СПОСОБ И РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОГО ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ПРОДУКТОВ
METHOD AND REACTOR FOR PRODUCING ONE OR MORE PRODUCTS

Область техники, к которой относится настоящее раскрытие
[0001] Настоящее изобретение относится к способу и соответствующему реактору для получения одного или нескольких продуктов, например, посредством крекинга сырьевого газа, такого как природный газ.
Предшествующий уровень техники настоящего раскрытия
2
2
2
2
2
2
[0002] Химический крекинг природного газа (CH) относится к разложению природного газа на его составляющие компоненты углерод (С) и водород (H). Обычные способы получения водорода, такие как паровой риформинг метана (SMR), приводят к значительным выбросам разбавленного СО, которые могут требовать дорогостоящей очистки после риформинга для его отделения. В результате SMR дает приблизительно 8-10 тонн СО на тонну получаемого H. Добавление очистки СО в потоки отходящих газов SMR обычно имеет слишком высокую стоимость, если штрафы за выбросы углекислого газа не увеличиваются до критической отметки.
[0003] Существуют другие способы термического разложения с получением водорода и твердого углерода, такие как термический пиролиз, и пиролиз в расплавленном металле, и плазменный пиролиз. Эти способы, как правило, приспособлены для максимизации получения твердого углерода для соответствующих углеродных рынков и широко используются в этих промышленностях.
[0004] Термический крекинг природного газа обычно является процессом с постоянным расходом и при постоянном давлении, при котором природный нагревается, пока он не достигнет температуры, требуемой для начала образования водорода и углерода. В этот момент температуру поддерживают в течение некоторого периода времени для завершения равновесной реакции. Поскольку температура повышается, снижается время, требуемое для конверсии метана, предполагая постоянное давление 1 атм (как показано на фиг. 1 - изображение, полученное из Kinetic model of homogeneous thermal decomposition of methane and ethane, Maryam Younessi-Sinaki, Edgar A. Matida, Feridun Hamdullahpur, Carleton University, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, 1125 Colonel By Drive, Ottawa, ON K1S 5B6, Canada, полное содержание которой таким образом включено ссылкой).
2
[0005] В таких реакторах с постоянным расходом образовавшийся углерод, как правило, накапливается на поверхностях реактора, в итоге становясь настолько толстым, что работа реактора ухудшается. Механические способы соскабливания или выжигания углерода с поверхностей путем введения воздуха в реактор являются двумя основными средствами очистки реактора. Механическое соскабливание сложно выполнять, и оно может быть не в состоянии удалить твердые отложения углерода. Выжигание углерода при помощи воздуха создает значительные выбросы СО, что нежелательно. Таким образом, очень желательно, чтобы углерод вообще не образовывался на поверхностях, и направлять полученный углерод в процессы ниже по потоку.
[0006] Кроме того, более короткое время реакции необходимо для уменьшения размера реактора, но это требует высоких температур и необычных материалов, которые очень дорого стоят. Чтобы попробовать и преодолеть это, в реактор добавляют катализаторы, что имеет эффект снижения температуры реакции. Однако накопление углерода теперь также происходит на поверхности катализаторов, которые деактивируются со временем и требуют процесса повторной активации или замены. Оба эти варианта являются дорогими и добавляют сложность способу.
[0007] Реакторы с жидкими средами, такие как реакторы с расплавленным металлом, включают термический процесс, при котором природный газ продувается через колонну высокотемпературной жидкости, такой как расплавленный металл или соли. Поскольку это процесс с постоянным расходом и постоянным давлением, применяют такие же отношения температуры относительно времени реакции, как описано выше. Преимуществом этого способа является то, что разделение водорода и углерода упрощается, поскольку полученный водород выходит в виде пузырьков сверху реакционной колонны, а углерод плавает на поверхности жидкой среды, где может теоретически быть собран. В некоторых примерах жидкие сплавы металлов были определены, которые обеспечивают каталитический эффект и снижают температуру реакции. Во всех случаях, однако, накопление углерода сверху реактора остается проблемой, и использование расплавленной среды добавляет сложность, проблемы с материалами и стоимость реактору.
2
[0008] Для большинства термических процессов энергия, требуемая для нагревания реактора и для поддержания процесса, обычно подается путем сжигания некоторого избытка природного газа с воздухом. Этот отходящий газ высвобождает СО в атмосферу и вносит вклад в глобальное потепление. В некоторых случаях избыток накопленного углерода и/или водород можно также использовать для обеспечения тепла реакции.
