КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СИНТЕЗ-ГАЗА РАДИАЛЬНОГО ТИПА

2
Полезная модель относится к устройству переработки углеводородного сырья парциальным окислением в синтез-газ с помощью соответствующего катализатора, и дальнейшего использования смеси CO и H: в энергоустановках на топливных элементах; для создания восстановительных атмосфер при плавке металлов; для дальнейшей химической переработки в спирты или синтетические жидкие углеводороды.
Известен способ получения синтез-газа при горении и устройство для его осуществления (Патент РФ №2320531, приоритет от 04.05.2006, опубликован 27.03.2008) используемый принцип гомогенного окисления углеводородов алканового ряда, в частности, метан и/или их смеси. В изобретении предусматривается разогрев компонентов смеси теплом газов конверсии. Недостатком изобретения является то, что необходим внешний источник тепла, непрерывный подвод пламени в зону реакции, а так же дополнительные турбулизаторы смеси и дополнительное введение водяного пара в зону реакции для предотвращения сажеобразования, что усложняет конструкцию устройства. Максимальная температура в реакторе составляет 1450 К, что требует специальных жаропрочных конструкционных материалов.
2
Известен (Патент РФ 2374173, приоритет от 17.06.2008, опубликован 27.11.2009) генератор синтез-газа на основе радиационной горелки, где в качестве рабочего элемента используется перфорированная трехмерная керамическая матрица. Подача реакционной смеси осуществлялась через внешние стенки матрицы во внутренний объем, т.е. происходила «внутренняя» рекуперация тепла реакции за счет запертого в стенках матрицы ИК-излучения. Окисление метана осуществляется при избытке окислителя α≥3,5 при оптимальном для метана α=0,25. Использование перфорированной матрицы позволяет снизить температуру матрицы при проведении окисления до 660-680 К, а температуру продуктов до 870-950 К. Основным недостатком данного изобретения является то, что используется некаталитическая матрица и соответственно в качестве побочного продукта образуется этилен в количестве 1,4-1,9% об. Концентрации CO и H низкие и составляют 10,3-11,1% об, а водорода 17,8-22,1% в расчете на сухой газ.
В патенте (Патент РФ №2286308, приоритет от 31.01.2005, опубликован 10.07.2005) описано устройство радиального типа для осуществления окисления газообразных углеводородных топлив с помощью катализатора и может быть использовано для получения синтез-газа. Устройство для получения синтез-газа радиального типа содержит газораспределительную перфорированную трубку и катализатор. Катализатор выполнен в виде кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин и теплопроводных сепараторов с пазами, чередующихся между собой с образованием каналов для прохождения газовых потоков и соединенных между собой. На обеих сторонах сепаратора выполнены пазы в форме эвольвенты от центра к периферии. Кольцевые пластины катализатора установлены перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки. Внутри газораспределительной перфорированной трубки расположена система запуска, которая состоит из смесителя с запальной свечой или электрического нагревательного элемента. Устройство компактно и эффективно. Устройство позволяет при использовании в качестве окислителя кислород воздуха получать реакционную смесь, содержащую 33% водорода и до 16-17% оксида углерода, эксплуатируется при α≈0,3-0,4. Недостатком этого устройства является высокая трудоемкость и многостадийность в изготовлении заключающиеся в: изготовлении металлопористых пластин методом проката или шликерного литья, нанесением пористой подложки из оксидов магния, алюминия или циркония, и последующая пропитка каталитически активными элементами, изготовление сепараторов аналогичных по размерам каталитическим пластинам с последующим изготовления пазов в сепараторах химическим травлением с использованием фотолитографии или фрезерованием. Сборку элементов каталитических пластин и сепараторов на газораспределительную трубку с высокой степенью уплотнения для обеспечения высокой теплопроводности.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Задачей изобретения является повышение эффективности генерации синтез-газа, упрощение конструкции и эксплуатации устройства при работе в автотермическом режиме. Указанный технический результат достигается тем, что используется генератор синтез-газа (рисунок 1), состоящий из корпуса (1) с расположенным внутри корпуса каталитическим газопроницаемым блоком цилиндрической формы (2). Внутри каталитического блока расположен распределитель газового потока (3), представляющий собой систему закрепленных на общей оси дисков разного диаметра, обеспечивающую выравнивание неоднородности газового потока через стенку каталитического блока. Распределитель газового потока крепится к газонепроницаемому стальному диску (4), расположенному на противоположном входу потока газов обрезе каталитического блока. Газовый поток подается по оси каталитического блока и движется радиально через стенки цилиндрического каталитического блока, проходя через каталитический блок, при этом углеводородный газ окисляется в синтез-газа. Продукты реакции за счет конвективного теплообмена нагревают воздух и углеводородный газ, поступающие на конверсию. Теплообменное устройство располагается в корпусе генератора и представляет собой трубки (5), изготовленные из жаропрочного материала расположенные между внутренней поверхностью корпуса генератора и внешней поверхностью каталитического блока. Или теплообменное устройство (6) (рисунок 2) может находиться вне корпуса генератора с подводом продуктов реакции через теплоизолированный трубопровод (7). Генератор снабжен смесителем (8) и запальным устройством (9). Нагретые воздух и углеводородсодержащий газ пройдя теплообменник (5) или (6), подаются в смеситель, где смешиваются, после чего газовый поток поступает в каталитический блок.
