整合的燃燒器和進行同步吸熱和放熱反應的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了整合的燃燒反應器(ICR)和制造ICR的方法,其中燃燒室(或通道)直接與用于吸熱反應的反應室熱接觸。本發(fā)明也描述了具體的反應器設計。本發(fā)明提供了在整合的燃燒反應器中進行反應的方法以及得到的結果。一些方法的特征是具有意外的和較好的結果,和/或這些結果不能用現(xiàn)有的設備得到。
【專利說明】整合的燃燒器和進行同步吸熱和放熱反應的方法
[0001]本發(fā)明專利申請是國際申請?zhí)枮镻CT/US2003/022490,國際申請日為2003年8月4日,進入中國國家階段的申請?zhí)枮?3823737.7,名稱為“整合的燃燒器和進行同步吸熱和放熱反應的方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]其他申請
[0003]可通過參照2002年8月15日提交的美國專利申請10/220604、10/219990和10/219956進一步理解本發(fā)明,其全部內(nèi)容參考結合于此。
【背景技術】
[0004]目前,在微反應器中進行的吸熱反應是由外部熱源(例如由外部燃燒器提供的流體)提供的熱量驅(qū)動的。在這種情況下,提供熱量的氣流的溫度就會受到結構體所用材料的限制。例如,由Inconel25構成的典型微反應器應限于使用溫度為?1050°C或更低的氣體。實際上,這意味著由外部燃燒器提供的流體必須用冷的氣體(即過量空氣)稀釋,以使所述氣體的溫度下降,以滿足該材料的溫度限制。這就提高了氣體總流量,增加了鼓風機/壓縮機的成本。而且,從外部加熱氣流會造成熱量損失(發(fā)生在熱氣體輸送到所述微反應器的過程中),以及需要將燃燒器連接到微反應器的昂貴耐高溫材料。
[0005]另一方面,整合的燃燒器可為接近反應區(qū)的反應提供熱量,因此可降低熱量損失并提高效率。由于常規(guī)燃燒催化劑在高溫條件下(高于?1200°C)是不穩(wěn)定的,這是因為貴金屬會燒結,因此,整合的燃燒器必須以足夠大的速率除去熱量,該速率足以使催化劑表面的局部溫度保持低于催化劑快速失活的水平而避免風險。
[0006]發(fā)明概述
[0007]在整合的反應器中,燃燒/生成熱量應在接近所述吸熱反應的區(qū)域發(fā)生。優(yōu)選地,在與進行吸熱反應的微通道交叉的微通道中進行放熱反應。優(yōu)選是吸熱反應流體和放熱反應流體的共流體。但是,也可以是交叉流體或逆流體。放熱反應產(chǎn)生的熱量從放熱反應傳導到吸熱反應催化劑上,在那里進行吸熱反應。
[0008]優(yōu)選地,在所述整合的反應器中,放熱反應通道和/或吸熱反應通道是微通道,即直徑至少為2毫米(mm)或更小的通道。使用最小直徑大于2毫米的通道可能是無效的,因為熱量和質(zhì)量傳遞的限制就會被放大。整合的燃燒器可使用反應器微通道的大表面積,以除去生成的熱量,這樣使微反應器組件不超過材料的溫度限制,同時燃燒時僅需要比使用外部燃燒器時所需的過量空氣(稀釋劑)少得多的過量空氣。
[0009]一方面,本發(fā)明提供了一種在整合的燃燒反應器中進行吸熱反應的方法,它包括:將放熱反應混合物通入至少一個放熱反應室中,將燃料和氧化劑通入至少一個吸熱反應室中(其中所述燃料和氧化劑都在所述燃燒室中具有50ms或更少的接觸時間,所述放熱反應室包括至少一個放熱反應室壁,所述放熱反應室壁與至少一個吸熱反應室相鄰,所述吸熱反應室包括至少與至少一個吸熱反應室壁接觸的吸熱反應催化劑,所述吸熱反應室壁與至少一個放熱反應室相鄰),以及將熱量以下述速率的一種或多種:至少0.6ff/cc的燃燒室體積,或至少lW/cm2 (以所述吸熱反應室的內(nèi)表面積計),從至少一個放熱反應室傳遞到至少一個吸熱反應室。所述熱通量可基于單個放熱反應室或多室設備中的多反應室進行測量。這樣,這兩種情況都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在本發(fā)明方法和設備的各種優(yōu)選實施方式中,所述放熱反應室體積具有小于2毫米,較佳小于1.5毫米,有些實施方式中,小于I毫米的一個內(nèi)尺寸;基于反應室的體積熱通量大于10W/cc,更優(yōu)選大于lOOW/cc,還要更優(yōu)選大于500W/cc。