней, от 8 до 20 ступеней или от 10 до 15 ступеней риформинга, как представлено разрывом 880. Следует также заметить, что в последних ступенях риформинга может не требоваться повторное нагревание потока 126 воздуха для узла риформинга, чтобы предоставить необходимое тепло для каталитического риформинга, и, соответственно, одна или несколько последних ступеней может не использовать стадию повторного нагревания потока 126 воздуха для узла риформинга, может не включать камеры сгорания или может не иметь катализатор в своих камерах сгорания и/или может не использовать поток топлива для ступени риформинга. В некоторых вариантах осуществления в заключительной ступени риформинга не применяется повторное нагревание потока 126 воздуха для узла риформинга. Например, хотя ступень 824 риформинг показывает камеру сгорания 875, в ней не применяется подача топлива, и, соответственно, камера сгорания 875 может не включать катализатор, и в ней может не происходить дополнительное сгорание. В качестве варианта, камера сгорания 875 может включать катализатор, и в ней могут сжигаться любые горючие компоненты, остающиеся в потоке 126 воздуха для узла риформинга. Предпочтительно, на протяжении стадий риформинга избегают образования условий пыления металла и закоксовывания.
В некоторых вариантах осуществления узел 820 риформинга содержит PCR. PCR может быть сконфигурирован аналогично теплообменнику в виде печатной платы («PCHE»), с катализаторными камерами или ячейками для риформинга, предусмотренными периодически внутри пути для протекания потока 811 для риформирования в узле риформинга и камерами каталитического сгорания, предусмотренными периодически внутри путей протекания для потока 126 воздуха для узла риформинга и потока 124 топлива для узла риформинга, так что поток 811 для риформирования в узле риформинга может попеременно нагреваться потоком 126 воздуха для узла риформинга и затем частично каталитически риформироваться, в то время как поток 126 воздуха для узла риформинга попеременно нагревает поток 811 для риформирования в узле риформинга и повторно нагревается посредством сгорания части потока 124 топлива для узла риформинга. PCR может быть образован из последовательности пластин, которые могут быть объединены в пакет и соединены диффузией одна с другой, чтобы обеспечить теплообмен между горячим и холодным потоками посредством размещения каналов, которые образуют пути протекания текучей среды, в непосредственно близости одного с другим, и чтобы обеспечить каталитический риформинг потока 811 для риформирования в узле риформинга и каталитическое сгорание части поток 124 топлива для риформинга в присутствии потока 126 воздуха для риформинга. Пакетирование может включать пакетирование оконечных пластин, соединительных пластин и определенные конфигурации пластин для протекания потока для риформирования в узле риформинга, пластинах для протекания воздуха для риформинга и пластинах для протекания топлива для риформинга.
Обычно пути для протекания текучей среды для каждого из потоков могут быть образованы в виде каналов в пластинах травлением, фрезерованием или другим подходящим методом и могут быть сконфигурированы, чтобы обеспечить желательный теплообмен при регулировании перепадов давления для одного или нескольких потоков через PCR. Каналы на пластинах для протекания потока для риформирования в узле риформинга и пластинах для потока воздуха для риформирования могут быть сконфигурированы для переноса тепла между потоками при однократном или многократном проходе и могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы функционировать в прямоточном, перекрестноточном или противоточном режиме. В некоторых вариантах осуществления пластины для одного из потоков для риформирования или потоков воздуха для риформирования могут быть сконфигурированы для многократных проходов, в то время как пластины для другого потока сконфигурированы для однократных проходов. Предпочтительно, для потоков, входящих в PCR и выходящих из него, поддерживаются такие условия температуры, давления и состава, которые позволяют избежать или уменьшить образование условий пыления металла и условий закоксовывания внутри PCR.
Пример пластин, которые образуют вариант осуществления такого PCR, может быть найден на Фиг. 11A-F. Варианты осуществления, показанные на Фиг. 11A-F, содержат 14 ступеней риформинга, однако следует понимать, что может быть применено любое подходящее ступеней при соответствующей модификации показанных различных пластин. При ссылке на Фиг. 11A-F, PCR может содержать одну или несколько соединительных пластин 1101, одну или несколько пластин 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, одну или несколько пластин 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, одну или несколько пластин 1161 для протекания топлива для узла риформинга, одну или несколько верхних оконечных пластин 1180 и одну или несколько нижних оконечных пластин 1190.
При ссылке на Фиг. 11A, соединительная пластина 1101 включает проем 1102 камеры для введения потока для риформирования в узле риформинга и проем 1103 камеры для выпуска потока для риформирования в узле риформинга, который может также быть проемом последней камеры или ячейки для риформинга, и путь 1104 для протекания текучей среды, содержащий несколько независимых проточных каналов 1105. Обычно, соединительная пластина 1101 будет иметь меньше независимых проточных каналов 1105 по сравнению с числом независимых проточных каналов на пластине 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга. В некоторых вариантах осуществления соединительная пластина 1101 имеет в два раза меньше независимых проточных каналов по сравнению с пластиной 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга. Как показано на увеличенном виде соединительной пластины 1101 на Фиг. 11AA, пример одной ступени риформинга 1110 из 14 ступеней, включенных в соединительную пластину 1101, включает проем 1112 камеры или ячейки для риформинга, проем 1114 камеры сгорания и проем 1113 для подачи топлива. Соединительная пластина 1101 служит для поддержки баланса тепловых нагрузок и потока тепла на протяжении пакета, когда он сформирован в виде теплообменника.
Хотя Фиг. 11AA показывает проем 1112 камеры для риформинга на правой стороне соединительной пластины 1101, следует понимать, что проемы камер узла риформинга располагаются для ступеней риформинга попеременно на противоположных сторонах вдоль соединительной пластины 1101 при расположении проемов для подачи топлива 1113 от первых или впускных проемов 1102 до последних или выпускных проемов 1103 и могут начинаться на любой стороне соединительной пластины 1101. Соответственно, ступени непосредственно перед ступенью 1110 и после нее могут иметь проемы 1112 камеры или ячейки для риформинга на левой стороне соединительной пластины 1101 и проемы 1113 для подачи топлива на правой стороне соединительной пластины 1101. В некоторых вариантах осуществления ступени могут быть сконфигурированы разным образом, чтобы подходить для предполагаемого применения, и варианты осуществления способа и устройства, описанные в данном документе, не должны пониматься как ограничивающие изменение различных проемов. Например, когда теплообмен включает один или несколько проходов, конфигурация может быть изменена, чтобы обеспечить приспособление этих проходов.
При функционировании часть потока 811 для риформирования в узле риформинга протекает через независимые каналы 1105, в которых она регенерирует тепло из нагретого потока 126 воздуха для узла риформинга, протекающего в независимых каналах 1145, показанных на Фиг. 11C и Фиг. 11CC, и затем направляется в проем 1112 камер узла риформинга. Проемы 1112 камер узла риформинга (включая проемы 1102 и 1103) объединяются с соответствующими проемами 1132 камер для риформинга (включая проемы 1122 и 1123), 1152, 1172 и 1192 на пластинах на Фиг. 11B-D и F, соответственно, чтобы образовать камеры узла риформинга, такие как камеры 841, 842, 843, 844 и 845 узла риформинга, показанные на Фиг. 8, в которых поток 811 для риформирования в узле риформинга частично каталитически риформируется. В некоторых вариантах осуществления камера, образованная впускными проемами 1102 вместе с соответствующими проемами на других пластинах, может быть совмещена, чтобы образовать чистую или пустую камеру, которая не включает катализатор и не риформирует поток 811 для риформирования в узле риформинга. После частичного риформирования поток 811 для риформирования в узле риформинга выпускается из камер узла риформинга и регенерирует тепло на последующей стадии риформинга, до тех пор, пока он не выпускается из последней ступени риформинга через проемы 1103 для выпуска потока для риформирования в узле риформинга, при этом риформированный поток объединяется с риформированным потоком, выпускаемым из последней ступени риформинга на пластине 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, чтобы образовать поток 180 синтез-газа.
Фиг. 11B показывает пластину 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, имеющую впускной проем 1122 для потока для риформирования в узле риформинга и выпускной проем 1123 камеры для потока для риформирования в узле риформинга, который может быть также проемом последней камеры или ячейки для риформинга, и путь 1124 для протекания, который содержит несколько независимых каналов 1125. Как показано на увеличенном виде пластины 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга на Фиг. 11BB, пример одной ступени риформинга 1130 из 14 ступеней, включенных в пластину 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, включает проем 1132 камеры или ячейки для риформинга, проем 1134 камеры сгорания и проем 1133 для подачи топлива. Хотя Фиг. 11BB показывает проем 1132 камеры узла риформинга на правой стороне пластины 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, следует понимать, что проемы камер узла риформинга располагаются для ступеней риформинга попеременно на противоположных сторонах вдоль пластины 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга при расположении проемов 1133 для подачи топлива от впускных проемов 1122 до выпускных проемов 1123 и могут начинаться на любой стороне пластины 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга. Соответственно, ступени непосредственно перед ступенью 1130 и после нее могут иметь проемы 1132 камеры или ячейки для риформинга на левой стороне пластины 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга и проемы 1133 для подачи топлива на правой стороне пластины 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга. В некоторых вариантах осуществления ступени могут быть сконфигурированы разным образом, чтобы подходить для предполагаемого применения, и варианты осуществления способа и устройства, описанные в данном документе, не должны пониматься как ограничивающие изменение различных проемов. Например, когда теплообмен включает один или несколько проходов, конфигурация может быть изменена, чтобы обеспечить приспособление этих проходов.
При функционировании часть потока 811 для риформирования в узле риформинга протекает через независимые каналы 1125, в которых она регенерирует тепло из нагретого потока 126 воздуха для узла риформинга, протекающего в независимых каналах 1145, показанных на Фиг. 11C и Фиг. 11CC, и затем направляется в проем 1132 камеры узла риформинга. Проемы 1132 камеры для риформинга (включая проемы 1122 и 1123) объединяются с соответствующими проемами камер узла риформинга 1112 (включая проемы 1102 и 1103), 1152, 1172 и 1192 на пластинах на Фиг. 11A, C-D и F, чтобы образовать камеры узла риформинга, такие как камеры 841, 842, 843, 844 и 845 узла риформинга, показанные на Фиг. 8, в которых поток 811 для риформирования в узле риформинга частично каталитически риформируется. В некоторых вариантах осуществления камера, образованная впускными проемами 1122 вместе с соответствующими проемами на других пластинах, может быть совмещена, чтобы образовать чистую или пустую камеру, которая не включает катализатор и не риформирует поток 811 для риформирования в узле риформинга. После частичного риформирования поток 811 для риформирования в узле риформинга выпускается из камеры узла риформинга и регенерирует тепло на последующей стадии риформинга, до тех пор, пока он не выпускается из последней ступени риформинга через проемы 1123 для выпуска потока для риформирования в узле риформинга, при этом риформированный поток объединяется с риформированным потоком, выпускаемым из последней ступени риформинга на пластине 1101 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, чтобы образовать поток 180 синтез-газа.
