Каталитический реактор
Изобретение относится к каталитическому реактору, пригодному для осуществления газофазных реакций. Каталитический реактор включает множество металлических листов, расположенных в стопке и связанных между собой, причем листы сформированы таким образом, чтобы определить каналы первого и каналы второго потоков между смежными листами, чередуя их в стопке, и так, чтобы обеспечить хороший термический контакт между текучими средами; коллекторы для подачи различных текучих сред в каналы потоков. Внутри каналов первого потока находятся проницаемые металлические теплопередающие слои, которые являются удаляемыми и включающими каталитическое покрытие, содержащее катализатор горения, чтобы осуществить горение газовой смеси, текущей в каналах первого потока. При этом катализатор горения в по меньшей мере первой части канала покрыт инертным пористым керамическим слоем для уменьшения скорости реакции. Также предложен способ осуществления конверсии метана с водяным паром, в котором используют данный каталитический реактор. Изобретение позволяет осуществлять газофазные реакции при повышенных давлениях, экзотермические и эндотермические реакции. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к каталитическому реактору, пригодному для использования в осуществлении газофазных реакций при повышенных давлениях и особенно, но не исключительно, для осуществления высокоэкзотермических и эндотермических реакций, а также к химическому способу и установке, использующей каталитический реактор.
Использование каталитического материала, нанесенного на металлический носитель, является хорошо известным. Например, GB 1490977 описывает катализатор, содержащий носитель, включающий алюминийсодержащий ферритовый сплав, покрытый слоем тугоплавкого оксида, такого как оксид алюминия, оксид титана или оксид циркония, и затем каталитическим металлом платиновой группы. Как описано в GB 1531134 и GB 1546097, тело катализатора может содержать по существу плоские листы и волнистые листы такого материала, расположенные поочередно, так, как это определено каналами через тело, либо несколько таких листов, расположенных в стопке, или два таких листа, намотанных вместе с образованием змеевика. В указанных примерах как плоские листы, так и волнистые листы имеют нанесенные на них гофры небольшого масштаба для облегчения формования покрытия. Такие тела катализатора описаны как подходящие для использования в обработке выхлопного газа двигателей. В данном контексте теплопередача между одним каналом и смежным каналом не принимается во внимание, т.к. все каналы транспортируют одни и те же газы при одних и тех же давлениях.
Согласно настоящему изобретению предусматривается каталитический реактор, содержащий множество металлических листов, расположенных с определением каналов первого газового потока между смежными листами, устройство для определения каналов второго газового потока в близости к каналам первого газового потока, расположенное так, чтобы обеспечить хороший термический контакт между газами в каналах первого и второго газовых потоков, и проницаемый металлический теплопередающий слой в каждом канале потока, и коллекторы для подачи газовых смесей к каналам газовых потоков, причем коллекторы являются такими, что различные газовые смеси могут быть поданы в каналы первого и второго газовых потоков, металлический теплопередающий слой является удаляемым, и, по меньшей мере, в каналах первого газового потока вводится каталитическое покрытие, и, если каталитическое покрытие вводит керамический слой, покрытие предусматривается только на тех поверхностях теплопередающего слоя, которые не контактируют со стенками канала.
Каналы второго газового потока также могут быть определены между металлическими листами, причем каналы первого и второго газового потока определяются поочередно между последовательными такими листами. Каналы второго газового потока могут также вводить металлические теплопередающие слои. Это улучшает теплопередачу. В каждом случае металлический теплопередающий слой может содержать неплоскую металлическую фольгу или металлическую пену, сетку, волокнистый мат, или сотовую структуру, или подобную структуру, например, комбинирующую керамику и металл; она должна быть высокопроницаемой к газовому потоку. Обычно фольга является подходящим.
Хотя каналы потока относятся к газовым каналам, это не является ограничением на использование реактора, т.к. взамен жидкость может быть пропущена через одну или обе системы каналов. Например, когда желаемая каталитическая реакция является экзотермической, жидкий теплоноситель (скорее,чем газ) может быть пропущен через другую систему каналов потока. Кроме того, каналы второго потока могут не все нести одинаковую жидкость: например, две различные жидкости могут быть поданы в чередующиеся каналы второго потока.
Для обеспечения требуемого хорошего термического контакта каналы как первого газового потока, так и второго газового потока являются менее 8 мм глубиной в направлении, перпендикулярном к смежным металлическим листам. Более предпочтительно, каналы как первого газового потока, так и второго газового потока являются менее 2 мм глубиной в указанном направлении. Эти тонкие листы фольги могут быть вдавленными или гофрированными.
