способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления

Классы МПК:B01J7/02 мокрыми способами 
C01B3/32 реакцией газообразных или жидких органических соединений с газообразующими агентами, например водой, диоксидом углерода, воздухом
C10J3/00 Получение газов, содержащих оксид углерода и водород, например синтез-газ или бытовой газ, из твердых углеродсодержащих веществ при помощи процессов частичного окисления, включающих кислород или пар
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Чуканин Михаил Геннадьевич (RU),
Тихонов Виктор Иванович (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2014-10-27
публикация патента:

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а конкретно к окислительной конверсии углеводородных газов в синтез-газ. Способ получения синтез-газа путем автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья включает подогрев исходных сырьевых компонентов, очистку углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевую подачу реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации. Реакционный поток подают к первому трубчатому каталитическому элементу блока, выполненному из материала для осуществления процесса парциального окисления, с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор. Второй трубчатый каталитический элемент блока выполнен из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии. При этом на внутренней цилиндрической стенке первого каталитического элемента поддерживают температуру в интервале от 500 до 700°C, а на внутренней - в интервале от 1100 до 1600°C. Также описано устройство для получения синтез-газа. Результатом является повышение селективности и производительности по синтез-газу при прочих равных условиях сравнения по входному сырью. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 табл. способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

Формула изобретения

1. Способ получения синтез-газа путем автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья, включающий подогрев исходных сырьевых компонентов, очистку углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевую подачу реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации, отличающийся тем, что реакционный поток подают к первому трубчатому каталитическому элементу блока, выполненному из материала для осуществления процесса парциального окисления, с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор и второй трубчатый каталитический элемент блока, выполненный из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии, при этом на внутренней стенке первого каталитического элемента поддерживают температуру в интервале от 500 до 700°С, а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°С.

2. Способ получения синтез-газа по п.1, отличающийся тем, что поддерживают номинальные величины температур цилиндрических поверхностей первого каталитического элемента путем изменения содержания азота в окисляющем сырьевом компоненте - воздухе.

3. Устройство для получения синтез-газа, содержащее корпус, в котором расположены каталитический трубчатый открытопористый блок радиальной фильтрации и распределитель входного потока газовой смеси, установленный по оси блока, а также смеситель исходных сырьевых компонентов и систему запуска, отличающееся тем, что каталитический блок выполнен их двух трубчатых открытопористых элементов, расположенных коаксиально с зазором относительно друг друга, при этом внутренний каталитический элемент выполнен из материала для осуществления процесса парциального окисления, внешний - из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии.

4. Устройство для получения синтез-газа по п.3, отличающееся тем, что со стороны входа потока газовой смеси во внутренний каталитический элемент в контакте с его внутренней цилиндрической поверхностью установлен теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях парциального окисления.

5. Устройство для получения синтез-газа по п.3 или 4, отличающееся тем, что в зазоре между каталитическими элементами в контакте с их цилиндрическими поверхностями размещен теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях пароуглекислотного риформинга.

6. Устройство для получения синтез-газа по п.3, отличающееся тем, что со стороны внешней поверхности каталитического блока оно снабжено распределителем выходного потока продуктов конверсии, расположенным либо снаружи корпуса реактора, либо внутри него.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а конкретно к окислительной конверсии углеводородных газов в синтез-газ.

Известен способ получения синтез-газа из углеводородного сырья (патент СССР № 1831468, МКИ С01В 3/38, опубл. БИ № 28 1993 г. ), который включает смешение углеводородного сырья и окислителя - кислорода или кислородсодержащего газа, или пара и конверсию полученной смеси в присутствии монолитного катализатора при температуре, которая в реакционной зоне не менее чем на 93°C ниже точки самовоспламенения смеси, а скорость ввода смеси в реакционную зону превышает скорость процесса проскока пламени. Способ требует использования высокоселективного катализатора.

