Un aparato para reacción catalítica endotérmica que comprende:

a) una cámara de reacción tubular con forma de U a través de la que pasa el flujo (16) dispuesta de forma erguida dentro de una cámara de combustión (4), y un catalizador contenido dentro de dicha cámara de reacción (16) para la transformación de hidrocarburos en gases industriales mediante reacción con calor; teniendo dicha cámara de reacción (16) una porción superior, y estando dicha cámara de convección (17) extendiéndose alrededor de dicha porción superior para mejorar la transferencia de calor desde los productos de combustión a la cámara de reacción (16), y b) un quemador radiante (7) dispuesto dentro de la cámara de combustión (4) caracterizado por que dicho quemador radiante (7) tiene una zona permeable a gas adaptada para proporcionar la combustión sin llamas del combustible y oxidante suministrados a dicho quemador (7) para calentar una superficie de fibra de metal del quemador (7) hasta la incandescencia para irradiar el calor a la cámara de reacción (16); dicho quemador radiante (7) configurado de manera que el ángulo de irradiación incide predominantemente sobre la superficie de la cámara de reacción tubular (16)

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere al uso de un aparato para reacción catalítica endotérmica operable para producir gases que contienen hidrógeno a partir de materia base de hidrocarburo.

El aparato para reacción catalítica endotérmica, para transformar la materia base de hidrocarburo en gases ricos en hidrógeno, es bastante conocido en la técnica. La producción comercial de hidrógeno se consigue normalmente mediante un proceso conocido como reformado con vapor, que implica la reacción endotérmica entre una mezcla de materia base de hidrocarburo y vapor que se hace pasar a través de una tubería del reactor cargado con el catalizador que se calienta.

En reformadores con vapor comerciales para la producción de hidrógeno a gran escala a partir de suministros de hidrocarburo, normalmente se suministra calor endotérmico mediante la combustión del combustible y el oxidante carbonoso en un quemador de llamas de difusión o turbulentas que irradia a las paredes refractarias de una cámara de combustión, calentando de esta manera las mismas hasta la incandescencia, y proporcionando una fuente de irradiación para transferir el calor a una cámara de reacción tubular. La irradiación uniforme a las superficies de la cámara de reacción tubular es esencial puesto que el sobrecalentamiento local en exceso de la superficie del tubo puede dar como resultado fallos mecánicos. En los reformadores con vapor comerciales de gran escala, la mala distribución del calor dentro de la cámara del horno se minimiza proporcionando un gran espaciamiento entre los tubos del reactor individuales, las paredes del horno, y las llamas del quemador. Sin embargo, para el aparato para reacción catalítica a pequeña escala que es excepcionalmente compacto, tal como, para la producción de hidrógeno para aplicaciones en celdas de combustible pequeñas se necesitan características de diseño especiales para evitar el sobrecalentamiento del tubo.

La Patente de Estados Unidos Nº 3.672.847 describe un horno para hidrocarburos de reformación dentro de tubos con forma de U que dependen de los colectores de distribución de entrada y de salida emplazados por encima del techo del horno. Los tubos se recubren internamente con un catalizador, y el horno tiene filas verticales de quemadores de taza radiantes en sus paredes laterales y quemadores de llamas largas en el techo.

La Patente de Estados Unidos Nº 4.692.306 de Minet y Warren describe un reformador compacto que comprende una cámara de reacción anular dispuesta concéntricamente alrededor de una cámara del quemador interna que contiene un quemador radiante cilíndrico dispuesto verticalmente que irradia uniformemente en la dirección radial. Se proporciona un patrón de irradiación uniforme con respecto a una cámara de reacción anular dispuesta concéntricamente que rodea al quemador radiante, evitando de esta manera los problemas con el impacto externo de la llama y el sobrecalentamiento local de las superficies de los tubos que están asociadas con el uso de quemadores de llamas de difusión o turbulencia en el aparato reformador compacto.