1
2
2
1
Каталитический блок так же может быть выполнен в виде газопроницаемого цилиндра и может представлять собой монолитное изделие с газовыми каналами, полученное самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), гидротермальными способом или другим способом. Каталитический блок может быть выполнен в виде двух металлических цилиндров (рисунок 3) из жаростойкого сплава с перфорированными стенками, а гранулированный катализатор (9) размещается между внешней поверхностью малого цилиндра с внешним радиусом r (10) и внутренней поверхностью большого цилиндра с внутренним радиусом r (11). Геометрический размер гранул L катализатора должен быть L≤(r-r)/10. Верхнее сечение (4) выполнено из газонепроницаемого материала, и диаметром равным диаметру большого цилиндра и предусматривается крепление распределительно устройства (3) (рисунки 1, 2).
Устройство работает следующим образом: исходные реагенты - углеводородный газ и воздух подаются в штуцера входа воздуха и углеводородного газа, соответственно, в объемных соотношениях воздух/углеводородный газ = 8,0-10,0/1. В смесителе происходит перемешивание газов, далее смесь попадает в зону нагретой запальной свечой, смесь воспламеняется и продукты сгорания (дымовые газы) разогревают каталитический блок, при разогреве каталитического блока до температуры (550-650°C), при которой реакция парциального окисления может протекать в автотермическом режиме. После чего изменяется соотношение воздух углеводородный газ до 4,0-2,5/1 объемных (оптимальных для генерации синтез-газа). В стационарном режиме работы генератора синтез-газа радиального типа (режим генерации синтез-газа) за счет использования теплообменников происходит рекуперация тепла, так воздух и углеводородный газ, поступающие на конверсию, нагреваются за счет конвективной теплопередачи тепла продуктов реакции во встроенном в корпус генератора теплообменнике (5) или вынесенном теплообменнике (6). Разогретые газы смешиваются в смесители и поток поступает в каталитический блок, в замкнутом объеме внутри каталитического блока происходит дополнительный подогрев газо-воздушной смеси ИК-излучением, исходящим от разогретого катализатора. Рекуперация тепла при проведении процесса необходимо по следующим причинам. Процесс парциального окисления углеводородов на примере метана состоит из нескольких стадий:
4
2
2
2
1. CH+O=CO+2HO+802 кДж/моль
4
2
2
2. CH+CO=2CO+2H-261 кДж/моль
4
2
2
3. CH+HO=CO+3H-226 кДж/моль
4
2
2
4. 2CH+O=2CO+4H+70 кДж/моль
На первой стадии происходит глубокое окисление части метана до углекислого газа и воды с выделением тепла (реакция 1), продукты глубокого окисления углекислый газ и вода взаимодействуют с остаточным метаном с образованием синтез-газа (реакции 2, 3) - эти реакции протекают с поглощением тепла, суммарный процесс парциального окисления синтез газа можно представить уравнением 4, и он характеризуется небольшим тепловыделением. Для обеспечения эффективности процесса парциального окисления и для сохранения теплового баланса генератора и полноты конверсии метана используется прием рекуперации тепла, позволяющий вносить дополнительную энергию в каталитический процесс за счет разогретой газо-воздушной смеси, поступающей на катализатор.
