Un aparato para reformar un combustible, que comprende: una primera zona de oxidación parcial que tiene al menos un quemador adaptado para oxidar parcialmente al menos una porción de un suministro de primera etapa del combustible con al menos una porción de una primera corriente de un oxidante en la primera zona de oxidación parcial,

formando de esta manera un primer efluente parcialmente oxidado; una primera zona catalítica que contiene un primer catalizador y que está en comunicación fluida con la primera zona de oxidación parcial y adaptada para recibir al menos una porción del primer efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la primera zona catalítica para formar un efluente de primera etapa; una segunda zona de oxidación parcial en comunicación fluida con la primera zona catalítica y adaptada para recibir al menos una porción del efluente de primera etapa, teniendo la segunda zona de oxidación parcial al menos un quemador diferente adaptado para oxidar parcialmente al menos una porción de un suministro de segunda etapa del combustible u otro suministro de un combustible diferente con al menos una porción de una segunda corriente del oxidante u otro oxidante en la segunda zona de oxidación parcial, formando de esta manera un segundo efluente parcialmente oxidado; y una segunda zona catalítica que contiene un segundo catalizador y que está en comunicación fluida con la segunda zona de oxidación parcial y adaptada para recibir al menos una porción del segundo efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la segunda zona catalítica para formar un efluente de segunda etapa

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere, en general, al reformado de combustibles, y en particular a métodos y aparatos de reformado autotérmico para la producción de gas que contiene hidrógeno y óxidos de carbono, tal como 5 gas de síntesis (“syngas”) de metanol incluyendo, aunque sin limitación, la producción a gran escala de gas de síntesis.

La Figura 1 ilustra un reformado autotérmico típico 10 de lecho de relleno vertical. Un suministro de hidrocarburo 24 se precalienta en un calentador 34. La corriente de hidrocarburo precalentado puede desulfurarse después en una operación unitaria separada (no mostrada). La corriente de hidrocarburo precalentado se mezcla con una porción de un suministro de vapor 32. La mezcla precalentada se combina con un suministro oxidante 26 dentro de 10 un quemador individual 28. El suministro de oxidante (normalmente oxígeno, aire o una combinación) se precalienta en un calentador 36. La mezcla oxidante precalentada se mezcla con una porción del suministro de vapor 32 o la corriente podría añadirse antes del precalentador. La corriente y la mezcla oxidante se combinan con una mezcla de hidrocarburo precalentado dentro del quemador individual 28. Se forma una zona de oxidación parcial 22 (POX) dentro del recipiente reformador autotérmico 18. La oxidación parcial (POX) es la combustión no catalítica, subestequiométrica, de un 15 hidrocarburo con un oxidante (por ejemplo, oxígeno o aire) para producir CO y H2 (otros productos incluyen H2O y CO2). La corriente parcialmente oxidada en la zona POX encuentra un sistema de ladrillo diana 14 y avanza hacia un lecho catalítico de relleno 12. Las reacciones de reformado de metano con vapor y la conversión del gas de agua ocurren dentro del lecho catalítico de relleno. Un gas efluente entra en un arco de soporte de lecho 16 y deja al reformador como una corriente de gas de síntesis caliente 38. La corriente de gas de síntesis caliente puede refrigerarse 20 en una caldera de calor residual de proceso 42. La corriente de gas de síntesis 38 puede después procesarse además según se requiera.

Los reformadores autotérmicos típicos se describen en el documento EP0936183 A2 y en la Patente de Estados Unidos Nº 5.628.931 (Lednor).

Existen varios problemas asociados con el uso de lechos catalíticos de relleno 12 en reformadores 25 autotérmicos convencionales 10, tales como el ilustrado en la Figura 1. En primer lugar, el lecho catalítico de relleno 12 puede causar caídas de presión apreciables, especialmente para procesos de flujos/expansiones aumentados. En segundo lugar, los diseños de reformador autotérmico convencional/reformador secundario están basados en una alta liberación térmica (en la zona POX) de un quemador individual 28 y requieren una gran protección refractaria para el recipiente vertical 18. Debido a los chorros de alta velocidad que provienen del quemador individual, el lecho catalítico 30 requiere un sistema de ladrillo diana 14 para protección. A menudo, el fallo del sistema de ladrillo diana da como resultado el desgaste por rozamiento del lecho catalítico del lecho de relleno. También, el diseño de un solo quemador fuerza a todo el calor a tener que liberarse en una sola zona POX compacta, lo que da como resultado un gran pico de temperatura de llama. Además, las altas velocidades (bajo tiempo de residencia) en la zona POX pueden aumentar la formación de hollín y la degradación del catalizador. Tales condiciones de operación agresiva requieren inyección de 35 vapor adicional, pre-reformado de suministros más pesados, etc. para permitir operaciones fiables, todas las cuales dan como resultado mayor capital y costes de operación.