К недостаткам способа можно отнести:

- возможность разрушения катализатора за счет локальных перегревов его входной поверхности в связи с активностью каталитической системы;

- наличие значительного количества метана, двуокиси углерода и воды в составе синтез-газа за счет «затопления» нижних по ходу газа слоев каталитической системы продуктами синтеза, что негативно отражается на показателях эффективности способа, таких как степень конверсии и селективность.

Известен способ получения синтез-газа путем паровой или пароуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья (патент РФ № 2252914, МПК С01В 3/38, опубл. 27.05.2005 г. ), включающий очистку углеводородного сырья от сернистых соединений, смешение его с водяным паром или с водяным паром и диоксидом углерода с образованием парогазовой смеси. Процесс конверсии осуществляется в реакторе радиально-спирального типа на мелкозернистом никелевом катализаторе с размером гранул (0,2-7) мм. В качестве углеводородного сырья может быть использован природный газ, попутные газы при добыче нефти, нафты.

К недостаткам способа можно отнести:

- применение мелкозернистого катализатора, для размещения которого в корпусе реактора необходимо применять корзины загрузки, что утяжеляет конструкцию реактора в целом;

- невозможность реализации процесса конверсии исходного сырья в автотермическом режиме, что требует подвода тепла извне и усложняет конструктивное исполнение реактора;

- требуется подготовка дополнительных исходных реагентов, таких как водяной пар и диоксид углерода, что значительно удорожает технологическую обвязку процесса конверсии углеводородного сырья в синтез - газ в целом;

- способ не предусматривает прямого радиального перемещения реакционного потока в корпусе реактора, что приводит к неоднородному профилю распределения температур и концентраций по аксиальной координате в любой радиальной позиции слоя катализатора, а также приводит к неэффективному, неполному использованию каталитической системы, снижению селективности по конечному продукту (эффект «затапливаемости» пор продуктами синтеза присутствует).

Известны способ и устройство для получения синтез-газа из углеводородного сырья (патент RU № 2443764, МПК C10L 3/10, опубл. 27.02.2012 г. ). Устройство включает систему запуска, систему подачи и дозирования реагентов, теплообменники, систему управления, реактор, содержащий, по крайне мере, один слой катализатора, в качестве активного компонента которого используют различные комбинации оксидов алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов (4-6) периодов, в основном, четвертого и пятого периодов.

Конверсию проводят в присутствии кислородсодержащих соединений, например, паров воды или углекислого газа, или кислорода, или воздуха, или их любой смеси. Кислородсодержащие соединения, например пары воды или углекислый газ, или кислород, или воздух или любую их смесь, можно подавать в различном количестве на любой из слоев катализатора.

Для получения максимального выхода, например, метана при конверсии тяжелых углеводородов при минимальном объеме устройства для любого слоя катализатора в реакторе-конверторе может быть установлено определенное пространственное распределение температурного профиля. Например, любой слой катализатора может находиться как в изотермических условиях, так и в условиях градиента температуры по слою. Конверсия может быть проведена при давлении выше атмосферного.

Кроме метана продуктами конверсии могут являться, например, водород и/или монооксид углерода, и/или углекислый газ.

К недостаткам способа можно отнести:

- отсутствие радиальной фильтрации газового потока, что ведет к снижению селективности по конечному продукту;

- сложность и металлоемкость его конструктивной реализации, претендующей на тандемную схему, когда низкотемпературный процесс (менее 500°C) синтеза метана из тяжелых углеводородов и его высокотемпературную конверсию, например, в синтез-газ проводят в одном корпусе реактора-конвертора;

- невозможность получения синтез-газа состава Н 2:СО=2:1, в котором содержание водорода превышало бы 60 об.% (без учета инертной составляющей, например, N2 ). То есть, невозможность получения повышенной степени селективности близкой к 100% по конечному продукту в силу частичной «затапливаемости» продуктами синтеза нижних (по ходу движения реакционного газового потока) слоев каталитического цилиндрического блока;

- судя по приведенной авторами патента схеме реактра-конвертора, реализация способа предполагает низкое рабочее давление сырьевых компонентов на входе в реактор, а значит сам процесс - малопроизводителен.

