Aparato y método de reformado.

Un procedimiento de reformado de hidrocarburo gaseoso-vapor que comprende:

c) la combustión parcial de combustible en una parte de la mezcla de combustible/aire (118) para formar una corriente de combustible calentada (124) que tiene una temperatura superior a las condiciones de carburización catastrófica para usar en las etapas del reformador (821-825);

d) la combustión de una parte de la mezcla de combustible aire (118) en presencia de al menos una de las corrientes de aire precalentadas (107) para formar una corriente de aire calentada (126) que tiene una temperatura superior a las condiciones de carburización catastrófica para usar en las etapas del reformador (821-825);

e) calentar una o más corrientes de agua (108) para formar vapor (172);

f) mezclar el vapor (172) con una o más corrientes de hidrocarburo gaseoso (102) para formar una corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174);

g) calentar y reformar parcialmente la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174) en una o más etapas de prereformado (801-803) para formar una corriente del reformador (811), en donde a lo largo de una o más etapas de pre-reformado (801-803), la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174) tiene una combinación de temperatura y composición que evita las condiciones de carburización catastrófica y carbonización;

h) reformar la corriente del reformador (811) en una o más etapas del reformador (821-825) para formar una corriente de gas de síntesis (180) y una corriente de gases de combustión (160), en donde a lo largo de una o más etapas de reformado (821-825), la corriente del reformador (811) tiene una combinación de temperatura y composición que evita las condiciones de carburización catastrófica y carbonización.

Aparato y método de reformado Campo de la invención

Esta invención se refiere a aparatos y métodos para el reformado de hidrocarburos gaseosos y más en particular se refiere a aparatos y métodos de baja carbonización, baja carburización catastrófica y alta eficacia para el reformado de hidrocarburos gaseosos.

El reformado con vapor es una reacción catalítica en la que una mezcla de vapor e hidrocarburos gaseosos es expuesta a un catalizador a alta temperatura para producir una mezcla de óxidos de carbono e hidrógeno, conocida normalmente como gas de síntesis. El gas de síntesis se puede convertir más en una variedad muy amplia de productos químicos a granel y especializados, Incluyendo hidrógeno, metanol, amoniaco, combustibles de transporte y lubricantes.

Las reacciones químicas implicadas en el reformado con vapor se conocen desde hace muchos años. De hecho el reformado con vapor se ha usado en la industria desde 193, y el reformado con vapor de gas natural ha sido el método dominante de producción de hidrógeno desde 196, cuando se introdujo la operación a alta presión.

Dos potenciales problemas que surgen de las reacciones de reformado incluyen la carburización catastrófica y la carbonización, que pueden conducir a ineficacias en el procedimiento y al fallo del equipo. La carburización catastrófica se produce cuando la combinación de temperatura, presión y composición dentro de un entorno gaseoso carbonoso conduce a la degradación corrosiva de aleaciones en polvo. Las condiciones de carburización catastrófica pueden ser difíciles de evitar en sistemas de reformado y por lo tanto la carburización catastrófica es una amenaza constante. La carbonización se produce cuando los hidrocarburos gaseosos pirolizan para producir un material sólido carbonoso que puede aglomerarse o dañar las trayectorias de flujo, lo que puede conducir a ineficacias de la transferencia de calor y conversión y fallo del equipo.

Los reformadores de vapor industriales convencionalmente son de construcción tubular, que usan varios tubos metálicos grandes con catalizador de reformado empaquetado. La mezcla de alimentación de hidrocarburo/vapor fluye a través de los tubos, poniendo en contacto el catalizador y produciéndose la conversión al gas de síntesis. Debido a que las reacciones de reformado son endotérmicas, debe suministrarse calor para mantener las temperaturas de reformado necesarias (en general superiores a 8°C). En sistemas de reformado tubulares convencionales, esto se lleva a cabo poniendo los tubos en un horno de combustión, normalmente que funciona con gas natural, donde el calor es transmitido a los tubos por una combinación de transferencia de calor conectiva y radiante.

Por lo tanto, la operación satisfactoria de un reformador tubular se basa en el mantenimiento de un equilibrio algo delicado entre las reacciones de reformado endotérmicas dentro de los tubos y la transferencia de calor a los tubos desde la combustión del horno. El flujo de calor a través de las paredes de los tubos debe ser suficientemente alto para mantener las temperaturas requeridas para las reacciones de reformado, pero no debe ser tan alto de modo que dé lugar a temperaturas de las paredes de metal excesivas (acompañado de reducción de la resistencia) o a la carbonización del hidrocarburo en puntos calientes dentro de los tubos. Por lo tanto, la operación de los reformadores tubulares debe someterse a un estricto control.