在放熱和/或吸熱反應室中的接觸時間優(yōu)選小于500ms,更優(yōu)選為IOOms或更少,還要更優(yōu)選50ms或更少,更優(yōu)選25ms或更少,還要優(yōu)選IOms或更少。面積熱通量(相對于各個反應室的面積)優(yōu)選為lW/cm2或更大,優(yōu)選5W/cm2或更大,更優(yōu)選10W/cm2或更大,還要更優(yōu)選20W/cm2或更大。
[0010]在另一方面,本發(fā)明提供了 一種在整合燃燒器中進行流體重整(streamreforming)的方法,它包括:步驟a)將流體和烴送入至少一個吸熱反應室中,其中所述流體與碳之比小于3:1,且通過所述吸熱反應室的壓力降小于900psig (6000kPa),步驟b)將燃料和氧化劑通入至少一個放熱反應室中,其中所述燃料和氧化劑在所述燃燒室中都具有IOOms或更少的接觸時間,其中所述放熱反應室包括至少一個放熱反應室壁,所述反應室壁與至少一個吸熱反應室相鄰,所述吸熱反應室包括至少與至少一個吸熱反應室壁接觸的吸熱反應催化劑,所述吸熱反應室壁與至少一個放熱反應室相鄰,步驟c)將所述流體和烴轉(zhuǎn)變成CO和H2,這樣所述至少一個放熱反應室有一個顯示烴的轉(zhuǎn)化率至少為50%,且CO的選擇性至少為50%的輸出;同時并且連續(xù)的進行步驟a、b和c至少100小時,使壓力降提高2psi。流體和碳之比的其他優(yōu)選水平為小于2.5:1、2:1和1.5:1。在另一個實施方式中,設備的特征是,操作100或500小時,然后斷開(cut open),以釋放(reveal)出小于0.1克焦炭每千克處理的甲烷燃料。
[0011]在另一方面,本發(fā)明提供了一種在整合的燃燒器中進行同步放熱和吸熱反應的方法,它包括:將吸熱反應組合物送入至少一個吸熱反應室中,將燃料和氧化劑送入至少一個放熱反應室中,其中所述燃料和氧化劑在所述燃燒室中都具有IOOrns或更少的接觸時間,所述氧化劑的用量為完全氧化燃料所需氧化劑量基礎上過量50%或更少,將所述燃料和空氣轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物;并將所述產(chǎn)物輸出整合的燃燒器,其中CO小于2500ppm ;所述放熱反應室包括至少一個放熱反應室壁,所述反應室壁與至少一個吸熱反應室相鄰,所述吸熱反應室包括至少與所述至少一個吸熱反應室壁接觸的吸熱反應催化劑,所述吸熱反應室壁與至少一個放熱反應室相鄰。代替CO低含量的是,或者除了 CO低含量的是,當氧化劑是空氣時,所述產(chǎn)物含有小于IOOppm的N0X。過量氧化劑的含量是總的過量,換句話說,轉(zhuǎn)化率不包括任何隨后的處理步驟,在這些處理步驟中,在處理室(例如,催化轉(zhuǎn)變器)中加入了其他氧化齊U。NOx的其他含量包括:小于IOOppm,小于50ppm, 20ppm或更小,IOppm或更小,5ppm或更小。
[0012]本發(fā)明還提供了整合的燃燒器,它包括:至少一個放熱反應微通道;所述放熱反應微通道包括至少一個放熱反應微通道壁,所述微通道壁與至少一個吸熱反應微通道相鄰,所述吸熱反應微通道包括至少與至少一個吸熱反應微通道壁接觸的吸熱反應催化劑,所述吸熱反應微通道壁與至少一個放熱反應微通道相鄰;而且所述整合燃燒器在使用所述熱通量試驗進行測試時具有一個或多個優(yōu)選的性質(zhì)。
[0013]本發(fā)明也提供了一種分層的整合燃燒器,它包括:具有第一體積的外部放熱反應層;與所述外部放熱反應層相鄰的第一燃燒器層,它位于所述外部放熱層和內(nèi)部吸熱反應層之間;具有第二體積的內(nèi)部吸熱反應層,它位于所述第一燃燒器層和第二燃燒器層之間;所述第二燃燒器層與所述內(nèi)部吸熱反應層相鄰分布;所述第一體積比所述第二體積小20 — 80%。更優(yōu)選地,所述第一體積比所述第二體積小45 — 55%。該ICR的一個非限制性實例是所述的結合的ICR結構。