Известно устройство (см. патент РФ № 2286308, МПК С01В 3/38, B01J 8/04, опубл. 27.10.2006 г. ) радиального типа для осуществления окисления газообразных углеводородных топлив с помощью катализатора, которое 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 кислорода воздуха получать реакционную смесь, содержащую 33 об.% водорода и до (16-17) об.% оксида углерода.

К недостаткам этого устройства можно отнести то, что в объеме универсальной каталитической системы одновременно протекают два процесса - экзотермический (неполное окисление) и эндотермический (процесс пароуглекислотной конверсии). В составе синтез-газа появляются вода и двуокись углерода, которые и снижают общую эффективность процесса в целом.

Известны способ и устройство реактора, реализующие процесс пароуглекислотной конверсии углеводородного сырья в синтез-газ (патент на полезную модель РФ № 120092, МПК С01В 3/38, опубл. 10.09.2012 г. ). Устройство состоит из корпуса с расположенным внутри корпуса каталитическим газопроницаемым блоком цилиндрической формы. По оси корпуса внутри каталитического блока расположен распределитель газового потока, представляющий собой систему закрепленных на общей оси дисков разного диаметра, обеспечивающих выравнивание неоднородностей плотности газового потока вдоль его цилиндрической образующей. Распределитель газового потока крепится к газонепроницаемому стальному диску, расположенному на противоположном входу потока газов обрезе каталитического блока. Реакционный поток газовой смеси движется радиально в поровом пространстве стенки цилиндрического каталитического блока. При этом углеводородное сырье окисляется в синтез-газ. Продукты реакции за счет конвективного теплообмена нагревают воздух и углеводородный газ, поступающий на конверсию. Теплообменное устройство располагается в корпусе реактора-генератора и представляет собой пакет трубок, изготовленных из жаропрочного сплава, размещенный между внутренней поверхностью корпуса реактора и внешней поверхностью каталитического блока. Допустимо теплообменное устройство размещать вне корпуса реактора с подводом продуктов реакции через теплоизолированный трубопровод. Реактор-генератор снабжен смесителем и запальным устройством. Нагретый воздух и углеводородный газ, пройдя теплообменник, подаются в смеситель, где смешиваются, после чего газовый поток поступает в каталитический блок.

К недостаткам устройства и способа можно отнести:

- заниженные показатели селективности по конечному продукту - синтез-газу в силу применения универсальной каталитической системы, совмещающей экзотермические и эндотермические процессы в своем поровом пространстве;

- возможное наличие теплообменных устройств внутри корпуса, что в значительной степени увеличивает металлоемкость конструкции реактора и влияет на капитальные затраты в целом;

- при больших отношениях высоты каталитического блока к его диаметру возникает эффект дальнейшего уменьшения эффективности процесса по конечному продукту в связи с односторонним торцевым отводом продуктов синтеза, приводящим к отклонению вектора скорости части реакционного потока от радиального внутри порового пространства (увеличение времени контакта для некоторой части реакционного потока ведет к падению селективности).

Вышеописанное техническое решение получения синтез-газа является наиболее близким к заявляемым способу и устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Задачами настоящего изобретения является повышение селективности и производительности по синтез-газу при прочих равных условиях сравнения по входному сырью.

Технический результат:

- достижение практически 100% селективности по синтез-газу состава СО:Н2=1:2: (азот по балансу) в условиях подачи на вход каталитической системы генератора реакционного потока состава:

СН4:O2:N 2:=2:1:(0-3,76);

- достижение объемной скорости потока газовой смеси через реактор в диапазоне от 60000 до 180000 ч-1;

- снижение капитальных затрат на обвязку процесса риформинга метана в синтез-газ не менее, чем на 30%, например, в установках малотоннажного синтеза жидких углеводородов.

Для решения поставленных задач и достижения технического результата заявляется группа изобретений, в которую входит способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления.