Como se ha analizado anteriormente, la técnica anterior describe diversos diseños y mejoras que alivian algunos problemas asociados con el uso de lechos catalíticos de relleno en el reformado autotérmico convencional. Sin embargo, existe una necesidad de una solución más exhaustiva para los problemas presentados. 40

El uso de un monolito dentro de un combustor de una planta eléctrica de turbina de gas para producir gas de síntesis con alguna disposición combustible/oxidante antes de una zona de catalizador se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 4.618.451 (Gent). La patente describe un reformador autotérmico en el que el gas producto adecuado para la síntesis de metanol se integra con la turbina.

Un dispositivo con una cámara POX relativamente pequeña seguido de un lecho catalítico de reformado con 45 introducciones de oxidante y combustible adicionales se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 5.632.787 (Boucot) y en la Patente de Estados Unidos Nº 5733514 (Boucot). Una configuración es una disposición transversal en la que el reformador autotérmico con flujo descendente va seguido de una sección de flujo ascendente y después otro lecho catalítico de flujo descendente seguido de secciones de flujo ascendente y de flujo descendente adicionales. Puede realizarse una combustión adicional en la última de las secciones de flujo descendente. 50

El documento EP0312754 B1 describe un reformador autotérmico horizontal, que usa una sección de catalizador vertical.

Otras patentes con relación a un monolito dentro de un reformador autotérmico implican inyectores mejorados u oxidación parcial catalítica. La oxidación parcial catalítica (CPOX) implica la combustión parcial de un hidrocarburo con un oxidante sobre un catalizador a temperaturas menores que para la oxidación parcial no catalítica. Por tanto, el 55 proceso de reacción CPOX es significativamente diferente que el POX.

El uso de un monolito catalítico de reformado con vapor dentro de un reformador autotérmico, cuando se usa junto con un inyector se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 5.980.596 (Hershokowitz). El uso de un monolito de reformado con vapor junto con un monolito CPOX para la producción de amoniaco se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 4.863.707 (McShea, III). Un reformador secundario de monolito se describe en el documento EP206535 B1. 5

El reformado con la disposición 02 se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 6.059.995 (Topsoe) y un reformador autotérmico de aire de múltiples etapas se describe en la publicación de solicitud de Patente de Estados Unidos Nº 2003/0200699 A1. El hidrocarburo CPOX con la disposición 02 se describe en el documento EPO0842894 B1.

La Patente de Estados Unidos Nº 6.911.193 (Allison) describe el uso de la disposición 02 y la materia prima 10 para una zona CPOX, seguida de una zona de reformado de metano con vapor (SMR). Un artículo en Chemical Engineering, septiembre de 2003, página 17, describe el uso de la disposición 02 para una mezcla de catalizadores CPOX y SMR.

Se desea tener un aparato y método para reformar un combustible que elimine las restricciones que limitan la capacidad de producción de gas de síntesis para un reformador autotérmico individual, incluyendo: diseño de un solo 15 quemador, configuración de flujo vertical y la necesidad de una línea transferencia.

Se desea además tener un aparato y un método para reformar un combustible que permita un aumento en la producción del gas de síntesis a partir de un reformador, mientras que mitiga el problema de la formación de carbono.

Se desea aún más tener un aparato y un método para reformar un combustible en el que los requisitos para procesar el vapor y el oxidante sean menores que tales requisitos para reformadores autotérmicos convencionales. 20

Se desea aún más tener un aparato y un método para reformar un combustible que tiene una distribución térmica más uniforme que los reformadores autotérmicos de la técnica anterior y que permita el funcionamiento a mayores temperaturas de equilibrio, lo que da como resultado un mayor contenido de CO en el producto de gas de síntesis y mayores volúmenes de gas de síntesis.

Se desea aún más tener un aparato y un método para reformar un combustible que reduce la complejidad de la 25 integración del reformador con el equipo de recuperación de calor aguas abajo, y que elimine la necesidad de una línea de transferencia costosa o de los tubos ascendentes requeridos en los reformadores tubulares aguas arriba.