В некоторых вариантах осуществления Фиг. 11A-B также включают впускные каналы 1106 и 1126 для потока для риформирования в узле риформинга и выпускные каналы 1107 и 1127 для потока для риформирования в узле риформинга. Впускные каналы 1106 и 1126 для потока для риформирования в узле риформинга могут служить для подачи потока 811 для риформирования в узле риформинга в узел 820 риформинга и впускные проемы 1102 и 1122 и могут подавать поток через коллектор, который может быть приварен или присоединен поверх концов индивидуальных каналов, поперек пакета пластин, образующих PCR. Впускные проемы 1102 и 1122, вместе с соответствующими проемами на других пластинах могут образовывать камеру, которая может быть пустой камерой или камерой, которая может опционально содержать катализатор, чтобы активизировать дополнительный риформинг потока для риформинга, протекающего через узел 820 риформинга. В некоторых вариантах осуществления, таких как варианты осуществления, в которых не включены каналы 1106 и 1126, камера, сформированная из впускных проемов, может служить в качестве впускного отверстия для подачи потока 811 для риформирования в узле риформинга в узел 800 предварительного риформинга посредством подачи потока через отверстие, образованное на оконечной пластине, которое предоставляет доступ в камеру. Подобным образом, каналы 1107 и 1127 для выпуска потока для риформирования в узле риформинга могут служить для сбора потока 180 синтез-газа, протекающего в индивидуальных пластинах узла 820 риформинга, когда завершается риформинг потока 811 в камере, образованной проемами 1103 и 1123 камеры или ячейки для риформинга и соответствующими проемами на других пластинах и оконечными пластинами. Каналы 1107 и 1127 могут подавать поток 180 в коллектор, который может быть приварен или соединен иным образом с узлом предварительного риформинга поверх концов индивидуальных каналов поперек пакета пластин, образующих PCR. Каналы 1106, 1107, 1126 и 1127 могут быть сконфигурированы так же или иначе и иметь такие же или другие размеры по сравнению с каналами 1105 и 1125, и может иметься такое же или другое число каналов 1106, 1107, 1126 и 1127 по сравнению с каналами 1105 и 1125. Обычно каналы 1106, 1107, 1126 и 1127 могут независимым образом иметь размеры, представленные в таблице 1.
Фиг. 11C показывает пластину 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, имеющую впускные отверстия 1142 для воздуха для узла риформинга и выпускные отверстия 1143 для воздуха для узла риформинга и путь 1144 для протекания, который содержит несколько независимых каналов 1145. Как показано на увеличенном виде пластины 1141 для протекания потока воздуха для узла риформинга, представленном на Фиг. 11CC, пример одной ступени риформинга 1150 из 14 ступеней, включенных в пластину 1141 для протекания потока воздуха для узла риформинга, включает проем 1152 камеры или ячейки для риформинга, проем 1154 камеры сгорания и проем 1153 для подачи топлива. Хотя Фиг. 11CC показывает проем 1152 камеры узла риформинга на правой стороне пластины 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, следует понимать, что проемы камер узла риформинга располагаются для ступеней риформинга попеременно на противоположных сторонах вдоль пластины 1141 для протекания воздуха для узла риформинга при расположении проемов 1153 для подачи топлива от впускных проемов 1142 до выпускных проемов 1143 и могут начинаться на любой стороне пластины 1141 для протекания воздуха для узла риформинга. Соответственно, ступени непосредственно перед ступенью 1150 и после нее могут иметь проемы 1152 камеры или ячейки для риформинга на левой стороне пластины 1141 для протекания воздуха для узла риформинга и проемы 1153 для подачи топлива на правой стороне пластины 1141 для протекания воздуха для узла риформинга. В некоторых вариантах осуществления ступени могут быть сконфигурированы разным образом, чтобы подходить для предполагаемого применения, и варианты осуществления способа и устройства, описанные в данном документе, не должны пониматься как ограничивающие изменение различных проемов. Например, когда теплообмен включает один или несколько проходов, конфигурация может быть изменена, чтобы обеспечить приспособление этих проходов.
При функционировании поток 126 воздуха для узла риформинга протекает через независимые каналы 1145 и может предоставлять тепло части потока 811 для риформирования в узле риформинга, протекающей в независимых каналах 1105 на соединительной пластине 1101, показанной на Фиг. 11A, и части потока 811 для риформирования в узле риформинга, протекающей в независимых каналах 1125, показанных на Фиг. 11B, через стенки независимых каналов на каждой пластине. Поток 126 воздуха для узла риформинга затем направляется в проем 1154 камеры сгорания. Проемы 1154 камеры сгорания объединяются с соответствующими проемами 1114, 1134, 1174 и 1194 камеры сгорания на пластинах на Фиг. 11A-B, D и F, чтобы образовать камеры сгорания, такие как камеры сгорания 851, 852, 853 и 855, показанные на Фиг. 8, в которых поток 126 воздуха для узла риформинга повторно нагревается посредством каталитического сгорания топлива из независимых каналов 1165 на пластинах 1161 для топлива для риформинга. После повторного нагревания поток 126 воздуха для узла риформинга выпускается из камеры сгорания и нагревает поток 811 для риформирования в узле риформинга в следующей ступени риформинга, пока он не выпускается после последней ступени риформинга в проемы для воздуха для риформинга, из которых, со ссылкой на Фиг. 8, он выпускается из модуля 150 для риформинга в качестве потока 160 дымовых газов.
Фиг. 11D показывает пластину 1161 для протекания топлива для узла риформинга, имеющую впускные отверстия 1162 для топлива для узла риформинга, выпускные отверстия 1163 для топлива для узла риформинга и пути 1164 протекания текучей среды, которые содержат один или несколько независимых каналов 1165. В отличие от последовательного протекания потоков, протекающих в пластинах, показанных на Фиг. 11A-C, часть потока 124 топлива для узла риформинга подается отдельным и независимым образом в каждую ступень в узле риформинга параллельно. Соответственно, каждая ступень риформинга, в которую подается топливо на пластинах 1161 для топлива для риформинга, имеет свои собственные впускные отверстия 1162 для топлива для узла риформинга, выпускные отверстия 1163 для топлива для узла риформинга и путь для протекания 1164. Кроме того, количество потока 124 топлива для узла риформинга, подаваемого в каждую ступень, может быть одним и тем же или отличаться от количества потока 124 топлива для узла риформинга, подаваемого в другие ступени. В результате, впускные отверстия 1162 для топлива для узла риформинга, выпускные отверстия 1163 для топлива для узла риформинга и пути 1164 протекания текучей среды для каждой ступени могут быть сконфигурированы одним и тем же или разным образом для других ступеней. В некоторых вариантах осуществления количество потока 124 топлива для узла риформинга, подаваемого в каждую ступень после первой ступени может быть уменьшено по сравнению с предшествующей ступенью. Кроме того, одна или несколько последующих ступеней могут не принимать какую-либо часть потока 124 топлива для узла риформинга, поскольку необходимость в повторном нагревании потока 126 воздуха для узла риформинга может быть уменьшена или отсутствовать в некоторых последующих ступенях риформинга. Вариант осуществления устройства, в котором количество потока 124 топлива для узла риформинга, подаваемого в каждую последующую ступень риформинга, уменьшается, рассматривается ниже в отношении Фиг. 15.
Как показано на Фиг. 11D, пути 1164 протекания текучей среды могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы пассивно контролировать количество потока 124 топлива для узла риформинга, подаваемого в ступени риформинга посредством контроля размера, числа и геометрии независимых каналов 1165 и перепадов давления на протяжении устройства 100 для риформинга. Несколько выпускных отверстий 1163 для топлива для риформинга может быть использовано для каждой ступени, чтобы более равномерно подавать часть потока 124 топлива для узла риформинга в проем 1174 для сгорания на данной ступени. Кроме того, для некоторых ступеней часть потока 124 топлива для узла риформинга, подаваемая в данную ступень, может быть предоставлена из одного или нескольких проемов 1173 для подачи топлива. Соответственно, следует понимать, что, когда ссылаются на единственную ступень риформинга, часть топлива, подаваемого в эту ступень, может поступать из проема 1173 для подачи топлива, физически связанного с другой ступенью, и что проемы 1173 для подачи топлива могут быть сконфигурированы для подачи топлива в более чем одну ступень. Проемы 1173 для подачи топлива объединяются с соответствующими проемами 1113, 1133, 1153 и 1183 для подачи топлива на пластинах на Фиг. 11A-C и E, чтобы образовать пути доступа потока подаваемого топлива или камеры.
Как показано на увеличенном виде пластины 1161 для протекания топлива для узла риформинга на Фиг. 11DD, пример одной ступени риформинга 1170 из 14 ступеней, включенных в пластину 1161 для протекания топлива для узла риформинга, включает проем 1173 для подачи топлива, проем 1174 камеры сгорания и проем 1172 камеры или ячейки для риформинга. Хотя увеличенный вид пластины 1161 для протекания топлива для узла риформинга показывает проем 1173 для подачи топлива на правой стороне пластины 1161 для протекания топлива для узла риформинга, следует понимать, что проемы для подачи топлива располагаются попеременно на противоположных сторонах вдоль пластины 1161 для протекания топлива для узла риформинга по отношению к проемам 1172 камеры или ячейки для риформинга. Соответственно, ступени непосредственно перед ступенью 1170 и после нее могут иметь проемы 1173 для подачи топлива на левой стороне пластины 1161 для протекания топлива для узла риформинга и проемы 1172 камеры или ячейки для риформинга на правой стороне пластины 1161 для протекания топлива для узла риформинга. В некоторых вариантах осуществления ступени могут быть сконфигурированы разным образом, чтобы подходить для предполагаемого применения, и варианты осуществления способа и устройства, описанные в данном документе, не должны пониматься как ограничивающие изменение различных проемов.