Aunque los reformadores tubulares de gran escala han tenido éxito tanto técnica como económicamente, los reformadores tubulares de pequeña escala son menos satisfactorios. Entre otras cosas, los costes de fabricación, instalación, mantenimiento y operación de los reformadores tubulares a pequeña escala no son atractivos.

Por lo tanto, los usuarios más pequeños de productos corriente abajo del gas de síntesis tales como hidrógeno, amoniaco y metanol, no han encontrado atractivo establecer instalaciones de producción en el sitio para estos productos. En su lugar, en general se basan en el suministro con camiones de cilindros del producto de productores a granel. Esta solución se está haciendo menos atractiva a medida que suben los precios de los combustibles de transporte. Además, muchos de dichos usuarios con acceso al gas natural preferirían tener instalaciones de producción en el sitio no solo para evitar los costes de transporte, sino también para potenciar la fiabilidad de su suministro. Además, la mayoría de los suministros de gas natural en el mundo se encuentran en campos pequeños en regiones remotas que no tienen servicios de tuberías al mercado del gas natural. El contenido de energía del llamado "gas varado" podría ser transportado más fácilmente al mercado si el gas se convirtiera primero en líquidos tales como metanol e hidrocarburos de cadena larga, que pueden ser producidos a partir del gas de síntesis.

Por lo tanto, es necesaria la producción de gas de síntesis a una escala más pequeña de lo que ha sido factible económicamente y en la práctica con sistema tubulares convencionales, y es probable que esta necesidad aumente. Sin embargo, hay considerables desafíos: un sistema de escala más pequeña debe estar en proporción razonable con la instalación a gran escala en el coste inicial y los costes de operación también deben ser proporcionales a la escala de producción. Los costes de operación bajos requieren una alta eficacia energética, minimizar los costes del gas natural, simplicidad de operación y minimizar o evitar la necesidad de atención de los operadores de la instalación a tiempo completo.

Aunque la cantidad de calor requerida por las reacciones de reformado está fijada por la termodinámica, la eficacia global de uso de energía en la instalación depende de la eficacia con la que el calor se recupera del gas de síntesis caliente y las corrientes de gases de combustión calientes para precalentar las alimentaciones frías a las temperaturas de reformado y generar el vapor necesario. Los intercambiadores de calor de alimentación-efluente de alta eficacia y el uso de pre-reformadores calentados por gases de combustión pueden ayudar en relación con esto. Es importante que mientras que los sistemas de reformado de gran escala pueden reivindicar crédito de eficacia energética para el contenido de energía del exceso de vapor exportado a otros procesos en el sitio, los sistemas de reformado a pequeña escala no es probable que tengan un destino de exportación disponible para el exceso de vapor y por lo tanto su producción no potencia la eficacia.

Tanto los costes de capital iniciales como la simplicidad de operación se pueden potenciar minimizando el uso del control activo, usando en su lugar técnicas de control pasivo cando sea posible. Por ejemplo, la división adecuada de una sola corriente para pasar por varios componentes conectados en paralelo, se puede lograr disponiendo caídas de presión relativas adecuadas a través de esos componentes, sin usar válvulas de control. Como un ejemplo adicional, la temperatura de una corriente que sale de un intercambiador de calor se puede mantener dentro de límites cercanos disponiendo el intercambiador de calor para que opere con unas condiciones de pinch de temperatura pequeñas.

Una consideración adicional en sistemas de pequeña escala es que el usuario no puede operar de forma continua a plena o casi plena capacidad de la instalación, a diferencia de las instalaciones a gran escala. Por lo tanto, la modulación del rendimiento a lo largo de un amplio intervalo debe poder lograrse y someterse a automatización, así como los procedimientos de inicio y parada rápidos.

El reformador a escala pequeña también debe minimizar los requisitos de mantenimiento.

Por lo tanto, es necesario un procedimiento y aparato de reformado a pequeña escala que logre este objetivo de ser competitivo en capital y coste de operación con los sistemas a gran escala, como resultado de la simplicidad del control, seguimiento y mantenimiento junto con alta eficacia energética.