Например, листы могут быть концентрическими трубами, так что каналы газового потока являются кольцевыми каналами, причем каждый кольцевой канал определяется обычно цилиндрическим листом волнистого материала, поверхности листов волнистого материала покрываются каталитическим материалом. В данном случае коллекторы предусматриваются на каждом конце труб для подачи газовых смесей в кольцевые каналы, причем коллекторы сообщаются со смежными каналами раздельно. Для обеспечения хорошей теплопередачи между волнистыми листами и трубами каждая труба желательно плотно устанавливается вокруг смежного волнистого листа. Трубы могут быть достаточно толстостенными, чтобы выдерживать перепады давления, так что различные газовые смеси могут быть при различных давлениях.
Альтернативно, листы могут быть плоскими с канавками, выполненными механической обработкой или вытравленными через их поверхности, для определения каналов газовых потоков. Реактор поэтому может содержать стопку таких плоских пластин, достаточно толстых, чтобы выдерживать необходимый перепад давления, причем канавки в смежных пластинах следуют различными путями. Канавки могут быть, например, шириной 20 мм, причем данная ширина определяется перепадом давления, при котором выдерживается лист, каждый содержащий один или более волнистых листов фольги из материала, покрытого каталитическим материалом. Чтобы каналы газовых потоков были газонепроницаемыми, пластины желательно соединяются вместе, но металлические листы фольги являются съемными (например, через коллектор).
При использовании каталитического реактора текучая смесь, подаваемая в одну систему каналов, отличается от текучей смеси, подаваемой в смежные каналы, и соответствующие химические реакции являются также различными. Одна из реакций может быть эндотермической, тогда как другая реакция является экзотермической. В таком случае тепло передается через стенку трубы или листа, разделяющую смежные каналы, от экзотермической реакции к эндотермической реакции. Альтернативно, химическая реакция может проходить в первой системе каналов, тогда как жидкость в каналах второго потока действует только как теплопередающая среда (либо с подачей тепла, либо с отводом тепла).
Данный реактор является особенно подходящим для осуществления конверсии метана с водяным паром (которая является эндотермической реакцией с образованием водорода и окиси углерода), и чередующиеся каналы могут содержать смесь метан/ воздух, так что экзотермическая реакция окисления обеспечивает необходимое тепло для эндотермической реакции конверсии. Для реакции окисления могут быть использованы некоторые различные катализаторы, например палладий, платина или медь на керамическом носителе; например, медь или платина на носителе из оксида алюминия, стабилизированного лантаном, церием или барием, или палладий на оксиде циркония, или, более предпочтительно, палладий на гексаалюминате металла, таком как гексаалюминат магния, кальция, стронция, бария или калия. Для реакции конверсии могут быть также использованы некоторые различные катализаторы, например, никель, платина, палладий, рутений или родий, которые могут быть использованы на керамических покрытиях; предпочтительным катализатором для реакции конверсии является родий или платина на оксиде алюминия или стабилизированном оксиде алюминия. Реакция окисления может быть проведена при по существу атмосферном давлении, тогда как реакция конверсии может быть проведена при повышенном давлении, например, до 2 МПа (20 атм), обычно в интервале 0-200 кПа выше атмосферного давления.
Необходимо отметить, что материалы, из которых выполнен реактор, подвергаются воздействию сильно коррозионной атмосферы при использовании, например, температура может быть такой высокой, как 900°C, хотя более обычно около 850°C. Реактор может быть выполнен из металла, такого как алюминийсодержащая ферритовая сталь, в частности типа, известного как сплав Fecralloy (торговая марка), которым является железо с до 20% хрома, 0,5-12% алюминия и 0,1-3% иттрия. Например, он может содержать железо с 15% хрома, 4% алюминия и 0,3% иттрия. Когда указанный металл нагревается в воздухе, он образует адгезионное оксидное покрытие оксида алюминия, которое защищает сплав от дополнительного окисления; указанный оксидный слой также защищает от коррозии в условиях, которые превалируют, например, в реакторе окисления метана или реакторе конверсии метана с водяным паром. Когда указанный металл используют в качестве носителя катализатора и его покрывают керамическим слоем, в который вводят каталитический материал, считается, что оксидный слой оксида алюминия на металле связывается с оксидным покрытием, обеспечивая, таким образом, то, что каталитический материал адгезирует к металлическому носителю.
Для некоторых целей каталитический металл вместо этого может быть нанесен прямо на адгезионное оксидное покрытие металла (без какого-либо керамического слоя).
