УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА РАДИАЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2006 года по МПК C01B3/38 B01J8/04 

Описание патента на изобретение RU2286308C2

Изобретение относится к устройству для осуществления парциального окисления газообразных углеводородных топлив с помощью соответствующего катализатора и может быть использовано для получения синтез-газа и дальнейшего его использования в энергоустановках на топливных элементах и в качестве добавок к топливу в двигатели внутреннего сгорания, а также в отопительных водогрейных системах для генерации тепла.

Известно устройство (см. патент RU 2175799 от 25.03.1997 г. «Установка риформинга для преобразования реагента в продукты реакции (варианты) и способ осуществления риформинга», опубликованный в бюллетене изобретений №31, 2001 г.), которое может работать в режиме частичного окисления углеводородного газа. Устройство предполагает для обеспечения изотермического режима окисления углеводородного газа использование пакета, в котором имеются последовательно расположенные инертные «теплопроводные пластины» и каталитические пластины, при этом изотермичность процесса обеспечивается хорошей (радиальной) теплопроводностью только «теплопроводной пластины». Известно, что парциальное окисление протекает через стадию сжигания метана и последующие реакции риформинга, поэтому из-за высокой экзотермичности реакции сжигания в первой части неподвижного слоя катализатора возникают «горячие точки», и поэтому каталитическое парциальное окисление метана проводят в реакторах при малых временах контакта (доли секунд) и термической теплопроводности слоя не менее 0,15 Дж/(сек·м·К) [M.Fathi, R.H.Hofstad, Т.Sperle, O.A.Rokstad, A.Holmen. Partial oxidation of methane to synthesis gas at very short contact times. // Catalysis Today 42, 1998, p.205-209]. Толщина каталитического слоя обеспечивает полную конверсию метана при времени контакта не выше 0,3 сек. Температура в каталитическом слое поднимается до 750-850°С. Наиболее подходящим материалом, пригодным работать в данных условиях длительное время, является сплав состава Fe-Ni-Cr-Al или Fe-Cr-Al. Передача тепла от поверхности каталитического слоя во внешний объем осуществляется в основном посредством конвекции и инфракрасного излучения, поэтому избежать возникновения локальных «горячих точек» на каталитической пластине возможно лишь значительным увеличением теплопроводности носителя катализатора, которая позволит перераспределить температуру по поперечному сечению каталитической пластины.

Недостатком данной конструкции является то, что изотермичность процесса обеспечивается установкой инертных «теплопроводных пластин». Эти пластины являются балластной массой в конструкции, и при теплопроводности материала этих пластин менее 16 Дж/(сек·м·К) пластины должны иметь толщину, в несколько раз большую, чем толщина каталитических пластин.

Известен каталитический реактор (см. патент RU 2208475 от 26.04.2001, опубликованный в бюллетене изобретений №20, 2003 г.) для получения синтез-газа радиального типа, содержащий газораспределительную трубку со слоем катализатора, который выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. Реактор имеет устройство подогрева для запуска его в работу. Газораспределительная трубка имеет отверстия перфорации с диаметром, меньшим критического диаметра, для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства является отсутствие освоенных промышленностью серийных технологий изготовления армированных пористых материалов, высокая трудоемкость и снижение общей каталитической активности в связи с использованием армирующих материалов.

Решаемой технической задачей является создание компактного устройства радиального типа для получения синтез-газа из углеводородного газа с повышенной эффективностью.

Решаемая задача достигается тем, что устройство для получения синтез-газа радиального типа содержит газораспределительную перфорированную трубку и катализатор.

