SISTEMA DE OXIDACIÓN PREFERENCIAL EN DOS ETAPAS CON UNA SOLA INYECCIÓN DE AIRE.

Un articulo que comprende: una entrada del articulo; una salida del articulo;

una camara del flujo ascendente que comprende un substrato que tiene una pluralidad de canales que se extienden desde la entrada del substrato hacia la salida del substrato, en donde cada uno de los canales estan encerrados por las paredes del canal del substrato; en donde la pluralidad de canales comprende un primer grupo de canales y un segundo grupo de canales, en donde las paredes de los canales comprenden un catalizador Prox de flujo ascendente, y las paredes de los canales del segundo grupo de canales estan substancialmente exentas del catalizador Prox; una camara de flujo descendente que comprende un catalizador Prox de flujo descendente, en donde la camara de flujo descendente esta en comunicacion fluida con la salida del articulo; una camara de mezcla entre las camaras de flujo ascendente y descendente, en donde la camara de mezcla esta en comunicacion fluida con las camaras de flujos ascendente y descendente; y una camara de inyeccion unica que tiene un inyector de O2, en donde la camara de inyeccion unica esta en fluida comunicacion con la entrada del articulo y la camara de flujo ascendente

La presente invención está relacionada con artículos y métodos para la eliminación del monóxido de carbono (CO) a partir de un flujo de gas que contiene hidrógeno. En particular, la presente invención está relacionada con un artículo de oxidación preferencial de monóxido de carbono de dos etapas, y con un método que utiliza una única inyección de un gas que contiene O2.

Las células de combustible convierten directamente la energía química en electricidad, eliminando por tanto las etapas del proceso mecánico que limitan el rendimiento termodinámico, y que se han propuesto como una fuente de energía para muchas aplicaciones. La célula de combustible puede ser tres veces más eficiente que el motor de combustión interna con una pequeña emisión, si la hubiera, de elementos de polución primarios, tales como el monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos nítricos.

Los procesadores de células de combustible (conocidos también como reformadores de células de combustible) suministran un flujo de gas que contiene hidrógeno a la célula de combustible. Los procesadores de células de combustible incluyen reactores que reforman las materias primas de los hidrocarburos (por ejemplo, gas natural, LPG) y derivados de los hidrocarburos (por ejemplo, alcoholes) para producir un flujo de procesado enriquecido en hidrógeno. Otros productos derivados de la reforma del vapor de los hidrocarburos incluyen el monóxido de carbono y el dióxido de carbono. Por ejemplo, el metano se convierte en hidrogeno, monóxido de carbono dióxido de carbono por medio de las dos reacciones siguientes:

CH4 + H2O • 3H2 + CO

CH4 + 2H2O • 4H2 + CO2

El gas resultante se hace que reaccione típicamente en el reactor de desplazamiento de agua-gas en donde el flujo del proceso se enriquece adicionalmente en hidrogeno por la reacción del monóxido de carbono en la reacción de desplazamiento de agua-gas:

CO + H2O • CO2 + H2

Las células de combustible, incluyendo las células de combustible PEM [denominadas también como células de combustible de electrolito de polimero solido o células de combustible (SPE)] generan energía eléctrica en una reacción química entre un agente reductor (hidrogeno) y un agente de oxidación (oxigeno) los cuales se alimentan en las células de combustible. La célula de combustible PEM incluye un ánodo y un cátodo separados por una membrana la cual es usualmente una membrana de resina de intercambio de iones. Los electrodos del ánodo y el cátodo están construidos típicamente a partir de partículas de carbono finamente divididas, como partículas catalíticas soportadas sobre las partículas de carbono y una resina conductora de protones entremezcladas con las partículas catalíticas y las partículas de carbono. En una operación típica de células de combustible PEM, el gas hidrogeno se oxida electroliticamente en iones de hidrogeno en el ánodo compuesto por catalizadores de reacción de platino depositados sobre un electrodo de carbono conductor. Los protones pasan a través de la membrana de resina de intercambio de iones, denominada como la membrana de intercambio de protones (PEM), la cual puede ser un fluoropolimero de ácido sulfónico. El agua de genera cuando los protones se combinan con el oxigeno que haya sido reducido electroliticamente en el cátodo. El flujo de electrones circula por un circuito externo en este proceso para crear un trabajo, creando un potencial eléctrico a través de los electrones. Los ejemplos de los conjuntos de los electrodos de membranas y de las células de combustible se encuentran descritos en la patente de los Estados Unidos número 5272017.