В частности, если реактор должен использоваться для эндотермической реакции, может быть желательно повысить температуру реактора до желаемой рабочей температуры прямым электрическим нагревом, пропуская электрический ток через листы, которые образуют реактор. Это обычно должно быть сделано только вначале, затем тепло обеспечивается экзотермической реакцией, проводимой в каналах второго газового потока, или горячими газами (например, выходящими газами от внешнего процесса горения, такого как горелка с ламинарным потоком).
Когда реактор используют для процесса, в котором образуется жидкий продукт, например синтез Фишера-Тропша, также может быть желательно выполнить гофрирование с тем, чтобы улучшить разделение жидкости/газа. Может быть также желательно не предусматривать катализатор в тех частях фольги, которые контактируют с жидкой фазой.
Изобретение теперь будет дополнительно и более подробно описано только путем примера и со ссылкой на прилагающиеся чертежи, на которых:
на Фиг.1 представлена технологическая схема химического процесса, который может быть осуществлен с одним или более реакторов изобретения;
на Фиг.2 представлено поперечное сечение реактора;
на Фиг.3 представлен вид сверху пластины, которая может быть уложена в стопки с образованием альтернативного каталитического реактора;
на Фиг.4 представлен вид сверху пластины, которая может быть уложена в стопки с образованием другого альтернативного каталитического реактора;
на Фиг. 5а и 5b представлены виды сверху пластин, использованных для образования другого альтернативного каталитического реактора.
Реакторы изобретения могут быть использованы в установке для осуществления химического процесса превращения метана в углеводороды с более длинной цепью. Первая стадия включает конверсию метана с водяным паром, т.е. реакцию:
водяной пар + метан → окись углерода + водород.
Данная реакция является эндотермической и может быть катализирована родиевым катализатором в канале первого газового потока. Тепло, необходимое, чтобы вызвать данную реакцию, может быть создано при сгорании метана, т.е. реакцией:
метан + кислород → углекислый газ + вода,
которая является экзотермической реакцией и может быть катализирована палладиевым катализатором в смежном канале второго газового потока. Обе эти реакции могут проходить при атмосферном давлении, хотя, альтернативно, реакция конверсии может проходить при повышенном давлении. Тепло, образованное реакцией горения, проводится через металлический лист, разделяющий смежные каналы.
Газовая смесь, полученная конверсией метана с водяным паром, затем может быть использована для осуществления синтеза Фишера-Тропша, т.е. реакции:
окись углерода + водород → парафин или олефин (например, С10) + вода,
которая является экзотермической реакцией, имеющей место при повышенной температуре, обычно между 200 и 350°C, например, 280°C, и повышенном давлении, обычно между 2 МПа и 4 МПа, например, 2,5 МПа, в присутствии катализатора, такого как железо, кобальт или сплавленный магнетит, с калиевым промотором. Точная природа органических соединений, полученных в результате реакции, зависит от температуры и катализатора, а также от соотношения окиси углерода и водорода. Тепло, выделяемое указанной реакцией синтеза, может быть использовано для обеспечения, по меньшей мере, части тепла, необходимого для реакции конверсии метана с водяным паром, например, жидкий теплоноситель, такой как гелий или Dowterm A (торговая марка фирмы Dow Chemical), может быть использован для передачи тепла от реактора, в котором осуществляют синтез Фишера-Тропша, причем тепло используют для предварительного подогрева, по меньшей мере, одного из газовых потоков, подаваемых в реактор конверсии.