Новым является выполнение катализатора в виде кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин и теплопроводных сепараторов с пазами, чередующихся между собой с образованием каналов для прохождения газовых потоков и соединенных между собой, при этом на обеих сторонах сепаратора выполнены пазы в форме эвольвенты от центра к периферии, при этом кольцевые пластины катализатора установлены перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки. Теплопроводные сепараторы выполнены металлическими, пазы в них выполнены методом химического травления с использованием фотолитографии. Теплопроводные металлопористые каталитические пластины выполнены методом пористого проката (см. Книга «Производство порошкового проката» под редакцией Сорокина, Москва, Металлургия, 2002 г.) или шликерного литья из теплопроводных металлических порошков с последующим нанесением пористой подложки из оксида магния или оксида алюминия, или оксида циркония и пропиткой каталитически активными элементами. Внутри газораспределительной перфорированной трубки расположена система запуска, которая состоит из смесителя с запальной свечой или электрического нагревательного элемента.

На фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства.

На фиг.2 представлен фрагмент каталитического блока.

На фиг.3 представлена конструкция сепаратора.

Устройство содержит герметичный цилиндрический корпус с расположенными в нем: смесителем 1, запальной свечой 2 или электрическим нагревательным элементом, газораспределительной перфорированной трубкой 3 и катализатором 4. Катализатор 4 (фиг.2) выполнен в виде пакета чередующихся между собой кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин 5 и теплопроводных сепараторов 6, установленных перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки 3. В сепараторах 6 от центра к периферии выполнены двухсторонние пазы 7 (N пазов шириной l, глубиной h), обеспечивающие радиальное прохождение реакционной смеси. Пазы 7 в сепараторах имеют по длине форму эвольвент, принадлежащих одному радиусу основной окружности. Для обеспечения равномерного распределения массового потока по пазам входной участок заужен до размера t. Суммарная глубина пазов сепаратора (с двух сторон) - до 50% толщины сепаратора S, направление пазов одной стороны сепаратора выполнено перекрестно направлению пазов другой стороны сепаратора. Габариты каталитического блока (D - наружный диаметр, d - внутренний диаметр и число каталитических пластин) определяются требуемой производительностью устройства. Пазы в сепараторах выполнены фрезерованием или методом химического травления с использованием фотолитографии. Материал сепаратора - сплав Fe-Cr-Ni-Al. Co стороны входа реформируемого потока пазы сепаратора выполнены меньшей ширины (см. элемент II фиг.3) с целью обеспечения равномерного распределения массового потока как по сечению, так и по длине каталитического блока. Пакет каталитических пластин и теплопроводных сепараторов, для обеспечения термического (теплового) контакта, стягивается между собой двумя жесткими фланцами, либо с помощью шпилек, либо гайкой через газораспределительную перфорированную трубку 3. Металлопористые теплопроводные каталитические пластины выполнены методом пористого проката или шликерного литья, пористостью 40...70%, с последующим нанесением пористой подложки и пропиткой каталитически активной массой. В качестве катализатора используют активные компоненты, содержащие родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси.

Материал металлопористых теплопроводных пластин - сплавы Fe-Ni-Cr-Al или Fe-Cr-Al с добавками иттрия. Кольцевой зазор, образованный внутренней поверхностью корпуса и наружной цилиндрической поверхностью каталитического пакета, образует коллектор отвода синтез-газа. Равномерное распределение реформируемой смеси по длине каталитического пакета обеспечивается газораспределительной перфорированной трубой 3, при этом диаметр отверстий перфорации должен быть меньше критического. Внутри газораспределительной перфорированной трубки 3 расположена система газового запуска, которая состоит из смесителя и запальной свечи (накаливания или искровой) или электрического нагревательного элемента (ТЭНа). Смеситель выполнен в виде центральной трубки с соплами-отверстиями, расположенными нормально наружной поверхности трубки для подачи углеводородного газа и кольцевой трубки, охватывающей центральную трубку для подачи воздуха, причем поток воздуха с помощью тангенциального ввода закручен относительно оси центральной трубки. Сопла подачи углеводородного газа расположены равномерно как по длине центральной трубки, так и по ее образующей, что обеспечивает гомогенность смеси углеводородный газ-воздух как на этапе парциального окисления, так и при пуске (разогреве) - в режиме полного окисления. При этом давление углеводородного газа должно быть несколько больше давления воздуха. Запуск реактора осуществляется прогревом каталитического пакета до температуры начала реакции парциального окисления. Прогрев каталитического пакета осуществляется прогревом продуктами окисления углеводородного газа, при этом воспламенение смеси углеводородный газ-воздух производится запальной свечой (накаливания или искровой).

