Un aparato para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno,

que comprende una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, donde cada módulo de la pluralidad de módulos incluye:

una carcasa que tiene un espacio interior que define un paso para el flujo de una corriente de gas desde un primer extremo de la carcasa hasta un segundo extremo de la carcasa opuesto al primer extremo, y

un núcleo de procesamiento que está contenido dentro del espacio interior para efectuar un cambio químico, térmico o físico a la corriente de gas que pasa axialmente a través del mismo; y

donde la pluralidad de módulos incluye:

un primer módulo que contiene un lecho de catalizador de oxidación,

un segundo módulo posicionado adyacente al primer módulo que contiene un primer intercambiador para enfriar la corriente de gas,

un tercer módulo posicionado adyacente al segundo módulo que contiene un agente de desulfurización,

finalmente un cuarto módulo posicionado adyacente al tercer módulo que contiene un material inerte para mezclar componentes de la corriente de gas que pasan a través del mismo,

un quinto módulo posicionado adyacente al cuarto módulo o al tercer módulo si no se incluye cuarto módulo que contiene un lecho de catalizador de desplazamiento agua gas, medios para añadir agua antes del quinto módulo si no se incluye un cuarto módulo,

un sexto módulo posicionado adyacente al quinto módulo que contiene un segundo intercambiador de calor para enfriar la corriente de gas, y

un séptimo módulo posicionado adyacente al sexto módulo que contiene un lecho de catalizador para oxidación de monóxido de carbono

Procesador compacto de combustible para producir un gas rico en hidrógeno.

Antecedentes de la invención

Las células de combustible proporcionan electricidad a partir de reacciones químicas de oxidación-reducción y poseen ventajas significativas sobre otras formas de generación de potencia en términos de limpieza y eficiencia. Típicamente, las celdas de combustible emplean hidrógeno como combustible y oxígeno como agente oxidante. La generación de potencia es proporcional a la rata de consumo de los reactivos.

Una desventaja significativa que inhibe el uso más amplio de las células de combustible es la carencia de una infraestructura de distribución de hidrógeno. El hidrógeno tiene una densidad de energía volumétrica relativamente baja y es más difícil de almacenar y transportar que los combustibles de hidrocarburos utilizados corrientemente en la mayoría de los sistemas de generación de potencia. Una manera de superar esta dificultad es el uso de reformadores para convertir los hidrocarburos en una corriente de gas rica en hidrógeno que pueda ser utilizada como alimentación para las celdas de combustible.

Los combustibles basados en hidrocarburos, tales como el gas natural, LPG, gasolina y diesel, requieren procesos de conversión para ser utilizados como fuentes de combustible para la mayoría de las celdas de combustible. La técnica actual utiliza procesos de pasos múltiples que combinan un proceso de conversión inicial con varios procesos de limpieza. El proceso inicial es lo más frecuentemente la reforma por vapor (SR), la reforma autotérmica (ATR), la oxidación parcial catalítica (CPOX), o la oxidación parcial no catalítica (POX). Los procesos de limpieza están compuestos generalmente de una combinación de desulfurización, desplazamiento agua-gas a alta temperatura, desplazamiento agua-gas a baja temperatura, oxidación selectiva de CO, o metanación selectiva de CO. Procesos alternativos incluyen reactores y filtros con membranas selectivas para hidrógeno.

La EP-A-0861802 divulga un aparato para reforma de combustible que comprende un cierto número de porciones constituidas por elementos de placa planos, estando los elementos integralmente apilados en proximidad cercana uno a otro a partir de un lado a alta temperatura hasta un lado en baja temperatura, en el siguiente orden: porción de combustión catalítica, porción de reforma, porción de sobrecalentamiento de vapor, porción de recuperación de calor, porción de desplazamiento, porción de evaporación, porción de oxidación de CO y porción de calentamiento de alimentación líquida.

La WO 97/14497 divulga un ensamblaje para un proceso químico que tiene una arquitectura de láminas, donde la producción a macroescala se logra con una pluralidad de elementos en microescala que operan en paralelo. El dispositivo puede ser utilizado en sistemas de transferencia de calor, sistemas de potencia y sistemas de procesos químicos.

La WO 00/66487 divulga un sistema de reforma de hidrocarburos para utilizar con una celda de combustible asociada, que incluye un primer reactor para generar un reformado rico en hidrógeno mediante oxidación parcial o reformado por vapor. Un segundo reactor en comunicación con el primero para promover el desplazamiento de agua-gas; y al menos un intercambiador de calor para suministrar vapor al primer reactor.

A pesar del trabajo anterior, persiste una necesidad por una unidad sencilla para convertir un combustible de hidrocarburos en una corriente gaseosa rica en hidrógeno para su utilización junto con una celda de combustible.