[0014]本發(fā)明還提供了一種同時進行放熱和吸熱反應的方法,它包括:使燃料流入燃燒室中;在所述燃燒室中加入氧化劑,這樣所述氧化劑就能氧化所述燃料,且所述燃燒室中的溫度就能從所述燃燒室的前部到其后部提高;在與所述燃燒室相鄰的吸熱反應室中提供吸熱反應組合物,所述吸熱反應室和燃燒室由熱傳導壁隔開;所述吸熱反應組合物進行吸熱反應,形成產(chǎn)物。如果沒有其他說明,所述燃燒室的前部定義為燃料流接觸燃燒催化劑和氧化劑的地方,而所述燃燒室的后部定義為裝有燃燒催化劑的反應室最后面部分,它與吸熱反應室直接熱接觸(即通過壁)。在所述的結合ICR結構中,排氣部分并不與所述吸熱反應室直接接觸?;蛘撸鋈紵业暮蟛靠啥x為所述燃料和氧化劑的95%的放熱容量已經(jīng)消耗掉的部位。
[0015]本發(fā)明也提供了一種進行吸熱反應的方法,它包括:將燃料送入第一燃料通道,同時,將燃料送入第二燃料通道;以分布的方式沿著所述第一和第二燃料通道的長度加入氧化劑;通過吸熱反應通道送入吸熱反應組合物,所述通道具有連接到含催化劑的吸熱反應室的預熱部分;在所述第一燃料通道中氧化所述燃料,生成熱量并形成第一熱廢氣流,同時,氧化第二燃料通道中的燃料,生成熱量并形成第二熱廢氣流;在一個廢氣通道中將所述第一廢氣流和第二廢氣流混合起來;將在所述第一燃料通道中生成的一部分熱量通過壁傳遞到所述吸熱反應室中;將來自所述第一廢氣流和第二廢氣流的熱量通過所述廢氣通道的壁傳遞到所述第一燃料通道;使所述吸熱反應組合物在所述吸熱反應室中反應,形成熱的吸熱反應產(chǎn)物;使所述熱的吸熱反應產(chǎn)物流入產(chǎn)物通道;將由所述產(chǎn)物通道中的熱的吸熱反應產(chǎn)物提供的熱量通過壁傳遞到所述吸熱反應通道的預熱部分。
[0016]本發(fā)明還提供了一種整合的燃燒器,它包括:包含燃燒催化劑的燃燒微通道;與所述燃燒微通道相鄰且包含吸熱反應催化劑的吸熱反應微通道,所述吸熱反應催化劑在流動方向的長度至少為10厘米;以及隔開所述燃燒催化劑和吸熱反應催化劑的壁。長的反應催化劑得到了短接觸時間和高熱通量的意外結果。本發(fā)明還包括通過該ICR進行吸熱反應的方法,優(yōu)選具有低的壓力降。本發(fā)明的這方面優(yōu)選是較短的通道,且具有較長的接觸時間,因為可降低熱梯度和提高設備壽命。在有些優(yōu)選的實施方式中,所述吸熱反應微通道的高度(垂直于流動方向的尺寸,它限定了從吸熱反應微通道的中心到所述燃燒微通道的最短距離)為0.5毫米或更小。在有些優(yōu)選的實施方式中,在所述吸熱反應微通道的壁和所述吸熱反應催化劑表面之間有縫隙,所述縫隙優(yōu)選為8 - 12密爾(0.2-0.3毫米)。
[0017]在另一方面,本發(fā)明提供了一種ICR,它包括:一疊(stack)至少兩個微通道,其中至少兩個微通道中的至少一個包括可拆除的催化劑插入物(insert)和催化劑門(door)ο本發(fā)明也包括通過打開所述催化劑門以及除去催化劑來搶救(salvage)或翻新(refurbish) ICR 的方法。
[0018]在還有一個方面,本發(fā)明提供了一種ICR,它包括:外部;包括至少兩個成疊的微通道的內(nèi)部以及連接至少兩個微通道中的至少一個并通向外部的催化劑前體通路;所述催化劑前體通路與過程氣體的入口和出口是分隔的,且是不同的。本發(fā)明也包括通過所述催化劑前體通路加入催化劑(或通過溶解除去催化劑)的方法。
[0019]在其他方面,本發(fā)明提供了啟動ICR的方法。一種方法包括:將氫氣加入到燃料通道中啟動燃燒反應,然后減少流入到所述燃料通道中的氫氣,并提高烴的流入量。本發(fā)明還包括啟動方法,是將非反應氣體通過所述吸熱過程側(cè)面接近操作過程的流速。優(yōu)選地,所述非反應氣體是惰性氣體,例如氮氣,但是可以是非反應的加工氣體。本發(fā)明也包括啟動方法,其中流體通過放熱和/或吸熱反應室的總流速在整個啟動過程中基本上保持恒定。在另一個啟動方法中,在進入所述反應室之前,烴燃料先進行部分氧化反應,從而得到較低的點燃(Iightoff)溫度。