Конструкция предлагаемого каталитического реактора за счет использования металлопористого теплопроводного каталитического носителя и теплопроводного металлического сепаратора, имеющих хорошую теплопроводность, обеспечивает режим, близкий к изотермическому. Номинальную производительность каталитического реактора можно изменять за счет набора слоев катализатора и сепараторов. Габариты каталитического реактора определяются требуемой производительностью, активностью катализатора. Рекомендуемая толщина каталитических пластин 1-2 мм, глубина пазов сепараторов 0.4-0.6 мм, ширина пазов сепараторов 3-15 мм.

Устройство работает следующим образом.

Исходные реагенты: углеводородный газ и воздух в соотношении α=0.65-1 подаются в штуцера входа углеводородного газа и воздуха соответственно. В смесителе 1 происходит перемешивание газов, и далее смешанный поток попадает в зону нагретой запальной свечи 2. Смесь загорается, и продуктами сгорания (дымными газами) происходит разогрев каталитического блока. При нагреве каталитического блока до температуры начала парциального окисления (500-600°С) изменяется соотношение углеводородный газ и воздух до α≈0.3-0.4. Данная смесь, проходя через каталитический блок, подвергается частичному окислению с выходом синтез-газа, содержащего до 33% водорода и до 16-17% оксида углерода, при использовании в качестве углеводородного газа природного газа.

Похожие патенты RU2286308C2

название год авторы номер документа
БОРТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА 2010
  • Киреенков Виктор Викторович
  • Кузин Николай Алексеевич
  • Кириллов Валерий Александрович
  • Ермаков Юрий Павлович
  • Собянин Владимир Александрович
RU2446092C2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА 2011
  • Лукшо Владислав Анатольевич
  • Платонов Евгений Арсентьевич
  • Долинский Сергей Эрикович
  • Панчишный Владимир Иванович
RU2480400C1
РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА 2011
  • Лукшо Владислав Анатольевич
  • Платонов Евгений Арсентьевич
  • Долинский Сергей Эрикович
  • Панчишный Владимир Иванович
RU2465194C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2014
  • Тихонов Виктор Иванович
  • Вихорева Юлия Васильевна
  • Щучкин Михаил Несторович
  • Чуканин Михаил Геннадьевич
RU2574254C1
РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА 2015
  • Новиков Валерий Нилович
  • Бризицкий Олег Федорович
  • Терентьев Валерий Яковлевич
RU2580738C1
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ 2004
  • Кузин Николай Алексеевич
  • Кириллов Валерий Александрович
  • Киреенков Виктор Викторович
  • Кузьмин Валерий Александрович
  • Ермаков Юрий Павлович
  • Бобрин Александр Сергеевич
  • Захарченко Владимир Борисович
RU2269725C1
ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ 2001
  • Кузин Н.А.
  • Кириллов В.А.
  • Захарченко В.Б.
  • Ермаков Ю.П.
  • Бобрин А.С.
  • Лукьянов Б.Н.
  • Куликов А.В.
  • Никифоров В.Н.
  • Козодоев Л.В.
RU2209378C2
СПОСОБ ДВУХСТАДИЙНОГО СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Бризицкий Олег Федорович
  • Терентьев Валерий Яковлевич
  • Христолюбов Александр Павлович
  • Кириллов Валерий Александрович
  • Кузин Николай Алексеевич
  • Собянин Владимир Александрович
  • Кузьмин Валерий Александрович
  • Киреенков Виктор Викторович
  • Ермаков Юрий Павлович
RU2350839C1
ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ 2001
  • Кириллов В.А.
  • Кузин Н.А.
  • Куликов А.В.
  • Лукьянов Б.Н.
  • Захарченко В.Б.
  • Ермаков Ю.П.
  • Никифоров В.Н.
  • Козодоев Л.В.
RU2206835C2
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА 2001
  • Кириллов В.А.
  • Кузин Н.А.
  • Куликов А.В.
  • Лукьянов Б.Н.
  • Захарченко В.Б.
  • Ермаков Ю.П.
  • Никифоров В.Н.
  • Козодоев Л.В.
RU2208475C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 286 308 C2