[0009] Плазменные реакторы пропускают природный газ при постоянном давлении через высокотемпературную плазму, которая создается электрическом. Плазму можно создать путем использования, например, электродов или микроволн. В этих реакторах накопление углерода может все еще быть проблемой, но меньшей, чем в термических реакторах, поскольку высокотемпературная плазма ограничена очень небольшой площадью. В отличие от термических реакторов плазменные реакторы основаны только на электричестве в качестве подвода энергии. По сравнению с термическими системами стоимость электричества для подвода энергии намного выше, чем для природного газа, и, таким образом, полученная технологическая себестоимость водорода и метана намного выше.
[0010] Таким образом, существует потребность в данной области в способе крекинга природного газа, использующего тепловую энергию, который имеет более низкие капитальные затраты и который меньше страдает от проблем с накоплением углерода.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
2
2
[0011] В общем, настоящее раскрытие относится (но не ограничено) к крекингу природного газа с получением его компонентов - углерода (С) и водорода (H), используя динамическое сжатие газа и перемешивание для создания давления и температуры, необходимых для термического разложения природного газа. Целью способа является оптимизация способа для выхода водорода и для извлечения твердого углерода в качестве вторичного ценного потока, в то же время минимизируя выбросы парниковых газов. При совмещении с прямым углеродным топливным элементом (DCFC) углеродный продукт можно использовать для генерирования электричества и чистого продукционного потока СО, подходящего для отделения (см. фиг. 2). Результатом является дешевое «чистое» производство водорода.
[0012] Согласно первому аспекту настоящего раскрытия обеспечивается способ получения одного или нескольких продуктов, предусматривающий: введение сырьевого газа в смесительную камеру, причем сырьевой газ содержит один или несколько газов; введение горючего газа в камеру сгорания, причем горючий газ содержит один или несколько газов; и затем воспламенение горючего газа, чтобы вызвать протекание горючего газа в смесительную камеру посредством одного или нескольких путей потока текучей среды между камерой сгорания и смесительной камерой и перемешивание с сырьевым газом, причем энергия передается от горючего газа к сырьевому газу и при этом вызывает получение одного или нескольких продуктов.
[0013] Введения сырьевого газа и горючего газа могут быть такими, что сырьевой газ по существу не перемешивается или подвергается очень небольшому или незначительному перемешиванию с горючим газом перед воспламенением.
[0014] Способ может дополнительно предусматривать прекращение дальнейшего производства одного или нескольких продуктов.
[0015] Способ может дополнительно предусматривать предварительное нагревание сырьевого газа перед введением сырьевого газа в смесительную камеру.
[0016] Способ может дополнительно предусматривать предварительное нагревание горючего газа перед введением горючего газа в камеру сгорания.
[0017] Отношение объема смесительной камеры к объему камеры сгорания может быть равным приблизительно 10:1 или меньше.
[0018] Отношение длины смесительной камеры к диаметру смесительной камеры может быть равным приблизительно 30:1 или меньше.
[0019] Сырьевой газ может содержать природный газ. Сырьевой газ может содержать смесь природного газа и рециркулирующего газа. Рециркулирующий газ может содержать одно или несколько из: природного газа; водорода; монооксида углерода и диоксида углерода.
4
2
[0020] Горючий газ может содержать окислитель. Окислитель может содержать одно или несколько из кислорода и воздуха. Горючий газ может содержать смесь CH и О. Горючий газ может содержать смесь рециркулирующего газа и окислителя. Рециркулирующий газ может содержать одно или несколько из: природного газа; водорода; монооксида углерода и диоксида углерода.
[0021] Горючий газ можно вводить в камеру сгорания одновременно с введением сырьевого газа в смесительную камеру.
[0022] Горючий газ можно вводить в камеру сгорания при давлении, которое равно давлению, с которым сырьевой газ вводят в смесительную камеру.
[0023] Один или несколько продуктов могут содержать одно или несколько из водорода и углерода.
[0024] Один или несколько продуктов могут содержать одно или несколько из водорода и монооксида углерода.
[0025] Один или несколько продуктов могут содержать одно или несколько из водорода, азота и углерода. Водород и азот можно использовать для получения аммиака.
[0026] Прекращение дальнейшего производства одного или нескольких продуктов может предусматривать снижение давления в смесительной камере. Давление в смесительной камере может быть снижено достаточно быстро, например, по меньшей мере на 50% в течение менее чем 1 секунды, чтобы препятствовать загрязнению углеродом смесительной камеры.
[0027] Волна давления, созданная сгоранием горючего газа, может препятствовать загрязнению углеродом смесительной камеры.
[0028] Энергия может передаваться от горючего газа к сырьевому газу посредством динамического сжатия газа и перемешивания.
2
[0029] Температура в камере сгорания после воспламенения, но перед перемешиванием горючего газа с сырьевым газом, может составлять ~90 атм и ~3700 K, например, с чистым О в качестве окислителя и рециркулирующий газом в качестве горючего газа.
