催化反应模块的制作方法

专利名称：催化反应模块的制作方法
催化反应模块本发明涉及一种具有通道的催化反应模块，其用于进行吸热化学反应如蒸汽重 整，其中热是由相邻通道中的燃烧反应提供的，本发明还涉及一种利用该模块来进行吸热 化学反应的方法，以及涉及该模块的控制。在WO 2005/102511 (GTL微系统AG)中描述了一种成套设备及方法，其中在第一催 化反应器中使甲烷与蒸汽反应而产生一氧化碳和氢气；然后使用所产生的气体混合物在第 二催化反应器中进行费歇尔-托罗普希(Fischer-Tropsch)合成。所述的重整反应典型地 在约800°C的温度下进行，并且所需的热是由与进行重整的通道相邻的通道中的催化燃烧 提供的，该燃烧通道包含催化剂，该催化剂可包括在氧化铝载体上的钯或钯/钼，其呈在金 属基底上的薄涂层的形式。将可燃气体的混合物如甲烷和空气的混合物供给该燃烧通道。 燃烧无火焰地发生在催化剂的表面处。然而，已发现燃烧反应倾向于最剧烈地发生在燃烧 通道的起始端附近，其可导致沿通道的不适宜的温度分布；虽然此问题可通过沿燃烧通道 分阶段注入燃料来克服，但仍期望有其它解决方法。根据本发明，提供了一种用于进行吸热反应的催化反应模块，该模块包括多个独 立的反应器块，每一反应器块限定了交替地布置在该反应器块内的许多第一和第二流体通 道，以确保在第一和第二流体通道之间的热接触，将该反应器块进行布置和连接用于气体 混合物在第一流体通道中的串流以进行吸热反应，并且也用于可燃气体混合物在第二流体 通道中的流动，使得吸热反应混合物串联流过反应器块。反应器块被认为是独立的，其意思是指其具有不同的和独立的气体混合物的入口 和出口。该反应器块也可以是物理上分离的，即彼此被间隔开；或其也可被连接在一起例如 以叠的形式。优选该模块被布置成这样使得供给反应器块的可燃气体混合物处于低于其自燃 温度的高温下，在一个或多个反应器块中，温度至少部分地由于可燃气体混合物的燃烧而 上升。事实上优选地，供给模块中每个反应器块中的可燃气体混合物处于这样的高温下。 对于至少某些反应器块来说，可通过与从一个或多个反应器块的第二气体流体通道产生的 气体进行热交换而使温度上升。在一种优选的实施方式中，将可燃气体混合物布置成以与 吸热气体混合物相同的顺序串联流过反应器块。在该例子中，由于在该串联的前一反应器 块中至少部分地进行了燃烧，因此供给第二或之后的反应器块的可燃气体混合物处于高温 下。可燃气体混合物包括燃料(例如甲烷)及氧气源(例如空气)。优选地，在相继的 反应器块之间提供了用于处理已经进行了燃烧的流出气体混合物，例如用于改变其温度或 用于引入及混入额外的燃料的装置。还期望在相继的反应器块之间提供用于将额外空气引 入由燃烧产生的流出气体混合物中的装置。在不同反应器块之间分阶段供给燃料以及分阶 段引入空气，可达到对温度分布的更好控制。例如，如果有两个串联的反应器块，在第一阶 段提供的燃料的比例优选在总需求燃料的50%至70%之间，剩余部分在第二阶段提供。本发明还提供了进行吸热反应的方法，其中所述的吸热反应所需的热是由相邻通 道中的燃烧反应提供给所述的吸热反应的，其中所述的吸热反应在多个相继的阶段中进行。所述的吸热反应可以是蒸汽甲烷重整，并且在该情形中优选地，经由第一阶段，吸热反 应通道中的温度增加到675°C至700°C之间，优选增加到约690°C ；并且经由第二阶段增加 到730°C至800°C，优选增加到约760V。在一种优选的实施方式中，燃烧反应还在至少两个 相继的阶段中进行，对从一个阶段产生的可燃气体混合物在将其引入下一个阶段之前进行处理。在相继的阶段之间处理燃烧气体混合物优选地包括改变其温度和添加额外的燃 料。在添加额外的燃料之前，通过降低气体温度可以避免自燃。