Método para reformado con vapor de hidrocarburos.

Método de reformado con vapor de hidrocarburo, comprendiendo:

paso de una corriente de reactivos comprendiendo vapor e hidrocarburo en al menos una cámara de reacción;

donde la cámara de reacción tiene un volumen interno con dimensiones de altura de cámara, anchura decámara y longitud de cámara;

donde la cámara tiene una longitud mayor de 1 cm;

donde la altura de cámara o anchura de cámara es de 2 mm o menos;

donde la cámara de reacción tiene una entrada y una salida con una trayectoria de flujo en masa contiguodesde la entrada hasta la salida;

donde la cámara de reacción está en contacto térmico a través de una pared de cámara de reacción con unacámara de reacción exotérmica;

transferencia de calor desde la cámara de reacción exotérmica hasta la cámara de reacción a través de lapared de cámara de reacción;

donde el método es controlado bajo condiciones de manera que el hidrocarburo tiene un tiempo de contactoinferior a 300 ms;

donde la corriente de reactivos se convierte en un flujo de producto; y

donde al menos 70% de la conversión de equilibrio del hidrocarburo entrando en la cámara de reacción seconvierte a hidrógeno, monóxido de carbono o dióxido de carbono.

Método para reformado con vapor de hidrocarburos

Campo de la invención

La presente invención es un reactor químico y método para reacciones catalíticas reactivas de fase gaseosa.

Como se utiliza en este caso, el término "difusión molecular" se usa en su sentido clásico de la transferencia de masa basada en movimiento browniano entre capas adyacentes de fluido en flujo laminar, de transición o turbulento, e incluye transferencia de masa entre capas de fluido adyacentes que están estancadas.

Como se utiliza en este caso, el término "difusión de Knudsen" significa flujo de Knudsen, o flujo de molécula libre, donde el recorrido libre medio de las moléculas es largo en comparación con una dimensión característica del campo de flujo, por ejemplo, el tamaño de poro de un material a través del cual las moléculas se difunden. En la difusión de Knudsen, moléculas típicamente chocan con paredes en lugar de con otras moléculas de fase gaseosa.

Antecedentes de la invención

Muchas reacciones catalíticas empiezan con reactivos de fase gaseosa, por ejemplo, reformado con vapor, oxidación parcial, reacción del gas de agua y otros. No obstante, equipamiento, específicamente volumen de reactor es generalmente grande debido a masa y limitaciones de transferencia de calor. Reactores convencionales funcionan con una velocidad espacial por hora del gas de aproximadamente 1, 000 a aproximadamente 3600 hr-1. En otras palabras, el tiempo de contacto es mayor de 1 segundo debido al calor y limitaciones de transferencia de masa.

Estos problemas han sido reconocidos y la investigación considera reactores de microcanal debido a que los microcanales han mostrado ofrecer menos resistencia al calor y transferencia de masa creando así la oportunidad para reducciones espectaculares en el volumen de hardware de proceso. Diferentes tipos de reactores de microcanal han sido descritos en la literatura.

Franz et al., 1998 y Lowe et al., 1998 informan de aplicación de un recubrimiento del catalizador activo (tal como Pt, Ag, u otro metal noble) directamente a la pared de microcanal. Este método tiene la desventaja de que la única área de superficie utilizable es aquella de la pared de microcanal.

Weissmeier y Honicke, 1998a-b informan de creación de una interfaz porosa directamente del material de pared de microcanal sobre el cual el catalizador es depositado. Una pared de aluminio fue anodizada para crear la interfaz de alúmina porosa que tuvo un diámetro de poro medio en el intervalo de tamaño de nanómetro (permitiendo solo difusión de Knudsen) y un espesor en el intervalo de decenas de micras. Desventajas de este método incluyen que solo es aplicable para aluminio y área de superficie limitada. Las paredes anodizadas forman un conjunto bidimensional de 700 microcanales idénticos.