[0030] После перемешивания горючего газа с сырьевым газом и перед получением одного или нескольких продуктов, по меньшей мере, часть смеси сырьевых газов и горючих газов можно переносить в третью камеру. Таким образом, камера сгорания и смесительная камера могут быть дополнены свежим горючим газом и сырьевым газом, когда пользователь ждет получения одного или нескольких продуктов в третьей камере.
[0031] В дополнительном аспекте настоящего раскрытия обеспечивается реактор сырьевого газа, содержащий: смесительную камеру; камеру сгорания; клапанную систему для регулирования потока газов в смесительную камеру и камеру сгорания и из них; воспламенитель и один или несколько контроллеров, сконструированных для выполнения способа, предусматривающего: контроль клапанной системы для введения сырьевого газа в смесительную камеру, причем сырьевой газ содержит один или несколько газов; контроль клапанной системы для введения горючего газа в камеру сгорания, причем горючий газ содержит один или несколько газов; и затем контроль воспламенителя для воспламенения горючего газа, чтобы вызвать перетекание горючего газа в смесительную камеру посредством одного или нескольких путей потока текучей среды между камерой сгорания и смесительной камерой и перемешивание с сырьевым газом, причем энергия передается от горючего газа к сырьевому газу и при этом вызывает получение одного или нескольких продуктов.
[0032] Введения сырьевого газа и горючего газа могут быть такими, что сырьевой газ по существу не перемешивается с горючим газом.
[0033] Способ может дополнительно предусматривать контроль клапанной системы для прекращения дальнейшего производства одного или нескольких продуктов.
[0034] Камера сгорания может располагаться в смесительной камере. Камера сгорания может быть расположена со смещением относительно продольной оси смесительной камеры.
[0035] Камера сгорания может располагаться вне смесительной камеры.
[0036] Камера сгорания может содержать одно или несколько отверстий, образованных в ней.
[0037] Реактор сырьевого газа может содержать любой из признаков, описанных применительно к первому аспекту настоящего раскрытия.
[0038] В дополнительном аспекте настоящего раскрытия обеспечивается реактор сырьевого газа, содержащий: смесительную камеру; камеру сгорания, содержащую одно или несколько отверстий, образованных в ней, причем одно или несколько отверстий обеспечивают один или несколько путей потока текучей среды из камеры сгорания в смесительную камеру; клапанную систему для контроля потока газов в смесительную камеру и камеру сгорания и из них; и воспламенитель.
[0039] Реактор сырьевого газа может содержать любой из признаков, описанных применительно к первому аспекту настоящего раскрытия.
[0040] Контроль клапанной системы может предусматривать контроль открытия и/или закрытия отдельных клапанов. Альтернативно или дополнительно, контроль клапанной системы может предусматривать вращение клапанов (например, используя двигатель) относительно реактора.
[0041] В дополнительном аспекте настоящего раскрытия обеспечивается система, содержащая: множество реакторов для сырья, причем каждый реактор содержит: смесительную камеру; камеру сгорания и воспламенитель; клапанную систему для контроля потока газов в смесительные камеры и камеры сгорания и из них и один или несколько контроллеров, сконструированных для выполнения способа, предусматривающего для каждого реактора: контроль клапанной системы для введения сырьевого газа в смесительную камеру, причем сырьевой газ содержит один или несколько газов; контроль клапанной системы для введения горючего газа в камеру сгорания, причем сырьевой газ содержит один или несколько газов; и затем контроль воспламенителя для воспламенения горючего газа, чтобы вызвать перетекание горючего газа в смесительную камеру посредством одного или нескольких путей потока текучей среды между камерой сгорания и смесительной камерой и перемешивание с сырьевым газом, причем энергия передается от горючего газа к сырьевому газу и при этом вызывает получение одного или нескольких продуктов, причем для заданного реактора способ выполняется со сдвигом фазы по меньшей мере относительно одного другого реактора из множества реакторов.
[0042] Для каждого реактора введения сырьевого газа и горючего газа могут быть такими, что сырьевой газ по существу не перемешивается с горючим газом.
[0043] Для каждого реактора способ может дополнительно предусматривать контроль клапанной системы для прекращения дальнейшего производства одного или нескольких продуктов.
[0044] Множество реакторов могут располагаться радиально относительно центральной оси, и система может дополнительно предусматривать вращающее устройство, сконструированное для: вращения множества реакторов вокруг центральной оси относительно блока клапанов, содержащего клапанную систему; или вращения блока клапанов, содержащего клапанную систему, вокруг центральной оси относительно множества реакторов. Таким образом, блок клапанов может вращаться, тогда как реакторы стационарны, или блок клапанов может быть стационарным, когда реакторы вращаются. В некоторых вариантах осуществления блок клапанов и реакторы могут даже вращаться одновременно.
[0045] Контроль клапанной системы может предусматривать контроль открытия и/или закрытия отдельных клапанов. Альтернативно или дополнительно, контроль клапанной системы может предусматривать вращение клапанов (например, используя двигатель) относительно реакторов.