通过在许多阶段中使用独立的反应器块进行燃烧过程，得到了分阶段注入燃料的 益处，例如沿着反应器模块更均勻的温度分布，同时避免了潜在的问题。特别地，这使得在 引入额外的燃料之前，在相继的阶段之间冷却燃烧气体混合物成为可能，它可确保不会发 生自燃。在相继的反应器块之间处理燃烧气体混合物在模块内进行，而不是在反应器块内 进行。优选地，在反应器块内第一流体通道和第二流体通道沿平行方向延伸，并且可燃 气体混合物和吸热反应混合物沿相同方向流动(共流)。优选地，流体通道的长度至少为 300mm,更优选至少为500mm，但优选不长于1000mm。优选的长度在500mm与700mm之间，例 如为600mm。已发现同向流动操作提供更好的温度控制和较少的热点风险。在优选的实施方式中，每个第一流体通道(用于吸热反应的通道)和每个第二流 体通道(用于燃烧反应的通道)包含可去除的催化剂结构用来催化各自的反应，每个催化 剂结构优选地包含金属基底并引入了适当的催化剂材料。优选地，将每一个该催化剂结构 成形以便将该流体通道细分为许多个平行的流体子通道。优选地，每一个催化剂结构包含 在金属基底上的陶瓷载体材料，其为催化剂提供了支撑。该金属基底为催化剂结构提供了强度并通过传导提高了热转移。优选地，该金属 基底是钢合金基底，在其受热时形成附着的氧化铝表面涂层，例如掺入铝的铁素体钢合金 (例如Fecralloy )。该基底可以是箔、金属丝网或毡片，其可以是起皱的、起波纹的或打 褶的；优选该基底是薄的金属箔，例如厚度小于IOOym的，其是起皱纹的以限定纵向的子 通道。每一个反应器块可包括一叠板。例如第一和第二流体通道可由各自板中的沟槽来 限定，将所述板堆叠并然后将其粘合在一起。可替代地，所述流体通道可由城堡形的与扁平 片交替堆叠的薄金属片来限定；流体通道的边缘可由密封带来限定。为了确保所需要的良 好的热接触，第一和第二气体流体通道两者的高度都可以在IOmm与2mm之间(横截面)； 并且每个通道的宽度可以在约3mm与25mm之间。例如通过扩散粘合、钎焊或热等静压加工 将形成反应器块的这一叠板粘合在一起。优选地，在每个用于燃烧的流体通道的入口处提供阻火器，以确保火焰不会蔓延 回到向燃烧通道供料的可燃气体混合物中。这可在每一燃烧通道的入口部分内，例如以非 催化嵌件形式，其将与入口相邻的燃烧通道部分细分为许多个窄的流体小道，其不宽于用 于防止火焰蔓延的最大间隙尺寸。例如这样的非催化嵌件可以是纵向成波状的箔或叠成一 叠的多个纵向成波状的箔。可替代地或另外地，其中通过集流管来提供可燃气体，然后可将 阻火器提供在该集流管内。本发明还提供了一种采用该反应模块来进行吸热反应(例如蒸汽重整)的方法。在添加额外的燃料之前，通过将空气与由燃烧所产生的流出气体混合物混合，可以将可燃 混合物的温度保持在自燃温度之下，从而确保在催化剂结构的表面处(而不是在气相中发 生)以非均相反应的形式发生燃烧。以此方式进行蒸汽甲烷重整能够使操作在每一反应器块内以高空间速度，例如以 10000-60000/小时的空间速度来进行，同时达到超过90%的平衡转化率。同样地，优选地， 以20000-70，000/小时的空间速度进行燃烧反应。在此文件中，空间速度是指在标准温度 和压力(0°C或1大气压)下，以多个相应的反应器通道的自由体积形式测量的每小时供给 反应器的气体体积。本发明还提供了 一种控制燃烧的方法；并且其提供了 一种将在紧凑型催化反应器 中的热应力减至最小的方法。现将进一步更具体地描述本发明，仅以举例说明的方式，并且参照附图，其中