Использование полезной модели иллюстрируется следующими примерами:
2
Пример 1. Используется генератор синтез-газа с теплообменными трубками расположенными внутри корпуса (рис.1). Используется катализатор, полученный СВС синтезом химического состава 50% мас Ni и 50% мас оксидов алюминия и магния. Катализатор представляет собой пористый цилиндр с внешним диаметром 0,07 м, и толщиной стенки 0,025 м, высота 0,09 м, цилиндр закрыт с торца газонепроницаемым стальным диском внешним диаметром 0,07 м. Подается воздух в количестве 25,8 л/мин и углеводородный газ состава 95,0% об метана, остальное этан, пропан и бутан расход углеводородного газа 3,0 л/мин, соотношение воздух/углеводородный газ = 8,6:1. Приводится в действие запальное устройство. После разогрева каталитического блока дымовыми газами до температуры 600°C, изменяются расходы газов, которые составляют для воздуха 57,4 л/мин и для углеводородного газа 20,5 л/мин, соотношении воздух / углеводородный газ = 2,8:1. При стабилизации температуры катализатора Тк=845°C и смеси газов поступающих на катализатор Тг=121°C, получается синтез-газ с содержанием CO - 16,5% об, и H - 31,0% об.
2
Пример 2. Используется генератор синтез-газа радиального типа с вынесенным теплообменником (рис.2). Используется катализатор аналогичный примеру 1. Подача газов и запуск устройства аналогичен примеру 1. Подается воздух в количестве 59,8 л/мин и углеводородный газ 23,0 л/мин, соотношении воздух/углеводородный газ = 2,6:1. Температура смеси газов поступающих на катализатор составила Тг=123°C, температура каталитического блока составила Тк=814°C. Синтез-газ получаемый в генераторе содержит CO - 16,4% об, и H - 32,1% об.
1
2
2
Пример 3. Используется генератор аналогичный примеру 1. Каталитический блок состоит из перфорированного внутреннего цилиндра с внешним радиусом r=0,011 м и высотой 0,11 м, и перфорированного внешнего цилиндра с внутренним радиусом r=0,036 м с высотой 0,11 м. Сборка цилиндров закрывается стальным диском радиусом 0,04 м. Между цилиндрами засыпан катализатор с размером гранул 0,02-0,025 м, состава 15% масс Ni остальное оксид алюминия и циркония. Подача газов и запуск устройства аналогичен примеру 1. Подается воздух в количестве 55,4 л/мин и углеводородный газ с расходом 20,5 л/мин, соотношении воздух/углеводородный газ = 2,7:1. Температура смеси газов поступающих на катализатор составила Тг=112°C, температура каталитического блока составила Тк=800°C. Синтез-газ получаемый в генераторе содержит CO - 16,8% об, и H - 32,5% об.
2
Пример 4. Используется генератор аналогичный примеру 2. Каталитический блок и применяемый катализатор аналогичен примеру 3. Подается воздух с расходом 38,0 л/мин и углеводородный газ с расходом 4,0 л/мин, соотношение воздух/углеводородный газ = 9,5 объемных. Приводится в действие запальное устройство. После разогрева каталитического блока дымовыми газами до температуры 570°C, изменяются расходы газов, которые составляют для воздуха 53,5 л/мин и для углеводородного газа 17,8 л/мин, соотношении воздух/углеводородный газ = 3,0:1. При стабилизации температуры катализатора Тк=854°C и смеси газов Тг=138°C поступающих на катализатор, на выходе из генератора синтез-газ содержит CO - 15,7% об, и H - 30,1% об.
Как следует из представленных примеров, предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение следующего технического результата: эффективность работы генератора, высокие концентрации получаемого синтез-газа, простота эксплуатации генератора синтез-газа радиального типа, управление режимами работы генератора осуществляется изменением расходов воздуха и углеводородного газа.