При функционировании часть потока 124 топлива для узла риформинга протекает из путей доступа потока подаваемого топлива или камер через впускные отверстия 1162 для топлива по путям 1164 протекания текучей среды, содержащим независимые каналы 1165, через выпускные отверстия 1163 для топлива и в камеры сгорания 1174, в которых часть топлива из потока 124 топлива для узла риформинга каталитически сжигается в присутствии потока 126 воздуха для узла риформинга, посредством чего обеспечивается повторное нагревание потока 126 воздуха для узла риформинга. Побочные продукты от сгорания части топлива из потока 124 топлива для узла риформинга, выпускаются из камеры сгорания с потоком 126 воздуха для узла риформинга.
В некоторых вариантах осуществления каждая из Фиг. 11A-D включает впускные каналы 1108, 1128, 1142 и 1168 для потока воздуха для узла риформинга и выпускные каналы 1109, 1129, 1143 и 1169 для потока воздуха для узла риформинга. Впускные каналы 1108, 1128, 1142 и 1168 для потока для риформирования в узле риформинга могут служить для подачи потока 126 воздуха для узла риформинга в узел 820 риформинга и впускные проемы 1115, 1135, 1155 и 1175 для воздуха для узла риформинга и могут подавать поток через коллектор, который может быть приварен или присоединен поверх концов индивидуальных каналов, поперек пакета пластин, образующих PCR. Впускные проемы 1115, 1135, 1155 и 1175 могут образовывать камеру, которая может быть пустой камерой, собирающей поток воздуха для узла риформинга для подачи в путь для протекания 1144, содержащий каналы 1145. Подобным образом, выпускные каналы 1109, 1129, 1143 и 1169 для потока в узле риформинга могут служить для подачи потока 160 дымовых газов, протекающего в индивидуальных пластинах узла 820 риформинга, после конечной ступени теплообмена и опционального сгорания в систему труб или трубопровод для подачи потока дымовых газов в узел 800 предварительного риформинга. Каналы 1109, 1129, 1143 и 1169 могут подавать поток 160 в коллектор, который может быть приварен или соединен иным образом с узлом предварительного риформинга поверх концов индивидуальных каналов поперек пакета пластин, образующих PCR. Впускные каналы 1108, 1128, 1142 и 1168 для потока воздуха для узла риформинга и выпускные каналы 1109, 1129, 1143 и 1169 для потока воздуха для узла риформинга могут быть сконфигурированы также или иначе и иметь такие же или другие размеры по сравнению с каналами 1145, и может иметься такое же или другое число впускных каналов 1108, 1128, 1142 и 1168 для потока воздуха для узла риформинга и выпускных каналов для потока воздуха для узла риформинга 1109, 1129, 1143 и 1169 по сравнению с каналами 1145. Обычно впускные каналы 1108, 1128, 1142 и 1168 для потока воздуха для узла риформинга и выпускные каналы 1109, 1129, 1143 и 1169 для потока воздуха для узла риформинга могут независимым образом иметь размеры, представленные в таблице 1. Посредством конфигурирования подачи потока 126 воздуха для узла риформинга таким образом перепад давления потока через узел риформинга может быть минимизирован.
Фиг. 11E показывает пример верхней оконечной пластине 1180, имеющей проемы 1183 для подачи топлива. Верхняя оконечная пластина 1180 может быть сплошной пластиной или пластинами без путей для протекания текучей среды и может быть изолированной, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. В некоторых вариантах осуществления применяется единственная верхняя оконечная пластина 1180. В других вариантах осуществления может быть применено несколько верхних оконечных пластин 1180, чтобы обеспечить достаточную толщину для коллекторов или отверстий, которые подают топливо. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрен коллектор, который соединен, например, сваркой, в продольном и поперечном направлении верхней пластины и который обеспечивает подачу топлива в каждый из проемов для подачи топлива. В некоторых вариантах осуществления эта подача может быть осуществлена предоставлением топлива в коллектор, при этом коллектор является отдельным открытым пространством, которое предоставляет доступ в каждый из проемов для подачи топлива, и которые в силу их конфигурации предоставляют желательный перепад давления для обеспечения желательного пассивного контроля подачи топлива в камеры сгорания в узле риформинга. Подобным образом, как показано на Фиг. 11F, нижняя оконечная пластина 1190 может быть сплошной пластиной или пластинами без путей для протекания текучей среды и может быть изолированной, чтобы улучшить перенос тепла и ограничить тепловые потери. В некоторых вариантах осуществления нижняя оконечная пластина 1190 может включать впускные отверстия и выпускные отверстия для ввода и вывода одного или нескольких различных потоков, а также проемы 1192 камер или ячеек для риформинга и проемы 1194 камеры сгорания, которые могут иметь соединенные с ними входные отверстия. В некоторых вариантах осуществления может быть применено несколько нижних оконечных пластин. В некоторых вариантах осуществления применяется единственная нижняя оконечная пластина 1190. В других вариантах осуществления может быть применено несколько оконечных пластин, чтобы обеспечить достаточную толщину для коллекторов или отверстий. В некоторых вариантах осуществления оконечные пластины образуют стенку для проходов на соединительной пластине, обращенной к оконечной пластине, служат в качестве крышек для проемов и поддерживают соединение соответствующих потоков в PCR, например, через отверстия или коллекторы. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления оконечные пластины должны быть достаточно толстыми, чтобы соответствовать давлению в каждом проеме, и чтобы поддерживать отверстия или коллекторы. В некоторых вариантах осуществления каждый из разных проемов в нижних оконечных пластинах может быть закрыт крышками для проемов после того, как пластины были пакетизированы с образованием узла риформинга. В некоторых вариантах осуществления крышки для проемов могут включать любой подходящий материал, включая материал, из которого сформированы пластины, и могут быть соединены, например, сваркой или иным образом, чтобы блокировать, уплотнить или закрыть проемы на нижних оконечных пластинах.
Когда различные соединительные пластины 1101, пластины 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, пластины 1141 для протекания воздуха для риформинга, пластины 1161 для протекания топлива для риформинга, верхние оконечные пластины 1180 и нижние оконечные пластины 1190 пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иным образом, чтобы образовать PCR, они предпочтительно совмещены таким образом, что каждые из разных проемов 1112, 1132, 1152, 1172 и 1192 камер или ячеек для риформинга совмещены, чтобы образовать камеры для риформинга или ячейки для риформинга, например камеры или ячейки 841, 842, 843, 844 и 845 для риформинга. В дополнение к совмещению проемов камер или ячеек для риформинга, пакетирование пластин предпочтительно совмещает проемы 1133, 1153, 1173 и 1183 для подачи топлива, чтобы образовать пути доступа потоков или камеры и совмещает проемы 1114, 1134, 1154, 1174 и 1194 камер сгорания, чтобы образовать камеры сгорания, такие как камеры сгорания 851, 852, 853 и 855. В камерах или ячейках для риформинга и камерах сгорания может быть размещен структурированный или неструктурированный катализатор, и реакция риформинга и реакция горения могут быть катализированы с применением любого подходящего катализатора. Для тех пластин и потоков, которые не имеют проемов, через которые доступны пути протекания текучей среды и проточные каналы, могут быть присоединены коллекторы, например, сваркой, поверх концов индивидуальных каналов, чтобы облегчить подачу и/или отбор потока, протекающего через соответствующие каналы.
Кроме того, чтобы совместить различные проемы, пакетирование пластин предпочтительно располагает пути 1104 и 1124 протекания текучей среды в непосредственной близости к пути 1144 для протекания, чтобы способствовать переносу тепла через стенки независимых каналов 1145 в независимые каналы 1105 и 1125. В некоторых вариантах осуществления этот перенос тепла происходит в том, что представлено на Фиг. 8 как теплообменники, такие как теплообменники 831, 832, 833 и 834.
В некоторых вариантах осуществления пластины могут быть пакетизированы и соединены диффузией или соединены иным образом в любом подходящем порядке, чтобы образовать вариант PCR узла 820 риформинга. В некоторых вариантах осуществления пластины могут быть пакетизированы и соединены диффузией или же соединены иначе по порядку следующим образом: по меньшей мере одна верхняя оконечная пластина 1180, соединительная пластина 1101, несколько секций для риформинга, каждая секция для риформинга содержит пластину 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, пластину 1161 для протекания топлива для узла риформинга, вторую пластину 1141 для протекания воздуха для узла риформинга и пластину 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга, и остаток пакета включает по порядку пластину 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, пластину 1161 для протекания топлива для узла риформинга, вторую пластину 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, другую соединительную пластину 1101 и нижнюю оконечную пластину 1190. Соответственно, порядок пластин реактора в виде печатной платы в данном пакете для некоторых вариантов осуществления узла 820 риформинга может иметь следующий вид для активных пластин (соединительная пластина 1101=B, пластина 1141 для протекания воздуха для узла риформинга=A, пластина 1161 для протекания топлива для узла риформинга=F, пластина 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга=R): B A F A RA F A R . . . A F A B. Перспективный вид секции для риформинга показан на Фиг. 12.
3
В одном из конкретных вариантов осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа узел 820 риформинга содержит PCR, имеющий 3 верхние оконечные пластины, за которыми следует соединительная пластина 910, за которой следуют 5 секций для риформинга, за которыми следует пластина 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, пластина 1161 для протекания топлива для узла риформинга, вторая пластина 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, другая соединительная пластина 1101 и 3 нижние оконечные пластины. Предпочтительно, узел 820 риформинга содержит PCR, который изготовлен из материалов, которые могут противостоять давлениям и температурам, имеющим место в узле 820 риформинга. В некоторых вариантах осуществления узел 820 риформинга может быть изготовлен из сплавов Alloy 800H или Alloy 617.