[0020]在另一個方面,本發(fā)明提供了一種同時在ICR中進行吸熱和放熱反應的方法,它包括:通過吸熱微通道反應室,以是相鄰放熱微通道反應室中兩倍或更高的壓力,輸入吸熱反應混合物。
[0021]在另一個方面,本發(fā)明也提供了一種同時在ICR中進行吸熱和放熱反應的方法,它包括:通過ICR中的微通道輸入包含H2和甲烷的混合物;使所述H2和甲烷與氧化劑反應,形成水、CO2和CO,生成熱量,因而從所述混合物中除去H2和甲烷;比較通過微通道之前混合物中H2和甲烷含量以及通過所述微通道后在任意點的H2和甲烷含量,可知,相比從混合物中除去的H2的百分數(shù),從所述混合物中除去的甲烷的百分數(shù)更高。這是非常吃驚的結果?!俺ァ辈襟E是通過化學反應進行的,而不是通過分離技術進行的。
[0022]本發(fā)明還提供了一種形成層合設備的方法,它包括:形成一疊薄片(shim),所述薄片包括含空隙的犧牲(sacificial)薄片;將熱量和壓力施加到該疊上,使所述犧牲薄片變形。本發(fā)明也提供了一種層合的反應器,它包括空隙,在工作過程中,所述空隙中不包含加工流體或熱傳遞組分。
[0023]在另一個方面,本發(fā)明提供了整合的反應器,它包括:包括出口的第一通道;包括出口的第二通道;連接所述第一和第二通道的出口的第三通道;以及伸入(project)到所述第三通道的舌狀物(tongue),在工作過程中,所述第三通道使來自所述第一和第二通道的出口的流體發(fā)生偏轉(zhuǎn),并使這些流體以基本相同的方向流動。優(yōu)選地,所述整合的反應器通過層合的薄片形成。
[0024]在另一個實例中,本發(fā)明提供了一種整合的反應器,它包括:通過U形彎管連接到逆流吸熱產(chǎn)物通道的吸熱反應室;以及通過U形彎管連接到逆流廢氣通道的放熱反應室。
[0025]在還有一個方面,本發(fā)明提供了一種整合的反應器,它包括:通過U形彎管連接到逆流廢氣通道的燃料通道;以及裝(nest)在所述燃料通道和廢氣通道之間的氧化劑通道。
[0026]在另一方面,本發(fā)明提供了一種整合的燃燒器,它包括由壁隔開的燃料通道和相鄰的氧化劑通道;所述壁包括噴射孔。在一個實施方式中,所述壁包括非圓形的噴射孔。在另一個實施方式中,所述壁具有不均勻分布的噴射孔。
[0027]本發(fā)明也提供了一種層合的整合反應器,它包括一個放熱反應室,所述放熱反應室包括反應室壁和至少兩個與所述反應室壁相鄰的放熱反應通道。例如,放熱反應室可通過支撐性肋狀物分成兩個放熱反應微通道。
[0028]在還有一個實施方式中,本發(fā)明提供了一種整合的燃燒系統(tǒng),它包括:包括燃料出口側(cè)面和燃燒側(cè)面的層疊的整合燃燒器;以及位于所述燃料入口側(cè)面上的至少兩條連接管路(connection);相比所述入口側(cè)面,所述燃燒側(cè)面隨著溫度的上升能較自由的膨脹。所述連接管路通常是用于流體入口和出口的連接管路,但也可包括夾子或其他能限制所述ICR膨脹的裝置。通常,兩個側(cè)面將ICR分成兩個體積相同的側(cè)面部分。
[0029]在還有一個實施方式中,本發(fā)明提供了一種層疊的ICR,它包括:包含第一片和第二片的層疊的片,所述第一片包括在該片的平面上,并延伸到所述第一片邊緣上的第一開口(opening)的通道,所述第二片包括在該片的平面上,并延伸到所述第二片的邊緣上的第二開口的通道;所述第一片的邊緣和所述第二片的邊緣位于所述層疊ICR的相同側(cè)面上;一個連接所述第一和第二開口,包含一天管道和內(nèi)部空間的歧管,所述管道選自廢氣管道、燃料管道、氧化劑管道、吸熱反應試劑管道和吸熱反應產(chǎn)物管道。
[0030]本發(fā)明還提供了一種整合的微通道反應器,它包括:放熱反應微通道和與所述放熱反應微通道相鄰的吸熱反應微通道,(任選地)氧化劑通道、廢氣通道和產(chǎn)物通道,而且,所述整合的微通道反應器制成具有至少兩層放熱反應層和至少兩層吸熱反應層的多層。另夕卜,所述反應器的特征是,每種類型的通道和微通道都有多個(多于I個),并且包括2根或多、根歧管,所述歧管選自連接至少兩個吸熱反應微通道的歧管、連接至少兩個放熱反應微通道的歧管、連接至少兩個氧化劑通道的歧管、連接至少兩個廢氣通道的歧管、以及連接至少兩個產(chǎn)物通道的歧管;這些歧管中的至少兩個連接在沿著所述整合的反應器的不同長度部位。
