устройство для получения синтез-газа радиального типа

Формула изобретения

1. Устройство для получения синтез-газа радиального типа, содержащее газораспределительную перфорированную трубку и катализатор, отличающееся тем, что 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, при этом на обеих сторонах сепаратора выполнены пазы в форме эвольвенты от центра к периферии, кольцевые пластины катализатора установлены перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводные сепараторы выполнены металлическими.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводные металлопористые каталитические пластины выполнены методом пористого проката из теплопроводных металлических порошков с последующим нанесением оксида магния и каталитически активной массы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пазы в сепараторе выполнены методом химического травления с использованием фотолитографии.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри газораспределительной перфорированной трубки расположена система запуска.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система запуска состоит из смесителя с запальной свечой или электрического нагревательного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для осуществления парциального окисления газообразных углеводородных топлив с помощью соответствующего катализатора и может быть использовано для получения синтез-газа и дальнейшего его использования в энергоустановках на топливных элементах и в качестве добавок к топливу в двигатели внутреннего сгорания, а также в отопительных водогрейных системах для генерации тепла.

Известно устройство (см. патент RU 2175799 от 25.03.1997 г. «Установка риформинга для преобразования реагента в продукты реакции (варианты) и способ осуществления риформинга», опубликованный в бюллетене изобретений №31, 2001 г.), которое может работать в режиме частичного окисления углеводородного газа. Устройство предполагает для обеспечения изотермического режима окисления углеводородного газа использование пакета, в котором имеются последовательно расположенные инертные «теплопроводные пластины» и каталитические пластины, при этом изотермичность процесса обеспечивается хорошей (радиальной) теплопроводностью только «теплопроводной пластины». Известно, что парциальное окисление протекает через стадию сжигания метана и последующие реакции риформинга, поэтому из-за высокой экзотермичности реакции сжигания в первой части неподвижного слоя катализатора возникают «горячие точки», и поэтому каталитическое парциальное окисление метана проводят в реакторах при малых временах контакта (доли секунд) и термической теплопроводности слоя не менее 0,15 Дж/(сек·м·К) [M.Fathi, R.H.Hofstad, Т.Sperle, O.A.Rokstad, A.Holmen. Partial oxidation of methane to synthesis gas at very short contact times. // Catalysis Today 42, 1998, p.205-209]. Толщина каталитического слоя обеспечивает полную конверсию метана при времени контакта не выше 0,3 сек. Температура в каталитическом слое поднимается до 750-850°С. Наиболее подходящим материалом, пригодным работать в данных условиях длительное время, является сплав состава Fe-Ni-Cr-Al или Fe-Cr-Al. Передача тепла от поверхности каталитического слоя во внешний объем осуществляется в основном посредством конвекции и инфракрасного излучения, поэтому избежать возникновения локальных «горячих точек» на каталитической пластине возможно лишь значительным увеличением теплопроводности носителя катализатора, которая позволит перераспределить температуру по поперечному сечению каталитической пластины.

Недостатком данной конструкции является то, что изотермичность процесса обеспечивается установкой инертных «теплопроводных пластин». Эти пластины являются балластной массой в конструкции, и при теплопроводности материала этих пластин менее 16 Дж/(сек·м·К) пластины должны иметь толщину, в несколько раз большую, чем толщина каталитических пластин.

Известен каталитический реактор (см. патент RU 2208475 от 26.04.2001, опубликованный в бюллетене изобретений №20, 2003 г.) для получения синтез-газа радиального типа, содержащий газораспределительную трубку со слоем катализатора, который выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. Реактор имеет устройство подогрева для запуска его в работу. Газораспределительная трубка имеет отверстия перфорации с диаметром, меньшим критического диаметра, для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства является отсутствие освоенных промышленностью серийных технологий изготовления армированных пористых материалов, высокая трудоемкость и снижение общей каталитической активности в связи с использованием армирующих материалов.

Решаемой технической задачей является создание компактного устройства радиального типа для получения синтез-газа из углеводородного газа с повышенной эффективностью.

Решаемая задача достигается тем, что устройство для получения синтез-газа радиального типа содержит газораспределительную перфорированную трубку и катализатор.

Новым является выполнение катализатора 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, при этом на обеих сторонах сепаратора выполнены пазы в форме эвольвенты от центра к периферии, при этом кольцевые пластины катализатора установлены перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки. Теплопроводные сепараторы выполнены металлическими, пазы в них выполнены методом химического травления с использованием фотолитографии. Теплопроводные металлопористые каталитические пластины выполнены методом пористого проката (см. Книга «Производство порошкового проката» под редакцией Сорокина, Москва, Металлургия, 2002 г.) или шликерного литья из теплопроводных металлических порошков с последующим нанесением пористой подложки из оксида магния или оксида алюминия, или оксида циркония и пропиткой каталитически активными элементами. Внутри газораспределительной перфорированной трубки расположена система запуска, которая состоит из смесителя с запальной свечой или электрического нагревательного элемента.

На фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства.