Los electrodos de platino en el ánodo de las células de combustible PEM son extremadamente sensibles al monóxido de carbono, incluso cuando están presentes niveles por debajo de 100 ppm en el flujo de alimentación del hidrogeno suministrado la célula de combustible. En consecuencia, el nivel del monóxido de carbono en el flujo de alimentación de hidrogeno suministrado a la célula de combustible está reducido preferiblemente a un bajo nivel mínimo práctico para mantener el rendimiento de las células. Preferiblemente, el nivel del monóxido de carbono en el flujo de alimentación del hidrogeno que finalmente es suministrado a la célula de combustible es inferior a 100 ppm, más preferiblemente el nivel es inferior a 10 ppm.

El conjunto del monóxido de carbono en el procesador de combustible se convierte a hidrogeno y agua en el reactor de desplazamiento de agua-gas. No obstante, es difícil conseguir una eliminación más completa del dióxido de carbono del flujo del proceso utilizando solamente la reacción de desplazamiento de agua-gas, debido a las limitaciones cinéticas y de equilibrio. Se utilizan medidas de purificación adicionales para conseguir unos niveles de monóxido de carbono por debajo de 100 ppm en el gas del proceso en el procesador de combustible.

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Una de las medidas utilizadas para conseguir unos niveles aceptables de monóxido de carbono en los flujos de alimentación del carbono incluye el tratamiento del flujo con unas pequeñas concentraciones de oxigeno en la presencia de “catalizadores de oxidación preferenciales” (conocidos también como catalizadores “Prox”). Estos catalizadores selectivamente oxidizan el monóxido de carbono residual con oxigeno en los flujos de gas hidrogeno, de acuerdo con la siguiente reacción:

CO + 1/2O2 • CO2

en donde el hidrogeno puede comprender un valor mayor del 60% en volumen de la composición del flujo de gas. Una reacción no deseable en este método es la oxidación del hidrógeno de acuerdo con la reacción siguiente:

H2 + 1/2O2 • H2O

Con el fin de consumir lo mínimo de hidrogeno, el proceso de oxidación es preferiblemente lo más selectivo posible para la oxidación del monóxido de carbono. Se han seleccionado varias composiciones de catalizadores y se han diseñado varias estrategias de diseño de reactores en un esfuerzo para conseguir la selectividad deseada.

Algunos de los catalizadores de oxidación preferencial efectivos utilizados en los flujos de alimentación de hidrogeno de purificación en los reformadores de combustible son los catalizadores basados en los metales del grupo del platino, por ejemplo, el platino sobre un soporte de alúmina. Como metales preciosos, tales materiales contribuyen significativamente a los costos materiales globales en el ensamblado del reformador de la célula de combustible.

Los catalizadores basados en el platino, tales como los expuestos en la patente de los Estados Unidos número 6559094 son capaces del tratamiento de flujos de gas de hidrogeno que contienen unas concentraciones significativas de monóxido de carbono, por ejemplo, 0,75% en volumen, con una excelente selectividad para conseguir los niveles de monóxido de carbono por debajo de 50 ppm. No obstante, la consecución de niveles de umbral del monóxido de carbono por debajo de 100 ppm utilizando solo un catalizador basado en el platino de una sola etapa es difícil debido a la actividad del desplazamiento inverso de agua-gas mostrada por los catalizadores basados en el platino. Las velocidades bajas del flujo del gas de entrada necesarias para alcanzar la concentración del monóxido de carbono de equilibrio, la elevación de la temperatura exotérmica de la reacción Prox, el largo tiempo de residencia y la alta concentración del hidrogeno y el dióxido de carbono comienzan a favorecer la reacción de desplazamiento inversa de agua-gas. Estas condiciones contribuyen a la formación perjudicial del monóxido de carbono, y a esfuerzos frustrados para eliminar totalmente el monóxido de carbono del flujo de gas hidrógeno.

