Reactor de oxidación preferencial de monóxido de carbono.

Reactor de oxidación preferencial de monoxido de carbono.

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los reactores de oxidación preferencial de CO y más concretamente en los reactores de oxidación preferencial que forman parte de un sistema de procesado de etanol para la posterior alimentación de una pila de combustible utilizada en aplicaciones navales o marinas,

que comprende al menos un primer intercambiador de calor para enfriar una corriente de gases con una concentración alta de H2 mediante una corriente de agua y al menos un módulo reactor de oxidación preferencial con lecho catalítico, comprendiendo además al menos dos sensores de nivel, un sensor de nivel superior y un sensor de nivel inferior que aseguran que el nivel de agua se mantiene en la posición necesaria para el correcto funcionamiento del equipo en las distintas condiciones de operación y en los distintos grados de inclinación requeridos por el tipo de aplicación naval o marina.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los reactores de oxidación preferencial de monóxido de carbono y más concretamente en los reactores de oxidación preferencial que forman parte de un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes,

preferentemente etanol (bioetanol) , para la posterior alimentación de una pila de combustible utilizada en aplicaciones navales o marinas.

El objeto de la invención es un reactor de oxidación preferencial de CO que lleva a cabo la purificación de corrientes ricas en H2 obtenidas en procedimientos de reformado de combustibles orgánicos, como etapa previa a la alimentación de una pila de combustible.

Además, el reactor de oxidación preferencial de CO de la presente invención permite evaporar agua, aprovechándose el calor latente de evaporación para llevar a cabo la refrigeración de los lechos catalíticos de dicho reactor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se conocen en el estado de la técnica los reactores de oxidación preferencial que se emplean para la purificación de corrientes ricas en H2 provenientes de procesos de reformado de combustibles orgánicos, donde los reactores de oxidación preferencial incluyen una reacción catalítica de oxidación preferencial de CO para la reducción de la concentración del dicho CO en la corriente con una concentración alta de H2.

Particularmente son conocidos en el estado de la técnica los reactores de oxidación preferencial de CO que se utilizan para la purificación de una corriente con una concentración alta de H2 previamente a su alimentación en una pila de combustible. Entre estos se encuentra la solicitud de patente CN101462694 (A) que se refiere a un reactor PrOX o de oxidación preferencial de CO alimentado con una corriente con una concentración alta de H2 proveniente de un proceso de reformado de metanol que comprende dos reactores PrOX con lechos catalíticos alternados con tres intercambiadores, donde el agente oxidante es aire y los intercambiadores se encuentran dispuestos a continuación de los reactores PrOX en la dirección longitudinal. La corriente obtenida a la salida de este reactor PrOX consigue reducir la concentración de CO hasta niveles de 30 ppm y permite alimentar una pila de combustible con una potencia de salida de hasta 100 kW.

Se conoce también la solicitud de patente JP2008037692 (A) que se refiere a un reactor PrOX alimentado con una corriente con una concentración alta de H2 proveniente del reformado de metanol que comprende dos reactores PrOX que pueden estar dispuestos en serie o en paralelo con lechos catalíticos de Pt, que presentan intercambiadores en espiral dispuestos alrededor del lecho catalítico, donde los intercambiadores de calor emplean agua para enfriar la corriente de gases con una concentración alta de H2.

Se conoce también la solicitud internacional WO2012066174 (A1) relativa a un equipo de reformado de etanol que incorpora diferentes subequipos para la producción de hidrogeno para alimentar una pila de combustible que propulsa un submarino. Entre los subequipos se encuentran varios reactores PrOX dispuestos en serie, incluyendo además microintercambiadores de calor intermedios ubicados entre dichos reactores PrOX para enfriar el gas procedente de los mismos precalentando y/o evaporando agua y/o etanol del proceso. La corriente obtenida a la salida de este reactor PrOX consigue reducir la concentración de CO hasta niveles de 30 ppm y permite alimentar una pila de combustible con una potencia de salida de hasta 100 kW.