Se desea aún más tener un aparato y un método para reformar un combustible que tenga mayor eficacia de reformado, flexibilidad adicional para controlar la proporción H2/CO y mejor fiabilidad que los procesos de reformado autotérmico... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para reformar un combustible, que comprende:

una primera zona de oxidación parcial que tiene al menos un quemador adaptado para oxidar parcialmente al menos una porción de un suministro de primera etapa del combustible con al menos una porción de una primera corriente de un oxidante en la primera zona de oxidación parcial, formando de esta manera un primer efluente parcialmente oxidado; 5

una primera zona catalítica que contiene un primer catalizador y que está en comunicación fluida con la primera zona de oxidación parcial y adaptada para recibir al menos una porción del primer efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la primera zona catalítica para formar un efluente de primera etapa;

una segunda zona de oxidación parcial en comunicación fluida con la primera zona catalítica y adaptada para recibir al menos una porción del efluente de primera etapa, teniendo la segunda zona de oxidación parcial al menos un 10 quemador diferente adaptado para oxidar parcialmente al menos una porción de un suministro de segunda etapa del combustible u otro suministro de un combustible diferente con al menos una porción de una segunda corriente del oxidante u otro oxidante en la segunda zona de oxidación parcial, formando de esta manera un segundo efluente parcialmente oxidado; y

una segunda zona catalítica que contiene un segundo catalizador y que está en comunicación fluida con la 15 segunda zona de oxidación parcial y adaptada para recibir al menos una porción del segundo efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la segunda zona catalítica para formar un efluente de segunda etapa.

2. El aparato de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

un medio para combinar al menos una porción de al menos un flujo de al menos un moderador con al menos una porción de al menos uno de 20

a) el suministro de primera etapa del combustible,

b) el suministro de segunda etapa del combustible u otro suministro de otro combustible,

c) la primera corriente del oxidante, y

d) la segunda corriente del oxidante o el otro oxidante.

3. El aparato de la reivindicación 2, en el que el al menos un moderador se selecciona entre el grupo que consiste 25 en vapor, dióxido de carbono y mezclas de los mismos.

4. El aparato de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente al menos un monolito protector entre al menos uno de

a) la primera zona de oxidación parcial y la primera zona catalítica, y b) la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica. 30

5. El aparato de la reivindicación 1, en el que al menos uno del primer catalizador y del segundo catalizador es monolítico.

6. El aparato de la reivindicación 1, en el que el aparato tiene un eje longitudinal a través de cada una de la primera zona de oxidación parcial, la primera zona catalítica, la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica, y en el que el eje longitudinal es sustancialmente horizontal. 35

7. El aparato de la reivindicación 1, en el que al menos una de la primera zona catalítica y de la segunda zona catalítica está en comunicación fluida con un dispositivo de recuperación de calor.

8. El aparato de la reivindicación 1, en el que el combustible es al menos en parte un hidrocarburo.

9. El aparato de la reivindicación 1, en el que al menos uno del oxidante y el otro oxidante se selecciona entre un grupo que consiste en oxígeno, aire, aire empobrecido en oxígeno, aire enriquecido en oxígeno, dióxido de carbono, 40 vapor y metanol.

10. El aparato de la reivindicación 1, en el que el efluente de segunda etapa es un producto de gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono.

11. El aparato de la reivindicación 1, en el que al menos uno del primer catalizador y del segundo catalizador es un catalizador de reformado con vapor. 45

12. El aparato de la reivindicación 1, en el que al menos una de una reacción de reformado de metano con vapor y de conversión de gas de agua ocurre en al menos una de la primera zona catalítica y la segunda zona catalítica.