На Фиг.1 общий химический способ показан в виде технологической схемы. Питающий газ 10 состоит, главным образом, из метана с небольшим процентным содержанием (например, 10%) этана и пропана. Его пропускают через теплообменник 11, так что он находится примерно при 400°C, и затем подают в первый каталитический реактор 14 с помощью жидкостного вихревого смесителя 12; в смесителе 12 питающий газ смешивают с потоком водяного пара, который также находится примерно при 400°C; причем потоки поступают в смеситель 12 через тангенциальные впуски и следуют по спиральному пути к осевому выпуску, так что они становятся тщательно смешанными. Оба потока могут быть при атмосферном давлении или, например, при давлении, скажем, 100 кПа выше атмосферного. Потоки являются, предпочтительно, такими, что мольное отношение водяной пар:метан находится между 1:1 и 2:1. Первой частью реактора 14 является реактор предварительной конверсии 15 с никелевым катализатором при 400°C, в котором высшие алканы взаимодействуют с водяным паром с образованием метана (и окиси углерода); указанный реактор предварительной конверсии 15 не требуется, если питающий газ 10 по существу не содержит высшие алканы. Второй частью реактора 14 является реактор конверсии 16 с платиново/родиевым катализатором, в котором метан и водяной пар взаимодействуют с образованием окиси углерода и водорода. Указанная реакция может быть осуществлена при 850°C. Тепло для эндотермических реакций может быть создано при горении метана над палладиевым или платиновым катализатором в смежных каналах газового потока (как указано) или, альтернативно, от выходящих газов от внешней установки сжигания, такой как горелка с ламинарным потоком, причем газы из горелки текут в противотоке с потоком газа через реактор конверсии 16; это может позволить реакционным газам в реакторе конверсии достигнуть такой высокой конечной температуры, как 1000°C. Когда используют каталитическое горение, катализатор может вводить гексаалюминат металла (такой как гексаалюминат магния) в качестве носителя, который сам действует как катализатор на высокотемпературном конце, покрытого, например, палладием, который действует как катализатор на низкотемпературном конце, так что температура постепенно увеличивается с 400°C до 850 или 950°C. Смесь метан/кислород или метан может подаваться на стадиях вдоль реактора 14 для того, чтобы горение осуществлялось по его длине.
Горячую смесь моноокиси углерода и водорода, выходящую из реактора конверсии 16, затем охлаждают пропусканием через теплообменник 18 с получением горячего водяного пара, подаваемого в вихревой смеситель 12, и затем через теплообменник 11, в котором она отдает тепло питающему газу. Смесь затем дополнительно охлаждают до примерно 100°C пропусканием через теплообменник 20, охлаждаемый водой. Газы затем сжимают с помощью компрессора 22 до давления 2,5 МПа.
Поток моноокиси углерода и водорода высокого давления затем подают в каталитический реактор 26, в котором они взаимодействуют, подвергаясь синтезу Фишера-Тропша, с образованием парафина или подобного соединения. Данная реакция является экзотермической, предпочтительно, имеющей место примерно при 280°C, и выделившееся тепло может быть использовано для предварительного нагрева водяного пара, подаваемого в теплообменник 18, использующий жидкий теплоноситель, такой как гелий, циркулирующий между каналами теплообмена в реакторе 26 и парогенератором 28. В процессе указанного синтеза объем газов снижается. Полученные газы затем пропускают в конденсатор 30, в котором они отдают тепло воде с начальной температурой 25°C. Высшие алканы (например, С5 и выше) конденсируются в виде жидкости, как это происходит с водой, причем указанную смесь жидкостей пропускают в гравитационный сепаратор 31; отделившиеся высшие алканы затем могут быть удалены в качестве желаемого продукта, тогда как воду возвращают через теплообменники 28 и 18 в смеситель 12.
Любые низшие алканы или метан и остаточный водород пропускают через конденсатор 30 и подают в конденсатор-холодильник 32, в котором их охлаждают до примерно 5°C. Газы, которые остаются, состоят, главным образом, из водорода, двуокиси углерода, метана и этана и могут быть пропущены через сбрасывающий давление клапан 33 в факел 34. (Альтернативно, они могут быть поданы в канал горения первого каталитического реактора 14). Конденсированные пары, состоящие, главным образом, из пропана, бутана и воды, пропускают в гравитационный сепаратор 35, из которого воду объединяют с рециклируемой водой из сепаратора 31, тогда как алканы рециклируют через регулирующий клапан 36 в реактор Фишера-Тропша 26.
При использовании указанным образом общий результат способа заключается в том, что метан превращается в высокомолекулярные углеводороды, которые являются обычно жидкостями при температурах окружающей среды. Способы могут быть использованы с нефтью или газом, подходящими для превращения метанового газа в жидкий углеводород, который легче для транспортирования.