Заявляется способ получения синтез-газа путем автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья, включающий подогрев исходных сырьевых компонентов, очистку углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевую подачу реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации, в котором, согласно изобретению, реакционный поток подают к первому трубчатому каталитическому элементу блока, выполненному из материала для осуществления процесса парциального окисления с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор и второй трубчатый каталитический элемент блока, выполненный из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии. При этом на внутренней цилиндрической стенке первого каталитического элемента поддерживают температуру в интервале от 500 до 700°C, а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°C.

Допускается поддерживать номинальные величины температур цилиндрических поверхностей первого каталитического элемента путем изменения содержания азота в окисляющем сырьевом компоненте - воздухе.

Устройство (каталитический реактор синтез-газа) для получения синтез-газа содержит корпус, в котором расположены каталитический трубчатый открытопористый блок радиальной фильтрации и распределитель входного потока газовой смеси, установленный по оси блока, а также смеситель исходных сырьевых компонентов и систему запуска, при этом, согласно изобретению, каталитический блок выполнен их двух трубчатых открытопористых элементов, расположенных коаксиально с зазором относительно друг друга. Внутренний каталитический элемент выполнен из материала для осуществления процесса парциального окисления, внешний - из материала для осуществления процесса пароуглекислотной конверсии.

Допускается:

- со стороны входа потока газовой смеси во внутренний каталитический элемент в контакте с его внутренней цилиндрической поверхностью устанавливать теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях парциального окисления;

- в зазоре между каталитическими элементами в контакте с их цилиндрическими поверхностями размещать теплораспределяющий открыто-пористый мелкокристаллический наполнитель практически не активный в реакциях пароуглекислотного риформинга;

- со стороны внешней поверхности каталитического блока снабжать устройство для получения синтез-газа распределителем выходного потока продуктов конверсии, расположенного либо снаружи корпуса устройства, либо внутри него.

Подогрев исходных сырьевых компонентов, очистка углеводородного сырья от серосодержащих соединений, смешение исходных сырьевых компонентов с образованием реакционного газового потока, осевая подача реакционного потока внутрь трубчатого открытопористого каталитического блока радиальной фильтрации обеспечивают принципиальную возможность риформинга метана в синтез-газ в режиме автотермической парокислородуглекислотной каталитической конверсии углеводородного сырья.

Подача реакционного потока к первому трубчатому каталитическому элементу блока с последующим прохождением частично реформированного потока через коаксиальный трубчатый зазор и второй трубчатый каталитический элемент блока обеспечивают принципиальную возможность последовательного нахождения реакционного потока в трех пространствах, а именно, - в порах первого каталитического слоя, в трубчатом зазоре между каталитическими слоями и в порах второго каталитического слоя.

Выполнение первого (внутреннего) трубчатого каталитического элемента блока из материала для осуществления процесса преимущественно парциального окисления реакционного газового потока с одновременным поддержанием на его внутренней цилиндрической стенке температуры в интервале от 500 до 700°C, а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°C, обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как возможность реализации высокоскоростного и высокоэффективного по техническому результату экзотермического процесса парциального окисления реакционного потока газовой смеси.

Выполнение второго трубчатого каталитического элемента блока из материала для осуществления процесса преимущественно пароуглекислотной конверсии обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как возможность ее реализации в виде высокоскоростного и высокоэффективного по техническому результату эндотермического процесса. Синтез-газ при достаточной каталитической активности обоих открытопористых элементов на выходе лишь в следах содержит воду, двуокись углерода и метан, что и обеспечивает заявленный технический результат способа.

Таким образом, именно две температурные зоны в едином каталитическом блоке радиальной фильтрации - зона экзотермических процессов в первом слое, обусловленных выделением тепла в реакциях парциального окисления метана, сопровождаемых разогревом всего реакционного потока, включая, например, и азот воздуха, и зона эндотермических процессов во втором слое, обусловленных поглощением выделенного тепла в процессах пароуглекислотной конверсии, определяют основные (существенно различающиеся) текстурные и физико-химические показатели материалов соответствующих каталитических слоев, что и приводит к интегральным высоким показателям степени конверсии сырья и селективности процесса риформинга сырьевых углеводородов в синтез-газ. При этом чисто радиальная фильтрация реакционного газового потока обуславливает такой известный технический эффект (за счет малых времен контакта), как возможность достижения его объемной скорости через реактор в диапазоне от 60000 ч-1 до 180000 ч-1.