[0031]在另一個方面,本發(fā)明提供了一種多區(qū)域的整合反應器,它包括:歧管區(qū)域、熱交換區(qū)域和反應區(qū)域。優(yōu)選地,這些區(qū)域沿著所述整合反應器的結構體線性排列。優(yōu)選地,在所述熱交換區(qū)域和反應區(qū)域之間有過渡區(qū)域,在那里流體流被分開,且再次混合。在一個優(yōu)選的實施方式中,所述反應器包括部分氧化區(qū)域和燃燒區(qū)域。
[0032]本發(fā)明還提供了一種整合的反應器,它包括通過熱交換區(qū)域和反應器區(qū)域的連接微通道。
[0033]在另一個方面,本發(fā)明提供了同時進行吸熱和燃燒反應的方法,其中在燃燒室中燃燒之前,燃料先進行部分氧化。例如,烴可完全或部分轉(zhuǎn)變成CO,且所述CO在所述燃燒室中燃燒。本發(fā)明也包括整合的反應器,所述反應器包括位于燃燒催化劑的上游的部分氧化催化劑,所述燃燒催化劑位于與吸熱反應室相鄰的燃燒室中。所述部分氧化催化劑優(yōu)選位于燃料通道(或燃燒通道)中,可以是流體能穿過的催化劑形式,所述催化劑基本上占據(jù)所述通道的全部橫截面,或者所述部分氧化催化劑可以是讓該流體在旁流過的形式,所述催化劑在所述通道中留下整體流體流動的路徑。
[0034]在還有一個方面,本發(fā)明提供了一種吸熱反應催化劑插入物(優(yōu)選分布在整合的反應器中),它包括涂有催化活性金屬的密集載體(如金屬箔)。優(yōu)選地,所述的密集載體包括多孔層,以提高所述活性金屬的表面積。
[0035]在另一個方面,本發(fā)明提供了一種微通道反應器,它包括:具有第一長度的微通道;具有第二長度的相鄰和重疊的第二微通道,所述第二長度由至少一個微通道限定;所述第二長度比所述第一長度短;位于所述第二微通道中的催化劑插入物。所述至少一個微通道壁防止所述催化劑插入物沿著更長的微通道滑動。
[0036]本發(fā)明也包括具有所述任何獨特結構特征或設計的設備。例如,本發(fā)明包括具有放熱和/或吸熱反應通道的設備,所述反應通道與所述相應的產(chǎn)物通道成交叉流動的關系O[0037]本發(fā)明也包括使用任何設備、結構特征設計或系統(tǒng)的方法,或者其特征是上述任何性質(zhì)或結果的方法。在有些優(yōu)選的實施方式中,本發(fā)明由一系列不能由現(xiàn)有設備或方法得到的特征來限定;本發(fā)明的各個方面可由包括下述一個或多個的特征來限定:體積熱通量、面積熱通量、穿過放熱或吸熱反應通道的壓力降、接觸時間、在所述燃燒廢氣中的NOx或CO含量、熱效率、低過量空氣、燃燒轉(zhuǎn)化率、平衡吸熱反應的程度、轉(zhuǎn)化百分數(shù)、產(chǎn)物選擇性、熱分布(prof i I e )、燃料組成、流體重整反應中的流體與碳之比、焦炭形成的量、在給定流體重整壓力的性能、吸熱和放熱反應通道之間的壓力差、操作性能和時間的函數(shù)關系。這些以及其他特征的水平可參見詳細描述和實施例部分。
[0038]在優(yōu)選的實施方式中,本發(fā)明的各個方面為組合起來,例如,在一個優(yōu)選的實施方式中,本發(fā)明的方法的特征是接觸時間和平衡吸熱反應的程度。
[0039]本發(fā)明的各種實施方式可具有如下優(yōu)點:低的壓力降、對于過量空氣的低要求、高燃燒穩(wěn)定性、對于吸熱和/或放熱反應的短接觸時間、低CO和/或NOx形成、接近化學計量的空氣原料操作、更高的安全性、以及高的熱循環(huán)耐用性。使用接近化學計量的空氣原料進行工作降低了對于系統(tǒng)空氣鼓風機或壓縮機的整體負荷,從而明顯降低了成本。[0040]通過降低引發(fā)所述吸熱反應所需的燃燒溫度(或放熱反應的溫度)的其他優(yōu)點是可使用替代的金屬或冶金技術(metallurgy),這樣就可得到更低成本的材料或更長的設備壽命。