Sin embargo, existen limitaciones prácticas con respecto al uso de una cámara de reacción anular para reformadores a pequeña escala que tienen velocidades de producción de hidrógeno menores que aproximadamente 1793 mol/h (1500 SCFH (pies cúbicos estándar por hora)). Es bastante conocido que el coeficiente de transferencia de calor de los reactivos gaseosos contenidos dentro de una cámara de reacción anular se relacionada directamente con la velocidad de los reactivos gaseosos dentro del espacio anular. Para limitar la temperatura de la pared de la cámara de reacción, la velocidad de los reactivos gaseosos dentro del espacio anular debe ser suficientemente elevada para absorber el flujo de calor radiante que incide en las paredes de los tubos de la cámara de reacción. Sin embargo, para reformadores a muy pequeña escala, esto requiere que la anchura del espacio de la cámara de reacción anular sea pequeña. Normalmente, se implementa en la técnica limitar el diámetro máximo de las partículas del catalizador contenidas en el interior de un espacio anular a menos del 20 por ciento de la anchura del espacio anular para asegurar que el catalizador se distribuya uniformemente dentro de la cámara de reacción y para evitar la canalización del gas a lo largo de las paredes de la cámara de reacción. Sin embargo, para un anulo que tiene una dimensión de anchura pequeña, esto requiere el uso de partículas de catalizador de diámetros particularmente pequeños dando como resultado de esta manera en una caída de presión indeseablemente elevada a través del lecho del catalizador.

Se conocen los beneficios de un quemador radiante sin llamas para usarse en el aparato compacto para reacción catalítica con geometría anular en la cámara de reacción. Para aplicaciones del reformador a pequeña escala, se prefiere una geometría tubular en la cámara de reacción en lugar de la geometría anular en la cámara de reacción para alcanzar simultáneamente altos coeficientes de transferencia de calor y bajas caídas de presión dentro de la cámara de reacción.

Existe una necesidad para un aparato compacto para reacción catalítica endotérmica como se ha representado en la presente invención para conseguir los objetos del diseño compacto, al tiempo que evita los problemas de incidencia de llamas, excesivas temperaturas en la pared de la cámara de reacción y excesiva caída de presión en la cámara de reacción mediante la aplicación de una cámara de reacción tubular que se calienta por el quemador radiante. La cámara de reacción endotérmica tubular como se ha descrito en la presente memoria emplea una combinación de tamaños de partículas del catalizador y velocidades másicas del reactivo para controlar la caída de presión en el reactor y la temperatura máxima de la pared del tubo de la cámara de reacción dentro de ciertos límites necesarios; y el quemador radiante se opera a intervalos específicos de intensidad de combustión y aire en exceso para controlar la temperatura superficial del quemador radiante dentro de ciertos límites necesarios. La presente invención extiende el intervalo práctico de geometría tubular de la cámara de reacción endotérmica que se puede usar en combinación con quemadores radiantes para transformar materia base de hidrocarburos en gases útiles a nivel industrial. SUMARIO DE LA INVENCIÓN

El objeto general de esta invención es proporcionar un aparato para reacción catalítica endotérmica novedoso para la producción de gases industriales a partir de una materia base de hidrocarburo o metanol que es simultáneamente compacto, térmicamente eficiente, tiene un promedio de vida útil mejorado y baja caída de presión, y que es particularmente bastante adecuado para la generación a pequeña escala de gases útiles para la aplicación en celdas de combustible en el intervalo de 1 k W a 50 k W.

En la presente invención, se configura una cámara compacta del quemador que emplea un conjunto de quemador radiante para distribuir energía radiante a lo largo de la longitud axial de una cámara de reacción tubular. En una realización, el conjunto de quemador radiante comprende una fibra de metal tejida fijada a una estructura de soporte que permite el flujo de salida del combustible y oxidante del núcleo del quemador hasta la superficie externa de la fibra de metal. Las propiedades de la fibra de metal estabilizan la combustión en una zona menos profunda próxima a la superficie externa de la fibra de metal. La reacción de combustión calienta la fibra de metal hasta la incandescencia y proporciona una fuente de energía radiante que se transfiere a la cámara de reacción.

La fibra de metal del quemador consiste típicamente de forma esencial en una aleación que contiene principalmente hierro, cromo y aluminio y cantidades pequeñas de itrio, silicio y manganeso que tienen vida útil prolongada a temperaturas de operación de hasta 1093ºC (2000ºF).

De acuerdo con un aspecto, la presente invención se refiere a un aparato para reacción catalítica endotérmica como se ha definido en la reivindicación 1.