图1显示本发明的反应模块的示意侧视图；图2用图形显示通过图1的反应模块的温度变化以及在蒸汽甲烷反应中转化率的 相应变化；图3显示其中蒸汽将甲烷混合物供给图1的模块的系统；图4显示引入了图1的模块的系统；以及图5显示本发明的另一反应模块的流程图。通过将蒸汽与甲烷混合，并且在高温下使该混合物与适当的催化剂接触而引起甲 烷的蒸汽重整反应，从而使蒸汽与甲烷反应形成一氧化碳与氢气(其可以被称为合成气体 或合成气)。蒸汽重整反应是吸热的，并且热是由催化燃烧例如与空气混合的甲烷的催化燃 烧提供的。该燃烧发生在重组反应器内在相邻的流体通道内的燃烧催化剂之上。优选地在 将蒸汽/甲烷混合物引入反应器之前，将其预热到例如600°C以上。因此，在重整反应器中 的温度通常从在入口处的约600°C增加到在出口处的约750-800°C。所需的燃料(例如甲烷)总量，是提供用于吸热反应和为了使气体升温(合理的 热)以及任何的因环境热损失而要提供热所需的燃料总量；而所需的空气量至多比与该数 量的燃料反应所需的量多10%。现参考图1，示出了适合用作蒸汽重整反应器的反应模块10。反应模块10由两个 反应器块12a和12b组成，其各自由在平面图中为矩形的一叠板组成，每个板是由抗腐蚀的 高温合金制成的。将平板与城堡形板交替地布置以便在所述叠的相对的末端之间限定出直 通的通道，每个通道具有长度为600mm的活动部分。通过举例说明，在第1实施例中城堡形 的高度(典型地在2-10mm范围内)可以是3mm，或在第2实施例中可以是10mm，同时该城 堡形的波长可以是这样的使得相继的线在第1实施例中间隔为20mm或在第2实施例中可 能间隔为3mm。所有的通道彼此平行地延伸，其中有集流管使得蒸汽/甲烷混合物可被提供 到第一组通道15，以及空气/甲烷混合物被提供到第二组通道16，第一和第二通道在叠中 交替(通道15及通道16如图所示)，使得所述叠中的顶部通道与底部通道两者都是燃烧通 道16。用于各自反应的适当催化剂被提供到通道15及16的活动部分中的成波纹状的箔上 (未示出)，使得空隙率为约0. 9。在每个燃烧通道16的入口处提供了阻火器17。例如，在每个叠中可以有超过五十个的这种城堡形板。蒸汽/甲烷混合物串联流过反应器块12a和12b，有一个导管20将第一反应器块12a的通道15的出口连接到第二反应器块12b的通道15的入口。相似地，燃烧混合物也串 联流过反应器块12a和12b，有一个导管22将第一反应器块12a的通道16的出口连接到第 二反应器块12b的通道16的入口。导管22包含用于额外空气的入口 24，之后是静态混合 器25，并然后是用于额外燃料的入口 26，接着是另一静态混合器27。在反应模块10的使用中，将蒸汽/甲烷混合物预热至620°C，并将其供给反应模块 10，使其流过反应器块12a和12b。将所需空气的80%及所需甲烷(作为燃料)的60%的 混合物预热至550°C，其低于该组合物的自燃温度，并将其供给第一反应器块12a。在这两 种情况下，都可通过与模块10内已经进行了燃烧的废气进行热交换来进行所述的预热。因 在催化剂处的燃烧使温度上升，并且这些由燃烧产生的气体以约700°C的温度排出。将这些 气体与所需空气的剩余的20% (通过入口 24及静态混合器25)混合，然后与所需甲烷的剩 余的40% (通过入口 26及静态混合器27)混合，使得供给第二反应器块12b的燃烧通道 16的气体混合物处在约600°C，该温度也低于该混合物(其包含第一阶段燃烧所产生的水 蒸汽及二氧化碳)的自燃温度。通过调节在入口 24处供给的额外空气的温度，可将所得混 合物的温度控制在低于自燃温度。举例来说，气体流速可以是这样的，使得空间速度优选在14000与20000/每小时 之间，并且可能更特别地，对于蒸汽甲烷重整通道在15000与18000/每小时之间(将反应 模块10作为整体考虑)，并且对于燃烧通道优选在19000与23000/每小时之间(将反应模 块10作为整体考虑)。现参考图2，该图以图解方式显示了温度T沿着燃烧通道16(标注为A)的长度L 以及沿着重整通道15 (标注为B)的长度L的变化。