[0046] Система может содержать любой из признаков, описанных применительно к первому аспекту настоящего раскрытия.
[0047] В дополнительном аспекте настоящего раскрытия обеспечивается система, содержащая: один или несколько из любых из вышеописанных реакторов и один или несколько топливных элементов, соединенных с одним или несколькими реакторами и сконструированных для приема углерода, полученного при перемешивании горючих газов с сырьевыми газами.
[0048] Система может содержать любой из признаков, описанных применительно к первому аспекту настоящего раскрытия.
Краткое описание фигур
[0049] Варианты осуществления настоящего раскрытия будут теперь описаны подробно совместно с приложенными фигурами, на которых:
[0050] фиг. 1 представляет график мольной доли водорода, получаемого из метана под давлением 1 атмосфера при различных температурах и константах времени;
[0051] фиг. 2. показывает комбинацию разложения природного газа и углеродного топливного элемента для получения водорода, электричества и чистого диоксида углерода согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0052] фиг. 3 представляет принципиальную схему системы крекинга природного газа согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0053] фиг. 4А и 4В показывают различные компоновки смесительной камеры и камеры сгорания согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0054] фиг. 5 представляет принципиальную схему способа крекинга природного газа согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0055] фиг. 6 показывает различные конфигурации системы, содержащей связанные реакторы, работающие со сдвигом по фазе, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0056] фиг. 7 показывает связанные реакторы, вращающиеся вокруг стационарных клапанов, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0057] фиг. 8 представляет принципиальную схему камеры сгорания и смесительной камеры, используемых для обеспечения перемешивания сырьевого газа с горючим газом, и третьей камеры, в которую смесь горючего и сырьевого газов направляют и в которой один или несколько продуктов получаются из смеси, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0058] фиг. 9 представляет принципиальную схему камеры сгорания и смесительной камеры, используемых для обеспечения перемешивания сырьевого газа с горючим газом и в которых один или несколько продуктов получаются из смеси, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0059] фиг. 10 представляет принципиальную схему камеры сгорания и смесительной камеры, используемых для обеспечения перемешивания сырьевого газа с горючим газом и в которых один или несколько продуктов получаются из смеси, и причем рециркулирующие газы используются для обеспечения тепловой энергии для способа, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0060] фиг. 11 представляет принципиальную схему камеры сгорания, расположенной в смесительной камере, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0061] фиг. 12 представляет принципиальную схему камеры сгорания, расположенной вне смесительной камеры, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0062] фиг. 13 показывает камеру сгорания, расположенную в смесительной камере, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия;
[0063] фиг. 14 показывает узел из множества реакторов со стационарными реакторами и вращающимися клапанами согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.
Подробное раскрытие вариантов осуществления
[0064] Настоящее раскрытие стремится обеспечить улучшенный способ и реактор для получения одного или нескольких продуктов. Хотя различные варианты осуществления настоящего раскрытия описаны ниже, настоящее раскрытие не ограничено этими вариантами осуществления, и вариации этих вариантов осуществления могут вполне попадать в объем настоящего раскрытия, который ограничен только приложенной формулой изобретения.
[0065] Формы единственного числа при использовании вместе с термином «содержащий» или «включающий» в формуле изобретения и/или описании могут означать «один», но также это соответствует значению «один или несколько», «по меньшей мере один» и «один или более чем один», если контекст явно не указывает иное. Аналогично, слово «другой» может означать по меньшей мере второй или более, если контекст явно не указывает иное.
[0066] Термины «соединенный», «соединение» или «подключенный» при использовании в настоящем документе могут иметь несколько различных значений в зависимости от контекста, в котором эти термины используются. Например, термины соединенный, соединение или подключенный могут иметь механическое или электрическое значение. Например, при использовании в настоящем документе термины соединенный, соединение или подключенный могут указывать, что два элемента или устройства непосредственно соединены друг с другом или соединены друг с другом при помощи одного или нескольких промежуточных элементов или устройств посредством электрического элемента, электрического сигнала или механического элемента в зависимости от конкретного контекста. Термин «и/или» в настоящем документе при использовании вместе с перечнем элементов означает любой один или несколько из элементов, составляющих этот перечень.
[0067] При использовании в настоящем документе ссылка на «приблизительно» или «около» числа или на являющееся «по существу» равным числу означает находящийся в пределах +/- 10% этого числа.
[0068] В общем, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия описан сверхэффективный способ импульсного пиролиза, используемый для получения обогащенного по водороду газа и/или углеродных продуктов из сырьевого природного газа. Для производства водорода в большом масштабе способ может конкурировать с SMR.