Resumen de la invención

La presente invención está dirigida en general a un aparato y método para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno. El aparato para convertir el combustible de hidrocarburo en gas rico en hidrógeno incluye una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común como se reivindica en la reivindicación 1. Cada módulo incluye una carcasa que tiene un espacio interior que define un paso para el flujo de gas desde un primer extremo de la carcasa hasta un segundo extremo de la carcasa opuesto al primer extremo. El aparato incluye adicionalmente un núcleo de procesamiento que está contenido dentro del espacio interior para efectuar un cambio químico, térmico o físico a una corriente de gas que pasa a través del núcleo de procesamiento. Es un aspecto preferido de la presente invención que los módulos tengan forma cilíndrica. En una realización ilustrativa y preferida, cada módulo incluye un labio anular bien en el primer extremo o en el segundo extremo de la carcasa y una porción anular retrotraída en el extremo opuesto de la carcasa. Esto está diseñado de tal manera que el labio anular de un módulo pueda recibirse en la porción retrotraída anular del módulo adyacente.

Dependiendo de la reacción que toma lugar dentro del módulo, cada módulo puede incluir una capa anular de material térmicamente aislante dispuesta entre la carcasa y el núcleo de procesamiento respectivo. De una forma similar, un módulo puede incluir un miembro de soporte poroso, tal como un filtro, malla, placa perforada, o placas sinterizada porosa. Tal miembro de soporte poroso puede ser incluido como un soporte y contener el contenido del módulo, particularmente materiales catalíticos granulares.

Como se anotó más arriba y se describe aquí, el aparato de la presente invención se utiliza para llevar a cabo una serie de reacciones que convierten combustibles de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno. El primer módulo tiene núcleo de procesamiento que incluye un catalizador de oxidación parcial y opcionalmente un catalizador de reforma por vapor. Un segundo módulo posicionado adyacente al primer módulo está diseñado de manera tal que el núcleo de procesamiento del segundo módulo incluye un primer intercambiador de calor. Tal intercambiador de calor puede ser un intercambiador de calor tipo aleta, un intercambiador de calor de tubo, una tubería de calor o medios similares que sean capaces de intercambiar calor.

Dentro de la pluralidad de módulos, se posiciona un tercer módulo adyacente al segundo módulo, incluyendo el núcleo de procesamiento del tercer módulo un agente desulfurizador. Una amplia variedad de agentes desulfurizadores pueden utilizarse pero preferiblemente el agente desulfurizador incluye óxido de zinc. Un quinto módulo adyacente a y en comunicación fluida con el tercer módulo incluye un núcleo de procesamiento que contiene un catalizador para desplazamiento agua-gas. Una persona experimentada en la técnica entenderá y apreciará que el catalizador de desplazamiento agua-gas puede ser un catalizador de desplazamiento agua-gas a baja temperatura que incluye un material catalizador seleccionado de cobre, óxido de cobre, zinc, platino, renio, paladio, rodio y oro y combinaciones y mezclas de estos y materiales similares. Alternativamente, el catalizador de desplazamiento agua-gas es un catalizador de desplazamiento agua-gas a alta temperatura que incluye un material catalizador seleccionado de óxido férrico, óxido crómico, cobre, siliciuro de hierro, platino, paladio y otros miembros del grupo del paladio, y combinaciones y mezclas de estos y materiales similares.

El aparato se diseña adicionalmente para incluir dentro de la pluralidad de módulos un sexto módulo posicionado adyacente a y en comunicación fluida con el quinto módulo. El núcleo de procesamiento del sexto módulo incluye un segundo intercambiador de calor. Tal intercambiador de calor puede incluir un intercambiador de calor de tipo aleta, intercambiador de calor de tubo, tubería de calor, o medios similares que sean capaces de intercambiar calor.

La pluralidad de módulos incluye un séptimo módulo posicionado adyacente al sexto módulo con el cual está en comunicación fluida. El núcleo de procesamiento del séptimo módulo incluye un catalizador de oxidación de monóxido de carbono que preferiblemente incluye un material seleccionado de platino, paladio, hierro, cromo, manganeso, óxido de hierro, óxido de cromo, óxido de manganeso, rutenio, oro, cerio, lantano y combinaciones y mezclas de estos y compuestos similares.

La presente invención también incluye un proceso para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 25. Tal proceso incluye proveer un procesador de combustible que tenga una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, y alimentando el combustible de hidrocarburos sucesivamente a través de cada uno de los módulos...