介于L = O和L = 0.6m之间的图形部 分对应于第一反应器块12a，而介于L = 0. 6m和L = 1. 2m之间的图形部分对应于第二反 应器块12b。要注意的是，一旦燃烧已经开始，重整通道15中的温度T，就总是低于相邻燃 烧通道16中的温度T。由于在第一反应器块12a与第二反应器块12b之间(在位置L = 0.6m处)添加的空气(来自入口 24)，燃烧气体的温度经历向下的逐步变化。在蒸汽重整 反应中，甲烷的转化率C随长度L的变化由标记为P的图形显示。穿过反应器块10该转化 率连续地增加并且达到约80%的值，该值接近于在反应条件下的平衡转化率。应当理解的是，调节燃烧通道和重整通道中的空间速度，并且调节向每一反应器 块提供的用于燃烧的燃料和空气的比例，确保贯穿整个反应器块达到令人满意的温度分 布。并且将每一反应器块内的热应力减至最小。这确保反应模块在安全边界内运行，没有 损坏反应器块的风险。还应重视的是如图2中所示的温度和转化率的变化仅仅是举例来说 的，并且如果改变燃烧催化剂或如果改变燃料与空气的比例，温度分布以及因此转化率将 与实施例的稍有不同。应重视的是以上给出的描述仅为举例说明，可对其进行许多改变同时仍在本发明 的保护范围内。例如通道15和16以及反应器块12的尺寸可以与以上所示的那些不同。供 给第一反应器块12a的空气与甲烷的比例可与上述比例不同。最初提供的燃料的比例可在 50%与65%之间，更优选地为55%，而剩余的35%至50%，优选45%在12a与12b之间提 供。例如可以最初提供所需空气的100%和所需燃料的65% ；并且在反应器块12a和12b 之间提供燃料的剩余的35%，虽然在此情况中可能理想的是提供一个热交换器(未示出) 来冷却流出的气体，以确保温度低于自燃温度。在每种情况中，在气体组合物的普遍条件和压力下，优选地将额外的燃料加入温度低于气体混合物的自燃温度的气体混合物中。如上 所述，当最初仅提供部分空气时，该比例优选为至少50 %，并且优选为不大于90%，更优选 地在75%与85%之间，最优选为80%，如上述实施例中那样。应理解的是，在通道15及16中携带催化剂的箔优选地在除了被阻火器17所占据 的燃烧通道16的初始部分之外的各自通道的全部长度上延伸。在一种改型中，在每一重整 通道15的初始部分中没有提供重整催化剂，该初始无催化剂部分比阻火器17的长度更长， 使得将要进行重整的气体混合物在其到达重整催化剂之前被预热。应该重视的是当燃料气体包含(或由其组成)显著浓度(例如> 5% )的相对于 甲烷具有快速燃烧动力学的物质例如H2及CO时，，则可采用超过两个的反应器块和阶段之 间的混合位置，以控制在反应器模块中的温度分布并且防止产生热点和不利的热梯度。调节供给每一阶段的燃料与空气比例的能力还可被用于补偿随时间流逝催化剂 活性的降低。当随时间流逝燃烧催化剂失去活性时，具有此布置的进一步精制能够将一些 所产生的合成气再循环到燃料混合阶段，以保持反应模块中的温度分布。要重视的是，蒸汽甲烷重整可以形成用于将甲烷转化成更长链烃的工艺的一部 分，然后使通过重整产生的合成气体进行费歇尔-托罗普希合成。可替代地，可以使合成气 体进行催化过程来形成甲醇。利用一个或多个反应模块10 (如上所述)，在任何这样的成套 设备中可进行蒸汽甲烷重整。优选的成套设备整合了平行布置的几个这样的反应模块，使 得可通过改变所使用的反应模块的数量来调节该成套设备的容量。在图1中所示的反应模块10中，并且仅考虑燃烧通道16，在反应器块12a与12b 两者中都可提供钼_钯催化剂。可选择地，在两个反应器块12a与12b中的催化剂可以是 不同的。例如在第一反应器块12a中的催化剂可以是钼-钯，并且在第二反应器块12b中 的催化剂可仅以钼来代替。应重视的是因为已经发生的燃烧，在第二反应器块12b内的氧 气分压小于在第一反应器块12a中的氧气分压。