[0069] Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия описано применение неустановившегося способа импульсной реакции с постоянным объемом для получения водорода и углеродных продуктов из сырья на основе природного газа. Отдельная камера для горючих газов и окислителя обеспечивает энергию для реакции, и она передается прямо в смесительную камеру для сырья путем термического обмена энергией посредством прямого контакта при помощи динамического сжатия газа и быстрого перемешивания. В обсуждении ниже воздух используют в качестве окислителя; однако, другие окислители, такие как чистый кислород, можно использовать в способе. Кроме того, сырьевой газ и горючий газ могут содержать один и тот же газ или смесь газов или могут содержать различные газы или смеси газов. В некоторых вариантах осуществления горючий газ может содержать смесь рециркулирующих газов.
4
[0070] Реактор содержит смесительную камеру и камеру сгорания. Эти камеры соединены посредством ряда каналов, которые всегда открыты. В некоторых вариантах осуществления реактор содержит перфорированную трубку (камера сгорания) в большей сплошной трубе (смесительная камера); см. фиг. 3 и 4А. В других вариантах осуществления камера сгорания может быть внешней относительно смесительной камеры (как показано на фиг. 4В). Внешние клапаны обеспечивают сырье, окислитель и горючий газ (показанный как CH), а также выгрузку водорода, углерода и других газов, полученных при реакции.
[0071] Возвращаясь к фиг. 5 увидим, что в начале цикла смесительная камера заполняется продуктами предыдущих циклов реакции. Смесительная камера заполняется смесью продуктов реакции сырья плюс часть продуктов реакции сгорания. Камера сгорания заранее заполняется продуктами реакции сгорания. На 500 свежее сырье и, возможно, некоторая часть рециркулированных продукционных газов вводятся в смесительную камеру для замены продуктов предыдущего цикла с конца смесительной камеры. В то же время смесь горючего газа/воздуха вводят в камеру сгорания, заменяя продукты сгорания с конца камеры сгорания. На 502 все клапаны на входе и выходе закрываются, создавая закрытый объем. На 504 газы в камере сгорания затем воспламеняются, давая повышение давления и температуры в камере сгорания. На 506 каналы между камерой сгорания и смесительной камерой обеспечивают поступление горючих газообразных продуктов в смесительную камеру, при этом сжимая сырьевые газы и повышая их давление и температуру. Кроме того, горячие газообразные продукты из камеры сгорания смешиваются с сырьевыми газами и при этом переносят их тепловую энергию к сырьевым газам, дополнительно повышая их температуру. Полученные температура и давление сырьевых газов вызывают реакцию. На 508 реакции дают проходить в течение периода времени для завершения желаемой реакции и получения желаемых продуктов. На 510 давление в смесительной камере быстро снижают путем выпуска продуктов во внешний объем (не показан). Продукционные газы сгорания, оставшиеся в камере сгорания, можно выпускать с газами из смесительной камеры или выпускать отдельно через предназначенное отверстие. Снижение давления в смесительной камере понижает температуру и останавливает или гасит реакцию. Это быстрое снижение давления и расширение также имеет желательный эффект удаления твердых продуктов реакции, таких как углерод, со стенок реактора. Кроме того, волна давления, создаваемая при сжигании, может отдирать отложения углерода со стенок реактора.
[0072] Если сырьевой и горючий газы предварительно смешивают, смесь может не воспламеняться, поскольку она слишком насыщена. Таким образом, смесительная камера и камера сгорания являются отдельными и различными перед воспламенением, так что не происходит перемешивания или предпочтительно очень небольшое перемешивание происходит между сырьевым газом и горючим газом.
[0073] Ряд реакторных систем может быть связан вместе и работать несколько со сдвигом по фазе друг относительно друга для получения непрерывного потока в реакторную систему и из нее. Клапаны могут быть стационарными или вращающимися, как показано на фиг. 6. В некоторых вариантах осуществления реакторы могут вращаться, а клапаны могут оставаться стационарными (см. фиг. 7, модифицированная из фиг. 2 из Wave rotor design method with three steps including experimental validation, Chan Shining et al., Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, December 2017, полное содержание которой таким образом включено ссылкой).
[0074] Различные параметры можно регулировать для обеспечения эффективной работы реактора. Сырьевой газ можно предварительно нагревать до температуры слегка ниже той, при которой он начинает реагировать, перед введением в смесительную камеру. Обычная температура будет находиться в диапазоне 600K-1000K в зависимости от сырьевых компонентов и рабочих давлений.
[0075] Кроме того, вводимую смесь горючего газа/окислителя можно также предварительно нагревать перед введением в камеру сгорания. Обычная температура будет находиться в диапазоне 400K-700K в зависимости от используемых горючих газов. Предварительное нагревание смеси горючего газа/окислителя может улучшать эффективность способа, так что больше энергии от сгорания передается реагентам, а не используется для нагревания продуктов сгорания.