En los reactores PrOX descritos anteriormente que emplean como refrigerante de los lechos catalíticos agua que se evapora durante el cambio de fase, existe el inconveniente de que no se separa el agua líquida tras el intercambio de calor, no pudiendo volver a integrarlo en el reactor, con lo que el vapor sigue conteniendo gotas arrastradas con el mismo, además de que se pueden dar casos en los que los niveles de agua requeridos en el reactor PrOX no sean los necesarios para el correcto funcionamiento del mismo.

Además, los reactores PrOX del estado de la técnica no están diseñados para ocupar un volumen inferior a 0, 45 m3, preferentemente inferior a 0, 3 m3 operando bajo unas condiciones que permiten alimentar a una pila de combustible de potencia de hasta 600 kW, preferentemente de hasta 300 kW, o dicho de otra manera, ocupando un volumen menor que los reactores del estado de la técnica para la misma potencia, por lo que no son apropiados para aplicaciones marinas, como por ejemplo submarinos, ya que este tipo de aplicaciones son las que presentan restricciones de volumen, consiguiendo reducir únicamente la concentración de CO por debajo de niveles alrededor de 20 ppm, no llegando a niveles de 5-10 ppm.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un reactor de oxidación preferencial de CO para la purificación de corrientes ricas en H2, como etapa previa a la alimentación de una pila de combustible, integrado con un intercambiador de calor que utiliza el calor generado en la reacción exotérmica de oxidación preferencial para evaporar agua. La presente invención resuelve el problema técnico de recirculación del agua no evaporada nuevamente al intercambiador de calor, para trabajar con un grado de compactación elevado, mediante un reactor de oxidación preferencial de CO que lleva a cabo la purificación de corrientes ricas en H2 obtenidas en procesos de reformado de combustibles orgánicos, como por ejemplo reformado de etanol o bioetanol, como etapa previa a la alimentación de una pila de combustible. La única diferencia entre el bioetanol y el etanol es que el primero es de procedencia vegetal.

Además, el reactor de oxidación preferencial de la presente invención cumple en todo momento con los requerimientos de nivel de agua exigidos para operar correctamente y de foma óptima a distintos grados de inclinación del equipo.

El reactor de oxidación preferencial de la presente invención presenta un volumen inferior a 0, 45 m3, preferentemente inferior a 0, 3 m3 operando bajo unas condiciones que permiten alimentar a una pila de combustible de potencia de hasta 600 kW, preferentemente de hasta 300 kW, o dicho de otra manera, ocupando un volumen menor que los reactores del estado de la técnica para la misma potencia, resolviendo el problema técnico de conseguir trabajar a estos rangos de potencias en espacios muy reducidos, siendo apropiado por tanto para aplicaciones marinas como por ejemplo en submarinos, ya que son aplicaciones que presentan fuertes restricciones de espacio, consiguiendo reducir la concentración de CO hasta niveles de 5-10 ppm.

El reactor de oxidación preferencial de CO comprende al menos un primer intercambiador de calor para enfriar una corriente de gases con una concentración alta de H2, antes de que se lleve a cabo la etapa de reacción, mediante una corriente de agua que se transforma en una corriente de vapor de agua y al menos un módulo reactor de oxidación preferencial de CO con al menos un lecho catalítico para llevar a cabo la purificación de la corriente de gases con una concentración alta de H2 mediante una corriente de O2 pura que es inyectada a la entrada del módulo reactor de oxidación preferencial de CO.