Как показано на Фиг.2, реактор 40 (подходящий, например, для использования в качестве реактора синтеза Фишера-Тропша 26) содержит стопку пластин 42, каждая из стали Fecralloy, причем пластины имеют размер 200 мм2 и толщину 3 мм (на Фиг.2 показаны только части двух пластин в сечении). Канавки 44 шириной 8 мм и глубиной 2,5 мм проходят по всей ширине каждой пластины 42 параллельно одной стороне, разделенные участками 45 шириной 3 мм, причем канавки 44 выполнены механической обработкой. Фольга носителя 46 из стали Fecralloy толщиной 50 мкм, покрытая керамическим покрытием, содержащим каталитический материал и с волнами 2,5 мм высотой, может быть вдвинута в каждую такую канавку 44, причем каждая такая фольга лишена керамического покрытия и каталитического материала на обеих своих поверхностях вдоль гребней и через волны. Стопку таких пластин 42 собирают, причем ориентация канавок 44 отличается на 90° в последовательных пластинах 42, и покрывают верхней плоской пластиной из стали Fecralloy; стопку затем диффузионно соединяют вместе. Затем вставляют волнистые листы фольги, причем отсутствие керамического покрытия на верхней поверхности гребней и нижней поверхности впадин обеспечивает хороший термический контакт со смежными пластинами 42. Затем к сторонам сборной конструкции присоединяют коллекторы. Таким образом, каналы газовых потоков определяются канавками 44, причем одна система каналов идет справа налево в стопке, а другая система каналов (в чередующихся пластинах 42) идет спереди назад в стопке.
Необходимо понимать, что тип керамики, нанесенной на волнистые листы фольги 46 в каналах газовых потоков, может быть различным в последовательных пластинах 42 в стопке и что каталитические материалы могут также различаться. Например, керамика может содержать оксид алюминия в одном из каналов газовых потоков и оксид циркония в других каналах газовых потоков. Реактор 40, образованный из пластин 42, является также подходящим для осуществления конверсии метана с водяным паром, например, с использованием родиевого катализатора. Поскольку пластины 42, образующие стопку, соединены вместе, каналы газовых потоков являются газоплотными (кроме соединения с коллекторами на каждом конце), и размеры пластин 42 и канавок 44 являются такими, что давления в чередующихся каналах газовых потоков могут значительно различаться.
В частности, когда реактор 40 должен использоваться для синтеза Фишера-Тропша, каналы газовых потоков 44 для данной реакции могут снижаться по ширине и возможно также по глубине по их длине с тем, чтобы варьировать условия течения жидкости и коэффициенты тепло- или массопередачи. В процессе синтеза объем газа снижается, и при соответствующем сужении каналов 44 скорость газа может сохраняться при протекании реакции. Кроме того, шаг или шаблон волнистых листов фольги 46 может варьироваться вдоль канала реактора 44 с регулированием каталитической активности и, таким образом, обеспечивать контроль температур или скоростей реакции в различных точках в реакторе 40. Волнистые листы фольги 46 также могут быть сформованы, например, с перфорациями для облегчения смешения жидкости в каналах 44.
Когда реактор, такой как реактор 40, используют для реакции между газами, которая приводит к образованию газообразных продуктов, тогда ориентация каналов не имеет значения. Однако, если продукт будет жидкостью, может быть предпочтительно размещать реактор 40 так, что пути потока для данной реакции медленно опускаются вниз, чтобы любая образующаяся жидкость вытекала из каналов 44. Отсутствие каталитического материала на дне впадин волн обеспечивает то преимущество, что образование метана подавляется.
В модификации реактора 40 листы фольги выполнены из титанового металла. Их покрывают смешанными оксидами кобальта и рутения (кроме гребней и впадин) мокрым химическим способом, включающим золь-гель обработку, сушку и затем восстановление с образованием очень мелких металлических частиц кобальта и рутения на поверхности титановой фольги. Восстановление проводят при достаточно низкой температуре, чтобы частицы не спекались. Альтернативно, такая композиция смешанных оксидов кобальта и рутения может быть нанесена в комбинации с золем оксида алюминия или золем оксида титана; их затем восстанавливают (причем оксид алюминия или оксид титана предотвращает спекание кобальта и рутения) с тем, чтобы получить небольшие частицы металлического кобальта и рутения; и оксид алюминия или оксид титана затем растворяют химически. В еще одном альтернативном варианте кобальт и рутений могут быть нанесены непосредственно на титан химическим осаждением из паровой фазы или электролитически в форме небольших дендритов, так что получают высокопористую кобальтовую и рутениевую поверхность.
В другой модификации реактора 40 листы фольги 42 снова выполнены из Fecralloy-материала, но каталитический материал нанесен непосредственно на оксидный слой Fecralloy.