2
2
[0076] Объемное отношение между смесительной камерой и камерой сгорания следует устанавливать так, чтобы подходящее количество энергии, содержащейся в камере сгорания, обеспечивалось смесительной камере для получения желаемых продуктов. Также должно быть достаточно продуктов горючего газа, поступающих в смесительную камеру, для обеспечения эффективного перемешивания. Объемное отношение <10:1 обычно предпочтительно. При использовании воздуха в качестве окислителя азот может быть полезным в качестве нереакционного газа, который обеспечивает более низкое объемное отношение и увеличивает перемешивание. При использовании чистого кислорода в качестве окислителя другой газ, такой как СО, может обеспечивать такое же преимущество, что и азот в воздухе в качестве варианта окислителя. Введение дополнительного СО в смесь горючих газов может приводить к большему производству твердого углерода.
[0077] Отношение длины к диаметру важно для получения эффективного переноса энергии из камеры сгорания в смесительную камеру. Короткие реакторы с большим диаметром будут, как правило, иметь плохое перемешивание, тогда как длинные узкие реакторы будут иметь проблемы при введении сырьевого и горючего газов в реактор по его длине. Отношение длины и диаметра <30:1 обычно предпочтительно.
[0078] Согласно некоторым вариантам осуществления реактор использует метан (или природный газ) в дополнение к некоторым рециркулирующим продукционным газам в качестве сырьевого газа и смесь рециркулирующего газа/окислителя в качестве горючих газов. Реактор может быть сконструирован и работать так, чтобы максимизировать производство водорода и твердого углерода в потоке продуктов реакции. Реактор может содержать камеру сгорания, являющуюся перфорированной трубкой, внутри смесительной камеры. Перфорированная камера сгорания может быть расположена со смещением относительно центра смесительной камеры и соединена со стенкой смесительной камеры для обеспечения структурной целостности и опоры, как можно увидеть на фиг. 13. Объемное отношение смесительной камеры/камеры сгорания может быть равно 10:1 или меньше, а отношение длины к диаметру может быть 10:1. В некоторых вариантах осуществления объемное отношение смесительной камеры/камеры сгорания может быть приблизительно 6:1, а в некоторых вариантах осуществления объемное отношение смесительной камеры/камеры сгорания может быть приблизительно 3,5:1.
[0079] Как можно увидеть на фиг. 14, ряд трубок реактора может располагаться вместе с внешними вращающимися клапанами, обеспечивая поток и порядок следования всех сырьевых, горючих газов и продуктов реакции. Отдельное отверстие может выпускать продукты сгорания камеры сгорания.
4
2
2
2
4
2
[0080] Реактор может работать при достаточно высоком давлении, так что полученный водород можно очищать при помощи стандартной технологии абсорбции с колебаниями давления. Согласно некоторым вариантам осуществления продукционные газы, такие как непрореагировавший метан (СР), монооксид углерода (СО) и некоторое количество водорода, рециркулируют и смешивают с большим количеством метана с получением смеси сырьевых газов в реакторе. Смесь горючих газов содержит смесь рециркулирующих газов в дополнение (в случае продуваемого воздухом реактора) к СО, удаляемому из системы удаления СО, и чистому кислороду. В некоторых вариантах осуществления смесь рециркулирующих газов, текущая как в камеру сгорания, так и смесительную камеру, содержит СО в дополнение к СР, СО и Р. Смесь сырьевых газов и смесь горючих газов предварительно нагревают до ~900K и ~600K, соответственно, тепловой энергией, извлеченной из потока продуктов реактора, посредством многопоточного теплообменника. В альтернативных вариантах осуществления объемное отношение смесительной камеры/камеры сгорания составляет 3,5:1, смесь метана (или природного газа)/воздуха используют для горючих газов.
[0081] Теперь будет представлено подробное описание вариантов осуществления настоящего раскрытия.
[0082] Со ссылкой на фиг. 8 увидим, что горючий газ 10 и газ-окислитель 20 поступают в систему 30 обработки и контроля горючей смеси, которая обрабатывает смеси 31 горючих газов до соответствующих температуры и давления, требуемых камерой 60. Сырьевой газ 40 и смесь 91 рециркулирующих газов поступают в систему 50 обработки и контроля сырьевой смеси, которая обрабатывает сырьевую смесь 51 до соответствующих температуры и давления, требуемых камерой 60. В некоторых вариантах осуществления смесь рециркулирующих газов недоступна, и только сырьевой газ 40 поступает в систему 50 обработки и контроля сырьевой смеси.