Реферат патента 2006 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА РАДИАЛЬНОГО ТИПА

Изобретение относится к устройству для осуществления окисления газообразных углеводородных топлив с помощью катализатора и может быть использовано для получения синтез-газа. Устройство для получения синтез-газа радиального типа содержит газораспределительную перфорированную трубку 3 и катализатор 4. Катализатор выполнен в виде кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин и теплопроводных сепараторов с пазами, чередующихся между собой с образованием каналов для прохождения газовых потоков и соединенных между собой. На обеих сторонах сепаратора 6 выполнены пазы 7 в форме эвольвенты от центра к периферии. Кольцевые пластины катализатора установлены перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки 3. Внутри газораспределительной перфорированной трубки 3 расположена система запуска, которая состоит из смесителя 1 с запальной свечой 2 или электрического нагревательного элемента. Изобретение компактно и эффективно. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения RU 2 286 308 C2

1. Устройство для получения синтез-газа радиального типа, содержащее газораспределительную перфорированную трубку и катализатор, отличающееся тем, что катализатор выполнен в виде кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин и теплопроводных сепараторов с пазами, чередующихся между собой с образованием каналов для прохождения газовых потоков и соединенных между собой, при этом на обеих сторонах сепаратора выполнены пазы в форме эвольвенты от центра к периферии, кольцевые пластины катализатора установлены перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводные сепараторы выполнены металлическими.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводные металлопористые каталитические пластины выполнены методом пористого проката из теплопроводных металлических порошков с последующим нанесением оксида магния и каталитически активной массы.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пазы в сепараторе выполнены методом химического травления с использованием фотолитографии.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри газораспределительной перфорированной трубки расположена система запуска.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система запуска состоит из смесителя с запальной свечой или электрического нагревательного элемента.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2286308C2

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА 2001
  • Кириллов В.А.
  • Кузин Н.А.
  • Куликов А.В.
  • Лукьянов Б.Н.
  • Захарченко В.Б.
  • Ермаков Ю.П.
  • Никифоров В.Н.
  • Козодоев Л.В.
RU2208475C2
УСТАНОВКА РЕФОРМИНГА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РЕАГЕНТА В ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕФОРМИНГА 1997
  • Хоуг Итан Д.
  • Хсу Майкл С.
RU2175799C2
РЕАКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА 2000
  • Корабельников А.В.
  • Куранов А.Л.
  • Турчак А.А.
  • Фрайштадт В.Л.
RU2192924C2
КАТАЛИЗАТОР И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДНЫХ ИЗ СИНТЕЗ-ГАЗА 2001
  • Итенберг И.Ш.
  • Кириллов В.А.
  • Кузин Н.А.
  • Пармон В.Н.
  • Сипатров А.Г.
  • Хасин А.А.
  • Чермашенцева Г.К.
  • Юрьева Т.М.
RU2210432C1
WO 03033431 A1, 24.04.2003.

RU 2 286 308 C2

Авторы

Бризицкий Олег Федорович

Терентьев Валерий Яковлевич

Христолюбов Александр Павлович

Кириллов Валерий Александрович

Кузин Николай Алексеевич

Собянин Владимир Александрович

Пармон Валентин Николаевич

Даты

2006-10-27Публикация

2005-01-31Подача