如果在第二反应器块12b中使用钼-钯催 化剂可能产生一个问题，因为该低氧气分压鼓励将氧化钯转化成钯金属，而钯金属作为燃 烧催化剂，其没有氧化钯有效。因此，可受益于在第二反应器块12b中仅使用钼催化剂，或 在第二反应器块12b中使用具有高比率钼的钼-钯混合物。金属形式的钼而不是氧化物形 式的钼是催化活性的，因此，催化剂的活性不会因第二反应器块12b内的低氧气分压而受 到不利的影响。作为另一种替代方式，在反应器块12a与12b两者中均可使用仅含有钼的 催化剂。然而，钼催化剂与钼-钯催化剂相比具有较低的点火温度，所以不适合在第一反应 器块12中使用，此外在第一反应器块12a中的氧气分压更高，因此仅含有钼的催化剂无法 提供其将在第二反应器块12b中提供的益处。现参照图5，其中示出了另一反应模块100，与模块10中的组件相同的组件也用相 同的参考符号标注。反应模块100由示意图所示的两个反应器块12a和12b组成，并且如 上所述，蒸汽/甲烷混合物经由导管20串联流过反应器块12a、12b。将独立的燃烧混合物 供给每一反应器块12a和12b，并且将从反应器块12a和12b两者的燃烧通道16的产生的 废气提供给共同的排气孔102 (或提供给两个分开的排气孔)。通过在由排气孔102中的废 气加热的热交换器104与105中预热空气与燃料，将供给第二反应器块12b的燃烧混合物 预热到550°C (低于其自燃温度)，然后使预热的空气与燃料在混合器27中混合(可以类 似地将供给第一反应器块12a的燃烧混合物预热)。
供给模块100的第一反应器块12a的燃烧混合物可与供给第二反应器块12b的燃 烧混合物具有相同的组成。因此可以将总燃料需要量的50%供给第一反应器块12a而将 剩余的50%供给第二反应器块12b，给每一反应器块提供相同体积的空气。然而，应注意的 是，供给第一反应器块12a的燃料体积可以与供给模块10的第一反应器块的燃料体积相 同。因此供给模块100的燃料总量可以大于供给模块10的燃料量。可选择地，可以向第一反应器块12a提供比例稍高的所需燃料总量，例如55%，并 且将剩余的45%总量供给第二反应器块12b。通过从第一阶段燃烧反应中排放至少一部分 的废气，与图1中的相比较，在第二反应器块12b的通道中所产生的气体水蒸汽与二氧化碳 的百分比减小了。这转而对第二反应器块12b中的氧气分压增高有贡献。因此钯/钼催化 剂适合在反应器块12a和12b两者的燃烧通道16中使用。在整个模块100中的温度分布 实质上与相对于图2中描述的模块10中的温度分布相同，并且在蒸汽甲烷重整通道中所达 到的总体转化率实质上相同。现参考图3，该图显示了作为用于加工天然气的成套设备的一部分，用于将蒸汽甲 烷混合物供给如上所述的重整模块10、或供给如上所述的重整模块100的系统30的流程 图。在此实施例中，所述的加工成套设备将天然气转化成更长链的烃产物。首先调节天然 气以除去杂质例如汞或硫磺，因此提供清洁的天然气的原料流，典型地为含有小百分率的 其它烷类的约90%的甲烷。通过蒸汽甲烷重整将这用于产生合成气体。让该合成气体进行 费歇尔-托罗普希合成而产生更长链的烃，留下残余的尾气；该尾气可以主要由短链烷烃、 一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽和氢气组成。意欲将系统30用于该加工成套设备中，并且在该实施例中，给系统30提供了三 种输入料流干净天然气的进料流31、蒸汽32的供料以及从费歇尔_托罗普希奇合成成套 设备再循环的尾气33。系统30产生含有天然气和蒸汽的混合物，并使其在预重整器35中 进行预重整(例如采用镍催化剂)，将任何C2+烃(乙烷、丙烷等)转化成甲烷、一氧化碳 和氢气。