В зависимости от состава сырьевой газовой смеси поддержание номинальной величины температуры реакционного потока в зазоре между каталитическими элементами блока в интервале от 1100 до 1600°C путем изменения содержания азота в окисляющем сырьевом компоненте - воздухе обеспечивает принципиальную возможность применять, с одной стороны, сырьевые углеводороды разных (в известных пределах) составов, а с другой - оптимизировать габаритно-массовые параметры самого реактора: чем меньше балласта в газохимическом тракте, тем меньше габариты устройства при прочих равных условиях сравнения.

Выполнение реактора, состоящего из корпуса, в котором расположены каталитический трубчатый открытопористый блок радиальной фильтрации, смеситель исходных компонентов и распределитель входного потока газовой смеси, установленный по оси блока, обеспечивает принципиальную возможность получения синтез-газа из сырьевых углеводородов и окислителя - воздуха.

Выполнение каталитического блока их двух трубчатых открытопористых элементов, расположенных коаксиально с зазором относительно друг друга, при одновременном выполнении внутреннего каталитического элемента из материала для осуществления парциального окисления, а внешнего - из материала для осуществления пароуглекислотной конверсии, с одной стороны, реализует пространственное разделение экзотермических и эндотермических каталитических реакций риформинга углеводородного сырья, что и обеспечивает высокую эффективность процесса в целом по конечному продукту - синтез-газу, а с другой, реализует возможность сокращения габаритно-массовых характеристик реактора на фоне сохранения его высокой производительности - итог, сверхсуммарный технический эффект. Например, капитальные затраты на обвязку процесса риформинга метана в синтез-газ снижаются не менее, чем на 30% для установок малотоннажного синтеза жидких углеводородов типа прототипа.

Установка со стороны входа потока газовой смеси во внутренний каталитический элемент в контакте с его внутренней цилиндрической поверхностью теплораспределяющего открытопористого мелкокристаллический наполнителя, практически не активного в реакциях парциального окисления, обеспечивает такой известный технический эффект, как подавление перегрева поверхности первого каталитического элемента выше требующегося номинала (от 500 до 700°C), а также поддержание номинальной величины температуры (450-650°C) газовой смеси, подающейся в его поровое пространство.

Размещение в зазоре между каталитическими элементами в контакте с их цилиндрическими поверхностями теплораспределяющего открытопористого мелкокристаллического наполнителя (практически не активного в реакциях пароуглекислотного риформинга) обеспечивает такой известный технический эффект, как гомогенность состава газового потока на выходе из него, эффективное распределение температурного фронта и флуктуаций давления, что и обеспечивает однородность химических реакций и их одинаковую скорость в порах второго каталитического слоя, реализуя, тем самым, высокую селективность по составу синтез-газа.

Размещение со стороны внешней поверхности каталитического блока распределителя выходного потока продуктов конверсии, расположенного либо снаружи корпуса реактора, либо внутри него, обеспечивает такой технический эффект в схеме с радиальной фильтрацией реакционных газовых потоков, как подавление (в известных пределах) появления газовых струй внутри порового пространства параллельных цилиндрической образующей второго каталитического элемента, что и реализует, как следствие, однородный профиль распределения температур и концентраций продуктов синтеза по аксиальной координате в любой радиальной позиции.

При этом, для малых отношений высоты каталитического блока к его наружному диаметру эффективны и допустимы распределители, расположенные внутри корпуса реактора, а для больших отношений - снаружи.

На фиг. 1 приведен пример схемы устройства для получения синтез-газа, где:

1 - смеситель исходных сырьевых компонентов;

2 - система запуска (запальная свеча);

3 - корпус реактора;

4 - распределитель потока газовой смеси в виде конуса, обеспечивающий сглаживание флуктуаций плотности реакционного потока вдоль центральной оси корпуса реактора 3;

5 - каталитический блок, включающий первый по ходу газовой смеси внутренний трубчатый открытопористый элемент 6, а также второй по ходу газовой смеси внешний трубчатый открытопористый элемент 7;

8 - зазор между каталитическими элементами 6 и 7;

9 - распределитель потока продуктов синтеза;

10 - теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях парциального окисления;

11 - теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель, практически не активный в реакциях пароуглекислотной конверсии.