Индивидуальные пластины, составляющие PCR, могут независимым образом иметь толщины, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления каждая из пластин может иметь толщину 1,6 мм. Кроме того, каждый из независимых проточных каналов 1105, 1125, 1145 и 1165 может независимым образом иметь в основном полукруглое поперечное сечение и может независимым образом иметь размеры, представленные в таблице 1. В некоторых вариантах осуществления независимые каналы 1105 на соединительных пластинах 1101 могут иметь глубину 1,10 мм, ширину 1,69 мм и кромки 1,00 мм. В некоторых вариантах осуществления независимые каналы 1125 на пластинах 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга могут иметь глубину 1,10 мм, ширину 1,69 мм и кромки 1,00 мм. В некоторых вариантах осуществления независимые каналы 1145 на пластинах 1141 для протекания воздуха для риформинга могут иметь глубину 1,10 мм, ширину 1,69 мм и кромки 0,90 мм. В некоторых вариантах осуществления независимые каналы 1165 на пластинах 1161 для протекания топлива для риформинга могут иметь глубину 1,10 мм, ширину 1,69 мм и кромки 0,4 мм.
В некоторых вариантах осуществления, когда узел 820 риформинга содержит PCR, данный PCR может функционировать следующим образом: поток 811 для риформирования в узле риформинга может вводиться в пути 1104 и 1124 протекания текучей среды на соединительных пластинах 1101 и пластинах 1121 для протекания потока для риформирования в узле риформинга через свободные от катализатора камеры узла риформинга, образованные совмещением соответствующих проемов узла риформинга на каждой из пластин, составляющих PCR, включая впускные проемы 1102 и 1122 для потока для риформирования в узле риформинга. Поток 811 для риформирования в узле риформинга может вводиться в независимые каналы 1105 и 1125, составляющие часть путей 1104 и 1124 протекания текучей среды, в которых он нагревается потоком 126 воздуха для узла риформинга, который вводится в PCR на пластине 1141 для протекания воздуха для узла риформинга через впускные отверстия 1142 для воздуха для узла риформинга и в несколько независимых каналов 1145 пути 1144 для протекания. Предпочтительно, поток 126 воздуха для узла риформинга и поток 811 для риформирования в узле риформинга обмениваются теплом через стенки их независимых каналов 1145, 1105 и 1125 при протекании в режиме однопроходного перекрестноточного потока, хотя обычно потоки предпочтительно протекают в прямоточном направлении, как показано на Фиг. 8. Соответственно, во время фактического переноса тепла потоки предпочтительно протекают в перекрестноточном режиме по отношению одного к другому, однако протекание обоих потоков через PCR предпочтительно происходит в основном в прямоточном направлении.
После приема тепла из потока 126 воздуха для узла риформинга поток 811 для риформирования в узле риформинга вводится в камеру или ячейку 841 для риформинга, образованную совмещением разных проемов камеры или ячейки для риформинга на пластинах PCR, в которой газообразный углеводород в потоке для риформирования в узле риформинга частично каталитически риформируется. Подобным образом, после нагревания потока 811 для риформирования в узле риформинга поток 126 воздуха для узла риформинга вводится в камеру сгорания 851, в которой он повторно нагревается посредством сжигания части топлива из потока 124 топлива для узла риформинга. Часть потока 124 топлива для узла риформинга вводится в PCR через один или несколько путей доступа потоков топлива для узла риформинга или камер, образованных совмещением соответствующих проемов для подачи топлива на каждой из пластин, составляющих PCR, и поступает в независимые каналы 1165 пути 1164 для протекания и через впускные отверстия 1162 для топлива для узла риформинга. Часть потока 124 топлива для узла риформинга протекает через независимые каналы 1165 и в камеру сгорания 851 через выпускные отверстия 1163 для топлива для узла риформинга, и топливо каталитически сжигается в присутствии потока 126 воздуха для узла риформинга, чтобы подогреть поток 126 воздуха для узла риформинга для следующей ступени риформинга. Таким образом, поток 811 для риформирования в узле риформинга и поток 126 воздуха для узла риформинга проходят несколько ступеней теплообмена, риформинга и сгорания до тех пор, пока поток 811 для риформирования в узле риформинга не выводится из PCR в качестве потока 180 синтез-газа, а поток 126 воздуха для узла риформинга не выводится из узла риформинга в качестве потока 160 дымовых газов.
Вид сверху варианта PCR 900 или узла 800 предварительного риформинга и вид сверху варианта PCR 1300 узла 820 риформинга показаны на Фиг. 13A-B. Как показано на фигурах, каждая из камер или ячеек 1310, 1320, 1330 для предварительного риформинга и камер или ячеек 1340 для риформинга показана как заполненная катализатором риформинга. Подобным образом, каждая из камер сгорания 1350 показана как заполненная катализатором. В этом варианте PCR 1300, верхние пластины 1360 также включают проемы 1362 для подачи топлива, которые способствуют образованию камер 1364 для подачи топлива. Соответственно, в этом варианте осуществления PCR 1300, доступ к каждой из камер может быть обеспечен через верхние пластины 1360.
Различные PCHE и PCR, описанные в данном документе, могут включать пластины, которые включают независимые проточные каналы для различных потоков. Пластины для каждого из PCHE и PCR могут независимым образом для каждой пластины или проточного канала имеет размеры, представленные в таблице 1:
3
В одном из вариантов осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива эффективное функционирование модуля 150 для риформинга при нахождении в пределах расчетных температур материала может иметь температурные профили для риформинга и сгорания, которые выглядят примерно подобно тем, что показаны на Фиг. 14. Хотя и не представляя фактических данных, Фиг. 14 показывает график 1400 желательного тренда температурного профиля потока 811 для риформирования в узле риформинга и потока 126 воздуха для узла риформинга, когда они проходят через 14 ступеней риформинга (при не включенной последней камере или ячейке для риформинга и камере сгорания) при пассивном контроле подачи топлива в каждую ступень сгорания, так что количество подаваемого топлива уменьшается от ступени к ступени. Как показано, полагают, что температура потока 811 для риформирования в узле риформинга, когда он риформирован в каждой из камер или ячеек 841, 842, 843 и т.д. для риформинга 14 ступеней узла риформинга, вероятно достигает примерно такой величины, как это показано линией 1401, и температура потока 126 воздуха для узла риформинга, когда он нагрет и обменивается теплом с потоком 811 для риформирования в узле риформинга, вероятно достигает такой величины, как показано линией 1410. Как показано, средняя разность температур между потоком для риформирования в узле риформинга 811 и потоком 126 воздуха для узла риформинга для каждой ступени должно уменьшаться от ступени к ступени, и температура потока 811 для риформирования в узле риформинга должна увеличиваться от ступени к ступени. Предпочтительно, повышение температуры потока 811 для риформирования в узле риформинга должно предваряться увеличением парциального давления водорода в потоке 811 для риформирования в узле риформинга в результате риформинга. Посредством повышения температуры с увеличением содержания водорода в потоке 811 для риформирования в узле риформинга 811, могут быть устранены условия закоксовывания и пыления металла или уменьшено их воздействие. В результате увеличения температуры потока для риформирования в узле риформинга от ступени к ступени, потребность в топливе для каждой последовательной ступени этого варианта осуществления должна уменьшаться между стадиями, поскольку тепловая нагрузка, требующаяся для повторного нагревания потока 811 для риформирования в узле риформинга и для повторного нагревания потока 126 воздуха для узла риформинга, должна уменьшаться от ступени к ступени. Предпочтительно, как показано на Фиг. 14, температура потока для риформирования в узле риформинга и потока воздуха для узла риформинга будет стремиться к асимптоте несколько выше 800°C.
В некоторых вариантах осуществления подача топлива и/или воздуха в каждую из ступеней риформинга может пассивно контролироваться посредством регулирования давления и перепадов давления в потоках воздуха и топлива на протяжении устройства 100 для риформинга. Посредством пассивного контроля подачи топлива в каждую из ступеней регулируется количество тепла, образованного сгоранием топлива, посредством чего регулируется количество тепла, предоставляемого потоку 126 воздуха для узла риформинга и, в конечном счете, потоку 811 для риформирования в узле риформинга и связанным с ним камерам или ячейкам для риформинга. Давление топлива во впускном отверстии данной линии и перепад давления на длине линии определяет объем топлива, которые поставляется по этой линии в единицу времени. Перепад давления может регулироваться в данной топливной линии посредством, например, изменения длины топливной линии, изменения извилистости канала для протекания, т.е. числа и крутизны поворотов в топливной линии, изменения числа топливных линий и/или изменения площади поперечного сечения топливной линии. Изменение одной или некоторых из этих характеристик топливной линии, соответственно, регулирует степень «сопротивления», с которым встречается поток топлива в данной топливной линии на пути до камеры сгорания, и тем самым может пассивно контролироваться количество топлива, подаваемого в единицу времени.
Эффективность процесса риформинга зависит от температуры, поскольку достигаемая степень конверсии метана зависит от максимальной достигаемой температуры. Также желательно ограничивать верхнюю температуру металла, который образует физическую структуру узла риформинга. Поэтому, посредством контроля количества топлива, подаваемого в каждую последующую камеру сгорания, посредством конфигурирования топливных линий, в особенности для каждой ступени риформинга, температуры металла могут контролироваться при обеспечении повышения температуры риформинг от ступени к ступени, посредством чего увеличивается эффективность в целом устройства 100 для риформинга.
Предпочтительно, чтобы контроль, предоставляемый регулированием конфигураций топливной линии, являлся пассивным. Иными словами, конфигурации топливной линии сами по себе обеспечивают регулирование без необходимости в предписывающих механизмах контроля. С этой целью, предпочтительно, чтобы топливные линии были сконфигурированы специально для параметров конкретной системы. Например, в варианте PCR узла 820 риформинга, описанного в отношении Фиг. 11A-F, каждый независимый канал 1165, который подает топливо в камеру сгорания, может быть независимым образом вытравлен или сформирован иным образом в соответствии с желательной конфигурацией топливной линии, для которой канал предоставляет желательное сопротивление. После изготовления устройства с топливными линиями, сконфигурированными таким образом, дополнительные механизмы активного контроля являются предпочтительно излишними. Посредством предоставления такого пассивного контроля устройство 100 для риформинга может быть проще и меньше по размерам, поскольку ограничивается или устраняется использование узлов для активного измерения и регулирования потока, что приводит к выигрышу в стоимости и конструировании и также к возможности более гибкого изменения производительности.
В некоторых вариантах осуществления для уменьшения числа параметров, которые необходимо учитывать при достижении подходящего сопротивления, которое должно быть предоставлено каждым независимым каналом 1165, и для простоты изготовления каналов предпочтительно, чтобы каждый из независимых каналов 1165, питающих соответствующие камеры сгорания, имел один и тот же размер поперечного сечения. Также предпочтительно, чтобы все независимые каналы 1165 были сконфигурированы для ламинарного течения, так что перепад давления представляет собой прямую зависимость от расхода для всех каналов. Соответственно, вследствие линейного изменения расхода относительно перепада давления соотношения расхода топлива и расхода воздуха на каждой ступени сгорания может оставаться сравнительно постоянным даже при значительном изменении производительности устройства 100 для риформинга.