[0041]盡管所述燃燒可具有均相或非均相的貢獻,但是在微通道(或最小開口尺寸小于或稍微大于淬冷直徑的通道)中進行催化燃燒可降低均相反應的貢獻,而有助于非均相(催化)燃燒。這也可通過減少氣相反應來進一步提高安全性,否則氣相反應可能會使所述燃燒混合物明顯高于材料的完全工作溫度限制。隨著通道最小尺寸的降低,以及隨著催化表面積的提高,對于氣相燃燒的抑制就越強。
[0042]在還有一個方面,本發(fā)明涉及在整合燃燒反應中進行吸熱反應的方法,它包括:將吸熱反應組合物送入至少一個吸熱反應室中,并在所述吸熱反應室中進行吸熱反應,并且將燃料和氧化劑送入至少一個放熱反應室中,并在所述放熱反應室中進行放熱反應,其中有至少一個與所述至少一個吸熱反應室相鄰的放熱反應室壁,所述至少一個吸熱反應室包括與至少一個吸熱反應室壁接觸的吸熱反應催化劑,所述吸熱反應室壁與至少一個放熱反應室相鄰。
[0043]而且,本發(fā)明涉及同時進行吸熱和放熱反應的整合反應器,它包括:至少一個吸熱反應室,和至少一個放熱反應室,其中有至少一個與所述至少一個吸熱反應室相鄰的放熱反應室的壁,所述至少一個吸熱反應室包括與至少一個吸熱反應室壁相鄰的吸熱反應催化齊?,所述吸熱反應室壁與至少一個放熱反應室相鄰,根據(jù)熱通量測試#1、或熱通量測試#2、或熱通量測試#3測得,所述反應器具有熱通量能力。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的一個方面,可得到下述特征中的至少一個:(1)所述燃料和氧化劑在放熱反應室中的接觸時間為20ms或更短,熱量以至少5W/cm2的速率(以所述吸熱反應室的內(nèi)部面積計)從至少一個放熱反應室傳導到至少一個吸熱反應室;或者(ii)所述燃料和氧化劑在所述放熱反應室中的接觸時間為IOOms或更短,所述氧化劑的含量為完全氧化所述燃料所需的量基礎上過量50%或更少,所述燃料和空氣轉(zhuǎn)變成燃燒產(chǎn)物,所述燃燒產(chǎn)物包括小于2500ppm的CO ;或者(iii)所述燃料和氧化劑在所述放熱反應室中的接觸時間為IOOms或更短,所述氧化劑的含量為完全氧化所述燃料所需的量基礎上過量50%或更少,所述燃料和空氣轉(zhuǎn)化成燃燒產(chǎn)物,所述燃燒產(chǎn)物包括小于IOOppm的CO。
[0045]術語表、計算和測試方法
[0046]“薄片”指基本上平的板或片,它可具有任意的寬度和高度,優(yōu)選其厚度(最小的尺寸)為2毫米(mm)或更小,在有些優(yōu)選的實施方式中,其厚度為50 — 500微米。
[0047]“單元操作”指化學反應、蒸發(fā)、壓縮、化學分離、蒸餾、濃縮、加熱、或冷卻。盡管混合和輸送通常隨著單元操作而發(fā)生,但是“單元操作”并不意味著僅僅進行混合或流體輸送。
[0048]“微通道”指至少一個內(nèi)部尺寸為2毫米或更小的通道。
[0049]“敞開通道”是至少0.05毫米的間隙,它沿著所有穿過反應室的路徑延伸,這樣氣體就可通過具有較低壓力降的反應室流動。
[0050]“ICR”指整合的燃燒器,它包括至少一個與至少一個吸熱反應通道相鄰的燃燒通道。
[0051]在優(yōu)選實施方式的工作過程中,反應試劑以整體流動途徑進入燃燒或反應室,流過并接觸“多孔材料”或“多孔催化劑”。在這些實施方式中,一部分反應試劑以分子形式橫向分散到所述多孔催化劑中,并進行反應形成產(chǎn)物,接著所述產(chǎn)物橫向分散到所述整體流動途徑中,然后流出所述反應器。
[0052]屬于“整體流動區(qū)域”或“整體流動途徑”指包含在所述反應室中的敞開區(qū)域或敞開通道。具有整體流動途徑(或區(qū)域)的反應室可包含催化劑,并且在所述催化劑表面和反應室壁或第二催化劑表面之間有間隙。相鄰的成批流動區(qū)域使氣體快速流過所述反應室,且沒有大的壓力降。在優(yōu)選的實施方式中,在所述成批流動區(qū)域中有層狀的流體。包含在反應室中的成批流動區(qū)域的截面積優(yōu)選為5 X 10_8 -1 X 10_2米2,更優(yōu)選5 X IO-7 一 I X 10_4米2。所述成批流動區(qū)域優(yōu)選包括至少5%,更優(yōu)選30 — 80%的I)所述反應室內(nèi)部體積,或者2)所述反應室的截面積。