[0083] Камера 60 представляет собой устройство с постоянным объемом, которое использует энергию сгорания от обработанной смеси 31 горючих газов для повышения давления и температуры обработанной сырьевой смеси 51 до уровня готовности для реакции. Смесь 67 газообразных продуктов сгорания, содержащая главным образом продукты сгорания сгораемой обработанной смеси 31 горючих газов, можно отводить из камеры 60. Готовая к реакции газовая смесь 61 поступает в реактор 70, где она остается, пока газовая смесь не превратится в эндотермической реакции с постоянным объемом в смесь 71 прореагировавших продуктов. Реакция с постоянным объемом представляет неустановившийся процесс, который работает в периодическом режиме и требует контроля времени производственного цикла. Это осуществляется путем контроля потока в системах 30, 50 обработки и системе 80 разделения и контроля.
[0084] Смесь 71 прореагировавших продуктов поступает в систему 80 разделения и контроля продуктов, которая прекращает реакцию в реакторе 70 путем снижения давления и температуры желаемой смеси 71 прореагировавших продуктов и разделяет и/или очищает отдельные продукционные компоненты 81, 82, нежелательные продукты 83 и смесь 84 рециркулирующих газов. Смесь 84 рециркулирующих газов поступает в систему 90 предварительной обработки рециркулирующего газа, где смесь 84 рециркулирующих газов предварительно обрабатывается до желаемой температуры и давления и протекает в систему 50 обработки и контроля сырьевой смеси.
[0085] В некоторых вариантах осуществления горючий газ 10 и сырьевой газ 40 являются природным газом, а газ-окислитель 20 представляет собой воздух. Желаемая реакция в реакторе 70 представляет собой пиролиз метана, обычно представленный следующим уравнением:
4
2
[0086] СР (метан)+энергия→С (углерод)+2Н (водород).
[0087] Отдельный продукт 81 представляет собой газообразный водород, отдельный продукт 82 представляет собой углерод, а нежелательные продукты 83 представляют собой главным образом диоксид углерода, азот и воду. Смесь 84 рециркулирующих газов содержит главным образом непрореагировавший природный газ, водород, азот и монооксид углерода.
[0088] Система на фиг. 9 подобна системе на фиг. 8, за исключением того, что камера 60 и реактор 70 объединены в реактор 62 с постоянным объемом.
[0089] Фиг. 10 подобна фиг. 9, но часть рециркулирующей смеси 84, обработанной в установке 90 обработки предварительно обработанного рециркулирующего газа, направляют в систему 30 обработки и контроля горючего газа для отвода количества требуемого горючего газа 10.
[0090] Фиг. 11 представляет поперечное сечение или камеры 60, или реактора 62 с постоянным объемом. В этом описании она представляет реактор 62 с постоянным объемом.
[0091] Реактор 62 с постоянным объемом содержит объем 65 сгорания, содержащийся в камере 63 сгорания. Камера 63 сгорания окружена объемом 64 реактора, который содержится в камере 68 реактора. Каналы 66 соединяют объем 65 сгорания с объемом 64 реактора. Хотя камера 63 сгорания показана в центре камеры 68 реактора, камера 63 сгорания может располагаться где угодно в камере 68 реактора, включая около наружной стенки 69 камеры 68 реактора.
[0092] Обработанная смесь 31 горючих газов поступает в камеру 63 сгорания через клапан 32 для смеси горючих газов и канал 33, вытесняя любую смесь 67 газообразных продуктов сгорания, присутствующую в объеме 65 сгорания из реактора 62 по каналу 74 и через клапан 75 для продуктов сгорания. Обработанная смесь 51 сырьевых газов поступает в смесительную камеру 68 через клапан 52 для смеси сырьевых газов и по каналу 53, вытесняя желаемую смесь 71 прореагировавших продуктов в объеме 64 реактора из реактора 62 по каналу 73 и через клапан 72 для продуктов. Как обработанная смесь 31 горючих газов, так и обработанная смесь 51 сырьевых газов могут одновременно поступать в реактор 62 с постоянным объемом при одинаковом давлении, так что происходит очень незначительное перемешивание посредством каналов 66.
[0093] Как только главным образом вся смесь 67 горючих газов и смесь 71 желаемых продуктов вытесняется из реактора 62, клапан 75 для продуктов сгорания и клапан 72 для продуктов закрываются. Как только достигается желаемое давление в реакторе, клапан 32 для смеси горючих газов и клапан 52 для смеси сырьевых газов закрываются, создавая закрытый объем в реакторе 62. Воспламенитель 100 создает энергию 101 воспламенения, которая обеспечивает сгорание обработанной смеси 31 горючих газов в камере 63 сгорания в экзотермической реакции, создавая смесь 67 газообразных продуктов сгорания при повышенной температуре и давлении. Из-за полученной разницы давлений между камерой 63 сгорания и смесительной камерой 68 часть смеси 67 горючих газов поступает в объем 64 реактора, сжимая смесь 51 сырьевых газов до более высокого давления. Одновременно эта часть горячей смеси 67 горючих газов смешивается и нагревает смесь 51 сырьевых газов при помощи теплопроводности, конвекции и излучения. Смесь 51 сырьевых газов теперь находится при повышенной температуре и давлении, что создает условия для прохождения эндотермической реакции. Реактор 62 с постоянным объемом поддерживается как закрытый объем, пока происходит эндотермическая реакция, достаточно долго для получения смеси 71 желаемых продуктов. Как только это условие достигается, клапан 72 для продуктов и клапан 75 для продуктов сгорания открываются, что снижает давление и температуру, останавливая эндотермическую реакцию. Процесс затем повторяют.