13. El aparato de la reivindicación 1 para reformar un combustible de hidrocarburo, que comprende:

una primera zona de oxidación parcial que tiene al menos un quemador adaptado para oxidar parcialmente al menos una porción de un suministro de primera etapa del combustible con al menos una porción de una primera corriente de un oxidante en la primera zona de oxidación parcial, formando de esta manera un primer efluente parcialmente oxidado; 5

una primera zona catalítica que contiene un primer catalizador y que está en comunicación fluida con la primera zona de oxidación parcial y adaptada para recibir al menos una porción del primer efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la primera zona catalítica para formar un efluente de primera etapa;

una segunda zona de oxidación parcial en comunicación fluida con la primera zona catalítica y adaptada para recibir al menos una porción del efluente de primera etapa, teniendo la segunda de oxidación parcial al menos otro 10 quemador, adaptado para oxidar parcialmente al menos una porción de un suministro de segunda etapa del combustible de hidrocarburo u otro suministro de un combustible diferente con al menos una porción de una segunda corriente del oxidante u otro oxidante en la segunda zona catalítica de oxidación parcial, formando de esta manera un segundo efluente parcialmente oxidado; y

una segunda zona catalítica que contiene un segundo catalizador y que está en comunicación fluida con la 15 segunda zona de oxidación parcial y adaptada para recibir al menos una porción del segundo efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la segunda zona catalítica para formar un producto de gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono;

un medio para combinar al menos una porción de al menos un flujo de al menos un moderador con al menos una porción de al menos uno de 20

a) el suministro de primera etapa del combustible de hidrocarburo,

b) el suministro de segunda etapa de combustible de hidrocarburo o el otro suministro del otro combustible,

c) la primera corriente del oxidante, y

d) la segunda corriente del oxidante o el otro oxidante, 25

en el que el al menos un moderador se selecciona entre el grupo que consiste en vapor, dióxido de carbono y mezclas de los mismos;

al menos un monolito protector entre al menos uno de

a) la primera zona de oxidación parcial y la primera zona catalítica, y

b) la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica, 30

en el que al menos uno del primer catalizador y el segundo catalizador es monolítico y

en el que el aparato tiene un eje longitudinal a través de cada una de la primera zona de oxidación parcial, la primera zona catalítica, la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica, y en el que el eje longitudinal es sustancialmente horizontal, y

en el que al menos uno del oxidante y del otro oxidante se selecciona entre un grupo que consiste en 35 oxígeno, aire, aire empobrecido en oxígeno, aire enriquecido en oxígeno, dióxido de carbono, vapor y metanol.

14. Un método para reformar un combustible, que comprende las etapas de: proporcionar un suministro de primera etapa del combustible;

proporcionar un suministro de segunda etapa del combustible u otro suministro de otro combustible;

proporcionar una primera zona de oxidación parcial que tiene al menos un quemador; 40

oxidar parcialmente al menos una porción del suministro de primera etapa del combustible con al menos una porción de una primera corriente de un oxidante en la primera zona de oxidación parcial con el al menos un quemador, formando de esta manera un primer efluente parcialmente oxidado;

proporcionar una primera zona catalítica que contiene un primer catalizador y que está en comunicación fluida con la primera zona de oxidación parcial; 45

recibir en la primera zona catalítica al menos una porción del primer efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la primera zona catalítica para formar un efluente de primera etapa;

proporcionar una segunda zona de oxidación parcial en comunicación fluida con la primera zona catalítica, teniendo la segunda zona de oxidación parcial al menos otro quemador;

recibir en la segunda zona de oxidación parcial al menos una porción del efluente de primera etapa;

oxidar parcialmente al menos una porción del suministro de segunda etapa del combustible o el otro suministro del otro combustible con al menos una porción de una segunda corriente del oxidante u otro oxidante en la segunda 5 zona de oxidación parcial, formando de esta manera un segundo efluente parcialmente oxidado;

proporcionar una segunda zona catalítica que contiene un segundo catalizador y que está en comunicación fluida con la segunda zona de oxidación parcial; y

recibir en la segunda zona catalítica al menos una porción del segundo efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la segunda zona catalítica para formar un efluente de segunda etapa. 10

15. El método de la reivindicación 14, que comprende las etapas adicionales de:

proporcionar al menos un flujo de al menos un moderador; y

combinar al menos una porción del al menos un flujo del al menos un moderador con al menos una porción de al menos uno de

a) el suministro de primera etapa del combustible, 15

b) el suministro de segunda etapa del combustible u otro suministro del otro combustible,

c) la primera corriente del oxidante, y

d) la segunda corriente del oxidante o el otro oxidante.

16. El método de la reivindicación 15, en el que el al menos un moderador se selecciona entre el grupo que consiste en vapor, dióxido de carbono y mezclas de los mismos. 20

17. El método de la reivindicación 14, que comprende la etapa adicional de: proporcionar al menos un monolito protector entre al menos uno de

a) la primera zona de oxidación parcial y la primera zona catalítica, y

b) la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica.