流量理想地是这样的，使得在预重整之后蒸汽甲烷的摩尔比率介于1.4 1和 1.6 1之间。所得的气体混合物36主要由甲烷和蒸汽组成，并将该气体混合物供给如上 所述的一个或多个重整反应器模块10。系统30包括用于控制供给预重整器35的蒸汽与碳的比率(不论是以甲烷形式还 是另一种烷烃形式)的控制系统38。在常规操作期间，蒸汽碳的比率将会为约1.4 1， 但在启动期间，采用较高的蒸汽比率来避免催化剂在重整模块10中结焦，同时催化剂温度 升高到其目标值。流量变送器40测量输入料流31、32和33的流量，并且将数据提供给燃 料流量控制器42。燃料流量控制器42操作控制阀44以调节蒸汽的流速，并且从而确保所 需的蒸汽与碳的比率。来自测量进料气体流量31的流量变送器40的信号也可被传送给流 量控制器46，该流量控制器46操作排气阀48将进料气体流速中的任何尖峰转移到系统30 外，例如转移到一个漏斗(未示出)。提供热交换器50来将循环的尾气料流33加热到与蒸汽32和进料气体31相同的 温度，在该成套设备中已经预先将后者加热到高温。然后将气流31、32和33混合，并且然 后进一步将所得气体混合物用预加热器52加热到预重整器35所需的输入温度，典型地大 约 425 0C ο正如通过相应的流量变送器40测量的那样，但是允许受排气阀48的影响，计算并传送了在54处进料气体31和尾气33的流速，用来控制蒸汽甲烷重整模块10 (如下所述)。在预重整器35中的反应可通过预还原的并且稳定化的镍基催化剂来催化。因为 尾气33被包括在气体混合物中，该气体混合物包含一氧化碳和二氧化碳，因此在预重整器 中的反应是稍微放热的，并且所得的输出料流36的温度是约540°C。为了保护预重整器35与重整反应器模块10中的催化剂，控制提供给预重整器35 的混合物的温度和组成是必要的。例如，如果存在冷凝条件，例如如果预重整器35内的温 度小于180°C，则不应该引入蒸汽。还必须不允许蒸汽自己本身流动通过预重整器35超过 15分钟，否则催化剂可能开始进行不可逆的氧化反应。为了防止催化剂的氧化，蒸汽32应 与至少小比例(例如10摩尔％ )的氢气或天然气混合。预重整器35可在至多200°C下让 天然气通过而没有损害，但如果让天然气在高于250°C时在催化剂上通过，催化剂将因在约 20秒内结焦而被破坏。因此，重要的是如果蒸汽供给32停止了，要切断天然气进料流31， 并且尾气流33也必须被切断。预重整器35的降压必须不快于1巴/分钟以避免损坏催化 剂，并且其加热或冷却也不应该快于1°C /min。现参考图4，示出了用于控制如图1中所示的蒸汽重整模块10的操作的系统60的 流程图。在此例子中气体供应为作为燃料的脱硫的天然气61 ；来自预重整器35的气体混 合物36 ；以及吹制空气62。让主要由蒸汽和甲烷组成的该气体混合物36进入控制回路，该 控制回路包括将关于气体混合物36的压力的数据提供给压力控制器65的压力变送器64 ； 如果气体混合物36的压力超过反应器模块10的预定安全阈值压力，则压力控制器65可以 利用控制阀88调节流速并且可以打开排气阀67以将气体混合物转移到漏斗。然后通过预 加热器68将气体混合物36进料到反应器模块10。还可给反应器模块10提供吹制空气62与脱硫的天然气61的混合物用于燃烧反 应。首先通过预加热器604加热吹制空气62，然后通过温度传感器605测量其温度。通过 阀606响应于来自控制器70的控制信号来调节供给模块10的空气流速。控制器70接收来 自位于第二模块12b的燃料气体的出口处的温度传感器605和氧传感器607两者的数据。吹制空气62在通过阀606之后，被分成穿过热交换器610供给位于第一反应器模 块12a的入口处的静态混合器618 (将要与燃料气体混合)的第一空气流以及穿过热交换 器611供给位于第一反应器模块12a的出口处的静态混合器25的入口 24的第二空气流。 