Disminuyendo los niveles del monóxido de carbono por debajo de 10 ppm de los flujos de gas de entrada que contienen niveles más altos del monóxido de carbono por medio de procesos de oxidación preferencial requiere típicamente al menos dos etapas de catalizadores. Estos niveles más altos de monóxido de carbono se observan en la reforma de los gases recibidos de los reactores de desplazamiento de agua-gas. En general, tales procesos de dos etapas se realizan por el tratamiento de los flujos de hidrógeno en una primera etapa de oxidación preferencial, teniendo una primera entrada de oxigeno para producir un flujo de gas intermedio, que es entonces tratado en una segunda etapa de oxidación preferencial con una segunda entrada mas pequeña de... [Seguir leyendo]

1. Un artículo que comprende: una entrada del artículo; una salida del artículo; una cámara del flujo ascendente que comprende un substrato que tiene una pluralidad de canales que se

extienden desde la entrada del substrato hacia la salida del substrato, en donde cada uno de los canales están encerrados por las paredes del canal del substrato;

en donde la pluralidad de canales comprende un primer grupo de canales y un segundo grupo de canales, en donde las paredes de los canales comprenden un catalizador Prox de flujo ascendente, y las paredes de los canales del segundo grupo de canales están substancialmente exentas del catalizador Prox;

una cámara de flujo descendente que comprende un catalizador Prox de flujo descendente, en donde la cámara de

flujo descendente está en comunicación fluida con la salida del artículo; una cámara de mezcla entre las cámaras de flujo ascendente y descendente, en donde la cámara de mezcla está en comunicación fluida con las cámaras de flujos ascendente y descendente; y

una cámara de inyección única que tiene un inyector de O2, en donde la cámara de inyección única está en fluida comunicación con la entrada del artículo y la cámara de flujo ascendente.

2. El artículo de la reivindicación 1, en donde el inyector de O2 es capaz es capaz de dirigir una proporción mayor de un gas con contenido de O2 al segundo grupo de canales que el primer grupo de canales.

3. El articulo de la reivindicación 1, en donde el segundo grupo de conductos están dispuestos están dispuestos con un patrón anular alrededor de eje longitudinal del substrato.

4. El artículo de la reivindicación 3, en donde el inyector de O2 es capaz de dirigir una proporción mayor de un gas con contenido de O2 al segundo grupo de canales que al primer grupo de canales.

5. Un método de eliminación de monóxido de carbono desde un flujo de gas de entrada que comprende hidrogeno y monóxido de carbono, para formar un flujo de hidrogeno purificado, en donde el método comprende:

añadir una única inyección de un gas con contenido de O2 al flujo del gas de entrada para ajustar la concentración de O2 del flujo de entrada al nivel X;

separar el flujo del gas de entrada en el primer y segundo flujos del gas de entrada;

pasar el primer flujo de gas de entrada a través de una primera zona del flujo ascendente para contactar con un catalizador Prox de flujo ascendente;

pasar el segundo flujo del gas de entrada a través de una segunda zona del flujo ascendente para puentear el contacto con el catalizador Prox de flujo ascendente;

combinar el primer y segundo flujos de gas de entrada para formar un flujo de gas intermedio que tiene una concentración de O2 inferior a 0,5X; y

contactar el flujo de gas intermedio con un catalizador Prox de flujo descendente para formar el flujo de hidrogeno purificado.

6. Un método de eliminación del monóxido de carbono de un flujo de gas de entrada que comprende hidrogeno y monóxido de carbono para formar un flujo de hidrogeno purificado, en donde el método comprende:

separar el flujo del gas de entrada en un primer flujo de gas de entrada y un segundo flujo del gas de entrada;

dividir una única inyección de un gas con contenido de O2 para dirigir una primera porción del gas con contenido de O2 al primer flujo del gas de entrada para ajustar la concentración de O2 del primer flujo de entrada a X1, y una segunda porción del gas con contenido de O2 al segundo flujo del gas de entrada para ajustar la concentración del segundo flujo de entrada a X, en donde X2 > X1;

5 hacer pasar el primer flujo de gas de entrada a través de la primera zona del flujo ascendente para contactar con un catalizador Prox de flujo ascendente;

pasar el segundo flujo del gas de entrada a través de una segunda zona de flujo ascendente para contactar por puenteado con el catalizador Prox de flujo ascendente;

combinar el primer y segundo flujos del gas de entrada para formar un flujo de gas intermedio que tiene una 10 concentración de O2 inferior a X2; y

contactar el flujo del gas intermedio con un catalizador Prox de flujo descendente para formar el flujo de hidrógeno purificado.