18. El método de la reivindicación 14, en el que al menos uno del primer catalizador y el segundo catalizador es 25 monolítico.

19. El método de la reivindicación 14, en el que existe un eje longitudinal a través de cada una de la primera zona de oxidación parcial, la primera zona catalítica, la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica, y en el que el eje longitudinal es sustancialmente horizontal.

20. El método de la reivindicación 14, en el que al menos una de la primera zona catalítica y de la segunda zona 30 catalítica está en comunicación fluida con un dispositivo de recuperación de calor.

21. El método de la reivindicación 14, en el que el combustible es al menos en parte un hidrocarburo.

22. El método de la reivindicación 14, en el que al menos uno del oxidante y el otro oxidante se selecciona entre el grupo que consiste en oxígeno, aire, aire empobrecido en oxígeno, aire enriquecido en oxígeno, dióxido de carbono, vapor y metanol. 35

23. El método de la reivindicación 14, en el que el efluente de la segunda etapa es un producto de gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono.

24. El método de la reivindicación 14, en el que al menos uno del primer catalizador y el segundo catalizador es un catalizador de reformado con vapor.

25. El método de la reivindicación 14, en el que al menos una de una reacción de reformado de metano con vapor 40 y una reacción de conversión de gas de agua ocurren en al menos una de la primera zona catalítica y de la zona segunda zona catalítica.

26. El método de la reivindicación 14 para reformar un combustible de hidrocarburo, que comprende las etapas de:

proporcionar un suministro de primera etapa del combustible de hidrocarburo;

proporcionar un suministro de segunda etapa del combustible de hidrocarburo u otro suministro de otro 45

combustible;

proporcionar una primera zona de oxidación parcial que tiene al menos un quemador;

oxidar parcialmente al menos una porción del suministro de primera etapa del combustible de hidrocarburo con al menos una porción de una primera corriente de un oxidante en la primera zona de oxidación parcial con el al menos un quemador, formando de esta manera un primer efluente parcialmente oxidado; 5

proporcionar una primera zona catalítica que contiene un primer catalizador y que está en comunicación fluida con la primera zona de oxidación parcial;

recibir en la primera zona catalítica al menos una porción del primer efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la primera zona catalítica para formar un efluente de primera etapa;

proporcionar una segunda zona de oxidación parcial en comunicación fluida con la primera zona catalítica, 10 teniendo la segunda zona de oxidación parcial al menos otro quemador;

recibir en la segunda zona de oxidación parcial al menos una porción del efluente de primera etapa;

oxidar parcialmente al menos una porción del suministro de segunda etapa del combustible de hidrocarburo o el otro suministro del otro combustible con al menos una porción de una segunda corriente del oxidante u otro oxidante en la segunda zona de oxidación parcial, formando de esta manera un segundo efluente parcialmente oxidado; 15

proporcionar una segunda zona catalítica que contiene un segundo catalizador y que está en comunicación fluida con la segunda zona de oxidación parcial;

recibir en la segunda zona catalítica al menos una porción del segundo efluente parcialmente oxidado, que reacciona en la segunda zona catalítica para formar un producto de gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono; 20

proporcionar al menos un flujo de al menos un moderador;

combinar al menos una porción del al menos un flujo de al menos un moderador con al menos una porción de al menos uno de

a) el suministro de primera etapa del combustible,

b) el suministro de segunda etapa del combustible o el otro suministro del otro combustible, 25

c) la primera corriente del oxidante, y

d) la segunda corriente del oxidante o del otro oxidante, en el que el al menos un moderador se selecciona entre el grupo que consiste en vapor, dióxido de carbono y mezclas de los mismos;

proporcionar al menos un monolito protector entre al menos una de

a) la primera zona de oxidación parcial y la primera zona catalítica, y 30

b) la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica,

en el que al menos uno del primer catalizador y el segundo catalizador es monolítico y,

en el que el aparato tiene un eje longitudinal a través de cada una de la primera zona de oxidación parcial, la primera zona catalítica, la segunda zona de oxidación parcial y la segunda zona catalítica, y en el que el eje longitudinal es sustancialmente horizontal, y 35

en el que al menos uno del oxidante y el otro oxidante se selecciona entre el grupo que consiste en oxígeno, aire, aire empobrecido en oxígeno, aire enriquecido en oxígeno, dióxido de carbono, vapor y metanol.