第一与第二空气流的流量比是由第二空气流中的阀608控制的。通过控制器72来控制该阀 608，控制器72接收来自位于静态混合器25出口处的温度传感器609和位于阀608的入口 处的流量传感器74的输入信号。可以独立地控制热交换器610与611，热交换器610将空 气加热到大约500°C的温度，同时第二阶段加热器611将空气加热到在300°C附近的温度。虽然如以上解释，供给第一反应器块12a的混合物可以是所需空气的80%加上所 需燃料的55%或60%，但仍以与吹制气体62相似的方式控制作为燃烧燃料的脱硫气体61。 通过在第一反应器块12a与第二反应器块12b之间的静态混合器25和27引入所需空气的 剩余部分与所需燃料的剩余部分。燃料流61被分成两股料流经由控制阀614和热交换器 616到达位于第一反应器块12a的入口处的静态混合器618的第一流以及经由控制阀615 和热交换器617到达静态混合器27的入口 26的第二流。通过热交换器616将第一流加热 到大约50(TC或550°C，而通过热交换器617将第二流加热至大约300°C。通过控制器612来提供对系统60的总体控制。控制器612接收指示天然气31和尾气33的流量的信号54 (参见图3)，从中可推断出将要重整的甲烷的流量。控制器612也 接收来自位于第二反应器块12b的出口处的温度传感器613的数据。它还接收来自控制器 70的有关吹制空气62流量的数据。控制器612通过阀614和615来控制燃料流量，这是通 过将信号提供给各自的阀控制器76和78来进行控制的，这些阀控制器也接收来自传感器 77和79的流速数据。通过将控制信号提供给控制器70，控制器612也通过阀606控制吹 制空气62的流速。因此，在操作系统60时，供给模块10的空气供料，即吹制空气62的流量是根据将 要重整的甲烷量通过控制器612和控制器70来控制的。如果由在模块10出口处的传感器 607感测到的氧气水平降低，则调节阀606以使供给模块10的吹制空气62的流量增加。如 果氧气水平增加了，则将供给模块10的吹制空气62的流量减少，并且也按比例地降低燃料 61的流速。还根据将要重整的甲烷量来控制燃料61的流速。此外如果由位于模块10出口处 的传感器613所感测到的温度变得过高，则供给两个反应器块12a和12b的燃料61的流速 将会被降低。另一方面，如果由位于静态混合器25出口处的传感器609所感测的温度上升， 则增加供给静态混合器25的入口 24的空气供料(或可选择地，可以调节热交换器611以 达到较低的温度)。这确保混合器27中的气体混合物低于其自燃温度。如图5中所示的用于控制蒸汽重整模块100操作的系统可以与上述系统60相似， 除了排放来自第一反应器块12a的燃烧通道的输出物并且供给新的空气与燃料的混合物 之外。因此不需要静态混合器25，只需要混合器27。在模块100中，可独立地控制输入两 个阶段的气体的温度和数量，并且分别受热交换器611和617 (对应于图5的热交换器105 和104)控制的第二反应器块12b的空气和燃料的温度可以至多为500°C或550°C (而不是 如上所述的300°C )。将控制系统30描述为接收两种来源的烃类天然气31和尾气33。应当重视这仅 为举例说明，因为要求仅仅是必须有至少一种含有烃类的气体供料，典型地是天然气供料。 如果可利用第二种来源的气态烃，则也可用类似的方法将其供给尾气33。例如，当在不同的 加工成套设备，例如用于制备甲醇而不是用于制备长链烃的加工成套设备的情形下提供这 样的一种预重整器35以及相关联的控制系统30时，则可能只有唯一的一种该气体供给预 重整器35，或者还可能有具有与上述气体组成不同的尾气。
权利要求