Способ получения синтез-газа из сырьевых углеводородов и, например, воздуха реализуется следующим образом. Исходные реагенты - углеводородный газ и воздух подаются на риформинг под давлением до 1 МПа в объемных соотношениях воздух/углеводородный газ (8,0-10,0):1 - при запуске. Реагенты раздельно подогреваются. Подогретый углеводородный газ подается на сероочистку и затем совместно с воздухом подается в смеситель 1 исходных сырьевых компонентов, где и происходит их смешивание. Далее реакционный поток подается в зону запальной свечи 2, где газовая смесь воспламеняется (в процессе запуска установки) и подается в корпус реактора 3 на распределитель 4 потока газовой смеси и далее на каталитический блок 5, а именно на его первый трубчатый каталитический элемент 6 одновременно по всей длине его цилиндрической образующей. При достижении температуры (500-700)°C на поверхности каталитического элемента 6, при которой реакция парциального окисления может протекать в автотермическом режиме, постепенно изменяют объемное соотношение воздух/углеводородный газ до (1,5-2):1 - оптимальное для генерации синтез-газа. При этом каталитический блок 5 выполнен из двух трубчатых открытопористых элементов - внутреннего 6 и внешнего 7, расположенных коаксиально с зазором 8 относительно друг друга. Внутренний трубчатый открытопористый элемент 6 выполнен из материала для осуществления процесса преимущественно парциального окисления (пример состава каталитического элемента: Ni/Ce-ZrO 2 или NixCeyZrzOx+2(y+z) , где х, y, z - молярные отношения Ni, Се и Zr, x+y+z=1, x=0,04-0,45 и y=0,01-0,96). Внешний трубчатый открытопористый элемент 7 выполнен из материала для осуществления процесса преимущественно пароуглекислотной конверсии (пример состава каталитического элемента, мас. %: оксид никеля - (50-65); оксид лантана - (3-10); диоксид церия - (1-8); алюмо-магниевое оксидное соединение - (15-30); диоксид кремния - (5-15); углерод - (1-3), при этом алюмомагниевое оксидное соединение содержит (30-70) мас. % оксида магния, оксид алюминия - остальное. Между корпусом 3 и наружной поверхностью каталитического элемента пароуглекислотной конверсии 7 дополнительно установлен распределитель 9 реформированного газового потока, совмещенный с корпусом реактора 3. В случае больших отношений высоты каталитического блока к его диаметру эффективнее распределитель 9 выполнять снаружи корпуса 3 реактора в виде равномерно распределенных по высоте каталитического блока 5 торообразных газосборников, сообщающихся с полостью корпуса 3 через соответствующие радиальные патрубки, в свою очередь, равномерно распределенные по поперечному сечению реактора (на фиг. 1 не показан).

В стационарном режиме работы реактора синтез-газа радиального типа (режим генерации синтез-газа оптимального состава) газы смешиваются в смесителе 1 и реакционный поток поступает в каталитический блок 5. За счет рекуперации тепла реакционный поток разогревается ИК-излучением, исходящим от поверхности первого каталитического элемента 6 парциального окисления углеводородов.

Теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель 10, практически не активный в реакциях парциального окисления (карбид кремния), обеспечивает вспомогательную функцию защиты внутренней поверхности каталитического элемента 6 от перегрева выше номинальной температуры (за счет передачи части тепла обновляемым порциям непрерывно поступающей газовой смеси), а также сглаживает флуктуации плотности реакционного потока вдоль образующей каталитического элемента 6 перед входом потока в его поровое пространство. Ту же функцию выполняет теплораспределяющий открытопористый мелкокристаллический наполнитель 11, практически не активный в реакциях пароуглекислотной конверсии, для второго каталитического элемента 7 (поддерживает на постоянном уровне температуру реакционного потока в зазоре 8 и, соответственно, на внутренней поверхности каталитического элемента 7).