Доставка воздуха и топлива в камеры сгорания, такие как камера сгорания 821, уравновешивается посредством конструкции пластин 1141 и 1161. Кроме того, давление воздуха, поступающего по воздушным линиям 1145, и давление топлива, поступающего по независимым каналам 1165, согласовываются или приводятся в соответствие самопроизвольным образом в камере сгорания, чтобы получить желательную степень сгорания для данной конкретной камеры. Эта балансировка давлений, в свою очередь, предоставляет соответствующее количество тепла для реагентов риформинга, когда они вводятся в соответствующую камеру или ячейку для риформинга. Предпочтительно, чтобы перепады давления в каждой линии устанавливались таким образом, чтобы общее давление топлива было несколько выше атмосферного. Однако другие перепады давления могут быть установлены таким образом, чтобы находиться в рамках некоторых вариантов осуществления.
Фиг. 15 является диаграммой сопротивлений протеканию в воздушной и топливной линиях в варианте осуществления модуля для риформинга. Сопротивления протеканию в этой сетке, как показано на Фиг. 15, предпочтительно отрегулированы таким образом, что количество топлива, поставляемого в каждую ступень сгорания потоками топлива 861, 862, 863, и т.д. для последовательных ступеней риформинга, уменьшается на протяжении длины узла риформинга, несмотря на то, что перепад давления, приводящий к протеканию топлива, увеличивается. Это уменьшение на протяжении длины узла риформинга приводит к уменьшению риформинга, происходящего на каждой последовательной ступени риформинга, и к повышению температуры риформируемого потока на каждой последовательной ступени риформинга. Фиг. 15 показывает сопротивление протеканию в воздушной и топливной линиях, связанных с индивидуальными компонентами, посредством которой протекание в топливных линиях обсуждается со ссылкой на потоки и компоненты, описанные со ссылками на Фиг. 1. Как показано, поток 106 исходного воздуха разделяется на поток 107 исходного воздуха и поток 114 воздуха для сжигания. Поток 114 воздуха для сжигания испытывает сопротивление протеканию 1515, связанное с клапаном 115a, перед введением в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, в котором он испытывает сопротивление протеканию 1511 и выпускается из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа в качестве потока 1514 воздуха для сжигания. Подобным образом, поток 107 исходного воздуха и поток 105 исходного топлива вводятся в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, в котором они испытывают сопротивления протеканию 1512 и 1510, соответственно.
После выпуска из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа поток 1514 воздуха для сжигания и поток 105 исходного топлива объединяются, чтобы образовать поток 118 топливно-воздушной смеси. Пассивно контролируемая часть потока 118 топливно-воздушной смеси, соответствующая воздушной подогретой смеси 117 испытывает сопротивление 1520, когда она отделяется от топливно-воздушной смеси 118 для сжигания в присутствии потока 1508 исходного воздуха в подогревателе 122 воздуха. Оставшаяся часть топливно-воздушной смеси 118, топливная подогретая смесь 119, частично каталитически сжигается в подогревателе 120 топлива, в котором она испытывает сопротивление протеканию 1530 и становится потоком 124 топлива для узла риформинга. В подогревателе 122 воздуха поток 107 исходного воздуха нагревается посредством каталитического сгорания топлива в воздушной подогретой смеси 117, испытывает сопротивление протеканию 1522 и затем испытывает сопротивление протеканию 1525, когда она вводится в модуль 150 для риформинга и становится потоком 126 воздуха для риформинга. Сопротивление протеканию 1525 связано с не являющимся незначительным сопротивлением протеканию, которое физически действует после подогревателя 122 воздуха на входе в блок узла риформинга.
В этой точке на Фиг. 15 поток 124 топлива для узла риформинга и поток 126 воздуха для узла риформинга вводятся в узел 820 риформинга. Как показано, поток 126 воздуха для узла риформинга испытывает сопротивление 1540 в теплообменнике 831 в первой ступени риформинга узла 820 риформинга и становится потоком воздуха 1550 для узла риформинга. После выпуска из теплообменника 831 поток 1550 воздуха для узла риформинга объединяется с пассивно контролируемой частью потока 124 топлива для узла риформинга, например потоком 861 топлива для ступени риформинга, и топливо затем сжигается в камере сгорания 851, чтобы повторно нагреть поток 1550 воздуха для узла риформинга. Пассивно контролируемая часть потока 124 топлива для узла риформинга испытывает сопротивление протеканию 1560 перед объединением с потоком 1550 воздуха для узла риформинга в результате контроля протекания. Поток 1550 воздуха для узла риформинга испытывает сопротивление протеканию 1541 в теплообменнике 832 в следующей ступени риформинга, выпускается из теплообменника 832 как поток 1551 воздуха для узла риформинга и объединяется с пассивно контролируемой частью потока 124 топлива для узла риформинга, например потоком 862 топлива для ступени риформинга, который испытывает сопротивление протеканию 1561 перед объединением с потоком 1551 воздуха для узла риформинга. Поток 1551 воздуха для узла риформинга затем повторно нагревается в камере сгорания 852 и испытывает сопротивление протеканию 1542 в теплообменнике 833 в следующей ступени риформинга, при этом он становится потоком 1552 воздуха для узла риформинга. После выпуска из теплообменника 833 поток 1552 воздуха для узла риформинга объединяется с пассивно контролируемой частью потока 124 топлива для узла риформинга, например потоком 863 топлива для ступени риформинга, который испытывает сопротивление протеканию 1562 перед объединением с потоком 1552 воздуха для узла риформинга, и повторно нагревается посредством сгорания топлива в камере сгорания 853.
Таким образом, гидродинамическая сетка сопротивлений для потоков воздуха и топлива действует на протяжении любого подходящего числа ступеней, представленных как 880 на Фиг. 8, и испытывает сопротивления протеканию, представленные разрывами 1570 и 1571 на Фиг. 15. Непосредственно перед последней ступенью риформинга поток 1553 воздуха для узла риформинга объединяется с пассивно контролируемой частью потока 124 топлива для узла риформинга, например потоком 865 топлива для ступени риформинга, который испытывает сопротивление протеканию 1565 перед объединением с потоком 1553 воздуха для узла риформинга и повторно нагревается посредством сгорания топлива в камере сгорания 855. После повторного нагревания поток 1552 воздуха для узла риформинга обменивается теплом последний раз с потоком для риформирования в узле риформинга перед выпуском из узла 820 риформинга в качестве дымовых газов 160.
В узле риформинга на Фиг. 15 имеются два маршрута к любой точке, в которой топливо и воздух могут смешиваться, и при функционировании оборудовании потоки в нижнем течении разветвлений саморегулируется, так что давления в точках смешивания совпадают. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления могут быть введены следующие ограничения в расчетные давления и перепады давления компонентов в гидродинамической сетке сопротивлений для потоков топлива/воздуха, показанной на Фиг. 15 (Px обозначает давление в линии x, в то время как ΔPx обозначает перепад давления, обусловленный сопротивлением с цифровым обозначением x, показанным на Фиг. 15; P105 (горячий) представляет собой давление в потоке 105 после того как он подвергнут сопротивлению 1510 в теплообменнике 110 для регенерации тепла синтез-газа, и P105 (холодный) представляет собой давление в потоке 105 перед введением в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа):
105 (горячий)
105 (холодный)
1510
106
1515
1511
P=P-ΔP=P-ΔP-ΔP
1508
1518
1520
107
1512
1522
P=P-ΔP=P-ΔP-ΔP
1550
1518
1530
1560
1508
1525
1540
P=P-ΔP-ΔP=P-ΔP-ΔP
1551
1518
1530
1561
1550
1541
P=P-ΔP-ΔP=P-ΔP
1552
1518
1530
1562
1551
1542
P=P-ΔP-ΔP=P-ΔP
1553
1518
1530
1565
ПРЕДШЕСТВУЮЩАЯ СТУПЕНЬ
ТЕПЛООБМЕННИК ПРЕДШЕСТВУЮЩЕЙ СТУПЕНИ
P=P-ΔP-ΔP=P-ΔP
3
В одном из вариантов осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива подходящее решение для перепадов давления, удовлетворяющее указанным выше ограничениям в узле риформинга на базе PCR, которое содержит 14 ступеней риформинга, представлено в таблице 2 ниже при использовании числовых обозначений, примененных на Фиг. 1 и 8, чтобы идентифицировать компоненты или потоки, в которых проявляется перепад давления в соответствующих местах. Следует заметить, что для ступеней риформинга, представленных разрывами 836 и 826 на Фиг. 8, потоки топлива для соответствующих ступеней теплообменник/сгорание или ступеней риформинга идентифицируются числовыми обозначениями 836(x) и 826(x), соответственно, где x - буква алфавита, начинающаяся с «а» и далее по алфавиту для каждой последующей ступени риформинга. Соответственно, для первой ступени риформинга, представленной разрывами 836 и 826, поток воздуха для узла риформинга представлен как 836(a), и подача топлива для данной ступени риформинга представлена как 826(a), и так далее.
Таблица 2
<b>Примеры подходящих перепадов давления в потоках топлива и воздуха в одном из вариантов осуществления устройства для риформинга</b>
Компонент/Поток
ΔP (кПа)
Компонент/Поток
ΔP (кПа)
110/107
3,08
117
1,07
110/105
1,05
861
1,93
115a/114
0,00
862
2,32
110/114
1,87
863
2,73
122/107
0,10
826(a)
3,17
150/126
0,09
826(b)
3,62
126/831
0,37
826(c)
4,10
832
0,40
826(d)
4,61
833
0,43
826(e)
5,12
836(a)
0,45
826(f)
5,66
836(b)
0,48
826(g)
6,23
836(c)
0,50
826(h)
6,77
836(d)
0,52
826(i)
7,33
836(e)
0,54
865
8,04
836(f)
0,56
836(g)
0,57
836(h)
0,59
836(i)
0,60
835
0,61
3
В одном из вариантов осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива, содержащем 14 ступеней риформинга, начиная с топлива в линии 117, подаваемого в камеру сгорания 122 в поток 126 воздуха для узла риформинга, и далее для каждого последовательного потока 861, 862, 863 топлива для ступеней риформинга, доля топливного потока 118, подаваемого в каждую линию, может быть такой, как указано в таблице 3 ниже. Следует заметить, что для ступеней на Фиг. 8, представленных разрывом 826, применяются числовые обозначения 826(x), где x - буква алфавита, начинающаяся с «а» и далее по алфавиту для каждой последующей ступени риформинга.