El documento WO 3/55585 describe un reactor químico que tiene un núcleo compuesto de una pila de placas metálicas que están unidas para difusión en una relación de cara a cara. Dentro del núcleo se encuentra una pluralidad de zonas de reacción, así como una pluralidad de zonas que reciben catalizador, y tanto las zonas de reacción como las zonas que reciben catalizador están definidas por aberturas alineadas respectivas en las placas. Se proporciona una primera disposición de canales en algunas de las placas para el transporte de un primer reaccionante a y entre las zonas de reacción, estando formadas partes de la primera disposición de canales que interconectan las zonas de reacción... [Seguir leyendo]

1Un procedimiento de reformado de hidrocarburo gaseoso-vapor que comprende:

c) la combustión parcial de combustible en una parte de la mezcla de combustible/aire (118) para formar una corriente de combustible calentada (124) que tiene una temperatura superior a las condiciones de carburización catastrófica para usaren las etapas del reformador (821-825);

d) la combustión de una parte de la mezcla de combustible aire (118) en presencia de al menos una de las corrientes de aire precalentadas (17) para formar una corriente de aire calentada (126) que tiene una temperatura superior a las condiciones de carburización catastrófica para usar en las etapas del reformador (821-825);

e) calentar una o más corrientes de agua (18) para formar vapor (172);

f) mezclar el vapor (172) con una o más corrientes de hidrocarburo gaseoso (12) para formar una corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174);

g) calentar y reformar parcialmente la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174) en una o más etapas de prereformado (81-83) para formar una corriente del reformador (811), en donde a lo largo de una o más etapas de pre-reformado (81-83), la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174) tiene una combinación de temperatura y composición que evita las condiciones de carburización catastrófica y carbonización;

h) reformar la corriente del reformador (811) en una o más etapas del reformador (821-825) para formar una corriente de gas de síntesis (18) y una corriente de gases de combustión (16), en donde a lo largo de una o más etapas de reformado (821-825), la corriente del reformador (811) tiene una combinación de temperatura y composición que evita las condiciones de carburización catastrófica y carbonización.

2.- El procedimiento según la reivindicación 1, que además comprende las etapas de:

a) precalentar una o más corrientes de aire (16) para formar la una o más corrientes de aire precalentadas (126); y

b) combinar al menos una corriente de aire (114) con una parte de al menos una corriente de combustible (15) para formar la mezcla de combustible/aire (118) que tiene una temperatura inferior a las condiciones de la carburización catastrófica.

3.- El procedimiento según la reivindicación 2, que además comprende las etapas de:

i) recuperar calor de la corriente de gases de combustión (16) para proporcionar calor a las etapas de prereformado (81-83) en la etapa g) y proporcionar precalentamiento a la corriente de agua (18); y

j) recuperar calor de la corriente de gas de síntesis (18) para precalentar la corriente de aire (16) de la etapa a) y proporcionar calor para formar la corriente en la etapa e).

4.- El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada una de dichas etapas de prereformado (81-83) comprende:

i) recuperar calor de dicha corriente de gases de combustión (16) para calentar dicha corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174); y

ii) reformar parcialmente la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor calentada (174), que opcionalmente comprende además

iii) templar al menos una parte de la corriente de gas de síntesis (18) en un intercambiador de calor de temple (165).

5.- El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde dicho reformado y re-calentamiento de la corriente del reformador (811) en una o más etapas del reformador (821-825) para formar una corriente de gas de síntesis (18) y una corriente de gases de combustión (16) comprende múltiples etapas de:

i) calentar la corriente del reformador (811) recuperando calor de una corriente de aire calentada en un intercambiador de calor (831-835), para formar una corriente del reformador calentada y una corriente de aire enfriada;

ii) reformar al menos una parte de la corriente del reformador calentada; y

iii) la combustión de una parte de la corriente de combustible calentada en presencia de la corriente de aire enfriada para formar la corriente de aire calentada para la siguiente etapa.

6.- El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además:

reducir la carburización catastrófica y/o carbonización durante la etapa de reformado calentando y pre-reformando la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174) en una etapa de pre-reformado (81-83), antes de reformar la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174), opcionalmente en donde el calentamiento comprende recuperar calor de la corriente de gases de combustión (16) a la corriente de hidrocarburo gaseoso-vapor (174) en un ¡ntercamblador de calor (11).

7.- El procedimiento de la reivindicación 5, en donde una cantidad de la mezcla de combustible/aire (118) suministrada a la etapa de combustión de cada una de al menos tres etapas se controla de forma pasiva, opcionalmente en donde dicho control pasivo se logra equilibrando las caídas de presión en los conductos de combustible y aire a lo largo del procedimiento de reformado de hidrocarburo gaseoso-vapor.

8.- El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde dicho procedimiento tiene una eficiencia energética o una conversión de hidrocarburo mayor de 5%.