De acuerdo con otro aspecto, la presente invención se refiere a un método para convertir un hidrocarburo en gases industriales como se ha definido en la reivindicación 15.

De acuerdo con otro aspecto más, la presente invención se refiere a un aparato para reacción catalítica endotérmica como se ha definido en la reivindicación 10.

De...

1. Un aparato para reacción catalítica endotérmica que comprende: a) una cámara de reacción tubular con forma de U a través de la que pasa el flujo (16) dispuesta de forma erguida dentro de una cámara de combustión (4), y un catalizador contenido dentro de dicha cámara de reacción (16) para la transformación de hidrocarburos en gases industriales mediante reacción con calor; teniendo dicha cámara de reacción (16) una porción superior, y estando dicha cámara de convección (17) extendiéndose alrededor de dicha porción superior para mejorar la transferencia de calor desde los productos de combustión a la cámara de reacción (16), y b) un quemador radiante (7) dispuesto dentro de la cámara de combustión (4) caracterizado por que dicho quemador radiante (7) tiene una zona permeable a gas adaptada para proporcionar la combustión sin llamas del combustible y oxidante suministrados a dicho quemador (7) para calentar una superficie de fibra de metal del quemador (7) hasta la incandescencia para irradiar el calor a la cámara de reacción (16); dicho quemador radiante (7) configurado de manera que el ángulo de irradiación incide predominantemente sobre la superficie de la cámara de reacción tubular (16).

2. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado por que dicha cámara de reacción tubular (16) se dimensiona para la creación de velocidades másicas que varían de 1953 kg/m2/h (400 lb/ft2/h) a 7324 kg/m2/h (1500 lb/m2/h).

3. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado por que dicha cámara de reacción tubular (16) tiene patas (1a, 1b) y un codo con forma de arco (1c) que conecta dichas patas (1a, 1b), y dichas patas (1a, 1b) y codo (1c) tienen temperaturas máximas de la pared del tubo que varían de 704ºC (1300ºF) a 871ºC (1600ºF) cuando se han calentado por dicho quemador radiante (7), en funcionamiento.

4. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado por que dicha cámara de sección tubular (16) se dimensiona para tener la capacidad de generar un

producto de hidrógeno más monóxido de carbono en cantidades volumétricas que varían de 60 mol/hora (50 SCFH) a entre 598 y 1793 mol/hora (500 y 1500 SCFH).

5. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado por que dicho quemador radiante (7) se configura para dirigir la irradiación a un ángulo de irradiación incluido entre 45-180 grados.

6. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado por que dicho quemador radiante (7) comprende un material de fibra de metal soportado que consiste esencialmente de una aleación que contiene principalmente hierro, cromo y aluminio y pequeñas cantidades de itrio, silicio y manganeso, teniendo dicha aleación una vida útil prolongada en operación de hasta 1093ºC (2000ºF).

7. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado por que dicho quemador radiante tiene una forma hemiesférica.

8. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado por que dicha cámara de reacción tubular (16) comprende un tubo que tiene un diámetro o diámetros externos que varían de aproximadamente 1,9 cm (3/4 pulgada) a aproximadamente 10,2 cm (4 pulgadas) a lo largo de la longitud del tubo.

9. El aparato de la reivindicación 1, en el que el quemador radiante (7) se dispone verticalmente dentro de la cámara de combustión (4).

10. Aparato para reacción catalítica endotérmica que incluye una cámara de

combustión (104), comprendiendo; a) un conducto externo tubular recto dispuesto concéntricamente alrededor de un conducto interno (132) para formar una cámara de reacción (116) que contiene el catalizador en el espacio anular entre la pared del conducto externo y la pared del conducto interno, para la transformación de hidrocarburo en gases industriales mediante la reacción con calor, y un espacio definido para el conducto interno para el flujo de retorno de los gases reactivos hasta un medio de salida (113); teniendo dicha cámara de reacción tubular uno y que se extiende dentro de la cámara de combustión (104) y uno opuesto y que se extiende fuera de la cámara de combustión (104), y existiendo el medio de entrada

(212) que está en comunicación con el espacio anular y un medio de salida (113) que está en comunicación con el espacio definido para el conducto interno, b) y un quemador radiante (107) dispuesto verticalmente dentro de dicha cámara de combustión (104), caracterizado por que dicho quemador radiante (107) tiene una zona permeable a gas adaptada para promover la combustión sin llamas del combustible y oxidante suministrados a dicho quemador (107) para calentar la superficie de fibra de metal del quemador hasta la incandescencia para irradiar energía térmica a la cámara de reacción (116).