[0053]“平衡轉(zhuǎn)化率”定義為一種經(jīng)典的方式,其中最大可得到的轉(zhuǎn)化率是所述反應器溫度、壓力和原料組成的函數(shù)。對于烴流體重整反應的情況,所述平衡轉(zhuǎn)化率隨著溫度的提高而提高,隨著壓力的提高而下降。
[0054]“反應室體積”是反應室(放熱或吸熱)的內(nèi)部體積。該體積包括所述反應室體積內(nèi)的催化劑的體積、敞開流動體積(如果存在的話)和金屬支撐性肋狀物或鰭狀物(如果存在的話)。該體積并不包括所述反應室壁。所述反應室體積必須包含在其截面內(nèi)某處的催化齊U,并且必須直接與用于熱傳遞的另一個反應室相鄰。例如,由2厘米X 2厘米X0.1厘米催化劑和2厘米X 2厘米X0.2厘米敞開體積(供相鄰于催化劑的流動所用)組成的反應室的總體積為1.2厘米3。如果將相同的催化劑分成兩部分或在每個通道中包含催化劑體積為I厘米X 2厘米X 0.1厘米(每0.2厘米3有2體積)的通道,且鄰近每個催化劑有I厘米X2厘米X0.2厘米(每0.4厘米3的2體積)的敞開空間,如果在兩個催化劑通道之間有0.1厘米X2厘米X0.3厘米(0.06米3)的金屬肋狀物或間隔,如果有相反類型的相鄰反應室(即放熱反應室與吸熱反應室相鄰),那么總反應器體積設定為1.26厘米3。該體積可用來計算吸熱反應室體積熱通量、面積熱通量和吸熱反應接觸時間。
[0055]“反應器芯體積”定義為反應室體積和所有的燃燒室體積和隔開所述兩個室的金屬網(wǎng)狀物(web)。所述燃燒室體積定義為所述室體積,其中進行了所述放熱反應,并與所述反應室體積接近。周邊(perimeter)金屬不包括在反應器芯體積中。
[0056]例如,包含2厘米X 2厘米X0.3厘米的反應室體積和2厘米X 2厘米X0.2厘米的燃燒室體積和2厘米X2厘米X0.1厘米的分隔網(wǎng)狀物的反應器的總反應器芯體積為2.4厘米3。
[0057]所述反應器芯體積不包含任何預熱的交換區(qū)域體積,它可能或可能不連接到所述反應器芯體積上。所述預熱的交換區(qū)域可連接于所述反應器上,但不包含沿著垂直于流動方向分割所述設備的任何平面內(nèi)的吸熱反應催化劑。
[0058]“吸熱反應室熱通量”定義為吸熱反應熱負荷除以所述反應器芯體積。
[0059]“反應器芯體積熱通量”定義為吸熱反應熱負荷除以所述反應器芯體積。
[0060]“熱交換器通量”定義為傳導到所述冷流體上的總熱量除以熱交換芯體積。
[0061]“熱交換器芯體積”定義為包括微通道、微通道之間肋狀物和用于所有的流體傳熱的分隔微通道的壁的總熱交換器體積。所述熱交換器體積包括本文和所附附圖中所述的熱交換區(qū)域。所述熱交換器芯體積不包括周邊金屬或歧管或頂部。所述熱交換器芯體積不包括所述吸熱反應室,也不包括包含在任何平面內(nèi)的任何體積,所述平面在垂直于流動方向分割所述吸熱反應室。
[0062]“平均面積熱通量”定義為吸熱反應熱負荷除以吸熱反應室熱傳遞表面的面積。所述吸熱反應熱傳遞表面限定為一個平面區(qū)域,在所述吸熱反應室中有肋狀物或其他結構體時,它可以是間斷的,在該平面區(qū)域上面有使反應試劑流動的區(qū)域,且在其下面有分隔所述吸熱反應室和所述放熱反應室的壁。該區(qū)域是用于從所述放熱反應室將熱傳遞到所述吸熱反應室的路徑。
[0063]“網(wǎng)狀物”定義為分隔吸熱反應室和放熱反應室的壁。
[0064]當測試所選擇的設備時,NOx測量由廢氣流組成。在50%過量空氣條件下測量NOx (以ppm為單位)濃度(燃燒流體足以保持在至少850°C的燃燒室溫度)本文稱為“標準NOx測試”。測得的值可與在常規(guī)甲烷流體重整器中超過IOOppm的NOx含量比較。
[0065]“表觀平衡轉(zhuǎn)化溫度”是在所測的平均加工壓力下,基于甲烷轉(zhuǎn)化率(或更通常是烴轉(zhuǎn)化率)或形成的平衡甲烷轉(zhuǎn)化率等于所測的甲烷轉(zhuǎn)化率的表觀溫度。平均加工壓力假定為所測的入口和出口壓力的平均值。使用NASALEWIS熱力學平衡模式或ChemCAD計算平衡氣體的組成。甲烷的轉(zhuǎn)化率由干燥產(chǎn)物氣體組成計算,所述干燥產(chǎn)物氣體組成由下述方程的氣相色譜測得:
[0066]
【權利要求】
1.一種同時進行放熱反應和吸熱反應的方法,所述方法包括: 將燃料輸入第一微通道燃燒反應室; 將氧化劑加入到燃燒室中使得氧化劑氧化燃料,且燃燒室中的溫度沿所述燃燒室的前部到后部上升; 在吸熱反應室中提供吸熱反應組合物,所述吸熱反應室與所述燃燒室相鄰,其中吸熱反應室和燃燒室由導熱壁分隔; 其中所述吸熱反應組合物進行吸熱反應形成產(chǎn)物; 所述燃燒室中的溫度從燃燒室的前部到后部基本上單調(diào)上升。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述放熱反應室包括體積流體通道和放熱反應催化劑。
3.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述氧化劑通過噴射進入放熱反應室,且燃燒催化劑上流動,所述燃燒催化劑置于與吸熱反應室相鄰的反應室壁上。
4.一種同時進行吸熱和反應反應的整合的反應器,所述反應器包括: 至少一個吸熱反 應室, 至少一個放熱反應室, 其中至少一個導熱的放熱反應室的壁與至少一個吸熱反應室相鄰, 所述至少一個吸熱反應室中包括與至少一個吸熱反應室的壁接觸的吸熱反應催化劑,所述至少一個吸熱反應室的壁與至少一個放熱反應室相鄰, 所述整合的反應器具有一個自由端和非自由端;所述非自由端包括用于燃料入口和氧化劑入口的連接管路和用于廢氣出口的連接管路。
5.如權利要求4所述的反應器,其特征在于,所述吸熱反應室包括U形彎管,在工作過程中,所述吸熱反應組合物在第一方向流過所述吸熱反應室,同時形成產(chǎn)物,所述產(chǎn)物流過U形彎管,且以第二方向流動,所述第二方向與第一方向相反。
6.一種整合的反應器,所述反應器包括: 內(nèi)有放熱反應催化劑的放熱反應微通道; 與所述放熱反應微通道相鄰且內(nèi)有吸熱反應催化劑的吸熱反應微通道,所述吸熱反應催化劑在流動方向上的長度至少10厘米; 分隔所述放熱反應催化劑和吸熱反應催化劑的壁。
7.如權利要求6所述的整合的反應器,其特征在于,所述吸熱反應微通道的高度為0.5mm或更低,所述高度指垂直于流動方向的尺寸,它定義了從所述吸熱反應微通道的中心到所述燃燒微通道的最短距離。
8.如權利要求6所述的整合的反應器,其特征在于,限定所述燃燒微通道的至少一個壁上有小孔,所述小孔連接所述燃燒微通道和相鄰空氣通道之間的氣流。
9.一種整合的反應器,所述反應器包括:一疊至少兩個微通道,其中至少兩個微通道中的至少一個包括可拆除的催化劑插入物和催化劑門。
10.一種啟動整合的反應器的方法,其中所述整合的燃燒器包括:內(nèi)有放熱反應催化劑的放熱反應室;與所述放熱反應室相鄰且內(nèi)有吸熱反應催化劑的吸熱反應室;分隔所述放熱反應室和吸熱反應室的壁, 所述方法包括:在所述放熱反應室中加入燃燒燃料并燃燒所述燃料,以不超過5°C /分鐘的速率提高吸熱反應室的溫度;以及 向所述吸熱反應室中加入H2,并還原所述吸熱反應催化劑。
11.如權利要求10所述的方法,其特征在于,所述吸熱反應微通道的高度為0.5_或更低,所述高度指垂直于流動方向的尺寸,它定義了從所述吸熱反應微通道的中心到所述燃燒微通道的最短距離。
12.如權利要求10所述的方法,其特征在于,所述吸熱反應催化劑是流體甲烷重整催化劑,所述催化劑 在約120-150°C的溫度還原。
【文檔編號】B01J19/00GK103920439SQ201410058439
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2003年8月4日 優(yōu)先權日:2002年8月15日
【發(fā)明者】D·裘, M·B·施米特, S·T·佩里, S·P·費茨杰拉爾德, D·J·赫西, N·P·加諾, R·Q·龍, W·A·羅杰斯, R·阿羅拉, T·D·尤斯查克, T·福特, J·A·莫那漢, R·杰特, W·W·西蒙斯, B·L·楊, D·J·庫爾曼, Y·王, R·J·盧森斯基, G·B·查德威爾, Y·彭, J·A·馬西亞斯, A·L·同克維齊, G·羅伯茨, P·W·尼格爾 申請人:維羅西股份有限公司