Как показано на Фиг.3, альтернативный реактор 70 содержит стопку пластин 71 из Fecralloy-стали, причем каждая пластина является обычно прямоугольной, 125 мм длиной и 82 мм шириной и 2 мм толщиной. По центральной части каждой пластины 71 механической обработкой выполнены семь параллельных прямоуголных канавок 72, каждая глубиной 0,75 мм, с коллекторной канавкой 74 такой же глубины на каждом конце, причем коллекторная канавка 74 идет к одному боковому краю пластины 71. На верхней поверхности пластины 71, показанной на Фиг.3, коллекторная канавка 74 на нижнем конце идет к правому краю пластины 71, тогда как на верхнем конце идет к левому краю пластины 71. Канавки на противоположной поверхности пластины 71 являются идентичными, но коллекторы (указаны ломаными линиями) идут к противоположным сторонам пластины 71. Последующие пластины 71 имеют свои коллекторные канавки 74 в зеркально изображенных положениях, так что смежные канавки 74 идут к той же стороне стопки. В каждой прямоугольной канавке 72 имеются три волнистые Fecralloy-листа фольги 76 а, b и с, каждая 50 мкм толщиной и с волнами высотой 1,5 мм, но отличающиеся шагом или длиной волны их волн. Поскольку в реакторе 40 листы фольги 76 не покрыты керамикой (или катализатором) на любой поверхности на гребнях и впадинах волн, обеспечивается хороший контакт металл-к-металлу в таких местах. Для обеспечения точного совмещения пластин 71 в процессе сборки предусматриваются отверстия 75 на каждом конце, в которые устанавливают шпильки. Собирают стопку пластин 71 и листов фольги 76, и пластины 71 сжимают в процессе диффузионного соединения, и пластины 71 поэтому спаиваются друг с другом. Камеры газового потока 78 затем диффузионно соединяются со стопкой на каждом углу, причем каждая камера 78 сообщается с одной системой коллекторных канавок 74.
Когда необходимо заменить катализатор, это может быть сделано отрезанием одной системы коллекторов, например, на плоскости 66-66, и затем извлечением пластин из фольги 76 из всех каналов, определяемых канавками 72, и заменой пластин фольги 76. Отрезанные поверхности на плоскости 66-66 затем механической обработкой аккуратно выравнивают, повторно собирают и диффузионно соединяют вместе снова.
Поскольку пластины 71 диффузионно соединены вместе, реактор 70 может использоваться с газовыми потоками, чьи давления различаются на большую величину. Он также является подходящим для стадии конверсии метана с водяным паром (эквивалентно каталитическому реактору 14), где разность давления между двумя газовыми потоками является не очень высокой. В данном случае нет необходимости использовать пластины фольги 76, волны которых меняются по длине канала в любом из каналов газовых потоков, так что вместо этого могут быть использованы пластины фольги 76 с однородными волнами. Необходимо отметить, что листы фольги в двух различных газовых потоках будут различаться и, в частности, будут различаться относительно катализатора. Как пояснено ранее, в реакторе предварительной конверсии 15 подходящим катализатором является никель; в реакторе конверсии 16 подходящим катализатором является платина; тогда как в канале горения подходящим катализатором является платина. Предпочтительный катализатор в канале горения содержит палладий, нанесенный на неспеченную керамику, такую как гексаалюминат магния; считается, что палладий образует оксид палладия, который является эффективным катализатором до примерно 800°C, но выше указанной температуры образует металлический палладий, который является менее эффективным в качестве катализатора; гексаалюминат магния действует как катализатор горения при температурах между 800°C и 900°C (и не спекается в данном температурном интервале).
В альтернативе горение имеет место в наружной горелке (такой как горелка с ламинарным потоком), причем очень горячие выходящие газы с температурой примерно 900 или 1000°C пропускают через каналы второго газового потока реактора 14 в противотоке с потоком метана. В данном случае нет необходимости предусматривать листы фольги с керамическим покрытием или катализатором, но листы фольги улучшают теплообмен между каналом второго газового потока, несущим горячий выходящий газ, и реагентами в каналах реактора предварительной конверсии и реактора конверсии, при передаче тепла к разделяющим пластинам 71.