Таблица 3
<b>Пример распределения топлива в узле риформинга с 14 ступенями</b>
Поток топлива
% подачи топлива
117
18,6%
861
10,4%
862
9,8%
863
8,9%
826(a)
8,1%
826(b)
7,7%
826(c)
6,9%
826(d)
6,3%
826(e)
5,5%
826(f)
4,9%
826(g)
4,1%
826(h)
3,5%
826(i)
2,8%
865
2,5%
Предпочтительно, высокая степень точности в величинах распределения топлива в некоторых вариантах осуществления узла риформинга не требуется, однако в некоторых вариантах осуществления величина добавления топлива в каждую ступень обычно уменьшается, когда температура узла риформинга увеличивается для того, чтобы поддерживать температуры риформинга ниже расчетной температуры материала для оборудования, однако близко к ней. В некоторых вариантах осуществления расчетная температура может быть порядка 820°C или выше. Более высокие температуры могут благоприятствовать конверсии метана в узле риформинга, однако они могут также создавать более жесткие рабочие условия для материалов конструкции. Вследствие того, что коэффициенты теплопередачи газов на стороне риформинга значительно выше, чем на стороне сгорания, общая температура материалов конструкции имеет тенденцию оставаться близкой к температуре риформируемого газа, и, следовательно, в некоторых вариантах осуществления температуры сгорания газа могут превышать расчетную температуру материала.
Для того, чтобы обеспечить на протяжении узла риформинга топливно-воздушные смеси, которые будут соответствовать желательным температурным профилям, компоненты для теплообмена и сгорания компоненты предпочтительно проектируются таким образом, чтобы они выполняли свои первичные функции при одновременном обеспечении того, что перепады давления, связанные с каждым из них, соответствуют величинам, требующимся для хорошего смешивания топлива с воздухом. Предпочтительно, перепады давления для потоков воздуха и топлива через узел 820 риформинга являются низкими, например меньше 0,50 бар (50 кПа), меньше 0,30 бар (30 кПа), меньше 0,25 бар (25 кПа), меньше 0,20 бар (20 кПа), меньше 0,175 бар (17,5 кПа), меньше 0,15 бар (15 кПа), меньше 0,125 бар (12,5 кПа) или меньше 0,10 бар (10 кПа) или порядка 0,10 бар (10 кПа) или меньше в целом, чтобы избежать снижения эффективности, связанного с большим потреблением мощности воздуходувкой. Кроме того, входящий поток 104 исходного топлива также может быть чувствителен к перепаду давления. Например, если поток 104 исходного топлива является потоком отходящего газа от системы адсорбции при переменном давлении (PSA), то высокий перепад давления топлива, требующий высокого давления во впускном отверстии для топлива, может понижать эффективность системы PSA.
3
В некоторых вариантах осуществления желательно, чтобы выбранное распределение потоков и конфигурации соответствующих пластин подходили для широкого диапазона изменения производительности. Это может быть выполнено проектированием соответствующих пластин узла риформинга, теплообменников и камер сгорания и соответствующих путей протекания для потоков топлива и воздуха таким образом, чтобы перепад давления был в основном пропорционален расходам (т.е. чтобы поток являлся по существу ламинарным; в прямолинейных каналах поток является по существу ламинарным, когда число Рейнольдса меньше 2000). Посредством поддержания ламинарного течения, хорошее распределение топлива может поддерживаться до очень низкой производительности, как показано в таблице 4 ниже для функционирования с производительностью 10% варианта осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива, содержащего 14 ступеней риформинга, при сравнении с расчетной производительностью. Данные в таблице 4 предполагают, что поток воздуха изменяется пропорционально производительности, однако не требуется дополнительного контроля топливно-воздушной системы.
Таблица 4
<b>Сравнение расхода топлива между расчетной производительностью и снижением производительности до 10%</b>
Поток топлива
% расхода топлива (расчетная производительность)
% расхода топлива (10% производительности)
117
18,6%
18,3%
821
10,4%
8,8%
822
9,8%
8,9%
823
8,9%
8,6%
826(a)
8,1%
8,1%
826(b)
7,7%
7,8%
826(c)
6,9%
7,2%
826(d)
6,3%
6,7%
826(e)
5,5%
6,0%
826(f)
4,9%
5,3%
826(g)
4,1%
4,5%
826(h)
3,5%
3,9%
826(i)
2,8%
3,1%
865
2,5%
2,8%
В вариантах осуществления узла 820 риформинга на базе PCR компоновка узла риформинга может предоставлять четырехсторонний баланс между перепадом давления воздуха в пластине 1141 для протекания воздуха для узла риформинга, перепадом давления топлива в пластине 1161 для протекания топлива для узла риформинга, теплом, требующимся для эндотермической реакции риформинга в камерах или ячейках для риформинга, и ограничением максимальной температуры, создаваемой в камерах сгорания, температурами, подходящими для материалов конструкции. Для упрощения технических требований пластина 1161 для протекания топлива для узла риформинга и пластина 1141 для протекания воздуха для узла риформинга предпочтительно конфигурируются, чтобы обеспечить уменьшенный или минимальный перепад давления. Как указано выше, воздух и топливо предпочтительно доставляются в камеры сгорания при давлении несколько выше атмосферного давления, предпочтительно при устранении необходимости в сжатии топлива, чтобы обеспечить согласование четырех переменных и, тем самым, избежать связанных с этим увеличения затрат, усложнения конструкции и снижения надежности.
Поэтому в некоторых вариантах осуществления конструкция независимых каналов 1165 может контролировать количество топлива, подаваемого в каждую из соответствующих камер сгорания, посредством лишь одной внешней переменной в условиях подачи топлива, подлежащих контролю, и этой переменной является давление топлива, под которым оно поступает в топливный коллектор, снабжающий им каждый из путей или камер доступа потока топлива, образованных из проемов для подачи топлива. Давление топлива предпочтительно контролируется, чтобы поддерживать температуру потока воздуха для узла риформинга на некотором уровне, чтобы ограничивать максимальную общую температуру узла риформинга при одновременной подаче тепла, требующегося для эндотермической реакции риформинга. Необходимость в сжатии топлива предпочтительно устраняется конструированием всех независимых каналов 1165 с учетом минимального перепада давления.
Система распределения топлива, описанная выше, предоставляет несколько преимуществ по сравнению с известным уровнем техники. Например, нормируемое добавление топлива в каждую ступень предпочтительно ограничивает тепло, которое может быть добавлено в каждой ступени, посредством чего устраняется баланс сгорания, переноса тепла и реакции риформинга как в радиальном, так и в осевом направлении, который должен быть достигнут в трубчатых узлах риформинга. Кроме того, теплообменники между ступенями имеют конструкцию в виде микроструктуры (PCHE), которая поддерживает более высокие коэффициенты теплопередачи, минимизирует размеры оборудования и применение высоколегированных сплавов, что снижает затраты, и они могут быть сконфигурированы с большой площадью поверхности и короткими путями для протекания для обеспечения низких перепадов давления. В дополнение к этому, данные теплообменники легко характеризуются инженерным анализом без необходимости в дорогих полномасштабных испытаниях продукта, чтобы подтвердить эксплуатационные показатели.
В предпочтительном варианте осуществления перекрестноточное расположение применяется для теплообмена в узле 820 риформинга, и прямоточное расположение может быть применено для риформинга в узле 820 риформинга. Применение перекрестноточного расположения для теплообмена может предоставить более высокую долю площади поверхности пластины PCR для задач теплообмена по сравнению с той, которая может быть достигнута при прямоточном или противоточном расположениях, включая такие расположения с применением нескольких проходов. С этой целью, компонент перекрестноточного теплообменника узла 820 риформинга может быть связан с компонентом прямоточной камеры или ячейки для риформинга, чтобы получить удовлетворительные температурные профили для потока для риформирования в узле риформинга, когда он протекает от одной камеры или ячейки для риформинга к следующей в последовательности ступеней риформинга.
3
Потенциальная проблема с этой перекрестной конфигурацией связана с возможным изменением температуры на выходе теплообменника каждой ступени, поскольку значительное изменение температуры на выходе теплообменника будет приводить к значительному изменению в характеристиках реакции в ассоциированном нисходящем потоке от камеры и катализатора узла риформинга. Имитационное моделирование восьмой ступени теплообмена варианта осуществления для риформинга 2 станд. м/ч природного газа при использовании отходящего газа от процесса адсорбции при переменном давлении (PSA) в качестве топлива, содержащего 14 ступеней риформинга, без учета теплопроводности стенки и в предположении, что текучая среда вводится в теплообменник при равномерной температуре около 730°C, показало, что текучая среда выпускается из теплообменника в температурном интервале примерно от 765°C до 825°C, как показано на Фиг. 17. Такая большая разница в температуре на выходе теплообменника может приводить к значительному изменению в характеристиках реакции риформинга. Однако, если учитывалось влияние теплопроводности стенок, то температурный интервал на выходе теплообменника для восьмой ступени теплообмена был значительно меньше, как показано на Фиг. 18, например порядка примерно 15°C, или от примерно 780°C до примерно 795°C. На Фиг. 17 и Фиг. 18, на которых температура указана вдоль оси z, оси x и y представляют размеры перекрестноточного теплообменника с потоком воздуха для узла риформинга, протекающим вдоль более короткой оси сверху справа и вниз слева, и потоком для риформирования в узле риформинга, протекающим вдоль более длинной оси снизу справа и вверх слева в перекрестноточном направлении по отношению к потоку воздуха для узла риформинга.
Этот узкий температурный интервал на выходе может быть обусловлен тем, что стенки теплообменника в некоторых вариантах осуществления являются предпочтительно более толстыми по сравнению с типичными теплообменниками с оребренной поверхностью теплообмена. Поэтому полагают, что имеет место продольная теплопроводность вдоль стенки, которая приводит к сужению интервала температур на выходе. Соответственно, предпочтительно применять простое перекрестноточное протекание в теплообменниках, которое обеспечивает более высокую степень использования пластин для теплообмена.