La temperatura de la corriente de gases con una concentración alta de H2 a la salida del primer intercambiador está en el intervalo 110 ºC-160 ºC, más preferentemente 120 ºC-150 ºC, y más preferentemente 135 ºC

Opcionalmente, para mejorar la mezcla de la corriente de O2 con la corriente de gases con una concentración alta de H2, y prevenir la existencia de zonas de alta concentración de O2 y, en consecuencia, disminuir el riego de ignición del H2, el reactor de oxidación preferencial comprende al menos un sistema de inyección de la corriente de O2 en la corriente de gases con una concentración alta de H2, que consta de al menos un conducto de alimentación y opcionalmente al menos un mezclador estático en la zona de inyección que evita que la combustión tenga lugar antes del lecho catalítico.

El primer intercambiador de calor que enfría la corriente de gases con una concentración alta de H2 mediante la corriente de agua es del tipo carcasa y tubos, donde la corriente de gases con una concentración alta de H2 circula por el interior de los tubos y el agua entre los tubos y la carcasa.

Opcionalmente los tubos del intercambiador de calor pueden tener aletas longitudinales en el interior de los mismos para favorecer el intercambio de calor. Estas aletas longitudinales pueden estar fabricadas en diferentes materiales como cobre, acero inoxidable o aluminio.

El reactor de oxidación preferencial de CO puede comprender...

1. Reactor de oxidación preferencial de CO que comprende:

! un primer intercambiador de calor (1) para enfriar parcialmente una corriente de gases con una concentración alta de H2 (2) mediante una corriente de agua (3) que se transforma en una corriente de vapor de agua (4) , seguido de un primer módulo reactor de oxidación preferencial de CO (5) con lecho catalítico, para llevar a cabo una purificación parcial de la corriente de gases con una concentración alta de H2 (2) mediante la alimentación de una corriente de O2 pura,

! un segundo intercambiador de calor (10) dispuesto a la salida del primer módulo reactor de oxidación preferencial (5) para enfriar la corriente de gases con una concentración alta de H2 (2) mediante la corriente de agua (3) que se transforma en una corriente de vapor de agua (4) , seguido de un segundo módulo reactor de oxidación preferencial de CO (11) con un lecho catalítico, en el que se continúa la purificación parcial de la corriente de gases con una concentración alta de H2 (2) mediante la alimentación de una corriente de O2 pura (6) , y

! un tercer intercambiador de calor (12) dispuesto a la salida del segundo módulo reactor de oxidación preferencial (11) para enfriar la corriente de gases con una concentración alta de H2 (2) mediante la corriente de agua (3) que se transforma en una corriente de vapor de agua (4) , seguido de un tercer módulo reactor de oxidación preferencial (13) con un lecho catalítico, en el que se continua la purificación parcial de la corriente de gases con una concentración alta de H2 (2) mediante la alimentación de una corriente de O2 pura (6) ,

caracterizado por que el número total de tubos (15) de los tres intercambiadores de calor (1, 10, 12) se integra en una única carcasa (14) , donde la carcasa (14) es de forma cilíndrica y los tubos (15) se disponen longitudinalmente dentro de dicha carcasa (14) , donde en una de las bases de la carcasa (14) cilíndrica se ubica un colector de alimentación o de entrada del gas de reformado (2) a los tubos (15) de intercambio de calor y distribución de flujo, mientras que en la otra base de la carcasa cilíndrica se ubica un colector de salida del gas de reformado de los tubos (2) y de entrada a cada uno de los módulos reactores de oxidación preferencial de CO (5, 11, 13) .

2. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 1 caracterizado por que comprende un dispositivo de separación de gotas o downcomer (18, 25) dispuesto a la salida de la corriente de vapor de agua proveniente del primer intercambiador de calor (1) .

3. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 2 caracterizado por que el dispositivo de separación de gotas o downcomer (18, 25) comprende un conducto de retorno (24, 29) por donde el agua condensada vuelve al primer intercambiador de calor (1) .

4. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 3 caracterizado por que el dispositivo de separación de gotas o downcomer (18, 25) comprende un conducto central (21, 26) por donde asciende la mezcla de vapor de agua (4) y gotas de agua líquida (22) que se encuentra rodeado de un conducto concéntrico (23, 27) de mayor diámetro.

5. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 4 caracterizado por que el dispositivo de separación de gotas o downcomer (18) comprende un primer conducto concéntrico (35) al conducto central (21) , de mayor diámetro que el conducto central (21) y cerrado en su parte superior, de ascenso de la mezcla de vapor de agua

(4) y gotas de agua líquida (22) , y una holgura radial presente entre el conducto central

(21) y el primer conducto concéntrico (35) para el descenso de la mezcla.

6. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 5 caracterizado por que el dispositivo de separación de gotas o downcomer (18) comprende una holgura radial existente entre el primer conducto concéntrico (35) y un segundo conducto concéntrico (23) , de ascenso del vapor de agua (4) .

7. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 6 caracterizado por que el primer conducto concéntrico (35) del dispositivo de separación de gotas o downcomer (18) comprende unos orificios dispuestos en su pared que lo comunican con un colector (36) de salida del vapor de agua (4)

8. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 4 caracterizado por que el dispositivo de separación de gotas o downcomer (25) comprende un conducto concéntrico (27) al conducto central (26) que se encuentra separado en dos partes mediante al menos un propulsor estático (28) que impide el paso de las gotas de agua líquida (22) que descienden por el conducto (29) que comunica el dispositivo de separación de gotas o downcomer (25) con el interior de la carcasa (14) .

9. Reactor de oxidación preferencial de CO según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8 caracterizado por que comprende al menos dos sensores de nivel (31, 32) , un sensor de nivel superior (31) y un sensor de nivel inferior (32) para asegurar que todos los tubos del primer intercambiador de calor están sumergidos en agua líquida.

10. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 9 caracterizado por que los sensores de nivel (31, 32) detectan unos grados de inclinación máximos de ±45º respecto a un plano horizontal.

11. Reactor de oxidación preferencial de CO según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10 caracterizado por que los sensores de nivel (31, 32) son del tipo todo-nada.

12. Reactor de oxidación preferencial de CO según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 caracterizado por que el sensor de nivel inferior (32) se encuentra dispuesto en el primer intercambiador de calor (1) y el sensor de nivel superior (31) se encuentra dispuesto en el dispositivo de separación de gotas o downcomer (18, 25) .

13. Reactor de oxidación preferencial de CO según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el colector de salida se extiende, interiormente a la carcasa (14) , desde los tubos (15) de intercambio de calor hasta una de las bases de la carcasa (14) cilíndrica, donde los tubos (15) de intercambio de calor se encuentran divididos mediante unos tabiques (17) en tres compartimentos independientes.

14. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 13 caracterizado por que comprende, en el extremo de los tabiques (17) en contacto con los tubos (15) , un primer plato perforado (50) del mismo diámetro que la carcasa (14) cilíndrica, cuyos orificios coinciden en número y diámetro con los tubos (15) .

15. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 14 caracterizado por que el colector de entrada comprende unos compartimentos internos para la alimentación y distribución del flujo de gas de reformado (2) a los tubos (15) de cada uno de los intercambiadores de calor (1, 10, 12) , de manera que los tres compartimientos internos del colector de entrada se corresponden con cada uno de los tres intercambiadores de calor (1, 10, 12) integrados en la carcasa (14) .

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16. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 15 caracterizado por que comprende un segundo plato perforado (51) dispuesto en el extremo del colector de salida, opuesto a la ubicación del primer plato perforado (50) .

17. Reactor de oxidación preferencial de CO según reivindicación 15 caracterizado por que en el lateral del extremo opuesto del cilindro del primer módulo reactor de oxidación preferencial de CO (5) , que no está acoplado al colector de salida, se dispone una primera tubería de retorno del gas de reformado (2) al colector de entrada.

18. Reactor de oxidación preferencial de CO según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que los tubos del intercambiador de calor (1, 10, 12) presentan aletas longitudinales en el interior de los mismos.