В предлагаемом способе процесс парокислородуглекислотной конверсии углеводородов на примере метана состоит из нескольких стадий. Первая экзотермическая стадия, протекающая в первом каталитическом элементе 6 блока 5 с существенно переменным растущим температурным градиентом на единицу длины по толщине его стенки, характеризуется двумя основными реакциями 1 и 2:

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

Вторая эндотермическая стадия, протекающая во втором каталитическом элементе 7 с существенным падающим температурным градиентом по толщине его стенки, характеризуется также двумя основными реакциями 3 и 4:

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

На первой стадии, которая протекает в присутствии катализатора парциального окисления углеводородов, происходит глубокое окисление части метана до углекислого газа, воды и синтез-газа с выделением тепла (реакции 1 и 2). На второй стадии продукты глубокого окисления углекислый газ и вода взаимодействуют с остаточным метаном с образованием синтез-газа (реакции 3, 4) - эти реакции протекают с поглощением тепла.

Реальный суммарный процесс парокислородуглекислотной конверсии углеводородов в синтез-газ характеризуется небольшим тепловыделением (способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254 Н0способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254 298 от -80 до -130 кДж/моль), рассеивающемся в окружающей среде через конструктивную обвязку способа.

В таблицах 1, 2 и 3 (для продукта синтеза объемного состава СО:Н 2=1:2), а в таблицах 4 и 5 (для продукта синтеза объемного состава СО:Н2=1,2:2), приведены примеры расчетов массовых расходов продуктов синтеза в идеальных адиабатических условиях теплообмена при разных объемных содержаниях балластного азота в газовых смесях (таблица 1 - СН4:O2:N 2=2:1:0; таблица 2 - СН4:O2:N 2=2:1:1,88; таблица 3 - СН4:O2:N 2=2:1:3,76, таблица 4 - СН4:O2:N 2=4:1:0, таблица 5 - CH4:O2:N 2=4:1:3,76) сырьевых компонентов с демонстрацией возможности реализации на внутренней стенке первого каталитического элемента температур в интервале от 500 до 700°C (таблицы 4 и 5 - соответственно), а на внешней - в интервале от 1100 до 1600°C (таблицы 4 и 1 - соответственно).

Анализ данных таблиц 1-5 показывает, что предложенные способ и устройство обеспечивают высокую селективность по конечному продукту (практически 100% - графа 5 таблиц) для любого из вариантов по составу входного сырья при временах контакта в интервале от 0,035 до 0,1 с (высокая объемная скорость). Наиболее приемлемы по интегральным показателям технико-экономической эффективности способ и устройство для получения синтез-газа для малотоннажных GTL установок. Несмотря на то что в качестве окислителя в этом случае рекомендуется не обогащенный по кислороду воздух (требуется некоторое увеличение объемов газохимических трактов - удорожание устройства), обеспечивается увеличение надежности системы в целом до первого отказа в связи с известными техническими возможностями поддержания на внутренней стенке реактора более низкой температуры, чем температура выходящего газа в адиабатическом процессе (760°C, таблица 3, графа 5).

Для обеспечения общей эффективности процесса парциального окисления, сохранения теплового баланса реактора и полноты конверсии метана используется прием рекуперации тепла, позволяющий не вносить дополнительную энергию в каталитический процесс, например, для подогрева сырьевых компонентов до соответствующих температур.

Состав каталитической системы, используемой при расчетах значений, указанных в таблицах 1-3:

- катализатор парциального окисления - мас. %; оксид никеля (45); оксид лантана (5); диоксид циркония (13); диоксид церия (4); алюмомагниевое оксидное соединение (20); диоксид кремния (10); углерод (3), при этом алюмомагниевое оксидное соединение содержит (30-70) мас. % оксида магния, оксид алюминия - остальное;

- катализатор пароуглекислотной конверсии - мас. %; оксид никеля (55); оксид лантана (4); диоксид церия (2); диоксид циркония (8); алюмомагниевое оксидное соединение (18); диоксид кремния (11); и углерод (2).