Как показано на Фиг.4, альтернативный реактор 80 имеет некоторые сходства с реактором 70 в содержании стопки пластин из Fecralloy-стали 81, причем каждая пластина является в основном прямоугольной, 125 мм длиной и 90 мм шириной и 2 мм толщиной. По центральной части каждой пластины 81 механической обработкой выполнены семь параллельных прямоугольных канавок 82, каждая шириной 4 мм и глубиной 0,75 мм, и с интервалом 5 мм, с коллекторной канавкой 84 такой же глубины на каждом конце, причем коллекторная канавка 84 идет к отверстию коллектора 83 недалеко от одного бокового края пластины 81. На верхней поверхности пластины 81, показанной на Фиг.4, газовый поток идет поэтому из отверстия 83 в нижней части слева к отверстию 83 в верхней части справа. Канавки на противоположной поверхности пластины 81 являются идентичными, но коллекторы (указаны ломаными линиями) идут к отверстиям коллектора 87 вблизи противоположных сторон пластины 81. Последующие пластины 81 имеют свои коллекторные канавки 84 в зеркальных положениях, так что смежные канавки 84 сообщаются с теми же парами отверстий коллектора 83 или 87. В каждой прямоугольной канавке 82 имеются три волнистые Fecralloy-листа фольги 86 а, b и с, каждая 50 мкм толщиной и с волнами высотой 1,5 мм, но отличающиеся шагом или длиной волны их волн. Для обеспечения точного совмещения пластин 81 в процессе сборки предусматриваются отверстия 85 на каждом конце, в которые устанавливают шпильки. Собирают стопку пластин 81 и листов фольги 86, сжимают и диффузионно соединяют вместе. Затем выполняют соединения камеры газового потока с отверстиями 83 и 87 в верхней части стопки, которые герметизируют в нижней части стопки. Реактор 80 отличается от реактора 70 не только тем, что имеет цельные коллекторы, определяемые отверстиями 83 и 87 (вместо камер 78), но дополнительно семь прорезей 88 через пластины 81 определяются в каждой кромке между прямоугольными канавками 82, причем каждая прорезь 82 имеет ширину 1 мм и длину 6 мм. После сборки стопки указанные прорези 88 обеспечивают путь потока для третьего газового потока, например, для предварительного нагрева газового потока.
Как в случае реактора 70, когда необходимо заменить катализатор, это может быть сделано отрезанием одной системы коллекторов, например, на плоскости 67-67 и затем извлечением листов фольги 86 из всех каналов, определяемых канавками 82, и заменой листов фольги 86. Отрезанные поверхности на плоскости 67-67 затем механической обработкой аккуратно выравнивают, повторно собирают и диффузионно соединяют вместе снова.
Как показано на Фиг. 5а и 5b, альтернативный реактор 90 содержит стопку волнистых листов фольги 92, разделенных рамами 93. Каждая рама (как показано на Фиг.5а) содержит в основном квадратную пластину 93 из Fecralloy-стали, 60 мм2 и 1 мм толщиной, которая определяет четыре прямоугольных отверстия 94, каждое 50 мм х 10 мм. На каждом конце пластины 93 имеется коллекторная канавка 95 глубиной 0,5 мм, соединяющаяся пазами с каждым отверстием 94. Вблизи углов каждой пластины 93 имеются коллекторные отверстия 96. Имеются два типа рамы, которые используются поочередно в стопке. В одном типе (как показано), коллекторные канавки 95 сообщаются с отверстиями 96 в нижней части слева и в верхней части справа пластины 93 (как показано), тогда как в другом типе (не показано) коллекторные канавки 95 сообщаются с отверстиями 96 в верхней части слева и в нижней части справа пластины 93. Каждая пластина из фольги 92 (как показано на Фиг.5b) является также квадратом 60 мм2 и толщиной 0,5 мм. Вблизи каждого угла определены коллекторные отверстия 96. Четыре прямоугольные зоны 98 (которые соответствуют отверстиям 94) являются волнистыми с амплитудой 0,5 мм выше и ниже плоскости фольги. На практике каждая такая зона 98 является в основном волнистой по одинаковому шаблону, но показаны четыре различных шаблона: зона 98а имеет волны продольно по каналу потока; зона 98b имеет волны, идущие поперек к направлению потока; зона 98с имеет углубления; тогда как зона 98d имеет как волны, идущие продольно, так и углубления. Реактор 90 состоит из стопки пластин фольги 92, разделенных двумя типами рамы 93, используемых поочередно, причем низ стопки содержит пустую квадратную пластину (не показано), за которой следует рама 93, и верх стопки содержит раму 93, покрытую квадратной пластиной (не показано), что определяет отверстия, соответствующие отверстиям 96. Стопку собирают, сжимают и диффузионно соединяют вместе.
Необходимо отметить, что пластины фольги в каналах в реакторах 70 и 80 могут быть с углублениями вместо волн, как в реакторе 90, и также могут быть перфорированными для обеспечения дополнительной турбулентности и смешения в каждом канале.
В дополнительной модификации вблизи выхода из реактора Фишера-Тропша 26 пластины фольги могут иметь профиль зубьев пилы вдоль, по меньшей мере, части канала потока (т.е. волны поперек к направлению потока, причем волны имеют амплитуду меньше высоты канала), с тем, чтобы ввести вихревой поток и инициировать отделение жидкости от газа.