11. El aparato de la reivindicación 10, en el que una pluralidad de dichas cámaras de reacción tubulares se proporcionan y se disponen concéntricamente alrededor de un quemador radiante cilíndrico localizado centralmente y dispuesto verticalmente que tiene un arco de irradiación de 360 grados.

12. El aparato de la reivindicación 10, en el que existe una cámara de convección (117) que se extiende alrededor de una porción de la cámara de reacción tubular (116) próxima al extremo que contiene los medios de entrada y de salida del gas reactivo para mejorar la transferencia de calor de los productos de combustión; teniendo dicha cámara de convección (117) un medio de entrada que está en comunicación con la cámara de combustión y un medio de salida para los productos de combustión que está fuera de la cámara de combustión.

13. Aparato para reacción catalítica endotérmica que comprende: a) una cámara de reacción tubular helicoidal a través de la que pasa el flujo dispuesta dentro de una cámara de combustión, y un catalizador contenido dentro de dicha cámara de reacción para la transformación de hidrocarburo en gases industriales mediante reacción con calor; teniendo dicha cámara de reacción tubular helicoidal una porción superior, y estando una cámara de convección (17) extendiéndose alrededor de

dicha porción superior para mejorar la transferencia del calor desde los productos de combustión a la cámara de reacción y una sección de salida (21) conectada al medio de salida (3), y b) un quemador radiante (7) dispuesto verticalmente dentro de dicha cámara de combustión caracterizado por que dicho quemador radiante (7), tiene una zona permeable a gas (14) adaptada para promover la combustión sin llamas del combustible y oxidante suministrados a dicho quemador para calentar la superficie de fibra de metal del quemador hasta la incandescencia para irradiar energía térmica a la cámara de reacción, comprendiendo dicha cámara de reacción tubular helicoidal un serpentín helicoidal y siendo dicho quemador radiante (7) cilíndrico y localizándose en el centro del serpentín helicoidal; dicho quemador radiante (7) configurado para irradiar uniformemente en direcciones radiales.

14. El aparato de la reivindicación 13, en el que la sección de salida (21) es para transportar los productos de reacción a los medios de salida (3).

15. El método de transformar un hidrocarburo en gases industriales, que

incluye: a) proporcionar una cámara de reacción tubular con forma de U a través de la que pasa el flujo (16) dispuesta de forma erguida dentro de una cámara de combustión (4), y un catalizador contenido dentro de dicha cámara de reacción (16) para la transformación de dicho hidrocarburo en dichos gases industriales mediante reacción con calor; teniendo dicha cámara de reacción (16) una porción superior, y existiendo una cámara de reacción (17) extendiéndose alrededor de dicha porción superior para mejorar la transferencia de calor desde los productos de combustión a la cámara de reacción (16), b) proporcionar un quemador radiante (7) dispuesto dentro de dicha cámara de combustión (4) y teniendo una zona permeable a gas adaptada para promover la combustión sin llamas del combustible y oxidante suministrados a dicho quemador para calentar una superficie de fibra de metal del quemador hasta la incandescencia para irradiar calor a la cámara de reacción (16); dicho quemador radiante (7) configurado de manera que las radiaciones angulares inciden predominantemente sobre la superficie de la cámara de reacción tubular (16); c) operar el quemador radiante (7) y calentar la superficie de fibra de metal del quemador (7) hasta la incandescencia para irradiar calor a la cámara de reacción (16), d) suministrar dicho hidrocarburo y vapor a la cámara de reacción (16) calentada mediante dicho quemador radiante (7), e) y retirar dichos gases industriales incluyendo hidrógeno de la cámara

10 de reacción (16).

16. El método de la reivindicación 15, en el que el quemador radiante (7) proporcionado en la etapa b) se dispone verticalmente dentro de la cámara de combustión (4).

17. El método de la reivindicación 15 ó 16, dicho método comprendiendo además limitar la temperatura de la superficie del quemador radiante a menos de 1093ºC (2000º F), cuando el quemador radiante (7) está en funcionamiento.