Состав каталитической системы, используемой при расчетах значений, указанных в таблицах 4 и 5:

- катализатор парциального окисления - однофазный сложный оксид редкоземельных металлов - кобальтит лантана LaCoO 3, в котором также присутствуют в виде примесей фазы Co 3O4 и La2O3;

- катализатор пароуглекислотной конверсии - однофазный сложный оксид редкоземельных металлов La0.5Ca0.5 NiO3, в котором также присутствуют в виде примесей фазы СаО и La2O3, NiO.

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления, патент № 2574254

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2574254

patent-2574254.pdf

Класс B01J7/02 мокрыми способами 

автономный генератор водорода -  патент 2510876 (10.04.2014)
аппарат для получения газообразного водорода с использованием состава, предназначенного для получения газообразного водорода, и состав для получения газообразного водорода -  патент 2415072 (27.03.2011)
генератор для производства водорода -  патент 2407701 (27.12.2010)
способ управления сжиганием унитарного твердого топлива в жидкой среде и газогенератор -  патент 2357094 (27.05.2009)
химический реактор для получения водорода и способ его эксплуатации -  патент 2297386 (20.04.2007)
генератор водорода -  патент 2266157 (20.12.2005)
реактор для получения ацетилена из углеводородов -  патент 2087185 (20.08.1997)

Класс C01B3/32 реакцией газообразных или жидких органических соединений с газообразующими агентами, например водой, диоксидом углерода, воздухом

устройство для получения синтез-газа -  патент 2523824 (27.07.2014)
способ получения водорода с полным улавливанием co2 и рециклом непрореагировавшего метана -  патент 2509720 (20.03.2014)
способ производства синтез-газа -  патент 2503613 (10.01.2014)
применение биометанола для получения водорода и биотоплива, способ получения биоводорода и установка для производства биотоплива -  патент 2489348 (10.08.2013)
многостадийный способ получения водородосодержащего газообразного топлива и теплогазогенераторная установка его реализации (способ аракеляна г.г.) -  патент 2478688 (10.04.2013)
способ осуществления каталитической эндотермической реакции -  патент 2462502 (27.09.2012)
способ получения метанола из природного газа и установка для его осуществления -  патент 2453525 (20.06.2012)
катализатор, способ его приготовления и способ получения водорода -  патент 2431526 (20.10.2011)
генерирование водяного пара в процессах реформинга с водяным паром -  патент 2425796 (10.08.2011)
приготовление синтез-газа для синтеза уксусной кислоты путем частичного окисления метанольного сырья -  патент 2393108 (27.06.2010)

Класс C10J3/00 Получение газов, содержащих оксид углерода и водород, например синтез-газ или бытовой газ, из твердых углеродсодержащих веществ при помощи процессов частичного окисления, включающих кислород или пар

способ энерготехнологической переработки сланца -  патент 2529226 (27.09.2014)
модифицированный процесс с использованием газовой и паровой турбины с интегрированной газификацией угля под давлением -  патент 2528998 (20.09.2014)
способ и устройство для непрямой газификации биомассы с использованием водяного пара -  патент 2528848 (20.09.2014)
способ и устройство для низкотемпературного пиролиза биомассы и высокотемпературной газификации биомассы -  патент 2526387 (20.08.2014)
способ и система получения синтез-газа из биомассы карбонизацией -  патент 2525491 (20.08.2014)
способ газификации органических отходов и устройство для его осуществления -  патент 2524909 (10.08.2014)
способ утилизации химических продуктов пиролиза твердых топлив -  патент 2524605 (27.07.2014)
реактор газификации с охлаждением двойной стенкой -  патент 2524235 (27.07.2014)
способ разрушения углеродо-и азотосодержащего сырья и устройство для его осуществления -  патент 2523593 (20.07.2014)
способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля -  патент 2522785 (20.07.2014)
Наверх