[0094] Фиг. 12 показывает вариант осуществления камеры 60 или реактора 62 с постоянным объемом с камерой 63 сгорания, внешней относительно смесительной камеры 68. Объем 65 сгорания соединен с объемом 64 реактора посредством ряда каналов 68. Множество зажигателей может располагаться вдоль камеры 63 сгорания для создания конкретных условий сгорания при необходимости. Множество зажигателей также может располагаться в реакторе 62 с постоянным объемом с фиг. 11, если камера 63 сгорания расположена рядом со стенкой 69 камеры реактора.
[0095] Фиг. 13 показывает изометрическую проекцию варианта осуществления камеры 60 или реактора 62 с постоянным объемом с камерой 63 сгорания, непосредственно соединенной со стенкой 69 камеры 68 реактора. Непосредственное соединение камеры 63 сгорания со стенкой 69 камеры реактора обеспечивает структурную опору и выравнивание с камерой 63 сгорания и по существу создает цельную камеру 60 или реактор 62 с постоянным объемом.
[0096] Для создания квази- или полунепрерывной проточной системы множество камер 60 или реакторов 62 с постоянным объемом могут располагаться вместе и работать со сдвигом по фазе, так что каждая камера или реактор подвергается различной части процесса, описанного на фиг. 11.
[0097] Фиг. 14 показывает вариант осуществления реактора 110 с множеством трубок, с большим числом отдельных реакторов 62 с постоянным объемом, показанных на фиг. 14, расположенных по кругу. Обработанная смесь 31 горючих газов поступает в реактор 110 с множеством трубок посредством канала 34 в камеру 35 повышенного давления. Обработанная смесь 51 сырьевых газов поступает в реактор 110 с множеством трубок посредством канала 54 в камеру 55 повышенного давления. Моменты времени, когда смеси обработанных горючих и обработанных сырьевых газов поступают в реактор 110 с множеством трубок, контролируются впускным вращающимся клапаном 120, который является частью блока 121 вращающихся клапанов. Впускной вращающийся клапан 120 выполняет такую же функцию, что и клапан 32 для смеси горючих газов, канал 33, клапан 52 для смеси сырьевых газов и канал 53, описанные на фиг. 11. Моменты времени, когда смесь 67 газообразных продуктов сгорания и смесь 71 желаемых продуктов выходят из реактора 110 с множеством трубок, контролируется выпускным вращающимся клапаном 122, который является частью блока 121 вращающихся клапанов. Выпускной вращающийся клапан 122 выполняет такую же функцию, что и клапан 72 для продуктов сгорания, канал 73, клапан 75 для сырьевых продуктов и канал 74, описанные на фиг. 11.
[0098] Смеси 67 газообразных продуктов сгорания из каждого реактора 62 с постоянным объемом собирают в камере 123 повышенного давления для продуктов сгорания и распределяют из реактора 110 с множеством трубок посредством канала 125. Смесь 71 продуктов из каждого реактора 62 с постоянным объемом собирают в камеру 124 повышенного давления для продуктов и распределяют из реактора 110 с множеством трубок посредством канала 126.
2
[0099] Хотя раскрытие было представлено главным образом в контексте крекинга сырьевого газа, раскрытие распространяется на другие способы получения одного или нескольких продуктов из сырьевого газа. Например, синтез-газ (Н и СО) можно получать путем регулирования одного или нескольких параметров процесса, так что горючий газ реагирует (в дополнение к перемешиванию) с сырьевым газом. Например, отношение окислителя к рециркулирующему газу в горючем газе можно повышать для повышения давления и температуры горючего газа сразу после воспламенения и при этом вызывать соответствующую реакцию между горючим газом и сырьевым газом.
[0100] Хотя настоящее раскрытие было описано совместно с конкретными вариантами осуществления, следует понимать, что настоящее раскрытие не ограничено этими вариантами осуществления, и что изменения, модификации и вариации этих вариантов осуществления могут выполняться специалистом без отклонения от объема настоящего раскрытия. Кроме того, рассматривается, что любую часть любого аспекта или варианта осуществления, обсуждаемого в этом описании, можно реализовать или объединить с любой частью любого другого аспекта или варианта осуществления, обсуждаемого в этом описании.