1. Un aparato para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno, que comprende una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, donde cada módulo de la pluralidad de módulos incluye:

donde la pluralidad de módulos incluye:

2. El aparato como se reivindica en la reivindicación 1, donde la pluralidad de módulos son cilíndricas en su forma.

3. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde cada módulo de la pluralidad de módulos incluye un labio anular bien en el primer extremo o en el segundo extremo de la carcasa y una porción retrotraída anular en el extremo opuesto de la carcasa, y donde el labio anular de un módulo encaja dentro de la porción retrotraída anular del módulo adyacente.

4. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde al menos un módulo de la pluralidad de módulos incluye una capa anular de un material aislante térmicamente dispuesta entre la carcasa y el núcleo de procesamiento respectivo.

5. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde al menos un módulo de la pluralidad de módulos incluye un miembro de soporte poroso montado en proximidad al primer extremo de la carcasa.

6. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde al menos un módulo de la pluralidad de módulos incluye un miembro de soporte poroso montado en proximidad al segundo extremo de la carcasa.

7. El aparato como se describe en la reivindicación 6, donde el miembro de soporte poroso es seleccionado del grupo consistente de un filtro, malla, placa perforada y placa sinterizada porosa.

8. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el primer módulo incluye también un catalizador para reforma por vapor.

9. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el catalizador de oxidación parcial incluye un metal seleccionado del grupo consistente de platino, paladio, rodio, rutenio, níquel, cobalto y cualquier combinación de los mismos.

10. El aparato como se describe en la reivindicación 8, donde el catalizador de reforma por vapor incluye un metal seleccionado del grupo consistente de platino, paladio, rodio, rutenio, iridio, níquel, potasio y combinaciones de los mismos.

11. El aparato como se describe en la reivindicación 9, donde el metal del catalizador de oxidación parcial está soportados sobre un material seleccionado del grupo consistente de magnesia, alúmina, titania, zirconia y sílica.

12. El aparato como se describe en la reivindicación 10, donde el metal del catalizador para reforma por vapor está soportado sobre un material seleccionado del grupo consistente de magnesia, alúmina, sílica, zirconia y aluminato de magnesio.

13. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el agente de desulfurización incluye óxido de zinc.

14. El aparato como se reivindica en la reivindicación 1, donde el material inerte comprende cuentas de cerámica.

15. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el cuarto módulo está diseñado para introducir agua a la corriente de gas.

16. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el quinto módulo incluye adicionalmente un intercambiador de calor posicionado dentro del lecho de catalizador de desplazamiento agua gas para mantener un rango de temperatura de reacción de desplazamiento deseado.

17. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el catalizador de desplazamiento agua gas es un catalizador de desplazamiento agua gas a baja temperatura.

18. El aparato como se describe en la reivindicación 17, donde el catalizador de desplazamiento agua gas a baja temperatura incluye un material seleccionado del grupo consistente de cobre, óxido de cobre, zinc, platino, renio, paladio, rodio y oro.

19. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el catalizador de desplazamiento agua gas es un catalizador de desplazamiento agua gas a alta temperatura.

20. El aparato como se describe en la reivindicación 19, donde el catalizador de desplazamiento agua gas a alta temperatura incluye un material seleccionado del grupo consistente de óxido férrico, óxido crómico, cobre, siliciuro de hierro, platino y paladio.

21. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el séptimo módulo incluye adicionalmente un intercambiador de calor posicionado dentro del lecho de catalizador para oxidación de monóxido de carbono para mantener un rango de temperatura de reacción de oxidación deseado.

22. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el séptimo módulo está diseñado para introducir una corriente que contiene oxígeno a la corriente de gas antes de entrar en contacto con el lecho de oxidación de monóxido de carbono.

23. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el lecho de catalizador de oxidación de monóxido de carbono incluye un material seleccionado del grupo consistente de platino, paladio, hierro, cromo, manganeso, óxido de hierro, óxido de cromo, óxido de manganeso, rutenio, paladio, oro y cualquier combinación de los mismos.

24. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde la pluralidad de módulos incluye un cuarto módulo posicionado adyacente al tercer módulo que contiene un material inerte para mezclar componentes de la corriente de gas que pasa a través del mismo.

25. Un proceso para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno que comprende:

donde la pluralidad de módulos incluye:

26. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el combustible de hidrocarburos puede ser precalentado por el segundo módulo, el quinto módulo, el sexto módulo, el séptimo módulo o cualquier combinación de los mismos.

27. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el primer módulo opera a una temperatura que varía desde aproximadamente 550ºC hasta aproximadamente 900ºC.

28. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el efluente del segundo módulo está entre aproximadamente 200ºC hasta aproximadamente 600ºC.

29. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el quinto módulo opera a una temperatura que varía desde aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 400ºC.

30. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el efluente del quinto módulo es enfriado a una temperatura que va desde aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC.

31. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el séptimo módulo opera a una temperatura que va desde aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC.

32. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el gas rico en hidrógeno contiene menos de 50 ppm de monóxido de carbono.