В другой модификации пластины, которые выдерживают перепад давления между каналами, например пластины 42 в реакторе 40 или пластины 71 в реакторе 70, выполнены из металла, такого как титан, который может выдерживать высокие температуры и давления и который может быть легко диффузионно соединен, тогда как листы фольги, например 46 и 76, могут быть выполнены из Fecralloy-стали, если требуется керамическое покрытие (в качестве носителя катализатора).
В каналах горения каталитического реактора 14, если каталитическое горение используют для генерирования тепла (как указано), катализатор горения сам может быть покрыт тонким пористым инертным керамическим слоем с тем, чтобы ограничить контакт газовой смеси с катализатором и, таким образом, ограничить скорость реакции, в частности в начале канала. В дополнительной альтернативе горение может иметь место при повышенном давлении.
Как указано ранее, электрический нагрев пропусканием электрического тока непосредственно через пластины, образующие реактор, может быть использован первоначально для подъема температуры, например, каталитического реактора 14, например, до 400°C перед подачей газов для осуществления каталитического горения. Такой электрический нагрев также может быть использован в процессе работы для регулирования температуры реактора. Электрический нагрев также может быть использован вблизи выпуска реактора 14 для обеспечения того, чтобы температура, например, 900°C достигалась газами, подвергающимися конверсии.
Как указано ранее, тепло, выделившееся в синтезе Фишера-Тропша, может быть передано с использованием жидкого теплоносителя, такого как DOWTHERM A. Данный жидкий теплоноситель является эвтектической смесью двух очень стабильных соединений - бифенила (С12Н10) и дифенилоксида (С12Н10О), и давление в каналах, содержащих указанный жидкий теплоноситель, может быть таким, что последний остается как жидкая фаза или кипит.
В реакторе 14 температура в реакторе конверсии 16 определяет пропорции СО и СО2 в выходящих газах. При обеспечении того, что газовая смесь достигает высокой температуры, например 900°C или выше, по меньшей мере, вблизи конца реактора конверсии 16, пропорция СО становится максимальной. Указанный температурный профиль, например, может быть получен при постадийном введении метана (возможно с кислородом) в канал горения.
1. Каталитический реактор, включающий множество металлических листов, расположенных в стопке и связанных между собой, причем листы сформированы таким образом, чтобы определить каналы первого потока между смежными листами и каналы второго потока между смежными листами, чередуя каналы первого потока с каналами второго потока в стопке, и так, чтобы обеспечить хороший термический контакт между текучими средами в каналах первого и второго потоков, коллекторы для подачи текучей среды в каналы потоков, причем коллекторы являются такими, что различные текучие среды могут быть поданы в каналы первого и второго потоков, причем внутри каналов первого потока находятся проницаемые металлические теплопередающие слои, причем металлические теплопередающие слои являются удаляемыми и включающими каталитическое покрытие, содержащее катализатор горения, чтобы осуществить горение газовой смеси, текущей в каналах первого потока, отличающийся тем, что катализатор горения в по меньшей мере первой части канала покрыт инертным пористым керамическим слоем для уменьшения скорости реакции.
2. Каталитический реактор по п.1, в котором каналы первого и второго потоков являются менее 8 мм глубиной в направлении, перпендикулярном смежным металлическим листам.
3. Каталитический реактор по п.1, в котором удаляемые металлические теплопроводящие слои находятся в каналах как первого, так и второго потоков, причем каждый такой металлический теплопроводящий слой содержит волнистую металлическую фольгу.
4. Каталитический реактор по п.3, в котором в по меньшей мере одном из каналов шаг волнистой фольги меняется по длине канала.
5. Каталитический реактор по любому из пп.1-4, в котором направление потока каналов первого потока является поперечным направлению потока каналов второго потока.
6. Каталитический реактор по любому из пп.1-4 для осуществления конверсии метана с водяным паром, в котором удаляемые металлические теплопередающие слои расположены в каналах как первого, так и второго потоков и удаляемые теплопередающие слои в каналах второго потока включают катализатор конверсии метана с водяным паром.
7. Каталитический реактор по п.5 для осуществления конверсии метана с водяным паром, в котором удаляемые металлические теплопередающие слои расположены в каналах как первого, так и второго потоков и удаляемые теплопередающие слои в каналах второго потока включают катализатор конверсии метана с водяным паром.
8. Способ осуществления конверсии метана с водяным паром, в котором используют каталитический реактор по любому из пп.1-7.