一种用于进行吸热反应的催化反应模块，该模块包括多个独立的反应器块，每一反应器块限定了交替地布置在该反应器块内的许多第一和第二流体通道，以确保第一和第二流体通道之间的热接触，将该反应器块进行布置和连接用于气体混合物在第一流体通道中的串流以进行吸热反应，并且也用于可燃气体混合物在第二流体通道中的流动，使得吸热反应混合物串联流过该反应器块。
2.如权利要求1中所述的反应模块，其在相继的反应器块之间包括用来引入额外燃料 的装置。
3.如权利要求2中所述的反应模块，其中将所述额外燃料引入由燃烧产生的流出气体 混合物中。
4.如权利要求2或3中所述的反应模块，其中布置所述模块使得供给反应器块的可燃 气体混合物处于低于其自燃温度的高温下，该温度至少部分地由于一个或多个所述反应器 块中的可燃气体燃烧而上升。
5.如权利要求4中所述的反应模块，其被布置成这样使得供给所述模块中每个反应器 块的可燃气体混合物处于所述的高温下。
6.如权利要求3中所述的反应模块，其还在相继的反应器块之间包括用来将额外含氧 气体引入由燃烧所产生的流出气体混合物中的装置。
7.如前述权利要求中任一项所述的反应模块，其中在反应器块内，第一流体通道和第 二流体通道沿平行方向延伸，并且可燃气体混合物和吸热反应混合物沿相同的方向流动。
8.如前述权利要求中任一项所述的反应模块，其中在每个反应器块内所述流体通道的 长度至少为300mm，更优选至少为500mm，但优选不长于1000mm。
9.如前述权利要求中任一项所述的反应模块，其中在每个用于燃烧的流体通道的入口 处提供阻火器。
10.一种进行吸热反应的方法，该方法采用前述权利要求中任一项所述的反应模块。
11.一种进行吸热反应的方法，其中所述的吸热反应所需的热是由相邻通道中的燃烧 反应提供给所述的吸热反应的，并且其中所述的吸热反应是在多个相继的阶段中进行的。
12.如权利要求11中所述的方法，其中所述燃烧反应顺序地在至少两个阶段中进行， 以与所述吸热反应相同的顺序，对从一个阶段所产生的燃烧气体混合物在将其引入下一个 阶段之前进行处理。
13.如权利要求12中所述的方法，其中所述处理包括改变其温度和添加额外的燃料。
14.如权利要求13中所述的方法，其中通过添加气体或蒸汽来改变所述温度。
15.一种用于进行吸热反应的催化反应模块的控制系统，该模块包括多个独立的反应 器块，每一反应器块限定了第一和第二流体通道，将该反应器块进行布置和连接用于气体 混合物在该反应器块的第一流体通道中的串流以进行吸热反应，并且也用于可燃气体混合 物在第二流体通道中的流动，使得可燃气体混合物流过该反应器块以及吸热反应混合物串 联流过该反应器块，其中所述控制系统包括用于监测将要进行吸热反应的混合物流速的装 置，以及用于根据所监测的流速控制将要进行燃烧的混合物的流速的装置。
16.如权利要求15中所述的控制系统，其中提供给第一反应器块的燃料比例为供给该 模块的燃料的50%至70%。
全文摘要
一种用于进行吸热反应例如蒸汽甲烷重整的催化反应模块(10)，包括独立的反应器块(12)，每一反应器块限定了交替地布置在该反应器块内的许多第一和第二流体通道(15、16)，以确保第一和第二流体通道之间的热接触。可以将该反应器块(12a、12b)进行布置和连接用于可燃气体混合物在第一流体通道(15)中的串流以及也用于气体混合物在第二流体通道(16)中的串流以进行吸热反应。这使燃烧过程能够在几个阶段中进行，具有在各阶段之间冷却燃烧气体以及引入额外的燃料和额外的空气的选择余地。
文档编号B01J19/24GK101952031SQ200980105193
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年2月14日
发明者C·D·李-塔夫内尔, M·J·鲍, R·皮特 申请人:康帕克特Gtl有限公司