Tonkovich/Zilka et al., 1998 informaron de polvos catalíticos de embalaje directamente dentro de un conjunto de microcanales paralelos como un microlecho embalado. Una desventaja fue una tendencia a crear caídas de presión relativamente grandes forzando el fluido a fluir a través del microlecho embalado.

Tonkovich/Jimenez et al., 1998 informaron de colocación de un catalizador de paladio soportado en una espuma de níquel metálica dentro de una cavidad (más de un orden de magnitud más grande que un microcanal) y luego enviando el efluente a un conjunto de microcanales para intercambiar calor. Nuevamente, una desventaja fue caída de presión grande a través de la espuma metálica.

Por lo tanto, hay una necesidad de un reactor químico para reacciones catalíticas con cinética rápida que tienen un pequeño volumen de reactor con una caída de presión baja.

Referencias de antecedentes

Franz, A.J., Quiram, D., Srinivasan, R., Hsing, I-M., Firebaugh, S. L., Jensen, K. F., and M.A. Schmidt, 1998, New Operating Regimes and Applications Feasible with Microreactors, Proceedings of the Second International Conference on Microreaction Technology, New Orleans, LA, p 33-38.

Lowe, H., Ehrfeld, W., Gebauer, K., Golbig, K., Hausner, O., Haverkamp, V., Hessel, V., and Richter, Th., 1998,

Microreactor Concepts for Heterogeneous Gas Phase Reactions, Proceedings of the Second International Conference of Microreaction Technology, March 1998, New Orleans, Louisiana, p. 63-74.

Tonkovich, A. Y., Zilka, J. L., Powell, M. R., and C. J. Call, 1998, The Catalytic Partial Oxidation of Methane in a Microchannel Chemical Reactor, Proceedings of the Second International Conference of Microreaction Technology, March 1998, New Orleans, LA, p. 45-53.

Tonkovich, A. Y., Jimenez, D. M., Zilka, J. L., LaMont, M., Wang, Y., y R. S. Wegeng, 1998, Microchannel Chemical Reactors for Fuel Processing, Proceedings of the Second International Conference of Microreaction Technology, March 1998, New Orleans, LA, p. 186-195.

Weissmeier, G., and Honicke, D., 1998a, Strategy for the Development of Micro Channel Reactors for Heterogeneously Catalyzed Reactions, Proceedings of the Second International Conference on Microreaction Technology, New Orleans, LA, p. 24-32.

Weissmeier, G., and Honicke, D., 1998b, Microreaction Technology: Development of a microchannel reactor and its application in heterogeneously catalyzed hydrogenation, Proceedings of the Second International Conference on Microreaction Technology, New Orleans, LA, p. 152-153.

Resumen de la invención

En un aspecto, la presente invención proporciona un material catalizador en una estructura porosa con una porosidad que permite difusión molecular en esta. La estructura porosa en una forma de realización tiene una longitud, una anchura y un espesor, la estructura porosa definiendo al menos una parte de al menos una pared del al menos un microcanal.

La presente invención proporciona un reactor químico incluyendo: al menos una cámara de reacción comprendiendo al menos un material catalizador poroso y al menos un área abierta donde cada una de dicha al menos una cámara de reacción tiene un volumen interno definido por paredes de cámara de reacción. El volumen interno tiene dimensiones de altura de cámara, anchura de cámara y longitud de cámara. Al menos una cámara de reacción comprende una altura de cámara o anchura de cámara que es aproximadamente 2 mm o menos. En un punto donde la altura de cámara o la anchura de cámara es aproximadamente 2 mm o menos, la altura de cámara y la anchura de cámara definen un área en corte transversal. El área en corte transversal comprende un material catalizador poroso y un área abierta, donde el material catalizador poroso ocupa de 5% a 95% del área en corte transversal y donde el área abierta ocupa de 5% a 95% de la área en corte transversal. El área abierta en el área en corte transversal ocupa un

área contigua de 5 x 10-8 a 1 x 10-2 m y el material catalizador poroso tiene un volumen de poro de 5 a 98 % y más de 20% del volumen de poro comprende poros con tamaños de 0, 1 a 300 micras.