На фиг.2 представлен фрагмент каталитического блока.

На фиг.3 представлена конструкция сепаратора.

Устройство содержит герметичный цилиндрический корпус с расположенными в нем: смесителем 1, запальной свечой 2 или электрическим нагревательным элементом, газораспределительной перфорированной трубкой 3 и катализатором 4. Катализатор 4 (фиг.2) выполнен в виде пакета чередующихся между собой кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин 5 и теплопроводных сепараторов 6, установленных перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки 3. В сепараторах 6 от центра к периферии выполнены двухсторонние пазы 7 (N пазов шириной l, глубиной h), обеспечивающие радиальное прохождение реакционной смеси. Пазы 7 в сепараторах имеют по длине форму эвольвент, принадлежащих одному радиусу основной окружности. Для обеспечения равномерного распределения массового потока по пазам входной участок заужен до размера t. Суммарная глубина пазов сепаратора (с двух сторон) - до 50% толщины сепаратора S, направление пазов одной стороны сепаратора выполнено перекрестно направлению пазов другой стороны сепаратора. Габариты каталитического блока (D - наружный диаметр, d - внутренний диаметр и число каталитических пластин) определяются требуемой производительностью устройства. Пазы в сепараторах выполнены фрезерованием или методом химического травления с использованием фотолитографии. Материал сепаратора - сплав Fe-Cr-Ni-Al. Co стороны входа реформируемого потока пазы сепаратора выполнены меньшей ширины (см. элемент II фиг.3) с целью обеспечения равномерного распределения массового потока как по сечению, так и по длине каталитического блока. Пакет каталитических пластин и теплопроводных сепараторов, для обеспечения термического (теплового) контакта, стягивается между собой двумя жесткими фланцами, либо с помощью шпилек, либо гайкой через газораспределительную перфорированную трубку 3. Металлопористые теплопроводные каталитические пластины выполнены методом пористого проката или шликерного литья, пористостью 40...70%, с последующим нанесением пористой подложки и пропиткой каталитически активной массой. В качестве катализатора используют активные компоненты, содержащие родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси.

Материал металлопористых теплопроводных пластин - сплавы Fe-Ni-Cr-Al или Fe-Cr-Al с добавками иттрия. Кольцевой зазор, образованный внутренней поверхностью корпуса и наружной цилиндрической поверхностью каталитического пакета, образует коллектор отвода синтез-газа. Равномерное распределение реформируемой смеси по длине каталитического пакета обеспечивается газораспределительной перфорированной трубой 3, при этом диаметр отверстий перфорации должен быть меньше критического. Внутри газораспределительной перфорированной трубки 3 расположена система газового запуска, которая состоит из смесителя и запальной свечи (накаливания или искровой) или электрического нагревательного элемента (ТЭНа). Смеситель выполнен в виде центральной трубки с соплами-отверстиями, расположенными нормально наружной поверхности трубки для подачи углеводородного газа и кольцевой трубки, охватывающей центральную трубку для подачи воздуха, причем поток воздуха с помощью тангенциального ввода закручен относительно оси центральной трубки. Сопла подачи углеводородного газа расположены равномерно как по длине центральной трубки, так и по ее образующей, что обеспечивает гомогенность смеси углеводородный газ-воздух как на этапе парциального окисления, так и при пуске (разогреве) - в режиме полного окисления. При этом давление углеводородного газа должно быть несколько больше давления воздуха. Запуск реактора осуществляется прогревом каталитического пакета до температуры начала реакции парциального окисления. Прогрев каталитического пакета осуществляется прогревом продуктами окисления углеводородного газа, при этом воспламенение смеси углеводородный газ-воздух производится запальной свечой (накаливания или искровой).

Конструкция предлагаемого каталитического реактора за счет использования металлопористого теплопроводного каталитического носителя и теплопроводного металлического сепаратора, имеющих хорошую теплопроводность, обеспечивает режим, близкий к изотермическому. Номинальную производительность каталитического реактора можно изменять за счет набора слоев катализатора и сепараторов. Габариты каталитического реактора определяются требуемой производительностью, активностью катализатора. Рекомендуемая толщина каталитических пластин 1-2 мм, глубина пазов сепараторов 0.4-0.6 мм, ширина пазов сепараторов 3-15 мм.

Устройство работает следующим образом.

Исходные реагенты: углеводородный газ и воздух в соотношении =0.65-1 подаются в штуцера входа углеводородного газа и воздуха соответственно. В смесителе 1 происходит перемешивание газов, и далее смешанный поток попадает в зону нагретой запальной свечи 2. Смесь загорается, и продуктами сгорания (дымными газами) происходит разогрев каталитического блока. При нагреве каталитического блока до температуры начала парциального окисления (500-600°С) изменяется соотношение углеводородный газ и воздух до 0.3-0.4. Данная смесь, проходя через каталитический блок, подвергается частичному окислению с выходом синтез-газа, содержащего до 33% водорода и до 16-17% оксида углерода, при использовании в качестве углеводородного газа природного газа.