В других вариантах осуществления некоторых PCR поток воздуха для узла риформинга и поток для риформирования в узле риформинга могут в целом быть сконфигурированы в противоточном расположении, однако может быть применено несколько перекрестных проходов, чтобы достигнуть эффекта противотока. В данной ситуации, чтобы достигнуть эффекта противотока, некоторая часть площади поверхности пластины может быть пассивной в отношении переноса тепла. С этой целью газ для риформинга может поступать из каждой ячейки для риформинга к дальнему приемному концу теплообменника между ступенями перед тем, как он вводится в теплообменник, и затем он поступает из ближнего передающего конца теплообменника в последующую ячейку для риформинга. Однако зоны, используемые при протекании потока для риформирования в узле риформинга между дальним и ближним концами теплообменника к ячейкам для риформинга и от них, могут быть неэффективны для теплообмена и могут, соответственно, создавать опасность снижения эффективности использования материала пластин узла риформинга. Кроме того, протекание потока для риформирования в узле риформинга в несколько проходов в каждой ступени может ограничивать ширину каждого элемента пластины, чтобы перепад давления не становился чрезмерным, и поэтому потеря эффективности использования материала узла риформинга как доля площади пластины, которая неэффективна для теплообмена, остается высокой. Соответственно, даже при возможности эксплуатации такая конфигурация не является предпочтительной конфигурацией.
Применение перекрестного теплообмена предпочтительно устраняет необходимость в протекании потока для риформирования в узле риформинга от одного конца теплообменника до другого конца, который имеется, чтобы обеспечить характеристики противоточного теплообмена. Поэтому применение перекрестного тока, как правило, уменьшает величину площади пластины, требующейся для теплообмена. Кроме того, посредством уменьшения числа проходов перепад давления через теплообменники уменьшается, что, в свою очередь, уменьшает требуемое число каналов. Перекрестное расположение, кроме того, предпочтительно позволяет применять более широкие элементы пластин без образования чрезмерного перепада давления на стороне риформинга, например, на пластинах, показанных на Фиг. 16, как описано ниже.
Применение полной прямоточной конфигурации для риформинга в данном процессе, как полагают, снижает требования к контролю температуры узла риформинга, поскольку, когда поток воздуха для риформинга и поток для риформирования в узле риформинга протекают в одном и том же направлении по всей длине прямоточной конфигурации, их температуры будут иметь тенденцию к сближению. Соответственно, контроль температуры на выходе одного из потоков приводит к тому, что контролируются температуры обоих потоков.
Фиг. 19 показывает составные кривые энтальпии для горячих и холодных потоков для варианта осуществления устройства для риформинга. Кривая 1910 представляет собой составную кривую теплосодержания для горячих потоков процесса, т.е. тех потоков, которые охлаждаются в теплообменниках, а кривая 1920 представляет собой составную кривую для холодных потоков процесса. Наибольшее сближение кривых в вертикальном направлении составляет примерно 34°C и на него может делаться ссылка как на «сближение» температур. Поскольку тепло не может передаваться от холодного к горячему потоку (2-й закон термодинамики), то наибольшая возможная эффективность регенерации тепла имеет место для сближения с нулевой разностью температур. Соответственно, чем теснее сближение, тем выше общая эффективность регенерации тепла. В связи с этим, сближение на 34°C достаточно тесное, особенно если принять во внимание тот факт, что один из потоков, вовлеченных в перенос тепла, является воздухом или дымовыми газами при низком давлении с плохими характеристиками переноса тепла. Следует заметить, что, в дополнение к эффективности регенерации тепла, доля пара и степень конверсии метана также влияют на общую эффективность процесса, как это отражено в формуле, описанной в данном документе. В идеальном случае, чтобы избежать снижения эффективности, тепло не должно переноситься на протяжении сближения (от выше сближения до ниже сближения) в любом теплообменнике. Некоторые варианты осуществления способа или устройства ограничивают возникновение этого случая технологическими схемами, хотя в некоторых вариантах осуществления этот перенос происходит в незначительной степени в теплообменнике 164.
Следует заметить, что четырнадцатая ступень варианта осуществления узла 820 риформинга, описанная выше, по отношению к Фиг. 11-12, является лишь примером и не предполагает ограничение вариантов осуществления узла риформинга. Не требуется, чтобы число ступеней риформинга и сгорания было одинаковым. Фактически, специально предполагаются разные размеры пластин, конфигурации и/или применение любого подходящего числа пластин и камер риформинга и сгорания, так что узел 820 риформинга может быть увеличен или уменьшен, чтобы отвечать требованиям процесса. Более того, конструкция узла риформинга в виде печатной платы в некоторых вариантах осуществления узла 820 риформинга позволяет легко масштабировать узел 820 риформинга в сторону увеличения или уменьшения без значительных затрат, связанных с масштабированием в сторону увеличения или уменьшения типичного трубчатого узла риформинга. Например, когда требуется более высокая производительность риформинга, размер узла 820 риформинга может быть увеличен добавлением дополнительных пластин или секций к пакету.
В качестве другого примера повышения производительности, пластины могут быть увеличены в размере, как показано на Фиг. 16, посредством расширения пластин в боковом направлении, а не посредством увеличения числа пластин в пакете. Как показано на Фиг. 16, соединительные пластин 1601, пластины 1621 узла риформинга, пластины 1641 для протекания воздуха для риформинга и пластины 1661 для протекания топлива для риформинга могут быть сконфигурированы по существу как комбинация в виде зеркального отображения в боковом направлении двух соответствующих пластин, рассмотренных ранее в отношении Фиг. 11A-D. Как показано, каждая пластина имеет два независимых пути протекания текучей среды 1604 и 1608, 1624 и 1628, 1644 и 1648 и 1664 и 1668, соответственно, которые используют совместно центральную группу проемов камер или ячеек для риформинга и проемов 1615 и 1616, 1635 и 1636, 1655 и 1656 и 1675 и 1676 камер для подачи топлива, соответственно. Поскольку камеры, сформированные из центральной группы проемов, используются совместно, то они и проемы, которые их образуют, соответственно, больше камер, сформированных из внешних независимых проемов камер или ячеек для риформинга и проемов 1612 и 1613, 1632 и 1633, 1652 и 1653 и 1672 и 1673 камер для подачи топлива, которые могут, как правило, соответствовать проемам камер или ячеек для риформинга и проемам камер для подачи топлива, рассмотренным выше в отношении Фиг. 11A-11D. Каждая из пластин также включает две группы проемов 1614 и 1618, 1634 и 1638, 1654 и 1658 и 1674 и 1678 камер сгорания, соответственно, которые могут, как правило, соответствовать проемам камер сгорания, рассмотренным выше в отношении Фиг. 11A-11D.
Кроме того, следует понимать, что пластины PCR, соответствующие узлу 820 риформинга, могут также быть увеличены или уменьшены по длине, чтобы включать больше или меньше ступеней риформинга. Кроме того, следует также понимать, что подобные модификации, например те, что описаны выше, могут быть сделаны для узла предварительного риформинга и любых теплообменников, описанных в данном документе, которые имеют конструкцию PCHE.
В некоторых вариантах осуществления температуры и давления некоторых различных потоков взаимосвязаны и могут иметь величины, представленные в приведенных ниже таблице 5-8 в отношении конфигурации устройства для риформинга, показанной на Фиг. 1 и Фиг. 8, при объединении потока 114 воздуха для сжигания с потоком 105 исходного топлива внутри теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа. В некоторых случаях величины представлены относительно других величин в таблицах, например «относительно давления риформинга», «относительно температуры риформинга», «относительно атмосферного давления» или «относительно температуры насыщенного пара», в этих случаях представленные величины могут быть выше или ниже («+xxx»/«-yyy») сопоставленной величины или быть отличаться от нее в «разы», показывая взаимосвязь свойств. Кроме того, в некоторых случаях представленные величины могут соотноситься с конкретным физическим параметром, например «выше температура конденсации» или «выше температура замерзания», в этом случае рассматриваемый поток должен отвечать требованию с учетом данного определенного физического параметра потока. «Давление риформинга» или «температура риформинга» в таблицах относятся к параметрам, связанным с потоком 180 синтез-газа. Следует понимать, что величины представлены лишь в качестве примера, и что могут быть применены другие конфигурации устройства для риформинга, которые могут иметь другие условия в одном или нескольких соответствующих потоках.
Таблица 5
<b>Температура и давление некоторых технологических потоков в варианте осуществления в соответствии с Фиг. 1</b>
Температура (°C)
Давление (бар абс. давл.)
Потоки 180, 170 и 182-«температура риформинга» или «давление риформинга»
Предпочтительный интервал условий
от 700 до 1000
от 5 до 120
Пример интервалов условий
от 750 до 950, от 900 до 1000, от 800 до 900, от 700 до 800, от 760 до 900, от 780 до 820
от 10 до 80, от 50 до 100, от 40 до 60, от 30 до 50, от 10 до 40, от 15 до 30, от 5 до 20, от 5 до 10, от 10 до 15
Поток 174
Предпочтительный интервал условий
Относительно температуры насыщенного пара:от -10 до +100
Относительно давления риформинга:от 1,25 до 1 раза
Пример интервалов условий
Относительно температуры насыщенного пара:от -0 до +80, от +10 до +70, от +20 до +50
Относительно давления риформинга:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,02 раза
Поток 811
Предпочтительный интервал условий
от 500 до 700
Относительно давления риформинга:от 1,25 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 520 до 680, от 530 до 600, от 540 до 560
Относительно давления риформинга:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,02 раза
Поток 160 непосредственно перед введением в узел 800 предварительного риформинга
Предпочтительный интервал условий
Относительно температуры риформинга:от +10 до +50
Относительно атмосферного давления:от 1,25 до 1 раза
Пример интервалов условий
Относительно температуры риформинга:от + 12 до +40, от +15 до +30, от +18 до +25
Относительно атмосферного давления:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,02 раза
Поток 190
Предпочтительный интервал условий
от 200 до минимальной температуры пыления металла
Относительно давления риформинга:от 0,75 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 250 до 450, от 300 до 420, от 350 до 400
Относительно давления риформинга:от 0,8 до 0,9999 раза, от 0,85 до 0,9999 раза, от 0,95 до 0,999 раза, от 0,99 до 0,999 раза
Таблица 6
<b>Температура и давление некоторых технологических потоков в варианте осуществления в соответствии с Фиг. 1</b>
Температура (°C)
Давление (бар абс. давл.)