9.- El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde las condiciones de carburización catastrófica y carbonización se evitan dentro de todos los intercambiadores de calor, etapas de pre-reformado (81- 83) y etapas de reformado (821-825) dentro del procedimiento.

1.- Un aparato para el reformado con vapor de un hidrocarburo gaseoso que comprende:

b) un divisor de flujo de aire (115) que divide la corriente de aire (16) en una primera corriente de aire (114) y una segunda corriente de aire (17), conectando la primera corriente de aire (114) con una corriente de combustible para formar una mezcla de combustible/aire (118);

c) un divisor de flujo de combustible (116) que divide la mezcla de combustible/aire (118) en una primera corriente de combustible/aire (119) y una segunda corriente de combustible/aire (117), conectando la primera corriente de combustible/aire (119) con un precalentador de combustible (12) y conectando la segunda corriente de combustible/aire (117) con un precalentador de aire (122);

d) un precalentador de combustible (12) que combustiona parcialmente el combustible en la primera corriente de combustible/aire (119) para formar una corriente de combustible calentada (124) para usar en un reformador (15, 82);

e) un precalentador de aire (122) que combustiona la segunda corriente de combustible/aire (117) en presencia de la segunda corriente de aire (17) para formar una corriente de aire calentada (126) para usar en un reformador (15,

82);

f) un pre-reformador (8) que reforma parcialmente una corriente de hidrocarburo gaseoso calentada (174) en presencia de vapor para formar una corriente del reformador (811);

g) el reformador (15, 82) que reforma la corriente del reformador (811) para formar una corriente de gas de síntesis (18).

11.- El aparato de la reivindicación 1, que además comprende:

a) un intercambiador de calor de recuperación de calor del gas de síntesis (11) que recupera calor desde una corriente de gas de síntesis (18) a al menos una corriente de aire; y

h) un intercambiador de temple (165) que recupera calor de la corriente de gas de síntesis (18) para formar vapor a partir de una corriente de agua para el pre-reformador (8).

12.- El aparato de la reivindicación 1 u 11, en donde el pre-reformador (8) o dicho reformador (15, 82) comprende un reactor de circuito impreso.

13.- El aparato de la reivindicación 1, 11 o 12, en donde dicho reformador (15, 82) comprende una o más etapas del pre-reformador (81-83) y una o más etapas del reformador (821-825).

14.- El aparato según la reivindicación 13, en donde cada una de dichas etapas del pre-reformador (81-83) comprende un intercambiador de calor (84-86) y una cámara de catalizador, opcionalmente en donde dichas etapas del pre-reformador (81-83) se configuran para recuperar calor por el intercambiador de calor (84-86) de una corriente de gases de combustión (16) que sale del reformador (15, 82).

15.- El aparato de la reivindicación 13 o 14, en donde dichas etapas del reformador (821-825) comprenden:

i) un ¡ntercambiador de calor (831-835) que calienta la corriente del reformador (811) recuperando calor de la corriente de aire calentada para formar una corriente de aire enfriada;

¡i) un lecho de reformado (841-845) que reforma la corriente del reformador calentada (811); y

iii) una cámara de combustión (851, 852, 853, 855) que combustiona una parte de la corriente de combustible

calentada (124) para recalentar la corriente de aire enfriada.

16.-El aparato de la reivindicación 15, en donde dicho aparato incluye una red de control de la distribución de combustible configurada para el control pasivo de la cantidad de corriente de combustible calentada (124) suministrada a cada cámara de combustión (851, 852, 853, 855) en las etapas del reformador (821-825).

17.-El aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en donde dicho aparato comprende además al

menos un intercambiador de calor (11) que recupera calor de dicha corriente de gas de síntesis (18) después de salir del reformador (15, 82).

18.- El aparato según la reivindicación 17, en donde dicho al menos un intercambiador de calor (11) comprende al menos un intercambiador de calor de temple (165) que recupera calor de una parte de dicha corriente de gas de

síntesis (18).

19.- El aparato según la reivindicación 17, en donde dicho al menos un intercambiador de calor (11) comprende un intercambiador de calor de múltiples corrientes.

2.- El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en donde dicho aparato se configura para evitar o reducir las condiciones de carburización catastrófica y carbonización dentro de todos los intercambiadores de calor,

etapas de pre-reformado y etapas de reformado.

21.- El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, que además comprende un reactor de intercambio de agua-gas (186) que aumenta la concentración de hidrógeno en la corriente de gas de síntesis (18) después de que la corriente de gas de síntesis (18) sale del reformador (15, 82).