En otro aspecto, la invención proporciona un reactor químico incluyendo al menos una cámara de reacción en la que hay barras de catalizador, placas o deflectores con una longitud para proporción de espesor de al menos 10, y donde al menos una cámara de reacción tiene un volumen interno definido por paredes de cámara de reacción. El volumen interno tiene dimensiones de altura de cámara, anchura de cámara y longitud de cámara; y al menos una cámara de reacción comprende una altura de cámara o anchura de cámara que es de 2 mm o menos. Las barras de catalizador, placas o deflectores están dispuestas en dicha cámara de reacción de manera que la caída de presión a través de la cámara de reacción es inferior a 20% de la presión de entrada de sistema total.

En otro aspecto, la invención proporciona un reactor químico incluyendo al menos tres capas. Una primera capa comprendiendo un primer material catalizador poroso; una segunda capa comprendiendo un intercambiador de calor y al menos una trayectoria de flujo de fluido a través de la segunda capa. La segunda capa está dispuesta en la cámara de reacción de manera que el fluido que pasa a través del primer material catalizador poroso puede pasar a través de al menos una trayectoria de flujo de fluido, y una tercera capa comprendiendo un segundo material catalizador poroso donde la tercera capa está dispuesta... [Seguir leyendo]

1. Método de reformado con vapor de hidrocarburo, comprendiendo: paso de una corriente de reactivos comprendiendo vapor e hidrocarburo en al menos una cámara de reacción;

donde la cámara de reacción tiene un volumen interno con dimensiones de altura de cámara, anchura de cámara y longitud de cámara; donde la cámara tiene una longitud mayor de 1 cm; donde la altura de cámara o anchura de cámara es de 2 mm o menos; donde la cámara de reacción tiene una entrada y una salida con una trayectoria de flujo en masa contiguo

desde la entrada hasta la salida; donde la cámara de reacción está en contacto térmico a través de una pared de cámara de reacción con una cámara de reacción exotérmica; transferencia de calor desde la cámara de reacción exotérmica hasta la cámara de reacción a través de la pared de cámara de reacción;

donde el método es controlado bajo condiciones de manera que el hidrocarburo tiene un tiempo de contacto inferior a 300 ms; donde la corriente de reactivos se convierte en un flujo de producto; y donde al menos 70% de la conversión de equilibrio del hidrocarburo entrando en la cámara de reacción se convierte a hidrógeno, monóxido de carbono o dióxido de carbono.

2. Método según la reivindicación 1, donde la velocidad espacial por hora del gas es mayor de 10.000.

3. Método según la reivindicación 2, donde la velocidad espacial por hora del gas es mayor de 50.000.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la altura de cámara de reacción o anchura de cámara es de 1 mm o menos.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la caída de presión desde la entrada hasta la

salida es inferior a 20%. 30

6. Método según la reivindicación 5, donde la caída de presión desde la entrada hasta la salida es inferior a 10%.

7. Método según la reivindicación 5 o reivindicación 6, donde la caída de presión desde la entrada hasta la salida es

inferior a 70 kPa. 35

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el paso transferencia de calor de la cámara de reacción exotérmica a la cámara de reacción a través de la pared de cámara de reacción es realizado a una velocidad de manera que el flujo de calor entre la cámara de reacción y la cámara de reacción exotérmica es al menos 0, 6W por centímetro cúbico.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el método es controlado bajo condiciones de manera que el hidrocarburo tiene un tiempo de contacto inferior a 50 ms.

10. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde al menos 90% de la conversión al equilibrio del 45 hidrocarburo entrando en la cámara de reacción se convierte a hidrógeno, monóxido de carbono o dióxido de carbono.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el método es realizado en al menos 100 cámaras de reacción en un dispositivo integrado.

50 12. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la reacción exotérmica comprende combustión de combustible, y además donde el método es realizado en una unidad que incluye un intercambiador de calor de precalentamiento integrado de reactivos.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el hidrocarburo es metano. 55

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde un reactivo es alimentado desde una capa de distribución de flujo en una cámara de reacción a lo largo de la longitud de la cámara de reacción.