Поток 189
Предпочтительный интервал условий
от 250 до 350
Относительно давления риформинга:от 0,75 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 260 до 340, от 280 до 330, от 290 до 310
Относительно давления риформинга:от 0,8 до 0,9999 раза, от 0,85 до 0,9999 раза, от 0,95 до 0,999 раза, от 0,99 до 0,999 раза
Поток 191
Предпочтительный интервал условий
от 100 до 200
Относительно давления риформинга:от 0,75 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 120 до 180, от 130 до 170, от 130 до 150
Относительно давления риформинга:от 0,8 до 0,9999 раза, от 0,85 до 0,9999 раза, от 0,95 до 0,999 раза, от 0,99 до 0,999 раза
Поток 192
Предпочтительный интервал условий
от 100 до 200
Относительно давления риформинга:от 0,7 до 0,999 раза
Пример интервалов условий
от 110 до 180, от 115 до 160, от 120 до 150
Относительно давления риформинга:от 0,8 до 0,999 раза, от 0,85 до 0,999 раза, от 0,95 до 0,99 раза, от 0,99 до 0,99 раза
Поток 102, входящий в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
Выше температуры конденсации и ниже температуры потока 190
Относительно давления риформинга:от 1,25 до 1 раза
Пример интервалов условий
от -40 до 350, от -10 до 250, от 0 до 200, от 10 до 150, от 15 до 50
Относительно давления риформинга:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Поток 102, выходящий из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
Относительно температуры входящего потока 190 синтез-газа:от -20 до -100
Относительно давления риформинга:от 1,25 до 1 раза
Пример интервалов условий
Относительно температуры входящего потока 190 синтез-газа:от -25 до -90, от -25 до -50, от -25 до -40
Относительно давления риформинга:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Таблица 7
<b>Температура и давление некоторых технологических потоков в варианте осуществления в соответствии с Фиг. 1</b>
Температура (°C)
Давление (бар абс. давл.)
Поток 108, входящий в теплообменник 109 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
Выше температуры замерзания и ниже температуры потока 190
Относительно давления риформинга:от 1,3 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 0,1 до 350, от 1 до 250, от 10 до 150, от 15 до 50
Относительно давления риформинга:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Поток 108, выходящий из теплообменника 109 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
от 100 до 200
Относительно давления риформинга:от 1,3 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 110 до 190, от 120 до 180, от 120 до 150, от 120 до 140
Относительно давления риформинга:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Поток 107, поток исходного воздуха, входящий в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
Выше температуры конденсации потока и ниже температуры потока 190
Относительно атмосферного давления:от 1,2 до 1 раза
Пример интервалов условий
от -40 до 350, от -10 до 250, от 0 до 200, от 10 до 150, от 15 до 50
Относительно давления риформинга:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Поток 107, поток исходного воздуха, выходящий из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
Относительно температуры входящего потока 190 синтез-газа:от -20 до -100
Относительно атмосферного давления:от 1,2 до 1 раза
Пример интервалов условий
Относительно температуры входящего потока 190 синтез-газа:от -25 до -90, от -25 до -50, от -25 до -40
Относительно атмосферного давления:от 1,2 до 1,01 раза, от 1,15 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Поток 105, поток исходного топлива, входящий в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
Выше температуры конденсации потока и ниже температуры потока 190
Относительно атмосферного давления:от 10 до 1,01 раза
Пример интервалов условий
от -40 до 350, от -10 до 250, от 0 до 200, от 10 до 150, от 15 до 50
Относительно атмосферного давления:от 8 до 1,01 раза, от 5 до 1,01 раза, от 1,2 до 1,0 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Таблица 8
<b>Температура и давление некоторых технологических потоков в варианте осуществления в соответствии с Фиг. 1</b>
Температура (°C)
Давление (бар абс. давл.)
Поток 118, поток топливно-воздушной смеси, выходящий из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа
Предпочтительные условия
Относительно температуры входящего потока 190 синтез-газа:от -20 до -100
Относительно атмосферного давления:от 10 до 1,01 раза
Пример интервалов условий
Относительно температуры входящего потока 190 синтез-газа:от -25 до -90, от -25 до -50, от -25 до -40
Относительно атмосферного давления:от 8 до 1,01 раза, от 5 до 1,01 раза, от 1,2 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,03 раза
Поток 162
Предпочтительные условия
от 200 до 400
Относительно атмосферного давления:от 1,1 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 200 до 300, от 220 до 280
Относительно атмосферного давления:от 1,05 до 1,001 раза, от 1,02 до 1,001 раза
Поток 163, входящий в теплообменник 164
Предпочтительные условия
от 300 до 500
Относительно атмосферного давления:от 1,1 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 350 до 480, от 380 до 440
Относительно атмосферного давления:от 1,05 до 1,001 раза, от 1,02 до 1,001 раза
Поток 163, выходящий из теплообменника 164
Предпочтительные условия
от 120 до 200
Относительно атмосферного давления:от 1,1 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 130 до 190, от 140 до 160
Относительно атмосферного давления:от 1,05 до 1,001 раза, от 1,02 до 1 раза
Поток 108, выходящий из теплообменника 164
Предпочтительные условия
от 120 до температуры насыщенного пара
Относительно давления риформинга:от 1,25 до 1 раза
Пример интервалов условий
от 130 до температуры насыщенного параот 150 до температуры насыщенного параот 180 до температуры насыщенного пара
Относительно давления риформинга:от 1,1 до 1,001 раза, от 1,1 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,05 раза
Поток 172
Предпочтительные условия
Температура насыщенного пара
Относительно давления риформинга:от 1,25 до 1 раза
Пример интервалов условий
Температура насыщенного пара
Относительно давления риформинга:от 1,1 до 1,001 раза, от 1,1 до 1,01 раза, от 1,1 до 1,05 раза
Фиг. 20-21 показывают перспективные виды спереди и сзади частичной конфигурации вариант осуществления устройства 700 для риформинга. Фигуры упрощены посредством удаления частей трубопровода. Показанный вариант осуществления соответствует устройству, схема которого представлена на Фиг. 7. Соответственно, лишь поток 107 исходного воздуха, поток 114 воздуха для сжигания, поток 104 топлива, поток 102 газообразного углеводорода вводятся в теплообменник 110 для регенерации тепла синтез-газа, и водный поток 108 вводится в теплообменник 109, который является частью теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, чтобы произвести теплообмен с потоком 190 синтез-газа, выходящим из реактора 186 конверсии с водяным паром. Среди потоков или трубопроводов не показано разделение топливно-воздушной смеси, выходящей из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, чтобы подать топливно-воздушную смесь в поток воздуха, выпускаемый из теплообменника 110 для регенерации тепла синтез-газа, перед введением потоков в подогреватели 120 и 122, как это происходит в коллекторе 2010, снабжающем подогреватель 120, вместе с коллектором 2015 для подогревателя 122. После предварительного нагревания в подогревателе 120, топливо выпускается из подогревателя в качестве потока топлива для узла риформинга и вводится в коллектор 2020 для подачи топлива, который перекрывает длину узла 820 риформинга и обеспечивает подачу топлива в каждый из индивидуальных путей доступа потока подаваемого топлива или камер в пакете узла риформинга. Таким образом, топливо может быть подано в каждую ступень узла риформинга параллельно, и подача может пассивно контролироваться конфигурациями индивидуальных путей для протекания потока подаваемого топлива, связанных с каждой камерой сгорания в узле риформинга. Поскольку этот вариант осуществления соответствует варианту осуществления в соответствии с Фиг. 7, водный поток 108 принимает тепло непосредственно из потока 160 дымовых газов, когда он выпускается из узла 800 предварительного риформинга, без предварительного нагревания потока дымовых газов. После выпуска из теплообменника 164 водный поток 108 направляется в теплообменник 165 быстрого охлаждения, в котором он принимает тепло из части потока 180 синтез-газа после того, как он разделяется вскоре после выпуска из узла 820 риформинга. Как показано на Фиг. 20-21, узел 800 предварительного риформинга и узел 820 риформинга содержат PCR, которые образованы из пакетизированных и соединенных диффузией пластин, как описано в отношении Фиг. 9 и Фиг. 11, соответственно, и затем размещены на своих местах.
Также на Фиг. 20-21 показаны коллектор 2102 для смеси газообразного углеводорода с паром, который подает поток 174 смеси газообразного углеводорода с паром в каналы для смеси газообразного углеводорода с паром на пластинах для смеси газообразного углеводорода с паром узла 800 риформинга и коллектор 2104 потока для риформирования в узле риформинга, который собирает поток 811 для риформирования в узле риформинга, когда он выпускается из узла 800 предварительного риформинга через каналы для потока для риформирования в узле риформинга. Поток 811 для риформирования в узле риформинга из коллектора 2104 соединяется с коллектором 2110 потока для риформирования в узле риформинга, который снабжает впускные каналы для потока для риформирования в узле риформинга соединительные пластины и пластины для узла риформинга, которые включены в узел 820 риформинга. Фиг. 20-21, кроме того, включают коллектор 2106 для потока синтез-газа, который собирает риформированные потоки, выпускаемые из соединительных пластин и пластин для узла риформинга в узле 820 риформинга через выпускные каналы для потока для риформирования в узле риформинга, чтобы образовать поток 180 синтез-газа. На Фиг. 21 камера сгорания и камера для риформинга, образованные пакетированием пластин, показаны без крышек 2108 для проемов, которые могут быть присоединены, например, сваркой или иным образом поверх проемов камеры сгорания и камеры для риформинга на оконечной пластине узла 820 риформинга.
Все публикации и заявки на патент, упомянутые в данном описании, включены здесь посредством ссылки на них в том же самом объеме, как если бы для каждой отдельной публикации и заявки на патент было бы конкретно и индивидуальным образом указано, что она включена посредством ссылки.
Несмотря на то, что предпочтительные варианты осуществления данного изобретения показаны и описаны в данном документе, специалистам в данной области будет очевидно, что такие варианты осуществления представлены лишь в качестве примера. Это означает, что приведенная ниже формула изобретения определяет варианты осуществления объема данного изобретения, и что тем самым охватываются способы и устройства в пределах объема этой формулы изобретения и их эквиваленты.